垃圾填埋场沼气的收集与处理技术

2019-01-20 15:48:26

     随着环境问题的日益严重,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、价格低等特点的新型清洁能源,越来越受到国家的重视。垃圾填埋场沼气的综合利用就是其中之一。垃圾填埋法产生沼气是处理城市垃圾的主要方式之一,具有简单易行和费用较低的特点,同时还可回收能源,正受到世界各国的普遍欢迎。

垃圾填埋场沼气的收集与处理技术转自沼气圈

一、垃圾填埋场气体的产生

城市生活垃圾包括居民家庭、道路清扫(包括果皮箱收集)、商业营业垃圾(包括菜场垃圾)、企事业单位(包括机关、学校、医院)、以及露天公共场所等产生的垃圾,也有一部分工业垃圾和建筑垃圾混杂其中。因此,在投入垃圾填埋场的垃圾中,含有相当丰富的有机物质。通常,家庭垃圾中,含有马铃薯皮、水果皮、事物残渣、菜叶、纸张、毛皮等有机物,庭院垃圾中也含有一定数量的有机物质。垃圾一旦进入填埋场,微生物的分解过程就开始了。第一步是好氧分解,消耗填埋场中的氧气,产生大量的热。第二步进行厌氧分解,产生沼气,其组成见表1。

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表1、气体组分表

作为垃圾本身的生物厌氧降解过程,其最终产物主要是CO2和CH4。垃圾被填埋初期,有机物分解产生的废气主要是CO2,经过一段时间以后,气体中的甲烷成分逐渐上升,产气高峰一般要在垃圾填埋3-5年之后才出现,而废气中CH4含量较高时会引起爆炸(空气中CH4的爆炸极限范围是5-15V%)。因此,做好填埋场气体的收集处理是一项很重要的工作。气体成分和浓度随填埋年限和垃圾成分的不同而变化。其主要成分随时间的变化见表2。

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表2、气体成分浓度随时间变化表

二、垃圾填埋场气体收集系统

垃圾填埋场内产生的气体,借压差流向特定的气体收集井,从收集井通过气体收集管引至集气柜,气体由集气柜输往气体收集站。根据废气的不同用途进行净化处理。气体的收集通过设置于填埋场竖井中垂直带孔管道收集竖井,每隔40-50m设置一个,每3-5个收集井设置一个集气柜,组成一组输送系统,每个集气柜设有独立的管道接至收集站。集气柜可以互组联通,以便处理故障和检修。有效地抽出井中气,井里应保持约20kPa的负压,并以此考虑管道设计和设备的选择。地下沼气收集井如图1所示。

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图1、地下废气收集井示意图

竖井中的吸引管用高密度聚乙烯制造,直径100-150mm,吸引管上有透气的小孔,垂直安装在直径为0.5m的竖井中,为防止其客观存在气体渗透进入填埋场表层,吸引管上部3m没有小孔,为增加吸收面积,吸引管周围装有过滤砾石。废气收集系统如图2所示。

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图2、废气收集系统示意图

1- 收集井(竖井);2-集气柜;3-沼气收集管;4-集气管;5-控制站;6-收集站。

来自竖井中的气体含有水蒸汽,所以水平管道应逐渐向竖井方向倾斜,以便使冷凝液返回竖井,在一些管道的最低点,设置了冷凝水收集装置。

三、垃圾填埋场气体处理

填埋场内的气体通过收集设施导出地面,其处理方法有如下两种。

1直接燃烧

将填埋场内的沼气导出地面后进行直接燃烧,是一种常用的传统处理方法。这种方法在较小的填埋场中适用,即所收集到的气体不足以利用,而采用就地焚烧的方法。

2 综合利用

将收集到的气体,经过抽送机送往净化处理设施,进行净化、储存,再经过加压、冷凝后送往用户。这种处理方法适用于产气量较大的填埋场,它可以有效地利用沼气的能量,又可以减少填埋场气体污染环境及爆炸的危险性。

四、垃圾填埋场沼气处理案例

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1案例背景

随着城市的不断发展、人口的逐年增加,各省市的固体生活垃圾的总量也在以约10%的年增长率逐年递增。在清运的混合生活垃圾中,无机物含量约占69%,有机物含量占31%,其中食品类废弃物占有机物含量的绝大部分,垃圾的含水率在20%以上。

杭州天子岭垃圾填埋场位于杭州市北部郊区,垃圾填埋场呈峡谷型,总占地面积16万平方米。垃圾填埋场于1991年投入运行,起始作业面标高54米。天子岭填埋场的填埋物设计能力为日处理1288吨,即每年处理47万吨,而实际填埋量为设计的70%。天子岭填埋场为浙江省较为先进的大型填埋场,主要用于填埋处理杭州及其周围城镇的固体垃圾,在收集填埋气体之前填埋作业已进行约6年,产气量基本稳定并达到发电利用的要求。

2 工艺技术路线及系统描述1) 工艺技术路线

案例初步设计值如下:

填埋气体流量:20000Ndm³/d

能量值(低热值LHV):17.67 MJ/m³

能量值(高热值LHV):19.65 MJ/m³

硫化氢:25μg/L

挥发性有机物:950μg/L

含水量:饱和

电力输出:1400千瓦(净值)

根据测定计算,天子岭垃圾填埋物产生气体的回收率为70%左右,每天可回收气体9657立方米,用过打垂直气井,每天可回收气体19131立方米。天子岭填埋气体的成分组成为:甲烷占54.4%,二氧化碳占34.1%,另外还有10%的氮气和1.3%的氧气,每标准立方米的回收气体热值为19500千焦。

由于垃圾的含水率比较高(40%-50%),因此垃圾内部的气体的通透性很差,从商业利用的角度而言,所打的竖井的井距需限制在50米以内,竖井井口的平均温度在40℃;填埋回收气体力水蒸气所饱和,因此回收系统还考虑了冷凝水的收集和向沥滤液处理系统排放。

2) 系统描述

填埋气体收集系统参数如下:

填埋气体垂直收集井数:10-15

井距:40-50米

抽气泵:1000Ndm³/日

应急火炬:20000Ndm³/日

填埋气体处理:填埋气体处理系统见图3,将填埋气体处理到完全满足燃气发动机的要求,规格化的处理系统被安装在完整的集装箱内,以便现场安装。

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图3、填埋气体处理系统流程图

填埋气体发电:填埋气体收集处理后经净化送入两台燃气轮机,就地发电并网。

平行运行的每台燃气轮机的技术参数如下:

机械输出:760千瓦

Stanford 400V 发电机:>36千瓦

发电机效率:39.05%

排放:NOx 500mg/m³、CO 955 mg/m³、VOC 150 mg/m³

能量输入:1888千瓦

燃气发动机、发电机等被装在集装箱内,都有完整的润滑油系统、冷却系统、管路系统、排放消声器、控制器、开关屏、用电配电系统、保护继电器、通风设备、照明系统等。

3 经济指标

填埋气体回收利用上程设计寿命为20年,日回收气体19131m³,气体热值19500千焦,发电输出电力1400千瓦,工作方式为24小时运行,运行时间占全年时间的95%。工程设计总投资2075万元,项目年直接经济效益为510.7万元。

4 投资及运行费用

工程设计总投资2075万元,其中包括1660万元的设施建设资金和415万元的技术投入;工程运行费用包括人力、动力、设备维修检测等,总共运行费用为210万元。

5项目效益

项目中沼气收集发电后直接上网,分峰谷电价,预订电价如下:

14小时峰值电价为:0.63元/千瓦时

10小时非峰值电价为:0.17元/千瓦时

平均电价为:0.438元/千瓦时

年电力销售收入为(税前):510.7万元

项目经济分析电价(按长期预测价格)为:0.80元/千瓦时

结语

沼气发电工程本身是提供清洁能源,解决环境问题的工程,而垃圾填埋场沼气的收集处理不仅解决了城市生活废弃物处理带来的环境问题,而且由于其产生的大量电能和热能,又为沼气的综合利用找到了广泛的应用前景,成为解决能源和环境问题的重要途径。