活性氧化鐵在填埋場沼氣凈化中的應用

陳浩泉

(上海環境工程技術有限公司，上海 200070)

垃圾填埋沼氣（LFG）是衛生填埋場的降解產物之一，除主要組分CH4、CO2外，其它已被檢測出的物質有140種以上。這些氣體無控制地遷移和聚積，會產生二次污染，引發燃燒爆炸事故；LFG又是一類溫室氣體，它對大氣臭氧層有破壞作用，資料表明CH4產生的溫室效應比當量體積的CO2高20倍以上，每噸垃圾在填埋場壽命期內可產生100～200m3的沼氣，其熱值一般為7450～22350kJ/m3，脫水后熱值可提高10%，除去CO2、H2S及其它雜質組分后，又可將熱值提高到22 360～26 000 kJ/m3（天然氣的熱值為37 260 kJ/m3），因此它又是一種潛在的清潔能源。填埋沼氣的回收利用開始于20世紀70年代，國外每年從LFG中回收的能量約相當于2.0×106t的原煤資源，LFG回收用于發電占55%、鍋爐占23%、熔爐和燒窯占13%，管道供氣占9%，目前較新的沼氣利用技術還包括用作汽車的替代燃料，生產甲醇或者燃料電池等。

LFG的成分復雜，除垃圾特性外，其影響因素還包括溫度、厭氧程度、養分及毒素、pH、濕度、填埋年限與區域、填埋方式與類型等。相關研究可知，LFG中含量較高的惰性組分CO2和N2會降低其作為燃料的熱值、增加集輸費用；在燃燒過程中，LFG中的H2S、H2O和鹵化物會形成腐蝕性酸，如H2SO4、HCl等；硅氧烷在高溫下能轉化為氧化硅，這種白色的粉末會堵塞或損害設備；其它有害的微量物質，如烴類、硫醇類和揮發性有機物（VOCs） 等，也會對LFG的燃燒特性造成不利影響。因此利用之前，應進行濃縮與凈化處理以除去其中的惰性組分和有害氣體。

1 概述

氧化鐵脫硫劑是一種以活性氧化鐵（Fe2O3）的水合物為主要脫硫成分的一種脫硫劑。常溫下，活性氧化鐵（Fe2O3）分為α水合物和γ水合物，2種水合物都具有脫硫作用。非水合物的氧化鐵常溫下不具有脫硫作用。氧化鐵脫硫劑是以活性氧化鐵為主要活性組分，添加多種不同促進劑加工成型的褐黃色柱狀高效常溫脫硫劑。活性氧化鐵脫硫劑具有容量大、凈化度高、強度高、遇水不泥化，使用時具有設備簡單、操作方便、易再生等特點，即使在無氧、無氨等苛刻條件下也能高精度脫除硫化氫，同時對有機硫、氧、氰也有一定的脫除效果。

H2S與脫硫劑中的活性氧化鐵作用生成穩定硫化物。當脫硫劑中通入空氣時，硫化物可與氧反應生成單質硫沉積在脫硫劑微孔中，脫硫劑得以再生，從而達到脫硫防腐蝕的目的。公式（1） 和公式（2）是脫硫劑脫硫時的反應，公式（3） 和公式（4）是脫硫劑再生的反應過程。

當脫硫劑呈堿性時主要發生公式（1）、（3）反應；當脫硫劑呈中性或弱酸性時，則易發生公式（2）反應，其中硫化亞鐵又與硫發生反應：

二硫化鐵與氧很難反應，也就無法進行再生。因此干法脫硫氧化鐵脫硫劑必須呈弱堿性才有利于脫硫及再生。

2 活性氧化鐵的凈化實驗

2.1 預處理工藝流程

簡易的填埋氣凈化流程如圖1所示，包括水封器、氣水分離器、活性氧化鐵脫硫罐、活性炭凈化罐和負壓風機。填埋氣從堆體抽出后，經過收集系統進入凈化系統。負壓風機提供氣體流動和通過凈化單元的動力，風機出口的填埋氣可以送至填埋氣燃燒火炬或者是發電機組。

圖1 填埋氣預處理實驗流程

2.2 凈化設備

2.2.1 水封器

水封器能有效防止回火現象的發生。當凈化系統或者燃燒裝置內的填埋氣沿管道起火時，水封器能夠阻斷火焰沿氣體收集管路的傳播。

在作業過程中，可燃氣體（如填埋氣）通過水封罐的進口管道進入罐體底部的水中，可燃氣體從水底上升到水封罐的液面上，在液面上部的空間形成一定的壓力后，從水封罐頂部的出口管道排出。當發生回火時，罐內的液體自然形成阻絕氣體的屏障，杜絕了火焰的繼續傳播，可以保護氣體收集管路和填埋堆體的安全。

2.2.2 氣水分離器

填埋氣從堆體內抽出時，含有大量的水分，盡管在氣體收集管路系統中已經排除了一部分冷凝水，但是在氣體進入預處理系統時，由于溫度、壓力發生變化，露點降低，水蒸氣進一步冷凝析出造成輸配系統內氣液兩相流動，增大系統阻力，甚至堵塞氣體管道。氣水分離器的功能就是利用重力沉降、離心、碰撞、粘附等原理，將填埋氣中的水蒸氣和冷凝水除去，減少水分對后續預處理系統的影響。

本實驗過程中采用的氣水分離器，在利用重力和離心脫水原理的基礎上，內部裝填有填料系統，增大了氣液的接觸面積，可以高效脫出沼氣中的水分，同時，氣水分離器內部有適宜的孔隙率，可以減少氣體阻力。填料為不銹鋼過濾網等材料，耐磨、耐腐蝕，在設備有限使用年限內，不需要更換。

2.2.3 活性氧化鐵脫硫罐

填埋氣中含有一定量的硫化氫氣體，與水分結合形成腐蝕性的酸，對氣體管道、儀表和填埋氣處理設備造成腐蝕，填埋氣燃燒后，硫化氫轉化為二氧化硫，還會對大氣造成污染，影響人們和建筑物的安全。活性氧化鐵脫硫工藝屬于干法脫硫，主要化學反應為利用Fe2O3·H2O與H2S反應生成Fe2S3實現脫硫，利用Fe2S3在通入空氣條件下與O2反應生成Fe2O3·H2O和S實現脫硫劑再生。

2.2.4 活性炭凈化罐

填埋氣中的硫化氫經過脫硫罐時，可能有一小部分不能完全脫除，在脫硫罐之后安裝一級活性炭凈化罐，可以進一步增強脫硫效果。另一方面，填埋氣中含有硅氧烷類微量氣體，會對燃燒火炬、發電機組燃燒室造成結垢腐蝕，利用活性炭吸附硅氧烷類微量氣體，可以延長填埋氣處理設備的壽命。

2.3 填埋氣凈化效果分析

2.3.1 預處理設備的凈化效果

預處理裝置從2013年11月1日連續運行1個月，對預處理系統總進氣口和最終的出氣口氣體采樣。測試儀器采用GAS2000 Plus便攜式氣體檢測儀，可以同時檢測甲烷、二氧化碳、氧氣的體積分數，硫化氫含量采用北京恒奧德科技有限公司生產的便攜式硫化氫氣體檢測儀進行檢測。裝置的凈化效果如表1所示。

表1 填埋氣預處理凈化效果

2.3.2 預處理裝置的脫硫能力計算

本次試驗使用的脫硫罐罐體直徑?400，高1300 mm，脫硫劑裝填高度為800 mm。那么脫硫劑的裝填體積為：

按照脫硫劑的堆填密度為ρ=0.7 kg/L計算，需要的脫硫劑的質量為：

按照脫硫劑的穿透硫容為90 mg/g計算，脫硫劑在達到凈化效果時的最大吸收硫化氫的含量為：

假設填埋氣中硫化氫含量為200 mg/m3，出口硫化氫含量為5 mg/m3，則脫硫罐能處理達標的填埋氣量為：

6300×1 000/195=3.23×104（m3）

按照預處理系統的處理流量為15 m3/h計算，每天連續24 h工作，脫硫劑可以達標處理填埋氣的總天數為：

綜上所述，本實驗所使用的脫硫罐按照出氣標準為硫化氫含量低于5 mg/m3。

3 結論與建議

1） 填埋氣中甲烷熱值較高，可以回收利用；而且甲烷是一種溫室氣體，直接排放將會對全球氣候變化帶來負面影響，應回收處理。

2）本實驗采用氣水分離器、活性氧化鐵脫硫罐、活性炭凈化罐開展了填埋氣預處理應用實驗，實現填埋氣中硫化氫的含量穩定降低到5 mg/m3。

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