垃圾填埋氣發(fā)電

填埋氣的產(chǎn)生是一個復雜的生物化學過程，其生物化學原理至今尚未完全闡明。通過綜合國內外對填埋各時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個階段。

第一階段:好氧階段

好氧階段在最初垃圾進入填埋場就開始進行。微生物的胞外酶將復雜的有機物分解成簡單有機物，簡單有機物通過好氧分解轉化成小分子物質和二氧化碳，好氧階段往往在較短的時間內就能完成，好氧階段微生物進行好氧呼吸，場內氧氣量明顯降低，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，場內厭氧環(huán)境開始建立。復雜有機物如多糖、蛋白質等在微生物作用下水解、發(fā)酵，由不溶性物質變?yōu)榭扇苄晕镔|，并迅速生成揮發(fā)性脂肪酸、CO2和少量H2，歷時不長。此階段的特征是:填埋氣體組成較好氧階段復雜，但氣體成分仍以CO2為主，存在少量H2, N2和高分子有機氣體，基本不含CH4;有機酸的產(chǎn)生使?jié)B濾液PH值呈下降趨勢，生成的簡單有機物溶于水使COD濃度呈升高趨勢;蛋白質物質的水解和發(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)物轉化為含1-5個碳原子的酸(大部分為乙酸)和醇等，繼而作為甲烷細菌的底物而轉化成CH4和CO2。該階段的主要特征是:這一階段產(chǎn)生的主要氣體CO2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;大量有機酸的積累使?jié)B濾液的PH值很低 (4左右)，同時，COD, BOD濃度急劇升高;酸性滲濾液使無機物質，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)氣的有機物和營養(yǎng)物質。

第四階段:產(chǎn)甲烷階段

前幾個階段的產(chǎn)物如乙酸、氫氣等在產(chǎn)甲烷菌的作用下，轉化成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。此階段是進行能源氣體回收利用的黃金時期。

第五階段:填埋場穩(wěn)定階段

當垃圾中大部分可降解有機物轉化成CH4和CO2后，填埋氣產(chǎn)生速率顯著減少，隨著大氣復氧的進行，填埋場系統(tǒng)緩慢轉換成有氧狀態(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穩(wěn)定;填埋場內微生物種類、數(shù)量較少。

填埋氣產(chǎn)生的五個階段并不是絕對孤立的，它們是一個連貫的過程，有時會相互重疊。由于垃圾和填埋條件的不同，各個階段的持續(xù)時間也有差異。而且因為垃圾是在不同時期進行填埋，因此在填埋場的不同部位，各個階段的反應同時存在 。

1 填埋氣發(fā)電

垃圾填埋氣發(fā)電設備為2 臺C E顏巴赫JGS320發(fā)電機組, 單臺發(fā)電功率1063k w。2009年10份一期工程一臺發(fā)電機組調試完成并網(wǎng)發(fā)電隨著填埋氣量的不斷增加,2012年1月二期工程一臺機組實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。截至目前, 一期發(fā)電機組已運行近5萬小時,二期發(fā)電機組運行超過25萬小時。目前兩臺發(fā)電機組運行良好, 兩臺機組滿載時總耗氣量約130 立/ 小時,可以保證兩臺機組滿載運行。

2 發(fā)電機組參數(shù)

垃圾填埋氣發(fā)電機組的電效率、靈活性、穩(wěn)定性、年可用率、維護管理等因素決定了項目整體的經(jīng)濟效益和運行成本。采用國外先進的燃氣發(fā)電機組通過穩(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

燃氣發(fā)電機組在利用垃圾填埋氣發(fā)電的同時, 余熱資源包括煙氣和缸套水可以充分利用C E 顏巴赫J32O發(fā)電機組煙氣熱量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荷, 實現(xiàn)了熱電聯(lián)供, 提高了垃圾填埋氣的能源利用效率. 增加了項目的經(jīng)濟效益。

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)工程措施是否標準、環(huán)保要求能否達標來判定, 分為簡易填埋場、受控填埋場和衛(wèi)生填埋場3 個等級。

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)濟效益好。

( 2 ) 我國生活垃圾的組成適合實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、財政補貼。

( 5 ) 國際合作的增加, 為垃圾填埋氣的利用提供了先進經(jīng)驗和資金 。

垃圾填埋場可以被概化為一個生態(tài)系統(tǒng)，其主要輸入項為垃圾和水，主要輸出項為滲濾液和填埋氣，二者的產(chǎn)生是填埋場內生物、化學和物理過程共同作用的結果。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物在微生物作用下的產(chǎn)物。

1）經(jīng)濟效益

城市垃圾廠填埋氣發(fā)電綜合應用具有良好的經(jīng)濟效益?？紤]日常檢修和非計劃性停機, 本項目發(fā)電設備按照年運行時間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, 同時余熱資源充分利用為廠區(qū)提供采暖, 更進一步提高了項目的整體經(jīng)濟效益。

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, 實現(xiàn)了固體生活垃圾的無害化、減量化、資源化利用轉化為高品位電能. 同時煙氣排放完全符合相關標準規(guī)定。據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員相關規(guī)定填埋氣體中甲烷被列人大氣溫室氣體清單, 其溫室效應是同體積二氧化碳的21倍。

3）社會效益

隨著國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展, 城市垃圾填埋廠也面臨巨大的壓力, 今后相當長一個時期內城市生活垃圾處理任務將十分繁重, 利用填埋氣發(fā)電可滿足填埋廠運營對電力的需求, 降低運營費用，還可以實現(xiàn)生物質發(fā)電上網(wǎng)，同時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 。2100433B

據(jù)《東方早報》報道，亞洲最大的垃圾填埋氣發(fā)電項目———利用上海老港垃圾填埋氣所發(fā)電力正式并網(wǎng)。該項目實現(xiàn)滿負荷生產(chǎn)后，每年可向上海電網(wǎng)輸送綠色電力約1.1億kw/h，能解決約10萬戶居民的日常用電，每年可減少約66萬噸二氧化碳當量的溫室氣體排放。

老港生活垃圾填埋場由四期工程組成，占地面積達6.5平方千米，日處理生活垃圾接近1萬噸，占全市垃圾產(chǎn)出量的50%。以上，是亞洲最大的生活垃圾填埋場之一。

老港垃圾填埋氣發(fā)電項目的并網(wǎng)，標志著老港填埋場由單一的無害化處理基地向資源回收利用的固廢基地轉變。據(jù)介紹，垃圾填埋場堆體中有機垃圾發(fā)酵產(chǎn)生的填埋氣主要成分為甲烷和二氧化碳，這兩種氣體都是造成溫室效應的主要物質，尤其是甲烷，其溫室效應是二氧化碳的21倍。

老港垃圾填埋氣發(fā)電工程項目建設總規(guī)模為15MW，發(fā)電所用燃料100%來自老港填埋場垃圾填埋產(chǎn)生的填埋氣。該項目由上海老港再生能源有限公司建設運營。

已經(jīng)完成的裝機容量達10.8MW，計劃2013年再增加數(shù)臺機組，屆時可達到15MW 的總規(guī)模。該工程滿負荷生產(chǎn)后，與相同發(fā)電量的火電相比，每年能節(jié)約標準煤約3．78萬噸；另一方面，工程每年可減少填埋場區(qū)8100萬m3 以上的可燃易爆填埋氣體直接排放 。

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和太陽能、風能一樣，垃圾填埋氣是一種可再生能源。于20世紀70年代石油價格危急時期，首先在美國開始回收行使。把到處都有的城市生活垃圾堆放在一個垃圾場（坑）內，垃圾中的有機物質就會分解而產(chǎn)生富含甲烷的生物氣，其中大約含甲烷55%，二氧化碳40%和少量氧、氮、一氧化碳、硫化氫等。這種垃圾填埋氣可用來產(chǎn)生電能和熱能。垃圾填埋場可以是廢礦井、廢采石場、山溝和洼地等。當代化的垃圾填埋場在傾倒垃圾之前，在坑的內部用不滲漏的材料做一層防滲內襯，填滿垃圾后封蓋，上邊再覆蓋一層黃土，防止填埋氣跑掉。經(jīng)過一年左右的時間即可鉆井采氣。填埋氣經(jīng)除塵、除濕并加壓，然后送入發(fā)動機發(fā)電，有的還回收余熱，對外供熱。一樣平?？僧a(chǎn)氣十年以上。填埋場外觀還可以綠化、蒔植等。

近十年來，我國城市生活垃圾大幅度增加，僅1999年就清運了1.15億噸。目前采用填埋、堆肥和焚燒的方法來處理，不僅虛耗了大量可行使的資源，同時也造成了緊張的后果：侵占大量地皮、水質污染、垃圾爆炸、空氣污染、生物性污染等事故賡續(xù)發(fā)生。隨著國民經(jīng)濟和城市建設的發(fā)展，生活垃圾的危害將更加緊張。

中國生態(tài)經(jīng)濟學會區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟委員會副主任董鎖成研究員認為，城市生活垃圾處置的首要題目是改變傳統(tǒng)觀念，把垃圾看做資源和財富，而不僅僅是包袱和災難。由于從資源學的觀點看，生活垃圾是目前世界上唯一持續(xù)增加的潛在資源。假如把垃圾造成的“二次污染”變成垃圾的“二次行使”，就能釋放垃圾的偉大資源潛力，既珍愛了環(huán)境，又增長了財富，吻合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。

據(jù)有關部門統(tǒng)計，我國垃圾歷年累積堆存量已達60多億噸，已有200多座城市陷入垃圾圍困之中。占有了大量地皮，破壞城市容貌，污染環(huán)境。

世界各國較常用的處理垃圾的方法，有焚燒、填埋和堆肥三種。但焚燒前期投資大，建設周期長，而且焚燒垃圾時會產(chǎn)生二惡英等有害氣體。垃圾堆肥的缺點是發(fā)酵時間長，占地面積大，而且還有難以解決的臭味和蒼蠅等問題。

據(jù)報道，上海市人口1300多萬，日產(chǎn)垃圾1.2萬噸，有雄厚的財力，正在建設兩座生活垃圾焚燒廠，一個是嘉定的上海江橋生活垃圾焚燒廠，總投資7.2億人民幣，日處理垃圾1500噸，計劃2002年建成。一個在浦東新區(qū)御橋工業(yè)小區(qū)，總投資6.7元，日處理1000噸。投資13.9億只能處理日產(chǎn)垃圾總量的20%左右，可見投資巨大，難于普及。

填埋的方法比較簡單，但是只填埋不利用，會引起爆炸和火災，并污染全球大氣環(huán)境，使全球氣候變暖，造成海平面升高、干旱和破壞性風暴等災害。

美、英等國大力發(fā)展利用垃圾填埋產(chǎn)生的氣體發(fā)電的方法，這種方法簡單易行，經(jīng)濟和社會效益顯著。填埋氣發(fā)電，對于控制全球變暖起著重要的作用。填埋氣中甲烷的溫室效應比CO2大20倍。填埋氣還是減輕石化燃料污染的最經(jīng)濟的可再生能源。收集并利用垃圾填埋氣發(fā)電有兩方面的環(huán)境效益：

1)將高溫室效應的CH4轉變?yōu)榈蜏厥倚腃O2

2)替代石化燃料發(fā)電，降低了排放的CO2

英國政府十分重視可再生新能源的開發(fā)，他們支持了一個新可再生能源發(fā)展計劃棗非石化燃料強制計劃（Non-FossilFuelObligation簡稱NFFO），要求用填埋氣發(fā)出比其它可再生新能源更多的電力。倫敦填埋氣協(xié)會（LGA）主張英國在2000年有200萬人用上便宜的可再生能源棗垃圾填埋氣發(fā)出的電力。LGA提出的目標是，2000年為90萬戶提供足夠便宜的電力，同時防止了46萬噸甲烷排入大氣，相當于停駛230萬輛轎車。在2005年由填埋氣提供的電力達到800兆瓦，英國政府正在逐步實施這一計劃。

垃圾填埋發(fā)電投資少，見效快，例如一個400米見方，40米深的填埋場，垃圾填埋量320萬噸，其發(fā)電容量可達2000kW，估計機械設備總投資不超過1000萬元人民幣，按天津市民用電價0.4元計，全年發(fā)電產(chǎn)值約666萬元?？鄢娬咀陨黼娏ο馁M用40萬元和電站日常管理費用15萬元，全年利潤約611萬元，只用一年半左右的時間便可收回設備投資。電站可連續(xù)運行10-15年，經(jīng)濟效益和社會效益都很可觀。此外，發(fā)展垃圾填埋氣發(fā)電工程，還可以帶起一個環(huán)保產(chǎn)業(yè)，很有發(fā)展前途。

天然氣發(fā)動機燃用垃圾填埋氣后會出現(xiàn)一些特殊問題，例如：

1)以甲烷為主要成份的天然氣的燃燒速度比汽油和柴油都低，這會使發(fā)動機的動力性和燃料經(jīng)濟性降低，排氣溫度升高，引起氣門過度磨損，降低發(fā)動機的可靠性和使用壽命。垃圾填埋氣含有大量二氧化碳，這會使上述問題更加嚴重。因此，提高燃燒速度就成了垃圾填埋氣發(fā)動機的關鍵技術問題。

2)垃圾填埋氣的熱值只有天然氣的一半左右，加上含有大量CO2，這會使發(fā)動機的功率大幅度下降。因此，增大發(fā)動機的進氣量以恢復功率，也是十分重要的問題。

3)大多數(shù)有機物質的厭氧分解要產(chǎn)生0.3%-2%的硫化氫（3-20000ppm），多數(shù)發(fā)動機耐H2S的極限量為200ppm,因此需要解決防止H2S引起的機件腐蝕的問題等等。

天津大學從1993年開始，與勝利石油管理局動力機械廠合作，開展“190系列天然氣發(fā)動機性能提高的研究”項目；1998年為勝利石油管理局動力機械廠研制成功兩種不同結構形式的兩級點火（預燃室）式燃燒系統(tǒng)，解決了天然氣燃燒速度慢，影響天然氣發(fā)動機性能和可靠性的關鍵技術，大幅度提高了190系列天然氣發(fā)動機的動力性、燃料經(jīng)濟性和運行可靠性，并降低了排氣污染。與原機相比，燃燒速度提高了44%，功率提高了20%，熱效率提高了14.7%，排氣溫度降低了100℃。排氣污染小，標定工況下HC為66ppm，CO為0.016%，NOx為200ppm[2,3]。這一關鍵技術的研究成功，為垃圾填埋氣發(fā)電成套設備的研制正在，打下了堅實的基楚。

目前天津大學正在致力于垃圾填埋氣發(fā)電成套設備的的開發(fā)。并與國內一流科研院所和制造企業(yè)聯(lián)合，開展城市垃圾填埋氣體發(fā)電設備的設計、制造、安裝、調試和維修業(yè)務（交鑰匙工程），生產(chǎn)垃圾填埋氣體發(fā)電成套設備（包括垃圾填埋氣預處理系統(tǒng)、以垃圾填埋氣體發(fā)動機為動力的發(fā)電機組和燃燒火炬系統(tǒng)）。功率范圍：500kW-2000kW，適用于不同容量的垃圾填埋場。