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垃圾填埋气的收集、净化与利用综述

1.前言
    垃圾填埋气(LFG)是卫生填埋场的降解产物之一,除主要组分CH4、CO2外,其它已被检测出的物质有140种以上。这些填埋气无控制的迁移和聚积,会产生二次污染,引发燃烧爆炸事故;LFG又是一类温室气体,它对大气臭氧层有破坏作用,资料表明,CH4产生的温室效应比当量体积的CO2高20倍以上。
    资料表明,每吨垃圾在填埋场寿命期内大约可产生100~200m3的填埋气,其热值一般为7450~22350KJ/m3,脱水后热值可提高10%,除去CO2、H2S及其它杂质组分后,又可将热值提高到22360~26000KJ/m3(天然气的热值为37260KJ/m3),因此它又是一种潜在的清洁能源。
填埋气的回收利用开始于70年代,国外每年从LFG中回收的能量约相当于200万吨的原煤资源,LFG回收用于发电占55%、锅炉占23%、熔炉和烧窑占13%,管道供气占9%,目前,较新的填埋气利用技术还包括用作汽车的替代燃料,生产甲醇或者燃料电池等。
2002年11月《中国城市垃圾填埋气体收集利用国家行动方案》方案的出台,表明填埋气的回收利用继在鞍山、杭州、南京等地起步后,其更广泛的开发前景方兴未艾。本文主要围绕LFG的收集、净化和利用三个方面展开论述,供从事此项研究的科研人员参考。


2.填埋气的组成及其影响因素
    LFG的成分复杂,除垃圾特性外,其影响因素还包括温度、厌氧程度、养分及毒素、pH值、湿度、填埋年限与区域、填埋方式与类型等。
     (1)垃圾特性 垃圾中可降解的有机物含量,以及这些有机物中纤维素、蛋白质、脂肪的构成比例,对LFG的产生起着决定性的作用。其中,易降解有机物对填埋气的贡献最为直接,而较小的垃圾粒度也有助于填埋降解过程的加速。
   (2)温度 甲烷的最佳产生温度是40℃,此时其速率是30℃的3倍;当温度升至60℃时,甲烷的产生几乎停止。Chaiampo等的研究表明,在1-5m处,中温甲烷菌起主要作用,而在更深的垃圾内部,则嗜热甲烷菌起主要作用。
   (3)厌氧程度 甲烷菌是严格厌氧的,少量氧气(空气)的存在对垃圾降解速度影响不大,但对填埋气中甲烷的组成有很大影响。
   (4)养分与毒素 垃圾降解中起发酵作用的细菌,需要适当的养分(氮、磷、钾等)才能良好生长,若其中C/N比值较低,垃圾降解将变缓,产气量会下降;垃圾中如含有过量的、对降解垃圾的微生物有毒害作用的毒素,则不利于填埋气的产生。
   (5)pH值 甲烷菌最适宜的pH值范围为6.8~7.5,高于或低于此值,甲烷的产生速率和产生量都有明显下降。
   (6)湿度 当湿度为55%时,微生物、养分和被降解垃圾之间的接触程度大,促进了微生物的代谢,填埋气产量比33%的湿度有明显提高;但过多的含水量将会起到降温作用,并且阻滞气体的流动,导致气体产量的降低。
   在有些填埋场内,季节性温度变化会影响气体的产出,如填理场埋藏较浅,在寒冷季节,其气体产率将大大降低。另外,同一填埋场不同位置的气体产量也会有很大变化,因为垃圾分布往往是不均匀的。填埋气的典型组成如表1所示。
表1 填埋气的典型组成
主要组分浓度(体积,%)     硫化物类浓度(体积,ppm)                卤代物类浓度      VOCs类浓度
CH4                 41-48                   硫化氢103.0                                      二氯乙烯33          苯0.4-2.0
CO2                 32-40                     甲硫醇3.0                                        二氯乙烷0.25       苯乙烯0-0.5
N2                    15-20                     乙硫醇0.5                                        三氯乙烯2.8         甲苯4.7-35.0
H2O                   3-5                        甲硫醚8.0                                       三氯氟甲烷0.6      乙苯3.5-13.0
O2                   0.1-0.5               二甲基二硫醚0.02                                四氯乙烯6.3          氯苯0.1-1.0
CO                    0-0.3                      硫化羰<0.5                                     二氯甲烷12.0        异戊烷0-0.097
NH3                  0-0.3                     二硫化羰<0.5                                   氯乙烯1.4             正戊烷0-0.018
总计:总硫(以H2S计)115.5   总氯(以Cl计)56.35     总VOCs51.60
   由表1可知,LFG中含量较高的惰性组分CO2和N2会降低其作为燃料的热值、增加集输费用;在燃烧过程中,LFG中的H2S、H2O和卤化物会形成腐蚀性酸,如H2SO4、HCl等;硅氧烷在高温下能转化为氧化硅,这种白色的粉末会堵塞或损害设备;其它有害的微量物质,如烃类、硫醇类、和挥发性有机物(VOCs)等,也会对LFG的燃烧特性造成不利影响。因此,利用之前,应进行浓缩与净化处理,以除去其中的惰性组分和有害气体。


3.填埋气的收集、运输与贮存
3.1填埋气的收集
   LFG的收集系统由收集井、集气柜、输气管道和抽气泵站等组成。填埋场内产生的气体,借助压差流向特定的收集井,通过输气管道引至集气柜后,再集中输往抽气泵站。富集的LFG经冷凝脱水后即可供直接燃烧,或经净化处理送入内燃机或发电机组。
   LFG的导出和收集通常有两种形式:即竖向收集导出和水平收集导出方式。前者应用较广,它是在垃圾填埋过程中逐步建成的系统,其方法是在填埋场内均匀布置立式大口径钢管,在每个钢管外砌筑竖井,当填埋厚度达到2~5米时,将钢管向上抽一部分,并继续砌筑,直到填埋场达到设计高度,然后将钢管移走。通过将各坚井用排气管水平连接,即可实现垃圾填埋与气体回收同步进行。
   3.2 填埋气的输送
不论采用竖井还是水平管线收集,最终均需要将填埋气汇集到总干管进行输送。输气管道除设置有必要的控制阀、流量压力监测仪和取样孔外,还应考虑冷凝液的排放。输送系统也有支路和干路,干路之间相互联系形成一个闭合回路。因此,压力差的计算要考虑最远的支路和干路。
井头的管道必须充分倾斜,以提供排水能力,集气干管一般要3%的坡降,对于更短的管道系统甚至要有6%~8%的斜率。为排出冷凝液,在干管底部可设置冷凝液排放阀。
   3.3填埋气的贮存
国外填埋气厂一般都有贮气系统,以储备气体,满足消费需求。贮气技术按压力大小分为低压、中压和高压贮存三种。70年代有人尝试使用液化贮存,由于甲烷的液化临界点为-82.5℃,工艺复杂,技术要求和成本高,不适于LFG贮存,逐渐被淘汰。低压贮存要求压力小于5kPa,有干、湿两种,这种贮存技术最大的缺点是气柜容积大,占地面积大。中压贮存压力保持在1~2MPa,气柜容积比低压要小,为1~100m3,中小型填埋场多使用这种技术。目前,最受青睐的贮气技术为高压贮存。贮气容器为30或50L的钢瓶,压力150、250、330、35MPa不等,贮气量大,体积小。缺点是H2S,CO2对压缩设备有腐蚀作用,但就净化过的LFG而言,无须考虑这种隐患。 


4.填埋气的净化
   LFG在回收利用之前,应脱除其中的惰性气体(如CO2、N2等)和有害的微量组分(H2S、硅氧烷、卤代烃、VOCs等),以增加燃烧热值、降低集输费用。
   LFG的净化步骤包括:颗粒与水脱除的预处理、深冷脱氮、酸性气体和微量组分的脱除等,涉及到的单元操作有:过滤、深冷、吸收、吸附、膜分离等。由于组分的复杂多变,根据LFG的最终用途,通常需要联合多种工艺对其进行净化处理。
   4.1填埋气的预处理
杂质颗粒和水的脱除是填埋气净化的第一步,常用的吸收溶剂有聚乙二醇、氯化钙溶液、甘醇类化合物;固体吸附剂有活性氧化铝、硅胶、分子筛等;所用的物理单元有筛网、预过滤器、气液聚结器、冷凝器、重力沉降器、旋风分离器和过滤分离器等。近来,膜分离和低温相变分离在颗粒和水的脱除研究上也有了新的进展。
   4.2深冷处理
   深冷脱氮工艺具有处理量大,脱除效率高、技术成熟可靠等优点,应成为我国优先发展的填埋气脱氮技术。深冷脱氮工艺是将具有一定压力的填埋气经多次节流降温后部分或全部液化,再根据氮气与甲烷相对挥发度不同,用精馏的方法脱除氮气。
   深度冷冻处理,还可除去LFG作为燃料燃烧时,会引起发动机严重腐蚀的杂质组分。它先将气体压缩至一台加压罐,通过等焓膨胀冷凝其中的水蒸气;然后向气体中注入甲醇,使其深度制冷;在甲醇冷凝液中,即包含有从深度制冷的填埋气中脱除的杂质组分,经杂质分离脱除后的气体,则可作进一步处理。
   4.3吸附分离
   吸附分离是通过吸附剂对气体组分的选择性吸附来实现的。可净化填埋气的吸附剂有活性炭、硅胶、分子筛等,其中活性炭因其较大的表面积、良好的微孔结构、多样的吸附效果、较高的吸附容量和高度的表面反应性等特征,应用最为广泛。
   近年来,变压吸附(PSA)已发展成为一种新型高效的气体分离技术,它是通过改变被吸附组分的的分压,使吸附剂得到再生,而分压的快速变化又是靠改变系统总压或使用吹扫气体来实现的。在填埋气的净化操作中,CO2及杂质气体在加压下的吸附单元中被选择性吸附,使其与CH4分离,随后于再生单元中减压后解吸,使其排出系统,吸附剂得到再生。
   4.4膜分离
   膜分离技术具有分离效率高、能耗低、设备简单、工艺适应性强等特点,近年来,性能优异的新型膜材料不断涌现,使得气体膜分离技术在填埋气净化上获得了广泛应用。它是利用填埋气中各种气体组分对渗透膜选择透过速率的不同,将CH4与其它杂质气体分离的。
   由于气体分离效率受膜材料、气体组成、压差、分离系数以及温度等多种因素的影响,且对原料气的清洁度有一定要求,膜组件价格昂贵,因此气体膜分离法一般不单独使用,常和溶剂吸收、变压吸附、深冷分离、渗透蒸发等工艺联合使用。
   4.5生物净化
   针对填埋气成分复杂、气量大、杂质组分浓度低的特点,可使用生物过滤床脱除其中的微量组分。当填埋气流经滤床时,通过扩散作用,将污染成分传递到生物膜上,并与膜内的微生物相接触而发生生化反应,从而使填埋气中的污染物得到降解。澳大利亚和美国等的实验结果表明,该法具有操作简单,适用范围广、经济、不产生二次污染等许多优点,是很有前途的净化工艺。
   4.6溶剂吸收
   近年来,MDEA(甲基二乙醇胺)法因其设备成本低、操作简便,净化效果好,而引起了广泛关注。据报道,常压多胺法可以有效去除CO2,解吸气中的甲烷含量低于0.2%,其回收率大于96%。美国的Freshkiese垃圾场已用这一工艺成功地脱除垃圾填埋气中的CO2,并人天然气管网进行发电。
物理吸收法能耗低,适用于CO2分压较高的填埋气净化,但由于CO2和H2S在水中的溶解度太低,需要添加一些有机溶剂,以求更好的净化效果。目前工业上使用的物理-化学吸收法主要有:Fluor法、NHD法、Rectisol法、Purisol法和环丁砜法等。
   4.7填埋气净化的联合工艺
近年来,填埋气净化的单一工艺、新型工艺和联合工艺层出不穷,这些工艺大都是从天然气净化工艺及传统的化工工艺发展而来的。典型的联合工艺有物理分离-化学氧化洗涤-催化吸附、深冷-溶剂吸收-膜分离、生物过滤-变压吸附-分子筛过滤等等,它们不仅使填埋气的净化效率大大提高,其工艺经济性也越来越接近实用化的水平。


5.填埋气的回收利用
   目前,有20多个国家的270多个垃圾填埋场安装了填埋气的回收利用装置,利用途径包括:①直接燃烧产生蒸汽,用于生活或工业供热;②通过内燃机发电,作为运输工具的动力燃料;③用于CO2工业;④用于制造甲醇的原料;⑤经深度净化处理后用作管道煤气等。其中发电、民用燃料和汽车燃料是三种最为普遍的利用方式。
   5.1填埋气用于发电
   相对于其它可再生能源的发电技术,LFG因其短时可贮存性、较强的调峰能力、适中的发电容量、更易被电网吸收,而成为国际上应用最广泛的技术之一。与垃圾焚烧发电相比,LFG发电投资小,运行费用仅为后者的1/4左右。经过净化处理的填埋气,以稳定的温度进入发电机,燃烧转化所产生的电力可传输到电力输出终端站,并入当地电网供用户使用。
   我国南京、杭州、广州等地的填埋气发电项目已经启动,南京水阁卫生填埋场最大装机容量为 5 兆瓦,目前每小时处理甲烷气体400m3,月发电总量达80万度。
   5.2作为民用燃料
   在填埋场附近有小村镇和居民区的情况下,纯化后的填埋气是优良的居民生活燃气,并且接入方便,其技术装备均可以采用常规的城市煤气设备。我国已经有填埋气供民用的经验,只要有合适的用户,填埋气供民用基本上无技术障碍。其限制因素主要是:①LFG成分复杂多变,对于含氧、氮等杂质较多的低热值填埋气,如用作管道煤气使用,浓缩的要求高,对净化设备及其运行的要求也高;②填埋场附近一般无大型居民区,气体输送设施的投资可能使得供气成本过高,居民难以接受。
   5.3汽车燃料
   LFG经深度处理,将CO2含量降至3%以下并除去有害成分后,可以像天然气一样作为汽车燃料。如图2所示,鞍山废弃物处理中心采用先进的压缩天然气技术,通过常压多胺法对回收后的LFG进行净化,CH4净化率高达98.5%,目前该市日回收LFG10000m3,随规模增大,三年后可完全满足全市汽车燃料的供应。

压缩LFG燃料由于受到生产量和产生地点的限制,加上来自燃油和压缩天然气的竞争,因此在近期很难达到商业化规模经营的程度。目前压缩LFG燃料可选择的主要用户是垃圾专用运输车辆,其优点是无需在填埋场之外再建加气站,即可大幅度降低燃气的成本。


6.结论
   LFG是以甲烷为主的可燃气体,既会引起二次污染、造成温室效应;经收集、净化处理后,又可作为清洁能源加以回用。
(1)研究LFG的组成及其影响因素,规范收集、输送和贮存系统的设计方法,是抑制其无控释放、增大收集效率和进行回收利用的基础。
(2)LFG中惰性气体和有害组分的净化步骤包括:颗粒与水脱除的预处理、深冷脱氮、酸性气体和微量组分的脱除等,涉及到的单元操作有:过滤、深冷、吸收、吸附、膜分离等。因其组分复杂多变,常需要联合多种工艺进行净化处理。
(3)以发电、民用燃料和汽车燃料为代表的LFG利用技术已逐步实用化,根据我国城市年产近1.4亿吨垃圾的实际,建立配备填埋气回收装置的卫生填埋场有显著的环境效益和经济效益,应大力支持和推广。

[来源:博士论坛] [作者:王磊] [日期:08-10-20]

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