垃圾填埋场沼气发电

1、垃圾填埋场沼气发电系统的优化配置来源：发布时间：2008-12-15查看次数:180前言随着全球经济的高速增长，能源和环保问题日益突出。一方面，化石能源日渐枯竭，世界正面临巨大的能源压力；生存环境日渐恶劣，世界正面临巨大的环境压力。另一方面，又有巨大的能源被白白地浪费；有大量的有害物质被肆无忌惮地排放。能源和环境已经成为世界最重要的事情！“节约能源，减少排放”在很多国家被列为“基本国策”。沼气的充分利用，是其具体措施之一。沼气发电在发达国家已有几十年的历史，目前在世界各地受到广泛重视和积极推广。如美国的“能源农场”、德国的可再生能源促进法、日本的“阳光工程”、荷兰的“绿色能源”等。我国也非常重

2、视，在农业法、节约能源法和可再生能源法等一系列国家重要法律法规中，都对沼气利用提出了明确规定。沼气利用工程是获取绿色能源、治理环境污染的更为经济实用的手段。从我国沼气产量潜力、发电技术水平、市场需求和政策导向的发展趋势来看，沼气发电产业将有突破性进展。发电是沼气的最佳利用途径，目前已在全国各地广泛发展；而垃圾填埋场有其特殊性，发电几乎是沼气利用的唯一方式。我国每年的城市生活垃圾量达到1.7亿吨，大部分采用填埋方式处理，蕴藏着大量的沼气资源。已有十余个填埋场的沼气被收集起来用于发电。沼气发电是一个系统工程，它包括垃圾填埋操作管理、产气量的估算、沼气收集、沼气输送、沼气处理、沼气发电及电力上网以及

3、系统配套设施等多项单元技术的组合，也涉及到国家对沼气发电的扶持政策和技术法规等。剖析国内已有的沼气发电工程，借鉴发达国家的沼气发电技术和经验，以及充分研究和利用国家对可再生能源的政策导向等，进行对垃圾填埋气体发电及其配套系统进行优化研究和应用，已成为业界日益关注和探讨的重要课题。1、垃圾填埋场填埋操作概述卫生填埋法是大型填埋场应用最普遍的处理技术。将垃圾倒入具有一定地形特征的场地中，通过采取防渗、覆土和气体导排设施，消除了简易填埋带来的各种安全、卫生和环境污染问题的一种最终处置技术。投资少，容量大，操作简单。但是，大部分中小规模的城市生活垃圾采用直接露天堆放、自然填沟等方式处理，不但侵占了宝贵

4、的土地资源，而且对环境造成了潜在的影响和危害，特别是渗滤液，由于没有进行必要的收集和集中净化处理，导致水资源和环境的严重污染，而且，所产生的沼气也无法利用，浪费了大量的能源。填埋处置方式也有明显的弱点。一是占地面积大，场地选择较困难。二是二次污染问题，处理不好的填埋场，其渗滤液和沼气对周围地区造成严重危害。因此在填埋操作过程中，可以通过以下措施来优化垃圾填埋场的填埋操作管理：* 提高垃圾填埋场的堆放高度可以减少占用土地；* 分区集中作业，有利于垃圾分解产气和收集；* 采用新材料、新工艺加强填埋场底部处理，并设置污水处理系统，以解决对水源的污染；* 在垃圾填埋之前铺设垃圾渗滤液回收管道和沼气水平

5、或垂直管道，提高填埋场沼气的抽取效率；* 压实垃圾，创造厌氧环境，而且增大库容；及时覆土，阻止空气进入，防止好氧反应的发生；* 阻止沼气散发，充分利用能源，消除安全隐患；* 建立防洪体系，维持厌氧反应环境；建立渗滤液处理系统，让渗滤液能顺利排出，并得到及时处理。抽气量控制是维持厌氧环境的一个重要因素，过度抽气会使厌氧环境失去平衡，削弱厌氧反应。有的电厂气量不够，机组运行功率又不调整，造成过抽采，甲烷浓度低于40%还为机组能正常运转而沾沾自喜。但接下来的几个月，整个填埋场厌氧环境失去平衡后导致气量严重不足，只能停机，无异于“杀鸡取卵”。2、垃圾填埋场产气量的估算填埋场产生的沼气量随当地气候、地理

6、条件及填埋场的填埋量、垃圾组份、填埋方式等因素的不同而不同，所以，各垃圾填埋场在设计沼气回收利用时应根据准确的气体产生量为依据。实际上，产生量的测定较复杂，所用仪器的费用很高。因此，探求一种理论模型来精确地估算填埋场气体中可回收利用的沼气量是非常有意义的。2.1 甲烷气体的产生及影响因素填埋场中的垃圾，含有丰富的有机质。微生物首先进行好氧分解，消耗填埋场中的Q,产生大量的热,形成厌氧环境再厌氧分解，产生CH及CQ。影响甲烷产量的因素很多，主要有生活垃圾的组成、垃圾颗粒的大小、有机质含量、填埋年限、温度、含水量和湿度、渗滤液的pH值、毒素含量等。当垃圾中有机物含量增高时，甲烷的产量则升高。在不同

7、温度条件下，甲烷的产生速率差异很大，一般认为在一个深的、封闭好的环境中，产生甲烷的最适温度为40Co此时，产生速率为30c的3倍，为背景温度18.7C的7.8倍，但温度升高到55c时甲烷气的产生就停止。含水量或湿度也会影响甲烷的生成，含水量高时，各生化反应组成成分间接触程度大，可促进细菌的新陈代谢，产气量提高。甲烷的产量随湿度的高低呈曲线变化，湿度为55%寸，甲烷气的产生明显高于湿度为33%勺产气量，只有当湿度大于50%寸才能满足甲烷生成的需要。但是，湿度过高时，甲烷气的产量会降低。pH值的高低也会影响甲烷气的产量，最适于垃圾发酵的pH值为6.87.2o此外，甲烷产量的影响因子，如垃圾湿度、渗

8、滤液的pH值等在不同的地区、不同的小环境、不同的发酵阶段各因子对甲烷产率的影响程度也不尽相同。2.2 甲烷气体产生量与产率的计算方法(1)质量平衡和理论产气量模型此公式由IPCC1995年推荐，主要是用于计算生活垃圾的产气总量，其公式为：Ech4=MSWnXDO(Crx(16/12)X0.5式中，MSWj城市生活垃圾量；7)为垃圾填埋率；DOC7垃圾中可降解有机碳的含量，IPCC推荐值发展中国家为15%,发达国家为22%;r为垃圾中可降解有机碳的分解百分率，IPCC推荐值为77%。运用该模型计算产气量快捷方便，只要知道某个城市的生活垃圾总量以及填埋率就能估算出产气量。但由于没有直接考虑垃圾产气

9、的规律及其影响因素，往往计算值过于粗略，仅适用于估算较大范围的产气量，如一个国家、一个省或一个城市。以广州市兴丰填埋场为例，日进场垃圾6000t,年垃圾量58.4万t,那么年产甲烷气：Ech4=6000X365X100%X15%X77%X(16/12)X0.5=16.87X104(t/a)相当于19.69万吨煤炭的能源潜力。(2)理论动力学模型N.Gardner和S.D.Probert提出下述公式：式中，P为单位重量垃圾在时间t内的甲烷排放量，。为垃圾中可降解的有机碳的百分率(推荐值为0.15),X为填埋场产气中CH分额，n为可降解组分的总数(i=1,2,3,n),F为各降解组分占有机碳的含量

10、，K为各降解组分的降解系数，t为填埋时间。这一模型可以表征垃圾产生甲烷气随时间的动态变化，有利于对各个产气阶段的分析，从而运用这一详细资料设计收集系统。(3)生物降解理论最大产气量模型该方法依据垃圾成分和元素分析，并通过生化反应计算产气量，计算公式如下：式中，C为单位质量垃圾中产生的甲烷量L(CH)/kg(湿垃圾);K为经验常数，单位质量的挥发性固体物质标准状态下产生的甲烷量，其值为526.5L(CH4)/kg；R为某有机组分占单位质量垃圾的湿重百分比();M为某有机组分的含水率();V为某有机组分的挥发性固体含量(干重);E为某有机组分中挥发性固体的可降解物的含量()。该方法的特点是利用了有

11、机物的可生物降解特性，更切合实际，并能较准确地反映出垃圾中产生甲烷气的主要成分，但最终计算值偏高。以上三种产气量模型在实际使用中各有特点，但单一的方法往往难以准确的估算填埋场的产气量，要较准确的估算垃圾填埋场的产气量，我们需要先对填埋垃圾的特点进行分析，然后利用上述模型从不同侧面进行估值，最后还得根据工程经验对评估值做出一定的修正，这样做出的估算相对较准确；对后续处理既能充分利用资源又能减少投资的盲目性。事实上，比较早期的几个项目，由于考虑因素不够，其产气量估算值严重偏大，造成了设备闲置，给投资者造成了一定的经济损失。当然，抽气试验是最可靠的。产气量是决定装机容量的最重要的依据。3、沼气收集与

12、输送系统 沼气收集站、阀门井沼气收集站使操作人员可以较为方便地监控每座沼气井的流量及浓度。每23公顷的面积须配置一座沼气抽气收集站。沼气收集站的位置选择须考虑到填埋面沉降及输送管线架设的便利性。每座沼气站面积约需2平方米，沼气站的抽气装置高度约1.5米左右。 沼气收集系统的技术要求和优化措施在填埋较低位置时，较多采用预留垂直导气石笼，边填埋边提升。在填埋高位时一般采用水平集气管的方式进行。然而在实际填埋过程中常遇到如下几种情况直接影响到沼气的回收。垃圾进场量不稳定，在进场量较大时，来不及保护预留的导气石笼，致使预留导气石笼被掩埋。推进方向单一，导气石笼容易倾斜或移位。导气石笼周围未及时设置导气

13、盲沟，导致气体收集效果差。覆盖层不规范、不及时，导致雨水渗漏入填埋层和沼气迁移外泄严重。通过抽气实验掌握气体成分、出气静压、温度、气量、收集范围等，结合现场情况在管道布置设计中充分考虑其收集效果。由好氧一一厌氧有一个过程，产气量随时间而变化，因此在设计中应充分考虑在高峰时的气量进行管径设计如果母管的负压太大，造成水封的液位上升高度增加，给系统带来安全隐患。同时在操作过程中要严格工艺要求进行，从安全角度出发，在导气石笼出口要求是微正压状态(一般在5-8mm水柱)。这样可保证沼气收集质量，不因为负压使空气进入系统，这一点非常重要，在操作过程中要定期检查、记录和调节。在导气石笼并入系统时要逐个进行，

14、在每个导气石笼出口合格后方可并入集气单元，并确保出口压力，这里可利用出口阀节流调节。在气体收集系统中科学布管，通常采用集气单元进行气体的收集，在集气单元设置时采用如下两只方式：(1)将几个6-8个导气石笼汇入一个气体收集站，再由气体收集站进入母管。(2)将常6-8个导气石笼汇入次母管，再进入母管。采用这两种方式都可行。但笔者认为采用第二种方式更为直接、科学和节约。由于沼气从导气石笼出来时其水分含量较高，在气体输送过程中产生冷凝液，若采用第一种方式就必须考虑每个导气石笼一一集气站的管道放坡并单独排放冷凝液，这样在今后的提升工作带来诸多不便，且投入较高。采用第二种方式只要布管时考虑布管坡度即可。在

15、母管的低位设置排水水封并可以将冷凝液排掉。安装方便，便于控制和今后的提升。垃圾卫生填埋场集气站、总管布置及流程：(1)可将填埋场集气井编号，根据现场情况将其中数个集气井作为周围集气井的集气站。每个集气站单独进总管，并设置阀门。(2)沼气经各组集气井汇集于各组集气站，经集气站出口管进入填埋场外管，再并入填埋场总管，设计中根据需要在相关位置考虑阀门。(3)根据现场情况，集气站出口管安装时，设计时应向集气站放坡，以便将冷凝水排入填埋场内，经渗漏排出。(4)由于集气井管线较长，为防止因局部沉降造成集气站出口总管形成"U"型而淤水进而造成堵管，在施工时要求总管位置尽量压实，或在填埋时

16、将该总管采用开放式连接，只要填埋与安装配合好，便可避免堵管现象。(5)在填埋场外设置阀组，分别控制各集气站，集气站控制每个集气单元即集气井。(6)监控系统采用：总管流量计、在线多种气体监测仪、现场分析取样、现场压力、温度指示。设计中也要适当周边气体监测。(7)为尽可能减少沼气对大气释放，在填埋时要有序填埋，即尽可能集中某一个集气站所辖集气井范围进行填埋，逐个进行，以避免因交叉作业而给项目带的来负面影响。(8)设计中应考虑在总管上设计冷凝液气水排放阀。沼气收集及浓缩分离系统：一定数量的沼气井汇集设立成沼气收集站，每口抽气井均有控制阀可调控流量，并在适当地点汇集数口抽气井形成一个局部网络。浓缩分离

17、装置可将沼气含水量降低并去除部份有机挥发性物质，同时在地形较低处亦可汇集冷凝水排至填埋场地下。各收集站均设有采样口便于采样分析。气体输送管线沼气输送管线上设有安全阀、压力计、远传系统、膨胀节等装置，以确保沼气输送的稳定及安全性。沼气抽取系统的操作当沼气抽取系统各部份并联试运转成功后，即进入正式运转阶段。并执行监控管理，针对每口井的沼气产生量，调整其抽气压力，以获得最大且稳定的沼气量，同时兼顾地表的空气回流对操作安全性的影响。通过对监控计资料的进行分析，就可以获得每口井的甲烷浓度、产气量、二氧化碳及氧气浓度等数值HDPE沼气抽取管线凝水集排设施沼气本身含有一定比例的水分，在输送过程会汇集在输送管

18、线的低洼处阻塞管线。我们在集气站底部配置冷凝水集排设施。冷凝水集排设施设置于地面下，可将冷凝水回注进填埋场内，以避免造成二次环境污染。4、气体预处理系统4.1系统功能：填埋气的主要成份是甲烷和二氧化碳。它们都是无色无味的。带气味的物质来自于微量成份，如挥发性芳煌化合物和硫基物。不同填埋场的气体确切组成有很大不同。但是，总的来说，管理良好的填埋场，甲烷含量一般为5060%,二氧化碳为4050%微量成份为1%填埋气体发电厂是以填埋气体为燃料。填埋气体产生于垃圾填埋过程，是垃圾中可以降解的有机物在降解过程的一种副产品。垃圾填埋气（LFG经垃圾填埋场气体收集系统管道收集至电站。从气井经母管收集的气体含

19、有大量的有害成分和水分，严重的影响燃气发动机的运行。填埋气预处理系统被安装在燃气发电机组进气管路前端。它是垃圾填埋场填埋气体发电工程的非常重要的设备。QC-03预处理系统是根据垃圾填埋气体的特性，参考国外气体处理系统的设计数据，结合我国的实际工程经验，自主开发的一种适应我国各垃圾填埋气体发电工程的气体预处理设备。该系统有处理300Nr3Yh-3000N舟h气体的多种规格配置。该系统具有安全可靠，在线运行时间长，安装维修方便，运行成本低等优点。其过滤功能降低固体粉尘杂质含量；其多级脱水功能降低气体水分含量；其冷冻功能使得气体中的有害气体冷凝析出；其气体温度调节功能使气体输出温度适应燃气发动机的需

20、要；系统所配气体在线检测可及时检测气体的成分；系统采用先进的控制方法，气体出口的压力、温度稳定；气体的流量根据发电机组的要求自动跟踪；具有超压、超温报警和保护功能，保证系统安全可靠长期运行。匹配的气体预处理装置可以对发电机组进行定热值运行控制，提高机组的稳定性和保护气体收集系统。本气体预处理系统的特点：系统可根据用户要求设计为撬装式和分体式，本方案为1600N吊h处理量的撬装式设计，但单台风机容量1200Nm3/h,共两台采用冗余运行方式，由两套变频器联合控制，增强系统运行的稳定性和灵活性；系统全自动控制，无需人值守；系统设置自动/手动切换，其自动方式可由发电机组控制及运行和用气量；采用防腐设

21、计，确保设备长期运行.预处理系统工艺图和工作原理：系统要求电源：380V三相交流电，电压波动值±5%频率波动值±5%气体预处理系统工作原理:每套完整的装置由一套前置气液分离、粉尘去除系统，经过分离后气体中的大量冷凝液和粉尘被分离出来，保证了系统后续设备的正常运行。加压风机按所配系统110%额定发电工况设计，采用变频调节随时保持最佳工况。后置冷却采用双通道逆流冷却方式，可最大效率的热传导，使得压缩气体的温度尽快地降下来。经过初步冷却的气体再经过电制冷机和热交换器将气体迅速下降，气体中的水分和水合物被冷凝分离，填埋气进一步的干躁，气体中的酸性气体和硅化和物被基本分离。经过冷冻分

22、离后的气体再进入一细过滤器，将气体中的固态粉尘进行过滤，过滤后气体中粉尘粒径小于3微米。在后端系统设计了气体调温装置，经过上述处理的气体温度比较低，为了使气体适应燃气发动机的需要,必须将气体温度调整到适宜温度。系统将处理过的气体自动调整到机组需要的温度。«QC-03»气体预处理系统处理后的气体主要指标:序号符号名称数据备注1HS硫化物总量<600ppm2Cl-氯化物w40Ppm3Si硅和硅化物3<2mg/Nm4NH氨水<30ppm5Tar残机油和焦油<3mg/Nm6Dust固体粉尘<3um3<2mg/Nm7T气体温度可调82相对湿度<

23、;40%附一一典型燃气发动机对填埋气体的压力、温度和杂质要求:序号符号名称数据备注1P压力820kPa2T温度1040°C3Q氧气<2%4H2s硫化物总量<600ppm5Cl-氯化物w48Ppm6Si硅和硅化物,，-.3<4mg/Nm7NH氨水<33ppm8Tar残机油和焦油<5mg/Nm9Dust固体粉尘<5um一，一3<5mg/Nm10k_相对湿度<80%系统的控制和安全设计：系统采用可编程控制器一PLC控制，具有数据采集、在线检测、报警和停机功能。提供标准的数据通讯端口。系统实行无人值守、全自动运行功能。(1)系统控制点:下表给出

24、了系统再线监测点:序号符号名称检测位置处理方式1mm滤液水位气液分离器上限报警2T温度系统入口上下限报警加压分机出口上下限报警后置冷却出口上下限报警冷冻交换器出口上下限报警系统出口上下限报警3P压力系统入口上下限报警加压分机出口上限报警系统出口上下限报警4V流量系统出口流量计算5%氧气含量系统出口上限报警6%甲烷含量系统出口下限报警(2)安全保护功能:系统设有氧气浓度高于设定值报警信号或停机；系统设有甲烷浓度低于设定值报警信号或停机；系统设有出口气压超压报警，并自动启动火炬旁路系统;系统设有阻火器；系统电机、电源开关等均采用防爆器件。(3)系统控制预处理装置会采集并传输下列信号给电站集中控制室

25、：气体入口压力、温度、氧气浓度气体出口压力、温度、流量远程集中控制室可以通过远程指令启动或者停止系统系统自动负荷卸载，如果发动机减负荷，系统按预定的程序进行变频降负荷。当发电机发生故障，则断开供气管路，自动停机；5、发电系统垃圾填埋气在经过气体预处理系统处理后达到机组对气体的要求，可以直接进入机组进行发电。目前，在垃圾填埋气发电项目中，以进口品牌为主，颜巴赫、卡特比勒、高斯科尔、道依茨等。国产机组虽然性能方面存在一定差距，但价格低廉。(1)根据沼气产量选择合适的装机容量，避免设备闲置或沼气浪费；1000KW左右的机组市场占有率最高，性价比也是最高的，维护、维修、保养费用比较低；(3)多台机组时

26、，宜选用1000KW左右的同一规格，以降低运行费用和备件储存。在台数较少时，选择一台功率较小的。比如一台1000KWm一台500KW便于在气量变化较大时调节输出功率，保证机组在70%乂上的功率下输出；(4)发电效率高意味着在消耗相同的燃气时能发出更多的电；(5)在线率高意味着停机时间少，浪费的沼气少，发电量多；(6)气体纯净时，或者气体处理得当时，机组一个大修期可达5000060000小时，一般可达3000040000小时。但有些机组只达1000020000小时；(7)沼气中含有微量的腐蚀性成分，对机油造成污染，其消耗量比使用天然气时要大，机油是一种主要的消耗品，在运行成本中占有一定份额。而不

27、同品牌机组的机油耗量差异较大；(8)零配件价格有数倍之差，特别注意耗材，比如火花塞价格。直接关系到运行费用；(9)齐全的零配件储备可大大缩短停机时间，增加发电量；(10)维修队伍能否短时间到达现场，对保证运行时间至关重要；(11)机组是一种大型贵重设备，应着重于长远的综合评估。综合性价比比价格更重要。6、静音系统在发电机运行期间，还需要装配静音系统，以降低噪音污染。静音系统一般分为机房消音工程和集装箱两种电站寿命较长，或者外部环境较恶劣的，一般采用室内静音箱。这种静音箱有利于发电机组的运行、维护、保养及维修。宽敞的空间能给机组提供更好的工作环境，运行费用也较低。对于寿命较短的填埋场，我们推荐使

28、用集装箱式静音箱，它的特点主要是便于移动，减少不动产损失。静音箱没有太高的技术含量，主要成本在于材料和人工。随机配备的进口静音箱价格十分昂贵。富通公司已有6年制造静音箱的经验，依据进口机组静音箱的设计标准，采用国内优质材料，以标准的40英尺集装箱为基础，最低的成本达到国际水准。7、沼气提纯有些地方发电但不便售电，或者天然气缺乏或昂贵，或者沼气的量特别大，这时把沼气中的CO2分离出来，沼气中的CH4浓度达到天然气的水准，应用范围就大大拓宽了，其附加值也大大提升。沼气提纯的意义(1)将气体中的甲烷浓度提高到能满足民用、车用、化工及其它用途的水平，提高沼气的附加值和使用范围。(2)分离出沼气中对设备

29、及动、植物有害的组分，如水、硫化氢、硅氧烷、酸、氧化物等。(3)分离出二氧化碳，可进一步提纯制成液体二氧化碳或干冰一一一种用途广泛的副产品。沼气提纯：化学吸附法与变压吸附法相比，投资更省、运行费用低。沼气通过初步分离后，进入两级脱硫系统。*g据原料气的特点，提供合理的反应条件，将硫化氢脱除至3ppm以下。除尘后加压进入吸收塔，在特定的吸收剂和反应条件下，调整气体中甲烷浓度到90-97%,同时全部或部分除去氨、氮氧化物、硅氧烷等多种杂质。经冷却、脱水送入天然气管网；溶液经自净系统将杂质分离出来，并在再生系统解吸出纯度)95%勺二氧化碳气体，该气体可考虑做相关产品的原料。沼气提纯的流程8、火炬燃烧系统功能火炬燃烧系统是温室气体减排以及垃圾填埋场安全生产和防止环境污染的必备设备。将“多余”的沼气完全燃烧；将沼气中易燃和有害物质尽可能完全地转变为无害物质；主要结构配置(1)火炬燃烧头：保证在不同排放工况下安全地燃烧掉“多余”的沼气，稳定燃烧、抗强风不脱火。宜选用热性能好、抗疲劳能力强、抗高温腐蚀并能适应温度急剧变化的材料，常用1Cr18Ni9Ti。(2)管道阻火器：有效防止回火事故。(3)电子点火引燃系统：能迅速、安全地点燃放空沼气。控制原理：(1)全自动控制采用压力开关对主管内气体进行检测，当检测到管内沼气压力大于设定压力时，给出启动控制器信号，自动进行电子点火。