利用不同能源生成技术进行填埋气利用所面临的技术和经济挑战

《Fuel》：Technical and economic challenges for landfill gas utilization using different energy generation technologies

垃圾填埋气能源化利用技术经济比较研究，通过构建包含预处理、设备寿命、污染排放的综合分析模型，对比了往复式内燃机、微燃气轮机、固态氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池等技术的单位能源成本。研究以俄罗斯Timokhovo垃圾填埋场为实证案例，验证了甲烷浓度、污染物去除度等关键参数对技术经济指标的影响规律，并运用QGIS生成了全俄垃圾填埋气技术潜力分布图。

　　

Dmitrii A. Agarkov | Sophia V. Kiseleva | Vladimir P. Shakun | Alexey B. Tarasenko | Ekaterina V. Tsipis

俄罗斯科学院Osipyan固态物理研究所，2 Academician Osipyan街，Chernogolovka，莫斯科区142432

摘要

固体城市垃圾处理和废水处理是现代城市经济中的重要问题。填埋气既可被视为有害的空气污染物，也可作为有价值的燃料。然而，焚烧曾是防止甲烷和硫化氢释放到大气中的最普遍方法。本文从资本和运营成本、使用寿命、空气污染以及热电联产的可能性等方面，评估了包括内燃机和燃料电池在内的各种能源相关技术用于利用填埋气产生电力和热能的可行性。具体能源成本被用作技术比较的标准。计算方法涉及质量和能量平衡，包括填埋气的预处理。同时考虑了设备寿命结束后更换关键组件的费用以及空气污染物排放的支付问题。计算以俄罗斯莫斯科地区的Timokhovo填埋场为例进行了验证，该填埋场目前安装了五台2兆瓦的生物气活塞发动机。

引言

随着人口的增长，与城市固体废物填埋场产生的填埋气和污水处理厂产生的污水气体相关的能源需求和环境问题也在不断增加[1]、[2]、[3]。这些气体由废物的有机部分在厌氧消化过程中产生，是位于大小居民区附近的可再生能源。经过8-10年的储存后，有机废物开始持续产生富含甲烷的填埋气，其中通常含有40-60体积%的CH₄和剩余的CO₂，以及少量的硫化氢、硅氧烷、卤化物、氨、挥发性有机化合物和其他污染物。由于填埋气和污水气体含有有毒成分且存在爆炸风险，必须对其进行收集和利用[4]。另一方面，这些气体可以被视为一种可再生的热能燃料[1]、[5]，其利用可以提高能源效率并减少甲烷排放，从而降低环境污染。

填埋气锅炉可以产生热能，而用于发电或热电联产（CHP）的设备包括往复式内燃机（RICE）、燃气轮机和微型涡轮机（MGT）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）[1]、[6]、[7]、[8]。前两种技术的效率较低。尽管如此，由于相对较低的资本成本，RICE仍是该领域最受欢迎的技术。然而，NO_x的生成和维护问题可能会成为一个挑战。MGT则可能具有更低的排放量、更低的维护成本和更好的移动性[9]。在高温（≥600°C）下运行的SOFC和MCFC具有高效率，并且可以使用氢气、一氧化碳和甲烷作为燃料而不会产生NO_x排放[7]、[10]、[11]、[12]、[13]。MCFC的另一个优势是能够捕获CO₂[14]。混合燃料电池-MGT系统可以实现更高的效率[15]。

所有上述技术都要求在使用前对填埋气或污水气体进行净化，特别是去除H₂S和硅氧烷等污染物。这些污染物会因腐蚀组件、形成磨蚀性固体相以及毒害燃料电池阳极而大幅缩短设备的使用寿命[6]、[7]、[16]、[17]。此外，燃料中某些污染物的存在可能导致有害化合物排放到大气中。净化过程和程度取决于具体的利用技术。对于燃料电池来说，需要最昂贵的预处理程序，而对于内燃机来说，这些成本较低[6]、[18]。

越来越多的文献报告致力于从理论建模到实验研究，涉及各种技术，包括使用生物气或生物质气化产物（例如[15]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]）驱动的热机和燃料电池。然而，目前仍缺乏对可用于从填埋气产生电力和热能的现有商业设备的比较分析。作为我们继续研究废物气体能源利用的研究[5]、[12]、[24]、[25]、[26]的一部分，本研究重点比较了现代能源技术（如RICE、MGT、SOFC和MCFC）在填埋场固定运行条件下的技术和经济潜力。结果通过一个固体废物填埋场案例进行了验证。

因此，本研究的主要目标是开发并验证一种比较各种能源生成技术的方法论，这些技术既包括成熟的热机，也包括现代燃料电池，以生物气作为燃料。早期的大多数研究通常只关注一两种技术，并采用高水平的实验或建模方法。

本研究关注的是填埋气利用领域中最流行的四种技术（RICE、MGT、SOFC和MCFC）的多因素分析，主要基于商业或示范项目的技术和经济参数。选择特定能源成本作为技术比较的指标，因为这些技术在优势和劣势方面存在显著差异。

使用模拟不同CH₄/CO₂比例的模型燃料气体进行的实验结果，评估了固体氧化物燃料电池（SOFC）的能源效率。该方法论通过一个实际运行的城市固体废物填埋场的数据进行了验证。进行了大量情景计算，以明确各种参数对特定能源成本的影响。本研究还重点确定了服务寿命和资本成本值，这些值可以提高燃料电池在填埋气利用方面的竞争力，相对于成熟的热机技术而言。从实际角度来看，本文还强调了填埋气能源项目中最重要的参数，这些参数对于项目的成功实施至关重要。

输入数据和估算技术

为了进行比较技术和经济分析以及评估填埋气的技术潜力，开发了一种计算方法，该方法考虑了影响RICE、SOFC、MGT和MCFC应用指标的多种因素（见图1）。

为了估算填埋气利用的工厂容量，假设燃料气体流量是恒定的，因为系统效率对总流量的敏感性较低（下文将讨论），或者假设存在这种情况

燃料组成、流量和电厂成本的影响

使用填埋气能源生产的计算方案来比较在不同俄罗斯地区应用的RICE、MGT、MCFC和SOFC技术。特定的电能和热能产出率由所采用的技术决定，并且随着填埋气中甲烷含量的增加而增加（见图2）。当甲烷含量为60体积%时，SOFC的最大可用电力输出为2.8千瓦时/立方米。

在基于SOFC的情况下

结论

提出了一种估算填埋气能源生产的技术和经济指标的方法，用于比较不同的现代技术，如往复式内燃机、燃气微型涡轮机、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。关键的计算参数包括填埋气中的甲烷含量、电能效率、去除污染物所需的特定能量以及热能转化为电能的比率

CRediT作者贡献声明

Dmitrii A. Agarkov：撰写、审稿与编辑、项目管理、研究。 Sophia V. Kiseleva：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、研究。 Vladimir P. Shakun：可视化、数据管理。 Alexey B. Tarasenko：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法论研究、概念化。 Ekaterina V. Tsipis：撰写、审稿与编辑、监督、研究、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢Azat U. Sharafutdinov在模拟SOFC效率方面提供的帮助。