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℃，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%（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
图1 沼气竖井结构示意图
B单元进行完上述处理后，分别在A、B两单元上打一个直径为500毫米的沼气井，井内安装400毫米的PVC管，管壁上钻有φ15毫米均匀排列孔，PVC管处包缠尼龙丝网布，PVC管与井壁之间填充φ1-2厘米的砾石。

地表上层半米以井为中心辐射半径一米的范围用混凝土封好，井口按阀门，进行抽气试验（沼气竖井如图1所示）。

抽出沼气的成份如下表：
表二不同填埋单元产生的沼气成分对照表
可见经压实、覆土处理的垃圾产生的沼气中甲烷浓度明显高于未经处理的垃圾。

3、收集系统防冻技术试验
沼气中含有饱和蒸气，冬季由于北方室外气温较低，这些水蒸气在管路内遇冷结冰，从而堵塞管路，造成输气不畅。

北方寒冷地区冻层在米左右，通过试验对比，主要采取如下措施防止沼气收集系统冻坏。

a 管路的防冻：在管路外包裹聚氨脂防冻材料，将其铺于地面2米以下。

b 在厂房内安装取暖设施。

c 含有饱和水蒸气的沼气经净化系统两级净化除水后，变为干燥气体。

4、沼气发电机功率与产生沼气量匹配的研究
牡丹江市郭家沟垃圾处理厂占地总面积约1300亩，于1998年投入运行，每年处理约30万吨垃圾，目前已填垃圾约180万吨。

通过打井对沼气产生量和组分进行测定，在28000平方米范围内，平均每天可回收的沼气总量是4680立方米，气体中甲烷浓度为30~40%（体积百分比），净化后气体中甲烷浓度≥60%时，气体体积减少约50%，约为2640立方米，通过市场调研与类比，我们选择50千瓦发电机组，每小时消耗35立方米沼气（甲烷浓度为50%-60%），每天按24小时计算消耗沼气840立方米，垃圾场每天产生的沼气可以满足所用沼气量。

5、工艺路线的设计
整个工艺流程分为气体收集系统、净化系统、燃气机发电。

如下图所示：
图2 沼气发电工艺流程图
气体收集系统
在28000平方米范围内安装了15口沼气井（结构如图1所示）。

井间距平均为50米，沼气收集管道埋入地下；用高密度聚乙烯（HDPE）材料将这些井连接形成网络，气体由各
支管汇集至集气干管，再由萝茨风机送往净化装置，采用干式储存罐储存甲烷。

净化系统
该工艺采用冷干机及过滤器双重除水；原料气经双效过滤器、LFG压缩机及无热再生干燥装置处理后，进入储气罐进行稳压，经调压阀、球阀、进气气动阀进入A、B两个吸附塔，经A、B两个塔交替进行加压-吸附，减压-解析，如此不断循环产出浓缩的甲烷。

首次将国产净化技术和发电设备应用于沼气发电工艺，节约了资金，并取得了较理想的净化效果，为沼气发电设备国产化奠定了基础。

燃气机发电
气体经过机组配备的过滤器进入燃气机，燃烧膨胀推动活塞做功，带动曲轴转动，通过发电机送出电能。

燃气机废气经排气管、消音器、烟囱排出厂房外。

发出的电额定功率为50kw。

电力经双电源控制柜送往用电器，双电源控制柜起到国家电与自发电的自动切换作用。

6、整个发电系统的安全防护
沼气发电主要是用甲烷做燃料进行发电，甲烷是一种无色无味的气体，密度是m3，甲烷可以和氧气发生化学反应同时放出大量的热。

甲烷和空气混合后，在5%—15%的范围极易爆炸，甲烷的燃点是650℃，明火、电火花、吸烟，甚至撞击磨擦产生的火花，都可以引燃。

所用的填埋气是从垃圾
填埋场获取的，其中混有二氧化碳，氮气、氧气及其它气体，所以在整个抽气、净化、发电的过程中，要特别注意安全，避免发生爆炸、燃烧等事故发生。

为了防止发生安全事故，我们采取如下措施：
a气井检查
每次抽气前用便携式气体检测仪检测各个气井，至少检测两次。

b 室内通风
甲烷密度（m3）大约为空气的倍，容易在密闭空间内聚集，因此在净化和发电机房内安装两台轴流风机，工作时进行不间断的换气，避免甲烷在房内积聚。

c设置报警器
在机房内的两个不同位置安装甲烷报警器，当室内甲烷的浓度大于 1%时，即发出报警停机信号。

d杜绝火源
在整个工作区内禁止吸烟弄火。

e严格按照填埋标准进行填埋，在填埋垃圾之前必须了解填埋坑的四周土质，必要时可采用特殊材料做成阻挡层，阻止气体向邻近土层迁移。

四、结束语
进入21世纪的今天，全球重视环境保护并追求持续发展的先进国家在能源政策措施上皆朝向使用洁净能源、全方
位推广再生能源方面发展，并减少对石化燃料的依赖，降低污染排放并促使温室效应气体的排放减量。

随着我国社会经济的发展，城市化进程的加快和城市人口的增加，垃圾中有机物含量逐年提高，城市垃圾产量也相应增多，从而导致填埋场的CH4排放量迅速增加，如果不能得到及时有效的控制和利用，CH4产生温室效应将使全球环境恶化，严重影响人们身心健康，造成的影响和损失不可估量。

而且近十年来，由填埋场产生的沼气所造成的直接危害性也越来越大，沼气通过填埋场附近的土壤集结于地下，在建筑物附近流动或燃烧，引起火灾，摧毁建筑物，造成的伤亡很大，所以充分利用垃圾填埋气这种再生能源发电，不但使沼气得到有序的控制和排放，大大减少逸散到大气中的填埋气量和有毒气体排放，降低危险性，提高填埋场运行的安全性，同时还减少了温室气体的排放，保护人类共同的臭氧层，显着改善大气质量。

在取得环境效益的同时还带来经济效益，真正实现垃圾处理的无害化和资源化。