填埋氣發電利用技術的開展,主要受到填埋氣產量的限制,在填埋氣產量較大,發電機組發電量較為可觀的情況下,填埋氣發電具有經濟上的可行性。在開展發電利用技術中,填埋場管理尤其是填埋作業覆蓋和填埋氣收集系統的完善對填埋氣產量具有較大影響,除此之外,填埋氣產量預測和發電機組是非常重要的兩方面,在此進行簡單闡述。
填埋氣預測
垃圾填埋的填埋氣產量較為可觀,因此一般大型填埋場都可以進行填埋氣收集發電利用。國外資料顯示,每噸濕垃圾產生填埋氣的量可達到200~400m3;國內實測資料顯示,每噸垃圾產生填埋氣的量為110~140m3。
表1 國內填埋場填埋氣產量實測數據
填埋場名稱 |
產氣率(m3/t) |
產氣壽命(a) |
甲烷產率變化系數(a-1) |
平均氣體產生率(m3/(t*a)) |
杭州天子嶺 |
140.46 |
23 |
0.043 |
6.11 |
廣州大田山 |
127.98 |
18 |
0.056 |
7.11 |
廣州李坑 |
115.49 |
16 |
0.063 |
7.22 |
廣州興豐 |
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 |
國外研究與工程設計中主要采取三種方式對生活垃圾衛生填埋場填埋氣產量進行預測:模型估算法、實驗模擬法和現場測試法(包括小范圍中試和實際填埋場測試)。模型估算法可以從產氣的動力學上描述垃圾降解這一整個過程,因而受到廣泛重視。
產氣量的模型包括統計模型和動力學模型。統計模型比如:IPCC模型:采用垃圾中有機物分解的化學計量方程式來確定CH4產量的化學計量式模型。有機碳模型:假設1kg有機碳可以轉化成1.867L填埋氣(CH4+CO2)。建立在質量守恒定律基礎上的COD估算模型:假設垃圾中的COD值等于產氣中甲烷燃燒的耗氧量, 垃圾有機物中的1gCODcr可產生0.35L體積的CH4。工程上通常采用K值經驗系數法,即K=526.5L CH4/(1kg可生物降解揮發性固體)。EMCON模型:該模型把垃圾中的有機物分為三部分:容易降解的有機物;中等程度降解的有機物;較慢降解的有機物。每一種有機物都有其產氣曲線,其輸入項為垃圾量、成分、含水率以及產氣滯后時間和轉化時間(可降解的物質轉化為生物氣所需的時間)。三種不同的有機物的轉化量之和就是總的垃圾填埋氣的產氣量。
動力學模型比如:Gardner動力學模型:該模型可以計算出某垃圾填埋場各年以及累積的CH4產生量,為填埋場CH4的收集和利用提供設計依據。Marticorean動力學模型:該模型是填埋場產甲烷的一級動力學方程式,其應用的前提是認為填埋場中的垃圾是按年份分層填埋的。模型中增加了描述垃圾產氣周期的參數,并且假設垃圾產氣量隨時間按照指數規律遞減。Scholl Canyon模型:該模型假設經歷一段可以忽略的時間后,填埋氣的產生速率迅速達到它的最大值,而這段時間主要用來建立起厭氧環境和微生物的生長。隨后產氣速率遵循一級動力學,反應速度隨可降解的有機底質的減少而降低,這些可降解的有機底質可由余下的甲烷潛能來度量。landGEM模型:該模型也假設產氣速率遵循一級動力學,要求已知垃圾填埋年限、甲烷含量等因素,如不特別指出即按典型垃圾成份處理。
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