西南垃圾填埋场填埋气产量预测与回收利用

2015-08-05王梦梦赵茜瑞苏丹丹刘惠玲

哈尔滨商业大学学报（自然科学版） 2015年4期

成瑞，王梦梦，赵茜瑞，苏丹丹，刘惠玲

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院哈尔滨150090;2.哈尔滨市环境卫生科学研究所哈尔滨150010)

垃圾填埋气是指在垃圾填埋场中，填埋的城市生活垃圾中所含的有机物在微生物作用下厌氧分解所产生的气体，主要成分是CH4和CO2，此外还有其他一些N2、O2、微量有害气体等.其典型特征为温度约43～49℃，相对密度约1.02～1.06，水蒸气含量达到饱和，高位热值为15 630～19 537 kJ/m3.根据国外研究机构测算，每吨垃圾在填埋场寿命期内大约可产生100～200 m3的填埋气体[1].

当前，垃圾填埋场已成为甲烷最大的人类活动释放源，加剧了大气的温室效应.CH4的当量体积的温室效应潜在值是 CO2的21倍[2－3].甲烷是易燃气体，当其在空气中体积分数达到5% ～15%之间时，会发生爆炸.微量气体中的挥发性有机化合物虽然含量很低，但毒性较大，对周围居民健康具有危害性.当填埋气体迁移至植物生长的土壤时，还会造成植物根系缺氧，从而影响植物生长.因此，填埋气体对周围的安全始终存在着威胁，必须对填埋气体进行有效的控制.

填埋气体的热值很高，具有较高的利用价值，随着能源短缺日益严重，国内外已经对填埋气体开展了广泛的回收利用，将其收集起来、贮存和净化后用于气体发电、热电联产、用作锅炉或居民燃料等[4].使用最多、技术最为成熟的是填埋气回收发电技术，还会给填埋场带来可观的经济效益和环境效益.用填埋气发电发热是有效利用能源和减少温室效应的理想途径.

1 填埋气产生过程及产气量预测

1.1 垃圾填埋量及垃圾组分

西南部生活垃圾处理场位于香坊区朝阳乡新兴村南侧，占地面积45.70×104m2，其中填埋区占地33.64万m2，采取卫生填埋方式，项目总投资1.65亿元.西南部垃圾场一期工程于2004年11月开工建设，2005年11月投入使用.2006年，该场被建设部评为国家一级卫生填埋场.西南部垃圾场二期工程于2009年开工建设，并于当年建设完成，2010年投入使用，2013年7月30日由于城市规划发展等多种原因停止使用.垃圾场垃圾平均填埋深度按25.9 m计算，垃圾填埋区库容为870×104m3.主要接纳平房区、动力区及南岗区、道里区的生活垃圾，服务人口110万.设计处理能力是1 200 t/d，设计寿命是17a.目前，累计填埋处理生活垃圾368万t，关闭前的日处理垃圾量是1 600 t左右.

表1为西南垃圾填埋场垃圾的主要成分.由于人们生活水平提高，城区采暖结构的改善，垃圾中灰土减少，无机组分减少;同时饮食结构的变化也造成现在的垃圾中有机组分增加，致使垃圾密度变小.随着生活节奏的加快和工业发展，现在的物品均采用塑料包装，导致垃圾中包装物比例增大.

表1 西南垃圾填埋场垃圾的主要成分(%)

据统计，西南垃圾填埋场的各年填埋量如图1所示.2005年末投入使用，2013年7月30日关闭，共填埋垃圾368万t.

图1 2005～2013年西南填埋场的垃圾填埋量

1.2 填埋气的主要成分及产量预测

1.2.1 填埋气主要成分及其变化

干填埋气主要有 CH4、CO2、N2、O2、硫化物、NH3、H2、CO及其他微量化合物等组成.通常 CH4的体积分数为45% ～60%，CO2为40% ～50%，还有H2S，NH3和N2、H2等常见成分.此外还有不少于1%的其他挥发性有机物，主要是包括烷烃、环烷烃、芳香烃、卤代化合物等在内的挥发性有机物(VOCs)[5].

对西南垃圾填埋场近4a的现场监测及分析，分析仪器采用GasAlertMicro 5 IR便携式气体探测器，设定了4个监测点，各监测点的深度为15 m，进行检测分析，其主要成分和体积分数见图2(数据由哈工大环境工程实验室测量得到).对现场所有导气井测定的体积分数取平均值，填埋气体中甲烷为40.56%，体积分数偏低.

图2 2010.4～2013.12西南填埋场甲烷体积分数变化

1.2.2 填埋气产量预测

为了反映垃圾实际产气随时间变化的动态过程，目前大部分的填埋气模型预测方法均以一阶衰减模型为基础，IPCC亦提出了一阶衰减模型.此方法假设:废弃物中的可降解有机成分(可降解有机碳，DOC)衰减很慢.如果条件恒定，CH4产生率完全取决于废弃物的含碳量.在沉积之后的最初若干年里，在处置场沉积的废弃物产生的CH4排放量最高，随着废弃物中可降解有机碳被消耗(造成衰减)，该排放量也逐渐下降[6－9].

根据IPCC模型，西南垃圾填埋场填埋气体的模型方程法如下:

CH4在某年(t)的产生量 Q= ∑x[(A·k·MSWT(x)·MSWF(x)·L0(x))·e－k(t－x)]

根据IPCC的推荐模型，推算出每吨填埋垃圾可产生甲烷气0.017 9 t，相当于标准状态下25 m3的甲烷气.在DOC参数的选取上本文采用了IPCC设定的中国推荐值9%，更加贴近哈尔滨的实际情况.在填埋气中甲烷体积百分比的取值依据是现场4个导气井测定的体积分数取平均值40.56%.

表2 IPCC一阶衰减模型参数的意义及取值方法

对封场以后甲烷的产生情况预测如表3所示.

表3 IPCC推荐模型甲烷产生情况预测

结果表明:西南垃圾填埋场在2013年封场之后，其填埋气的产气量缓慢下降，2014年产气量为905.35 m3/h，今后10年其平均产气量为5.27×106m3/a.

3 填埋气回收处理

3.1 填埋气利用现状

目前能源价格快速上涨和环境保护问题的双重影响下，部分国家对于填埋气的开发给予政策和经济上的支持和优惠，使填埋气利用成为技术成熟、商业化运作，具有显著社会、环境和经济效益的项目.我国由于政策、利用技术开发不足等问题离发达国家差距较大[10－11].哈尔滨西南垃圾填埋场由于填埋气的产生量逐渐下降、甲烷体积分数低、政策不到位等原因准备集中燃烧填埋气.

填埋气体对环境的影响主要是恶臭和温室气体排放.哈尔滨西南部生活垃圾处理场填埋气体每年最大产生量为9.22×106m3，小时产生量为905.35 m3.封场后垃圾填埋气体全部经集气井、集气站、导排管网送入封闭式燃烧器燃烧后高空排放.

填埋气体导排与处理系统采用“垂直收集井与水平盲沟相结合”填埋气体收集和主动导排方式.有166个竖井，气体收集率可达70%.气体收集系统设置6座集气站，各集气站连接至抽气站，各抽气站将填埋气汇总后通过集气干管输送至燃烧系统.收集和输送填埋气的管道采用SDR17.6高密度聚乙烯(HDPE)管.设置进口封闭式燃烧器一台.

以火炬燃烧方式处理填埋气，设备简单，初始投资不大，操作简便，运行维护的成本也低.但该处理方式集气效率较低，燃烧效率也会受到气候的影响，处理效果不稳定.

垃圾填埋气可以作为一种利用价值较高的燃料.发电、用作民用燃气和汽车燃料、锅炉燃料是最为普遍的利用方式[10].相比而言，将其发电处理的利用方式经济效益好，投资较省，二次污染小，技术设备成熟[12－14]，因此本文为西南垃圾填埋场设计一种用于发电的填埋气体利用方式.

3.2 填埋气发电设计

按照可收集的填埋气量，以填埋气平均甲烷含量40.56%，机组发电效率35%计，每年填埋气体可以发电的总装机容量如图3所示.由于燃气内燃机组进行填埋气发电，投资小，见效快，运行维护相对简单，而且产品功率等级覆盖百千瓦级到兆瓦级.因此，本工程推荐采用燃气内燃机.发电产生的电量可以替代场外购入电量，用在填埋场的耗能设备上，具有明显的经济效益和环境效益.

图3 可装机容量与时间关系

本工程采用竖井收集填埋气，将所收集的气体沿竖井向上流动引出地面，然后通过管线集中后，引入预处理系统.填埋气含硫量高于发电机组的设备要求，结合国内垃圾的特性，为了保证电站设备运行的可靠性，须采用脱硫工艺.当收集的填埋气量超过发电机组的能力，控制系统将开启总管上通往火炬燃烧器的调节阀，由火炬燃烧器消耗掉.

4 结语

依据模型预测，在封场后的2014～2023年的运行期间西南填埋场填埋气产量可达5.268×107m3，填埋场的自行发电利用是最佳方式.对于并网发电，目前的困难包括:

1)没有具体政策，上网电价无法确定;

2)并网点的远近影响填埋气沼气发电的经济效益;

3)最重要的是由于垃圾成分以厨余类为主且分解较快、填埋方式局限、导气井布置不合理等原因导致填埋气的产气量水平低，甲烷体积分数低，准备利用填埋气进行发电的填埋场，要对各方面进行统筹规划，加强管理，提高填埋气的回收率和甲烷的体积分数，并推进填埋气回收利用技术的研发，将其作为实现环保与能源双赢，可持续发展的一种重要手段.

[1]赵由才，龙燕，张华.生活垃圾卫生填埋技术[M].北京:化学工业出版社，2004.182－191.

[2]GARDNER N.Gas emissions from landfills and their contributions to global warming[J].Applied Energy，1993，44:165 －174.

[3]张仁健，王明星，李晶.中国甲烷排放现状[J].气候与环境研究，1996，4(2):194－202.

[4]WILLIAMS P T.Waste treatment and disposal[M].London:John Wiley＆ Sons，1998.233－236.

[5]王进安，杜巍，刘学建，等.垃圾填埋场填埋气回收处理与利用[J].环境科学研究，2006，19(6):87－89.

[6]IPCC.IPCC国家温室气体清单优良作法指南和不确定性管理[M].Geneva:IPCC，2006.

[7]IPCC.Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventoties:Reference Manual[M].Geneva:IPCC，1996.

[8]TERRAZA H，WILLUMSEN H.Guidance Note on Landfill Gas Capture and Utilization[M].Washington D.C.:Inter－American Development Bank，2009.

[9]IPCC.2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories[R].Japan:IGES，2006.1 －10.

[10]卜美东，张田.中国城市生活垃圾填埋气甲烷产量评估[J].可再生资源，2012，30(5):89－99.

[11]袁怡祥，马人熊，谭春青.生活垃圾填埋气的利用[J].节能与环保，2010(2):33－35.

[12]袁怡祥，谭春青，马人熊，等.填埋气综合利用的途径[J].能源与环境，2009(5):79－80.