填埋气产量计算

1填埋场情况简述
某垃圾填埋场占地316.34亩，分为一号、二号两个填埋区。

一号填埋区始于1991年，收集城市生活垃圾的覆盖人口为150万，该区占地10×104m2，呈山谷形状，底部面积为6×104m2。

填埋区内日平均堆填垃圾500t，已倾倒的垃圾总量为1•65×106m3，垃圾密度为0.8~0.9t/m3，垃圾总重量为1.32×106t。

该区已于2003年底封场，同时启用毗邻的二号填埋区。

对于已封场的一号填埋区，准备开展填埋气发电利用工作。

在工程设计的前期，需要对填埋气的产气能力进行评估，以确定发电机组容量、利用方式和使用年限等关键数据，为此我们首先进行了产气量的理论计算，并在现场打井进行了长期的产气能力测试。

2填埋气产气量的理论估算
由于填埋气中的可利用成分是甲烷，所以在对填埋气产气量的理论估算方面，主要是计算填埋气中甲烷的产量(包括总产量和年产量)。

2．1填埋气中甲烷总产量的计算
采用国际上通用的IPCC模型计算填埋气中甲烷的总产量，该模型的计算公式如下:
式中，ECH4———垃圾填埋场的甲烷总排放量，t；
MSW———城市垃圾量，t；
η———城市垃圾填埋率，%；
DOC———垃圾中可降解有机碳的含量(IPCC推荐发展中国家为15%)；
R———垃圾中可降解有机碳的分解百分率(IPCC推荐为77%)。

根据以上公式计算出1t填埋垃圾可产甲烷量为0.077t，转化成标准体积量为1t填埋垃圾可产107.8Nm3的纯甲烷。

根据垃圾总填埋量，可得以下甲烷总产量的计算结果。

表1甲烷总产量预测结果
为了检验以上计算的正确性，我们还采用化学平衡法进行了核算，其计算公式如下：
式中，ECH4——1kg垃圾量转化成甲烷气体的体积，m3；
RCH4——CH4的浓度含量，%；
W——含水率，%；
P——垃圾中的有机物含量，%；
C——有机物中的有机碳含量，%；
η——转化率，%。

根据实测的RCH4、W、P、C结果，η取为0.8，由此得出垃圾的CH4产量为103.7m3/t，结果与IPCC模型的计算结果基本一致。

2•2甲烷气年产量计算
为了计算填埋场在不同年份里的甲烷产量，我们选用理论动力学模型(Gardner-Probert模型)进行了计算，公式如下:
式中，P——单位重量垃圾时间t内的甲烷排放量；
t——填埋时间，a；
GM——垃圾理论最大产气量取107.8，m3/t；
Fi———各降解组分占有机碳的含量；
Ki———降解组分的降解系数，a-1。

参考有关经验公式，确定产气规律如下:
利用上式对一号填埋区的产气规律进行了计算，结果分别见图1和图2。

图2甲烷的年产气量
2•3计算结果分析
由以上两图可知，垃圾在初始填埋1a后才有可观的产气量，产气速率大大加快，在初始填埋10a后，产气速率达到最大107m3/a，之后产气速率快速下降，30a后产气量已经很小了。

填埋场的甲烷总产量可达1.4×108m3，在封场以后的10a内能够以600m3/h的抽气量进行连续利用，具有可观的经济效益价值。

3填埋气产生量测试
填埋场内垃圾的成分、堆填状态等情况是比较复杂的，其降解过程也难以用理论模型准确描述，因此理论计算往往只能提供参考依据，填埋场的真实产气能力还需要进行实际勘测，为此我们开发了填埋气测试装置，并在现场进行了长期测试。

3•1填埋气测试装置
填埋气测试装置的工作流程见图3。

为了便于在现场进行测试，整个装置做成可移动形式，装置内的电气和仪表部件采用了安保措施，以满足长期在野外进行连续工作的要求。

3•2抽气试验
在抽气试验中，采用“step by step”的实验方式，即将抽气流量由小到大，寻找井的产气能力。

在这个过程中，不仅要进行单井的产气能力测试，还要进行井间相互作用的实验(这部分测试结果将另文交流)，为最终确定抽气井的布置提供依据。

我们对该井进行了长达半年的连续抽气试验，试验中每天对抽气流量、填埋气成分进行检测，由于数据量较多，现将有代表性的测试结果分别列于图4~图7中。

抽气试验的前期以30m3/h流量进行抽气，待甲烷含量稳定后，将抽气流量提高至40m3/h，也获得了稳定的实验结果，达到了工程设计中对单井产气能力的要求。

图3填埋气测试装置工作流程图图4试验中的抽气流量情况
图5填埋气中的甲烷含量
图6填埋气中的二氧化碳含量
图7填埋气中的氧气含量
3.3结果分析
以上各图知，填埋气中的甲烷含量能稳定在50%以上，二氧化碳含量约40%，表明该井所产气体有典型填埋气的组成特征，且氧气含量很低，说明空气泄漏进填埋场内部的量很少，无危险隐患。

证实该垃圾填埋场内的填埋气有很高的利用价值。

4结论
1)分别采用IPCC模型和Gardner-Probert模型对某垃圾填埋场的产气规律进行了计算；
2)开发了填埋气测试装置，进行了长达半年的单井连续抽气运行试验；
3)理论计算和试验测试结果表明填埋场内的填埋气具有很高的开发利用价值。