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热气机在垃圾填埋气燃烧发电方面的研究和应用

文档作者：朱辰元。薛飞。汪海贵文档来源：上海齐耀动力技术有限公司		点击数：	更新时间： 2022年11月19日
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第27卷第5期
2006年1O月
能源技术
ENERGY TECHNOLOGY
VoI．27 No．5
0Ct． 2006
热气机在垃圾填埋气燃烧发电方面
的研究和应用
朱辰元。薛飞。汪海贵
(上海齐耀动力技术有限公司，上海201203)
摘 要：城市垃圾填埋气中包含的温室气体甲烷以及其他有毒有害的气体不仅严重污染周围
大气和土壤，而且存在爆炸的隐患。热气机发电机组是一种能利用多种热源的热电转换装置，采用
气缸外燃烧，具有对可燃气体前处理要求低、耐腐蚀性强、维护成本较低等的优点，非常适合垃圾填
埋气的回收利用。虽然目前燃气热气机的产品价格较贵而且运行经验不足，但由于其运动部件较
内燃机少4O ，有很大的降价空间。2003年美国STM 公司首次推出50 kW 级商业版热气机发
电机组，开始应用于垃圾填埋气发电等领域。2005年上海齐耀动力技术有限公司引进了4台该机
组，应用于上海老港垃圾填埋场的垃圾填埋气发电，目前以两个单位联合营运的方式运行着。
关键词：垃圾填埋气；热气机；热气机发电机组
中图分类号：X382 文献标识码：B 文章编号：1005-7439(2006)05-0216-04
Development and Application of Stirling Engine
Generation in Use of Landfill Gas Combustion
ZHU Chen-yuan。XUE Fei。W ANG Hai—gui
(Shanghai Micropowers Ltd．。Shanghai 20 1 203。China)
1 垃圾填埋气的利用
城市垃圾对人类的环境和健康构成严重威胁，
焚烧发电由于成本较高而且会产生致癌物质二恶英
和NO 对环境构成二次污染，因此推广受到制约。
因此我国大部分地区仍以填埋、卫生填埋及堆放为
主，填埋处理占用了大量土地，处理不当还要造成环
境污染，垃圾处理的高昂费用也使政府财政压力倍
增。另一方面垃圾又是一种宝贵的再生资源，表1
为国内某城市垃圾的组成情况。
目前垃圾的利用方式[1]主要有：① 焚烧发电，
② 垃圾填埋发电，③ RDF燃料发电，④ MEET综
合发电，⑤ 污泥发电，⑥ 食品废渣垃圾发电等。城
市垃圾填埋后将产生填埋气，填埋气的主要成分有
CH ，CO。，N。和少量的O。，H。以及其他微量有害
气体如硫化氢等，其比例一般如图1所示。
· 2】6 ·
根据估计，城市垃圾填埋后每1 t干燥的垃圾
可产生3O～180 m。的甲烷，这是一种温室气体同时
又是一种易燃易爆气体；另外，城市垃圾填埋后所发
表1 国内某大型城市生活垃圾的组成／重量％
3％
■ 圜口CNHO 4
口O
图1 垃圾填埋气的主要成分比例情况
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朱辰元等：热气机在垃圾填埋气燃烧发电方面的研究和应用
生的生物反应和化学反应还会产生微量硫醇、氯乙
烯、甲苯、乙烷、氯甲烷和二甲苯等有毒气体。这些
填埋气通过填埋土和邻近的土壤无规则迁移，最终
进入大气，会对环境产生如下影响：
温室效应 CH 的温室效应是CO。的21倍，
一般认为大气中的CH 要对全球趋热的2O 负
责。
臭昧填埋气中的硫化氢和硫醇在极低浓度下
就能刺激人的感官，造成周围环境恶臭。
影响健康 填埋气中的氯乙烯和硫化氢等是有
毒的，特别是达到足够的浓度后，长期接触还可能致
癌。
爆炸如果场内或周围空间通风不良引起填埋
气积聚会造成安全隐患，当CH 在空气中的浓度达
到5 ----15％时，遇火即会爆炸。
植被影响 在被填埋气污染的土壤中植被的根
部会受到侵害导致植物枯萎死亡，农作物也可能受
到污染而不能食用。
因此回收垃圾填埋气用于发电不仅是实现我国
城市垃圾资源化的一个重要途径，而且还可有效减
少填埋场释放气体对环境造成的危害，有利”减排温
室气体”的全球环境目标的实现。
2 热气机利用垃圾填埋气进行发电的应用
热气机是一种闭式循环往复式外燃机，理论上
按斯特林循环工作[2]。与柴油机和蒸汽机等不同，
热气机的工作气体是封闭在机器内的，并在各腔室
间循环反复使用；运行时，燃烧在气缸外的燃烧室内
连续进行，可以避免目前常用的内燃机爆震做功和
短时间歇燃烧，从而实现高效率、低噪声和低排放的
运行，同时避免了腐蚀性可燃气体对气缸内零件的
损害，延长了运动件的寿命，缸内零件的维护工作量
要少于内燃机。虽然目前热气机机组的单机功率一
般在100 kW 以下，但可以通过灵活的多模块运营，
满足不同用户的需求。
燃气热气机发电机组与其他各类型发电机组相
比具有以下特点。
(1)环境保护优势
热气机的连续燃烧工作方式可以提高燃烧效
率，从而降低因不完全燃烧所产生的有害物，有害气
体的排放因此大幅降低。燃气热气机无需三元催化
和排气过滤，作为分布式发电，它的NO 排放小于
0．23 g／kWh(d',型内燃机组为8．63 g／kWh)，达到
2003年美国加州和德州的分布式电站的排放标准，
连续燃烧的方式还可以避免爆震做功造成的巨大噪
声，燃气热气机的裸机噪声在1 m处低于75 dB。
(2)对不稳定气体适应性强
采用内燃机的垃圾填埋气发电要求垃圾填埋气
的热值约为17．6 MJ／m。，垃圾填埋气体的甲烷含
量达到45 以上；当甲烷含量降低时，如果采用内
燃机机组开始出力将会降低甚至不能运行。然而热
气机的燃烧方式几乎等同于锅炉，因此对可燃气体
的组分有较大的适应性，甲烷含量在30 ～60
的填埋气都能高效地被利用。
(3)对气体前处理要求简单
图2表示了热气机发电机机组所用垃圾填埋气
的前处理系统。由于热气机对燃气的供应有一定的
压力要求，但填埋场的产气压力较低，因此进入热气
机前必须增压，不过这只需增加一台一定流量的鼓
风机即可。热气机采用外部燃烧方式对填埋气的组
分要求较低，不过由于填埋气中的杂质及水分可能
对燃料供应系统的控制阀造成堵塞及腐蚀，因此还
是需要进行简单的预处理，但与其他各种利用方式
相比费用还是最低的。例如采用燃气内燃机作为
1 Mw的垃圾填埋气发电项目，增设的气体压缩机
投资和安装费用约25万元，年运行费用约23万元。
表2是利用垃圾填埋气不同方式的费效比示意。可
以看到，热气机对垃圾填埋气的处理要求和锅炉相
当，但排放则很低，在运营上有一定的优势。
(4)较低的机组维护费用
由于热气机采用了气缸外燃烧的方式，防止和
隔绝了有害气体对发动机的活塞和气缸等做功部件
的污染，减少了机组维护工作和成本。例如对于
1 Mw的发电机组，若用大型沼气内燃机，维护成本
为0．15元／kwh，而用热气机仅为0．06元／kwh，
黯
壤
冷冻机
热交换器兰兰产
LI 机 身：鹾冷*却堡水 一裔高
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流量计
图2 填埋气前处理系统示意图
机
组
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全年的维护成本少74．9万元。
(5)模块化机组容量
燃气热气机的单机虽然容量小，但是机组可以
采用模块化设计，可根据项目规模配置多台单机，还
可以根据填埋场不断变化的产气量随时增减系统的
容量。图3和图4分别显示了国内典型垃圾填埋场
产气规律和机组发电容量之间的关系。
表2 垃圾填埋气利用方式的费效比比较
注：表中数值越小表明投资或使用费用等越低，费效比越高。
图3 大型机组利用垃圾填埋气发电示意图
间
问
图4 燃气热气机机组利用垃圾填埋气发电示意图
3 应用实例
2003年美国STM 公司开发的25kW 级热气机
已经在美国密歇根州的白湖垃圾填埋场(8台)和密
歇根州的Belleville圾填埋场(2台)试验运行，机组
· 218 ·
外观分别见图5和图6。除了运用于垃圾填埋场，
该公司开发的热气机还可用于污水处理场，废料焚
烧发电和生物沼气利用发电等，如图7一图1O所
示。
图5 White Lake垃圾填埋场的热气机
图6 Belleville圾填埋场的热气机
图7 美国Oregon州Corvallis污水
处理厂用25kW级热气机机组，2003年
建设、发展中的老港垃圾填埋场是目前国内规
模较大、设施较为先进、管理较为完善的城市生活垃
圾填埋场，承担了上海大部分城市垃圾的处理工作，
日处置垃圾能力为3 000 t，并进一步完善了垃圾卫
生填埋工艺。上海齐耀动力有限公司和老港垃圾填
埋场合作引进美国STM 公司4台5O kw 级热气机
发电机机组，建立了200 kW 级燃烧垃圾填埋气发
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朱辰元等：热气机在垃圾填埋气燃烧发电方面的研究和应用
图8 日本，富士山地区废兼焚化炉
用25kW 级热气机机组，2003年
图9 日本，北海道过期饮料焚化炉用
25kw 级热气机机组，2003年
图lO 日本，横滨养鸡场生物沼气用
5okW 级热气机机组，2005年
电的热电联供系统。该系统除了发电，还将机组产
生的热量引入污水处理池，加速污水的暴气处理过
程。该系统外景和50 kW 级热气机发电机组模块
如图11和图12所示。
4 小 结
目前一台50 kW 级热气机机组的价格为5．5
万美元左右，如加上进口关税，则一台机组的价格在
50万人民币左右，要比燃气内燃机稍贵，而且在使
用经验方面和柴油机发电机组相比也欠缺一点，毕
图ll 老港热气机垃圾填埋气发电项目外景
图l2 50 kW 级热气机发电机组CHP用模块
竟商业化热气机发电机组的历史才不到5年。但是
热气机的运动零部件比柴油机减少了近40 ，产品
应当有较大的降价空间。由于其具有持续的燃烧特
点，决定了热气机有很好的排放性能和较低的运行
噪声。相信在某些特殊场合，如垃圾填埋气发电，沼
气发电及高温工业废气发电方面，低热值可燃气体
燃烧发电方面，热气机有着一定的优势。目前国内
有超过1 000多座垃圾填埋场在运行，其中绝大部
分没有填埋气体回收利用装置，到2010年垃圾填埋
场的数量将达到2000座，填埋气体热值接近
15 000 MJ／m。，这样垃圾填埋场每年有1 100 Mw
的发电潜力(EPA估计)。另外，根据《京都议定书》
的内容，通过燃烧垃圾填埋气而减少了沼气的直接
排放，还可参与国际CO：和NO 贸易增加经济效益。
总之，通过积累更多的运行时间和运行经验，热
气机这一有古老历史但却具有现代技术特点的原动
机就能逐渐为现代社会所熟悉和接受，并在垃圾填
埋气的利用上发挥应有的作用。
参考文献：
[11 陆璐，王培红，钱谨，兰立君．生物质能发电技术
及应用[J1．能源技术，2005，(26增刊)：儿l—ll4．
[21 G．沃克，热气机[M]．上海：7ll研究所特种发动机
研究室，1982．
· 2】9 · om

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