垃圾填埋場沼氣產(chǎn)氣發(fā)電分析

鄭偉峰

（中國輕工業(yè)廣州工程有限公司，廣東廣州511447）

0 引言

垃圾填埋是垃圾無害化處理方式之一。在城市垃圾填埋處理過程中，不斷釋放的臭氣是一個難以根除的難題，這些在垃圾填埋過程中產(chǎn)生的大量填埋氣中含有40%～60%的甲烷，還含有一定含量的氧氣、氫氣，使處理填埋場臭氣造成了一定的難度。因此，開發(fā)具有無污染、價格低等特點(diǎn)的新型清潔能源，越來越受到國家的重視。垃圾填埋場沼氣的綜合利用就是其中之一。垃圾填埋法產(chǎn)生沼氣作為處理城市垃圾的主要方式之一，具有簡單易行和費(fèi)用較低的特點(diǎn)，同時還可回收能源，受到世界各國的普遍歡迎。

1 產(chǎn)氣量計算

本文針對某垃圾填埋場進(jìn)行了工藝設(shè)計。該工程占地65萬m2，工程投資2.46億元，整體容量達(dá)到1 120萬m3。目前該填埋場每天產(chǎn)生垃圾1 500 t左右，其中600 t可經(jīng)垃圾發(fā)電場焚燒處理。

1.1 理論甲烷產(chǎn)量

垃圾產(chǎn)氣量與垃圾中可降解有機(jī)物的質(zhì)和量相關(guān)。從理論上分析，在垃圾組分確定后，相應(yīng)單位垃圾的產(chǎn)氣量基本為定值。參照《三廢處理工程技術(shù)手冊》中相應(yīng)的計算公式，本文確定采用生物降解理論模型來計算垃圾中各組分可生成的甲烷量Li，其計算公式如下：

式中：Li為有機(jī)組分i可生產(chǎn)甲烷氣的量（L/kg）；K為經(jīng)驗系數(shù)，取值526.5 L/kg；Bi為有機(jī)組分i在垃圾中所占的比例（%）；Wi為有機(jī)組分i的含水率（%）；Ci為有機(jī)組分i的揮發(fā)性固體含量（%）；Vi為有機(jī)組分i的揮發(fā)性固體含量中可生物降解率（%）。

一般而言，新建垃圾場產(chǎn)生的甲烷占填埋氣的40%～60%。將該填埋場導(dǎo)氣石籠中的甲烷含量的例行監(jiān)測結(jié)果取為55%，由單位質(zhì)量垃圾可生成的甲烷的量∑Li，可計算單位質(zhì)量垃圾的填埋氣產(chǎn)生量，計算公式如下：

式中：L0為單位垃圾的填埋氣產(chǎn)生量（m3/t）；k為修正系數(shù)；Li為組分i可生產(chǎn)甲烷氣的量（L/kg）。

考慮到甲烷的產(chǎn)生主要是由垃圾中的有機(jī)物質(zhì)降解而形成的，垃圾送至填埋場之后，在填埋前經(jīng)過了廢物分選回收等措施，這導(dǎo)致真正被填埋的有機(jī)物有所減少，同時填埋場內(nèi)實(shí)際處于厭氧條件的垃圾的均勻性與理論上有很大差別，這兩種因素都會導(dǎo)致理論產(chǎn)氣量的計算結(jié)果有偏差，因此設(shè)置了修正系數(shù)k，本方案中取系數(shù)0.6來修正。

將該市主城區(qū)生活垃圾取樣調(diào)查結(jié)果的數(shù)據(jù)代入上式，可以計算出該垃圾填埋場單位質(zhì)量的濕垃圾可產(chǎn)生的填埋氣的量為91.82 m3/t。

1.2 實(shí)際沼氣產(chǎn)量

垃圾產(chǎn)氣速率是指在單位時間內(nèi)單位質(zhì)量垃圾的產(chǎn)氣量。產(chǎn)氣速率與垃圾成分、外界環(huán)境等諸多因素有關(guān)，不同的垃圾填埋場填埋氣體的產(chǎn)氣速率差異較大。根據(jù)國內(nèi)外對產(chǎn)氣速率的研究，目前應(yīng)用最多的是指數(shù)模型，即：

式中：R為產(chǎn)氣速率[m3/（t·a）]；K為產(chǎn)氣速率常數(shù)（1/a）；L0為垃圾理論產(chǎn)氣量（m3/t）；i為填埋年限。

對于垃圾填埋場，每年填埋氣體產(chǎn)生量均遵循上式。填埋場第p年封場，則開始填埋后第i年的填埋氣體產(chǎn)生量為：

填埋場封場后第i年的填埋氣體產(chǎn)生量為：

式中：Qi為第i年的填埋氣體產(chǎn)量（萬m3/a）；Wj為第j年的填埋量（萬t）；K為產(chǎn)氣速率常數(shù)（1/a）；L0為垃圾理論產(chǎn)氣量（m3/t）；i為垃圾填埋年限；N為填埋場終場年限。

其中，產(chǎn)氣速率常數(shù)K的取值較寬泛，不同填埋場的產(chǎn)氣速率常數(shù)彼此差別很大。在充分考慮到該填埋場自身特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，同時參考國內(nèi)其他垃圾填埋場的產(chǎn)氣實(shí)驗結(jié)果所求得的K值，本方案該填埋場產(chǎn)氣速率常數(shù)K值取0.12。

由上述兩組計算公式可計算出填埋氣的歷年產(chǎn)量，可得最大產(chǎn)氣量發(fā)生在2030年，可達(dá)2 710萬m3/a，隨后產(chǎn)氣量逐年減少。

2 發(fā)電分析

由于沼氣收集系統(tǒng)的收集效率受填埋場整體管理水平等方面因素的影響，填埋場所產(chǎn)生的填埋氣不可能實(shí)現(xiàn)全部回收利用。本項目考慮到該填埋場氣體收集系統(tǒng)的整體現(xiàn)狀，同時參考國內(nèi)其他填埋場的抽氣實(shí)驗沼氣回收率，將該填埋場的沼氣回收率取為60%，即填埋場實(shí)際產(chǎn)生的填埋氣有60%可以經(jīng)氣體收集系統(tǒng)統(tǒng)一收集后送至填埋氣發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電。

根據(jù)該填埋場沼氣理論產(chǎn)量的預(yù)測，可以計算出各年份的沼氣回收量及發(fā)電量。

根據(jù)燃?xì)鈾C(jī)的熱負(fù)荷表，經(jīng)平衡計算，最大負(fù)荷時以完全消耗沼氣為準(zhǔn)。

該填埋場沼氣發(fā)電項目一期（2020年）先上1臺1 000 kW發(fā)電機(jī)組，根據(jù)填埋量在二期（2022年）再上1臺，所以近期為1臺1 000 kW機(jī)組，中遠(yuǎn)期為2臺發(fā)電機(jī)組。單位體積沼氣發(fā)電量為1.7 kWh/m3；沼氣發(fā)電系統(tǒng)按年運(yùn)行時間＞7 500 h/a。按目前一期的裝機(jī)容量，一期工程時沼氣耗量為588.23 m3/h，每天沼氣耗量為14.12×103m3，年沼氣耗量大于4.41×106m3；二期工程時沼氣耗量為1 176.46 m3/h，每天沼氣耗量為28.24×103m3，年沼氣耗量大于8.82×106m3。

根據(jù)以上實(shí)際沼氣產(chǎn)量的計算公式計算，在2020年，小時產(chǎn)氣量734.96 m3，日產(chǎn)氣量17 639 m3，年產(chǎn)氣量643.82萬m3；在2022年，小時產(chǎn)氣量1 440.77 m3，日產(chǎn)氣量34 579 m3，年產(chǎn)氣量1 262.12萬m3。因此，該填埋場所產(chǎn)生的沼氣能滿足一期工程沼氣用量（年運(yùn)行時間＞7 500 h），并且按目前的垃圾填埋量及發(fā)展趨勢估算，該填埋場所產(chǎn)生的沼氣也能滿足二期工程沼氣用量（年運(yùn)行時間＞7 500 h）。

3 沼氣的收集與輸送

由填埋場產(chǎn)生的沼氣通過抽氣井抽取，進(jìn)入集氣管網(wǎng)，輸送至抽氣站匯集，再用羅茨風(fēng)機(jī)輸送至內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

本項目采用的是QC-03氣體預(yù)處理系統(tǒng)，經(jīng)氣體預(yù)處理系統(tǒng)處理后的氣體主要指標(biāo)如表1所示。

表1 經(jīng)氣體預(yù)處理系統(tǒng)處理后的氣體主要指標(biāo)

4 結(jié)語

沼氣收集系統(tǒng)的收集效率受填埋場整體管理水平等方面因素的影響，因此提高垃圾填埋場的管理水平是提高填埋場產(chǎn)氣回收率的重要途徑。目前國內(nèi)的垃圾填埋場的沼氣回收率普遍存在可提高的空間，通過合理計算提高沼氣回收率，對于提高發(fā)電量有著重要的意義。