填埋气再生能源发电有关技术

王晓彪　肖信昌

摘要：在生活中会出现生活垃圾，在很短时间内超过自然界平衡处理能力，大量不能处理掉的垃圾会给社会造成公害。文章以填埋气发电厂运行经验为基础，介绍了填埋气收集、开口率计算，以延长气井使用寿命措施，推进生物质再生能源发展及广泛应用。

关键词：再生能源；填埋气收集；开口率；容量；电压；发电技术 文献标识码：A

中图分类号：X705 文章编号：1009-2374（2016）23-0082-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.23.039

城镇化人口高度不断集中，必然会出现大量生活垃圾的累积，在很短时间内超过自然界平衡处理能力，大量不能处理掉的垃圾会给社会造成公害。填埋气（CH4）发电厂直接利用垃圾填埋场每年每吨产生80m3填埋气，通过燃气内燃机燃烧发电。目前中国城市生活垃圾量超过1亿吨以上，80%以上采用填埋方式处理，年填埋气将超过84亿m3，可见中国是生活垃圾再生能源填埋气大国。填埋气（CH4）还是可燃易爆物质，安全隐患很大，国内曾有明显事故案件，可见此垃圾能源不采用太可惜。20世纪70年代发达国家开始研究利用生活垃圾再生能源——为人类造福，21世纪初利用垃圾资源建成垃圾焚烧发电厂及填埋气（CH4）发电厂，并初见成效。但是还应研究相关技术问题，才能发挥最佳工作状态，结合现有规范及经验，探讨如下，仅供此方面有关人员参考借鉴。

1 沼气（CH4）发电厂填埋气体收集技术探讨

根据生活垃圾填埋场填埋气体收集处理及利用工程技术规范，结合长春市三道垃圾场新建环保生态公园概况，长春市填埋气发电厂生产经验，综合分析探讨如下：

1.1 填埋气（CH4）隐蔽工程三大系统

填埋气收集输气系统；导排渗滤液系统；压缩空气系统。上述三大系统任何一处某元件管道、孔、阀门中存在腐蚀物、脏物、水、泥砂土，沉淀物都会填塞或渗漏，影响导排水份，收集输送气体质量、数量。施工后，应按设计图纸进行气流、水流通过逐个气井、气泵、阀门导通调试，按验收规范验收合格，否则会出现“有井无气”“有气无井”或系统使用寿命15年缩短为4年。

1.2 集气导液竖井开口率

1.2.1 集气导液竖井概述。集气导液井采用聚乙烯管材，井内管材四周应开口变成多孔花管，按要求保证多孔花管强度情况下，开孔率不应小于2%，详见图1某工程集气导液竖井示意图。一般情况多孔花管只承受自身压力及均匀握力，在井内没有扭力，弯曲力、上拔拉力只有改造竖井时才会产生。建议开口率大于6%时最好进行拉力试验。在不被拉裂、断情况下，试验最大允许开口率。因为开口率多少直接关系到收集填埋气气量多少、使用年限、气井的寿命。

1.2.2 集气导液竖井开口率计算。某垃圾场设计集气井开口多孔花管如图1绕管打孔4-φ10；开口具体位置布置如图2竖井横断面图、图3花管开孔展开示意图。

从图2可知在1、4、7、10位置开口φ10孔，从图3可知，管壁四周开口位置，可计算开口率。

图2 竖井横断面图 图3 花管开孔展开示意图

第一，按周长、纵向二孔计算开口率。

φ200管周长为X=2πr=2·3.14·100=628mm。

当纵间孔距为50mm，管壁面积为S1=a·b=628·（50+10）=37680mm2。

开孔面积为S2=8πr2=8·3.14·25=628mm2。

开口率为=S2/S1=628/37680=0.016，1.6%<2%（规范要求）。

第二，按相邻四孔计算开口率。

如图3周长1、4处，按4孔计算长方形面积（纵向间孔距为50mm）：

S1=628/4×50=157×50=7850mm2，开口面积正好相当于一个开孔。

S2=πr2=3.14×52=78.5mm2，开口率r=S1/S2=0.01，1%<2%，集气效果很差。

如果满足开口率2%要求，建议在长方形面积中间加一孔，则开口率正好2%。孔距误差[+0，-3]，否则开口率不够。

第三，按横、纵向孔排列计算开口率。

如果横、纵向四个开口孔距均为60mm时（相当横、纵布7个孔，共49孔的面积）。φ10孔，孔距为10×5+10=60mm。

49孔面积：S1=60×60=3600mm2，一个开孔面积：S2=πr2=3.14×25=78.5mm2。

中间加一个孔，孔距误差±2集气效果最佳。

建议设计时开孔率应大于2%。限制开孔率不应大于5%，设计φ10孔，孔距为60mm，具体孔位均匀分布由施工单位决定，便利施工。

注：如果φ15孔时，孔距为15×5+15=90mm。

如果φ20孔时，孔距为20×5+20=120mm，开口率为2.2%>2%。

开孔直径不能>φ20，太大的话泥土进入较多。

1.3 集气导液竖井使用寿命的探索

1.3.1 花管开口Φ10，根据运行气井经验，每年渗滤液及气体腐蚀沉淀物能将孔壁贴附物约1mm厚，大孔变小孔，运行4年Ф10孔堵死，竖井变死井，此井寿命一般为3年，

垃圾场填埋气能维持15年以上，使用寿命不能满足要求。

1.3.2 集气导液井设计导排渗滤液支管Ф50，根据导排渗滤液经验，一般约6个月导排渗滤液过程中腐蚀沉淀物相当10mm厚，很坚硬。Ф50管变Ф30管，导排不到1.5年，Ф50管堵死，不能导排气井中渗滤液，此集气井变死井，使用寿命一般为1.5年。井内导排管检修容易，埋入地下封场导排管很难检修。

1.3.3 集气导液井顶部以下2.5m处连接三个方向水平集气花管，为了增加产气量，垃圾场产气量一般在深处-2.3～-30m处，由于水平集气孔花管周围砂土较多，无碎石过滤，泥砂会从水平集气管进入集气井内，将堵死井内气泵，使气管缩短，影响气泵正常工作，使集气井寿命缩短。同时集气井周围垃圾土层下沉会形成一个地下空间，气管会增加弯曲力影响强度，又很难上拔该气管更新改造。

1.4 延长气井使用寿命的措施

1.4.1 集气导液井三个方向水平集气孔花管取消，最好采用缩短气井与气井之间水平距离由原来50m改为35～40m，密集气井增加产气量，不会堵死气泵，气井花管不会变短，不会因下沉而形成一个空间，避免了气井受弯曲力。

1.4.2 开口率始终保持≥2%时，设计时开口率应按5%考虑。当使用年限较长时，开口率变小，但还能大于2%，有利于集气。

1.4.3 花管开口φ10孔应改φ15～20孔比较好，考虑逐年腐蚀沉淀物作用，大孔变小孔。孔距按φ15～20计算，φ15孔，孔距为90mm，4孔中间增加一个孔，开口率为4.4%，扩大孔径，可以延长气井使用寿命，φ10孔寿命为3年，φ15孔寿命可延长7年，φ20孔寿命一般约9年。施工时敷设集气多孔花管时，绝对不准许向垃圾内打压安装花管，否则会堵死气孔，必须先钻井深度到位，才敷设垂直花管。

1.4.4 集气导液井的导排渗滤液支管由Ф50改Ф120以上，变粗，考虑腐蚀沉淀物变细影响。当气井在低处，导排主管在高处，应进行试验气泵能否将液体从低处推向高处或中间加泵导排，安装逆止阀考虑更换，有利于疏通管道。

1.4.5 当集气导液井使用5～8年时，发现此井填埋气良好，但集气困难，可能集气导液井变“死井”，此时对此井进行更换改造，在井内敷设Ф160或Ф120多孔花管，将原来的Ф200管拔出，此井还可以延长使用寿命，一般15年以上，气泵可改气管导排渗滤夜（设计应考虑输气支管及气井的密封面更换）。

2 填埋气发电机组容量、出口电压选择

2.1 发电机组容量估算

2.1.1 按气井数量或垃圾面积估算发电机组容量。填埋气的数量及浓度与垃圾深度、质量、积叠时间长短、气候（温度）、封场质量、燃气收集输送、导排渗滤液等有关，与设计、施工、检修、运行维护质量有直接关系，是变数，逐年减少。

根据长春市填埋气发电厂运行经验，按一次约建60公顷面积垃圾场，垃圾平均深度约17m，一般约7年封场。采用Ф160气井花管，沼气（CH4）浓度≥50%时，一般情况30～34口气井，产气量能满足容量为1000kW发电机组一台燃气内燃机用的沼气量。根据气井数量选择发电机组容量。

1公顷垃圾平均深度约17m时，设计约4口气井，估算1公顷垃圾产气量能生产80～120kW电量。根据垃圾场面积，选择发电机组容量。

2.1.2 按垃圾数量估算发电机容量。根据长春市三道填埋气发电厂一台1000kW发电机组一年可消耗508万m3填埋气计算，填埋气的发电效率约为799/508=1.57kWh/m3，基本接近标准发电效率1.68～2kWh/m3。

如果每吨垃圾年产生80m3填埋气（最佳理想产气量），因影响产气量因素很多是变数，实际产气量比80m3少很多。根据长春市三道垃圾场按日产垃圾约1000吨，一年垃圾为36.5万吨，每年产气量约为36.5×80=2920万m3，根据各地垃圾场规范程度，垃圾质量等因素，经验估算保守质量系数取0.3～0.6为宜，实际产气量约为2920×0.4=1168万m3，装机容量为1168/500≈2.4台，按1000kW发电机组可选2台机组。

一般年约18万吨垃圾能安装一台1000kW发电机组。为了防止盲目投资，造成浪费，保守点无害处。垃圾积累三年以后，七年之前，产气量最佳。8～15（20）年之间产气量下降很多，只能维持原发电机组容量的1/3～2/4发电量。装机容量与城市人口关系详见表1。一般垃圾堆积三年以后应建吃掉沼气（CH4）发电厂。

如考虑垃圾积累时间影响，应加时间经验修正系数，详见表2：

20年以上为0.08（无开采价值），长春市三道垃圾存放时间从2003～2014年已10年以上，取产气时间修正系数为0.2为宜。此时垃圾总量为375万吨，考虑垃圾质量系数为0.4，则每吨年产气量由80m3变为80×0.4×0.2=6.4m3，总气量375×6.4=2400万m3，可选1000kW发电机组，为2400/500=4.8台，保守可选3台机组。因填埋气产量是变数，影响因素很多，只能参考经验估算。

2.2 填埋气发电厂同期并列点与电厂并网点电压的选择

2.2.1 电厂同期并列点一般选择发电机组出口断路器，此处装有相位检测自动同期并列装置。发电机组出口电压一般为0.4kV或10kV。

2.2.2 电厂并网点是电厂与电网的连接点，一般是电厂升压变电站的出口断路器，此处不装相位检测自动同期并网装置，而装有方向保护。电压一般高于发电机组出口电压一个档次。发电机组经升压变压器与电网连接有二点优点，因并网线路一般在野外，事故机会较多，一旦事故发生，对发电机组冲击电流减少，有利于发电机组热、动稳定，降低损坏设备。发电机组事故对电网冲击降低，有利于电网稳定运行。

3 结语

希望有关部门加快研制国产化设备，将填埋气（沼气）发电厂由燃气发电机组、填埋气预处理、箱变三个模块（箱体）组成。统一由制造厂制造（包检修调试）。运到现场用吊车稳在设备基础上，用电缆及管道连接组装。一般15年以后可移动到新的垃圾场上发电，增长设备使用年限，起到增效作用。每处填埋气发电厂的容量有限（累计起来可观），为了减少投资，与调度联系应改为电信局通讯。填埋气发电有利于消除当地安全隐患，有利于降低中国的年碳排放量、改善全球气候变化，会有力地推动环保、安保、节能事业的发展。

参考文献

[1] 中国电力科学研究院生物质能研究室.生物质能及其发电技术[M].北京：中国电力出版社，2008.

[2] 中国住房和城乡建设部.生活垃圾填埋场填埋气体收集处理及利用工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] 吉林省发展和改革委员会CDM项目办公室.吉林省清洁发展机制项目开发手册[S].2006.

作者简介：王晓彪，长春供电公司电力工程高级工程师；肖信昌，长春供电公司电力工程高级工程师，吉林省世捷再生能源有限公司顾问。

（责任编辑：王 波）