填埋气的收集和利用.docx

内容摘要论述了填埋场气的产生、主要成分及其特性，提出了填埋场气产气量和收集量的估算方法，简要介绍了收集系统的设计，对填埋场气的处理和利用提出了设想。关键词填埋场气 收集利用一概述随着国民经济的发展，人民生活水平日益提高，城市人口的不断增长，城市生活垃圾越来越多，垃圾成份日益复杂多样,一种是生活垃圾，包括居民生活垃圾、商业垃圾、集市贸易垃圾、街道垃圾、公共场所垃圾和机关、学校、厂矿等单位的生活垃圾；一种是建筑废弃物，包括建筑残土、砖瓦石陶瓷等残碎物、废水泥及水泥制品残碎物和废砂及其它建材残弃物。其中生活垃圾含有有机物。为了防止垃圾对环境造成污染，必须对垃圾进行处理如卫生填埋、堆肥及焚烧等。但填埋场在一定的条件下会产生填埋场气，该气体具有易燃易爆的性质，同时还蕴藏着丰富的能量。为保证填埋场的安全和尽可能的回收能源，变废为宝，因而有必要对填埋场气加以收集，进行处理和利用。二填埋场气的产生、主要成分和特性（一）填埋场气的产生填埋场气的产生与很多因素有关，包括垃圾的成分、pH值及其堆积量、填埋场的水分、温度及填埋年份等。在一定的条件下，如适当的水份、温度及酸碱度，垃圾中的有机物经过生物化学反应后，使填埋场产生大量的气体，通常称为填埋场气。国外资料一般称为LFG（landfillgas）。由于其主要成分和热值近似于沼气，也有文章称其为“沼气”。据国内外有关资料介绍，产生填埋场气的生物化学反应分为以下四个阶段。第一阶段为好氧生物分解，可能持续几周，主要成分是氮、氧和二氧化碳。氧气是从周围大气被垃圾带入填埋场的，经过一段时间的生物化学反应后而被逐渐被耗尽。二氧化碳将随时间的推移而迅速产生。第二阶段为厌氧生物分解，为不产甲烷期，氮特别是氧的百分数下降很快，直到氧气耗尽进入厌氧反应阶段。本阶段的主要成分是氢、氮和二氧化碳。第三阶段为厌氧生物分解，为产甲烷的不稳定期，二氧化碳和氮的百分数显著下降，氢和氧的浓度趋于零，甲烷的百分数很快上升。第四阶段为厌氧生物分解，为产甲烷的假稳定期。这个阶段的甲烷、二氧化碳和氮的百分数达到了稳定的数值。甲烷的百分数在达到了高峰值后开始下降。经过较长的一段时间后，当垃圾中的有机物被消耗完后，便不再产生任何气体。（二）填埋场气的主要成分填埋场气的成分是随着填埋场气产生的不同阶段而变化的，换句话说是随着填埋年份而变化的；同时填埋场气的成分还与垃圾的成分有关，是一个变数，从理论上来说是一个非常难确定的数值。我院一九九三年四月所作深圳市下坪垃圾卫生填埋场初步设计说明书中填埋场气主要成分见表1.1。填埋场气的热值（40时）为18900kJm3。水利水电科技进展一九九七年四月钱学德和郭志平合著的“填埋场气体收集系统”一文中的气体主要成份见表1.2。建设部同济大学环卫机械研究所与深圳市卫生管理处于一九九六年七月所作的深圳市玉龙坑垃圾填埋场安全防范研究中的气体成份见表1.3。一般的填埋场气的气体成份随时间而变化的规律见图1填埋场气成分随时间变化图。图1填埋场气成分随时间变化图一般而言，填埋场气的热值约在18850kJm3(4500kcal/m3)上下。（三）填埋场气的特性1、易燃易爆性：由于气体中甲烷含量较高，为可燃气体。如不加以收集和控制，就很容易引起火灾和爆炸。2、有毒有恶臭气味：是由于沼气中含有硫化氢、一氧化碳和硫醇等。3、甲烷、二氧化碳和氮气会使人窒息。三填埋场气的产生量和收集量正确掌握填埋场气的产气规律及其产生量和收集量，才可以对其进行收集处理和加以利用，选择设备，确定合理的工艺流程，进行技术经济分析。对于某一特定的垃圾填埋场而言，其产气量取决于填埋年份和垃圾中的可降解有机物的数量和品质，但是要正确的测出任何一个填埋场的产气量都很困难，因此只能通过下列经验数据或经验公式来估算。（一）通过经验数据来估算美国人Amalendu Bagchi所著废弃物填埋场的设计、施工和监测一书中提到甲烷的产气速率为2.515.01/kg年。同济大学环卫机械研究所与深圳市卫生管理处于1996年7月所作的深圳市玉龙坑垃圾填埋场安全防范研究中提到的产气率为1710-6m3kgd，换算为6.2051/kg年，生活垃圾的产气量为0.37m3/kg。用垃圾总量与上述产气速率相乘，就可以得到每年的产气量。（二）通过经验公式来估算可以通过下经验公式计算产气量。1、当知道填埋物的有机含碳量时：1.868TOC（0.0140.28）（1）式中，长时间产生的总气体量，m3ton垃圾；TOC总有机碳，kgton垃圾，其经验值为150200；（来源：南昌有色冶金设计研究院）温度，。2、产气量随时间变化的计算：（1）（2）式中，至年为止的产气量，m3ton垃圾；TOC衰减常数，其值在0.0250.050之间，至年为止，气体产生时间，年。3、对于特定t年之产气量的计算：b（1）（3）式中，b在第年的产气量，m3ton垃圾；TOC衰减常数，其值在0.0250.050之间，其它符号同上。通过以上计算公式计算出填埋场气逐年的变化量。由于各种原因，填埋场所产生的气体不能完全被收集，实际收集的气体量为理论产气量的1139。一般计算时可取2025。四填埋场气的收集系统（一）收集系统的作用首先，填埋场气是填埋场的必然产物，如不有效地加以收集和控制，极易发生火灾和爆炸事故，造成损失。因而填埋场必须设置气体收集和输导等控制系统，以保证填埋场的安全。其次，控制气体成份，提高甲烷的含量，为填埋场气的有效利用提供基础。（二）收集系统主要设备填埋场内的气体由于压力不平衡而产生流动，经过收集井的吸收进入收集管，并通过汇流中转器进入输气管后，集中送入收集站。填埋场气在站内进行净化和加压处理后，送入燃气发电站进行发电或进行其他利用。 图2收集井结构示意图1、垂直式收集井：较水平式收集井施工方便，造价低，是目前通常采用的收集形式。竖井通常设计为直径在0.61.2m之间接，长3m；井内为多孔管，直径在150200mm范围内，其管材采用耐腐蚀和耐久性的材料如PVC或HDPE，其顶部用盖板密封。收集井的结构见图2收集井结构示意图。垂直式收集井的作用半径为4050m，井间距则在80100m，需要注意的是，收集井的定位要使其影响区域相互交迭，如果竖井建在正六边形的角上，则可以得到100%的交迭，其影响区域则可覆盖整个填埋场。2、汇流中转器：单独有效地管理和控制该区域内的填埋场气的收集。每个汇流中转器控制个收集井，汇流个收集井的气体直接输送至收集站，从而使整个收集系统更易控制和调节。各汇流中转器也可以是互相连通的，以便在事故或检修时互为备用。通常把汇流中转器设计成个接差头，个作为填埋场气入口，一个大的作为出口，一个与其它的汇流中转器相连，一个作为备用。汇流中转器详见图3汇流中转器示意图。图3汇流中转器示意图3、收集管和输气管：为了区别，把收集井到汇流中转器之间的管道称为收集管，把汇流中转器到收集站之间的管道称为输气管。为减少阻力和各管道之间阻力的不平衡的影响，气流速度采用低值。管径由流量和流速确定。收集系统详见图4-填埋场气收集系统示意图。图4填埋场气收集系统示意图五填埋场气的利用在初期的两年之内及填埋场封场之前的两三年内，填埋场产生的气体没有多少利用价值，只做放空处理或就地燃烧。（一）作为城市燃料从填埋场气的成份中我们可以知道，填埋场气是有毒性、有腐蚀和有恶味的气体；从其产生的过程中可知道，产气量和品质是随垃圾成份和填埋年份而变化波动的，这给填埋场气的收集特别是处理和利用带来困难。由于填埋场总是距居民生活区较远从而造成管线较长，以及产气量和气体品质的不稳定，还需要进行严格的净化处理和加压，一般而言，作为城市燃料其可行性不高。但对于大型的填埋场气是否回收利用则需通过技术经济比较来决定。如其能量可在合适的成本下回收，填埋场气作为城市燃料也不失为一种利用途径。（二）发电根据国外的经验，燃气轮机发电普遍运用于一般的填埋场，技术成熟，应为优先考虑的利用方式。参见图5填埋场气收集和利用原则性流程图。以下为台湾某垃圾填埋场的利用情况。1、 填埋场概况该填埋场分两期建设。第一期从1993年至2002年，累计垃圾量为294.82万吨；第二期（含第一期，下同）从2002年至2017年，累计垃圾量为649.88万吨。根据公式（1）和（3）计算得，第一期产气量的最小值和最大值分别为693和926百万立方米；第二期产气量的最小值和最大值分别为1527和2041百万立方米；折合每小时气量，第一期的最小值和最大值分别为3300m3h和7300m3h；第二期产气量的最小值和最大值分别为6300m3h和11900m3h。图5填埋场气体和利用原则性流程图填埋场气的收集率为10%到30%。估计该填埋场气的热值为4500kcal/m3=5.23kWh/m3。2、燃气轮机发电第一期：最小值3300m3h0.15.23=1727kW； 最大值7300m3h0.15.23=11454kW；取其平均值6500kW，燃气轮机效率为0.3，机械效率为0.95，发电机功率因数为0.8，则燃气轮机功率为65000.3=1950kW取2000kW需2台1000kW机组；发电机功率为19500.95/0.8=2316kva取2400kva需2台1200kva；计划于1993年建设第一套，于1998年建设第二套。第二期：最小值6300m3h0.15.23=3295kW；最大值11900m3h0.15.23=18671kW；取其平均值11000kW，则燃气轮机功率为110000.3=3300kW扣除第一期后为1350kW取1400kW则第二期需2台700kW机组；发电机功率为33000.95/0.8=3919kva扣除第一期后为1603kva取1600kva，则第二期需2台800kva；计划于2002年建设第一套，于2006年建设第二套。六结束语垃圾填埋场的主要目的是处理垃圾，保护环境。至于填埋场气的回收利用，一些发达国家也是从八十年代才开始研究，已有一些成熟的经验。但目前国内对此的研究尚处于起步阶段，回收利用较少。杭州天子岭垃圾填埋场的气体发电工程已于1998年10月27日投产发电，是我国第一家垃圾填埋场院气体发电工程，每年可发电近1600万度，产值约为790万元，可减少排放CO2量810万吨，具有良好的经济效益和社会效益。为了作到垃圾的无害化和资源化，填埋场气回收利用特别是发电的研究是垃圾填埋场技术发展的一个方向。主要参考文献1南昌有色冶金设计研究院深圳市下坪垃