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

關鍵詞：生物質能；  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

隨著全球經濟和社會發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源將越來越緊張，太陽能、風能、生物質能等新能源的開發(fā)正值高潮。在新能源中，城市固體廢棄物填埋場填埋氣(以下簡稱填埋氣)作為生物質能的重要組成部分，正越來越受到各方面的重視。填埋氣是填埋場的有機廢物通過一系列化學以及生物反應(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體積分數(shù)約為45％～60％，CO2體積分數(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，卻是一種中低熱值的可燃氣體，若收集后加以利用，變廢為寶，可以成為一種新型綠色能源，同時也可解決填埋氣造成的安全和污染問題。在這方面，發(fā)達國家早在20世紀70年代就對填埋氣的利用進行了研究，并已經有了填埋氣利用的實例。1977年，世界上最早的填埋氣收集系統(tǒng)在美國加利福尼亞州南部建成，自此揭開了填埋氣資源化利用的序幕。20世紀80年代中期，填埋氣被用于內燃機和蒸汽輪機發(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個國家先后建設了246個填埋氣發(fā)電系統(tǒng)。

清華大學核能與新能源研究院在2006年8月做出的研究報告中指出，截至2006年6月，我國沼氣(包括填埋氣)資源總量有446×10⁸m³，如果按低熱值23.02MJ／m³折算，相當于3500×10⁴t標準煤，可替代煤炭(低熱值為20.93MJ／kg)4900×10⁴t^[2]。填埋氣的利用符合國家對垃圾處理的資源化要求，也是國家鼓勵的可再生能源項目。

2　填埋氣提純利用的必要性

目前我國最常見的生活垃圾處理方法有焚燒、堆肥、填埋。我國現(xiàn)有的垃圾處理設施中約80％是填埋^[3]。按照國家頒布的垃圾處理技術政策，衛(wèi)生填埋將在長時間內作為國家城市生活垃圾處理的主要方式和最終手段。我國城市生活垃圾產量已達1.5×10⁸t／a左右，截至2010年堆存量逾60×10⁸t，預計城市垃圾產量還將以8％～l0％的速度遞增。長期以來，符合標準的填埋場非常有限，大多數(shù)是簡單堆放，堆放場氣體無組織釋放，技術水平較低，垃圾所產生的填埋氣處于無控制排放狀態(tài)。由于氣體的無序排放，上海、北京、重慶、岳陽等城市都發(fā)生過填埋氣導致爆炸的事故^[4]。

2010年7月19日，深圳市被國家發(fā)展和改革委員會列為全國八大低碳城市試點之一(發(fā)改氣候[2010]1587號《關于發(fā)展低碳省區(qū)和低碳城市試點工作的通知》)。該通知指出，推進低碳技術研發(fā)、示范和產業(yè)化，培育壯大節(jié)能環(huán)保、新能源等戰(zhàn)略性新興產業(yè)，推進低碳經濟發(fā)展，有效控制溫室氣體排放，將是城市實現(xiàn)科學發(fā)展的必由之路。填埋氣提純利用項目的實施將徹底改變固體廢棄物填埋場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)境質量，對城市經濟的可持續(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作用。

3　填埋氣利用方式

3．1　填埋氣在國外的提純利用

填埋氣的收集利用在國外已經有多年的運行經驗，2007年底，美國天然氣技術研究所(Gas Technology Institute，GTI)通過對27個填埋場提純的填埋氣樣品的分析，編寫了一篇提純填埋氣進入天然氣管網(wǎng)的指導性報告。經過慎重分析，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，通過改進于60年代中期投入工業(yè)化生產，至今變壓吸附的應用已經超過50a。在這幾十年中，隨著人們對吸附劑物理性質的不斷研究，變壓吸附工藝也得到了相當?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)境保護及生物化工等領域中氣體分離的重要單元操作。變壓吸附技術于20世紀90年代廣泛運用于固體廢棄物填埋場的填埋氣、農場中的沼氣提純。美國Rumpke固體廢棄物填埋場作為俄亥俄州最大的固體廢棄物填埋場之一，使用變壓吸附設備提純填埋氣中的甲烷并輸入城市管網(wǎng)，截至2011年，已經給25000個家庭供氣。

該技術先將原料氣由常壓經風機加壓至50kPa，進入采用兩臺預凈化器交替吸附的預凈化工序。預凈化器內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。再采取變溫脫氧初步將原料氣中的單質氧脫離出來，再將填埋氣加熱到200～400℃，在耐硫脫氧催化劑床層發(fā)生氧化還原反應進行精脫氧，絕大部分的微量有機物和揮發(fā)性有機化合物(Volatile Organic Compounds．VOC)被氧化成CO2和H2O，同時部分硫、磷、砷等雜質轉化為氧化態(tài)物質。經脫氧后的氣體在40℃下再通過變溫吸附(Temperature Swing Adsorption，TSA)工序，進一步脫除其中的硫化物、其他微量雜質等。脫除指標可根據(jù)要求通過對TSA工藝操作參數(shù)和吸附劑的選擇進行控制。TSA工序后，填埋氣由下至上通過胺液罐，脫除氣體中CO2(罐中的胺溶液通過吸收氣體中的CO2形成富液)，填埋氣從胺液罐出來之后，再通過分子篩對氣體進行物理干燥脫水。在整個提純工藝過程中，均配備氣相色譜儀等在線檢測儀表，采取監(jiān)測措施對提純氣氣質組分進行有效控制。

3．2　填埋氣在我國的利用

填埋氣的收集利用在我國起步較晚，目前我國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

填埋場填埋氣發(fā)電原理是將固體廢棄物填埋場產生的填埋氣通過收集系統(tǒng)集中，再通過預處理裝置凈化(除塵、除水等)、穩(wěn)壓后送入燃氣發(fā)電機組，發(fā)電后通過配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，將發(fā)出的電能輸送到電網(wǎng)(填埋氣發(fā)電工藝流程見圖1)。

3．2．2填埋氣熱能利用

填埋氣具有一定熱值，對工業(yè)區(qū)內的燃燒器稍加調整便可對其加以利用，常見應用有磚瓦廠燃料、鍋爐燃料等。其優(yōu)點在于對氣體的熱值要求較低，通常填埋氣只經過簡單預處理即可利用，預處理費用低。然而，這種利用方式只能用于一些簡單的加熱工序，用途受到限制。同時，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，填埋氣提純工藝已經運用多年，技術相對安全可靠，國內設備供應商相對成熟，故造價和維護成本相對較低。提純氣經壓縮后可制成CNG，具有較高的經濟價值。另外，提純過程中已將硫等雜質去除，燃燒時不會產生二次污染。提純氣中甲烷體積分數(shù)在88％以上，其熱效率高于同類發(fā)電和熱能利用項目。

3．3　利用方式的比較

填埋氣利用方式的比較見表1。

4　填埋氣的摻混調制

目前對于填埋氣發(fā)電等已有成熟應用案例，但是對于提純代天然氣的公開文獻國內并不多。

提純氣作為代天然氣，需要滿足現(xiàn)行國家標準GB l7820—2012《天然氣》、GB／T l3611—2006《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》。如果某城市的天然氣基準氣是12T，那么提純氣也應滿足相應的要求：高華白數(shù)滿足45.67～54.78MJ／m³的范圍，燃燒勢滿足36.3～69.3的范圍。如果提純氣不能滿足12T天然氣要求，則可以通過摻混氣體等調制方式(如與液化石油氣、純丙烷混合等)達到標準。

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

提純氣與西二線氣組成見表2，提純氣與西二線氣燃燒特性參數(shù)見表3。

提純氣的調制要求是在滿足l2T天然氣的情況下與西二線氣滿足燃氣互換性的要求。經計算，當提純氣與西二線氣以體積比為1：1.5摻混時，調制氣高華白數(shù)為47.1MJ／m³，燃燒勢為37.36，滿足12T天然氣標準。

5　結論及展望

通過上述分析可知，填埋氣與西二線氣按照一定比例混合后，可以滿足國家標準GB l7820—2012《天然氣》、GB／T l3611—2006《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》的氣質要求和互換性要求，是一種合格的代天然氣。

2012年8月，國家能源局發(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、任務和布局，提出了生物質能年利用量為5000×10⁴t／a標準煤的目標。填埋氣的提純利用符合國家對垃圾處理的資源化要求，是國家鼓勵的可再生能源項目。通過運用先進的填埋技術、提純技術、混氣技術制取價格相對低廉、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，同時還有效回收、利用可再生能源，是一項利國利民的能源綜合利用項目，且積極響應了國家環(huán)境保護總局于2002年10月發(fā)布的《中國城市垃圾填埋氣體收集利用國家方案》的要求。隨著我國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，固體廢棄物填埋場填埋氣的提純利用，為城市發(fā)展和環(huán)境保護之間的協(xié)調發(fā)展提供了新途徑。

參考文獻：

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本文作者：賈揚  陳運文  羅彬

作者單位：深圳市燃氣集團股份有限公司