垃圾填埋氣體發電技術的開發與應用

王候閩

（泉州市環境衛生管理處， 福建 泉州 362000）

引言

垃圾填埋是我國城市解決生活垃圾的主要方法之一，室仔前生活垃圾填場是福建省第一座采用HDPE 膜防滲技術的無害化生活垃圾衛生填埋場，于2001 年11 月建成投用，是典型的山谷型填埋場，占地面積約383 畝，總庫容量為390 萬m3，目前已填埋處理400 萬t 左右的城市生活垃圾，約占用庫容370 萬m3，其中最大的填埋深度達45 m。按照《生活垃圾衛生填埋技術規范》（CJJ17—2004），填埋場采用標準的HDPE 膜覆蓋、雨污分流、調節池覆蓋，滲濾液處理系統、庫區排水處理系統和導排氣系統。

2015 年至2019 年期間，泉州室仔前生活垃圾填場每天平均處理中心城區的垃圾約1 400 t，填埋氣體的產生量很大，實施填埋氣體的成功回收和利用，不僅能解決填埋場的安全隱患，也能使垃圾得到資源綜合利用。填埋氣體發電屬于朝陽行業，填埋場生物質發電實現垃圾由單一的無害化處理向資源回收利用固廢資源的轉變，真正實現了變廢為寶。

1 填埋氣體

填埋氣體發電廠是以垃圾填埋場的填埋氣體為原料。填埋氣體產生于填埋場的垃圾填埋過程，是垃圾中可以生物降解的有機物在降解過程中產生的一種副產品。垃圾填埋氣體的主要成分是甲烷（CH4）占30%～55%，二氧化碳（CO2）占30%～45%。在垃圾填埋場內，有機物的降解可分為好氧與厭氣兩種過程，在垃圾填埋期間，初始數用氧氣耗盡，厭氧階段就開始，可持續長達10～20 年。據資料記載，垃圾填埋場的1 t 垃圾全部發酵后，產生填埋氣體可達200～400 m3[1]。

2 項目概況

泉州市室仔前填埋場填埋氣體發電項目（圖1）于2017 年11 月實施公開競價拍賣售氣，由河南百川暢銀環保能源股份有限公司以填埋氣5 年資源使用費452 萬元獲得項目建設運營權。項目全部由企業投資、建設、運行，建設有導氣管的安裝、負壓收集系統、發電系統，電力并網系統，實現填埋氣上網售電。填埋氣體項目于2017 年12 月動工，建設四臺1 000 kW 的燃氣發電機組，前期氣體收集系統中建設有填埋氣豎井74 口、PE 管道1 410 M，此項目經福建省工業和信息化廳確認并網運行后，于2018 年11 月20 日正式并網售電，滿負荷三臺機組時日處理填埋氣4.2 萬m3左右，正常年發電量可達1 615 萬kWh[2]。

圖1 泉州市室仔前填埋場填埋氣體發電項目地理位置航拍圖

3 填埋氣體發電技術的系統方案

3.1 發電廠生產流程

垃圾填埋發電廠生產流程包括：填埋氣體收集系統、氣體的脫水及脫硫凈化系統、氣體發電系統和變送電系統四大部分。其中關鍵是填埋氣體收集系統和氣體處理技術[3]，見下頁圖2。

按泉州室仔前填填場的實踐經驗探索，填埋氣體收集系統采用3 種方式：豎井收集系統：垃圾在填埋場區內分區填埋后，已經完成表面的垃圾覆HDPE 膜，利用鉆機集中打井并設置收集管，再用支管將成組氣井聯結匯集到集氣總管；橫井收集系統：垃圾在分區填埋時，將收集氣管有規律地平放在垃圾填埋區內，新垃圾將收集氣管埋在下層，分層設置支管并匯集到集氣總管；膜下淺挖采氣收集系統：在HDPE 膜下形成獨立、密閉的空間，填埋氣從垃圾堆體擴散出來的填埋氣在膜下聚集，通過在膜下安裝填埋氣收集管道，將膜下氣體收集到集氣總管。因泉州市的降水量偏高，垃圾含水量多，滲濾液產生量較大，氨氮深度含量高，且垃圾填埋已具有一定深度，不利于甲烷的生成，實踐證明，該填埋場主要采用豎井收集系統為主，其他方式為輔，不僅有利于氣體收集、提高設備利用率，而且有利于垃圾滲濾液的抽取和排放。

垃圾填埋場內的氣體處理技術，主要流程：借壓差流向特定的氣體收集井，將甲烷和二氧化碳及硫化氫等氣體輸送至集氣總管，送往氣體預處理裝置，利用三甘二醇和旋風氣液分離進行脫水和碳酸鉀凈化系統結合的方法，脫去水分、顆粒灰塵和硫化氫，經3 臺羅茨風機抽氣及加壓輸送裝置，經散熱器除濕降溫，經濾器干燥過濾（見圖3），然后進入內燃機充分燃燒做功，將熱能轉化為動能，帶動發電機旋轉發電，經升壓、配電，并入電網售電，供生活和工業用電。

圖2 垃圾填埋發電廠生產流程圖

圖3 監控平臺的氣體處理控制流程圖

3.2 燃氣發電機組技術特點

燃氣發電機組系統包括填埋氣發動機、發電機、聯軸器及控制柜等配套而成，實現燃燒、做功、產生電能、輸出的功能。發電機組原理：利用生活垃圾產生的沼氣（主要成分是甲烷）與一定比例的空氣壓入多個氣缸內，燃燒后產生的熱力推動帶有曲柄連桿機構的火花塞往復轉動，多個曲柄連桿機構將機械動能傳遞給發動機，使發動機按照設定轉速通過聯軸器將動能傳遞給同軸上的發電機轉子，轉子轉動切割定子間產生的磁力線，從而輸出穩定電能[4]。

3.2.1 燃氣發電機組控制系統

燃氣發電機組采用最先進的空燃比控制系統、控制閥和混合器、電子調速器等高精確度的閉環電控式燃氣控制系統（EGS），它的信息輸入系統是將發動機的轉速、扭矩、尾氣中氧含量等信號傳遞給控制器，控制器進行綜合處理后，計算出發動機最佳運行的燃氣量，再將計算出的信息傳遞給控制閥，由控制閥控制調整燃氣進氣量，以達到實現控制最佳空燃比的目的。通過控制執行器來控制混合氣的流量，將發動機轉速控制在標準范圍內。空燃比控制技術的閉環應用，實現控制系統有效設定沼氣的濃度范圍，混合氣能一直處在最佳空燃比狀態，使燃氣發電機組燃燒更合理，機組運行更平穩，輸出的功率更穩定、連續。

3.2.2 智能點火系統

燃氣發電機組點火系統包括磁電機、低壓線、高壓點火線圈、高壓點火線、火花塞、點火控制器，其優點：發動機運行過程中可隨意調整點火提前角和點火能量火能量分三個等級，根據燃氣的成分對點火能量進行調整，實現最佳點火狀態，最高等級點火能量可高達5 萬V；點火系統具備超速保護功能。在點火控制系統中設置機組運行最高轉速，當達到超速時，點火控制器停止工作，發動機停車；點火系統具有自身故障檢測及報警功能。如出現火花塞不點火、線路短路或線路接觸不良等故障，系統進行自動報警，便于機組的維護，保證點火控制人性化。

3.2.3 進氣系統

增壓、中冷型燃氣發電機組采用了高效率的復合式空氣濾清器、大流量渦輪增壓器和德國GEA 公司技術生產的圓管式高效中冷器，其中兩個增壓器共用一個中冷器，保證即使兩個增壓器效率不同步，燃氣發電機組左右兩側進氣管中的混合氣特性也仍相同，實現左右兩排氣缸工況相同，使充氣效率提高，保證機組的輸出功率更持續、穩定。

3.2.4 排氣系統

排氣匯總管和渦輪增壓器包敷有絕熱層，排氣出口裝有波紋管等彈性排氣膨脹節，有效防止熱量向機房內釋放。

3.2.5 計算機控制系統

計算機控制系統的使用保證數據在網絡上傳，實現數據自動檢測、采集、顯示、記錄、控制等功能，并且設有智能控制屏，用于控制及監測發電機組的工作狀況，實現一旦發出聲光報警信號，發電機組的啟停操作可在機旁完成操作控制，也可由控制屏上按鈕控制，保證近、遠距離監控，實現操作人性化。

4 填埋氣體發電技術的社會經濟效益分析

對泉州室仔前填埋場利用填埋氣體發電分析，經統計，2019 年度累計填埋垃圾35 萬t，現對填埋分區的新垃圾堆體和之前已經完成垃圾表面覆蓋HDPE 膜的垃圾堆體安裝氣體收集系統，從2018 年11 月份上網售電至今，累計處理填埋氣1 498 萬m3，保障了至少1 號、2 號、3 號三臺1 000 kW 燃氣發電機組在正常功率運行，見圖4，按照平均處理氣量約1 800 m3/h，運行輸出功率約800 kW，上網售電價格0.629 元（/kW·h），每年實際正常運行300 天計算，每年收益合計：800 kW/臺×3 臺×24/d×0.629 元/（kW·h）×300 d/年=1 086.91 萬元/年。目前氣體收集系統處理的甲烷濃度約為45%，累計處理填埋氣約1500 萬m3/年，每年可減少甲烷排放約675 萬m3。因此，填埋氣體燃氣發電技術的優點:填埋氣體中甲烷成份30%～55%之間，甲烷是僅次于CO2的影響溫室效應的氣體，該項目日處理最大能力約6 萬m3，減少了CH4氣體的排放。填埋氣體送入燃氣發電機組發電并網后，減輕社會用電負荷，減少有害氣體排放，起到防治城市的大氣環境污染和節能減排的效果，同時產生較高的經濟效益和環保效益[5]。

5 火炬系統

泉州市室仔前填埋場填埋氣體采用集中收集方式燃燒發電，按照雙重預防機制體系建設及安生生產可行性，提出設置一臺封閉式燃燒火炬設備，在發電機組超壓、故障檢修、突發性增加導致超出發電機組負荷等情況下，總集氣管處采用三通閥門，一旦緊急情況，可啟用火炬系統燃燒填埋氣體，不僅避免填埋氣體直接排放造成環境的污染，而且減少了因甲烷聚集而產生爆炸。

圖4 垃圾填埋發電廠平面圖

6 結語

填埋氣體的甲烷是一種清潔燃料，其可燃性決定了填埋氣體的潛在價值，根據填埋場的垃圾量、填埋年限及衛生填埋方式，未來在全國的垃圾填埋場完全可復制、可推廣進行填埋氣的收集和發電利用。填埋場利用填埋氣體發電技術的實施，成功實現了城市垃圾衛生填埋處理利用資源最大化，減少了環境污染，響應了“垃圾分類就是新時尚”的行動號召。作為一種新型的、綠色的電力來源，垃圾填埋氣體發電技術不僅節能減排起到重要作用，而且發展循環經濟具有示范作用，可推進環境與經濟的協調發展。

參與文獻

[1] 馬慧，徐小剛.城市生活垃圾資源回收利用途徑綜述[J].環境科學與管理，2007（4）：16-17.

[2] 陳志軒.實施HDPE 膜覆蓋雨污分流后的填埋場精細化作業探討[J].環境衛生工程，2018（10）：45-47.

[3] 蘇展望.燃氣內燃機發電技術在城市垃圾填埋治理上的應用分析[J].內燃機與動力裝置，2012（1）：35-36.

[4] 朱辰元，馮大磊.燃燒垃圾填埋氣發電的熱氣機燃燒系統的開發應用[J].能源與環境，2012（5）：90-91.

[5] 賈學智，全珍，劉昌盛.城市垃圾廠填埋氣發電技術應用與分析[J].生態與環境工程，2016（7）：3-4.