一种垃圾填埋场用竖井分布及运行优化设计方法.pdf

本发明公开了一种垃圾填埋场用竖井分布及运行优化设计方法，包括以下步骤：确定竖井所在库区的基本参数；测定库区垃圾堆体的渗透率及产气速率；运用第一优化设计法计算出不同抽气强度、打孔段长度及渗透率对应的单个竖井的流量值；根据流量数据库，运用第二优化设计法，确定多个竖井最优的井间距、打孔段长度及抽气强度；进行竖井施工，按最优的抽气强度运行多个竖井。该方法以竖井收集量的最大化为目标，开展多个竖井收集量的预测，给出多个竖井协同运行的最优化方案，通过优化抽气井的分布和运行状态，增强了竖井对填埋场库区内沼气的控制和收集，有效提高了收集系统的收集效率，为提高填埋场沼气发电工程的运行效能提供了技术支持。

权利要求书
1.  一种垃圾填埋场用竖井分布及运行优化设计方法，其特征在于，包 括以下步骤：
S1：确定竖井所在库区的基本参数；
S2：测定所述库区垃圾堆体的渗透率及产气速率；
S3：根据所述基本参数、渗透率及产气速率，运用第一优化设计法， 计算单个所述竖井的气体压力值，同时，计算出不同抽气强度、打孔段长 度及所述渗透率对应的单个所述竖井的流量值，并建立流量数据库；
S4：根据所述流量数据库，运用第二优化设计法，确定所述多个竖井 最优的井间距、打孔段长度及抽气强度；
S5：根据所述多个竖井最优的井间距及打孔段长度进行填埋场竖井施 工，根据所述最优的抽气强度运行所述多个竖井。

2.  如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：
所述步骤S1中所述库区的基本参数通过库区所填的垃圾资料和入库 资料确定；所述基本参数包括：所述库区深度、垃圾填埋龄。

3.  如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：
所述步骤S2中的渗透率通过抽气试验确定，产气速率通过气体压力 监测试验确定。

4.  如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：
所述步骤S3中的所述第一优化设计法包括：
根据渗透率及产气速率，运用沼气迁移连续性方程确定气体压力值； 所述沼气迁移连续性方程为：其中，p为气体压力； k为垃圾堆体的渗透率；ε为常数；μ为混合气体运动粘滞系数；Qg为产 气速率；
运用单个竖井流量计算公式确定单个竖井运行过程中流量的变化范 围；其中，所述单个竖井流量计算公式为：Qw为竖 井流量，单位m3/h；μ为混合气体运动粘滞系数，单位为Pa·s；Rw为竖 井半径，单位m；p为所述气体压力，单位Pa；Pw为抽气强度值，单位为 Pa；h为打孔段长度，单位m；Ri为竖井影响半径，单位m；
运用所述沼气迁移连续性方程计算出对应的所述气体压力p；通过计 算得到的所述气体压力p、设定不同的渗透率k值、打孔段长度值h及抽气 强度值Pw，运用所述单个竖井流量计算公式计算出对应的竖井流量值Qw。

5.  如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：
所述步骤S4中的所述第二优化设计法为：以所述渗透率值、打孔段 长度值、抽气强度值和竖井流量值为优化输入变量，以竖井流量与井间距 关系式、井间距合理作用范围关系式、竖井流量关系式为约束条件，以竖 井流量总和最大化为目标，获得所述多个竖井同时运行条件下的最优井间 距、打孔段长度和抽气强度；
其中，所述竖井流量与井间距关系为：Q'w为 多个竖井同时抽气条件下的单井气体流量，单位m3/h；μ为混合气体运动 粘滞系数，单位Pa·s；L为井间距，单位m；Rw为竖井半径，单位m；p 为所述气体压力，单位Pa；Pw为抽气强度，单位Pa；h为打孔段长度，单 位m；
所述井间距合理作用范围关系式为：其中，H为库区 深度，单位为m；
所述竖井流量关系式为：其中，Qg为竖井覆盖 区域的产气量，单位m3/h；Q′wj为第j口竖井的流量，单位m3/h；n为竖井 数量总和；QMAX为竖井流量总和，单位m3/h。

说明书一种垃圾填埋场用竖井分布及运行优化设计方法
技术领域
本发明涉及垃圾填埋场污染防控技术领域，特别涉及一种垃圾填埋场 用竖井分布及运行优化设计方法。
背景技术
垃圾填埋场气体收集系统一般可分为横向气管收集系统和竖井收集系 统两大类。目前，国内运营开发的垃圾填埋场气井收集系统，大多以《生 活垃圾卫生填埋技术规范》(CJJ17－2004)为依据，规定填埋气体导排设 施宜采用竖井(管)，也可采用横管(沟)或横竖相连的导排设施。在竖 井的设置中规定，竖井可采用穿孔居中的石笼，穿孔管外宜用级配石料等 状物填充，竖井的井间距通常设置为45～50m，而对于竖井设置深度等未 作相关说明。当填埋深度大于20m采用主动导气时，宜设置横管。该方法 对于垃圾填埋场沼气安全控制起到了一定的防治作用，但沼气的收集和控 制效果并不理想，通常收集效率仅为25～40％。同时，不同地域生活垃圾 的组成成分存在较大差别，导致填埋场库区内沼气产出规律各不相同，垃 圾填埋场设计建设的内部结构和所在地区的环境条件也存在较大的差异 性，进一步加剧了沼气产出的不确定性，同时也导致了竖井收集范围和运 行强度的不确定性。
现有技术中的竖井设计方案中，有从竖井结构的角度出发，提出了许 多设计方案，通过采用套筒固井的技术手段，借由套筒本身的自重和套筒 内沙砾的重量，避免了垃圾填埋场气体导排井出现变形、损坏等问题，有 效解决了气体的淤堵问题，保证了气体顺利导排及密封问题。但该方法只 单方面改变了竖井的设置，没有提出气井的分布方案，对于垃圾填埋场整 体气井的收集效率没有做出有效评估。还有，从工程技术参数的角度出发， 分析了抽气井抽气效率的具体影响因素，对抽气井的设计和优化起到一定 促进作用，但是，对工程技术参数的考虑不全面，没有分析填埋场库区内 堆体渗透率、产气能力、竖井打孔段和抽气强度等参数对抽气井抽气效率 的影响，对垃圾填埋场竖井的整体布局没有提出合理的优化手段。因此现 有技术中，在各地区各垃圾填埋场中沼气产出规律差异性较大的情况下， 还没有一种竖井设计方案能获得理想的收集效能。
发明内容
本发明通过提供一种垃圾填埋场用竖井分布及运行优化设计方法，解 决了现有技术中竖井设计方案未能对垃圾填埋场竖井整体布局提出合理的 优化手段，在各地区各垃圾填埋场中沼气产出规律差异性较大的情况下， 不能获得理想的收集效能的技术问题，实现了垃圾填埋场竖井整体布局的 合理优化，该竖井优化设计方法设计出的竖井，在不同地区不同垃圾填埋 场中沼气产出规律差异性较大的情况下，能获得理想的收集效能。
本发明提供的一种垃圾填埋场用竖井分布及运行优化设计方法，包括 以下步骤：
S1：确定竖井所在库区的基本参数；
S2：测定所述库区垃圾堆体的渗透率及产气速率；
S3：根据所述基本参数、渗透率及产气速率，运用第一优化设计法， 计算单个所述竖井的气体压力值，同时，计算出不同抽气强度、打孔段长 度及所述渗透率对应的单个所述竖井的流量值，并建立流量数据库；
S4：根据所述流量数据库，运用第二优化设计法，确定所述多个竖井 最优的井间距、打孔段长度及抽气强度；
S5：根据所述多个竖井最优的井间距及打孔段长度进行填埋场竖井施 工，根据所述最优的抽气强度运行所述多个竖井。
作为优选，所述步骤S1中所述库区的基本参数通过库区所填的垃圾 资料和入库资料确定；所述基本参数包括：所述库区深度、垃圾填埋龄。
作为优选，所述步骤S2中的渗透率通过抽气试验确定，产气速率通 过气体压力监测试验确定。
作为优选，所述步骤S3中的所述第一优化设计法包括：
根据渗透率及产气速率，运用沼气迁移连续性方程确定气体压力值； 所述沼气迁移连续性方程为：其中，p为气体压力； k为垃圾堆体的渗透率；ε为常数；μ为混合气体运动粘滞系数；Qg为产 气速率；
运用单个竖井流量计算公式确定单个竖井运行过程中流量的变化范 围；其中，所述单个竖井流量计算公式为：Qw为竖 井流量，单位m3/h；μ为混合气体运动粘滞系数，单位为Pa·s；Rw为竖 井半径，单位m；p为所述气体压力，单位Pa；Pw为抽气强度值，单位为 Pa；h为打孔段长度，单位m；Ri为竖井影响半径，单位m；
运用所述沼气迁移连续性方程计算出对应的所述气体压力p；通过计 算得到的所述气体压力p、设定不同的渗透率k值、打孔段长度值h及抽气 强度值Pw，运用所述单个竖井流量计算公式计算出对应的竖井流量值Qw。
作为优选，所述步骤S4中的所述第二优化设计法为：以所述渗透率 值、打孔段长度值、抽气强度值和竖井流量值为优化输入变量，以竖井流 量与井间距关系式、井间距合理作用范围关系式、竖井流量关系式为约束 条件，以竖井流量总和最大化为目标，获得所述多个竖井同时运行条件下 的最优井间距、打孔段长度和抽气强度；
其中，所述竖井流量与井间距关系为：Q'w为 多个竖井同时抽气条件下的单井气体流量，单位m3/h；μ为混合气体运动 粘滞系数，单位Pa·s；L为井间距，单位m；Rw为竖井半径，单位m；p 为所述气体压力，单位Pa；Pw为抽气强度，单位Pa；h为打孔段长度，单 位m；
所述井间距合理作用范围关系式为：其中，H为库区 深度，单位为m；
所述竖井流量关系式为：其中，Qg为竖井覆盖 区域的产气量，单位m3/h；Q′wj为第j口竖井的流量，单位m3/h；n为竖井 数量总和；QMAX为竖井流量总和，单位m3/h。
本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果：
通过上述竖井分布及运行优化设计方法，求取获得了最优的抽气强度 值、井间距值及打孔段长度值，节省了设计时间。多个竖井运行优化设计 可根据具体的填埋场库区工况进行设计，工程应用具有更好的适应性和灵 活性。多个竖井运行优化设计基于收集效能最优原则进行的，通过控制抽 气强度、井间距、打孔长度来实现竖井收集效能的最大化，避免了过度抽 气造成的工期延误，简化了工艺并保证了竖井收集的持续运行。该优化设 计方法不仅解决了竖井收集气体效率低、竖井分布布置混乱问题，而且还 节约了大量人力、物力、财力。将该优化设计方法运用在不同地区的不同 垃圾填埋场中，设计出的竖井能获得理想的收集效能，显著提高了垃圾填 埋场沼气收集效率，增加了沼气发电工程的经济效益，很好的适应了垃圾 填埋场沼气发电的需求。
附图说明
图1为本申请提供的竖井分布及运行优化设计方法的流程图。
图2为本申请实施例提供的竖井结构示意图。
图3为本申请实施例提供的竖井井间距分布示意图。
图4为本申请实施例提供的填埋区平面图。
具体实施方式
参见附图1，本申请实施例提供的一种垃圾填埋场用竖井分布及运行 优化设计方法，包括以下步骤：
S1：确定竖井所在库区的基本参数。
S2：测定库区垃圾堆体的渗透率及产气速率。
S3：根据基本参数、渗透率及产气速率，运用第一优化设计法，计算 单个所述竖井的气体压力值，同时，计算出不同抽气强度、打孔段长度及 渗透率对应的单个所述竖井的流量值，并建立流量数据库。
S4：根据流量数据库，运用第二优化设计法，确定多个竖井最优的井 间距、打孔段长度及抽气强度。
S5：根据多个竖井最优的井间距及打孔段长度进行填埋场竖井施工， 根据最优的抽气强度运行多个竖井，并对多个竖井的沼气收集量进行监测， 验证所述优化方法对于提高沼气收集量的有效性。
进一步的，步骤S1中库区的基本参数通过库区所填的垃圾资料和入 库资料确定；基本参数包括：库区深度、垃圾填埋龄。步骤S2中的渗透 率通过抽气试验确定，产气速率通过气体压力监测试验确定。
进一步的，步骤S3中的第一优化设计法包括：根据渗透率及产气速 率，运用沼气迁移连续性方程确定气体压力值；沼气迁移连续性方程为： 其中，p为气体压力；k为垃圾堆体的渗透率；ε为 常数；μ为混合气体运动粘滞系数；Qg为产气速率。
运用单个竖井流量计算公式确定单个竖井运行过程中流量的变化范 围；其中，其中，Qw为竖井流量，单位m3/h；μ为 混合气体运动粘滞系数，单位为Pa·s；Rw为竖井半径，单位m；p为所 述气体压力值，单位Pa；Pw为抽气强度值，单位为Pa；h为打孔段长度， 单位m；Ri为竖井影响半径，单位m。
运用沼气迁移连续性方程计算出对应的气体压力p；通过设定不同的 渗透率k值、打孔段长度值h及抽气强度值Pw，运用单个竖井流量计算公式 计算出对应的竖井流量值Qw，继而将所有渗透率k值、打孔段长度值h及抽 气强度值Pw与对应的竖井流量值Qw统计后建立流量数据库。
进一步的，步骤S4中的第二优化设计法为：以渗透率值、打孔段长 度值、抽气强度值和竖井流量值为优化输入变量，以竖井流量与井间距关 系式、井间距合理作用范围关系式、竖井流量关系式为约束条件，以竖井 流量总和最大化为目标，获得多个竖井同时运行条件下的最优井间距、打 孔段长度和抽气强度；其中，能将多个竖井中的渗透率k值、打孔段长度 值h及抽气强度值Pw与对应的竖井流量值Qw统计形成多个竖井的流量数据 库。
其中，竖井流量与井间距关系为：Q'w为多个 竖井同时抽气条件下的单井气体流量，单位m3/h；μ为混合气体运动粘滞 系数，单位Pa·s；L为井间距，单位m；Rw为竖井半径，单位m；p为所 述气体压力值，单位Pa；Pw为抽气强度值，单位Pa；h为打孔段长度，单 位m。
所述井间距合理作用范围关系式为：其中，H为库区 深度，单位为m。
所述竖井流量关系式为：其中，Qg为竖井覆盖 区域的产气量，单位m3/h；Q′wj为第j口竖井的流量，单位m3/h；n为竖井 数量总和；QMAX为竖井流量总和，单位m3/h。
下面通过具体实施例对本申请的技术方案进行详细说明：
以某具体垃圾填埋场沼气收集竖井设计为例，详细说明本发明的一种 垃圾填埋场用竖井分布及运行优化设计方法。
具体的填埋场概况：该填埋场位于湖北省武汉市，库区为第4填埋区， 日处理垃圾约2000吨，占地面积约为2.75×104m2。经现场调研资料显示 该库区的基本参数为：垃圾填埋龄为1.3年，平均填埋深度23.8m，竖井密 封段为1m，填埋区域平面图如图4所示。竖井结构示意图参见附图2，竖 井密封段、打孔段长度及抽气阀门位置的抽气强度关系到竖井的气体收集 能力，因此，合理设计打孔段长度及抽气强度能显著提高竖井的收集效能。
通过现场抽气试验，测试得到该区域堆体渗透率从1.05×10-13m2到
2.3×10-11m2。通过现场气体压力监测试验，得到垃圾堆体产气速率为
8.15×10-4m3/(m3/h)——即每小时每立方米垃圾产生8.15×10-4立方米的沼
气。
以第4填埋区的基本参数为基础，分别计算不同抽气强度、不同打孔 段长度和不同渗透率条件下单个竖井运行过程中的竖井流量，将所有渗透 率k值、打孔段长度值h及抽气强度值Pw与对应的竖井流量值Qw统计后建 立流量数据库，见表1。
表1
样本数值 1 2 3 … S-2 S-1 S … 渗透率k(10-12m2) 1.5 2 2.5 … 1.5 2 2.5 … 打孔段长度h 6 6 6 … 10 10 10 …
抽气强度Pw -0.5 -0.5 -0.5 … -1 -1 -1 … 竖井流量Qw 13.2 15.1 17.3 … 20.5 22.3 24.4 …
参见附图4，采用BP神经网络对多个竖井流量进行优化建模，模型中 以渗透率、打孔长度、抽气强度和流量为优化输入变量，以井间距、打孔 段长度和抽气强度为优化输出变量，以竖井流量与井间距关系、井间距合 理作用范围(其中竖井井间距示意图见附图3)、竖井流量小于库区沼气 产出量为约束条件，以竖井流量最大化为目标，得到多个竖井同时运行条 件下的最优竖井井间距、打孔段长度和抽气强度。将多个竖井中的渗透率k 值、打孔段长度值h及抽气强度值Pw与对应的竖井流量值Q′w统计形成流量 数据库，见表2。
表2
样本数值 1 2 3 … S-2 S-1 S … 渗透率k(10-12m2) 1.0 1.0 1.0 … 9.0 9.0 9.0 … 打孔段长度h 4 4 4 … 16 16 16 … 抽气强度Pw -0.5 -0.5 -0.5 … -1 -1 -1 … 竖井流量Q′w 14.5 15.7 17.1 … 32.4 34.5 35.9 …
优化结果满足约束条件和优化目标后，得到最优条件下多个竖井的井 间距L、打孔段长度h分别为：34.5m，13.8m。抽气强度Pw(前两年)：-1.83kPa (第一年)，-1.31kPa(第二年)。根据优化结果中的多个竖井的最优井 间距34.5m、最优打孔段长度13.8m，在上述填埋库区进行竖井施工，根 据优化结果中的最优抽气强度Qw运行竖井系统，对竖井系统的流量进行监 测。监测结果表明：实际收集量与库区沼气产出量比值在前2年达到84.9％ 和87.0％，这表明运用该优化设计方法设计的竖井系统的收集效率明显高 于目前国内其他库区的收集效率。
本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果：
通过上述竖井分布及运行优化设计方法，求取获得了最优的抽气强度 值、井间距值及打孔段长度值，节省了设计时间。多个竖井运行优化设计 可根据具体的填埋场库区工况进行设计，工程应用具有更好的适应性和灵 活性。多个竖井运行优化设计基于收集效能最优原则进行的，通过控制抽 气强度、井间距、打孔长度来实现竖井收集效能的最大化，避免了过度抽 气造成的工期延误，简化了工艺并保证了竖井收集的持续运行。该优化设 计方法不仅解决了竖井收集气体效率低、竖井分布布置混乱问题，而且还 节约了大量人力、物力、财力。将该优化设计方法运用在不同地区的不同 垃圾填埋场中，设计出的竖井能获得理想的收集效能，显著提高了垃圾填 埋场沼气收集效率，增加了沼气发电工程的经济效益，很好的适应了垃圾 填埋场沼气发电的需求。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进 行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方 式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任 何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。