摘　要：介紹填埋氣在國(guó)外的提純利用，比較我國(guó)填埋氣利用的三種方式(發(fā)電、熱能利用、提純代天然氣)，對(duì)填埋氣的摻混調(diào)制方案和與天然氣的互換性進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)能；  填埋氣；　提純；　摻混；  代天然氣

Research on Purification and Utilization of Landfill Gas in Municipal Solid Waste Landfill Site

Abstract：The foreign purification and utilization technologies of landfill gas are introduced．Three kinds of landfill gas utilization methods in China，ineluding power generation，thermal energy utilization and purification for producing substitute natural gas are compared．The blending of landfill gas and the interchangeability between landfill gas and natural gas are analyzed．

Keywords：biomass energy；landfill gas；purlfication；blending；substitute natural gas

1　概述

隨著全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源將越來(lái)越緊張，太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等新能源的開(kāi)發(fā)正值高潮。在新能源中，城市固體廢棄物填埋場(chǎng)填埋氣(以下簡(jiǎn)稱填埋氣)作為生物質(zhì)能的重要組成部分，正越來(lái)越受到各方面的重視。填埋氣是填埋場(chǎng)的有機(jī)廢物通過(guò)一系列化學(xué)以及生物反應(yīng)(主要是厭氧微生物作用下降解)后形成的混合氣體，主要成分為CH4、CO2以及其他微量成分如N2、H2S、NH3、硫醇、氯乙烯、甲苯、乙烷、氯甲烷、二甲苯等^[1]，其中CH4體積分?jǐn)?shù)約為45％～60％，CO2體積分?jǐn)?shù)約為35％～50％。

填埋氣的低熱值大約在16MJ／m³左右，雖然含有害物質(zhì)，卻是一種中低熱值的可燃?xì)怏w，若收集后加以利用，變廢為寶，可以成為一種新型綠色能源，同時(shí)也可解決填埋氣造成的安全和污染問(wèn)題。在這方面，發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)70年代就對(duì)填埋氣的利用進(jìn)行了研究，并已經(jīng)有了填埋氣利用的實(shí)例。1977年，世界上最早的填埋氣收集系統(tǒng)在美國(guó)加利福尼亞州南部建成，自此揭開(kāi)了填埋氣資源化利用的序幕。20世紀(jì)80年代中期，填埋氣被用于內(nèi)燃機(jī)和蒸汽輪機(jī)發(fā)電，90年代人們將填埋氣凈化處理后供給燃料電池或用作汽車燃料以及化工原料。到1995年，已有13個(gè)國(guó)家先后建設(shè)了246個(gè)填埋氣發(fā)電系統(tǒng)。

清華大學(xué)核能與新能源研究院在2006年8月做出的研究報(bào)告中指出，截至2006年6月，我國(guó)沼氣(包括填埋氣)資源總量有446×10⁸m³，如果按低熱值23.02MJ／m³折算，相當(dāng)于3500×10⁴t標(biāo)準(zhǔn)煤，可替代煤炭(低熱值為20.93MJ／kg)4900×10⁴t^[2]。填埋氣的利用符合國(guó)家對(duì)垃圾處理的資源化要求，也是國(guó)家鼓勵(lì)的可再生能源項(xiàng)目。

2　填埋氣提純利用的必要性

目前我國(guó)最常見(jiàn)的生活垃圾處理方法有焚燒、堆肥、填埋。我國(guó)現(xiàn)有的垃圾處理設(shè)施中約80％是填埋^[3]。按照國(guó)家頒布的垃圾處理技術(shù)政策，衛(wèi)生填埋將在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)作為國(guó)家城市生活垃圾處理的主要方式和最終手段。我國(guó)城市生活垃圾產(chǎn)量已達(dá)1.5×10⁸t／a左右，截至2010年堆存量逾60×10⁸t，預(yù)計(jì)城市垃圾產(chǎn)量還將以8％～l0％的速度遞增。長(zhǎng)期以來(lái)，符合標(biāo)準(zhǔn)的填埋場(chǎng)非常有限，大多數(shù)是簡(jiǎn)單堆放，堆放場(chǎng)氣體無(wú)組織釋放，技術(shù)水平較低，垃圾所產(chǎn)生的填埋氣處于無(wú)控制排放狀態(tài)。由于氣體的無(wú)序排放，上海、北京、重慶、岳陽(yáng)等城市都發(fā)生過(guò)填埋氣導(dǎo)致爆炸的事故^[4]。

2010年7月19日，深圳市被國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)列為全國(guó)八大低碳城市試點(diǎn)之一(發(fā)改氣候[2010]1587號(hào)《關(guān)于發(fā)展低碳省區(qū)和低碳城市試點(diǎn)工作的通知》)。該通知指出，推進(jìn)低碳技術(shù)研發(fā)、示范和產(chǎn)業(yè)化，培育壯大節(jié)能環(huán)保、新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，推進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有效控制溫室氣體排放，將是城市實(shí)現(xiàn)科學(xué)發(fā)展的必由之路。填埋氣提純利用項(xiàng)目的實(shí)施將徹底改變固體廢棄物填埋場(chǎng)填埋氣的焚燒處理方式，最大限度地減少焚燒等處理方式中污染物的排放，改善城市環(huán)境質(zhì)量，對(duì)城市經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能減排和城市環(huán)境優(yōu)化將起到積極的推動(dòng)作用。

3　填埋氣利用方式

3．1　填埋氣在國(guó)外的提純利用

填埋氣的收集利用在國(guó)外已經(jīng)有多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，2007年底，美國(guó)天然氣技術(shù)研究所(Gas Technology Institute，GTI)通過(guò)對(duì)27個(gè)填埋場(chǎng)提純的填埋氣樣品的分析，編寫(xiě)了一篇提純填埋氣進(jìn)入天然氣管網(wǎng)的指導(dǎo)性報(bào)告。經(jīng)過(guò)慎重分析，推薦了3種提純工藝^[5]：

①物理溶劑工藝(Physical Solvent，PS)，利用物理溶液吸收的方式，將垃圾填埋氣中的CO2等雜質(zhì)脫除。

②變壓吸附工藝(Pressure Swing Adsorption．PSA)。

③氣體分離濾膜工藝(Gas Separation Mem．brane，GSM)，利用纖維素膜或促進(jìn)傳遞膜將垃圾填埋氣中的CO2和CH4分離。

其中變壓吸附工藝早在1960年就已由Skarstrom提出，通過(guò)改進(jìn)于60年代中期投入工業(yè)化生產(chǎn)，至今變壓吸附的應(yīng)用已經(jīng)超過(guò)50a。在這幾十年中，隨著人們對(duì)吸附劑物理性質(zhì)的不斷研究，變壓吸附工藝也得到了相當(dāng)?shù)耐晟坪桶l(fā)展，使得變壓吸附從早期的一種輔助性操作，逐步發(fā)展成為煤化工、石油化工、冶金、電子、醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)及生物化工等領(lǐng)域中氣體分離的重要單元操作。變壓吸附技術(shù)于20世紀(jì)90年代廣泛運(yùn)用于固體廢棄物填埋場(chǎng)的填埋氣、農(nóng)場(chǎng)中的沼氣提純。美國(guó)Rumpke固體廢棄物填埋場(chǎng)作為俄亥俄州最大的固體廢棄物填埋場(chǎng)之一，使用變壓吸附設(shè)備提純填埋氣中的甲烷并輸入城市管網(wǎng)，截至2011年，已經(jīng)給25000個(gè)家庭供氣。

該技術(shù)先將原料氣由常壓經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓至50kPa，進(jìn)入采用兩臺(tái)預(yù)凈化器交替吸附的預(yù)凈化工序。預(yù)凈化器內(nèi)裝填有不同選擇性的吸附劑，可脫除原料氣中大部分的微量雜質(zhì)。再采取變溫脫氧初步將原料氣中的單質(zhì)氧脫離出來(lái)，再將填埋氣加熱到200～400℃，在耐硫脫氧催化劑床層發(fā)生氧化還原反應(yīng)進(jìn)行精脫氧，絕大部分的微量有機(jī)物和揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile Organic Compounds．VOC)被氧化成CO2和H2O，同時(shí)部分硫、磷、砷等雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為氧化態(tài)物質(zhì)。經(jīng)脫氧后的氣體在40℃下再通過(guò)變溫吸附(Temperature Swing Adsorption，TSA)工序，進(jìn)一步脫除其中的硫化物、其他微量雜質(zhì)等。脫除指標(biāo)可根據(jù)要求通過(guò)對(duì)TSA工藝操作參數(shù)和吸附劑的選擇進(jìn)行控制。TSA工序后，填埋氣由下至上通過(guò)胺液罐，脫除氣體中CO2(罐中的胺溶液通過(guò)吸收氣體中的CO2形成富液)，填埋氣從胺液罐出來(lái)之后，再通過(guò)分子篩對(duì)氣體進(jìn)行物理干燥脫水。在整個(gè)提純工藝過(guò)程中，均配備氣相色譜儀等在線檢測(cè)儀表，采取監(jiān)測(cè)措施對(duì)提純氣氣質(zhì)組分進(jìn)行有效控制。

3．2　填埋氣在我國(guó)的利用

填埋氣的收集利用在我國(guó)起步較晚，目前我國(guó)填埋氣的主要利用方式為填埋氣發(fā)電、填埋氣熱能利用和填埋氣提純代天然氣。

3．2．1填埋氣發(fā)電

填埋場(chǎng)填埋氣發(fā)電原理是將固體廢棄物填埋場(chǎng)產(chǎn)生的填埋氣通過(guò)收集系統(tǒng)集中，再通過(guò)預(yù)處理裝置凈化(除塵、除水等)、穩(wěn)壓后送入燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，發(fā)電后通過(guò)配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，將發(fā)出的電能輸送到電網(wǎng)(填埋氣發(fā)電工藝流程見(jiàn)圖1)。

3．2．2填埋氣熱能利用

填埋氣具有一定熱值，對(duì)工業(yè)區(qū)內(nèi)的燃燒器稍加調(diào)整便可對(duì)其加以利用，常見(jiàn)應(yīng)用有磚瓦廠燃料、鍋爐燃料等。其優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)氣體的熱值要求較低，通常填埋氣只經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單預(yù)處理即可利用，預(yù)處理費(fèi)用低。然而，這種利用方式只能用于一些簡(jiǎn)單的加熱工序，用途受到限制。同時(shí)，這種加熱利用方式要求周圍有大型的熱用戶，限制條件較多。

3．2．3填埋氣提純代天然氣

在我國(guó)，填埋氣提純工藝已經(jīng)運(yùn)用多年，技術(shù)相對(duì)安全可靠，國(guó)內(nèi)設(shè)備供應(yīng)商相對(duì)成熟，故造價(jià)和維護(hù)成本相對(duì)較低。提純氣經(jīng)壓縮后可制成CNG，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。另外，提純過(guò)程中已將硫等雜質(zhì)去除，燃燒時(shí)不會(huì)產(chǎn)生二次污染。提純氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)在88％以上，其熱效率高于同類發(fā)電和熱能利用項(xiàng)目。

3．3　利用方式的比較

填埋氣利用方式的比較見(jiàn)表1。

4　填埋氣的摻混調(diào)制

目前對(duì)于填埋氣發(fā)電等已有成熟應(yīng)用案例，但是對(duì)于提純代天然氣的公開(kāi)文獻(xiàn)國(guó)內(nèi)并不多。

提純氣作為代天然氣，需要滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB l7820—2012《天然氣》、GB／T l3611—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴贰Ｈ绻吵鞘械奶烊粴饣鶞?zhǔn)氣是12T，那么提純氣也應(yīng)滿足相應(yīng)的要求：高華白數(shù)滿足45.67～54.78MJ／m³的范圍，燃燒勢(shì)滿足36.3～69.3的范圍。如果提純氣不能滿足12T天然氣要求，則可以通過(guò)摻混氣體等調(diào)制方式(如與液化石油氣、純丙烷混合等)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

本文選取某固體廢棄物填埋場(chǎng)填埋氣提純氣進(jìn)行研究。假設(shè)該市的基準(zhǔn)氣為12T天然氣，采用提純氣與西氣東輸二線天然氣(以下簡(jiǎn)稱西二線氣)進(jìn)行摻混調(diào)制分析。

提純氣與西二線氣組成見(jiàn)表2，提純氣與西二線氣燃燒特性參數(shù)見(jiàn)表3。

提純氣的調(diào)制要求是在滿足l2T天然氣的情況下與西二線氣滿足燃?xì)饣Q性的要求。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)提純氣與西二線氣以體積比為1：1.5摻混時(shí)，調(diào)制氣高華白數(shù)為47.1MJ／m³，燃燒勢(shì)為37.36，滿足12T天然氣標(biāo)準(zhǔn)。

5　結(jié)論及展望

通過(guò)上述分析可知，填埋氣與西二線氣按照一定比例混合后，可以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB l7820—2012《天然氣》、GB／T l3611—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴返臍赓|(zhì)要求和互換性要求，是一種合格的代天然氣。

2012年8月，國(guó)家能源局發(fā)布了《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，明確地提出了可再生能源發(fā)展的目標(biāo)、任務(wù)和布局，提出了生物質(zhì)能年利用量為5000×10⁴t／a標(biāo)準(zhǔn)煤的目標(biāo)。填埋氣的提純利用符合國(guó)家對(duì)垃圾處理的資源化要求，是國(guó)家鼓勵(lì)的可再生能源項(xiàng)目。通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)的填埋技術(shù)、提純技術(shù)、混氣技術(shù)制取價(jià)格相對(duì)低廉、安全的提純氣，不僅能減少大量溫室氣體的排放，防止發(fā)生爆炸事故，同時(shí)還有效回收、利用可再生能源，是一項(xiàng)利國(guó)利民的能源綜合利用項(xiàng)目，且積極響應(yīng)了國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局于2002年10月發(fā)布的《中國(guó)城市垃圾填埋氣體收集利用國(guó)家方案》的要求。隨著我國(guó)生活水平的不斷提高，城市生活垃圾的處理也成為日益艱巨的工作，固體廢棄物填埋場(chǎng)填埋氣的提純利用，為城市發(fā)展和環(huán)境保護(hù)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展提供了新途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜娟．我國(guó)城市垃圾填埋氣資源化利用現(xiàn)狀及前景研究[C]//中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)．2010中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集：第四卷．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：3487-3489．

[2]顧樹(shù)華．中國(guó)沼氣資源和開(kāi)發(fā)利用[R]．北京：清華大學(xué)核能與新能源研究院，2006：2-3．

[3]李美，鄭志潔，朱躍武，等．成都市某垃圾處理場(chǎng)職工健康狀況研究[J]．現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué)，2013(3)：413-415．

[4]劉景岳，徐文龍，黃文雄，等．垃圾填埋氣回收利用在我國(guó)的實(shí)踐[J]．中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2007(10)：34-35．

[5]KAREN C，KRISTINE W．Guidance document for the introduction of landfill-derived renewable gas into natural gas pipelines[R]．Des Plaines(USA)：Gas Technology Institute．2012：6-10．

本文作者：賈揚(yáng)  陳運(yùn)文  羅彬

作者單位：深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司