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垃圾填埋氣制取天然氣的系統(tǒng)工藝及工程應(yīng)用

文檔作者：毛友澤齊東潮張勝利文檔來(lái)源： 1．華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 2．北京環(huán)衛(wèi)集團(tuán)環(huán)境研究發(fā)展有限公司 3．北京華源惠眾環(huán)保科技有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年11月19日
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第38卷第4期
2016年4月
華電技術(shù)
Huadian Technology
Vo1．38 No．4
Apr．2016
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)
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
中圖分類號(hào)：X 705 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674—1951(2016)03—0071—04
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(lái)，大氣中CH 和CO 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?。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(guó)家早在20世紀(jì)70年代就
已開始了對(duì)填埋氣利用的研究，8O年代開始對(duì)填埋
氣進(jìn)行利用推廣。我國(guó)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(chǎng)填埋氣發(fā)電
項(xiàng)目的投產(chǎn)運(yùn)行，開創(chuàng)了我國(guó)填埋氣資源化利用的
先河 j。近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的重視及對(duì)
新能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展的鼓勵(lì)，國(guó)內(nèi)興起了大批填埋氣發(fā)
電項(xiàng)目。相比之下，我國(guó)的填埋氣利用技術(shù)發(fā)展相
對(duì)緩慢，設(shè)施相對(duì)單一。
經(jīng)過(guò)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 j。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(guó)內(nèi)外
常見的6種凈化單元操作技術(shù) J，有專利公開了一
種從垃圾填埋氣中凈化回收CH 的方法 J，但流程
設(shè)計(jì)上選擇先脫除CO 后脫除0 ，脫氧反應(yīng)需要補(bǔ)
充H 。
近年來(lái)，國(guó)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
收稿日期：2015—12—09；修回日期：2016—04 —12
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(guó)幅員遼闊，城市垃圾成分、
填埋場(chǎng)選址、填埋工藝及運(yùn)營(yíng)水平、填埋氣收集利用
工藝等地區(qū)性差異很大：因此對(duì)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(duì)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CH 和CO ，
其體積占填埋氣體總量的90％ ～99％ ，其中CH 占
45％ ～60％ ，CO2占30％ 一50％ 。
(2)二類成分(少量成分)。主要是指垃圾在生
物降解過(guò)程中產(chǎn)生的除CH 和CO：外的其他常見
的氣體，包括0 ，N：，H：0，H：S，NH，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(guò)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(lái)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(guó)還沒(méi)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(guò)預(yù)處理的垃圾填埋氣直接應(yīng)用于
· 72· 華電技術(shù) 第38卷
表1 典型填埋氣組分 ％
190系列天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)存在以下缺點(diǎn) J：(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，NO 排放
質(zhì)量濃度高。
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(guó)
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》 和GB 17820-2012《天然氣》[s J，
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CO 體積分?jǐn)?shù)接近40％ ，而國(guó)
內(nèi)外化石能源油氣田所產(chǎn)常規(guī)天然氣中CO，的體
積分?jǐn)?shù)一般不超過(guò)15％ ；(2)從垃圾填埋場(chǎng)污染控
制要求和垃圾填埋氣規(guī)?；玫慕嵌瓤紤]，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，O 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(duì)0 的體積分?jǐn)?shù)有苛刻的要求
(不高于0．5％)；另外，N 的引入不利于生物天然
氣的熱值；(3)垃圾填埋氣中除H，s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％ 一0．100％)；(4)垃圾填埋氣中基本不含
c H ，C，H 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(guò)濾、冷卻脫水、氣液
分離并增壓，然后依次經(jīng)過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)過(guò)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(guò)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H：s、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H S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(duì)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(chǎng)合，對(duì)
填埋氣處理量無(wú)要求，溫度、壓力等工藝參數(shù)適用范
圍更寬，操作更簡(jiǎn)單；另外，填埋氣中H 0和0 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(yíng)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0，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CH 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，CH 與
0 反應(yīng)生成H 0和CO 。該工藝相比于其他工藝
的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需再生，可連續(xù)工作，并且無(wú)需加H 。
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)0：與CH 發(fā)生反應(yīng)，
生成產(chǎn)物為CO 和H20。產(chǎn)物CO：可與填埋氣中
本身含有的CO 在后續(xù)脫碳單元中一并除去；產(chǎn)物
H，0經(jīng)冷卻后分離。反應(yīng)為放熱過(guò)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
圖1 系統(tǒng)工藝流程

· 74· 華電技術(shù) 第38卷
表2 產(chǎn)品天然氣抽樣對(duì)比
很高；相對(duì)而言，填埋氣原料易得，按照現(xiàn)有填埋場(chǎng)
污染控制標(biāo)準(zhǔn)，填埋氣必須經(jīng)過(guò)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(rùn)空間很大，并且該類
型項(xiàng)目可就近在氣源場(chǎng)內(nèi)建設(shè)，無(wú)需單獨(dú)征地。
3 結(jié)束語(yǔ)
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(guó)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(duì)于千噸級(jí)以上規(guī)模的垃
圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)，限于場(chǎng)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(guó)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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(本文責(zé)編：劉芳)
作者簡(jiǎn)介：
毛友澤(1981一)，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．tom)。
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1 51
(本文責(zé)編：劉芳)
作者簡(jiǎn)介：
王珊丹(1984一)，女，內(nèi)蒙古通遼人，工程師，從事電力
系統(tǒng)控制屏柜設(shè)計(jì)工作作(E—mail：648265377@qq．tom)。
申仲濤(1976一)，男，河北新樂(lè)人，高級(jí)工程師，從事電
力系統(tǒng)自動(dòng)化方面的工作作(E—mail：shenzht@qq．com)。

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