垃圾填埋場沼氣回收利用研究

0城市垃圾污染效應城市垃圾填埋是世界各國處理廢物的最重要方法。垃圾填埋氣（lfg）來自將有機污染物從垃圾填埋中排出的氣體中分解，也稱為填埋氣。一個中等規模的垃圾填埋場平均日產填埋沼氣可達3000m3以上。據預測,到2015年中國城市的垃圾產量將達1.79×108t/a,其中約60%需要進行填埋處置。按照垃圾產生的填埋沼氣為0.064~0.44m3/kg計算,其中,甲烷總量相當于10×108~70×108m3/a的天然氣,其最小值與目前中國煤層氣產量相當,最大值相當于中國目前天然氣產量的1/5。LFG既是一種溫室氣體,其中的甲烷溫室效應是二氧化碳的21倍,同時它又是一種寶貴的清潔能源,而且,甲烷燃燒的產物是二氧化碳和水,具有二次污染小的特點。因此,對LFG進行綜合處置和利用是目前國際關注的節能減排課題之一。如果能將垃圾填埋場產出的LFG充分回收利用,作為燃料驅動直燃型熱泵運行,既控制了溫室氣體的無序排放,具有良好的環境效益,又可實現垃圾的資源化和能源化利用,產生明顯的經濟效益。1廢物填埋廢物的回收和利用1.1填埋沼氣主要成分甲烷和二氧化碳,其基本穩定的生物指標要求對于其干生活垃圾進入填埋場并經壓實覆蓋以后,外界的氧氣就不能再進入到垃圾體內。當垃圾體內的氧氣被微生物的好氧代謝耗盡后,垃圾體逐漸過渡到厭氧分解的階段。同時,隨著好氧代謝過程的減弱,初始大量產生的二氧化碳比例逐漸降低,隨著厭氧發酵過程的進行,甲烷比例逐漸提高。在經歷了最初的不穩定階段后,甲烷和二氧化碳的濃度在很長一段時間里都能保持基本穩定。因此,垃圾填埋沼氣的主要成分就是甲烷和二氧化碳。其中,甲烷占50%~60%,二氧化碳占30%~40%,此外,填埋沼氣中還含有少量氮氣、氧氣、氨氣、硫化氫、氫氣等其他氣體。填埋沼氣的熱值約為19.4MJ/m3,比城市煤氣略高,但低于天然氣。1m3LFG中所含的熱值大約相當于0.45m3的柴油或0.6m3的汽油(表1)。1.2氧化碳燃燒與天然氣相比,填埋沼氣的主要不足:(1)水分含量變化大,其含水率一般在5%~飽和濕度變化,如果含水率過高,將影響氣體的燃燒;(2)熱值較低,填埋沼氣中氣體的成分含量經常波動,且含有較高濃度的二氧化碳,從而影響其熱值的提高;(3)含氧量波動大,填埋沼氣在排出收集過程中如受到空氣的影響,造成含氧量增加,容易發生爆炸。雖然由于含有大量具有阻燃作用的CO2,導致其燃燒速度較慢,又因為燃燒速度慢使其燃燒持續期較長,后燃嚴重且排溫較高,燃燒效率也不如天然氣,但填埋沼氣在經過脫除水分和H2S后,也算是一種較優質的氣體燃料,如果用洗氣設備進一步去除部分CO2,則其燃燒特性就接近于天然氣。另一方面,因為填埋沼氣含有較多的CO2,提高了其抗爆性,也有利于降低最高燃燒溫度及NOx的排放,故其燃燒后對環境排放的污染物將明顯減少。1.3填埋沼液發電技術目前,垃圾填埋沼氣的主要利用途徑:(1)作為蒸汽鍋爐燃料,用于生活和工業供熱;(2)通過內燃機發電;(3)作為運輸工具的動力燃料;(4)經脫水凈化處理后作為管道氣體;(5)應用于二氧化碳工業;(6)用作生產甲醇的燃料。其中,利用填埋沼氣發電是應用最廣泛的技術之一,其技術裝備可以采用成熟的燃氣發電機組或專用的沼氣發電機組。相對于其它利用方式,可不受當地用戶條件的限制,但其經濟效益在很大程度上取決于使用的連續性以及從填埋場到用戶的距離。筆者認為,與目前幾種垃圾填埋沼氣利用方式相比,如果以填埋沼氣為燃料驅動直燃型熱泵系統運行,不僅在減少化石燃料的消耗、提高能源利用效率等方面更具有節能優勢,而且結合兩者的優點,在污染物減排方面也比其他利用方式更為顯著。近年來的研究和模擬試驗表明,通過設計湍流強度高的風扇形燃燒室對加快沼氣燃燒速度十分有效,部分解決了沼氣后燃問題,降低了排氣溫度,提高了燃燒效率。同時,專用的沼氣燃燒系統也已發展成熟,從而為填埋沼氣直燃型熱泵系統的構建和應用奠定了基礎。2氣體處理系統沼氣直燃型熱泵是以沼氣燃燒產生的高溫煙氣為驅動力的第一類吸收式熱泵機組,其各種機械平臺及換熱設備與其它燃氣直燃型熱泵基本類同,不同之處在于該機組還應配置填埋沼氣的收集、凈化處理及燃燒系統。氣體收集系統位于垃圾填埋場內,由一些氣體收集井和管網組成;氣體凈化處理系統包括脫硫罐、預處理模塊。其中,收集系統中應配備一臺沼氣輸送風機,通過它的抽吸作用,實現填埋沼氣從垃圾填埋場收集、凈化到送入燃燒系統并驅動直燃型熱泵機組運行。2.1沼氣沼氣收集、凈化和燃燒系統的嵌入2.1.1氣體收集方式的確定在自身濃度和外界壓力的共同作用下,填埋沼氣會在垃圾及周圍地層中遷移。因此,必須設置合理的填埋沼氣收集系統。早期的填埋沼氣主要利用豎井收集,但豎井系統不易收集初期產生的填埋沼氣,在收集系統建成前就有大量氣體逸出。近年來,水平式收集系統應用較為廣泛,即在垃圾填埋到一定高度后,在填埋場內鋪設水平收集主管,然后將水平支管收集到的氣體匯集到收集主管,而且可以在填埋場設置多層。但是,水平式收集系統會受垃圾體內的污泥在管內形成的冷凝液影響,阻塞管道,降低氣體收集率。因此,根據填埋沼氣直燃型熱泵系統的特點,比較理想的氣體收集方式是將水平與豎井收集系統相結合。即在垃圾填埋過程中水平鋪設盲溝,填埋沼氣在負壓的作用下,通過導氣豎管與場底水平收排滲系統相連,起導氣及垂直收滲雙重作用,同時為加強導氣效果,保護導氣豎管的穩定,可在導氣豎管的外側設置石籠,把石籠內多孔鋼管與地表管網連接,將填埋沼氣經過氣體收集管引至貯氣柜,再由貯氣柜通過獨立的管道輸往熱泵燃燒系統。2.1.2沼氣燃燒系統填埋沼氣凈化及燃燒系統包括脫硫罐、氣水分離器、燃燒器以及燃燒器的控制幾個部分,其系統流程:填埋沼氣貯氣柜→脫硫罐→氣水分離器→緩沖罐→阻火器→沼氣燃燒器。為了消除硫化氫的影響,填埋沼氣在進入燃燒器之前要進行脫硫、脫水等凈化處理。填埋沼氣的用途不同,其凈化處理工藝也有所不同。用作管道氣等高熱值的燃料時,需要脫除H2S,CO2,H2O和高分子碳氫化合物,并需對微量組分進行深度處理;而用作沼氣熱泵、鍋爐、熔爐等中熱值的燃料時,在過濾除去其中的H2S等組分后,還需要冷凝脫水。因此,用于直燃型熱泵的填埋沼氣宜選擇干法脫硫,設置脫硫罐,采用過濾處理技術除去顆粒物;設置氣水分離器,通過降溫使沼氣中的水蒸氣冷凝分離,以降低沼氣的濕度,減少對管道及設備的腐蝕,并防止冷凝水阻塞沼氣輸送管道。輸氣管道除以一定的坡度敷設外,還應在低處設置水封和排水孔。同時,為了增加燃燒系統的穩定性,需配置緩沖罐,并在沼氣進入燃燒器之前設置干式阻火器,以避免明火竄入存有沼氣的管道、貯氣柜及其他附屬設施而引起爆炸。其系統流程框圖如圖1所示。沼氣燃燒器是燃燒系統的核心設備,要求有較高的安全性和控制靈敏度。工作時,由壓力傳感器監測沼氣貯氣柜的壓力。當壓力達到預定值時,先由點火系統自動在燃燒器上形成火種火苗,火苗點燃后,沼氣進入燃燒器開始燃燒,通過轉動風門控制沼氣空氣比,以使沼氣火焰和火種火苗達到最穩定。當貯氣柜內壓力低于預定值時,壓力傳感器發出信號控制熄滅火苗,并關閉沼氣輸送管道。2.2低壓發生器的管排沼氣直燃型熱泵循環系統主要由高低壓發生器、蒸發器、吸收器、冷凝器和高低溫溶液熱交換器組成。其中,高壓發生器所需的熱輸入來自前述的沼氣燃燒系統,而冷凝器和吸收器為熱輸出設備。工作時,沼氣進入高壓發生器爐筒(燃燒器)中燃燒,高溫煙氣通過爐筒和傳熱管加熱二元溶液后,經余熱換熱器和煙筒排出,被加熱的二元溶液中產生的冷劑蒸汽則進入低壓發生器的傳熱管內。根據填埋沼氣的燃燒特點,高壓發生器采用濕燃燒室較理想,其爐筒后部可浸沒在二元溶液中,而且回流部分作為傳熱面能參與換熱。為了與濕燃燒室相配套,應選擇煙管式對流換熱器,并把煙管垂直布置,以便于煙氣的脫離。低壓發生器采用沉浸式結構比較適合沼氣直燃型熱泵。優點是能充分利用每一根傳熱管,溶液受熱均勻,而且其管排結構相對簡單,管內熱源溫度較低,但靜液柱影響較大,須限制充液量。宜選擇橫向管簇布置方式,以減少垂直方向上的管排數。吸收器與冷凝器的供熱水管需串接,傳熱管通常選擇帶斜槽或縱槽的高效紫銅管,以交錯排列的方式布置。配合采用壓力型淋板系統,通過溶液泵的壓力把液體散布在傳熱管外側,形成均勻液膜,傳熱傳質效果較好。2.3直燃型熱泵系統采暖綜合以上兩個系統,即構造出完整的填埋沼氣直燃型熱泵系統。其系統流程見圖2。來自氣體收集系統的填埋沼氣經過貯氣柜,進入凈化處理系統,再經脫硫凈化、除塵、除濕后,進入直燃型熱泵系統高壓發生器燃燒室。冬季采暖工況時,直燃型熱泵機組內的冷凝器及吸收器產生的冷凝熱和吸收熱一起作為熱輸出,通過分集水器把熱媒水供給用戶風機盤管循環使用;夏季制冷工況時,機組內的蒸發器作為冷輸出,通過分集水器把冷媒水供給用戶風機盤管循環使用。而燃燒室排出的高溫煙氣進入熱泵機組內設置的氣水換熱器,提供生活熱水供用戶使用,以回收余熱。3經濟與環境保護的效率3.1填埋沼氣直燃型熱泵系統供熱裝置的經濟性主要受系統投資、能源利用效率、設備使用年限、系統維護費用等因素影響。一般情況下,系統效率越高,投資就越大,兩者對經濟性的影響正好相反。此外,還受到能源價格、供需狀況等外部因素的影響。與其他供熱方式相比,填埋沼氣直燃型熱泵的系統投資較大,但其能源利用率高,而且又是將來源于垃圾處理過程中原本廢棄的沼氣作為能源驅動熱泵機組運行,從而節省了大量的燃料運行成本。如果供熱時間較長,在能源價格不斷上漲的情況下,其運行成本低的優勢將更為明顯。以一座中等規模的垃圾填埋場為例:假設填埋沼氣日產量為3000m3,設計選用輸入功率為500kW的沼氣直燃型熱泵。如取熱泵性能系數為1.5,按每天運行10h計算,熱泵可輸出的總熱量為2.7×104MJ。作為比較:(1)如改用燃煤鍋爐供熱,取其熱效率為75%,則提供2.7×104MJ的等值熱量,需要消耗折合發熱量為3.6×104MJ的標準煤;(2)如改用天然氣鍋爐供熱,取其熱效率為85%,則提供2.7×104MJ的等值熱量,需要消耗折合發熱量為3.18×104MJ的天然氣;(3)如改用電動熱泵供熱,取其性能系數為3.5,則提供2.7×104MJ的等值熱量,需要消耗折合發熱量為7.71×103MJ的電力。假設填埋沼氣直燃型熱泵系統每年運行300d,根據以上數據計算,可分別節約標準煤4.25×105kg(燃煤熱值25435kJ/kg),天然氣2.71×105m3(天然氣熱值35200kJ/m3),電力6.42×105kWh。而其運行成本大約僅占總收益的10%(不考慮熱回收),經濟效益十分顯著。如再以天然氣鍋爐為參照,按節約的天然氣量2.71×105m3及工業天然氣價2.5元/m3折算總收益,可減少運行成本約57.6萬元。在考慮了填埋沼氣收集及凈化系統設備投資的情況下,沼氣直燃型熱泵初投資按2300元/kW計算,其投資回收期為1.99a。對于天然氣價格高的地區,其投資回收期更短,經濟性更高。另一方面,垃圾填埋場一般可以連續運營10~15a,即使在封場后其填埋沼氣還能回收3~5a。因此,填埋沼氣直燃型熱泵系統的運行時間很長、耗氣量很大。如果根據其耗氣量及產生的CO2減排量大的特點,申報CDM項目(碳指標貿易),按目前每噸碳指標售價約10歐元計算,則開發具有垃圾填埋氣體資源化利用優勢的沼氣直燃型熱泵系統,帶來的經濟效益和社會效益同樣十分可觀。3.2填埋沼液氣體排放量目前,大氣中的甲烷是僅次于二氧化碳的重要溫室氣體,其溫室效應貢獻率達26%。據估計,到2030年甲烷的貢獻率將達到50%,成為頭號溫室氣體。全球的垃圾填埋場每年排放甲烷約7000萬t,約占全球甲烷排放總量的15%,控制垃圾填埋場的甲烷排放對減緩溫室效應意義重大。近年來,填埋沼氣的處理和回收利用也以其減排1m3甲烷相當于減排21m3二氧化碳的特點,成為國際碳指標減排貿易的熱點項目。因此,對填埋沼氣進行回收利用,作為燃料驅動直燃型熱泵運行,不僅節能還可減少甲烷的排放量,具有顯著的減排效益。而且,根據美國環保署EPA估計,采用直燃型熱泵供熱,平均可以減少相當于80%以上的電力消耗,可間接降低發電過程中所產生的污染物和溫室氣體排放。另一方面,填埋沼氣本身是生物質厭氧發酵后產出的潔凈氣體燃料,其燃燒排放的SO2,NOx,CO2分別是燃煤的10%,20%,40%(表2)。而且,垃圾填埋沼氣在進入直燃型熱泵系統之前,已經過脫硫、脫水、除塵等凈化處理,因此,填埋沼氣直燃型熱泵系統運行過程中的污染物及溫室氣體排放都很小,環保效益顯著。4直燃型熱泵系統的優勢(1)在配套填埋沼氣收集及預處理系統的基礎上