江门旗杆石生活垃圾卫生填埋场填埋气产量估算及资源化利用

摘要：本文以江门旗杆石生活垃圾卫生填埋场进场垃圾量为基础数据，利用填埋气产量预测数学模型对其填埋气产气量进行估算，介绍了江门旗杆石生活垃圾卫生填埋场填埋气制天然气工艺装置的实际运行情况，阐述该项目的工艺技术及其特点。

关键词：填埋气;产气量预测;天然气

Abstract：This article uses the amount of incoming garbage in the Jiangmen Flagstaff Sanitary Landfill as the basic data， and uses the landfill gas production prediction mathematical model to estimate its landfill gas production， and introduces the Jiangmen Flagstaff Sanitary Landfill. The actual operation of the landfill gas-to-natural gas process plant， expounding the projects process technology and its characteristics.

Key words：Landfill gas;Gas production prediction;Natural gas

1 垃圾填埋氣体特点

通常垃圾在填埋半年至一年后，填埋垃圾堆体降解进入厌氧发酵稳定阶段，填埋气体产生速率即可达到最大，气体中的甲烷含量也可达到最大。垃圾通过厌氧发酵产生的填埋气体（LFG）中约50%是可燃气体甲烷，其余主要是CO2，同时还含有微量的硫化氢、硫醇、氯乙烯、甲苯、己烷、氯甲烷、二甲苯等有毒气体。

2 生活垃圾组分及预测产生量

2.1 生活垃圾成分现状

江门市垃圾处理场管理所近年来对进场生活垃圾成分进行了多次抽查，其平均结果见表1。

2.2 江门市区生活垃圾产生量预测

江门旗杆石生活垃圾卫生填埋场仅处理江门市蓬江区、江海区、新会区的生活垃圾。

城市生活垃圾的产量跟城市人口数量、经济水平、生活习惯、地理位置、能源结构、收运范围等多种因素有关。垃圾的产量可按人均生活垃圾产量的折减值来预测。我国目前属于发展中国家，可参考对中低收入国家的预测值。参考江门市的城市发展现状以及珠江三角洲部分城市的居民生活垃圾产量调查资料，市区内人均产垃圾约为0.42kg/d，收集处理率约为90%，农业人口产垃圾量的收集率约为20%。同时由统计数据可知2006年蓬江区户籍人口约为45.12万人，江海区户籍人口为18.52万人，新会区户籍人口约为74.27万人，江门市总人口约为387.345万人，经计算可知2006年的垃圾产量约为807t/d。

根据江门市蓬江区环境卫生管理局、江海区城市管理局及新会区环境卫生管理处对城市生活垃圾产量统计数据，自2000年以来，江门市三区的城市生活垃圾日平均处理量由605t/d增加到930t/d，年处理量由2.21×105t增加到3.4×105t，增长率在2.8%～15.2%之间，平均年增长率为6.4%。根据江门市的城市发展现状以及珠江三角洲部分城市的垃圾实际增长量统计按照类推法进行预测，并综合考虑人口、GDP增长、生活水平、住房面积、能源结构、绿化率、生活习惯及城市化发展趋势，预计江门市在2015年前垃圾量每年按7%的增长率增长，2015年以后按5%的增长率增长。

3 填埋气产生量估算

3.1 填埋气体产量预测模型的确定

（1）目前，有多种填埋气体产量预测模型，比较符合实际的数学模型是Monad模型。（2）为简化计算，实际应用中，一般是对每一年的填埋垃圾进行计算，然后对各年的垃圾产气速率进行叠加即得出各年填埋场总的产气量。其叠加计算公式可表示如下。在填埋场封场前：

式中Gi为自填埋场运行第i年的填埋气体产生量，m3/a;i为自填埋场运行第i年，Wi为第i年的垃圾填埋量。在填埋场封场后：

式中Gi为自填埋场运行第i年的填埋气体产生量，m3/a;i为自填埋场运行第i年，Wn为垃圾填埋场最后一年的垃圾填埋量，n为填埋场终场年限。

（3）填埋场单位垃圾质量的填埋气体理论最大产气量可根据生活垃圾中可降解有机碳的含量按照下式估算：

式中：C0为垃圾中有机碳的含量，% ;φ为有机碳的降解率，% ;1.867为标准状况下，单位质量的碳转化成甲烷的体积，m3/kg。

3.2 参数选取

3.2.1 生活垃圾中有机碳含量及可降解有机碳含量

本项目缺少垃圾物理成分分析数据。只能依据经验估算。估计广东垃圾成分中可降解有机物占到56%（不计塑料），有机物含水率在约76%。假设有机物中有机碳含量为48%，75%的有机碳转化为填埋气体。

则可计算出单位重量的垃圾最大理论产气量为：

3.2.2 产气速率常数

垃圾的产气速率常数反映了垃圾中可降解有机物厌氧降解的速度。厌氧降解速度与垃圾成分、含水率、堆体温度等因素有关。上述因素又与填埋场实际情况有关，对不同区域及类型的填埋场，其k值不同。

江门市位于珠三角西南部，当地气候属于湿润气候，在填埋气产量估算过程中参照表3选取k值，取0.12。

根据此模型和该填埋场各年垃圾填埋量可计算出封场后各年份的填埋气体理论产生量，并可绘制出该填埋场理论产气量随时间的变化关系图。

2018年填埋场理论产气量为2.988×107m3，即3 410.70m3/h，已满足现有填埋气提纯制天然气设备的处理量。

4 填埋气资源化利用系统

填埋气资源化利用系统主要由填埋气收集预处理部分、增压部分、脱水脱碳部分、火炬系统、放散系统、冷却水循环系统和仪表风系统等系统组成。

4.1 填埋气收集预处理单元

填埋气通过罗茨风机的抽吸能力从填埋场收集进来，首先进入填埋气凝液罐，去除游离水，再经过粗过滤器过滤粒径大于50um杂质，再经罗茨风机将填埋气提升至一定压力，进入预处理部分，依次进入脱硫塔、一级冷干机及吸附塔，去除填埋气中的硫化氢和硅氧烷等VOC气体，以满足燃气标准以及后续系统要求。填埋气再经粗过滤器、压缩机缓冲罐后，进入螺杆压缩机增压至1.4MPa。增壓后的填埋气进入脱水脱碳部分。填埋气进入冷干机进行降温脱水处理，使气体压力露点低于10℃，通过电加热器增温至45℃，再依次经过多级颗粒过滤器和油过滤器后，进入膜组件，本项目采用二级膜提纯工艺，在膜组的特性下，使填埋气中的甲烷和二氧化碳分离，产生净化气和渗透气两股气体，其中净化气外输进入燃气管网，一级膜产生的渗透气通过高点放散，二级膜产生的渗透气回流至压缩机前端再次进行增压净化，净化后进入外输燃气管网。

4.2 脱硫单元

采用氧化铁干法脱硫进行精脱硫至15mg/m3。干法脱硫采用立式干法脱硫方式，脱硫塔内装高硫容的氧化铁脱硫剂脱硫精度高。采用双塔流程工艺，一用一备，便于设备连续使用。

4.3 脱水单元

此脱水工艺采用冷冻式干燥机，目的是去除脱硫产生以及填埋气本身自带的大量饱和水气，保护后续设备能稳定正常工作，保证活性炭的使用寿命，同时降低气体露点。

4.4 吸附塔单元

利用活性炭吸附原理，采用吸附方式去除沼气中的VOC，确保膜组的分离性能，采用立式双塔结构，交替运行。

4.5 脱碳单元

本系统采用膜法脱碳工艺对填埋气中的二氧化碳进行脱除，产品气中二氧化碳含量小于3%。膜法脱碳的原理是利用不同气体在特定介质中传输动力学方面的差异，利用混合气体中各组分气体在透过高分子膜时，其在膜内的溶解度和扩散渗透速率的不同，从而得到分离目的。本工艺装置简单，可通过装置模块化可以适应不同处理规模。操作弹性大，运行费用低，且无须使用化学试剂，是一种环境友好型工艺技术。

4.6 系统实际运行情况

江门旗杆石生活垃圾卫生填埋场填埋气资源化利用系统一期已经建成，处理规模为1 000m3/h，填埋气年处理规模可达8.0×106m3，可生产生物天然气3.2×106m3，每年可节约4 200t标煤，每年可减少CO2排放量约12×105t。经第三方检测，产品气高位热值可以高达8 474kcal/m3，气体组分均满足国家现行天然气相关标准的要求。江门旗杆石生活垃圾卫生填埋场填埋气资源化利用系统全部建成后，预计处理规模可达1 440m3/h，填埋气年处理规模可达1.2×107m3，可生产生物天然气4.8×106m3。

5 结束语

江门旗杆石生活垃圾卫生填埋场在2035年停止填埋垃圾时到达产气高峰。将填埋气提纯净化制取天然气，不仅能减少有害气体排放，还可以实现填埋气资源化利用，具有巨大的经济效益、社会效益和环保效益。江门旗杆石生活垃圾卫生填埋场填埋气资源化利用系统工艺可靠，运行稳定，具有很大的推广价值。

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收稿日期：2020-06-11

作者简介：黄浚东（1994-），男，汉族，本科学历，助理工程师，研究方向为环境保护。