垃圾场沼气发电技术的应用

牡丹江市垃圾场沼气发电技术的研究

一、垃圾场沼气发电的目的和意义

随着世界能源危机的日益严重及全球可持续发展的迫切需要，人们越来越认识到开发再生能源、解决日趋紧张能源问题的重要性。开发再生能源，不仅有助于减轻温室效应，促进生态良性循环，而且可替代部分石油和煤炭等燃料，成为解决能源问题的一种重要途径。因此，开发具有无污染、价格底等特点的新型清洁能源，越来越受到国家的重视。垃圾场沼气的综合利用就是其中之一。

目前，国内外主要采用卫生填埋、堆肥和焚烧三种方法处理生活垃圾，其中卫生填埋在三种处理方式中所占比例最大。生活垃圾在填埋过程中会产生一定数量的垃圾沼气。这些气体，如果不采取处理措施，直接排放到大气中，将是极大的隐患：一是通过迁移溢散到空气中，极易导致人窒息、火灾和爆炸，造成人员伤亡；二是对大气环境造成二次污染，导致生态失衡；三是因其是一种温室气体，极易破坏臭氧层，直接影响人类的健康与生存。因此，世界各国都投入了大量人力和物力，进行此方面的研究。

对垃圾场沼气进行回收、利用垃圾场沼气发电的技术研究与开发，在我国尚处于起步阶段。尤其是在北方寒冷地区，利用垃圾场沼气发电的技术尚属空白。因此，进行此方面的

研究与开发，探索出一条符合国情、适合北方寒冷地区利用垃圾场沼气发电技术的工艺路线显得尤为重要。

二、国内外研究概况

二十世纪五十年代，我国主要对农村利用沼气技术进行了大量研究。随着垃圾卫生填埋法在世界范围内的广泛应用和垃圾卫生填埋场不断增加，垃圾场沼气爆炸现象时有发生。因此，人们开始着手研究垃圾场沼气的利用。

我国开展沼气的研究始于上世纪八十年代，1998年，全国沼气发电量仅为105.516万千瓦时。1998年，杭州天子岭垃圾填埋场沼气发电厂建成投产并发电，成为我国首座示范性垃圾沼气发电厂。它的成功，标志着我国垃圾场沼气利用技术进入了由排空处理发展为综合利用的崭新阶段。随后南京、鞍山等城市也利用世行赠款进行了垃圾场沼气发电技术的研究，广州、深圳等城市也先后建成了垃圾沼气发电厂。

国外，利用垃圾场沼气发电的技术始于二十世纪七十年代，截止目前，世界上利用这项技术建设并投入运行的电厂与装置已有140多座，以美国、英国、德国和加拿大拥有量最多。迄2001年为止，美国已有325个垃圾填埋场制定了沼气发电计划，预计将来会有700-750个计划得以执行。2010年，英国利用再生能源，为全国提供了总用电量10%的电力，预计到2020年，对全英国用电量的贡献率可达到

20%。发达国家对垃圾场沼气发电技术的研究已经成熟，已走在世界的前列。

三、牡丹江市垃圾场沼气发电技术的研究和设计情况

为开展牡丹江市垃圾场沼气发电技术的研究，我们查阅了大量国内外相关资料，同时在国内进行了广泛的调研，聘请了多位国内从事该领域研究的专家，并选择牡丹江市郭家沟垃圾场作为基地。根据实际情况，对整个工程项目进行了缜密的计划和安排。工程项目共分为六个部分，即：沼气净化技术研究、沼气收集系统防冻技术研究、“气田化技术”研究、沼气发电机功率与垃圾场沼气量匹配的研究、工艺路线的设计和发电系统的安全防护。

（一）净化技术研究

1、净化沼气分为三个部分：提高甲烷浓度、提高沼气热值和去除硫化氢。

（1）提高甲烷浓度：垃圾填埋后经厌氧反应产生沼气，既有潜在危险，又污染空气，同时也是可利用能源。利用垃圾场沼气发电，需要较高浓度的甲烷，才能满足发电的热值要求。南方地区，经济发达，垃圾成分中有机物含量较高（见表一），气温偏高，该区域垃圾场产生的沼气中甲烷浓度亦较高（≥50%），经稍加处理就能用作发电。但是，牡丹江市地处北方寒冷地区，垃圾成分中有机物含量略低，常年平均温度3.7℃，最低气温-34℃，气温偏低。经实际监测，郭家

沟垃圾场产生的沼气中甲烷浓度较低（≤40%），需净化浓缩后才能供发电机发电。

表一：

不同城市垃圾成分调查表

（2）提高沼气热值：天然气与垃圾场沼气相比，具有纯度高、燃烧热值高等优点。作为动力燃料，天然气燃烧速度比汽油和柴油都低，会使发动机动力性和燃料经济性降低，同时由于排气温度低，会使气缸过度磨损，降低使用寿命。垃圾经厌氧反应产生的沼气，燃烧热值只能达到天然气燃烧热值的50%，同时含有CO2和H2O等成分，作为燃料，就会使发动机功率大幅度下降。因此，必须净化去除垃圾场沼气中的CO2和H2O，提高甲烷含量，保证发动机的功率正常发挥。

（3）去除硫化氢：大多数有机物厌氧分解时会产生

0.3---2%（3-20000ppm）的H2S，H2S对金属设备具有较大的腐蚀作用。目前，大多数发动机接触H2S的极限量是200ppm，因此要去除垃圾场沼气中的H2S，将H2S在沼气中的含量比重控制在允许范围内，这就需要慎重选择分离方法。

目前沼气净化分离方法主要有吸附解吸法、化学吸附法和膜分离法，而吸附解吸法又分为变温吸附和变压吸附。我们通过比较分析选择了变压吸附法。变压吸附是在一定温度下，利用分子筛对沼气各组分的吸附性能存在差异，使得进气时甲烷等轻质气体迅速穿过吸附柱，而二氧化碳和氧气等气体被滞留在吸附柱内。当二氧化碳等吸附质将要穿透吸附柱时停止进气，利用产品气进行降压吹脱，把二氧化碳等杂质从吸附柱进口吹出，使吸附柱得到再生，最后吸附柱出口端甲烷等轻质气体得到浓缩，从而实现沼气浓缩。与其它分离方法相比，变压吸附法有如下优点：

A、耗能低且工作压力低，鼓风机即可增压。

B、有良好适应性。如进气组成和处理量波动时，变压吸附装置稍加调节即可适应。

C、吸附剂使用时间长，一般十年以上，并且稍加吸附剂就可延长使用，检修方便，开工率高。

D、设备在常温下运行操作方便。

E、可自动化连续进行操作。

(二)“气田化技术”研究

在监测垃圾场沼气甲烷含量时，我们发现未经压实的区域沼气中甲烷含量低于压实程度好的区域。因此，我们选择A、B 两个填埋单元作对比试验。每个单元占地面积30平方米，垃圾层平均深度为15米，A单元填埋时不做任何处理，B单元填埋时做如下处理进行对比试验：

（1）增加填埋的密封性

在填埋区四周用粘土筑一挡土坝，构成“密封圈”，防止空气中氧气进入垃圾层，加大垃圾层内的厌氧程度。

b、通过压实增加垃圾的密度，在填埋过程中，不断用压实机压实，使填埋垃圾层的密度达到0.8吨/立方米以上。

c、覆盖：垃圾填完后，其上覆盖30厘米粘土，并进行压实处理。

垃

圾

层