用于去除水、硅氧烷、硫、氧、氯化物和挥发性有机化合物的集成式沼气清洁系统技术方案

提供了一种集成的沼气清洁系统，用来对来自诸如垃圾填埋场和消化池之类的来源的沼气进行清洁，以用于诸如锅炉、发动机、涡轮机或燃料电池之类的热和功率发生系统。硅氧烷、氯、氧和硫被去除到若个ppb水平，并且还去除大部分的水和一些挥发性有机化合物。该沼气系统冷却沼气流以部分地去除污染物，混合小浓度的氢气并且然后燃烧残余氧以加热沼气，并留下足够的氢，以适合于在使用加氢脱硫床和吸附介质床的阶段中进一步的污染物转变和去除的下游序列。热交换布置提供了废热的有效再循环，并且补偿了进入沼气废物流中的各种氧水平，从而适合于用在各种类型的沼气发生源中。所得到的沼气燃料产品适合于用在燃烧发生器、燃料电池系统、温室锅炉中，或作为给料用于进一步升级为可再生天然气。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及废物沼气的清洁，这种废物沼气包括垃圾填埋气体。更具体地说，本专利技术涉及一种用于将不适于作为燃料使用的污染物(该污染物包括水、挥发性有机化合物、硅氧烧、氧、氯和硫磺)去除到按体积计算均小于50ppb (十亿分之一)的沼气清洁系统。
技术介绍
沼气一般是来自包括厌氧性消化池、市政废物处理厂和垃圾填埋厂的来源或者有机废物能够在大部分没有氧气的环境中分解的任何源的废物产品。沼气一般包含大约50%到75%的甲烷、25%到50%的二氧化碳、0%至10%的氮、0%到1%的氢、0%到3%的硫和0%到2%的氧(均按体积计算)以及可能包括硅氧烷、氯、挥发性有机化合物和氨的各种痕量杂质。在略微高于周围环境的温度时，例如在高达大约50°C的温度时，沼气的水含量一般是饱和的。因为沼气一般是由有机物生成的，其通常被认为是可再生形式的能量，从而使用沼气作为燃料不会向大气释放新的碳。因为沼气含有甲烷，其可被转变为用于发电或发热的沼气燃料。然而，因为发生机利用污染物操作的制约以及对其使用的排放限制，应该首先将沼气的杂质从沼气清除掉。对沼气进行清洁的一个原因在于，沼气含有将对环境有害的污染物。例如，沼气中存在的硫化氢和有机硫的水平从几个PPm (百万分之一)到几千ppm，当被燃烧时，这些硫化氢和有机硫变成二氧化硫，而二氧化硫是酸雨的主要成因。应该对沼气进行清洁的另一个原因在于，沼气中的一些杂质诸如硅氧烷会沉积在发热和发电设备内，并对内部部件造成巨大损坏，并且可能导致过早损毁和/或导致需要经常通过检修来维护设备。硅氧烷终止于沼气，这是因为它们用在各种美容产品诸如化妆品和香波中，这些美容产品被冲到排水管患者被处理掉，从而它们终止于市政废水和填埋场。沼气中的硫杂质可能在发电设备内产生腐蚀性环境，或者甚至会使可能存在的催化剂毒化。燃气轮机要求杂质水平非常低，因为转子可能由于污染物积累而产生不平衡，并且由于该积累碎屑的释放而产生灾难性故障。燃料电池要求近似零污染物的具体要求，因为这些污染物会积累在催化剂表面上而使输出性能下降。内燃机对污染物的具体要求比燃气轮机和燃料电池二者都高，因为它们基于能够容忍执行频繁且昂贵的维护或者设备更换。因此内燃机也能够从近似零污染物水平受益，因为其能够降低维护循环的频率并因此提高操作经济性。而且，能够由内燃机处理的相对较高的杂质也意味着来自内燃机的污染会比其他设备相对更高。市场上有其他现有的沼气清洁方案，然而，几乎没有一个方案能够提供将杂质去除到不会对下游设备(诸如燃料电池和发生器)造成困难的足够低水平的节约成本的方法。例如，对于诸如燃料电池之类的清洁发电应用来说将维护降至最少所需的期望杂质水平一般是硫、硅氧烷、卤素(氯等)和氨均小于50ppb。正在进行的清洁成本就$/kWh操作成本来说冲破了能量产生设备的底线，因为其在使用之前就花费金钱去清洁沼气。如果这些清洁成本太高，则变得难以经济地利用沼气资源。需要增强的清洁沼气燃料，以便能够提高包括下游阶段的总的可持续性。在化学和化石燃料处理厂可以非常大规模地发现一些气态杂质去除技术。例如，含硫气体井清除厂一般使用克劳斯(Clause)工艺来去除硫。因为这些解决方案的复杂性，需要大规模地节约成本，例如一般要求许多相邻的含硫气体井都具有通向中央厂的管线。作为独立系统，将这种类型工艺的规模降低到在小得多的点源(诸如在市区内更远地间隔开的垃圾填埋场和废物处理厂)处理沼气所需的大小可能比较困难。当为了较小的应用而修改复杂技术时，为了降低资本成本一般将系统简化，但是这样有时也会无意地降低了杂质去除效率。沼气杂质可能随着时间而发生显著变化，系统复杂性降低则可能意味着系统不再具有适当反应的能力，从而冒着扰乱下游设备工作的风险。许多垃圾填埋场都穿有竖直和水平的井，从而能够形成真空，以便将产生的沼气抽出并使其燃烧，从而使得沼气中的甲烷不会通过垃圾填埋场的表面进入大气并造成全球变暖或气候变化，这是因为甲烷常常比二氧化碳具有更强的捕获大气中的来自太阳的热的能力。然而，当沼气被从垃圾填埋场抽出时，许多其他杂质也被抽出，这些杂质在被燃烧之后必然会终止于大气中。在点燃或燃烧沼气之前需要去除并包含杂质，以便降低这种大气污染。从环境角度来说，对沼气清洁方案的主要关注在于杂质终止于何处。例如，如果仅仅在火焰中燃烧富硫吸附剂再生气体，则可能高水平的硫将终止于大气中。所存在的一个未能解决的要求是在火焰或发电设备之前将这些杂质去除，并且将这些杂质以稳定的固体形式重新放回垃圾填埋场，以确保污染杂质保留在大气之外。需要有一种以固体形式捕获这些杂质的清洁系统。现有的一些去除更高水平杂质的解决方案是一类可再生材料，这些可再生材料可以包括在与沼气接触的同时捕获杂质的再生吸附剂或洗涤剂。然后，除了别的之外，在稍后时间将所述吸附剂或洗涤剂从沼气分离，以通过可能包括加热和/或在该吸附剂或洗涤剂上传送不同气体以将污染物带走的工艺而使所述吸附剂或洗涤剂再生。这种再生降低了杂质去除的成本，然而在发生再生之后污染物一般终止于大气。另外，连续的再生也会影响吸附剂或洗涤剂的长期性能，因为再生过程可能无法完全去除其他杂质的积累。由于这个原因，吸附剂或洗涤剂会随着更长的时间周期而下降，这会影响所发生的污染物滑流量。为了使杂质临界点实现非常低的水平，再生吸附剂或洗涤剂材料可能需要更频繁地更换，从而增加了成本并降低了可持续的足迹。另选地，从沼气去除杂质并将其以固体形式保持的一些解决方案是非可再生吸附剂介质床。吸附剂介质通过吸附作用捕获选择性的杂质，同时让其他分子通过，一旦它们的容量被填满，则它们需要更换。一般来说，用过的介质被放置在垃圾填埋场，或以其他方式处理掉。在处理低水平杂质时，即使吸附剂床的容量较小，吸附剂床也可能是节约成本的。然而，当沼气中的杂质含量较高时频繁更换或具有非常大的床则可能变得成本过高，因为既要应付吸附剂购买成本还要应付吸附剂处置成本。硫吸附剂床的另一个附加考虑是吸附剂床的容量一般取决于将要捕获的硫物种的类型。例如，在近似环境温度时最容易被活性炭捕获到的硫物种是硫化氢，这允许在出现临界点之前在活性炭床上积累最大容量的硫，如通过每克未用吸附剂多少克硫来测量。然而，存在这样的情形，即在沼气中存在除硫化氢之外的硫物种(诸如有机硫)，并且这些硫物种一般难以捕获。例如，活性炭在去除硫化氢时能够具有非常高的硫负载能力，但是当去除有机硫时，在出现痕量硫临界点之前该负载能力极大地下降。需要一种清洁方法将沼气硫化物主要转换为硫化氢，以有效地去除并最大化利用吸附材料。对于许多硫吸附剂来说，通常用于H2S的容量比其他硫物质高得多。在工业过程中，对于有机硫物种和捕获它们的吸附剂床的低容量的两难境地有一个普遍的解决方案。该解决方案是通过提供还原环境(例如没有氧气且略微超过氢)将有机物种转变为硫化氢，并且以250°C到400°C的高温将气体带到加氢脱硫催化剂床。加氢脱硫催化剂的典型反应是将任何有机硫化合物上的键断裂，然后将硫原子的断裂的键替换为在沼气流中过量存在的氢分子。这一般将导致例如碳氢化合物分子和硫化氢分子。尽管该过程没有从气体去除硫，但是将大多数硫物种转变为硫化氢会有助于使得下游吸附剂床的成本效率最大化。这些相同的加氢脱硫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.07.15 CA 2，709，7221.一种用于净化沼气废物流以形成可燃清洁生物燃料的沼气清洁系统，所述沼气废物流包含甲烷、二氧化碳和水以及可能包括硫、齒化物、硅氧烷和挥发性有机化合物的杂质，所述沼气清洁系统包括: (a)用于将氢气混合到沼气废物流中的气体控制系统，所述气体控制系统具有氢流动控制器和氢端口； (b)脱氧催化剂床，所述脱氧催化剂床流体地联接在所述气体控制系统的下游，用来接收被混合的氢并使所述被混合的氢与所述沼气中的残留氧催化燃烧，从而将氧基本上从所述沼气去除，并将所述沼气流加热； (C)加氢脱硫催化剂床，所述加氢脱硫催化剂床流体地联接在所述脱氧催化剂床的下游，该加氢脱硫催化剂床接收被加热的沼气流以便基本上将硫物种氢化为硫化氢并基本上将氯物种氢化为氯化氢； (d)第一硫化氢去除吸附床，所述第一硫化氢去除吸附床流体地联接在所述加氢脱硫催化剂床的下游，以便基本上将硫从所述沼气去除； (e)热传感器控制器，所述热传感器控制器用于测量沼气流温度并与所述气体控制系统通信， 其中当操作并接收沼气流时，将氢与所述沼气混合，然后将氧基本上去除，通过发热燃烧将所述沼气流充分加热，使得所述硫物种被所述加氢脱硫催化剂床氢化而被主要转换为硫化氢，然后将被转换的硫化氢从所述吸附床基本上去除，并且响应于所述热传感器控制器来进一步控制氢混合率。2.根据权利要求1所述的沼气清洁系统，其中所述气体控制系统提供大于2%的增加氢浓度，并且所述沼气流在所述脱氧剂床处的燃烧率在所述加氢硫化催化剂床之前提供了在250 。C和400。C之间的沼气温度。3.根据权利要求1所述的沼气清洁系统，该沼气清洁系统进一步包括: (f)硫精处理吸附床，所述硫精处理吸附床流体地联接在所述第一硫化氢去除吸附床的下游，以便从所述沼气去除在还原或氧化状态下部分地由铜或镍构成的痕量硫水平。4.根据权利要求1所述的沼气清洁系统，该沼气清洁系统进一步包括换热器回路， (g)节能换热器，所述节能换热器流体地联接在脱氧催化剂床的上游并且联接至退出所述硫化氢去除吸附床的被加热的沼气流，其中冷换热侧包括进入的沼气流和离开的被冷却的清洁沼气，热换热回路由离开的清洁的被加热沼气流和脱氧催化剂床上游的沼气流； (h)辅助加热器，所述辅助加热器位于所述热换热回路内，用于在所述脱氧催化剂床中的发热温升不足时将所述脱氧催化剂床的上游的沼气流加热到250°C和400°C之间，以足够用于基本将氧去除； (i)辅助冷却器，所述辅助冷却器位于所述热换热回路内，用于冷却所述沼气流，所述冷却器选择在第二换热器上以降低清洁的被加热沼气流的温度，以及沼气流动控制器，所述沼气流动控制器流体地联接至所述硫吸附床、换热器和离开的被冷却的清洁沼气流，并且能操作成响应于表示在所述脱氧催化剂床内存在过度发热温升的热传感器而将热的清洁沼气流分布在热或冷交换回路和换热器之间， 其中在操作时返回到所述节能换热器的热沼气的流动和温度能被调节以将所述脱氧催化剂床的下游的沼气温度维持在250°C到不高于400°C的范围内。5.根据权利要求1所述的沼气清洁系统，该沼气清洁系统进一步包括: (j)位于所述第一硫去除吸附剂床上游的氯去除吸附剂床。6.根据权利要求4所述的沼气清洁系统，该沼气清洁系统进一步包括: (k)硅氧烷去除吸附床，所述硅氧烷去除吸附床位于所述换热器的上游，用于将硅氧烷从所述沼气去除。7.根据权利要求4所述的沼气清洁系统，该沼气清洁系统进一步包括流体地联接在氢端口上游的沼气预冷却器，该沼气预冷却器从提供小于近似一 10° F以将水和污染物冷凝的制冷剂回路、提供在一 10° F和32° F之间以将水和一些污染物冷凝的制冷剂回路和能在32° F和50° F之间操作以基本上将水量冷凝出的水冷凝器的组中选择。8.根据权利要求4所述的沼气清洁系统，该沼气清洁系统进一步包括流体地联接在氢端口上游的沼气预冷却器，该沼气预冷却器由喷水器和水分离器形成，用于将沼气预冷却并吸收水中的诸如氧化硫和硫化氢之类的杂质中的一些杂质。9.根据权利要求6所述的沼气清洁系统，其中所述硅氧烷吸附床由从活性炭、硅胶、分子筛或沸石的组中选择的一个的形成。10.根据权利要求1所述的沼气清洁系统，其中所述脱氧催化剂床包括从钼、钯、铑以及还原状态下的金属的组中选择的贵金属催化剂。11.根据权利要求1所述的沼气清洁系统，其中所述加氢脱硫催化剂床包括从钴、钥和镍的组选择的金属。12.根据权利要求5所述的沼气清洁系统，其中所述氯化氢去除吸附床部分地包括氧化二钠。13.根据权利要求1所述的沼气清洁系统，其中所述硫吸附床包括从氧化锌、氧化铁和活性炭的组中选择的活性化合物。14.根据权利要求7所述的沼气清洁系统，其中由该系统的下游输出的清洁沼气具有充分低水平的污染物，使得该沼气能够作为燃料在发生器中可靠且重复地燃烧，从而对所述发生器的腐蚀或损坏降低，所述发生器从内燃机、涡轮机、燃料电池系统和锅炉的组中选择。15.根据权利要求1所述的沼气清洁系统，该沼气清洁系统进一步包括多个硫吸附剂床，所述多个吸附剂床中的每个吸附剂床都以前后排列方式布置，使得在操作过程中，所述多个硫吸附剂床中的一个被从沼气流离线移除和更换，同时至少一个其他吸附剂床可针对沼气流在线操作。16...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿拉赫·普拉萨德，凯文·马钱德，
申请(专利权)人：夸德罗吉动力系统公司，
类型：
国别省市：