垃圾填埋場生產(chǎn)車用壓縮天然氣的應用研究

陳一帆 林明松 謝軍

摘 要：本文首先從環(huán)保、經(jīng)濟性等多個角度分析了當前垃圾填埋場的發(fā)展現(xiàn)狀和垃圾填埋場沼氣生產(chǎn)車用壓縮天然氣的意義。其次，論文通過對垃圾填埋場生產(chǎn)沼氣的分布規(guī)律、生產(chǎn)效率、供求關系、沼氣組分特點等進行動態(tài)探索分析，發(fā)現(xiàn)垃圾填埋場生產(chǎn)車用壓縮天然氣，具有很強的可行性。最后，論文根據(jù)沼氣處理方法設置多組對比燃氣參照組。然后從車用壓縮天然氣的主要使用性能中的辛烷值、熱值、使用性能和經(jīng)濟性能等多方面進行研究和分析。并得出結(jié)論，垃圾填埋場沼氣通過凈化后添加部分丙烷作為車用壓縮天然氣可獲得最佳的經(jīng)濟、使用性能。

關鍵詞：垃圾填埋場;沼氣;車用壓縮天然氣

當前世界每年生產(chǎn)超過35億噸的生活垃圾，而這些垃圾以各種形式存在于地球上。隨著近年來我國經(jīng)濟和城市化的快速發(fā)展，我國的生活垃圾產(chǎn)生量也在快速發(fā)展，預計到2020年城市垃圾產(chǎn)量可達3.23億噸。如何實現(xiàn)生活垃圾的高效益、環(huán)保的處理，是當前研究的熱點。[1，2，3]沼氣是垃圾填埋場生產(chǎn)經(jīng)濟效益的主要手段，也是當前垃圾填埋場實現(xiàn)廢物再利用的主要辦法。為了更高效的處理生活垃圾，將垃圾填埋場沼氣產(chǎn)品的高價值化，是當前垃圾填埋場資源利用的研究重點。[3，4]而從環(huán)境、能源和經(jīng)濟三個角度出發(fā)，沼氣資源化生產(chǎn)車用壓縮天然氣是當前較為經(jīng)濟、高效和環(huán)保的處理辦法之一。[1]

1 垃圾填埋場沼氣及其產(chǎn)業(yè)特點

1.1 垃圾填埋場沼氣組成特點

垃圾填埋場生產(chǎn)的沼氣組成成分非常復雜，通常產(chǎn)氣穩(wěn)定的垃圾填埋場生產(chǎn)的沼氣主要成分如表1所示，由表可以看出，沼氣中占主要成分有CH4、CO2、N2、H2O和H2等，熱值一般在7.4～22MJ/m3，凈化后熱值可接近天然氣的熱值，凈化利用的提升效果較好。[2-5]

1.2 垃圾填埋場沼氣生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)特點

一般垃圾填埋場垃圾填入約30天后會生產(chǎn)沼氣，半年右到達的較高沼氣生產(chǎn)水平，且垃圾填埋場隨著時間變化，沼氣組分也會發(fā)生變化，圖1對前四年的垃圾填埋場沼氣主要組分的體積分數(shù)變化特點進行了分析。[6-8]一般垃圾填埋場會經(jīng)歷好氧發(fā)酵、過渡、酸化、產(chǎn)氣和穩(wěn)定5個階段，持續(xù)生產(chǎn)沼氣的時間可達到近20年左右，其中約15年的時間為產(chǎn)氣高峰期。段麗、趙勝男等人[7-10]預測了垃圾填埋場沼氣的產(chǎn)量變化，如圖2所示，垃圾填埋場沼氣生產(chǎn)。隨著近年來我國城市化不斷地深入，我國人均生活垃圾不斷增加，當前我國人均生活垃圾的產(chǎn)量約為1.16kg/d。每噸垃圾在填埋場壽命期內(nèi)大約可產(chǎn)生100～200m3的沼氣。因此，可以看出我國每年可產(chǎn)生約60-120億m3/年的垃圾填埋場沼氣，以46%的CH4含量，可獲得30-60億m3CH4。而以我國天然氣為例，2018年我國的天然氣產(chǎn)量為1600億m3，其中進口量為9億m3。因此，垃圾填埋場沼氣的生產(chǎn)，對于我國的能源、環(huán)境貢獻潛力巨大。

1.3 垃圾填埋場沼氣的經(jīng)濟效益分析

當前垃圾填埋場生產(chǎn)的沼氣主要作用有：①直接燃燒發(fā)電;②凈化提純后通入城市燃氣管道使用;③凈化后利用燃氣輪機發(fā)電;④凈化提純后作為車用壓縮燃氣使用;⑤凈化提純后作為化工原料使用;等等。當前沼氣凈化的技術已經(jīng)比較成熟，且成本低廉，但是從沼氣中獲得高純度的CH4還是比較困難。因此，當前最佳的沼氣利用方法是，輕度凈化提純后作為燃氣使用。而作為城市燃氣的價格較低，通常市場價在2—3元/m3左右，而車用壓縮天然氣通常在5元/m3左右。且相對于汽油，汽車使用天然氣作為動力源具有很大的成本優(yōu)勢，通常在汽車使用天然氣和汽油的比價在0.6比1左右。且垃圾填埋場通常具有在城市邊緣，且具有離城市周邊主干道較近，離城市供氣管道較遠等特點。從項目的可行性、經(jīng)濟效益的角度出發(fā)，利用垃圾級填埋場生產(chǎn)的沼氣，凈化提純后生產(chǎn)車用燃氣的經(jīng)濟效益和可行性最高。[11]

2 垃圾填埋場生產(chǎn)車用壓縮天然氣的工藝研究

2.1 垃圾填埋場沼氣理化特性分析

利用垃圾填埋場沼氣生產(chǎn)車用壓縮天然氣，最重要的是使沼氣的理化性質(zhì)滿足車用壓縮天然氣的要求。我國國標對于車用壓縮天然氣的組分的要求，通常要求二氧化碳低于3%，熱值高于31.4MJ/m3。從表1可以看出，垃圾填埋場沼氣直接生產(chǎn)車用壓縮天然氣是不符合要求的，必須對其凈化、改良后才能作為車用燃料使用。從車用燃料的角度來說，CH4和H2都屬于高熱值的燃料，且相對汽油更加環(huán)保，燃燒后產(chǎn)物只有CO2和水。CH4辛烷值通常比汽油高30%左右，具有很好的抗爆性且CH4燃點、著火點高，可作為非常優(yōu)秀車用燃氣使用，但是CH4還具有燃燒速度較慢等缺點。

2.2 沼氣生產(chǎn)車用壓縮天然氣的方法分析

為了提升垃圾填埋場沼氣的品質(zhì)，使其能夠滿足車用燃料的需求必須對其進行質(zhì)量提升。當前將沼氣生產(chǎn)為車用燃氣的主要方式有兩種方法，第一種方法是，通過沼氣凈化，提升沼氣理化性質(zhì)。第二種方法是，將沼氣凈化后，添加甲烷、乙烷、丙烷等烴類物質(zhì)，提升燃氣的理化性質(zhì)。沼氣凈化，是當前沼氣利用的主要手段，工藝比較成熟，成本較低等優(yōu)點。其主要是通過物理或者化學的方法，將沼氣中的CO2、水、硫化物、N2等雜質(zhì)去除，保留其中的CH4和H2實現(xiàn)沼氣理化性質(zhì)的提升目的。乙烷、丙烷等都是較為常見的氣態(tài)烴類物質(zhì)，具有來源廣、價格低等優(yōu)點。由于沼氣凈化后直接使用還存在體積熱值、燃燒速度等方面的問題，因此，往凈化后的沼氣中添加乙烷、丙烷等烴類物質(zhì)提升沼氣理化性質(zhì)，也是一種簡單直接有效的沼氣提升方式。

3 利用垃圾填埋場沼氣生產(chǎn)車用壓縮天然氣的理化性能分析

3.1 對比參數(shù)設置

不同的沼氣提升方法對于沼氣提升作為車用燃料的性能提升能力不一樣。為了最大限度提升沼氣生產(chǎn)車用壓縮天然氣的質(zhì)量，需要對從甲烷、丙烷、沼氣、凈化后沼氣、沼氣混合物等多個角度進行對比分析。由于沼氣的主要成分為CH4和CO2且其他組分含量較少，所以分析過程將沼氣近似看作為CH4和CO2，而沼氣凈化后通常可以獲得的是高純度的CH4。為此，論文將設置了7組對比數(shù)據(jù)進行研究。第一組是純CH4作為對比研究、第二組是純沼氣，第三組為經(jīng)過凈化后的沼氣，第四組為沼氣添加C2H6提升，第五組為沼氣凈化后添加C3H8。第六組和第七組分別為沼氣直接添加C3H8或C2H6的對比組，其中各組氣體的主要組成成分如表2所示。

3.2 對比組燃氣辛烷值計算分析

車用壓縮天然氣的指標主要取決于辛烷值和熱值，通常我們可以直接通過計算的方式來獲得燃氣的辛烷值。當前評價車用燃氣的抗爆性能的方法主要有馬達法（MON）和甲烷值（MN）法。通常我們的車用燃料可以通過馬達法測取辛烷值，而燃氣的辛烷值可以直接通過計算獲得預估值，其計算公式如公式1所示。

MON=137.78X1+29.948X2-18.193X3+181.233X4（公式1）

X1—CH4體積分數(shù)（%） X2—C2H6體積分數(shù)（%）

X3—C3H8體積分數(shù)（%） X4—CO2體積分數(shù)（%）

通過對7組對比組的辛烷值計算得到的7組燃氣的辛烷值，然后通過97號汽油和對比組的辛烷值進行對比如圖3所示。由圖3可以看出沼氣凈化后，添加C3H8或C2H6油的會降低燃氣的辛烷值，但是降低值較少，基本不影響燃氣的抗爆性。

3.3 對比組燃氣熱值分析

CH4、C2H6和C3H8氣體的質(zhì)量能量密度CH4最高，但是體積能量密度以C3H8最高，通常甲烷的高熱值為9500Kcal/Nm3左右，乙烷的高熱值為16800Kcal/Nm3左右，丙烷的高熱值為24100Kcal/Nm3左右。由于氣體混合的體積特點可知，多組狀態(tài)相同的氣體混合后，體積為原氣體的總和，而沼氣主要由甲烷等氣體，因此，往沼氣中添加C2H6和C3H8等氣體和沼氣凈化提升等，都能適當提升沼氣的體積能量密度。

3.4 對比組燃氣使用性能分析

在對于甲烷、丙烷和甲烷/丙烷混合燃料的實際應用發(fā)現(xiàn)，混合燃料的使用，在很多方面有利于但燃氣作為車用壓縮燃氣的使用性能。根據(jù)張佳心等人和陳叔平等人[11-13]，分別對于甲烷、丙烷和甲烷/丙烷混合燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘嶒炦M行了測定和針對甲烷/丙烷混合燃料在噴射過程進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，甲烷/丙烷混合燃料燃燒的速度大于單一燃料燃燒速率，且混合燃料適合90度的噴射角度和低直徑的噴嘴噴射最為適合混合燃氣的應用。因此，從應用的角度來說，填埋場沼氣凈化后，經(jīng)過凈化后，添加適量的丙烷作為車用壓縮天然氣是當前最為合適的填埋氣沼氣應用方法。

3.5 對比組燃氣經(jīng)濟性分析

從經(jīng)濟性方面考慮，當前天然氣（甲烷）主要用于燃氣和化工需求，價格隨季節(jié)變化較大，每噸為三千至四千元左右。丙烷的主要用于車用燃料、部分用于化工原料等，價格較為穩(wěn)定每噸為四千元左右。乙烷由于在工業(yè)生產(chǎn)、化工等方面的用途較廣，是當前世界主要的化工原料之一，每噸在八千元左右。而車用壓縮天然氣每噸價格為三千五百元左右。而沼氣凈化成本基本在1.1-1.8元/m3左右，約一千五百元左右。因此，從經(jīng)濟方面考慮，直接將沼氣凈化生產(chǎn)車用壓縮天然氣有很大的優(yōu)勢。

3.6 對比組燃氣作為壓縮車用天然氣應用分析

通過對模擬對比組在辛烷值、熱值和使用性能等角度的分析發(fā)現(xiàn)，垃圾填埋場沼氣，非常適合生產(chǎn)車用壓縮天然氣，具有很強的使用性。此外，垃圾填埋場沼氣通過凈化后，添加適量的丙烷或者乙烷等，可以有效提升燃氣的各項指標性能。

4 結(jié)論

論文首先，從環(huán)保、經(jīng)濟性等多個角度分析了當前垃圾填埋場的發(fā)展現(xiàn)狀和垃圾填埋場沼氣處理的意義。其次，論文通過對垃圾填埋場生產(chǎn)沼氣的規(guī)律進行探索分析，發(fā)現(xiàn)在我國垃圾填埋場生產(chǎn)沼氣具有很大的潛力，并且通過對垃圾填埋場沼氣常見位置、生產(chǎn)效率、沼氣組分進行動態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)垃圾填埋場生產(chǎn)車用壓縮天然氣，能有機結(jié)合供求關系，具有很強的可行性。然后，論文對垃圾填埋場沼氣生產(chǎn)燃氣的方法進行了分析，根據(jù)沼氣處理方法設置多組對比燃氣參照組。并從車用壓縮天然氣的主要使用性能中的辛烷值、熱值、使用性能和經(jīng)濟性能等多方面進行研究和分析。最后，論文得出結(jié)論，垃圾填埋場沼氣通過凈化后添加部分丙烷作為車用壓縮天然氣可獲得最佳的經(jīng)濟、使用性能。

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基金項目：廣西高校中青年教師基礎能力提升項目（項目編號：2019KY1341），廣西交通職業(yè)技術學院教學改革立項項目（項目編號：JZY2019B08），廣西高校中青年教師基礎能力提升項目（項目編號：2020KY34006）

作者簡介：陳一帆（1991—），男，碩士，主要從事能源利用等方面的研究。

*通訊作者：林明松（1983—），男，博士，副教授，研究方向：汽車運用等方面的研究。