垃圾填埋场沼气发电系统的优化配置
我国每年的城市生活垃圾量达到1.7亿吨，大部分采用填埋方式处理，蕴藏着大量的沼气资源。已有十余个填埋场的沼气被收集起来用于发电。
沼气发电是一个系统工程，它包括垃圾填埋操作管理、产气量的估算、沼气收集、沼气输送、沼气处理、沼气发电及电力上网以及系统配套设施等多项单元技术的组合，也涉及到国家对沼气发电的扶持政策和技术法规等。剖析国内已有的沼气发电工程，借鉴发达国家的沼气发电技术和经验，以及充分研究和利用国家对可再生能源的政策导向等，进行对垃圾填埋气体发电及其配套系统进行优化研究和应用，已成为业界日益关注和探讨的重要课题。
1、垃圾填埋场填埋操作概述
卫生填埋法是大型填埋场应用最普遍的处理技术。将垃圾倒入具有一定地形特征的场地中，通过采取防渗、覆土和气体导排设施，消除了简易填埋带来的各种安全、卫生和环境污染问题的一种最终处置技术。投资少，容量大，操作简单。但是，大部分中小规模的城市生活垃圾采用直接露天堆放、自然填沟等方式处理，不但侵占了宝贵的土地资源，而且对环境造成了潜在的影响和危害，特别是渗滤液，由于没有进行必要的收集和集中净化处理，导致水资源和环境的严重污染，而且，所产生的沼气也无法利用，浪费了大量的能源。
填埋处置方式也有明显的弱点。一是占地面积大，场地选择较困难。二是二次污染问题。处理不好的填埋场，其渗滤液和沼气对周围地区造成严重危害。因此在填埋操作过程中，可以通过以下措施来优化垃圾填埋场的填埋操作管理：
﹡提高垃圾填埋场的堆放高度可以减少占用土地；
﹡分区集中作业，有利于垃圾分解产气和收集；
﹡采用新材料、新工艺加强填埋场底部处理，并设置污水处理系统，解决对水源的污染；
﹡压实垃圾，增大库容；及时覆土，阻止空气进入，创造厌氧环境；
﹡阻止沼气散发，充分利用能源，消除安全隐患；
﹡建立防洪体系，维持厌氧环境；建立渗滤液处理系统，让其顺利排出，得到及时处理。
抽气量控制是维持厌氧环境的一个重要因素，过度抽气会使厌氧环境失去平衡，削弱厌氧反应。有的电厂气量不够，机组运行功率又不调整，造成过抽采，甲烷浓度低于40%，还为机组能正常运转而沾沾自喜。但接下来的几个月，整个填埋场厌氧环境失去平衡后导致气量严重不足，只能停机，无异于“杀鸡取卵”。
2、垃圾填埋场产气量的估算
填埋场产生的沼气量随当地气候、地理条件及填埋场的填埋量、垃圾组份、填埋方式等因素的不同而不同，所以，各垃圾填埋场在设计沼气回收利用时应根据准确的气体产生量为依据。实际上，产生量的测定较复杂，所用仪器的费用很高。因此，探求一种理论模型来精确地估算填埋场气体中可回收利用的沼气量是非常有意义的。
2.1 甲烷气体的产生及影响因素
填埋场中的垃圾，含有丰富的有机质。微生物首先进行好氧分解，消耗填埋场中的O2，产生大量的热，形成厌氧环境再厌氧分解。产生CH4及CO2。
影响甲烷产量的因素很多，主要有生活垃圾的组成、垃圾颗粒的大小、有机质含量、填埋年限、温度、含水量和湿度、渗滤液的pH值、毒素含量等。
当垃圾中有机物含量增高时，甲烷的产量则升高。
在不同温度条件下，甲烷的产生速率差异很大，一般认为在一个深的、封闭好的环境中，产生甲烷的最适温度为40℃。此时，产生速率为30℃的3倍，为背景温度18.7℃的7.8倍，但温度升高到55℃时甲烷气的产生就停止。
含水量或湿度也会影响甲烷的生成，含水量高时，各生化反应组成成分间接触程度大，可促进细菌的新陈代谢，产气量提高。甲烷的产量随湿度的高低呈曲线变化，湿度为55%时，甲烷气的产生明显高于湿度为33%的产气量，只有当湿度大于50%时才能满足甲烷生成的需要。但是，湿度过高时，甲烷气的产量会降低。
pH值的高低也会影响甲烷气的产量，最适于垃圾发酵的pH值为6.8～7.2。
此外，甲烷产量的影响因子，如垃圾湿度、渗滤液的pH值等在不同的地区、不同的小环境、不同的发酵阶段各因子对甲烷产率的影响程度也不尽相同。
2.2 甲烷气体产生量与产率的计算方法
（1）质量平衡和理论产气量模型
此公式由IPCC1995年推荐，主要是用于计算生活垃圾的产气总量，其公式为：
式中，MSW为城市生活垃圾量；η为垃圾填埋率；DOC为垃圾中可降解有机碳的含量，IPCC推荐值发展中国家为15%，发达国家为22%；r为垃圾中可降解有机碳的分解百分率，IPCC推荐值为77%。运用该模型计算产气量快捷方便，只要知道某个城市的生活垃圾总量以及填埋率就能估算出产气量。但由于没有直接考虑垃圾产气的规律及其影响因素，往往计算值过于粗略，仅适用于估算较大范围的产气量，如一个国家、一个省或一个城市。以广州市兴丰填埋场为例，日进场垃圾6000t，年垃圾量58.4万t，那么年产甲烷气：
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相当于19.69万吨煤炭的能源潜力。
（2）理论动力学模型
N.Gardner和S.D.Probert提出下述公式：
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式中，P为单位重量垃圾在时间t内的甲烷排放量，Cd为垃圾中可降解的有机碳的百分率(推荐值为0.15)，X为填埋场产气中CH4分额，n为可降解组分的总数(i=1,2,3…n)，Fi为各降解组分占有机碳的含量，Ki为各降解组分的降解系数，t为填埋时间。这一模型可以表征垃圾产生甲烷气随时间的动态变化，有利于对各个产气阶段的分析，从而运用这一详细资料设计收集系统。
（3）生物降解理论最大产气量模型
该方法依据垃圾成分和元素分析，并通过生化反应计算产气量，计算公式如下：
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式中，C为单位质量垃圾中产生的甲烷量［L（CH4）／kg(湿垃圾)］；K为经验常数，单位质量的挥发性固体物质标准状态下产生的甲烷量，其值为 526.5L(CH4)／kg；Pi为某有机组分占单位质量垃圾的湿重百分比(%)；Mi为某有机组分的含水率(%)；Vi为某有机组分的挥发性固体含量 (干重%)；Ei为某有机组分中挥发性固体的可降解物的含量(%)。该方法的特点是利用了有机物的可生物降解特性，更切合实际，并能较准确地反映出垃圾中产生甲烷气的主要成分，但最终计算值偏高。
以上三种产气量模型在实际使用中各有特点，但单一的方法往往难以准确的估算填埋场的产气量，要较准确的估算垃圾填埋场的产气量，我们需要先对填埋垃圾的特点进行分析，然后利用上述模型从不同侧面进行估值，最后还得根据工程经验对评估值做出一定的修正，这样做出的估算相对较准确；对后续处理既能充分利用资源又能减少投资的盲目性。事实上，比较早期的几个项目，由于考虑因素不够，其产气量估算值严重偏大，造成了设备闲置，给投资者造成了一定的经济损失。当然，抽气试验是最可靠的。产气量是决定装机容量的最重要的依据。
3、沼气收集与输送系统
3.1 沼气收集站、阀门井
沼气收集站使操作人员可以较为方便地监控每座沼气井的流量及浓度。每2～3公顷的面积须配置一座沼气抽气收集站。沼气收集站的位置选择须考虑到填埋面沉降及输送管线架设的便利性。每座沼气站面积约需2平方米，沼气站的抽气装置高度约1.5米左右。
3.2 沼气收集系统的技术要求和优化措施
﹡垃圾进场量不稳定，在进场量较大时，来不及保护预留的导气石笼，致使预留导气石笼被掩埋。
﹡推进方向单一，导气石笼容易倾斜或移位。
﹡导气石笼周围未及时设置导气盲沟，导致气体收集效果差。
﹡覆盖层不规范、不及时，导致雨水渗漏入填埋层和沼气迁移外泄严重。
通过抽气实验掌握气体成分、出气静压、温度、气量、收集范围等，结合现场情况在管道布置设计中充分考虑其收集效果。由好氧——厌氧有一个过程，产气量随时间而变化，因此在设计中应充分考虑在高峰时的气量进行管径设计如果母管的负压太大，造成水封的液位上升高度增加，给系统带来安全隐患。同时在操作过程中要严格工艺要求进行，从安全角度出发，在导气石笼出口要求是微正压状态（一般在5-8mm水柱）。这样可保证沼气收集质量，不因为负压使空气进入系统，这一点非常重要，在操作过程中要定期检查、记录和调节。在导气石笼并入系统时要逐个进行，在每个导气石笼出口合格后方可并入集气单元，并确保出口压力，这里可利用出口阀节流调节。
在气体收集系统中科学布管，通常采用集气单元进行气体的收集，在集气单元设置时采用如下两种方式：（1）将几个6-8个导气石笼汇入一个气体收集站，再由气体收集站进入母管。（2）将常6-8个导气石笼汇入次母管，再进入母管。采用这两种方式都可行。但笔者认为采用第二种方式更为直接、科学和节约。由于沼气从导气石笼出来时其水分含量较高，在气体输送过程中产生冷凝液，若采用第一种方式就必须考虑每个导气石笼——集气站的管道放坡并单独排放冷凝液，这样在今后的提升工作带来诸多不便，且投入较高。采用第二种方式只要布管时考虑布管坡度即可。在母管的低位设置排水水封并可以将冷凝液排掉。安装方便，便于控制和今后的提升。
（5）在填埋场外设置阀组，分别控制各集气站，集气站控制每个集气单元即集气井。
（7）为尽可能减少沼气对大气释放，在填埋时要有序填埋，即尽可能集中某一个集气站所辖集气井范围进行填埋，逐个进行，以避免因交叉作业而给项目带的来负面影响。
3.4 沼气收集及浓缩分离系统：
一定数量的沼气井汇集设立成沼气收集站，每口抽气井均有控制阀可调控流量，并在适当地点汇集数口抽气井形成一个局部网络。浓缩分离装置可将沼气含水量降低并去除部份有机挥发性物质，同时在地形较低处亦可汇集冷凝水排至填埋场地下。各收集站均设有采样口便于采样分析。
3.6 沼气抽取系统的操作
当沼气抽取系统各部份并联试运转成功后，即进入正式运转阶段。并执行监控管理，针对每口井的沼气产生量，调整其抽气压力，以获得最大且稳定的沼气量，同时兼顾地表的空气回流对操作安全性的影响。通过对监控计资料的进行分析，就可以获得每口井的甲烷浓度、产气量、二氧化碳及氧气浓度等数值。
3.7 冷凝水集排设施
4、气体预处理系统
4.1 系统功能：
填埋气的主要成份是甲烷和二氧化碳。它们都是无色无味的。带气味的物质来自于微量成份，如挥发性芳烃化合物和硫基物。不同填埋场的气体确切组成有很大不同。但是，总的来说，管理良好的填埋场，甲烷含量一般为50～60%，二氧化碳为40～50%，微量成份为1%。
填埋气体发电厂是以填埋气体为燃料。填埋气体产生于垃圾填埋过程，是垃圾中可以降解的有机物在降解过程的一种副产品。垃圾填埋气（LFG）经垃圾填埋场气体收集系统管道收集至电站。从气井经母管收集的气体含有大量的有害成分和水分，严重的影响燃气发动机的运行。填埋气预处理系统被安装在燃气发电机组进气管路前端。它是垃圾填埋场填埋气体发电工程的非常重要的设备。
4.2 本气体预处理系统的特点：
● 系统可根据用户要求设计为撬装式和分体式，本方案为1600Nm3/h处理量的撬装式设计，但单台风机容量1200Nm3/h，共两台采用冗余运行方式，由两套变频器联合控制，增强系统运行的稳定性和灵活性；
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4.3 预处理系统工艺图和工作原理：
系统要求电源：380V三相交流电，电压波动值±5%，频率波动值±5%。
气体预处理系统工作原理：
每套完整的装置由一套前置气液分离、粉尘去除系统，经过分离后气体中的大量冷凝液和粉尘被分离出来，保证了系统后续设备的正常运行。
加压风机按所配系统110%额定发电工况设计，采用变频调节随时保持最佳工况。
后置冷却采用双通道逆流冷却方式，可最大效率的热传导，使得压缩气体的温度尽快地降下来。
经过初步冷却的气体再经过电制冷机和热交换器将气体迅速下降，气体中的水分和水合物被冷凝分离，填埋气进一步的干躁，气体中的酸性气体和硅化和物被基本分离。
在后端系统设计了气体调温装置，经过上述处理的气体温度比较低，为了使气体适应燃气发动机的需要，必须将气体温度调整到适宜温度。系统将处理过的气体自动调整到机组需要的温度。
附——典型燃气发动机对填埋气体的压力、温度和杂质要求：
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5、发电系统
垃圾填埋气在经过气体预处理系统处理后达到机组对气体的要求，可以直接进入机组进行发电。
目前，在垃圾填埋气发电项目中，以进口品牌为主，颜巴赫、卡特比勒、高斯科尔、道依茨等。国产机组虽然性能方面存在一定差距，但价格低廉，已在国内逐渐普及。
（1）根据沼气产量选择合适的装机容量，避免设备闲置或沼气浪费；
（2）500KW左右的机组市场占有率最高，性价比也是最高的，维护、维修、保养费用比较低；
（3）多台机组时，宜选用500KW左右的同一规格，以降低运行费用和备件储存。便于在气量变化较大时调节输出功率，保证机组在70%以上的功率下输出；
（4）发电效率高意味着在消耗相同的燃气时能发出更多的电；
（5）在线率高意味着停机时间少，浪费的沼气少，发电量多；
（6）气体纯净时，或者气体处理得当时，机组一个大修期可达30000—40000小时。但有些机组只达10000—20000小时；
（7）沼气中含有微量的腐蚀性成分，对机油造成污染，其消耗量比使用天然气时要大，机油是一种主要的消耗品，在运行成本中占有一定份额。而不同品牌机组的机油耗量差异较大；
（8）零配件价格有数倍之差，特别注意耗材，比如火花塞价格。直接关系到运行费用；
（9）齐全的零配件储备可大大缩短停机时间，增加发电量；
（10）维修队伍能否短时间到达现场，对保证运行时间至关重要；
（11）机组是一种大型贵重设备，应着重于长远的综合评估。
6、静音系统
在发电机运行期间，还需要装配静音系统，以降低噪音污染。
静音系统一般分为机房消音工程和集装箱两种。
电站寿命较长，或者外部环境较恶劣的，一般采用室内静音箱。这种静音箱有利于发电机组的运行、维护、保养及维修。宽敞的空间能给机组提供更好的工作环境，运行费用也较低。对于寿命较短的填埋场，我们推荐使用集装箱式静音箱，它的特点主要是便于移动，减少不动产损失。
静音箱没有太高的技术含量，主要成本在于材料和人工。随机配备的进口静音箱价格十分昂贵。
总结：
垃圾填埋场沼气发电系统工程具有多样性、复杂性和不确定性，加强对沼气发电系统工程的科学优化配置，不断探讨和摸索先进技术和成功经验，形成系统化、模块化、标准化的优化模式，必将带来技术上的革命与创新；同时通过优化配置，也大大提高了系统运行的安全、高效、稳定和经济性，也必将带来巨大的经济效益、环保效益和社会效益。
因此，我们应在系统配置时要选择和确立优化方案；
（1）气体处理是一个需要进一步提高的技术，市场需要大量的模块化的，能够适应各种恶劣条件的，廉价的现场气体净化处理系统，保障发电机组的安全稳定运行；
（2）如何降低小功率机组的成本，提高小功率机组的性能，以使中小规模的垃圾填埋场或其它小规模项目也能得以实施。
（3）设备的维护频率需要降低，维修时间需要缩短。高在线率是降低成本的重要因素；
（4）要进一步提高设备的发电效率，目前国外燃气内燃机的发电效率已经达到40％左右，国产设备一般在32％左右，差距还比较大。需要国家有计划地投入研究经费支持企业提高技术层次，把握中国市场；
（5）设备生产或销售企业需要完善售后服务和技术支持系统，让企业减少维修和备件成本，以及减少长时间的停机损失，获得客户和对品牌的忠诚度。。
总之，利用垃圾填埋场沼气发电，具有良好的社会效益和经济效益，系统的优化配置能使大型填埋场沼气电站运行得更好，使中小型填埋场也更有条件建立沼气电站，最大可能地利用能源，保护环境。