垃圾填埋场填埋气回收处理与利用

第19卷　第6期环　境　科　学　研　究

Research of Environmental Sciences 　　

V ol. 19,N o. 6,2006

垃圾填埋场填埋气回收处理与利用

王进安, 杜　巍, 刘学建, 卢丽超, 胡　玉

北京市阿苏卫垃圾卫生填埋场, 北京　102211

摘要:简单介绍了阿苏卫垃圾卫生填埋场的建设和运行情况, 并对填埋场的垃圾成分和垃圾量进行了分析, 得到该填埋场填埋气的实测组分. 依据经典EPA 产气模型对填埋场潜在填埋气产量进行了预测. 结果表明, 在2005—2039年的运行期间, 预计

63该填埋场填埋气的平均产量约为3317×10m Πa. 比较研究了填埋场填埋气的回收利用技术, 的最佳利用方式. 通过对填埋场填埋气发电项目进行的技术经济分析表明, 3项目年直接经济效4益达230×10元.

关键词:填埋气; 回收利用; 发电

中图分类号:X 705　　　文献标识码:A 　　　:(04

Recovery and Landfill Site

W ANGJin 2an , LI U 2jian , LU Li 2chao , H U Y u

Asuwei Waste Sanitary Land fill S ite , Beijing 　102211, China

Abstract :The construction and operation of Asuwei Waste Sanitary Land fill were briefed , the refuse com ponents and refuse quantities analyzed , and the com ponent of the land fill gas measured. Based on an EPA gas produce projection m odel , the gas output from Asuwei land fill will be about 3317×10m Πa from 2005to 20391Different land fill gas recovery technologies were als o com pared and it is found that power

generation by land fill gas is the best recovery utility contrary to other technologies. The technical and economical feasibility analysis shows that the total investment of land fill gas power generation project is 33194million yuan , and the annual direct economic benefit is 2130million yuan. K ey w ords :land fill gas ; recovery ; power generation

　　垃圾填埋气(LFG ) 一直被视为有害气体:5%～15%的甲烷与空气混和即易引起爆炸; 其中的挥发性有机物及C O 2溶入地下水, 可造成地下水硬度升高; 甲烷温室效应潜在值是C O 2的21倍

[1—2]

; 填埋

气引出, 避免出现安全事故, 有些小型填埋场甚至没

有填埋气导排设施; 正规大中型填埋场在运行初期由于填埋深度不够也是采取自然排放的形式.

随着能源短缺问题日益严重, 人们对填埋气的认识发生了变化, 因为其主要成分———甲烷的热值

约为18181～22199M J Πm , 可以作为再生能源加以利用. 近几年填埋气已逐渐从自然排放、分散焚烧转向作为能源收集利用.

集中收集处理方式主要包括直接燃烧和变为能源利用:填埋气集中收集后经净化作为工业燃料或民用; 将φ(CH 4) 提高到80%以上作为清洁燃料, 如全球环境基金项目(GEF ) 支持的鞍山羊耳谷项目; 用作渗滤液蒸发的燃料, 如北京安定填埋场填埋气项目; 用于发电, 在杭州、南京、西安、广州均有应用

[6]

实例; 其他利用方式包括制造燃料电池、甲醛及轻柴油等, 但均未进入商业化生产阶段.

气逸出会导致填埋场及其附近植物根部因缺氧而死亡; 某些填埋场释放的气体能致癌以及因填埋场的卫生问题而导致其他疾病等. 据测算, 在填埋场运行

3[3—5]

期内每t 垃圾约可产生39～390m 的填埋气. 填埋气的处理主要采取自然排放和集中收集处理2种方式, 处理方式受当地的经济条件限制. 经济欠发达地区或日处理量小于100t 的填埋场大多采取自然排放形式, 利用石笼或填埋气导气管将填埋

收稿日期:2006-04-19

作者简介:王进安(1972-) , 男, 江苏东台人, 工程师.

第6期王进安等:垃圾填埋场填埋气回收处理与利用87

1　填埋气产生过程及产气量预测

111　垃圾填埋量及垃圾组分

生物降解而产生. 填埋气成分较为复杂, 可分为3

类:CH4和C O 2为主要成分, 其中φ(CH 4) 为50%～70%, φ(C O 2) 为30%～50%; H 2S ,NH 3和H 2等为常

阿苏卫垃圾卫生填埋场(以下简称阿苏卫填埋场) 隶属于北京市四清环卫工程集团有限责任公司, 主要承担北京市东城、西城区和昌平区7个乡镇的

垃圾处理任务. 填埋库区占地43hm , 设计库容

112×10m , 设计处理能力2000t Πd , 设计寿命17a. 阿苏卫填埋场属于山前平原, 浅层滞水丰富, 一期工程下挖418m , 主要采用水平膨润土板和垂直射水

[7]

造墙相结合的防渗办法, 二期工程主

要采用H DPE 膜进行水平防渗. 垃圾填埋主要采取“路堤结

[8]

合”工艺, 旱季利用垃圾修建分区堤坝作为道路和工作平台, 保证了雨季行车和垃圾卸车; 采取粘土与H DPE 膜相结合的覆盖方式, 曝露和蚊蝇滋生. 一期工程于1994年12用, 已经完成首层平台填埋, 圾填埋深度15m ; 3用; 截至2005800×10t.

表1. 据统计, 阿苏卫填埋场在运行初期, 垃圾填埋量上升较快,

1997年垃圾填埋量即达8816×10t ,1998年略有下降, 此后呈稳定的上升趋势, 至2005年共填埋垃圾

7614×10t (见图1) .

表1　阿苏卫填埋场垃圾的主要成分

T able 1　C om ponent of refuse in Asuwei land fill 成分

w Π%

见成分, 其体积分数之和不足5%; 而烷烃、环烷烃、

芳烃、卤代化合物等挥发性有机物(VOC ) 为微量成分, 其体积分数之和低于1%

[9—10]

通过对阿苏卫填埋场进行现场钻孔, 定期对收集到的填埋气进行分析, 分析仪器采用便携式四组分气体红外线分析仪

[11]

. 分析结果表明, 该填埋场

填埋气主要为CH 4和C O 2, φ(CH 4) 为5214%～6014%(见表2) .

表　T 　C of land fill gas com ponents d φ(CH 4) Π%φ(O 2) Π%φ(CO 2) Π%

5214～6014

012～118

3119～3814

填埋气抽取

(m 3・量Πh -1) 218～476

11212　填埋气产量预测

影响填埋气产量的因素主要包括有机质的种类及含量、填埋场内部的温度和湿度、填埋场每d 的覆土情况及最终覆土情况等. 一般在填埋场封闭后的5～8a 填埋气产量会达到最高峰; 之后随着填埋时

间的延长, 填埋气产量将随之减少. 填埋气产量可以采用经典的数学统计模型和动力学模型来计算量

[13—14]

[12]

以下用一级降解Scholl Cany on 模型来模拟填埋气产

食物纸类草木塑料织物玻璃灰土金属其他

[1**********]

810

413

[1**********]610

Q LFG =2L 0R (e

-kc

-e

-kt

)

　　注:钻头取样, 取样量为914～2012kg Π次, 取样点的垃圾填埋深

度为13～14m.

式中, Q LFG 为垃圾填埋气总产量,m Πa ; L 0为单位垃

圾产甲烷总量,m Πkg ; R 为填埋场垃圾填埋量平均值,kg Πa ; k 为甲烷产率系数,L Πa ; t 为填埋场运行时间,a ; c 为填埋场关闭时间,a.

根据美国环境保护局(EPA ) 的相关研究, 对于阿苏卫填埋场填埋气产量进行模拟计算时, 取L 0为01100m Πkg , k 为0104L Πa

[15]

. 计算结果表明, 阿苏

卫填埋场填埋气产量将在2011年达到最大值

61023×10m Πh , 此后填埋气产量将逐年下降(见图

图1　1994—2005年阿苏卫填埋场的垃圾填埋量

Fig. 1　Land fill refuse quantity in Asuwei

land fill from 1994to 2005

2) . 在2005—2039年的运行期间其填埋气平均产量

将达到3317×10m Πa.

2　填埋气回收处理

阿苏卫填埋场填埋气经历了从自然排放到集中收集处理的2个阶段. 自1994年12月投入运行以来, 其填埋气主要是利用导气管自然排放;2001年6

112　填埋气主要成分及产量预测11211　填埋气主要成分

垃圾填埋气是由于生活垃圾中大量有机物被微

88环　境　科　学　研　究第19卷

阿苏卫填埋场填埋气发电系统包括填埋气井、

浓缩分离槽、抽气站、过滤处理以及发电机组等, 发电系统流程见图3. 该系统的初步设计值:填埋气平

均产量为1108×10m Πd ; 一期发电机组为2×1250kW 内燃发电机, 二、三期各增加2×1250kW 内燃发电机; 一期电力输出为161644G W ・h , 二期为331288G W ・h , 三期为491932G W ・h.

根据测算, 阿苏卫填埋场填埋气的回收率约为

70%, 通过打垂直气井, 可回收气体1018×10m Πd , 填埋气中φ(CH 4) 为5214%～6014%.312　系统参数的设置31211　图2　阿苏卫填埋场潜在填埋气平均产量

随填埋时间的变化

Fig. 2　Variations of average land fill gas latency

output in Asuwei land fill

月, 北京市四清环卫工程集团有限责任公司投资

800×10元, 建设了用于净化空气和保障安全的火炬安全系统. 该系统主要由填埋气收集系统和自动控制点燃系统构成, , 埋气中的CH 4含量达到一定值时, ; 当4. .

表3　T able 3　Quantity of Asuwei land fill gas combustion 年份燃烧量Πm 3

2003514067

[1**********]

2005

个; 井距40～

泵200m Πd ; 应急火炬12003

图3　阿苏卫填埋场填埋气发电系统流程

892163

Fig. 3　Flow chart of power generator system

using Asuwei land fill gas

　　以火炬燃烧方式处理填埋气, 其设备简单, 初始投资不大, 操作简便, 运行维护成本较低. 但该处理方式集气效率较低, 燃烧效率也会受到气候的影响, 处理效果不稳定. 此外, 该处理方式是将填埋气作为“废气”看待, 其目的是为了净化垃圾填埋场附近的大气、防止填埋气爆炸和自燃事故的发生, 而未能开发出填埋气的资源价值.

填埋气作为能源加以利用的各种技术都已较为成熟, 包括发电、热电联产、用作锅炉或居民燃料等. 其中使用最多、技术最为成熟的是填埋气回收发电技术

[16]

31212　内燃发电机

机械输出1400kW ; Stanford 400V 发电机>1500kVA ; 发电机效率约为98%;NO x 排放量约为212mg Πm ,C O 排放量约为354212mg Πm ; 能量输入3783kW.

313　主要技术经济指标

阿苏卫填埋气发电厂占地1800m , 设计寿命

为25a , 回收气体1018×10m Πd ,24h 连续运行, 年满负荷发电开机率80%, 自用电比率5%, 输出电力

2500kW. 工程设计总投资3394×10元, 工程初始

投资见表4, 项目年直接经济效益达230×10元. 314　运行费用及经济效益31411　运行费用工程运行费用包括人力、动力、设备维修检测等, 具体见表5. 31412　经济效益

项目实施后, 填埋气回收发电可实现直接上网,

(kW ・平均电价为0152元Πh ) ; 年直接经济效益(税

前) 230×10元.

. 由于在阿苏卫填埋场周围2km 内, 没有较

大的工业热力和民用燃气用户, 因此投资热力和燃气产品的销售效益难以保证; 同时, 由于填埋场产气过程的随机性, 导致燃气供应的稳定性和可靠性具有一定风险, 而区域供热的季节性又难以保证非采暖季节填埋气的回收利用, 因此填埋气最好的利用方式是并网发电.

3　填埋气并网发电

311　工艺技术路线

第6期王进安等:垃圾填埋场填埋气回收处理与利用

表4　填埋气发电设施建设经费预算

T able 4　Budget of construction land fill gas for power generator

系统设施建设填埋气发电设施发电设施场地安装填埋场建设电力上网

合计

设备

引擎、发电机组、电力输出模块、冷凝分离器、过滤设备、安装及维修工具、分析仪器及辅助设备、设备运输、关税以及杂项费用整地、覆石、围篱、机组基座、电气管道及结线、连接填埋气管、机组安装、排水设施、避雷系统、接地系统、场地园艺、安装工具及机具设备租赁、设计顾问、机组试车场地整平及再覆土、填埋气井的材料及施工、填埋气收集站材料及施工、填埋气收集管材料及施工、砂石、机具及车辆租赁费用、设计、顾问等配线材料及施工、并联测试、其他接口设备

投资费用1) Π104元

[**************]94

　　1) 以初期投资2部发电机组(2500kW ) 为估算基准, 实际机组数量需视填埋气实际产量而定.

表5　阿苏卫垃圾填埋气发电项目运行费用

T able 5　Operating costs of Asuwei land fill gas power

generation project

项目

动力、水费

维护及维修费工资、奖金)

合计

运行费用1) Π104元

6512181550

[8]]

Ruan Jianguo. Research on and exploitation of Shenzhen [J Building Energy &, 2003, ) :43, , , 等. 射水造墙技术在平原型垃圾[J].环境科学研究, 2003, 16(4) :

—491

W ang Jin ’an , Liu Xuejian , X ia Lijiang , et al. The case study of remedying anti 2permeable system using the water jet grouting curtain process in a land fill site [J].Research of Environmental Sciences , 2003, 16(4) :47—491

　　1) 以2部发电机组(2500kW ) 为估算基准, 不包括设备折旧等.

王进安, 黄仁华, 杜巍, 等. 北方大型填埋场“路堤结合”垃圾填埋工艺探讨[J].环境卫生工程, 2004, 12(2) :95—971

W ang Jin ’an , Huang Renhua , Du W ei , et al. R oad 2embankment integrating land fill process for northern large scale land fill site [J].Environmental Sanitation Engineering , 2004, 12(2) :95—971

4　结语

依据模型预测, 在2005—2039年的运行期间阿

苏卫填埋场填埋气平均产量可达3317×10m Πa , 并网发电是其最佳利用方式. 阿苏卫填埋场填埋气回收发电项目一旦实施, 项目年直接经济效益可达

230×10元.

[9][10]

Nyns E J , G endebien A. Land fill gas :from environment to energy [J].W ater Sci T echnol , 1993, 27(3) :253—2591

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[16]

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[6]阮建国. 深圳下坪垃圾卫生填埋场沼气收集与利用方式研究

[J].建筑热能通风空调, 2003, (1) :43—441

(编辑:潘凤云)

第19卷　第6期环　境　科　学　研　究

Research of Environmental Sciences 　　

V ol. 19,N o. 6,2006

垃圾填埋场填埋气回收处理与利用

王进安, 杜　巍, 刘学建, 卢丽超, 胡　玉

北京市阿苏卫垃圾卫生填埋场, 北京　102211

关键词:填埋气; 回收利用; 发电

中图分类号:X 705　　　文献标识码:A 　　　:(04

Recovery and Landfill Site

W ANGJin 2an , LI U 2jian , LU Li 2chao , H U Y u

Asuwei Waste Sanitary Land fill S ite , Beijing 　102211, China

[1—2]

; 填埋

气引出, 避免出现安全事故, 有些小型填埋场甚至没

有填埋气导排设施; 正规大中型填埋场在运行初期由于填埋深度不够也是采取自然排放的形式.

随着能源短缺问题日益严重, 人们对填埋气的认识发生了变化, 因为其主要成分———甲烷的热值

约为18181～22199M J Πm , 可以作为再生能源加以利用. 近几年填埋气已逐渐从自然排放、分散焚烧转向作为能源收集利用.

[6]

实例; 其他利用方式包括制造燃料电池、甲醛及轻柴油等, 但均未进入商业化生产阶段.

气逸出会导致填埋场及其附近植物根部因缺氧而死亡; 某些填埋场释放的气体能致癌以及因填埋场的卫生问题而导致其他疾病等. 据测算, 在填埋场运行

3[3—5]

收稿日期:2006-04-19

作者简介:王进安(1972-) , 男, 江苏东台人, 工程师.

第6期王进安等:垃圾填埋场填埋气回收处理与利用87

1　填埋气产生过程及产气量预测

111　垃圾填埋量及垃圾组分

生物降解而产生. 填埋气成分较为复杂, 可分为3

类:CH4和C O 2为主要成分, 其中φ(CH 4) 为50%～70%, φ(C O 2) 为30%～50%; H 2S ,NH 3和H 2等为常

阿苏卫垃圾卫生填埋场(以下简称阿苏卫填埋场) 隶属于北京市四清环卫工程集团有限责任公司, 主要承担北京市东城、西城区和昌平区7个乡镇的

垃圾处理任务. 填埋库区占地43hm , 设计库容

112×10m , 设计处理能力2000t Πd , 设计寿命17a. 阿苏卫填埋场属于山前平原, 浅层滞水丰富, 一期工程下挖418m , 主要采用水平膨润土板和垂直射水

[7]

造墙相结合的防渗办法, 二期工程主

要采用H DPE 膜进行水平防渗. 垃圾填埋主要采取“路堤结

[8]

表1. 据统计, 阿苏卫填埋场在运行初期, 垃圾填埋量上升较快,

1997年垃圾填埋量即达8816×10t ,1998年略有下降, 此后呈稳定的上升趋势, 至2005年共填埋垃圾

7614×10t (见图1) .

表1　阿苏卫填埋场垃圾的主要成分

T able 1　C om ponent of refuse in Asuwei land fill 成分

w Π%

见成分, 其体积分数之和不足5%; 而烷烃、环烷烃、

芳烃、卤代化合物等挥发性有机物(VOC ) 为微量成分, 其体积分数之和低于1%

[9—10]

通过对阿苏卫填埋场进行现场钻孔, 定期对收集到的填埋气进行分析, 分析仪器采用便携式四组分气体红外线分析仪

[11]

. 分析结果表明, 该填埋场

填埋气主要为CH 4和C O 2, φ(CH 4) 为5214%～6014%(见表2) .

表　T 　C of land fill gas com ponents d φ(CH 4) Π%φ(O 2) Π%φ(CO 2) Π%

5214～6014

012～118

3119～3814

填埋气抽取

(m 3・量Πh -1) 218～476

11212　填埋气产量预测

间的延长, 填埋气产量将随之减少. 填埋气产量可以采用经典的数学统计模型和动力学模型来计算量

[13—14]

[12]

以下用一级降解Scholl Cany on 模型来模拟填埋气产

食物纸类草木塑料织物玻璃灰土金属其他

[1**********]

810

413

[1**********]610

Q LFG =2L 0R (e

-kc

-e

-kt

)

　　注:钻头取样, 取样量为914～2012kg Π次, 取样点的垃圾填埋深

度为13～14m.

式中, Q LFG 为垃圾填埋气总产量,m Πa ; L 0为单位垃

圾产甲烷总量,m Πkg ; R 为填埋场垃圾填埋量平均值,kg Πa ; k 为甲烷产率系数,L Πa ; t 为填埋场运行时间,a ; c 为填埋场关闭时间,a.

根据美国环境保护局(EPA ) 的相关研究, 对于阿苏卫填埋场填埋气产量进行模拟计算时, 取L 0为01100m Πkg , k 为0104L Πa

[15]

. 计算结果表明, 阿苏

卫填埋场填埋气产量将在2011年达到最大值

61023×10m Πh , 此后填埋气产量将逐年下降(见图

图1　1994—2005年阿苏卫填埋场的垃圾填埋量

Fig. 1　Land fill refuse quantity in Asuwei

land fill from 1994to 2005

2) . 在2005—2039年的运行期间其填埋气平均产量

将达到3317×10m Πa.

2　填埋气回收处理

阿苏卫填埋场填埋气经历了从自然排放到集中收集处理的2个阶段. 自1994年12月投入运行以来, 其填埋气主要是利用导气管自然排放;2001年6

112　填埋气主要成分及产量预测11211　填埋气主要成分

垃圾填埋气是由于生活垃圾中大量有机物被微

88环　境　科　学　研　究第19卷

阿苏卫填埋场填埋气发电系统包括填埋气井、

浓缩分离槽、抽气站、过滤处理以及发电机组等, 发电系统流程见图3. 该系统的初步设计值:填埋气平

根据测算, 阿苏卫填埋场填埋气的回收率约为

70%, 通过打垂直气井, 可回收气体1018×10m Πd , 填埋气中φ(CH 4) 为5214%～6014%.312　系统参数的设置31211　图2　阿苏卫填埋场潜在填埋气平均产量

随填埋时间的变化

Fig. 2　Variations of average land fill gas latency

output in Asuwei land fill

月, 北京市四清环卫工程集团有限责任公司投资

表3　T able 3　Quantity of Asuwei land fill gas combustion 年份燃烧量Πm 3

2003514067

[1**********]

2005

个; 井距40～

泵200m Πd ; 应急火炬12003

图3　阿苏卫填埋场填埋气发电系统流程

892163

Fig. 3　Flow chart of power generator system

using Asuwei land fill gas

[16]

31212　内燃发电机

机械输出1400kW ; Stanford 400V 发电机>1500kVA ; 发电机效率约为98%;NO x 排放量约为212mg Πm ,C O 排放量约为354212mg Πm ; 能量输入3783kW.

313　主要技术经济指标

阿苏卫填埋气发电厂占地1800m , 设计寿命

为25a , 回收气体1018×10m Πd ,24h 连续运行, 年满负荷发电开机率80%, 自用电比率5%, 输出电力

2500kW. 工程设计总投资3394×10元, 工程初始

项目实施后, 填埋气回收发电可实现直接上网,

(kW ・平均电价为0152元Πh ) ; 年直接经济效益(税

前) 230×10元.

. 由于在阿苏卫填埋场周围2km 内, 没有较

3　填埋气并网发电

311　工艺技术路线

第6期王进安等:垃圾填埋场填埋气回收处理与利用

表4　填埋气发电设施建设经费预算

T able 4　Budget of construction land fill gas for power generator

系统设施建设填埋气发电设施发电设施场地安装填埋场建设电力上网

合计

设备

投资费用1) Π104元

[**************]94

　　1) 以初期投资2部发电机组(2500kW ) 为估算基准, 实际机组数量需视填埋气实际产量而定.

表5　阿苏卫垃圾填埋气发电项目运行费用

T able 5　Operating costs of Asuwei land fill gas power

generation project

项目

动力、水费

维护及维修费工资、奖金)

合计

运行费用1) Π104元

6512181550

[8]]

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—491

　　1) 以2部发电机组(2500kW ) 为估算基准, 不包括设备折旧等.

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4　结语

依据模型预测, 在2005—2039年的运行期间阿

苏卫填埋场填埋气平均产量可达3317×10m Πa , 并网发电是其最佳利用方式. 阿苏卫填埋场填埋气回收发电项目一旦实施, 项目年直接经济效益可达

230×10元.

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(编辑:潘凤云)

垃圾填埋场填埋气回收处理与利用

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