填埋氣的收集與利用

1、全國(guó)化工熱工設(shè)計(jì)技術(shù)中心站年會(huì)論文集 173.填埋場(chǎng)氣的收集與利用陳曉東（南昌有色冶金設(shè)計(jì)研究院 330002）內(nèi)容摘要 論述了填埋場(chǎng)氣的產(chǎn)生、主要成分及其特性，提出了填埋場(chǎng)氣產(chǎn)氣量和收集量的估算方法，簡(jiǎn)要介紹了收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)填埋場(chǎng)氣的處理和利用提出了設(shè)想。關(guān) 鍵 詞 填埋場(chǎng)氣 收集 利用一概述隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平日益提高，城市人口的不斷增長(zhǎng)，城市生活垃圾越來(lái)越多，垃圾成份日益復(fù)雜多樣,一種是生活垃圾，包括居民生活垃圾、商業(yè)垃圾、集市貿(mào)易垃圾、街道垃圾、公共場(chǎng)所垃圾和機(jī)關(guān)、學(xué)校、廠礦等單位的生活垃圾；一種是建筑廢棄物，包括建筑殘土、磚瓦石陶瓷等殘碎物、廢水泥及水泥制品殘碎物和廢

2、砂及其它建材殘棄物。其中生活垃圾含有有機(jī)物。為了防止垃圾對(duì)環(huán)境造成污染，必須對(duì)垃圾進(jìn)行處理如衛(wèi)生填埋、堆肥及焚燒等。但填埋場(chǎng)在一定的條件下會(huì)產(chǎn)生填埋場(chǎng)氣，該氣體具有易燃易爆的性質(zhì)，同時(shí)還蘊(yùn)藏著豐富的能量。為保證填埋場(chǎng)的安全和盡可能的回收能源，變廢為寶，因而有必要對(duì)填埋場(chǎng)氣加以收集，進(jìn)行處理和利用。二填埋場(chǎng)氣的產(chǎn)生、主要成分和特性（一） 填埋場(chǎng)氣的產(chǎn)生填埋場(chǎng)氣的產(chǎn)生與很多因素有關(guān)，包括垃圾的成分、值及其堆積量、填埋場(chǎng)的水分、溫度及填埋年份等。在一定的條件下，如適當(dāng)?shù)乃?、溫度及酸堿度，垃圾中的有機(jī)物經(jīng)過(guò)生物化學(xué)反應(yīng)后，使填埋場(chǎng)產(chǎn)生大量的氣體，通常稱為填埋場(chǎng)氣。國(guó)外資料一般稱為L(zhǎng)FG（landfi

3、ll gas）。由于其主要成分和熱值近似于沼氣，也有文章稱其為“沼氣”。據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料介紹，產(chǎn)生填埋場(chǎng)氣的生物化學(xué)反應(yīng)分為以下四個(gè)階段。 第一階段為好氧生物分解，可能持續(xù)幾周，主要成分是氮、氧和二氧化碳。氧氣是從周圍大氣被垃圾帶入填埋場(chǎng)的，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的生物化學(xué)反應(yīng)后而被逐漸被耗盡。二氧化碳將隨時(shí)間的推移而迅速產(chǎn)生。第二階段為厭氧生物分解，為不產(chǎn)甲烷期，氮特別是氧的百分?jǐn)?shù)下降很快，直到氧氣耗盡進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)階段。本階段的主要成分是氫、氮和二氧化碳。 第三階段為厭氧生物分解，為產(chǎn)甲烷的不穩(wěn)定期，二氧化碳和氮的百分?jǐn)?shù)顯著下降，氫和氧的濃度趨于零，甲烷的百分?jǐn)?shù)很快上升。第四階段為厭氧生物分解，為產(chǎn)甲

4、烷的假穩(wěn)定期。這個(gè)階段的甲烷、二氧化碳和氮的百分?jǐn)?shù)達(dá)到了穩(wěn)定的數(shù)值。甲烷的百分?jǐn)?shù)在達(dá)到了高峰值后開(kāi)始下降。經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的一段時(shí)間后，當(dāng)垃圾中的有機(jī)物被消耗完后，便不再產(chǎn)生任何氣體。（二）填埋場(chǎng)氣的主要成分填埋場(chǎng)氣的成分是隨著填埋場(chǎng)氣產(chǎn)生的不同階段而變化的，換句話說(shuō)是隨著填埋年份而變化的；同時(shí)填埋場(chǎng)氣的成分還與垃圾的成分有關(guān)，是一個(gè)變數(shù)，從理論上來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常難確定的數(shù)值。我院一九九三年四月所作深圳市下坪垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)初步設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中填埋場(chǎng)氣主要成分見(jiàn)表1.1。填埋場(chǎng)氣的熱值（40時(shí)）為18900kJm3 。水利水電科技進(jìn)展一九九七年四月錢學(xué)德和郭志平合著的“填埋場(chǎng)氣體收集系統(tǒng)”一文中的氣體主要成份

5、見(jiàn)表1.2。建設(shè)部同濟(jì)大學(xué)環(huán)衛(wèi)機(jī)械研究所與深圳市衛(wèi)生管理處于一九九六年七月所作的深圳市玉龍坑垃圾填埋場(chǎng)安全防范研究中的氣體成份見(jiàn)表1.3。一般的填埋場(chǎng)氣的氣體成份隨時(shí)間而變化的規(guī)律見(jiàn)圖1填埋場(chǎng)氣成分隨時(shí)間變化圖。一般而言，填埋場(chǎng)氣的熱值約在18850 kJm3 (4500kcal/m3 )上下。（三） 填埋場(chǎng)氣的特性1、易燃易爆性：由于氣體中甲烷含量較高，為可燃?xì)怏w。如不加以收集和控制，就很容易引起火災(zāi)和爆炸。2、有毒有惡臭氣味：是由于沼氣中含有硫化氫、一氧化碳和硫醇等。3、甲烷、二氧化碳和氮?dú)鈺?huì)使人窒息。三填埋場(chǎng)氣的產(chǎn)生量和收集量正確掌握填埋場(chǎng)氣的產(chǎn)氣規(guī)律及其產(chǎn)生量和收集量，才可以對(duì)其進(jìn)行收

6、集處理和加以利用，選擇設(shè)備，確定合理的工藝流程，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。對(duì)于某一特定的垃圾填埋場(chǎng)而言，其產(chǎn)氣量取決于填埋年份和垃圾中的可降解有機(jī)物的數(shù)量和品質(zhì)，但是要正確的測(cè)出任何一個(gè)填埋場(chǎng)的產(chǎn)氣量都很困難，因此只能通過(guò)下列經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算。（一） 通過(guò)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)估算美國(guó)人Amalendu Bagchi所著廢棄物填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)一書(shū)中提到甲烷的產(chǎn)氣速率為2.515.0年。同濟(jì)大學(xué)環(huán)衛(wèi)機(jī)械研究所與深圳市衛(wèi)生管理處于1996年7月所作的深圳市玉龍坑垃圾填埋場(chǎng)安全防范研究中提到的產(chǎn)氣率為1710-6 m3 kgd，換算為6.205年，生活垃圾的產(chǎn)氣量為0.37m3 。用垃圾總量與上述產(chǎn)氣速

7、率相乘，就可以得到每年的產(chǎn)氣量。（二） 通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算可以通過(guò)下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算產(chǎn)氣量。1、當(dāng)知道填埋物的有機(jī)含碳量時(shí)：1.868TOC（0.0140.28） （1）式中， 長(zhǎng)時(shí)間產(chǎn)生的總氣體量，m3 ton垃圾； TOC 總有機(jī)碳，kgton垃圾，其經(jīng)驗(yàn)值為150200； 溫度，。2、產(chǎn)氣量隨時(shí)間變化的計(jì)算：（1 ）（2）式中，至年為止的產(chǎn)氣量，m3 ton垃圾； TOC衰減常數(shù)，其值在0.0250.050之間，至年為止，氣體產(chǎn)生時(shí)間，年。3、對(duì)于特定t年之產(chǎn)氣量的計(jì)算：b（1） （3）式中，b 在第年的產(chǎn)氣量，m3 ton垃圾； TOC衰減常數(shù)，其值在0.0250.050之間，其它符號(hào)同上

8、。通過(guò)以上計(jì)算公式計(jì)算出填埋場(chǎng)氣逐年的變化量。由于各種原因，填埋場(chǎng)所產(chǎn)生的氣體不能完全被收集，實(shí)際收集的氣體量為理論產(chǎn)氣量的1139。一般計(jì)算時(shí)可取2025。四填埋場(chǎng)氣的收集系統(tǒng)（一） 收集系統(tǒng)的作用首先，填埋場(chǎng)氣是填埋場(chǎng)的必然產(chǎn)物，如不有效地加以收集和控制，極易發(fā)生火災(zāi)和爆炸事故，造成損失。因而填埋場(chǎng)必須設(shè)置氣體收集和輸導(dǎo)等控制系統(tǒng)，以保證填埋場(chǎng)的安全。其次，控制氣體成份，提高甲烷的含量，為填埋場(chǎng)氣的有效利用提供基礎(chǔ)。（二）收集系統(tǒng)主要設(shè)備填埋場(chǎng)內(nèi)的氣體由于壓力不平衡而產(chǎn)生流動(dòng)，經(jīng)過(guò)收集井的吸收進(jìn)入收集管，并通過(guò)匯流中轉(zhuǎn)器進(jìn)入輸氣管后，集中送入收集站。填埋場(chǎng)氣在站內(nèi)進(jìn)行凈化和加壓處理后，送入

9、燃?xì)獍l(fā)電站進(jìn)行發(fā)電或進(jìn)行其他利用。 1、垂直式收集井：較水平式收集井施工方便，造價(jià)低，是目前通常采用的收集形式。豎井通常設(shè)計(jì)為直徑在0.61.2m之間接，長(zhǎng)3m；井內(nèi)為多孔管，直徑在150200mm范圍內(nèi)，其管材采用耐腐蝕和耐久性的材料如PVC或HDPE，其頂部用蓋板密封。收集井的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2收集井結(jié)構(gòu)示意圖。垂直式收集井的作用半徑為4050 m，井間距則在80100 m，需要注意的是，收集井的定位要使其影響區(qū)域相互交迭，如果豎井建在正六邊形的角上，則可以得到100%的交迭，其影響區(qū)域則可覆蓋整個(gè)填埋場(chǎng)。2、匯流中轉(zhuǎn)器：?jiǎn)为?dú)有效地管理和控制該區(qū)域內(nèi)的填埋場(chǎng)氣的收集。每個(gè)匯流中轉(zhuǎn)器控制個(gè)收集井，匯

10、流個(gè)收集井的氣體直接輸送至收集站，從而使整個(gè)收集系統(tǒng)更易控制和調(diào)節(jié)。各匯流中轉(zhuǎn)器也可以是互相連通的，以便在事故或檢修時(shí)互為備用。通常把匯流中轉(zhuǎn)器設(shè)計(jì)成個(gè)接差頭，個(gè)作為填埋場(chǎng)氣入口，一個(gè)大的作為出口，一個(gè)與其它的匯流中轉(zhuǎn)器相連，一個(gè)作為備用。匯流中轉(zhuǎn)器詳見(jiàn)圖3匯流中轉(zhuǎn)器示意圖。3、收集管和輸氣管：為了區(qū)別，把收集井到匯流中轉(zhuǎn)器之間的管道稱為收集管，把匯流中轉(zhuǎn)器到收集站之間的管道稱為輸氣管。為減少阻力和各管道之間阻力的不平衡的影響，氣流速度采用低值。管徑由流量和流速確定。收集系統(tǒng)詳見(jiàn)圖4-填埋場(chǎng)氣收集系統(tǒng)示意圖。五填埋場(chǎng)氣的利用在初期的兩年之內(nèi)及填埋場(chǎng)封場(chǎng)之前的兩三年內(nèi)，填埋場(chǎng)產(chǎn)生的氣體沒(méi)有多少利

11、用價(jià)值，只做放空處理或就地燃燒。（一）作為城市燃料從填埋場(chǎng)氣的成份中我們可以知道，填埋場(chǎng)氣是有毒性、有腐蝕和有惡味的氣體；從其產(chǎn)生的過(guò)程中可知道，產(chǎn)氣量和品質(zhì)是隨垃圾成份和填埋年份而變化波動(dòng)的，這給填埋場(chǎng)氣的收集特別是處理和利用帶來(lái)困難。由于填埋場(chǎng)總是距居民生活區(qū)較遠(yuǎn)從而造成管線較長(zhǎng)，以及產(chǎn)氣量和氣體品質(zhì)的不穩(wěn)定，還需要進(jìn)行嚴(yán)格的凈化處理和加壓，一般而言，作為城市燃料其可行性不高。但對(duì)于大型的填埋場(chǎng)氣是否回收利用則需通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來(lái)決定。如其能量可在合適的成本下回收，填埋場(chǎng)氣作為城市燃料也不失為一種利用途徑。（二）發(fā)電根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電普遍運(yùn)用于一般的填埋場(chǎng)，技術(shù)成熟，應(yīng)為優(yōu)先考慮

12、的利用方式。參見(jiàn)圖5填埋場(chǎng)氣收集和利用原則性流程圖。以下為臺(tái)灣某垃圾填埋場(chǎng)的利用情況。1、 填埋場(chǎng)概況該填埋場(chǎng)分兩期建設(shè)。第一期從1993年至2002年，累計(jì)垃圾量為294.82萬(wàn)噸；第二期（含第一期，下同）從2002年至2017年，累計(jì)垃圾量為649.88萬(wàn)噸。根據(jù)公式（1）和（3）計(jì)算得，第一期產(chǎn)氣量的最小值和最大值分別為693和926百萬(wàn)立方米；第二期產(chǎn)氣量的最小值和最大值分別為1527和2041百萬(wàn)立方米；折合每小時(shí)氣量，第一期的最小值和最大值分別為3300 m3h和7300 m3h；第二期產(chǎn)氣量的最小值和最大值分別為6300 m3h和11900 m3h。填埋場(chǎng)氣的收集率為10%到30

13、%。估計(jì)該填埋場(chǎng)氣的熱值為4500kcal/ m3 = 5.23kWh/ m3 。2、 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電第一期：最小值 3300 m3h 0.15.23 =1727 kW； 最大值 7300 m3h 0.15.23 =11454 kW；取其平均值6500 kW，燃?xì)廨啓C(jī)效率為0.3，機(jī)械效率為0.95，發(fā)電機(jī)功率因數(shù)為0.8，則燃?xì)廨啓C(jī)功率為65000.3 = 1950 kW 取 2000 kW 需2臺(tái)1000 kW 機(jī)組； 發(fā)電機(jī)功率為19500.95/0.8 = 2316 kva 取 2400 kva 需2臺(tái)1200 kva； 計(jì)劃于1993年建設(shè)第一套，于1998年建設(shè)第二套。第二期：最小值

14、 6300 m3h 0.15.23 =3295 kW； 最大值 11900 m3h 0.15.23 =18671 kW；取其平均值11000 kW，則燃?xì)廨啓C(jī)功率為110000.3 = 3300 kW 扣除第一期后為 1350kW 取1400 kW 則第二期需 2 臺(tái)700kW 機(jī)組；發(fā)電機(jī)功率為33000.95/0.8 = 3919kva 扣除第一期后為1603 kva 取1600kva，則第二期需 2 臺(tái)800kva；計(jì)劃于2002年建設(shè)第一套，于2006年建設(shè)第二套。六結(jié)束語(yǔ)垃圾填埋場(chǎng)的主要目的是處理垃圾，保護(hù)環(huán)境。至于填埋場(chǎng)氣的回收利用，一些發(fā)達(dá)國(guó)家也是從八十年代才開(kāi)始研究，已有一些成

15、熟的經(jīng)驗(yàn)。但目前國(guó)內(nèi)對(duì)此的研究尚處于起步階段，回收利用較少。杭州天子嶺垃圾填埋場(chǎng)的氣體發(fā)電工程已于1998年10月27日投產(chǎn)發(fā)電，是我國(guó)第一家垃圾填埋場(chǎng)院氣體發(fā)電工程，每年可發(fā)電近1600萬(wàn)度，產(chǎn)值約為790萬(wàn)元，可減少排放CO2量810萬(wàn)噸，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。為了作到垃圾的無(wú)害化和資源化，填埋場(chǎng)氣回收利用特別是發(fā)電的研究是垃圾填埋場(chǎng)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。表1.1組成成份干燥體積（）甲烷（CH4）40二氧化碳3040氮1020氧1硫化氫0.10.5氨0.5氫0.1一氧化碳0.1微小成分微量表1.2組成成份干燥體積（）甲烷（CH4）4560二氧化碳4060氮25氧0.11.0硫（硫酸）

16、等01.0氨0.11.0氫00.2一氧化碳00.2微小成分0.010.6表1.3組成成份干燥體積（）甲烷（CH4 ）5060二氧化碳40硫化氫 硫醇微量成分主要參考文獻(xiàn)1 南昌有色冶金設(shè)計(jì)研究院深圳市下坪垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)初步設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1993年2 同濟(jì)大學(xué)環(huán)衛(wèi)機(jī)械研究所、深圳市衛(wèi)生管理處深圳市玉龍坑垃圾填埋場(chǎng)安全防 范研究 1996年7月3 錢學(xué)德郭志平水利水電科技進(jìn)展“填埋場(chǎng)氣體收集系統(tǒng)” 1997年4月 4 Amalendu Bagchi 著廢棄物填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 固體所譯 1992年12月 作者簡(jiǎn)介陳曉東，男，1966年9月出生，畢業(yè)于南京工學(xué)院動(dòng)力工程系，工程師

17、，曾獲中國(guó)有色金屬工業(yè)總公司科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。通訊地址：江西南昌八一大道一號(hào) 南昌有色冶金設(shè)計(jì)研究院熱工室郵政編碼 330002 電話 (0791)6264941265（上接第178頁(yè)）第一階段是PH值的非靈敏區(qū)，由于PH變化很慢，需要加入大量的中和劑，中和劑的加入量滿足當(dāng)量定律，控制系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)量定律計(jì)算出加入量（Q1= Q2N2/N1）一次性加入,不足部分由二級(jí)調(diào)節(jié)加入。2第二階段的控制第二階段PH變化速度加快，可采用前饋比例控制其加入量為其中: Ka；K b ，KC，Kd 分別表示溶液體積大小，混合作用的強(qiáng)弱，PH值變化快慢，中和劑單位時(shí)間流量的比例系數(shù)，PH為PH值誤差，為限速因子，各

18、參數(shù)的選擇與化學(xué)反應(yīng)性質(zhì),系統(tǒng)運(yùn)行狀況和有關(guān)物理參量有關(guān)。經(jīng)過(guò)二個(gè)階段的調(diào)節(jié)之后，污水的PH值即可控制在69之內(nèi)。BSOEM-PH值自控排放技術(shù)的特點(diǎn)經(jīng)過(guò)在大慶油田化工總廠幾套除鹽水裝置中的應(yīng)用，該技術(shù)歸納總結(jié)有如下特點(diǎn)：1調(diào)節(jié)時(shí)間短，可在5分鐘之內(nèi)使出水PH值穩(wěn)定在69之間。2排放合格率高，其排放合格率可達(dá)98%以上，經(jīng)環(huán)保部門的多次抽檢均達(dá)標(biāo)排放。3中和用酸堿耗低。以往采用人工加酸加堿的方法去控制污水的PH值在69之間有很大的難度，人工調(diào)整必須要通過(guò)加酸（加堿）一加堿（加酸）幾次反復(fù)才能調(diào)整合格，酸堿耗很高，有些用戶為了使排水鋼管的腐蝕速率降低，采用向中和池加入過(guò)量的堿，以確保污水PH值大于6，這樣一方面使堿耗量大