张旋洲，杨 晖，何青松，陈 希，章夏夏，张晨光，何 亮

（北京环境工程技术有限公司，北京 100101）

北京市安定生活垃圾卫生填埋场填埋气收集制天然气工程应用*

张旋洲，杨 晖，何青松，陈 希，章夏夏，张晨光，何 亮

（北京环境工程技术有限公司，北京 100101）

对北京市安定填埋场填埋气收集及填埋气制天然气工程进行研究。利用数学模型对填埋气收集量进行模拟计算，与实际收集量基本一致。填埋气制天然气工程工艺可行，运行稳定，产品可达到常规天然气技术标准，具有良好的社会效益、环境效益和经济效益。

生活垃圾；填埋气；填埋场

1 工程概况

安定生活垃圾卫生填埋场是北京市西南线垃圾处理终端，位于大兴区安定镇境内。该场为平原型填埋场，建于1996年，当年12月正式投入使用。设计填埋容量3.265×106m，设计日处理量为700 t。为确保北京市西南部垃圾处理线的正常运行，安定生活垃圾卫生填埋场进行了扩建，目前平均日填埋量超过3 000 t。截至2016年，已累计填埋垃圾约1.2×107t。填埋气收集制天然气工程经改造后填埋气处理规模达到2.0×104m3/d。

根据CJ/T 313—2009生活垃圾采样和分析方法对安定卫生填埋场垃圾进行采样、制备和测定［1］，得到其生活垃圾物理组成分类，如表1所示。

表1 安定填埋场生活垃圾物理组分 %

2 填埋气收集

2.1 填埋气收集系统

针对我国垃圾含水率高、填埋堆体高、一次作业面积大等特点，设计了“竖井集气+水平导水”的填埋气收集工艺，并结合填埋场全密闭膜覆盖表面收集工艺作为辅助收集，获得高品质填埋气，具有良好的收集效果。该系统设竖井66座、集气站6座、填埋气收集总管线 （HDPE100，DN400）800 m。集气管线低点设置自动排水系统。

2.2 填埋气成分

对填埋场填埋气中CH4浓度进行检测，选取9座填埋场集气井口处采样点及收集总管处采样点取样，检测结果如表2所示。

表2 填埋气中甲烷含量及热值

由表2可知，甲烷的含量介于50%～57%，平均值为53.1%，高位热值介于17 897～19 652 kJ/m3，平均值为18 634 kJ/m3。

2.3 填埋气收集预测

根据CJJ 133—2009生活垃圾填埋场填埋气体收集处理及利用工程技术规范第4部分填埋气体产量估算，对安定生活垃圾卫生填埋场垃圾填埋气气体产量进行分析计算［2］。

根据标准，垃圾填埋场填埋气体理论产气速率宜按下式逐年叠加计算：

式中：Gn为填埋场在投运后第n年的填埋气体产气速率，m3/a；n为自填埋场投运年至计算年的年数，a；Mt为填埋场在第t年填埋的垃圾量，t；f为填埋场封场时的填埋年数，a；L0为单位质量垃圾的填埋气最大产气量，m3/t；k为垃圾的产气速率常数，1/a。

根据国内有关经验，垃圾的产气速率常数k一般为0.10～0.15 a-1，这里k取0.10 a-1。依据垃圾中物理组分的含量，L0取79.1 m3/t。根据垃圾场填埋气收集情况，收集效率取60%。

2011—2016年安定生活垃圾填埋场填埋气收集量预测情况如表3所示。2016年填埋气收集量达到3 433 m3/h，与预测值基本相当。

表3 安定生活垃圾填埋场填埋气收集量预测情况

3 填埋气制天然气工艺

工艺参考GB 18047—2000车用压缩天然气和GB 17820—2012 天然气的相关标准［3，4］，CNG 产品技术指标如表4所示，LNG产品的技术指标如表5所示［5］。

表4 填埋气制天然气工程CNG产品技术指标

表5 填埋气制天然气工程LNG产品技术指标

该工艺流程如图1所示。填埋气中杂质成分较多，除硫化氢气体外，还含有硫醇、硫醚、硅氧烷等杂质，其含量波动较大，一般在0.01%～0.1%范围内，这些杂质既会对设备管道造成腐蚀，又影响产品气的品质，应首先通过干法脱硫工艺予以去除；由于填埋气在抽取过程中可能形成局部微负压，不可避免导致少量空气混入，氧气的混入不利于产品气达到车用天然气含氧量小于0.5%的指标，因此通过脱氧工艺予以去除；填埋气中除了甲烷气体绝大部分是二氧化碳，体积含量一般为40%～45%，通过脱碳工艺将填埋气中二氧化碳气体予以去除；最后通过脱水单元将甲烷纯度较高的产品气露点降低至标准范围内，经过加臭升压储存至钢瓶中即得到20～25 MPa的CNG气体。在脱碳工艺后进一步通过精脱碳单元将CO2含量降低至50 mL/m3以下，同时通过精脱水单元将H2O降低至1 mL/m3以下，通过纯化单元除去汞元素等杂质，利用MRC液化单元将气体冷却得到LNG储存在LNG储瓶中。

图1 填埋气制天然气工艺流程

1）供气增压单元。该单元主要目的是去除填埋气中的固体颗粒杂质、冷凝水，防止渗沥液带入设备中，同时将原料气升压至0.8 MPa，提高后续工艺脱硫效率。通过气体过滤器、气液分离器、沼气压缩机实现。

2）脱硫单元。该单元主要目的是去除原料气中的H2S、硫醇、硫醚、硅氧烷等有机硫。通过2座干式脱硫塔实现，脱硫剂采用复合改性活性炭，适用于杂质复杂的填埋气。

3）脱氧单元。该单元主要目的是去除原料中混入的氧气。通过直接催化燃烧法进行脱氧，脱氧过程中CH4与O2在催化剂的作用下反应生成CO2和H2O，该产物可在后续工艺中脱除，反应生成的热量可预热原料气，减少运行能耗。

4）脱碳单元。该单元的主要目的是脱除原料气中的CO2。通过真空变压吸附（VPSA） 工艺，利用细孔硅胶对不同压力的CH4和CO2吸附能力的差异进行物理分离，吸附压力为0.6 MPa。

5）脱水单元。该单元的主要目的是进一步降低产品气中的水露点。通过分子筛吸附脱水工艺实现。该设备为双塔结构，可实现吸附和解析再生交替进行，连续工作。

6）压缩单元。该单元的主要目的是将净化后的产品气升压存储于CNG钢瓶中，根据国家规范要求，增压前加入四氢噻吩臭剂，以便及时发现泄漏。

7）精脱碳单元。该单元的主要目的是进一步脱除原料气中的CO2，达到制LNG的要求。该工艺采用真空变压吸附（VPSA） 工艺，经脱碳后CO2浓度小于50 mL/m3。

8） 深脱水单元。深脱水装置由3台干燥器、1台加热器、1台冷却器、1台分离器组成。3台干燥器中2台为主干燥器，1台为辅助干燥器。主干燥器干燥及再生交替进行，再生分加热和冷却2个步骤，经干燥后的产品气体中水含量小于1 mL/m3。

9） 纯化单元。经前处理合格后的压力为0.4MPa的原料填埋气进入原料气压缩机，增压至2.4 MPa，经过压缩机自身的冷却器冷却后进入脱汞装置。脱汞装置采用活性炭吸附脱汞，从脱汞装置出来的原料填埋气的汞含量小于0.01 μg/m3。原料气经脱汞后进入粉尘过滤器进行过滤，过滤后的原料气进入液化冷箱。

10）MRC液化单元。该单元主要目的是将天然气降温液化。采用混合冷剂循环的工艺流程，原料气在冷箱内经混合冷剂冷却、冷凝、过冷，并经节流闪蒸分离后得到液化气产品；分离出的气相气体经过冷箱复热到常温以回收冷量。混合冷剂由制冷压缩机压缩并经自身冷却器冷却后进入液化冷箱，混合冷剂液化并过冷后经节流降压进入液化冷箱换热器底端，由下而上汽化为液化换热器提供冷量，出液化冷箱后的混合冷剂返回到制冷压缩机的入口，再次压缩后循环制冷。

4 效益分析

安定生活垃圾卫生填埋场填埋气制天然气工程改造后试运行期间取得了良好的社会效益、环境效益和经济效益。填埋气处理能力可达2.0×104m3/d，设备运行稳定可靠。每天可产出CNG 8 000 m3或LNG 5 000 m3（干态）。产品气中甲烷可达99%以上，热值可达39 MJ/m3，氧气和硫化氢均未检出，满足国家现行天然气相关标准的要求。

该系统生产1 m3CNG成本约1.2元，按天然气2.0元/m3售价，年平均运行时间8 000 h计算，每年可获得收益213万元。

5 结论

填埋气作为一种可再生能源，其回收利用既可以作为能源，又减少温室气体和污染物排放，具有环保和经济双重效益。目前我国填埋气利用模式比较单一，由于填埋场内对电能和燃气需求量不高，作为锅炉燃料和发电能方式的利用率较低。安定填埋场填埋气制天然气工程工艺可靠，运行稳定，具有很大的推广价值。然而，近年来天然气价格持续低迷，且填埋气制天然气缺乏相关政策、法律规范和标准，导致销路不畅，是阻碍该技术推广的主要原因。需国家和地方及早出台有力的相关政策、法律规范和标准，支持填埋气制天然气资源化利用的发展。体收集处理及利用工程技术规范：CJJ 133—2009［S］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［1］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.生活垃圾采样和分析方法：CJ/T 313—2009［S］.北京:中国标准出版社，2009.

［2］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.生活垃圾填埋场填埋气

［3］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.车用压缩天然气：GB 18047—2000［S］.北京:中国标准出版社，2000.

［4］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.天然气：GB 17820—2002［S］.北京:中国标准出版社，2012.

［5］ 郭揆常.液化天然气（LNG）工艺与工程［M］.北京：中国石化出版社，2014.

Application of Landfill Gas Collection to Make Natural Gas in Beijing Anding Domestic Waste Sanitary Landfill Site

Zhang Xuanzhou，Yang Hui，He Qingsong，Chen Xi，Zhang Xiaxia，Zhang Chenguang，He Liang
（Beijing Environment Engineering Technology Co.Ltd.，Beijing 100101）

The landfill gascollection system and the landfill gasupgrading plant in Beijing Anding domestic waste sanitary landfill site were studied.The predicted value by the mathematical model was basically consistent with the actual collection amount.The application of landfill gas upgrading into natural gas was feasible，and the plant running was stable.The product could reach the technical standard of natural gas.It was proved to have good social benefits，environmental benefits and economic benefits.

domestic waste；landfill gas；landfill

X701；X705

B

1005-8206（2017） 05-0081-04

科技部国家科技支撑计划项目（2014BAC24B01）

2017-07-31

张旋洲（1984—），高级工程师，主要从事环境工程及沼气利用的技术研究和设计。

E-mail：zhaogxuanzhou@besgrd.com。