垃圾填埋气体发电技术的开发与应用

王候闽

（泉州市环境卫生管理处， 福建 泉州 362000）

引言

垃圾填埋是我国城市解决生活垃圾的主要方法之一，室仔前生活垃圾填场是福建省第一座采用HDPE 膜防渗技术的无害化生活垃圾卫生填埋场，于2001 年11 月建成投用，是典型的山谷型填埋场，占地面积约383 亩，总库容量为390 万m3，目前已填埋处理400 万t 左右的城市生活垃圾，约占用库容370 万m3，其中最大的填埋深度达45 m。按照《生活垃圾卫生填埋技术规范》（CJJ17—2004），填埋场采用标准的HDPE 膜覆盖、雨污分流、调节池覆盖，渗滤液处理系统、库区排水处理系统和导排气系统。

2015 年至2019 年期间，泉州室仔前生活垃圾填场每天平均处理中心城区的垃圾约1 400 t，填埋气体的产生量很大，实施填埋气体的成功回收和利用，不仅能解决填埋场的安全隐患，也能使垃圾得到资源综合利用。填埋气体发电属于朝阳行业，填埋场生物质发电实现垃圾由单一的无害化处理向资源回收利用固废资源的转变，真正实现了变废为宝。

1 填埋气体

填埋气体发电厂是以垃圾填埋场的填埋气体为原料。填埋气体产生于填埋场的垃圾填埋过程，是垃圾中可以生物降解的有机物在降解过程中产生的一种副产品。垃圾填埋气体的主要成分是甲烷（CH4）占30%～55%，二氧化碳（CO2）占30%～45%。在垃圾填埋场内，有机物的降解可分为好氧与厌气两种过程，在垃圾填埋期间，初始数用氧气耗尽，厌氧阶段就开始，可持续长达10～20 年。据资料记载，垃圾填埋场的1 t 垃圾全部发酵后，产生填埋气体可达200～400 m3[1]。

2 项目概况

泉州市室仔前填埋场填埋气体发电项目（图1）于2017 年11 月实施公开竞价拍卖售气，由河南百川畅银环保能源股份有限公司以填埋气5 年资源使用费452 万元获得项目建设运营权。项目全部由企业投资、建设、运行，建设有导气管的安装、负压收集系统、发电系统，电力并网系统，实现填埋气上网售电。填埋气体项目于2017 年12 月动工，建设四台1 000 kW 的燃气发电机组，前期气体收集系统中建设有填埋气竖井74 口、PE 管道1 410 M，此项目经福建省工业和信息化厅确认并网运行后，于2018 年11 月20 日正式并网售电，满负荷三台机组时日处理填埋气4.2 万m3左右，正常年发电量可达1 615 万kWh[2]。

图1 泉州市室仔前填埋场填埋气体发电项目地理位置航拍图

3 填埋气体发电技术的系统方案

3.1 发电厂生产流程

垃圾填埋发电厂生产流程包括：填埋气体收集系统、气体的脱水及脱硫净化系统、气体发电系统和变送电系统四大部分。其中关键是填埋气体收集系统和气体处理技术[3]，见下页图2。

按泉州室仔前填填场的实践经验探索，填埋气体收集系统采用3 种方式：竖井收集系统：垃圾在填埋场区内分区填埋后，已经完成表面的垃圾覆HDPE 膜，利用钻机集中打井并设置收集管，再用支管将成组气井联结汇集到集气总管；横井收集系统：垃圾在分区填埋时，将收集气管有规律地平放在垃圾填埋区内，新垃圾将收集气管埋在下层，分层设置支管并汇集到集气总管；膜下浅挖采气收集系统：在HDPE 膜下形成独立、密闭的空间，填埋气从垃圾堆体扩散出来的填埋气在膜下聚集，通过在膜下安装填埋气收集管道，将膜下气体收集到集气总管。因泉州市的降水量偏高，垃圾含水量多，渗滤液产生量较大，氨氮深度含量高，且垃圾填埋已具有一定深度，不利于甲烷的生成，实践证明，该填埋场主要采用竖井收集系统为主，其他方式为辅，不仅有利于气体收集、提高设备利用率，而且有利于垃圾渗滤液的抽取和排放。

垃圾填埋场内的气体处理技术，主要流程：借压差流向特定的气体收集井，将甲烷和二氧化碳及硫化氢等气体输送至集气总管，送往气体预处理装置，利用三甘二醇和旋风气液分离进行脱水和碳酸钾净化系统结合的方法，脱去水分、颗粒灰尘和硫化氢，经3 台罗茨风机抽气及加压输送装置，经散热器除湿降温，经滤器干燥过滤（见图3），然后进入内燃机充分燃烧做功，将热能转化为动能，带动发电机旋转发电，经升压、配电，并入电网售电，供生活和工业用电。

图2 垃圾填埋发电厂生产流程图

图3 监控平台的气体处理控制流程图

3.2 燃气发电机组技术特点

燃气发电机组系统包括填埋气发动机、发电机、联轴器及控制柜等配套而成，实现燃烧、做功、产生电能、输出的功能。发电机组原理：利用生活垃圾产生的沼气（主要成分是甲烷）与一定比例的空气压入多个气缸内，燃烧后产生的热力推动带有曲柄连杆机构的火花塞往复转动，多个曲柄连杆机构将机械动能传递给发动机，使发动机按照设定转速通过联轴器将动能传递给同轴上的发电机转子，转子转动切割定子间产生的磁力线，从而输出稳定电能[4]。

3.2.1 燃气发电机组控制系统

燃气发电机组采用最先进的空燃比控制系统、控制阀和混合器、电子调速器等高精确度的闭环电控式燃气控制系统（EGS），它的信息输入系统是将发动机的转速、扭矩、尾气中氧含量等信号传递给控制器，控制器进行综合处理后，计算出发动机最佳运行的燃气量，再将计算出的信息传递给控制阀，由控制阀控制调整燃气进气量，以达到实现控制最佳空燃比的目的。通过控制执行器来控制混合气的流量，将发动机转速控制在标准范围内。空燃比控制技术的闭环应用，实现控制系统有效设定沼气的浓度范围，混合气能一直处在最佳空燃比状态，使燃气发电机组燃烧更合理，机组运行更平稳，输出的功率更稳定、连续。

3.2.2 智能点火系统

燃气发电机组点火系统包括磁电机、低压线、高压点火线圈、高压点火线、火花塞、点火控制器，其优点：发动机运行过程中可随意调整点火提前角和点火能量火能量分三个等级，根据燃气的成分对点火能量进行调整，实现最佳点火状态，最高等级点火能量可高达5 万V；点火系统具备超速保护功能。在点火控制系统中设置机组运行最高转速，当达到超速时，点火控制器停止工作，发动机停车；点火系统具有自身故障检测及报警功能。如出现火花塞不点火、线路短路或线路接触不良等故障，系统进行自动报警，便于机组的维护，保证点火控制人性化。

3.2.3 进气系统

增压、中冷型燃气发电机组采用了高效率的复合式空气滤清器、大流量涡轮增压器和德国GEA 公司技术生产的圆管式高效中冷器，其中两个增压器共用一个中冷器，保证即使两个增压器效率不同步，燃气发电机组左右两侧进气管中的混合气特性也仍相同，实现左右两排气缸工况相同，使充气效率提高，保证机组的输出功率更持续、稳定。

3.2.4 排气系统

排气汇总管和涡轮增压器包敷有绝热层，排气出口装有波纹管等弹性排气膨胀节，有效防止热量向机房内释放。

3.2.5 计算机控制系统

计算机控制系统的使用保证数据在网络上传，实现数据自动检测、采集、显示、记录、控制等功能，并且设有智能控制屏，用于控制及监测发电机组的工作状况，实现一旦发出声光报警信号，发电机组的启停操作可在机旁完成操作控制，也可由控制屏上按钮控制，保证近、远距离监控，实现操作人性化。

4 填埋气体发电技术的社会经济效益分析

对泉州室仔前填埋场利用填埋气体发电分析，经统计，2019 年度累计填埋垃圾35 万t，现对填埋分区的新垃圾堆体和之前已经完成垃圾表面覆盖HDPE 膜的垃圾堆体安装气体收集系统，从2018 年11 月份上网售电至今，累计处理填埋气1 498 万m3，保障了至少1 号、2 号、3 号三台1 000 kW 燃气发电机组在正常功率运行，见图4，按照平均处理气量约1 800 m3/h，运行输出功率约800 kW，上网售电价格0.629 元（/kW·h），每年实际正常运行300 天计算，每年收益合计：800 kW/台×3 台×24/d×0.629 元/（kW·h）×300 d/年=1 086.91 万元/年。目前气体收集系统处理的甲烷浓度约为45%，累计处理填埋气约1500 万m3/年，每年可减少甲烷排放约675 万m3。因此，填埋气体燃气发电技术的优点:填埋气体中甲烷成份30%～55%之间，甲烷是仅次于CO2的影响温室效应的气体，该项目日处理最大能力约6 万m3，减少了CH4气体的排放。填埋气体送入燃气发电机组发电并网后，减轻社会用电负荷，减少有害气体排放，起到防治城市的大气环境污染和节能减排的效果，同时产生较高的经济效益和环保效益[5]。

5 火炬系统

泉州市室仔前填埋场填埋气体采用集中收集方式燃烧发电，按照双重预防机制体系建设及安生生产可行性，提出设置一台封闭式燃烧火炬设备，在发电机组超压、故障检修、突发性增加导致超出发电机组负荷等情况下，总集气管处采用三通阀门，一旦紧急情况，可启用火炬系统燃烧填埋气体，不仅避免填埋气体直接排放造成环境的污染，而且减少了因甲烷聚集而产生爆炸。

图4 垃圾填埋发电厂平面图

6 结语

填埋气体的甲烷是一种清洁燃料，其可燃性决定了填埋气体的潜在价值，根据填埋场的垃圾量、填埋年限及卫生填埋方式，未来在全国的垃圾填埋场完全可复制、可推广进行填埋气的收集和发电利用。填埋场利用填埋气体发电技术的实施，成功实现了城市垃圾卫生填埋处理利用资源最大化，减少了环境污染，响应了“垃圾分类就是新时尚”的行动号召。作为一种新型的、绿色的电力来源，垃圾填埋气体发电技术不仅节能减排起到重要作用，而且发展循环经济具有示范作用，可推进环境与经济的协调发展。

参与文献

[1] 马慧，徐小刚.城市生活垃圾资源回收利用途径综述[J].环境科学与管理，2007（4）：16-17.

[2] 陈志轩.实施HDPE 膜覆盖雨污分流后的填埋场精细化作业探讨[J].环境卫生工程，2018（10）：45-47.

[3] 苏展望.燃气内燃机发电技术在城市垃圾填埋治理上的应用分析[J].内燃机与动力装置，2012（1）：35-36.

[4] 朱辰元，冯大磊.燃烧垃圾填埋气发电的热气机燃烧系统的开发应用[J].能源与环境，2012（5）：90-91.

[5] 贾学智，全珍，刘昌盛.城市垃圾厂填埋气发电技术应用与分析[J].生态与环境工程，2016（7）：3-4.