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(shù)有限公司，北京 100101）

北京市安定生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)填埋氣收集制天然氣工程應(yīng)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(shù)有限公司，北京 100101）

對(duì)北京市安定填埋場(chǎng)填埋氣收集及填埋氣制天然氣工程進(jìn)行研究。利用數(shù)學(xué)模型對(duì)填埋氣收集量進(jìn)行模擬計(jì)算，與實(shí)際收集量基本一致。填埋氣制天然氣工程工藝可行，運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品可達(dá)到常規(guī)天然氣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

生活垃圾；填埋氣；填埋場(chǎng)

1 工程概況

安定生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)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(chǎng)為平原型填埋場(chǎng)，建于1996年，當(dāng)年12月正式投入使用。設(shè)計(jì)填埋容量3.265×106m，設(shè)計(jì)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(yùn)行，安定生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)進(jìn)行了擴(kuò)建，目前平均日填埋量超過(guò)3 000 t。截至2016年，已累計(jì)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(dá)到2.0×104m3/d。

根據(jù)CJ/T 313—2009生活垃圾采樣和分析方法對(duì)安定衛(wèi)生填埋場(chǎng)垃圾進(jìn)行采樣、制備和測(cè)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(chǎng)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(duì)我國(guó)垃圾含水率高、填埋堆體高、一次作業(yè)面積大等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“豎井集氣+水平導(dǎo)水”的填埋氣收集工藝，并結(jié)合填埋場(chǎng)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(shè)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(diǎn)設(shè)置自動(dòng)排水系統(tǒng)。

2.2 填埋氣成分

對(duì)填埋場(chǎng)填埋氣中CH4濃度進(jìn)行檢測(cè)，選取9座填埋場(chǎng)集氣井口處采樣點(diǎn)及收集總管處采樣點(diǎn)取樣，檢測(cè)結(jié)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(yù)測(cè)

根據(jù)CJJ 133—2009生活垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體收集處理及利用工程技術(shù)規(guī)范第4部分填埋氣體產(chǎn)量估算，對(duì)安定生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)垃圾填埋氣氣體產(chǎn)量進(jìn)行分析計(jì)算［2］。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體理論產(chǎn)氣速率宜按下式逐年疊加計(jì)算：

式中：Gn為填埋場(chǎng)在投運(yùn)后第n年的填埋氣體產(chǎn)氣速率，m3/a；n為自填埋場(chǎng)投運(yùn)年至計(jì)算年的年數(shù)，a；Mt為填埋場(chǎng)在第t年填埋的垃圾量，t；f為填埋場(chǎng)封場(chǎng)時(shí)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(guó)內(nèi)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)，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(chǎng)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(chǎng)填埋氣收集量預(yù)測(cè)情況如表3所示。2016年填埋氣收集量達(dá)到3 433 m3/h，與預(yù)測(cè)值基本相當(dāng)。

表3 安定生活垃圾填埋場(chǎng)填埋氣收集量預(yù)測(cè)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)［3，4］，CNG 產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)如表4所示，LNG產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)如表5所示［5］。

表4 填埋氣制天然氣工程CNG產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)

表5 填埋氣制天然氣工程LNG產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)

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(dòng)較大，一般在0.01%～0.1%范圍內(nèi)，這些雜質(zhì)既會(huì)對(duì)設(shè)備管道造成腐蝕，又影響產(chǎn)品氣的品質(zhì)，應(yīng)首先通過(guò)干法脫硫工藝予以去除；由于填埋氣在抽取過(guò)程中可能形成局部微負(fù)壓，不可避免導(dǎo)致少量空氣混入，氧氣的混入不利于產(chǎn)品氣達(dá)到車用天然氣含氧量小于0.5%的指標(biāo)，因此通過(guò)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(guò)脫碳工藝將填埋氣中二氧化碳?xì)怏w予以去除；最后通過(guò)脫水單元將甲烷純度較高的產(chǎn)品氣露點(diǎn)降低至標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)加臭升壓儲(chǔ)存至鋼瓶中即得到20～25 MPa的CNG氣體。在脫碳工藝后進(jìn)一步通過(guò)精脫碳單元將CO2含量降低至50 mL/m3以下，同時(shí)通過(guò)精脫水單元將H2O降低至1 mL/m3以下，通過(guò)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(chǔ)存在LNG儲(chǔ)瓶中。

圖1 填埋氣制天然氣工藝流程

1）供氣增壓?jiǎn)卧Ｔ搯卧饕康氖侨コ盥駳庵械墓腆w顆粒雜質(zhì)、冷凝水，防止?jié)B瀝液帶入設(shè)備中，同時(shí)將原料氣升壓至0.8 MPa，提高后續(xù)工藝脫硫效率。通過(guò)氣體過(guò)濾器、氣液分離器、沼氣壓縮機(jī)實(shí)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(jī)硫。通過(guò)2座干式脫硫塔實(shí)現(xiàn)，脫硫劑采用復(fù)合改性活性炭，適用于雜質(zhì)復(fù)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(guò)直接催化燃燒法進(jìn)行脫氧，脫氧過(guò)程中CH4與O2在催化劑的作用下反應(yīng)生成CO2和H2O，該產(chǎn)物可在后續(xù)工藝中脫除，反應(yīng)生成的熱量可預(yù)熱原料氣，減少運(yùn)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(guò)真空變壓吸附（VPSA） 工藝，利用細(xì)孔硅膠對(duì)不同壓力的CH4和CO2吸附能力的差異進(jìn)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(jìn)一步降低產(chǎn)品氣中的水露點(diǎn)。通過(guò)分子篩吸附脫水工藝實(shí)現(xiàn)。該設(shè)備為雙塔結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)吸附和解析再生交替進(jìn)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(chǔ)于CNG鋼瓶中，根據(jù)國(guó)家規(guī)范要求，增壓前加入四氫噻吩臭劑，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏。

7）精脫碳單元。該單元的主要目的是進(jìn)一步脫除原料氣中的CO2，達(dá)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(tái)干燥器、1臺(tái)加熱器、1臺(tái)冷卻器、1臺(tái)分離器組成。3臺(tái)干燥器中2臺(tái)為主干燥器，1臺(tái)為輔助干燥器。主干燥器干燥及再生交替進(jìn)行，再生分加熱和冷卻2個(gè)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(jìn)入原料氣壓縮機(jī)，增壓至2.4 MPa，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)自身的冷卻器冷卻后進(jìn)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(lái)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(jìn)入粉塵過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾后的原料氣進(jìn)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(guò)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(guò)冷箱復(fù)熱到常溫以回收冷量。混合冷劑由制冷壓縮機(jī)壓縮并經(jīng)自身冷卻器冷卻后進(jìn)入液化冷箱，混合冷劑液化并過(guò)冷后經(jīng)節(jié)流降壓進(jìn)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(jī)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(chǎng)填埋氣制天然氣工程改造后試運(yùn)行期間取得了良好的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。填埋氣處理能力可達(dá)2.0×104m3/d，設(shè)備運(yùn)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(dá)99%以上，熱值可達(dá)39 MJ/m3，氧氣和硫化氫均未檢出，滿足國(guó)家現(xiàn)行天然氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(jià)，年平均運(yùn)行時(shí)間8 000 h計(jì)算，每年可獲得收益213萬(wàn)元。

5 結(jié)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(jì)雙重效益。目前我國(guó)填埋氣利用模式比較單一，由于填埋場(chǎng)內(nèi)對(duì)電能和燃?xì)庑枨罅坎桓撸鳛殄仩t燃料和發(fā)電能方式的利用率較低。安定填埋場(chǎng)填埋氣制天然氣工程工藝可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，具有很大的推廣價(jià)值。然而，近年來(lái)天然氣價(jià)格持續(xù)低迷，且填埋氣制天然氣缺乏相關(guān)政策、法律規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致銷路不暢，是阻礙該技術(shù)推廣的主要原因。需國(guó)家和地方及早出臺(tái)有力的相關(guān)政策、法律規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)規(guī)范：CJJ 133—2009［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

［1］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.生活垃圾采樣和分析方法：CJ/T 313—2009［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［2］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.生活垃圾填埋場(chǎng)填埋氣

［3］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.車用壓縮天然氣：GB 18047—2000［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

［4］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.天然氣：GB 17820—2002［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［5］ 郭揆常.液化天然氣（LNG）工藝與工程［M］.北京：中國(guó)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(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAC24B01）

2017-07-31

張旋洲（1984—），高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境工程及沼氣利用的技術(shù)研究和設(shè)計(jì)。

E-mail：zhaogxuanzhou@besgrd.com。