DE69504353T3

DE69504353T3 - Entfernung von wasserstoffsulfid aus gärungsgas

Info

Publication number: DE69504353T3
Application number: DE69504353T
Authority: DE
Inventors: Ronald J. Chapel Hill SPIEGEL; John C. Glastonbury TROCCIOLA; Herbert C. Hebron HEALY; Roger R. Enfield LESIEUR
Original assignee: International Fuel Cells Corp
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 1994-07-01
Filing date: 1995-06-23
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2015-06-24
Also published as: EP0769041A1; WO1996001300A1; EP0769041B1; US5976373A; DK0769041T3; EP0769041B2; DE69504353T2; DE69504353D1; JPH10502411A; ES2122660T3; US5916438A; JP2848708B2; CA2186007A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Entfernen von Schwefelwasserstoff aus einem Gasstrom, der aus einer Anaerob-Zersetzungseinrichtung ausströmt. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und ein System, welches das Schwefelwasserstoff-Niveau in dem Ausströmgas des Zersetzers ausreichend senken kann, um einen Gasstrom zu erzeugen, der als die Brennstoffquelle in einer Brennstoffzellen-Kraftanlage oder einem anderen energieerzeugenden Vorrichtung verwendet werden kann.
STAND DER TECHNIK
Kläranlagen können anaerobe, bakterielle Zersetzungseinrichtungen aufweisen, die bei der Reinigung von Schmutzwasser helfen können. Diese Zersetzungseinrichtungen erzeugen einen ausströmenden Gasstrom, der Methan, Kohlendioxid, mitgeführten Wasserdampf, Bakterien und Spuren von Schwefelwasserstoff enthält. Dieses ausströmende Gas muß entsorgt werden und wird momentan üblicherweise abgefackelt. Diese gasförmigen Produkte der Zersetzungseinrichtung werden momentan bestenfalls als etwas lästiges und ein potentieller Umweltschadstoff angesehen, wegen ihrer Kohlendioxid-, Methan- und Schwefelwasserstoffbestandteile. Das Gas hat jedoch das Potential, nützlichen Zwecken zugeführt zu werden, wenn bestimmte der Kontaminationen, insbesondere der Schwefelwasserstoff daraus entfernt würden. Schwefelwasserstoff kann aus einem Gasstrom chemisch mit der Claus-Reaktion (H₂S + 1/2 O₂_H₂O + S) entfernt werden. Diese Reaktion kann jedoch in einem Gasstrom, der aus einer Anaerob-Zersetzungseinrichtung ausströmt, infolge des Mangels an genügend Sauerstoff in einem solchen Gasstrom nicht aufrechterhalten werden, da die Zersetzungsreaktion in einer im wesentlichen sauerstoffreien Umgebung in der Zersetzungseinrichtung stattfindet. Es wäre wünschenswert, sich ein System auszudenken, daß die Entfernung der Kontaminationen des Zersetzergases einfach erlaubt, so das der resultierende Gasstrom einem nützlichen Zweck zugeführt werden könnte oder sauber entsorgt werden könnte.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Endung betrifft ein Verfahren und ein System, das die genannte Claus-Reaktion zur Entfernung von Schwefelwasserstoff aus dem aus der Zersetzungseinrichtung ausströmenden Gasstrom verwendet. Die Erfindung beinhaltet die kontrollierte Zugabe von Luft zu dem Zersetzer-Gasstrom vor der Schwefelentfernung. Luft wird dem Gasstrom unter Druck durch ein einstellbares Ventil zugesetzt, das wie erforderlich wahlweise geöffnet oder abgesperrt werden kann, um die Menge an dem Gasstrom zugesetzter Luft zu steuern. Nach dem Zusetzen der Luft zu dem Gasstrom gelangt der Gasstrom durch einen Koagulationsfilter, in dem Partikel, beispielsweise Wasserdampf oder -tröpfchen, mitgeführte Feststoffe und mitgeführte Bakterien aus dem Gasstrom in ein Kondensat entfernt werden, das der Zersetzungseinrichtung wieder zugeführt wird. Der gefilterte, sauerstoffangereicherte Gasstrom wird dann durch ein Gebläse in ein Schwefelwasserstoff-Entnahmebett geleitet. Das H₂S-Entnahmebett arbeitet bei Umgebungstemperaturen bei Gasgeschwindigkeiten durch das Bett in der Größenordnung von 25,40 bis 30,48 cm/sek (50 bis 60 Fuß pro Minute). Das H₂S-Entnahmebett kann ein adsorbierendes Bett mit aktiviertem Kohlenstoff, beispielsweise kaliumimprägniertes Kohlenstoff-Adsorbiermaterial, das von Westates Carbon, Inc., Los Angeles, Kalifornien entwickelt wurde, sein. Der aktivierte Kohlenstoff kann den elementaren Schwefel adsorbieren, der als ein Ergebnis der Claus-Reaktion gebildet wird. Der zu dem Adsorbtionsbett gelangende Gasstrom wird auf seinen Sauerstoffgehalt überwacht, und der das Adsorbtionsbett verlassende Gasstrom wird von einem Schwefel-Wasserstoffsensor überwacht, der das H₂S-Niveau in dem ausströmenden Gasstrom erfaßt, um sicherzustellen, daß sich weniger als etwa fünf Teile pro Million H₂S in dem behandelten Gasstrom befinden. Wenn das H₂S-Niveau das Zielniveau von 5 ppm überschreitet, signalisiert der H₂S-Sensor einer System-Microprozessorsteuerung, die dann die Menge an in den Strom zugeführter Luft erhöht. Dieses Überprüfungs- und Ableichsystem arbeitet während des Betriebs des Systems kontinuierlich, um die Beibehaltung des gewünschten H₂S-Niveaus in dem behandelten Gasstrom sicherzustellen. Ein Beispiel eines geeigneten H₂S-Sensors ist das Modell LD-17 Schwefelwasserstoff-Überwachungseinrichtung, das von Interscan Corporation, Chatsworth, Kalifornien hergestellt wird. Der behandelte Gasstrom besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid und Methan (typischerweise etwa 40% Kohlendioxid und 60% Methan) und ist zur Verwendung als Wasserstoffquelle für eine Brennstoffzellen-Kraftanlage geeignet. Das behandelte Gas könnte auch als ein Fahrzeugkraftstoff, ein Brenner-Brennstoff verwendet werden oder es könnte abgefackelt (verbrannt) werden, ohne für die Umwelt schädliche Schadstoffe zu erzeugen.
Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, ein produktiv verwendbares Gas aus dem ausströmenden Gasstrom, der von einer Anaerob-Zersetzungseinrichtung einer Abwasserkläranlage abgegeben wird, bereitzustellen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Gas der beschriebenen Art bereitzustellen, das zur Verwendung als eine Brennstoffquelle in einer Brennstoffzellen-Kraftanlage geeignet ist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Gas der beschriebenen Art bereitzustellen, das als eine Kraftstoffquelle für einen Verbrennungsmotor oder als eine Brennstoffquelle für einen Dampfkessel verwendet werden kann.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Gas der beschriebenen Art bereitzustellen, das im wesentlichen schwefelwasserstoffrei ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Diese und andere Ziele und Vorteile der Endung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung deutlicher, wenn sie in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung genommen wird, bei der es sich um eine schematische Zeichnung eines Systems handelt, das gemäß der Erfindung arbeitet, um den ausströmenden Gasstrom einer Zersetzungseinrichtung passend zu behandeln, um ihn als eine Brennstoffquelle für eine Brennstoffzelle oder eine andere Kraftanlage verwendbar zu machen.
BESTE ART ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Es wird nun auf die Zeichnung Bezug genommen. Dort ist ein Anaerob-Zersetzungseinrichtungs-Ausström-Gasstrom-Behandlungssystem gezeigt, das generell mit dem Bezugszeichen 2 versehen ist und den ausströmenden Gasstrom von der Zersetzungseinrichtung über eine Leitung 4 erhält. Eine Zweigleitung 6 mit einem einstellbaren Strömungssteuerventil 8 steuert die Luftströmung in die Ausström-Strömungs-leitung 4. Sauerstoffangereichertes Zersetzungseinrichtungs-Ausströmgas wird dann in der Leitung 10 in einen Koagulationsfilter 12 befördert, der Teilchen entfernt, beispielsweise Wasserdampf oder -tröpfchen, Bakterien und Feststoffe, die in dem Gasstrom mitgeführt werden. Die herausgefilterten Materialien werden aus dem Koagulationsfilter 12 mittels einer Drainageleitung 14 entfernt. Der sauerstoffversetzte, gefilterte Gasstrom wird dann durch eine Leitung 16 in ein Gebläse 18 gefördert, das ein Strömen des Gasstroms durch eine Leitung 20 in das Schwefelwasserstoff-Adsorbtionsbett 22 erzwingt. Der gefilterte, schwefelwasserstoffarme Gasstrom gelangt von dem Adsorbtionsbett 22 in eine Leitung 24, in der eine Schwefelwasserstoff-Konzentrationsüberwachungseinrichtung 26 angeordnet ist, um das Schwefelwasserstoffniveau in dem durch die Leitung 24 strömenden Gasstrom zu überwachen und zu messen. Das H₂S-Niveau in der Leitung 24 wird konstant von der Überwachungseinrichtung 26 in ein Signal umgewandelt, das über die Leitung 30 zu einem Systemsteuerungs-Microprozessor 28 übertragen wird. Das System weist auch einen O₂-Sensor 27 auf, der das O₂ Niveau in der Leitung 10 überwacht und durch die Leitung 29 Signale an den Microprozessor 28 gibt. Die Steuerung 28 ist vorprogrammiert, das H₂S-Niveausignal von der Leitung 30 und das O₂ Niveau von der Leitung 29 zu analysieren und zu erkennen, wenn das H₂S-Niveau in der Leitung 24 einen vorbestimmten Zielwert, vorzugsweise etwa 5 ppm, überschreitet. Wenn das in der Leitung 24 erfaßte H₂S-Niveau den Zielwert überschreitet, sendet die Steuerung 28 über die Leitung 32 ein Signal an das Ventil 8, was zu einer Einstellung des Ventils 8 führt, was dazu dient, ausreichend Luft in die Leitung 4 zuzugeben, um ausreichend Sauerstoff in der Leitung 4 bereitzustellen, um das H₂S-Niveau in der Leitung 24 auf das oder unter das Zielniveau zu senken. Der behandelte Gasstrom gelangt dann von dem Sensor 26 durch die Leitung 34 in die Brennstoffzellen-Kraftanlage 36 oder zu einer anderen Station, die den Gasstrom zur produktiven Krafterzeugung und/oder für eine andere unter Umweltgesichtspunkten sichere Entsorgung effektiv verwenden kann.
Man erkennt leicht, daß das System und das Verfahren der Erfindung verwendet werden kann, um die Erzeugung von Nutzleistung zu unterstützen, indem ein im wesentlichen nutzloses gasförmiges Beiprodukt in ein erdgasartiges Produkt umgewandelt wird, das sicher verbrannt werden kann oder eine Wasserstoffquelle für ein Brennstoffzellen-Kraftwerk liefern kann. Das System verwendet leicht erhältliche kommerzielle Produkte zur Bildung seiner Bauteile. Das Schwefelwasserstoff-Adsorbtionsbett ist in in situ nicht regenerierbar und muß von Zeit zu Zeit durch frisch aktivierten Kohlenstoff ersetzt werden.
Da viele Änderungen und Variationen der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung, wie sie in den angefügten Ansprüchen beschrieben ist.

Claims

Verfahren zum Behandeln eines aus einer Anaerob-Zersetzungseinrichtung ausströmenden Gasstroms, um diesen als ein Brennstoffgas für eine Brennstoffzelle oder eine andere Kraftanlage verwendbar zu machen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Zusetzen von Sauerstoft zu dem ausströmenden Gasstrom, um einen Sauerstoffangereicherten Gasstrom zu bilden; b) Entfernen von mitgeführten Partikeln einschließlich Wasser, Feststoffen und Bakterien, aus dem sauerstoffangereicherten Gasstrom, um einen partikelfreien, sauerstoffangereicherten Gasstrom zu bilden; c) Entfernen von Schwefelwasserstoff aus dem partikelfreien, sauerstoffangereicherten Gasstrom mittels der Claus-Reaktion, um einen schwefelwasserstoffarmen Gasstrom zu bilden, der zur Verwendung als eine Brennstoffgasquelle in der Kraftanlage geeignet ist; d) Überwachung des Gasstroms vor dem Entfernen des Schwefelwasserstoffs daraus auf den Sauerstoffgehalt; e) Überwachen des Gasstroms nach dem Entfernen des Schwefelwasserstoffs daraus auf den Schwefelwasserstoffgehalt; f) Kontrollieren der Menge an Sauerstoff, der dem ausströmenden Gasstrom zugegeben wird, kontinuierlich während des Betriebs auf der Basis des erfassten Sauerstoff- und Schwefelwasserstoff-Gehalts, um so die Beibehaltung eines Ziel-Schwefelwasserstoffniveaus in dem behandelten Gasstrom sicherzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Zusetzens von Sauerstoff das Zusetzen von Luft zu dem ausströmenden Gasstrom durch ein variables Luftströmungs-Steuerventil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner aufweisend den Schritt des Erfassens des Schwefelwasserstoff-Niveaus in dem schwefelwasserstoffarmen Gasstrom und Erzeugen eines Signals, das das erfasste Schwefelwasserstoff-Niveau anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner aufweisend den Schritt des Analysierens des Signals und geeignet Regulieren des Luftströmungs-Steuerventils, wenn das Signal ein unerwünschtes Niveau von Schwefelwasserstoff in dem Gasstrom anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend den Schritt des Absetzens von elementarem Schwefel, der sich aus der Schwefelwasserstoffentfernung ergibt, an einem Bett aus aktiviertem Kohlenstoff.
System zum Behandeln eines aus einer Anaerob-Zersetrungseinrichtung ausströmenden Gasstroms, um diesen als ein Brennstoffgas für eine Brennstoffzelle oder eine andere Kraftanlage verwendbar zu machen, wobei das System aufweist: a) eine Leitung zum Aufnehmen des ausströmenden Gasstroms; b) eine mit der Leitung verbundene Station zum Zusetzen von Sauerstoff zu dem ausströmenden Gasstrom in der Leitung, um einen sauerstoffangereicherten Gasstrom zu erzeugen; c) eine Station zum Aufnehmen des sauerstoffangereicherten Gasstroms und zum daraus Entfernen von mitgeführten Wasserpartikeln; d) eine Station zum Entfernen von Schwefelwasserstoff aus dem Gasstrom, um einen Gasstrom zu erzeugen, der für die Verwendung als eine Brennstoffquelle für die Kraftanlage geeignet ist; e) einen Sensor zum Erfassen des Sauerstoffgehalts in dem sauerstoffangereicherten Gasstrom; f) einen Sensor zum Erfassen des Schwefelwasserstoffgehalts in dem Gasstrom, der die Station zum Entfernen von Schwefelwasserstoff verlässt, und g) eine Steuerung zum Kontrollieren der Menge an Sauerstoff, die dem ausströmenden Gasstrom zugegeben wird, kontinuierlich während des Betriebs auf der Basis des erfassten Sauerstoff- und Schwefelwasserstoff-Gehalts, um so die Beibehaltung des Ziel-Schwefelwasserstoffgehalts in dem behandelten Gasstrom sicherzustellen.
System nach Anspruch 6, ferner aufweisend eine Systemsteuerung zum Erhalten von Schwefelwasserstoff-Niveau-Anzeigesignalen von dem Sensor.
System nach Anspruch 7, wobei die Station zum Zusetzen von Sauerstoff ein variables Ventil zum Steuern der Strömung eines Luftstroms in die Leitung aufweist.
System nach Anspruch 8, wobei die Steuerung mit dem Ventil verbunden ist und das Ventil variieren kann, um die Zugabe von Luft in die Leitung ansprechend auf Signale von dem Sensor zu steuern.
System nach Anspruch 6, wobei die Station zum Entfernen von Schwefelwasserstoff ein Bett mit aktiviertem Kohlenstoff zum Entfernen von elementarem Schwefel aus dem durch die Schwefelwasserstoff-Entfernungsstation strömenden Gasstrom aufweist.