填埋气的收集与利用

1、填埋场气的收集与利用陈晓东（南昌有色冶金设计研究院330002 ）内容摘要论述了填埋场气的产生、主要成分及其特性，提出了填埋场气产气量和收集量的估算 方法，简要介绍了收集系统的设计，对填埋场气的处理和利用提出了设想。关键词填埋场气收集利用一概述随着国民经济的发展，人民生活水平日益提高，城市人口的不断增长，城市生活垃圾越来越 多，垃圾成份日益复杂多样，一种是生活垃圾，包括居民生活垃圾、商业垃圾、集市贸易垃圾、街 道垃圾、公共场所垃圾和机关、学校、厂矿等单位的生活垃圾；一种是建筑废弃物，包括建筑残 土、砖瓦石陶瓷等残碎物、废水泥及水泥制品残碎物和废砂及其它建材残弃物。其中生活垃圾含 有有机物。为了

2、防止垃圾对环境造成污染，必须对垃圾进行处理如卫生填埋、堆肥及焚烧等。但 填埋场在一定的条件下会产生填埋场气，该气体具有易燃易爆的性质，同时还蕴藏着丰富的能量。 为保证填埋场的安全和尽可能的回收能源，变废为宝，因而有必要对填埋场气加以收集，进行处 理和利用。二填埋场气的产生、主要成分和特性（一）填埋场气的产生填埋场气的产生与很多因素有关，包括垃圾的成分、PH值及其堆积量、填埋场的水分、温 度及填埋年份等。在一定的条件下，如适当的水份、温度及酸碱度，垃圾中的有机物经过生物化 学反应后，使填埋场产生大量的气体，通常称为填埋场气。国外资料一般称为LFG（ landfill gas ）。 由于其主要成分

3、和热值近似于沼气，也有文章称其为“沼气”。据国内外有关资料介绍，产生填埋场气的生物化学反应分为以下四个阶段。第一阶段为好氧生物分解，可能持续几周，主要成分是氮、氧和二氧化碳。氧气是从周围大 气被垃圾带入填埋场的，经过一段时间的生物化学反应后而被逐渐被耗尽。二氧化碳将随时间的 推移而迅速产生。第二阶段为厌氧生物分解，为不产甲烷期，氮特别是氧的百分数下降很快，直到氧气耗尽进 入厌氧反应阶段。本阶段的主要成分是氢、氮和二氧化碳。第三阶段为厌氧生物分解，为产甲烷的不稳定期，二氧化碳和氮的百分数显著下降，氢和氧 的浓度趋于零，甲烷的百分数很快上升。第四阶段为厌氧生物分解，为产甲烷的假稳定期。这个阶段的甲

4、烷、二氧化碳和氮的百分数 达到了稳定的数值。甲烷的百分数在达到了高峰值后开始下降。经过较长的一段时间后，当垃圾 中的有机物被消耗完后，便不再产生任何气体。（二）填埋场气的主要成分填埋场气的成分是随着填埋场气产生的不同阶段而变化的，换句话说是随着填埋年份而变化 的；同时填埋场气的成分还与垃圾的成分有关，是一个变数，从理论上来说是一个非常难确定的 数值。我院一九九三年四月所作深圳市下坪垃圾卫生填埋场初步设计说明书中填埋场气主要成 分见表1.1。填埋场气的热值（40时）为18900kJ / m3。水利水电科技进展一九九七年四月钱学德和郭志平合著的“填埋场气体收集系统”一文 中的气体主要成份见表1.2

5、。建设部同济大学环卫机械研究所与深圳市卫生管理处于一九九六年七月所作的深圳市玉龙 坑垃圾填埋场安全防范研究中的气体成份见表1.3。一般的填埋场气的气体成份随时间而变化的规律见图1 - -填埋场气成分随时间变化图。一般而言，填埋场气的热值约在18850 kJ / m3 （4500kcal/m3）上下。（三）填埋场气的特性1、易燃易爆性：由于气体中甲烷含量较高，为可燃气体。如不加以收集和控制，就很容易 引起火灾和爆炸。2、有毒有恶臭气味：是由于沼气中含有硫化氢、一氧化碳和硫醇等。3、甲烷、二氧化碳和氮气会使人窒息。三 填埋场气的产生量和收集量正确掌握填埋场气的产气规律及其产生量和收集量，才可以对其

6、进行收集处理和加以利用， 选择设备，确定合理的工艺流程，进行技术经济分析。对于某一特定的垃圾填埋场而言，其产气量取决于填埋年份和垃圾中的可降解有机物的数量 和品质，但是要正确的测出任何一个填埋场的产气量都很困难，因此只能通过下列经验数据或经 验公式来估算。（一）通过经验数据来估算美国人Amalendu Bagchi所著废弃物填埋场的设计、施工和监测一书中提到甲烷的产气 速率为2.515.0 l/kg年。同济大学环卫机械研究所与深圳市卫生管理处于1996年7月所作的深圳市玉龙坑垃圾填埋 场安全防范研究中提到的产气率为17x10-6 m3 / kg-d，换算为6.205 l/kg 年，生活垃圾 的

7、产气量为0.37m3 / kg。用垃圾总量与上述产气速率相乘，就可以得到每年的产气量。(二)通过经验公式来估算可以通过下经验公式计算产气量。1、当知道填埋物的有机含碳量时：Gt= 1.868xTOCx ( 0.014x T+ 0.28 )( 1 )式中，Gt - 长时间产生的总气体量，m3 / ton垃圾；TOC -总有机碳，kg / ton垃圾，其经验值为150 200 ;T -温度，。2、产气量随时间变化的计算：Ga=Gtx(1-iO-kt )( 2 )式中，Gt-至t年为止的产气量，m3 / ton垃圾；K- TOC衰减常数，其值在0.025 0.050之间，t-至t年为止，气体产生时间

8、，年。3、对于特定t年之产气量的计算：Gb=Gtx(iok-1)xlO-kt( 3 )式中，Gb -在第t年的产气量，m3 / ton垃圾；K - TOC衰减常数，其值在0.025 0.050之间，其它符号同上。通过以上计算公式计算出填埋场气逐年的变化量。由于各种原因，填埋场所产生的气体不能 完全被收集，实际收集的气体量为理论产气量的11 39%。一般计算时可取20 25%。四填埋场气的收集系统(一)收集系统的作用首先，填埋场气是填埋场的必然产物，如不有效地加以收集和控制，极易发生火灾和爆炸事 故，造成损失。因而填埋场必须设置气体收集和输导等控制系统，以保证填埋场的安全。其次，控制气体成份，提

9、高甲烷的含量，为填埋场气的有效利用提供基础。(二)收集系统主要设备填埋场内的气体由于压力不平衡而产生流动，经过收集井的吸收进入收集管，并通过汇流中 转器进入输气管后，集中送入收集站。填埋场气在站内进行净化和加压处理后，送入燃气发电站 进行发电或进行其他利用。1、垂直式收集井：较水平式收集井施工方便，造价低，是目前通常采用的收集形式。竖井 通常设计为直径在0.6 1.2m之间接，长3m ;井内为多孔管，直径在150200mm范围内，其管 材采用耐腐蚀和耐久性的材料如PVC或HDPE ,其顶部用盖板密封。收集井的结构见图2-收 集井结构示意图。垂直式收集井的作用半径为40 50 m，井间距则在80

10、 100 m，需要注意的是， 收集井的定位要使其影响区域相互交迭，如果竖井建在正六边形的角上，则可以得到100%的交迭，其影响区域则可覆盖整个填埋场。属2成集”制构幅为2、汇流中转器：单独有效地管理和控制该区域内的填埋场气的收集。每个汇流中转器控制 5个收集井，汇流5个收集井的气体直接输送至收集站，从而使整个收集系统更易控制和调节。 各汇流中转器也可以是互相连通的，以便在事故或检修时互为备用。通常把汇流中转器设计成8个接差头，5个作为填埋场气入口，一个大的作为出口，一个与 其它的汇流中转器相连，一个作为备用。汇流中转器详见图3- -汇流中转器示意图。3、收集管和输气管：为了区别，把收集井到汇流

11、中转器之间的管道称为收集管，把汇流中 转器到收集站之间的管道称为输气管。为减少阻力和各管道之间阻力的不平衡的影响，气流速度 采用低值。管径由流量和流速确定。收集系统详见图4-填埋场气收集系统示意图。图4填埋明气收集系眈示意层器 XX弁M暂停站站 要.隹小帝住E:. 收t收.收拄五填埋场气的利用在初期的两年之内及填埋场封场之前的两三年内，填埋场产生的气体没有多少利用价值，只 做放空处理或就地燃烧。（一）作为城市燃料从填埋场气的成份中我们可以知道，填埋场气是有毒性、有腐蚀和有恶味的气体；从其产生 的过程中可知道，产气量和品质是随垃圾成份和填埋年份而变化波动的，这给填埋场气的收集特 别是处理和利用带

12、来困难。由于填埋场总是距居民生活区较远从而造成管线较长，以及产气量和气体品质的不稳定，还 需要进行严格的净化处理和加压，一般而言，作为城市燃料其可行性不高。但对于大型的填埋场 气是否回收利用则需通过技术经济比较来决定。如其能量可在合适的成本下回收，填埋场气作为 城市燃料也不失为一种利用途径。（二）发电根据国外的经验，燃气轮机发电普遍运用于一般的填埋场，技术成熟，应为优先考虑的利用 方式。参见图5- -填埋场气收集和利用原则性流程图。以下为台湾某垃圾填埋场的利用情况。1、填埋场概况该填埋场分两期建设。第一期从1993年至2002年，累计垃圾量为294.82万吨；第二期（含 第一期，下同）从200

13、2年至2017年，累计垃圾量为649.88万吨。根据公式（1 ）和（3 ）计算得，第一期产气量的最小值和最大值分别为693和926百万立方 米；第二期产气量的最小值和最大值分别为1527和2041百万立方米；折合每小时气量，第一期 的最小值和最大值分别为3300 m3 / h和7300 m3 / h ；第二期产气量的最小值和最大值分别为 6300 m3/h和 11900 m3 / ho5期为弋蚯视瞒则性箫髓填埋场气的收集率为10%到30%。估计该填埋场气的热值为4500kcal/ m3 = 5.23kWh/ m3。2、燃气轮机发电第一期：最小值 3300 m3 / h x0.1x5.23 =1

14、727 kW ;最大值 7300 m3 / h x0.1x5.23 =11454 kW ;取其平均值6500 kW，燃气轮机效率为0.3，机械效率为0.95，发电机功率因数为0.8，则 燃气轮机功率为6500x0.3 = 1950 kW取2000 kW需2台1000 kW机组；发电机功率为 1950x0.95/0.8 = 2316 kva 取 2400 kva 需2台 1200 kva ;计划于1993年建设第一套，于1998年建设第二套。第二期：最小值 6300 m3 / h x0.1x5.23 =3295 kW ;最大值 11900 m3 / h x0.1x5.23 =18671 kW ;

15、取其平均值11000 kW，则燃气轮机功率为11000x0.3 = 3300 kW 扣除第一期后为1350kW取1400 kW则第二期需 2台700kW机组；发电机功率为3300x0.95/0.8 = 3919kva扣除第一期后为1603 kva取1600kva，则第二期 需2台800kva ;计划于2002年建设第一套，于2006年建设第二套。六结束语垃圾填埋场的主要目的是处理垃圾，保护环境。至于填埋场气的回收利用，一些发达国家也 是从八十年代才开始研究，已有一些成熟的经验。但目前国内对此的研究尚处于起步阶段，回收 利用较少。杭州天子岭垃圾填埋场的气体发电工程已于1998年10月27日投产发

16、电，是我国第一 家垃圾填埋场院气体发电工程每年可发电近1600万度产值约为790万元可减少排放CO2量8 10万吨，具有良好的经济效益和社会效益。为了作到垃圾的无害化和资源化，填埋场气回收利用 特别是发电的研究是垃圾填埋场技术发展的一个方向。表1.1表1.2组成成份干燥体积（）甲烷（CH4）40二氧化碳3040氮1020氧1硫化氢0.10.5氨0.5氢0.1一氧化碳0.1微小成分微量组成成份干燥体积（）甲烷（CH4）4560二氧化碳4060氮25氧0.11.0硫（硫酸）等01.0氨0.11.0氢00.2一氧化碳00.2微小成分0.010.6表1.3组成成份干燥体积（）甲烷（CH4 ）5060二

17、氧化碳40硫化氢硫醇微量成分主要参考文献1南昌有色冶金设计研究院深圳市下坪垃圾卫生填埋场初步设计说明书1993年2同济大学环卫机械研究所、深圳市卫生管理处深圳市玉龙坑垃圾填埋场安全防范研究 1996年7月3钱学德郭志平水利水电科技进展填埋场气体收集系统”1997年4月4 Amalendu Bagchi著废弃物填埋场的设计、施工和监测中国环境科学研究院固体所译1992年12月作者简介陈晓东，男，1966年9月出生，毕业于南京工学院动力工程系，工程师，曾获中国有色金属工业 总公司科技进步三等奖。通讯地址：江西南昌八一大道一号南昌有色冶金设计研究院热工室邮政编码330002电话（0791）62649

18、41265（上接第178页）第一阶段是PH值的非灵敏区，由于PH变化很慢，需要加入大量的中和剂，中和剂的加入量 满足当量定律，控制系统可以根据当量定律计算出加入量（Q1= Q2xN2/N1 ）一次性加入,不足部 分由二级调节加入。2.第二阶段的控制第二阶段PH变化速度加快，可采用前馈比例控制其加入量为Q 二 KK ZH 内 %K K N其中：Ka ; K b , KC , Kd分别表示溶液体积大小，混合作用的强弱，PH值变化快慢，中和 剂单位时间流量的比例系数， PH为PH值误差，。为限速因子，各参数的选择与化学反应性质, 系统运行状况和有关物理参量有关。经过二个阶段的调节之后，污水的PH值即可控制在69之内。BSOEM-PH值自控排放技术的特点经过在大庆油田化工总厂几套除盐水装置中的应用，该技术归纳总结有如下特点：1 .调节时间短，可在5分钟之内使出水PH值稳定在69之间。2 .排放合格率高，其排放合格率可达98%以上，经环保部门的多次抽检均达标排放。3 .中和用酸碱耗低。以往采用人工加酸加碱的方法去控制污水的PH值在69之间有很大的 难度，人工调整必须要通过加酸（加碱）一加碱（加酸）几次反复才能调整合格，酸碱耗很高， 有些用户为了使排水钢管的腐蚀速率降低，采用向中和池加入过量的碱，以确保污水PH值大于6 ,