填埋气体渗流与温度耦合数值模拟研究

论文摘要

随着城市生活垃圾的日益增多,由垃圾填埋气体(Landfill Gas,简称LFG)引发的安全隐患和环境问题得到了社会各界的广泛关注,且LFG的资源化利用已成为近年来国内外学者研究的热点和焦点问题。LFG在填埋场内的产生及运移是一个极其复杂的动力学过程,温度是影响填埋气体和运移过程中不可忽略的重要因素,填埋气体流动系统的描述和流动机制的定量化是把握气体污染治理和资源化利用的一个重要环节,数值模拟为其治理方案的确定和资源化评价提供重要的技术指导。为此,本文提出了将垃圾填埋场视为非温度介质的构想,并考虑LFG运移过程中的能量传输和相互影响,实现了LFG运移和能量传输的数学建模和数值模拟,为LFG的污染控制和资源化利用提供了理论依据和技术支持。主要成果包括以下几个方面:(1)以多孔介质气体渗流和传热学理论为基础,建立了描述LFG在填埋场内迁移释放和能量运移的渗透温度耦合数学模型;(2)采用Galerkin有限元法给出了耦合数学模型的数值格式,并通过一维情况下的模拟验证了模型对填埋场气体和温度动态变化的估计和预测的可靠性;(3)在二维情况下,采用耦合的动力学模型对填埋气体在填埋场内及其邻近地质层中运移以及该过程中的能量释放和传输情况进行了模拟,模拟结果表明:1)气体压力在填埋场内逐渐增大并趋于平稳,填埋气体逐渐产生,产量也逐渐增大,进而导致了气体压力的增加,而有机物的不断消耗使得在中后期气压趋稳。2)随着时间的推移,填埋场内的气体开始不断向周边地质层运动,这使得周边地质层中的气体压力亦开始上升,在周边地层中,气压上升的波及范围越来越广,从地质层左侧的边缘波及到地质层的中部;3)填埋场区域温度随着时间的推移,呈增长趋势,由于是假设填埋场内各点都有热量产生,所以在填埋场的主要区域,温度是相对一致的,只是在靠近底部和顶部的区域,温度值有一定的波动。而在周边地质层中,温度变化并不明显。(4)利用耦合数学模型对单井抽气状态下气压和温度分布变化进行模拟,由模拟结果可以得出:1)随着时间的推移,填埋场内部的压力逐渐上升,由于井口处始终保持主动抽气,故井口处压力保持在低位运行,所以形成了填埋气体在空间上由井口向填埋场内部逐渐增大的分布趋势;2)井口处,随着时间的推移,温度有明显的上升,而且其与填埋场内温度的差值也逐渐加大(自20oC升高到60 oC)。这说明填埋气体在向井口运移的过程中,亦携带着一定的能量向井口集聚,随导致井口处垃圾区域的温度的上升。以上研究成果可为填埋场的填埋气体的减排控制及环境影响评价提供技术支持,同时可为填埋场内部的热力性能指标的确定提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究的目的和意义
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 填埋场内气体释放传输的动力学机理研究
• 2.1 填埋场
• 2.1.1 填埋处置
• 2.1.2 垃圾组成
• 2.1.3 环境影响
• 2.2 填埋场内垃圾的降解过程
• 2.2.1 化学反应
• 2.2.2 生物过程
• 2.2.3 物理过程
• 2.3 填埋气体
• 2.3.1 气体组成
• 2.3.2 产气潜力
• 2.3.3 产气速率
• 2.4 本章小结
• 第3章 填埋气体温度－渗流耦合数学模型的建立
• 3.1 前言
• 3.2 耦合模型的建立
• 3.2.1 填埋场内的运移过程研究
• 3.2.1.1 垃圾多孔介质
• 3.2.1.2 渗透率
• 3.2.1.3 对流运动的达西方程
• 3.2.1.4 扩散流动
• 3.2.1.5 热流动
• 3.2.1.6 气体运移
• 3.2.2 模型的假设条件
• 3.2.3 填埋气体产生及迁移的控制方程
• 3.2.4 温度控制方程
• 3.2.5 模型定解条件
• 3.3 模型的数值求解
• 3.3.1 Galerkin 有限单元法
• 3.3.2 耦合模型数值解
• 3.4 本章小结
• 第4章 填埋气体运移的温度－渗流耦合数值模型的应用
• 4.1 一维垃圾柱的数值模拟及模型验证
• 4.2 填埋气体及热量迁移的数值模拟
• 4.3 单井抽气状态下气压及温度分布模拟
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果