填埋沼气吸附法脱硅脱硫系统探究

黄春城

深圳宝安东江环保再生能源有限公司 广东深圳 518100

摘要：填埋沼气中硅氧烷主要来源是含硅物质,由于硅氧烷燃烧后生成坚硬硅的氧化物，对发动机的危害是致命的；沼气中硫化氢气体伴随厌氧发酵而产生，硫化氢气体存在会对管道和设备产生腐蚀作用，H₂S在发电机组内燃烧产生SO₂，排放大气中形成酸雨造成大气污染。本项目工艺为深圳老虎坑垃圾填埋场沼气经处理系统净化后到后续处理设备，为满足发电机组的用气要求，同时为保证系统安全运行，从而设计了处理量1800m³/h填埋沼气吸附法脱硅脱硫系统。

关健词：脱硅脱硫系统；硅氧烷；硫化氢；填埋沼气

1、项目背景

老虎坑东江环保填埋沼气再生利用发电厂，主要负责老虎坑垃圾填埋场沼气再生发电利用。老虎坑环境园驻扎着垃圾焚烧厂，燃烧炉渣送往填埋场与生活垃圾混合填埋，造成填埋气体硅氧烷严重超标。预处理无法脱除填埋气体的硅氧烷，硅氧烷含量超过颜巴赫厂家标准的19倍，造成发动机气缸积硅严重，频繁发生发动机敲缸，机组负载带不上，设备配件耗损大，机组维修费用高及发动机曲轴报废，从而设计了处理量1800m3/h填埋沼气吸附法脱硅脱硫系统。

2、设计依据

2.1填埋沼气概述

垃圾填埋场的沼气主要由CH4（约占50%），CO2（约占40%）、水蒸气、以及少量的氨气、氧气、硫化氢、硅氧烷等组成。其中，沼气中硅氧烷主要来源是含硅物质，如洗涤剂、化妆品；若有垃圾焚烧的炉渣和生活垃圾混合填埋，填埋沼气中含有大量的SiO₂、Ca₂Si及α-SiO₂等¹。由于硅氧烷燃烧后生成坚硬硅的氧化物，对发动机的危害是致命的，因此沼气动力均会设置脱硅装置，以保证气体品质、延长设备寿命。

沼气中硫化氢气体伴随厌氧发酵而产生，硫化氢气体存在会对管道和设备产生腐蚀作用，若气体泄露会危害人体健康，H₂S在发电机组内燃烧产生SO₂，排放大气造成大气污染，形成酸雨，水蒸气与其他酸性物质的化合产生中间产物，对设备产生腐蚀，缩短设备使用寿命。

2.2基本设计数据

1. 处理前填埋沼气检测主要参数:

成分	单位	数值
CH4	%	48.9
CO2	%	45.1
N2	%	3.0
硅氧烷(总硅含量)	mg/m3	8~20.5
H2S	mg/m3	215
来气压力	kPa	＞-10
相对湿度	%	20－40
温度	℃	35～40℃

2. 典型发电机组要求的技术参数:

3、工艺描述

3.1硅氧烷去除工艺选择

（1）活性炭吸附法

活性炭几乎可以完全去除沼气中的硅氧烷，一般可将浓度降到0．1mg/m3以下。其他一些挥发性碳水化合物（如BTEX）也可以用于吸附去除硅氧烷。如果处理的是垃圾场沼气，则活性炭很快会吸附饱和。因此，工程实际中在活性炭吸附装置前设置一个干燥工艺单元，可去除99%以上的硅氧烷在这类设备中。活性炭一般不再生，主要运行成本是更换活性炭的费用。实际工程中通常采用双层填料塔，有时也用更廉价的材料，例如一层可可果壳、一层烟煤。

（2）洗涤法

研究表明，采用大量洗涤剂可吸收沼气中的硅氧烷，化学方法原则上是在低pH值或高pH值范围内进行。由于碱性洗涤剂和沼气中的二氧化碳相遇后会产生碳酸盐，实践中一般不采用，而仅使用酸性洗涤剂，但需注意安全问题。物理方法主要是依靠水、有机溶剂和矿物油来吸收硅氧烷，但是硅氧烷多为憎水性，因此水洗涤的方法作用不大。另外经验表明，矿物油洗涤效果有限，并会引发其他问题。因此合适的物理方法是采用有机溶剂来洗涤沼气，以去除硅氧烷。

（3）低温吸附

低温吸收的效率取决于温度，冷却沼气可去除30%～60%的硅氧烷。按照热泵原理极端冷却沼气，可去除60%～80%的硅氧烷。此外，硅氧烷浓度越高，低温净化的效率越高。但是具有轻度挥发性的L2主要出现在垃圾场沼气中，即使在－40℃的环境下析出量也不大。

其中洗涤法效率高，对卤化物也有很好的去除效果，但技术复杂，主要是监控和调节设备复杂，洗涤油处置费用高。低温深度冷凝，虽然操作运行简单，但去除效率低，技术复杂。而活性碳吸附法技术简单，运行简便，在沼气硅氧烷含量不高时，综合考虑投资、运行、技术、操作安全等方面因素宜采用吸附法脱硅。

3.2硫化氢去除工艺选择

（1) 干法脱硫

干法脱除填埋气气体中硫化氢（H₂S）的设备基本原理是以O₂ 使H₂S 氧化成硫或硫氧化物的一种方法，也可称为干式氧化法。干法设备的构成是，在一个容器内放入填料，填料层有活性炭、氧化铁等。气体以低流速从一端经过容器内填料层，硫化氢（H2S）氧化成硫或硫氧化物后，余留在填料层中，净化后气体从容器另一端排出。

（2）湿法脱硫

湿法脱硫可以归纳分为物理吸收法、化学吸收法和氧化法三种。物理和化学方法存在硫化氢再处理问题，氧化法是以碱性溶液为吸收剂，并加入载氧体为催化剂，吸收H₂S，并将其氧化成单质硫，湿法氧化法是把脱硫剂溶解在水中，液体进入设备，与填埋气混合，填埋气中的硫化氢（H₂S）与液体产生氧化反应生成单质硫，吸收硫化氢的液体有氢氧化钠、氢氧化钙、碳酸钠、硫酸亚铁等。成熟的氧化脱硫法，脱硫效率可达99.5％以上。在大型的脱硫工程中，一般采用先用湿法进行粗脱硫，之后再通过干法进行精脱硫。

（3) 生物脱硫

生物脱硫技术包括生物过滤法、生物吸附法和生物滴滤法，三种系统均属开放系统，其微生物种群随环境改变而变化。在生物脱硫过程中，氧化态的含硫污染物必须先经生物还原作用生成硫化物或H2S 然后再经生物氧化过程生成单质硫，才能去除。在大多数生物反应器中，微生物种类以细菌为主，真菌为次，极少有酵母菌。常用的细菌是硫杆菌属的氧化亚铁硫杆菌，脱氮硫杆菌及排硫杆菌。最成功的代表是氧化亚铁硫杆菌，其生长的最佳pH 值为2.0～2.2。

生物脱硫过程控制条件苛刻，很难达到预定要求，而湿法脱硫是脱硫工艺投资成本较大，在H₂S含量较低时候设备较复杂，因系统入口沼气H₂S含量只有215mg/m³，机组要求入口H₂S含量低于150PPm即可，而干法脱硫的精度高，甚至可使得机组入口H₂S含量低于0.5 mg/m³及，从而减少酸性气体对机组等后续设备腐蚀迫害，延长系统使用寿命，因此干法脱硫是本方案最佳选择。

3.3系统设计处理能力

3.4系统工艺介绍

气体吸附系统是一套低热值燃气发电工程，沼气设计流量为1800Nm³/h脱硅脱硫系统设备。吸附剂更换周期最终确认为90天，本系统共设置3个吸附塔（1个脱硫塔和2个脱硅塔），填埋沼气先进入脱硫塔进行脱硫处理，再进入脱硅塔去除硅氧烷，从而达到发电机组进气品质要求。

系统工艺流程如下图所示：

4、脱硅脱硫系统效果分析

4.1发电机组更换周期润滑油样硅含量检测分析

老虎坑东江环保电厂的发电机组是由奥地利颜巴（JENBACHBER）进口的发电机组。以颜巴赫标准，油样硅含量极限值是≤200ppm。为了脱除填埋气体中的硅氧烷，目前预处理加装一套脱硅脱硫设备，3月18日脱硅脱硫设备投入运行，从图表1可以得出脱除填埋气体中的硅氧烷能达到比较理想效果。

图表1：为老虎坑电厂机组油样硅含量汇总趋势图

图表2：为下坪电厂机组油样硅含量汇总趋势图

（1）以颜巴赫标准，油样硅含量极限值是≤200ppm。从图表1可以看出：3月18日脱硅氧烷设备投入运行前，未安装脱硅塔前，老虎坑电厂900h（由于燃气质量差，机组润滑油更换周期为大概900h）的机油样检测，硅含量均超出460ppm，超出颜巴赫标准一倍多，而图表2下坪电厂（深圳市下坪环境园东江环保电厂）的1400h更换机油一直在≤200ppm。

（2）3月18日脱硅塔投入运行，由于脱硅塔安装前机组已经运行300小时了，油样检测硅含量在179ppm，脱硅塔投入运行到900h机油更换时，油样检测硅含量都保持在182ppm，而且2#机组第二个机油更换周期为1000h时，机油油样检测硅含量在153ppm；说明脱硅塔去除硅氧烷能达到颜巴赫标准。

（3）6月28日，2#机组机油运行到第三个更换周期500h油样报告结果，硅含量为288ppm, 显示超过颜巴赫发动机机油硅使用极限值，到了此周期900h更换机油，硅含量达到611ppm,且油样显示金属元素在慢慢超标，机组处于异常磨损，必须脱硅塔更换吸附剂材料。由此可见，脱硅塔更换活性炭吸附剂周期大概在90天左右。

4.2发电机组更换周期润滑油样总酸值检测分析

老虎坑东江环保电厂颜巴赫发电机组燃气质量要求：硫化氢H₂S≤150ppm，而老虎坑卫生填埋场填埋沼气检测硫化氢H₂S≤150ppm，预处理无需脱硫设备，老虎坑填埋沼气依然达到颜巴赫发电机组设备酸腐蚀容忍范围内，增加脱硫设备只是更换的保护设备酸腐蚀。目前预处理加装一套脱硫塔，以颜巴赫标准，油样总酸值（TAN）含量极限值是≤4.66ppm，3月18日脱硫塔投入运行，从下列图表3可以看出，发电机组换油周期的总酸值下降了，脱硫塔提纯了二氧化铁吸附的填埋沼气中硫化氢，但是由于本项目的填埋沼气硫化氢不高，仅起到设备防腐蚀效果。

图表3：为老虎坑电厂机组油样TAN汇总趋势图

5、结语

去除填埋气的硅氧烷，活性炭是目前比较好的吸附剂，老虎坑东江环保发电厂的脱硅塔的主要吸附剂材料就是活性炭；但是活性炭的吸附为物理吸附，且一般不再生，吸附一定时间会饱和，必须要更换吸附剂了。对于脱硅塔吸附剂更换周期无法达到预期要求，目前正在从吸附剂材料作用方面着手，期望通过科学方法，采购针对硅氧烷的特异性活性炭吸附剂，延长更换周期，降低生产成本。

参考文献

1 [1]城市生活垃圾焚烧炉渣的特性分析[J].王妍,张成梁,苏昭辉,韩爽,荣立明.环境工程.2019(07)