填埋气体提纯制作液化天然气技术应用

2023-01-14广州环保投资集团有限公司广州环投环境服务有限公司广东中油燃气有限公司

环境卫生工程 2022年6期

广州环保投资集团有限公司，广州环投环境服务有限公司，广东中油燃气有限公司

【基本情况】

广州兴丰生活垃圾卫生填埋场（以下简称“兴丰场”）在引进石油天然气提纯液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）技术的基础上，采用建设-拥有-经营（BOO）的投资建设运营模式，针对填埋气体的特有组成成分，成功自主研发了“填埋气体提纯制作液化天然气技术”。项目占地约12 000 m2，总投资1.1 亿元，2020 年11 月出液进入试生产，2021 年7 月通过环保验收并取得充装证，8 月正式投产，每天提纯制LNG 71.43 t（相当于天然气1.0×105m3/d）。该项目是目前我国第1 个生活垃圾卫生填埋场填埋气提纯制LNG 的成功案例，主要采用了“填埋气体预处理（提纯）和液化”工艺，项目还攻克了络合铁湿法脱硫、真空变压吸附及甲基二乙醇胺（MDEA）脱二氧化碳、混合冷剂制冷液化等几项核心技术，项目投产后不仅有效解决了填埋场臭气扰民和环境污染问题，大幅减少了填埋场碳排放，而且还取得了很好的经济效益。广州兴丰生活垃圾卫生填埋场填埋气制LNG 项目现场如图1 所示。

图1 广州兴丰生活垃圾卫生填埋场填埋气制LNG 项目现场Figure 1 Project scene of LNG generated from landfill gas of Guangzhou Xingfeng Sanitary Landfill

【技术/案例原理及技术路线】

该项目工艺流程包括预脱硫净化、变压吸附提纯、精脱硫、精脱氧、精脱二氧化碳、液化、装车等。主工艺流程包括填埋气体预处理和液化工艺（图2）。

图2 主体工艺流程Figure 2 Main process flow

（1）预处理工艺。填埋气体预处理工艺主要是脱除原料气中所含的固体杂质、酸性气体（CO2、H2S）、氧、水和重烃。

脱硫单元：本项目含H2S 填埋气直接采用“络合铁湿法脱硫工艺”处理。含H2S（约0.03%）的填埋气原气，从前端集气站经轴流鼓风机加压至7 kPa 后输送至工厂界区，经入口过滤器去除气体中夹带的固体杂质，再经过罗茨风机增压至53 kPa 左右，冷却后进入水洗塔，进一步洗去气体中夹带的粉尘及水溶性杂质后，进入多级喷淋吸收塔，气体通过逆流接触，使H2S 与溶液中的Fe3+反应生产单质硫，Fe3+反应后被还原为Fe2+，Fe2+经过泵进入氧化塔，与通入的氧气发生氧化反应生成Fe3+，再通过泵打回喷淋吸收塔循环。此过程将填埋气中的H2S 从0.03%脱除至0.001%以下，低H2S 含量的填埋气，经水洗塔进一步清洗气体中夹带的硫磺颗粒后，通过水洗塔顶部的丝网去除游离水，进入下一工序的增压、变温吸附（TSP）及变压吸附（VASP）粗脱二氧化碳单元。

增压＆变压吸附脱碳单元：经脱硫单元后的低H2S 填埋气经压缩机加压后，通过变温吸附预处理装置脱除水、烃类及其他含臭杂质后，进入变压吸附装置粗脱二氧化碳。变温吸附装置吸附饱和后需要再生，再生气体来自液化单元的脱氮塔及装车过程中产生的蒸发气。变压吸附通过真空泵抽真空完成吸附饱和后的再生过程。

精脱氧及精脱硫单元：经变压吸附粗脱碳后的填埋气成分接近合格的天然气，甲烷约占89%、氧1.6%、二氧化碳2.5%。氧通过脱氧塔内的钯合金催化剂后，在280 ℃温度环境下与甲烷反应，工艺气经脱氧后，氧含量约0.005%，符合国家安全标准。H2S 经变压吸附已经完全脱除，但由于H2S 会使后续脱氧塔催化剂中毒，因此脱氧塔前端设置了干法脱H2S 塔。

二次增压单元：考虑到精脱二氧化碳的效率以及后面液化的最佳压力，此工艺在脱氧后设置了二次增压装置，将压力增至5 MPa。

甲基二乙醇胺（以下简称“胺液”）精脱碳单元：由于变压吸附粗脱碳及脱氧反应后均存在一定量的二氧化碳，需进一步精脱，避免对后续的液化造成影响。精脱二氧化碳采用胺液脱二氧化碳工艺，高压气体从吸收塔底部进入，贫胺液溶液通过贫胺液泵输送至塔顶，通过喷淋逆流接触及塔内的规整填料，使气体与贫胺液充分接触，二氧化碳被充分吸收。吸收二氧化碳后的富胺溶液在塔的压力下自流至再生塔再生，再生后的贫胺液通过贫胺液泵打至喷淋吸收塔完成循环。此工艺为可逆循环工艺，使用加热解析再生，再生热量来自装置孤岛发电厂的烟气余热。为避免二氧化碳堵塞液化单元冷箱，精脱碳后的气体中二氧化碳含量控制在0.005%以下。

（2）混合制冷液化工艺。本工艺采用混合制冷工艺，N2、CH4、C2H4、iC4H10作为液化所需的制冷剂，通过各组分的气-液相变及节流膨胀的控制，使每种组分在CH4液化的不同阶段提供不同的温度，调节制冷剂的组分，可以使制冷效率得到显著提升。

【技术/案例特点】

（1）工艺特点：全国唯一一个采用多级分离和自发电工艺的同类装置，全国第1 个使用填埋气提纯制LNG 的成功案例。

（2）设备国产化率：全部设备国产化率达到99%，设备造价只有国外进口设备的50%。

（3）产品质量：本项目所生产的LNG 产品经过第三方资质单位SGS 检测，甲烷含量达到99.16%，高位热值为36 810 kJ/m3（稍低于石油天然气热值的10%），用途与石油天然气一样。

（4）安全保障：全厂共安装了110 个气体泄漏和火灾检测探头，一旦发现气体泄漏和火情，可实现自动关闭气体输送阀门，防止气体爆炸等安全事故的发生。

【长效运行模式与机制】

业主单位广州环投环境服务有限公司通过公开招标的方式，与广东中油燃气有限公司签订《兴丰生活垃圾应急填埋场填埋气提纯制LNG 项目（沼气处理设施）合作合同》，广东中油燃气有限公司负责设施的投资、设计建设、运营维护及LNG 产品销售，广州环投环境服务有限公司负责填埋气的收集和输送、运营监管，双方收益按一定比例从LNG 销售收入中分成。合同期限为10 a，合同期满后，根据气体的质量和产量再讨论是否续签合同。项目在双方的共同商议下，根据相关的法律法规及行业规范，达成了安全高效共同管理运营机制，确保项目的环保及安全稳定运营。