一種垃圾填埋氣處理新工藝的應用

鄭建川，張崇海，馮良興，余秋蘭，王宏達，趙浩川，陶北平，陳 健

（1.昊華化工科技集團股份有限公司成都分公司，四川 成都 610225；2.西南化工研究設計院有限公司 工業排放氣國家重點實驗室，四川 成都 610225）

垃圾填埋氣是垃圾填埋物中的有機物在厭氧發酵過程中產生的氣體，其主要成分為CH4、CO2、N2，H2O等，還有140種以上的微量雜質[1]，其中最主要的成分CH4溫室效應的增溫潛能（GWP）相當于同質量CO2的21倍[2]，據估算，中國2009年垃圾填埋氣的CH4資源為53.4億m3[3]，并且還在逐年遞增，如果能將這些CH4回收利用起來，不但可以減少溫室氣體的排放，還可以作為燃料能源的補充。

對垃圾填埋氣的處理和利用，目前主要方法有：一是燃燒發電，二是凈化回收CH4用于城市燃氣或者生產CNG[4]。其中，根據產品用途，對填埋氣甲烷的回收有兩種方式：第一種是將填埋氣中的甲烷提濃到高濃度，作為天然氣去煤氣工廠轉化為城市煤氣；第二種是調節填埋氣的密度和熱值后直接送到城市煤氣管網。垃圾填埋氣的成分非常復雜，含有大量的VOCs、硅氧烷、H2S等，要回收CH4，首先需要對這些雜質進行處理，再脫除部分CO2以提濃CH4。

昊華化工科技集團股份有限公司成都分公司（原四川天一科技股份有限公司）曾于2007使用方式一，采用脫硫、冷凍、TSA（變溫吸附）、PSA（變壓吸附）聯合工藝，成功應用于香港東北新界填埋場；該裝置作為全球首套大規模垃圾填埋氣凈化回收CH4裝置，設計處理量達15000Nm3/h，成功地將填埋氣的CH4體積分數由～55%提高至＞92%，再送往香港中華煤氣的工廠生產城市煤氣。

香港東南新界填埋場的填埋氣的主要組成及香港城市煤氣熱值、密度要求見表1。由于香港地區的管網煤氣對熱值要求不高，填埋氣與其已經有些接近；故本次處理香港東南新界填埋場填埋氣的方式是第二種，即將填埋氣凈化后，調節到合適的熱值和密度，直接送入城市燃氣管網。

該新項目采用了脫硫、深冷脫烴脫水、PSACO2，PSA-N2聯合新工藝，一次性將填埋氣處理為合格的管網燃氣。

1 工藝原理與流程

1.1 工藝原理

從表1可以看出，要得到合格的產品，需要先凈化脫除H2S等微量雜質，再脫除部分CO2以降低密度提高熱值。脫除CO2采用了變壓吸附法脫碳（PSACO2），為了將熱值和沃泊指數調節到和燃氣管網一致，在密度合格后，再往脫碳氣加入少量由PSA-N2生產的N2來調整熱值。

變壓吸附（PSA）技術是工業氣體分離的常用技術。其利用三種機理來實現氣體的分離：平衡效應、動力學效應和位阻效應[5]。在本裝置中，PSA-CO2的吸附劑利用平衡效應來實現CO2與CH4的吸附分離，填埋氣的主要組份在某吸附劑表面的等溫吸附曲線見圖1。由圖可以看出，該吸附劑對CO2的吸附量遠大于對CH4等輕組分的吸附量，而且高壓和低壓的吸附量差異明顯，故可以利用該吸附劑，實現對CO2和CH4的分離。

圖1 填埋氣主要組份在某吸附劑上等溫吸附曲線

而PSA-N2工藝則利用空氣中O2和N2組分在碳分子篩吸附劑的擴散速度差異，即動力學效應來實現O2和N2的分離，從而得到富氮氣。兩者在碳分子篩表面的吸附速度相大10倍以上[5,6]，故空氣經空壓機加壓，再經過濾后進入吸附器，短時間內，O2被吸附在吸附劑表面，N2因為來不及被吸附而從吸附器頂部輸出，從而制取體積分數達95%~99.99%的氮氣。

1.2 工藝流程

工藝流程框圖見圖2。

圖2 填埋氣處理裝置的工藝流程框圖

填埋氣進入壓縮機增壓后，送入脫硫系統脫除H2S，之后再送入深冷系統脫除掉H2O、高碳烴和硅氧烷類[7]。然后一部分送入PSA-CO2系統脫除掉部分CO2，得到密度較低的脫碳氣。另一部分則走旁路。這種部分處理的辦法，可以提高整體的回收率，并降低裝置的投資、占地和能耗。

脫碳氣與旁路氣在混合系統1混合，得到密度已經合格的凈化氣，但熱值高于設計值，故需加入N2降低熱值。N2由PSA-N2制取，在混合系統2與凈化氣混合，因N2與凈化氣密度接近，故加入后不會對密度產生明顯影響，還可增加產品氣量。再經加臭，調壓后，得到合格的產品氣送至城市燃氣管網。

2 裝置調試運行

該項目由香港中華煤氣集團投資建設。項目包括了本填埋氣處理設施，調壓站，以及兩者間的12km輸送管道等。經過各方的共同努力，裝置已經于2017年10月投入運行，2018年1月通過考核驗收，并有一年多的穩定運行。

2.1 調試運行情況

由于本裝置負荷每天呈周期性變化，故要求各工段能在不同負荷下自動調整，以滿足長周期安全穩定運行的要求。本裝置的調試主要包括三步：首先將PSA-N2調試合格，確保能提供合格氮氣和儀表空氣，第二步是調試PSA-CO2，第三步是整體聯調，難點在于控制各系統的處理比例，以確保在任何負荷下都能穩定輸出合格的產品氣。裝置的運行結果見表2。

表2 裝置運行數據

從表2可以看出，本裝置既可將填埋氣的密度調低，又可避免熱值過高，可將處理后的產品氣直接送入煤氣管網，作為居民燃氣使用。

2.2 三廢處理

填埋場配套有發電機組，使用填埋氣燃燒發電供填埋區的基礎設施，如辦公室、維修機房、抽水站以及污水處理廠等使用，多余的填埋氣進入火炬焚燒；在本裝置投運之后，多余的填埋氣則不再焚燒，而是進入本裝置回收CH4。而PSA的解吸氣作為主要的廢氣返回填埋場的火炬燃燒。經高溫焚燒后，轉化為CO2和H2O，而其他有害物質也在高溫火焰中被破壞[8]。

裝置廢液有兩處：一是壓縮機后氣液分離器分離出的水，返回填埋場的污水處理廠進行處理；而深冷分離出來的有機廢物，由于濃度較高，污水處理廠無法處理，故需送到相應的機構進行無害化處理。同東北填埋場的TSA處理工藝相比較，不需要定期更換TSA吸附劑，但需要處理廢液。

本裝置設計壽命10年，全壽命期內，PSA吸附劑都不需要更換，需要更換時可作固體廢物處理。脫硫劑到壽命期后需更換，換下的脫硫劑作為固體廢物處理。

3 結語

本裝置的規模是同類型裝置中亞洲最大的，設計每小時可生產8000Nm3合成燃氣，按照0.25港幣/MJ計算，年產值達2.7億港幣，扣除原料，能耗，人工費，設備折舊費等，每年利潤可觀，是香港大型節能減排環保項目之一，是變壓吸附工藝在香港填埋場應用的又一成功案例，具有良好的經濟效益和社會示范效應。

同時，該類型裝置的成功建設，還得益于填埋場的填埋氣收集設施的建設，比如收集井的布局，填埋場的密閉等，這些配套設施可提高填埋氣收集率，回收甲烷才有效益。內地的垃圾填埋場早期大多都是裸露或者簡易填埋，近些年才開始進行封閉工程，而隨著國家對節能減排工作的重視和內地填埋場的封閉改造，類似的填埋氣處理設施也將會得到大力推廣。