[科普中國]-垃圾填埋氣發(fā)電

簡介

目前垃圾填埋是我國城市解決生活垃圾的主要方法, 截止2005年底全國共有356座生活垃圾填埋場,9 0% 的城市生活垃圾采用填埋處理。根據(jù)工程措施是否標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)保要求能否達(dá)標(biāo)來判定, 分為簡易填埋場、受控填埋場和衛(wèi)生填埋場3 個(gè)等級。

垃圾填埋氣是生活垃圾填埋后, 經(jīng)過微生物分解, 產(chǎn)生的以甲烷和二氧化碳為主要成分的混合氣體,L F G 為垃圾填埋氣英文縮寫( L al d ifl l g a 、)。一般垃圾填埋氣甲烷比例為45 % 一65 %, 二氧化碳比例為35 % 一5 %, 其余為空氣、硫化氫和微量氣體, 低位熱值在18 M J/ m 3-24 MJ m/ 3左右。垃圾填埋氣產(chǎn)量和利用受諸多因素影響, 包括現(xiàn)場環(huán)境條件、垃圾廠規(guī)模、垃圾組份、填埋時(shí)間、沉積情況和氣體收集管理措施等。垃圾廠填埋氣發(fā)電具有以下有利條件:

( l) 垃圾填埋氣回收利用經(jīng)濟(jì)效益好。

( 2 ) 我國生活垃圾的組成適合實(shí)施垃圾填埋氣的利用工程。

( 3 ) 城市垃圾的集中處理處置, 可促進(jìn)垃圾填埋氣的回收利用。

( 4 ) 國家政策的支持, 包括上網(wǎng)發(fā)電流程、全額收購、財(cái)政補(bǔ)貼。

( 5 ) 國際合作的增加, 為垃圾填埋氣的利用提供了先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和資金1。

填埋氣的組成和性質(zhì)垃圾填埋場可以被概化為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，其主要輸入項(xiàng)為垃圾和水，主要輸出項(xiàng)為滲濾液和填埋氣，二者的產(chǎn)生是填埋場內(nèi)生物、化學(xué)和物理過程共同作用的結(jié)果。垃圾填埋氣((Landfill Gas，簡稱LFG)主要是填埋垃圾中可生物降解有機(jī)物在微生物作用下的產(chǎn)物。

填埋氣的產(chǎn)氣原理填埋氣的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過程，其生物化學(xué)原理至今尚未完全闡明。通過綜合國內(nèi)外對填埋各時(shí)期填埋氣組分變化規(guī)律的研究，填埋氣的產(chǎn)生過程可劃分為如下5個(gè)階段。

第一階段:好氧階段

好氧階段在最初垃圾進(jìn)入填埋場就開始進(jìn)行。微生物的胞外酶將復(fù)雜的有機(jī)物分解成簡單有機(jī)物，簡單有機(jī)物通過好氧分解轉(zhuǎn)化成小分子物質(zhì)和二氧化碳，好氧階段往往在較短的時(shí)間內(nèi)就能完成，好氧階段微生物進(jìn)行好氧呼吸，場內(nèi)氧氣量明顯降低，直至耗盡，并釋放較多能量，產(chǎn)生大量的熱量使場內(nèi)溫度升高10-15℃。

第二階段:過渡階段

第一階段氧氣被完全耗盡后，場內(nèi)厭氧環(huán)境開始建立。復(fù)雜有機(jī)物如多糖、蛋白質(zhì)等在微生物作用下水解、發(fā)酵，由不溶性物質(zhì)變?yōu)榭扇苄晕镔|(zhì)，并迅速生成揮發(fā)性脂肪酸、CO2和少量H2，歷時(shí)不長。此階段的特征是:填埋氣體組成較好氧階段復(fù)雜，但氣體成分仍以CO2為主，存在少量H2, N2和高分子有機(jī)氣體，基本不含CH4;有機(jī)酸的產(chǎn)生使?jié)B濾液PH值呈下降趨勢，生成的簡單有機(jī)物溶于水使COD濃度呈升高趨勢;蛋白質(zhì)物質(zhì)的水解和發(fā)酵使?jié)B濾液含較高濃度的脂肪酸、鈣、鐵、重金屬和氨。

第三階段:產(chǎn)酸階段

微生物將第二階段積累的溶于水的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為含1-5個(gè)碳原子的酸(大部分為乙酸)和醇等，繼而作為甲烷細(xì)菌的底物而轉(zhuǎn)化成CH4和CO2。該階段的主要特征是:這一階段產(chǎn)生的主要?dú)怏wCO2前半段呈上升趨勢，后半段上升趨勢變慢或逐漸減少，還產(chǎn)生少量H2;大量有機(jī)酸的積累使?jié)B濾液的PH值很低 (4左右)，同時(shí)，COD, BOD濃度急劇升高;酸性滲濾液使無機(jī)物質(zhì)，特別是重金屬溶解，以離子形式存在于滲濾液中;滲濾液中含大量可產(chǎn)氣的有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì)。

第四階段:產(chǎn)甲烷階段

前幾個(gè)階段的產(chǎn)物如乙酸、氫氣等在產(chǎn)甲烷菌的作用下，轉(zhuǎn)化成CH4和CO2。主要特征是:甲烷氣體產(chǎn)生率穩(wěn)定，其濃度保持在50%-65%;脂肪酸濃度隨著有機(jī)物發(fā)酵分解而降低，滲濾液COD, BOD逐漸降低，PH值逐漸升高 (最后保持在6.8一8之間);重金屬離子濃度隨滲濾液PH值升高而降低。此階段是進(jìn)行能源氣體回收利用的黃金時(shí)期。

第五階段:填埋場穩(wěn)定階段

當(dāng)垃圾中大部分可降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化成CH4和CO2后，填埋氣產(chǎn)生速率顯著減少，隨著大氣復(fù)氧的進(jìn)行，填埋場系統(tǒng)緩慢轉(zhuǎn)換成有氧狀態(tài)。填埋場處于相對穩(wěn)定階段。該階段的主要特征是:幾乎沒有氣體產(chǎn)生;滲濾液及垃圾的性質(zhì)穩(wěn)定;填埋場內(nèi)微生物種類、數(shù)量較少。

填埋氣產(chǎn)生的五個(gè)階段并不是絕對孤立的，它們是一個(gè)連貫的過程，有時(shí)會相互重疊。由于垃圾和填埋條件的不同，各個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間也有差異。而且因?yàn)槔窃诓煌瑫r(shí)期進(jìn)行填埋，因此在填埋場的不同部位，各個(gè)階段的反應(yīng)同時(shí)存在2。

技術(shù)方案1 填埋氣發(fā)電

垃圾填埋氣發(fā)電設(shè)備為2 臺C E顏巴赫J(rèn)GS320發(fā)電機(jī)組, 單臺發(fā)電功率1063k w。2009年10份一期工程一臺發(fā)電機(jī)組調(diào)試完成并網(wǎng)發(fā)電隨著填埋氣量的不斷增加,2012年1月二期工程一臺機(jī)組實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。截至目前, 一期發(fā)電機(jī)組已運(yùn)行近5萬小時(shí),二期發(fā)電機(jī)組運(yùn)行超過25萬小時(shí)。目前兩臺發(fā)電機(jī)組運(yùn)行良好, 兩臺機(jī)組滿載時(shí)總耗氣量約130 立/ 小時(shí),可以保證兩臺機(jī)組滿載運(yùn)行。

2 發(fā)電機(jī)組參數(shù)

垃圾填埋氣發(fā)電機(jī)組的電效率、靈活性、穩(wěn)定性、年可用率、維護(hù)管理等因素決定了項(xiàng)目整體的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行成本。采用國外先進(jìn)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組通過穩(wěn)定持續(xù)的發(fā)電上網(wǎng)創(chuàng)造最大收益

3 余熱綜合利用

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組在利用垃圾填埋氣發(fā)電的同時(shí), 余熱資源包括煙氣和缸套水可以充分利用C E 顏巴赫J(rèn)32O發(fā)電機(jī)組煙氣熱量636kw. 缸套水熱量614kw通過換熱器制熱水為建筑采暖,解決廠區(qū)所有建筑冬季供熱負(fù)荷, 實(shí)現(xiàn)了熱電聯(lián)供, 提高了垃圾填埋氣的能源利用效率. 增加了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

效益分析1）經(jīng)濟(jì)效益

城市垃圾廠填埋氣發(fā)電綜合應(yīng)用具有良好的經(jīng)濟(jì)效益?？紤]日常檢修和非計(jì)劃性停機(jī), 本項(xiàng)目發(fā)電設(shè)備按照年運(yùn)行時(shí)間8 0 0 11 . 年凈發(fā)電量為1650 萬度.年上網(wǎng)發(fā)電收益9 85 萬元, 同時(shí)余熱資源充分利用為廠區(qū)提供采暖, 更進(jìn)一步提高了項(xiàng)目的整體經(jīng)濟(jì)效益。

2） 環(huán)境效益

城市垃圾廠填埋氣發(fā)電為廠區(qū)環(huán)境衛(wèi)生提供了有效途徑, 實(shí)現(xiàn)了固體生活垃圾的無害化、減量化、資源化利用轉(zhuǎn)化為高品位電能. 同時(shí)煙氣排放完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員相關(guān)規(guī)定填埋氣體中甲烷被列人大氣溫室氣體清單, 其溫室效應(yīng)是同體積二氧化碳的21倍。

3）社會效益

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展, 城市垃圾填埋廠也面臨巨大的壓力, 今后相當(dāng)長一個(gè)時(shí)期內(nèi)城市生活垃圾處理任務(wù)將十分繁重, 利用填埋氣發(fā)電可滿足填埋廠運(yùn)營對電力的需求, 降低運(yùn)營費(fèi)用，還可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)發(fā)電上網(wǎng)，同時(shí)可解決填埋廠供暖生活熱水等需要，改善填埋廠的工作和生活條件3。