垃圾填埋沼气的收集、净化与利用综述

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CH4,CO2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,CH4产生的温室效应比当量体积的CO2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100～200m3的沼气,其热值一般为7450～22350kJ・m-3,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・m-3(天然气的热值为37260kJ・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CO2和N2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H2S、H2O和卤化物会形成腐蚀性酸,如H2SO4、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。
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
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。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,即包含有从深度制冷的填埋沼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。

413 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。可净化填埋沼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[14]。
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。在填埋沼气的净化操作中,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。414 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沼气净化上获得了广泛应用。它是利用沼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[15]。

513 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。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9815%,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。下图2为填埋沼气制备汽车燃料的示意图

415 生物净化针对填埋沼气成分复杂、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。当沼气流经滤床时,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,从而使沼气中的污染物得到降解。美国的实验结果表明,该法具有操作简单,适用范围广、不产生二次污染等许多优点,是很有前途的净化工艺[10]。416 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114亿吨垃圾的实际,建立配备填埋沼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。