填埋氣體提純制作液化天然氣技術應用

廣州環保投資集團有限公司，廣州環投環境服務有限公司，廣東中油燃氣有限公司

【基本情況】

廣州興豐生活垃圾衛生填埋場（以下簡稱“興豐場”）在引進石油天然氣提純液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）技術的基礎上，采用建設-擁有-經營（BOO）的投資建設運營模式，針對填埋氣體的特有組成成分，成功自主研發了“填埋氣體提純制作液化天然氣技術”。項目占地約12 000 m2，總投資1.1 億元，2020 年11 月出液進入試生產，2021 年7 月通過環保驗收并取得充裝證，8 月正式投產，每天提純制LNG 71.43 t（相當于天然氣1.0×105m3/d）。該項目是目前我國第1 個生活垃圾衛生填埋場填埋氣提純制LNG 的成功案例，主要采用了“填埋氣體預處理（提純）和液化”工藝，項目還攻克了絡合鐵濕法脫硫、真空變壓吸附及甲基二乙醇胺（MDEA）脫二氧化碳、混合冷劑制冷液化等幾項核心技術，項目投產后不僅有效解決了填埋場臭氣擾民和環境污染問題，大幅減少了填埋場碳排放，而且還取得了很好的經濟效益。廣州興豐生活垃圾衛生填埋場填埋氣制LNG 項目現場如圖1 所示。

圖1 廣州興豐生活垃圾衛生填埋場填埋氣制LNG 項目現場Figure 1 Project scene of LNG generated from landfill gas of Guangzhou Xingfeng Sanitary Landfill

【技術/案例原理及技術路線】

該項目工藝流程包括預脫硫凈化、變壓吸附提純、精脫硫、精脫氧、精脫二氧化碳、液化、裝車等。主工藝流程包括填埋氣體預處理和液化工藝（圖2）。

圖2 主體工藝流程Figure 2 Main process flow

（1）預處理工藝。填埋氣體預處理工藝主要是脫除原料氣中所含的固體雜質、酸性氣體（CO2、H2S）、氧、水和重烴。

脫硫單元：本項目含H2S 填埋氣直接采用“絡合鐵濕法脫硫工藝”處理。含H2S（約0.03%）的填埋氣原氣，從前端集氣站經軸流鼓風機加壓至7 kPa 后輸送至工廠界區，經入口過濾器去除氣體中夾帶的固體雜質，再經過羅茨風機增壓至53 kPa 左右，冷卻后進入水洗塔，進一步洗去氣體中夾帶的粉塵及水溶性雜質后，進入多級噴淋吸收塔，氣體通過逆流接觸，使H2S 與溶液中的Fe3+反應生產單質硫，Fe3+反應后被還原為Fe2+，Fe2+經過泵進入氧化塔，與通入的氧氣發生氧化反應生成Fe3+，再通過泵打回噴淋吸收塔循環。此過程將填埋氣中的H2S 從0.03%脫除至0.001%以下，低H2S 含量的填埋氣，經水洗塔進一步清洗氣體中夾帶的硫磺顆粒后，通過水洗塔頂部的絲網去除游離水，進入下一工序的增壓、變溫吸附（TSP）及變壓吸附（VASP）粗脫二氧化碳單元。

增壓＆變壓吸附脫碳單元：經脫硫單元后的低H2S 填埋氣經壓縮機加壓后，通過變溫吸附預處理裝置脫除水、烴類及其他含臭雜質后，進入變壓吸附裝置粗脫二氧化碳。變溫吸附裝置吸附飽和后需要再生，再生氣體來自液化單元的脫氮塔及裝車過程中產生的蒸發氣。變壓吸附通過真空泵抽真空完成吸附飽和后的再生過程。

精脫氧及精脫硫單元：經變壓吸附粗脫碳后的填埋氣成分接近合格的天然氣，甲烷約占89%、氧1.6%、二氧化碳2.5%。氧通過脫氧塔內的鈀合金催化劑后，在280 ℃溫度環境下與甲烷反應，工藝氣經脫氧后，氧含量約0.005%，符合國家安全標準。H2S 經變壓吸附已經完全脫除，但由于H2S 會使后續脫氧塔催化劑中毒，因此脫氧塔前端設置了干法脫H2S 塔。

二次增壓單元：考慮到精脫二氧化碳的效率以及后面液化的最佳壓力，此工藝在脫氧后設置了二次增壓裝置，將壓力增至5 MPa。

甲基二乙醇胺（以下簡稱“胺液”）精脫碳單元：由于變壓吸附粗脫碳及脫氧反應后均存在一定量的二氧化碳，需進一步精脫，避免對后續的液化造成影響。精脫二氧化碳采用胺液脫二氧化碳工藝，高壓氣體從吸收塔底部進入，貧胺液溶液通過貧胺液泵輸送至塔頂，通過噴淋逆流接觸及塔內的規整填料，使氣體與貧胺液充分接觸，二氧化碳被充分吸收。吸收二氧化碳后的富胺溶液在塔的壓力下自流至再生塔再生，再生后的貧胺液通過貧胺液泵打至噴淋吸收塔完成循環。此工藝為可逆循環工藝，使用加熱解析再生，再生熱量來自裝置孤島發電廠的煙氣余熱。為避免二氧化碳堵塞液化單元冷箱，精脫碳后的氣體中二氧化碳含量控制在0.005%以下。

（2）混合制冷液化工藝。本工藝采用混合制冷工藝，N2、CH4、C2H4、iC4H10作為液化所需的制冷劑，通過各組分的氣-液相變及節流膨脹的控制，使每種組分在CH4液化的不同階段提供不同的溫度，調節制冷劑的組分，可以使制冷效率得到顯著提升。

【技術/案例特點】

（1）工藝特點：全國唯一一個采用多級分離和自發電工藝的同類裝置，全國第1 個使用填埋氣提純制LNG 的成功案例。

（2）設備國產化率：全部設備國產化率達到99%，設備造價只有國外進口設備的50%。

（3）產品質量：本項目所生產的LNG 產品經過第三方資質單位SGS 檢測，甲烷含量達到99.16%，高位熱值為36 810 kJ/m3（稍低于石油天然氣熱值的10%），用途與石油天然氣一樣。

（4）安全保障：全廠共安裝了110 個氣體泄漏和火災檢測探頭，一旦發現氣體泄漏和火情，可實現自動關閉氣體輸送閥門，防止氣體爆炸等安全事故的發生。

【長效運行模式與機制】

業主單位廣州環投環境服務有限公司通過公開招標的方式，與廣東中油燃氣有限公司簽訂《興豐生活垃圾應急填埋場填埋氣提純制LNG 項目（沼氣處理設施）合作合同》，廣東中油燃氣有限公司負責設施的投資、設計建設、運營維護及LNG 產品銷售，廣州環投環境服務有限公司負責填埋氣的收集和輸送、運營監管，雙方收益按一定比例從LNG 銷售收入中分成。合同期限為10 a，合同期滿后，根據氣體的質量和產量再討論是否續簽合同。項目在雙方的共同商議下，根據相關的法律法規及行業規范，達成了安全高效共同管理運營機制，確保項目的環保及安全穩定運營。

【經濟、環境及社會效益】

（1）經濟效益：相比較傳統的填埋氣發電和提純制壓縮天然氣（CNG）項目，該項目經濟效益優勢顯著，2021 年LNG 銷售收入超過5 000 萬元，2022 年預計LNG 銷售收入超過1 億元。

（2）環境效益：該項目每天處理3.0×105m3填埋氣體，尾氣達標排放，不僅有效解決了興豐場場內臭氣污染環境問題，而且每年至少可回收21 000 t 甲烷，相當于減少4.62×105t 溫室氣體二氧化碳的排放。

（3）社會效益：該項目徹底解決了興豐場臭氣擾民的社會問題，為我國生活垃圾衛生填埋場填埋氣體的無害化處理、資源化利用提供了一套成功的、科學的解決方案。