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快速变压吸附技术在提纯垃圾填埋气的应用

文档作者：白学萍金海霞文档来源：瑞必科净化设备(上海)有限公司		点击数：	更新时间： 2022年11月19日
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第37卷第1期
2017年1月
煤气与热力
GAS ＆ HEAT
Vo1．37 No．1
Jan．2017
· 燃气气源与加工利用·
快速变压吸附技术在提纯垃圾填埋气的应用
白学萍， 金海霞
(瑞必科净化设备(上海)有限公司，上海201613)
摘要： 阐述生活垃圾填埋气概况及沼气提纯生产生物天然气方法，提出快速变压吸附技术
原理、装置及流程，指出利用动力学分子直径的差异及可将CH 和N：有效分离。列举提纯生活垃
圾填埋气应用实例，应用快速变压吸附技术可得到满足车用压缩天然气标准的生物天然气。
关键词： 快速变压吸附； 动力学分子直径； 填埋气提纯； 生物天然气
中图分类号：$216．4 文献标志码：B 文章编号：1000—4416(2017)01—0B21—05
作者简介：白学萍，女，工程师，硕士，主要从事适用于
垃圾填埋气体、废水处理和厌氧消化池气体的生物气净化
设备的设计。
1 概述
随着经济的发展和社会的进步，中国进入了高
生产、高消费和大量排放废物的时代，城市生活垃圾
处理问题越来越引起整个社会的关注。我国每年产
生城市垃圾约2×10 t，并且近年来仍以10％ 的速
度增长 。垃圾处理主要有填埋、堆肥和焚烧3种
方法。2013年，我国生活垃圾无害化处理量达到
15 394×10 t，其中生活垃圾卫生填埋无害化处理
10 492．7×10 t，占比68．2％ 。垃圾填埋气是有
机物在无氧气的环境中生物降解的产物。据调查，
收稿日期：2016—02—17； 修回日期：2016—11—07
我国城市生活垃圾的有机物主要以厨余、果皮、草木
类废物为主，质量分数达35％ 一75％ ，而我国每年
有近1×10 t垃圾被填埋，垃圾填埋气产量十分可
观 。
如果不利用这些填埋气，会造成环境污染。填
埋气中甲烷的体积分数为50％ ～60％ ，而甲烷会导
致地球的温室效应的加剧和造成填埋场爆炸，甲烷
的温室效应(全球变暖潜值)是二氧化碳的21
倍L4 。同时甲烷又是一种极具价值的能源，应得到
充分利用。沼气经过提纯后可提高甲烷的含量，使
气体热值提高。我国垃圾填埋气提纯利用还处在起
步阶段，国外将垃圾填埋气作为一种新型的能源用
于管网供气或作为机动车燃料已经相对成熟。
2 生活垃圾填埋气概况
城市生活垃圾在填埋的最初阶段(一般为6～
l8个月)，土壤中的氧持续被好氧菌消耗掉，产生了
厌氧环境；在厌氧环境中，由于厌氧微生物的作用，
垃圾中的有机物被分解产生甲烷和二氧化碳等气
体，统称为填埋气。不同文献所列垃圾填埋气的组
成见表1，填埋气中可燃气体体积分数为60％以上，
当然，随着垃圾填埋场的条件、被填埋废物的特性、
压实程度、填埋的温度等条件不同，所产生的填埋气
的组成也不同。
· B 21 ·
第37卷第1期 煤气与热力
表1 不同文献所列垃圾填埋气的组成
文献[5]组分 所列垃圾填埋气 文献[6]所列垃圾填埋
各组分体积分数／％ 气各组分体积分数／％
CH4 55—65 47～57
CO2 15 ～5O 37 ～41
N2 5 40 1～17
O2 0 ～5 O ～1
H2S O～O．01 0．003 6 ～0．011 5
3 沼气提纯方法
根据分离原理的不同，沼气提纯方法可分为吸
收法、深冷法、膜分离法、变压吸附等。
① 吸收法
吸收法是利用CO 比CH 在吸收剂中溶解度
高的特性实现对沼气的提纯。用于沼气提纯的吸收
法主要有加压水洗法、有机溶剂吸收法等。目前以
加压水洗法为主，该法可脱除沼气中的CO ，但是微
生物会在洗涤塔内的填料表面生长形成生物膜，从
而造成填料塔堵塞，因此，需要安装自动冲洗装置，
或者采用加氯杀菌的方式解决这一问题。此外，提
纯后的沼气处于饱和状态，需要进行干燥处理 。
有机溶剂吸收法以乙醇胺(MEA)和甲基二乙醇胺
(MDEA)为代表，利用CO 与醇胺溶液的可逆反应
吸收CO：，称为胺洗法，该法不能脱除N 和O ，系
统的能耗高，80％左右的能耗集中在吸收液的再生
部分 。
② 深冷法
深冷法根据高压下CO 和CH 沸点不同而实
现对沼气的净化分离。主要操作特点是低温和高
压，精馏塔内最低温度可达到～90℃ ，压力可达到4
MPa，处理后塔底得到液态CO 而塔顶得到气态
CH E s]
， 目前这种技术在沼气提纯领域的应用还处
于发展阶段。
③ 膜分离法
气体膜分离技术是20世纪70年代开发成功的
新一代气体分离技术，其原理是在压力驱动下，借助
气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力以及在
膜内溶解一扩散上的差异，即渗透速率差进行分离。
④ 变压吸附_1。。
变压吸附(PSA)是一种固定床分离技术，是在
恒定温度下，连续改变体系压力，使吸附和脱附循环
进行。吸附组分分压变化时吸附量也相应改变(分
压增大，吸附量增大)。变压吸附分离技术的主要
优点是产品纯度高、能耗低、流程简单、操作方便，变
压吸附为固定床装置，吸附剂寿命长，无“三废”产
生，环境效益好。
⑤ 几种沼气提纯方法比较
几种沼气提纯方法比较见表2，能耗指标准状
态(压力为101．325 kPa，温度为20℃)下，1 m 原
料气的耗电量。
表2 几种沼气提纯方法比较 ’’
提纯方法 能耗／(kW ·h) 能否脱除N： 能否脱除0
水洗法 0．3～0．6 否 否
胺洗法 0．6～0．7 否 否
PSA法 0．2～0．3 可部分 可部分
膜分离法 0．5 否 可部分
注： 该数据为国外技术参数，国内暂时无法达到。
4 快速变压吸附技术原理、装置及流程
① 技术原理
在快速变压吸附(以下简称rPSA)提纯工艺中，
采用的吸附剂对CO：具有很强的选择吸附能力，不
同压力下吸附剂对CO 、CH 、N：的吸附能力见图
1。利用吸附剂对CH 和CO 等不同组分吸附能力
的差异，可将CO 吸附在吸附剂内，CH 和N 等穿
过床层进入产品气。
I
∞
鲁
莲
压力，MPa
图1 不同压力下吸附剂对C02、CH 、N2的吸附能力
同时，从图1中还可以看出，吸附剂对N 的吸
附能力弱于CH ，而快速变压吸附技术则利用CH
和N，存在的微小的、但可操作的动力学分子直径差
异，通过两者扩散进入吸附剂微孔的速率不同，将两
者有效地分离。常见气体动力学分子直径见表3。
CH 和N：在动力学分子直径上的微小差异，使
得略小的N：更容易扩散至吸附剂的微孔内部，而
CH 则需要更长些的时间才能扩散至微孔内部。
· B 22 ·
白学萍，等：快速变压吸附技术在提纯垃圾填埋气的应用 第37卷第1期
表3 常见气体动力学分子直径Ⅲ
气体 CO2 CH4 N2 O2 H2S H20
动力学分子 0
． 33～0．39 0．382 0．368 D．直径，／ 346 7 3．362 3 0．264
nm
CH 、N 混合气的穿透曲线见图2。可以看出，
CH 先穿透，N 在480 s后才穿透 。通过控制吸
附时间，利用两者扩散速率的差异，可以将N：滞留
在吸附剂内，通过减压再生进入尾气，而CH 则通
过床层成为产品气。
整
^
1．2
丑警
2．0
1’ O 200 400 600 800 1 000 1 200
吸附时间／s
图2 CH4、N2混合气的穿透曲线
② 吸附装置及吸附流程
rPSA吸附装置结构见图3，吸附装置主要由9
个塔体、一组旋转阀(即产品气旋转阀和进气旋转
阀)、驱动电机以及管道组成。原料气通过底部进
气旋转阀进人塔体，提纯后的产品气通过顶部的产
品气旋转阀与产品气出口相接。
图3 rPSA吸附装置结构
同步旋转的进气旋转阀和产品气旋转阀替代了
传统PSA技术中用于切换时序的几十个程控阀。
传统程控阀每动作一下需要3～5 s，单塔完成一个
完整的时序周期至少需要5～10 min，而rPSA所采
用的旋转阀在电机的驱动下可以根据实际工况自动
调整转速，旋转阀旋转一周对应一个单塔的时序周
期，可在2 rain甚至更短的周期下运行。某一瞬间
rPSA的9个吸附塔所处时序见图4(实线对应产品
气旋转阀各内部通道，虚线对应进气旋转阀内部各
通道)。塔1与塔2处于吸附产气时序，塔3与塔9
处于一次均压时序，塔4和塔8处于二次均压时序，
塔5和塔7处于三次均压时序，塔6处于真空再生
时序，通过旋转阀的顺时针旋转切换每个塔的时序
状态。单个塔所经过的时序为吸附产气、回冲、一次
均压(降)、二次均压(降)、三次均压(降)、冲洗再
生(运用过程气对分子筛进行冲洗)、真空再生、三
次均压(升)、二次均压(升)、一次均压(升)，然后
又进入吸附产气阶段，周而往复，循环工作。旋转阀
转速根据产品气管道上的在线产品气浓度检测仪检
测值作为反馈信号，控制旋转阀转速，即当产品气纯
度高于设定值时，转速会自动降低，指导在线监测的
产品气纯度等于设定值，如果在线监测的产品气纯
度低于设定值，转速自动增加，确保后端产品气一直
满足设计值。
图4 某一瞬间rPSA的九个吸附塔所处时序
③ rPSA工业装置简易流程
rPSA工业装置简易流程见图5，垃圾填埋气首
先经过过滤脱除固体颗粒、液态杂质及用脱硫剂脱
除H s等预处理后，进入增压单元，通过压缩机将
压力提升至0．7 MPa，利用换热器对系统气体进行
冷却，再用过滤器除去冷凝的液态水，处理后的压缩
气体进入rPSA工业装置进行处理，生成的产品气
(生物天然气)通过产品气阀供给客户，含有大量
CO 和N：的尾气则通过尾气阀排放至客户尾气处
理系统集中处理。
5 东北某垃圾填埋场应用实例
① 垃圾填埋气气源
· B 23 ·
o o
第37卷第1期 煤气与热力
天然气
图5 rPSA工业装置简易流程
原料气流量为1 100 m ／h，进气CH 体积分数
为53％ ～60％ ，CO：体积分数为35％ ～40％ ，N：体
积分数为1％ ～8％ ，0 体积分数为1％ ，H：S体积
分数为0．000 2％ ，同时含有饱和水。
② 产品气指标
产品气的流量为570 m ／h，CH 体积分数为
97．8％ ，CO 体积分数为0，N 体积分数为2．2％ ，
O 体积分数为0。纯CH 气体在压力为101．325
kPa，温度为20 clC时，高热值为36．9 MJ／m ，所以产
品气高热值为36．1 MJ／m。，远高于车用天然气对高
热值31．4 MJ／m 的最低要求。甲烷回收率在92％
左右。车用压缩天然气技术指标见表4。产品气完
全达到车用压缩天然气标准，因此经过进一步增压
后进入加气站为汽车加气。
表4 车用压缩天然气技术指标
高热值／(MJ·m ) >31．4
总硫(以硫计)／(mg·m ) ≤200
硫化氢质量浓度／(mg·m ) ≤15
二氧化碳体积分数／％ ≤3．0
氧气体积分数／％ ≤0．5
注：本标准中气体体积的标准参比条件是压力101．325
kPa，温度20℃
③ 性能评价
对于气源流量、组成具有一定波动，同时含有
N：、0：等杂质的沼气提纯工况，rPSA技术克服了膜
提纯、水洗法、胺洗法在这种工况下的不足，具有良
好的适应性。同时不需额外引入其他化学试剂，属
于环境友好型技术，具有良好的环境效益。该套提
纯系统整体能耗约为220 kW ·h，处理沼气的能耗
约为0．2 kW ·h／m ，能耗较低。同时，产品气气质
条件也完全满足一类天然气标准，可以根据需要接
入城市燃气管网。天然气技术指标见表5。
表5 天然气技术指标
天然气分类 一类 二类 三类
高热值／(MJ·m ) ≥36．0 ≥31．4 ≥31．4
总硫(以硫计)／(mg·m ) ≤60 ≤200 ≤350
硫化氢质量浓度／(mg·m ) ≤6 ≤20 ≤350
二氧化碳体积分数／％ ≤2．0 ≤3．0
注：表中气体体积的标准参比条件是压力101．325 kPa，
温度20℃
6 结论与展望
快速变压吸附技术在提纯垃圾填埋气制备生物
天然气上的成功应用，实现CH 与CO：、N：、O 等杂
质的分离。不仅应用于垃圾填埋气，同样可以应用
到农业上动物粪便、秸秆发酵沼气提纯，以及工业上
污水处理厂中污泥、污水发酵沼气提纯上。随着技
术的进步、世界化石能源的枯竭、人类对环境保护要
求的日益提高，各种来源沼气的深度开发加工效益
会越来越好，不仅有助于减少环境污染，而且可以获
得较好的经济效益、环境效益和社会效益，而快速变
压吸附技术也必然会发挥越来越重要的作用。
参考文献：
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1032—1035．
Application of Rapid Cycle Pressure
Swing Adsorption Technology to
Purification of W aste Landfill Gas
BAI Xueping，JIN Haixia
Abstract： The general situation of domestic
waste landfill gas and the bio-—natural gas method pro··
duced by biogas purification are elaborated．The prin—
ciple，device and process of rapid cycle pressure swing
adsorption technology are presented．It is pointed out
that the differences between the kinetic molecular di—
ameters can be used for effective separation of CH4 and
N2．Some application examples in purification of do—
mestic waste landfill gas are enumerated．The applica—
tion of rapid cycle pressure swing adsorption technology
can obtain bio--natural gas meeting the standard for ve··
hicle CNG．
Key words： rapid cycle pressure swing adsorption；
kinetic molecular diameter；purification of landfill
gas；bio—natural gas
· 国际燃气简讯·
报告显示加拿大的液化天然气产业有广阔的市场
近10年内，液化天然气价格预计将始终保持
疲软，但是从长远角度看，加拿大的液化天然气项
目可以在市场中找到自己的位置。
加拿大产业展望会议委员会的天然气开采行
业报告显示：液态燃料的需求预计将保持长期增
长，这也使得需要建立新的液化天然气项目以满足
需求。
会议委员会的经济学家卡洛斯·穆里洛表示：
“虽然天然气的低价格将影响加拿大新的液化天然
气项目的经济效益，这对加拿大的天然气开采业也
并非都是坏消息，仍需要新的投资来满足世界对天
然气的长期需求。”
他补充说，如果加拿大的液化天然气项目想在
不断增长的市场中取得成功，这个机会不能被视为
是理所当然的，因为还必须仔细考虑竞争力和进入
市场的时间等因素。
穆里洛说：“考虑到目前项目审批和发展的速
度，不能对此掉以轻心，要多加关注。”
提及这个最近有条件批准的太平洋西北液化
天然气项目，穆里洛说，这个决定造成的任何额外
急剧增加的工业输出还需要几年时间。
预计今年，天然气的低价格影响了加拿大的天
然气开采业，在税前亏损了16×10 加元，接近2015
年亏损的17×10 加元。然而，在2015年，全球液
化天然气投资额累计达到2 000×10 美元之后，到
2020年，全球的液化天然气投资额每年预计下降
40％ ，下降到较低的40×10 美元。
国际能源机构的数据显示，预计在未来20年
内，液化天然气的需求将继续增长，预计在未来2O
年的年增长率为3％ ，在新的生产能力下，将形成一
个大的缺口。报告显示，为了满足需求，在未来的
20年内，大约需要每年投资150×10 美元用于新的
设施建设。
· B 25·
(摘编自欧洲天然气网站。网址http：／／www．
1ngworldnews．com／eanadas—lng—industry
— has—its—market—place—report—says／)

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