垃圾填埋沼气的收集_净化与利用综述

收稿日期:2003-10-31 修回日期:2004-01-08

作者简介:石磊(1977-)男,在读博士生,主要从事城市垃圾填埋场的污染控制和资源化研究。

垃圾填埋沼气的收集、净化与利用综述

石　磊,赵由才,唐圣钧

(同济大学环境工程与科学学院污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海　200092)

摘　要:垃圾填埋沼气的回收利用是一项经济可行且对环境有益的技术。本文从填埋沼气的组成及其影响因素出发,探讨了沼气的收集、输送和贮存途径,介绍了当前的净化工艺,最后总结介绍了几种填埋沼气利用技术的特点及其适用性,并提出建立配备填埋沼气回收装置的卫生填埋场应成为我国城市垃圾处理的发展方向。关键词:垃圾填埋场;填埋沼气;气体收集;净化;利用;联合工艺

中图分类号:X 705;S21614 文献标识码:A 文章编号:1000-1166(2004)01-0014-04

R eview on Land fill G as Collection ,Purification and U tilization /SHI Lei ,ZH AO You 2cai ,TANG Shen 2Jun /(State K ey Lab 2oratory of Pollution Control and R esource R euse ,Tongji U niversity ,Sh angh ai 200092,P.R.China)

Abstract :The technology of recovery and utilization of land fill gas (LFG )from municipal s olid waste (MSW )land fill sites is cost effec 2tive and environment friendly 1Based on its constituents and in fluencing factors ,this article firstly discusses LFG collection ,delivery and storage ,then introduces its current purification processes ,finally the characteristics of several techniques of LFG utilization and their ap 2plicability for China are summarized ,and it is proposed that the future trend of MSW disposal in China is to develop and build the sani 2tary land fill sites which installed with the facilities of LFG recovery and utilization 1

K ey w ords :land fill site ,land fill gas (LFG ),gas collection ,purification ,utilization ,joint process

1　前言

垃圾填埋沼气(LFG )是卫生填埋场的降解产物

之一[1],除主要组分CH 4,C O 2外,其它已被检测出的物质有140种以上[2]。这些气体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,CH 4产生的温室效应比当量体积的C O 2高20倍以上[3]。

资料表明[4,5],每吨垃圾在填埋场寿命期内大约可产生100～200m 3的沼气,其热值一般为7450～22350k J ・m -3,脱水后热值可提高10%,除去C O 2,H 2S 及其它杂质组分后,又可将热值提高到22360～26000k J ・m -3(天然气的热值为37260k J ・m -3),因此它又是一种潜在的清洁能源。

填埋沼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,较新的沼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[6,7]。

2002年11月《中国城市垃圾填埋气体收集利用

国家行动方案》的出台,表明填埋沼气的回收利用继

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　填埋沼气的组成

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[8]。填埋沼气的典型组成如表1所示[6]。 由表1可知,LFG 中含量较高的惰性组分C O 2和N 2会降低其作为燃料的热值、增加集输费用[9];在燃

烧过程中,LFG 中的H 2S 、H 2O 和卤化物会形成腐蚀性酸,如H 2S O 4、HCl 等[10];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[11];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[12]。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。

表1　填埋沼气的典型组成

主要组分浓度

/%

微 量 组 分　/ppm

硫化物类浓度卤代物类浓度VOCs类浓度

CH441～48硫化氢10310二氯乙烯33苯014～210 CO232～40甲硫醇310二氯乙烷0125苯乙烯0～015

N215～20乙硫醇015三氯乙烯218甲苯417～3510 H2O3～5甲硫醚810三氯氟甲烷016乙苯315～1310 O2011～015二甲基二硫醚0102四氯乙烯613氯苯011～110 CO0～013硫化羰<015二氯甲烷1210异戊烷0～01097 NH30～013二硫化羰<015氯乙烯114正戊烷0～01018总计约100总硫11515总氯56135总VOCs51160

(以H2S计)(以Cl计)

3　填埋沼气的收集、输送与贮存

311　沼气的收集

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。通过将各竖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。

312　沼气的集输

不论采用竖井还是水平管线收集,最终均需要将沼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。

313　沼气的贮存

国外填埋沼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-8215℃,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,C O2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　填埋沼气的净化

LFG在回收利用之前,应脱除其中的惰性气体(如C O2,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。

411　沼气的预处理

杂质颗粒和水的脱除是沼气净化的第一步,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。

412　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沼气脱氮技术。深冷脱氮工艺是将具有一定压力的沼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引起发动机严重腐蚀的杂质组分[13]。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