生活垃圾焚烧厂沼气处理方案的比较分析

李 军，陈 竹，王占磊

（南通天蓝环保能源成套设备有限公司，江苏 南通 226600）

生活垃圾焚烧厂沼气处理方案的比较分析

李 军，陈 竹，王占磊

（南通天蓝环保能源成套设备有限公司，江苏 南通 226600）

简述了我国垃圾焚烧厂渗沥液处理过程中产生的沼气现有3种处理技术方案，即经沼气燃烧器回焚烧炉燃烧、排放至垃圾坑经一次风机回焚烧炉燃烧和利用沼气发电燃气内燃机发电机组处理。并对各种方案的建设、安装、运营费用进行了对比分析。结果表明，在现有的条件下，沼气通过沼气燃烧器回炉焚烧是最有效的处理方式。

生活垃圾；焚烧；沼气；经济性

1 背景概述

生活垃圾焚烧厂沼气在焚烧厂渗沥液处理系统厌氧过程中产生。沼气主要由CH4、CO2组成，还包括一些微量成分，其危害主要是加剧温室效应、发生爆炸和火灾等，从而威胁处理厂及其周围人民生命财产的安全［1］。

沼气各成分体积分数为CH4约45%、CO2约40%、N2约10%、H2S＜0．5%；供气压力为30 000～40 000 Pa；低位热值约 18 MJ/m3。CH4具有很高的热值，通常其低位热值为17．0～23．9 MJ/m3［2-3］，其净化处理后是一种较理想的气体燃料。

本工程焚烧厂生活垃圾处理规模为2 000 t/d，考虑到生活垃圾特性的不稳定性及应对季节性突发情况，设定渗沥液处理系统的处理规模为650 m3/d，渗沥液处理系统产生的沼气量为23 184 m3/d（966 m3/h），沼气送入除湿装置，除去沼气中的水分，之后进入脱硫过滤装置，过滤出沼气中的颗粒杂质。清洁沼气通过压缩机送入高压沼气储罐，沼气储罐的容积为200 m3，压力约0．6 MPa，可储存1 000 m3的常压沼气。

2 3种沼气处理方案

2.1 经沼气燃烧器回焚烧炉燃烧

该处理法是将渗沥液厌氧处理过程中产生的沼气经沼气燃烧器送入焚烧炉进行燃烧，它的能量作为额外的能量进入整个系统，以实现对资源的回收利用。沼气直接送入焚烧炉位置有2个选择，从干燥段/燃烧段落差段送入，或从辅助燃烧器附近送入，见图1。

沼气燃烧器处理的最大沼气流量是230 m3/h。由于沼气总量为966 m3/h，同时考虑到停炉检修时，垃圾产生的沼气必须得到有效的焚烧处理，因此采用每炉2台的配置，3炉共配置6台沼气燃烧器。

沼气喷入焚烧炉内，与垃圾一起燃烧，增加锅炉的蒸发量，相应增加汽机的输出，全厂热效率按21．5%计算。由于沼气低位热值约为18 MJ/m3，则沼气入炉燃烧的热效率为18×966/3．6×21．5%=1 039 kW。扣除自用电率10%，沼气上网发电量每小时约为935 kW·h，年上网发电量为748万kW·h（每年工作8 000 h）。考虑上网电价为0．5元，每年可以增加收入374万元，25 a特许经营期共计9 350万元。

2.2 排放至垃圾坑经一次风机回焚烧炉燃烧

渗沥液收集间设置通风装置将渗沥液处理过程中产生的沼气等有害气体排至垃圾贮坑，垃圾坑内保持负压，经一次风机抽取后通过炉排下部送入焚烧炉燃烧。理论上，沼气被送入焚烧炉后，经焚烧会释放自身所有的热量。热效率、年发电量等与经沼气燃烧器回焚烧炉混烧相同。25 a特许经营期可增加收入9 350万元。

垃圾坑中的生活垃圾也会产生沼气。CH4与O2完全反应：CH4+2O2=CO2+2H2O，1 L CH4燃烧需2 L O2，由于空气中氧气含量为21%，即1 L CH4燃烧需空气9.5 L。因此甲烷占混合气体的体积分数为 1/（1+9.5） =9.5%，当甲烷在空气中体积分数达到9.5%时，会发生最强烈的爆炸。由于生活垃圾中有机物含量较高，集中堆放容易形成厌氧环境，致使垃圾产生的沼气不断积累，且不断向外释放，一旦其中的CH4在空气中的含量达到其爆炸极限（有氧条件下，CH4爆炸极限为5%～15%）或遇到明火就极易引起爆炸。

图1 沼气回路燃烧工艺示意

国内正在运营的垃圾发电厂中，只有太仓协鑫生活垃圾发电厂的沼气直接回送至垃圾坑。据焚烧厂人员介绍，渗沥液厌氧产生的沼气采用非连续方式经Ф200 mm管道抽送至垃圾坑。由于渗沥液系统输送至垃圾坑的沼气量远小于垃圾坑自身产生的沼气量，并且远小于一次风量（50 000 m3/h），因此焚烧厂并没有针对渗沥液系统输送至垃圾坑的沼气采取特别的防护措施，平时一般也不对沼气浓度进行监测，只有在人员进入垃圾坑时才采用移动检测设备对沼气含量进行检测。

2.3 利用沼气发电燃气内燃机发电机组

燃气内燃机适用于沼气产生量较小的场所，以沼气为燃料，带动内燃机和发电机发电。根据国内已实施沼气发电厂的运行经验，根据沼气产气量计算得到，本项目采用单台发电功率1 000 kW燃气内燃机组，由于总发电功率为1 594 kW，因此共需2台。由此选择了2种进口机组的发动机型号，分别是卡特彼勒G3516 LE和GE颜巴赫J320 GS。

根据国内外机组实际情况，燃气内燃机发电机组热效率按33%计算，沼气低位热值约18 MJ/m3，则燃气内燃机发电机组热效率为18×966/3.6×33%=1 594 kW。扣除预估自用电率15%，沼气上网发电量每小时约为1 355 kW·h，年上网发电量为1 084万kW·h。每年可以增加收入542万元，25 a特许经营期共计13 548万元。

3 经济性比较

3.1 方案的主要费用对比

3种方案的主要费用对比如表1所示。

3.2 方案总成本对比分析

表2为3种方案的费用、收入和利润。可以看出，方案2的费用最小、利润最大，方案1次之，方案3最差。

表2 3种方案的利润 万元

4 结论

方案1沼气经沼气燃烧器回炉燃烧一方面可增加收入，减少财政补贴，另一方面也节约了燃料。方案2沼气抽送至垃圾坑虽然经济性最好，但安全性得不到保障。在垃圾焚烧厂的垃圾坑内，垃圾在厌氧条件下已经产生了大量沼气，如果继续通入沼气，沼气浓度将继续增加，严重增加了爆炸事故的可能性，导致严重后果，因此沼气回垃圾坑的方式存在安全隐患。方案3沼气内燃机初期设备费用以及维护管理费高，且沼气进发电机前必须经过预处理；由于发电机出口电压为400 V，上网发电需要增加升压装置，并派专人维护；同时内燃机噪声较大。

通过以上的综合分析，生活垃圾焚烧厂渗沥液处理过程中产生的沼气，采用经沼气燃烧器回炉燃烧的方案较佳。

［1］孙向军，龙吉生，岳优敏，等．满足EU2000/76/EC标准的垃圾焚烧厂烟气处理工艺探讨［J］．环境卫生工程，2007，15（5）：1-3．

［2］李瑞成．简易生活垃圾填埋场污染的控制［J］．环境工程，2010，28（6）：59-62．

［3］张益，赵由才．城市生活垃圾焚烧技术［M］．北京：化学工业出版社，2000．

Comparison of Methane Treatment Plans in Domestic Waste Incineration Plants

Li Jun,Chen Zhu,Wang Zhanlei
（Nantong Tianlan Environmental Protection&Energy Equipment Co．,Ltd,Natong Jiangsu 226600）

Three kinds of treatment plans for methane generated from leachate treatment in waste incineration plants in China were sketched,including back to furnace through methane burner,transporting to furnace through waste pit and primary fan,and generating electricity by methane internal combustion engine．Costs of construction,installation,operation of the three plans were compared．The results showed that methane back to furnace through methane burner is the best choice at present．

domestic waste；incineration；methane；economy

X701

B

1005-8206（2011）04-0010-03

2011-03-29

李军（1979—），工程师，主要从事生活垃圾焚烧项目主设备的设计。

E-mail：lljjjjj@126．com。

（责任编辑：刘冬梅）