一種垃圾填埋氣處理新工藝的應(yīng)用

鄭建川，張崇海，馮良興，余秋蘭，王宏達(dá)，趙浩川，陶北平，陳 健

（1.昊華化工科技集團(tuán)股份有限公司成都分公司，四川 成都 610225；2.西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司 工業(yè)排放氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225）

垃圾填埋氣是垃圾填埋物中的有機(jī)物在厭氧發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)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(zhì)[1]，其中最主要的成分CH4溫室效應(yīng)的增溫潛能（GWP）相當(dāng)于同質(zhì)量CO2的21倍[2]，據(jù)估算，中國(guó)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(lái)，不但可以減少溫室氣體的排放，還可以作為燃料能源的補(bǔ)充。

對(duì)垃圾填埋氣的處理和利用，目前主要方法有：一是燃燒發(fā)電，二是凈化回收CH4用于城市燃?xì)饣蛘呱a(chǎn)CNG[4]。其中，根據(jù)產(chǎn)品用途，對(duì)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(zhuǎn)化為城市煤氣；第二種是調(diào)節(jié)填埋氣的密度和熱值后直接送到城市煤氣管網(wǎng)。垃圾填埋氣的成分非常復(fù)雜，含有大量的VOCs、硅氧烷、H2S等，要回收CH4，首先需要對(duì)這些雜質(zhì)進(jìn)行處理，再脫除部分CO2以提濃CH4。

昊華化工科技集團(tuán)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(lián)合工藝，成功應(yīng)用于香港東北新界填埋場(chǎng)；該裝置作為全球首套大規(guī)模垃圾填埋氣凈化回收CH4裝置，設(shè)計(jì)處理量達(dá)15000Nm3/h，成功地將填埋氣的CH4體積分?jǐn)?shù)由～55%提高至＞92%，再送往香港中華煤氣的工廠生產(chǎn)城市煤氣。

香港東南新界填埋場(chǎng)的填埋氣的主要組成及香港城市煤氣熱值、密度要求見(jiàn)表1。由于香港地區(qū)的管網(wǎng)煤氣對(duì)熱值要求不高，填埋氣與其已經(jīng)有些接近；故本次處理香港東南新界填埋場(chǎng)填埋氣的方式是第二種，即將填埋氣凈化后，調(diào)節(jié)到合適的熱值和密度，直接送入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)。

該新項(xiàng)目采用了脫硫、深冷脫烴脫水、PSACO2，PSA-N2聯(lián)合新工藝，一次性將填埋氣處理為合格的管網(wǎng)燃?xì)狻?/p>

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(chǎn)品，需要先凈化脫除H2S等微量雜質(zhì)，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(shù)調(diào)節(jié)到和燃?xì)夤芫W(wǎng)一致，在密度合格后，再往脫碳?xì)饧尤肷倭坑蒔SA-N2生產(chǎn)的N2來(lái)調(diào)整熱值。

變壓吸附（PSA）技術(shù)是工業(yè)氣體分離的常用技術(shù)。其利用三種機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體的分離：平衡效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)效應(yīng)和位阻效應(yīng)[5]。在本裝置中，PSA-CO2的吸附劑利用平衡效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(jiàn)圖1。由圖可以看出，該吸附劑對(duì)CO2的吸附量遠(yuǎn)大于對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(kuò)散速度差異，即動(dòng)力學(xué)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)O2和N2的分離，從而得到富氮?dú)?。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(jīng)空壓機(jī)加壓，再經(jīng)過(guò)濾后進(jìn)入吸附器，短時(shí)間內(nèi)，O2被吸附在吸附劑表面，N2因?yàn)閬?lái)不及被吸附而從吸附器頂部輸出，從而制取體積分?jǐn)?shù)達(dá)95%~99.99%的氮?dú)狻?/p>

1.2 工藝流程

工藝流程框圖見(jiàn)圖2。

圖2 填埋氣處理裝置的工藝流程框圖

填埋氣進(jìn)入壓縮機(jī)增壓后，送入脫硫系統(tǒng)脫除H2S，之后再送入深冷系統(tǒng)脫除掉H2O、高碳烴和硅氧烷類[7]。然后一部分送入PSA-CO2系統(tǒng)脫除掉部分CO2，得到密度較低的脫碳?xì)?。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?xì)馀c旁路氣在混合系統(tǒng)1混合，得到密度已經(jīng)合格的凈化氣，但熱值高于設(shè)計(jì)值，故需加入N2降低熱值。N2由PSA-N2制取，在混合系統(tǒng)2與凈化氣混合，因N2與凈化氣密度接近，故加入后不會(huì)對(duì)密度產(chǎn)生明顯影響，還可增加產(chǎn)品氣量。再經(jīng)加臭，調(diào)壓后，得到合格的產(chǎn)品氣送至城市燃?xì)夤芫W(wǎng)。

2 裝置調(diào)試運(yùn)行

該項(xiàng)目由香港中華煤氣集團(tuán)投資建設(shè)。項(xiàng)目包括了本填埋氣處理設(shè)施，調(diào)壓站，以及兩者間的12km輸送管道等。經(jīng)過(guò)各方的共同努力，裝置已經(jīng)于2017年10月投入運(yùn)行，2018年1月通過(guò)考核驗(yàn)收，并有一年多的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 調(diào)試運(yùn)行情況

由于本裝置負(fù)荷每天呈周期性變化，故要求各工段能在不同負(fù)荷下自動(dòng)調(diào)整，以滿足長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。本裝置的調(diào)試主要包括三步：首先將PSA-N2調(diào)試合格，確保能提供合格氮?dú)夂蛢x表空氣，第二步是調(diào)試PSA-CO2，第三步是整體聯(lián)調(diào)，難點(diǎn)在于控制各系統(tǒng)的處理比例，以確保在任何負(fù)荷下都能穩(wěn)定輸出合格的產(chǎn)品氣。裝置的運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)

從表2可以看出，本裝置既可將填埋氣的密度調(diào)低，又可避免熱值過(guò)高，可將處理后的產(chǎn)品氣直接送入煤氣管網(wǎng)，作為居民燃?xì)馐褂谩?/p>

2.2 三廢處理

填埋場(chǎng)配套有發(fā)電機(jī)組，使用填埋氣燃燒發(fā)電供填埋區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施，如辦公室、維修機(jī)房、抽水站以及污水處理廠等使用，多余的填埋氣進(jìn)入火炬焚燒；在本裝置投運(yùn)之后，多余的填埋氣則不再焚燒，而是進(jìn)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(chǎng)的火炬燃燒。經(jīng)高溫焚燒后，轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，而其他有害物質(zhì)也在高溫火焰中被破壞[8]。

裝置廢液有兩處：一是壓縮機(jī)后氣液分離器分離出的水，返回填埋場(chǎng)的污水處理廠進(jìn)行處理；而深冷分離出來(lái)的有機(jī)廢物，由于濃度較高，污水處理廠無(wú)法處理，故需送到相應(yīng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行無(wú)害化處理。同東北填埋場(chǎng)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(shè)計(jì)壽命10年，全壽命期內(nèi)，PSA吸附劑都不需要更換，需要更換時(shí)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(jié)語(yǔ)

本裝置的規(guī)模是同類型裝置中亞洲最大的，設(shè)計(jì)每小時(shí)可生產(chǎn)8000Nm3合成燃?xì)猓凑?.25港幣/MJ計(jì)算，年產(chǎn)值達(dá)2.7億港幣，扣除原料，能耗，人工費(fèi)，設(shè)備折舊費(fèi)等，每年利潤(rùn)可觀，是香港大型節(jié)能減排環(huán)保項(xiàng)目之一，是變壓吸附工藝在香港填埋場(chǎng)應(yīng)用的又一成功案例，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)示范效應(yīng)。

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