垃圾填埋氣發(fā)電方案
一、前言
中國是世界上垃圾包袱*沉重的國家,目前國內(nèi)城市生活垃圾產(chǎn)生量已高達(dá)每年1.4億多噸,占世界總量的1/4以上,且每年還以8~10%的速度增長。垃圾污染日益嚴(yán)重,已經(jīng)成為中國政府高度重視和致力解決的重大社會(huì)問題之一。
把到處都有的城市生活垃圾堆放在一個(gè)垃圾場(坑)內(nèi),垃圾中的有機(jī)物質(zhì)就會(huì)分解而產(chǎn)生富含甲烷的生物氣,其中大約含甲烷55%,二氧化碳40%和少量氧、氮、一氧化碳、硫化氫等。這種垃圾填埋氣可用來產(chǎn)生電能和熱能。
垃圾填埋場可以是廢礦井、廢采石場、山溝和洼地等。現(xiàn)代化的垃圾填埋場在傾倒垃圾之前,在坑的內(nèi)部用不滲漏的材料做一層防滲內(nèi)襯,填滿垃圾后封蓋,上邊再覆蓋一層黃土,防止填埋氣跑掉。經(jīng)過一年左右的時(shí)間即可鉆井采氣。填埋氣經(jīng)除塵、除濕并加壓,然后送入發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電,有的還回收余熱,對(duì)外供熱。一般可產(chǎn)氣十年以上。填埋場表面還可以綠化、種植等。
二、我國城市垃圾處理及現(xiàn)狀
傳統(tǒng)的垃圾堆放、填坑堆置處理方式是利用土地、自然形成或人工挖掘而成的坑穴、河道等可能利用的場地把垃圾集中堆放起來,一般不采取任何工程措施防止堆場污染的擴(kuò)散與遷移,滲濾水不收集處理、沼氣不疏導(dǎo)或疏導(dǎo)程度不夠,垃圾表面也不作**的覆蓋處理。生活垃圾腐化后會(huì)排放出大量的氨、硫化氫等難聞的氣體,造成大氣污染。垃圾堆放產(chǎn)生的沼氣(甲烷)就地排放(空氣中甲烷達(dá)5%-15%)時(shí),一旦遇到明火就會(huì)爆炸。我國目前較常用的處理城市垃圾的方法,有焚燒、填埋和堆肥三種。
垃圾焚燒雖能夠?qū)⒎贌裏崃考右岳茫◤V州市**座現(xiàn)代化的生活垃圾焚燒發(fā)電廠----李坑生活垃圾焚燒發(fā)電廠正在建設(shè)中),但其前期投資大,建設(shè)周期長,而且焚燒垃圾時(shí)會(huì)產(chǎn)生二惡英等有害氣體。
垃圾堆肥的缺點(diǎn)是發(fā)酵時(shí)間長,占地面積大,而且還有難以解決的臭味和蒼蠅等問題。
填埋的方法比較簡單,但是只填埋不利用,會(huì)引起爆炸和火災(zāi),并污染全球大氣環(huán)境。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道:一噸含39%有機(jī)物的生活垃圾可以產(chǎn)生約90立方米的填埋氣(沼氣)。而現(xiàn)行填埋工藝大都不回收沼氣,即使回收也僅占到總量的很少部分,大量沼氣自由排放,不僅污染了環(huán)境而且浪費(fèi)了資源。據(jù)測(cè)算,目前國內(nèi)垃圾年填埋量約5000萬噸,填埋氣體的排放量在79萬噸到250萬噸之間(為1999年排放量)。
填埋處置是為了克服上述問題而發(fā)展起來的一種處理垃圾的方法,它以不產(chǎn)生二次污染為目標(biāo)。其特點(diǎn)是事先對(duì)填埋場地進(jìn)行防滲透處理,以阻止新生的污水對(duì)地下水和地表水的污染;并鋪設(shè)安裝排氣管道,防止垃圾發(fā)酵過程中產(chǎn)生的易燃易爆氣體,同時(shí)進(jìn)行回收利用,或發(fā)電或作化工原料。這種填埋處置方式具有簡單易行、費(fèi)用低、能處理多種類型廢棄物的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)還可回收能源,因而受到世界許多國家的歡迎。
目前,世界上建成垃圾填埋場5000余座,其中美國已建成2247座,歐共體建成175座。全世界每年可回收填埋場沼氣51.42億立方米,約相當(dāng)于240萬噸石油的能量。從世界各國來看,美國80%的沼氣、歐洲50%的沼氣均用于發(fā)電。國內(nèi)已建成大型垃圾填埋場(日處理量在1000噸以上)近百座,主要建在我國主要大城市及周邊地區(qū),尤以北京、廣州、深圳為多。其中用于填埋氣發(fā)電的卻很少,繼中國**個(gè)填埋氣體發(fā)電廠1998年10月在杭州天子嶺建成發(fā)電后,國內(nèi)一些城市如杭州、廣州、深圳等陸續(xù)開始了對(duì)填埋氣體的回收利用。已建成的有杭州天子嶺、南京水閣、廣州興豐和深圳玉龍坑等,正在建設(shè)中的有鞍山、馬鞍山、無錫、青島等,列入計(jì)劃的則更多。
三、利用填埋氣發(fā)電的可行性及發(fā)電流程
利用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行填埋氣的綜合利用,是目前國外的普遍作法。據(jù)資料統(tǒng)計(jì),美國有61個(gè)填埋場使用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電,24個(gè)使用汽輪機(jī)發(fā)電,總發(fā)電功率達(dá)34.4萬干瓦;歐洲有50個(gè)填埋場使用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電。利用垃圾沼氣發(fā)電的環(huán)保效益大大超過經(jīng)濟(jì)效益,這是因?yàn)?,垃圾填埋場沼氣的主要含量是甲烷和二氧化碳,它們不僅嚴(yán)重污染大氣環(huán)境,加劇地球溫室效應(yīng),而且易引起自燃和爆炸事故。因而,發(fā)達(dá)國家通過立法來開發(fā)和使用環(huán)保能源。
垃圾填埋氣主要成分為甲烷,約占50%左右,其余有二氧化碳(約占40%),還有部分硫化氫、氮?dú)獾入s質(zhì),壓力一般較低。
適應(yīng)垃圾填埋氣特點(diǎn),發(fā)電機(jī)組必須具有以下技術(shù)特點(diǎn):
(1)對(duì)于沼氣來說,成分是不穩(wěn)定的,發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比必須根據(jù)沼氣成分變化進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)控制。
(2)垃圾填埋沼氣壓力比較低,一般在1-3kPa,發(fā)電機(jī)組必須采用低壓進(jìn)氣。不能在機(jī)組前增加增壓設(shè)備,增壓設(shè)備從填埋處抽氣,使填埋場造成負(fù)壓,增加危險(xiǎn)。
(3)針對(duì)垃圾填埋氣中含有腐蝕性氣體,因此發(fā)動(dòng)機(jī)必須采用化學(xué)防腐技術(shù),在缸套、氣門座圈、氣門、活塞環(huán)增加防腐涂層或其它防腐措施。
目前國內(nèi)可以生產(chǎn)沼氣發(fā)電機(jī)組,滿足垃圾填埋氣發(fā)電需要。
如圖所示為垃圾發(fā)電場填埋氣體處理系統(tǒng)流程圖。

四、垃圾填埋發(fā)電應(yīng)用實(shí)例
據(jù)有關(guān)部門分析調(diào)查,中國可開發(fā)和利用垃圾資源潛力十分巨大。城市生活垃圾來自于千家萬戶,如果一個(gè)三口之家,每年可形成一噸生活垃圾,一噸垃圾全部發(fā)酵后,可產(chǎn)生的填埋氣體量約為300立方米,每立方米的可燃?xì)怏w能夠發(fā)一度半電,即每一噸生活垃圾實(shí)際上可以給我們提供400多度的電能,這個(gè)數(shù)量,基本上相當(dāng)于一個(gè)三口之家半年的生活用電。
梅州市采取CDM(清潔發(fā)展機(jī)制)綜合治理龍豐垃圾填埋場,該項(xiàng)目2005年3月正式通過聯(lián)合國CDM理事會(huì)注冊(cè),成為我國**例成功實(shí)施的CDM項(xiàng)目。利用勝動(dòng)4臺(tái)500千瓦沼氣機(jī)組,建立了2000千瓦規(guī)模的沼氣發(fā)電站,于06年1月18日成功并網(wǎng)發(fā)電。

五、垃圾填埋氣發(fā)電站投資預(yù)算及效益分析
以一個(gè)400米見方、40米深的填埋場為例,垃圾填埋量320萬噸,其裝機(jī)容量可達(dá)2000kW??蛇x用5臺(tái)500GF燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組建立沼氣發(fā)電站。
(一)、投資估算表如下:
項(xiàng)目 | 分項(xiàng)目 | 名稱 | 單位 | 數(shù)量 | 單價(jià)(萬元) | 估價(jià)(萬元) |
直接工程費(fèi) | 電氣部分 |
1 | 500GF1-RZ發(fā)電機(jī)組 | 臺(tái) | 5 | 113 | 565 |
2 | 站用電低壓配電屏 | 臺(tái) | 2 | 1.5 | 3 |
3 | 低壓電纜 | 米 | 600 | 0.02 | 12 |
4 | 直流啟動(dòng)電源 | 臺(tái) | 1 | 1.5 | 1.5 |
5 | S9-M/3250kVA變壓器 | 臺(tái) | 1 | 30 | 30 |
6 | 高壓開關(guān)柜 | 臺(tái) | 3 | 8 | 24 |
7 | 高壓綜合保護(hù)系統(tǒng) | 套 | 1 | 20 | 20 |
土建部分 |
1 | 發(fā)電機(jī)房 | m2 | 300 | 0.09 | 27 |
2 | 高低壓配電室、控制值班室、休息室、配件室等附屬廠房 | m2 | 180 | 0.07 | 12.6 |
3 | 循環(huán)水泵房 | m2 | 50 | 0.07 | 3.5 |
4 | 循環(huán)水池 | m3 | 300 | 0.04 | 12 |
5 | 電纜溝、排污溝 | | | | 5 |
6 | 機(jī)組基礎(chǔ)、消音器基礎(chǔ)、變壓器基礎(chǔ) | m3 | 50 | 0.07 | 3.5 |
冷卻部分 |
1 | 循環(huán)冷卻水泵 | 臺(tái) | 3 | 1 | 3 |
2 | 玻璃鋼冷卻塔 | 臺(tái) | 2 | 10 | 20 |
3 | 管線、閥門等 | 套 | 1 | 5 | 5 |
工藝部分 |
1 | 排氣管線及消聲器 | 套 | 5 | 1.2 | 6 |
2 | 消防系統(tǒng)(防火栓及消防水管線) | 套 | 1 | 5 | 5 |
3 | 氣體處理(脫硫等) | 套 | 1 | 30 | 30 |
電站安裝調(diào)試費(fèi) | 臺(tái) | 5 | 5 | 25 |
預(yù)備費(fèi) | | | | 37 |
勘查設(shè)計(jì)費(fèi) | | | | 25 |
總投資 | | | | 875 |
(二)、效益分析
1.年總運(yùn)行成本
垃圾填埋氣發(fā)電機(jī)組運(yùn)行功率按450kW,年運(yùn)行時(shí)間按300天計(jì)算則:
年發(fā)電量:450kW×24h×330天×5臺(tái)≈1782萬kWh
年運(yùn)行成本:包括人工、機(jī)油、維修及配件、管理、不可預(yù)測(cè)等費(fèi)用,折合單位發(fā)電成本為0.1元/度。
年總成本費(fèi)用:1782萬kWh×0.1元/kWh≈178萬元
2.減排量及效益計(jì)算:
以垃圾填埋氣發(fā)電項(xiàng)目,由于其主要成分為甲烷,主要由以下反應(yīng)式:
CH4+O2 CO2+H2O
根據(jù)有關(guān)折合標(biāo)準(zhǔn)煤及排碳系數(shù):
種類 | 折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù) | 排碳系數(shù) |
數(shù)值 | 單位 | 數(shù)值 | 單位 |
煤 | 1 | tce/tce | 0.7106 | t-c/tce |
電 | 0.399 | tce/MWh | 0.2268 | t-c/MWh |
油 | 1.429 | tce/toe | 0.8809 | t-c/toe |
天然氣 | 0.00133 | tce/m3 | 0.0005908 | t-c/m3 |
其他 | 1 | tce/tce | 0.7106 | t-c/tce |
注:1)tce—噸標(biāo)準(zhǔn)煤; 2)toe—標(biāo)準(zhǔn)油 3)t-c噸碳
從表上可知:
年電量折合標(biāo)準(zhǔn)煤=年發(fā)電量×0.399=17820MWh×0.399=0.711萬噸
年電量折合排碳量=年發(fā)電量×0.2268=17820MWh×0.2268=0.404萬噸
減排收益(按8美圓/噸碳計(jì)算):
0.404萬噸×8美圓/噸×8元/美圓=25.8萬元
3.年發(fā)電效益(電價(jià)按0.50元計(jì)算)
年發(fā)電總量:1782萬kWh。
年發(fā)電收入:1782萬kWh×0.5元/kWh≈890萬元
年發(fā)電收益=年發(fā)電收入-年運(yùn)行費(fèi)用+減排收益=890萬元-178萬元+25.8萬元=737.8萬元
3.經(jīng)濟(jì)效益分析
投資回收期:875萬元÷737.8萬元≈1.8年
效益分析中不包括余熱利用,如加上余熱利用部分效益更加可觀。
六、結(jié)論
垃圾填埋氣發(fā)電不僅解決了垃圾處理問題,同時(shí)利用了能源,是一可行、效益可觀的朝陽項(xiàng)目。
對(duì)于我國蓬勃發(fā)展的綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)來說,利用垃圾填埋場沼氣發(fā)電必將得到迅速推廣利用。