垃圾填埋气的净化技术进展

0前言
卫生填埋场中的有机物在厌氧过程中降解，会产生大量的垃圾填埋气（LFG）。除了主要组分CH4、CO2、N2等以外，其它已被检测出的物质有140种以上。这些填埋气无控制的迁移和聚积，会产生二次污染，引发燃烧爆炸事故；LFG又是一类温室气体，它对大气臭氧层有破坏作用，资料表明，CH4产生的温室效应比当量体积的CO2高20倍以上。
填埋气经过净化，基本上除去惰性组分和有害污染物后，其主要成分甲烷又是一种清洁能源。世界上20多个国家的填埋气利用实践表明，每年从LFG中回收的能量约相当于200万t的原煤资源。在广泛利用LFG的国家，如美国、英国和德国中，LFG回收用于发电占55％、锅炉占23％、熔炉和烧窑占13%，管道供气占9％。目前，较新的填埋气利用技术还包括用作汽车的替代燃料，生产甲醇或者燃料电池等。
填埋气净化技术的开发在我国方兴未艾，本文总结了国内外相关的进展，从常用的净化单元操作出发，提出用多种联合工艺对填埋气进行净化处理。
1填埋气的浓缩与净化
LFG的成分复杂，并随着垃圾的稳定化进程、压实程度、垃圾的组成和特性、填埋地区水文地质、填埋方式等因素而变化。填埋气的典型组成如表1所示。
表1填埋气的典型组成

由表1可知，LFG中含量较高的惰性组分CO2和N2会降低其作为燃料的热值、增加集输费用；在燃烧过程中，LFG中的H2S、H2O和卤化物会形成腐蚀性酸，如H2SO4,HCl等；硅氧烷在高温下能转化为氧化硅，这种白色的粉末会堵塞或损害设备；其它有害的微量物质，如烃类、硫醇类、和挥发性有机物（VOCs）等，也会对LFG的燃烧特性造成不利影响。因此，利用之前，应进行浓缩与净化处理，以除去其中的惰性组分和有害气体。
资料表明，填埋气的热值一般为7450～22350kJ/m3，脱水后热值可提高10%，除去CO2、H2S及其它杂质组分后，又可将热值提高到22360～26000kJ/m3（天然气的热值为37260kJ/m3），而在LFG的回收利用过程中，浓缩和净化过程所需的投资通常约占整个回收成本的50％以上）。
LFG的用途不同，净化处理工艺也有所不同。用作管道气等高热值的燃料时，需要脱除H2O、CO2、高分子碳烃化合物，并需对微量组分进行深度处理；用作锅炉、熔炉等中热值的燃料时，LFG在过滤除去其中的颗粒后，需要在低于38°F的露点下冷凝脱水；LFG最普遍的应用是在现场用作发动机或涡轮机的电力，因其附属设备比较简单和廉价，所以常成为LFG作为能源回收利用的首选。
2填埋气的净化工艺
2.1填埋气的预处理
填埋气的产生温度为27～66℃，水蒸气近于饱和，压力略高于大气压。当气体被抽吸到收集站时，水蒸气会在管道内冷凝，引起气流堵塞、管道腐蚀和气压波动等问题。
杂质颗粒和水的脱除是填埋气利用的第一步，常用的吸收溶剂有聚乙二醇、氯化钙溶液、甘醇类化合物；固体吸附剂有活性氧化铝、硅胶、分子筛等；所用的物理单元有筛网、预过滤器、气液聚结器、冷凝器、重力沉降器、旋风分离器和过滤分离器等。近来，膜分离和低温相变分离在颗粒和水的脱除研究上也有了新的进展。
2.2深冷处理
国内外正在开发的脱氮技术，有深冷脱氮、膜渗透、溶剂吸收和变压吸附等工艺。其中，深冷脱氮工艺具有处理量大，脱除效率高、技术成熟可靠等优点，应成为我国优先发展的填埋气脱氮技术。深冷脱氮工艺是将具有一定压力的填埋气经多次节流降温后部分液化或全部液化，再根据氮气与甲烷相对挥发度不同，用精馏的方法脱除氮气。
深度冷冻处理还可除去LFG作为燃料燃烧时会引起发动机严重腐蚀的杂质组分。它先将气体压缩至一台加压罐，通过等焓膨胀冷凝其中的水蒸气；然后向气体中注入甲醇，使其深度制冷；在甲醇冷凝液中，即包含有从深度制冷的填埋气中脱除的杂质组分，经杂质分离脱除后的气体，则可作进一步处理。
美国最近研制出一套深冷去除LFG中硅氧烷的设备，该设备经济实用、无污染、无需经常更换过滤材料，其工艺原理是：首先将预过滤后的气体冷却到-23℃，使硅氧烷蒸汽发生深度冷凝，经干燥和净化分离后，LFG即能除去可引起内燃机严重磨损的杂质组分。
2.3溶剂吸收
2.3.1活化热钾碱法
活化热钾碱法是在热碳酸钾溶液中添加一定量的活化剂，如硼酸、二乙醇胺、氨基乙酸等，加快碳酸钾与CO2的反应速度，并降低碱液面上CO2平衡分压，从而提高CO2与H2S的吸收速度和气体净化度。
近年来，为适应填埋气的净化需要，国外在活化热钾碱法的基础上，通过对活化剂的改进，推出了无腐蚀、低能耗的新工艺，如G-V法、Benfield法、Catacarb法、Flexsorb法等。