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《辽宁工程技术大学》 2009年
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垃圾填埋气体热释放传输的动力学规律研究

刘磊  
【摘要】:垃圾填埋气体的灾变控制与资源化开发一直是国际岩土工程领域中的重要研究课题。如何有效地对垃圾填埋气体进行时效减排与灾变控制已成为国家能源与环境领域亟待解决的重大地质环境灾害问题,而定量描述填埋气体传输释放的内在机制与合理预测评价是解决这一难点的关键性科学问题之一。本文以多孔介质渗流力学、生物化学动力学、化学热动力学以及溶质运移动力学等多学科交叉理论为基础,以室内试验研究成果为依据,以数值仿真计算为主导,对垃圾填埋气体在多物理场耦合作用下的反应、传输及产生的内在机制进行了系统分析和定量预测评价,取得如下主要研究成果: (1)通过开展不同垃圾有机质含量条件下的垃圾降解产气试验,分析了不同组分垃圾的降解产气规律,实现了对垃圾潜在产气量的预测,开展了对降解反应系数k的测定,其中,第一产气阶段三组(垃圾组分分别为55%:30%:15%, 30%: 55%: 15%以及15%: 30%: 55%)垃圾的降解反应系数分别为0.0151、0.0079和0.00756( day-1),第二产气阶段三组垃圾的降解反应系数分别为0.0317、0.0181和0.0145(day-1),建立了不同组分含量垃圾的降解产气速率模型,并实现了对温度影响下产气反应系数的预测分析,建立不同组分垃圾的k (T)函数关系式,为预测温度作用下垃圾产气特性影响的定量化仿真预测提供了理论依据。 (2)以垃圾降解产气、运移及热释放耦合模型为基础,结合降解反应试验得到的降解反应系数以及潜在产气量,开展了填埋气体产出、运移及热释放特性的仿真预测研究,预测结果表明: 1)垃圾填埋场内部的温度受覆盖层影响不大。季节变化对靠近地表处的垃圾体温度影响较大,但影响范围有限,填埋深度约10m处的几乎没有波动。 2)垃圾渗透率的增大使气体流量增多,进而扩大了收集井的影响半径;不同扩散系数条件下,填埋场内气体扩散效应所引起的流量在径向相差较大,是导致影响半径改变的主要原因,且影响半径随扩散系数增大而减小;影响半径随易降解有机物含量的降低而扩大。以上模拟结果可为垃圾填埋场气井设计及LFG资源化利用的可行性评价提供依据。 (3)以武汉市二妃山垃圾填埋场填埋III区为背景,开展了填埋场整个运营期间填埋气体资源化利用的预测评价研究,结果表明: 1)气井收集的填埋气体总量受垃圾降解反应作用影响较大,当考虑生物降解伴随热释放条件下,气体的产出速率随温度的升高而增加,从而加速了垃圾有机质的分解;对填埋场运营期间产气速率、放热速率的预测分析也同样说明了考虑生物降解及热释放耦合效应条件可加速垃圾有机质降解反应的变化规律,为二妃山填埋场内甲烷气体回收利用的预测评价提供了基础数据; 2)采用耦合模型预测得到的二妃山垃圾填埋场填埋III区的沼气发电工程运营年限约为9.2年,比传统方法(不考虑降解放热耦合效应)的预测结果缩短了约4年时间。由此可知,采用传统方法过高的估计了垃圾填埋场的运营服役年限。因此,在评估填埋场内沼气收集再利用可行性的过程中,必须综合考虑垃圾降解过程中生物-化学-热耦合作用对填埋气体产出的影响。 以上研究成果不仅为合理揭示填埋气体的内在反应机理及传输机制提供理论依据,同时为定量预测和评价垃圾填埋场运营期间气体产能、CDM项目开发潜力的决策评估提供技术支持,具有重要理论意义和实际应用价值。
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