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垃圾填埋场填埋气发电工程设计 * 王声东 上海环境卫生工程设计院， 上海 200232 摘要 简要介绍生活垃圾填埋场填埋气发电工程设计， 对采用燃气发电机组综合利用填埋气进行探讨， 并分析沼气利 用对填埋场节能和碳减排的作用。 关键词 填埋气; 甲烷; 发电; 碳减排 DESIGN OF A POWER GENERATING PROJECT USING LANDFILL GAS FROM LANDFILL SITES Wang Shengdong Shanghai Environmental Sanitary Engineering Design Institute，Shanghai 200232，China AbstractIt was presented briefly the design of a power generating project using the landfill gas from landfill sites of domestic refuses;it was also explored the comprehensive utilization of landfill gases by gas-fired generating units.Finally it was analyzed the effect of using methane on the energy-saving and CO2emission reduction of landfill sites. Keywordslandfill gas;methane;electricity generating;CO2emission reduction * 日本外商投资项目。 垃圾填埋场的填埋气的主要成分是 CH4和 CO2， 是造成温室效应的主要因素， 其中 CH4的温室效应 是 CO2的 21 倍。根据美国统计， 在 CH 4排放方面， 垃圾填埋场的贡献率是 37 ， 为 “第一大户” 。此外， CH4是易燃易爆气体， 填埋场存在因填埋气导排不当 而引发爆炸的危险。 CH4具有较高热值， 可作为燃料使用， 是一种清 洁燃料。用抽气的方式对填埋气主动导排可将场内 产生的填埋气体抽出， 作为能源利用， 可阻止气体迁 移， 减少环境污染， 消除安全隐患。而且， 根据京都议 定书， 利用填埋气可申报 CDM 项目， 通过碳减排交易 获得一定的收益， 所以， 对现有填埋场填埋气开展综 合利用， 受到了越来越广泛的关注。 1工程背景 某垃圾填埋场海拔 450 ～ 480 m， 离城区 14 ～ 17 km。地形平面上呈 “T” 字型， 由东区、 西区和北区 3 个 区 域 组成， 设 计 使 用 年 限13 a 1995 年2008 年 ， 总面积约为 23. 5 万 m2， 设计库容为 473 万 m3， 设计终场标高约为 505. 0 ～ 510. 0 m。 填埋场原铺设的气体导排井主要用于自然导排， 导排效果差， 且由于填埋作业不规范导致垃圾堆体沉 降不均匀， 部分导气管已经失效。现场甲烷监测结果 表明 场内取样测点的检出率均为 100 ， 质量浓度 在 7. 4 ～ 102 mg/m3， 5 天均值为32. 38 mg/m3， 填埋 气对周边环境存在较严重的污染和危害。为了彻底 解决填埋气的危害问题， 并展开填埋气的综合利用， 在当地政府的政策指引下， 进行了招商引资， 实施填 埋气发电工程。 2填埋气产生 2. 1产气规律 垃圾在填埋一段时间后， 由于厌氧微生物的作 用， 会产生浓度较高、 一定数量的填埋气体， 其主要成 分为 CH4、 CO2， 同时还含有不少于 1 的挥发性有机 物 VOC 。 填埋场产生的气体往往需要几个月才能达到一 个稳定量。在填埋最初几个星期或几个月内， 场内进 行好氧反应， 主要产生 CO2， 渗入堆场的水及堆物的 沉降将挤走垃圾空隙中的空气， 这样， 好氧阶段释放 出的气体仍然含有 O2和 N2。当堆场变成厌氧时， O2 释放量降到几乎为 0， N2为低于 1 的基本量。厌氧 过程主要气体终产物为 CO2和 CH4。当甲烷菌增殖 时， CH4产量的聚集相当缓慢。气体最终比率通常为 甲烷体积分数为 55 ， 二氧化碳体积分数为 45 。 88 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 该体积分数因不同填埋场的条件会有很大变化。同 时存在的还有微量的 N2、 H2S 及乙烷、 辛烷、 庚烷等 气态碳氢化合物。一般垃圾填埋后要经历 4 段时间 1 好氧期 持续时间为几天到数周， 产生的主要 气体是 CO2。 2 厌氧、 不产甲烷期 厌氧分解开始， 产生大量 的 CO2和 H2。 3 厌氧、 产甲烷不稳定期 出现甲烷， CO2的产生 量减少， H2被耗尽。 4 厌氧、 产甲烷稳定期 气体成分趋于稳定， 通 常达到厌氧稳定状态需 1 ～ 2 a。 由于国内大部分城市填埋垃圾均未分拣和压实， 垃圾中水分、 易腐蚀的有机物含量高， 导致填埋垃圾 产气时间短、 产气量变化幅度大、 气体热值较低。根 据国内现有的研究数据， 垃圾在填埋后 1 ～ 2 a内就开 始产气， 并迅速达到产气高峰， 在随后的几年中又迅 速下降， 整个产气周期不超过15 a。 2. 2影响因素 垃圾组分、 水分、 温度、 养分、 pH 和缓冲能力、 垃 圾密度和粒径等反应条件都对填埋气体的产生速率 和总量有重大的影响。 3填埋场产气量预测 3. 1单位质量垃圾最大产气量 有多种计算填埋场产气量的方法， 如化学计量式 模型、 COD 估算模型， 其中最基本的方法是有机碳 法。它是根据垃圾中有机碳含量和有机碳转化为填 埋气的比例来计算垃圾的最大产气量。计算公式如 式 1 Wi KiPi 1 － M Ci 1 式中Wi 单位质量垃圾中可分解为填埋气体的 含碳量; Pi 垃圾中可降解有机物含量; Ki 有机物含量修正系数 约 2 /3 ; M 垃圾含水量， ; Ci 垃圾中有机物含碳量。 由于在标准状态下， 12 g碳可转为气体22. 4 L， 则单位质量垃圾在标准状态下可分解为填埋气气体 体积见式 2 G K2K3∑ n i 1 Wi 22. 4 /12 2 式中G 标准状态下填埋气气体体积; K2 修正系数 约 0. 90 ; K3 填 埋 场 实 际 厌 氧 条 件 修 正 值，可 取 0. 80。 根据各年的垃圾成分资料， 垃圾最大产气量是不 同的， 计算结果见表 1。 表 1各年份单位垃圾质量最大产气量 m3/t 1995 年1996 年1997 年1998 年1999 年2000 年2001 年2002 年 2003 年2008 年 54. 454. 454. 456. 361. 864. 163. 266. 465. 0 3. 2垃圾产气率 目前有多种垃圾产气率的计算方法， 本工程采用 Marticorena 动力学模型， 该模型认为填埋场中的垃圾 是按年份分层填埋的， 模型公式如式 3 MP MP0exp － t/d 3 式中MP0 新鲜垃圾产气能力， 根据式 2 计算; MP 第 t 年垃圾产气能力; d 垃圾持续产甲烷时间， 根据有关资 料， 国内垃圾可取15 a。 对垃圾填埋场， 从使用到封场， 一般要经过十几 年或几十年， 因此其产气过程是一个漫长的过程。为 简化计算， 实际应用中， 一般是对每一年的填埋垃圾 计算， 然后对各年的垃圾产气速率进行叠加后得出各 年总的产气量。 但是， 在任何情况下， 总有一部分填埋气体是难 以有效收集 1 困在中间黏土层的填埋气体无法到 达集气井; 2 如果没有完全覆盖， 一部分填埋气体会 从表面逸出。 根据封场覆盖实际情况和垃圾填埋量， 各年填埋 气收集量与年份的关系见图 1 所示。 图 1收集气量与时间关系 3. 3填埋气收集量 填埋气抽气量大小要满足安全、 环保的要求。本 垃圾填埋场在实际抽气过程中靠近垃圾边界的抽气 井必须实行小负压、 小流量的方式抽气， 以免过多的 空气抽进风管而造成危险， 抽风管中的填埋气， 氧含 量应 5 000 kW的工程; 燃气轮机发电机组设备价 格较贵， 对填埋气前处理要求高; 用燃气内燃机组进 行填埋气发电， 投资小， 见效快， 运行维护相对简单， 而且产品功率等级覆盖百千瓦级到兆瓦级。因此， 本 工程推荐采用燃气内燃机。 7主要工程内容 整个填埋气利用系统工艺流程如图 3 所示。 图 3填埋气利用工艺流程 7. 1填埋气收集系统 填埋气收集采用重新穿孔布设石笼的方式， 石笼 间距 40 ～ 50 m， 深度 20 ～ 25 m， 石笼顶部采用管道连 接到集气站， 最后由集气总管引入预处理系统。 7. 2填埋气预处理单元 预处理系统主要包括 进气罐、 填埋气冷凝器、 风 冷型工业冷水机组、 冷媒水循环系统、 气水旋风分离 器、 输送风机、 空冷器、 精细过滤器、 监测与控制系统。 7. 3填埋气脱硫系统 填埋 气 含 硫 量 的 体 积 分 数 在 200 ～ 500 10 － 6， 高于发电机组设备要求。结合国内垃圾的特 性， 为了保证电站设备运行的可靠性， 须采用脱硫 工艺。 脱硫有两种方法 干式脱硫法和湿式脱硫法。由 于干式脱硫法存在占地面积大， 投资成本高， 且在运 行过程中脱硫填料的还原工艺复杂， 操作繁琐， 运行 成本高等缺点， 因此本工程采用了湿式脱硫工艺。 脱硫系统由 2 个部分组成 湿式洗涤系统、 化学 09 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 加药系统。在脱硫同时， 脱硫塔还能起到对气体进行 洗涤的作用。脱硫设计效率为 95 。 7. 4填埋气火炬系统 当收集的填埋气量超过发电机组的能力引起输 送总管压力升高时， 控制系统将自动开启总管上通往 火炬燃烧器的调节阀， 由火炬燃烧器消耗掉。 7. 5发电机组及其附属系统 本工程采用 2 台奥地利颜巴赫 JGS 316 GS － L L 型垃 圾 填 埋 气 体 内 燃 发 电 机 组， 发 电 总 容 量 为 1 650 kW， 预留 1 台825 kW 发电机组的扩展能力。 发电机组包括 燃气系统、冷却水系统、 机油调配系 统、 废油收集系统、 发动机排气系统。 7. 6平面布置 发电厂地块南北长36. 2 m， 东西宽44 m， 总占地 面积1 593 m2。主要由厂房、 办公楼、 传达室和室外 区域 4 个部分组成。 厂房宽24. 4 m， 长18. 4 m， 总面积约为449 m2 ， 由 机房 216 m2 、 配电间 108 m2 、 控制室 72 m2 、 工 具间， 零备件间和消防泵房组成。 室外区域包括 预处理单元、 沼气火炬和脱硫模 块、 润滑油存放桶。 7. 7投资与运行 投资约2 734万元， 本工程沼气收集投资约 425 万元， 发电工程投资约1 642万元， 公用工程投资约 252 万元， 其他费用 425 万元。 项目年经营成本 177. 23 万元， 单位经营成本 0. 174 元 / kWh 。 工程于 2008 年 10 月竣工验收进入试运行， 目前 已经稳定运行了 1 年多时间。 8结论 1 填埋气作为一种新能源， 已日益被人们所接 受。该 项 目 建 成 后，年 最 大 处 理 填 埋 气 量 约 1 200 万 m3， 最大年发电量约1 800万 kWh ， 按此 计算相当于年节约标准煤量为8 000 t， 减少 CO2温室 气体排放量约11 万 t。 2 湿法脱硫系统对填埋气预处理后， 效果显著， 有效减少了发电机机组机油更换频次。 作者通信处王声东200232上海市石龙路 345 弄 11 号上海环 境卫生工程设计院 电话 021 54085378- 2324 E- mailwangsd huanke. com. cn 2010 － 02 － 02 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 5 页 在2. 0 mg/L， 既能在低进水浓度的条件下维持运行 又能抵抗短时冲击负荷。此外还应注意要及时排泥， 工业废水的进入导致一些影响微生物活性的成分随 活性污泥存在于系统中， 致使污泥有时性状不佳， 因 此需要及时排泥以保证活性污泥的正常生长。 3 加强系统的日常维护。在调试过程中出现了 一些电气、 机械等方面的故障影响正常运行。今后应 加强对设备、 器材的检修维护， 建立设备运行档案， 及 时掌握设备运行状况。同时制定合理的操作维护手 册和巡检制度， 以便及时发现运行中的异常情况而采 取相应措施， 使实际运行更为合理。 4结论 1 在对污水厂进行调试之前， 应对进水水质、 水 量等情况做详细调查以确定污泥培养的方案。低浓 度的进水条件不利于活性污泥的培养驯化， 启动初期 为了保持微生物的稳定增长， 可以向池内投加粪便以 补充活性污泥所需的养料。 2 通过引入部分工业废水至生物处理系统， 以 提高进水有机底物浓度。但需严格监控进水有机物 浓度， 避免工业废水的大量渗入对系统造成破坏性 影响。 3 应根据实际情况灵活调控工艺参数， 维持适 当的污泥浓度和溶解氧浓度并及时排泥， 还应加强设 备的管理维护及时掌握设备运行状况， 建立完善的各 种规章制度以确保污水厂的高效运行。 参考文献 ［1 ］ 张自杰. 废水处理理论与设计［M］ . 北京 中国建筑工业出版 社， 2003 234- 237. ［2 ］ Jim D，Wang B Z，Wang L. Design and operation of a wastewater treatment plant treating low concentration of municipal wastewater ［J］ . Wat Sci Tech，1998， 38 3 167- 172. 作者通信处侯巧玲101122北京市朝阳区西大望路 12 号北京城 建道桥公司 417 室 电话 010 52087252 E- mail ashly05062 163. com 2009 － 10 － 30 收稿 19 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期