浙江省某垃圾填埋场填埋气产量预测及发电工艺方案设计

韩正平

（中国市政工程华北设计研究总院，天津 300074）

1 引言

垃圾填埋气由有机垃圾厌氧分解产生，其主要成分是CH4、CO2，其中CH4约占50%，并有少量N2、H2S、CO、O2、H2等［1］。由于外界压力与自身浓度的影响，产生的垃圾填埋气在填埋区域地层中迁移，最后进入大气环境，如果不加以控制，将会产生一系列危害，包括温室效应、易爆炸、污染地下水、破坏地表植物以及影响人体健康和环境质量等。

但垃圾填埋气同时也具有较高的能源利用价值，煤气的发热量为6 744 kJ/m3，而当垃圾填埋气中CH4成分约为54%时，其发热量高达9 395 kJ/m3。因此，垃圾填埋气是一种宝贵的清洁能源，可用于蒸汽锅炉燃烧、内燃机发电、甲醇及CO2制备等。通过对2008—2017 年浙江省某垃圾填埋场产生的垃圾填埋气进行产量评估，得知在填埋服务年限范围内垃圾填埋气平均收集量约为4.465×107m3/a，相当于每年回收约2.0×107L 柴油。本研究以浙江省某垃圾填埋场为研究对象，对该填埋场2008—2017 年垃圾填埋量概况进行总结，并对2018—2028 年垃圾填埋量进行预测。通过分析垃圾填埋气产生机理及影响因素，建立产量预估模型，计算垃圾填埋气产量并预测收集量，提出垃圾填埋气发电工艺方案。

2 垃圾填埋量概况及预测

浙江省某垃圾填埋场设计库容约2.189 48×107m3，截至2018 年，该填埋场发电机组实际装机量为4 台，功率为4 400 kW，理论计算最大装机容量为9 台，总功率达9 900 kW（2025 年）。由于垃圾产沼能力的衰减性、垃圾填埋气收集不稳定性及未来该市生活垃圾处置方式的转变（焚烧发电），因此本方案设计垃圾填埋气发电机组最大装机容量为6 台，功率为6 600 kW，多余垃圾填埋气通过火炬燃烧方式排放。2008—2017 年其垃圾年产生量及实际垃圾填埋量见表1。

表1 2008—2017 年浙江省某垃圾填埋场垃圾填埋量

从表1 可知，2008—2010 年该垃圾填埋场垃圾年产生量与实际垃圾填埋总量相同，2011 年后实际垃圾填埋总量小于垃圾年产生量，这是因为2011年后该市引进焚烧发电设施，处理规模约1 000 t/d。

未来焚烧发电将是垃圾处理主导方式。随着垃圾焚烧发电方式的推进，预计2028 年该垃圾填埋场库容将达到饱和。2018—2028 年该垃圾填埋场垃圾年产生量及填埋总量预测见表2。

表2 2018—2028 年浙江省某垃圾填埋场垃圾年产生量与垃圾填埋总量预测

从表2 可知，由于推进垃圾焚烧发电，因此该填埋场垃圾年产生量预测值与垃圾填埋总量预测值差值愈来愈大。

由于该填埋场服务范围基本涵盖整个城市，因此垃圾填埋总量巨大，且填埋垃圾中厨余垃圾较多，有机物含量较高。厨余垃圾中可进行生物降解的成分较高，通过填埋场气体利用技术，在稳定时间内垃圾填埋气产气速度快。且根据垃圾成分分析，该填埋场垃圾C/N 约为20/1，处于厌氧微生物的最佳C/N 范围内（20/1～30/1），因此这种垃圾集中处置的方式为垃圾填埋气利用提供了规模保障，使垃圾填埋气利用成为可能。

3 垃圾填埋气产生机理和影响因素分析

3.1 产生机理

垃圾填埋层中有机物的产氨菌在酸化阶段进入活跃状态，使氨态氮浓度提升，进而为产甲烷菌提供了适宜的条件。甲烷菌将酸化阶段产氨菌的代谢物分解成以CH4和CO2为主的垃圾填埋气。随着时间的增加，气体中CH4浓度逐渐增加。

垃圾填埋气的产生主要分为有氧阶段、厌氧阶段、生成阶段和稳定阶段，历时20～40 a，随着氧含量的降低，填埋层逐步进入厌氧环境及产沼阶段。垃圾填埋气典型特征：温度43～49 ℃，相对密度约为1.02～1.06，为饱和水蒸气，垃圾填埋气组分见表3。

表3 垃圾填埋气组分 %

根据该填埋场一期资料显示，近5 a 来垃圾填埋气中CH4含量基本稳定在58%左右，考虑2 个填埋场的作业、填埋期限和封场情况，预测该填埋场二期2019—2024 年垃圾填埋气中CH4含量为55%，2025 年以后CH4含量为60%。

3.2 影响因素

垃圾填埋气产生受多种因素影响，该填埋场垃圾成分与整个城市垃圾成分和其他处理方式所处理的规模有关，且该市一年四季气候变化明显。在不同温度条件下，CH4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CH4的最适温度为40 ℃。温度常受表面因素和大气条件的影响而变化，产气速率随着温度的降低而减慢。

因此，垃圾成分与气候等不稳定因素使垃圾填埋气产量波动变化较大，影响垃圾填埋气产生因素包括垃圾成分、微生物含量、温度、pH、填埋层含水率、氧气及重金属含量等，具体见图1。

图1 影响垃圾填埋气产生的相关因素

4 垃圾填埋气产量及收集量预测

4.1 垃圾填埋气产量估算模型

垃圾填埋气产量受垃圾填埋时间、填埋层含水率、pH 及温湿度等多种因素影响，但填埋垃圾中的有机物含量是其直接影响因素。因此，无法精准估算垃圾填埋气产量。目前，国外垃圾填埋气产量预估模型包括Palos Verdes 模型、美国环境保护局USEPA 模型、Scholl Canyon 模型、ENGINEERS 公司SCS 模型等［2］。

根据该填埋场填埋垃圾概况，结合CJJ 133—2009 生活垃圾填埋场填埋气体收集处理及利用工程技术规范［3］，使用Scholl Canyon 估算模型，见公式（1）：

式中：Q 表示年垃圾填埋气产量（m3/a）；Ri为年垃圾填埋量（104t/a）；Ki为某年垃圾填埋气产生速率常数；L0i为该填埋场某年垃圾填埋气产生潜力（m3/t）；ti表示填埋物从填埋到计算时所用时间（a）。

4.2 垃圾填埋气产量预测

由于在垃圾填埋气产量预测过程中，垃圾填埋气产量相对于垃圾填埋量滞后1 a 计算，即2007年填埋垃圾将于2008 年反馈垃圾填埋气产量，因此将垃圾填埋量及预测值带入公式（1） 即可估算出每年该填埋场垃圾填埋气的理论产量。

根据该填埋场一期工程垃圾填埋气产量概况，对二期工程垃圾填埋气产量进行预测。已知垃圾填埋气的产生速率与有机物的降解特性有关，参照2008—2017 年该填埋场产气特点，根据不同时期填埋的垃圾特性，结合垃圾成分对2018—2028年进行预测分析。对公式（1） 中L0和k 进行针对性取值，2011 年前L0和k 分别取140、0.2；2011—2014 年L0和k 分别取120、0.16；2015 年后L0和k 分别取100、0.15［2］。根据该填埋场实际情况，对2018—2024 年CH4气含率取0.55、2025—2028 年取0.6；通过查阅该填埋场2008—2017 年垃圾总量信息及垃圾填埋气收集量信息，带入Scholl Canyon 模型，垃圾填埋气理论产量与实际产量误差较小，证明估算模型可用。基于此模型对2018—2028 年垃圾填埋气产量进行预测，预测结果见表4。

表4 垃圾填埋气产量预测

从表4 可知，2020 年填埋年垃圾量Ri将下降，由于垃圾填埋气理论产量取决于前一年的年垃圾填埋量Ri，因此2021 年垃圾填埋气理论产生量出现下降，随后持续增加至2024 年，2025 年有所下降，2026—2028 年将持续增加，随后垃圾填埋气理论产量将开始下降，CH4含量将与其保持一致，这是因为随着垃圾填埋时间的增长，垃圾中微生物所需营养物质逐渐下降，因此填埋场垃圾产沼能力将在达到峰值后呈下降趋势。

4.3 垃圾填埋气收集量预测

由于地形复杂、形状不规则等因素的影响，该填埋场在垃圾填埋过程中存在覆盖不及时、填埋边缘地带收集死角、集气设施有效性差等情况，实际气体收集量小于垃圾填埋气产量。影响垃圾填埋气收集效率的主要因素包括：垃圾覆土方式及覆盖土特性、垃圾填埋气收集方式、抽气井配置深度及范围、填埋场防渗特性、渗滤液水位及其排导等。根据该填埋场资料显示，在2024 年之前气体收集效率约为60%，2025 年后取70%。根据2008—2017 年该填埋场填埋量及垃圾填埋气产量信息，结合表4 垃圾填埋气产量预测结果，2008—2017 年气体收集量及2018—2028 年气体收集量预测结果见图2。

图2 2008—2028 垃圾填埋气收集量及预测

由图2 可知，该填埋场垃圾填埋气预测产量与预测收集量于2025 年开始下降。由于垃圾填埋气产量及收集效率差异，垃圾填埋气实际收集量及预测收集量均低于实际产量及预测产量。

5 垃圾填埋气发电工艺选择与设计

5.1 垃圾填埋气焚烧发电工艺选择

垃圾填埋气的处理再利用技术主要有：产生蒸汽、转化成瓦斯燃料、燃烧发电及直接燃烧等。目前，该填埋场二期运行初期垃圾填埋气收集量约为2.368×107m3/a，平均收集量约为4.465×107m3/a，高峰期约为5.717×107m3/a。如直接焚烧外排，势必造成能源浪费，且该市为非采暖区，故对垃圾填埋气进行提纯并生产蒸汽或管道供气的方案不适用于该填埋场垃圾填埋气。由于垃圾填埋气制瓦斯工艺设备成本高且缺乏市场需求，存在一定安全隐患，同样不适于该填埋场垃圾填埋气利用。

垃圾填埋气焚烧发电系统不易受外部环境的制约，独立性强，仅需对填埋场的填埋工艺和垃圾填埋气收集系统进行简单的改造即可实现，是目前我国垃圾填埋气利用的主要方式。且其能源利用率高，CH4外排不超过总量的3%，回收发电性价比高。基于该填埋场一期垃圾填埋气焚烧发电项目在运行管理和产能效益方面积累了成功的经验，因此该填埋场二期产生的垃圾填埋气继续采用焚烧发电方式加以利用。具体发电工艺流程见图3。

图3 垃圾填埋气发电工艺流程示意

5.2 预处理工艺设计

填埋场内生活垃圾填埋后快速进入好氧和厌氧发酵状态，填埋物的温度一般在40～60 ℃，产生的垃圾填埋气含水量一般为饱和含水量，若垃圾填埋气直接进入发电机组，水汽易引起发电机组缸体侵蚀。因此需增设垃圾填埋气脱水装置从而延长发电机组使用寿命。

首先，从抽气井抽出的垃圾填埋气经压力变送器进入冷凝水罐，接着再进入初级过滤器。由于发电机组对气量的要求一般不能长时间低于饱和需气量的90%，否则影响发电机组的寿命，因此需要将过滤后的垃圾填埋气再进入液气分离器，在液气分离器中垃圾填埋气被降温至20 ℃，确保除水率不低于95%，将冷凝水从分离器底部排出。脱水后的垃圾填埋气经罗茨风机增压输出，增压后的垃圾填埋气由于温度增加，需经过风冷散热器进行冷却。冷却后通过脱硫罐及精密过滤器，使垃圾填埋气粉尘粒径达到发电机组要求。

垃圾填埋气产生过程存在诸多不确定因素，夏季气温高时垃圾填埋气产量可达冬季时的1.0～1.2 倍。因此，垃圾填埋气预处理系统处理量按每小时需处理量的1.2 倍配备。该填埋场垃圾填埋气预处理系统单套设计规模为1 500～3 000 m3/h，共设计3 套。

5.3 发电系统设计

随着填埋场一期填埋年限的增加，其产沼能力会越来越低，在填埋场一期产沼量不能满足发电要求的情况下，可利用二期产生的垃圾填埋气。垃圾填埋气发电规模在2025 年预计达到6 600 kW/h。该填埋场二期发电设备初期建设2 台1 100 kW 发电机组，本方案远期建设预计需要6 台。

当日填埋垃圾大于1 000 t 时，燃气发电机组功率应在1 MW 以上。但目前我国可用于垃圾填埋气发电的燃气发电机组的单台装机容量均小于800 kW，效率较低，且抗腐蚀性差。因此，发电机组设备选择世界上填埋气体发电设备的主要3 个品牌：Caterpillar、Deutz 和GE/Jenbacher。Caterpillar 由柴油发电机组改造而来，发电效率为39.6%，发电效率相对较低，在我国有代理机构。Jenbacher 发电效率为40.5%，其同类机组价格较高，无售后服务，在我国无代理公司，备品备件供应困难，虽性能较好，但维修费也高。Deutz 机组采用高压机方案，从柴油发电机改造而来，但火花塞更换频繁，不能适应复杂垃圾填埋气成分变化，且存在抖动、运行不稳定等缺点［4］。

鉴于一期垃圾填埋气发电项目使用的发电机组为Caterpillar，近10 a 的运行经验表明Caterpillar 性能较为稳定，比较适合该市填埋场产沼特性，故该填埋场二期发电机组选用Caterpillar G3516LE 1 100 kW 机型。

结合图2 垃圾填埋气收集量数据，统计2008—2017 年该填埋场机组垃圾填埋气发电能力及理论发电机组数量和实际机组数量，见表5。

表5 2008—2017 年垃圾填埋气发电能力、理论发电机组和实际机组数量

从表5 发现，实际发电机组数量均低于理论发电机组数量，这是由于垃圾填埋气产生受多种因素的影响，与垃圾成分及气候等因素也密切相关，因此垃圾填埋气产量波动较大。且随着填埋时间的增加，垃圾产沼能力逐渐下降，届时该市填埋场一期垃圾填埋气产量将无法满足其发电机组沼气需求，填埋场二期未来可以利用一期发电设备，故填埋场二期实际发电机组数量低于理论发电机组数量。

基于2017 年该填埋场发电状况，对该填埋场二期2018—2028 年垃圾填埋气发电能力进行预测，并计算理论装机容量，详细数据见表6。考虑填埋场一期发电机组由于其垃圾填埋气产量下降造成设备冗余，填埋场二期实际发电机组数量预计最终安装6 台，功率达6 600 kW，即基于2018年基础上增加2 台。

表6 2018—2028 年垃圾填埋气发电能力预测及理论发电机组数量

本项目建设初期发电机组安装数量为2 台，由于垃圾产沼具有衰减性、垃圾填埋气收集的不稳定性及该市未来垃圾处理逐步转变为焚烧发电，所以垃圾中的有机物含量逐渐降低，填埋场产沼能力下降。同时，考虑发电机组设备检修周期、未来垃圾填埋气利用技术不断革新，故虽然2025 年理论计算最大装机容量为9 台，但基于实际情况及成本分析，本方案设计最大装机容量按6 600 kW发电机组考虑，最终各阶段安装计划应根据实际产气量考虑，垃圾填埋气发电机组实体见图4。

图4 垃圾填埋气发电机组实体

5.4 燃烧火炬系统设计

火炬燃烧系统是防止污染环境和保证垃圾填埋场安全生产的必备安全系统，当发电机组进行检修或发生故障无法全部消耗垃圾填埋气时，将对多余垃圾填埋气进行燃烧放空。

考虑到垃圾填埋气产量和发电机组安装数量随着年限不同而变化，因此火炬燃烧的设计规模应具有一定范围的适应性，并能满足近、远期的需求。本方案火炬燃烧的最大设计规模按收集气量的1.5～2.0 倍考虑，设计火炬1 台，型号WFKR—100，燃烧系统规模为1 500～3 000 m3/h，火炬类型为地面筒式，进行落地安装，带防雨罩。设计火炬具体参数见表7。

表7 火炬性能参数

由表7 可知，火炬具体结构采用双层隔热筒结构，内层为耐热合金钢，中间夹层为无机隔热纤维棉，安设窥视孔。火炬筒本体由混凝土基础固定，内置引射式旋流燃烧器、点火电极、火焰探头、多点火焰与烟温探头。具有燃气安保与自动控制与计量功能。采用PLC 程控点火，根据负荷自动调节。具备洁净燃烧功能，可根据燃气流量控制二次配风，形成高温燃烧，全程实现全自动无人值守。

6 结论

1） 通过分析浙江省某填埋场垃圾填埋气产生机理，预测该填埋场二期2019—2024 年垃圾填埋气中CH4含量为55%，2025 年以后CH4含量为60%。

2） 采用Scholl Canyon 产量估算模型对2008—2028 垃圾填埋气产量进行验证与预测。结合填埋场具体情况，对垃圾填埋气收集量进行预测分析，发现该填埋场垃圾填埋气预测产量与预测收集量于2025 年开始下降。

3） 对该填埋场二期工程垃圾填埋气发电工艺进行设计，具体包括垃圾填埋气预处理设计、发电系统设计及燃烧火炬设计。结果表明预处理系统需设置3 套，每套设计规模为1 500～3 000 m3/h；需要增加2 台Caterpillar G3516LE 1 100 kW 机型发电机组；同时根据垃圾填埋气产量，设计一套工作流量范围为1 500～3 000 m3/h 的垃圾填埋气燃烧火炬系统，使CH4燃尽率超过98.5%，NOx排放小于718.75 mg/m3，SO2排放小于571.43 mg/m3，以达到排放标准。