關(guān)于垃圾填埋場產(chǎn)氣量及發(fā)電效益估算的研究
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作者：張毅
由于填埋氣的利用價(jià)值依賴于填埋場產(chǎn)氣量的估算，因此，產(chǎn)氣量的估算在填埋氣的收集利用中有很大的作用。我國對(duì)生活垃圾填埋場產(chǎn)氣量的估算晚于發(fā)達(dá)國家，產(chǎn)氣量估算模型均采用發(fā)達(dá)國家的模型，且模型直接使用國外的參數(shù)。我國生活垃圾填埋場垃圾的組分與國外差別較大，因此，在估算產(chǎn)氣量時(shí)須結(jié)合實(shí)際情況，采用適合本國的產(chǎn)氣量模型，還要對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。目前，國外研究者根據(jù)各國的情況從不同角度開發(fā)出了許多產(chǎn)氣量估算模型，包括缺省模型、化學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型。動(dòng)力學(xué)模型中的LandGEM模型(Landfill Gas Emission Model)是國際認(rèn)可的填埋場產(chǎn)氣量估算模型，該模型的估算結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國26個(gè)垃圾填埋場CDM項(xiàng)目中選用LandGEM模型的占總數(shù)的42%左右，占有較大比例。
本文根據(jù)南通某垃圾填埋場的概況、垃圾填埋量、填埋場垃圾組分等條件，選用LandGEM模型對(duì)填埋場填埋氣體的產(chǎn)生量進(jìn)行了估算，然后結(jié)合填埋場產(chǎn)氣量對(duì)填埋氣發(fā)電進(jìn)行成本效益分析，為同類填埋場填埋氣產(chǎn)量估算與利用提供了參考。
1垃圾填埋場概況
南通某垃圾填埋場二期工程于2008年8月20日正式投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為20 a，填埋場占地面積約25hm2，總庫容約為800萬m3，填埋場垃圾處理規(guī)模為1 000 t/d，標(biāo)高為黃海標(biāo)高15—80 m，垃圾含水率(59.7%)取2009—2013年之間的平均值。根據(jù)2010年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，填埋場垃圾的組分見表1。
2填埋場產(chǎn)氣量估算
2.1 LandGEM模型
LandGEM模型是由USEPA開發(fā)的通過Microsoft Excel界面來進(jìn)行估算的一個(gè)模型，基于一級(jí)降解反應(yīng)的方程，該模型可用于估算填埋場總氣體、甲烷、二氧化碳等的產(chǎn)生量和產(chǎn)氣速率，并且能夠估算出城市固體垃圾填埋場產(chǎn)生的一些單獨(dú)的氣體污染物。該模型中垃圾產(chǎn)氣速率在填埋一年后達(dá)到最大，而后隨時(shí)間的增加而衰減。
甲烷產(chǎn)量的計(jì)算方程為
式中：Q為計(jì)算年份的產(chǎn)甲烷量，m3/a；i為1年增加量；，為0.1年增加量；n為填埋場運(yùn)行年份（計(jì)算年份一垃圾填埋年份）；k為甲烷產(chǎn)氣率，a-1；L。為產(chǎn)甲烷潛力，m3/t；M：為第i年里垃圾填埋量，t；ti為第i年里填埋的第j部分垃圾的年齡。
估算填埋場產(chǎn)氣量時(shí)，LandGEM模型需要確定兩個(gè)最重要的參數(shù)：甲烷產(chǎn)氣率（k）和產(chǎn)甲烷潛力(Lo)。在缺乏填埋場詳細(xì)資料的情況下，填埋場模型參數(shù)可以使用系統(tǒng)默認(rèn)值，如果有填埋場垃圾填埋量、垃圾組分、當(dāng)?shù)貧夂驐l件等資料，就可以根據(jù)填埋場實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算。輸入模型的參數(shù)質(zhì)量越高，模型的估算結(jié)果就越準(zhǔn)確。
2.2甲烷產(chǎn)氣率的確定
不同垃圾填埋場的甲烷產(chǎn)氣率有較大的差異，甲烷產(chǎn)氣率與垃圾含水量、垃圾處理方式以及地下水源、降雨、溫度、pH值、有機(jī)物濃度等相關(guān)。2006 IPCC (Intergovernment Panel on Cli-mate Change)導(dǎo)則指出，不同氣候條件下的垃圾的降解速率(p)的取值應(yīng)根據(jù)垃圾成分的降解速率（表2）劃分，使得p的取值更加具有針對(duì)性。
江蘇南通平均氣溫為15℃，年平均降雨量約為1 000 mm，由IPCC導(dǎo)則可知南通屬于溫帶濕潤地區(qū)，考慮到當(dāng)?shù)乩矢哌_(dá)59.7%，降解速度快，選擇廚余、紙、竹木、纖維等的p值分別為0.15，0.06，0.03，0.08，按照垃圾權(quán)重計(jì)算得出甲烷產(chǎn)氣率為0.106。
2.3產(chǎn)甲烷潛力的確定
每噸垃圾的產(chǎn)氣能力（即產(chǎn)甲烷潛力）是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，國內(nèi)有較多學(xué)者對(duì)產(chǎn)甲烷潛力進(jìn)行了理論計(jì)算分析，采用的模型主要有IPCC模型剛有機(jī)碳模型、化學(xué)方程式模型、COD模型、可生物降解模型等。
為了做好對(duì)產(chǎn)甲烷潛力的估算分析，我們采用了不同的理論模型（IPCC模型、有機(jī)碳模型、COD模型）進(jìn)行估算，并參考國內(nèi)外同行的研究結(jié)果。填埋場氣體最主要的可利用成分是甲烷，因此，產(chǎn)氣量估算主要是針對(duì)甲烷的產(chǎn)量。
(1)IPCC模型
采用1995年國際上通用的IPCC質(zhì)量平衡理論產(chǎn)氣量模型，該模型的計(jì)算公式為
式中：Q為垃圾填埋場的甲烷產(chǎn)生量，t;MSW為城市垃圾產(chǎn)量，t；叼為城市垃圾填埋率，%；DOC為垃圾中可降解有機(jī)碳的含量，IPCC推薦發(fā)展中國家為15%;r為垃圾中可降解有機(jī)碳的分解百分率，IPCC推薦為77%;f為填埋氣中甲烷含量，通常取0.5。
根據(jù)以上參數(shù)可以計(jì)算出產(chǎn)甲烷潛力。
將上述結(jié)果轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)體積量，即1t填埋垃圾可產(chǎn)生107.8 1T13甲烷，按甲烷含量為50%計(jì)算，則1t填埋垃圾可產(chǎn)生215.6 m3填埋氣。
此模型是一個(gè)比較簡單的估算模型，不須區(qū)分垃圾的成分，只須給出垃圾有機(jī)碳含量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。該模型適合于從宏觀角度估算一個(gè)地區(qū)或整個(gè)國家的填埋場產(chǎn)氣量，或者用于垃圾成分比較普通，有機(jī)和無機(jī)成分比較接近平均值的垃圾填埋場。
(2)有機(jī)碳模型
該模型假設(shè)1kg有機(jī)碳可以轉(zhuǎn)化成1.867L CH4與C01的混合氣體（即填埋氣），因此甲烷產(chǎn)生量的計(jì)算公式為
式中：Q為垃圾填埋場的甲烷產(chǎn)生量，m3；w為垃圾含水率，%;OW為垃圾中可降解有機(jī)物含量，%;CW為可降解有機(jī)物中的碳含量，%；r為可降解有機(jī)碳的分解百分率，國內(nèi)通常取0.66。
垃圾中的可降解有機(jī)物主要是廚余和紙，根據(jù)城市垃圾的典型成分，得到相關(guān)數(shù)據(jù)（表3）。
根據(jù)以上參數(shù)可以計(jì)算出產(chǎn)甲烷潛力。
按甲烷含量為50%計(jì)算，則It填埋垃圾可產(chǎn)生168.3 m3填埋氣。
(3)COD模型
在COD模型中，垃圾有機(jī)物中的1 g CODcr理論上可產(chǎn)生0.35 L CH4，由此得到甲烷產(chǎn)生量的計(jì)算公式為
式中：Q為1t填埋垃圾的理論CH4產(chǎn)量，m3；w為垃圾含水率，%;v為垃圾中有機(jī)物含量，%;COD為填埋垃圾中1 kg有機(jī)物的COD值，g/g。
根據(jù)以上參數(shù)可以計(jì)算出產(chǎn)甲烷潛力。
按甲烷含量為50%計(jì)算，則It填埋垃圾可產(chǎn)136 IT13填埋氣。
(4)K值經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法
工程上通常采用K值經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，K指1 kg可生物降解揮發(fā)性固體可產(chǎn)生526.5 L甲烷，由此得到：
式中：Q為It垃圾轉(zhuǎn)化成甲烷氣體的體積，m3；w為含水率，%;OW為垃圾中揮發(fā)性有機(jī)物含量，%；'7為揮發(fā)性有機(jī)物可降解率，通常取77%。
根據(jù)以上參數(shù)可以計(jì)算出產(chǎn)甲烷潛力。
按甲烷含量為50%計(jì)算。則1t填埋垃圾可產(chǎn)252.2 m3填埋氣。
(5)其他參考數(shù)據(jù)
為了評(píng)判產(chǎn)氣能力估算的合理性，我們對(duì)國內(nèi)外部分相關(guān)資料進(jìn)行了收集和整理。國外報(bào)道顯示，每噸濕垃圾可產(chǎn)生200—400m3填埋氣：國內(nèi)報(bào)道顯示，每噸垃圾產(chǎn)生填埋氣的量為64—440m3；《美國城市固體垃圾管理及填埋技術(shù)》中提出，在12—15年的填埋期間內(nèi)，每噸固體垃圾可回收98.9—148.3 m3的甲烷，若按甲烷含量為50%計(jì)算，則每噸固體垃圾可回收197.8～296.6 m3的填埋氣：南京大學(xué)對(duì)南京市生活垃圾產(chǎn)氣能力進(jìn)行了估算，在計(jì)算中假設(shè)動(dòng)植物垃圾的降解率為70%，紙張、紡織品的降解率為60%，塑料、橡膠基本不降解，計(jì)算結(jié)果為每噸干垃圾可產(chǎn)生沼氣300 m3．根據(jù)上述結(jié)果推算本次評(píng)價(jià)對(duì)象，若含水率為59.7%，則每噸濕垃圾的產(chǎn)氣量為120.9m3。
(6)數(shù)據(jù)分析及產(chǎn)氣量參數(shù)的確定
綜上可知，生活垃圾的產(chǎn)氣量參數(shù)主要取決于垃圾的含水率、有機(jī)物含量及其可生物降解率這3個(gè)參數(shù)。國外提出的垃圾產(chǎn)氣量參數(shù)普遍比
國內(nèi)數(shù)據(jù)偏高，其主要原因是國內(nèi)外生活垃圾在含水率和有機(jī)物含量之間存在較大差異，因此，在本次評(píng)估中不參考國外數(shù)據(jù)。IPCC模型為國外通用模型，該模型未計(jì)人含水率的影響，所以產(chǎn)氣量的計(jì)算數(shù)值明顯偏高。工程上的K值經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法的K值取自國外研究結(jié)果，計(jì)算結(jié)果也偏高。有機(jī)碳模型和COD模型的計(jì)算結(jié)果偏差不大，且COD模型中計(jì)算參數(shù)的可靠性最高，故本次評(píng)估的產(chǎn)氣量參數(shù)采用COD模型的計(jì)算結(jié)果，即136.0 m3/t，該數(shù)據(jù)與國內(nèi)相關(guān)研究得到的數(shù)據(jù)也比較一致，也驗(yàn)證了該數(shù)據(jù)的可靠性。
2.4模型估算結(jié)果
根據(jù)最佳模型參數(shù)值(
)，以南通某垃圾填埋場開始填埋年2008年為基準(zhǔn)年，通過LandGEM模型估算40年的填埋氣理論產(chǎn)氣量。在計(jì)算填埋氣收集量時(shí)，收集率是個(gè)非常重要的參數(shù)，國內(nèi)通常常取0.6，而國外提出的數(shù)據(jù)為0.1—0.3．通過綜合分析收集率大約在30%比較合理。
圖1所示為各年填埋氣體理論產(chǎn)氣量和可收集量。由圖1可以看出，填埋氣產(chǎn)量一開始增幅較快，在封場后一年（即2028年）產(chǎn)氣量達(dá)到最大，為4 957.45 m3/h，按30%的收集率計(jì)算，可收集量為1487.23 m3/h。
圖2所示為40年內(nèi)填埋氣累積可收集量。填埋初期由于填埋氣產(chǎn)氣量較少且雜質(zhì)較多，所以所產(chǎn)填埋氣采用火炬進(jìn)行燃燒處理，填埋氣預(yù)計(jì)從2018年開始收集。填埋氣可收集量在初期增長較快，在封場約10年后增長趨于緩慢，到2047年約能收集到2.27x10sm填埋氣。
2.5預(yù)測結(jié)果分析
通過對(duì)2010～2014年填埋氣產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì)，得出預(yù)測值與實(shí)際產(chǎn)氣量差別，見表4。
比較2010—2014年實(shí)際產(chǎn)氣量與模型預(yù)測可收集量可知，實(shí)際產(chǎn)氣量結(jié)果比較理想，與模型預(yù)測可收集量較為接近，收集率為26.76%—34.44%。因此，本工程的預(yù)測結(jié)果基本準(zhǔn)確。
3垃圾填埋氣發(fā)電利用
3.1發(fā)電方式選擇
垃圾填埋氣經(jīng)過預(yù)處理后進(jìn)人沼氣發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，既可減少環(huán)境污染，又能減少大氣溫室效應(yīng)，同時(shí)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益，目前，利用填埋氣發(fā)電的技術(shù)方式主要有燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、蒸汽輪機(jī)發(fā)電，表5所示為這3種填埋氣發(fā)電方式的比較。
通過以上對(duì)比可知，填埋氣發(fā)電方式中的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電具有技術(shù)要求低、一次投資少、熱能利用率高、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，因此，本研究采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電作為填埋氣的利用方式。
3.2發(fā)電成本效益估算
填埋氣發(fā)電規(guī)模確定的原則是依據(jù)填埋場的垃圾總庫容、現(xiàn)有的垃圾量、垃圾日均處理量進(jìn)行總體規(guī)劃，分步實(shí)施，依據(jù)填埋氣的產(chǎn)量及收集率確定發(fā)電機(jī)組，以氣定電，保持適度的彈性，確保機(jī)組投入發(fā)電。首先擬定以下條件：填埋氣中甲烷的含量為500/0，每立方米甲烷能產(chǎn)生10 kWh電能，發(fā)電效率為360/0，年發(fā)電時(shí)間為8 000 h，自用電及線損為發(fā)電量的10%，填埋氣發(fā)電價(jià)格為0.636元/kWh，政府補(bǔ)貼價(jià)格為0.25元/kWh。根據(jù)填埋氣可收集量計(jì)算實(shí)際裝機(jī)容量、實(shí)際發(fā)電量、上網(wǎng)電量等，詳見表6。
表6給出了填埋氣收集20 a內(nèi)的發(fā)電量，產(chǎn)氣量在2028年達(dá)到最大值，因此，項(xiàng)目最大理論總裝機(jī)容量為2 MW。考慮到影響填埋氣收集的因素很多，本著保守原則，依據(jù)總裝機(jī)容量和市場上現(xiàn)有發(fā)電機(jī)型號(hào)，選用2臺(tái)進(jìn)口的單機(jī)裝機(jī)容量為1 MW的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組。
投資成本：2 MW裝機(jī)容量的投資成本約為1815萬元，其中機(jī)組占投資比例的55%，沼氣收集系統(tǒng)及脫硫預(yù)處理系統(tǒng)約占投資比例的30%，廠房基礎(chǔ)建設(shè)占投資比例的3%，自控及電器設(shè)備占投資比例的12%。
運(yùn)行成本：配置運(yùn)行人員8個(gè)，分為四班，采用四班三倒班制，維修T2個(gè)，技術(shù)人員1個(gè)，管理人員2個(gè)，人員平均工資為8萬元／a，13人合計(jì)104萬元/a;機(jī)油、水等消耗為100萬元／a。
設(shè)備折1日與維護(hù)：設(shè)備折1日按平均年限計(jì)算，折舊年限為10 a，殘值率為5%，即172.425萬元；設(shè)備維護(hù)費(fèi)用為30萬元／a。
對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行成本效益分析，經(jīng)計(jì)算第一年收人為820.885萬元。通過計(jì)算得出投資回收期為兩年2個(gè)月，表明項(xiàng)目運(yùn)行兩年2個(gè)月就能完成投資成本的回收。
4結(jié)論
①采用LandGEM模型對(duì)南通市某垃圾填埋場進(jìn)行產(chǎn)氣量估算，根據(jù)垃圾組成、填埋量等條件得出甲烷產(chǎn)氣率為0.106 a-1，結(jié)合不同的理論模型并參考國內(nèi)外同行的研究結(jié)果得出甲烷潛在產(chǎn)氣能力為68 m3/t。填埋場產(chǎn)氣約持續(xù)40 a，填埋氣在封場后一年（即2028年）產(chǎn)氣量達(dá)到最大，為4 957.45 m3/h，按300/0的收集率計(jì)算為1487.23 m3/h。填埋氣預(yù)計(jì)從201 8年開始收集，填埋氣可收集量在初期增長較快，在封場10年后增長趨于緩慢，到2047年約能收集到2.27xl08m3填埋氣。
②通過對(duì)比，采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電作為填埋氣的利用方式。根據(jù)填埋氣集氣量，選擇2臺(tái)1MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電，并進(jìn)行成本效益分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一次性投資成本約為1815萬元，第一年收人為820.885萬元，項(xiàng)目運(yùn)行兩年2個(gè)月就能完成成本的回收。
5摘要：文章以南通市某垃圾填埋場為研究對(duì)象，利用USF:PA開發(fā)的LanclCEM模型進(jìn)行填埋場產(chǎn)氣量估算，并基丁模型估算產(chǎn)氣量進(jìn)行發(fā)電成本效益分析。根據(jù)填埋場垃圾組分及填埋量等條件確定模型參數(shù)（甲烷產(chǎn)氣率為0.1 06 a。1，產(chǎn)甲烷潛力為68 rn'n），將模型參數(shù)輸入LanclGEM模型估算m 40 a的填埋氣理論產(chǎn)氣量。填埋場產(chǎn)氣量在封場后一年（即2028年）達(dá)到最大，為4 957.45 ml/h，填埋氣可收集量（收集率為30%）為1 487.23 m3/11根據(jù)填埋氣可收集量選擇2臺(tái)l MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電，并進(jìn)行成本效益分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一次性投資成本約為1815萬元，第一年收入能達(dá)到820.885萬元，項(xiàng)同運(yùn)行兩年2個(gè)月就能完成成本的同收。
