来自垃圾填埋场的沼气。方案、说明

来自垃圾填埋场的沼气。无线电电子电气工程百科全书

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在过去的几十年里，城市固体废物（MSW）的数量显着增加。每年约有400亿吨城市固体垃圾进入生物圈，并且这一数量每年以3-6%的速度增长，超过了世界人口的增长速度。大量城市固体废物是食物垃圾、纸张、纸板、木材。城市固体废弃物的部分有机成分从发达国家的 56% 到发展中国家的 62% 不等。

在世界实践中，处理固体废物的方式主要有以下三种：

垃圾焚烧厂直接燃烧。
堆肥技术。
垃圾填埋场和固体废物填埋场的处置（与垃圾填埋场不同，垃圾填埋场配备了土壤隔离系统和渗滤液清除系统）

在一些发达国家，特别是人口密度较高的国家（瑞士、日本等），主要以焚烧方式处理城市生活垃圾甚至污水污泥。

城市固体废弃物焚烧需要使用复杂且昂贵的技术来清除燃烧产物中的重金属和有害气体。净化烟气中二恶英的问题尚未在任何国家得到解决。

最有可能的是，堆肥不会在很长一段时间内使用，因为清除堆肥中的重金属盐的问题尚未解决，而重金属盐迁移到肥沃的土壤中是不可接受的。

目前，在世界许多国家，在专门的垃圾填埋场处置城市固体废物被认为是最经济的处置方式。送往垃圾填埋场或填埋场的固体废物量在荷兰为 45-55%，在美国为 62-85%，在加拿大为 93-96%，在俄罗斯为 97%。

不同国家固体废物填埋场沼气的提取与利用

沼气是在没有氧气的情况下在城市固体废弃物中形成的。在细菌的作用下，部分有机物分解，形成甲烷（50-70%）和二氧化碳（30-50%），其混合物形成沼气，此外还含有少量的氮、氧和氢气。沼气可燃，热值高达18MJ/m3以上。

最经济合理的是在大型固废填埋场和垃圾填埋场收集和利用沼气，这些垃圾填埋场的垃圾量超过1万吨，垃圾层超过10m。希望大部分垃圾都有“年龄”。 ”的期限不超过10年。垃圾填埋场的面积必须进行开垦：覆盖一层至少 30-40 厘米的土壤。

5 年内，此类垃圾填埋场的平均沼气产量将至少为每 3 吨城市固体垃圾 1 立方米。非常重要的是有机物的比例（建筑垃圾不会产生沼气）。

欧盟沼气总潜力达到 9 亿立方米/年，美国高达 3 亿立方米/年。如果美国所有垃圾填埋场的甲烷得到利用，其用量将占该国天然气消耗总量的13%。 3年，全世界有5个沼气收集系统在运行（欧盟国家1992个，美洲481个，亚洲和澳大利亚各175个，非洲264个）。但值得注意的是，大约 4-2% 的沼气用于商业用途，其余的则在火炬中燃烧。

沼气是主要的温室气体之一

根据对环境的危害程度，甲烷被认为是继二氧化碳之后的第二大有害气体。大气中的甲烷浓度每年增长约 0,6%，并且在过去两个世纪中翻了一番（二氧化碳浓度每年增长 0,4%）。甲烷在大气中的“寿命”较短（11年），而二氧化碳则有120年。因此，稳定或减少向大气中排放的甲烷将导致气候迅速发生积极变化。

全球向大气中释放甲烷是气候变化的一个重要因素。美国已颁布法律，要求所有固体废物填埋场无一例外地配备沼气提取和利用系统。早在1987年，就确定地球垃圾填埋场每年排放的甲烷总量为30-70万吨，占其向大气排放总量的6-18%。政府间气候变化委员会专家组已将垃圾填埋场甲烷列入世界主要温室气体清单。

沼气在环境中的扩散导致了一系列负面现象。它的积累可能会在固体废物堆放场附近的房屋和建筑物中造成爆炸和火灾危险。从毒理学的角度来看，沼气在封闭空间中的积累也是危险的。在深度工程通信维护过程中，已经记录了多起中毒事件。沼气还会对植物层产生有害影响（“窒息”根系）。所有这些都表明需要遏制其向大气中的排放。实现这一目标的主要方法是沼气的收集和利用。

在垃圾填埋场收集/生产沼气的技术

最常见的沼气收集系统由通过水平管道连接的垂直井网络组成。在直径0,6-1,2m的直井中部安装直径12-25cm的塑料管，塑料管上开有直径3-6mm的孔。井的深度至少为 7 m，相当于 MSW 层厚度的 50-90%。穿孔塑料管周围的井容积填充有砾石或卵石。井的上部（距顶部边缘约 0,5 m）用混凝土或粘土压实，以消除沼气释放到大气中。平均一口井的范围为30-35m，平均每2,5公顷垃圾填埋场有1口井。瓦斯排放系统的建设既可以在垃圾填埋场运营结束后在整个垃圾填埋场进行，也可以在填埋时在不同的区域进行。图为沼气的生产、收集和利用示意图。

沼气利用/利用技术

沼气的利用主要有两种方式：在生产现场利用沼气产生热量，以及发电并出售给电网。在垃圾填埋场半径3公里范围内直接利用沼气通常是最经济有效的利用方式。

天然气可用作区域供热网络锅炉、各种工业消费者（水泥生产、玻璃生产、砖干燥）的燃料。如果消费者距离超过 3 公里，盈利能力就会下降。

乌克兰沼气生产和利用技术的可行性研究和发展前景

仅乌克兰的城市每年就产生约 40 万立方米的城市固体垃圾。其中 3% 以上被收集并运至距离城市 90-655 公里的 10 个垃圾填埋场。乌克兰有 20 多个垃圾填埋场没有基本的地下水和空气污染防护措施。大约有 500 个垃圾填埋场是城市固体废弃物填埋场，可以被认为适合提取和使用沼气。在 140 个垃圾填埋场中，有 140 个非常大，它们容纳了乌克兰所有固体废物的 90%。这些垃圾填埋场对于天然气生产来说是最有利可图的。这30个垃圾填埋场引入沼气收集利用系统，每年将减少二氧化碳排放90万吨。

由于乌克兰国内市场的电价相当低，使用沼气来满足垃圾填埋场附近工业企业的需求是最具成本效益的。如果这是不可能的，那么在网络中发电是合理的。在这种情况下，可以使用基于乌克兰制造的内燃机的发电厂，容量为1和1,6 MW（以Malyshev命名的GP工厂，哈尔科夫）或0,40,8 MW（Pervomaiskdizelmash，Pervomaisk）。

该表显示了在卢甘斯克垃圾填埋场提取沼气并利用其发电的项目的可行性研究，该垃圾填埋场存放着 1,6 万吨固体废物。考虑了容量为 2 MW 的小型发电厂的两种设备，采用沼气运行，配备 Pervomaiskdieselmash 生产的发动机和美国制造的 Caterpillar 发动机。计算使用的参数包括年沼气产量 5 立方米/吨废物以及工厂的使用寿命 - 3 年。

来自垃圾填埋场的沼气

这两种情况的电力成本均低于乌克兰的电力批发成本（每 0,021 千瓦时 1 美元）。

上述经济计算并未考虑“出售”该项目减少的碳排放的潜力。减少的温室气体排放量将以每4,5吨9至1欧元的价格“购买”，因此，生物能源项目的经济绩效可以显着提高。

在乌克兰推广沼气生产和使用技术的第一步是实施至少一个示范项目，其目的是展示使用此类技术的技术能力、经济和技术可行性。

结论：

1.目前，世界上大多数国家的固体废物填埋场和填埋场处置仍然是其中和的主要方法。

2. 垃圾填埋场的甲烷排放量估计占其大气排放总量的 6-18%。减少甲烷排放最有效的方法是捕获和利用它。

3. 大多数国家沼气的能源潜力约为能源消耗的1%。

4. 在大多数国家，沼气的生产和使用都在增加。

5. 沼气的提取和使用项目非常具有成本效益，特别是如果附近有工业气体消耗者。

6. 从环境和经济角度来看，乌克兰引进沼气提取和利用技术是非常有前途的。

7. 由国家预算或生态部预算为乌克兰至少一个沼气生产和使用示范项目提供资金是有意义的。

作者：G. Geletukha、K. Kopeikin、乌克兰国家科学院技术热物理研究所、“生物质”科技中心

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