垃圾填埋氣制取天然氣的系統(tǒng)工藝及工程應(yīng)用

毛友澤，齊東潮，張勝利

(1.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州　450015； 2.北京環(huán)衛(wèi)集團(tuán)環(huán)境研究發(fā)展有限公司，北京　100101； 3.北京華源惠眾環(huán)?？萍加邢薰荆本?00082)

垃圾填埋氣制取天然氣的系統(tǒng)工藝及工程應(yīng)用

毛友澤1，齊東潮2，張勝利3

(1.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州450015； 2.北京環(huán)衛(wèi)集團(tuán)環(huán)境研究發(fā)展有限公司，北京100101； 3.北京華源惠眾環(huán)?？萍加邢薰?，北京100082)

摘要：目前，填埋仍是城市生活垃圾處置的主要方式之一，垃圾填埋氣資源化利用的潛力巨大。提出了一種完整的以垃圾填埋氣為原料制取天然氣的系統(tǒng)工藝，并進(jìn)行了工程化應(yīng)用。以常規(guī)天然氣標(biāo)準(zhǔn)作為產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)單元模塊化的設(shè)計(jì)理念確定了系統(tǒng)工藝流程。從工程應(yīng)用情況看，該系統(tǒng)工藝技術(shù)可行，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，天然氣產(chǎn)品品質(zhì)完全符合設(shè)計(jì)要求，具有較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：垃圾填埋氣；天然氣；工藝；工程應(yīng)用

0引言

目前，填埋仍是城市生活垃圾處置的主要工藝之一。政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)的報(bào)告顯示，21世紀(jì)以來，大氣中CH4和CO2的體積分?jǐn)?shù)分別上升了151%和31%，其中5%～20%是由于垃圾填埋而產(chǎn)生的[1]。然而，填埋氣又是一種價(jià)值很高的能源物質(zhì)，以填埋氣為原料的下游產(chǎn)品開發(fā)仍有很大的空間。發(fā)達(dá)國家早在20世紀(jì)70年代就已開始了對填埋氣利用的研究，80年代開始對填埋氣進(jìn)行利用推廣。我國垃圾填埋氣利用起步較晚，1998年10月，杭州天子嶺垃圾填埋場填埋氣發(fā)電項(xiàng)目的投產(chǎn)運(yùn)行，開創(chuàng)了我國填埋氣資源化利用的先河[2]。近年來，隨著國家對節(jié)能減排的重視及對新能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展的鼓勵(lì)，國內(nèi)興起了大批填埋氣發(fā)電項(xiàng)目。相比之下，我國的填埋氣利用技術(shù)發(fā)展相對緩慢，設(shè)施相對單一。

經(jīng)過深度凈化處理的沼氣實(shí)際上已經(jīng)完全成為純正的天然氣產(chǎn)品，燃燒特性與管輸天然氣完全一致[3]。填埋氣凈化提純工藝的研究熱點(diǎn)大多集中在某一項(xiàng)或少量幾項(xiàng)雜質(zhì)組分的分離上，完整的工藝技術(shù)鮮有介紹。如石磊等研究指出了目前國內(nèi)外常見的6種凈化單元操作技術(shù)[4]，有專利公開了一種從垃圾填埋氣中凈化回收CH4的方法[5]，但流程設(shè)計(jì)上選擇先脫除CO2后脫除O2，脫氧反應(yīng)需要補(bǔ)充H2。

近年來，國內(nèi)開始出現(xiàn)垃圾填埋氣制取天然氣的試驗(yàn)性項(xiàng)目，但數(shù)量較少且早期建成的裝置當(dāng)前均未運(yùn)行。該類項(xiàng)目仍處于起步階段，生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)，主要原因在于系統(tǒng)集成工藝的創(chuàng)新程度不高；另外，我國幅員遼闊，城市垃圾成分、填埋場選址、填埋工藝及運(yùn)營水平、填埋氣收集利用工藝等地區(qū)性差異很大：因此對經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)、可靠性更高的生物天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)工藝的研究具有重要意義，也有利于豐富、完善該技術(shù)路線，促進(jìn)該產(chǎn)業(yè)的良性、快速發(fā)展。

1垃圾填埋氣收集制取天然氣的系統(tǒng)工藝

垃圾填埋氣的成分根據(jù)垃圾成分、填埋年限、填埋質(zhì)量和收集方式的不同而有所不同，其中垃圾成分對填埋氣成分的影響最為重要。根據(jù)填埋氣中各成分的含量及存在的普遍性可分為以下3類。

(1)一類成分(主要成分)。包括CH4和CO2，其體積占填埋氣體總量的90%～99%，其中CH4占45%～60%，CO2占30%～50%。

(2)二類成分(少量成分)。主要是指垃圾在生物降解過程中產(chǎn)生的除CH4和CO2外的其他常見的氣體，包括O2，N2，H2O，H2S，NH3等氣體，這些氣體的含量較小，占填埋氣體總量的10%以下。

(3)三類成分(微量成分)。主要是包括烷烴、環(huán)烷烴、芳烴、鹵代化合物等在內(nèi)的揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)，總量一般不超過1%。這些氣體雖然含量極低，但種類多、成分復(fù)雜。它們主要來源于垃圾中油漆、洗滌劑、干洗劑、空氣清新劑等化學(xué)物質(zhì)及其殘留物的揮發(fā)和生物降解。

典型填埋氣的組分見表1。

1.1產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國還沒有頒布以垃圾填埋氣或其他厭氧沼氣等為原料制取天然氣的產(chǎn)品和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有研究人員將經(jīng)過預(yù)處理的垃圾填埋氣直接應(yīng)用于190系列天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)存在以下缺點(diǎn)[6]：(1)填埋氣的熱值比天然氣低，發(fā)動(dòng)機(jī)功率明顯下降；(2)燃燒速度低，排溫高，可靠性差；(3)效率低，NOx排放質(zhì)量濃度高。

表1　典型填埋氣組分　%

圖1　系統(tǒng)工藝流程

該系統(tǒng)的生物天然氣產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)是參考我國現(xiàn)行的石化天然氣標(biāo)準(zhǔn)，包括GB 18047—2000《車用壓縮天然氣》[7]和GB 17820—2012《天然氣》[8]，要求生物天然氣能夠完全滿足上述標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2系統(tǒng)工藝流程

該系統(tǒng)工藝流程的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面：(1)垃圾填埋氣中CO2體積分?jǐn)?shù)接近40%，而國內(nèi)外化石能源油氣田所產(chǎn)常規(guī)天然氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)一般不超過15%；(2)從垃圾填埋場污染控制要求和垃圾填埋氣規(guī)模化利用的角度考慮，填埋氣的收集采用主動(dòng)導(dǎo)排的方式，原料氣中必然會(huì)引入空氣，O2的引入增加了氣體處理的安全風(fēng)險(xiǎn)，而且車用壓縮天然氣對O2的體積分?jǐn)?shù)有苛刻的要求(不高于0.5%)；另外，N2的引入不利于生物天然氣的熱值；(3)垃圾填埋氣中除H2S外，其他有機(jī)硫化物的種類多，并且總硫的體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)范圍很大(0.005%～0.100%)；(4)垃圾填埋氣中基本不含C2H6，C3H8等輕烴，不利于生物天然氣熱值的提高；填埋氣中硅氧烷的含量少且波動(dòng)性大，宜采用協(xié)同凈化的方法予以去除。

垃圾填埋氣中雜質(zhì)組分較多，該系統(tǒng)的分離、提純工藝涉及多個(gè)操作單元，各單元之間既在流程上相互獨(dú)立，又在工藝參數(shù)上緊密銜接，因此在系統(tǒng)的集成上采用單元模塊化的設(shè)計(jì)理念，以保證工藝設(shè)計(jì)的完整性、系統(tǒng)性。系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

垃圾填埋氣產(chǎn)生于垃圾堆體內(nèi)部，經(jīng)集中收集后首先進(jìn)入預(yù)處理系統(tǒng)，進(jìn)行過濾、冷卻脫水、氣液分離并增壓，然后依次經(jīng)過脫硫、脫氧、脫碳、干燥等凈化單元模塊完成氣體分離提純，制得氣質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求的生物天然氣，生物天然氣加臭后經(jīng)過壓縮機(jī)升壓至20～25 MPa儲(chǔ)存，即制得壓縮天然氣(CNG)。

1.3單元模塊

(1)預(yù)處理單元模塊。填埋氣產(chǎn)生于垃圾堆體內(nèi)部，經(jīng)收集管網(wǎng)輸送來的原料填埋氣含有較多的固體雜質(zhì)、冷凝水，甚至還會(huì)攜帶滲濾液。在預(yù)處理單元模塊，原料氣經(jīng)過過濾器、冷卻器除去夾帶的固體顆料及冷凝水，然后經(jīng)由壓縮機(jī)升壓至1.0 MPa左右，同時(shí)經(jīng)過冷卻和氣液分離進(jìn)一步脫除飽和水。

(2)脫硫單元模塊。采用吸附脫硫工藝，吸附劑采用復(fù)合改性活性炭，硫容大，能有效去除填埋氣中H2S、硫醇、硫醚等；此外，脫硫單元可以協(xié)同脫除硅氧烷。

填埋氣中的大部分H2S被氧化生成單質(zhì)硫并沉積在吸附劑孔道內(nèi)，其他硫化物會(huì)直接吸附在吸附劑表面上。相對于其他常用的脫硫工藝，如氧化鐵脫硫、生物脫硫、醇胺溶劑脫硫等，該方法更適用于填埋氣硫化物成分復(fù)雜、硫含量波動(dòng)大的場合，對填埋氣處理量無要求，溫度、壓力等工藝參數(shù)適用范圍更寬，操作更簡單；另外，填埋氣中H2O和O2的存在有利于脫硫精度的提高。

(3)脫氧單元模塊。脫氧技術(shù)主要有碳燃燒法、脫氧劑法、催化燃燒法等。碳燃燒法需要不斷補(bǔ)充特質(zhì)活性炭，并且在高溫條件下發(fā)生燃燒反應(yīng)，能耗很高，運(yùn)營成本大；脫氧劑法利用變價(jià)金屬(Cu，Mn等)的多化合價(jià)性質(zhì)，使其低化合價(jià)態(tài)的氧化物與O2發(fā)生氧化還原反應(yīng)，脫氧劑在使用前需要還原活化且需要不斷再生。

鑒于原料氣以CH4為主，該單元模塊采用直接催化燃燒法進(jìn)行脫氧。在催化劑的作用下，CH4與O2反應(yīng)生成H2O和CO2。該工藝相比于其他工藝的優(yōu)點(diǎn)是無需再生，可連續(xù)工作，并且無需加H2。

如圖2所示，原料氣首先經(jīng)換熱器預(yù)熱至250～280 ℃，然后在催化燃燒塔內(nèi)O2與CH4發(fā)生反應(yīng)，生成產(chǎn)物為CO2和H2O。產(chǎn)物CO2可與填埋氣中本身含有的CO2在后續(xù)脫碳單元中一并除去；產(chǎn)物H2O經(jīng)冷卻后分離。反應(yīng)為放熱過程，所產(chǎn)生的熱量可以循環(huán)利用，即將高溫產(chǎn)品氣所帶的熱量用于預(yù)熱原料氣，同時(shí)高溫產(chǎn)品氣被冷卻，反應(yīng)過程不耗能，只在啟動(dòng)升溫時(shí)耗能。

圖2　脫氧工藝流程

(4)脫碳單元模塊。填埋氣中CO2是體積分?jǐn)?shù)最大的雜質(zhì)組分，使得該模塊成為整個(gè)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的技術(shù)部分。因?yàn)樘盥駳庵泻猩倭縊2，不宜采用溶劑吸收工藝。

該模塊設(shè)計(jì)采用真空變壓吸附(VPSA)工藝，利用物理吸附的原理使CH4和CO2發(fā)生分離，吸附劑為細(xì)孔硅膠，吸附過程中沒有化學(xué)反應(yīng)，吸附過程快且完全可逆。因該吸附劑對水有一定的吸附能力，能同時(shí)脫除部分水，設(shè)計(jì)凈化氣的常壓水露點(diǎn)不高于-20 ℃。吸附壓力為0.6～1.0 MPa，再生壓力為-0.09～-0.05 MPa。

(5)干燥單元模塊。干燥單元模塊采用分子篩吸附脫水工藝，通過4A分子篩干燥劑對混合物中極性水分子的選擇，將水分從氣體中分離出，從而達(dá)到脫水目的，獲得更低露點(diǎn)的干燥氣體。

一般設(shè)計(jì)為雙塔結(jié)構(gòu)，一塔進(jìn)行吸附工作時(shí)，另一塔解析再生，吸附劑的解析采用閉式循環(huán)電加熱再生工藝，吸附壓力為0.4～0.6 MPa，再生壓力為0.1 MPa，再生加熱控制溫度為190～200 ℃,再生加熱停止溫度為120 ℃，吸附時(shí)間為8～12 h，再生時(shí)間為4～6 h。干燥單元模塊工藝流程如圖3所示。

圖3　干燥單元模塊工藝流程

(6)儲(chǔ)存加氣單元模塊。凈化后的產(chǎn)品氣通過壓縮機(jī)升壓儲(chǔ)存于CNG鋼瓶組或注入天然氣管網(wǎng),站用CNG鋼瓶組最高儲(chǔ)存壓力為25 MPa，CNG加氣站可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)成常規(guī)站或加氣母站。按照國家相關(guān)規(guī)范要求，產(chǎn)品氣在增壓前要注入臭劑，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)燃?xì)庑孤铀幯b置通過在線檢測天然氣流量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制藥劑注入量，臭劑一般選擇四氫噻吩，加臭標(biāo)準(zhǔn)為20 mg/m3。

1.4物料衡算

以原料氣處理量為750 m3/h的系統(tǒng)為例進(jìn)行物料衡算，如圖4所示。

圖4　處理量為750 m3/h系統(tǒng)物料衡算結(jié)果

2工程應(yīng)用

上述系統(tǒng)工藝已成功應(yīng)用于我國某垃圾衛(wèi)生填埋場的填埋氣處理利用項(xiàng)目。該套裝置設(shè)計(jì)處理能力為1 000 m3/h，實(shí)際生產(chǎn)中原料氣處理量根據(jù)填埋氣產(chǎn)出量自動(dòng)在線調(diào)節(jié)，調(diào)試及試運(yùn)行結(jié)果表明該套裝置工藝技術(shù)可行、性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品天然氣的統(tǒng)計(jì)日均產(chǎn)出量為7 560 m3，經(jīng)第三方檢測，產(chǎn)品氣熱值可以高達(dá)39.71 MJ/m3，各組分體積分?jǐn)?shù)分別為φ(CH4)=99.84%，φ(CO2)=0.05%，φ(N2)=0.11%，O2與S未檢出，各項(xiàng)產(chǎn)品指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品天然氣作為燃料應(yīng)用于居民、工業(yè)和機(jī)動(dòng)車輛。

表2為該項(xiàng)目產(chǎn)品天然氣與該城市CNG母站天然氣的參數(shù)對比。

該項(xiàng)目年工作時(shí)間8 000 h，產(chǎn)品氣規(guī)模252 萬m3/年?？紤]各種生產(chǎn)成本性消耗、人工費(fèi)、檢修維護(hù)費(fèi)等，計(jì)算單位產(chǎn)品氣的直接生產(chǎn)成本不超過1.1 元/m3，投資回收期為3～4年。

綜合以上技術(shù)與經(jīng)濟(jì)分析，以填埋氣為原料制取的產(chǎn)品天然氣因原料氣中不含C2H6，C3H8等高熱值組分，相比于傳統(tǒng)石化天然氣而言，其熱值偏低2%～17%，密度也偏低，但是完全滿足現(xiàn)有天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)，可以作為商品天然氣使用。常規(guī)CNG加氣站氣源為管輸高壓天然氣，氣價(jià)各地不盡相同，一般為2～3 元/m3，而且單獨(dú)建站征地手續(xù)復(fù)雜，費(fèi)用很高；相對而言，填埋氣原料易得，按照現(xiàn)有填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)，填埋氣必須經(jīng)過處理后排放，考慮到處理成本，填埋氣氣源成本可以忽略不計(jì)，所以以填埋氣為原料的產(chǎn)品天然氣利潤空間很大，并且該類型項(xiàng)目可就近在氣源場內(nèi)建設(shè)，無需單獨(dú)征地。

表2　產(chǎn)品天然氣抽樣對比

3結(jié)束語

填埋氣的資源化利用項(xiàng)目具有能源和環(huán)保雙重有益效應(yīng)，以我國目前該產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀看，填埋氣處理利用方式偏單一，尤其對于千噸級以上規(guī)模的垃圾衛(wèi)生填埋場，限于場內(nèi)的電負(fù)荷、熱負(fù)荷不高，發(fā)電、作為鍋爐燃料等利用方式的資源利用效率偏低，因此，以填埋氣為原料制取天然氣項(xiàng)目具有很大的推廣空間。另外，根據(jù)該類項(xiàng)目的工程應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)與施工等項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、裝備及材料的國產(chǎn)化水平、產(chǎn)品氣商業(yè)化政策及安全監(jiān)管等應(yīng)引起進(jìn)一步關(guān)注。

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[7]車用壓縮天然氣：GB 18047—2000[S].

[8]天然氣：GB 17820—2012[S].

(本文責(zé)編：劉芳)

收稿日期:2015-12-09；修回日期:2016-04-12

中圖分類號：X 705

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1951(2016)03-0071-04

作者簡介：

毛友澤(1981—)，男，山東濟(jì)寧人，工程師，工學(xué)碩士，從事生物質(zhì)燃?xì)饩C合利用、天然氣能源工程等方面的工作(E-mail:maoyz@hdmdi.com)。