浙江省某垃圾填埋場填埋氣產量預測及發電工藝方案設計

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，產生的垃圾填埋氣在填埋區域地層中遷移，最后進入大氣環境，如果不加以控制，將會產生一系列危害，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境質量等。

但垃圾填埋氣同時也具有較高的能源利用價值，煤氣的發熱量為6 744 kJ/m3，而當垃圾填埋氣中CH4成分約為54%時，其發熱量高達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、內燃機發電、甲醇及CO2制備等。通過對2008—2017 年浙江省某垃圾填埋場產生的垃圾填埋氣進行產量評估，得知在填埋服務年限范圍內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生機理及影響因素，建立產量預估模型，計算垃圾填埋氣產量并預測收集量，提出垃圾填埋氣發電工藝方案。

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）。由于垃圾產沼能力的衰減性、垃圾填埋氣收集不穩定性及未來該市生活垃圾處置方式的轉變（焚燒發電），因此本方案設計垃圾填埋氣發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生量，這是因為2011年后該市引進焚燒發電設施，處理規模約1 000 t/d。

未來焚燒發電將是垃圾處理主導方式。隨著垃圾焚燒發電方式的推進，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電，因此該填埋場垃圾年產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，在穩定時間內垃圾填埋氣產氣速度快。且根據垃圾成分分析，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（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模保障，使垃圾填埋氣利用成為可能。

3 垃圾填埋氣產生機理和影響因素分析

3.1 產生機理

垃圾填埋層中有機物的產氨菌在酸化階段進入活躍狀態，使氨態氮濃度提升，進而為產甲烷菌提供了適宜的條件。甲烷菌將酸化階段產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。

垃圾填埋氣的產生主要分為有氧階段、厭氧階段、生成階段和穩定階段，歷時20～40 a，隨著氧含量的降低，填埋層逐步進入厭氧環境及產沼階段。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含量基本穩定在58%左右，考慮2 個填埋場的作業、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的產生速率差異很大，一般認為在一個深的、封閉好的環境中，產生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定因素使垃圾填埋氣產量波動變化較大，影響垃圾填埋氣產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 影響垃圾填埋氣產生的相關因素

4 垃圾填埋氣產量及收集量預測

4.1 垃圾填埋氣產量估算模型

垃圾填埋氣產量受垃圾填埋時間、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量。目前，國外垃圾填埋氣產量預估模型包括Palos Verdes 模型、美國環境保護局USEPA 模型、Scholl Canyon 模型、ENGINEERS 公司SCS 模型等［2］。

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

4.2 垃圾填埋氣產量預測

由于在垃圾填埋氣產量預測過程中，垃圾填埋氣產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量。

根據該填埋場一期工程垃圾填埋氣產量概況，對二期工程垃圾填埋氣產量進行預測。已知垃圾填埋氣的產生速率與有機物的降解特性有關，參照2008—2017 年該填埋場產氣特點，根據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，垃圾填埋氣理論產量與實際產量誤差較小，證明估算模型可用。基于此模型對2018—2028 年垃圾填埋氣產量進行預測，預測結果見表4。

表4 垃圾填埋氣產量預測

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生量出現下降，隨后持續增加至2024 年，2025 年有所下降，2026—2028 年將持續增加，隨后垃圾填埋氣理論產量將開始下降，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物質逐漸下降，因此填埋場垃圾產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2008—2017 年該填埋場填埋量及垃圾填埋氣產量信息，結合表4 垃圾填埋氣產量預測結果，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量與預測收集量于2025 年開始下降。由于垃圾填埋氣產量及收集效率差異，垃圾填埋氣實際收集量及預測收集量均低于實際產量及預測產量。

5 垃圾填埋氣發電工藝選擇與設計

5.1 垃圾填埋氣焚燒發電工藝選擇

垃圾填埋氣的處理再利用技術主要有：產生蒸汽、轉化成瓦斯燃料、燃燒發電及直接燃燒等。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，故對垃圾填埋氣進行提純并生產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。

垃圾填埋氣焚燒發電系統不易受外部環境的制約，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進行簡單的改造即可實現，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%，回收發電性價比高。基于該填埋場一期垃圾填埋氣焚燒發電項目在運行管理和產能效益方面積累了成功的經驗，因此該填埋場二期產生的垃圾填埋氣繼續采用焚燒發電方式加以利用。具體發電工藝流程見圖3。

圖3 垃圾填埋氣發電工藝流程示意

5.2 預處理工藝設計

填埋場內生活垃圾填埋后快速進入好氧和厭氧發酵狀態，填埋物的溫度一般在40～60 ℃，產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電機組，水汽易引起發電機組缸體侵蝕。因此需增設垃圾填埋氣脫水裝置從而延長發電機組使用壽命。

首先，從抽氣井抽出的垃圾填埋氣經壓力變送器進入冷凝水罐，接著再進入初級過濾器。由于發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電機組要求。

垃圾填埋氣產生過程存在諸多不確定因素，夏季氣溫高時垃圾填埋氣產量可達冬季時的1.0～1.2 倍。因此，垃圾填埋氣預處理系統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單套設計規模為1 500～3 000 m3/h，共設計3 套。

5.3 發電系統設計

隨著填埋場一期填埋年限的增加，其產沼能力會越來越低，在填埋場一期產沼量不能滿足發電要求的情況下，可利用二期產生的垃圾填埋氣。垃圾填埋氣發電規模在2025 年預計達到6 600 kW/h。該填埋場二期發電設備初期建設2 臺1 100 kW 發電機組，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電的燃氣發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，發電機組設備選擇世界上填埋氣體發電設備的主要3 個品牌：Caterpillar、Deutz 和GE/Jenbacher。Caterpillar 由柴油發電機組改造而來，發電效率為39.6%，發電效率相對較低，在我國有代理機構。Jenbacher 發電效率為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、運行不穩定等缺點［4］。

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

結合圖2 垃圾填埋氣收集量數據，統計2008—2017 年該填埋場機組垃圾填埋氣發電能力及理論發電機組數量和實際機組數量，見表5。

表5 2008—2017 年垃圾填埋氣發電能力、理論發電機組和實際機組數量

從表5 發現，實際發電機組數量均低于理論發電機組數量，這是由于垃圾填埋氣產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，因此垃圾填埋氣產量波動較大。且隨著填埋時間的增加，垃圾產沼能力逐漸下降，屆時該市填埋場一期垃圾填埋氣產量將無法滿足其發電機組沼氣需求，填埋場二期未來可以利用一期發電設備，故填埋場二期實際發電機組數量低于理論發電機組數量。

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

表6 2018—2028 年垃圾填埋氣發電能力預測及理論發電機組數量

本項目建設初期發電機組安裝數量為2 臺，由于垃圾產沼具有衰減性、垃圾填埋氣收集的不穩定性及該市未來垃圾處理逐步轉變為焚燒發電，所以垃圾中的有機物含量逐漸降低，填埋場產沼能力下降。同時，考慮發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發電機組考慮，最終各階段安裝計劃應根據實際產氣量考慮，垃圾填埋氣發電機組實體見圖4。

圖4 垃圾填埋氣發電機組實體

5.4 燃燒火炬系統設計

火炬燃燒系統是防止污染環境和保證垃圾填埋場安全生產的必備安全系統，當發電機組進行檢修或發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量和發電機組安裝數量隨著年限不同而變化，因此火炬燃燒的設計規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，燃燒系統規模為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。設計火炬具體參數見表7。

表7 火炬性能參數

由表7 可知，火炬具體結構采用雙層隔熱筒結構，內層為耐熱合金鋼，中間夾層為無機隔熱纖維棉，安設窺視孔。火炬筒本體由混凝土基礎固定，內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，根據負荷自動調節。具備潔凈燃燒功能，可根據燃氣流量控制二次配風，形成高溫燃燒，全程實現全自動無人值守。

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 產量估算模型對2008—2028 垃圾填埋氣產量進行驗證與預測。結合填埋場具體情況，對垃圾填埋氣收集量進行預測分析，發現該填埋場垃圾填埋氣預測產量與預測收集量于2025 年開始下降。

3） 對該填埋場二期工程垃圾填埋氣發電工藝進行設計，具體包括垃圾填埋氣預處理設計、發電系統設計及燃燒火炬設計。結果表明預處理系統需設置3 套，每套設計規模為1 500～3 000 m3/h；需要增加2 臺Caterpillar G3516LE 1 100 kW 機型發電機組；同時根據垃圾填埋氣產量，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，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。