垃圾填埋氣凈化利用集成系統工藝研究

王國棟， 仉志強， 李有森， 馬寧元

(大連舉揚科技股份有限公司， 遼寧 大連 116085)

垃圾填埋氣凈化利用集成系統工藝研究

王國棟， 仉志強， 李有森， 馬寧元

(大連舉揚科技股份有限公司， 遼寧 大連 116085)

垃圾填埋氣的凈化利用是一項經濟可行且對環境有益的技術。文章對城市生活垃圾填埋氣中甲烷、硫化氫、二氧化碳、氧氣的分離和液化提純技術進行了詳細介紹，重點設計了一種將填埋氣提純液化為車用燃氣的工藝，最大程度實現垃圾填埋氣資源的利用價值，為我國發展循環經濟道路提供實踐參考。

垃圾填埋氣； 凈化利用； 工藝研究

隨著城市化建設進程加快，生活垃圾與日俱增。2013年全國2000多座垃圾填埋場年接收生活垃圾1.7億t左右，歷年堆存量達60多億t，預計城市垃圾產量還將以8%～10%的速度遞增[1]。國內外對垃圾的處理技術方法主要有焚燒、堆肥和衛生填埋。垃圾焚燒因其潛在的二次污染(如產生二噁英)而遭到公眾的質疑，加之全民對垃圾分類處置意識淡薄及肥效低、產品出路不佳及長期使用易造成地下水質變壞等因素，堆肥處理也難以推行。衛生填埋具有投資省、處理費用低等優點，是我國城市生活垃圾處理的主要方式和最終手段[2]，在國內無害化處理率已達到89.3%。

垃圾填埋氣(LFG) 是衛生填埋場內有機物與微生物反應的降解產物[3],除主要含有甲烷和二氧化碳外,還有少量硫化物、氧氣、氮氣及總量低于1%的烷烴、環烷烴、芳烴及鹵代化合物等揮發性有機物(VOCs)[4]。資料表明[5-6],每噸含39%有機物的生活垃圾大約可產生90 m3的填埋氣，微量氣體的年排放總量達10 t[7]。 這些氣體無控制的遷移和聚積，如果只填埋不收集利用，會引起爆炸和火災，持續釋放溫室氣體并散發惡臭，污染大氣環境。

筆者通過廣泛收集國內外關于填埋氣純化技術資料，針對遼寧某生活垃圾處理廠氣源特征進行分析，制定出一套先進、新穎、實用的填埋氣凈化提純甲烷氣工藝技術和方案，實現低值產品(填埋沼氣)高值利用(車用燃氣)，促進垃圾填埋氣凈化提純裝置的推廣與應用，提高垃圾填埋氣資源的綜合利用率。

1 垃圾填埋氣的組成

垃圾填埋氣的成分復雜，并隨著垃圾的組成和特性、填埋地區的水文地質、填埋年限及壓實程度等因素而發生變化[8]，該垃圾處理廠年處理垃圾1500 t，日產氣量約10000 Nm3,垃圾填埋氣組成如表1所示。

表1 垃圾填埋氣組成

從表1中可以看出，填埋氣中惰性氣體CO2(22%～38%)和N2(13%～15%)與可燃氣體CH4(41%～56%)的含量相當，這些氣體的存在不僅降低了氣體的能量密度、熱值，同時增加了甲烷氣體壓縮液化能耗；微量酸性氣體如硫化物類(以H2S形式存在為主)和鹵代物類以及硫醚硫醇等VOCs，雖然含量極低，但種類多,成分復雜。它們主要來源于垃圾中油漆、洗滌劑、空氣清新劑、日化產品等化學物質的殘余揮發和生物降解，因毒性大、易腐蝕設備管道等特點，決定了其處理技術在整個凈化利用工藝中占有重要地位，其凈化程度的高低決定了填埋氣的最終利用。

2 垃圾填埋氣凈化利用工藝流程及系統組成

2.1 工藝流程框圖

填埋氣的用途不同，其凈化要求以及處理工藝也不同[9]。填埋氣自垃圾填埋場內自然厭氧發酵生成，通過在垃圾場區安裝豎井、橫井，將無組織排放的垃圾填埋氣由管道收集至垃圾場區外，進行凈化利用。

該填埋氣凈化提純甲烷氣工藝方案主要通過預處理系統、催化脫氧系統、脫酸氣系統、干燥凈化系統和脫氮液化系統5個處理模塊組成，完成填埋氣的提純和凈化，由于國內目前還沒有針對填埋沼氣來源的車用液化天然氣的標準，主要參考GB 20368-2012《液化天然氣LNG生產、儲存和裝運》和GB 18047-2000《車用壓縮天然氣》。具體凈化提純甲烷工藝流程如圖1所示。

圖1 垃圾填埋氣凈化回收甲烷工藝流程框圖

2.2 工藝系統說明

2.2.1 預處理系統

考慮填埋氣是在中高溫、壓力較低條件下經厭氧發酵生成，往往攜帶大量水汽，在氣體輸送過程中為避免因溫度和壓力的變化露點降低，水蒸氣冷凝集聚造成壓力不穩和管道堵塞，增加填埋氣在管路中流動的阻力，因此，填埋氣經由集氣主管經截止閥匯入儲氣罐前，首先經除沫過濾器和淺冷凝器(-4℃～-10℃)，使氣源中的水汽、高沸點物質、粉塵等截留下來，保證雜質含量≤30 mg·m-3，雜質粒度≤5 um，然后通過壓縮機將填埋氣增壓至0.6～0.9 MPa，以8～20 m·s-1的氣速輸送推動，進入催化脫氧系統。

2.2.2 催化脫氧系統

填埋氣組成如表1，其中含有0.5～5%的氧氣組分，為避免脫氮液化過程氧氣富集存在可能進入爆炸極限范圍的風險，必須予以脫除。

目前脫氧方法主要有甲烷催化燃燒脫氧、非催化燃燒脫氧和光催化燃燒脫氧。甲烷催化燃燒由于不需要引入外源物質，直接利用填埋氣中的甲烷進行催化燃燒，可減少配套工程，因此，甲烷催化燃燒備受青睞[10]。用于填埋氣脫氧的裝置，主要是將高轉化率的催化氧化精脫氧設備與高效能的能量回收設備組合，通過電加熱器將填埋氣溫度升高到200℃～350℃以上，保證填埋氣脫氧的初始反應溫度和催化劑的啟活溫度。填埋氣中的氧氣和甲烷被這些大量微孔吸附，同時在貴金屬活性中心作用下，通過甲烷與氧氣的反應來脫除原料氣中的氧氣，即：CH4+2O2=CO2+2H2O。該反應為放熱反應，通過脫氧反應的產品氣在換熱器內預熱脫氧反應的原料氣，從而可以實現反應熱的有效利用，經過換熱后產品氣經冷卻進入膜分離脫酸性氣系統。該工藝系統催化劑用量為0.1 m3，使用空速可達到5000 h-1。

該工藝系統中采用的高活性貴金屬催化劑，為耐硫鈀系催化劑，活性氧化鋁載體表面負載硫化后的貴金屬，形成成千上萬的貴金屬活性中心和發達活性孔道，具有很強的氧吸附和氧選擇性，在使用過程可以耐受1000～2000 ppm硫化物的影響。催化劑不需再生，可連續工作，運行過程能耗低、操作性強，用量少，脫氧效率高于99.99%，可將填埋氣中氧氣脫除至1 ppm以下，滿足填埋氣制車用燃氣的標準要求。

2.2.3 脫酸氣系統

填埋氣中的H2S和CO2等酸性氣體遇水會造成設備和管道腐蝕，加壓過程中，有可能還會出現CO2液化凝結問題，造成對壓縮機缸體的損害。因此，當填埋氣中酸性組分含量超過管輸氣或商品氣質量要求時，必須采用合適的方法脫除后方可使用。該工藝方案中采用高分子氣體分離復合膜對填埋氣中酸性組分的優先選擇滲透，完成對原料氣中H2S和CO2，以及催化氧化過程產生的CO2高效脫除。其中CO2和H2S等酸性組分經膜的選擇性篩分作用，比CH4和N2等優先透過膜，在膜的滲透側富集，膜的另一側即得到凈化的CH4和N2。膜的滲透側富集H2S可以用來制備硫磺，CO2作為氣體肥料或作為其它工業過程的制冷劑。具體分離原理如圖2。

該工藝方案采用兩組串聯高分子膜設備，單組膜數量為8支，兩組共16支，在0.9 MPa操作壓力下，經膜分離凈化后，H2S≤1 mg·m-3，CO2含量從40%左右降低到2%，然后降至50 ppm以下，達到車用燃氣的標準。凈化后原料氣進入干燥凈化系統。

圖2 氣相-氣相膜分離原理

2.2.4 干燥凈化系統

干燥凈化系統主要用來吸附脫除原料氣中攜帶的水分，防止H2O在低溫工藝過程中堵塞板翅換熱器。所以在工藝中增加了吸附床，床內置分子篩對氣體中殘余水分進行吸附脫除，氣體經過吸附床水分即刻就被吸附劑捕捉。此部分包括兩個吸附床，1個吸附1個再生，循環使用，保證系統的連續運行和干燥劑的長期效用。單床裝填吸附劑0.6 m3，可將水含量脫除至5 ppm以下，滿足車用燃氣及后工序對水含量的要求。

2.2.5 脫氮液化系統

經脫氧、脫酸氣、干燥凈化后的產品氣，組成CH4(≮85%)余為N2。液化N2的臨界溫度為-147.18℃，CH4為-82.57℃，故本系統采用丙烷預冷CH4/N2膨脹循環制冷工藝液化分離CH4和N2氣體，液化后的CH4不僅利于降低儲存和運輸成本，也可以提高單位體積的燃值，用于車用燃料。

富甲烷氣經壓縮機加壓至4.0～5.0 MPa和中間冷卻后，得到高壓CH4/N2混合氣體，再進入丙烷換熱器預冷，經冷箱冷卻至-30℃～-45℃，然后通過膨脹機膨脹和經節流閥降壓降溫得到-90℃～-110℃的低溫氣體，最后進入氣液分離器，根據產品需求，分離器底部得到液態產品(LNG)，分離器頂部得到低溫低壓N2。低溫低壓N2按順序回到換熱器預冷進料氣，回收其部分冷能后排空。整個脫氮液化系統按年產1300 t車用燃氣設計，氮氣脫除率高于85%，燃氣熱值不低于35 MJ·kg-1，處理負荷滿足系統60%～110%波動，脫氮后的產品氣質量指標優于車用燃氣要求。

3 結語

目前垃圾填埋氣利用較為普遍的方式是燃燒發電，燃燒后的廢氣中含有大量的溫室氣體，會對大氣造成二次污染，從環保角度上講不可取。而將填埋氣提純液化或壓縮制備成CNG或LNG，可以提高單位體積垃圾填埋氣的能量密度，這樣就有可能提高填埋氣能源化利用的經濟性。但我國目前對填埋氣的能源化利用率并不高，主要原因在于一方面核心技術我國還不掌握需要引進，另一方面處理裝置體積龐大、系統復雜，需要大量的資金投入。利用國外先進技術和資金對我國的垃圾填埋氣進行能源化利用或許會成為近期內一個較為可行的方式。但是長遠來看，加大填埋氣利用的科研投入，掌握核心技術，探索新型能源化利用方式等顯得更為重要。

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[4] Allen M R, Braithwaite A, Hills C C, Trace organic compounds in landfill gas at seven UK waste disposal sites [J].Environmental Science Technology,1997,31:1054-1061.

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[10] 肖 婭,諸 林.含氧煤層氣脫氧提濃技術研究[J].化學工業,2013,31(4):31-34.

The Integrated System for Landfill Gas Purification and Utilization /

WANG Guo-dong, ZHANG Zhi-qiang, LI You-sen, MA Ning-yuan /

(Dalian Juyang Technology Co Ltd, Dalian 116085,China)

Purification and utilization of Landfill gas (LFG) was economically feasible and environment friendly. In this paper, the separation of hydrogen sulfide, carbon dioxide and oxygen from landfill gas and liquefaction for purified landfill gas were introduced. Moreover, the purified landfill gas was designed to be used as an alternative fuels for vehicles, which could realize the maximum value for landfill gas utilization

landfill gas (LFG)；purification and utilization；craft research

2016-03-23

項目來源： 大連市科技計劃項目(2014E11SF056)

王國棟(1982-)，男，工程師，碩士，主要從事有機廢氣污染控制及資源化技術的研究，E-mail:g_dwang@163.com 通信作者： 李有森， E-mail：li-yousen@163.com

S216.4

B

1000-1166(2017)03-0062-04