垃圾填埋氣的資源化利用

王紅民，孫炎軍

（華南理工大學 機械與汽車工程學院， 廣東 廣州 510640）

垃圾填埋氣的資源化利用

王紅民，孫炎軍

（華南理工大學 機械與汽車工程學院， 廣東 廣州 510640）

我國城市垃圾中，大約70%采用衛(wèi)生填埋的方式處理，填埋氣數(shù)量巨大。有效利用填埋氣中的能量，不僅能減少溫室效應(yīng)氣體的排放，而且對我國能源安全意義重大。對垃圾填埋氣的凈化及其資源化利用現(xiàn)狀進行了詳細綜述和分析，對未來發(fā)展方向給出了建議。

垃圾填埋氣；凈化；資源化利用

隨著我國城市化進程的加快，城市垃圾產(chǎn)量也與日俱增，許多大中城市都陷入了垃圾圍城的困境。如何對城市垃圾進行減量化、無害化處理，和資源化利用，已經(jīng)成為城市管理者所面臨的重要問題。目前垃圾處理方法主要有衛(wèi)生填埋、堆肥、垃圾焚燒等。其中，衛(wèi)生填埋法具有投資費用低、處理量大、所需設(shè)備少、技術(shù)要求低等特點，而成為我國垃圾處理的主要方式，大約占垃圾處理總量的70%。在填埋場中，垃圾中的有機物在厭氧環(huán)境和微生物作用下發(fā)生一系列復(fù)雜的化學反應(yīng)而產(chǎn)生的氣體稱為垃圾填埋氣，其主要成分是CH4（50%～60%）和CO2（40%～50%）。但由于垃圾組成及其內(nèi)部變化過程非常復(fù)雜，所以填埋氣成分也較為復(fù)雜，除了主要的CH4和CO2外還包括一些微量氣體和有害氣體[1]。填埋氣的高位熱值可達15 600～19 500 kJ/m3，與焦爐煤氣的熱值相當[2]。甲烷和二氧化碳都屬于溫室效應(yīng)氣體，而且甲烷所造成的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍，屬強溫室效應(yīng)氣體。當空氣中的 濃度在5%～15%時，有爆炸的可能性，所以封閉的填埋場必須及時疏導(dǎo)所產(chǎn)生的填埋氣，否則有可能發(fā)生爆炸事故。

對垃圾填埋氣中能量的有效利用，不僅能有效減少溫室氣體的排放，而且對緩解我國能源短缺問題有重要的意義。本文對我國垃圾填埋氣的特點、集氣方式，以及凈化方法和主要的利用現(xiàn)狀進行了詳細地綜述和分析，并對未來發(fā)展方向給出了建議，對填埋氣的綜合利用具有較強的參考價值。

1 我國垃圾填埋氣的特點

垃圾填埋氣（LFG)是填埋場內(nèi)的有機物質(zhì)通過微生物厭氧降解和化學反應(yīng)而產(chǎn)生的一種混合氣體[3]。垃圾填埋氣的組分隨著垃圾的穩(wěn)定化進程、壓實程度、垃圾的組成、垃圾填埋場附近水文地質(zhì)情況、填埋方式等因素而變化[4]。填埋氣的主要成分有 等，一個成熟的垃圾填埋場 約占填埋氣總量的90%。表1是一個典型的垃圾填埋場所產(chǎn)生填埋氣的組分[5]。

和發(fā)達國家相比，我國城市生活垃圾的特點是：垃圾中的食品等容易降解的成分含量高，通常高于50%；含水率相對較大，一般在40%～60%； C/N較低，約為20:1[6]，所以垃圾填埋氣的產(chǎn)氣速率高于國外[2]。按照填埋氣產(chǎn)量為0.064～0.440 m3/kg預(yù)測，到2015年，我國填埋氣中 含量相當于目前天然氣產(chǎn)量1/5[7]。

表1 典型填埋氣成分與百分比Table 1 general composition of landfill gas

2 垃圾填埋氣的收集

垃圾填埋氣收集系統(tǒng)可分為主動式和被動式兩種。主動式系統(tǒng)是采用抽真空的方法進行收集的；而被動式系統(tǒng)則是利用垃圾場內(nèi)氣體的壓力進行收集的。被動收集系統(tǒng)的優(yōu)點是費用較低，而且維護保養(yǎng)比較簡單。若將排氣口與帶閥門的管子連接，被動收集系統(tǒng)即可轉(zhuǎn)變成主動收集系統(tǒng)。在垃圾填埋初期，產(chǎn)氣量不大時往往通過被動方式控制氣體釋放，當產(chǎn)氣量提高到具有回收利用價值之后，則開始對氣體進行主動回收[8]。

垃圾填埋氣集氣井的布置方式可分為垂直布置與水平布置。垂直集氣井適合布置在已封場的垃圾填埋場或已封頂?shù)睦盥駟卧涮攸c是封頂后易于打井，垃圾覆蓋較好利于集氣，集氣半徑較大，但一般不能邊填埋邊集氣。而水平收集則比較適用在未封場的垃圾場上或者正在進行作業(yè)的垃圾填埋場上，其特點是可邊填埋邊集氣，利于填埋氣的及時收集。但其缺點是易與填埋作業(yè)發(fā)生沖突，集氣半徑相對較小[5]。

3 垃圾填埋氣的凈化

垃圾填埋氣中的微量成分 和汞等雜質(zhì)會造成設(shè)備腐蝕、催化劑中毒等問題，所以在填埋氣資源化利用之前，需要進行必要的提純凈化。凈化系統(tǒng)主要包括過濾、冷卻、除凝、加壓、吸附、吸收、分離、干燥等工藝過程。在垃圾填埋氣的回收利用過程中，濃縮和凈化過程所需成本約占整個回收成本的50%以上[9]。

填埋氣的用途不同，其凈化要求以及處理工藝也不同[10]。如用作管道氣時需要除去高分子碳烴化合物，并對微量組分進行深度處理，并入管網(wǎng)之前，還需脫除 ；用作鍋爐、熔爐的燃料時，需要在低溫下冷凝脫水；用于燃氣輪機或者內(nèi)燃機發(fā)電時，需要脫除 和 等雜質(zhì)，而且甲烷濃度需達到40%以上[11]。

垃圾填埋氣的凈化工藝主要有：填埋氣的預(yù)處理、深冷處理、溶劑吸收、生物凈化和膜分離等[11]。脫除 的方法通常有化學吸附法、物理吸附法、物理化學吸附法、膜分離法、變壓吸附法等[12]。

天科股份公司的垃圾填埋氣凈化系統(tǒng)采用低溫液化與TSA相結(jié)合的方法除掉高沸點組分和氯化物、硫化物等有毒物質(zhì)，采用變壓吸附法去除[13]。Ankur Gaur等[14]采用活性碳吸附和鏈烷醇胺吸收相結(jié)合的方法從垃圾填埋氣中提純甲烷。首先通過活性碳去除填埋氣中的微量有害氣體，然后通過鏈烷醇胺除去二氧化碳。他們分別研究了單乙醇胺和二乙醇胺兩種鏈烷醇胺對二氧化碳的吸收和解吸特性，結(jié)果顯示單乙醇胺表現(xiàn)出比較高的吸收率，而二乙醇胺表現(xiàn)出較高的解吸率和循環(huán)特性。 Urban W 等[15]研究了不同催化劑對垃圾填埋氣中微量有害氣體的凈化效果。研究表明活化氧化鋁（activated alumina）對去除填埋氣中的微量組分有機硅化合物有很高的活性，而商業(yè)VO5/TiO2基催化劑可將填埋氣中的絕大部分有害微量氣體轉(zhuǎn)化為容易被吸收去除的酸性氣體（HCl、HF、2SO）。Kee Hong Kim等人[16]研制了兩種中空纖維膜來過濾垃圾填埋氣中的CO2，從而獲得高濃度的甲烷氣。實驗裝置設(shè)置在垃圾填埋場中，用真實的填埋氣進行實驗，結(jié)果顯示填埋氣經(jīng)過濾后，CH4濃度可達88%，CO2去除效率達86.7%。S. Rasi等[17]建立了一個采用逆流水洗法凈化垃圾填埋氣的實驗臺，研究操作壓力以及水與填埋氣流量比對凈化效果的影響，在氣體流量分別保持50和100 L/min, 而壓力為20 bar時水流量為10 L/min, 以及30 bar時水流量為5 L/min的條件下，得到了甲烷含量大于90%，二氧化碳含量介于3.2%～4.8%的凈化氣，而且凈化氣中檢測不到硫化氫，該氣體可直接用作汽車燃料。

4 垃圾填埋氣的利用

4.1 垃圾填埋氣發(fā)電

使用填埋氣發(fā)電是其最廣泛的資源化利用方式之一。1999年，Berenyi對美國327個垃圾填埋場的填埋氣利用現(xiàn)狀調(diào)查顯示，約71%的垃圾填埋氣用于發(fā)電[18]。用填埋氣發(fā)電時，可使用一般的燃氣發(fā)電機組或?qū)Ｓ玫恼託獍l(fā)電機組，技術(shù)比較成熟，對電網(wǎng)的要求不高。填埋氣用于發(fā)電時可以短時間內(nèi)儲存起來，當電力不足時用于發(fā)電，具有很好的調(diào)峰能力，具有一定的商業(yè)競爭力[19]。1998年杭州天子嶺垃圾填埋場發(fā)電獲得成功，這是我國首個垃圾填埋氣發(fā)電廠[20]；2013年5月，鄂州市首個垃圾填埋氣發(fā)電廠經(jīng)過連續(xù)72 h試運行后，成功并網(wǎng)發(fā)電。預(yù)計每年發(fā)電量可達到600萬kW，年減排二氧化碳1.8萬t[21]。

填埋氣中含有大量CO2，熱值較低，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?、混合氣點火溫度較高，燃燒特性比天然氣差。使用內(nèi)燃機燃燒發(fā)電時，填埋氣中 含量一般應(yīng)達45%以上，同時還需要采取一些技術(shù)措施來改善填埋氣的燃燒，如增加預(yù)燃室、提高壓縮比等。采用內(nèi)燃機發(fā)電具有投資小、費用低的優(yōu)點，運行費用僅為焚燒發(fā)電的1/4左右。但填埋氣對內(nèi)燃機有腐蝕、內(nèi)燃機尾氣中NOx含量較高。一般發(fā)電功率在1～3 MW時，采用內(nèi)燃機發(fā)電[22]。

燃氣輪機中燃料是連續(xù)燃燒的，燃燒效率較高，不完全燃燒所產(chǎn)生的有害氣體少。采用燃氣輪機時，填埋氣中 含量可低至30%，但是燃氣輪發(fā)電投資費用高，所以使用較少。

除了傳統(tǒng)的發(fā)電方式，垃圾填埋氣也可作為燃料電池的燃料，通過電化學反應(yīng)發(fā)電。但是用于燃料電池之前，必須去除影響燃料電池性能的有害微量成分，如J. Staniforth等人[23]使用英國坎諾克垃圾填埋場的填埋氣進行了固體氧化物燃料電池發(fā)電的實驗研究，發(fā)現(xiàn)即使填埋氣中含有微量的 ，也可導(dǎo)致催化劑中毒，從而嚴重影響燃料電池壽命，系統(tǒng)中增加了一個簡單的脫硫裝置和燃料重整裝置后，解決了催化劑中毒問題，燃料電池發(fā)電效率可達18.5%。

Bove等[24]對使用垃圾填埋氣發(fā)電的幾種方式進行了技術(shù)和經(jīng)濟性評估，結(jié)果顯示采用內(nèi)燃機發(fā)電機組時，雖然有害氣體的排放較多，但是綜合經(jīng)濟性最好，所以目前應(yīng)用最為廣泛。而燃料電池系統(tǒng)發(fā)電效率最高，但是由于投資費用過高，和傳統(tǒng)發(fā)電方式相比沒有競爭力。

利用垃圾填埋氣發(fā)電時，還需綜合考慮安裝維修費用、污染物排放、以及垃圾填埋場的規(guī)模、地點、產(chǎn)氣量等因素。

4.2 垃圾填埋制取液化天然氣和化工原料

垃圾填埋氣經(jīng)過預(yù)處理，脫除其中的 和 、水分等雜質(zhì)后，得到高純度的 氣體，冷卻到-162 ℃左右，即可到液化天然氣。如北京東方綠達科技發(fā)展有限公司推出的一種垃圾填埋氣制液化天然氣系統(tǒng)，主要流程包括：垃圾填埋氣經(jīng)過物理分離，脫硫、脫水、脫 后，再經(jīng)過壓縮增壓，深冷液化，即可獲得液化天然氣。采用此系統(tǒng)，北京某垃圾填埋場每天可獲得液化天然氣10 000 m3，其中甲烷含量高達97.09%[25]。從垃圾填埋氣中脫除的 ，經(jīng)提純后也可作為化工原料。

4.3 填埋氣直接燃燒

在沒有條件利用填埋氣或者填埋氣過剩的情況下，對其直接焚燒，可以把 轉(zhuǎn)化為對環(huán)境影響較小的 ，而且高溫火焰可以去除填埋氣中的有毒有害氣體，所以焚燒火炬是垃圾填埋場必備的設(shè)備。

垃圾填埋氣可以與天然氣或其他燃料混合使用，也可直接作為鍋爐、工業(yè)爐等的燃料，但這種使用方式較少。主要原因在于：垃圾填埋氣中含有大量的CO2，從而使其著火困難，燃燒效率低，甚至需要與天然氣等燃料混合才可以燃燒；另一方面，垃圾填埋場一般都建在比較偏遠的郊區(qū)，不論直接使用還是通過鍋爐燃燒后對外提供熱水或蒸汽，都需要鋪設(shè)很長的管道，成本較高?？傮w經(jīng)濟效益要比用填埋氣發(fā)電差。

4.3 填埋氣用于汽車燃料

去除垃圾填埋氣中的微量有害成分后，可制成壓縮填埋氣，用作汽車燃料。

一個典型的垃圾填埋氣制取車用燃料的流程大致為：填埋氣經(jīng)集氣系統(tǒng)進入儲氣室后，加壓到1.0～1.5 MPa，通入水洗塔中除去硫化氫等雜質(zhì)和部分二氧化碳，然后繼續(xù)加壓到25 MPa，經(jīng)過分子篩干燥。處理完的填埋氣經(jīng)加壓泵加壓到25 MPa后儲存于鋼瓶內(nèi)[26]。

1996年，美國洛杉磯縣已經(jīng)把垃圾填埋氣轉(zhuǎn)化為汽車燃料，并經(jīng)過由13輛車組成的車隊試運了30個月。試運結(jié)果表明，凈化后的壓縮垃圾填埋氣與柴油和壓縮天然氣相比，經(jīng)濟性相當。制取車用壓縮填埋氣的系統(tǒng)主要包括壓縮機、用于填埋氣預(yù)處理的活性炭、去除CO2和水蒸氣的半滲透膜、壓縮氣儲存和自動售賣裝置。壓縮機是其中投資和運行費用最高的設(shè)備[27]。

垃圾填埋氣用作火花點燃式內(nèi)燃機的燃料時，通過增大點火提前角和提高壓縮比，內(nèi)燃機的輸出功率和效率與燃燒甲烷時相當，但貧燃和富燃時，填埋氣組分變化對內(nèi)燃機性能的影響較大。在填埋氣中添加少量的氫氣，不但能提高貧燃和富燃極限，而且內(nèi)燃機的輸出功率和效率都會大幅提高[28]。

5 結(jié)束語

本文對垃圾填埋氣的凈化及其主要利用方式進行了詳細介紹和綜述，對填埋氣的資源化利用有著重要的參考價值。我國城市垃圾中，大約70%采用衛(wèi)生填埋的方式處理，填埋氣數(shù)量巨大。有效利用填埋氣中的能量，不僅能減少溫室效應(yīng)氣體的排放，而且對我國能源安全意義重大。但我國目前對填埋氣的利用率并不高，主要原因在于一方面我國還不掌握核心技術(shù)，另一方面需要大量的資金投入。近年來興起的，在清潔機制下，利用國外先進技術(shù)和資金對我國的垃圾填埋氣進行資源化利用或許會成為近期內(nèi)一個較為可行方式。但是長遠來看，加大填埋氣應(yīng)用的科研投入，掌握核心技術(shù)，探索新型資源化利用方式等，顯得更為重要。

［1］ Gaur A, Park J-W, Jang J-H. Metal-carbonate formation from ammonia solution by addition of metal salts—An effective method for CO2capture from landfill gas (LFG)[J]. Fuel Processing Technology, 2010, 91 (11): 1500-1504.

［2］袁怡祥, 馬人熊, 譚春青. 生活垃圾填埋氣的利用[J]. 節(jié)能與環(huán)保, 2010, (02): 33-35.

［3］Lombardi L, Carnevale E, Corti A. Greenhouse effect reduction and energy recovery from waste landfill[J]. Energy, 2006, 31 (15): 3208-3219.

［4］陳家軍, 張相鋒. 垃圾填埋氣(LFG)的凈化及利用前景[J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2007 (05): 41-44.

［5］陳曉梅. 城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場甲烷利用研究[D]: 廣州：暨南大學, 2011.

［6］劉景岳, 徐文龍, 黃文雄,等. 垃圾填埋氣回收利用在我國的實踐[J]. 中國環(huán)保產(chǎn)業(yè), 2007 (10): 34-38.

［7］黃毅, 何強. 我國垃圾填埋氣的產(chǎn)生和利用狀況研究 [J]. 四川理工學院學報(自然科學版), 2008 (01): 117-120.

［8］張彤童. 濟南市生活垃圾填埋氣體收集發(fā)電研究 [D]: 濟南：山東大學, 2012.

［9］趙由才. 城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場技術(shù)與管理手冊 [M]. 北京: 化學工業(yè)出版社,1999.

［10］ Goossens M A. Landfill gas power plants [J]. Renewable Energy, 1996, 9 (1-4): 1015-1018.

［11］石磊, 趙由才, 牛冬杰. 垃圾填埋氣的凈化技術(shù)進展 [J]. 天然氣化工, 2004 (02): 58-62.

［12］鄭藝. 垃圾填埋氣凈化利用工藝設(shè)計 [J]. 科技資訊, 2012, (19): 104-105.

［13］李克兵. 從垃圾填埋氣中凈化回收甲烷的工藝及其工業(yè)化應(yīng)用 [J].天然氣化工(C1化學與化工), 2009 (01): 51-53.

［14］Gaur A, Park J-W, Maken S,et al. Landfill gas (LFG) processing via adsorption and alkanolamine absorption [J]. Fuel Processing Technology, 2010, 91 (6): 635-640.

［15］Urban W, Lohmann H, Gómez J I S. Catalytically upgraded landfill gas as a cost-effective alternative for fuel cells [J]. Journal of Power Sources, 2009, 193 (1): 359-366.

［16］Kim K, Choi W, Jo H,et al. Hollow fiber membrane process for the pretreatment of methane hydrate from landfill gas [J]. Fuel Processing Technology, 2014, 121: 96-103.

［17］Rasi S, L?ntel? J, Rintala J. Upgrading landfill gas using a high pressure water absorption process [J]. Fuel, 2014, 115: 539-543.

［18］Themelis N J, Ulloa P A. Methane generation in landfills [J]. Renewable Energy, 2007, 32 (7): 1243-1257.

［19］賈研. 天水市垃圾場填埋氣體利用研究 [D]: 蘭州:蘭州大學, 2011.

［20］李麗丹, 鐘甦. 利用垃圾填埋沼氣發(fā)電 走垃圾資源化道路 [J]. 江蘇環(huán)境科技, 2006 (S2): 136-137.

［21］記者 楊念明 通訊員 ?？? 鄂州首座垃圾填埋氣發(fā)電廠并網(wǎng)發(fā)電[N]. 湖北日報,2013-05-27:005.

［22］Tsai W T. Bioenergy from landfill gas (LFG) in Taiwan [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2007, 11 (2): 331-344.

［23］Staniforth J, Kendall K. Cannock landfill gas powering a small tubular solid oxide fuel cell — a case study [J]. Journal of Power Sources, 2000, 86 (1-2): 401-403.

［24］Bove R, Lunghi P. Electric power generation from landfill gas using traditional and innovative technologies [J]. Energy Conversion and Management, 2006, 47 (11-12): 1391-1401.

［25］唐錦學, 囫宣霖, 易海洋,等. 垃圾填埋沼氣的液化處理與利用 [J].中國化工裝備, 2011 (06): 21-24+32.

［26］李樹勛, 李確. 填埋氣制取車用燃料的綜合研究 [J]. 中國沼氣, 2012 (04): 38-40+32.

［27］Roe S M. Emerging technologies for the management and utilization of landfill gas[M]. US Environmental Protection Agency, National Risk Management Research Laboratory, 1998..

［28］Bade Shrestha S O, Narayanan G. Landfill gas with hydrogen addition A fuel for SI engines [J]. Fuel, 2008, 87 (17-18): 3616-3626.

Resource Utilization of Landfill Gas

WANG Hong-min，SUN Yan-jun
（School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology , Guangdong Guangzhou 510640, China）

There is enormous quantity of the landfill gas due to the disposal of about 70% of the municipal solid waste by landfilling in China. Utilization of the energy in the landfill gas is beneficial not only to the reduction of the greenhouse gas emission, but also to the energy security of our country. In this paper, collection, purification, and utilization of the landfill gas were introduced, and suggestions for the future development were put forward.

Landfill gas; Purification; Utilization

TQ 209

A

1671-0460（2015）01-0110-04

2014-07-09

王紅民（1967-），男，副教授，博士，主要從事新能源技術(shù)研究。

孫炎軍（1988-），男，新能源技術(shù)。E-mail：hnlgsyj@126.com。