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垃圾填埋气制取天然气的系统工艺及工程应用

文档作者：毛友泽齐东潮张胜利文档来源： 1．华电郑州机械设计研究院有限公司 2．北京环卫集团环境研究发展有限公司 3．北京华源惠众环保科技有限公司		点击数：	更新时间： 2022年11月19日
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第38卷第4期
2016年4月
华电技术
Huadian Technology
Vo1．38 No．4
Apr．2016
垃圾填埋气制取天然气的系统工艺及工程应用
毛友泽 ，齐东潮 ，张胜利。
(1．华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州450015；2．北京环卫集团环境研究发展有限公司，
北京100101；3．北京华源惠众环保科技有限公司，北京100082)
摘要：目前，填埋仍是城市生活垃圾处置的主要方式之一，垃圾填埋气资源化利用的潜力巨大。提出了一种完整的以
垃圾填埋气为原料制取天然气的系统工艺，并进行了工程化应用。以常规天然气标准作为产品技术指标，根据单元模块
化的设计理念确定了系统工艺流程。从工程应用情况看，该系统工艺技术可行，装置运行稳定，天然气产品品质完全符
合设计要求，具有较好的社会效益和经济效益。
关键词：垃圾填埋气；天然气；工艺；工程应用
中图分类号：X 705 文献标志码：A 文章编号：1674—1951(2016)03—0071—04
0 引言
目前，填埋仍是城市生活垃圾处置的主要工艺
之一。政府间气候变化专门委员会(IPCC)的报告
显示，21世纪以来，大气中CH 和CO 的体积分数
分别上升了151％和31％ ，其中5％ ～20％是由于
垃圾填埋而产生的⋯。然而，填埋气又是一种价值
很高的能源物质，以填埋气为原料的下游产品开发
仍有很大的空间。发达国家早在20世纪70年代就
已开始了对填埋气利用的研究，8O年代开始对填埋
气进行利用推广。我国垃圾填埋气利用起步较晚，
1998年10月，杭州天子岭垃圾填埋场填埋气发电
项目的投产运行，开创了我国填埋气资源化利用的
先河 j。近年来，随着国家对节能减排的重视及对
新能源经济发展的鼓励，国内兴起了大批填埋气发
电项目。相比之下，我国的填埋气利用技术发展相
对缓慢，设施相对单一。
经过深度净化处理的沼气实际上已经完全成为
纯正的天然气产品，燃烧特性与管输天然气完全一
致 j。填埋气净化提纯工艺的研究热点大多集中
在某一项或少量几项杂质组分的分离上，完整的工
艺技术鲜有介绍。如石磊等研究指出了目前国内外
常见的6种净化单元操作技术 J，有专利公开了一
种从垃圾填埋气中净化回收CH 的方法 J，但流程
设计上选择先脱除CO 后脱除0 ，脱氧反应需要补
充H 。
近年来，国内开始出现垃圾填埋气制取天然气
的试验性项目，但数量较少且早期建成的装置当前
均未运行。该类项目仍处于起步阶段，生产装置的
收稿日期：2015—12—09；修回日期：2016—04 —12
稳定性、经济性不强，主要原因在于系统集成工艺的
创新程度不高；另外，我国幅员辽阔，城市垃圾成分、
填埋场选址、填埋工艺及运营水平、填埋气收集利用
工艺等地区性差异很大：因此对经济性更强、可靠性
更高的生物天然气生产系统工艺的研究具有重要意
义，也有利于丰富、完善该技术路线，促进该产业的
良性、快速发展。
1 垃圾填埋气收集制取天然气的系统工艺
垃圾填埋气的成分根据垃圾成分、填埋年限、填
埋质量和收集方式的不同而有所不同，其中垃圾成
分对填埋气成分的影响最为重要。根据填埋气中各
成分的含量及存在的普遍性可分为以下3类。
(1)一类成分(主要成分)。包括CH 和CO ，
其体积占填埋气体总量的90％ ～99％ ，其中CH 占
45％ ～60％ ，CO2占30％ 一50％ 。
(2)二类成分(少量成分)。主要是指垃圾在生
物降解过程中产生的除CH 和CO：外的其他常见
的气体，包括0 ，N：，H：0，H：S，NH，等气体，这些气
体的含量较小，占填埋气体总量的10％以下。
(3)三类成分(微量成分)。主要是包括烷烃、
环烷烃、芳烃、卤代化合物等在内的挥发性有机物
(VOC)，总量一般不超过1％。这些气体虽然含量
极低，但种类多、成分复杂。它们主要来源于垃圾中
油漆、洗涤剂、干洗剂、空气清新剂等化学物质及其
残留物的挥发和生物降解。
典型填埋气的组分见表1。
1．1 产品技术标准
目前，我国还没有颁布以垃圾填埋气或其他厌
氧沼气等为原料制取天然气的产品和技术标准，有
研究人员将经过预处理的垃圾填埋气直接应用于
· 72· 华电技术 第38卷
表1 典型填埋气组分 ％
190系列天然气发动机时存在以下缺点 J：(1)填埋
气的热值比天然气低，发动机功率明显下降；(2)燃
烧速度低，排温高，可靠性差；(3)效率低，NO 排放
质量浓度高。
该系统的生物天然气产品设计指标是参考我国
现行的石化天然气标准，包括GB 18047-2000《车
用压缩天然气》 和GB 17820-2012《天然气》[s J，
要求生物天然气能够完全满足上述标准要求。
1．2 系统工艺流程
该系统工艺流程的设计主要考虑以下几个方
面：(1)垃圾填埋气中CO 体积分数接近40％ ，而国
内外化石能源油气田所产常规天然气中CO，的体
积分数一般不超过15％ ；(2)从垃圾填埋场污染控
制要求和垃圾填埋气规模化利用的角度考虑，填埋
气的收集采用主动导排的方式，原料气中必然会引
入空气，O 的引入增加了气体处理的安全风险，而
且车用压缩天然气对0 的体积分数有苛刻的要求
(不高于0．5％)；另外，N 的引入不利于生物天然
气的热值；(3)垃圾填埋气中除H，s外，其他有机硫
化物的种类多，并且总硫的体积分数波动范围很大
(0．005％ 一0．100％)；(4)垃圾填埋气中基本不含
c H ，C，H 等轻烃，不利于生物天然气热值的提高；
填埋气中硅氧烷的含量少且波动性大，宜采用协同
净化的方法予以去除。
垃圾填埋气中杂质组分较多，该系统的分离、提
纯工艺涉及多个操作单元，各单元之间既在流程上
相互独立，又在工艺参数上紧密衔接，因此在系统的
集成上采用单元模块化的设计理念，以保证工艺设
计的完整性、系统性。系统工艺流程如图1所示。
垃圾填埋气产生于垃圾堆体内部，经集中收集
后首先进入预处理系统，进行过滤、冷却脱水、气液
分离并增压，然后依次经过脱硫、脱氧、脱碳、干燥等
净化单元模块完成气体分离提纯，制得气质符合标
准要求的生物天然气，生物天然气加臭后经过压缩
机升压至20～25 MPa储存，即制得压缩天然气
(CNG)。
1．3 单元模块
(1)预处理单元模块。填埋气产生于垃圾堆体
内部，经收集管网输送来的原料填埋气含有较多的
固体杂质、冷凝水，甚至还会携带渗滤液。在预处理
单元模块，原料气经过过滤器、冷却器除去夹带的固
体颗料及冷凝水，然后经由压缩机升压至1．0 MPa
左右，同时经过冷却和气液分离进一步脱除饱和水。
(2)脱硫单元模块。采用吸附脱硫工艺，吸附
剂采用复合改性活性炭，硫容大，能有效去除填埋气
中H：s、硫醇、硫醚等；此外，脱硫单元可以协同脱除
硅氧烷。
填埋气中的大部分H S被氧化生成单质硫并
沉积在吸附剂孔道内，其他硫化物会直接吸附在吸
附剂表面上。相对于其他常用的脱硫工艺，如氧化
铁脱硫、生物脱硫、醇胺溶剂脱硫等，该方法更适用
于填埋气硫化物成分复杂、硫含量波动大的场合，对
填埋气处理量无要求，温度、压力等工艺参数适用范
围更宽，操作更简单；另外，填埋气中H 0和0 的
存在有利于脱硫精度的提高。
(3)脱氧单元模块。脱氧技术主要有碳燃烧
法、脱氧剂法、催化燃烧法等。碳燃烧法需要不断补
充特质活性炭，并且在高温条件下发生燃烧反应，能
耗很高，运营成本大；脱氧剂法利用变价金属(Cu，
Mn等)的多化合价性质，使其低化合价态的氧化物
与0，发生氧化还原反应，脱氧剂在使用前需要还原
活化且需要不断再生。
鉴于原料气以CH 为主，该单元模块采用直接
催化燃烧法进行脱氧。在催化剂的作用下，CH 与
0 反应生成H 0和CO 。该工艺相比于其他工艺
的优点是无需再生，可连续工作，并且无需加H 。
如图2所示，原料气首先经换热器预热至250—
280℃ ，然后在催化燃烧塔内0：与CH 发生反应，
生成产物为CO 和H20。产物CO：可与填埋气中
本身含有的CO 在后续脱碳单元中一并除去；产物
H，0经冷却后分离。反应为放热过程，所产生的
热量可以循环利用，即将高温产品气所带的热量用
图1 系统工艺流程

· 74· 华电技术 第38卷
表2 产品天然气抽样对比
很高；相对而言，填埋气原料易得，按照现有填埋场
污染控制标准，填埋气必须经过处理后排放，考虑到
处理成本，填埋气气源成本可以忽略不计，所以以填
埋气为原料的产品天然气利润空间很大，并且该类
型项目可就近在气源场内建设，无需单独征地。
3 结束语
填埋气的资源化利用项目具有能源和环保双重
有益效应，以我国目前该产业发展现状看，填埋气处
理利用方式偏单一，尤其对于千吨级以上规模的垃
圾卫生填埋场，限于场内的电负荷、热负荷不高，发
电、作为锅炉燃料等利用方式的资源利用效率偏低，
因此，以填埋气为原料制取天然气项目具有很大的
推广空间。另外，根据该类项目的工程应用情况，设
计与施工等项目建设标准、装备及材料的国产化水
平、产品气商业化政策及安全监管等应引起进一步
关注。
参考文献：
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[8]天然气：GB 17820-2012[S]．
(本文责编：刘芳)
作者简介：
毛友泽(1981一)，男，山东济宁人，工程师，工学硕士，
从事生物质燃气综合利用、天然气能源工程等方面的工作
(E—mail：maoyz@hdmdi．tom)。
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(本文责编：刘芳)
作者简介：
王珊丹(1984一)，女，内蒙古通辽人，工程师，从事电力
系统控制屏柜设计工作作(E—mail：648265377@qq．tom)。
申仲涛(1976一)，男，河北新乐人，高级工程师，从事电
力系统自动化方面的工作作(E—mail：shenzht@qq．com)。

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