生活垃圾填埋厂气体发电及CDM应用研究

2013-09-01李军严圣军陈竹王占磊江苏天楹赛特环保能源集团有限公司

节能与环保 2013年11期

文李军严圣军陈竹王占磊江苏天楹赛特环保能源集团有限公司

填埋技术作为生活垃圾的一种处理方法，目前仍然是我国处置生活垃圾的主要方式。传统的填埋场存在以下几个缺点：渗沥液水质、水量波动较大，渗沥液污染强度高，二次污染严重、产气期滞后且历时较长，资源化率低等。随着生物技术的不断进步和完善以及人们能源与环境意识的加强，世界垃圾填埋技术已从传统的以贮留垃圾为主向多功能方向发展，即一个垃圾填埋场应同时具有贮留垃圾、隔断污染、生物降解和资源利用及恢复等多个功能。

垃圾填埋后所产生的CO2和CH4，不仅会造成常规污染，还可能带来温室效应，甚至产生火灾、爆炸的危险。2006年，国家发展改革委发布《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》，规定垃圾焚烧和填埋气发电的上网电价由标杆上网电价加补贴电价组成，发电项目自投产之日起，15年内享受补贴电价。在全球石油价格飞涨的情况下，通过将生活垃圾填埋产生的甲烷气体发电，实现城市生活垃圾资源充分利用和减少环境污染的目标，达到节能减排、减少安全隐患和环境保护的目的。

填埋气发电属于“国家鼓励的资源综合利用”和“再生能源发电”项目，有可能获得CDM收益。

1 垃圾填埋气成分及热值预测

填埋气体是城市生活垃圾在填埋堆体中降解产生的混合气体。在垃圾填埋的最初几周，垃圾堆体中的氧气被好氧微生物消耗掉，形成了厌氧环境。垃圾中的有机物在厌氧微生物分解作用下产生了以CH4和CO2为主，并含有少量N2、H2S、NH3、VOCs、CFCs、乙醛等的气体，典型成分如表1所示。

表1 填埋气体的典型成分

填埋气是一种宝贵的清洁能源，通常低位热值在17～23.9MJ/m3之间。图1为填埋气体与其它燃料发热量的比较。可以看出，每升填埋气体中所含的能量大约相当于0.45升柴油、0.6升汽油的能量，其净化处理后是一种较理想的气体燃料。

图1 填埋气体与其他燃料发热量的比较

2 填埋气产气量和收集量的预测

垃圾填埋场里发生着一系列复杂的物理、化学及生物反应，这些反应持续时间很长，一般要几十年甚至上百年。研究表明，尽管这些反应既庞杂而又漫长，但是垃圾填埋降解过程大致可以分为5个阶段，即初期调整阶段；过渡阶段；酸化阶段；CH4发酵阶段及成熟阶段。

由于填埋气中可利用成分是CH4，所以在对填埋气产气量的理论估算方面，主要计算其中CH4的产量。

2.1 填埋气体预测模型的选择

由于填埋气体产生过程复杂及影响因素较多，精确计算出填埋气体的产生速率和产气量比较困难。研究填埋场气体的产生量、产生速率和压力分布等基本参数，是控制填埋场气体无组织释放，进行回收利用的关键。填埋气的预测模型有很多，简单的有IPCC模型、Palos Verdes模型、Scholl Canyon模型、美国EPA模型等，复杂的有Marticorena模型、E1-Fadel的动力学模型等。国内应用较多的是美国EPA模型模型，该模型估算克服了现场抽气的时间限制，能预测未来多年的填埋气产生情况，应用简单易行。

对填埋气体产量预测推荐采用美国EPA的一级降解模型，即：

式中：LFG为填埋垃圾产生的甲烷量（m3/y）；i为垃圾填埋的年数；Ri为在第i年所填埋的垃圾量（t）；Qi为垃圾Ri在当前年所产生的甲烷量（m3/y）；L0为甲烷产生势（m3/t垃圾）；k为甲烷产生率常数（1/y）；t为填埋垃圾的年至第i年的时间（y）；n为垃圾填埋场的运营年数（y）。

2.2 填埋气体产量及收集量预测结果

填埋气发电规模确定的原则是：依据填埋场的垃圾总库容、现有的垃圾量、垃圾日均处理量进行总体规划，分步实施，依据填埋气体的产气量及收集率确定发电机组，以气定电，保持适度的弹性，确保机组投入发电。本文以青岛某固废综合处置场垃圾填埋场为例（垃圾日进厂量3000t），根据甲烷的收集量，综合考虑甲烷热值、发电机功率、每年发电时间等因素，年发电按8000h、自用电及线损按10%考虑，计算实际装机容量、实际发电量、上网电量详见表2。

由表2可知，产气量在2012年达到最大值，因此项目最大理论总装机容量为4000kW。考虑到影响填埋气体收集的因素很多，本着保守原则，依据总装机容量和市场上现有发电机型号，选用4台单机装机容量为1000kW的燃气内燃发电机组。

表2 青岛某固废综合处置场垃圾填埋气体产量及发电量

3 填埋产气体的资源化利用

3.1 各级利用方式

填埋气体是一种可持续产生的重要资源，即可再生能源。填埋气体的利用方法取决于其处理程序，不同的处理程序可以得到三类不同产品：低级填埋气体燃料、中级填埋气体燃料、高级填埋气体燃料以及副产品。填埋气体各级利用方式见图2。

3.2 填埋气发电机组类型

通过燃气内燃发电机将填埋气有效组分的化学能转化为电能，该技术较为成熟，是目前国内外利用填埋气的主要方式。具有成本低，所发电力可以并网输送，不受用户的限制。我国的广州、上海、杭州、苏州和济南都已经建成并运行了填埋场发电设施、运行状况良好。

表3给出了国内外燃气内燃机发电机组设备及业绩。根据国内填埋场填埋气发电专业运营商提供的经验，当填埋场日处理垃圾在1000t以上时，选用的燃气发电机组应在1000kW及以上。由于国内可用于填埋气发电的燃气发电机组的单台装机容量多在800kW以下，且发电机组的稳定性能差，使用寿命、日常维护、维修时间较国外发电机组设备短。表3仅列出了所推荐选用的国外发电机组设备。

表3 燃气内燃机发电机组设备一览表

4 清洁发展机制与城市垃圾填埋发电项目

4.1 清洁发展机制

清洁发展机制（简称CDM），是《京都议定书》中引入的灵活履约机制之一。目的是协助发展中国家缔约方实现可持续发展，并帮助发达国家缔约方实现其量化限制和减少温室气体排放的承诺。核心是允许发达国家通过与发展中国家进行项目级的合作，投入资金、技术，帮助其减少温室气体排量，获得由此产生的“核证的温室气体减排量”。CDM的单位是将排放物对大气温室效应的影响折算成CO2对大气温室效应的影响来计量的。《清洁发展机制项目运行管理办法》是我国境内开发、运行、管理CDM项目的基本法律依据之一。规定“在中国开发清洁发展机制项目的重点领域是以提高能源效率、开发利用新能源和可再生能源以及回收利用CH4和煤层气为主”。作为一种虚拟经济，CDM的交易价格容易受到政治因素和宏观经济情况的影响。预计二氧化碳的价格到2020年将上涨到20～80美元，价格将取决于经济增长速度，能源价格，能效以及其他措施。