張旋洲，楊 暉，何青松，陳 希，章夏夏，張晨光，何 亮

（北京環(huán)境工程技術有限公司，北京 100101）

北京市安定生活垃圾衛(wèi)生填埋場填埋氣收集制天然氣工程應用*

張旋洲，楊 暉，何青松，陳 希，章夏夏，張晨光，何 亮

（北京環(huán)境工程技術有限公司，北京 100101）

對北京市安定填埋場填埋氣收集及填埋氣制天然氣工程進行研究。利用數(shù)學模型對填埋氣收集量進行模擬計算，與實際收集量基本一致。填埋氣制天然氣工程工藝可行，運行穩(wěn)定，產(chǎn)品可達到常規(guī)天然氣技術標準，具有良好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

生活垃圾；填埋氣；填埋場

1 工程概況

安定生活垃圾衛(wèi)生填埋場是北京市西南線垃圾處理終端，位于大興區(qū)安定鎮(zhèn)境內(nèi)。該場為平原型填埋場，建于1996年，當年12月正式投入使用。設計填埋容量3.265×106m，設計日處理量為700 t。為確保北京市西南部垃圾處理線的正常運行，安定生活垃圾衛(wèi)生填埋場進行了擴建，目前平均日填埋量超過3 000 t。截至2016年，已累計填埋垃圾約1.2×107t。填埋氣收集制天然氣工程經(jīng)改造后填埋氣處理規(guī)模達到2.0×104m3/d。

根據(jù)CJ/T 313—2009生活垃圾采樣和分析方法對安定衛(wèi)生填埋場垃圾進行采樣、制備和測定［1］，得到其生活垃圾物理組成分類，如表1所示。

表1 安定填埋場生活垃圾物理組分 %

2 填埋氣收集

2.1 填埋氣收集系統(tǒng)

針對我國垃圾含水率高、填埋堆體高、一次作業(yè)面積大等特點，設計了“豎井集氣+水平導水”的填埋氣收集工藝，并結合填埋場全密閉膜覆蓋表面收集工藝作為輔助收集，獲得高品質(zhì)填埋氣，具有良好的收集效果。該系統(tǒng)設豎井66座、集氣站6座、填埋氣收集總管線 （HDPE100，DN400）800 m。集氣管線低點設置自動排水系統(tǒng)。

2.2 填埋氣成分

對填埋場填埋氣中CH4濃度進行檢測，選取9座填埋場集氣井口處采樣點及收集總管處采樣點取樣，檢測結果如表2所示。

表2 填埋氣中甲烷含量及熱值

由表2可知，甲烷的含量介于50%～57%，平均值為53.1%，高位熱值介于17 897～19 652 kJ/m3，平均值為18 634 kJ/m3。

2.3 填埋氣收集預測

根據(jù)CJJ 133—2009生活垃圾填埋場填埋氣體收集處理及利用工程技術規(guī)范第4部分填埋氣體產(chǎn)量估算，對安定生活垃圾衛(wèi)生填埋場垃圾填埋氣氣體產(chǎn)量進行分析計算［2］。

根據(jù)標準，垃圾填埋場填埋氣體理論產(chǎn)氣速率宜按下式逐年疊加計算：

式中：Gn為填埋場在投運后第n年的填埋氣體產(chǎn)氣速率，m3/a；n為自填埋場投運年至計算年的年數(shù)，a；Mt為填埋場在第t年填埋的垃圾量，t；f為填埋場封場時的填埋年數(shù)，a；L0為單位質(zhì)量垃圾的填埋氣最大產(chǎn)氣量，m3/t；k為垃圾的產(chǎn)氣速率常數(shù)，1/a。

根據(jù)國內(nèi)有關經(jīng)驗，垃圾的產(chǎn)氣速率常數(shù)k一般為0.10～0.15 a-1，這里k取0.10 a-1。依據(jù)垃圾中物理組分的含量，L0取79.1 m3/t。根據(jù)垃圾場填埋氣收集情況，收集效率取60%。

2011—2016年安定生活垃圾填埋場填埋氣收集量預測情況如表3所示。2016年填埋氣收集量達到3 433 m3/h，與預測值基本相當。

表3 安定生活垃圾填埋場填埋氣收集量預測情況

3 填埋氣制天然氣工藝

工藝參考GB 18047—2000車用壓縮天然氣和GB 17820—2012 天然氣的相關標準［3，4］，CNG 產(chǎn)品技術指標如表4所示，LNG產(chǎn)品的技術指標如表5所示［5］。

表4 填埋氣制天然氣工程CNG產(chǎn)品技術指標

表5 填埋氣制天然氣工程LNG產(chǎn)品技術指標

該工藝流程如圖1所示。填埋氣中雜質(zhì)成分較多，除硫化氫氣體外，還含有硫醇、硫醚、硅氧烷等雜質(zhì)，其含量波動較大，一般在0.01%～0.1%范圍內(nèi)，這些雜質(zhì)既會對設備管道造成腐蝕，又影響產(chǎn)品氣的品質(zhì)，應首先通過干法脫硫工藝予以去除；由于填埋氣在抽取過程中可能形成局部微負壓，不可避免導致少量空氣混入，氧氣的混入不利于產(chǎn)品氣達到車用天然氣含氧量小于0.5%的指標，因此通過脫氧工藝予以去除；填埋氣中除了甲烷氣體絕大部分是二氧化碳，體積含量一般為40%～45%，通過脫碳工藝將填埋氣中二氧化碳氣體予以去除；最后通過脫水單元將甲烷純度較高的產(chǎn)品氣露點降低至標準范圍內(nèi)，經(jīng)過加臭升壓儲存至鋼瓶中即得到20～25 MPa的CNG氣體。在脫碳工藝后進一步通過精脫碳單元將CO2含量降低至50 mL/m3以下，同時通過精脫水單元將H2O降低至1 mL/m3以下，通過純化單元除去汞元素等雜質(zhì)，利用MRC液化單元將氣體冷卻得到LNG儲存在LNG儲瓶中。

圖1 填埋氣制天然氣工藝流程

1）供氣增壓單元。該單元主要目的是去除填埋氣中的固體顆粒雜質(zhì)、冷凝水，防止?jié)B瀝液帶入設備中，同時將原料氣升壓至0.8 MPa，提高后續(xù)工藝脫硫效率。通過氣體過濾器、氣液分離器、沼氣壓縮機實現(xiàn)。

2）脫硫單元。該單元主要目的是去除原料氣中的H2S、硫醇、硫醚、硅氧烷等有機硫。通過2座干式脫硫塔實現(xiàn)，脫硫劑采用復合改性活性炭，適用于雜質(zhì)復雜的填埋氣。

3）脫氧單元。該單元主要目的是去除原料中混入的氧氣。通過直接催化燃燒法進行脫氧，脫氧過程中CH4與O2在催化劑的作用下反應生成CO2和H2O，該產(chǎn)物可在后續(xù)工藝中脫除，反應生成的熱量可預熱原料氣，減少運行能耗。

4）脫碳單元。該單元的主要目的是脫除原料氣中的CO2。通過真空變壓吸附（VPSA） 工藝，利用細孔硅膠對不同壓力的CH4和CO2吸附能力的差異進行物理分離，吸附壓力為0.6 MPa。

5）脫水單元。該單元的主要目的是進一步降低產(chǎn)品氣中的水露點。通過分子篩吸附脫水工藝實現(xiàn)。該設備為雙塔結構，可實現(xiàn)吸附和解析再生交替進行，連續(xù)工作。

6）壓縮單元。該單元的主要目的是將凈化后的產(chǎn)品氣升壓存儲于CNG鋼瓶中，根據(jù)國家規(guī)范要求，增壓前加入四氫噻吩臭劑，以便及時發(fā)現(xiàn)泄漏。

7）精脫碳單元。該單元的主要目的是進一步脫除原料氣中的CO2，達到制LNG的要求。該工藝采用真空變壓吸附（VPSA） 工藝，經(jīng)脫碳后CO2濃度小于50 mL/m3。

8） 深脫水單元。深脫水裝置由3臺干燥器、1臺加熱器、1臺冷卻器、1臺分離器組成。3臺干燥器中2臺為主干燥器，1臺為輔助干燥器。主干燥器干燥及再生交替進行，再生分加熱和冷卻2個步驟，經(jīng)干燥后的產(chǎn)品氣體中水含量小于1 mL/m3。

9） 純化單元。經(jīng)前處理合格后的壓力為0.4MPa的原料填埋氣進入原料氣壓縮機，增壓至2.4 MPa，經(jīng)過壓縮機自身的冷卻器冷卻后進入脫汞裝置。脫汞裝置采用活性炭吸附脫汞，從脫汞裝置出來的原料填埋氣的汞含量小于0.01 μg/m3。原料氣經(jīng)脫汞后進入粉塵過濾器進行過濾，過濾后的原料氣進入液化冷箱。

10）MRC液化單元。該單元主要目的是將天然氣降溫液化。采用混合冷劑循環(huán)的工藝流程，原料氣在冷箱內(nèi)經(jīng)混合冷劑冷卻、冷凝、過冷，并經(jīng)節(jié)流閃蒸分離后得到液化氣產(chǎn)品；分離出的氣相氣體經(jīng)過冷箱復熱到常溫以回收冷量。混合冷劑由制冷壓縮機壓縮并經(jīng)自身冷卻器冷卻后進入液化冷箱，混合冷劑液化并過冷后經(jīng)節(jié)流降壓進入液化冷箱換熱器底端，由下而上汽化為液化換熱器提供冷量，出液化冷箱后的混合冷劑返回到制冷壓縮機的入口，再次壓縮后循環(huán)制冷。

4 效益分析

安定生活垃圾衛(wèi)生填埋場填埋氣制天然氣工程改造后試運行期間取得了良好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。填埋氣處理能力可達2.0×104m3/d，設備運行穩(wěn)定可靠。每天可產(chǎn)出CNG 8 000 m3或LNG 5 000 m3（干態(tài)）。產(chǎn)品氣中甲烷可達99%以上，熱值可達39 MJ/m3，氧氣和硫化氫均未檢出，滿足國家現(xiàn)行天然氣相關標準的要求。

該系統(tǒng)生產(chǎn)1 m3CNG成本約1.2元，按天然氣2.0元/m3售價，年平均運行時間8 000 h計算，每年可獲得收益213萬元。

5 結論

填埋氣作為一種可再生能源，其回收利用既可以作為能源，又減少溫室氣體和污染物排放，具有環(huán)保和經(jīng)濟雙重效益。目前我國填埋氣利用模式比較單一，由于填埋場內(nèi)對電能和燃氣需求量不高，作為鍋爐燃料和發(fā)電能方式的利用率較低。安定填埋場填埋氣制天然氣工程工藝可靠，運行穩(wěn)定，具有很大的推廣價值。然而，近年來天然氣價格持續(xù)低迷，且填埋氣制天然氣缺乏相關政策、法律規(guī)范和標準，導致銷路不暢，是阻礙該技術推廣的主要原因。需國家和地方及早出臺有力的相關政策、法律規(guī)范和標準，支持填埋氣制天然氣資源化利用的發(fā)展。體收集處理及利用工程技術規(guī)范：CJJ 133—2009［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.生活垃圾采樣和分析方法：CJ/T 313—2009［S］.北京:中國標準出版社，2009.

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.生活垃圾填埋場填埋氣

［3］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.車用壓縮天然氣：GB 18047—2000［S］.北京:中國標準出版社，2000.

［4］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.天然氣：GB 17820—2002［S］.北京:中國標準出版社，2012.

［5］ 郭揆常.液化天然氣（LNG）工藝與工程［M］.北京：中國石化出版社，2014.

Application of Landfill Gas Collection to Make Natural Gas in Beijing Anding Domestic Waste Sanitary Landfill Site

Zhang Xuanzhou，Yang Hui，He Qingsong，Chen Xi，Zhang Xiaxia，Zhang Chenguang，He Liang
（Beijing Environment Engineering Technology Co.Ltd.，Beijing 100101）

The landfill gascollection system and the landfill gasupgrading plant in Beijing Anding domestic waste sanitary landfill site were studied.The predicted value by the mathematical model was basically consistent with the actual collection amount.The application of landfill gas upgrading into natural gas was feasible，and the plant running was stable.The product could reach the technical standard of natural gas.It was proved to have good social benefits，environmental benefits and economic benefits.

domestic waste；landfill gas；landfill

X701；X705

B

1005-8206（2017） 05-0081-04

科技部國家科技支撐計劃項目（2014BAC24B01）

2017-07-31

張旋洲（1984—），高級工程師，主要從事環(huán)境工程及沼氣利用的技術研究和設計。

E-mail：zhaogxuanzhou@besgrd.com。