垃圾填埋场生产车用压缩天然气的应用研究

    陈一帆 林明松 谢军

    

    

    

    摘 要：本文首先从环保、经济性等多个角度分析了当前垃圾填埋场的发展现状和垃圾填埋场沼气生产车用压缩天然气的意义。其次，论文通过对垃圾填埋场生产沼气的分布规律、生产效率、供求关系、沼气组分特点等进行动态探索分析，发现垃圾填埋场生产车用压缩天然气，具有很强的可行性。最后，论文根据沼气处理方法设置多组对比燃气参照组。然后从车用压缩天然气的主要使用性能中的辛烷值、热值、使用性能和经济性能等多方面进行研究和分析。并得出结论，垃圾填埋场沼气通过净化后添加部分丙烷作为车用压缩天然气可获得最佳的经济、使用性能。

    关键词：垃圾填埋场;沼气;车用压缩天然气

    当前世界每年生產超过35亿吨的生活垃圾，而这些垃圾以各种形式存在于地球上。随着近年来我国经济和城市化的快速发展，我国的生活垃圾产生量也在快速发展，预计到2020年城市垃圾产量可达3.23亿吨。如何实现生活垃圾的高效益、环保的处理，是当前研究的热点。[1，2，3]沼气是垃圾填埋场生产经济效益的主要手段，也是当前垃圾填埋场实现废物再利用的主要办法。为了更高效的处理生活垃圾，将垃圾填埋场沼气产品的高价值化，是当前垃圾填埋场资源利用的研究重点。[3，4]而从环境、能源和经济三个角度出发，沼气资源化生产车用压缩天然气是当前较为经济、高效和环保的处理办法之一。[1]

    1 垃圾填埋场沼气及其产业特点

    1.1 垃圾填埋场沼气组成特点

    垃圾填埋场生产的沼气组成成分非常复杂，通常产气稳定的垃圾填埋场生产的沼气主要成分如表1所示，由表可以看出，沼气中占主要成分有CH4、CO2、N2、H2O和H2等，热值一般在7.4～22MJ/m3，净化后热值可接近天然气的热值，净化利用的提升效果较好。[2-5]

    1.2 垃圾填埋场沼气生产产业特点

    一般垃圾填埋场垃圾填入约30天后会生产沼气，半年右到达的较高沼气生产水平，且垃圾填埋场随着时间变化，沼气组分也会发生变化，图1对前四年的垃圾填埋场沼气主要组分的体积分数变化特点进行了分析。[6-8]一般垃圾填埋场会经历好氧发酵、过渡、酸化、产气和稳定5个阶段，持续生产沼气的时间可达到近20年左右，其中约15年的时间为产气高峰期。段丽、赵胜男等人[7-10]预测了垃圾填埋场沼气的产量变化，如图2所示，垃圾填埋场沼气生产。随着近年来我国城市化不断地深入，我国人均生活垃圾不断增加，当前我国人均生活垃圾的产量约为1.16kg/d。每吨垃圾在填埋场寿命期内大约可产生100～200m3的沼气。因此，可以看出我国每年可产生约60-120亿m3/年的垃圾填埋场沼气，以46%的CH4含量，可获得30-60亿m3CH4。而以我国天然气为例，2018年我国的天然气产量为1600亿m3，其中进口量为9亿m3。因此，垃圾填埋场沼气的生产，对于我国的能源、环境贡献潜力巨大。

    1.3 垃圾填埋场沼气的经济效益分析

    当前垃圾填埋场生产的沼气主要作用有：①直接燃烧发电;②净化提纯后通入城市燃气管道使用;③净化后利用燃气轮机发电;④净化提纯后作为车用压缩燃气使用;⑤净化提纯后作为化工原料使用;等等。当前沼气净化的技术已经比较成熟，且成本低廉，但是从沼气中获得高纯度的CH4还是比较困难。因此，当前最佳的沼气利用方法是，轻度净化提纯后作为燃气使用。而作为城市燃气的价格较低，通常市场价在2—3元/m3左右，而车用压缩天然气通常在5元/m3左右。且相对于汽油，汽车使用天然气作为动力源具有很大的成本优势，通常在汽车使用天然气和汽油的比价在0.6比1左右。且垃圾填埋场通常具有在城市边缘，且具有离城市周边主干道较近，离城市供气管道较远等特点。从项目的可行性、经济效益的角度出发，利用垃圾级填埋场生产的沼气，净化提纯后生产车用燃气的经济效益和可行性最高。[11]

    2 垃圾填埋场生产车用压缩天然气的工艺研究

    2.1 垃圾填埋场沼气理化特性分析

    利用垃圾填埋场沼气生产车用压缩天然气，最重要的是使沼气的理化性质满足车用压缩天然气的要求。我国国标对于车用压缩天然气的组分的要求，通常要求二氧化碳低于3%，热值高于31.4MJ/m3。从表1可以看出，垃圾填埋场沼气直接生产车用压缩天然气是不符合要求的，必须对其净化、改良后才能作为车用燃料使用。从车用燃料的角度来说，CH4和H2都属于高热值的燃料，且相对汽油更加环保，燃烧后产物只有CO2和水。CH4辛烷值通常比汽油高30%左右，具有很好的抗爆性且CH4燃点、着火点高，可作为非常优秀车用燃气使用，但是CH4还具有燃烧速度较慢等缺点。

    2.2 沼气生产车用压缩天然气的方法分析

    为了提升垃圾填埋场沼气的品质，使其能够满足车用燃料的需求必须对其进行质量提升。当前将沼气生产为车用燃气的主要方式有两种方法，第一种方法是，通过沼气净化，提升沼气理化性质。第二种方法是，将沼气净化后，添加甲烷、乙烷、丙烷等烃类物质，提升燃气的理化性质。沼气净化，是当前沼气利用的主要手段，工艺比较成熟，成本较低等优点。其主要是通过物理或者化学的方法，将沼气中的CO2、水、硫化物、N2等杂质去除，保留其中的CH4和H2实现沼气理化性质的提升目的。乙烷、丙烷等都是较为常见的气态烃类物质，具有来源广、价格低等优点。由于沼气净化后直接使用还存在体积热值、燃烧速度等方面的问题，因此，往净化后的沼气中添加乙烷、丙烷等烃类物质提升沼气理化性质，也是一种简单直接有效的沼气提升方式。

    3 利用垃圾填埋场沼气生产车用压缩天然气的理化性能分析

    3.1 对比参数设置

    不同的沼气提升方法对于沼气提升作为车用燃料的性能提升能力不一样。为了最大限度提升沼气生产车用压缩天然气的质量，需要对从甲烷、丙烷、沼气、净化后沼气、沼气混合物等多个角度进行对比分析。由于沼气的主要成分为CH4和CO2且其他组分含量较少，所以分析过程将沼气近似看作为CH4和CO2，而沼气净化后通常可以获得的是高纯度的CH4。为此，论文将设置了7组对比数据进行研究。第一组是纯CH4作为对比研究、第二组是纯沼气，第三组为经过净化后的沼气，第四组为沼气添加C2H6提升，第五组为沼气净化后添加C3H8。第六组和第七组分别为沼气直接添加C3H8或C2H6的对比组，其中各组气体的主要组成成分如表2所示。

    3.2 对比组燃气辛烷值计算分析

    车用压缩天然气的指标主要取决于辛烷值和热值，通常我们可以直接通过计算的方式来获得燃气的辛烷值。当前评价车用燃气的抗爆性能的方法主要有马达法（MON）和甲烷值（MN）法。通常我们的车用燃料可以通过马达法测取辛烷值，而燃气的辛烷值可以直接通过计算获得预估值，其计算公式如公式1所示。

    MON=137.78X1+29.948X2-18.193X3+181.233X4（公式1）

    X1—CH4体积分数（%） X2—C2H6体积分数（%）

    X3—C3H8体积分数（%） X4—CO2体积分数（%）

    通过对7组对比组的辛烷值计算得到的7组燃气的辛烷值，然后通过97号汽油和对比组的辛烷值进行对比如图3所示。由图3可以看出沼气净化后，添加C3H8或C2H6油的会降低燃气的辛烷值，但是降低值较少，基本不影响燃气的抗爆性。

    3.3 对比组燃气热值分析

    CH4、C2H6和C3H8气体的质量能量密度CH4最高，但是体积能量密度以C3H8最高，通常甲烷的高热值为9500Kcal/Nm3左右，乙烷的高热值为16800Kcal/Nm3左右，丙烷的高热值为24100Kcal/Nm3左右。由于气体混合的体积特点可知，多组状态相同的气体混合后，体积为原气体的总和，而沼气主要由甲烷等气体，因此，往沼气中添加C2H6和C3H8等气体和沼气净化提升等，都能适当提升沼气的体积能量密度。

    3.4 对比组燃气使用性能分析

    在对于甲烷、丙烷和甲烷/丙烷混合燃料的实际应用发现，混合燃料的使用，在很多方面有利于但燃气作为车用压缩燃气的使用性能。根据张佳心等人和陈叔平等人[11-13]，分別对于甲烷、丙烷和甲烷/丙烷混合燃料层流火焰传播速度实验进行了测定和针对甲烷/丙烷混合燃料在喷射过程进行了研究。研究发现，甲烷/丙烷混合燃料燃烧的速度大于单一燃料燃烧速率，且混合燃料适合90度的喷射角度和低直径的喷嘴喷射最为适合混合燃气的应用。因此，从应用的角度来说，填埋场沼气净化后，经过净化后，添加适量的丙烷作为车用压缩天然气是当前最为合适的填埋气沼气应用方法。

    3.5 对比组燃气经济性分析

    从经济性方面考虑，当前天然气（甲烷）主要用于燃气和化工需求，价格随季节变化较大，每吨为三千至四千元左右。丙烷的主要用于车用燃料、部分用于化工原料等，价格较为稳定每吨为四千元左右。乙烷由于在工业生产、化工等方面的用途较广，是当前世界主要的化工原料之一，每吨在八千元左右。而车用压缩天然气每吨价格为三千五百元左右。而沼气净化成本基本在1.1-1.8元/m3左右，约一千五百元左右。因此，从经济方面考虑，直接将沼气净化生产车用压缩天然气有很大的优势。

    3.6 对比组燃气作为压缩车用天然气应用分析

    通过对模拟对比组在辛烷值、热值和使用性能等角度的分析发现，垃圾填埋场沼气，非常适合生产车用压缩天然气，具有很强的使用性。此外，垃圾填埋场沼气通过净化后，添加适量的丙烷或者乙烷等，可以有效提升燃气的各项指标性能。

    4 结论

    论文首先，从环保、经济性等多个角度分析了当前垃圾填埋场的发展现状和垃圾填埋场沼气处理的意义。其次，论文通过对垃圾填埋场生产沼气的规律进行探索分析，发现在我国垃圾填埋场生产沼气具有很大的潜力，并且通过对垃圾填埋场沼气常见位置、生产效率、沼气组分进行动态分析，发现垃圾填埋场生产车用压缩天然气，能有机结合供求关系，具有很强的可行性。然后，论文对垃圾填埋场沼气生产燃气的方法进行了分析，根据沼气处理方法设置多组对比燃气参照组。并从车用压缩天然气的主要使用性能中的辛烷值、热值、使用性能和经济性能等多方面进行研究和分析。最后，论文得出结论，垃圾填埋场沼气通过净化后添加部分丙烷作为车用压缩天然气可获得最佳的经济、使用性能。

    参考文献：

    [1]陈一帆，魏雅男，唐弓斌，胡雄风，康克，黄福川.垃圾填埋场沼气脱氮净化工艺的研究[J].现代化工，2017（11）.

    [2]李霞，顾建良，杨安辉.垃圾填埋场气体的收集与处理[J].煤气与热力，1998（02）：7-9+20.

    [3]李磊，袁光钰.中国城市生活垃圾处理现状及展望[J].世界环境，2017（06）：24-27.

    [4]高长明.遍布全世界的100多万个垃圾（填埋）场隐患令人担忧[J].中国建材，2019（09）：92-93.

    [5]唐弓斌，陈一帆，肖锋，张姗姗，唐彩珍，黄福川.餐厨垃圾厌氧产氢净化工艺研究[J].现代化工，2017（03）.

    [6]张岩，王月，李晓雪，韩超.T市生活垃圾处理的成本分析[J].环保科技，2019，25（02）：56-60+64.

    [7]石磊，赵由才，唐圣钧.垃圾填埋沼气的收集、净化与利用综述[J].中国沼气，2004（01）：14-1.

    [8]陈一帆，魏雅男，唐弓斌，黄福川.基于模糊层次法的沼气净化工艺优化的研究[J].可再生能源，2017，35（10）：1423-1430.

    [9]赵胜男.垃圾填埋气发电CDM方法学应用研究[D].河北工程大学，2009.

    [10]段丽.垃圾填埋场沼气处理及发电技术[J].云南电力技术，2015，43（S2）：62-63.

    [11]谢泓丘.基于西门子S7-1500PLC沼气净化控制系统的设计与实现[D].西南科技大学，2019.

    [12]张佳心，谈伟平.甲烷/丙烷混合燃料层流火焰传播速度实验测定[J].内燃机学报，1991（02）：191-193.

    [13]陈叔平，高慧毅，陈秋雄，温永刚，姚淑婷，金树峰，焦纪强.结构参数对液态甲烷-丙烷喷射混合器混合特性的影响[J].低温工程，2018（04）：49-56.

    基金项目：广西高校中青年教师基础能力提升项目（项目编号：2019KY1341），广西交通职业技术学院教学改革立项项目（项目编号：JZY2019B08），广西高校中青年教师基础能力提升项目（项目编号：2020KY34006）

    作者简介：陈一帆（1991—），男，硕士，主要从事能源利用等方面的研究。

    *通讯作者：林明松（1983—），男，博士，副教授，研究方向：汽车运用等方面的研究。