浙江省某垃圾填埋場填埋氣產(chǎn)量預測及發(fā)電工藝方案設計

韓正平

（中國市政工程華北設計研究總院，天津 300074）

1 引言

垃圾填埋氣由有機垃圾厭氧分解產(chǎn)生，其主要成分是CH4、CO2，其中CH4約占50%，并有少量N2、H2S、CO、O2、H2等［1］。由于外界壓力與自身濃度的影響，產(chǎn)生的垃圾填埋氣在填埋區(qū)域地層中遷移，最后進入大氣環(huán)境，如果不加以控制，將會產(chǎn)生一系列危害，包括溫室效應、易爆炸、污染地下水、破壞地表植物以及影響人體健康和環(huán)境質(zhì)量等。

但垃圾填埋氣同時也具有較高的能源利用價值，煤氣的發(fā)熱量為6 744 kJ/m3，而當垃圾填埋氣中CH4成分約為54%時，其發(fā)熱量高達9 395 kJ/m3。因此，垃圾填埋氣是一種寶貴的清潔能源，可用于蒸汽鍋爐燃燒、內(nèi)燃機發(fā)電、甲醇及CO2制備等。通過對2008—2017 年浙江省某垃圾填埋場產(chǎn)生的垃圾填埋氣進行產(chǎn)量評估，得知在填埋服務年限范圍內(nèi)垃圾填埋氣平均收集量約為4.465×107m3/a，相當于每年回收約2.0×107L 柴油。本研究以浙江省某垃圾填埋場為研究對象，對該填埋場2008—2017 年垃圾填埋量概況進行總結，并對2018—2028 年垃圾填埋量進行預測。通過分析垃圾填埋氣產(chǎn)生機理及影響因素，建立產(chǎn)量預估模型，計算垃圾填埋氣產(chǎn)量并預測收集量，提出垃圾填埋氣發(fā)電工藝方案。

2 垃圾填埋量概況及預測

浙江省某垃圾填埋場設計庫容約2.189 48×107m3，截至2018 年，該填埋場發(fā)電機組實際裝機量為4 臺，功率為4 400 kW，理論計算最大裝機容量為9 臺，總功率達9 900 kW（2025 年）。由于垃圾產(chǎn)沼能力的衰減性、垃圾填埋氣收集不穩(wěn)定性及未來該市生活垃圾處置方式的轉(zhuǎn)變（焚燒發(fā)電），因此本方案設計垃圾填埋氣發(fā)電機組最大裝機容量為6 臺，功率為6 600 kW，多余垃圾填埋氣通過火炬燃燒方式排放。2008—2017 年其垃圾年產(chǎn)生量及實際垃圾填埋量見表1。

表1 2008—2017 年浙江省某垃圾填埋場垃圾填埋量

從表1 可知，2008—2010 年該垃圾填埋場垃圾年產(chǎn)生量與實際垃圾填埋總量相同，2011 年后實際垃圾填埋總量小于垃圾年產(chǎn)生量，這是因為2011年后該市引進焚燒發(fā)電設施，處理規(guī)模約1 000 t/d。

未來焚燒發(fā)電將是垃圾處理主導方式。隨著垃圾焚燒發(fā)電方式的推進，預計2028 年該垃圾填埋場庫容將達到飽和。2018—2028 年該垃圾填埋場垃圾年產(chǎn)生量及填埋總量預測見表2。

表2 2018—2028 年浙江省某垃圾填埋場垃圾年產(chǎn)生量與垃圾填埋總量預測

從表2 可知，由于推進垃圾焚燒發(fā)電，因此該填埋場垃圾年產(chǎn)生量預測值與垃圾填埋總量預測值差值愈來愈大。

由于該填埋場服務范圍基本涵蓋整個城市，因此垃圾填埋總量巨大，且填埋垃圾中廚余垃圾較多，有機物含量較高。廚余垃圾中可進行生物降解的成分較高，通過填埋場氣體利用技術，在穩(wěn)定時間內(nèi)垃圾填埋氣產(chǎn)氣速度快。且根據(jù)垃圾成分分析，該填埋場垃圾C/N 約為20/1，處于厭氧微生物的最佳C/N 范圍內(nèi)（20/1～30/1），因此這種垃圾集中處置的方式為垃圾填埋氣利用提供了規(guī)模保障，使垃圾填埋氣利用成為可能。

3 垃圾填埋氣產(chǎn)生機理和影響因素分析

3.1 產(chǎn)生機理

垃圾填埋層中有機物的產(chǎn)氨菌在酸化階段進入活躍狀態(tài)，使氨態(tài)氮濃度提升，進而為產(chǎn)甲烷菌提供了適宜的條件。甲烷菌將酸化階段產(chǎn)氨菌的代謝物分解成以CH4和CO2為主的垃圾填埋氣。隨著時間的增加，氣體中CH4濃度逐漸增加。

垃圾填埋氣的產(chǎn)生主要分為有氧階段、厭氧階段、生成階段和穩(wěn)定階段，歷時20～40 a，隨著氧含量的降低，填埋層逐步進入?yún)捬醐h(huán)境及產(chǎn)沼階段。垃圾填埋氣典型特征：溫度43～49 ℃，相對密度約為1.02～1.06，為飽和水蒸氣，垃圾填埋氣組分見表3。

表3 垃圾填埋氣組分 %

根據(jù)該填埋場一期資料顯示，近5 a 來垃圾填埋氣中CH4含量基本穩(wěn)定在58%左右，考慮2 個填埋場的作業(yè)、填埋期限和封場情況，預測該填埋場二期2019—2024 年垃圾填埋氣中CH4含量為55%，2025 年以后CH4含量為60%。

3.2 影響因素

垃圾填埋氣產(chǎn)生受多種因素影響，該填埋場垃圾成分與整個城市垃圾成分和其他處理方式所處理的規(guī)模有關，且該市一年四季氣候變化明顯。在不同溫度條件下，CH4的產(chǎn)生速率差異很大，一般認為在一個深的、封閉好的環(huán)境中，產(chǎn)生CH4的最適溫度為40 ℃。溫度常受表面因素和大氣條件的影響而變化，產(chǎn)氣速率隨著溫度的降低而減慢。

因此，垃圾成分與氣候等不穩(wěn)定因素使垃圾填埋氣產(chǎn)量波動變化較大，影響垃圾填埋氣產(chǎn)生因素包括垃圾成分、微生物含量、溫度、pH、填埋層含水率、氧氣及重金屬含量等，具體見圖1。

圖1 影響垃圾填埋氣產(chǎn)生的相關因素

4 垃圾填埋氣產(chǎn)量及收集量預測

4.1 垃圾填埋氣產(chǎn)量估算模型

垃圾填埋氣產(chǎn)量受垃圾填埋時間、填埋層含水率、pH 及溫濕度等多種因素影響，但填埋垃圾中的有機物含量是其直接影響因素。因此，無法精準估算垃圾填埋氣產(chǎn)量。目前，國外垃圾填埋氣產(chǎn)量預估模型包括Palos Verdes 模型、美國環(huán)境保護局USEPA 模型、Scholl Canyon 模型、ENGINEERS 公司SCS 模型等［2］。

根據(jù)該填埋場填埋垃圾概況，結合CJJ 133—2009 生活垃圾填埋場填埋氣體收集處理及利用工程技術規(guī)范［3］，使用Scholl Canyon 估算模型，見公式（1）：

式中：Q 表示年垃圾填埋氣產(chǎn)量（m3/a）；Ri為年垃圾填埋量（104t/a）；Ki為某年垃圾填埋氣產(chǎn)生速率常數(shù)；L0i為該填埋場某年垃圾填埋氣產(chǎn)生潛力（m3/t）；ti表示填埋物從填埋到計算時所用時間（a）。

4.2 垃圾填埋氣產(chǎn)量預測

由于在垃圾填埋氣產(chǎn)量預測過程中，垃圾填埋氣產(chǎn)量相對于垃圾填埋量滯后1 a 計算，即2007年填埋垃圾將于2008 年反饋垃圾填埋氣產(chǎn)量，因此將垃圾填埋量及預測值帶入公式（1） 即可估算出每年該填埋場垃圾填埋氣的理論產(chǎn)量。

根據(jù)該填埋場一期工程垃圾填埋氣產(chǎn)量概況，對二期工程垃圾填埋氣產(chǎn)量進行預測。已知垃圾填埋氣的產(chǎn)生速率與有機物的降解特性有關，參照2008—2017 年該填埋場產(chǎn)氣特點，根據(jù)不同時期填埋的垃圾特性，結合垃圾成分對2018—2028年進行預測分析。對公式（1） 中L0和k 進行針對性取值，2011 年前L0和k 分別取140、0.2；2011—2014 年L0和k 分別取120、0.16；2015 年后L0和k 分別取100、0.15［2］。根據(jù)該填埋場實際情況，對2018—2024 年CH4氣含率取0.55、2025—2028 年取0.6；通過查閱該填埋場2008—2017 年垃圾總量信息及垃圾填埋氣收集量信息，帶入Scholl Canyon 模型，垃圾填埋氣理論產(chǎn)量與實際產(chǎn)量誤差較小，證明估算模型可用。基于此模型對2018—2028 年垃圾填埋氣產(chǎn)量進行預測，預測結果見表4。

表4 垃圾填埋氣產(chǎn)量預測

從表4 可知，2020 年填埋年垃圾量Ri將下降，由于垃圾填埋氣理論產(chǎn)量取決于前一年的年垃圾填埋量Ri，因此2021 年垃圾填埋氣理論產(chǎn)生量出現(xiàn)下降，隨后持續(xù)增加至2024 年，2025 年有所下降，2026—2028 年將持續(xù)增加，隨后垃圾填埋氣理論產(chǎn)量將開始下降，CH4含量將與其保持一致，這是因為隨著垃圾填埋時間的增長，垃圾中微生物所需營養(yǎng)物質(zhì)逐漸下降，因此填埋場垃圾產(chǎn)沼能力將在達到峰值后呈下降趨勢。

4.3 垃圾填埋氣收集量預測

由于地形復雜、形狀不規(guī)則等因素的影響，該填埋場在垃圾填埋過程中存在覆蓋不及時、填埋邊緣地帶收集死角、集氣設施有效性差等情況，實際氣體收集量小于垃圾填埋氣產(chǎn)量。影響垃圾填埋氣收集效率的主要因素包括：垃圾覆土方式及覆蓋土特性、垃圾填埋氣收集方式、抽氣井配置深度及范圍、填埋場防滲特性、滲濾液水位及其排導等。根據(jù)該填埋場資料顯示，在2024 年之前氣體收集效率約為60%，2025 年后取70%。根據(jù)2008—2017 年該填埋場填埋量及垃圾填埋氣產(chǎn)量信息，結合表4 垃圾填埋氣產(chǎn)量預測結果，2008—2017 年氣體收集量及2018—2028 年氣體收集量預測結果見圖2。

圖2 2008—2028 垃圾填埋氣收集量及預測

由圖2 可知，該填埋場垃圾填埋氣預測產(chǎn)量與預測收集量于2025 年開始下降。由于垃圾填埋氣產(chǎn)量及收集效率差異，垃圾填埋氣實際收集量及預測收集量均低于實際產(chǎn)量及預測產(chǎn)量。

5 垃圾填埋氣發(fā)電工藝選擇與設計

5.1 垃圾填埋氣焚燒發(fā)電工藝選擇

垃圾填埋氣的處理再利用技術主要有：產(chǎn)生蒸汽、轉(zhuǎn)化成瓦斯燃料、燃燒發(fā)電及直接燃燒等。目前，該填埋場二期運行初期垃圾填埋氣收集量約為2.368×107m3/a，平均收集量約為4.465×107m3/a，高峰期約為5.717×107m3/a。如直接焚燒外排，勢必造成能源浪費，且該市為非采暖區(qū)，故對垃圾填埋氣進行提純并生產(chǎn)蒸汽或管道供氣的方案不適用于該填埋場垃圾填埋氣。由于垃圾填埋氣制瓦斯工藝設備成本高且缺乏市場需求，存在一定安全隱患，同樣不適于該填埋場垃圾填埋氣利用。

垃圾填埋氣焚燒發(fā)電系統(tǒng)不易受外部環(huán)境的制約，獨立性強，僅需對填埋場的填埋工藝和垃圾填埋氣收集系統(tǒng)進行簡單的改造即可實現(xiàn)，是目前我國垃圾填埋氣利用的主要方式。且其能源利用率高，CH4外排不超過總量的3%，回收發(fā)電性價比高?；谠撎盥駡鲆黄诶盥駳夥贌l(fā)電項目在運行管理和產(chǎn)能效益方面積累了成功的經(jīng)驗，因此該填埋場二期產(chǎn)生的垃圾填埋氣繼續(xù)采用焚燒發(fā)電方式加以利用。具體發(fā)電工藝流程見圖3。

圖3 垃圾填埋氣發(fā)電工藝流程示意

5.2 預處理工藝設計

填埋場內(nèi)生活垃圾填埋后快速進入好氧和厭氧發(fā)酵狀態(tài)，填埋物的溫度一般在40～60 ℃，產(chǎn)生的垃圾填埋氣含水量一般為飽和含水量，若垃圾填埋氣直接進入發(fā)電機組，水汽易引起發(fā)電機組缸體侵蝕。因此需增設垃圾填埋氣脫水裝置從而延長發(fā)電機組使用壽命。

首先，從抽氣井抽出的垃圾填埋氣經(jīng)壓力變送器進入冷凝水罐，接著再進入初級過濾器。由于發(fā)電機組對氣量的要求一般不能長時間低于飽和需氣量的90%，否則影響發(fā)電機組的壽命，因此需要將過濾后的垃圾填埋氣再進入液氣分離器，在液氣分離器中垃圾填埋氣被降溫至20 ℃，確保除水率不低于95%，將冷凝水從分離器底部排出。脫水后的垃圾填埋氣經(jīng)羅茨風機增壓輸出，增壓后的垃圾填埋氣由于溫度增加，需經(jīng)過風冷散熱器進行冷卻。冷卻后通過脫硫罐及精密過濾器，使垃圾填埋氣粉塵粒徑達到發(fā)電機組要求。

垃圾填埋氣產(chǎn)生過程存在諸多不確定因素，夏季氣溫高時垃圾填埋氣產(chǎn)量可達冬季時的1.0～1.2 倍。因此，垃圾填埋氣預處理系統(tǒng)處理量按每小時需處理量的1.2 倍配備。該填埋場垃圾填埋氣預處理系統(tǒng)單套設計規(guī)模為1 500～3 000 m3/h，共設計3 套。

5.3 發(fā)電系統(tǒng)設計

隨著填埋場一期填埋年限的增加，其產(chǎn)沼能力會越來越低，在填埋場一期產(chǎn)沼量不能滿足發(fā)電要求的情況下，可利用二期產(chǎn)生的垃圾填埋氣。垃圾填埋氣發(fā)電規(guī)模在2025 年預計達到6 600 kW/h。該填埋場二期發(fā)電設備初期建設2 臺1 100 kW 發(fā)電機組，本方案遠期建設預計需要6 臺。

當日填埋垃圾大于1 000 t 時，燃氣發(fā)電機組功率應在1 MW 以上。但目前我國可用于垃圾填埋氣發(fā)電的燃氣發(fā)電機組的單臺裝機容量均小于800 kW，效率較低，且抗腐蝕性差。因此，發(fā)電機組設備選擇世界上填埋氣體發(fā)電設備的主要3 個品牌：Caterpillar、Deutz 和GE/Jenbacher。Caterpillar 由柴油發(fā)電機組改造而來，發(fā)電效率為39.6%，發(fā)電效率相對較低，在我國有代理機構。Jenbacher 發(fā)電效率為40.5%，其同類機組價格較高，無售后服務，在我國無代理公司，備品備件供應困難，雖性能較好，但維修費也高。Deutz 機組采用高壓機方案，從柴油發(fā)電機改造而來，但火花塞更換頻繁，不能適應復雜垃圾填埋氣成分變化，且存在抖動、運行不穩(wěn)定等缺點［4］。

鑒于一期垃圾填埋氣發(fā)電項目使用的發(fā)電機組為Caterpillar，近10 a 的運行經(jīng)驗表明Caterpillar 性能較為穩(wěn)定，比較適合該市填埋場產(chǎn)沼特性，故該填埋場二期發(fā)電機組選用Caterpillar G3516LE 1 100 kW 機型。

結合圖2 垃圾填埋氣收集量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計2008—2017 年該填埋場機組垃圾填埋氣發(fā)電能力及理論發(fā)電機組數(shù)量和實際機組數(shù)量，見表5。

表5 2008—2017 年垃圾填埋氣發(fā)電能力、理論發(fā)電機組和實際機組數(shù)量

從表5 發(fā)現(xiàn)，實際發(fā)電機組數(shù)量均低于理論發(fā)電機組數(shù)量，這是由于垃圾填埋氣產(chǎn)生受多種因素的影響，與垃圾成分及氣候等因素也密切相關，因此垃圾填埋氣產(chǎn)量波動較大。且隨著填埋時間的增加，垃圾產(chǎn)沼能力逐漸下降，屆時該市填埋場一期垃圾填埋氣產(chǎn)量將無法滿足其發(fā)電機組沼氣需求，填埋場二期未來可以利用一期發(fā)電設備，故填埋場二期實際發(fā)電機組數(shù)量低于理論發(fā)電機組數(shù)量。

基于2017 年該填埋場發(fā)電狀況，對該填埋場二期2018—2028 年垃圾填埋氣發(fā)電能力進行預測，并計算理論裝機容量，詳細數(shù)據(jù)見表6?？紤]填埋場一期發(fā)電機組由于其垃圾填埋氣產(chǎn)量下降造成設備冗余，填埋場二期實際發(fā)電機組數(shù)量預計最終安裝6 臺，功率達6 600 kW，即基于2018年基礎上增加2 臺。

表6 2018—2028 年垃圾填埋氣發(fā)電能力預測及理論發(fā)電機組數(shù)量

本項目建設初期發(fā)電機組安裝數(shù)量為2 臺，由于垃圾產(chǎn)沼具有衰減性、垃圾填埋氣收集的不穩(wěn)定性及該市未來垃圾處理逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉贌l(fā)電，所以垃圾中的有機物含量逐漸降低，填埋場產(chǎn)沼能力下降。同時，考慮發(fā)電機組設備檢修周期、未來垃圾填埋氣利用技術不斷革新，故雖然2025 年理論計算最大裝機容量為9 臺，但基于實際情況及成本分析，本方案設計最大裝機容量按6 600 kW發(fā)電機組考慮，最終各階段安裝計劃應根據(jù)實際產(chǎn)氣量考慮，垃圾填埋氣發(fā)電機組實體見圖4。

圖4 垃圾填埋氣發(fā)電機組實體

5.4 燃燒火炬系統(tǒng)設計

火炬燃燒系統(tǒng)是防止污染環(huán)境和保證垃圾填埋場安全生產(chǎn)的必備安全系統(tǒng)，當發(fā)電機組進行檢修或發(fā)生故障無法全部消耗垃圾填埋氣時，將對多余垃圾填埋氣進行燃燒放空。

考慮到垃圾填埋氣產(chǎn)量和發(fā)電機組安裝數(shù)量隨著年限不同而變化，因此火炬燃燒的設計規(guī)模應具有一定范圍的適應性，并能滿足近、遠期的需求。本方案火炬燃燒的最大設計規(guī)模按收集氣量的1.5～2.0 倍考慮，設計火炬1 臺，型號WFKR—100，燃燒系統(tǒng)規(guī)模為1 500～3 000 m3/h，火炬類型為地面筒式，進行落地安裝，帶防雨罩。設計火炬具體參數(shù)見表7。

表7 火炬性能參數(shù)

由表7 可知，火炬具體結構采用雙層隔熱筒結構，內(nèi)層為耐熱合金鋼，中間夾層為無機隔熱纖維棉，安設窺視孔?；鹁嫱脖倔w由混凝土基礎固定，內(nèi)置引射式旋流燃燒器、點火電極、火焰探頭、多點火焰與煙溫探頭。具有燃氣安保與自動控制與計量功能。采用PLC 程控點火，根據(jù)負荷自動調(diào)節(jié)。具備潔凈燃燒功能，可根據(jù)燃氣流量控制二次配風，形成高溫燃燒，全程實現(xiàn)全自動無人值守。

6 結論

1） 通過分析浙江省某填埋場垃圾填埋氣產(chǎn)生機理，預測該填埋場二期2019—2024 年垃圾填埋氣中CH4含量為55%，2025 年以后CH4含量為60%。

2） 采用Scholl Canyon 產(chǎn)量估算模型對2008—2028 垃圾填埋氣產(chǎn)量進行驗證與預測。結合填埋場具體情況，對垃圾填埋氣收集量進行預測分析，發(fā)現(xiàn)該填埋場垃圾填埋氣預測產(chǎn)量與預測收集量于2025 年開始下降。

3） 對該填埋場二期工程垃圾填埋氣發(fā)電工藝進行設計，具體包括垃圾填埋氣預處理設計、發(fā)電系統(tǒng)設計及燃燒火炬設計。結果表明預處理系統(tǒng)需設置3 套，每套設計規(guī)模為1 500～3 000 m3/h；需要增加2 臺Caterpillar G3516LE 1 100 kW 機型發(fā)電機組；同時根據(jù)垃圾填埋氣產(chǎn)量，設計一套工作流量范圍為1 500～3 000 m3/h 的垃圾填埋氣燃燒火炬系統(tǒng)，使CH4燃盡率超過98.5%，NOx排放小于718.75 mg/m3，SO2排放小于571.43 mg/m3，以達到排放標準。