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

填埋技術(shù)作為生活垃圾的一種處理方法，目前仍然是我國(guó)處置生活垃圾的主要方式。傳統(tǒng)的填埋場(chǎng)存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：滲瀝液水質(zhì)、水量波動(dòng)較大，滲瀝液污染強(qiáng)度高，二次污染嚴(yán)重、產(chǎn)氣期滯后且歷時(shí)較長(zhǎng)，資源化率低等。隨著生物技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善以及人們能源與環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)，世界垃圾填埋技術(shù)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(gè)垃圾填埋場(chǎng)應(yīng)同時(shí)具有貯留垃圾、隔斷污染、生物降解和資源利用及恢復(fù)等多個(gè)功能。

垃圾填埋后所產(chǎn)生的CO2和CH4，不僅會(huì)造成常規(guī)污染，還可能帶來(lái)溫室效應(yīng)，甚至產(chǎn)生火災(zāi)、爆炸的危險(xiǎn)。2006年，國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布《可再生能源發(fā)電價(jià)格和費(fèi)用分?jǐn)偣芾碓囆修k法》，規(guī)定垃圾焚燒和填埋氣發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)由標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)加補(bǔ)貼電價(jià)組成，發(fā)電項(xiàng)目自投產(chǎn)之日起，15年內(nèi)享受補(bǔ)貼電價(jià)。在全球石油價(jià)格飛漲的情況下，通過(guò)將生活垃圾填埋產(chǎn)生的甲烷氣體發(fā)電，實(shí)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(biāo)，達(dá)到節(jié)能減排、減少安全隱患和環(huán)境保護(hù)的目的。

填埋氣發(fā)電屬于“國(guó)家鼓勵(lì)的資源綜合利用”和“再生能源發(fā)電”項(xiàng)目，有可能獲得CDM收益。

1 垃圾填埋氣成分及熱值預(yù)測(cè)

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(jī)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?？梢钥闯觯可盥駳怏w中所含的能量大約相當(dāng)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(yù)測(cè)

垃圾填埋場(chǎng)里發(fā)生著一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)及生物反應(yīng)，這些反應(yīng)持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，一般要幾十年甚至上百年。研究表明，盡管這些反應(yīng)既龐雜而又漫長(zhǎng)，但是垃圾填埋降解過(guò)程大致可以分為5個(gè)階段，即初期調(diào)整階段；過(guò)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(duì)填埋氣產(chǎn)氣量的理論估算方面，主要計(jì)算其中CH4的產(chǎn)量。

2.1 填埋氣體預(yù)測(cè)模型的選擇

由于填埋氣體產(chǎn)生過(guò)程復(fù)雜及影響因素較多，精確計(jì)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(chǎng)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(chǎng)氣體無(wú)組織釋放，進(jìn)行回收利用的關(guān)鍵。填埋氣的預(yù)測(cè)模型有很多，簡(jiǎn)單的有IPCC模型、Palos Verdes模型、Scholl Canyon模型、美國(guó)EPA模型等，復(fù)雜的有Marticorena模型、E1-Fadel的動(dòng)力學(xué)模型等。國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的是美國(guó)EPA模型模型，該模型估算克服了現(xiàn)場(chǎng)抽氣的時(shí)間限制，能預(yù)測(cè)未來(lái)多年的填埋氣產(chǎn)生情況，應(yīng)用簡(jiǎn)單易行。

對(duì)填埋氣體產(chǎn)量預(yù)測(cè)推薦采用美國(guó)EPA的一級(jí)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(dāng)前年所產(chǎn)生的甲烷量（m3/y）；L0為甲烷產(chǎn)生勢(shì)（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(shí)間（y）；n為垃圾填埋場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)年數(shù)（y）。

2.2 填埋氣體產(chǎn)量及收集量預(yù)測(cè)結(jié)果

填埋氣發(fā)電規(guī)模確定的原則是：依據(jù)填埋場(chǎng)的垃圾總庫(kù)容、現(xiàn)有的垃圾量、垃圾日均處理量進(jìn)行總體規(guī)劃，分步實(shí)施，依據(jù)填埋氣體的產(chǎn)氣量及收集率確定發(fā)電機(jī)組，以氣定電，保持適度的彈性，確保機(jī)組投入發(fā)電。本文以青島某固廢綜合處置場(chǎng)垃圾填埋場(chǎng)為例（垃圾日進(jìn)廠量3000t），根據(jù)甲烷的收集量，綜合考慮甲烷熱值、發(fā)電機(jī)功率、每年發(fā)電時(shí)間等因素，年發(fā)電按8000h、自用電及線損按10%考慮，計(jì)算實(shí)際裝機(jī)容量、實(shí)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(dá)到最大值，因此項(xiàng)目最大理論總裝機(jī)容量為4000kW?？紤]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(jī)容量和市場(chǎng)上現(xiàn)有發(fā)電機(jī)型號(hào)，選用4臺(tái)單機(jī)裝機(jī)容量為1000kW的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組。

表2 青島某固廢綜合處置場(chǎng)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(jí)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(jí)填埋氣體燃料、中級(jí)填埋氣體燃料、高級(jí)填埋氣體燃料以及副產(chǎn)品。填埋氣體各級(jí)利用方式見圖2。

3.2 填埋氣發(fā)電機(jī)組類型

通過(guò)燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)將填埋氣有效組分的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，該技術(shù)較為成熟，是目前國(guó)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(guó)的廣州、上海、杭州、蘇州和濟(jì)南都已經(jīng)建成并運(yùn)行了填埋場(chǎng)發(fā)電設(shè)施、運(yùn)行狀況良好。

表3給出了國(guó)內(nèi)外燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組設(shè)備及業(yè)績(jī)。根據(jù)國(guó)內(nèi)填埋場(chǎng)填埋氣發(fā)電專業(yè)運(yùn)營(yíng)商提供的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)填埋場(chǎng)日處理垃圾在1000t以上時(shí)，選用的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組應(yīng)在1000kW及以上。由于國(guó)內(nèi)可用于填埋氣發(fā)電的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的單臺(tái)裝機(jī)容量多在800kW以下，且發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性能差，使用壽命、日常維護(hù)、維修時(shí)間較國(guó)外發(fā)電機(jī)組設(shè)備短。表3僅列出了所推薦選用的國(guó)外發(fā)電機(jī)組設(shè)備。

表3 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組設(shè)備一覽表

4 清潔發(fā)展機(jī)制與城市垃圾填埋發(fā)電項(xiàng)目

4.1 清潔發(fā)展機(jī)制

清潔發(fā)展機(jī)制（簡(jiǎn)稱CDM），是《京都議定書》中引入的靈活履約機(jī)制之一。目的是協(xié)助發(fā)展中國(guó)家締約方實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，并幫助發(fā)達(dá)國(guó)家締約方實(shí)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(dá)國(guó)家通過(guò)與發(fā)展中國(guó)家進(jìn)行項(xiàng)目級(jí)的合作，投入資金、技術(shù)，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(duì)大氣溫室效應(yīng)的影響折算成CO2對(duì)大氣溫室效應(yīng)的影響來(lái)計(jì)量的?！肚鍧嵃l(fā)展機(jī)制項(xiàng)目運(yùn)行管理辦法》是我國(guó)境內(nèi)開發(fā)、運(yùn)行、管理CDM項(xiàng)目的基本法律依據(jù)之一。規(guī)定“在中國(guó)開發(fā)清潔發(fā)展機(jī)制項(xiàng)目的重點(diǎn)領(lǐng)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(jì)，CDM的交易價(jià)格容易受到政治因素和宏觀經(jīng)濟(jì)情況的影響。預(yù)計(jì)二氧化碳的價(jià)格到2020年將上漲到20～80美元，價(jià)格將取決于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度，能源價(jià)格，能效以及其他措施。

4.2 國(guó)內(nèi)運(yùn)用實(shí)例

（1）福州紅廟嶺是福建省第一個(gè)垃圾填埋氣發(fā)電項(xiàng)目，是該領(lǐng)域第一個(gè)成功申請(qǐng)聯(lián)合國(guó)CDM的項(xiàng)目。

（2）南京轎子山垃圾處理場(chǎng)預(yù)期利用垃圾填埋產(chǎn)生的沼氣燃燒形成供熱，由英國(guó)CAMCO公司預(yù)付了35萬(wàn)歐元購(gòu)買5萬(wàn)噸二氧化碳的減排指標(biāo)，用來(lái)支持垃圾供熱項(xiàng)目的建設(shè)。

（3）2009年12月，保定市垃圾填埋場(chǎng)，保定市垃圾填埋場(chǎng)沼氣治理與循環(huán)利用項(xiàng)目通過(guò)國(guó)家發(fā)展改革委CDM項(xiàng)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(guó)EPA的一級(jí)降解模型，青島某固廢綜合處置場(chǎng)產(chǎn)氣規(guī)律及發(fā)展機(jī)組的配置與選型可以給國(guó)內(nèi)在建垃圾填埋場(chǎng)提供參考。同時(shí)，國(guó)內(nèi)的垃圾填埋場(chǎng)也可以根據(jù)自身的情況，通過(guò)潔凈發(fā)展機(jī)制，爭(zhēng)取最大的經(jīng)濟(jì)利益。