垃圾中甲烷产率计算及全国垃圾甲烷气资源估算
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E CH 4 = M SW × Γ × D O C × r × (16 12) × 0. 5
其 中: E CH 4: 垃圾填埋场的甲烷排放量;M SW : 城市垃圾量 (M un icip a l So lid W a ste) ; Γ: 城市 垃圾填埋率; D O C : 垃圾中可降解有机碳的含量, IPCC 推荐值发展中国家为 15% ; 发达国家 为 22% , 本文用 15% ; r: 垃圾中可降解有机碳的分解百分率, IPCC 推荐为 77% (定为常数)。
CH 4 气体产量的主要影响因素很多, 包括固体废弃物的组成、颗粒的大小、填埋时间、含水
Ξ 收稿日期: 1996- 01- 15; 收到修改稿日期: 1996- 04- 08。
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自 然 资 源 学 报 12 卷
量、温度、pH 值等。 由于影响甲烷气体产率的影响因素众多, 给甲烷产率的计算带来了诸多困难。不同地区的
垃圾量 (万 t)
CH 4 排放量 (万 t) 方法一 方法二
地 区
垃圾量 (万 t)
CH 4 排放量 (万 t) 方法一 方法二
363
27. 9
29. 70 湖 北
440
33. 88
36. 01
223
17. 17
18. 25 湖 南
180
13. 86
14. 73
381
29. 34
31. 18 广 东
另一方面, 在本世纪经历的两次石油危机给人们敲响了另一警钟: 目前已探明的煤、石油、 天然气等矿物燃料, 只够人类使用 100 a, 这使得我们去寻找其他替代能源。在能源危机和环境 问题的双重影响下, 许多国家都相继开发利用垃圾填埋场的甲烷气体。1977 年, 世界上第一个 垃圾填埋场回收沼气系统在美国加利福尼亚南部的 Pa lo s V erd s 建立, 至 1991 年, 已有 20 个 国家的 242 个这种工程投入运行, 由此而替代的常规能源, 1989 年已相当于 120 万 t 石油[2]。 可见, 对垃圾填埋场甲烷气体的开发利用具有明显的社会效益和经济效益。许多国家对于这部 分能源开发给予政策性的支持和优惠, 对于这部分能源发电入网, 价格上给予相应的调整。
109
8. 39
8. 92 宁 夏
63
4. 85
5. 16
79
6. 08
6. 46 新 疆
135
10. 40
11. 05
332
25. 56
27. 17 全 国
7636
587. 97 624. 87
325
ห้องสมุดไป่ตู้
25. 03
26. 60
参 考 文 献
1 徐新华等. 江苏省温室气体排放研究. 环境导报, 1996 (2). 2 范乐曾. 垃圾填埋场沼气的能源效益及其开发利用情况. 新能源, 1991, 13 (6) : 28～ 30. 3 IPCC, Gu idelines fo r N ational Greenhou se Gas Inven to ries. IPCC, P rin ted in F rance, 1995. 4 N. Gardner, S. D. P robert. Fo recasting landfiu- Gas Y ield s. A pp lied Energy, 1993, 44. 5 国家统计局. 中国统计年鉴 (1993). 北京: 中国统计出版社, 1993.
3 全国垃圾填埋场甲烷气产量潜力分析
以 1991 年为基准[5], 我们利用 IPCC Gu idelines (1995) 提供的方法及 N. Ga rdner 和 S. D. P robert 提出的方法分别对全国的垃圾甲烷气体排放进行了统计计算 (表 2)。
从表 2 中可以知道, 两种方法所得的结果比较接近, 产量相当可观, 全国垃圾甲烷气体的 排放如果能够利用起来, 相当于 700 万 t 左右煤炭的能源潜力, 直接经济价值达 10 亿元, 同时 对环境保护所起的作用将更为可观。
按此公式计算 1t 垃圾填埋产甲烷气的量为: E CH 4 = 1 × 100◊ × 15◊ × 77◊ × (16 12) × 0. 5 = 0. 077t
(2)N. Ga rdner 和 S. D. P robert 提出的模式[4]:
∑ P = C dX F i (1 - e- ) K T t i
作者简介
徐新华, 男。 1988 年 9 月入北京大学技术物理系应用化学专业学习, 1992 年 7 月入北京大学环境化学专 业攻读硕士学位, 1995 年 7 月毕业, 获理学硕士, 同年入浙江大学环境科学与工程研究所工作。在北大期间主 要从事酸沉降的研究, 现主要承担中德合作项目“江浙沪地区温室气体减排技术评估”的研究, 以及省“九五” 科技重大课题“上浮型新型混凝剂工业应用试验研究”, 现已在国内外杂志及会议上发表论文 10 余篇。
表 1 某市垃圾组成情况 T ab le 1 T he com po sition of the rubb ish of a certain city
分 类
半衰期 (a)
降解系数 (a- 1)
F1
较易降解组分
1
一般降解组分
5
较难降解组分
15
0. 693 0. 139 0. 046
11. 39% 84. 36% 4. 25%
CALCULAT IO N O F THE PROD UCT IO N RATE O F M ETHANE IN RUBB ISH AND EST IM ATE O F THE RUBB ISH M ETHANE RESO URCE O F CH INA
Xu X inhua
( Institu te of E nv ironm en ta l S cience and E ng ineering , Z hej iang U n iversity , H ang z hou 310027)
1 垃圾填埋场甲烷气体产率
垃圾填埋场产气过程实际上就是微生物的厌氧发酵过程, 和其它厌氧分解过程相似, 从物 质的角度来看, 有机废弃物首先被微生物分解成一系列可溶性的分子态物质, 然后再将这些物 质降解成 H 2、CO 2 和各种酸, 这种酸然后转化为醋酸, 而上述三者是共同形成甲烷细菌生长环 境的基质。
66. 20 云 南
72
5. 54
5. 89
296
22. 79
24. 22 西 藏
2
0. 15
0. 16
341
26. 26
27. 90 陕 西
134
10. 32
10. 97
288
22. 18
23. 57 甘 肃
190
14. 63
15. 55
187
14. 40
15. 30 青 海
33
2. 54
2. 70
图 4 实际垃圾填埋场甲烷气累计产量示意图 F ig. 4 A sketch of the cum u la te ou tp u t of m ethane
in a rea l rubb ish dum p ing field
2 具体垃圾填埋场的甲烷气产率和产量计算
假设有一个垃圾填埋场规模为 100 万 t a; 库容量为 15a。 方法一: E CH 4 = 100×100% ×15% ×77% × (16 12) ×0. 5×15= 115. 5 万 t
垃圾填埋场, 即使是同一地区的不同垃圾填埋场其甲烷产率也不相同。基于我国在这方面的工 作还处于起步阶段, 有必要进行研究。
目前垃圾填埋场的甲烷气产率的计算主要有两种方法: 质量平衡和理论产气量模型; 理论 动力学模型。 下面就两种计算方法选择典型的例子进行比较分析与计算。
(1) 按 IPCC ( the In tergoverm en ta l Panel on C lim a te Change) Gu idelines 1995 推荐的经验 公式[3], 垃圾填埋场 CH 2 排放的计算公式如下:
92
自 然 资 源 学 报 12 卷
地 区
北 京 天 津 河 北 山 西 内蒙古 辽 宁 吉 林 黑龙江 上 海 江 苏 浙 江 安 徽 福 建 江 西 山 东 河 南
表 2 全国垃圾甲烷气潜力统计表 (1991) T ab le 2 Statistical tab le of CH 4 po ten tial from rubb ish in Ch ina (1991)
m ethane in the rubb ish dum p ing field
1 期 徐新华: 垃圾甲烷产率计算及全国垃圾甲烷气资源估算
91
图 3 实际垃圾填埋场甲烷气年产量示意图 F ig. 3 A sketch of the ou tp u t of m ethane
in a rea l rubb ish dum p ing field
图 1 垃圾填埋场甲烷气产率示意图 F ig. 1 A sketch of the p roduction ra te of m ethane
in the rubb ish dum p ing field
图 2 垃圾填埋场甲烷气累积产量示意图 F ig. 2 A sketch of the cum u la te ou tp u t of
方法二: 利用表 1 的数据来计算该垃圾填埋场甲烷气的年产量和累计产量 (图 3、4)。从图 中可知, 随着垃圾填埋场垃圾填埋量的逐步增加, 甲烷气的年产量也逐步增加。 达到库容量限 值时甲烷气的年产量达到最大。按此规模的垃圾填埋场, 可开采能力可达 30a。累计产量可达 122. 7 万 t。 每吨垃圾的实际产气率为 0. 082tCH 4, 说明垃圾填埋场甲烷气的开采利用前景相 当可观。
第 12 卷 第 1 期 1997 年 1 月
自 然 资 源 学 报
JOU RNAL O F NA TU RAL R ESOU RCES
V o l. 12 N o. 1 J an. , 1997
垃圾中甲烷产率计算及全国垃圾 甲烷气资源估算Ξ
徐新华
(浙江大学环境科学与工程研究所 杭州 310027)
提要 本文比较分析了几种常用的有关垃圾场甲烷气产率计算方法, 并详细计算了甲烷的产率 及累计产量, 在此基础上用一个比较实际的垃圾填埋场计算垃圾填埋过程中甲烷气的产率情况及累 计产量, 为垃圾填埋场的沼气发电提供了可靠的资料。 并用此方法计算了全国各省份垃圾的甲烷排 放量, 并大致计算了全国的垃圾中甲烷资源的潜力。
其中: P : 单位重量垃圾时间 t 内的甲烷排放量; C d: 垃圾中可降解的有机碳百分率; X : 填埋场 产气中 CH 4 的分额; F i: 各降解组分占有机碳的含量; K i: 各降解组分的降解系数 (a- 1) ; t: 填 埋时间, (a)。
按此公式计算具体某个城市的情况: X 按实际情况取 0. 58; C d 根据 IPCC 推荐取 0. 15; 根据上述数据计算甲烷气的年产率如图 1, 累计甲烷气的产量见图 2。从下图可知: 垃圾填 埋场堆放在第二年甲烷气的产率达到最大, 随后逐渐下降, 到 15a 之后甲烷的产率只是最大的 10% , 从累计产量图中我们同样可以看到, 15a 总产量曲线达到平缓, 达到 0. 075t。和第一种方 法所得的结果较为吻合。
关键词 垃圾 甲烷 产率 潜力
随着经济的发展和都市规模的扩大, 城市垃圾数量不断增长, 这正引起各国政府的重视, 全球每年新增垃圾 100 亿 t, 一些发达国家目前都处在垃圾的重围之中。以美国为例, 垃圾总量 急剧增加。从 1960 年到 1986 年, 生活垃圾总量从 0. 87 亿 t 猛增至 1. 5 亿 t。预计到 2000 年将 增加至 2 亿多 t。 我国城市垃圾的现状也不容乐观。 目前, 全国城市生活垃圾的年产量已达 7 000 多万 t。 而垃圾场中产生的 CH 4 所引起的温室效应相当严重, 江浙沪地区垃圾场排放的 CH 4 量已占该地区甲烷总排放量的 19% , 仅次于稻田 CH 4 排放量[1]。
337
25. 95
27. 58
287
22. 10
23. 49 广 西
76
5. 85
6. 22
238
18. 33
19. 48 海 南
22
1. 69
1. 80
800
61. 60
65. 47 四 川
299
23. 02
24. 47
508
39. 12
41. 57 贵 州
87
6. 70
7. 12
809
62. 29
其 中: E CH 4: 垃圾填埋场的甲烷排放量;M SW : 城市垃圾量 (M un icip a l So lid W a ste) ; Γ: 城市 垃圾填埋率; D O C : 垃圾中可降解有机碳的含量, IPCC 推荐值发展中国家为 15% ; 发达国家 为 22% , 本文用 15% ; r: 垃圾中可降解有机碳的分解百分率, IPCC 推荐为 77% (定为常数)。
CH 4 气体产量的主要影响因素很多, 包括固体废弃物的组成、颗粒的大小、填埋时间、含水
Ξ 收稿日期: 1996- 01- 15; 收到修改稿日期: 1996- 04- 08。
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自 然 资 源 学 报 12 卷
量、温度、pH 值等。 由于影响甲烷气体产率的影响因素众多, 给甲烷产率的计算带来了诸多困难。不同地区的
垃圾量 (万 t)
CH 4 排放量 (万 t) 方法一 方法二
地 区
垃圾量 (万 t)
CH 4 排放量 (万 t) 方法一 方法二
363
27. 9
29. 70 湖 北
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33. 88
36. 01
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18. 25 湖 南
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另一方面, 在本世纪经历的两次石油危机给人们敲响了另一警钟: 目前已探明的煤、石油、 天然气等矿物燃料, 只够人类使用 100 a, 这使得我们去寻找其他替代能源。在能源危机和环境 问题的双重影响下, 许多国家都相继开发利用垃圾填埋场的甲烷气体。1977 年, 世界上第一个 垃圾填埋场回收沼气系统在美国加利福尼亚南部的 Pa lo s V erd s 建立, 至 1991 年, 已有 20 个 国家的 242 个这种工程投入运行, 由此而替代的常规能源, 1989 年已相当于 120 万 t 石油[2]。 可见, 对垃圾填埋场甲烷气体的开发利用具有明显的社会效益和经济效益。许多国家对于这部 分能源开发给予政策性的支持和优惠, 对于这部分能源发电入网, 价格上给予相应的调整。
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587. 97 624. 87
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ห้องสมุดไป่ตู้
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参 考 文 献
1 徐新华等. 江苏省温室气体排放研究. 环境导报, 1996 (2). 2 范乐曾. 垃圾填埋场沼气的能源效益及其开发利用情况. 新能源, 1991, 13 (6) : 28～ 30. 3 IPCC, Gu idelines fo r N ational Greenhou se Gas Inven to ries. IPCC, P rin ted in F rance, 1995. 4 N. Gardner, S. D. P robert. Fo recasting landfiu- Gas Y ield s. A pp lied Energy, 1993, 44. 5 国家统计局. 中国统计年鉴 (1993). 北京: 中国统计出版社, 1993.
3 全国垃圾填埋场甲烷气产量潜力分析
以 1991 年为基准[5], 我们利用 IPCC Gu idelines (1995) 提供的方法及 N. Ga rdner 和 S. D. P robert 提出的方法分别对全国的垃圾甲烷气体排放进行了统计计算 (表 2)。
从表 2 中可以知道, 两种方法所得的结果比较接近, 产量相当可观, 全国垃圾甲烷气体的 排放如果能够利用起来, 相当于 700 万 t 左右煤炭的能源潜力, 直接经济价值达 10 亿元, 同时 对环境保护所起的作用将更为可观。
按此公式计算 1t 垃圾填埋产甲烷气的量为: E CH 4 = 1 × 100◊ × 15◊ × 77◊ × (16 12) × 0. 5 = 0. 077t
(2)N. Ga rdner 和 S. D. P robert 提出的模式[4]:
∑ P = C dX F i (1 - e- ) K T t i
作者简介
徐新华, 男。 1988 年 9 月入北京大学技术物理系应用化学专业学习, 1992 年 7 月入北京大学环境化学专 业攻读硕士学位, 1995 年 7 月毕业, 获理学硕士, 同年入浙江大学环境科学与工程研究所工作。在北大期间主 要从事酸沉降的研究, 现主要承担中德合作项目“江浙沪地区温室气体减排技术评估”的研究, 以及省“九五” 科技重大课题“上浮型新型混凝剂工业应用试验研究”, 现已在国内外杂志及会议上发表论文 10 余篇。
表 1 某市垃圾组成情况 T ab le 1 T he com po sition of the rubb ish of a certain city
分 类
半衰期 (a)
降解系数 (a- 1)
F1
较易降解组分
1
一般降解组分
5
较难降解组分
15
0. 693 0. 139 0. 046
11. 39% 84. 36% 4. 25%
CALCULAT IO N O F THE PROD UCT IO N RATE O F M ETHANE IN RUBB ISH AND EST IM ATE O F THE RUBB ISH M ETHANE RESO URCE O F CH INA
Xu X inhua
( Institu te of E nv ironm en ta l S cience and E ng ineering , Z hej iang U n iversity , H ang z hou 310027)
1 垃圾填埋场甲烷气体产率
垃圾填埋场产气过程实际上就是微生物的厌氧发酵过程, 和其它厌氧分解过程相似, 从物 质的角度来看, 有机废弃物首先被微生物分解成一系列可溶性的分子态物质, 然后再将这些物 质降解成 H 2、CO 2 和各种酸, 这种酸然后转化为醋酸, 而上述三者是共同形成甲烷细菌生长环 境的基质。
66. 20 云 南
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15. 30 青 海
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图 4 实际垃圾填埋场甲烷气累计产量示意图 F ig. 4 A sketch of the cum u la te ou tp u t of m ethane
in a rea l rubb ish dum p ing field
2 具体垃圾填埋场的甲烷气产率和产量计算
假设有一个垃圾填埋场规模为 100 万 t a; 库容量为 15a。 方法一: E CH 4 = 100×100% ×15% ×77% × (16 12) ×0. 5×15= 115. 5 万 t
垃圾填埋场, 即使是同一地区的不同垃圾填埋场其甲烷产率也不相同。基于我国在这方面的工 作还处于起步阶段, 有必要进行研究。
目前垃圾填埋场的甲烷气产率的计算主要有两种方法: 质量平衡和理论产气量模型; 理论 动力学模型。 下面就两种计算方法选择典型的例子进行比较分析与计算。
(1) 按 IPCC ( the In tergoverm en ta l Panel on C lim a te Change) Gu idelines 1995 推荐的经验 公式[3], 垃圾填埋场 CH 2 排放的计算公式如下:
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自 然 资 源 学 报 12 卷
地 区
北 京 天 津 河 北 山 西 内蒙古 辽 宁 吉 林 黑龙江 上 海 江 苏 浙 江 安 徽 福 建 江 西 山 东 河 南
表 2 全国垃圾甲烷气潜力统计表 (1991) T ab le 2 Statistical tab le of CH 4 po ten tial from rubb ish in Ch ina (1991)
m ethane in the rubb ish dum p ing field
1 期 徐新华: 垃圾甲烷产率计算及全国垃圾甲烷气资源估算
91
图 3 实际垃圾填埋场甲烷气年产量示意图 F ig. 3 A sketch of the ou tp u t of m ethane
in a rea l rubb ish dum p ing field
图 1 垃圾填埋场甲烷气产率示意图 F ig. 1 A sketch of the p roduction ra te of m ethane
in the rubb ish dum p ing field
图 2 垃圾填埋场甲烷气累积产量示意图 F ig. 2 A sketch of the cum u la te ou tp u t of
方法二: 利用表 1 的数据来计算该垃圾填埋场甲烷气的年产量和累计产量 (图 3、4)。从图 中可知, 随着垃圾填埋场垃圾填埋量的逐步增加, 甲烷气的年产量也逐步增加。 达到库容量限 值时甲烷气的年产量达到最大。按此规模的垃圾填埋场, 可开采能力可达 30a。累计产量可达 122. 7 万 t。 每吨垃圾的实际产气率为 0. 082tCH 4, 说明垃圾填埋场甲烷气的开采利用前景相 当可观。
第 12 卷 第 1 期 1997 年 1 月
自 然 资 源 学 报
JOU RNAL O F NA TU RAL R ESOU RCES
V o l. 12 N o. 1 J an. , 1997
垃圾中甲烷产率计算及全国垃圾 甲烷气资源估算Ξ
徐新华
(浙江大学环境科学与工程研究所 杭州 310027)
提要 本文比较分析了几种常用的有关垃圾场甲烷气产率计算方法, 并详细计算了甲烷的产率 及累计产量, 在此基础上用一个比较实际的垃圾填埋场计算垃圾填埋过程中甲烷气的产率情况及累 计产量, 为垃圾填埋场的沼气发电提供了可靠的资料。 并用此方法计算了全国各省份垃圾的甲烷排 放量, 并大致计算了全国的垃圾中甲烷资源的潜力。
其中: P : 单位重量垃圾时间 t 内的甲烷排放量; C d: 垃圾中可降解的有机碳百分率; X : 填埋场 产气中 CH 4 的分额; F i: 各降解组分占有机碳的含量; K i: 各降解组分的降解系数 (a- 1) ; t: 填 埋时间, (a)。
按此公式计算具体某个城市的情况: X 按实际情况取 0. 58; C d 根据 IPCC 推荐取 0. 15; 根据上述数据计算甲烷气的年产率如图 1, 累计甲烷气的产量见图 2。从下图可知: 垃圾填 埋场堆放在第二年甲烷气的产率达到最大, 随后逐渐下降, 到 15a 之后甲烷的产率只是最大的 10% , 从累计产量图中我们同样可以看到, 15a 总产量曲线达到平缓, 达到 0. 075t。和第一种方 法所得的结果较为吻合。
关键词 垃圾 甲烷 产率 潜力
随着经济的发展和都市规模的扩大, 城市垃圾数量不断增长, 这正引起各国政府的重视, 全球每年新增垃圾 100 亿 t, 一些发达国家目前都处在垃圾的重围之中。以美国为例, 垃圾总量 急剧增加。从 1960 年到 1986 年, 生活垃圾总量从 0. 87 亿 t 猛增至 1. 5 亿 t。预计到 2000 年将 增加至 2 亿多 t。 我国城市垃圾的现状也不容乐观。 目前, 全国城市生活垃圾的年产量已达 7 000 多万 t。 而垃圾场中产生的 CH 4 所引起的温室效应相当严重, 江浙沪地区垃圾场排放的 CH 4 量已占该地区甲烷总排放量的 19% , 仅次于稻田 CH 4 排放量[1]。
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