垃圾填埋場沼氣回收利用研究

垃圾填埋場沼氣回收利用研究

0城市垃圾污染效應(yīng)城市垃圾填埋是世界各國處理廢物的最重要方法。垃圾填埋氣（lfg）來自將有機污染物從垃圾填埋中排出的氣體中分解，也稱為填埋氣。一個中等規(guī)模的垃圾填埋場平均日產(chǎn)填埋沼氣可達3000m3以上。據(jù)預(yù)測,到2015年中國城市的垃圾產(chǎn)量將達1.79×108t/a,其中約60%需要進行填埋處置。按照垃圾產(chǎn)生的填埋沼氣為0.064~0.44m3/kg計算,其中,甲烷總量相當于10×108~70×108m3/a的天然氣,其最小值與目前中國煤層氣產(chǎn)量相當,最大值相當于中國目前天然氣產(chǎn)量的1/5。LFG既是一種溫室氣體,其中的甲烷溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍,同時它又是一種寶貴的清潔能源,而且,甲烷燃燒的產(chǎn)物是二氧化碳和水,具有二次污染小的特點。因此,對LFG進行綜合處置和利用是目前國際關(guān)注的節(jié)能減排課題之一。如果能將垃圾填埋場產(chǎn)出的LFG充分回收利用,作為燃料驅(qū)動直燃型熱泵運行,既控制了溫室氣體的無序排放,具有良好的環(huán)境效益,又可實現(xiàn)垃圾的資源化和能源化利用,產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益。1廢物填埋廢物的回收和利用1.1填埋沼氣主要成分甲烷和二氧化碳,其基本穩(wěn)定的生物指標要求對于其干生活垃圾進入填埋場并經(jīng)壓實覆蓋以后,外界的氧氣就不能再進入到垃圾體內(nèi)。當垃圾體內(nèi)的氧氣被微生物的好氧代謝耗盡后,垃圾體逐漸過渡到厭氧分解的階段。同時,隨著好氧代謝過程的減弱,初始大量產(chǎn)生的二氧化碳比例逐漸降低,隨著厭氧發(fā)酵過程的進行,甲烷比例逐漸提高。在經(jīng)歷了最初的不穩(wěn)定階段后,甲烷和二氧化碳的濃度在很長一段時間里都能保持基本穩(wěn)定。因此,垃圾填埋沼氣的主要成分就是甲烷和二氧化碳。其中,甲烷占50%~60%,二氧化碳占30%~40%,此外,填埋沼氣中還含有少量氮氣、氧氣、氨氣、硫化氫、氫氣等其他氣體。填埋沼氣的熱值約為19.4MJ/m3,比城市煤氣略高,但低于天然氣。1m3LFG中所含的熱值大約相當于0.45m3的柴油或0.6m3的汽油(表1)。1.2氧化碳燃燒與天然氣相比,填埋沼氣的主要不足:(1)水分含量變化大,其含水率一般在5%~飽和濕度變化,如果含水率過高,將影響氣體的燃燒;(2)熱值較低,填埋沼氣中氣體的成分含量經(jīng)常波動,且含有較高濃度的二氧化碳,從而影響其熱值的提高;(3)含氧量波動大,填埋沼氣在排出收集過程中如受到空氣的影響,造成含氧量增加,容易發(fā)生爆炸。雖然由于含有大量具有阻燃作用的CO2,導(dǎo)致其燃燒速度較慢,又因為燃燒速度慢使其燃燒持續(xù)期較長,后燃嚴重且排溫較高,燃燒效率也不如天然氣,但填埋沼氣在經(jīng)過脫除水分和H2S后,也算是一種較優(yōu)質(zhì)的氣體燃料,如果用洗氣設(shè)備進一步去除部分CO2,則其燃燒特性就接近于天然氣。另一方面,因為填埋沼氣含有較多的CO2,提高了其抗爆性,也有利于降低最高燃燒溫度及NOx的排放,故其燃燒后對環(huán)境排放的污染物將明顯減少。1.3填埋沼液發(fā)電技術(shù)目前,垃圾填埋沼氣的主要利用途徑:(1)作為蒸汽鍋爐燃料,用于生活和工業(yè)供熱;(2)通過內(nèi)燃機發(fā)電;(3)作為運輸工具的動力燃料;(4)經(jīng)脫水凈化處理后作為管道氣體;(5)應(yīng)用于二氧化碳工業(yè);(6)用作生產(chǎn)甲醇的燃料。其中,利用填埋沼氣發(fā)電是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一,其技術(shù)裝備可以采用成熟的燃氣發(fā)電機組或?qū)Ｓ玫恼託獍l(fā)電機組。相對于其它利用方式,可不受當?shù)赜脩魲l件的限制,但其經(jīng)濟效益在很大程度上取決于使用的連續(xù)性以及從填埋場到用戶的距離。筆者認為,與目前幾種垃圾填埋沼氣利用方式相比,如果以填埋沼氣為燃料驅(qū)動直燃型熱泵系統(tǒng)運行,不僅在減少化石燃料的消耗、提高能源利用效率等方面更具有節(jié)能優(yōu)勢,而且結(jié)合兩者的優(yōu)點,在污染物減排方面也比其他利用方式更為顯著。近年來的研究和模擬試驗表明,通過設(shè)計湍流強度高的風扇形燃燒室對加快沼氣燃燒速度十分有效,部分解決了沼氣后燃問題,降低了排氣溫度,提高了燃燒效率。同時,專用的沼氣燃燒系統(tǒng)也已發(fā)展成熟,從而為填埋沼氣直燃型熱泵系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2氣體處理系統(tǒng)沼氣直燃型熱泵是以沼氣燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣為驅(qū)動力的第一類吸收式熱泵機組,其各種機械平臺及換熱設(shè)備與其它燃氣直燃型熱泵基本類同,不同之處在于該機組還應(yīng)配置填埋沼氣的收集、凈化處理及燃燒系統(tǒng)。氣體收集系統(tǒng)位于垃圾填埋場內(nèi),由一些氣體收集井和管網(wǎng)組成;氣體凈化處理系統(tǒng)包括脫硫罐、預(yù)處理模塊。其中,收集系統(tǒng)中應(yīng)配備一臺沼氣輸送風機,通過它的抽吸作用,實現(xiàn)填埋沼氣從垃圾填埋場收集、凈化到送入燃燒系統(tǒng)并驅(qū)動直燃型熱泵機組運行。2.1沼氣沼氣收集、凈化和燃燒系統(tǒng)的嵌入2.1.1氣體收集方式的確定在自身濃度和外界壓力的共同作用下,填埋沼氣會在垃圾及周圍地層中遷移。因此,必須設(shè)置合理的填埋沼氣收集系統(tǒng)。早期的填埋沼氣主要利用豎井收集,但豎井系統(tǒng)不易收集初期產(chǎn)生的填埋沼氣,在收集系統(tǒng)建成前就有大量氣體逸出。近年來,水平式收集系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛,即在垃圾填埋到一定高度后,在填埋場內(nèi)鋪設(shè)水平收集主管,然后將水平支管收集到的氣體匯集到收集主管,而且可以在填埋場設(shè)置多層。但是,水平式收集系統(tǒng)會受垃圾體內(nèi)的污泥在管內(nèi)形成的冷凝液影響,阻塞管道,降低氣體收集率。因此,根據(jù)填埋沼氣直燃型熱泵系統(tǒng)的特點,比較理想的氣體收集方式是將水平與豎井收集系統(tǒng)相結(jié)合。即在垃圾填埋過程中水平鋪設(shè)盲溝,填埋沼氣在負壓的作用下,通過導(dǎo)氣豎管與場底水平收排滲系統(tǒng)相連,起導(dǎo)氣及垂直收滲雙重作用,同時為加強導(dǎo)氣效果,保護導(dǎo)氣豎管的穩(wěn)定,可在導(dǎo)氣豎管的外側(cè)設(shè)置石籠,把石籠內(nèi)多孔鋼管與地表管網(wǎng)連接,將填埋沼氣經(jīng)過氣體收集管引至貯氣柜,再由貯氣柜通過獨立的管道輸往熱泵燃燒系統(tǒng)。2.1.2沼氣燃燒系統(tǒng)填埋沼氣凈化及燃燒系統(tǒng)包括脫硫罐、氣水分離器、燃燒器以及燃燒器的控制幾個部分,其系統(tǒng)流程:填埋沼氣貯氣柜→脫硫罐→氣水分離器→緩沖罐→阻火器→沼氣燃燒器。為了消除硫化氫的影響,填埋沼氣在進入燃燒器之前要進行脫硫、脫水等凈化處理。填埋沼氣的用途不同,其凈化處理工藝也有所不同。用作管道氣等高熱值的燃料時,需要脫除H2S,CO2,H2O和高分子碳氫化合物,并需對微量組分進行深度處理;而用作沼氣熱泵、鍋爐、熔爐等中熱值的燃料時,在過濾除去其中的H2S等組分后,還需要冷凝脫水。因此,用于直燃型熱泵的填埋沼氣宜選擇干法脫硫,設(shè)置脫硫罐,采用過濾處理技術(shù)除去顆粒物;設(shè)置氣水分離器,通過降溫使沼氣中的水蒸氣冷凝分離,以降低沼氣的濕度,減少對管道及設(shè)備的腐蝕,并防止冷凝水阻塞沼氣輸送管道。輸氣管道除以一定的坡度敷設(shè)外,還應(yīng)在低處設(shè)置水封和排水孔。同時,為了增加燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定性,需配置緩沖罐,并在沼氣進入燃燒器之前設(shè)置干式阻火器,以避免明火竄入存有沼氣的管道、貯氣柜及其他附屬設(shè)施而引起爆炸。其系統(tǒng)流程框圖如圖1所示。沼氣燃燒器是燃燒系統(tǒng)的核心設(shè)備,要求有較高的安全性和控制靈敏度。工作時,由壓力傳感器監(jiān)測沼氣貯氣柜的壓力。當壓力達到預(yù)定值時,先由點火系統(tǒng)自動在燃燒器上形成火種火苗,火苗點燃后,沼氣進入燃燒器開始燃燒,通過轉(zhuǎn)動風門控制沼氣空氣比,以使沼氣火焰和火種火苗達到最穩(wěn)定。當貯氣柜內(nèi)壓力低于預(yù)定值時,壓力傳感器發(fā)出信號控制熄滅火苗,并關(guān)閉沼氣輸送管道。2.2低壓發(fā)生器的管排沼氣直燃型熱泵循環(huán)系統(tǒng)主要由高低壓發(fā)生器、蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器和高低溫溶液熱交換器組成。其中,高壓發(fā)生器所需的熱輸入來自前述的沼氣燃燒系統(tǒng),而冷凝器和吸收器為熱輸出設(shè)備。工作時,沼氣進入高壓發(fā)生器爐筒(燃燒器)中燃燒,高溫煙氣通過爐筒和傳熱管加熱二元溶液后,經(jīng)余熱換熱器和煙筒排出,被加熱的二元溶液中產(chǎn)生的冷劑蒸汽則進入低壓發(fā)生器的傳熱管內(nèi)。根據(jù)填埋沼氣的燃燒特點,高壓發(fā)生器采用濕燃燒室較理想,其爐筒后部可浸沒在二元溶液中,而且回流部分作為傳熱面能參與換熱。為了與濕燃燒室相配套,應(yīng)選擇煙管式對流換熱器,并把煙管垂直布置,以便于煙氣的脫離。低壓發(fā)生器采用沉浸式結(jié)構(gòu)比較適合沼氣直燃型熱泵。優(yōu)點是能充分利用每一根傳熱管,溶液受熱均勻,而且其管排結(jié)構(gòu)相對簡單,管內(nèi)熱源溫度較低,但靜液柱影響較大,須限制充液量。宜選擇橫向管簇布置方式,以減少垂直方向上的管排數(shù)。吸收器與冷凝器的供熱水管需串接,傳熱管通常選擇帶斜槽或縱槽的高效紫銅管,以交錯排列的方式布置。配合采用壓力型淋板系統(tǒng),通過溶液泵的壓力把液體散布在傳熱管外側(cè),形成均勻液膜,傳熱傳質(zhì)效果較好。2.3直燃型熱泵系統(tǒng)采暖綜合以上兩個系統(tǒng),即構(gòu)造出完整的填埋沼氣直燃型熱泵系統(tǒng)。其系統(tǒng)流程見圖2。來自氣體收集系統(tǒng)的填埋沼氣經(jīng)過貯氣柜,進入凈化處理系統(tǒng),再經(jīng)脫硫凈化、除塵、除濕后,進入直燃型熱泵系統(tǒng)高壓發(fā)生器燃燒室。冬季采暖工況時,直燃型熱泵機組內(nèi)的冷凝器及吸收器產(chǎn)生的冷凝熱和吸收熱一起作為熱輸出,通過分集水器把熱媒水供給用戶風機盤管循環(huán)使用;夏季制冷工況時,機組內(nèi)的蒸發(fā)器作為冷輸出,通過分集水器把冷媒水供給用戶風機盤管循環(huán)使用。而燃燒室排出的高溫煙氣進入熱泵機組內(nèi)設(shè)置的氣水換熱器,提供生活熱水供用戶使用,以回收余熱。3經(jīng)濟與環(huán)境保護的效率3.1填埋沼氣直燃型熱泵系統(tǒng)供熱裝置的經(jīng)濟性主要受系統(tǒng)投資、能源利用效率、設(shè)備使用年限、系統(tǒng)維護費用等因素影響。一般情況下,系統(tǒng)效率越高,投資就越大,兩者對經(jīng)濟性的影響正好相反。此外,還受到能源價格、供需狀況等外部因素的影響。與其他供熱方式相比,填埋沼氣直燃型熱泵的系統(tǒng)投資較大,但其能源利用率高,而且又是將來源于垃圾處理過程中原本廢棄的沼氣作為能源驅(qū)動熱泵機組運行,從而節(jié)省了大量的燃料運行成本。如果供熱時間較長,在能源價格不斷上漲的情況下,其運行成本低的優(yōu)勢將更為明顯。以一座中等規(guī)模的垃圾填埋場為例:假設(shè)填埋沼氣日產(chǎn)量為3000m3,設(shè)計選用輸入功率為500kW的沼氣直燃型熱泵。如取熱泵性能系數(shù)為1.5,按每天運行10h計算,熱泵可輸出的總熱量為2.7×104MJ。作為比較:(1)如改用燃煤鍋爐供熱,取其熱效率為75%,則提供2.7×104MJ的等值熱量,需要消耗折合發(fā)熱量為3.6×104MJ的標準煤;(2)如改用天然氣鍋爐供熱,取其熱效率為85%,則提供2.7×104MJ的等值熱量,需要消耗折合發(fā)熱量為3.18×104MJ的天然氣;(3)如改用電動熱泵供熱,取其性能系數(shù)為3.5,則提供2.7×104MJ的等值熱量,需要消耗折合發(fā)熱量為7.71×103MJ的電力。假設(shè)填埋沼氣直燃型熱泵系統(tǒng)每年運行300d,根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算,可分別節(jié)約標準煤4.25×105kg(燃煤熱值25435kJ/kg),天然氣2.71×105m3(天然氣熱值35200kJ/m3),電力6.42×105kWh。而其運行成本大約僅占總收益的10%(不考慮熱回收),經(jīng)濟效益十分顯著。如再以天然氣鍋爐為參照,按節(jié)約的天然氣量2.71×105m3及工業(yè)天然氣價2.5元/m3折算總收益,可減少運行成本約57.6萬元。在考慮了填埋沼氣收集及凈化系統(tǒng)設(shè)備投資的情況下,沼氣直燃型熱泵初投資按2300元/kW計算,其投資回收期為1.99a。對于天然氣價格高的地區(qū),其投資回收期更短,經(jīng)濟性更高。另一方面,垃圾填埋場一般可以連續(xù)運營10~15a,即使在封場后其填埋沼氣還能回收3~5a。因此,填埋沼氣直燃型熱泵系統(tǒng)的運行時間很長、耗氣量很大。如果根據(jù)其耗氣量及產(chǎn)生的CO2減排量大的特點,申報CDM項目(碳指標貿(mào)易),按目前每噸碳指標售價約10歐元計算,則開發(fā)具有垃圾填埋氣體資源化利用優(yōu)勢的沼氣直燃型熱泵系統(tǒng),帶來的經(jīng)濟效益和社會效益同樣十分可觀。3.2填埋沼液氣體排放量目前,大氣中的甲烷是僅次于二氧化碳的重要溫室氣體,其溫室效應(yīng)貢獻率達26%。據(jù)估計,到2030年甲烷的貢獻率將達到50%,成為頭號溫室氣體。全球的垃圾填埋場每年排放甲烷約7000萬t,約占全球甲烷排放總量的15%,控制垃圾填埋場的甲烷排放對減緩溫室效應(yīng)意義重大。近年來,填埋沼氣的處理和回收利用也以其減排1m3甲烷相當于減排21m3二氧化碳的特點,成為國際碳指標減排貿(mào)易的熱點項目。因此,對填埋沼氣進行回收利用,作為燃料驅(qū)動直燃型熱泵運行,不僅節(jié)能還可減少甲烷的排放量,具有顯著的減排效益。而且,根據(jù)美國環(huán)保署EPA估計,采用直燃型熱泵供熱,平均可以減少相當于80%以上的電力消耗,可間接降低發(fā)電過程中所產(chǎn)生的污染物和溫室氣體排放。另一方面,填埋沼氣本身是生物質(zhì)厭氧發(fā)酵后產(chǎn)出的潔凈氣體燃料,其燃燒排放的SO2,NOx,CO2分別是燃煤的10%,20%,40%(表2)。而且,垃圾填埋沼氣在進入直燃型熱泵系統(tǒng)之前,已經(jīng)過脫硫、脫水、除塵等凈化處理,因此,填埋沼氣直燃型熱泵系統(tǒng)運行過程中的污染物及溫室氣體排放都很小,環(huán)保效益顯著。4直燃型熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(1)在配套填埋沼氣收集及預(yù)處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上