[發明專利]用于去除水、硅氧烷、硫、氧、氯化物和揮發性有機化合物的集成式沼氣清潔系統

有效

• 申請號: 201180042760.3
• 申請日: 2011-07-15
• 公開（公告）號: CN103079682A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 阿拉赫·普拉薩德;凱文·馬錢德
• 申請（專利權）人: 夸德羅吉動力系統公司
• 主分類號: B01D53/86
• 分類號: B01D53/86;B01D53/46;C01B17/16;C01B7/01
• 代理公司: 北京金思港知識產權代理有限公司 11349
• 代理人: 邵毓琴

技術領域

本發明涉及廢物沼氣的清潔，這種廢物沼氣包括垃圾填埋氣體。更具體地說，本發明涉及一種用于將不適于作為燃料使用的污染物（該污染物包括水、揮發性有機化合物、硅氧烷、氧、氯和硫磺）去除到按體積計算均小于50ppb（十億分之一）的沼氣清潔系統。

背景技術

沼氣一般是來自包括厭氧性消化池、市政廢物處理廠和垃圾填埋廠的來源或者有機廢物能夠在大部分沒有氧氣的環境中分解的任何源的廢物產品。沼氣一般包含大約50%到75%的甲烷、25%到50%的二氧化碳、0%至10%的氮、0%到1%的氫、0%到3%的硫和0%到2%的氧（均按體積計算）以及可能包括硅氧烷、氯、揮發性有機化合物和氨的各種痕量雜質。在略微高于周圍環境的溫度時，例如在高達大約50℃的溫度時，沼氣的水含量一般是飽和的。因為沼氣一般是由有機物生成的，其通常被認為是可再生形式的能量，從而使用沼氣作為燃料不會向大氣釋放新的碳。

因為沼氣含有甲烷，其可被轉變為用于發電或發熱的沼氣燃料。然而，因為發生機利用污染物操作的制約以及對其使用的排放限制，應該首先將沼氣的雜質從沼氣清除掉。對沼氣進行清潔的一個原因在于，沼氣含有將對環境有害的污染物。例如，沼氣中存在的硫化氫和有機硫的水平從幾個ppm（百萬分之一）到幾千ppm，當被燃燒時，這些硫化氫和有機硫變成二氧化硫，而二氧化硫是酸雨的主要成因。應該對沼氣進行清潔的另一個原因在于，沼氣中的一些雜質諸如硅氧烷會沉積在發熱和發電設備內，并對內部部件造成巨大損壞，并且可能導致過早損毀和/或導致需要經常通過檢修來維護設備。硅氧烷終止于沼氣，這是因為它們用在各種美容產品諸如化妝品和香波中，這些美容產品被沖到排水管患者被處理掉，從而它們終止于市政廢水和填埋場。沼氣中的硫雜質可能在發電設備內產生腐蝕性環境，或者甚至會使可能存在的催化劑毒化。

燃氣輪機要求雜質水平非常低，因為轉子可能由于污染物積累而產生不平衡，并且由于該積累碎屑的釋放而產生災難性故障。燃料電池要求近似零污染物的具體要求，因為這些污染物會積累在催化劑表面上而使輸出性能下降。內燃機對污染物的具體要求比燃氣輪機和燃料電池二者都高，因為它們基于能夠容忍執行頻繁且昂貴的維護或者設備更換。因此內燃機也能夠從近似零污染物水平受益，因為其能夠降低維護循環的頻率并因此提高操作經濟性。而且，能夠由內燃機處理的相對較高的雜質也意味著來自內燃機的污染會比其他設備相對更高。

市場上有其他現有的沼氣清潔方案，然而，幾乎沒有一個方案能夠提供將雜質去除到不會對下游設備（諸如燃料電池和發生器）造成困難的足夠低水平的節約成本的方法。例如，對于諸如燃料電池之類的清潔發電應用來說將維護降至最少所需的期望雜質水平一般是硫、硅氧烷、鹵素（氯等）和氨均小于50ppb。正在進行的清潔成本就$/kWh操作成本來說沖破了能量產生設備的底線，因為其在使用之前就花費金錢去清潔沼氣。如果這些清潔成本太高，則變得難以經濟地利用沼氣資源。需要增強的清潔沼氣燃料，以便能夠提高包括下游階段的總的可持續性。

在化學和化石燃料處理廠可以非常大規模地發現一些氣態雜質去除技術。例如，含硫氣體井清除廠一般使用克勞斯（Clause）工藝來去除硫。因為這些解決方案的復雜性，需要大規模地節約成本，例如一般要求許多相鄰的含硫氣體井都具有通向中央廠的管線。作為獨立系統，將這種類型工藝的規模降低到在小得多的點源（諸如在市區內更遠地間隔開的垃圾填埋場和廢物處理廠）處理沼氣所需的大小可能比較困難。當為了較小的應用而修改復雜技術時，為了降低資本成本一般將系統簡化，但是這樣有時也會無意地降低了雜質去除效率。沼氣雜質可能隨著時間而發生顯著變化，系統復雜性降低則可能意味著系統不再具有適當反應的能力，從而冒著擾亂下游設備工作的風險。

許多垃圾填埋場都穿有豎直和水平的井，從而能夠形成真空，以便將產生的沼氣抽出并使其燃燒，從而使得沼氣中的甲烷不會通過垃圾填埋場的表面進入大氣并造成全球變暖或氣候變化，這是因為甲烷常常比二氧化碳具有更強的捕獲大氣中的來自太陽的熱的能力。然而，當沼氣被從垃圾填埋場抽出時，許多其他雜質也被抽出，這些雜質在被燃燒之后必然會終止于大氣中。在點燃或燃燒沼氣之前需要去除并包含雜質，以便降低這種大氣污染。

從環境角度來說，對沼氣清潔方案的主要關注在于雜質終止于何處。例如，如果僅僅在火焰中燃燒富硫吸附劑再生氣體，則可能高水平的硫將終止于大氣中。所存在的一個未能解決的要求是在火焰或發電設備之前將這些雜質去除，并且將這些雜質以穩定的固體形式重新放回垃圾填埋場，以確保污染雜質保留在大氣之外。需要有一種以固體形式捕獲這些雜質的清潔系統。