填埋場氣的收集與利用

1、填埋場氣的收集與利用陳曉東（南昌有色冶金設(shè)計研究院 330002）內(nèi)容摘要 論述了填埋場氣的產(chǎn)生、主要成分及其特性，提出了填埋場氣產(chǎn)氣量和收集量的估算方法，簡要介紹了收集系統(tǒng)的設(shè)計，對填埋場氣的處理和利用提出了設(shè)想。關(guān) 鍵 詞 填埋場氣 收集 利用一概述隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平日益提高，城市人口的不斷增長，城市生活垃圾越來越多，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、公共場所垃圾和機關(guān)、學校、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砂及其它建材殘棄物。其中生活垃圾含有有機物。為

2、了防止垃圾對環(huán)境造成污染，必須對垃圾進行處理如衛(wèi)生填埋、堆肥及焚燒等。但填埋場在一定的條件下會產(chǎn)生填埋場氣，該氣體具有易燃易爆的性質(zhì)，同時還蘊藏著豐富的能量。為保證填埋場的安全和盡可能的回收能源，變廢為寶，因而有必要對填埋場氣加以收集，進行處理和利用。二填埋場氣的產(chǎn)生、主要成分和特性（一） 填埋場氣的產(chǎn)生填埋場氣的產(chǎn)生與很多因素有關(guān)，包括垃圾的成分、值及其堆積量、填埋場的水分、溫度及填埋年份等。在一定的條件下，如適當?shù)乃?、溫度及酸堿度，垃圾中的有機物經(jīng)過生物化學反應(yīng)后，使填埋場產(chǎn)生大量的氣體，通常稱為填埋場氣。國外資料一般稱為LFG（landfill gas）。由于其主要成分和熱值近似于沼氣

3、，也有文章稱其為“沼氣”。據(jù)國內(nèi)外有關(guān)資料介紹，產(chǎn)生填埋場氣的生物化學反應(yīng)分為以下四個階段。 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的，經(jīng)過一段時間的生物化學反應(yīng)后而被逐漸被耗盡。二氧化碳將隨時間的推移而迅速產(chǎn)生。第二階段為厭氧生物分解，為不產(chǎn)甲烷期，氮特別是氧的百分數(shù)下降很快，直到氧氣耗盡進入?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數(shù)顯著下降，氫和氧的濃度趨于零，甲烷的百分數(shù)很快上升。第四階段為厭氧生物分解，為產(chǎn)甲烷的假穩(wěn)定期。這個階段的甲烷、二氧化碳和氮的百

4、分數(shù)達到了穩(wěn)定的數(shù)值。甲烷的百分數(shù)在達到了高峰值后開始下降。經(jīng)過較長的一段時間后，當垃圾中的有機物被消耗完后，便不再產(chǎn)生任何氣體。（二）填埋場氣的主要成分填埋場氣的成分是隨著填埋場氣產(chǎn)生的不同階段而變化的，換句話說是隨著填埋年份而變化的；同時填埋場氣的成分還與垃圾的成分有關(guān)，是一個變數(shù)，從理論上來說是一個非常難確定的數(shù)值。我院一九九三年四月所作深圳市下坪垃圾衛(wèi)生填埋場初步設(shè)計說明書中填埋場氣主要成分見表1.1。填埋場氣的熱值（40時）為18900kJm3 。水利水電科技進展一九九七年四月錢學德和郭志平合著的“填埋場氣體收集系統(tǒng)”一文中的氣體主要成份見表1.2。建設(shè)部同濟大學環(huán)衛(wèi)機械研究所與深圳

5、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安全防范研究中的氣體成份見表1.3。一般的填埋場氣的氣體成份隨時間而變化的規(guī)律見圖1填埋場氣成分隨時間變化圖。一般而言，填埋場氣的熱值約在18850 kJm3 (4500kcal/m3 )上下。（三） 填埋場氣的特性1、易燃易爆性：由于氣體中甲烷含量較高，為可燃氣體。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、二氧化碳和氮氣會使人窒息。三填埋場氣的產(chǎn)生量和收集量正確掌握填埋場氣的產(chǎn)氣規(guī)律及其產(chǎn)生量和收集量，才可以對其進行收集處理和加以利用，選擇設(shè)備，確定合理的工藝流程

6、，進行技術(shù)經(jīng)濟分析。對于某一特定的垃圾填埋場而言，其產(chǎn)氣量取決于填埋年份和垃圾中的可降解有機物的數(shù)量和品質(zhì)，但是要正確的測出任何一個填埋場的產(chǎn)氣量都很困難，因此只能通過下列經(jīng)驗數(shù)據(jù)或經(jīng)驗公式來估算。（一） 通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)來估算美國人Amalendu Bagchi所著廢棄物填埋場的設(shè)計、施工和監(jiān)測一書中提到甲烷的產(chǎn)氣速率為2.515.0·年。同濟大學環(huán)衛(wèi)機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安全防范研究中提到的產(chǎn)氣率為17×10-6 m3 kg·d，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

7、速率相乘，就可以得到每年的產(chǎn)氣量。（二） 通過經(jīng)驗公式來估算可以通過下經(jīng)驗公式計算產(chǎn)氣量。1、當知道填埋物的有機含碳量時：1.868×TOC×（0.014×0.28） （1）式中， 長時間產(chǎn)生的總氣體量，m3 ton垃圾； TOC 總有機碳，kgton垃圾，其經(jīng)驗值為150200； 溫度，。2、產(chǎn)氣量隨時間變化的計算：×（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)生時間，年。3、對于特定t年之產(chǎn)氣量的計算：b×（1）× （3）式中，b 在第年的產(chǎn)氣量，m3

8、ton垃圾； TOC衰減常數(shù)，其值在0.0250.050之間，其它符號同上。通過以上計算公式計算出填埋場氣逐年的變化量。由于各種原因，填埋場所產(chǎn)生的氣體不能完全被收集，實際收集的氣體量為理論產(chǎn)氣量的1139。一般計算時可取2025。四填埋場氣的收集系統(tǒng)（一） 收集系統(tǒng)的作用首先，填埋場氣是填埋場的必然產(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)，以保證填埋場的安全。其次，控制氣體成份，提高甲烷的含量，為填埋場氣的有效利用提供基礎(chǔ)。（二）收集系統(tǒng)主要設(shè)備填埋場內(nèi)的氣體由于壓力不平衡而產(chǎn)生流動，經(jīng)過收集井的吸收進入收集管，并通過匯流中

9、轉(zhuǎn)器進入輸氣管后，集中送入收集站。填埋場氣在站內(nèi)進行凈化和加壓處理后，送入燃氣發(fā)電站進行發(fā)電或進行其他利用。 1、垂直式收集井：較水平式收集井施工方便，造價低，是目前通常采用的收集形式。豎井通常設(shè)計為直徑在0.61.2m之間接，長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)域則可覆蓋整個填埋場。2、匯流中轉(zhuǎn)器：單

10、獨有效地管理和控制該區(qū)域內(nèi)的填埋場氣的收集。每個匯流中轉(zhuǎn)器控制個收集井，匯流個收集井的氣體直接輸送至收集站，從而使整個收集系統(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互為備用。通常把匯流中轉(zhuǎn)器設(shè)計成個接差頭，個作為填埋場氣入口，一個大的作為出口，一個與其它的匯流中轉(zhuǎn)器相連，一個作為備用。匯流中轉(zhuǎn)器詳見圖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)詳見圖4-填埋場氣收集系統(tǒng)示意圖。五填埋場氣的

11、利用在初期的兩年之內(nèi)及填埋場封場之前的兩三年內(nèi)，填埋場產(chǎn)生的氣體沒有多少利用價值，只做放空處理或就地燃燒。（一）作為城市燃料從填埋場氣的成份中我們可以知道，填埋場氣是有毒性、有腐蝕和有惡味的氣體；從其產(chǎn)生的過程中可知道，產(chǎn)氣量和品質(zhì)是隨垃圾成份和填埋年份而變化波動的，這給填埋場氣的收集特別是處理和利用帶來困難。由于填埋場總是距居民生活區(qū)較遠從而造成管線較長，以及產(chǎn)氣量和氣體品質(zhì)的不穩(wěn)定，還需要進行嚴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。但對于大型的填埋場氣是否回收利用則需通過技術(shù)經(jīng)濟比較來決定。如其能量可在合適的成本下回收，填埋場氣作為城市燃料也不失為一種利用途徑。（二）發(fā)電

12、根據(jù)國外的經(jīng)驗，燃氣輪機發(fā)電普遍運用于一般的填埋場，技術(shù)成熟，應(yīng)為優(yōu)先考慮的利用方式。參見圖5填埋場氣收集和利用原則性流程圖。以下為臺灣某垃圾填埋場的利用情況。1、 填埋場概況該填埋場分兩期建設(shè)。第一期從1993年至2002年，累計垃圾量為294.82萬噸；第二期（含第一期，下同）從2002年至2017年，累計垃圾量為649.88萬噸。根據(jù)公式（1）和（3）計算得，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2041百萬立方米；折合每小時氣量，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

13、分別為6300 m3h和11900 m3h。填埋場氣的收集率為10%到30%。估計該填埋場氣的熱值為4500kcal/ m3 = 5.23kWh/ m3 。2、 燃氣輪機發(fā)電第一期：最小值 3300 m3h ×0.1×5.23 =1727 kW； 最大值 7300 m3h ×0.1×5.23 =11454 kW；取其平均值6500 kW，燃氣輪機效率為0.3，機械效率為0.95，發(fā)電機功率因數(shù)為0.8，則燃氣輪機功率為6500×0.3 = 1950 kW 取 2000 kW 需2臺1000 kW 機組； 發(fā)電機功率為1950×0.95

14、/0.8 = 2316 kva 取 2400 kva 需2臺1200 kva； 計劃于1993年建設(shè)第一套，于1998年建設(shè)第二套。第二期：最小值 6300 m3h ×0.1×5.23 =3295 kW； 最大值 11900 m3h ×0.1×5.23 =18671 kW；取其平均值11000 kW，則燃氣輪機功率為11000×0.3 = 3300 kW 扣除第一期后為 1350kW 取1400 kW 則第二期需 2 臺700kW 機組；發(fā)電機功率為3300×0.95/0.8 = 3919kva 扣除第一期后 為1603 k

15、va 取1600kva，則第二期需 2 臺800kva；計劃于2002年建設(shè)第一套，于2006年建設(shè)第二套。六結(jié)束語垃圾填埋場的主要目的是處理垃圾，保護環(huán)境。至于填埋場氣的回收利用，一些發(fā)達國家也是從八十年代才開始研究，已有一些成熟的經(jīng)驗。但目前國內(nèi)對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，是我國第一家垃圾填埋場院氣體發(fā)電工程，每年可發(fā)電近1600萬度，產(chǎn)值約為790萬元，可減少排放CO2量810萬噸，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。為了作到垃圾的無害化和資源化，填埋場氣回收利用特別是發(fā)電的研究是垃圾填埋場技術(shù)發(fā)展的一個方向。表

16、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）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1 南昌有色冶金設(shè)計研究院深圳市下坪垃圾衛(wèi)生填埋場初步設(shè)計說明書1993年2 同濟大學環(huán)衛(wèi)機械研究所、深圳市衛(wèi)生管理處深圳市玉龍坑垃圾填埋場安全防 范研究 1996年7月3 錢學德郭志平水利水電科技進展

17、“填埋場氣體收集系統(tǒng)” 1997年4月 4 Amalendu Bagchi 著廢棄物填埋場的設(shè)計、施工和監(jiān)測中國環(huán)境科學研究院 固體所譯 1992年12月 作者簡介陳曉東，男，1966年9月出生，畢業(yè)于南京工學院動力工程系，工程師，曾獲中國有色金屬工業(yè)總公司科技進步三等獎。通訊地址：江西南昌八一大道一號 南昌有色冶金設(shè)計研究院熱工室郵政編碼 330002 電話 265（上接第178頁）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量定律，控制系統(tǒng)可以根據(jù)當量定律計算出加入量（Q1= Q2×N2/N1）一次性加入,不足部分由二級調(diào)節(jié)加入。2第二

18、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，混合作用的強弱，PH值變化快慢，中和劑單位時間流量的比例系數(shù)，PH為PH值誤差，為限速因子，各參數(shù)的選擇與化學反應(yīng)性質(zhì),系統(tǒng)運行狀況和有關(guān)物理參量有關(guān)。經(jīng)過二個階段的調(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)的特點經(jīng)過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：1調(diào)節(jié)時間短，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98%以上，經(jīng)環(huán)保部門的多次抽檢均達標排放。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量的堿，以確保污水PH值大于6