填埋氣體提純制作液化天然氣技術(shù)應(yīng)用

廣州環(huán)保投資集團有限公司，廣州環(huán)投環(huán)境服務(wù)有限公司，廣東中油燃氣有限公司

【基本情況】

廣州興豐生活垃圾衛(wèi)生填埋場（以下簡稱“興豐場”）在引進石油天然氣提純液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用建設(shè)-擁有-經(jīng)營（BOO）的投資建設(shè)運營模式，針對填埋氣體的特有組成成分，成功自主研發(fā)了“填埋氣體提純制作液化天然氣技術(shù)”。項目占地約12 000 m2，總投資1.1 億元，2020 年11 月出液進入試生產(chǎn)，2021 年7 月通過環(huán)保驗收并取得充裝證，8 月正式投產(chǎn)，每天提純制LNG 71.43 t（相當于天然氣1.0×105m3/d）。該項目是目前我國第1 個生活垃圾衛(wèi)生填埋場填埋氣提純制LNG 的成功案例，主要采用了“填埋氣體預(yù)處理（提純）和液化”工藝，項目還攻克了絡(luò)合鐵濕法脫硫、真空變壓吸附及甲基二乙醇胺（MDEA）脫二氧化碳、混合冷劑制冷液化等幾項核心技術(shù)，項目投產(chǎn)后不僅有效解決了填埋場臭氣擾民和環(huán)境污染問題，大幅減少了填埋場碳排放，而且還取得了很好的經(jīng)濟效益。廣州興豐生活垃圾衛(wèi)生填埋場填埋氣制LNG 項目現(xiàn)場如圖1 所示。

圖1 廣州興豐生活垃圾衛(wèi)生填埋場填埋氣制LNG 項目現(xiàn)場Figure 1 Project scene of LNG generated from landfill gas of Guangzhou Xingfeng Sanitary Landfill

【技術(shù)/案例原理及技術(shù)路線】

該項目工藝流程包括預(yù)脫硫凈化、變壓吸附提純、精脫硫、精脫氧、精脫二氧化碳、液化、裝車等。主工藝流程包括填埋氣體預(yù)處理和液化工藝（圖2）。

圖2 主體工藝流程Figure 2 Main process flow

（1）預(yù)處理工藝。填埋氣體預(yù)處理工藝主要是脫除原料氣中所含的固體雜質(zhì)、酸性氣體（CO2、H2S）、氧、水和重烴。

脫硫單元：本項目含H2S 填埋氣直接采用“絡(luò)合鐵濕法脫硫工藝”處理。含H2S（約0.03%）的填埋氣原氣，從前端集氣站經(jīng)軸流鼓風機加壓至7 kPa 后輸送至工廠界區(qū)，經(jīng)入口過濾器去除氣體中夾帶的固體雜質(zhì)，再經(jīng)過羅茨風機增壓至53 kPa 左右，冷卻后進入水洗塔，進一步洗去氣體中夾帶的粉塵及水溶性雜質(zhì)后，進入多級噴淋吸收塔，氣體通過逆流接觸，使H2S 與溶液中的Fe3+反應(yīng)生產(chǎn)單質(zhì)硫，F(xiàn)e3+反應(yīng)后被還原為Fe2+，F(xiàn)e2+經(jīng)過泵進入氧化塔，與通入的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)生成Fe3+，再通過泵打回噴淋吸收塔循環(huán)。此過程將填埋氣中的H2S 從0.03%脫除至0.001%以下，低H2S 含量的填埋氣，經(jīng)水洗塔進一步清洗氣體中夾帶的硫磺顆粒后，通過水洗塔頂部的絲網(wǎng)去除游離水，進入下一工序的增壓、變溫吸附（TSP）及變壓吸附（VASP）粗脫二氧化碳單元。

增壓＆變壓吸附脫碳單元：經(jīng)脫硫單元后的低H2S 填埋氣經(jīng)壓縮機加壓后，通過變溫吸附預(yù)處理裝置脫除水、烴類及其他含臭雜質(zhì)后，進入變壓吸附裝置粗脫二氧化碳。變溫吸附裝置吸附飽和后需要再生，再生氣體來自液化單元的脫氮塔及裝車過程中產(chǎn)生的蒸發(fā)氣。變壓吸附通過真空泵抽真空完成吸附飽和后的再生過程。

精脫氧及精脫硫單元：經(jīng)變壓吸附粗脫碳后的填埋氣成分接近合格的天然氣，甲烷約占89%、氧1.6%、二氧化碳2.5%。氧通過脫氧塔內(nèi)的鈀合金催化劑后，在280 ℃溫度環(huán)境下與甲烷反應(yīng)，工藝氣經(jīng)脫氧后，氧含量約0.005%，符合國家安全標準。H2S 經(jīng)變壓吸附已經(jīng)完全脫除，但由于H2S 會使后續(xù)脫氧塔催化劑中毒，因此脫氧塔前端設(shè)置了干法脫H2S 塔。

二次增壓單元：考慮到精脫二氧化碳的效率以及后面液化的最佳壓力，此工藝在脫氧后設(shè)置了二次增壓裝置，將壓力增至5 MPa。

甲基二乙醇胺（以下簡稱“胺液”）精脫碳單元：由于變壓吸附粗脫碳及脫氧反應(yīng)后均存在一定量的二氧化碳，需進一步精脫，避免對后續(xù)的液化造成影響。精脫二氧化碳采用胺液脫二氧化碳工藝，高壓氣體從吸收塔底部進入，貧胺液溶液通過貧胺液泵輸送至塔頂，通過噴淋逆流接觸及塔內(nèi)的規(guī)整填料，使氣體與貧胺液充分接觸，二氧化碳被充分吸收。吸收二氧化碳后的富胺溶液在塔的壓力下自流至再生塔再生，再生后的貧胺液通過貧胺液泵打至噴淋吸收塔完成循環(huán)。此工藝為可逆循環(huán)工藝，使用加熱解析再生，再生熱量來自裝置孤島發(fā)電廠的煙氣余熱。為避免二氧化碳堵塞液化單元冷箱，精脫碳后的氣體中二氧化碳含量控制在0.005%以下。

（2）混合制冷液化工藝。本工藝采用混合制冷工藝，N2、CH4、C2H4、iC4H10作為液化所需的制冷劑，通過各組分的氣-液相變及節(jié)流膨脹的控制，使每種組分在CH4液化的不同階段提供不同的溫度，調(diào)節(jié)制冷劑的組分，可以使制冷效率得到顯著提升。

【技術(shù)/案例特點】

（1）工藝特點：全國唯一一個采用多級分離和自發(fā)電工藝的同類裝置，全國第1 個使用填埋氣提純制LNG 的成功案例。

（2）設(shè)備國產(chǎn)化率：全部設(shè)備國產(chǎn)化率達到99%，設(shè)備造價只有國外進口設(shè)備的50%。

（3）產(chǎn)品質(zhì)量：本項目所生產(chǎn)的LNG 產(chǎn)品經(jīng)過第三方資質(zhì)單位SGS 檢測，甲烷含量達到99.16%，高位熱值為36 810 kJ/m3（稍低于石油天然氣熱值的10%），用途與石油天然氣一樣。

（4）安全保障：全廠共安裝了110 個氣體泄漏和火災(zāi)檢測探頭，一旦發(fā)現(xiàn)氣體泄漏和火情，可實現(xiàn)自動關(guān)閉氣體輸送閥門，防止氣體爆炸等安全事故的發(fā)生。

【長效運行模式與機制】

業(yè)主單位廣州環(huán)投環(huán)境服務(wù)有限公司通過公開招標的方式，與廣東中油燃氣有限公司簽訂《興豐生活垃圾應(yīng)急填埋場填埋氣提純制LNG 項目（沼氣處理設(shè)施）合作合同》，廣東中油燃氣有限公司負責設(shè)施的投資、設(shè)計建設(shè)、運營維護及LNG 產(chǎn)品銷售，廣州環(huán)投環(huán)境服務(wù)有限公司負責填埋氣的收集和輸送、運營監(jiān)管，雙方收益按一定比例從LNG 銷售收入中分成。合同期限為10 a，合同期滿后，根據(jù)氣體的質(zhì)量和產(chǎn)量再討論是否續(xù)簽合同。項目在雙方的共同商議下，根據(jù)相關(guān)的法律法規(guī)及行業(yè)規(guī)范，達成了安全高效共同管理運營機制，確保項目的環(huán)保及安全穩(wěn)定運營。

【經(jīng)濟、環(huán)境及社會效益】

（1）經(jīng)濟效益：相比較傳統(tǒng)的填埋氣發(fā)電和提純制壓縮天然氣（CNG）項目，該項目經(jīng)濟效益優(yōu)勢顯著，2021 年LNG 銷售收入超過5 000 萬元，2022 年預(yù)計LNG 銷售收入超過1 億元。

（2）環(huán)境效益：該項目每天處理3.0×105m3填埋氣體，尾氣達標排放，不僅有效解決了興豐場場內(nèi)臭氣污染環(huán)境問題，而且每年至少可回收21 000 t 甲烷，相當于減少4.62×105t 溫室氣體二氧化碳的排放。

（3）社會效益：該項目徹底解決了興豐場臭氣擾民的社會問題，為我國生活垃圾衛(wèi)生填埋場填埋氣體的無害化處理、資源化利用提供了一套成功的、科學的解決方案。