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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
2、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
3、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
4、，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
5、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半径可达范围而定，依据我们过去的经验，每口气井的距离以4060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
6、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，将沼气抽送到处理设备。鼓风机是全年每天24小时连续操作运转的。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
7、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，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
8、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：l最终覆土状况；l填埋场沼气之产量；l填埋场内部之沼气压力分布情形；l减少空气的吸入以增加沼气（甲烷）之浓度。l各系统设备可长期使用及可移动装卸式的。l各系统之操作单元可活动装卸。l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。l沼气抽取
9、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400500 mm。沼气井施工时须于沼气井周围埋设砾石，以增加沼气抽取效率，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
10、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。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。利用沙土回填所埋设的水平管。沼气
11、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，
12、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
13、数据，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
14、沼气管架设、填埋黏土层的同时即安装沼气输送管线。典型的沼气垂直井构造图如下所示：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：l沼气的产生量l抽气速度相对于产气率l井口附近覆土的气密程度l填埋面表面的覆土状况l地下水位高度影响l垃圾填埋深度l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
15、项优点：lHDPE管伸缩性良好，可应用于直线接管及缠绕施工。它易于贮存及施工方便l可长时间使用，不易损坏，经济效益良好l比较于PVC管，HDPE管长时间使用，亦比较不会脆化变形l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
