（冶金工程专业论文）垃圾填埋沼气发电技术应用的研究.pdf

二j1曩 ad i s s e r t a t i o ni nm e t a l l u r g ye n g i n e e r i n g p o w e rg e n e r a t e dw i t hm e t h a n ef r o mg a r b a g el a n d f i l l z h a n gg u o b i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gt i n g _ a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y 独创性声明 呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 学位论文作者签名：k 台l u e l 期：妒弓、k 们 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 摘要 垃圾填埋沼气发电技术应用的研究 摘要 城市生活垃圾的处理方法，垃圾能源的利用现状，垃圾能源的利用 东北地区利用城市生活垃圾填埋沼气发电技术的可行性和经济性， 保效益进行研究。 量的有机物，这些有机物填埋后经过微生物的发酵作用产生填埋气 体，填埋气体包含甲烷、二氧化碳、氮气和氧气及微量元素气体。填埋气体中的二氧化 碳、甲烷等气体还是引发产生地球温室效应的主要组成成分。尤其是甲烷气体的温室效 应是二氧化碳气体的2 1 倍。填埋气体在未被收集利用的情况下，无控制地从填埋场内 释放与逸散出来，不但污染周边地区的环境，还存在发生火灾发生和爆炸的危险，对填 埋场作业和周边居民生活造成安全隐患。 同时，垃圾填埋沼气又是一种优质的能源。垃圾填埋沼气发电是利用垃圾填埋产生 的沼气为能源的发电技术。包括沼气收集、沼气精制、发电、变送电等环节。 由于受环境和观念的限制，我国东北地区尚未开发利用填埋沼气资源。本文就城市 生活垃圾填埋沼气发电技术在东北地区应用的可行性、经济性、环境效益和社会效益进 行充分的研究。 研究认为：垃圾填埋场的填埋沼气产出量受环境温度影响不显著，在东北地区各季 节产气量基本均衡稳定，可作为填埋沼气发电的燃料；垃圾填埋沼气发电技术的在我国 东北地区应用是现实可行的，该技术在我国北方地区有广泛的推广和应用价值；在经济 性上，主要技术经济指标良好；温室气体减排效果明显，环境效益显著；并解决了填埋 气体的无序迁移聚积而可能引发的爆炸、火灾等安全隐患，避免了环境的再次污染，改 善填埋场周边环境，社会效益显著。 这一技术的应用为实现循环经济，充分利用填埋沼气能源，减少温室气体排放，奠 定了良好的基础，也必将给以垃圾发电为代表的清洁能源产业带来无限的发展商机。 关键词：能源垃圾填埋沼气沼气发电环境保护循环经济 t h e r ei sag r e a td e a lo fo r g a n i cs u b s t a n c e si nd o m e s t i cg a r b a g e w h i c hc a n g e n e r a t eg a sa f t e rl a n d f i l lf e r m e n t i n gv i am i c r o o r g a n i s m t h el a n d f i l lg a sc o n t a i n s m e t h a n e ，c a r b o nd i o x i d e ，n i t r o g e ng a sa n do x i d ea sw e l la s 仃a c ee l e m e n t o fw h i c h , c a r b o nd i o x i d e ，m e t h a n e ，e t c a r em a i nc o m p o n e n t sl e a d i n gg r e e nh o u s ee f f e c to ft h e e a r t h t h eg r e e nh o u s ee f f e c to fm e t h a n ec a nb e2lt i m e so ft h ec a r b o nd i o x i d e i f l a n d f i l lg a si se m i t t e dw i t h o u tc o l l e c t i o na n dc o n t r 0 1 i tw i l ln o to n l yp o l l u t el o c a l e n v i r o n m e n t ，b u ta l s oh a sar i s ko ff i r ea n de x p l o s i o n ，w h i c hs h a l lb eah i d d e ns a f e t y t r o u b l ef o rl a n d f i l lw o r k i n ga n da m b i e n ti n h a b i t a n t m e a n w h i l e ，m e t h a n eg e n e r a t e df r o mg a r b a g el a n d f l li sa n o t h e rg o o de n e r g y p o w e rg e n e r a t e dw i t hm e t h a n ef r o mg a r b a g el a n d f i l li san e wp o w e rg e n e r a t i n g t e c h n o l o g y , i n c l u d i n gm e t h a n ec o l l e c t i o n ，m e t h a n er e f i n i n g ，p o w e rg e n e r a t i n ga n d t r a n s f o r m i n ga sw e l la st r a n s m i s s i o n ，e t c d u et ot h el i m i to fc o n d i t i o na n dc o n c e p t ，t h e r ei sn oa c t i v i t yo fu t i l i z i n gl a n d f i l l g a sr e s o u r c ei nt h en o r t h e a s to fc h i n a t h i sa r t i c l es h a l ls u f f i c i e n t l ys t u d yt h e f e a s i b i l i t y , e c o n o m i c a le f f i c i e n c y , e n v i r o n m e n tb e n e f i ta n ds o c i a lb e n e f i to ft h e t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o ni n t h en o r t h e a s t ：p o w e r g e n e r a t i o nw i t hm e t h a n ef r o m d o m e s t i cg a r b a g el a n d f i l li nc i t i e s r e f e rt ot h es t u d y , t h a tl a n d f i l lg a so u t p u ti sn o ts i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db ya m b i e n t t e m p e r a t u r e o u t p u t so fa l ls e a s o n si nt h en o r t h e a s ta r ea l m o s tc o n s i s t e n t s u i t a b l et o b em ef u e lo fp o w e rg e n e r a t i o n i ti sp r a c t i c a lt oa p p l yp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y w i t hg a r b a g el a n d f i l lg a si nn o r t h e a s to fc h i n a t h i st e c h n o l o g yi sv a l u a b l ef o r p o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o ni n t h en o r t ho fc h i n a , w i t hg o o dt e c h n i c a l & e c o n o m i c a li n d e x ，s i g n i f i c a n te f f e c to fr e d u c i n g g r e e nh o u s eg a se m i s s i o na n d i m p r o v e m e n to fe n v i r o n m e n t ，a n di ts o l v e st h ep r o b l e mo fp o s s i b l ee x p l o s i o na n df i r e d u et od i s o r d e rm o v e m e n ta n dg a t h e r i n go fl a n d f i l lg a s a v o i d ss e c o n d a r y p o l l u t i o no f i i i - 巧 e n v i r o n m e n t ，i m p r o v ea m b i e n te n v i r o n m e n ta r o u n dt h el a n d f i l lw i t hg r e a ts o c i a l b e n e f i t t h et e c h n o l o g ye s t a b l i s h e sa ne x c e l l e n tf o u n d a t i o nf o r c i r c u l a t i n ge c o n o m y ， r e d u c i n ge m i s s i o no fg r e e nh o u s eg a sw i t hu s eo fl a n d f i l lg a s ，a n di ts h a l ld e f i n i t e l y b r i n g al i m i t l e s sb u s i n e s s o p p o r t u n i t y f o rc l e a nr e s o u r c e s i n d u s t r y w h i c hi s r e p r e s e n t e db yp o w e rg e n e r a t i o nw i t hg a r b a g e k e y w o r d ：e n e r g y ：m e t h a n ef r o mg a r b a g el a n d f i l l ；p o w e rg e n e r a t i o nw i t hm e t h a n e ； e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ； r e c y c l e de c o n o m y i v 1 2 垃圾填埋沼气发电技术应用概述4 1 3 垃圾填埋沼气发电技术研究的意义6 1 3 1 实现垃圾的无害化处理，合理利用再生资源6 1 3 2 化害为利，持续发展，造福全人类一7 1 3 3 填埋沼气发电技术是现阶段最经济适用的垃圾无害化处理方法8 1 3 4 国家政策的要求8 1 4 本文主要研究内容9 第二章垃圾填埋沼气的产气量及发电量研究。1 0 2 1 引+ 占l0 2 2 城市生活垃圾处理方法1 0 2 2 1 世界各国城市生活垃圾处理方法1 l 2 2 2 我国城市生活垃圾处理方法1 2 2 3 垃圾填埋沼气的产出量1 4 2 3 1 城市生活垃圾的成分。1 4 2 3 2 垃圾填埋沼气的产出量估算模型1 5 2 3 3 垃圾填埋沼气的产出量1 8 东北大学硕士学位论文目录 2 4 垃圾填埋沼气的发电量2 2 2 4 1a 生活垃圾填埋场的填埋沼气发电量估算。2 3 2 4 2b 生活垃圾场的填埋沼气发电量估算2 3 2 4 3c 生活垃圾填埋场的填埋沼气发电量估算2 4 第三章填埋沼气发电机组的选择2 5 3 1 填埋沼气发电机组的种类2 5 3 2 填埋沼气发电机组的选择2 5 3 2 1 建设费用比较2 5 3 - 2 2 发电效率比较2 6 3 2 3 各种沼气发电机组的应用实例2 6 第四章垃圾填埋沼气发电工艺。2 8 4 1 垃圾填埋沼气收集系统。3 0 4 1 1 垂直沼气收集井3 0 4 1 2 水平沼气收集管3 0 4 1 3 井口装置及沼气收集支管和支管排水装置3 2 4 2 填埋沼气处理3 3 4 2 1 填埋沼气处理工艺。3 3 4 2 2 沼气处理设备。3 3 4 3 燃气发电系统3 4 4 3 1 燃气发电机组的特点一3 4 4 3 2 燃气发电机的控制3 5 4 3 3 供电3 6 4 3 4 事故燃烧3 6 第五章垃圾填埋沼气发电的经济性分析3 7 5 1 项目总资金3 7 5 2 制造成本估算3 8 5 3 利润估算3 8 5 4 盈利能力分析3 8 目录 l l 然气，新能源包括流动的空气、水等。 从对环境的影响上可分为清洁能源和非清洁能源。前者也可称为“绿色环保”能源。 还可分为来自太阳的能源、来自地球内部的能源和来自地球以外天体的潮汐能、可 再生能源和不可再生能源、一次能源和二次能源。 一次能源：从自然界取得的未经任何改变或转换的能源，如原油、原煤、天然 气、生物质能、水能、核燃料，以及太阳能、地热能、潮汐能等。 二次能源：一次能源经过加工或转换得到的能源，如煤气、焦碳、汽油、煤油、 电力、热水氢能等。 常规能源：在现有经济和技术条件下，已经大规模生产和广泛使用的能源，如 煤碳、石油、天然气、水能和核裂变能等。常规能源相对于新能源而言，新能源是在新 技术技术上系统开发利用的能源，如太能、海洋能、地热能、生物质能等。新能源大部 分是天然和可再生的，是未来世界持久能源系统的基础。 环境能源：储存在地球环境中的太阳能、地球内的放射性源，以及太阳星系的 运行能量，是世界上所有环境能源的初始能源【1 1 。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 垃圾填埋沼气能源 垃圾填埋沼气( l f g ) 是指生活垃圾被填埋在地下，垃圾中的大量有机物在适宜的 温度和湿度下，经过微生物的发酵作用产生填埋气体，垃圾填埋沼气含4 5 6 5 的甲烷、 2 5 3 5 的二氧化碳、1 0 2 0 的氮气和氧气等微量元素气体。垃圾填埋气体的热值是天 然气热值的一半。因此，垃圾填埋沼气是一种可利用的二次能源。 据有关专家估计，在世界范围内每年可以从生活垃圾中回收的甲烷气体可多达 3 x 1 0 1 0m 3 ，而且这个量仍在不断增n t z 。 目前，世界各国都将垃圾填埋沼气列入可开发的二次能源。垃圾填埋沼气的合理、 充分利用，一直受到各国政府和工业界的支持与鼓励。 1 1 3 垃圾能源开发的必要性 1 1 3 1 我国的能源现状及带来的污染后果 在现代文明高速发展的今天，能源己成为左右可持续发展进程的关键因素之一。一 方面能源是改善人类生活和促进经济发展的必需，随着现代工业的迅速发展，人们对能 源的需求和依赖性越来越大；另一方面能源的消耗急剧增加，也导致了空气污染、地球 变暖等环境问题日益加剧。 目前，世界各国使用的能源主要是煤、石油和天然气等一、二次能源为主，占能源 总消费量的9 0 左右，其中煤占3 0 ，石油占4 0 ，天然气占2 0 。现有的能源供应 和消费模式显然称不上“可持续 。据预测在未来2 0 年内世界能源消耗量仍将以平均每 年2 的速度上升，按现在的使用速度，世界上的石油存储量只够开采5 0 年，煤炭也只 能开采不到2 0 0 年。如何以可持续发展的方式满足不断增长的能源需求，给世界各国提 出了巨大的挑战【3 1 。 我国是一个能源丰富的国家，从几种广泛利用的常规能源来看，储量都比较大，如 下表所示。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 垃圾填埋沼气能源 垃圾填埋沼气( l f g ) 是指生活垃圾被填埋在地下，垃圾中的大量有机物在适宜的 温度和湿度下，经过微生物的发酵作用产生填埋气体，垃圾填埋沼气含4 5 6 5 的甲烷、 2 5 3 5 的二氧化碳、1 0 2 0 的氮气和氧气等微量元素气体。垃圾填埋气体的热值是天 然气热值的一半。因此，垃圾填埋沼气是一种可利用的二次能源。 据有关专家估计，在世界范围内每年可以从生活垃圾中回收的甲烷气体可多达 3 1 0 1 0m 3 ，而且这个量仍在不断增加【2 1 。 目前，世界各国都将垃圾填埋沼气列入可开发的二次能源。垃圾填埋沼气的合理、 充分利用，一直受到各国政府和工业界的支持与鼓励。 1 1 3 垃圾能源开发的必要性 1 1 3 1 我国的能源现状及带来的污染后果 在现代文明高速发展的今天，能源己成为左右可持续发展进程的关键因素之一。一 方面能源是改善人类生活和促进经济发展的必需，随着现代工业的迅速发展，人们对能 源的需求和依赖性越来越大；另一方面能源的消耗急剧增加，也导致了空气污染、地球 变暖等环境问题日益加剧。 目前，世界各国使用的能源主要是煤、石油和天然气等一、二次能源为主，占能源 总消费量的9 0 左右，其中煤占3 0 ，石油占4 0 ，天然气占2 0 。现有的能源供应 和消费模式显然称不上“可持续。据预测在未来2 0 年内世界能源消耗量仍将以平均每 年2 的速度上升，按现在的使用速度，世界上的石油存储量只够开采5 0 年，煤炭也只 能开采不到2 0 0 年。如何以可持续发展的方式满足不断增长的能源需求，给世界各国提 出了巨大的挑战3 1 。 我国是一个能源丰富的国家，从几种广泛利用的常规能源来看，储量都比较大，如 下表所示。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的发电方式，与太阳能发电、风力发电等无公害新能源并驾齐驱。 垃圾中蕴藏着丰富的能源资源，若燃烧得当，1 吨垃圾可获得约3 0 0 千瓦至4 0 0 千 瓦的电。据此，若将我国1 5 亿吨垃圾的三分之一有效地用于发电，每年就可以节约2 3 3 3 万吨煤。利用垃圾填埋产生的沼气是一种补充传统化石能源的理想再生能源，可以用来 发电。每吨填埋垃圾可产生填埋沼气1 4 5 立方米，集中收集后每立方米可发电1 6 k w h 。 根据有关部门统计结果表明，2 0 0 3 年我国生活垃圾填埋处理已进入高峰期，中型以上 城市共有生活垃圾填埋场4 5 7 座，年处理能力6 4 0 4 万吨，还有多处己封坑的垃圾填埋 场。若将上述填埋垃圾产生的填埋沼气的5 0 用于发电，年可获得相当于7 4 7 0 4 万k w h 的电力资源，同时也消除了填埋沼气产生的环境污染【5 】。 同时，我国垃圾中有机质含量高，1 0 吨垃圾可以产生1 吨高效有机肥。据此，处 置十分之一的城市生活垃圾，将年产高效有机肥1 4 0 万吨。 因此，实现可持续发展的基本国策和循环经济的发展目标，合理开发垃圾资源，变 废为宝，保护环境，是十分必要和经济可行。 1 2 垃圾填埋沼气发电技术应用概述 垃圾填埋场填埋气体回收和处理技术发展于七十年代，开始时是为了控制填埋场的 臭气和填埋气体的逸散、迁移带来的危害，后来逐步开发为一种可替代的能源。目前， 世界上利用垃圾填埋气体进行商业化运行的电厂和装置已有数百个。我国利用垃圾填埋 气体发电才刚起步，到9 0 年代开始建立填埋气体发电项目。 垃圾填埋沼气发电，是利用垃圾填埋产生的沼气为能源的发电技术。包括沼气收集、 沼气精制、发电、变电( 升压) 、送电等环节。 垃圾填埋沼气发电技术本项目采用先进的能够保持c h 4 的含量3 5 6 0 范围内运 转、电量发生效率高的沼气燃料发电机。其生产工艺过程如下图所示。 章绪论 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fp o w e rg e n e r a t i o nw i t hm e t h a n ef r o mg a r b a g el a n d f i l l 垃圾填埋场中产生的沼气由垂直沼气收集井、水平沼气收集管及支管汇总到主干 管，经冷凝水清除器- c s v ( c o n d e n s a t es e p a r a t ev e s s e l ) 清除水分和吸收式脱磺设备 ( d e s u l f u r i z i n gt o w e r ) 清除沼气中含有的会对环境和发电设备造成损坏的h 2 s 和s i l i c a 后，经冷却、过滤，由沼气送风器装置加压，使沼气品质调整为c h 4 ：4 5 5 0 、h 2 s ： 2 0 p p m 以下、水分：1 0 以下，送到沼气燃料发电机燃烧发电，废气排放到大气。电力 经升压、配电、送电，实现并网售电。 燃烧发电机可自动调节空气和燃料比率，使发电机在最大效率内运转。并在发电机 燃烧过程中为抑制氮氧化物的生成，向发电机圆筒内注入过剩空气量，从而遵守严格的 环境标准。 为实现安全生产和安全送电，配备了完备的自动控制系统和相关保护措施。 同时，考虑到发电机维修及相关机器的故障，建设沼气收集设施在发生非常情况时 能够燃烧沼气的火把烟囱。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 垃圾填埋沼气发电技术研究的意义 随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快以及人民生活水平的提高，城市生 活垃圾产生量不断增加，垃圾占用土地、污染环境的状况以及对人民健康的潜在影响日 益突出。城市生活垃圾处理已成为经济社会协调发展中的一个薄弱环节，远不能适应全 面建设小康社会目标的需要，直接或间接地影响着生态环境，对居民的健康和生存构成 了严重威协。因此，为适应社会的发展，急需寻找一个合理、经济的处理城市生活垃圾 的途径。 填埋处理是我国城市生活垃圾的主要处理方法。生活垃圾产生的填埋气体在未被收 集利用的情况下，填埋气体无控制地从填埋场内释放与逸散出来，不但使周边地区臭气 薰天，还存在发生火灾发生和爆炸的危险患，对填埋场作业及周边环境造成隐患。填埋 气体中的二氧化碳、甲烷等气体还是引发产生地球温室效应的主要组成成分。大量填埋 气体无控制地散逸，将加剧地球的温室效应，它是二氧化碳气体的2 7 倍。同时，占填 埋气体4 5 6 5 的成分是甲烷，甲烷是一种理想的气体燃料。 为充分利用这些宝贵的能源，作到化害为利，在垃圾填埋场中设置特殊的沼气收集 装置，抽出和收集这些气体作为燃料进行利用是十分必要的。为实现垃圾填埋产生的沼 气的综合利用，以垃圾填埋气体为燃料进行发电，电力上网后供周边地区的工农业生产 和居民生活使用的填埋沼气发电技术应运而生。 目前，在美国等发达国家填埋沼气发电技术已广泛应用，我国仅有少数城市建设了 生活垃圾填埋场建设了填埋沼气发电站等，利用填埋沼气发电技术有序、集中地处理填 埋沼气，但在我国东北地区，尚无应用的先例。 1 3 1 实现垃圾的无害化处理，合理利用再生资源 随着我国经济的持续高速增长，城市化进程也在不断加快，人民生活水平也迅速提 高，伴随而来的城市生活垃圾的处理。1 9 9 7 年我国城市人均生活垃圾产量约0 8 5 埏d ， 年产垃圾约1 1 2 亿吨。随着城市人口的不断增加，城市垃圾的产量日益增多，2 0 0 0 年 我国城市垃圾年产量已达1 5 亿吨，现在我国中心城市的日平均垃圾产量已达1 - 2 k g 人， 并以每年1 0 的速度递增。 我国历年城市生活垃圾的堆存量已高达6 0 多亿吨，侵土地5 亿多平方米，有2 0 0 多个城市陷入垃圾的包围之中。为提高城市生活垃圾处理能力，截至2 0 0 3 年底，全国 共建设生活垃圾处理厂( 场) 5 7 4 座，年处理能力7 5 4 5 万吨。其中填埋场4 5 7 座，处 东北大学硕士学位论文第一章绪论 理能力6 4 0 4 万吨，分别占7 9 6 和8 5 5 ；焚烧厂4 7 个，处理能力3 7 0 万吨，分别占 8 2 和4 9 ；堆肥厂7 0 个，处理能力7 1 7 万吨，分别占1 2 2 和9 6 。全国城市生活 垃圾集中处理率达到5 0 7 8 ，比1 9 9 0 年的2 提高了近5 0 个百分点，但相当数量的垃 圾处理场没有达到环保要求，无害化处理率较低。根据2 0 0 1 年环保总局抽样监测调查， 垃圾无害化处理率约2 0 l 6 1 。 目前，全世界范围对生活垃圾的处理普遍采用的有填埋、堆肥和焚烧等处理方法。 填埋是大量消纳城市生活垃圾的有效方法，也是所有垃圾处理工艺剩余物的最终处理方 法，现阶段我国普遍采用直接填埋法。当生活垃圾被填埋场填埋数月后，其有机物质被 微生物分解。被分解后的垃圾，其中一项最终产物是填埋气体( 沼气) ，它包含4 5 6 5 的甲烷、2 5 3 5 的二氧化碳、1 0 2 0 的氮气和氧气等微量元素气体。垃圾填埋气体的 热值是一种良好的气体燃料。据专家测算，全国每年固体废物造成的经济损失以及可利 用而未利用的废物资源价值约达3 0 0 亿元人民币，整个城市垃圾每年创造的财富可达 2 5 0 0 亿元【7 1 。 美国世界观察所在1 9 9 8 年的一项调查报告中指出：“垃圾回收和再生利用，称得上 是2 l 世纪人类最主要的效率革命，这种革命在由工业经济走向知识经济的时代变得更 有魅力，因为这是人类为了生存而寻找持续发展道路所必须采取的步骤。” 因此，实现生活垃圾处理的无害化、减量化和再资源化，彻底消除城市生活垃圾的 污染，已成为我国刻不容缓必须解决的重大问题。 1 3 2 化害为利，持续发展，造福全人类 地球大气中起温室作用的气体称为温室气体，主要有二氧化碳、甲烷、臭氧、一氧 化二氮、氟里昂以及水汽等。而垃圾填埋气体中的主要成分是甲烷和二氧化碳气体。 甲烷在大气中的含量是1 7 p p m ，它在大气中的浓度虽比c 0 2 少得多，但增长率则 大得多，同时它对大自然的危害比二氧化碳大2 7 倍。据联合国政府间气候变化委员会 ( i p c c ) 1 9 9 6 年发表的第二次气候变化评估报告，报告指出从1 7 5 0 1 9 9 0 年共2 4 0 年 间c 0 2 增加了3 0 ，而同期甲烷却增加了1 4 5 ，这主要是人类活动加剧的结果【1 7 q 】。 同时，填埋场填埋气体无控制地释放与逸散，还会对填埋场作业与周边环境造成隐 患，危害周边居民生命安全。为防止填埋气体臭气扩散，和避免火灾和爆炸的发生，实 现垃圾无害化处理，彻底改善填埋场周边环境，有效地抽出和收集这些气，并合理的利 用这些再生资源是十分必要的。 为缓解地球的温室效应，保护人类赖以生存的地球环境，1 9 9 2 年1 8 3 个国家和地 东北大学硕士学位论文第一章绪论 区的政府首脑在罩约峰会上就兼顾经济增长、社会发展和环境保护制订了( 2 1 世纪议 程，对可持续发展达成了共识。十多年来，这一观念逐步深入人心，可持续发展战略 已经成为众多国家为之努力的目标。根据联合国的统计，全世界目前已有6 0 0 0 多个城 镇制订了“地方2 1 世纪议程”，还有一些国家制订了国家级2 l 世纪议程。 中国政府于1 9 9 4 年率先制定了世界上第一部国家级可持续发展的战略一中国2 l 世纪议程中国2 1 世纪人口、环境与发展白皮书，我国已于1 9 9 8 年5 月2 9 日签署了 京都议定书。到目前为止已有1 2 8 个批准该议定书的国家必须履行该议定书规定的义 务，京都议定书在2 0 0 5 年2 月1 6 日正式生效。 为此，合理有效地处理和利用垃圾填埋产生的沼气，严格控制使地球温暖化气体排 放量，维护人类赖以生存的地球环境，是我们义不容辞的责任。 1 3 3 填埋沼气发电技术是现阶段最经济适用的垃圾无害化处理方法 随着全世界对城市垃圾处理的重视和科学技术的发展，垃圾处理等技术已经得到长 足的进步。但垃圾填埋沼气发电技术是目前世界上普遍采用的垃圾无害化处理方法。 目前，全世界( 除中国外) 已建成利用垃圾填埋场沼气发电的发电站已有千余座。 我国第一个垃圾填埋沼气发电站杭州天子岭填埋场垃圾沼气发电站于1 9 9 8 年1 0 月 投入运行，此后南京、上海、深圳、北海、广州等多个大中城市已建或准备建立垃圾沼 气发电站f 8 】【10 1 。 据国内已经投运的垃圾填埋沼气发电项目的建设案例表明，与垃圾焚烧发电相比， 填埋气发电投资小，运行费用低，仅为焚烧费用的l 4 左右。因此，填埋处理是最经济 可行的城市生活垃圾的处理方法。 1 3 4 国家政策的要求 为进一步鼓励可再生能源的电力发展，我国发布了可再生能源发电有关管理规 定，提出“垃圾填埋场沼气发电 是我国鼓励利用的新兴环保高科技产业之一。同时， 中国2 l 世纪议程中国2 1 世纪人口、环境与发展白皮书规定，必须对城市生活垃 圾进行无害化处理。 垃圾是废物，同时也是资源，而且是一种不断持续产生的资源。垃圾填埋沼气发电 技术的应用，将会推进垃圾产业化的步伐，形成资源利用的良性循环。合理、高效地利 用垃圾填埋气体发电，可使城市垃圾化害为利，变废为宝，实现再资源化，具有广阔的 东北大学硕士学位论文第一章绪论 发展空间和多重效益。 1 4 本文主要研究内容 本研究主要针对我国东北严寒地区生活垃圾填埋沼气的产出的特点和利用的可行 性、经济性，以及其社会效益和环保效益进行研究。 研究结果表明，城市生活垃圾填埋沼气发电技术可以应用于我国北方严寒地区，并 极具推广价值。这一技术的应用不但使垃圾变废为宝，实现资源的再利用，还可以有效 解决的温室气体减排的问题，经济性效益和环保效益显著。 东北大学硕士学位论文第二章垃圾填埋沼气的产气量研究 第二章垃圾填埋沼气的产气量及发电量研究 2 1 引言 城市生活垃圾的处理将是今后几十年来中国面临的巨大挑战之一，是制约城市发展 的关键矛盾。为缓解这一矛盾，到2 0 0 3 年全国共建设生活垃圾处理厂( 场) 5 7 4 座， 年处理能力7 5 4 5 万吨，其中填埋场4 5 7 座，年处理能力6 4 0 4 万吨。同时还有多处已经 封坑的垃圾填埋场。 生活垃圾在填埋处理时，生成的填埋气体( l f g ) ，如不能对填埋气体采取有效的 控制和治理措施，安全隐患极大，将引发安全事故。同时，垃圾填埋气体的散溢对大气 环境产生二次污染，恶化填埋场的工作环境，影响工人健康，恶化周边环境，导致生态 失衡。 填埋气体又是一种温室气体，它对大气臭氧层构成的威胁特别大，影响到人类的健 康和生存环境。资料表明，甲烷气体对大气臭氧层的破坏能力是二氧化碳的2 7 倍，是 最要的温室气体。 然而填埋气体又是一种未被开发、利用的天然能源，任其排放，更是一种资源的浪 费。实施填埋气体的能源转化，这是保护环境、化害为利、变废为宝的最佳选择，可实 现环境效益、社会效益和经济效益的有机统一。 2 2 城市生活垃圾处理方法 目前，城市生活垃圾垃圾处理方法多种多样，主要有堆肥、焚烧、卫生填埋、热解、 生物处理和生化处理、分类回收等处理方法。近年来垃圾的综合处理已引起越来越多的 重视。但迄今为止应用最广泛的仍是堆肥、焚烧、卫生填埋等处理方法。 填埋法：将垃圾填入已预备好的坑中盖上压实，使其发生生物、物理、化学变化， 分解有机物，达到减量化和无害化的目的。 焚烧法：焚烧法是将垃圾置于高温炉中，使其中可燃成分充分氧化的一种方法，产 生的热量用于发电和供暖。这种方法的最大弊端是在焚烧垃圾时产生二恶英气体，因而 只有对焚烧产生的有毒有害气体进行一系列的处理，该法才能实现环保。同时焚烧处理 的前期投入较大。 堆肥法：将生活垃圾堆积成堆，保温7 0 。c ，储存、发酵，借助垃圾中微生物分解 东北大学硕士学位论文第二章垃圾填埋沼气的产气量研究 的能力，将有机物分解成无机养分。经过堆肥处理后，生活垃圾变成卫生的、无味的腐 殖质。 资源化处理：对城市生活垃圾进行仔细分类，然后根据分类后垃圾的不同性质分别 采用适宜的方法处理，使不同种类的垃圾均能加以利用，从而真正做到垃圾的减量化、 无害化和资源化。 卫生填埋处理是垃圾的最终稳定处置方法，卫生填埋费用低廉，即使按照国外标准 建设和营运管理，其费用也比焚烧等其它处理方法低f l l 】。 2 2 1 世界各国城市生活垃圾处理方法 世界各国对城市生活垃圾的处理都是以无害化、资源化、减量化为处理目标。从应 用技术看，国外主要采用填埋、焚烧、堆肥、综合利用等处理方式，机械化程度较高， 且形成系统及成套设备。 从国外多种城市生活垃圾处理方式的情况看，有以下趋势：( 1 ) 工业发达国家由于 能源、土地资源日益紧张，焚烧处理比例逐渐增多；( 2 ) 填埋法作为垃圾的最终处置手 段一直占有较大比例；( 3 ) 农业型的发展中国家大多数以堆肥为主；( 4 ) 其它一些新技 术，如热解法、填海、堆山造景等技术，正不断取得进展。但卫生填埋方法仍是城市生 活垃圾的主要处理手段i l j 。 表2 1 西方国家城市垃圾处理方式比例( ) t a b l e2 1 p e r c e n t a g e ( ) o fd o m e s t i cg a r b a g et r e a t m e n tm e t h o di nv a r i o u sc o u n t r i e s 近年来，城市生活垃圾能源的利用作为一项新兴的能源产业，迅速在全球蓬勃发展。 美、日、法、英、德、荷兰、意大利等工业发达国家都将垃圾发电列入国家议事日程， 操作中也出现了各种各样的问题。 几十年来，我国各城市相继建设了一批垃圾处理厂，垃圾无害化率也逐步递增，还 远远不能满足城镇发展的需要。 表2 2 我国城市生活垃圾处理厂( 场) 变化情况表 t a b l e2 2d o m e s t i cg a r b a g et r e a t m e n tp l a n tv a r i a t i o n si nc h i n a 其中辽宁省就建有1 6 个生活垃圾填埋场。 据建设部综合财务司统计，截止至2 0 0 3 年底，全国6 6 0 个建制市中现有各类生活 垃圾处理厂( 场) 情况如下表所示【1 3 1 。 图2 1 我国城市生活垃圾处理厂( 场) 比例 f i g 2 1p e r c e n t a g eo fd o m e s t i cg a r b a g et r e a t m e n tp l a n ti nc h i n a 4 9 6 8 5 5 - 填埋场 一焚烧厂 _ 堆肥厂 图2 2 我国城市生活垃圾处理厂( 场) 能力比例 f i g 2 2c a p a c i t yp e r c e n t a g eo fd o m e s t i cg a r b a g et r e a t m e n tp l a n ti nc h i n a 各种城市生活垃圾的处理方法的技术经比较，详见下表。 - 1 3 目前，由于受投资和技术的制约，填埋仍为我国城市生活垃圾无害化处理的主要方 式。近几年为进一步解决垃圾填埋沼气的环境污染问题，一批具有较高水平的垃圾填埋 场相继建成了沼气的回收和利用设施。 2 3 垃圾填埋沼气的产出量 2 3 1 城市生活垃圾的成分 城市垃圾包括城市生活垃圾和工业固体废物。近年我国城市生活垃圾的产生总量大 幅度增加，垃圾构成也相应地发生了很大变化，出现有机物含量不断上升，可利用价值 增加的趋势。 表2 5 上海市历年生活垃圾成分变化表( 单位：湿重) t a b l e2 5 c o m p o s i t i o n a lv a r i a t i o ni nd o m e s t i cg a r b a g ei ns h a n g h a ii np a s ty e a r s ( u n i t ：w e tw e i g h t 、 。二_ 二一- 年份纸类 塑料竹本 布类曰余 金属玻璃渣十 一 1 9 9 1 4 1 04 9 0 1 4 81 7 9 8 0 8 10 6 1 1 9 9 26 2 4 1 9 9 38 3 6 1 9 9 4 7 4 9 5 6 9 7 5 4 9 1 6 1 3 3 1 6 57 9 1 4 1 8 91 9 7 7 2 8 9 1 - 3 7 2 1 37 3 3 2 0 8 1 o 7 2 o 5 6 3 7 02 6 1 3 5 3 1 5 1 4 7 41 9 0 4 0 0 1 9 7 1 9 9 56 5 0 1 1 2 11 4 72 1 7 7 1 6 5 0 9 13 8 1 2 2 9 _ _ - _ l _ - _ _ _ _ - _ - l - - l l _ - - _ l - - l _ - - _ _ _ - _ - 一一 - 1 4 东北大学硕士学位论文第二章垃圾填埋沼气的产气量研究 2 0 0 0 年对北京、上海和杭州三城市的生活垃圾抽样调查，生活垃圾的有机物含量 分别占4 8 2 1 、6 5 2 1 、5 5 7 3 。同年，对中国城市垃圾抽样调查结果也表明，城市 垃圾的热值在1 8 5 0k j k g - - 。6 4 1 3k j k g 范围内，大多在4 0 0 0k j k g 左右，城市生活垃圾 利用的价值显著。 随着生活垃圾中的有机物逐年增加，这为我国城市垃圾的能源化利用奠定了基础。 2 3 2 垃圾填埋沼气的产出量估算模型 填埋处理的生活垃圾中的有机物在缺氧状态下降解，生成填埋沼气，其产气量与垃 圾中的有机物的多少有直接关系。 垃圾在填埋后，垃圾中有机物在酸化阶段中由于产氨细菌的活动，使氨态氮浓度增 高，氧化还原电位降低，p h 值上升，为甲烷菌的活动创造了适宜的条件，甲烷菌将酸 化阶段代谢产物分解成以甲烷和二氧化碳为主的沼气。 垃圾被填埋的初期，有机物分解产生的废气主要是c 0 2 ，经过一段时间以后，气体 中的甲烷成分逐渐上升。经研究表明，可利用的垃圾填埋沼气的产出期可达2 0 3 0 年。 2 3 2 1 生活垃圾填埋场产气量理论计算模型 目前，生活垃圾填埋场甲烷产量、产率在理论上有三种计算方法，即质量平衡和理 论产气量模型、理论动力学模型和生物降解理论最大产气量模型【1 4 17 1 。 ( 1 ) 质量平衡和理论产气量模型 此公式由i p c c l 9 9 5 年推