鄭偉峰

（中國輕工業(yè)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(gè)難以根除的難題，這些在垃圾填埋過程中產(chǎn)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(chǎng)臭氣造成了一定的難度。因此，開發(fā)具有無污染、價(jià)格低等特點(diǎn)的新型清潔能源，越來越受到國家的重視。垃圾填埋場(chǎng)沼氣的綜合利用就是其中之一。垃圾填埋法產(chǎn)生沼氣作為處理城市垃圾的主要方式之一，具有簡(jiǎn)單易行和費(fèi)用較低的特點(diǎn)，同時(shí)還可回收能源，受到世界各國的普遍歡迎。

1 產(chǎn)氣量計(jì)算

本文針對(duì)某垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行了工藝設(shè)計(jì)。該工程占地65萬m2，工程投資2.46億元，整體容量達(dá)到1 120萬m3。目前該填埋場(chǎng)每天產(chǎn)生垃圾1 500 t左右，其中600 t可經(jīng)垃圾發(fā)電場(chǎng)焚燒處理。

1.1 理論甲烷產(chǎn)量

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

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

一般而言，新建垃圾場(chǎng)產(chǎn)生的甲烷占填埋氣的40%～60%。將該填埋場(chǎng)導(dǎo)氣石籠中的甲烷含量的例行監(jiān)測(cè)結(jié)果取為55%，由單位質(zhì)量垃圾可生成的甲烷的量∑Li，可計(jì)算單位質(zhì)量垃圾的填埋氣產(chǎn)生量，計(jì)算公式如下：

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

考慮到甲烷的產(chǎn)生主要是由垃圾中的有機(jī)物質(zhì)降解而形成的，垃圾送至填埋場(chǎng)之后，在填埋前經(jīng)過了廢物分選回收等措施，這導(dǎo)致真正被填埋的有機(jī)物有所減少，同時(shí)填埋場(chǎng)內(nèi)實(shí)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(huì)導(dǎo)致理論產(chǎn)氣量的計(jì)算結(jié)果有偏差，因此設(shè)置了修正系數(shù)k，本方案中取系數(shù)0.6來修正。

將該市主城區(qū)生活垃圾取樣調(diào)查結(jié)果的數(shù)據(jù)代入上式，可以計(jì)算出該垃圾填埋場(chǎng)單位質(zhì)量的濕垃圾可產(chǎn)生的填埋氣的量為91.82 m3/t。

1.2 實(shí)際沼氣產(chǎn)量

垃圾產(chǎn)氣速率是指在單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量垃圾的產(chǎn)氣量。產(chǎn)氣速率與垃圾成分、外界環(huán)境等諸多因素有關(guān)，不同的垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體的產(chǎn)氣速率差異較大。根據(jù)國內(nèi)外對(duì)產(chǎn)氣速率的研究，目前應(yīng)用最多的是指數(shù)模型，即：

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

對(duì)于垃圾填埋場(chǎng)，每年填埋氣體產(chǎn)生量均遵循上式。填埋場(chǎng)第p年封場(chǎng)，則開始填埋后第i年的填埋氣體產(chǎn)生量為：

填埋場(chǎng)封場(chǎng)后第i年的填埋氣體產(chǎn)生量為：

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

其中，產(chǎn)氣速率常數(shù)K的取值較寬泛，不同填埋場(chǎng)的產(chǎn)氣速率常數(shù)彼此差別很大。在充分考慮到該填埋場(chǎng)自身特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)參考國內(nèi)其他垃圾填埋場(chǎng)的產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果所求得的K值，本方案該填埋場(chǎng)產(chǎn)氣速率常數(shù)K值取0.12。

由上述兩組計(jì)算公式可計(jì)算出填埋氣的歷年產(chǎn)量，可得最大產(chǎn)氣量發(fā)生在2030年，可達(dá)2 710萬m3/a，隨后產(chǎn)氣量逐年減少。

2 發(fā)電分析

由于沼氣收集系統(tǒng)的收集效率受填埋場(chǎng)整體管理水平等方面因素的影響，填埋場(chǎng)所產(chǎn)生的填埋氣不可能實(shí)現(xiàn)全部回收利用。本項(xiàng)目考慮到該填埋場(chǎng)氣體收集系統(tǒng)的整體現(xiàn)狀，同時(shí)參考國內(nèi)其他填埋場(chǎng)的抽氣實(shí)驗(yàn)沼氣回收率，將該填埋場(chǎng)的沼氣回收率取為60%，即填埋場(chǎng)實(shí)際產(chǎn)生的填埋氣有60%可以經(jīng)氣體收集系統(tǒng)統(tǒng)一收集后送至填埋氣發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電。

根據(jù)該填埋場(chǎng)沼氣理論產(chǎn)量的預(yù)測(cè)，可以計(jì)算出各年份的沼氣回收量及發(fā)電量。

根據(jù)燃?xì)鈾C(jī)的熱負(fù)荷表，經(jīng)平衡計(jì)算，最大負(fù)荷時(shí)以完全消耗沼氣為準(zhǔn)。

該填埋場(chǎng)沼氣發(fā)電項(xiàng)目一期（2020年）先上1臺(tái)1 000 kW發(fā)電機(jī)組，根據(jù)填埋量在二期（2022年）再上1臺(tái)，所以近期為1臺(tái)1 000 kW機(jī)組，中遠(yuǎn)期為2臺(tái)發(fā)電機(jī)組。單位體積沼氣發(fā)電量為1.7 kWh/m3；沼氣發(fā)電系統(tǒng)按年運(yùn)行時(shí)間＞7 500 h/a。按目前一期的裝機(jī)容量，一期工程時(shí)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(shí)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(jù)以上實(shí)際沼氣產(chǎn)量的計(jì)算公式計(jì)算，在2020年，小時(shí)產(chǎn)氣量734.96 m3，日產(chǎn)氣量17 639 m3，年產(chǎn)氣量643.82萬m3；在2022年，小時(shí)產(chǎn)氣量1 440.77 m3，日產(chǎn)氣量34 579 m3，年產(chǎn)氣量1 262.12萬m3。因此，該填埋場(chǎng)所產(chǎn)生的沼氣能滿足一期工程沼氣用量（年運(yùn)行時(shí)間＞7 500 h），并且按目前的垃圾填埋量及發(fā)展趨勢(shì)估算，該填埋場(chǎng)所產(chǎn)生的沼氣也能滿足二期工程沼氣用量（年運(yùn)行時(shí)間＞7 500 h）。

3 沼氣的收集與輸送

由填埋場(chǎng)產(chǎn)生的沼氣通過抽氣井抽取，進(jìn)入集氣管網(wǎng)，輸送至抽氣站匯集，再用羅茨風(fēng)機(jī)輸送至內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

本項(xiàng)目采用的是QC-03氣體預(yù)處理系統(tǒng)，經(jīng)氣體預(yù)處理系統(tǒng)處理后的氣體主要指標(biāo)如表1所示。

表1 經(jīng)氣體預(yù)處理系統(tǒng)處理后的氣體主要指標(biāo)

4 結(jié)語

沼氣收集系統(tǒng)的收集效率受填埋場(chǎng)整體管理水平等方面因素的影響，因此提高垃圾填埋場(chǎng)的管理水平是提高填埋場(chǎng)產(chǎn)氣回收率的重要途徑。目前國內(nèi)的垃圾填埋場(chǎng)的沼氣回收率普遍存在可提高的空間，通過合理計(jì)算提高沼氣回收率，對(duì)于提高發(fā)電量有著重要的意義。