填埋气体收集与脱硫处理系统
填埋场封场后，堆体内的填埋气体将积聚在封场覆盖层内，极易引发火灾，必须将其有组织地引排到外界。当填埋气体量较大时，可考虑对其集中利用，创造经济效益。
（1）对垃圾堆体表面和填埋场周边建（构）筑物内的填埋气体进行监测。
（2）当监测空气中的甲烷体积含量超过1.25%时，应立即采取安全措施。
（3）对填埋气体收集系统的气体压力、流量等基础数据应定期进行监测。对收集系统内填埋气体的氧含量应设置在线监测和报警装置。
（4）填埋气体收集井、管、沟以及闸阀、接头等附件应定期进行检查、维护，清除积水、杂物，保持设施完好。系统上的仪表应定期进行校验和检查维护。
（5）在填埋气体收集系统的钻井、井安装、管道铺设及维护等过程中应采取防爆措施。
2.1沼气规模计算
填埋气产生与收集模型多种多样，但大体可分为一阶降解模型及统计型模型两种。统计型模型需要大量的监测数据作为基础，在实际项目中难于得到，而一阶降解模型由于从垃圾有机物降解的规律出发，更容易实际模拟填埋气的产生过程。近些年来由于相关项目的大力推广，对国内填埋场填埋气的预测及实际收集得到了大量实践经验。目前，我国通过了EB注册的填埋气利用项目已超过50个。这些填埋场对填埋气的预测，均采用了IPCC推荐的模型作为标准的计算方法，经过多个填埋场的实践。
本方案采用IPCC推荐模型，模型公式为：
其中：
是给定的计算年；
是从初始年到给定的计算年，=1,2,…；
是修正总量的归一化因子，；
是甲烷产生速率常数(1/a)；
是某年(x)的城市固体废弃物(MSW)总量(t/a)
是某年(x)在固体废弃物处理场处理的废弃物的比例；
是甲烷产生潜力(t-CH4/t-waste)。
本项目填埋场无害化建设后总填埋量为120万吨，于2017年4月封场，在气量估算时，按照350t/d估算，填埋气收集面积按照填埋垃圾的90%，收集效率按照80%计，2018年预计产气约20000Nm3/d，逐年递减，2023年衰减完毕。因此，本项目设计规模确定为20000Nm3/d。
2.2填埋气收集方式
工程上对填埋气的控制有两种方式：
一是“被动型控制”，不使用机械抽气设备,填埋气利用自身的压力沿导排井和盲沟排向填埋场外"由于不使用机械设备,运行费用低,但只靠本身压力排气,因此排气效率低,被动型导排有效半径往往小于20m,而且气体收集能力随着距离井的半径增加下降很快,所以被动控制只能减少部分环境问题,如减少填埋气向大气释放量,降低填埋体内气压过大产生的爆炸的危险,不能满足对填埋气的回收利用的要求"
二是“主动型控制”，在填埋场内铺设导气井,用管道将这些导气连接到抽气设备,主动利用压力梯度来收集气体,收集的气体可进行利用,也可直接燃烧"主动导排可以随产气速率变化进行调整,导排效果好,抽气效率高,抽出的气体可直接利用"因此主动控制可以有效的收集填埋气,不仅能减小排放量,消除安全隐患,减少环境污染,而且收集的效率较高,能满足利用要求,获得经济效益"。
为了最大可能的减少填埋场对大气环境影响，提高填埋气收集量和品质，本项目应采用主动型收集方式，采用竖井、导气管及膜下收集相结合的方式来设计收集系统。
2.3填埋气净化
生活垃圾填埋产生的沼气是一种混合气，主要成分为CH4、CO2及微量杂质。沼气中所含的H2S是一种无色气体，比空气重，具有臭鸡蛋味，毒性很大，燃烧产生SO2，遇水空气氧化酸化，为满足SO2的排放要求，H2S的浓度应维持在较低水平。沼气中水蒸汽在较低温度时会冷却成生冷凝水，与酸性气体结合会产生腐蚀性酸液，因此为保护设备，方便沼气的储存、利用及控制SO2的排放对环境影响，需对沼气进行净化处理，去除其中的H2S和部分水蒸汽。
脱硫工艺：
原料沼气来自于填埋场产生的沼气，填埋沼气中硫化氢的含量较低，约为300ppm。通过计算，本项目采用干法脱硫方案较为经济。
在脱硫设备内装填一定量脱硫剂，沼气自下而上通过脱硫剂，H2S被去除，其中脱硫剂以氧化铁为主要活性组分，并添加多种助催化剂与载体，在常温常压下通过催化作用去除H2S，脱硫后的沼气硫化氢含量低于15mg/m3。干法脱硫连续再生工艺具硫容高、床阻力小、操作方便、可连续再生，再生工艺简单等特点。脱硫再生工艺原理：
脱硫：Fe2O3·H2O+3H2S= Fe2S3·H2O+3H2O
再生：2Fe2S3·H2O+3O2=2 Fe2O3·H2O+6S
脱水工艺：
原料沼气脱水的方法一般包括低温法、溶剂吸收法、固体吸附法、化学反应法和膜分离法等。低温法脱水是利用高压气体节流膨胀降温或利用气波机膨胀降温而实现的，这种工艺适合于高压气体；而对于低压气体，若要使用则必须增压，从而影响了过程的经济性。溶剂吸收法和固体吸附法目前在工业中应用较广泛。
以下简要介绍溶剂吸收法和固体吸附法。
溶剂吸收法脱水是目前沼气中应用最普遍的方法之一。其利用吸收原理，采用一种亲水的溶剂与沼气充分接触，使水传递到溶剂中从而达到脱水的目的。
溶剂吸收法中常采用甘醇类物质作为吸收剂，在甘醇的分子结构中含有羟基和醚键，能与水形成氢键，对水有极强的亲和力，具有较高的脱水深度。
固体吸附法相对于溶剂吸附法使用用小型气站、且由于固体吸水材料较易获取所有在小型气站得到广泛应用，本次我们选择脱水方式为固体吸附法，原理如下：
氯化钙（CaCl2）用作消耗性的吸附剂也可脱除沼气中的水分。无水CaCl2可结合水分而形成CaCl2水合物（CaCl2·xH2O），随着CaCl2不断从沼气中吸收水分，而变成稳定性好的结晶水合物，最后形成CaCl2盐溶液。
对用CaCl2进行脱水的沼气，出口气体的含水量可达16mg/m3（GPA）。
2.4 处理工艺
2.4.1 装置概况
根据原料气参数，本装置设计规模为20000Nm3/d，装置操作弹性为30％～120％，装置使用寿命超过15年，连续开工时间不小于8000h/a。
2.4.2 CNG产品气
甲烷回收率在93％以上，CNG产品气甲烷含量超过95％，二氧化碳含量小于1.5％，产品气产量约为10000Nm3/d，产品气温度小于40℃。
2.4.4 流程说明
填埋场沼气与渗滤液沼气分别通过风机收集后进入首先进过安全罐，其作用是阻止因为燃烧意外回火状态下，确保安全。之后再经过沼气脱水罐脱水，脱水除尘后的沼气经过脱硫塔吸收沼气中的H2S后，进入沼气气柜储存，储存气体经过加压设备稳定压力进行输送，处理后的沼气输送到沼气锅炉，在沼气燃烧机的完全燃烧作用下，热量将被锅炉吸收，产生热水经通过热交换器交换后供环卫工人洗浴使用。多余的沼气可以在锅炉使用不完的情况下，直接从旁路接入火炬燃烧。
为了使沼气锅炉稳定运行配套有沼气加压稳压系统，对沼气管道输送压力进行自动调整，达到沼气锅炉运行需要的最佳压力。并配套有压力变送，变频控制，压力数显等功能。
2.4.5 处置装置主要配置
（1）主要设备一栏表
设备名称 型号 材质 数量 备注
安全罐 SF/100 碳钢 1套
脱水塔 TH-S500 304 1套
脱硫塔 TS-500 304 1套
储气柜成套设备 AMA1500 复合材质 1套 含避雷系统
压力控制装置 TPS200 复合材质 1套
火炬 H4500 304 1套
稳压装置 WPS200 复合材质 1套
沼气锅炉 TRL0.12MW 复合材质 1套
热交换器 JHQS500L 304 1套
浴室设备 一批 复合材料 1批 可供10人
管道系统 一批 碳钢 1批
控制系统 一批 1批
（2）主要设备简介
安全罐
安全罐（也称阻火器），是在沼气运行系统中常见的一种防回火的安全隔离设备，它在沼气生产系统与沼气利用设备之间起到有效安全隔离保护的作用。
沼气汽水分离（脱水塔）
沼气的净化一般应包括沼气的脱水、脱硫及脱二氧化碳。沼气中的水分与硫化氢共同作用，能加速管道及阀门、流量计等的腐蚀，所以在进行沼气脱硫时，需要同时进行脱水处理。为了满足脱硫程序中对沼气的湿度的要求，对高、中温的沼气温度进行适量降温，采用旋风式脱水法，将沼气中的部分水蒸汽脱除。
沼气脱硫净化（脱硫塔）
H2S是一种具有恶臭的腐蚀性气体，如果不经过脱硫净化，对后续的管道、阀组、燃气燃烧设备等都具有很强的腐蚀性。而且H2S燃烧后产生SO2，但SO2与水分结合，就生产亚硫酸。亚硫酸会严重腐蚀设备与建筑物，严重污染环境。。因此，必须对沼气进行脱硫净化。
沼气加压（稳压装置）
沼气的利用需要经由管道，净化设备等，沿途会有一定的压力损失，但储气柜内的沼气在输出时压力是一定值（2000-3000Pa），沼气的沿途的阻力损失会使压力降低，沼气加压稳压控制系统，将沼气的压力稳定控制在一定值内，为沼气的运行保证压力。
沼气加压稳压系统由沼气加压风机及系统稳压控制两部分组成：
加压风机：
采用沼气专用的罗茨加压风机，具有防腐，防爆，密封等性能；风机并配套有消音器，减少设备运行噪音。
系统稳压控制：
具有防爆变频电机，变频控制箱，压力检测，压力数显表，欠压保护，压力恒定等功能，用于恒压控制沼气燃烧的进气压力，保证压力稳定输送。
沼气锅炉热能利用
沼气作为一种再生的清洁能源，国家大力推广中，如直接排放不但会对环境造成危害，沼气是一种易燃烧的燃料，也会存在一定的安全隐患。
沼气的利用也存在一定的经济价值。
锅炉功能说明
A、燃烧器自控
1）燃烧器启停由锅炉温度自动控制，温度根据要求设定；
2）当锅内温度低于设定的设置温度下限值时，控制器输出开启燃烧器电源，燃烧器启动点火程序；
3）系统炉内温度大于或等于设定的设置温度上限值时，控制器输出停止燃烧信号，燃烧器停止燃烧；
B、锅炉超温故障及保护功能
当锅炉炉内温度升高，达到锅炉停炉温度时，锅炉控制器会发出锅炉超高温（压）报警信号，并切断锅炉燃烧机电源，使锅炉停止运行，直到故障排除后需人工进行复位，锅炉才能启动运行，大大地提高了锅炉的安全性。
C、锅炉缺水保护功能
锅炉正常运行的必要条件是锅炉要具备正常的水位，当锅炉内水位下降到一定程度的时候，如果锅炉继续燃烧，会对锅炉造成致命的伤害，甚至发生危险，影响人身安全，因此对锅炉的水位要求极为严格。当锅炉水位下降至缺水保护水位时，锅炉控制系统将自动切断锅炉燃烧机电源，迫使锅炉燃烧系统停止燃烧，只有进行锅炉补水，并达到锅炉正常水位时，通过人工复位，锅炉才能正常运行。
D、锅炉断相保护功能
当锅炉电气系统断相时，燃烧器会因缺相而使其电动机各相电流不平衡，导致其电动机发热，甚至被烧毁，故在锅炉系统中，专门设计了断相保护功能。当锅炉电气线路出现断相的情况时，锅炉控制系统将切断整个电源系统，锅炉停止运行，当该故障完全排除后，通过人工复位，锅炉才能正常运行。
E、防冻保护功能
在寒冷的冬季，如果锅炉停止运行，其温度很快就下降到自然环境温度，当温度下降到一定程度的时候，水会凝结成冰，体积膨胀，对锅炉系统造成很大的破坏，甚至胀破管路系统，所以，锅炉控制系统设计了防冻功能，在寒冷的冬季，
锅炉系统会在水温下降到≤5℃时自动小火运行，提升系统水温度至10℃以上，防止因水温过低而破坏锅炉设备及管路系统。
填埋场封场后，堆体内的填埋气体将积聚在封场覆盖层内，极易引发火灾，必须将其有组织地引排到外界。当填埋气体量较大时，可考虑对其集中利用，创造经济效益。
（1）对垃圾堆体表面和填埋场周边建（构）筑物内的填埋气体进行监测。
（2）当监测空气中的甲烷体积含量超过1.25%时，应立即采取安全措施。
（3）对填埋气体收集系统的气体压力、流量等基础数据应定期进行监测。对收集系统内填埋气体的氧含量应设置在线监测和报警装置。
（4）填埋气体收集井、管、沟以及闸阀、接头等附件应定期进行检查、维护，清除积水、杂物，保持设施完好。系统上的仪表应定期进行校验和检查维护。
（5）在填埋气体收集系统的钻井、井安装、管道铺设及维护等过程中应采取防爆措施。
2.1沼气规模计算
填埋气产生与收集模型多种多样，但大体可分为一阶降解模型及统计型模型两种。统计型模型需要大量的监测数据作为基础，在实际项目中难于得到，而一阶降解模型由于从垃圾有机物降解的规律出发，更容易实际模拟填埋气的产生过程。近些年来由于相关项目的大力推广，对国内填埋场填埋气的预测及实际收集得到了大量实践经验。目前，我国通过了EB注册的填埋气利用项目已超过50个。这些填埋场对填埋气的预测，均采用了IPCC推荐的模型作为标准的计算方法，经过多个填埋场的实践。
本方案采用IPCC推荐模型，模型公式为：
其中：
是给定的计算年；
是从初始年到给定的计算年，=1,2,…；
是修正总量的归一化因子，；
是甲烷产生速率常数(1/a)；
是某年(x)的城市固体废弃物(MSW)总量(t/a)
是某年(x)在固体废弃物处理场处理的废弃物的比例；
是甲烷产生潜力(t-CH4/t-waste)。
本项目填埋场无害化建设后总填埋量为120万吨，于2017年4月封场，在气量估算时，按照350t/d估算，填埋气收集面积按照填埋垃圾的90%，收集效率按照80%计，2018年预计产气约20000Nm3/d，逐年递减，2023年衰减完毕。因此，本项目设计规模确定为20000Nm3/d。
2.2填埋气收集方式
工程上对填埋气的控制有两种方式：
一是“被动型控制”，不使用机械抽气设备,填埋气利用自身的压力沿导排井和盲沟排向填埋场外"由于不使用机械设备,运行费用低,但只靠本身压力排气,因此排气效率低,被动型导排有效半径往往小于20m,而且气体收集能力随着距离井的半径增加下降很快,所以被动控制只能减少部分环境问题,如减少填埋气向大气释放量,降低填埋体内气压过大产生的爆炸的危险,不能满足对填埋气的回收利用的要求"
二是“主动型控制”，在填埋场内铺设导气井,用管道将这些导气连接到抽气设备,主动利用压力梯度来收集气体,收集的气体可进行利用,也可直接燃烧"主动导排可以随产气速率变化进行调整,导排效果好,抽气效率高,抽出的气体可直接利用"因此主动控制可以有效的收集填埋气,不仅能减小排放量,消除安全隐患,减少环境污染,而且收集的效率较高,能满足利用要求,获得经济效益"。
为了最大可能的减少填埋场对大气环境影响，提高填埋气收集量和品质，本项目应采用主动型收集方式，采用竖井、导气管及膜下收集相结合的方式来设计收集系统。
2.3填埋气净化
生活垃圾填埋产生的沼气是一种混合气，主要成分为CH4、CO2及微量杂质。沼气中所含的H2S是一种无色气体，比空气重，具有臭鸡蛋味，毒性很大，燃烧产生SO2，遇水空气氧化酸化，为满足SO2的排放要求，H2S的浓度应维持在较低水平。沼气中水蒸汽在较低温度时会冷却成生冷凝水，与酸性气体结合会产生腐蚀性酸液，因此为保护设备，方便沼气的储存、利用及控制SO2的排放对环境影响，需对沼气进行净化处理，去除其中的H2S和部分水蒸汽。
脱硫工艺：
原料沼气来自于填埋场产生的沼气，填埋沼气中硫化氢的含量较低，约为300ppm。通过计算，本项目采用干法脱硫方案较为经济。
在脱硫设备内装填一定量脱硫剂，沼气自下而上通过脱硫剂，H2S被去除，其中脱硫剂以氧化铁为主要活性组分，并添加多种助催化剂与载体，在常温常压下通过催化作用去除H2S，脱硫后的沼气硫化氢含量低于15mg/m3。干法脱硫连续再生工艺具硫容高、床阻力小、操作方便、可连续再生，再生工艺简单等特点。脱硫再生工艺原理：
脱硫：Fe2O3·H2O+3H2S= Fe2S3·H2O+3H2O
再生：2Fe2S3·H2O+3O2=2 Fe2O3·H2O+6S
脱水工艺：
原料沼气脱水的方法一般包括低温法、溶剂吸收法、固体吸附法、化学反应法和膜分离法等。低温法脱水是利用高压气体节流膨胀降温或利用气波机膨胀降温而实现的，这种工艺适合于高压气体；而对于低压气体，若要使用则必须增压，从而影响了过程的经济性。溶剂吸收法和固体吸附法目前在工业中应用较广泛。
以下简要介绍溶剂吸收法和固体吸附法。
溶剂吸收法脱水是目前沼气中应用最普遍的方法之一。其利用吸收原理，采用一种亲水的溶剂与沼气充分接触，使水传递到溶剂中从而达到脱水的目的。
溶剂吸收法中常采用甘醇类物质作为吸收剂，在甘醇的分子结构中含有羟基和醚键，能与水形成氢键，对水有极强的亲和力，具有较高的脱水深度。
固体吸附法相对于溶剂吸附法使用用小型气站、且由于固体吸水材料较易获取所有在小型气站得到广泛应用，本次我们选择脱水方式为固体吸附法，原理如下：
氯化钙（CaCl2）用作消耗性的吸附剂也可脱除沼气中的水分。无水CaCl2可结合水分而形成CaCl2水合物（CaCl2·xH2O），随着CaCl2不断从沼气中吸收水分，而变成稳定性好的结晶水合物，最后形成CaCl2盐溶液。
对用CaCl2进行脱水的沼气，出口气体的含水量可达16mg/m3（GPA）。
2.4 处理工艺
2.4.1 装置概况
根据原料气参数，本装置设计规模为20000Nm3/d，装置操作弹性为30％～120％，装置使用寿命超过15年，连续开工时间不小于8000h/a。
2.4.2 CNG产品气
甲烷回收率在93％以上，CNG产品气甲烷含量超过95％，二氧化碳含量小于1.5％，产品气产量约为10000Nm3/d，产品气温度小于40℃。
2.4.4 流程说明
填埋场沼气与渗滤液沼气分别通过风机收集后进入首先进过安全罐，其作用是阻止因为燃烧意外回火状态下，确保安全。之后再经过沼气脱水罐脱水，脱水除尘后的沼气经过脱硫塔吸收沼气中的H2S后，进入沼气气柜储存，储存气体经过加压设备稳定压力进行输送，处理后的沼气输送到沼气锅炉，在沼气燃烧机的完全燃烧作用下，热量将被锅炉吸收，产生热水经通过热交换器交换后供环卫工人洗浴使用。多余的沼气可以在锅炉使用不完的情况下，直接从旁路接入火炬燃烧。
为了使沼气锅炉稳定运行配套有沼气加压稳压系统，对沼气管道输送压力进行自动调整，达到沼气锅炉运行需要的最佳压力。并配套有压力变送，变频控制，压力数显等功能。
2.4.5 处置装置主要配置
（1）主要设备一栏表
设备名称 型号 材质 数量 备注
安全罐 SF/100 碳钢 1套
脱水塔 TH-S500 304 1套
脱硫塔 TS-500 304 1套
储气柜成套设备 AMA1500 复合材质 1套 含避雷系统
压力控制装置 TPS200 复合材质 1套
火炬 H4500 304 1套
稳压装置 WPS200 复合材质 1套
沼气锅炉 TRL0.12MW 复合材质 1套
热交换器 JHQS500L 304 1套
浴室设备 一批 复合材料 1批 可供10人
管道系统 一批 碳钢 1批
控制系统 一批 1批
（2）主要设备简介
安全罐
安全罐（也称阻火器），是在沼气运行系统中常见的一种防回火的安全隔离设备，它在沼气生产系统与沼气利用设备之间起到有效安全隔离保护的作用。
沼气汽水分离（脱水塔）
沼气的净化一般应包括沼气的脱水、脱硫及脱二氧化碳。沼气中的水分与硫化氢共同作用，能加速管道及阀门、流量计等的腐蚀，所以在进行沼气脱硫时，需要同时进行脱水处理。为了满足脱硫程序中对沼气的湿度的要求，对高、中温的沼气温度进行适量降温，采用旋风式脱水法，将沼气中的部分水蒸汽脱除。
沼气脱硫净化（脱硫塔）
H2S是一种具有恶臭的腐蚀性气体，如果不经过脱硫净化，对后续的管道、阀组、燃气燃烧设备等都具有很强的腐蚀性。而且H2S燃烧后产生SO2，但SO2与水分结合，就生产亚硫酸。亚硫酸会严重腐蚀设备与建筑物，严重污染环境。。因此，必须对沼气进行脱硫净化。
沼气加压（稳压装置）
沼气的利用需要经由管道，净化设备等，沿途会有一定的压力损失，但储气柜内的沼气在输出时压力是一定值（2000-3000Pa），沼气的沿途的阻力损失会使压力降低，沼气加压稳压控制系统，将沼气的压力稳定控制在一定值内，为沼气的运行保证压力。
沼气加压稳压系统由沼气加压风机及系统稳压控制两部分组成：
加压风机：
采用沼气专用的罗茨加压风机，具有防腐，防爆，密封等性能；风机并配套有消音器，减少设备运行噪音。
系统稳压控制：
具有防爆变频电机，变频控制箱，压力检测，压力数显表，欠压保护，压力恒定等功能，用于恒压控制沼气燃烧的进气压力，保证压力稳定输送。
沼气锅炉热能利用
沼气作为一种再生的清洁能源，国家大力推广中，如直接排放不但会对环境造成危害，沼气是一种易燃烧的燃料，也会存在一定的安全隐患。
沼气的利用也存在一定的经济价值。
锅炉功能说明
A、燃烧器自控
1）燃烧器启停由锅炉温度自动控制，温度根据要求设定；
2）当锅内温度低于设定的设置温度下限值时，控制器输出开启燃烧器电源，燃烧器启动点火程序；
3）系统炉内温度大于或等于设定的设置温度上限值时，控制器输出停止燃烧信号，燃烧器停止燃烧；
B、锅炉超温故障及保护功能
当锅炉炉内温度升高，达到锅炉停炉温度时，锅炉控制器会发出锅炉超高温（压）报警信号，并切断锅炉燃烧机电源，使锅炉停止运行，直到故障排除后需人工进行复位，锅炉才能启动运行，大大地提高了锅炉的安全性。
C、锅炉缺水保护功能
锅炉正常运行的必要条件是锅炉要具备正常的水位，当锅炉内水位下降到一定程度的时候，如果锅炉继续燃烧，会对锅炉造成致命的伤害，甚至发生危险，影响人身安全，因此对锅炉的水位要求极为严格。当锅炉水位下降至缺水保护水位时，锅炉控制系统将自动切断锅炉燃烧机电源，迫使锅炉燃烧系统停止燃烧，只有进行锅炉补水，并达到锅炉正常水位时，通过人工复位，锅炉才能正常运行。
D、锅炉断相保护功能
当锅炉电气系统断相时，燃烧器会因缺相而使其电动机各相电流不平衡，导致其电动机发热，甚至被烧毁，故在锅炉系统中，专门设计了断相保护功能。当锅炉电气线路出现断相的情况时，锅炉控制系统将切断整个电源系统，锅炉停止运行，当该故障完全排除后，通过人工复位，锅炉才能正常运行。
E、防冻保护功能
在寒冷的冬季，如果锅炉停止运行，其温度很快就下降到自然环境温度，当温度下降到一定程度的时候，水会凝结成冰，体积膨胀，对锅炉系统造成很大的破坏，甚至胀破管路系统，所以，锅炉控制系统设计了防冻功能，在寒冷的冬季，
锅炉系统会在水温下降到≤5℃时自动小火运行，提升系统水温度至10℃以上，防止因水温过低而破坏锅炉设备及管路系统。
