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固 废 处 理 垂直气井和横向气管收集填埋气的特性比较 ＊ 朱 燕 李 田 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海 200092 摘要 以欧洲最大的一家垃圾填埋场的运行为实例, 分别从集气质量、抽吸负压、投资费用等方面, 对垂直气井和横向 气管 2种不同的集气方式进行分析比较, 总结其各自的特点及适用范围, 为国内卫生填埋场的建设及运行控制提供参 照和建议。 关键词 填埋气 收集系统 垂直气井 横向气管 ＊法国 Plessis -Gassot 垃圾填埋场不同集气方式特性分析比较项目, 由 Plessis -Gassot 填埋场资助。 1 前言 填埋气 Landfill Gas, LFG 主要含有的 CH4和 CO2是典型的温室气体, 对环境能造成严重的危害; 另一方面 LFG 所含有的 CH4具有很高的热值, 可作 为再生能源 。因此 LFG 的收集和利用成为垃圾填埋 场设计与运行中一项不可忽视的工作 [ 1,2] 。目前国内 外普遍采用垂直气井进行 LFG 的疏导。近年来国外 一些先进填埋场尝试采用横向气管收集 LFG, 而国内 填埋场 LFG 的收集工程刚刚起步 , 对横向气管收集 系统的研究和应用更是少见。 Plessis- Gassot 垃圾填埋场地处法国巴黎东部, 是 欧洲规模最大的填埋场 , 具有 40 多年填埋垃圾的丰 富经验,LFG 的回收利用规模处于欧洲领先水平。在 40 年的填埋历史中 ,该场尝试采用不同的集气方式 收集 LFG 。实践证明 ,横管集气的效果明显优于传统 的竖井方式。目前该厂在所有新的填埋单元内均采 用横向气管收集方式 ,垂直气井收集仅作补充 。笔者 在Plessis-Gassot 垃圾填埋场实习期间 ,对该场多年的 历史运行数据进行统计, 系统地总结分析了两种集气 方式的运行效果及投资费用, 此外对其各自的特点及 适用范围进行了总结 。以期为国内卫生填埋场的建 设和运行管理提供参数和建议 。 2 研究方法 Plessis-Gassot 填埋场已完成的 4 个填埋单元中, 一个采用竖井集气收集系统 , 一个采用横管集气方 式,其余 2个为 2种集气方式相结合。在此选取竖井 收集的 C1 和横向集气的 C4 填埋单元为研究比较对 象。2 个填埋单元的相关参数见表 1。 表 1 C1和 C4填埋单元的参数统计 项目C1C4 面积 m2 91 39293 994 存储的垃圾量 t1 280 9471 305 451 密度 tm- 30. 890 . 90 收集方式竖井集气横管集气 作业时间 年. 月1995. 6～ 1997. 72000. 6～ 2002 . 7 开始收集 LFG 时间 年. 月1997. 82001. 11 由表 1 可知 ,2 个填埋单元除 LFG 收集方式和作 业时间之外 ,其他的各项参数均相似 。统计多年保存 的数据得知 ,C1 和C4 单元所含的垃圾在种类和含量 上没有明显区别 , 均由污泥 、 生活垃圾 、 绿色垃圾、一 般公司无危害垃圾及不可发酵的已稳定的垃圾组成, C4中不可发酵的稳定垃圾总含量比 C1稍多。 Plessis- Gassot 垃圾填埋场采用气体流量计、压力 计、 自动气体分析仪等对 LFG 进行严格的监测控制, 确定其流量、CH4、CO2、 O2的含量和温度等参 数。通过调节阀门来调整抽吸速度, 保证 LFG 的质 量符合后续利用标准 。除了控制中心对进站气体进 行实时分析外, 其余单个填埋区域采用人工采样分 析 横向气管每 2 个月检测 1 次 ,各个填埋区域阀门 1 周检测 2 次。 3 数据与分析 采用 2002 年 1 月 ～ 2004 年 7 月 共 31 个月 监 测阀门数据的月加权平均值, 计算C1和 C4 单元的抽 吸量 、 抽吸负压 、 温度以及 LFG 中CH4、 CO2、 O2 的含量 。分别比较 C1 和 C4 单元 LFG 的质量、 C1 和 C4抽气量和抽吸负压 、 两种系统的收集效率及其投 资与运行费用。 53 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 3. 1 C1和 C4 单元 LFG 质量比较 经数据整理 ,C1 和 C4 单元中 LFG 的主要成分 CH4和 CO2两者的体积分数 浓度 变化范围分别为 40～ 60 和 25～ 35。CH4 CO2之比均处于1～ 1. 5 范围 [ 3] 。这 2 种成分的浓度在垃圾填埋后几周或 数月后就达到稳定状态, 可见该 2 个填埋单元运行 正常 。 图 1 C1 和C4 中CH4、 O2含量的变化 比较 2个填埋单元的LFG 质量。由图 1可知,C1 单元的 LFG 中甲烷含量要低于 C4, 氧含量要高于 C4。由于 2个填埋单元在垃圾成分,压实密度等方面 均相似 ,可以认为横向气管收集的 LFG 质量高于竖 向气井的收集质量。 LFG 的质量与雨量有密切关系。旱季时收集的 LFG 质量有所下降, 雨季时收集的气体质量较高。由 场内雨量计可知 ,2003 年夏季异常干旱, 因此 2003 年 9～ 11月 ,LFG 中O2 含量较多 ,CH4含量减小。这 与集气设施的结构有关 。垂直气井的井头在土地发 生龟裂时易吸入空气, 而横向气管平铺于 4 ～ 5 m 厚 的垃圾之间,既使在旱季 ,所受影响较小 。因此,较垂 直气井而言,横向气管收集的 LFG 质量较高。 3. 2 C1和 C4 单元抽气量和抽吸负压比较 由图 2 可知, 填埋年龄较长的 C1 单元的抽吸量 和所施负压均明显小于刚完成填埋作业的 C4 单元, 但其稳定程度要高于 C4 单元 。抽气量与抽吸负压大 致成正比关系, 即负压越大, 抽吸的气体量越大 。C1 所施负压的范围为 -8 ～ -23 mbar, 平均压力为 - 17 mbar 。 随着填埋年龄的增长,C4单元的抽吸负压 不断提高 ,由开始时 - 10 mbar 增至 -50 mbar。这是 因为抽吸初始填埋单元内集聚了丰富的 LFG, 较小负 压即可满足抽吸要求; 随着抽吸的继续 , 单元内仅剩 当前所产生的 LFG, 必须不断提高负压以保证足量的 LFG 输送至后续利用系统 。因此, 在抽气过程中要注 意抽气量与抽吸压力间的关系 。 除雨量、 大气压等因素会影响抽吸压力及抽吸量 的关系外, 横向气管收集系统中冷凝液对 LFG 的抽 吸没显著的影响。C4 单元在 2004 年 2 月 25 月 的 图2 C1和 C4 的抽气量和抽吸负压的变化 抽气量突减至最低值 ,经检测发现管内积聚冷凝液 。 3. 3 收集效率比较 采用 l INSA de Toulouse 的 LIPE SWANA 模型对 2 个填埋单元进行产气量估算 [ 4] 。根据模型估算结 果对比实际收集量, 垂直气井的收集效率约为 75, 横管集气的收集效率约为 90。结合法国 Creed 研 究所METAN 研究项目的数据, 竖井集气系统的填埋 单元外逸的 LFG 为 13. 5 m 3 h ,横向集气系统的填埋 单元外逸的 LFG 为 3. 0 m 3 h[ 5] 。可见横向收集系统 的效果明显优于竖井集气方式 。 3. 4 投资运行费用 分别从基建投资和运行费用 2个方面,比较 2 种 集气系统的成本 。每公顷填埋单元的投资见表 2。 由表 2 可知, 横向气管所需费用为竖向气井的 2 倍。 但竖向气井在投产之后的 3 a 内所需的养护费较高。 表 2 2种集气方式的基建投资及维护费用 项目横向气井费用 kC 竖向气井费用 kC 集气井头2 . 016. 0 横向气管11 . 66. 8 横向气管层81 . 0 基石费用4 . 7 塑料防渗薄膜无纺布16 . 716. 7 覆盖土层12 . 812. 8 基建投资 hm2 128. 852. 3 3 a 的养护维修费用015 研究表明, 竖井集气和横向集气在不同的抽吸压 力下所消耗的能量也不同 [ 5] ,如表 3 所示。根据历史 运行数据,C1单元施加的平均负压约为 -20 mbar ,每 收集 100 m 3 CH4消耗的能量为 3. 90 kWh。C4 单元 施加的平均压力约为 -30 mbar , 每收集 100 m 3 CH4 消耗的能量为 7. 50 kWh。因此, 传统的收集方式不 管是在投资建设费用还是在之后的运行费用上都明 显节省于横向集气所需的费用。这就是国内普遍采 54 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 用垂直气井集气的主要原因。 横向集气管内易于积聚冷凝水 ,从而增加了抽吸 气体的运行费用 ,若能很好地控制冷凝水的排放, 可 使运行成本大大减少 [ 5] 。 表 3 不同的施加压力所相应的不同能耗 施加压力 mbar 竖向集气横向集气 收集 100 m3CH4所 消耗的能量 kWh 费用 C 收集 100 m3CH4所 消耗的能量 kWh 费用 C -107. 600. 579. 100. 68 -203. 900. 2910. 300. 77 -306. 410. 487. 500. 56 -405. 220. 3911. 600. 87 -506. 760. 517. 030. 53 3. 5 冷凝液控制 冷凝液的控制是保证气体收集系统运行正常的 关键 。收集系统中的冷凝液会引起管道振动 ,大量液 体物质还会限制气流, 增加压力差, 不仅增加了数据 收集和分析的难度, 还会阻碍系统的运行和控制。尤 其对于横向气管, 其影响更为显著 。此外 ,冷凝液的 控制同样也是横向收集系统降低运行费用的关键 。 LFG 在被抽吸并送至控制中心途中 ,其中的饱和 水蒸汽因温度降低冷凝成水。理论计算表明 ,填埋场 气会产生 20 g m 3[ 5] 的冷凝液 , 大量的冷凝液在管道 低处累积, 不仅会阻塞管道 ,还会造成压力不稳并腐 蚀管道 。在设计安置管道时, 要充分考虑这一点, 管 道的走向要设置坡度 , 斜率的最小值建议为 3, 同 时在最低处设置冷凝液排放口 。据经验 ,通常排放口 间距在 60 ～ 210 m 之间 [ 6,7] 。在低压范围内采用水 封、 虹吸方式排放, 在高压范围内用浮子控制分离器 排放 。排出的冷凝液含有少量无机和有机化合物 ,合 并到渗滤液一起进行处理 。 在竖井集气方式中, 冷凝液回落到井底 ,其造成 的影响明显小于横向气管集气的情况 。但系统中的 横向收集主管, 同样要设置排放口 。 3. 6 2 种集气系统的特点及适用范围 通过上述对 Plessis- Gassot 填埋场运行数据的系 统分析 , 并结合其他项目的经验 [ 8] ,2 种 LFG 收集方 式各自的特点如表 4 所示。 工程实践证明,竖井收集系统比较适用于已结束 填埋、 深度不是过浅的小面积填埋场 。横向气管收集 系统适用于新建的和正在填埋作业的大面积垃圾填埋 场,尤其适合于浅型填埋场和对环境要求较高地区 。 表 4 横向集气和竖向集气各自的特点 横向集气竖井集气 优 点 1 .填埋作业与集气同 步进行, 可减少 LFG 气 的逸出, 有效控制臭味; 2 .收集效率高, 不易吸 入空气, LFG 质量好; 3 .维护费用较少。 1.填埋场封顶后, 集中钻井收集气 体, 集气系统施工不影响填埋作业; 2.填埋场内垃圾不均匀沉降对垂 直井的影响小, 冷凝液 自动回落 井底; 3.基建费用及运行费用较低。 缺 点 1 .管内易形成冷凝液, 不易排除; 2 .冷凝液积聚造成压 力不稳和管道堵塞, 增 加抽吸困难; 3 .建设投资费用和运 行费用较大; 4 .受垃圾降解造成的 不 均 匀 沉 降 的 影 响 较大。 1.井的有效长度受限制, 尤其对于 浅层填埋, 不易抽吸高质量 LFG ; 2. 易吸入空气, 降低 LFG 质量, 空 气的进入使垃圾进行有氧发酵, 增 加起火和爆炸的可能性; 3.井与主管道相连工程较昂贵; 4.井间抽气量变化大, 需经常进行 调节; 5.钻井集气前所产生的 LFG 逸入 大气, 产生环境卫生与安全问题。 4 结论与建议 1 横管集气的收集效率接近 90, 竖井集气的 收集效率只有 75; 横向集气的收集效果优于竖井 集气方式。 2 传统的竖井集气方式在投资和运行费用方面 均低于横向集气系统 。对于横向集气系统,若能改善 冷凝液的排放, 可大大减少运行费用 。 3 竖井收集系统适用于已结束作业 、 深度不是 过浅的小面积填埋场 。横向气管收集系统适用于新 建的和正在作业的大面积填埋场,尤其适用于浅型填 埋场和对环境要求较高的地区 。 4 随着环保意识的逐渐增强, 国外垃圾填埋场 正逐步采用横向集气方式来取代竖井集气系统。这 不仅有助于提高 LFG 质量, 还能大大改善填埋场的 生态环境, 减少臭气, 增加安全性。从生态保护的长 远要求出发 , 国内应关注 LFG 横向收集系统的应用 与发展动态 。 致谢 本研究过程中法国 ONYX Plessis-Gassot 垃圾填埋场提 供多方面的支持和配合。 参考文献 1 C line Lacour, Rapport Le biogaz. France ENPC 2003. 2 Guides et cahiers techniques de l ADEME, Grer le gaz de d charge. France ADEME, 2002. 3 J. POULLEAU, Rapport final Caractrisation des Biogaz Bibliographie Mesures sur sites. France Institut National de l Environnement Industriel et des Risques, 2003. 55 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 4 Yoann OGOR,Muriel MORET . Synthse des travaux de modlisation de la production de biogaz en CSD. France CreeD, 2001. 5 Yoann OGOR, Muriel MORET . Programme optimisation du dgazage du centre de stockage de d chets mnagers et assimils de Grand lands. France CreeD, 2001. 6 赵由才. 城市生活垃圾卫生填埋场技术与管理手册. 北京 化学工 业出版社, 1999. 7 庄启化. 填埋气体的迁移控制[ 二] . 环境卫生工程, 2001. 9 2 94～ 96. 8 张冬虎. 简易垃圾填埋场气体迁移控制和回收系统研究. 华中科技 大学, 2003 年硕士论文. 作者通讯处 朱燕 200092 上海市四平路 1239 号 同济大学环境 科学与工程学院李田教授转 E -mail echojuly112480 yahoo. com. cn 2005- 02-23 收稿 燃料式熔融固化垃圾焚烧飞灰的实验研究 ＊ 赵光杰 中国科学院广州能源研究所, 广州 510640 中国科学院研究生院, 北京 100049 李海滨 赵增立 阎常峰 陈 勇 中国科学院广州能源研究所, 广州 510640 摘要 在以柴油为燃料的熔融炉中熔融固化垃圾焚烧飞灰, 并对固化效果进行检验。 进一步探讨了不同环境对飞灰 固化效果的影响规律。 结果表明 飞灰熔融固化后就不再具有浸出毒性的危险废物; 酸性 pH≤4. 5 和碱性 pH ≥ 11. 5 环境对固化效果的影响比较大; 潮湿的环境对固化效果无明显影响。 关键词 垃圾焚烧飞灰 熔融 固化 浸出毒性 ＊国家自然科学基金资助项目 50306026 ; 广东省自然科学基金团 队项目 003045 1 引言 焚烧技术是垃圾处理技术中应用较早、 技术比较 成熟, 且符合“三化”原则的热化学处理技术之一 [ 1] 。 但焚烧产生的飞灰中含有较高浸出浓度的重金属元 素,例如 Pb,Cr,Cd 等, 在自然条件下会渗滤出来污染 环境 [ 2,3] 。因此我国有关标准 GB18485-2001 将飞灰 列为危险废物, 必须进行无害化处理。对飞灰无害化 处理的研究,国外进行得较早 。从早期的水泥固化到 现在的高温等离子处理, 可以说相关技术比较成熟。 目前国际上流行的处理方式有以下 4种 [ 4] 熔融固化 处理、水泥混凝固化处理 、 药剂处理和酸溶液浸出处 理。其中研究最多, 也是美国 、 德国 、 日本等发达国家 最推崇的是熔融固化处理技术。熔融固化分为燃料 式熔融和电热式熔融两种 。国内对飞灰的研究最近 几年才起步 ,热固化处理的研究很少, 浙江大学李润 东等 [ 5] 做过有关飞灰的熔融动力学方面的研究,得出 了飞灰熔融所需热量的理论值。但有关飞灰熔融固 化的研究 ,目前尚未见报道。在此以柴油为燃料的熔 融炉中做飞灰熔融固化实验, 考察了飞灰熔融后, 重 金属的固化效果以及浸出条件的变化对固化稳定性 的影响。所得结论将为飞灰的固化处理提供一定的 理论依据。 2 实验部分 2. 1 垃圾焚烧飞灰样品分析 本实验所用的飞灰样品取自深圳某垃圾焚烧电 厂、 炉排炉、静电除尘, 焚烧温度 850～ 900 ℃。飞灰 的基本物化分析列于表 1。 表 1 飞灰的物化特征 化学组成 干基 灰熔点 ℃ SiO227. 2 DT1 195 CaO15. 5 ST1 210 MgO20. 1 HT1 235 Al2O3 11. 9 FT1 275 Fe2O3 4. 03 热灼减率3. 98 Na2O 5. 05 水分1. 02 MnO0. 15 堆积密度 103kgm- 30. 653 P2O52 . 49 SO36. 79 2. 2 实验装置与方法 实验装置如图 1所示。 56 环 境 工 程 2005年 10 月第 23卷第 5 期 THE COOPERATIVE EFFECT OF Fe3CATALYSIS AND MICROOGANNISM METABOLISM ON FLUE GAS DESULFURIZATIONLiu Qiwang et al 42 Abstract Under the acid condition pH 2. 0～ 2. 8, Fe3has a good catalysis oxidation to SO2; whereas Fe2 has inhibition to this reaction. DYB1 Dian Yuan Bacteria 1 in the course of breeding it with Fe2as the energy can turn Fe2 into Fe3 effectively. Combining this functionwith the above -mentioned reaction can keep on the constant concentration of Fe3and maintain circulation of desulfuration. Keywords flue gas desulfurization, Fe3catalysis, microoganism and coordinate effect STUDY ON SKEW GAS FLOW DISTRIBUTION OF ELECTROSTATIC PRECIPITATOR WITH CFD Dang Xiaoqing et al 45 Abstract On the basis of discussing effect of electrostatic precipitation gas flow distribution on dedusting efficiency, it is introduced skew gasflow technology which can reduce reentrainment and improve the efficiency effectively;and the gas flow distribution in electric field is simulated numerically using CFD, which provides a adjusting and parameters of distribution devices that realizing skew gas distribution in electric field. Keywords electrostatic precipitator, gas flow distribution, skew gas flow technology and CFD EXPERIMENTAL STUDY ON CIRCULATING FLUIDIZED BED BOILER DESULFURATION Ma Linzhuan et al 47 Abstract It was conducted that an industrial test of adding limestone to a circulating fluidized bed CFBboiler 75 t h. The effects of Ca S ratio, bed temperature and suphur content of the coal etc on the desulfuration efficiency were obtained when high -sulphor hard coal was combusted. The optimal Ca S ratio and control parameter of desulphuration under actual operation of CFB boiler were also proposed based on the analysis of the test results. Keywords desulphuration, Ca S ratio, CFB boiler and hard coal DEVELOPMENT AND APPLICATION OF AXIAL FAN AT HIGH TEMPERATURE IN WET ARRESTING DUST OF SHAFT CEMENT KILNLiu Jianshou et al 51 Abstract The article introduces a new axialfan used athigh temperature and high moisture and high dust. Itmakes use of structure ofwater cooling and lubrication and protected belt and clean dust door and so no. It features huge diameter, enormous wind and low pressure. Keywords axial fan used in high temperature, shaft cement kiln, wet arresting dust, water cooling and lubrication ANALYSIS OF CHARACTERISTICS OF VERTICAL WELLS AND HORIZONTAL COLLECTORS USED IN LANDFILLZhu Yan et al 53 Abstract Characteristics of two different suction systems for landfill gas in the largest landfill site of Europe are investigated. Based on field testing and data analyzing, the characteristics such as quality and quantity of the landfillgas, the suction pressure, construction and operation costs are discussed. The advantages and disadvantage of the two systems and their applicability are also summarized. The results are helpful to researchers and engineers in developing countries for their new landfill design and construction. Keywords landfill gas LFG, suction system, verticalwell and horizontal collector EXPERIMENTAL STUDY ON SOLIDIFYING FLY ASH FROM REFUSE INCINERATION BY FUEL MELTINGZhao Guangjie et al 56 Abstract Fly ash from refuse incineration is solidified in a melting furnace that takes diesel fuel as its fuel, the solidifying effect is examined. The influence of different environments on the solidifying effect is also explored. The results show that the fly ash has no toxicity after its melt solidification; acidic pH≤4. 5and alkaline pH≥11. 5environments have a greater effect on the solidification, whereas a wet one hasno obvious effect on the solidification. Keywords fly ash from refuse incineration, melt, solidification and leach toxicity RESEARCH ON THE EFFECT OF LEACHATE RECIRCULATION TECHNOLOGY ON GAS PRODUCTIONBY SEMI-AEROBIC LANDFILLHuang Qifei et al 59 Abstract A simulated large scale landfill was established according to the semi -aerobic landfilling theory. A tracer monitoring for the landfill gas concentration variation on the condition of leachate recycling as compared with that of the un-recycling in semi -aerobic landfill. The results shows that leachate recycling in semi-aerobic landfill reduces the amount of leachate, and does not cause the accumulation of NH 4-N concentration. On the other hand, leachate recycling in semi -aerobic landfill can cause the velocity of methane production faster. The methane concentration in leachate recycling system doubled than the un -recycling one. So it does good to accelerate the stabilization of landfill. Keywords semi -aerobic landfill, leachate recycling, municipalwaste solid and methane THE DESIGN AND APPLICATION OF FLY ASH -SLAG PAVEMENT CONCRETE WITHOUT 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23, No. 5,Oct. , 2005