垃圾填埋场沼气产气发电分析

郑伟峰

（中国轻工业广州工程有限公司，广东广州511447）

0 引言

垃圾填埋是垃圾无害化处理方式之一。在城市垃圾填埋处理过程中，不断释放的臭气是一个难以根除的难题，这些在垃圾填埋过程中产生的大量填埋气中含有40%～60%的甲烷，还含有一定含量的氧气、氢气，使处理填埋场臭气造成了一定的难度。因此，开发具有无污染、价格低等特点的新型清洁能源，越来越受到国家的重视。垃圾填埋场沼气的综合利用就是其中之一。垃圾填埋法产生沼气作为处理城市垃圾的主要方式之一，具有简单易行和费用较低的特点，同时还可回收能源，受到世界各国的普遍欢迎。

1 产气量计算

本文针对某垃圾填埋场进行了工艺设计。该工程占地65万m2，工程投资2.46亿元，整体容量达到1 120万m3。目前该填埋场每天产生垃圾1 500 t左右，其中600 t可经垃圾发电场焚烧处理。

1.1 理论甲烷产量

垃圾产气量与垃圾中可降解有机物的质和量相关。从理论上分析，在垃圾组分确定后，相应单位垃圾的产气量基本为定值。参照《三废处理工程技术手册》中相应的计算公式，本文确定采用生物降解理论模型来计算垃圾中各组分可生成的甲烷量Li，其计算公式如下：

式中：Li为有机组分i可生产甲烷气的量（L/kg）；K为经验系数，取值526.5 L/kg；Bi为有机组分i在垃圾中所占的比例（%）；Wi为有机组分i的含水率（%）；Ci为有机组分i的挥发性固体含量（%）；Vi为有机组分i的挥发性固体含量中可生物降解率（%）。

一般而言，新建垃圾场产生的甲烷占填埋气的40%～60%。将该填埋场导气石笼中的甲烷含量的例行监测结果取为55%，由单位质量垃圾可生成的甲烷的量∑Li，可计算单位质量垃圾的填埋气产生量，计算公式如下：

式中：L0为单位垃圾的填埋气产生量（m3/t）；k为修正系数；Li为组分i可生产甲烷气的量（L/kg）。

考虑到甲烷的产生主要是由垃圾中的有机物质降解而形成的，垃圾送至填埋场之后，在填埋前经过了废物分选回收等措施，这导致真正被填埋的有机物有所减少，同时填埋场内实际处于厌氧条件的垃圾的均匀性与理论上有很大差别，这两种因素都会导致理论产气量的计算结果有偏差，因此设置了修正系数k，本方案中取系数0.6来修正。

将该市主城区生活垃圾取样调查结果的数据代入上式，可以计算出该垃圾填埋场单位质量的湿垃圾可产生的填埋气的量为91.82 m3/t。

1.2 实际沼气产量

垃圾产气速率是指在单位时间内单位质量垃圾的产气量。产气速率与垃圾成分、外界环境等诸多因素有关，不同的垃圾填埋场填埋气体的产气速率差异较大。根据国内外对产气速率的研究，目前应用最多的是指数模型，即：

式中：R为产气速率[m3/（t·a）]；K为产气速率常数（1/a）；L0为垃圾理论产气量（m3/t）；i为填埋年限。

对于垃圾填埋场，每年填埋气体产生量均遵循上式。填埋场第p年封场，则开始填埋后第i年的填埋气体产生量为：

填埋场封场后第i年的填埋气体产生量为：

式中：Qi为第i年的填埋气体产量（万m3/a）；Wj为第j年的填埋量（万t）；K为产气速率常数（1/a）；L0为垃圾理论产气量（m3/t）；i为垃圾填埋年限；N为填埋场终场年限。

其中，产气速率常数K的取值较宽泛，不同填埋场的产气速率常数彼此差别很大。在充分考虑到该填埋场自身特点的基础上，同时参考国内其他垃圾填埋场的产气实验结果所求得的K值，本方案该填埋场产气速率常数K值取0.12。

由上述两组计算公式可计算出填埋气的历年产量，可得最大产气量发生在2030年，可达2 710万m3/a，随后产气量逐年减少。

2 发电分析

由于沼气收集系统的收集效率受填埋场整体管理水平等方面因素的影响，填埋场所产生的填埋气不可能实现全部回收利用。本项目考虑到该填埋场气体收集系统的整体现状，同时参考国内其他填埋场的抽气实验沼气回收率，将该填埋场的沼气回收率取为60%，即填埋场实际产生的填埋气有60%可以经气体收集系统统一收集后送至填埋气发电系统进行发电。

根据该填埋场沼气理论产量的预测，可以计算出各年份的沼气回收量及发电量。

根据燃气机的热负荷表，经平衡计算，最大负荷时以完全消耗沼气为准。

该填埋场沼气发电项目一期（2020年）先上1台1 000 kW发电机组，根据填埋量在二期（2022年）再上1台，所以近期为1台1 000 kW机组，中远期为2台发电机组。单位体积沼气发电量为1.7 kWh/m3；沼气发电系统按年运行时间＞7 500 h/a。按目前一期的装机容量，一期工程时沼气耗量为588.23 m3/h，每天沼气耗量为14.12×103m3，年沼气耗量大于4.41×106m3；二期工程时沼气耗量为1 176.46 m3/h，每天沼气耗量为28.24×103m3，年沼气耗量大于8.82×106m3。

根据以上实际沼气产量的计算公式计算，在2020年，小时产气量734.96 m3，日产气量17 639 m3，年产气量643.82万m3；在2022年，小时产气量1 440.77 m3，日产气量34 579 m3，年产气量1 262.12万m3。因此，该填埋场所产生的沼气能满足一期工程沼气用量（年运行时间＞7 500 h），并且按目前的垃圾填埋量及发展趋势估算，该填埋场所产生的沼气也能满足二期工程沼气用量（年运行时间＞7 500 h）。

3 沼气的收集与输送

由填埋场产生的沼气通过抽气井抽取，进入集气管网，输送至抽气站汇集，再用罗茨风机输送至内燃机进行发电。

本项目采用的是QC-03气体预处理系统，经气体预处理系统处理后的气体主要指标如表1所示。

表1 经气体预处理系统处理后的气体主要指标

4 结语

沼气收集系统的收集效率受填埋场整体管理水平等方面因素的影响，因此提高垃圾填埋场的管理水平是提高填埋场产气回收率的重要途径。目前国内的垃圾填埋场的沼气回收率普遍存在可提高的空间，通过合理计算提高沼气回收率，对于提高发电量有着重要的意义。