CN105505493A - 垃圾填埋气的处理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种垃圾填埋气的处理方法及系统，所述处理方法包括收集、压缩、冷却、除硫化氢、深冷分离、除二氧化碳、注氮、添味等步骤，通过实施本发明，将垃圾填埋氣净化处理后转化为合成天然气，可以直接接入民用燃气管道，减少了化石燃料的使用，从而减少了产生温室效应气体的排放(例如二氧化碳)，同时避免焚烧垃圾填埋气对于环境造成的污染。
Description
技术领域
本发明涉及垃圾填埋技术领域，更具体的说，涉及一种垃圾填埋气的处理方法及系统。
背景技术
垃圾填埋气(LFG)，含有甲烷和二氧化碳，这些气体是由堆填垃圾中的有机废物降解产生的。由于垃圾填埋气会从堆填场表层和地下向周边区域迁移，因此易燃易爆且燃烧值高的甲烷气体对于垃圾填埋附近都构成潜在危害，为了最大限度的减少垃圾堆填气这种迁移带来的潜在危害，必须将垃圾填埋气收集起来加以处理。但是，现有的垃圾堆填场主要采用燃烧的方式来处理垃圾填埋气，不仅用于收集、燃烧垃圾填埋气的大量基建设施没有带来任何经济效益，而且燃烧产生的废气还会污染周边环境。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种垃圾填埋气的处理方法及系统，克服现有的垃圾堆填场对垃圾填埋气综合利用不足、污染大、经济效益差等问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案在于：提供一种垃圾填埋气的处理方法，所述处理方法包括如下步骤：
S1、收集：收集垃圾填埋堆中的垃圾填埋气；
S2、压缩：压缩收集到的所述垃圾填埋气，得到压缩垃圾填埋气；
S3、冷却：将所述压缩垃圾填埋气冷却至预设温度，得到冷却垃圾填埋气；
S4、除硫化氢：将所述冷却垃圾填埋气通过硫化氢吸附系统，所述硫化氢吸附系统吸附所述冷却垃圾填埋气中的硫化氢，得到脱硫垃圾填埋气；
S5、深冷分离：将所述脱硫垃圾填埋气通过深冷系统将温度降至-30℃～-20℃，分离析出固体和液体后，剩余气体恢复至常温得到净化垃圾填埋气；
S6、除二氧化碳：将所述净化垃圾填埋气通过二氧化碳吸附系统，所述二氧化碳吸附系统吸附所述净化垃圾填埋气中的二氧化碳，得到脱二氧化碳垃圾填埋气；
S7、注氮、添味：在所述脱二氧化碳垃圾填埋气中注入预设比例的体积分数大于95％的氮气，然后添加四氢噻吩，得到合成天然气。
在本发明的垃圾填埋气的处理方法中，所述步骤S2和S3中还包括，使用气液分离系统分离所述压缩和所述冷却操作中产生的水分。
在本发明的垃圾填埋气的处理方法中，所述气液分离系统包括波纹板式除雾器、旋风分离器、过滤分离器、储气罐。
在本发明的垃圾填埋气的处理方法中，所述步骤S2中，所述压缩垃圾填埋气的压力为4barg～6barg；所述步骤S3中，所述冷却垃圾填埋气的温度为15℃～25℃。
在本发明的垃圾填埋气的处理方法中，所述步骤S4中，所述硫化氢吸附系统中的吸附剂为氧化锌、铁酸锌、碱溶液、磷酸三定酷、N-甲基-2-砒咯烷酮、碳酸丙烯酷、甲醇、活性炭中的一种。
在本发明的垃圾填埋气的处理方法中，所述步骤S5中，分离析出的固体和液体后的剩余气体作为冷源用于步骤S3中，冷却所述压缩垃圾填埋气。
在本发明的垃圾填埋气的处理方法中，所述步骤S6中，所述二氧化碳吸附系统为变压吸附系统、碱溶液吸附系统、石灰浆吸附系统中的一种。
在本发明的垃圾填埋气的处理方法中，所述步骤S7中，所述脱二氧化碳垃圾填埋气与所述氮气的体积比为10∶5～13∶5，所述合成天然气的热值为17.13兆卡/标准立方米～17.41兆卡/标准立方米。
本发明还提供一种垃圾填埋气的处理系统，所述处理系统包括：
收集装置：用于收集垃圾填埋堆中的垃圾填埋气；
压缩装置：用于压缩收集到的所述垃圾填埋气，得到压缩垃圾填埋气；
冷却装置：用于将所述压缩垃圾填埋气冷却至预设温度，得到冷却垃圾填埋气；
除硫化氢装置：用于吸附所述冷却垃圾填埋气中的硫化氢，得到脱硫垃圾填埋气；
深冷分离装置：用于将所述脱硫垃圾填埋气的温度降至-30℃～-20℃，分离析出的固体和液体后，剩余气体恢复至常温得到净化垃圾填埋气；
除二氧化碳装置：用于吸附所述净化垃圾填埋气中的二氧化碳，得到脱二氧化碳垃圾填埋气；
注氮装置：用于在所述脱二氧化碳垃圾填埋气中注入预设比例的体积分数大于95％的氮气；
添味装置：用于添加四氢噻吩，得到合成天然气。
在本发明的垃圾填埋气的处理系统中，所述压缩垃圾填埋气的压力为4barg～6barg，所述合成天然气的压力为2barg～3barg。
实施本发明的垃圾填埋气的处理方法及系统，具有如下有益效果：对垃圾填埋气集中的净化处理后可以直接接入民用燃气管道，减少了化石燃料的使用，从而减少了产生温室效应气体的排放(例如二氧化碳)，同时避免焚烧垃圾填埋气对于环境造成的污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明垃圾填埋气的处理方法较佳实施例的逻辑框图；
图2是本发明垃圾填埋气的处理系统较佳实施例的工作原理示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有的垃圾堆填场对于堆填垃圾中的有机废物降解产生的垃圾填埋气(LFG)普遍存在管理不足的现象，一旦这些垃圾填埋气沿着垃圾和填埋层的缝隙渗出地表与空气接触，引发火灾甚至爆炸破坏整个垃圾堆填场都有可能。为了避免上述风险一些较发达地区会在垃圾堆填场的堆填内部设置收集装置来收集垃圾填埋气，集中后予以焚烧处理，但是此种资源浪费、污染大，增加硬件投入而没有任何经济效益。本发明的主要创新点在于：以垃圾填埋气为原料气，通过压缩、冷却、除硫、去水、除二氧化碳、注氮、添味，制得燃烧值、气体密度与民用天然气没有明显区别的合成天然气，通过管道并入民用燃气管网，实现垃圾填埋气的综合利用并减少二氧化碳排放。
图1示出了本发明垃圾填埋气的处理方法的逻辑框图，如图1所示，所述处理方法包括如下步骤：
S1、收集：收集垃圾填埋堆中的垃圾填埋气。在垃圾填埋堆中埋设收集管道，这些分散收集管道一端用于采集垃圾填埋气，另一端与真空泵相连，利用这些分散收集管道将垃圾填埋气抽吸集中，作为原料气体以备后续处理。其中原料气体的主要成分大体如下：
| 组成成分 | CH4 | CO2 | N2 | O2 | H2S | Σ |
| 含量 | ＞50％ | ＜35％ | ＜12.0％ | ＜1.5％ | ＜250PPm | 100 |
原料气体的压力：～20KPa(表压)
原料气体的输入压力：0.5MPa
原料气体的流速：～10000Nm3/h
原料气体的温度：≤40℃
S2、压缩：压缩收集到的所述垃圾填埋气，得到压缩垃圾填埋气。优选的，所述压缩垃圾填埋气的压力为4barg～6barg。压缩过程可以为一级压缩、双级压缩、多级压缩，无论何种压缩方式，可以收集由于每个阶段压力变化产生的冷凝水。
S3、冷却：将所述压缩垃圾填埋气冷却至预设温度，分离出所述压缩垃圾填埋气中的水分，得到冷却垃圾填埋气。优选的，所述冷却垃圾填埋气的温度为15℃～25℃，主要在气体热交换器中完成。步骤S2后，气体温度会有明显升高，会对后续的除硫(除硫化氢)、除碳(除二氧化碳)步骤的处理系统构成不利影响，并且为了配合后续深冷分离，此冷却步骤也可以认为是预冷步骤，节省后续冷冻所需能量。类似步骤S2，可以收集由于温度变化产生的冷凝水。
优选的，所述步骤S2和S3中，使用气液分离系统分离所述压缩和所述冷却操作中产生的水分，所述气液分离系统包括波纹板式除雾器、旋风分离器、过滤分离器、储气罐等。
S4、除硫化氢：将所述冷却垃圾填埋气通过硫化氢吸附系统，所述硫化氢吸附系统吸附所述冷却垃圾填埋气中的硫化氢，得到脱硫垃圾填埋气。优选的，所述硫化氢吸附系统中的吸附剂为氧化锌、铁酸锌、碱溶液、磷酸三定酷、N-甲基-2-砒咯烷酮、碳酸丙烯酷、甲醇、活性炭中的一种。氧化锌、铁酸锌、碱溶液可以与硫化氢发生化学反应，进而实现吸附目的。磷酸三定酷、N-甲基-2-砒咯烷酮、碳酸丙烯酷、甲醇、活性炭可以起到滞留硫化氢，进而实现吸附目的。
S5、深冷分离：将所述脱硫垃圾填埋气通过冷冻系统将温度降至-30℃～-20℃，分离析出固体和液体后，剩余气体恢复至常温得到净化垃圾填埋气。在温度为-30℃～-20℃下，水分、部分低分子碳氢化合物等有机气体杂质均会冷凝为液体或者凝结为固体，通过固气分离装置或者液气分离装置分离析出的固体和液体，剩余气体的温度依然很低，对后续的处理工序造成影响，因此需要予以适当升温至15℃～30℃。优选的，剩余气体作为冷源用于步骤S3中，冷却所述压缩垃圾填埋气。或者直接通过蛇形管道与空气进行交换，也可以利用燃烧部分的原料气体获得热量对其进行加热。
S6、除二氧化碳：将所述净化垃圾填埋气通过变压吸附系统，所述变压吸附系统吸附所述净化垃圾填埋气中的二氧化碳，得到脱二氧化碳垃圾填埋气。变压吸附系统(PSA)环境友好型的气体分离技术，原理是利用分子筛对不同气体分子“吸附”性能的差异而将气体混合物分开，主要以多孔性固体物质(吸附剂)内部表面对气体分子的物理吸附为基础，在两种压力状态之间工作的可逆的物理吸附过程，它是根据混合气体中杂质组分在高压下具有较大的吸附能力，在低压下又具有较小的吸附能力，而理想的组分则无论是高压或是低压都具有较小的吸附能力的原理。在高压下，增加杂质分压以便将其尽量多的吸附于吸附剂上，从而达到高的产品纯度。吸附剂的解吸或再生在低压下进行，尽量减少吸附剂上杂质的残余量，以便于在下个循环再次吸附杂质。本步骤中主要利用吸附剂对于甲烷气体和二氧化碳气体的吸附性能差异，实现去除二氧化碳的目的。
S7、注氮、添味：在所述脱二氧化碳垃圾填埋气中注入预设比例的体积分数大于95％的氮气，然后添加四氢噻吩，得到合成天然气。优选的，所述脱二氧化碳垃圾填埋气与所述氮气的体积比为10∶5～13∶5，所述合成天然气的热值为17.13兆卡/标准立方米～17.41兆卡/标准立方米。该合成天然气中四氢噻吩的浓度大于10mg/Nm3，优选的，四氢噻吩的浓度大于20mg/Nm3。其中，合成天然气的成分如下：
| 组成成分 | CH4 | CO2 | N2 | O2 | H2S | Σ |
| 含量 | ＞35.0％ | 20％～30％ | 32％～20％ | ＜2％ | ＜1PPm | 100 |
本发明还提供了一种垃圾填埋气的处理系统，图2示出了本发明垃圾填埋气的处理系统的工作原理图，如图2所述，所述处理系统包括：
收集装置：用于收集垃圾填埋堆中的垃圾填埋气。通过真空泵和分散于垃圾填埋堆中的收集管道将垃圾填埋气抽吸集中，作为原料气体以备后续处理。其中原料气体的主要成分大体如下：
| 组成成分 | CH4 | CO2 | N2 | O2 | H2S | Σ |
| 含量 | ＞50％ | ＜35％ | ＜12.0％ | ＜1.5％ | ＜250PPm | 100 |
原料气体的压力：～20KPa(表压)
原料气体的输入压力：0.5MPa
原料气体的流速：～10000Nm3/h
原料气体的温度：≤40℃
压缩装置：用于压缩收集到的所述垃圾填埋气以提高其气体压力，得到压缩垃圾填埋气。压缩垃圾填埋气的压力提高到4barg～6barg。例如，压缩装置包括3套电动机驱动的离心式压缩机，每一个压缩机都能容纳50％的装置设备容量。其中2套压缩机服务，1套处于待机状态，可以根据原料气体的供应条件，选择1套压缩机进行工作或者2套并行工作。压缩机的入口压力为0.02兆帕，而压缩机的出口处压力为0.5兆帕。
冷却装置：用于将所述压缩垃圾填埋气冷却至预设温度，得到冷却垃圾填埋气。冷却垃圾填埋气的温度为15℃～25℃。压缩装置和冷却装置后多连接有液分离系统分离所述压缩和所述冷却操作中产生的水分，所述气液分离系统包括波纹板式除雾器、旋风分离器、过滤分离器、储气罐等。
除硫化氢装置：用于吸附所述冷却垃圾填埋气中的硫化氢，得到脱硫垃圾填埋气。利用氧化锌、铁酸锌、碱溶液、磷酸三定酷、N-甲基-2-砒咯烷酮、碳酸丙烯酷、甲醇、活性炭中的一种吸附硫化氢。优选的，除硫化氢装置有并排的多个，部分同时工作，剩余部分处于吸附剂更换阶段或者再生阶段，以保证整个系统的连续工作。
深冷分离装置：用于将所述脱硫垃圾填埋气的温度降至-30℃～-20℃，分离析出固体和液体后，剩余气体恢复至常温得到净化垃圾填埋气。
除二氧化碳装置：用于吸附所述净化垃圾填埋气中的二氧化碳，得到脱二氧化碳垃圾填埋气。优选的，除二氧化碳装置有并排的多个，部分同时工作，剩余部分处于吸附系统更换阶段或者再生阶段，以保证整个系统的连续工作。其中，
甲烷气体成分：CO2≤10％
输出压力：～0.4Mpa
流速：～1968Nm3/h
温度：≤40℃
注氮装置：用于在所述脱二氧化碳垃圾填埋气中注入预设比例的体积分数大于95％的氮气。可以直接使用工业氮气，也可以使用变压吸附系统(PSA)利用空气直接制得氮气。
其中，
N2成分含量：N2≥95％,O2≤5％
输出压力：～0.4Mpa
流速：～2500Nm3/h
温度：≤40℃
优选的，只有部分气体经过除二氧化碳装置，例如，所述净化垃圾填埋气将以3000Nm3/h的流速进入PSA系统，去除含有的二氧化碳后，剩下的部分气体将和流速为6500Nm3/h的脱硫垃圾填埋气，流速为2500Nm3/h的氮气混合得到最终的气体产物。
添味装置：用于添加四氢噻吩，得到合成天然气。其中，
合成天然气的组成成分：O2≤2％，CV:17.13～17.41MJ/Nm3
输出压力：～0.4Mpa
输出流速：10918Nm3/h
温度：≤40℃
优选的，所述压缩垃圾填埋气的压力为4barg～6barg，所述合成天然气的压力为2barg～3barg。整个系统的热能回收率大于97％。
本发明在翠谷垃圾堆填气有限公司试运行，该设备可以按照10,000Nm3/h的速度进原料气体，产出合成天然气的速度大约为10,000Nm3/h，合成天然气的热值和沃泊指数均已经达到民用燃气级别，去除了垃圾填埋气中大部分的杂质和部分二氧化碳，该设备使用的范围10～100％，每年的使用时间可以超过8000h，合成天然气直接通过管道接入民用煤气管线，经济效益持续、明显。
Claims (10)
1.一种垃圾填埋气的处理方法，其特征在于，所述处理方法包括如下步骤：
S1、收集：收集垃圾填埋堆中的垃圾填埋气；
S2、压缩：压缩收集到的所述垃圾填埋气，得到压缩垃圾填埋气；
S3、冷却：将所述压缩垃圾填埋气冷却至预设温度，分离出所述压缩垃圾填埋气中的水分，得到冷却垃圾填埋气；
S4、除硫化氢：将所述冷却垃圾填埋气通过硫化氢吸附系统，所述硫化氢吸附系统吸附所述冷却垃圾填埋气中的硫化氢，得到脱硫垃圾填埋气；
S5、深冷分离：将所述脱硫垃圾填埋气通过深冷系统将温度降至-30℃～-20℃，分离析出固体和液体后，剩余气体恢复至常温得到净化垃圾填埋气；
S6、除二氧化碳：将所述净化垃圾填埋气通过变压吸附系统，所述变压吸附系统吸附所述净化垃圾填埋气中的二氧化碳，得到脱二氧化碳垃圾填埋气；
S7、注氮、添味：在所述脱二氧化碳垃圾填埋气中注入预设比例的体积分数大于95％的氮气，然后添加四氢噻吩，得到合成天然气。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤S2和S3中还包括，使用气液分离系统分离所述压缩和所述冷却操作中产生的水分。
3.根据权利要求2所述的处理方法，其特征在于，所述气液分离系统包括波纹板式除雾器、旋风分离器、过滤分离器、储气罐。
4.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述压缩垃圾填埋气的压力为4barg～6barg；所述步骤S3中，所述冷却垃圾填埋气的温度为15℃～25℃。
5.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述硫化氢吸附系统中的吸附剂为氧化锌、铁酸锌、碱溶液、磷酸三定酷、N-甲基-2-砒咯烷酮、碳酸丙烯酷、甲醇、活性炭中的一种。
6.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤S5中，分离析出的固体和液体后的剩余气体作为冷源用于步骤S3中，冷却所述压缩垃圾填埋气。
7.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述二氧化碳吸附系统为变压吸附系统、碱溶液吸附系统、石灰浆吸附系统中的一种。
8.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤S7中，所述脱二氧化碳垃圾填埋气与所述氮气的体积比为10∶5～13∶5，所述合成天然气的热值为17.13兆卡/标准立方米～17.41兆卡/标准立方米。
9.一种垃圾填埋气的处理系统，其特征在于，所述处理系统包括：
收集装置：用于收集垃圾填埋堆中的垃圾填埋气；
压缩装置：用于压缩收集到的所述垃圾填埋气，得到压缩垃圾填埋气；
冷却装置：用于将所述压缩垃圾填埋气冷却至预设温度，得到冷却垃圾填埋气；
除硫化氢装置：用于吸附所述冷却垃圾填埋气中的硫化氢，得到脱硫垃圾填埋气；
深冷分离装置：用于将所述脱硫垃圾填埋气的温度降至-30℃～-20℃，分离析出固体和液体后，剩余气体恢复至常温得到净化垃圾填埋气；
除二氧化碳装置：用于吸附所述净化垃圾填埋气中的二氧化碳，得到脱二氧化碳垃圾填埋气；
注氮装置：用于在所述脱二氧化碳垃圾填埋气中注入预设比例的体积分数大于95％的氮气；
添味装置：用于添加四氢噻吩，得到合成天然气。
10.根据权利要求9所述的处理系统，其特征在于，所述压缩垃圾填埋气的压力为4barg～6barg，所述合成天然气的压力为2barg～3barg。
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