一种垃圾填埋气处理新工艺的应用

郑建川，张崇海，冯良兴，余秋兰，王宏达，赵浩川，陶北平，陈 健

（1.昊华化工科技集团股份有限公司成都分公司，四川 成都 610225；2.西南化工研究设计院有限公司 工业排放气国家重点实验室，四川 成都 610225）

垃圾填埋气是垃圾填埋物中的有机物在厌氧发酵过程中产生的气体，其主要成分为CH4、CO2、N2，H2O等，还有140种以上的微量杂质[1]，其中最主要的成分CH4温室效应的增温潜能（GWP）相当于同质量CO2的21倍[2]，据估算，中国2009年垃圾填埋气的CH4资源为53.4亿m3[3]，并且还在逐年递增，如果能将这些CH4回收利用起来，不但可以减少温室气体的排放，还可以作为燃料能源的补充。

对垃圾填埋气的处理和利用，目前主要方法有：一是燃烧发电，二是净化回收CH4用于城市燃气或者生产CNG[4]。其中，根据产品用途，对填埋气甲烷的回收有两种方式：第一种是将填埋气中的甲烷提浓到高浓度，作为天然气去煤气工厂转化为城市煤气；第二种是调节填埋气的密度和热值后直接送到城市煤气管网。垃圾填埋气的成分非常复杂，含有大量的VOCs、硅氧烷、H2S等，要回收CH4，首先需要对这些杂质进行处理，再脱除部分CO2以提浓CH4。

昊华化工科技集团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，采用脱硫、冷冻、TSA（变温吸附）、PSA（变压吸附）联合工艺，成功应用于香港东北新界填埋场；该装置作为全球首套大规模垃圾填埋气净化回收CH4装置，设计处理量达15000Nm3/h，成功地将填埋气的CH4体积分数由～55%提高至＞92%，再送往香港中华煤气的工厂生产城市煤气。

香港东南新界填埋场的填埋气的主要组成及香港城市煤气热值、密度要求见表1。由于香港地区的管网煤气对热值要求不高，填埋气与其已经有些接近；故本次处理香港东南新界填埋场填埋气的方式是第二种，即将填埋气净化后，调节到合适的热值和密度，直接送入城市燃气管网。

该新项目采用了脱硫、深冷脱烃脱水、PSACO2，PSA-N2联合新工艺，一次性将填埋气处理为合格的管网燃气。

1 工艺原理与流程

1.1 工艺原理

从表1可以看出，要得到合格的产品，需要先净化脱除H2S等微量杂质，再脱除部分CO2以降低密度提高热值。脱除CO2采用了变压吸附法脱碳（PSACO2），为了将热值和沃泊指数调节到和燃气管网一致，在密度合格后，再往脱碳气加入少量由PSA-N2生产的N2来调整热值。

变压吸附（PSA）技术是工业气体分离的常用技术。其利用三种机理来实现气体的分离：平衡效应、动力学效应和位阻效应[5]。在本装置中，PSA-CO2的吸附剂利用平衡效应来实现CO2与CH4的吸附分离，填埋气的主要组份在某吸附剂表面的等温吸附曲线见图1。由图可以看出，该吸附剂对CO2的吸附量远大于对CH4等轻组分的吸附量，而且高压和低压的吸附量差异明显，故可以利用该吸附剂，实现对CO2和CH4的分离。

图1 填埋气主要组份在某吸附剂上等温吸附曲线

而PSA-N2工艺则利用空气中O2和N2组分在碳分子筛吸附剂的扩散速度差异，即动力学效应来实现O2和N2的分离，从而得到富氮气。两者在碳分子筛表面的吸附速度相大10倍以上[5,6]，故空气经空压机加压，再经过滤后进入吸附器，短时间内，O2被吸附在吸附剂表面，N2因为来不及被吸附而从吸附器顶部输出，从而制取体积分数达95%~99.99%的氮气。

1.2 工艺流程

工艺流程框图见图2。

图2 填埋气处理装置的工艺流程框图

填埋气进入压缩机增压后，送入脱硫系统脱除H2S，之后再送入深冷系统脱除掉H2O、高碳烃和硅氧烷类[7]。然后一部分送入PSA-CO2系统脱除掉部分CO2，得到密度较低的脱碳气。另一部分则走旁路。这种部分处理的办法，可以提高整体的回收率，并降低装置的投资、占地和能耗。

脱碳气与旁路气在混合系统1混合，得到密度已经合格的净化气，但热值高于设计值，故需加入N2降低热值。N2由PSA-N2制取，在混合系统2与净化气混合，因N2与净化气密度接近，故加入后不会对密度产生明显影响，还可增加产品气量。再经加臭，调压后，得到合格的产品气送至城市燃气管网。

2 装置调试运行

该项目由香港中华煤气集团投资建设。项目包括了本填埋气处理设施，调压站，以及两者间的12km输送管道等。经过各方的共同努力，装置已经于2017年10月投入运行，2018年1月通过考核验收，并有一年多的稳定运行。

2.1 调试运行情况

由于本装置负荷每天呈周期性变化，故要求各工段能在不同负荷下自动调整，以满足长周期安全稳定运行的要求。本装置的调试主要包括三步：首先将PSA-N2调试合格，确保能提供合格氮气和仪表空气，第二步是调试PSA-CO2，第三步是整体联调，难点在于控制各系统的处理比例，以确保在任何负荷下都能稳定输出合格的产品气。装置的运行结果见表2。

表2 装置运行数据

从表2可以看出，本装置既可将填埋气的密度调低，又可避免热值过高，可将处理后的产品气直接送入煤气管网，作为居民燃气使用。

2.2 三废处理

填埋场配套有发电机组，使用填埋气燃烧发电供填埋区的基础设施，如办公室、维修机房、抽水站以及污水处理厂等使用，多余的填埋气进入火炬焚烧；在本装置投运之后，多余的填埋气则不再焚烧，而是进入本装置回收CH4。而PSA的解吸气作为主要的废气返回填埋场的火炬燃烧。经高温焚烧后，转化为CO2和H2O，而其他有害物质也在高温火焰中被破坏[8]。

装置废液有两处：一是压缩机后气液分离器分离出的水，返回填埋场的污水处理厂进行处理；而深冷分离出来的有机废物，由于浓度较高，污水处理厂无法处理，故需送到相应的机构进行无害化处理。同东北填埋场的TSA处理工艺相比较，不需要定期更换TSA吸附剂，但需要处理废液。

本装置设计寿命10年，全寿命期内，PSA吸附剂都不需要更换，需要更换时可作固体废物处理。脱硫剂到寿命期后需更换，换下的脱硫剂作为固体废物处理。

3 结语

本装置的规模是同类型装置中亚洲最大的，设计每小时可生产8000Nm3合成燃气，按照0.25港币/MJ计算，年产值达2.7亿港币，扣除原料，能耗，人工费，设备折旧费等，每年利润可观，是香港大型节能减排环保项目之一，是变压吸附工艺在香港填埋场应用的又一成功案例，具有良好的经济效益和社会示范效应。

同时，该类型装置的成功建设，还得益于填埋场的填埋气收集设施的建设，比如收集井的布局，填埋场的密闭等，这些配套设施可提高填埋气收集率，回收甲烷才有效益。内地的垃圾填埋场早期大多都是裸露或者简易填埋，近些年才开始进行封闭工程，而随着国家对节能减排工作的重视和内地填埋场的封闭改造，类似的填埋气处理设施也将会得到大力推广。