江門旗桿石生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)填埋氣產(chǎn)量估算及資源化利用

摘要：本文以江門旗桿石生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)垃圾量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用填埋氣產(chǎn)量預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型對(duì)其填埋氣產(chǎn)氣量進(jìn)行估算，介紹了江門旗桿石生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)填埋氣制天然氣工藝裝置的實(shí)際運(yùn)行情況，闡述該項(xiàng)目的工藝技術(shù)及其特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：填埋氣;產(chǎn)氣量預(yù)測(cè);天然氣

Abstract：This article uses the amount of incoming garbage in the Jiangmen Flagstaff Sanitary Landfill as the basic data， and uses the landfill gas production prediction mathematical model to estimate its landfill gas production， and introduces the Jiangmen Flagstaff Sanitary Landfill. The actual operation of the landfill gas-to-natural gas process plant， expounding the projects process technology and its characteristics.

Key words：Landfill gas;Gas production prediction;Natural gas

1 垃圾填埋氣體特點(diǎn)

通常垃圾在填埋半年至一年后，填埋垃圾堆體降解進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵穩(wěn)定階段，填埋氣體產(chǎn)生速率即可達(dá)到最大，氣體中的甲烷含量也可達(dá)到最大。垃圾通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的填埋氣體（LFG）中約50%是可燃?xì)怏w甲烷，其余主要是CO2，同時(shí)還含有微量的硫化氫、硫醇、氯乙烯、甲苯、己烷、氯甲烷、二甲苯等有毒氣體。

2 生活垃圾組分及預(yù)測(cè)產(chǎn)生量

2.1 生活垃圾成分現(xiàn)狀

江門市垃圾處理場(chǎng)管理所近年來對(duì)進(jìn)場(chǎng)生活垃圾成分進(jìn)行了多次抽查，其平均結(jié)果見表1。

2.2 江門市區(qū)生活垃圾產(chǎn)生量預(yù)測(cè)

江門旗桿石生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)僅處理江門市蓬江區(qū)、江海區(qū)、新會(huì)區(qū)的生活垃圾。

城市生活垃圾的產(chǎn)量跟城市人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)水平、生活習(xí)慣、地理位置、能源結(jié)構(gòu)、收運(yùn)范圍等多種因素有關(guān)。垃圾的產(chǎn)量可按人均生活垃圾產(chǎn)量的折減值來預(yù)測(cè)。我國目前屬于發(fā)展中國家，可參考對(duì)中低收入國家的預(yù)測(cè)值。參考江門市的城市發(fā)展現(xiàn)狀以及珠江三角洲部分城市的居民生活垃圾產(chǎn)量調(diào)查資料，市區(qū)內(nèi)人均產(chǎn)垃圾約為0.42kg/d，收集處理率約為90%，農(nóng)業(yè)人口產(chǎn)垃圾量的收集率約為20%。同時(shí)由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知2006年蓬江區(qū)戶籍人口約為45.12萬人，江海區(qū)戶籍人口為18.52萬人，新會(huì)區(qū)戶籍人口約為74.27萬人，江門市總?cè)丝诩s為387.345萬人，經(jīng)計(jì)算可知2006年的垃圾產(chǎn)量約為807t/d。

根據(jù)江門市蓬江區(qū)環(huán)境衛(wèi)生管理局、江海區(qū)城市管理局及新會(huì)區(qū)環(huán)境衛(wèi)生管理處對(duì)城市生活垃圾產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，自2000年以來，江門市三區(qū)的城市生活垃圾日平均處理量由605t/d增加到930t/d，年處理量由2.21×105t增加到3.4×105t，增長率在2.8%～15.2%之間，平均年增長率為6.4%。根據(jù)江門市的城市發(fā)展現(xiàn)狀以及珠江三角洲部分城市的垃圾實(shí)際增長量統(tǒng)計(jì)按照類推法進(jìn)行預(yù)測(cè)，并綜合考慮人口、GDP增長、生活水平、住房面積、能源結(jié)構(gòu)、綠化率、生活習(xí)慣及城市化發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)計(jì)江門市在2015年前垃圾量每年按7%的增長率增長，2015年以后按5%的增長率增長。

3 填埋氣產(chǎn)生量估算

3.1 填埋氣體產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型的確定

（1）目前，有多種填埋氣體產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，比較符合實(shí)際的數(shù)學(xué)模型是Monad模型。（2）為簡(jiǎn)化計(jì)算，實(shí)際應(yīng)用中，一般是對(duì)每一年的填埋垃圾進(jìn)行計(jì)算，然后對(duì)各年的垃圾產(chǎn)氣速率進(jìn)行疊加即得出各年填埋場(chǎng)總的產(chǎn)氣量。其疊加計(jì)算公式可表示如下。在填埋場(chǎng)封場(chǎng)前：

式中Gi為自填埋場(chǎng)運(yùn)行第i年的填埋氣體產(chǎn)生量，m3/a;i為自填埋場(chǎng)運(yùn)行第i年，Wi為第i年的垃圾填埋量。在填埋場(chǎng)封場(chǎng)后：

式中Gi為自填埋場(chǎng)運(yùn)行第i年的填埋氣體產(chǎn)生量，m3/a;i為自填埋場(chǎng)運(yùn)行第i年，Wn為垃圾填埋場(chǎng)最后一年的垃圾填埋量，n為填埋場(chǎng)終場(chǎng)年限。

（3）填埋場(chǎng)單位垃圾質(zhì)量的填埋氣體理論最大產(chǎn)氣量可根據(jù)生活垃圾中可降解有機(jī)碳的含量按照下式估算：

式中：C0為垃圾中有機(jī)碳的含量，% ;φ為有機(jī)碳的降解率，% ;1.867為標(biāo)準(zhǔn)狀況下，單位質(zhì)量的碳轉(zhuǎn)化成甲烷的體積，m3/kg。

3.2 參數(shù)選取

3.2.1 生活垃圾中有機(jī)碳含量及可降解有機(jī)碳含量

本項(xiàng)目缺少垃圾物理成分分析數(shù)據(jù)。只能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算。估計(jì)廣東垃圾成分中可降解有機(jī)物占到56%（不計(jì)塑料），有機(jī)物含水率在約76%。假設(shè)有機(jī)物中有機(jī)碳含量為48%，75%的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為填埋氣體。

則可計(jì)算出單位重量的垃圾最大理論產(chǎn)氣量為：

3.2.2 產(chǎn)氣速率常數(shù)

垃圾的產(chǎn)氣速率常數(shù)反映了垃圾中可降解有機(jī)物厭氧降解的速度。厭氧降解速度與垃圾成分、含水率、堆體溫度等因素有關(guān)。上述因素又與填埋場(chǎng)實(shí)際情況有關(guān)，對(duì)不同區(qū)域及類型的填埋場(chǎng)，其k值不同。

江門市位于珠三角西南部，當(dāng)?shù)貧夂驅(qū)儆跐駶櫄夂颍谔盥駳猱a(chǎn)量估算過程中參照表3選取k值，取0.12。

根據(jù)此模型和該填埋場(chǎng)各年垃圾填埋量可計(jì)算出封場(chǎng)后各年份的填埋氣體理論產(chǎn)生量，并可繪制出該填埋場(chǎng)理論產(chǎn)氣量隨時(shí)間的變化關(guān)系圖。

2018年填埋場(chǎng)理論產(chǎn)氣量為2.988×107m3，即3 410.70m3/h，已滿足現(xiàn)有填埋氣提純制天然氣設(shè)備的處理量。

4 填埋氣資源化利用系統(tǒng)

填埋氣資源化利用系統(tǒng)主要由填埋氣收集預(yù)處理部分、增壓部分、脫水脫碳部分、火炬系統(tǒng)、放散系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和儀表風(fēng)系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。

4.1 填埋氣收集預(yù)處理單元

填埋氣通過羅茨風(fēng)機(jī)的抽吸能力從填埋場(chǎng)收集進(jìn)來，首先進(jìn)入填埋氣凝液罐，去除游離水，再經(jīng)過粗過濾器過濾粒徑大于50um雜質(zhì)，再經(jīng)羅茨風(fēng)機(jī)將填埋氣提升至一定壓力，進(jìn)入預(yù)處理部分，依次進(jìn)入脫硫塔、一級(jí)冷干機(jī)及吸附塔，去除填埋氣中的硫化氫和硅氧烷等VOC氣體，以滿足燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)以及后續(xù)系統(tǒng)要求。填埋氣再經(jīng)粗過濾器、壓縮機(jī)緩沖罐后，進(jìn)入螺桿壓縮機(jī)增壓至1.4MPa。增壓后的填埋氣進(jìn)入脫水脫碳部分。填埋氣進(jìn)入冷干機(jī)進(jìn)行降溫脫水處理，使氣體壓力露點(diǎn)低于10℃，通過電加熱器增溫至45℃，再依次經(jīng)過多級(jí)顆粒過濾器和油過濾器后，進(jìn)入膜組件，本項(xiàng)目采用二級(jí)膜提純工藝，在膜組的特性下，使填埋氣中的甲烷和二氧化碳分離，產(chǎn)生凈化氣和滲透氣兩股氣體，其中凈化氣外輸進(jìn)入燃?xì)夤芫W(wǎng)，一級(jí)膜產(chǎn)生的滲透氣通過高點(diǎn)放散，二級(jí)膜產(chǎn)生的滲透氣回流至壓縮機(jī)前端再次進(jìn)行增壓凈化，凈化后進(jìn)入外輸燃?xì)夤芫W(wǎng)。

4.2 脫硫單元

采用氧化鐵干法脫硫進(jìn)行精脫硫至15mg/m3。干法脫硫采用立式干法脫硫方式，脫硫塔內(nèi)裝高硫容的氧化鐵脫硫劑脫硫精度高。采用雙塔流程工藝，一用一備，便于設(shè)備連續(xù)使用。

4.3 脫水單元

此脫水工藝采用冷凍式干燥機(jī)，目的是去除脫硫產(chǎn)生以及填埋氣本身自帶的大量飽和水氣，保護(hù)后續(xù)設(shè)備能穩(wěn)定正常工作，保證活性炭的使用壽命，同時(shí)降低氣體露點(diǎn)。

4.4 吸附塔單元

利用活性炭吸附原理，采用吸附方式去除沼氣中的VOC，確保膜組的分離性能，采用立式雙塔結(jié)構(gòu)，交替運(yùn)行。

4.5 脫碳單元

本系統(tǒng)采用膜法脫碳工藝對(duì)填埋氣中的二氧化碳進(jìn)行脫除，產(chǎn)品氣中二氧化碳含量小于3%。膜法脫碳的原理是利用不同氣體在特定介質(zhì)中傳輸動(dòng)力學(xué)方面的差異，利用混合氣體中各組分氣體在透過高分子膜時(shí)，其在膜內(nèi)的溶解度和擴(kuò)散滲透速率的不同，從而得到分離目的。本工藝裝置簡(jiǎn)單，可通過裝置模塊化可以適應(yīng)不同處理規(guī)模。操作彈性大，運(yùn)行費(fèi)用低，且無須使用化學(xué)試劑，是一種環(huán)境友好型工藝技術(shù)。

4.6 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況

江門旗桿石生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)填埋氣資源化利用系統(tǒng)一期已經(jīng)建成，處理規(guī)模為1 000m3/h，填埋氣年處理規(guī)模可達(dá)8.0×106m3，可生產(chǎn)生物天然氣3.2×106m3，每年可節(jié)約4 200t標(biāo)煤，每年可減少CO2排放量約12×105t。經(jīng)第三方檢測(cè)，產(chǎn)品氣高位熱值可以高達(dá)8 474kcal/m3，氣體組分均滿足國家現(xiàn)行天然氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。江門旗桿石生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)填埋氣資源化利用系統(tǒng)全部建成后，預(yù)計(jì)處理規(guī)模可達(dá)1 440m3/h，填埋氣年處理規(guī)模可達(dá)1.2×107m3，可生產(chǎn)生物天然氣4.8×106m3。

5 結(jié)束語

江門旗桿石生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)在2035年停止填埋垃圾時(shí)到達(dá)產(chǎn)氣高峰。將填埋氣提純凈化制取天然氣，不僅能減少有害氣體排放，還可以實(shí)現(xiàn)填埋氣資源化利用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)保效益。江門旗桿石生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)填埋氣資源化利用系統(tǒng)工藝可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，具有很大的推廣價(jià)值。

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收稿日期：2020-06-11

作者簡(jiǎn)介：黃浚東（1994-），男，漢族，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境保護(hù)。