垃圾場沼氣發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

1、牡丹江市垃圾場沼氣發(fā)電技術(shù)的研究一、垃圾場沼氣發(fā)電的目的和意義隨著世界能源危機(jī)的日益嚴(yán)重及全球可持續(xù)發(fā)展的迫切需要，人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到開發(fā)再生能源、解決日趨緊張能源問題的重要性。開發(fā)再生能源，不僅有助于減輕溫室效應(yīng)，促進(jìn)生態(tài)良性循環(huán)，而且可替代部分石油和煤炭等燃料，成為解決能源問題的一種重要途徑。因此，開發(fā)具有無污染、價(jià)格底等特點(diǎn)的新型清潔能源，越來越受到國家的重視。垃圾場沼氣的綜合利用就是其中之一。目前，國內(nèi)外主要采用衛(wèi)生填埋、堆肥和焚燒三種方法處理生活垃圾，其中衛(wèi)生填埋在三種處理方式中所占比例最大。生活垃圾在填埋過程中會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的垃圾沼氣。這些氣體，如果不采取處理措施，直接排放到大氣中，

2、將是極大的隱患：一是通過遷移溢散到空氣中，極易導(dǎo)致人窒息、火災(zāi)和爆炸，造成人員傷亡；二是對(duì)大氣環(huán)境造成二次污染，導(dǎo)致生態(tài)失衡；三是因其是一種溫室氣體，極易破壞臭氧層，直接影響人類的健康與生存。因此，世界各國都投入了大量人力和物力，進(jìn)行此方面的研究。對(duì)垃圾場沼氣進(jìn)行回收、利用垃圾場沼氣發(fā)電的技術(shù)研究與開發(fā)，在我國尚處于起步階段。尤其是在北方寒冷地區(qū)，利用垃圾場沼氣發(fā)電的技術(shù)尚屬空白。因此，進(jìn)行此方面的研究與開發(fā)，探索出一條符合國情、適合北方寒冷地區(qū)利用垃圾場沼氣發(fā)電技術(shù)的工藝路線顯得尤為重要。二、國內(nèi)外研究概況二十世紀(jì)五十年代，我國主要對(duì)農(nóng)村利用沼氣技術(shù)進(jìn)行了大量研究。隨著垃圾衛(wèi)生填埋法在世界范

3、圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用和垃圾衛(wèi)生填埋場不斷增加，垃圾場沼氣爆炸現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此，人們開始著手研究垃圾場沼氣的利用。我國開展沼氣的研究始于上世紀(jì)八十年代，1998年，全國沼氣發(fā)電量僅為105.516萬千瓦時(shí)。1998年，杭州天子嶺垃圾填埋場沼氣發(fā)電廠建成投產(chǎn)并發(fā)電，成為我國首座示范性垃圾沼氣發(fā)電廠。它的成功，標(biāo)志著我國垃圾場沼氣利用技術(shù)進(jìn)入了由排空處理發(fā)展為綜合利用的嶄新階段。隨后南京、鞍山等城市也利用世行贈(zèng)款進(jìn)行了垃圾場沼氣發(fā)電技術(shù)的研究，廣州、深圳等城市也先后建成了垃圾沼氣發(fā)電廠。國外，利用垃圾場沼氣發(fā)電的技術(shù)始于二十世紀(jì)七十年代，截止目前，世界上利用這項(xiàng)技術(shù)建設(shè)并投入運(yùn)行的電廠與裝置已有140多

4、座，以美國、英國、德國和加拿大擁有量最多。迄2001年為止，美國已有325個(gè)垃圾填埋場制定了沼氣發(fā)電計(jì)劃，預(yù)計(jì)將來會(huì)有700-750個(gè)計(jì)劃得以執(zhí)行。2010年，英國利用再生能源，為全國提供了總用電量10%的電力，預(yù)計(jì)到2020年，對(duì)全英國用電量的貢獻(xiàn)率可達(dá)到20%。發(fā)達(dá)國家對(duì)垃圾場沼氣發(fā)電技術(shù)的研究已經(jīng)成熟，已走在世界的前列。三、牡丹江市垃圾場沼氣發(fā)電技術(shù)的研究和設(shè)計(jì)情況為開展牡丹江市垃圾場沼氣發(fā)電技術(shù)的研究，我們查閱了大量國內(nèi)外相關(guān)資料，同時(shí)在國內(nèi)進(jìn)行了廣泛的調(diào)研，聘請(qǐng)了多位國內(nèi)從事該領(lǐng)域研究的專家，并選擇牡丹江市郭家溝垃圾場作為基地。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目進(jìn)行了縝密的計(jì)劃和安排。工程

5、項(xiàng)目共分為六個(gè)部分，即：沼氣凈化技術(shù)研究、沼氣收集系統(tǒng)防凍技術(shù)研究、“氣田化技術(shù)”研究、沼氣發(fā)電機(jī)功率與垃圾場沼氣量匹配的研究、工藝路線的設(shè)計(jì)和發(fā)電系統(tǒng)的安全防護(hù)。（一）凈化技術(shù)研究 1、凈化沼氣分為三個(gè)部分：提高甲烷濃度、提高沼氣熱值和去除硫化氫。 （1）提高甲烷濃度：垃圾填埋后經(jīng)厭氧反應(yīng)產(chǎn)生沼氣，既有潛在危險(xiǎn)，又污染空氣，同時(shí)也是可利用能源。利用垃圾場沼氣發(fā)電，需要較高濃度的甲烷，才能滿足發(fā)電的熱值要求。南方地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，垃圾成分中有機(jī)物含量較高（見表一），氣溫偏高，該區(qū)域垃圾場產(chǎn)生的沼氣中甲烷濃度亦較高（50%），經(jīng)稍加處理就能用作發(fā)電。但是，牡丹江市地處北方寒冷地區(qū)，垃圾成分中有機(jī)物

6、含量略低，常年平均溫度3.7，最低氣溫-34，氣溫偏低。經(jīng)實(shí)際監(jiān)測，郭家溝垃圾場產(chǎn)生的沼氣中甲烷濃度較低（40%），需凈化濃縮后才能供發(fā)電機(jī)發(fā)電。表一 ： 不同城市垃圾成分調(diào)查表城市名稱有機(jī)物%無機(jī)物%其它%廣州60.117.1222.71深圳552025哈爾濱46.6234.7418.64牡丹江46.9535.0318.02（2）提高沼氣熱值：天然氣與垃圾場沼氣相比，具有純度高、燃燒熱值高等優(yōu)點(diǎn)。作為動(dòng)力燃料，天然氣燃燒速度比汽油和柴油都低，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性降低，同時(shí)由于排氣溫度低，會(huì)使氣缸過度磨損，降低使用壽命。垃圾經(jīng)厭氧反應(yīng)產(chǎn)生的沼氣，燃燒熱值只能達(dá)到天然氣燃燒熱值的50%，

7、同時(shí)含有CO2和H2O等成分，作為燃料，就會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)功率大幅度下降。因此，必須凈化去除垃圾場沼氣中的CO2和 H2O，提高甲烷含量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的功率正常發(fā)揮。（3）去除硫化氫：大多數(shù)有機(jī)物厭氧分解時(shí)會(huì)產(chǎn)生0.3-2%（3-20000ppm）的H2S，H2S對(duì)金屬設(shè)備具有較大的腐蝕作用。目前，大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)接觸H2S的極限量是200ppm，因此要去除垃圾場沼氣中的H2S，將H2S在沼氣中的含量比重控制在允許范圍內(nèi)，這就需要慎重選擇分離方法。目前沼氣凈化分離方法主要有吸附解吸法、化學(xué)吸附法和膜分離法，而吸附解吸法又分為變溫吸附和變壓吸附。我們通過比較分析選擇了變壓吸附法。變壓吸附是在一定溫度下，利用

8、分子篩對(duì)沼氣各組分的吸附性能存在差異，使得進(jìn)氣時(shí)甲烷等輕質(zhì)氣體迅速穿過吸附柱，而二氧化碳和氧氣等氣體被滯留在吸附柱內(nèi)。當(dāng)二氧化碳等吸附質(zhì)將要穿透吸附柱時(shí)停止進(jìn)氣，利用產(chǎn)品氣進(jìn)行降壓吹脫，把二氧化碳等雜質(zhì)從吸附柱進(jìn)口吹出，使吸附柱得到再生，最后吸附柱出口端甲烷等輕質(zhì)氣體得到濃縮，從而實(shí)現(xiàn)沼氣濃縮。與其它分離方法相比，變壓吸附法有如下優(yōu)點(diǎn)：A、耗能低且工作壓力低，鼓風(fēng)機(jī)即可增壓。B、有良好適應(yīng)性。如進(jìn)氣組成和處理量波動(dòng)時(shí)，變壓吸附裝置稍加調(diào)節(jié)即可適應(yīng)。C、吸附劑使用時(shí)間長，一般十年以上，并且稍加吸附劑就可延長使用，檢修方便，開工率高。D、設(shè)備在常溫下運(yùn)行操作方便。E、可自動(dòng)化連續(xù)進(jìn)行操作。(二)“

9、氣田化技術(shù)”研究在監(jiān)測垃圾場沼氣甲烷含量時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)未經(jīng)壓實(shí)的區(qū)域沼氣中甲烷含量低于壓實(shí)程度好的區(qū)域。因此，我們選擇A、B 兩個(gè)填埋單元作對(duì)比試驗(yàn)。每個(gè)單元占地面積30平方米，垃圾層平均深度為15米，A單元填埋時(shí)不做任何處理，B單元填埋時(shí)做如下處理進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)：（1）增加填埋的密封性在填埋區(qū)四周用粘土筑一擋土壩，構(gòu)成“密封圈”，防止空氣中氧氣進(jìn)入垃圾層，加大垃圾層內(nèi)的厭氧程度。b、通過壓實(shí)增加垃圾的密度，在填埋過程中，不斷用壓實(shí)機(jī)壓實(shí)，使填埋垃圾層的密度達(dá)到0.8噸/立方米以上。c、覆蓋：垃圾填完后，其上覆蓋30厘米粘土，并進(jìn)行壓實(shí)處理。200mm 垃圾層 500mm圖1 沼氣豎井結(jié)構(gòu)示意圖B

10、單元進(jìn)行完上述處理后，分別在A、B兩單元上打一個(gè)直徑為500毫米的沼氣井，井內(nèi)安裝400毫米的PVC管，管壁上鉆有15毫米均勻排列孔，PVC管處包纏尼龍絲網(wǎng)布，PVC管與井壁之間填充1-2厘米的礫石。地表上層半米以井為中心輻射半徑一米的范圍用混凝土封好，井口按閥門，進(jìn)行抽氣試驗(yàn)（沼氣豎井如圖1所示）。抽出沼氣的成份如下表： 表二 不同填埋單元產(chǎn)生的沼氣成分對(duì)照表組分單元CH4（%v）CO2（%v）空氣（%v）A單元30-3119-3167-79B單元40-5543-5645-56可見經(jīng)壓實(shí)、覆土處理的垃圾產(chǎn)生的沼氣中甲烷濃度明顯高于未經(jīng)處理的垃圾。3、收集系統(tǒng)防凍技術(shù)試驗(yàn) 沼氣中含有飽和蒸氣，

11、冬季由于北方室外氣溫較低，這些水蒸氣在管路內(nèi)遇冷結(jié)冰，從而堵塞管路，造成輸氣不暢。北方寒冷地區(qū)凍層在1.8米左右，通過試驗(yàn)對(duì)比，主要采取如下措施防止沼氣收集系統(tǒng)凍壞。a 管路的防凍：在管路外包裹聚氨脂防凍材料，將其鋪于地面2米以下。b 在廠房內(nèi)安裝取暖設(shè)施。c 含有飽和水蒸氣的沼氣經(jīng)凈化系統(tǒng)兩級(jí)凈化除水后，變?yōu)楦稍餁怏w。4、沼氣發(fā)電機(jī)功率與產(chǎn)生沼氣量匹配的研究牡丹江市郭家溝垃圾處理廠占地總面積約1300畝，于1998年投入運(yùn)行，每年處理約30萬噸垃圾，目前已填垃圾約180萬噸。通過打井對(duì)沼氣產(chǎn)生量和組分進(jìn)行測定，在28000平方米范圍內(nèi)，平均每天可回收的沼氣總量是4680立方米，氣體中甲烷濃度

12、為3040%（體積百分比），凈化后氣體中甲烷濃度60%時(shí)，氣體體積減少約50%，約為2640立方米，通過市場調(diào)研與類比，我們選擇50千瓦發(fā)電機(jī)組，每小時(shí)消耗35立方米沼氣（甲烷濃度為50%-60%），每天按24小時(shí)計(jì)算消耗沼氣840立方米，垃圾場每天產(chǎn)生的沼氣可以滿足所用沼氣量。5、工藝路線的設(shè)計(jì)整個(gè)工藝流程分為氣體收集系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電。如下圖所示：沼氣井 泵房 穩(wěn)定罐 沼氣凈化設(shè)備 儲(chǔ)存罐 發(fā)電機(jī)組 用戶圖2 沼氣發(fā)電工藝流程圖5.1氣體收集系統(tǒng) 在28000平方米范圍內(nèi)安裝了15口沼氣井（結(jié)構(gòu)如圖1所示）。井間距平均為50米，沼氣收集管道埋入地下；用高密度聚乙烯（HDPE）材料將

13、這些井連接形成網(wǎng)絡(luò)，氣體由各支管匯集至集氣干管，再由蘿茨風(fēng)機(jī)送往凈化裝置，采用干式儲(chǔ)存罐儲(chǔ)存甲烷。5.2凈化系統(tǒng)該工藝采用冷干機(jī)及過濾器雙重除水；原料氣經(jīng)雙效過濾器、LFG壓縮機(jī)及無熱再生干燥裝置處理后，進(jìn)入儲(chǔ)氣罐進(jìn)行穩(wěn)壓，經(jīng)調(diào)壓閥、球閥、進(jìn)氣氣動(dòng)閥進(jìn)入A、B兩個(gè)吸附塔，經(jīng)A、B兩個(gè)塔交替進(jìn)行加壓-吸附，減壓-解析，如此不斷循環(huán)產(chǎn)出濃縮的甲烷。首次將國產(chǎn)凈化技術(shù)和發(fā)電設(shè)備應(yīng)用于沼氣發(fā)電工藝，節(jié)約了資金，并取得了較理想的凈化效果，為沼氣發(fā)電設(shè)備國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。5.3燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電氣體經(jīng)過機(jī)組配備的過濾器進(jìn)入燃?xì)鈾C(jī)，燃燒膨脹推動(dòng)活塞做功，帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過發(fā)電機(jī)送出電能。燃?xì)鈾C(jī)廢氣經(jīng)排氣管、消音器、

14、煙囪排出廠房外。發(fā)出的電額定功率為50kw。電力經(jīng)雙電源控制柜送往用電器，雙電源控制柜起到國家電與自發(fā)電的自動(dòng)切換作用。6、整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的安全防護(hù)沼氣發(fā)電主要是用甲烷做燃料進(jìn)行發(fā)電，甲烷是一種無色無味的氣體，密度是0.72kg/m3，甲烷可以和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)同時(shí)放出大量的熱。甲烷和空氣混合后，在5%15%的范圍極易爆炸，甲烷的燃點(diǎn)是650，明火、電火花、吸煙，甚至撞擊磨擦產(chǎn)生的火花，都可以引燃。所用的填埋氣是從垃圾填埋場獲取的，其中混有二氧化碳，氮?dú)狻⒀鯕饧捌渌鼩怏w，所以在整個(gè)抽氣、凈化、發(fā)電的過程中，要特別注意安全，避免發(fā)生爆炸、燃燒等事故發(fā)生。為了防止發(fā)生安全事故，我們采取如下措施：a氣

15、井檢查每次抽氣前用便攜式氣體檢測儀檢測各個(gè)氣井，至少檢測兩次。b 室內(nèi)通風(fēng)甲烷密度（0.72kg/m3）大約為空氣的0.55倍，容易在密閉空間內(nèi)聚集，因此在凈化和發(fā)電機(jī)房內(nèi)安裝兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，工作時(shí)進(jìn)行不間斷的換氣，避免甲烷在房內(nèi)積聚。c設(shè)置報(bào)警器在機(jī)房內(nèi)的兩個(gè)不同位置安裝甲烷報(bào)警器，當(dāng)室內(nèi)甲烷的濃度大于 1%時(shí)，即發(fā)出報(bào)警停機(jī)信號(hào)。d杜絕火源在整個(gè)工作區(qū)內(nèi)禁止吸煙弄火。e嚴(yán)格按照填埋標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行填埋，在填埋垃圾之前必須了解填埋坑的四周土質(zhì)，必要時(shí)可采用特殊材料做成阻擋層，阻止氣體向鄰近土層遷移。四、結(jié)束語進(jìn)入21世紀(jì)的今天，全球重視環(huán)境保護(hù)并追求持續(xù)發(fā)展的先進(jìn)國家在能源政策措施上皆朝向使用潔凈能源、全方位推廣再生能源方面發(fā)展，并減少對(duì)石化燃料的依賴，降低污染排放并促使溫室效應(yīng)氣體的排放減量。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快和城市人口的增加，垃圾中有機(jī)物含量逐年提高，城市垃圾產(chǎn)量也相應(yīng)增多，從而導(dǎo)致填埋場的CH4排放量迅速增加，如果不能得到及時(shí)有效的控制和利用，CH4產(chǎn)生溫室效應(yīng)將使全球環(huán)境惡化，嚴(yán)重影響人們身