上海市政工程设计研究总院 曹伟华王艳明
本文就填埋气国内外应用情况进行了描述，并对填埋气发电实际应用中的主要技术问题尤其是填埋气产量预测和发电机组性能进行了探讨，为开展填埋气发电技术应用提供一定的指导价值。
填埋场内垃圾经过厌氧分解将产生大量的填埋气（LFG），填埋气产生可以简单归结为二个基本阶段，见图1。
图1 填埋气产生示意图
填埋气是一种可回收利用的能源（甲烷含量高），同时又是污染性气体（其中的CH4是强致温室性气体，还含有具有刺激性的H2S、VOC等气体），因此综合利用垃圾填埋气，将其变废为宝，是实现我国城市垃圾资源化、减少环境危害的一个重要途径，同时也是获得良好经济和社会效益的必然途径。
目前国内已建设了多个以发电为主的垃圾填埋气利用工程，为今后更好的推广填埋气利用技术提供了较好的基础和经验。
国内外填埋气发电利用现状
近年来，城市垃圾能源的利用作为一项新兴的能源产业，正迅速在全球蓬勃发展。现在全球有800多座填埋气发电厂在运行，填埋气作为一种新能源，其开发前景广阔。在发达国家，由政府投资建设规范的垃圾填埋场，同时铺设气体收集装置，然后将气体使用权向社会公开拍卖，开发商通过竞标获取气体使用权。一般5～10年之内即可收回气体收集利用装置的投资。这种做法一方面规范了填埋场建设，另一方面也降低了开发商投资风险，提高了开发商的积极性。
2000年美国全国共有2541个垃圾填埋场。小型垃圾填埋场收集的气体主要采用直接燃烧的方式进行处理，法律规定年收集10万吨以上垃圾的填埋场就有义务将填埋气体进行回收转变为能源。从1981年美国第一座垃圾填埋气体发电厂落成到2000年，美国已先后建设了299套填埋气发电机组。其中伊利诺斯州的垃圾填埋气发电厂，占地61公顷，填埋180万吨垃圾，其发电能力相当于每年用2.8万桶石油的发电量。
荷兰1991年就已颁布城市垃圾填埋气发电计划，并投资8000多万美元，建造了几座大型填埋气发电厂。荷兰北部威达斯特垃圾气田，储有1500万吨生活垃圾，每小时可产生填埋气体
英国将填埋气收集利用纳入可再生能源范畴加以支持，并已成为英国可再生能源发电的重要组成部分，同时也是可再生能源发电中成本最低的技术之一。英国目前垃圾填埋气体发电能力达18兆瓦。英国能源部拟将在10年内再投资1.5亿英镑兴建一批填埋气发电厂。除了以上国家以外，法国、芬兰、日本、瑞典都有大型垃圾填埋气发电站在运行。
国内多个填埋场在近年来也开展了填埋气发电利用项目的实施。国内填埋气发电利用除了资源化以外，还可以申请清洁发展机制（CDM）交易[2]，这一点不但可以让项目得到较高的投资回报，还可减少以帮助当地政府完成“减排指标”。目前，广州、上海、杭州、苏州、济南等都已经建成运行了填埋气发电设施，目前运行状况良好。还有很多填埋场正在进行相应的评估，将来大中型填埋场都将要建设填埋气利用设施，填埋气发电利用的前景非常广阔。
填埋气发电利用相关技术
填埋气发电利用技术的开展，主要受到填埋气产量的限制，在填埋气产量较大，发电机组发电量较为可观的情况下，填埋气发电具有经济上的可行性。在开展发电利用技术中，填埋场管理尤其是填埋作业覆盖和填埋气收集系统的完善对填埋气产量具有较大影响，除此之外，填埋气产量预测和发电机组是非常重要的两方面，在此进行简单阐述。
1、填埋气预测
垃圾填埋的填埋气产量较为可观，因此一般大型填埋场都可以进行填埋气收集发电利用。国外资料显示，每吨湿垃圾产生填埋气的量可达到200～400m3；国内实测资料显示，每吨垃圾产生填埋气的量为110～140m3。
表1 国内填埋场填埋气产量实测数据
|
填埋场名称 |
产气率(m3/t) |
产气寿命(a) |
甲烷产率变化系数(a-1) |
平均气体产生率(m3/(t*a)) |
|
杭州天子岭 |
140.46 |
23 |
0.043 |
6.11 |
|
广州大田山 |
127.98 |
18 |
0.056 |
7.11 |
|
广州李坑 |
115.49 |
16 |
0.063 |
7.22 |
|
广州兴丰 |
121.74 |
18 |
0.056 |
6.76 |
|
香港翠谷 |
111.12 |
17 |
0.059 |
6.54 |
|
上海老港 |
137.34 |
22 |
0.045 |
6.24 |
国外研究与工程设计中主要采取三种方式对生活垃圾卫生填埋场填埋气产量进行预测:模型估算法、实验模拟法和现场测试法(包括小范围中试和实际填埋场测试)。模型估算法可以从产气的动力学上描述垃圾降解这一整个过程，因而受到广泛重视。
产气量的模型包括统计模型和动力学模型。统计模型比如：IPCC模型：采用垃圾中有机物分解的化学计量方程式来确定CH4产量的化学计量式模型。有机碳模型：假设
动力学模型比如：Gardner动力学模型：该模型可以计算出某垃圾填埋场各年以及累积的CH4产生量，为填埋场CH4的收集和利用提供设计依据。Marticorean动力学模型：该模型是填埋场产甲烷的一级动力学方程式,其应用的前提是认为填埋场中的垃圾是按年份分层填埋的。模型中增加了描述垃圾产气周期的参数，并且假设垃圾产气量随时间按照指数规律递减。Scholl Canyon模型：该模型假设经历一段可以忽略的时间后，填埋气的产生速率迅速达到它的最大值,而这段时间主要用来建立起厌氧环境和微生物的生长。随后产气速率遵循一级动力学，反应速度随可降解的有机底质的减少而降低，这些可降解的有机底质可由余下的甲烷潜能来度量。landGEM模型：该模型也假设产气速率遵循一级动力学，要求已知垃圾填埋年限、甲烷含量等因素，如不特别指出即按典型垃圾成份处理。
在模型实际运用中，一般有如下结论：
1）一般填埋气产气总量预测采用统计模型，而填埋气产气速率预测采用动力学模型。
2）采用动力学模型一般都是遵循一级动力学原理进行。
3）这些模型都已用在国内较多填埋场产气量预测中，预测效果良好。
2、发电机组
对甲烷含量约50％的填埋气，填埋气低位热值在17.91兆J/Nm3。选用合适的沼气内燃发电机，发电量可达1.85度/Nm3。因此填埋气发电利用过程中除了产气量以外，另一个重要技术就是发电机性能。
目前我国目前在运行的绝大多数填埋气发电机组均采用进口设备，比较著名的有GE能源的颜巴赫，DEUTZ，CAT等。近年来国内也出现一些厂家，如胜利动力、启东宝驹、济南柴油等，其开发的设备性能也取得了一定的进步。但是进口机组来自几十年燃气发电机组专业制造厂商，在填埋气发电上经验丰富，国产机组目前处在起步阶段[3]，因此相比国外著名品牌，目前在发电效率、填埋气适应性和排放指标上仍存在一定差距：
1）发电效率：好的进口机组发电效率可以高达42~43%，一般处在38~40%，而国产机组效率仅为32~36%。
2）填埋气适应性：填埋气在进入发电机组前一般要经过脱硫、除湿、过滤等预处理，进口机组对填埋气质量和数量的适应性上相对更佳。
3）排放指标：国外对环保、污染物排放要求较高，因此进口机组一般配备专利的低排放控制系统，NOx排放较低。
结论
1）回收垃圾填埋产生的填埋气体，用于发电或直接作为能源，是实现我国城市垃圾资源化的一个重要途径。同时可申请CDM交易，具有节能减排经济性等多重功能。
2）国外已有较多的填埋气发电实例，国内也有一些填埋场正在实施发电项目，这些都为进一步开展填埋气利用提供了较好的理论实践价值。
3）填埋气发电项目中，填埋气产量预测和发电机组性能是重要的两方面。在众多的预测模型中，填埋气总量预测一般采用统计模型，变化趋势预测则一般采用一级动力学模型。填埋气发电机组目前仍然以国外品牌为主，但国产品牌发展迅速。
4）综上所述，发展填埋气利用技术和开展填埋气利用工程，将具有非常广阔的前景。
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