1、- - 1垃圾填埋沼气发电过程中垂直集气井收集技术的应用郝伟，李海刚西安易飞明达可再生资源利用有限公司- - 2垃圾填埋沼气发电过程中垂直集气井收集技术的应用郝伟，李海刚(西安易飞明达可再生资源利用有限公司)摘 要 : 本 文 主 要 介 绍 了 垃 圾 填 埋 气 发 电 过 程 中 垂 直 集 气 井 收 集 沼 气 技 术 的 应用 。 通 过 此 技 术 可 以 大 幅 提 高 垃 圾 填 埋 沼 气 发 电 过 程 中 的 沼 气 采 气 效 率 。关 键 词 : 垃 圾 填 埋 沼 气 发 电 垂 直 井 沼 气 收 集 技 术 采 气 效 率前 言我 国 近 年 来 经 济 快
2、速 发 展 ， 人 民 的 生 活 水 平 也 随 之 不 断 提 高 ， 城 市 生 活 垃 圾 量迅 猛 增 加 。 卫 生 填 埋 处 理 生 活 垃 圾 是 我 国 目 前 最 普 遍 采 用 的 处 理 方 式 。 生 活 垃 圾 经卫 生 填 埋 后 ， 会 产 生 以 甲 烷 及 二 氧 化 碳 为 主 要 成 份 的 填 埋 气 （ 或 称 为 沼 气 ， 英 文 缩写 为 LFG） 。 若 不 进 行 适 当 的 收 集 排 放 处 理 ， 填 埋 气 体 会 在 填 埋 场 内 积 累 、 向 外 泄 漏 、扩 散 或 在 土 壤 中 迁 移 ， 容 易 引 发 垃 圾 堆
3、 体 崩 塌 并 对 周 围 环 境 和 人 类 健 康 造 成 危 害 和不 良 影 响 。 当 甲 烷 达 到 一 定 浓 度 时 ， 会 引 起 爆 炸 和 火 灾 ； 还 可 能 引 起 地 下 水 硬 度 升高 ； 填 埋 气 中 的 甲 烷 向 大 气 排 放 和 扩 散 会 引 起 填 埋 场 及 周 围 植 物 因 根 区 缺 养 而 死 亡和 加 剧 全 球 气 候 变 暖 ； 填 埋 气 中 的 微 量 有 毒 气 体 对 人 类 的 主 要 器 官 造 成 损 害 等 。另 一 方 面 ， 由 于 沼 气 中 甲 烷 的 含 量 一 般 为 50 左 右 ， 其 热 值
4、约 为 天 然 气 的 一半 ， 与 城 市 煤 气 相 当 ， 是 一 种 可 以 回 收 利 用 的 资 源 。 但 国 内 垃 圾 填 埋 场 一 般 是 采 用对 空 排 放 以 消 除 安 全 隐 患 ， 这 样 除 了 浪 费 资 源 外 ， 更 对 环 境 及 民 众 健 康 造 成 不 良 影响 。所 以 ， 城 市 生 活 垃 圾 综 合 处 理 厂 沼 气 收 集 利 用 已 经 成 为 国 家 环 境 保 护 总 局 的 重点 环 保 工 程 ； 国 务 院 及 国 家 发 展 和 改 革 委 员 会 也 多 次 强 调 发 展 可 循 环 经 济 及 促 进 城市 垃
5、圾 处 理 资 源 化 的 要 求 ， 利 用 城 市 生 活 垃 圾 所 产 生 的 沼 气 进 行 收 集 利 用 已 被 国 家- - 3列 为 资 源 综 合 利 用 的 鼓 励 行 业 ， 成 为 国 家 改 善 能 源 结 构 的 重 要 组 成 部 分 ；近 几 年 ， 随 着 能 源 和 资 源 短 缺 问 题 日 益 严 重 ， 人 们 越 来 越 重 视 垃 圾 填 埋 气 这 一可 再 生 资 源 。 只 要 垃 圾 填 埋 场 具 备 一 定 的 条 件 ， 垃 圾 填 埋 气 就 可 以 得 到 有 效 的 利 用 。目 前 常 用 的 垃 圾 填 埋 气 再 利 用
6、 方 式 有 以 下 几 种 ： 1、 作 为 锅 炉 燃 料2、 用 于 发 电3、 作 工 业 或 民 用 燃 气4、 作 汽 车 燃 气5 作 渗 滤 液 蒸 发 的 燃 料6 其 他 方 式 ， 主 要 包 括 制 造 燃 料 电 池 、 甲 醛 产 品 及 轻 柴 油 等不 论 采 用 哪 一 种 再 利 用 的 方 式 ， 都 必 须 要 先 将 填 埋 气 透 过 抽 气 井 从 填 埋 层 里 抽出 来 。 抽 气 井 可 分 为 垂 直 井 和 水 平 横 井 两 种 ， 各 有 其 适 当 的 使 用 时 机 。 这 两 种 抽 气方 式 应 用 均 具 有 超 过 10
7、年 以 上 的 实 际 经 验 。沼 气 的 收 集 系 统 由 收 集 井 、 集 气 柜 、 输 气 管 道 和 抽 气 泵 站 等 组 成 。 在 垃 圾 填 埋厂 内 每 隔 一 定 间 距 布 置 直 径 200mm 竖 井 ， 安 装 收 集 管 道 ， 在 管 道 的 外 围 填 充 砾 石 。将 各 竖 井 集 气 管 用 排 气 管 水 平 连 接 ， 即 可 实 现 气 体 回 收 。 在 抽 气 泵 的 作 用 下 ， 集 气井 内 呈 微 负 压 状 态 ， 填 埋 场 内 产 生 的 气 体 ， 借 助 压 差 流 向 特 定 的 收 集 井 ， 通 过 输 气管 道
8、 引 至 集 气 柜 后 ， 再 集 中 输 往 抽 气 泵 站 。 城 市 生 活 垃 圾 综 合 处 理 厂 沼 气 收 集 率可 以 达 到 6080%， 达 到 国 际 先 进 水 平 。基 于 收 集 系 统 需 能 迅 速 有 效 地 收 集 填 埋 气 ， 我 们 所 规 划 的 收 集 方 式 采 取 主 动 集中 式 集 气 方 式 ， 即 使 用 鼓 风 机 主 动 抽 气 ， 使 气 井 内 产 生 低 压 真 空 区 ， 填 埋 气 自 气 井的 多 孔 管 流 入 。 在 有 效 控 制 之 下 ， 流 入 气 井 中 ， 再 由 几 个 气 井 汇 成 一 个 沼
9、气 收 集 站 ，再 由 此 沼 气 收 集 站 将 沼 气 输 往 预 处 理 系 统 及 发 电 系 统 ， 进 行 处 理 再 利 用 。抽 气 系 统 规 划我 们 所 规 划 设 计 之 沼 气 抽 取 系 统 将 涵 盖 所 有 的 填 埋 场 范 围 。 除 了 沼 气 收 集 站 外 ，所 有 相 关 设 施 如 沼 气 井 、 沼 气 收 集 及 输 送 管 道 等 都 埋 于 地 面 下 。 这 些 设 备 遍 布 个 填埋 场 区 域 ， 以 确 定 填 埋 场 关 闭 后 仍 能 继 续 正 常 运 作 。沼 气 收 集 井 的 位 置 是 根 据 其 有 效 收 集
10、半 径 可 达 范 围 而 定 ， 依 据 我 们 过 去 的 经 验 ，- - 4每 口 气 井 的 距 离 以 40 60 米 左 右 为 最 佳 （ 平 均 采 用 50 米 ） 。 而 大 约 每 812 个 气井 汇 集 成 1 个 沼 气 收 集 站 来 负 责 控 制 及 输 送 。 沼 气 收 集 站 的 另 一 主 要 功 能 在 于 平 均分 配 各 井 的 真 空 抽 取 压 力 。 气 井 的 布 置 图 如 下 所 示 ：沼 气 抽 取 系 统 主 要 由 以 下 的 主 要 单 元 组 合 而 成 ， 功 能 说 明 如 下 ：沼 气 收 集 及 输 送 系 统包
11、括 沼 气 收 集 井 、 集 气 站 以 及 输 送 管 线 。 主 要 功 能 为 收 集 并 输 送 沼 气 到 发 电 处理 设 备 。冷 凝 水 分 离 器冷 凝 水 分 离 器 设 置 于 发 电 设 施 范 围 内 ， 它 主 要 的 功 能 在 于 去 除 沼 气 中 的 水 份 ，并 进 一 步 的 保 护 避 免 由 输 送 的 沼 气 碰 撞 时 造 成 浓 缩 分 离 装 置 金 属 表 面 的 成 份 剥 落 、冲 击 ， 造 成 鼓 风 机 的 损 害 。鼓 风 机鼓 风 机 主 要 的 功 能 是 提 供 抽 取 沼 气 的 吸 力 ， 将 沼 气 抽 送 到 处
12、 理 设 备 。 鼓 风 机 是全 年 每 天 24 小 时 连 续 操 作 运 转 的 。- - 5沼 气 前 处 理 系 统 过 滤 器本 装 置 包 括 过 滤 器 和 干 燥 机 两 个 主 要 设 备 。 过 滤 器 的 功 能 在 于 过 滤 沼 气 中 粒 径大 于 0.4 m 的 粒 状 污 染 物 ， 以 避 免 沼 气 中 的 污 染 物 进 入 发 电 系 统 中 造 成 发 电 机 引擎 的 损 害 。 经 过 滤 后 之 沼 气 ， 已 完 全 除 去 损 害 性 之 颗 粒 状 固 体 物 。 干 燥 机 则 将 沼 气干 燥 降 温 ， 使 含 水 率 和 温 度
13、 合 乎 发 电 机 的 技 术 要 求 ， 且 其 组 成 成 份 不 变 ， 不 影 响 发电 之 效 率 。气 体 输 送 管 线由 鼓 风 机 将 沼 气 输 送 至 发 电 机 组 之 输 送 管 线 配 件 上 ， 设 有 必 要 的 安 全 阀 压力 计 安 全 控 制 阀 等 装 置 ， 以 确 保 沼 气 输 送 之 稳 定 及 安 全 性 。收 集 技 术 的 应 用 方 法基 于 收 集 系 统 需 能 迅 速 有 效 地 收 集 填 埋 气 ， 我 们 所 规 划 的 收 集 方 式 采 取 主 动 集中 式 集 气 方 式 ， 即 使 用 鼓 风 机 主 动 抽 气
14、， 使 气 井 内 产 生 低 压 真 空 区 ， 填 埋 气 自 气 井的 多 孔 管 流 入 。 在 有 效 控 制 之 下 ， 流 入 气 井 中 ， 再 由 几 个 气 井 汇 成 一 个 沼 气 收 集 站 ，再 由 此 沼 气 收 集 站 将 沼 气 输 往 预 处 理 系 统 及 发 电 系 统 ， 进 行 处 理 再 利 用 。 在 集 气 站内 安 装 监 控 和 调 节 装 置 ， 配 备 专 用 测 量 设 备 ， 确 保 沼 气 输 送 之 稳 定 及 安 全 性 ， 可 使操 作 人 员 可 以 操 控 每 座 沼 气 井 的 流 量 及 抽 取 压 力 。关 键 技
15、 术 研 究沼 气 收 集 竖 井 施 工 工 艺 ；沼 气 收 集 系 统 的 设 计 方 法 ；沼 气 收 集 系 统 的 管 理 和 相 关 管 理 方 法 ；我 们 在 规 划 整 体 再 利 用 系 统 时 ， 必 须 考 量 到 以 下 几 点 因 素 ： 最 终 覆 土 状 况 ； 填 埋 场 沼 气 之 产 量 ； 填 埋 场 内 部 之 沼 气 压 力 分 布 情 形 ； 减 少 空 气 的 吸 入 以 增 加 沼 气 （ 甲 烷 ） 之 浓 度 。- - 6 各 系 统 设 备 可 长 期 使 用 及 可 移 动 装 卸 式 的 。 各 系 统 之 操 作 单 元 可 活
16、动 装 卸 。 沼 气 处 理 再 利 用 ， 在 填 埋 作 业 运 作 期 也 可 使 用 ， 以 达 沼 气 处 理 及 资 源 回 收再 利 用 之 功 效 。 沼 气 抽 取 系 统 要 配 合 沼 气 产 量 设 计 。影 响 沼 气 抽 取 的 因 素抽 取 沼 气 会 受 到 下 列 因 素 影 响 ：废 弃 物 的 填 埋 深 度覆 土 厚 度 和 他 的 性 质真 空 抽 气 压 力 之 设 计沼 气 井 的 分 布 （ 即 每 座 抽 气 井 的 有 效 抽 气 范 围 会 互 相 影 响 ） 。理 想 状 况 下 ， 沼 气 井 系 统 之 抽 气 量 与 沼 气 的
17、产 量 是 处 于 平 衡 的 状 态 ， 而 各 气 井的 基 本 数 据 ， 如 沼 气 抽 取 量 、 压 力 、 以 及 浓 度 等 ， 必 须 做 长 期 性 的 测 量 及 监 控 。沼 气 抽 取 系 统 施 工沼 气 井 施 工沼 气 井 施 工 开 挖 前 须 先 取 得 当 时 填 埋 工 程 进 行 时 各 阶 段 之 填 埋 深 度 之 资 料 。 一般 而 言 ， 沼 气 井 深 离 最 底 部 防 渗 层 大 约 4 m 左 右 。 沼 气 井 钻 孔 直 径 约 400 500 mm。 沼 气 井 施 工 时 须 于 沼 气 井 周 围 埋 设 砾 石 ， 以 增
18、 加 沼 气 抽 取 效 率 ， 沼 气 井 埋 设 完成 时 ， 以 黏 土 层 再 填 埋 ， 以 防 止 沼 气 泄 漏 及 氧 气 回 渗 进 入 沼 气 井 中 增 加 操 作 之 危 险性 。钻 井 施 工 时 应 优 先 使 用 套 筒 式 的 钻 头 （ Core Barrel） ， 以 免 造 成 垃 圾 挤 压 现象 ， 使 得 沼 气 不 易 流 入 井 管 。 没 有 套 筒 式 的 钻 头 的 话 才 使 用 螺 旋 钻 头 （ Auger） 。钻 挖 施 工 中 ， 所 挖 出 的 填 埋 废 弃 物 运 送 至 目 前 操 作 填 埋 面 进 行 填 埋 。 每
19、支 沼 气 管 之安 装 施 工 过 程 ， 自 钻 掘 、 吊 放 至 回 填 5cm 碎 石 必 须 连 续 不 断 日 夜 施 工 ， 直 至 完 成为 止 ， 中 途 不 停 工 。- - 7沼 气 输 送 管 之 施 工沼 气 输 送 管 材 料 皆 使 用 高 密 度 聚 乙 烯 （ HDPE） 材 质 。 主 要 的 要 点 为 ：于 气 井 和 集 气 站 间 开 挖 管 沟 ， 埋 设 水 平 收 集 管 ， 典 型 的 管 沟 宽 约 60cm， 深 约0.51.5m。水 平 收 集 管 用 电 熔 对 接 的 方 式 接 管 ， 以 确 保 管 道 的 气 密 性 。利
20、用 沙 土 回 填 所 埋 设 的 水 平 管 。沼 气 收 集 站 架 设 后 ， 再 连 接 输 送 管 道 ， 输 送 管 道 的 管 沟 宽 度 及 深 度 和 水 平 收 集管 管 沟 一 样 ， 宽 约 60cm， 深 约 0.51.5m。 沼 气 收 集 站 的 基 本 设 施 包 括 了 各 沼 气 井至 收 集 主 干 管 的 集 中 器 、 个 别 沼 气 井 的 控 制 阀 、 流 量 暨 采 样 检 测 孔 等 等 。 架 设 集 气站 时 ， 须 考 虑 地 形 状 况 ， 依 地 形 垂 直 架 设 。沼 气 输 送 干 管 和 总 管 也 采 用 电 熔 对 接
21、的 方 式 接 管 。沼 气 抽 取 系 统 施 工 的 一 般 先 后 顺 序 为 ：钻 沼 气 井 架 设 沼 气 收 集 站 埋 设 水 平 收 集 管 埋 设 总 管 道 连 接 集 气 站 到 总 管 道 的 主 干 管上 述 之 施 工 步 骤 乃 一 般 之 原 则 ， 但 也 有 可 能 同 步 施 工 再 做 全 面 性 的 整 合 。沼 气 抽 取 系 统 之 操 作 与 管 理当 沼 气 抽 取 系 统 各 部 份 配 置 如 沼 气 井 、 输 送 管 道 、 集 气 站 等 调 适 完 毕 后 ， 即 正式 进 入 运 营 操 作 阶 段 。 收 集 沼 气 时 ，
22、将 使 用 携 带 式 气 体 分 析 仪 ， 针 对 每 口 井 之 沼 气甲 烷 浓 度 、 产 气 量 、 二 氧 化 碳 及 氧 气 浓 度 等 数 值 ， 调 整 其 抽 气 压 力 ， 以 获 得 最 大 且稳 定 之 沼 气 抽 取 量 ， 且 不 会 造 成 地 表 的 空 气 回 渗 的 情 形 。 此 外 ， 沼 气 井 的 各 项 数 据也 提 供 维 修 的 依 据 。 在 例 行 操 作 抽 取 系 统 时 ， 我 们 做 了 下 列 各 项 主 要 定 期 或 不 定 期的 工 作 ：记 录 进 发 电 厂 前 总 管 道 的 各 项 沼 气 数 值 以 及 发 电
23、 量 ， 并 观 察 它 们 的 变 化 情 形 。定 期 测 量 并 记 录 每 一 口 沼 气 井 的 各 项 沼 气 数 据 ， 并 比 较 这 些 数 据 的 变 化 情 形 。根 据 当 时 的 数 据 以 及 前 次 的 测 量 数 据 ， 对 每 一 口 井 做 必 要 的 调 整 。对 于 某 一 口 井 发 现 异 常 状 况 ， 如 吸 入 超 过 一 定 浓 度 的 氧 气 ， 必 须 关 闭 该 气 井 的- - 8阀 门 ， 停 止 抽 气 。 当 发 现 多 口 井 有 氧 气 入 渗 时 ， 甚 至 需 要 关 闭 整 个 集 气 站 。分 析 沼 气 数 据 ，
24、 研 判 抽 气 系 统 有 无 损 坏 ， 进 行 必 要 的 维 修 工 作 。定 期 测 量 并 记 录 地 下 水 的 水 位 。经 常 观 察 填 埋 场 上 垃 圾 填 埋 的 作 业 情 况 ， 对 填 埋 作 业 可 能 损 坏 抽 气 系 统 采 取 必要 的 预 防 措 施 。沼 气 抽 取 系 统 基 本 设 计 原 则沼 气 抽 取 系 统 设 计 的 基 本 原 则 是 由 垂 直 的 沼 气 井 配 合 埋 设 于 地 面 下 的 输 送 管 线及 显 露 于 地 面 上 的 沼 气 收 集 站 ， 形 成 收 集 及 输 送 网 络 。 沼 气 抽 取 系 统 设
25、 计 原 则 如 下 ：沼 气 井 （ 垂 直 井 ）沼 气 收 集 方 式 系 以 多 孔 HDPE 管 （ 直 径 90mm） 配 合 砾 石 、 碎 石 、 黏 土 等 物 质 做成 沼 气 井 。 一 般 的 施 工 方 法 为 先 打 孔 后 ， 将 HDPE 沼 气 管 以 垂 直 方 式 架 设 ， 并 于 其周 围 回 填 埋 砾 石 以 增 加 其 排 气 率 ， 随 后 ， 于 沼 气 管 上 缘 部 份 填 埋 黏 土 ， 以 防 止 沼 气泄 漏 ， 再 以 废 土 或 其 它 可 用 材 质 填 满 。 而 于 沼 气 管 架 设 、 填 埋 黏 土 层 的 同 时
26、即 安 装沼 气 输 送 管 线 。 典 型 的 沼 气 垂 直 井 构 造 图 如 下 所 示 ：- - 9沼 气 井 配 置沼 气 井 的 位 置 ， 都 事 先 经 过 评 估 ， 以 确 定 每 座 沼 气 井 之 有 效 抽 气 范 围 达 到 最 大 ，且 降 低 沼 气 泄 漏 之 虞 。 根 据 以 往 的 工 作 经 验 得 知 分 布 于 沼 气 井 周 遭 的 沼 气 量 是 随 时在 改 变 的 。 它 受 到 以 下 几 个 主 要 因 素 的 影 响 ： 沼 气 的 产 生 量 抽 气 速 度 相 对 于 产 气 率 井 口 附 近 覆 土 的 气 密 程 度 填
27、埋 面 表 面 的 覆 土 状 况 地 下 水 位 高 度 影 响 垃 圾 填 埋 深 度 覆 土 的 性 质垃 圾 场 现 况 条 件 适 当 的 情 形 下 ， 如 填 埋 深 度 大 于 15 米 、 地 下 水 位 不 高 、 表 面覆 土 （ 或 覆 盖 ） 气 密 性 佳 等 等 ， 典 型 的 井 和 井 的 间 距 约 为 50 公 尺 左 右 。沼 气 抽 取 管 道- - 10我 们 采 用 HDPE 管 做 为 沼 气 井 及 输 送 管 道 的 材 质 ， 它 具 有 以 下 几 项 优 点 ： HDPE 管 伸 缩 性 良 好 ， 可 应 用 于 直 线 接 管 及
28、缠 绕 施 工 。 它 易 于 贮 存 及 施 工 方便 可 长 时 间 使 用 ， 不 易 损 坏 ， 经 济 效 益 良 好 比 较 于 PVC 管 ， HDPE 管 长 时 间 使 用 ， 亦 比 较 不 会 脆 化 变 形 强 度 够 ， 于 填 埋 场 操 作 时 可 承 受 较 大 的 重 力 及 应 力真 空 抽 气 条 件在 应 用 上 ， 每 座 沼 气 井 随 其 附 近 沼 气 产 量 的 不 同 ， 抽 取 压 力 亦 各 不 相 同 。 每 口气 井 集 中 到 集 气 站 后 ， 以 控 制 阀 门 来 控 制 每 座 沼 气 井 之 抽 取 压 力 ， 以 取 得
29、 最 适 当 之沼 气 抽 取 量 ； 同 时 藉 由 携 带 式 的 分 析 仪 器 可 测 量 沼 气 抽 取 量 、 压 力 、 温 度 、 以 及 浓度 等 资 料 ， 以 进 一 步 评 估 分 析 ， 未 来 沼 气 井 抽 换 维 修 之 依 据 ， 并 可 决 定 对 填 埋 场 内沼 气 井 规 划 配 置 之 密 度 分 布 。冷 凝 水 泄 水 器沼 气 本 身 含 有 一 定 比 例 的 水 份 ， 因 此 于 输 送 过 程 中 冷 凝 效 果 的 影 响 ， 使 得 这 些水 份 会 汇 集 于 输 送 管 线 之 低 洼 处 。 因 此 ， 必 须 于 此 部 份
30、 设 置 冷 凝 水 泄 水 器 ， 以 防 止冷 凝 水 阻 塞 沼 气 输 送 管 道 。 冷 凝 水 泄 水 器 皆 设 置 于 地 面 下 ， 可 将 冷 凝 水 直 接 回 流 至填 埋 场 内 ， 以 避 免 造 成 表 面 二 次 污 染 。沼 气 收 集 站沼 气 收 集 站 的 配 置 ， 可 使 得 操 作 人 员 可 以 操 控 每 座 沼 气 井 的 流 量 及 抽 取 压 力 ，此 外 它 允 许 操 作 人 员 在 小 范 围 内 操 控 大 面 积 填 埋 区 的 抽 气 情 形 。 根 据 我 们 过 去 的 经验 ， 每 23 公 顷 的 面 积 须 配 置
31、一 座 沼 气 抽 气 收 集 站 。 沼 气 收 集 站 的 位 置 选 择 须 考 虑到 填 埋 面 沉 陷 及 输 送 管 线 架 设 之 便 利 性 。 每 座 沼 气 站 面 积 约 需 4 公 尺 4 公 尺 且设 置 围 篱 ， 沼 气 收 集 站 的 抽 气 装 置 高 度 约 1.5 公 尺 左 右 。而 每 一 个 沼 气 收 集 站 都 有 一 个 控 制 阀 门 ， 当 异 常 状 况 发 生 或 进 行 必 要 的 维 修 工作 时 ， 只 需 关 闭 影 响 区 域 的 集 气 站 就 可 以 ， 其 他 不 受 影 响 的 区 域 仍 继 续 抽 气 。 不 必关 闭 整 场 或 半 场 抽 气 系 统 ， 将 异 常 状 况 发 生 或 进 行 必 要 的 维 修 工 作 时 的 影 响 范 围 降
