DE69619360T2 - System und methode zur behandlung von abgas - Google Patents
System und methode zur behandlung von abgasInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zum Behandeln von Abgasströmen, um diese zu reinigen sowie sauber verbrennbar zu machen. Im Spezielleren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Deponiegas-Behandlungssystem, das das Deponiegas als Wasserstoffquelle für eine Brennstoffzellen-Kraftanlage verwendbar macht.
- Vom Menschen angelegte Deponien sowie anaerobe Autoklave sind die Ursache von Gasausströmungen, die in die Atmosphäre gelangen. Diese Gase werden üblicherweise als "Abgase" bezeichnet. Die Hauptkomponenten des Abgases sind Methan, Kohlendioxid und Stickstoff. Es sind auch geringere Mengen von Sauerstoff, anderen flüchtigen organischen Verbindungen, Halogeniden und Wasserstoffsulfid vorhanden. Abgase, die eine potentielle Energiequelle darstellen, gelten derzeit nur als kleineres Ärgernis und potentielle Umweltgefahr, wobei das Kohlendioxid und das Methan zu dem Treibhauseffekt beitragen. Bisher entledigt man sich des Deponiegases durch Freisetzen desselben an die Atmosphäre, Verbrennen in Kesseln, Abfackeln, durch Verwendung desselben als Brennstoff für Verbrennungsmotoren oder Generatoren oder als Erdgasersatz, nachdem das COa daraus entfernt worden ist.
- Deponiegas ist als potentielle Quelle von Kohlendioxid und auch als potentielle Quelle von Erdgas zu sehen. Das US-Patent Nr. 5 059 405, erteilt am 22. Oktober 1991 für R.J. Watson et al. offenbart ein Verfahren zum Reinigen von Deponiegas zum Gewinnen von Kohlendioxid aus diesem. Das dort beschriebene Verfahren beinhaltet das Entfernen von Verunreinigungen, wie z. B. Schwefelverbindungen, Halogenen, Wasser und dergleichen. Nach dem Entfernen der vorstehend genannten Verunreinigungen wird das verbleibende Gas in einem Kessel-/Veraschungs-Verbrennungsofen verbrannt, um einen Austrittsstrom aus im Wesentlichen reinem Kohlendioxid zu erzeugen. Bei diesen Verfahren wird die brennbare Methankomponente des Deponiegases einfach verbrannt.
- Ein Artikel von R. Rautenbach et al., der in der im März 1993 veröffentlichten Ausgabe von Gasabscheidung und -reinigung (Band 7, Nr. 1), Seiten 31-37, veröffentlicht worden ist, beschreibt die Behandlung von Deponiegas durch Umwandeln von H&sub2;&sub5; in Schwefel in einem Brenner. Der Schwefel wird dann zu einem Kohlenstoffbett transportiert, in dem der Schwefel abgelagert wird. Ein bei diesem System als Begleiterscheinung auftretendes Problem besteht darin, dass sich der Schwefel in den Transferleitungen absetzen kann und dazu führen kann, dass ein Druckabfall in dem System zunehmen kann. Das Wasser in dem System wird durch eine Kühleinrichtung entfernt. Halogenverbindungen werden auf Kohlenstoff absorbiert. Der Kohlenstoff wird durch Dampf regeneriert, was zu einer umweltmäßigen Verunreinigung der wässrigen Mischung aus Wasser und Halogen führt.
- Die US-A-5 451 249 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln von Deponiegas, wobei die gesamten Verunreinigungs- Kohlenwasserstoffverbindungen durch Adsorption an aktiviertem Kohlenstoff entfernt werden.
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Entfernen von chemischen Verunreinigungen aus Deponiegas oder anderen verunreinigten Abgasquellen, um ein Brennstoffgas zu erzeugen, das für die Verwendung als Brennstoffquelle in einer Brennstoffzellen-Kraftanlage, einer Verbrennungsturbine, einem Hubkolbenmotor oder zur Umwandlung in ein Gas geeignet ist, das in eine Erdgas-Pipeline eingespeist werden kann. Das Abgas-Sammelverfahren wird durch die speziellen Systemanforderungen bestimmt. Deponiegas wird von einer Deponie gesammelt, indem Gassammelschächte in die Deponie gebohrt werden und das Deponiegas aus den Schächten in eine Sammel-Rohrleitung gepumpt wird, die zu dem Behandlungssystem der vorliegenden Erfindung führt. Ein gesammeltes Abgas wird in einen Wasserstoffsulfid-Adsorbierer geleitet, der mit Kaliumhydroxid Kohlenstoff-imprägniert sein kann, durch das das Wasserstoffsulfid mittels der nachfolgenden chemischen Reaktion entfernt wird:
- H&sub2;S + 0,5O&sub2; → H&sub2;O + S
- wobei der erzeugte Schwefel auf dem adsorbierenden Bett adsorbiert wird. Die entschwefelte Gasströmung wird dann einer hydrierenden Hydroentschwefelungsstation zugeführt, in der Halogenide und Schwefel in der Gasströmung in H&sub2;S und HX umgewandelt werden, wobei "X" Chlor, Fluor, Brom oder Jod ist. Der H&sub2;S-Bestandteil wird aus der Gasströmung entfernt, in dem die Gasströmung über ein Zinkoxidbett geführt wird, indem das H&sub2;S in ZnS und H&sub2;O umgewandelt wird. Die hydrierende Station sowie das Zinkoxidbett sind herkömmliche Komponenten einer Brennstoffzellen-Kraftanlage, die Pipeline-Erdgas als Brennstoffquelle verwendet.
- Die Gasströmung wird dann durch ein Halogenentzugsbett geleitet, das Natriumhydroxid und/oder Calciumhydroxid beinhalten kann, in dem die HX-Halogenverbindungen aus der Gasströmung entfernt werden. Die Gasströmung wird dann in den Dampf-Reformer einer Brennstoffzellen-Kraftanlage geleitet. Die auf diese Weise erzeugte gereinigte und reformierte Gasströmung wird in die Zellen einer herkömmlichen Brennstoffzellen-Kraftanlage geleitet, um die Brennstoffzellen zur Erzeugung von elektrischer Energie mit Wasserstoff zu versorgen. In bestimmten Fällen kann eine Gasströmungs-Kühl-/Kondensierstation vorgesehen sein, um Wasser aus der Abgasströmung zu entfernen. Die Halogen- und H&sub2;S-Entzugsbetten sind typischerweise Betten, die periodisch entfernt und durch frische Adsorptionschemikalien ersetzt werden.
- Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung einer Abgas-Behandlungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, Abgas in dem Ausmaß zu reinigen, das zur Verwendung des gereinigten Abgases als saubere Energiequelle für eine Brennstoffzellen-Kraftanlage, eine Gasturbine, eine Gaspipeline oder dergleichen erforderlich ist.
- Diese und weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit der Begleitzeichnung noch deutlicher, bei der es sich um eine schematische Darstellung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Deponiegas-Behandlungseinrichtung oder anderen Abgas-Behandlungseinrichtung handelt.
- Unter Bezugnahme auf die Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Deponiegas-Behandlungsvorrichtung oder -Behandlungssystems dargestellt, die bzw. das in der Lage ist, eine Deponiegasströmung in eine Gasströmung umzuwandeln, die zur Schaffung einer Wasserstoff-Brennstoffgasquelle für eine Brennstoffzellen-Kraftanlage verwendet werden kann. Das Gasbehandlungssystem beinhaltet eine Deponiegas-Eintrittsleitung 2, durch die eine Strömung unbehandelten Deponiegases von der Deponie in eine Wasserstoffsulfid-Adsorptionsstation 4 geleitet wird. Die nominalen Hauptkomponenten (sowie ihre bereichsmäßigen Mengen) des unbehandelten Deponiegases sind: Methan (42-50%); Kohlendioxid (38-48%); Stickstoff (10-20%); Sauerstoff (0,3-1%); Wasserdampf (1-5%) plus spurenmäßige, jedoch signifikante Mengen von Wasserstoffsulfid; sowie Kohlenwasserstoffe, die schwefelhaltige Kohlenwasserstoffe und Halogenkohlenwasserstoffe beinhalten. Bei der Adsorptionsstation 4 kann es sich um ein Festbett handeln, das Adsorptionsmaterialien beinhalten kann, z. B. mit Kaliumhydroxid imprägnierten Kohlenstoff, Zinkoxid und/oder andere herkömmliche H&sub2;S-Adsorptionsmittel, die die Schwefeladsorption erleichtern und H&sub2;S in Schwefel oder Schwefelverbindungen umwandeln. Die Adsorptionsbetten sind nicht an Ort und Stelle regenerierbar, sondern müssen periodisch entfernt und durch frische Adsorptionsbetten ersetzt werden.
- In bestimmten Fällen, nämlich dann, wenn sich die Deponiegasströmung als unerwünscht feucht herausstellt, kann in dem System eine Kühl-Kondensierstation 5, 6 vorgesehen werden, die bei einer geringfügig über dem Gefrierpunkt von Wasser liegenden Temperatur, vorzugsweise von ca. 0,5º bis 1,5ºC (33º-35ºF) arbeitet, um den Wasserdampf sowie einige der schwereren Kohlenwasserstoffanteile aus der Gasströmung heraus zu kondensieren. Die Kühl-Kondensierstation 5, 6 ist vorzugsweise ein herkömmlicher Röhrenwärmetauscher.
- Die Gasströmung wird dann durch eine Hydrierungs-Katalysatorstation 8 geleitet, die mit einer H&sub2;-Recyclingleitung (nicht gezeigt) von der Kraftanlage verbunden ist und in der die Halogene und der Schwefel, die in der Gasströmung verblieben sind, in HX und H&sub2;S umgewandelt werden und das resultierende H&sub2;S in einem Zinkoxidbett entfernt wird. Die Station 8 ist eine herkömmliche Komponente einer jeden beliebigen Brennstoffzellen-Kraftanlage, die Pipeline-Erdgas verwendet, wobei die Station 8 häufig verwendet wird, um in Pipeline-Erdgas vorzufindende Schwefelgeruchsverbindungen zu entfernen. Die HX- Halogenidverbindungen werden aus der Gasströmung in einem entsorgbaren Halogenentzugsbett 10 entfernt, wobei es sich um ein Bett aus Natriumhydroxid, Calciumhydroxid oder dergleichen handeln kann. Die Gasströmung wird in den Brennstoffzellen-Kraftanlagen-Reformer 12 und von dort in eine Brennstoffzellen-Kraftanlage 14 eingeleitet, wo sie als Wasserstoffquelle für die Kraftanlage verwendet wird.
- Das vorstehend beschriebene Gasreinigungssystem verwendet zwar Komponenten einer Brennstoffzellen-Kraftanlage, jedoch versteht es sich, dass diese speziellen Komponenten in einem gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten System vorhanden sein können, das keine Brennstoffzellen-Kraftanlage beinhaltet und das zum Reinigen der Gasströmung für andere Zwecke als zur Verwendung als Brennstoff für eine Brennstoffzellen-Kraftanlage eingesetzt wird. Das System der vorliegenden Erfindung ist aus im Handel erhältlichen Einzelkomponenten gebildet, die bei Kombination in der vorstehend beschriebenen Weise Deponiegas in ein nutzbares Erdgas umwandeln, das als Brennstoffquelle für eine Säure-Brennstoffzellen-Kraftanlage oder andere Brennstoffzellen-Kraftanlage verwendet werden kann. Das System kann an dem Ort einer Deponie oder einem anderen Abgasort errichtet werden und mit einer an dem Ort vorhandenen Kraftanlage kombiniert werden. In dem System vorhandene Absorptionsbetten können ausgetauscht werden, wenn sie verbraucht sind, und können an einer von diesem Ort entfernten Stelle regeneriert werden. Das System wandelt somit eine Deponie-Abgasströmung oder eine andere Abgasströmung, die derzeit bestenfalls für eine Störung gehalten wird, in umweltmäßig verträglicher Weise in ein nutzbares Produkt um. Das System sowie die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung können zum Reinigen von im Wesentlichen jedem beliebigen Gas verwendet werden, das an einem typischen Abgasort entsteht. Es ist zu erkennen, dass das vereinfachte System der vorliegenden Erfindung keine komplizierte Steuersoftware benötigt, keine übermäßigen Vorbehandlungs-"Installationen" benötigt und herkömmliche Komponenten einer Brennstoffquellen-Kraftanlage zur Unterstützung des Entfernens von Verunreinigungen aus der der Reinigung unterzogenen Gasströmung verwenden kann.
- Da viele Änderungen und Modifikationen der offenbarten Ausführungsformen der Erfindung im Rahmen des erfinderischen Konzepts durchgeführt werden können, versteht es sich, dass die Erfindung nicht anderweitig eingeschränkt werden soll, als dies durch die beigefügten Ansprüche erforderlich ist.
Claims (10)
1. Vorrichtung zum Reinigen von Abgas in dem zur
Schaffung eines Brennstoffgases erforderlichen Ausmaß,
wobei das System gekennzeichnet ist durch:
a) eine Gaseintrittsleitung (2) zum Zuführen einer
Abgasströmung;
b) eine Wasserstoffsulfid-Adsorptionsstation (4) zum
Entfernen von Wasserstoffsulfid aus der
Abgasströmung zur Bildung einer im Wesentlichen
wasserstoffsulfidfreien Gasströmung;
c) eine Hydrierstation (8) zum Behandeln der
wasserstoffsulfidfreien Gasströmung, zum Umwandeln von
organischen Schwefelverbindungen in der
wasserstoffsulfidfreien Gasströmung in schwefelfreie
Kohlenwasserstoffe und Wasserstoffsulfid sowie zum
Umwandeln organischer Halogenverbindungen in der
wasserstoffsulfidfreien Gasströmung in
halogenfreie Kohlenwasserstoffe und
HX-Halogenidverbindungen, wobei X Fluor, Chlor, Brom oder Jod ist,
um dadurch eine behandelte Gasströmung zu schaffen
und durch
d) eine Entzugsstation zum Entfernen von
Wasserstoffsulfid bzw. HS-Verbindungen aus der behandelten
Gasströmung, um eine im Wesentlichen schwefelfreie
und halogenfreie Brennstoffgasströmung zu
schaffen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
weiterhin gekennzeichnet durch eine
Kühl-Kondensierstation (5; 6) zum Kondensieren von Wasserdampf und
schwereren Kohlenwasserstoffanteilen aus der
Abgasströmung zur Schaffung einer im Wesentlichen
trockenen Gasströmung.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
weiterhin gekennzeichnet durch einen Reformer (12)
für die Dampfreformierung der schwefel- und
halogenfreien Gasströmung, um eine Brennstoffgasströmung zu
erzeugen, die für die Verwendung in einer
Brennstoffzellen-Kraftanlage geeignet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei die Hydrierstation (8) zum Behandeln der
wasserstoffsulfidfreien Gasströmung ein
Hydroentschwefelungs-Katalysatorbett beinhaltet.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei die Station zum Entfernen von Wasserstoffsulfid
und HX-Verbindungen ein Zinkoxidbett und ein
Halogenentzugsbett (10) beinhaltet.
6. Verfahren zum Reinigen von Abgas in dem zur Schaffung
eines Brennstoffgases erforderlichen Ausmaß, wobei
das Verfahren gekennzeichnet ist durch folgende
Schritte:
a) Schaffen einer Abgasströmung;
b) Entfernen von Wasserstoffsulfid aus der
Abgasströmung zur Bildung einer im Wesentlichen
wasserstoffsulfidfreien Gasströmung;
c)
Behandeln der wasserstoffsulfidfreien Gasströmung,
um organische Schwefelverbindungen in der
wasserstoffsulfidfreien Gasströmung in schwefelfreie
Kohlenwasserstoffe und Wasserstoffsulfid
umzuwandeln und um organische Halogenverbindungen in der
wasserstoffsulfidfreien Gasströmung in
halogenfreie Kohlenwasserstoffe und
HX-Halogenidverbindungen umzuwandeln, wobei X Fluor, Chlor, Brom
oder Jod ist, um dadurch eine behandelte
Gasströmung zu schaffen; und
d) Entfernen von Wasserstoffsulfid und
HX-Verbindungen aus der behandelten Gasströmung zur Bildung
einer im Wesentlichen schwefelfreien und
halogenfreien Brennstoffgasströmung.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
weiterhin gekennzeichnet durch den Schritt des
Kondensierens von Wasserdampf und schwereren
Kohlenwasserstoffanteilen aus der Abgasströmung zur Erzeugung
einer im Wesentlichen trockenen Gasströmung.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
weiterhin gekennzeichnet durch den Schritt der Dampf-
Reformierung der schwefelfreien und halogenfreien
Gasströmung zur Erzeugung einer
Brennstoffgasströmung, die zur Verwendung in einer Brennstoffzellen-
Kraftanlage geeignet ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
wobei der Behandlungsschritt durchgeführt wird durch
Zuführen von Wasserstoff zu der
wasserstoffsulfidfreien Gasströmung in der Gegenwart eines
Hydroentschwefelungs-Katalysators.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
wobei der Schritt des Entfernens von
Wasserstoffsulfid und HX-Verbindungen durchgeführt wird unter
Hindurchleitung der behandelten Gasströmung durch ein
Zinkoxidbett und durch ein Halogenentzugsbett (10).
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