生活垃圾填埋廠氣體發(fā)電及CDM應用研究

文 李軍 嚴圣軍 陳竹 王占磊 江蘇天楹賽特環(huán)保能源集團有限公司

填埋技術作為生活垃圾的一種處理方法，目前仍然是我國處置生活垃圾的主要方式。傳統(tǒng)的填埋場存在以下幾個缺點：滲瀝液水質(zhì)、水量波動較大，滲瀝液污染強度高，二次污染嚴重、產(chǎn)氣期滯后且歷時較長，資源化率低等。隨著生物技術的不斷進步和完善以及人們能源與環(huán)境意識的加強，世界垃圾填埋技術已從傳統(tǒng)的以貯留垃圾為主向多功能方向發(fā)展，即一個垃圾填埋場應同時具有貯留垃圾、隔斷污染、生物降解和資源利用及恢復等多個功能。

垃圾填埋后所產(chǎn)生的CO2和CH4，不僅會造成常規(guī)污染，還可能帶來溫室效應，甚至產(chǎn)生火災、爆炸的危險。2006年，國家發(fā)展改革委發(fā)布《可再生能源發(fā)電價格和費用分攤管理試行辦法》，規(guī)定垃圾焚燒和填埋氣發(fā)電的上網(wǎng)電價由標桿上網(wǎng)電價加補貼電價組成，發(fā)電項目自投產(chǎn)之日起，15年內(nèi)享受補貼電價。在全球石油價格飛漲的情況下，通過將生活垃圾填埋產(chǎn)生的甲烷氣體發(fā)電，實現(xiàn)城市生活垃圾資源充分利用和減少環(huán)境污染的目標，達到節(jié)能減排、減少安全隱患和環(huán)境保護的目的。

填埋氣發(fā)電屬于“國家鼓勵的資源綜合利用”和“再生能源發(fā)電”項目，有可能獲得CDM收益。

1 垃圾填埋氣成分及熱值預測

填埋氣體是城市生活垃圾在填埋堆體中降解產(chǎn)生的混合氣體。在垃圾填埋的最初幾周，垃圾堆體中的氧氣被好氧微生物消耗掉，形成了厭氧環(huán)境。垃圾中的有機物在厭氧微生物分解作用下產(chǎn)生了以CH4和CO2為主，并含有少量N2、H2S、NH3、VOCs、CFCs、乙醛等的氣體，典型成分如表1所示。

表1 填埋氣體的典型成分

填埋氣是一種寶貴的清潔能源，通常低位熱值在17～23.9MJ/m3之間。圖1為填埋氣體與其它燃料發(fā)熱量的比較。可以看出，每升填埋氣體中所含的能量大約相當于0.45升柴油、0.6升汽油的能量，其凈化處理后是一種較理想的氣體燃料。

圖1 填埋氣體與其他燃料發(fā)熱量的比較

2 填埋氣產(chǎn)氣量和收集量的預測

垃圾填埋場里發(fā)生著一系列復雜的物理、化學及生物反應，這些反應持續(xù)時間很長，一般要幾十年甚至上百年。研究表明，盡管這些反應既龐雜而又漫長，但是垃圾填埋降解過程大致可以分為5個階段，即初期調(diào)整階段；過渡階段；酸化階段；CH4發(fā)酵階段及成熟階段。

由于填埋氣中可利用成分是CH4，所以在對填埋氣產(chǎn)氣量的理論估算方面，主要計算其中CH4的產(chǎn)量。

2.1 填埋氣體預測模型的選擇

由于填埋氣體產(chǎn)生過程復雜及影響因素較多，精確計算出填埋氣體的產(chǎn)生速率和產(chǎn)氣量比較困難。研究填埋場氣體的產(chǎn)生量、產(chǎn)生速率和壓力分布等基本參數(shù)，是控制填埋場氣體無組織釋放，進行回收利用的關鍵。填埋氣的預測模型有很多，簡單的有IPCC模型、Palos Verdes模型、Scholl Canyon模型、美國EPA模型等，復雜的有Marticorena模型、E1-Fadel的動力學模型等。國內(nèi)應用較多的是美國EPA模型模型，該模型估算克服了現(xiàn)場抽氣的時間限制，能預測未來多年的填埋氣產(chǎn)生情況，應用簡單易行。

對填埋氣體產(chǎn)量預測推薦采用美國EPA的一級降解模型，即：

式中：LFG為填埋垃圾產(chǎn)生的甲烷量（m3/y）；i為垃圾填埋的年數(shù)；Ri為在第i年所填埋的垃圾量（t）；Qi為垃圾Ri在當前年所產(chǎn)生的甲烷量（m3/y）；L0為甲烷產(chǎn)生勢（m3/t垃圾）；k為甲烷產(chǎn)生率常數(shù)（1/y）；t為填埋垃圾的年至第i年的時間（y）；n為垃圾填埋場的運營年數(shù)（y）。

2.2 填埋氣體產(chǎn)量及收集量預測結(jié)果

填埋氣發(fā)電規(guī)模確定的原則是：依據(jù)填埋場的垃圾總庫容、現(xiàn)有的垃圾量、垃圾日均處理量進行總體規(guī)劃，分步實施，依據(jù)填埋氣體的產(chǎn)氣量及收集率確定發(fā)電機組，以氣定電，保持適度的彈性，確保機組投入發(fā)電。本文以青島某固廢綜合處置場垃圾填埋場為例（垃圾日進廠量3000t），根據(jù)甲烷的收集量，綜合考慮甲烷熱值、發(fā)電機功率、每年發(fā)電時間等因素，年發(fā)電按8000h、自用電及線損按10%考慮，計算實際裝機容量、實際發(fā)電量、上網(wǎng)電量詳見表2。

由表2可知，產(chǎn)氣量在2012年達到最大值，因此項目最大理論總裝機容量為4000kW。考慮到影響填埋氣體收集的因素很多，本著保守原則，依據(jù)總裝機容量和市場上現(xiàn)有發(fā)電機型號，選用4臺單機裝機容量為1000kW的燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組。

表2 青島某固廢綜合處置場垃圾填埋氣體產(chǎn)量及發(fā)電量

3 填埋產(chǎn)氣體的資源化利用

3.1 各級利用方式

填埋氣體是一種可持續(xù)產(chǎn)生的重要資源，即可再生能源。填埋氣體的利用方法取決于其處理程序，不同的處理程序可以得到三類不同產(chǎn)品：低級填埋氣體燃料、中級填埋氣體燃料、高級填埋氣體燃料以及副產(chǎn)品。填埋氣體各級利用方式見圖2。

3.2 填埋氣發(fā)電機組類型

通過燃氣內(nèi)燃發(fā)電機將填埋氣有效組分的化學能轉(zhuǎn)化為電能，該技術較為成熟，是目前國內(nèi)外利用填埋氣的主要方式。具有成本低，所發(fā)電力可以并網(wǎng)輸送，不受用戶的限制。我國的廣州、上海、杭州、蘇州和濟南都已經(jīng)建成并運行了填埋場發(fā)電設施、運行狀況良好。

表3給出了國內(nèi)外燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組設備及業(yè)績。根據(jù)國內(nèi)填埋場填埋氣發(fā)電專業(yè)運營商提供的經(jīng)驗，當填埋場日處理垃圾在1000t以上時，選用的燃氣發(fā)電機組應在1000kW及以上。由于國內(nèi)可用于填埋氣發(fā)電的燃氣發(fā)電機組的單臺裝機容量多在800kW以下，且發(fā)電機組的穩(wěn)定性能差，使用壽命、日常維護、維修時間較國外發(fā)電機組設備短。表3僅列出了所推薦選用的國外發(fā)電機組設備。

表3 燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組設備一覽表

4 清潔發(fā)展機制與城市垃圾填埋發(fā)電項目

4.1 清潔發(fā)展機制

清潔發(fā)展機制（簡稱CDM），是《京都議定書》中引入的靈活履約機制之一。目的是協(xié)助發(fā)展中國家締約方實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，并幫助發(fā)達國家締約方實現(xiàn)其量化限制和減少溫室氣體排放的承諾。核心是允許發(fā)達國家通過與發(fā)展中國家進行項目級的合作，投入資金、技術，幫助其減少溫室氣體排量，獲得由此產(chǎn)生的“核證的溫室氣體減排量”。CDM的單位是將排放物對大氣溫室效應的影響折算成CO2對大氣溫室效應的影響來計量的。《清潔發(fā)展機制項目運行管理辦法》是我國境內(nèi)開發(fā)、運行、管理CDM項目的基本法律依據(jù)之一。規(guī)定“在中國開發(fā)清潔發(fā)展機制項目的重點領域是以提高能源效率、開發(fā)利用新能源和可再生能源以及回收利用CH4和煤層氣為主”。作為一種虛擬經(jīng)濟，CDM的交易價格容易受到政治因素和宏觀經(jīng)濟情況的影響。預計二氧化碳的價格到2020年將上漲到20～80美元，價格將取決于經(jīng)濟增長速度，能源價格，能效以及其他措施。

4.2 國內(nèi)運用實例

（1）福州紅廟嶺是福建省第一個垃圾填埋氣發(fā)電項目，是該領域第一個成功申請聯(lián)合國CDM的項目。

（2）南京轎子山垃圾處理場預期利用垃圾填埋產(chǎn)生的沼氣燃燒形成供熱，由英國CAMCO公司預付了35萬歐元購買5萬噸二氧化碳的減排指標，用來支持垃圾供熱項目的建設。

（3）2009年12月，保定市垃圾填埋場，保定市垃圾填埋場沼氣治理與循環(huán)利用項目通過國家發(fā)展改革委CDM項目審批。

5 結(jié)論

垃圾填埋氣是一種較理想的氣體燃料和一種寶貴的清潔能源。根據(jù)美國EPA的一級降解模型，青島某固廢綜合處置場產(chǎn)氣規(guī)律及發(fā)展機組的配置與選型可以給國內(nèi)在建垃圾填埋場提供參考。同時，國內(nèi)的垃圾填埋場也可以根據(jù)自身的情況，通過潔凈發(fā)展機制，爭取最大的經(jīng)濟利益。