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快速變壓吸附技術在提純垃圾填埋氣的應用

文檔作者：白學萍金海霞文檔來源：瑞必科凈化設備(上海)有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年11月19日
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第37卷第1期
2017年1月
煤氣與熱力
GAS ＆ HEAT
Vo1．37 No．1
Jan．2017
· 燃氣氣源與加工利用·
快速變壓吸附技術在提純垃圾填埋氣的應用
白學萍， 金海霞
(瑞必科凈化設備(上海)有限公司，上海201613)
摘要： 闡述生活垃圾填埋氣概況及沼氣提純生產(chǎn)生物天然氣方法，提出快速變壓吸附技術
原理、裝置及流程，指出利用動力學分子直徑的差異及可將CH 和N：有效分離。列舉提純生活垃
圾填埋氣應用實例，應用快速變壓吸附技術可得到滿足車用壓縮天然氣標準的生物天然氣。
關鍵詞： 快速變壓吸附； 動力學分子直徑； 填埋氣提純； 生物天然氣
中圖分類號：$216．4 文獻標志碼：B 文章編號：1000—4416(2017)01—0B21—05
作者簡介：白學萍，女，工程師，碩士，主要從事適用于
垃圾填埋氣體、廢水處理和厭氧消化池氣體的生物氣凈化
設備的設計。
1 概述
隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，中國進入了高
生產(chǎn)、高消費和大量排放廢物的時代，城市生活垃圾
處理問題越來越引起整個社會的關注。我國每年產(chǎn)
生城市垃圾約2×10 t，并且近年來仍以10％ 的速
度增長 。垃圾處理主要有填埋、堆肥和焚燒3種
方法。2013年，我國生活垃圾無害化處理量達到
15 394×10 t，其中生活垃圾衛(wèi)生填埋無害化處理
10 492．7×10 t，占比68．2％ 。垃圾填埋氣是有
機物在無氧氣的環(huán)境中生物降解的產(chǎn)物。據(jù)調(diào)查，
收稿日期：2016—02—17； 修回日期：2016—11—07
我國城市生活垃圾的有機物主要以廚余、果皮、草木
類廢物為主，質(zhì)量分數(shù)達35％ 一75％ ，而我國每年
有近1×10 t垃圾被填埋，垃圾填埋氣產(chǎn)量十分可
觀 。
如果不利用這些填埋氣，會造成環(huán)境污染。填
埋氣中甲烷的體積分數(shù)為50％ ～60％ ，而甲烷會導
致地球的溫室效應的加劇和造成填埋場爆炸，甲烷
的溫室效應(全球變暖潛值)是二氧化碳的21
倍L4 。同時甲烷又是一種極具價值的能源，應得到
充分利用。沼氣經(jīng)過提純后可提高甲烷的含量，使
氣體熱值提高。我國垃圾填埋氣提純利用還處在起
步階段，國外將垃圾填埋氣作為一種新型的能源用
于管網(wǎng)供氣或作為機動車燃料已經(jīng)相對成熟。
2 生活垃圾填埋氣概況
城市生活垃圾在填埋的最初階段(一般為6～
l8個月)，土壤中的氧持續(xù)被好氧菌消耗掉，產(chǎn)生了
厭氧環(huán)境；在厭氧環(huán)境中，由于厭氧微生物的作用，
垃圾中的有機物被分解產(chǎn)生甲烷和二氧化碳等氣
體，統(tǒng)稱為填埋氣。不同文獻所列垃圾填埋氣的組
成見表1，填埋氣中可燃氣體體積分數(shù)為60％以上，
當然，隨著垃圾填埋場的條件、被填埋廢物的特性、
壓實程度、填埋的溫度等條件不同，所產(chǎn)生的填埋氣
的組成也不同。
· B 21 ·
第37卷第1期 煤氣與熱力
表1 不同文獻所列垃圾填埋氣的組成
文獻[5]組分 所列垃圾填埋氣 文獻[6]所列垃圾填埋
各組分體積分數(shù)／％ 氣各組分體積分數(shù)／％
CH4 55—65 47～57
CO2 15 ～5O 37 ～41
N2 5 40 1～17
O2 0 ～5 O ～1
H2S O～O．01 0．003 6 ～0．011 5
3 沼氣提純方法
根據(jù)分離原理的不同，沼氣提純方法可分為吸
收法、深冷法、膜分離法、變壓吸附等。
① 吸收法
吸收法是利用CO 比CH 在吸收劑中溶解度
高的特性實現(xiàn)對沼氣的提純。用于沼氣提純的吸收
法主要有加壓水洗法、有機溶劑吸收法等。目前以
加壓水洗法為主，該法可脫除沼氣中的CO ，但是微
生物會在洗滌塔內(nèi)的填料表面生長形成生物膜，從
而造成填料塔堵塞，因此，需要安裝自動沖洗裝置，
或者采用加氯殺菌的方式解決這一問題。此外，提
純后的沼氣處于飽和狀態(tài)，需要進行干燥處理 。
有機溶劑吸收法以乙醇胺(MEA)和甲基二乙醇胺
(MDEA)為代表，利用CO 與醇胺溶液的可逆反應
吸收CO：，稱為胺洗法，該法不能脫除N 和O ，系
統(tǒng)的能耗高，80％左右的能耗集中在吸收液的再生
部分 。
② 深冷法
深冷法根據(jù)高壓下CO 和CH 沸點不同而實
現(xiàn)對沼氣的凈化分離。主要操作特點是低溫和高
壓，精餾塔內(nèi)最低溫度可達到～90℃ ，壓力可達到4
MPa，處理后塔底得到液態(tài)CO 而塔頂?shù)玫綒鈶B(tài)
CH E s]
， 目前這種技術在沼氣提純領域的應用還處
于發(fā)展階段。
③ 膜分離法
氣體膜分離技術是20世紀70年代開發(fā)成功的
新一代氣體分離技術，其原理是在壓力驅(qū)動下，借助
氣體中各組分在高分子膜表面上的吸附能力以及在
膜內(nèi)溶解一擴散上的差異，即滲透速率差進行分離。
④ 變壓吸附_1。。
變壓吸附(PSA)是一種固定床分離技術，是在
恒定溫度下，連續(xù)改變體系壓力，使吸附和脫附循環(huán)
進行。吸附組分分壓變化時吸附量也相應改變(分
壓增大，吸附量增大)。變壓吸附分離技術的主要
優(yōu)點是產(chǎn)品純度高、能耗低、流程簡單、操作方便，變
壓吸附為固定床裝置，吸附劑壽命長，無“三廢”產(chǎn)
生，環(huán)境效益好。
⑤ 幾種沼氣提純方法比較
幾種沼氣提純方法比較見表2，能耗指標準狀
態(tài)(壓力為101．325 kPa，溫度為20℃)下，1 m 原
料氣的耗電量。
表2 幾種沼氣提純方法比較 ’’
提純方法 能耗／(kW ·h) 能否脫除N： 能否脫除0
水洗法 0．3～0．6 否 否
胺洗法 0．6～0．7 否 否
PSA法 0．2～0．3 可部分 可部分
膜分離法 0．5 否 可部分
注： 該數(shù)據(jù)為國外技術參數(shù)，國內(nèi)暫時無法達到。
4 快速變壓吸附技術原理、裝置及流程
① 技術原理
在快速變壓吸附(以下簡稱rPSA)提純工藝中，
采用的吸附劑對CO：具有很強的選擇吸附能力，不
同壓力下吸附劑對CO 、CH 、N：的吸附能力見圖
1。利用吸附劑對CH 和CO 等不同組分吸附能力
的差異，可將CO 吸附在吸附劑內(nèi)，CH 和N 等穿
過床層進入產(chǎn)品氣。
I
∞
魯
蓮
壓力，MPa
圖1 不同壓力下吸附劑對C02、CH 、N2的吸附能力
同時，從圖1中還可以看出，吸附劑對N 的吸
附能力弱于CH ，而快速變壓吸附技術則利用CH
和N，存在的微小的、但可操作的動力學分子直徑差
異，通過兩者擴散進入吸附劑微孔的速率不同，將兩
者有效地分離。常見氣體動力學分子直徑見表3。
CH 和N：在動力學分子直徑上的微小差異，使
得略小的N：更容易擴散至吸附劑的微孔內(nèi)部，而
CH 則需要更長些的時間才能擴散至微孔內(nèi)部。
· B 22 ·
白學萍，等：快速變壓吸附技術在提純垃圾填埋氣的應用 第37卷第1期
表3 常見氣體動力學分子直徑Ⅲ
氣體 CO2 CH4 N2 O2 H2S H20
動力學分子 0
． 33～0．39 0．382 0．368 D．直徑，／ 346 7 3．362 3 0．264
nm
CH 、N 混合氣的穿透曲線見圖2?？梢钥闯?，
CH 先穿透，N 在480 s后才穿透 。通過控制吸
附時間，利用兩者擴散速率的差異，可以將N：滯留
在吸附劑內(nèi)，通過減壓再生進入尾氣，而CH 則通
過床層成為產(chǎn)品氣。
整
^
1．2
丑警
2．0
1’ O 200 400 600 800 1 000 1 200
吸附時間／s
圖2 CH4、N2混合氣的穿透曲線
② 吸附裝置及吸附流程
rPSA吸附裝置結(jié)構(gòu)見圖3，吸附裝置主要由9
個塔體、一組旋轉(zhuǎn)閥(即產(chǎn)品氣旋轉(zhuǎn)閥和進氣旋轉(zhuǎn)
閥)、驅(qū)動電機以及管道組成。原料氣通過底部進
氣旋轉(zhuǎn)閥進人塔體，提純后的產(chǎn)品氣通過頂部的產(chǎn)
品氣旋轉(zhuǎn)閥與產(chǎn)品氣出口相接。
圖3 rPSA吸附裝置結(jié)構(gòu)
同步旋轉(zhuǎn)的進氣旋轉(zhuǎn)閥和產(chǎn)品氣旋轉(zhuǎn)閥替代了
傳統(tǒng)PSA技術中用于切換時序的幾十個程控閥。
傳統(tǒng)程控閥每動作一下需要3～5 s，單塔完成一個
完整的時序周期至少需要5～10 min，而rPSA所采
用的旋轉(zhuǎn)閥在電機的驅(qū)動下可以根據(jù)實際工況自動
調(diào)整轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)閥旋轉(zhuǎn)一周對應一個單塔的時序周
期，可在2 rain甚至更短的周期下運行。某一瞬間
rPSA的9個吸附塔所處時序見圖4(實線對應產(chǎn)品
氣旋轉(zhuǎn)閥各內(nèi)部通道，虛線對應進氣旋轉(zhuǎn)閥內(nèi)部各
通道)。塔1與塔2處于吸附產(chǎn)氣時序，塔3與塔9
處于一次均壓時序，塔4和塔8處于二次均壓時序，
塔5和塔7處于三次均壓時序，塔6處于真空再生
時序，通過旋轉(zhuǎn)閥的順時針旋轉(zhuǎn)切換每個塔的時序
狀態(tài)。單個塔所經(jīng)過的時序為吸附產(chǎn)氣、回沖、一次
均壓(降)、二次均壓(降)、三次均壓(降)、沖洗再
生(運用過程氣對分子篩進行沖洗)、真空再生、三
次均壓(升)、二次均壓(升)、一次均壓(升)，然后
又進入吸附產(chǎn)氣階段，周而往復，循環(huán)工作。旋轉(zhuǎn)閥
轉(zhuǎn)速根據(jù)產(chǎn)品氣管道上的在線產(chǎn)品氣濃度檢測儀檢
測值作為反饋信號，控制旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速，即當產(chǎn)品氣純
度高于設定值時，轉(zhuǎn)速會自動降低，指導在線監(jiān)測的
產(chǎn)品氣純度等于設定值，如果在線監(jiān)測的產(chǎn)品氣純
度低于設定值，轉(zhuǎn)速自動增加，確保后端產(chǎn)品氣一直
滿足設計值。
圖4 某一瞬間rPSA的九個吸附塔所處時序
③ rPSA工業(yè)裝置簡易流程
rPSA工業(yè)裝置簡易流程見圖5，垃圾填埋氣首
先經(jīng)過過濾脫除固體顆粒、液態(tài)雜質(zhì)及用脫硫劑脫
除H s等預處理后，進入增壓單元，通過壓縮機將
壓力提升至0．7 MPa，利用換熱器對系統(tǒng)氣體進行
冷卻，再用過濾器除去冷凝的液態(tài)水，處理后的壓縮
氣體進入rPSA工業(yè)裝置進行處理，生成的產(chǎn)品氣
(生物天然氣)通過產(chǎn)品氣閥供給客戶，含有大量
CO 和N：的尾氣則通過尾氣閥排放至客戶尾氣處
理系統(tǒng)集中處理。
5 東北某垃圾填埋場應用實例
① 垃圾填埋氣氣源
· B 23 ·
o o
第37卷第1期 煤氣與熱力
天然氣
圖5 rPSA工業(yè)裝置簡易流程
原料氣流量為1 100 m ／h，進氣CH 體積分數(shù)
為53％ ～60％ ，CO：體積分數(shù)為35％ ～40％ ，N：體
積分數(shù)為1％ ～8％ ，0 體積分數(shù)為1％ ，H：S體積
分數(shù)為0．000 2％ ，同時含有飽和水。
② 產(chǎn)品氣指標
產(chǎn)品氣的流量為570 m ／h，CH 體積分數(shù)為
97．8％ ，CO 體積分數(shù)為0，N 體積分數(shù)為2．2％ ，
O 體積分數(shù)為0。純CH 氣體在壓力為101．325
kPa，溫度為20 clC時，高熱值為36．9 MJ／m ，所以產(chǎn)
品氣高熱值為36．1 MJ／m。，遠高于車用天然氣對高
熱值31．4 MJ／m 的最低要求。甲烷回收率在92％
左右。車用壓縮天然氣技術指標見表4。產(chǎn)品氣完
全達到車用壓縮天然氣標準，因此經(jīng)過進一步增壓
后進入加氣站為汽車加氣。
表4 車用壓縮天然氣技術指標
高熱值／(MJ·m ) >31．4
總硫(以硫計)／(mg·m ) ≤200
硫化氫質(zhì)量濃度／(mg·m ) ≤15
二氧化碳體積分數(shù)／％ ≤3．0
氧氣體積分數(shù)／％ ≤0．5
注：本標準中氣體體積的標準參比條件是壓力101．325
kPa，溫度20℃
③ 性能評價
對于氣源流量、組成具有一定波動，同時含有
N：、0：等雜質(zhì)的沼氣提純工況，rPSA技術克服了膜
提純、水洗法、胺洗法在這種工況下的不足，具有良
好的適應性。同時不需額外引入其他化學試劑，屬
于環(huán)境友好型技術，具有良好的環(huán)境效益。該套提
純系統(tǒng)整體能耗約為220 kW ·h，處理沼氣的能耗
約為0．2 kW ·h／m ，能耗較低。同時，產(chǎn)品氣氣質(zhì)
條件也完全滿足一類天然氣標準，可以根據(jù)需要接
入城市燃氣管網(wǎng)。天然氣技術指標見表5。
表5 天然氣技術指標
天然氣分類 一類 二類 三類
高熱值／(MJ·m ) ≥36．0 ≥31．4 ≥31．4
總硫(以硫計)／(mg·m ) ≤60 ≤200 ≤350
硫化氫質(zhì)量濃度／(mg·m ) ≤6 ≤20 ≤350
二氧化碳體積分數(shù)／％ ≤2．0 ≤3．0
注：表中氣體體積的標準參比條件是壓力101．325 kPa，
溫度20℃
6 結(jié)論與展望
快速變壓吸附技術在提純垃圾填埋氣制備生物
天然氣上的成功應用，實現(xiàn)CH 與CO：、N：、O 等雜
質(zhì)的分離。不僅應用于垃圾填埋氣，同樣可以應用
到農(nóng)業(yè)上動物糞便、秸稈發(fā)酵沼氣提純，以及工業(yè)上
污水處理廠中污泥、污水發(fā)酵沼氣提純上。隨著技
術的進步、世界化石能源的枯竭、人類對環(huán)境保護要
求的日益提高，各種來源沼氣的深度開發(fā)加工效益
會越來越好，不僅有助于減少環(huán)境污染，而且可以獲
得較好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益，而快速變
壓吸附技術也必然會發(fā)揮越來越重要的作用。
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1032—1035．
Application of Rapid Cycle Pressure
Swing Adsorption Technology to
Purification of W aste Landfill Gas
BAI Xueping，JIN Haixia
Abstract： The general situation of domestic
waste landfill gas and the bio-—natural gas method pro··
duced by biogas purification are elaborated．The prin—
ciple，device and process of rapid cycle pressure swing
adsorption technology are presented．It is pointed out
that the differences between the kinetic molecular di—
ameters can be used for effective separation of CH4 and
N2．Some application examples in purification of do—
mestic waste landfill gas are enumerated．The applica—
tion of rapid cycle pressure swing adsorption technology
can obtain bio--natural gas meeting the standard for ve··
hicle CNG．
Key words： rapid cycle pressure swing adsorption；
kinetic molecular diameter；purification of landfill
gas；bio—natural gas
· 國際燃氣簡訊·
報告顯示加拿大的液化天然氣產(chǎn)業(yè)有廣闊的市場
近10年內(nèi)，液化天然氣價格預計將始終保持
疲軟，但是從長遠角度看，加拿大的液化天然氣項
目可以在市場中找到自己的位置。
加拿大產(chǎn)業(yè)展望會議委員會的天然氣開采行
業(yè)報告顯示：液態(tài)燃料的需求預計將保持長期增
長，這也使得需要建立新的液化天然氣項目以滿足
需求。
會議委員會的經(jīng)濟學家卡洛斯·穆里洛表示：
“雖然天然氣的低價格將影響加拿大新的液化天然
氣項目的經(jīng)濟效益，這對加拿大的天然氣開采業(yè)也
并非都是壞消息，仍需要新的投資來滿足世界對天
然氣的長期需求?！?
他補充說，如果加拿大的液化天然氣項目想在
不斷增長的市場中取得成功，這個機會不能被視為
是理所當然的，因為還必須仔細考慮競爭力和進入
市場的時間等因素。
穆里洛說：“考慮到目前項目審批和發(fā)展的速
度，不能對此掉以輕心，要多加關注。”
提及這個最近有條件批準的太平洋西北液化
天然氣項目，穆里洛說，這個決定造成的任何額外
急劇增加的工業(yè)輸出還需要幾年時間。
預計今年，天然氣的低價格影響了加拿大的天
然氣開采業(yè)，在稅前虧損了16×10 加元，接近2015
年虧損的17×10 加元。然而，在2015年，全球液
化天然氣投資額累計達到2 000×10 美元之后，到
2020年，全球的液化天然氣投資額每年預計下降
40％ ，下降到較低的40×10 美元。
國際能源機構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示，預計在未來20年
內(nèi)，液化天然氣的需求將繼續(xù)增長，預計在未來2O
年的年增長率為3％ ，在新的生產(chǎn)能力下，將形成一
個大的缺口。報告顯示，為了滿足需求，在未來的
20年內(nèi)，大約需要每年投資150×10 美元用于新的
設施建設。
· B 25·
(摘編自歐洲天然氣網(wǎng)站。網(wǎng)址http：／／www．
1ngworldnews．com／eanadas—lng—industry
— has—its—market—place—report—says／)

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