垃圾填埋場沼氣精制項目的技術經濟分析——以太原市侯村城市生活垃圾衛生填埋場為例

韓正平，勾冬梅，靳俊平，王 穎，曲偉國

（中國市政工程華北設計研究總院，天津 300074）

垃圾填埋沼氣是垃圾填埋層中的有機物質經厭氧分解后生成的，其主要成分是甲烷和二氧化碳，并有少量的氮氣、硫化氫、一氧化碳、氧氣、氫氣。具有較高能源利用價值的同時，還具有較大的危害性。因此，筆者以太原市侯村城市生活垃圾衛生填埋場沼氣精制燃氣項目為例進行分析。

1 填埋場沼氣回收利用的必要性及意義

大量沼氣如果直接排到大氣環境中，勢必對環境造成惡劣的環境影響。隨著市民環保意識的不斷提高，填埋場沼氣產生的臭氣往往造成填埋場和周圍居民的沖突，對整個填埋場社會環境產生很大的不穩定因素，不利于構建和諧社會。且沼氣屬于生物質能，即清潔能源。假如這些能源不加以收集利用，直接外排，就會造成能源浪費，與現代新能源政策不符。采用先進技術開展垃圾填埋氣體的收集利用，不但可以有效避免因無序遷移和排放帶來的危害，而且可以化害為利，將污染環境的氣體作為可再生資源轉化成清潔能源，并對遏制地球氣候變暖的趨勢作出重要貢獻。

2 沼氣利用方式的比選

沼氣利用方式的比較見表1［1］。

通過對沼氣利用方案論證，推薦沼氣精制后外賣的方案。主要分析如下：

1）沼氣精制系統的獨立性強，不易受外部環境的制約；沼氣預處理和精制的設備和工藝技術比較成熟，基本為模塊化設計，設備形式為撬裝一體式。

表1 沼氣利用方式的比較

2）對填埋場的影響面小，只需對填埋場的填埋工藝和沼氣收集系統進行簡單的改造就可以實現，易于實施。

3）能源利用效率高，并能大大減少溫室氣體甲烷的排放，且環境風險小。

4）回收精制的性價比較高，單位處理成本1.69元/m3，單位處理經營成本1.42元/m3，投資風險小。

5）填埋作業科學、合理，能夠保證填埋堆體厭氧產沼條件。

6）既有大量的沼氣氣源，又有較多沼氣精制的成功經驗。

3 工藝設計方案

本項目是利用城市生活垃圾填埋場產生的填埋氣體作為原料氣，原料氣經站外管線進入精制壓縮站，通過羅茨風機送至干法脫硫塔脫硫，羅茨風機將填埋氣體增壓至2～10 kPa，再經由沼氣壓縮機升壓至0.3 MPa。之后混合氣體經過氣液分離器進行氣液分離，然后再經精脫硫塔進行二次脫硫。脫硫后的混合氣體進入PSA裝置脫去所含CO2，再進入干燥裝置脫水，通過分離緩沖裝置迸入天然氣壓縮機增壓至21 MPa。精制燃氣通過2組每組容量144×80 L的沼氣瓶組緩沖或直接給通過加氣柱，給拖車加氣，精制壓縮甲烷氣再由拖車運輸到天然氣公司或加氣站。

該項目原料氣設計提純能力：30 000 m3/d（1 250 m3/h）。

精制壓縮甲烷氣產品質量：達到或超過現行GB 17820—2012天然氣中規定的二類氣質標準。

4 脫碳工藝介紹

脫碳是生產工藝中最主要的工序。常規脫碳有干法和濕法。干法有變壓吸附法（PSA）、變溫吸附法（TSA）。濕法分物理吸收和化學吸收法。物理吸收有高壓水洗法、低溫甲醇法、碳酸丙烯酯法（Fluor）、NHD（Selexol）法等；化學吸收以氨基醇胺作為吸收劑。

變壓吸附脫碳工藝過程之所以得以實現是由于吸附劑在這種物理吸附中所具有的2個性質：一是對不同組分的吸附能力不同，二是吸附質在吸附劑上的吸附容量隨吸附質的分壓上升而增加，隨吸附溫度的上升而下降。利用吸附劑的第一個性質，可實現對含二氧化碳源中雜質組分的優先吸附而使其他組分得以提純；利用吸附劑的第二個性質，可實現吸附劑在低溫、高壓下吸附而在高溫、低壓下解吸再生，從而構成吸附劑的吸附與再生循環，達到連續分離提純甲烷的目的。變壓吸附脫碳提純甲烷工藝見圖1。

變壓吸附的優點：操作簡單，操作人員少，壓力選擇范圍寬，動力消耗低；主要設備少，材料可用碳鋼制造，所有設備均可國產化，因此投資少維護費用低，甲烷收率90%以上。

經過對項目投資、能耗、經濟性等方面的比較，變壓吸附工藝具有氣體產品質量高、無化學劑使用、無工藝水要求、無廢水和廢氣的細菌性污染、部分去除O2和N2、靈活性和持久性、投資成本經濟等特點。因此，本項目的脫碳工藝采用變壓吸附工藝（PSA）。

5 沼氣燃燒火炬系統

由于沼氣產生量具有不穩定性，火炬燃燒系統的燃燒量應以最不利條件作為設計基準，且燃燒的填埋氣體量主要為沼氣精制設施不能消納的填埋氣體以及精制設備停止工作狀態時所有的填埋氣體量。目前火炬燃燒系統設計規模為1 500～3 000 m3/h，設置在垃圾場中部。

6 經濟分析

6.1 投資估算

本項目主要建設管理用房及車庫、循環水泵房及水池、站房、沼氣處理間、儲氣瓶、加氣柱、氣體收集系統以及總圖。工程投資估算以設計方案為依據，結合當地實際情況進行編制。

工程總投資為2 090.80萬元。其中：工程費用1 668.42萬元，工程建設其他費用189.34萬元，基本預備費185.78萬元，建設期利息34.74萬元，鋪底流動資金12.52萬元。

6.2 成本分析

本工程經濟分析，依照國家計委、建設部2006年發布的《建設項目經濟評價方法與參數》（第3版）的規定和要求，按照我國現行的稅法制度和有關行業標準進行評價，其價格和數量見表2。

表2 本工程經濟分析基礎數據

根據行業常規的成本計算方法，估算該項目的生產運行費用。

1）動力費：動力價=耗電量×動力單價。

2）原材料：投入材料量×材料單價。

3）職工工資福利費：設計定員×年工資福利總額。

4）固定資產基本折舊費：固定資產原值×6.4%。

5）固定資產大修理費：固定資產原值×3.00%。

6）管理及其他費用：按以上各項費用之和的10%計算。

7）財務費用：為貸款部分每年所支付的流動資金中貸款部分每年所支付的利息。

經測算，年總成本費用為823.77萬元。年經營成本費用689.86萬元，單位處理成本1.69元/m3，單位處理經營成本1.42元/m3。

6.3 效益分析

本工程屬城市基礎設施工程，為公共事業性項目。本著保本運行、有一定利潤的原則，合理收費是保證項目正常運行的必要條件。按照當地情況，結合本工程成本計算，考慮到本項目主要為城市環保為主，故其收費價格按2.2元/m3執行，燃氣銷售量為4 870 800 m3。

根據計算，年收入為1 071.58萬元，年營業稅及附加估算值為58.94萬元。所得稅按規定取利潤總額的25%計取，年凈利潤為141.60萬元。

經計算財務評價指標見表3。

表3 本工程財務評價指標

由表3可見，本項目財務內部收益率的標準高于8%的基準收益率。企業盈利能力為行業規定的較好水平。財務凈現值大于零，該項目在財務上是可以接受的。投資回收期（含1 a建設期）在行業是較好的標準，說明該項目能在壽命期內收回投資。該項目的財務狀況和自身效益良好，具有一定的抗風險性。

7 結論

1）太原填埋場沼氣精制提純工程，符合國家垃圾處理技術政策。

2）氣體收集系統工藝先進、可靠，對正常填埋作業影響較小，達到減少沼氣的泄漏和無規則遷移以及臭味擴散的目的，具有較好的環境效益。

3）采用先進的沼氣精制技術，確保高效率和高標準。

4）本工程同時具有一定的經濟效益。

［1］王里奧，王敏，王赟.垃圾填埋場沼氣控制與利用的方案評選法［J］.重慶大學學報，2001，24（1）：122-125.