垃圾填埋場沼氣產氣發電分析

鄭偉峰

（中國輕工業廣州工程有限公司，廣東廣州511447）

0 引言

垃圾填埋是垃圾無害化處理方式之一。在城市垃圾填埋處理過程中，不斷釋放的臭氣是一個難以根除的難題，這些在垃圾填埋過程中產生的大量填埋氣中含有40%～60%的甲烷，還含有一定含量的氧氣、氫氣，使處理填埋場臭氣造成了一定的難度。因此，開發具有無污染、價格低等特點的新型清潔能源，越來越受到國家的重視。垃圾填埋場沼氣的綜合利用就是其中之一。垃圾填埋法產生沼氣作為處理城市垃圾的主要方式之一，具有簡單易行和費用較低的特點，同時還可回收能源，受到世界各國的普遍歡迎。

1 產氣量計算

本文針對某垃圾填埋場進行了工藝設計。該工程占地65萬m2，工程投資2.46億元，整體容量達到1 120萬m3。目前該填埋場每天產生垃圾1 500 t左右，其中600 t可經垃圾發電場焚燒處理。

1.1 理論甲烷產量

垃圾產氣量與垃圾中可降解有機物的質和量相關。從理論上分析，在垃圾組分確定后，相應單位垃圾的產氣量基本為定值。參照《三廢處理工程技術手冊》中相應的計算公式，本文確定采用生物降解理論模型來計算垃圾中各組分可生成的甲烷量Li，其計算公式如下：

式中：Li為有機組分i可生產甲烷氣的量（L/kg）；K為經驗系數，取值526.5 L/kg；Bi為有機組分i在垃圾中所占的比例（%）；Wi為有機組分i的含水率（%）；Ci為有機組分i的揮發性固體含量（%）；Vi為有機組分i的揮發性固體含量中可生物降解率（%）。

一般而言，新建垃圾場產生的甲烷占填埋氣的40%～60%。將該填埋場導氣石籠中的甲烷含量的例行監測結果取為55%，由單位質量垃圾可生成的甲烷的量∑Li，可計算單位質量垃圾的填埋氣產生量，計算公式如下：

式中：L0為單位垃圾的填埋氣產生量（m3/t）；k為修正系數；Li為組分i可生產甲烷氣的量（L/kg）。

考慮到甲烷的產生主要是由垃圾中的有機物質降解而形成的，垃圾送至填埋場之后，在填埋前經過了廢物分選回收等措施，這導致真正被填埋的有機物有所減少，同時填埋場內實際處于厭氧條件的垃圾的均勻性與理論上有很大差別，這兩種因素都會導致理論產氣量的計算結果有偏差，因此設置了修正系數k，本方案中取系數0.6來修正。

將該市主城區生活垃圾取樣調查結果的數據代入上式，可以計算出該垃圾填埋場單位質量的濕垃圾可產生的填埋氣的量為91.82 m3/t。

1.2 實際沼氣產量

垃圾產氣速率是指在單位時間內單位質量垃圾的產氣量。產氣速率與垃圾成分、外界環境等諸多因素有關，不同的垃圾填埋場填埋氣體的產氣速率差異較大。根據國內外對產氣速率的研究，目前應用最多的是指數模型，即：

式中：R為產氣速率[m3/（t·a）]；K為產氣速率常數（1/a）；L0為垃圾理論產氣量（m3/t）；i為填埋年限。

對于垃圾填埋場，每年填埋氣體產生量均遵循上式。填埋場第p年封場，則開始填埋后第i年的填埋氣體產生量為：

填埋場封場后第i年的填埋氣體產生量為：

式中：Qi為第i年的填埋氣體產量（萬m3/a）；Wj為第j年的填埋量（萬t）；K為產氣速率常數（1/a）；L0為垃圾理論產氣量（m3/t）；i為垃圾填埋年限；N為填埋場終場年限。

其中，產氣速率常數K的取值較寬泛，不同填埋場的產氣速率常數彼此差別很大。在充分考慮到該填埋場自身特點的基礎上，同時參考國內其他垃圾填埋場的產氣實驗結果所求得的K值，本方案該填埋場產氣速率常數K值取0.12。

由上述兩組計算公式可計算出填埋氣的歷年產量，可得最大產氣量發生在2030年，可達2 710萬m3/a，隨后產氣量逐年減少。

2 發電分析

由于沼氣收集系統的收集效率受填埋場整體管理水平等方面因素的影響，填埋場所產生的填埋氣不可能實現全部回收利用。本項目考慮到該填埋場氣體收集系統的整體現狀，同時參考國內其他填埋場的抽氣實驗沼氣回收率，將該填埋場的沼氣回收率取為60%，即填埋場實際產生的填埋氣有60%可以經氣體收集系統統一收集后送至填埋氣發電系統進行發電。

根據該填埋場沼氣理論產量的預測，可以計算出各年份的沼氣回收量及發電量。

根據燃氣機的熱負荷表，經平衡計算，最大負荷時以完全消耗沼氣為準。

該填埋場沼氣發電項目一期（2020年）先上1臺1 000 kW發電機組，根據填埋量在二期（2022年）再上1臺，所以近期為1臺1 000 kW機組，中遠期為2臺發電機組。單位體積沼氣發電量為1.7 kWh/m3；沼氣發電系統按年運行時間＞7 500 h/a。按目前一期的裝機容量，一期工程時沼氣耗量為588.23 m3/h，每天沼氣耗量為14.12×103m3，年沼氣耗量大于4.41×106m3；二期工程時沼氣耗量為1 176.46 m3/h，每天沼氣耗量為28.24×103m3，年沼氣耗量大于8.82×106m3。

根據以上實際沼氣產量的計算公式計算，在2020年，小時產氣量734.96 m3，日產氣量17 639 m3，年產氣量643.82萬m3；在2022年，小時產氣量1 440.77 m3，日產氣量34 579 m3，年產氣量1 262.12萬m3。因此，該填埋場所產生的沼氣能滿足一期工程沼氣用量（年運行時間＞7 500 h），并且按目前的垃圾填埋量及發展趨勢估算，該填埋場所產生的沼氣也能滿足二期工程沼氣用量（年運行時間＞7 500 h）。

3 沼氣的收集與輸送

由填埋場產生的沼氣通過抽氣井抽取，進入集氣管網，輸送至抽氣站匯集，再用羅茨風機輸送至內燃機進行發電。

本項目采用的是QC-03氣體預處理系統，經氣體預處理系統處理后的氣體主要指標如表1所示。

表1 經氣體預處理系統處理后的氣體主要指標

4 結語

沼氣收集系統的收集效率受填埋場整體管理水平等方面因素的影響，因此提高垃圾填埋場的管理水平是提高填埋場產氣回收率的重要途徑。目前國內的垃圾填埋場的沼氣回收率普遍存在可提高的空間，通過合理計算提高沼氣回收率，對于提高發電量有著重要的意義。