[科普中国]-垃圾填埋气发电

简介

目前垃圾填埋是我国城市解决生活垃圾的主要方法, 截止2005年底全国共有356座生活垃圾填埋场,9 0% 的城市生活垃圾采用填埋处理。根据工程措施是否标准、环保要求能否达标来判定, 分为简易填埋场、受控填埋场和卫生填埋场3 个等级。

垃圾填埋气是生活垃圾填埋后, 经过微生物分解, 产生的以甲烷和二氧化碳为主要成分的混合气体,L F G 为垃圾填埋气英文缩写( L al d ifl l g a 、)。一般垃圾填埋气甲烷比例为45 % 一65 %, 二氧化碳比例为35 % 一5 %, 其余为空气、硫化氢和微量气体, 低位热值在18 M J/ m 3-24 MJ m/ 3左右。垃圾填埋气产量和利用受诸多因素影响, 包括现场环境条件、垃圾厂规模、垃圾组份、填埋时间、沉积情况和气体收集管理措施等。垃圾厂填埋气发电具有以下有利条件:

( l) 垃圾填埋气回收利用经济效益好。

( 2 ) 我国生活垃圾的组成适合实施垃圾填埋气的利用工程。

( 3 ) 城市垃圾的集中处理处置, 可促进垃圾填埋气的回收利用。

( 4 ) 国家政策的支持, 包括上网发电流程、全额收购、财政补贴。

( 5 ) 国际合作的增加, 为垃圾填埋气的利用提供了先进经验和资金1。

填埋气的组成和性质垃圾填埋场可以被概化为一个生态系统，其主要输入项为垃圾和水，主要输出项为渗滤液和填埋气，二者的产生是填埋场内生物、化学和物理过程共同作用的结果。垃圾填埋气((Landfill Gas，简称LFG)主要是填埋垃圾中可生物降解有机物在微生物作用下的产物。

填埋气的产气原理填埋气的产生是一个复杂的生物化学过程，其生物化学原理至今尚未完全阐明。通过综合国内外对填埋各时期填埋气组分变化规律的研究，填埋气的产生过程可划分为如下5个阶段。

第一阶段:好氧阶段

好氧阶段在最初垃圾进入填埋场就开始进行。微生物的胞外酶将复杂的有机物分解成简单有机物，简单有机物通过好氧分解转化成小分子物质和二氧化碳，好氧阶段往往在较短的时间内就能完成，好氧阶段微生物进行好氧呼吸，场内氧气量明显降低，直至耗尽，并释放较多能量，产生大量的热量使场内温度升高10-15℃。

第二阶段:过渡阶段

第一阶段氧气被完全耗尽后，场内厌氧环境开始建立。复杂有机物如多糖、蛋白质等在微生物作用下水解、发酵，由不溶性物质变为可溶性物质，并迅速生成挥发性脂肪酸、CO2和少量H2，历时不长。此阶段的特征是:填埋气体组成较好氧阶段复杂，但气体成分仍以CO2为主，存在少量H2, N2和高分子有机气体，基本不含CH4;有机酸的产生使渗滤液PH值呈下降趋势，生成的简单有机物溶于水使COD浓度呈升高趋势;蛋白质物质的水解和发酵使渗滤液含较高浓度的脂肪酸、钙、铁、重金属和氨。

第三阶段:产酸阶段

微生物将第二阶段积累的溶于水的产物转化为含1-5个碳原子的酸(大部分为乙酸)和醇等，继而作为甲烷细菌的底物而转化成CH4和CO2。该阶段的主要特征是:这一阶段产生的主要气体CO2前半段呈上升趋势，后半段上升趋势变慢或逐渐减少，还产生少量H2;大量有机酸的积累使渗滤液的PH值很低 (4左右)，同时，COD, BOD浓度急剧升高;酸性渗滤液使无机物质，特别是重金属溶解，以离子形式存在于渗滤液中;渗滤液中含大量可产气的有机物和营养物质。

第四阶段:产甲烷阶段

前几个阶段的产物如乙酸、氢气等在产甲烷菌的作用下，转化成CH4和CO2。主要特征是:甲烷气体产生率稳定，其浓度保持在50%-65%;脂肪酸浓度随着有机物发酵分解而降低，渗滤液COD, BOD逐渐降低，PH值逐渐升高 (最后保持在6.8一8之间);重金属离子浓度随渗滤液PH值升高而降低。此阶段是进行能源气体回收利用的黄金时期。

第五阶段:填埋场稳定阶段

当垃圾中大部分可降解有机物转化成CH4和CO2后，填埋气产生速率显著减少，随着大气复氧的进行，填埋场系统缓慢转换成有氧状态。填埋场处于相对稳定阶段。该阶段的主要特征是:几乎没有气体产生;渗滤液及垃圾的性质稳定;填埋场内微生物种类、数量较少。

填埋气产生的五个阶段并不是绝对孤立的，它们是一个连贯的过程，有时会相互重叠。由于垃圾和填埋条件的不同，各个阶段的持续时间也有差异。而且因为垃圾是在不同时期进行填埋，因此在填埋场的不同部位，各个阶段的反应同时存在2。

技术方案1 填埋气发电

垃圾填埋气发电设备为2 台C E颜巴赫JGS320发电机组, 单台发电功率1063k w。2009年10份一期工程一台发电机组调试完成并网发电随着填埋气量的不断增加,2012年1月二期工程一台机组实现并网发电。截至目前, 一期发电机组已运行近5万小时,二期发电机组运行超过25万小时。目前两台发电机组运行良好, 两台机组满载时总耗气量约130 立/ 小时,可以保证两台机组满载运行。

2 发电机组参数

垃圾填埋气发电机组的电效率、灵活性、稳定性、年可用率、维护管理等因素决定了项目整体的经济效益和运行成本。采用国外先进的燃气发电机组通过稳定持续的发电上网创造最大收益

3 余热综合利用

燃气发电机组在利用垃圾填埋气发电的同时, 余热资源包括烟气和缸套水可以充分利用C E 颜巴赫J32O发电机组烟气热量636kw. 缸套水热量614kw通过换热器制热水为建筑采暖,解决厂区所有建筑冬季供热负荷, 实现了热电联供, 提高了垃圾填埋气的能源利用效率. 增加了项目的经济效益。

效益分析1）经济效益

城市垃圾厂填埋气发电综合应用具有良好的经济效益。考虑日常检修和非计划性停机, 本项目发电设备按照年运行时间8 0 0 11 . 年净发电量为1650 万度.年上网发电收益9 85 万元, 同时余热资源充分利用为厂区提供采暖, 更进一步提高了项目的整体经济效益。

2） 环境效益

城市垃圾厂填埋气发电为厂区环境卫生提供了有效途径, 实现了固体生活垃圾的无害化、减量化、资源化利用转化为高品位电能. 同时烟气排放完全符合相关标准规定。据联合国政府间气候变化专门委员相关规定填埋气体中甲烷被列人大气温室气体清单, 其温室效应是同体积二氧化碳的21倍。

3）社会效益

随着国民经济的迅猛发展, 城市垃圾填埋厂也面临巨大的压力, 今后相当长一个时期内城市生活垃圾处理任务将十分繁重, 利用填埋气发电可满足填埋厂运营对电力的需求, 降低运营费用，还可以实现生物质发电上网，同时可解决填埋厂供暖生活热水等需要，改善填埋厂的工作和生活条件3。