垃圾填埋場沼氣發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀及其前景

中國沼氣發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望摘要：本文通過對中國沼氣利用現(xiàn)狀和沼氣發(fā)電工程市場前景的調(diào)查與分析，描述了沼氣發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其能源利用市場潛力，對影響沼氣發(fā)電商品化和市場化的社會經(jīng)濟因素和主要障礙進行了分析評價，并提出了一些對策和措施。

關(guān)鍵詞：沼氣工程發(fā)電

1、引言

生物質(zhì)能是來源于太陽能的一種可再生能源，具有資源豐富、含碳量低的特點，加之在其生長過程中吸收大氣中的C02，因而用新技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)能不僅有助于減輕溫室效應(yīng)和生態(tài)良性循環(huán)，而且可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成為解決能源與環(huán)境問題的重要途徑。

隨著對環(huán)境的日益重視，人們開始利用各種方式來減少工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的破壞。近十幾年來，在各級政府有關(guān)部門和企業(yè)的幫助協(xié)調(diào)下，用于處理畜禽糞便及各種生產(chǎn)、生活污水的大中型沼氣工程紛紛上馬，至1998年底，我國已建成大中型沼氣工程742處，年產(chǎn)沼氣量為16393.94萬立方米；垃圾填埋法產(chǎn)生沼氣是處理城市垃圾的主要方式之一，具有簡單易行和費用較低的特點，同時還可回收能源，正受到世界各國的普遍歡迎。目前，全世界共建成4817座垃圾填埋場，每年可回收沼氣51.42億立方米。

沼氣是一種具有較高熱值的可燃氣體，與其它燃氣相比，其抗爆性能較好，是一種很好的清潔燃料，傳統(tǒng)上大多利用沼氣進行取暖、炊事和照明，隨著沼氣產(chǎn)量的不斷增加，如何更高效地利用沼氣，成為擺在我們面前的一項課題。

2、沼氣發(fā)電技術(shù)進展狀況

沼氣燃燒發(fā)電是隨著沼氣綜合利用的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項沼氣利用技術(shù)，它將沼氣用于發(fā)動機上，并裝有綜合發(fā)電裝置，以產(chǎn)生電能和熱能，是有效利用沼氣的一種重要方式。目前用于沼氣發(fā)電的設(shè)備主要有內(nèi)燃機和汽輪機。

國外用于沼氣發(fā)電的內(nèi)燃機主要使用Otto發(fā)動機和Diesel發(fā)動機，其單位重量的功率約為27kW／T。汽輪機中燃氣發(fā)動機和蒸汽發(fā)動機均有使用，燃氣發(fā)動機的優(yōu)點是單位重量的功率大，一般為70～140kW／T；蒸汽發(fā)動機一般為10kW／T。國外沼氣發(fā)電機組主要用于垃圾填埋場的沼氣處理工藝中。目前，美國在沼氣發(fā)電領(lǐng)域有許多成熟的技術(shù)和工程，處于世界領(lǐng)先水平?，F(xiàn)有61個填埋場使用內(nèi)燃機發(fā)電，加上使用汽輪機發(fā)電的裝機，總?cè)萘恳堰_340兆瓦；歐洲用于沼氣發(fā)電的內(nèi)燃機，較大的單機容量在0.4～2兆瓦，填埋沼氣的發(fā)電效率約為1.68～2kWh／m3。

我國開展沼氣發(fā)電領(lǐng)域的研究始于八十年代初，1998年全國沼氣發(fā)電量為1,055，160kWh。在此期間，先后有一些科研機構(gòu)進行過沼氣發(fā)動機的改裝和提高熱效率方面的研究工作。我國的沼氣發(fā)動機主要為兩類，即雙燃料式和全燒式。目前，對“沼氣一柴油”雙燃料發(fā)動機的研究開發(fā)工作較多。如：中國農(nóng)機研究院與四川綿陽新華內(nèi)燃機廠共同研制開發(fā)的S195—1型雙燃料發(fā)動機：上海新中動力機廠研制的20／27G雙燃料機等。成都科技大學(xué)等單位還對雙燃料機的調(diào)速、供氣系統(tǒng)以及提高熱效率等方面進行過研究。濰坊柴油機廠研制出功率為120kW的6160A一3型全燒式沼氣發(fā)動機，貴州柴油機廠和四川農(nóng)業(yè)機械研究所共同開發(fā)出60kW的6135AD(Q)型全燒沼氣發(fā)動機發(fā)電機組；此外，還有重慶、上海、南通等一些機構(gòu)進行過這方面的研究、研制工作。可以說，目前我國在沼氣發(fā)電方面的研究工作主要集中在內(nèi)燃機系列上。表1是我國部分12kW以下沼氣發(fā)電機組的測試性能比較。

3、沼氣發(fā)電前景廣闊

沼氣發(fā)電工程本身是提供清潔能源，解決環(huán)境問題的工程，它的運行不僅解決沼氣工程中的一些主要環(huán)境問題，而且由于其產(chǎn)生大量電能和熱能，又為沼氣的綜合利用找到了廣泛的應(yīng)用前景：

1)有助于減少溫室氣體的排放

通過沼氣發(fā)電工程可以減少CH4的排放，每減少1屯CH4的排放，相當于減少25噸C02的排放，對緩和溫室效應(yīng)有利。

2)有利于變廢為寶，提高沼氣工程的綜合效益

我們以沼電在酒廠中的的綜合效益為例：四川榮縣進行了120kW沼氣發(fā)電的生產(chǎn)和示范。用酒糟廢水經(jīng)厭氧消化產(chǎn)生沼氣，發(fā)電效率為1.69kWh／m3，當年成本為0.0465元／kWh。沼電能夠基本滿足該廠的生產(chǎn)用電：山東昌樂酒廠安裝2臺120kW的沼氣發(fā)電機組，170m3酒糟日產(chǎn)沼氣4800m3，發(fā)電8640kwh，全年能源節(jié)約開支29萬元，工程運行一年即收回全部成本。

杭州天子嶺填埋場發(fā)電工程在運行過程中，在平均電價為0.438元／kWh的條件下，投資回報率可達14.8%。

3)可減少對周圍環(huán)境的污染。

由于綜合利用手段單一，很多沼氣工程產(chǎn)生的沼氣大量排入大氣中，不僅嚴重污染周圍的環(huán)境，也對工作人員的安全和健康產(chǎn)生了極大的威脅，沼氣發(fā)電則為沼氣找到了一條合理利用的途徑。

4)小沼電為農(nóng)村地區(qū)能源利用開辟新途徑

我國農(nóng)村偏遠地區(qū)還有許多地方嚴重缺電，如牧區(qū)、海島、偏僻山區(qū)等高壓輸電較為困難，而這些地區(qū)卻有著豐富的生物質(zhì)原料。因地制宜地發(fā)展小沼電，猶如建造微型“坑口電站”，可取長補短就地供電。

表112kW以下沼氣發(fā)電機組測試表研制單位產(chǎn)品型號功率（KW）甲烷含量（%）比氣耗(m3／kWh)節(jié)油率（%）熱效率（%）

四川省農(nóng)機所0.8GFZ1.357730.86810023.45

四川省農(nóng)機所19512.9789.40.3710030.7

泰安電機廠12GFS3212.8578.450.4928131.99

泰安電機廠10GFsl311.1886.50.2486237.89

南充農(nóng)機所19513.5370.90.32281.38.8

武進柴油機廠195-Z13.5271.20.4010035.39

上海內(nèi)燃機所5GFZ5.6272.350.68710026.78

重慶電機廠1.2kW1.5277.050.7610029

4、沼氣發(fā)電商業(yè)化發(fā)展的主要障礙

80年代是我國沼氣發(fā)電研究的起始階段，也是較為活躍的時期。但近十年的發(fā)展比較緩慢。主要存在以下障礙：

4.1技術(shù)障礙

我國沼氣發(fā)動機的開發(fā)研究主要集中在內(nèi)燃機系列上，一般只是對柴油機和汽油機進行較淺層次的改裝，對發(fā)動機的熱工性能研究不深，由于產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)，在運行使用中出現(xiàn)諸多問題，給用戶帶來不便，從而影響其發(fā)展進程。導(dǎo)致這種情況的根本原因是沒有對沼氣發(fā)動機進行深入的研究，技術(shù)不過關(guān)，缺乏足夠的生產(chǎn)實踐。致使發(fā)動機在運行中產(chǎn)生熱負荷高、可靠性差、起動困難；另外我國研制的全燒沼氣發(fā)動機的排氣溫度過高，氣閥易燒壞，使氣缸蓋等成為易損件等諸多技術(shù)問題。

4.2市場障礙

由于我國沼氣發(fā)動機存在許多問題，先前應(yīng)用國產(chǎn)發(fā)電機組的沼氣發(fā)電工程有許多長期處于停機狀態(tài)。這就使后來發(fā)展的絕大多數(shù)沼氣工程放棄了沼氣發(fā)電方式，轉(zhuǎn)而尋求其他的利用途徑。少數(shù)沼氣發(fā)電工程(如天津、杭州等)依靠貸款引進購買較為成熟的國外發(fā)電機組設(shè)備來維持運行。我國生產(chǎn)廠家則由于技術(shù)不夠成熟而造成買方市場的嚴重匱乏，沼氣發(fā)動機和發(fā)電機組無法形成規(guī)?；可a(chǎn)，使科研生產(chǎn)單位缺乏相關(guān)的研究經(jīng)費，沒有對其作深入研究開發(fā)的積極性，不能提供質(zhì)量過關(guān)的產(chǎn)品，進一步阻礙產(chǎn)品的市場化進程，對生產(chǎn)科研單位自身以及沼氣發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展都不利。

此外，沼氣發(fā)電市場不規(guī)范，沒有相應(yīng)的較為完善的行業(yè)標準，也不利于其商業(yè)化開發(fā)和利用。

4.3政策障礙

缺乏相應(yīng)的激勵政策和限制性政策，不能有效地動員和吸收投資，成為影響其技術(shù)發(fā)展的一個重要原因。

由于目前沼氣發(fā)電工程在技術(shù)和市場化方面面臨許多問題，這就需要國家在這個領(lǐng)域給予政策方面的扶持。如果國家給予在稅收、貸款方面的優(yōu)惠政策、投資補貼和產(chǎn)業(yè)保護措施，以及電力部門在沼氣電力并網(wǎng)方面給予支持和幫助，制定優(yōu)惠的上網(wǎng)電價，將大大改善沼氣發(fā)電的經(jīng)濟性和市場前景，對其進入市場具有很積極的作用。

5、促進沼氣發(fā)電商業(yè)化發(fā)展的建議

從以上沼氣發(fā)電商業(yè)化所面臨的主要障礙來看，如果要克服其障礙，達到促進沼氣發(fā)電技術(shù)商業(yè)化發(fā)展的目的，還需要采取一些措施和行動。

5.1制定發(fā)展規(guī)劃

含水量：飽和電力輸出：1400千瓦（凈值）垃圾填埋場產(chǎn)出氣體的收集：根據(jù)測定計算，天子嶺垃圾填埋物產(chǎn)生氣體的回收率為70％左右，每天可回收氣體9657立方米，通過打垂直氣井，每天可回收氣體19131立方米。天子嶺填埋氣體的成分組成為：甲烷占54.4％，二氧化碳占34.1％，另外還有10％的氮氣和1.3％的氧氣，每標準立方米的回收氣體熱值為19500千焦。由于垃圾的含水率比較高（40％～50%），因此垃圾內(nèi)部的氣體的通透性很差，從商業(yè)利用的角度而言，所打的豎井的井距需限制在50米以內(nèi)，豎井井口的平均溫度在40℃；填埋回收氣體力水蒸汽所飽和，因此回收系統(tǒng)還考慮了冷凝水的收集和向瀝濾液處理系統(tǒng)排放。（2）填埋氣體收集系統(tǒng)參數(shù)如下：填埋氣體垂直收集井數(shù)：10～15井距：40～50米抽氣泵：1000標米3/日應(yīng)急火炬：20000標米3/日填埋氣體處理：填埋氣體處理系統(tǒng)見圖1，填埋氣體將處理到完全滿足燃氣發(fā)動機的要求，規(guī)格化的處理系統(tǒng)被安裝在國個完整的集裝箱內(nèi)，以便于現(xiàn)場安裝和工廠。圖1填埋氣體處理系統(tǒng)流程圖填埋氣體發(fā)電：填埋氣體收集處理后經(jīng)凈化送入兩臺燃氣輪機，就地發(fā)電并網(wǎng)。平行運行的每臺燃氣輪機的技術(shù)參數(shù)如下：機械輸出：760千瓦Stanford400V發(fā)電機：＞36千瓦發(fā)電機效率：39.05％排放：NOX500毫克/米3CO955毫克/米3VOC150毫克/米3能量輸入：1888干瓦燃氣發(fā)動機、發(fā)電機等被裝在集裝箱內(nèi)，都有完整的潤滑油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、排放消聲器、控制器、開關(guān)屏、用電配電系統(tǒng)、保護繼電器、通風(fēng)設(shè)備、照明系統(tǒng)等。2.主要技術(shù)經(jīng)濟指標填埋氣體回收利用上程設(shè)計壽命為20年，日回收氣體19131立方米，氣體熱值19500千焦，發(fā)電輸出電力1400千瓦，工作方式為24小時運行，運行時間占全年時問的95％。工程設(shè)計總投資2075萬元，項目年直接經(jīng)濟效益為510.7萬元。三、投資工程設(shè)計總投資2075萬元，其中包括1660萬元的設(shè)施建設(shè)資金和415萬元的技術(shù)投入；工程占地1250平方米，初始投資見表4。表4天子嶺垃圾填埋氣體利用工程初始投資表（萬元，1995年價格）項目名稱

財務(wù)經(jīng)濟征地及平整費用7.515工程投資

土建工程4545

焚燒火炬5.85.8

發(fā)電機組及風(fēng)機931931

自控系統(tǒng)及測量儀器120120

零部件、配件及工具257257

安裝105105辦公設(shè)備、交通工具30.730.7技術(shù)投入415415其它158158合計20752082.5四、運行費用及效益1.運行費用工程運行費用包括人下、動力、設(shè)備維修檢測等。項目運行費用見表8.5。表5天子嶺垃圾填埋氣體利用項目運行費用表（萬元，1995年價格）項目名稱財務(wù)經(jīng)濟動力、水費等

維護及維修費

工資、獎金

管理費及其它

合計65

105

30

10

210130

105

30

10

2752.效益項目中沼氣口收發(fā)電后直接上網(wǎng)，分峰谷電價，預(yù)定電價如下：14小時峰值電價為：0.63元／千瓦時10小時非峰值電價為；0.17元人千瓦時平均電價為：0.438元／千瓦時年電力銷售收入為（稅前）：510.69萬元項目經(jīng)濟分析電價（按長期預(yù)測價格）為；0.80元／千瓦時五、財務(wù)經(jīng)濟分析1.財務(wù)及經(jīng)濟分析垃圾填埋氣體發(fā)電項日在基準情況下的財務(wù)和經(jīng)濟分析結(jié)果見表8.6。如果考慮通貨膨脹，項目的財務(wù)內(nèi)部收益率為12.5％，屬于微盈利項目；在不考慮通貨膨脹的情況下，則項目的FIRR僅為8.37％，低于12％的基準內(nèi)部收益率。2.敏感性分析表8.7為項目財務(wù)敏感性分析，結(jié)果表明，該項日對初始投資及運行費用的變化不是特別敏感，相對而言，項日對效益的變化比較敏感，因此，電力銷售情況及電價的變化將對項目的經(jīng)濟性產(chǎn)生比較重要的影響。但是應(yīng)當看到，在無通貨膨脹的情況下，即使電力銷售收入增加10％，項目的內(nèi)部收益率仍低于基準內(nèi)部收益率。3.各種方案的比較下面進一步分析不同投資方式、政府采用減免稅、貸款補貼等優(yōu)惠政策對項目產(chǎn)生的影響，并對各種方案進行比較。在以下分析中基本方案條件如下：投資：純政府投資或完全利用自有資金，無貸款增值稅率：17％增值稅附加率:8％所得稅率；33％折舊年限:10年不考慮通貨膨脹。（1）投資來源基本方案純政府投資或完全利用自有資金；無貸款方案衛(wèi)；自有資金50％，貸款50％”NPV（萬元）FIRR（％）貸款利率12％，貸款年限10年。（2）貸款利率以下為不同貸款利率情況下的財務(wù)分析，投資來源均為自房資金50％，貸款50％，貸款年限10年。萬案1:全息貸款（12%）方案2：低息或貼息貸款（6％）方案3；低息或貼息貸款（3％）方案4；無息貸款（0％），還本不付息NPV（萬元）FIRR（％）(3)稅率以下為各種減免稅政策下的財務(wù)分析結(jié)果，方案5～方案9中均為無貸款的情況。基本方案：純政府投資或完全利用自有資金，無貸款方案5：免所得稅方案6:免增值稅附加方案7：減增值稅及附加u％）方案8：免增值稅及附加方案9：免所得稅、增值稅及附加方案10：免所得稅、增值稅及附加，無息貸款NPV（萬元）FIRR（％）以上幾種方案分析結(jié)果表明：(1)由于垃圾填埋氣體回收利用項目的特殊性，在基本方案下，如項目的全部投資完全來源于政府投資或企業(yè)的自有資金，財務(wù)內(nèi)部收益率。垃圾填埋場氣體的收集與處理本文著重對垃圾填埋場氣體的收集系統(tǒng)及處理系統(tǒng)進行論述，以解決垃圾填埋場在封場后可能發(fā)生的火災(zāi)危險。1填埋場氣體的產(chǎn)生城市生活垃圾包括居民家庭、道路清掃(包括果皮箱收集)、商業(yè)營業(yè)垃圾(包括菜場垃圾)、企事業(yè)單位(包括機關(guān)、學(xué)校、醫(yī)院)、以及露天公共場所等產(chǎn)生的垃圾，亦有一部分工業(yè)垃圾和建筑垃圾混雜其中。因此在投入填埋場的垃圾中，含有相當豐富的有機物質(zhì)。通常，家庭垃圾中，含有馬鈴薯皮、水果皮、食物殘渣、菜葉、紙張、毛皮等有機物。庭院垃圾中也含有一定數(shù)量的有機物質(zhì)。

垃圾一旦進入填埋場，微生物的分解過程就開始了。第一步是好氧分解，消耗填埋場中的氧氣，產(chǎn)生大量的熱。第二步進行厭氧分解，產(chǎn)生沼氣，其組成見表1。

作為垃圾本身的生物厭氧降解過程，其最終產(chǎn)物主要是CO2和CH4。垃圾被填埋的初期，有機物分解產(chǎn)生的廢氣主要是CO2，經(jīng)過一段時間以后，氣體中的甲烷成分逐漸上升，產(chǎn)氣高峰一般要在垃圾填埋3～5年之后才出現(xiàn)，而廢氣中CH4含量較高時會引起爆炸(空氣中CH4的爆炸極限范圍是5～15V%。因此，做好填埋場氣體的收集處理是一項很重要的工作。氣體成分和濃度隨填埋年限和垃圾成分的不同而變化。其主要成分隨時間的變化見表2。表1填埋場內(nèi)氣體成分與濃度氣體名稱分子式濃度氣體名稱分子式濃度氣體名稱分子式濃度甲烷CH40～85V%氧O20～31.6V%苯C6H60.08V%二氧化碳CO20～85V%氮N20～82.5V%氬Ar0.01V%一氧化碳CO2.8V%硫化氫H2S0～75V%HEPTAC7H160.45V%氨NH30～0.35×10-6ACETACH3CHO150×10-6甲苯C6H5CH30.09V%氫H20～3.6V%ACETOC2H6CO100×10-6表2垃圾處理場廢氣主要成分變化完工時間(月)0～33～66～1212～1818～2424～3030～3636～4242～48CH4V%52129404647514748CO2V%887465525251465050N2V%5.23.00.41.00.40.21.30.90.42深圳垃圾填埋場深圳市玉龍坑垃圾填埋場是市區(qū)垃圾處理的最終消納場所，占地面積6.12公頃，該填埋場建于1980年，投入運行時為裸堆，后經(jīng)擴建并增設(shè)了排氣管、排洪溝等設(shè)施，進行了垃圾的碾壓和覆土，于1984年正式啟用，成為一個準衛(wèi)生填埋場，目前，容量已接近飽和，年底即將封場。該垃圾場位于一個山谷地帶，四周地勢較高，產(chǎn)生的沼氣不易很快擴散，而且易燃、易爆、有毒的氣體長期自然排放，不僅存在著嚴重的環(huán)境污染，而且還存在著爆炸的危險。玉龍坑垃圾填埋場由于設(shè)計沒有安裝排氣管，垃圾填埋后，所產(chǎn)生的氣體自然排出，為了減少其危害程度，1984年增設(shè)了排氣設(shè)施，但由于設(shè)計不規(guī)范，而且垃圾覆土過程中，推土機將部分導(dǎo)氣管推彎，使導(dǎo)氣管出現(xiàn)傾斜，甚至斷裂的現(xiàn)象，直接影響了填埋場的排氣效果，一旦引起火災(zāi)，就會引起填埋場沼氣爆炸，后果不堪設(shè)想，因此，對填埋場封場后排氣制訂切實可行的方案，對減少隱患，改善環(huán)境將有著十分重要的意義。

填埋場氣體的量及其成分，主要取決于填埋垃圾的種類與數(shù)量，所采用的地面處理方法、填埋深度、填埋場溫度和填埋場實際使用年限等因素。填埋初期，第一和第二階段(歷時1年左右)，主要成分是二氧化碳、氮、少量氫、一氧化碳和氧；第三階段(歷時2年)是甲烷發(fā)酵的不穩(wěn)定期,主要成分是二氧化碳和甲烷，產(chǎn)生量也較少;第四階段為穩(wěn)定的廢氣產(chǎn)生期，主要成分是甲烷和二氧化碳，(歷時20～30年)，一般第15～16年為產(chǎn)氣高峰，本階段屬氣體回收利用期。垃圾場沼氣產(chǎn)生量曲線如圖1(K為產(chǎn)氣率)。圖1垃圾場沼氣產(chǎn)生量曲線表3深圳市市區(qū)歷年垃圾量t/y年代198419851986198719881989垃圾量t87600131400142350147460168265243734年代199019911992199319941995垃圾量t282420320000429000430405454425518665以玉龍坑垃圾場為例，該填埋場于1984年開始啟用，據(jù)資料統(tǒng)計，市區(qū)垃圾量見表3。

除玉龍坑垃圾填埋場以外，深圳市垃圾綜合處理廠自1988年投產(chǎn)以來，日焚燒垃圾量約200t，到1995年底，共焚燒垃圾5×104t，因此，除去燒掉的垃圾，其余約4×106t，5×106t的垃圾均進入了玉龍坑填埋場。

據(jù)《美國城市固體垃圾管理及填埋技術(shù)》報道：在12～15年的填埋期間里，每公斤固體垃圾可以回收0.0989～0.1483m3的甲烷。與美國相比，玉龍坑垃圾填埋場中有機垃圾含量極少，而沼氣是通過有機物的發(fā)酵產(chǎn)生的，因此產(chǎn)氣量也較以上指標低，考慮到填埋場已使用十年，填埋場的沼氣產(chǎn)氣率約為每公斤固體垃圾可以回收0.05m3，回收期15年，產(chǎn)氣量計算公式如下：

Q=1000×g×w/(365×24×y)(m3/h)

式中：

g-每公斤固體垃圾回收氣量(m3/kg)；