KR20130097723A - 물, 실록산들, 황, 산소, 염화물들 및 휘발성 유기 화합물들을 제거하기 위한 통합된 바이오 가스 클리닝 시스템 - Google Patents

물, 실록산들, 황, 산소, 염화물들 및 휘발성 유기 화합물들을 제거하기 위한 통합된 바이오 가스 클리닝 시스템 Download PDF

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Abstract

통합된 바이오가스 클리닝 시스템은 보일러들, 엔진들, 터빈들 또는 연료 셀들과 같은 열과 전력 발생 시스템들을 위해 매립지들과 다이제스터들과 같은 소스들로부터 바이오가스를 클린하기 위해 제공된다. 실록산들, 염소, 산소 및 황은 ppb레벨로 제거할 뿐만 아니라 물과 일부 휘발성 유기 화합물들의 대부분을 제거한다. 상기 바이오가스 시스템은 부분적으로 오염물질들을 제거하기 위해 바이오가스 스트림을 냉각시키고, 수소 가스의 작은 농도에서 혼합하고, 상기 바이오가스를 가열시키고 수소탈황화 베드와 흡착 매체 베드들을 이용하는 단계들에서 제거와 추가적 오염물질 전환의 다운스트림 시퀀스에 적합한 충분한 수소를 떠나기 위해 남아있는 산소를 연소한다. 열 교환 배치들은 폭넓은 범위의 바이오가스 생성 들에 사용하기 위한 적절히 들어오는 바이오가스 폐기물 스트림 중에서 산소의 다양한 레벨을 위한 보상과 폐열의 효율적 리사이클링을 제공한다. 상기 결과로 초래된 바이오가스 연료 생성물은 연소 제너레이터들, 연료 셀 시스템들, 그린하우스 보일러들 또는 재생 가능한 천연 가스에 추가적 개선을 위한 공급원료로서 사용하는데 적합하다.

Description

물, 실록산들, 황, 산소, 염화물들 및 휘발성 유기 화합물들을 제거하기 위한 통합된 바이오 가스 클리닝 시스템{INTEGRATED BIOGAS CLEANING SYSTEM TO REMOVE WATER, SILOXANES, SULFUR, OXYGEN, CHLORIDES, AND VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS}
본 발명은 매립 가스(landfill gas)를 포함하는 폐기물 바이오가스의 클리닝에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 각각 50 부피 ppb(parts per billion each by volume) 미만의 물, 휘발성 유기 화합물들, 실록산들, 산소, 염소 및 황을 포함하는, 연료로서 사용하기에 부적합한 오염물질들을 제거하기 위한 바이오가스 클리닝 시스템에 관한 것이다.
바이오가스는 일반적으로 혐기성 다이제스터들(anaerobic digesters), 일반 폐기물 처리 플랜트들 및 매립지들을 포함하는 소스들로부터의 폐기물 또는 유기 폐기물이 주로 산소가 없는 환경에서 브레이크다운할 수 있는 임의의 소스이다. 바이오가스는 실록산, 염소, 휘발성 유기 화합물들과 암모니아를 포함할 수 있는 트레이스 불순물들(trace impurities)의 모음(assortment)과 마찬가지로, 전체 부피에 대해, 약 50% 내지 75% 메탄, 25% 내지 50% 이산화탄소, 0% 내지 10% 질소, 0% 내지 1% 수소, 0% 내지 3% 황, 및 0% 내지 2% 산소를 일반적으로 포함한다. 상기 바이오가스의 물 함량은 예를 들면, 약 50℃까지의 온도에서, 약간 주위 온도 이상(above)에서 일반적으로 포화된다. 연료로서의 바이오가스의 사용이 대기에 어떤 새로운 탄소를 분리시키지 않도록, 바이오가스가 일반적으로 유기 물질(organic matter)로부터 발생되기 때문에 일반적으로 에너지의 재생 가능한 형태로 간주된다.
바이오가스가 메탄을 포함하기 때문에 전력 또는 열 생성을 위한 바이오가스 연료로 전환할 수 있다. 그러나, 오염물질들을 가지는(with) 발생기 작동의 제약들과 그것의 사용에 대한 방출 억제성들 때문에, 바이오가스는 먼저 그것의 불순물들이 다 제거되어야 한다. 바이오가스를 클리닝하는 것에 대한 하나의 이유는 바이오가스가 환경에 해로운 오염물질들을 포함한다는 것이다. 예를 들면, 연소할 때 산성비의 주요 원인인 이산화황이 되는 황화수소와 유기 황들이 수 ppm(parts per million) 내지 수 천 ppm 레벨의 바이오가스 중에 존재한다. 바이오가스가 클리닝되어야 하는 다른 이유는 실록산들과 같은 바이오가스의 일부 불순물들이 열과 전력 생성 장비 내에 침적되고, 너무 이른 브레이크 다운 및/또는 오버홀들(overhauls)로 빈번한 장비를 유지하기 위한 필요를 잠재적으로 유도하면서, 내부 구성 부품들에 중요한 손상의 원인이 될 수 있다는 것이다. 실록산들은, 그들이 다운 드레인(down drains) 세정되어 처분한 화장품들(cosmetics)과 샴푸들과 같은 다양한 화장품들(beauty products)에 사용되거나 그렇지 않으면 그들이 도시의 폐수와 매립지로 끝나기 때문에 결국 바이오가스가 된다. 바이오가스 중에 황 불순물들은 전력 발생 장비 내부에 부식성 환경 또는 심지어 존재할 수 있는 독성 촉매들을 생성할 수 있다.
가스 터빈들은 오염물질 생성(build up)으로부터 로터(rotor)의 언밸런스(un-balance) 가능성 때문에 그리고 생성된 잔해(debris)의 방출로부터의 돌발 고장(catastrophic failure) 때문에 매우 낮은 레벨의 불순물들을 필요로 한다. 연료 셀들은 그 오염물질들이 촉매 표면들에 생성되고 출력 성능을 떨어뜨릴 수 있기 때문에 제로 근처의 오염물질들의 사양을 필요로 한다. 오염물질들에 대한 내연기관 엔진 사양은, 그들이 빈번하고 비싼 유지보수 또는 장비 교체를 수행함으로써 용인될 수 있는 것을 기초로 하기 때문에 터빈들과 연료 셀들 모두보다 더 높다. 그러므로 내연기관 엔진들 작동은 그것이 유지보수 사이클의 빈도를 감소시키고 그러므로 작동의 자본환경을 개선할 수 있기 때문에 제로 근처의 오염물질 레벨로부터 이익을 얻을 수 있었다. 게다가, 내연기관 엔진들에 의해 다뤄질 수 있는 상대적으로 더 높은 불순물 레벨은 내연기관 엔진들로부터의 오염이 다른 장비보다 상대적으로 더 높을 수 있다는 것 또한 의미한다.
시장에 다른 기존 바이오가스 클린업 솔루션들(solutions)이 있지만, 그러나 연료 셀들과 제너레이터들과 같은 다운스트림 장비에 대해 어려움들을 야기하지 않는 충분히 낮은 레벨의 불순물들의 제거로 비용 효과적인 접근법을 제공할 수 있는 것은 거의 없다. 예를 들면, 유지보수를 최소로 감소시키기 위해 연료 셀들과 같은 클린 전력 생성 응용들에 요구된 불순물들의 바람직한 레벨은 황, 실록산들, 할로겐들 (염소 등등) 및 암모니아 각각 50 ppb 미만을 가지는 것이 일반적이다. 클린업의 진행 비용은, 사용 이전에 바이오가스를 클린에 대한 돈의 비용이 들기 때문에 $/kwh 운영비용의 관점에서 에너지 생성 장비에 대한 최종 가격(bottom line)에 영향을 준다. 또한 이러한 클린업 비용이 높으면 경제적으로 바이오가스 리소스를 이용하는 것이 어렵게 된다. 다운스트림 생성을 포함하는, 지속 가능성을 종합하기 위해 개선 가능한 개선된 클린 바이오가스 연료가 필요하다.
일부 가스성 불순물 제거 기술들은 화학적이고 화석 연료 프로세싱 플랜트들에서 매우 큰 스케일로 발견될 수 있다. 예를 들면, 산성 가스 유정(sour gas well) 클린업 플랜트들은 황을 제거하기 위해 일반적으로 Clause 프로세스(Clause process)를 이용한다. 이러한 솔루션들의 복잡성 때문에, 예를 들어 많은 인접 산성 유정들이 집중화된 플랜트에 파이프라인을 가지는 것을 일반적으로 요구하면서 큰 스케일이 효과적인 비용이 되도록 필요하다. 더 멀리 이격된 매립지들과 지역들(municipalities)의 폐기물 처리 플랜트들과 같은 매우 작은 포인트 소스들에서 바이오가스가 프로세스하도록 요구된 사이즈로 일정한 스케일에 따라 프로세스 다운(process down)의 이런 유형을 이끄는 것은 단독 수행 시스템(standalone system)으로서 어려울 수 있다. 복잡한 기술들이 더 작은 응용들에 적합할 때 시스템은 자본 비용을 감소시키기 위해 일반적으로 단순화되지만, 그러나 이것은 때때로, 또한 부주의하게 불순물 제거의 유효성을 감소시킬 수 있다. 바이오가스 불순물들은 실질적으로 시간이 지나면서 달라질 수 있고, 감소된 시스템 복잡성은 다운스트림 장비에 업셋들(upset)을 위태롭게 하면서, 시스템이 적절하게 반응하기 위한 가능성을 가지고 있지 않다는 것을 의미할 수 있다.
메탄은 대기에서 태양으로부터 열을 캡쳐하기 위한 그것의 능력에서 이산화탄소보다 몇 배 더 강하기 때문에, 바이오가스 중에서의 메탄이 매립지의 표면을 통하여 들어가지 않고 지구 온난화 또는 기후 변화에 원인이 되도록 그것을 진공이 생성된 바이오가스를 빼내고태우기(flare) 위해 생성될 수 있도록, 많은 매립지들은, 수직 및 수평 유정들로 구멍이 뚫린다. 그러나, 바이오가스가 매립지로부터 빠져나갈 때 많은 다른 불순물들 또한 빠져나가고, 이러한 불순물들은 필연적으로 플레어된 후 대기 중에서 끝난다. 이 대기 오염을 감소시키기 위하여 바이오가스의 연소 또는 플레어링(flaring) 이전에 불순물들을 제거하고 포함하는 것이 필요하다.
환경적 관점에 있어서, 바이오가스 클리닝 솔루션들과 함께 주요한 관심사는 불순물들이 어디에서 끝나는지(end up) 이다. 예를 들면, 황 풍부 흡착 재생 가스(sulfur rich adsorbent regeneration gas)는 플레어에서 간단하게 연소되고 그리고 나서 잠재적으로 높은 황의 레벨이 대기 중에서 끝난다. 플레어 또는 전력 생성 장비 전에 이러한 불순물들을 제거하고 환경 오염적 불순물들을 대기 밖에 남게하기 위해 안정적인 고체 형태(solid form)의 매립지에서 다시 그 불순물들을 대체하기 위한 충족되지 않은 요구가 있다. 고체 형태에서 이러한 불순물들을 캡쳐하는 클리닝 시스템이 필요하다.
더 높은 레벨의 불순물들을 제거하기 위한 기존 솔루션의 일부는 바이오가스와 접촉한 동안 불순물들을 캡쳐한 세척제(wash) 또는 재생적 흡착제를 포함할 수 있는 일종의 재생가능한 물질들이다. 그리고 나서 나중에 흡착제 또는 세척제는 열을 포함할 수 있는 프로세스에 의해 재생될 바이오가스로부터 분리되고 및/또는, 다른 솔루션들 중에서, 오염물질들을 운반하기 위한 다양한 가스를 흡착제 또는 세척제를 통해 전달한다. 이 재생은 불순물 제거의 비용을 떨어뜨리지만, 일반적으로 오염물질들은 재생이 발생한 후에 대기 중에서 끝난다. 게다가, 연속적 재생은 또한 재생 프로세스가 완전히 다른 불순물들의 생성을 제거할 수 없을 것이기 때문에, 흡착제 또는 세척제의 장기간 수행에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 흡착제 또는 세척제가 장기간에 걸쳐 저하시킬 수 있기 때문에, 이것은 발생한 오염물질의 양 저하에 영향을 미칠 수 있다. 매우 낮은 레벨의 불순물 해결책(breakthrough)을 달성하기 위해 재생적 흡착제 또는 세척제 물질들은 더 빈번히 변경되고, 비용을 추가하고, 유지가능한 풋프린트(footprint)를 감소시킬 필요가 있을 수 있다.
선택적으로(alternatively), 바이오가스로부터 불순물들을 제거하고 그것을 고체 형태로 보존하기 위한 일부 기존 솔루션들은 비-재생 가능한 흡착 매체 베드들(non-regenerable adsorbent media beds)이다. 흡착 매체는 다른 분자들이 통과하도록 허용하면서 흡착을 통하여 선택적 불순물들을 캡쳐하고, 일단 그들의 용량(capacity)가 채워진다면 그들의 교환을 필요로 한다. 일반적으로 사용된 매체는 매립지에 놓여지거나 그렇지 않으면 처리된다. 용량이 작은 베드들도 불순물들의 낮은 레벨을 처리하는 경우에는 흡착 베드들은 비용 효과적일 수 있지만, 바이오 가스 중에서 높은 불순물 함량이 있을 때는 흡착제 구입 비용과 폐기 비용 모두가 있기 때문에, 베드들을 빈번하게 교환하거나 매우 큰 베드들을 가지게 되는 것은비용 제한이 될 수 있다.
황 흡착 베드들을 가지는 또 다른 추가된 고찰은 상기 흡착 베드들의 용량이 일반적으로 캡쳐되는 황 화학종들의 유형들에 의존한다는 것이다. 예를 들면, 상기 황 화학종들은 주위 온도(ambient temperature) 근처에서 활성 탄소에 의해 가장 쉽게 캡쳐된 황화수소이고, 이것은 순수한 흡수제의 그램당 황의 그램에 의해 측정된 것처럼, 해결책들(breakthroughs)이 발생하기 전에 황의 최대 용량이 활성 탄소 베드에 생성되게 한다. 그러나, 유기 황들과 같은, 황화수소 이외에 바이오가스에 존재하는 황 화학종들을 야기하고 이것들은 일반적으로 캡쳐하기가 더 어렵다. 예를 들어, 활성 탄소는 황화수소를 제거할 때 매우 높은 황 로딩들(sulfur loadings)을 가지고 있을 수 있지만, 유기 황들을 제거할 때 상기 로딩은 황의 트레이스 해결책들이 발생하기 전에 크게 감소한다. 효과적 제거 및 흡착 물질들의 최대 사용을 위하여 바이오가스 황들을 주로 황화수소로 변환하기 위한 클리닝 방법이 필요하다. 일반적으로 많은 황 흡착제들로 H2S에 대한 용량은 다른 황 화학종들보다 매우 높다.
산업적인 프로세스들에 상기 유기 화학종들의 딜레마와 그들을 캡쳐하기 위한 흡착 베드들의 더 작은 용량에 대한 통상적인 솔루션이 있다. 이 솔루션은 환원 환경(reducing environment), 예를 들면 적은 과잉 수소를 가지는 어떤 산소를 제공하지 않고, 250℃ 내지 400℃의 상승된 온도에서 상기 가스를 수소탈황화 촉매 베드(hydrodesulphurization catalyst bed)로 유도(bring)함으로써 상기 유기 화학종들을 황화수소로 변형(transform)하는 것이다. 상기 수소탈황화 촉매의 일반적 반응은 임의의 유기 황 화합물들에 황의 결합들을 깨뜨리고 나서 수소 분자로 상기 황 원자의 깨뜨린 결합들을 대체한 것으로, 그것은 상기 바이오가스 스트림에서 과잉으로 존재한다. 이것은 예를 들면, 탄화수소 분자와 황화수소 분자에서 일반적으로 나타날 수 있다. 이 프로세스는 상기 가스로부터 상기 황을 제거하지 않지만, 대부분의 황 화학종들의 황화수소로의 변형은 다운스트림 흡착 베드들의 비용 효율성을 극대화하는 것을 도울 수 있다. 이러한 동일한 수소탈황화 촉매들은 또한 불순물들의 많은 다른 화학종들을 수소화할 수 있다. 예를 들어, 염소를 포함하는 많은 불순물 화학종들은 또한 상기 동일한 수소탈황화 촉매 베드에서 염화수소로 수소화될 수 있다. 상기 동일한 기능적 반응들을 가속할 다른 촉매들이 사용될 수 있을지라도, 수소탈황화 촉매는 일반적으로 알루미나 상의(on) 니켈 몰리브덴 촉매 또는 선택적으로(alternatively) 알루미나 상의 코발트 몰리브덴 촉매의 황화물 형태이다. 다른 오염물질 클리닝 프로세스와 결합하여 일관적이고 효율적으로 황들을 황화수소로 변환할 수 있는 통합된 바이오가스 클리닝 프로세스가 필요하다.
큰 난관이 남아 있지만, 대부분의 바이오가스가 적절히 발생하기 위해 수소탈황화 반응에 요구된 수소를 포함하지 않는다. 그러므로 이 반응을 가능하게 하기 위해, 수소탈황화 반응기에서 유기 황을 황화수소로 변형시키기 위해 수소는 상기 바이오가스에 첨가될 필요가 있다. 바이오가스 클리닝 시스템으로 수소 가스의 소스들을 효율적으로 제공하고 통합할 필요가 있다. 바이오가스로 수소를 주입하는 추가적 장점은 연료로의 수소의 첨가가 내연 기관 엔진들과 같은 연소 장비의 방출을 감소시키기 위한 방법이라는 것이 알려져 있다는 것이다. 2% 내지 10%의 수소와 연료를 혼합함으로써 플레임 속도가 증가될 수 있고, 이것은 리너 혼합물들(leaner mixtures)이 완전 연소 및 미스파이어(misfire)의 가능성 없이 연소되게 한다. 린 연소(lean combustion)는 또한 몇몇의 경우들에서 작동의 효율을 높일 수 있다. 클린 바이오가스 연료 생성물에서 수소 함량의 맞춤 혼합(tailored blend)을 통합하고 효율적으로 제공하는 바이오가스 클리닝 시스템이 필요하다.
매립 가스 또는 폐수 처리 다이제스터에서 발견될 수 있는 많은 유형들의 실록산 입자들이 있다. 실록산들은 산소 존재 중에 가열될 때 실리케이트들로 쉽게 브레이크 다운되는 것으로 알려지고, 이것은 일반적으로 내연 기관 엔진들, 보일러들 및 터빈들의 연소 챔버들에서 발생한 것이다. 실록산들이 연료 셀들과 같은 일부 시스템들에서 다운스트림 촉매들에 침적될 수 있다는 것 또한 가능하다. 형성된 실리케이트들은 이동 장비에 매우 거칠어질 수 있거나, 촉매들 또는 열 교환기들을 더럽힐 수 있는 고운 모래 입자들과 같다. 문헌은, 실록산들이 수일 이내에 대기에서 브레이크 다운되기 때문에 환경적 위험으로 간주할 필요가 없다고 제안한다. 실록산의 많은 유형들의 자동발화 온도(autoignition temperature)는 일반적으로 200℃ 및 450℃ 사이에 있다.
바이오가스에 존재할 수 있는 임의의 실록산들을 제거하기 위해 바이오가스를 처리하도록 현재 이용되는 다양한 방법들이 있다. 그러한 하나의 해결책은 미국 특허 6712885에 요약되어 있는데, 가스가 상기 가스와 대부분의 물로부터 대부분의 실록산 분자들을 응축시켜내기(condense out) 위하여 -10°F까지 냉각된다. 또한 얼음은 물 함량 때문에 형성되기 때문에, 특별한 절차는 순환 방식으로 정기적으로 열 교환기들을 제빙(de-ice)하는 데 사용된다. 실록산들을 제거하기 위한 또 다른 알려진 방법은 실록산 흡착 베드를 이용하는 것이다. 필요 전력, 물질들 및 바이오가스 폐기물을 바이오가스 연료로 변환하는 것에 영향을 미치는 직접 비용의 효율적인 최소화를 가지는 효율적으로 통합 실록산 제거 시스템들과 방법들이 필요하다.
배경기술에서 기술된 요구들을 만족시키는 바이오가스 클리닝 시스템들 및 방법들이 제공된다. 오염물질을 제거하는 다양한 상충되는 단계들을 설계 및 통합하고 오염물질들의 극도로 낮은 농도에 도달하기 위한 전문적인 시도들과 장애물들이 있다. 기술들의 신규 순서(sequence)와 조합에서 다양한 바이오가스 오염물질들을 제거하도록 최적화되고, 각 단계 프로세싱 조건들, 소재들의 요구 사항들 및 효과적인 입력 온도와 남은 오염 물질 농도의 정도에 대해 통합하고 보충하도록 신규 및 새로운 디자인들이 요구되어, 효율적이고 능률적인 통합된 바이오가스 클리닝 시스템을 제공한다.
일 실시예에 따른 바이오가스 클리닝 시스템은 하기를 포함하여 제공된다.
(a) 수소 플로우 컨트롤러와 수소 포트를 가지는, 바이오가스 폐기물 스트림으로(into) 수소 가스를 혼합(blending)하기 위한 가스 컨트롤 시스템,
(b) 상기 바이오가스로부터 산소가 실질적으로 제거되고 상기 바이오가스 스트림이 가열되도록 상기 바이오가스에 상기 남아있는 산소로(with) 상기 혼합된 수소를 촉매적으로 연소하고 수용(receiving)하기 위한 상기 가스 컨트롤 시스템의 다운스트림에 유동적으로(fluidly) 연결된(coupled) 탈산제 촉매 베드,
(c) 황 화학종들을 실질적으로 황화수소로 수소화시키고, 염소 화학종들을 실질적으로 염화수소로 수소화시키는 목적으로 상기 가열된 바이오가스 스트림을 수용하는 상기 탈산제 촉매 베드의 다운스트림에 유동적으로 연결된 수소탈황화 촉매 베드,
(d) 상기 바이오가스로부터 실질적으로 황을 제거하는 목적으로 상기 수소탈황화 촉매 베드의 다운 스트림에 유동적으로 연결된 제1 황화수소 제거 흡착 베드,
(e) 바이오가스 스트림 온도를 측정하고 상기 가스 컨트롤 시스템과 통신하는 열 센서 컨트롤러를 포함하고,
바이오가스 스트림을 수용하고 작동가능할 때, 수소가 상기 바이오가스와 혼합되고, 그리고 나서 상기 산소는 실질적으로 제거됨에 의해(whereby when operable and receiving a biogas stream, hydrogen is mixed with the biogas, then the oxygen is substantially removed), 상기 황 화학종들이 황화수소로 주로 전환되는 상기 수소탈황화 촉매 베드에 의해 수소화되도록 상기 바이오가스 스트림은 발열 연소에 의해 충분히 가열되고, 그리고 나서 상기 전환된 황화수소들은 상기 흡착 베드에서 실질적으로 제거되고, 나아가 상기 수소 혼합 비율은 상기 열 센서 컨트롤러에 반응하여 컨트롤된다.
추가적 상세한 일 실시예에 따른 바이오가스 클리닝 시스템은 하기를 더 포함하여 제공된다.
(a) 상기 바이오가스 폐기물 스트림에서 휘발성 유기 화합물들과 물을 감소(reducing)시키기 위한 바이오가스 예비-냉각기,
(b) 상기 바이오가스로부터 실질적으로 실록산들을 제거하기 위한 상기 바이오가스 예비-냉각기의 다운스트림에 유동적으로 연결된 실록산 제거 흡착 베드,
(c) 수소 플로우 컨트롤러와 상기 실록산 제거 흡착 베드의 수소 포트 다운스트림을 가지는 바이오가스 폐기물 스트림으로(into) 수소 가스를 혼합(blending)하기 위한 가스 컨트롤 시스템,
(d) 상기 바이오가스로부터 산소가 실질적으로 제거되고 상기 바이오가스 스트림이 가열되도록 상기 바이오가스에 남아있는 상기 산소로 상기 혼합된 수소를 촉매적으로 연소하고 수용(receiving)하기 위한 상기 가스 컨트롤 시스템의 다운스트림에 유동적으로(fluidly) 연결된(coupled) 탈산제 촉매 베드,
(e) 황 화학종들 (sulfur species)을 실질적으로 황화수소로 수소화시키고, 염소 화학종들 (chlorine species)을 실질적으로 염화수소로 수소화시키는 목적으로 상기 가열된 바이오가스 스트림을 수용하는 상기 탈산제 촉매 베드의 다운스트림에 유동적으로 연결된 수소탈황화 촉매 베드,
(f) 상기 수소탈황화 촉매의 염소 제거 흡착 베드 다운스트림 및 상기 제1 황 제거 흡착 베드의 업스트림,
(g) 상기 바이오가스로부터 실질적으로 황을 제거하는 목적으로 상기 수소탈황화 촉매 베드의 다운 스트림에 유동적으로 연결된 제1 황화수소 제거 흡착 베드,
(h) 상기 바이오가스로부터 트레이스 황 레벨들을 제거하기 위하여 상기 제1 황화수소 제거 흡착 베드의 다운스트림에 유동적으로 연결된 황 폴리셔 흡착 베드(sulfur polisher adsorption bed),
(i) 상기 바이오가스 스트림 온도를 측정하고 상기 가스 컨트롤 시스템과 통신하는 열 센서 컨트롤러,
(j) 쿨 열 교환 루프(cool heat exchange loop)는 들어오는 바이오가스 스트림과 나가는 냉각된 클린 바이오가스로 형성되고, 상기 핫 열 교환 루프(hot heat exchange loop)는 나가는 가열된 클린 바이오가스 스트림으로 형성되고 상기 탈산제 촉매 베드의 바이오가스 스트림 업스트림은 황 폴리셔 흡착 베드에 유동적으로 연결된 바이오가스 플로우 컨트롤러, 열 교환기 및 나가는 냉각된 클린 바이오가스 스트림을 더 포함하고, 상기 핫 또는 쿨 교환 루프들과 열 교환기 사이의 상기 핫 클린 바이오가스 스트림을 분포하기 위해 작동하는 수소 포트의 다운스트림과 탈산제 촉매 베드의 업스트림과 상기 황화수소 제거 흡착 베드를 배출하는 가열된 바이오가스 스트림에 유동적으로 연결된 열 교환기,
바이오가스 스트림을 수용하고 작동가능할 때, 실록산들, 휘발성 유기 화합물들(VOC?)과 물이 제거됨에 의해, 그리고 나서 수소는 상기 바이오가스와 혼합(mixed)되고, 상기 이코노마이저 열 교환기로 돌아가는 상기 핫 바이오가스의 플로우와 온도를 남아있는 산소가 제거되도록 250℃에서 400℃를 초과하지 않는 범위에서 상기 탈산제 촉매 베드의 상기 바이오가스 온도 다운스트림을 유지하도록 조절되고, 상기 바이오가스 스트림은 상기 황 화학종들이 황화수소로 주로 전환하는 상기 수소탈황화 촉매 베드에 의해 수소화되도록 가열되고, 그리고 나서 할로겐화물들은 클린 바이오가스 연료를 생산하기 위하여 황들이 흡수되기 이전에 제거된다.
일 실시예에 따른 바이오가스 클리닝 방법은 하기 단계들을 포함하여 제공된다.
(a) 가스 컨트롤 시스템을 이용하여 바이오가스 폐기물 스트림과 수소를 혼합하는 단계,
(b) 산소를 제거하고 상기 바이오가스를 250℃에서 400℃를 초과하지 않는 범위로 가열하기 위하여 상기 혼합된 수소와 바이오가스 스트림을 연소하는 단계,
(c) 그리고 나서 황화물들을 실질적으로 황화수소로 전환하는, 상기 결과로 초래된 가열된 바이오가스 스트림을 수소화하는 단계,
(d) 그리고 나서 황화수소를 흡수하는 단계,
(e) 실질적으로 클린 바이오가스 연료가 제공됨으로써, 단계 b) 이후 온도에 반응하여 상기 수소 농도를 컨트롤하는 단계.
일 실시예에 따른 바이오가스 클리닝 방법은 하기 단계들을 더 포함하여 제공된다.
(a) 휘발성 유기 화합물들과 물을 감소시키는 바이오가스 폐기물 스트림을 예비-냉각하는 단계,
(b) 상기 바이오가스 폐기물 스트림으로부터 실질적으로 실록산들을 제거하여 실록산들을 흡착하는 단계,
(c) 그리고 나서 상기 바이오가스 스트림에 수소 가스를 첨가하는 단계,
(d) 상기 바이오가스로부터 산소가 실질적으로 제거되고 상기 바이오가스 스트림이 가열되도록 상기 바이오가스에 남아있는 산소로(with) 상기 혼합된 수소를 촉매적으로 연소하는 단계,
(e) 그리고 나서 황 화학종들을 실질적으로 황화수소로 수소화시키고 동시에 염소 화학종들을 염화수소로 수소화시키는 단계,
(f) 그리고 나서 염화수소를 흡착하는 단계,
(g) 그리고 나서 황 흡착제를 이용하여 황화수소들을 흡착하는 단계,
(h) 그리고 나서 황 폴리셔를 이용하여 남아있는 황화수소들을 더 흡착하는 단계,
(i) 실질적으로 클린 바이오가스 연료가 제공됨으로써, 250℃에서 400℃를 초과하지 않는 범위에서 상기 탈산제 촉매 베드의 상기 바이오가스 온도 다운스트림을 유지하도록 이코노마이저 열 교환기로 돌아가는 핫 바이오가스의 플로우와 온도를 조절하는 단계.
바이오가스 클리닝 시스템 및 방법 실시예들의 유용성은, 상기 결과로 생기는 바이오가스가 전력 제너레이터와 오염물질 감지 연료 셀 시스템들을 위한 연료로서 사용 가능하도록 클리닝한 후에 오염된 원료 바이오가스 폐기물을 상기 바이오가스에 매우 낮은 레벨의 황, 실록산들, 염소 및 산소와 같은 불순물들이 남아있는 클린 바이오가스 연료로 전환시키는 단계를 포함한다.
기술들의 신규 순서(sequence)와 조합에서 다양한 바이오가스 오염물질들을 제거하도록 최적화되고, 각 단계 프로세싱 조건들, 소재들의 요구 사항들 및 효과적인 입력 온도와 남은 오염 물질 농도의 정도에 대해 통합하고 보충하도록 신규 및 새로운 디자인들이 요구되어, 효율적이고 능률적인 통합된 바이오가스 클리닝 시스템을 제공한다.
도 1은 실록산, 산소, 염소 및 황 화학종들을 ppb 레벨로 제거하는 단계 및 대부분의 물과 휘발성 유기 화합물들을 제거하기 위한 예비-냉각 단계를 위한 바이오가스 클리닝 시스템의 요소들의 조합의 바람직한 실시예를 도시한 개략적 플로우 다이어그램이다.
도 2는 수소탈황화 촉매 베드와 대략 동일한 온도에서 작동하는 황 흡착 베드들로 ppb 레벨로 산소와 황 화학종들을 제거하기 위한 최소 필요 요소들을 가지는 바이오가스 클리닝 시스템의 일 실시예를 도시한 개략적 플로우 다이어그램이다.
도 3은 대략 주위 온도에서 작동하는 황 흡착 베드들로 열 제거 단계를 가지는 바이오가스 클리닝 시스템의 일 실시예를 도시한 개략적 플로우 다이어그램이다.
도 4는 대략 주위 온도에서 작동하는 황 흡착 베드들로, 예비-냉각 단계, 열 제거 단계 및 산화 연소 (DeOx) 이후 바이오가스 온도와 들어오는 바이오가스 온도를 조절하기 위하여 플로우 컨트롤 단계의 통합을 보여주는 바이오가스 클리닝 시스템의 일 실시예를 도시한 개략적 플로우 다이어그램이다.
도 5는 개선된 예비-냉각 단계 이용 및 향상된 효율을 위하여 바이오가스 클리닝 프로세스로부터의 폐열을 재활용 하는 단계를 보여주는, 들어오는 바이오가스 온도 및 산화 연소 (DeOx) 단계 이후의 바이오가스 온도를 조절하기 위한, 예비-냉각 단계, 열 제거 단계 및 와 플로우 컨트롤 단계의 통합을 보여주는 바이오가스 클리닝 시스템의 일 실시예를 도시한 개략적 플로우 다이어그램이다.
배경기술에서 기술된 요구들을 만족시키는 바이오가스 클리닝 시스템들 및 방법들이 제공된다. 오염물질을 제거하는 다양한 상충되는 단계들을 설계 및 통합하고 오염물질들의 극도로 낮은 농도에 도달하기 위한 전문적인 시도들과 장애물들이 있다. 기술들의 신규 순서(sequence)와 조합에서 다양한 바이오가스 오염물질들을 제거하도록 최적화되고, 각 단계 프로세싱 조건들, 소재들의 요구 사항들 및 효과적인 입력 온도와 남은 오염 물질 농도의 정도에 대해 통합하고 보충하도록 신규 및 새로운 디자인들이 요구되어, 효율적이고 능률적인 통합된 바이오가스 클리닝 시스템을 제공한다. 여기에 기술된 실시예들은 효율적이고 효과적이고 통합된 방법으로 이러한 다양한 부족한 요구 사항들을 해결하고, 각 요구와 신규성에 대한 구체적 해결책들이 가장 관련성이 높은 부분에 기술된다.
도면들에 더 상세하게 나타낸 바와 같이, 설명을 위해 상기 바이오가스 시스템은 개략적으로 도 1 내지 도 5에 일반적으로 나타낸 시스템들로 구체화된다. 유체 라인들(fluid lines)은 유체 (예를 들어, 바이오가스) 플로우의 방향으로 나타낸다. 명확하게 표시하지 않을 경우에는, 임의의 표준 피팅들(standard fittings), 커플러들(couplers) 및 센서들을 포함하는 구성요소들 사이의 유체 라인 연결들은, 일반적이고, 당 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게 알려져 있고, 가스 클리닝 시스템들 및 상기 바이오가스 클리닝 시스템 구축에 대한 요구에 부합하도록 상세한 실시예에서 통합되도록 고려되는 것으로 가정된다. 마찬가지로 가스 클리닝에서 공통적으로 사용된 것처럼 반응기 베드들에 대해 독립적 히터들 및 열 컨트롤 시스템들을 가지고 있을 수 있다 - 이것들이 명확하게 보여주지 않지만, "베드"의 정의에 포함되는 것으로 가정된다. 설명의 편의를 위해, 참조문헌은 관련된 유체 라인의 번호로 가스 스트림으로 이루어지고, 그것은 각각 기술된 가스 스트림에 대한 관련된 유체 라인이 있는 것으로 가정된다.
바이오가스 클리닝 시스템(111)의 바람직한 실시예는 도 1에 나타난다. 왼쪽에 다양한 입력들(inputs)과 출력들(outputs)이 보여진다 (논의된 것처럼 단지 상기 유체 라인들만 보여지고, 당분야의 통상의 지식을 가진 엔지니어에 의해 생성물에 통합될 공통 부속들(fittings)과 포트들은 보여지지 않는다). 바이오가스 폐기물 스트림(1)은 폐기물 액(6)을 출력한 점선 박스로 나타낸 임의적인(optional) 물 제거 시스템(112)으로 들어간다. 이 초기 물 제거 시스템(112) 후에, 바이오가스 스트림(8)은 매우 낮은 레벨까지의 주요 오염물질의 감소(reduction)에 필수적인 추가 통합 오염물질 제거 단계로 들어간다. 상기 바이오가스 폐기물 스트림은 다이제스터(digester), 매립지, 산업적 프로세스 또는 폐수 처리(sewage)로부터 발생할 수 있다. 바이오가스는 일반적으로 실록산, 염소 화합물들, 황 화합물들, 휘발성 유기 화합물들 및 암모니아를 포함할 수 있는 트레이스 불순물들의 모음(assortment)과 마찬가지로, 전체 부피에 대해 약 50% 내지 75% 메탄, 25% 내지 50% 이산화탄소, 0% 내지 10% 질소, 0% 내지 1% 수소, 0% 내지 3% 황 및 0% 내지 2% 산소를 포함한다. 상기 바이오가스의 수분 함량은, 약간 주위 온도, 예를 들면 최고 50℃에서 일반적으로 포화된다. 상기 가스 세정 시스템(111)은 이 광범위한 바이오가스 오염물질 농도에서 작동 가능하지만, 다양한 보상들(compensations)로 특히 수소와 산소 농도에 의존하는 것을 요구한다.
상기 물 제거 시스템(112)은 상기 바이오가스 폐기물 스트림(1)으로부터 물, 휘발성 유기 화합물들, 및 실록산을 냉각하고 응축한다. 이것은 다운스트림 시스템들이 너무 높은 레벨의 오염물질과 물 함량으로 작동 불가능하거나 효과 없는 것처럼 전구체(precursor) 단계로 행해진다. 예를 들어, 수소탈황화 촉매 베드(240) 이전의 그러한 제거는, 실록산들로부터 예상보다 이른 포이즈닝(poisoning)으로부터 상기 시스템에서 흡착 베드들과 이 베드와 다른 촉매를 보호하도록 요구된다. 그러므로 이러한 촉매들과 흡착제들의 수명이 극대화되고 상기 베드들의 변화(change out)는 전체적으로 상기 바이오가스 클리닝의 자본환경을 개선하면서, 최소로 감소한다. 물론, 상기 바이오가스 클리닝 시스템 내에서 상기 촉매들과 성분들을 보호함으로써, 다운스트림 전력 생성 장비는 동일한 잠재적 손상으로부터 보호된다. 냉각 및 응축 서브시스템을 가지는 추가적 장점은 상기 물이 상기 바이오가스로부터 제거된다는 것이다. 이 물 제거는 그 베드들을 통하여 황의 슬립이 물 레벨을 감소시키는 것과 함께 감소되기 때문에 상기 황 흡착 베드들과 같은 다운스트림 장비를 증가시킨다. 예를 들면, 황화수소의 산화아연 흡착 평형 슬립 레벨(adsorbent equilibrium slip levels)은 약 400℃의 작동 온도에서 약 1 ppm의 높은 물 레벨에서 100 ppb 이하(below) 낮은 물 레벨로 이동한다. 게다가, 내연기관 엔진들로 가는 상기 바이오가스의 상대 습도는 내부 성분들 상에서 응축을 회피하기 위하여 일정한 임계값 이하여야 한다. 일반적으로 상기 물이 상기 바이오가스에서 응축해서 나오는 동안 다른 불순물들, 특히 황화수소 및 이산화황은 상기 응축된 물에 부분적으로 흡수되고, 그것은 상기 다운스트림 황 흡착 단계에서 부담을 감소시킨다.
도 1을 참조하면, 바람직한 실시예로 상기 바이오가스 폐기물 스트림(1)을 상기 바이오가스 클리닝 시스템(111)으로 도입할 수 있는 바이오가스 소스가 있다. 일반적으로 바이오가스 스트림(1)은 포화되거나 거의 물로 포화되어서 상기 바이오가스 클리닝 시스템의 제1 단계들 중 하나가 분리기(separator, 100)로 액체 물을 제거하고 상기 분리기가 플로트 밸브(float valve, 101)로 정기적으로 배출될 때 액체 스트림(7)을 생성하는 것이다. 그리고 나서 단일 상 바이오가스 스트림(single phase biogas stream, 2)은 가스 스트림들(3, 4, 5)에 의해 나타낸 것처럼 냉각 루프를 가지는 선택적 콜드 이코노마이저 열 교환기(cold economizer heat exchanger, 110)에 들어간다. 상기 바이오가스는 냉각 시스템(refrigeration system, 121)에 의해 요구되는 소비 전력을 감소시키기 위하여, 콜드 회복 열 교환기(cold recuperative heat exchanger, 100)의 콜드 사이드에 의해 정의된 바와 같이 콜드 루프를 떠나는 콜드 바이오가스 스트림(5)에 의해 초기 냉각된다. 그리고 나서 바이오가스 스트림(3)은 상기 콜드 회복 열 교환기를 떠나고, 상기 바이오가스가 40°F 또는 -10°F 또는 그 미만 사이로 더 냉각되는 냉각 열 교환기(refrigeration heat exchanger, 120)로 들어간다. 열 교환기(120)를 떠나는 바이오가스 스트림(4)은 상기 시스템에서 가장 차가운 포인트(coldest point)에 있고, 그러므로 응축된 가스 상(gaseous phase)에서 최소량의 실록산들, 물 및 휘발성 유기 화합물들을 가진다. 그리고 나서 바이오가스 스트림(4)에서 응축된 액체들은 유착 필터(coalescing filter) 또는 분리기(130)로부터 상기 가스에서 부분적으로 분리되고 상기 액체들은 솔레노이드 밸브(solenoid valve) 또는 드레인 트랩(drain trap, 131)을 오픈하는 것에 의해 상기 분리기로부터 정기적으로 제거된다. 게다가, 그리고 나서 냉매 열 교환기(120) 내에서 형성된 상기 고체들이 녹을 때 빠진 액체들은 솔레노이드(132)로 상기 시스템으로부터 제거되고 액체 스트림(6)이 되도록 솔레노이드(131)로부터 상기 액체들과 혼합될 수 있다. 유착 필터 또는 분리기(130)로부터 들어오는 바이오가스 스트림(5)은 들어오는 가스를 냉각시키고 그리고 나서 열 교환기(110)를 통하여 흐르고, 그리고 나서 가스 클리닝의 다음 단계에 적합하도록 크게 감소된(reduced) 물, 실록산들 및 휘발성 유기 화합물들의 농도를 가지면서, 바이오가스 스트림(8)처럼 응축 서브시스템을 떠난다.
물 제거 시스템(112)을 사용하여 이용 가능한 냉각 및 응축 방법들이 더욱 상세히 논의된다. 상기 실록산들의 대부분과 상기 휘발성 유기 화합물들의 일부를 응축시켜내기 위하여 상기 바이오가스를 -10°F로 냉각한다는 것이 일반적으로 바람직한 반면에, 이 낮은 온도가 반드시 효과적으로 몇몇의 경우들에 도달할 필요가 없다. 농업 다이제스터들(agricultural digesters)과 같은 몇몇의 바이오가스 소스들은 임의의 실록산들 또는 휘발성 유기 화합물들 불순물들을 가지지 않기 때문에, 이러한 경우들에서, 단지 대부분의 물을 제거하기 위하여는 상기 바이오가스의 온도를 약 40°F로 감소시키는 것으로 충분하다. 이것은 또한 상기 바이오가스 폐기물 스트림(1)의 실록산 레벨이 예를 들어, 약 1 ppm 미만으로 매우 낮은 경우에, 상기 다운스트림 실록산 제거 베드로 경제적으로 대부분의 실록산들을 간단하게 캡쳐하는 것이 가능할 수 있다. 상기 물 제거는 또한 상기 생산된 바이오가스 연료를 이용하는 전력 생성 장비의 사양들을 적합하게 하기 위한 잠재적인 요구사항이다. 이러한 장점들이 모든 응용에서 엄격한 요구사항들이 아니기 때문에, 인렛 가스(inlet gas)의 어떤 냉각이 몇몇의 응용들에서 요구되지 않고 서브시스템 구성요소들(110,120,121)을 냉각시키는 것이 작동에 요구되지 않는다는 것이 가능하다.
상기 물 제거 단계를 떠나서, 상기 바이오가스 스트림(8)은 상기 바이오가스에 남아있는 실록산들을 캡쳐할 수 있는 흡착제를 포함하는 실록산 폴리셔 흡착 베드(200)로 들어간다. 상기 흡착 베드는 바람직하게는 황이 상기 베드에 의해 캡쳐되어 상기 베드가 황으로 완전히 포화되더라도 실록산들에 대한 용량이 단지 미미하게 영향을 받도록 설계된다. Sud Chemie의 FCDS-GS25A와 같은 특별하게 고안된 실록산 캡쳐 베드들은 어떤 용량에서 이럴 수 있는 것으로 이해된다. 바이오가스 스트림(8) 내에서 단지 상기 대량의 황이 남아 있는 동안 상기 바이오가스에 남아있는 실록산의 트레이스 양만 있는 반면에, 실록산의 트레이스 레벨을 제거하는 주요 목적을 위하여 상기 베드에 남겨진 더 많은 수명이 유지되는 동안 상기 베드(200)의 상기 황 용량은 작동 중에 빠르게 채워진다. 특별한 바이오가스 폐기물 적용에서 실록산들이 없는 경우라면 상기 실록산 흡착 베드(200)는 선택적(optional)이다.
후속 단계들에서 분명한 것처럼, 수소는 다운스트림 연소 및 수소탈황화 프로세스 이전에 상기 바이오가스 스트림과 혼합되도록 요구된다. 수소 스트림(25)의 바람직한 삽입(insertion)은 바이오가스 스트림(9) 및 상기 혼합된 바이오가스와 수소 스트림(10) 사이에 이어지는 실록산 폴리셔(200)이다. 바이오가스 스트림(9)은 상기 실록산 폴리셔 베드(200)를 떠나고, 상기 바이오가스 스트림(10) 중에 최소 2% 수소가 있도록 그 자체 컨트롤 밸브(205)에 의해 컨트롤된 수소 스트림(25)과 혼합된다. 상기 수소 스트림(25)의 플로우는 플로우 컨트롤러 (자동화된 밸브와 같은)(205)에 의해 컨트롤 된다. 수소 플로어 컨트롤러(205)는 상기 시스템의 바람직한 온도로 반응하여 상기 수소 비율을 컨트롤하기 위한 열 센서 TE와 선택적으로 통신(미도시)할 수 있다. 연료 셀 발전소(미도시) 및 결과물 스트림들이 이용 가능한 구체적 응용들에서, 일반적으로 이 프로세스에 활용될 수 있는 수소 슬립스트림(slipstream)이 있다. 수소는 또한, 예를 들어, 상기 바이오가스의 슬립스트림에서의 메탄을 개질(reforming, 미도시)함으로써, 특히 상기 시스템을 떠나는 클린 바이오가스(22)를 재순환하여, 바이오가스 자체로부터 만들어질 수 있다. 초과 수소는 상기 바이오가스 연료 생성물을 통하여 전파할 수 있기 때문에, 수소의 첨가는 또한 클린 바이오가스 연료 생성물에서 수소 함량의 선택적 맞춤형 혼합(blend)의 유용성을 제공한다.
상기 바이오가스는 이코노마이저 열 교환기(10)의 핫 사이드(hot side)를 형성하면서, 바이오가스 스트림들(10, 11, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19)로서 클리닝 요소들을 통하여 연속적으로 오염물질 제거의 추가적 단계를 통해 진행된다. 상기 열 교환기의 기능성은 상기 핫 사이드 루프에서 각각 개별적 클리닝 요소를 위하여 본 명세서에서 더 자세하게 기술된다. 바이오가스 스트림(10)은 핫 회복 열 교환기(10)에 들어가고, 다운스트림 클린 바이오가스 스트림(19)에 의해 예열된다. 일반적으로 열 교환기(210)는 상기 바이오가스 스트림(11)이 효율적으로 가열되고 클린 아웃렛 바이오가스 스트림(21)이 효율적으로 냉각되도록 가능한 한 많은 가스를 예열할 수 있는 큰 열 교환기이다. 그러나, 바이오가스 스트림(11)에 다량의 산소가 있어서 다운스트림 의 발열 온도 상승이 큰 경우에, 탈산제 촉매 베드(230) (DeOx라고 불린다)는 커서 바이오가스 스트림(13)의 아웃렛 온도는 다운스트림 수소탈황화 촉매 베드(240) (HDS라고 불린다)에 의해 허용가능한 것보다 더 뜨겁고, 그리고 나서 상기 열 교환기(210)로의 클린 바이오가스 스트림(19)의 플로우 양은 바이패스 컨트롤 밸브(bypass control valve, 295)에 의해 감소되어 스트림(18)으로부터의 보상을 위한 더 많은 클린 핫 바이오가스가 바이오가스 스트림(20)을 통하여 직접적으로 전환된다. 이것은 상기 이코노마이저 열 교환기(210)의 핫 사이드에 의해 규정된 상기 핫 루프 안으로 너무 많은 열 도입(input)을 회피하고, 따라서 그 핫 루프에서의 온도의 임의의 열폭주(thermal runaway)를 회피하기 위해 행해진다. 이런 방식으로, 바이패스 컨트롤 밸브(295)는 효과적으로 상기 바이오가스 클리닝 시스템이 셧다운(shutdown)이 발생할 필요가 있기 전에 상기 바이오가스에서 높은 산소 농도로 작동하게 한다. 이것은 원료 폐기물 바이오가스 투입에서 가변 산소 농도와 웬만큼 잠재적인 다양한 범위의 유용성을 제공한다.
상기 열 교환기(210)로부터, 바이오가스 스트림(11)은 탈산제 촉매 베드(230)에 들어간다. 상기 시스템(111)은, 상기 핫 사이드 중에서 핫 요소들이 인렛 산소 농도의 상대적으로 큰 밴드(band) 아래에서 작동하는 온도를 컨트롤할 수 있다. 상기 산소가 탈산제 촉매 베드에서 수소와 함께 연소되기 때문에 상기 반응으로 상대적으로 큰 발열 온도 상승이 있을 수 있다. 적절한 물질의 일 예는 탈산제 촉매 베드를 위한 Sud Chemie로부터의 FCR-HC25B이다. 상기 이코노마이저 열 교환기의 핫 사이드에 의해 규정된 상기 핫 루프에서의 온도가 너무 많은 열 추가가 있는 경우, 열폭주가 발생한다. 상기 회복 열 교환기로 가는 핫 클린 바이오가스의 일부를 덤프 가열(dump heat)시키기 위하여 필요에 따라 우회시킨다. 선택적으로, 상기 탈산제 촉매 베드의 발열 온도가 충분하지 않을 때 그리고 나서 상기 히터는 그 안에서 온도를 증가시키는 상기 핫 루프에 에너지를 주입하기 위해 활성화된다. 그 베드(230)에서 상기 바이오가스에 존재하는 수소는, 물 부생성물(byproduct)을 생산하는 산소 농도에 비례하여 발열 온도 상승을 야기하는 상기 바이오가스 스트림의 남아있는 산소의 일부 및 대부분을 연소할 수 있다. 바이오가스 스트림(13)의 상기 탈산제 촉매 베드의 아웃렛 온도는 수소탈황화 작동 온도 창 내에 남는다는 것을 확실하게 하기 위해 모니터링 (TE 열 센서 - 번호 없음) 될 것이고, 상기 바이패스 밸브의 적절한 컨트롤이 상기 단락에 요약된 것처럼 발생할 것이다. 바이오가스 스트림(13)의 온도 (TE 열 센서)는 상기 탈산제 베드의 불충분한 발열 온도 상승이 있는 경우에 히터(260)에 대한 피드백 컨트롤로서 추가적으로 이용될 수 있다. 작동 중, 상기 탈산제 촉매 베드(230)에 대한 적절한 범위 내에서 상기 바이오가스 스트림 온도를 유지하는 것은, 산소가 너무 많은 경우 상기 히터는 끊어지고 상기 바이패스 밸브는 작동하고, 또는 선택적으로 산소가 충분하지 않은 경우 상기 바이패스 밸브는 상기 히터(260)가 작동하는 동안 바이오 스트림(20)이 플로우를 가지지 않는다는 것을 확실하게 하도록 상기 히터(260) 또는 바이패스 컨트롤 밸브(295)의 둘 중 하나 그리고 동시에 둘 다 되지 않도록 컨트롤 하기 위하여 바이오가스 스트림(13)에서 상기 열 요소를 프로그래밍시킴으로써 제공된다.
수소화 탈황 촉매 베드가 시스템(111)에 필수적이기 때문에 그리고 산소가 바이오가스 내에 종종 존재하기 때문에, 탈산제 촉매 베드(230)는, 공기 중에서 수소의 자동-점화(auto-ignition) 온도보다 더 낮은 온도에서 상기 바이오가스 중에 여전히 존재하는 임의의 산소로 연소하기 위해 상기 수소가 상기 바이오가스로 혼합되는 것을 허용하도록 이용된다. 이것은 상기 바이오가스 중에 산소 때문에 그 베드를 손상으로부터 보호하기 위해 수소탈황화 촉매 베드(240) 이전에 행해진다. 황의 적당한 레벨의 존재 중에 충분히 견고해진 플래티늄 촉매 (운송수단(vehicle)으로부터 방출 컨트롤 촉매와 유사)를 사용하는 경우, 그때 수소와 산소의 점화온도는 200℃ 또는 미만이 될 수 있다. 잔여 수소는 상기 산소 농도가 무시할 수 있는 ?량보다 높으면 상기 바이오가스에 추가되도록 요구된다. 특히 충분한 수소는 수소의 최소량이 약 2 부피%의 수소 탈황 반응에 여전히 이용가능하다는 것을 확실하게 하기 위해 추가될 필요가 있다. 수소의 여분 2%는 상기 바이오가스 중에 존재하는 모든 산소의 1%에 대해 상기 수소탈황화 반응에 요구된 2% 이상 추가될 필요가 있다. 상기 DeOX 단계 후에, 바이오가스 스트림(13)은 물, 산소 및 오염물질 함량을 감소시켰고, 수소탈황화 촉매 베드(240) (HDS)에서 추가적 설파이드 클리닝에 적합한 바람직하게는 300℃ 및 400℃ 사이의 적절한 온도에서 가열된다. 이 온도 범위가 새로운 생성물들 또는 물질들로서 이용가능하도록 조정가능한 것이 주목된다. 이 촉매 베드(230) 내에서 보통 수소화된 불순물들이 일반적으로 단지 트레이스 ppm 양일 때 주목할 만한 온도 상승이 아니다. 이 베드 내에서, 상기 불순물들이 다운스트림 흡착 베드들 중에서 제거되는 것이 더 쉽도록 대부분의 황 화학종들은 황화수소로 수소화되고 대부분의 염소 화학종들은 염화수소로 수소화된다. 상기 탈산제 촉매 베드는, 하부 촉매보다 더 큰 사이즈를 가지는 상부 촉매(upper catalyst)를 가지는 것이나 상기 베드들이 천공 금속성 플레이트(perforated metallic plate)에 의해 분리된 채로 남아있기만 하면 수소탈황화 용기(vessel)와 같은 용기 내에 위치할 수 있다.
상기 수소탈황화 촉매 베드(240)를 가지는 이 단계의 유용성과 신규성은, 그들이 쉽게 제거될 수 있고, 이러한 불순물의 매우 낮은 레벨이 상기 시스템으로 상기 인렛 바이오가스에 존재할 수 있는 황 또는 염소 화학종들의 종류들에 관계없이 상기 바이오가스 클리닝 시스템의 아웃렛에서 보여지도록, 상기 바이오가스 중에서 임의의 황과 염소 화학종들 존재가 황화수소와 염화수소가 되도록 수소화될 것이다. 적절한 물질은 수소탈황화 촉매 베드를 위한 Sud Chemie의 HDMax 200 이다. 약 2% 수소는, 상기 바이오가스 중에 이 변환 프로세스가 발생하도록 존재하기 위해 필요하고, 상기 수소탈황화 촉매 베드의 온도는 충분한 활동성을 보장하기 위해 250℃ 초과 및 바이오가스 중에 또한 존재하는 이산화탄소 때문에 역 시프트 반응(reverse shift reaction)을 회피하기 위해 400℃ 미만(below)으로 유지하도록 필요하다. 이 변형 단계 없이, 그들이 흡착 베드들을 통하여 슬립하거나 상기 흡착 베드 용량들이 매우 감소하도록, 바이오 가스 중에서 황 또는 염소의 일부 화학종들은 상기 흡착 베드들로 캡쳐하기 어려울 수 있다. 그러므로 이러한 화학종들을 변형시킴으로써 또한 연료 셀 시스템들과 같은 다운스트림 장비가 천천히 오염되지 않는다는 것을 확실하게 하는 동안 상기 흡착 베드들을 덜 빈번하게 교체함으로써 더 좋은 자본환경을 얻는 것이 가능하다. 이 단계는 효과적 제거를 위한 바이오가스 황들을 주로 황화수소로 전환하고 흡착 물질들의 최대 사용으로 클리닝 시스템의 유익을 제공한다.
다음에, 바이오가스 스트림(14)은 수소화 탈황 촉매 베드(240)를 나오고, 염화수소 제거 흡착 베드(250) (일반적으로 HCL 폴리셔로서 언급된다) 에 들어간다. 이 베드(250)에서, 바이오가스 중에 존재하는 염화수소는 상기 베드로 흡착된다. 적절한 물질의 일 예는 염화수소 제거 베드를 위한 Sud Chemie의 ActiSorb CL2 이다. 이 베드의 배치(placement)는 바람직하게 베드(270)를 상기 바이오가스 중 상기 염소에 의한 오염으로부터 보호하기 위하여 황 제거 베드(270)의 업스트림이다. 특정 응용 또는 설치에서 상기 바이오가스 중에서 어떤 염소가 없는 경우에 그때 상기 염소 제거 흡착 베드는 선택사항이고, 생략할 수 있다. 또한 상기 염소 제거 흡착 베드의 위치는 수소화 탈황 반응기 베드의 업스트림에 위치될 수 있지만 그것은 염화수소 이외의 다른 염소 화학종들에 대한 용량이 큰 것으로 가질 수 없다.
몇몇 오염물질 제거 단계들은 온도에 따라 변화할 수 있는 등 이전에 기술된 것처럼 각 단계에 대한 범위들 내에서 상기 바이오가스 스트림 온도를 유지하는 것은 선택적 추가 히터(260)를 요구하는 일부 경우들에 필요한 조건이다. 상기 바이오가스는 바이오가스 스트림(15)과 같이 염화수소 제거 흡착 베드(250)를 나가고, 그리고 나서 히터(260)로 들어간다. 이 히터(260)는 전기 히터일 수 있거나 그것은 상기 바이오가스를 가열시키기 위한 버너 가스와 같은 컨트로 가능한 핫 유체를 이용하는 열 교환기일 수 있다. 히터(260)는, 황 흡착 베드(270)가 수소탈황화 온도가 바이오가스 스트림(13)에서 열 요소에 의해 측정된 것처럼 그것의 최고 온도 이하에 있다는 것을 확실하게 하는 동안 최대 가능 온도에 있다는 것을 확실하게 한 바람직한 위치에 나타난다. 그러나, 다양한 대체 실시예들에서, 또한 상기 히터 (또는 히터들은)는, 베드가 셧다운 동안 뜨거운 채로 남아있거나 시스템에서 임의의 바이오가스 플로우를 독립적으로 가열할 수 있다는 것을 확실하게 하기 위해 촉매 또는 흡착 베드 내에 통합되는 것을 포함하는 회복 열 교환기(210)의 핫 사이드에 의해 정의된 것처럼 핫 루프 내에 임의의 자리에 위치할 수 있다. 이러한 경우에, 표준 써모커플들(thermocouples)과 같은 추가적 열 센서들(미도시)은, 당 분야에서 일반적인 것처럼 특정 단계 온도를 유지하기 위해 필요에 따라 설정된 각 히터 컨트롤러(미도시)와 선택적으로 관련된다.
바이오가스 스트림(16)의 이 단계에서, 황들은 이전에 실질적으로 황화수소로 전환되었고 지금 황화수소는 황 흡착 베드(270)에서 제거된다. 물의 제거는, 그것이 상기 황 흡착제의 평형을 돕고, 그 베드를 통하여 슬립하는 황화수소의 양을 감소시키기 때문에 유익하고, 그러므로 황 폴리셔의 부담을 감소시킨다. 상기 베드에서 통합된 적절한 활성 물질은 고온 산화아연 베드를 형성하는 Sud Chemie의 ActiSorb S2 이다. 이 베드를 위한 바람직한 매체는 가능한 높은 황 용량들 때문에 산화아연이다. 황 흡착 베드들의 용량을 증가시키기 위한 다양한 방법들이 있다. 하나의 방법은 작동 온도를 증가시키는 것이다. 산화아연은, 그것이 400℃ 내지 600℃에서 작동할 수 있다면 순수한 산화아연 100 그램 당 황 30 그램을 초과하는 용량을 가지고 있을 수 있다. 이 베드는, 다른 베드가 여전히 작동하는 동안 변화된 흡착 매체와 고립되기 위한 하나의 베드를 허용한 4 또는 6 밸브들(미도시)로 예를 들어, 표준 리드 / 랙 배치(standard lead / lag arrangement)(미도시)에서, 연속적으로 두 베드들로 선택적으로 구성될 수 있다. 상기 리드 / 랙 배치는, 제2 베드가 시스템 가동 시간(uptime)을 증가시키고 활용을 향상시키면서, 여전히 해결책을 겪지 않는 동안 황으로 완전히 포화되도록 앞쪽 베드를 가능하게 하는 스위칭시키기 위한 베드들의 순서(sequence)를 허용한다. 상기 황의 아웃렛 농도는 상기 바이오가스에서 얼마나 많은 물 수증기가 상기 흡착 작동 온도에 있는지와 흡착제 활용의 타입과 같은 다양한 인자들에 따라 다르다. 바이오가스 클리닝 시스템(111)은 50 ppb 미만의 황 레벨을 생산하지만, 그것은 광범위한 바이오가스 폐기물 때문에 몇몇 응용들에 대해 황의 50 ppb의 타겟보다 더 높을 수 있는 농도를 투입한다.
가스 프로세싱 산업에서, 수소탈황화 반응 후에 일반적으로 이용되는 황 흡착제는, 작동 온도가 상기 수소탈황화 반응과 유사하고 산화아연 흡수제가 높은 황 로딩 용량을 가질 수 있기 때문에 펠렛화된(pelletized) 산화아연이다. 선택적으로, 철 스폰지 흡수제들 또한 동일한 이유로 사용될 수 있다. 산화아연 및 철 스폰지 흡수제들 모두는, 어느 정도 황이 상기 베드를 통하여 슬립하는 영향을 주는 평형 황 레벨을 가진다. 이 평형 레벨은 온도와 수분 함유량을 포함하는 다양한 인자들에 의존한다. 두 흡수제들에 대한 상기 평형 레벨이 이러한 베드들의 용량이 극대화 (예를 들어, 가능한 한 뜨거운 작동 동안에)되는 것이라면 연료 셀들에 대해 일반적으로 충분히 낮지 않기 때문에, 바이오가스가 50 ppb 미만의 황을 가지도록 바이오가스 중에 임의의 남아있는 황을 제거하기 위하여 상기 프라이머리 황 흡착 후에 구리 또는 니켈을 포함할 수 있는 황 폴리셔 베드가 추가될 수 있다는 것이 알려진다.
상기 황 흡착 베드의 처리 후에, 황의 트레이스 양은 바이오가스 스트림(17)에 여전히 잠재적으로 존재한다. 바이오가스 연료 생성물의 이용에 따라서, 황의 선택적 추가적 미세 제거는 특히 황의 매우 낮은 농도를 요구하는 연료 셀 시스템들 중에서 바이오가스 이용을 위해 요구될 수 있다. 상기 바이오가스 연료가 연소 제너레이터를 위해 고안될 때, 이 미세 제거는 요구되지 않거나, 선택적이다. 이 선택적 황 제거는 상기 황 흡착 베드로부터 바이오가스 스트림(17)을 수용하는 황 폴리셔 베드(290)로 나타난다. 상기 황 폴리셔 흡착 베드(290)는, 매우 낮은 ppb 황 레벨이 통과하도록 허용하면서 황에 대한 높은 친화도(affinity)를 가지는 환원된(reduced) 구리와 같은 흡착제를 이용함으로써 상기 바이오가스 중에 여전히 존재하는 임의의 트레이스 황을 제거한다. 황 폴리셔 베드(290)를 위한 적절한 활성 물질은, 구리 기반 황 폴리셔 베드를 위한 Sud Chemie의 ActiSorb S6 이다. 이 베드(290)는 업스트림 황 흡수 베드(270)와 비교하여 감소된 캐패시티와 더 높은 장치 가격을 가지고 있지만 캡쳐를 무시할 수 있기 때문에 이 베드는 변경이 필요하기 전까지 일반적으로 매우 오랜 시간 지속된다.
이 단계에서 모든 오염물질 제거 단계들이 완료된다. 상기 바이오가스로부터 제거된 오염물질들은 실질적으로 고체 상태 형태로 캡쳐된다 - 이것은 대기로 돌아가서 유독한 오염으로서 재도입된 오염물질들을 가지는 바이오가스를 일반적으로 연소하거나 플레어하는 알려진 바이오가스 처리와 비교하여 지속성 및 전체적인 오염 감소에 중요하다. 상기 캡쳐된 물질은 활성 물질로부터 분리되거나 상대적으로 활발하지 못하게 저장되고, 예를 들어 오리지널 매립지에서 안정적인 형태로 다시 저장될 수 있다 - 이것은 대기로 그것을 연소하기에 바람직하다. 상기 바이오가스 클리닝 시스템은, 상기 오염물질들에 의한 대기 오염을 크게 감소시키기 위한 바이오가스의 연소 또는 다운스트림 플래어링 이전에, 고체 형태로 불순물들을 포함 및 제거의 유용성을 제공한다.
상기 "세정된" 그리고 처리된 바이오가스 스트림(18)은, 다양한 단계들로부터 뜨겁고, 바이오가스 연료 생성물로 사용하기 위해 일반적으로 냉각될 필요가 있다. 개선된 전반적인 효율성, 신뢰성 및 지속가능한 작동을 위해, 상기 바이오가스 열은 이제 핫 루프 열 교환의 신규 열 배치에서 효율을 위해 회복된다. 바이오가스 스트림(18)은, 유체 라인(19)을 통하여 이코노마이저 열 교환기(210)와 바이패스 유체 라인(20)을 통하여 바이오가스 출력 라인(22)으로 연결된 출력 유체 라인을 가지는 바이패스 밸브(295)에 들어간다. 예외는 들어오는 바이오가스 스트림(10)이 다량의 산소를 포함한다는 것이다 - 이것은 더 높은 산소 함량을 생성하는 특정한 바이오-폐기물 물질 소스로 발생할 수 있다. 이 경우에, 더 높은 산소 함량은 효율적 범위 위로 온도를 증가시키는 DeOX 단계(230)에서 연소를 증가시킬 것이다. 이 경우에 바이패스 밸브는, 열 센서 TE(번호 없음)에 민감하고, 스트림(18)의 일부가 우회하여 유체 라인(22)으로 유체 라인들(20)을 통하여 통과되고, 열은 이코노마이저 열 교환기(210)의 핫 사이드에 의해 규정된 핫 루프로부터 제거되도록 설정값(setpoint)을 가진다. 바이오가스 스트림(21)은 회복 열 교환기(210)의 콜드 사이드에 있고, 따뜻하고 클린 바이오가스로 상기 시스템을 나가는 바이오가스 스트림(22)을 구성하기 위해 가열된 바이패스 바이오가스 스트림(20)과 혼합된다(mixes). 바이오가스 스트림(22)의 온도가 바이오가스 스트림(20)을 통하여 바이패스된 일부 플로우의 이 예에서 냉각될 필요가 있다면, 그리고 나서 선택적으로 바이오가스 스트림(20)의 공랭식 라디에이터(air cooled radiator, 미도시)를 바이오가스 스트림(21)과 혼합하기 전에 바이오가스를 냉각시킨다. 이 신규 배치는 폭넓은 범위의 들어오는 산소 농도를 다루기 위한 신축성을 제공하고, 히터 로드(load)와 전력 입력들을 줄이기 위해 필요한 가열의 일부를 효율적으로 재사용하고, 더 적은 컨트롤 부품들과 설정값들 때문에 높은 신뢰성을 가진다.
바이오가스 클리닝 시스템의 새로운 장점은 작동과 입력들의 큰 밴드 하에서 작동할 수 있는 능력이다. 바이오가스 형성 프로세스들이 혼란상황들(upsets)의 가능성이 높을 수 있기 때문에, 상기 바이오가스 농도는 상기 시스템의 수명 동안 실질적으로 다를 수 있다. 바이오가스 클리닝 시스템 실시예들은 상기 바이오가스 중 최고 1.5% 내지 2% 산소뿐만 아니라 황, 실록산들 및 염소의 각 화학종들에 대한 낮은 수백 ppm의 불순물들 레벨과 마찬가지로 다룰 수 있지만, 더 높은 불순물 레벨이 흡착 베드들을 더 빈번하게 변경할 필요가 있기 때문에 작동의 자본환경에 영향을 미칠 수 있다.
바이오가스 클리닝 시스템의 다른 신규 장점은, 각각 후속 작동이 그것을 손상시킬 수 있는 다른 불순물로부터 충분히 보호된다는 것을 확실하게 하기 위해 - 신뢰할 수 있고 경제적인 작동을 위해 불순물들이 바람직한 실시예에서 제거되는 순서이다. 예를 들어, 이러한 화합물들이 촉매와 흡착 표면들을 코팅할 수 있는 열과 형태 고체의 존재 중에서 저하될 때, 다운스트림 촉매와 흡착 베드를 오염시킬 수 있기 때문에 먼저 실록산들과 일부 휘발성 유기 화합물들의 대부분이 제거된다. 응축 단계는 또한 이 베드에 의해 캡쳐될 필요가 있는 95% 미만의 실록산들이 있기 때문에 실록산 흡착 베드(200)의 오염물질 제거 의무를 감소시키고, 이 베드의 교체는 응축 단계 없이 작동 비용 약 95% 미만으로 더 경제적으로 가능하다는 것을 실질적으로 의미한다. 순서의 다음 단계는, 수소탈황화 촉매는 수소화 반응을 도운 그것의 촉매 표면들에 흡착된 황이 산화 및 제거하지 않는다는 것을 보장하는, DeOx 베드(230)에 의해 상기 바이오가스 스트림으로부터 상기 산소를 제거하는 것이다. 다시, 단계들의 이 시퀀스와 다운스트림 장비는, 수소화 탈황 촉매 베드(240)가 제대로 작동하지 않으면, 황과 염소 화학종들은 단독으로 있지 않고 황화수소와 염화수소의 형태로 있기 때문에 흡착 베드들(270)로부터 황과 염소의 예상보다 이른 해결책으로 보호된다. 수소탈황화 촉매 반응 후에 다음 단계는, 다운스트림 황 흡착 베드(270)가 바이오가스 중 임의의 염소에 의해 잠재적으로 오염될 수 있기 때문에 염화수소 흡착 베드(250)를 이용한 염소 제거이다. 마지막으로, 알루미나의 환원된 구리와 같은 황 폴리셔 흡착 베드(290)로 이어지는 산화아연과 같이 값이 싼 벌크 황 흡착제와 높은 용량을 가지는 황 흡착제 베드(270)에서 제1 벌크 제거를 이용한 황 제거의 두 단계들이 있다. 이 바람직한 순서는 활용을 최적화하고, 교체 횟수와 활성 물질들의 비용을 최소로 하며, 이러한 효율적인 장점들은, 감소된 대기 오염으로 효과적으로 저장된 고체 폐기물로서 유독 오염물질들을 제거하는 연료로서의 재활용 바이오가스의 집단(society)에 대한 순이익과 바이오가스 클리닝 시스템의 더 큰 광범위한 채택을 가능하게 한다.
기술된 바이오가스 클리닝 시스템(111)으로 바이오가스 클리닝 방법은 하기 바람직한 단계들을 포함한다.
(a) 실록산들, 휘발성 유기 화합물들 및 물을 감소(reducing)시키는 바이오가스 폐기물 스트림을 예비-냉각하는 단계,
(b) 상기 바이오가스 폐기물 스트림으로부터 실질적으로 실록산들을 제거하여 실록산들을 흡착하는 단계,
(c) 그리고 나서 상기 바이오가스 스트림에 수소 가스를 첨가하는 단계,
(d) 상기 바이오가스로부터 산소가 실질적으로 제거되고 상기 바이오가스 스트림이 가열되도록 상기 바이오가스에 남아있는 산소로(with) 상기 혼합된 수소를 촉매적으로 연소하는 단계,
(e) 그리고 나서 황 화학종들을 실질적으로 황화수소로 수소화시키고 동시에 염소 화학종들을 염화수소로 수소화시키는 단계,
(f) 그리고 나서 염화수소를 흡착하는 단계,
(g) 그리고 나서 황 흡착제를 이용하여 황화수소들을 흡착하는 단계,
(h) 그리고 나서 황 폴리셔를 이용하여 남아있는 황화수소들을 더 흡착하는 단계,
(i) 실질적으로 클린 바이오가스 연료가 제공됨으로써, 250℃에서 400℃를 초과하지 않는 범위에서 상기 탈산제 촉매 베드의 상기 바이오가스 온도 다운스트림을 유지하도록 상기 이코노마이저 열 교환기로 돌아가는 상기 핫 바이오가스의 플로우와 온도를 조절하는 단계.
도 1의 바이오가스 클리닝 시스템(111)은 바이오가스 연료로의 전환을 통하여 바이오가스 처리를 위한 전체 시스템을 제공한다. 다른 실시예에 있어서, 독립형(standalone) 서브시스템으로서 통합될 수 있는 처리 클리닝의 일부가 기술된다. 이것은 예를 들어, 기존 바이오가스 처리 시스템을 개선하기 위해 또는 바이오가스 폐기물이 더 동종(homogeneous)이고, 다른 단계들을 요구하는 오염물질들을 감소시키는 특정한 경우들에서 유용하다. 바이오가스 클리닝 시스템(222)의 다른 실시예로 도 2를 참조하면, 냉각 서브시스템, 실록산 제거 흡착 베드 및 염화수소 제거 흡착 베드는, 가장 적게 요구된 요소들을 가지는 바이오가스 클리닝을 제공하기 위하여 제거된다. 바이오가스 클리닝 구성성분들과 기능(functionality)은 동일한 명칭을 가지는 그것들과 도 1에 도시된 것과 같이 유사하지만, 프로세싱 구성성분들은 상이한 배치로 제공된다. 상기 바이오가스는 바이오가스 스트림(31)에서 상기 시스템(222)에 들어가고, 그리고 나서 바이오가스 스트림(32) 중에 최소 2% 수소를 제공하기 위해 컨트롤 밸브(305)에 의해 컨트롤된 수소 스트림(45)과 혼합된다(mixed). 그리고 나서 바이오가스 스트림(32)은 클린 핫 바이오가스 스트림(39)에 의해 예열되도록 회복 열 교환기(310)로 들어가고 가열된 바이오가스 스트림(33)으로 배출한다. 그리고 나서 바이오가스 스트림(33)은 히터(320)로 들어가고, 열은 바이오가스 스트림(35)에서의 온도가 수소탈황화 촉매 베드(340)의 작동을 위해 충분히 충분할만큼 높다는 것을 확실하게 하기 위해 추가된다. 바이오가스 스트림(34)은 히터(320)를 떠나고, 발열 반응이 발생하고 바이오가스 중 산소가 수소의 일부를 연소함으로써 소비되는 탈산제 촉매 베드(330) (DeOx)에 들어간다. 바이오가스 스트림(35)은 탈산제를 떠나고, 그리고 나서 바이오가스 중에 존재하는 황 화학종들을 황화수소로 수소화하기 위하여 수소탈황화 촉매 베드(340) (HDS)에 들어간다. 바이오가스 스트림(36)은 수소탈황화 촉매 베드를 떠나고, 황화수소의 대부분이 흡착되고 그러므로 바이오가스로부터 제거되는 프라이머리 황 흡착 베드(primary sulfur adsorbent bed, 370)에 들어간다. 바이오가스 스트림(37)은 프라이머리 황 흡착제 베드(370)를 떠나고, ppb 레벨의 임의의 남아있는 황을 제거하기 위하여 황 폴리셔 흡착 베드(390)에 들어간다. 바이오가스 클리닝 시스템(222)은 연료 셀 제너레이터를 위한 고급의 바이오가스 연료를 제공하기 위해 아주 적합하다.
그리고 나서, 바이오가스 스트림(38)은 황 폴리셔 흡착 베드(390)를 떠나고, 회복 열 교환기(310)를 통하여 열을 이동시킬 수 있도록 바이오가스 스트림(39)으로 상기 바이오가스를 우선적으로 전환시킨 컨트롤 밸브(395)에 들어간다. 시스템으로의 바이오가스 인렛의 산소량이 너무 높으면 탈산제 촉매 베드(330)에서 결과로서 생기는 열 투입은 이코노마이저 열 교환기(310)의 핫 사이드에 의해 규정된 핫 루프에서 열폭주의 원인이 될 수 있고, 그리고 나서 바이오가스 스트림(38)으로부터의 상기 바이오가스의 일부는 바이오가스 스트림(33)에서의 온도가 감소되고 바이오가스 스트림(35)에서의 온도가 요구된 온도 범위 내로 떨어지도록 바이오가스 스트림(40)을 통하여 회복 열 교환기(310) 주변에 바이패스되거나 전환된다. 이코노마이저 열 교환기(310)를 떠나는 것은 바이오가스 연료 생성물 스트림(42)이 되도록 바이오가스 스트림(40)과 혼합된 바이오가스 스트림(41)이다.
바이오가스 클리닝 시스템(222)을 이용한 바이오가스 클리닝 방법은 하기 단계들을 가진다;
(a) 가스 컨트롤 시스템을 이용하여 바이오가스 폐기물 스트림과 수소를 혼합하는 단계,
(b) 산소를 제거하고 상기 바이오가스를 250℃에서 400℃를 초과하지 않는 범위로 가열하기 위하여 상기 혼합된 수소와 바이오가스 스트림을 연소하는 단계,
(c) 그리고 나서 황화물들을 실질적으로 황화수소로 전환하는, 상기 결과로 초래된 가열된 바이오가스 스트림을 수소화하는 단계,
(d) 그리고 나서 황화수소를 흡수하는 단계,
(e) 실질적으로 클린 바이오가스 연료가 제공됨으로써, 단계 b) 이후 온도에 반응하여 상기 수소 농도를 컨트롤하는 단계.
도 2의 시스템(222)에 대한 근거(rationale)와 마찬가지로, 또 다른 실시예는 외부(external) 열 제거의 추가와 함께 이전에 논의된 구성부품들의 또 다른 배치로 다시 도 3에 나타난다. 이 배치에 대해, 황 흡착 베드들의 위치는 도 2의 실시예에 비해 이동했다. 특히, 이 바이오가스 클리닝 시스템(333)은, 인렛 바이오가스 스트림(31)으로부터 수소화 탈황 촉매 베드(340)로 바이오가스 스트림 플로우에 대한 도 2와 같고, 수소화 탈황 촉매 베드(340)를 떠난 바이오가스 스트림(56)은 도면에 나타낸 바와 같이, 직접적으로 바이패스 밸브(595) 안으로 들어감으로써 일반적으로 대부분 또는 전체 플로우는 화복 열 교환기(310)에 들어오는 바이오가스를 예열하기 위하여 바이오가스 스트림(59)으로 전환된다. 그리고 나서 바이오가스 스트림(62)은, 주위 온도에서 또는 주위 온도 근처에서 작동하는 황 흡착 베드(605)에 들어가는 바이오가스 스트림(63)이 되도록 열 교환기(310)를 떠난다. 더 낮은 온도에서 황화수소를 캡쳐하기 위한 적합한 대안적 물질들은 활성 탄소를 포함한다. 사실상, 대부분의 황 화학종들을 황화수소로 수소화하기 위한 업스트림 수소탈황화 촉매 베드의 사용은, 탄소 베드의 브레이크쓰루 용량이, 소량의 산소의 슬립 스트림이 탄소 베드 이전에 추가된 때에, 일부 예들에 있어서 대략 2 중량% 황 캡쳐에서 대략 30 중량% 황 캡쳐까지, 급격히 증가될 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 황화수소를 캡쳐하는 것이 매우 쉽기 때문이다. 이것은 상기 수소탈황화 촉매가 여전히 낮은 황 출력을 제공하는 동안 흡착제들의 활용의 자본환경을 어떻게 도울 수 있는지의 다른 예이다. 바이오가스 스트림(64)은 황 흡착 베드를 떠나고, 바이오가스 스트림(65)에50 ppb 미만의 황이 있게 하기 위하여 마지막 황의 양을 제거하도록, 황 폴리셔 흡착 베드(610)에 들어간다. 저온 폴리셔 베드는 알루미나의 즉각적 환원 구리를, 고온 베드와 같은 타입을 가질 수 있다. 용량이 다소 감소될지라도 상기 폴리셔의 밖에서 바이오가스의 순도는 고온 프로세스와 비교하여 더욱 증가한다.
바이오가스 클리닝 시스템(333)의 상기 열 교환기(310)를 통하는 이 전형적인 플로우의 예외는 상기 탈산제 촉매 베드에서 발열 온도 상승 또한 너무 높을 때이고, 일부 열은 상기 이코노마이저 열 교환기(310)의 핫 사이드에 의해 규정된 상기 핫 루프로부터 버려질 필요가 있다. 이 경우에 열 센서 TE (번호 없음)로부터의 컨트롤 신호에 반응한 바이패스 밸브(595)는 주위 온도에 근접하도록 상기 바이오가스를 냉각시키기 위한 공랭식 라디에이터(600)와 같은 열 제거 구성성분으로 들어가는 바이오가스 스트림(60)을 통하여 상기 바이오가스 플로우 일부를 전환시킨다. 그리고 나서 바이오가스 스트림(61)은 공랭식 라디에이터(600)를 떠나고, 상기 바이오가스 중에 존재하는 대량의 황화수소를 제거하기 위하여 주위 온도 또는 주위 온도 근처에서 작동하는 프라이머리 황 흡착제 베드 또는 베드들에 들어가는 바이오가스 스트림(63)이 되기 위해 바이오가스 스트림(62)과 혼합된다. 열 제거는 대안적으로 다른 열 교환기들 또는 액체 냉각 시스템들일 수 있다. 바이오가스 스트림(64)은 상기 프라이머리 황 흡착제 베드 또는 베드들을 떠나고, 바이오가스 스트림(65)에 50 ppb 미만의 황이 있도록 황의 남은 양의 제거를 보증하기 위해 황 폴리셔 흡착 베드로 들어간다. 상기 바이오가스 클리닝 시스템(333)은 연료 셀 제너레이터를 위한 고급의 바이오가스 연료를 제공하기 위해 아주 적합하다.
도 3의 열 제거 배치는, 도 4의 바이오가스 클리닝 시스템(444)에 나타낸 바와 같이 도 1의 나타낸 바람직한 시스템에 적용된다. 도 1의 시스템(111)과의 차이로 기술된 시스템(444)에 일부 추가 기능들이 있다. 시스템(444)에 대조적으로, 분리기 / 필터(130)를 떠나는 냉각 바이오가스(71)는 바이오가스 스트림들(72, 74)과 같이 둘로 나누어진다. 바이오가스 스트림(72)은 이코노마이저 열 교환기(110)에 의해 가열되고, 더 뜨거운 온도에서 바이오가스 스트림(73)이 된다. 바이오가스 스트림(73) 대(versus) 바이오가스 스트림(74)의 바이오가스 플로우의 비율은, 혼합 밸브(705) 외부(out)에서 상기 혼합된 바이오가스 스트림(75)이 열 센서 TE2에 의해 측정된 것처럼 타겟 온도에 있도록 혼합 밸브(705)에 의해 컨트롤된다. 이 더 낮은 바이오가스 온도 (도 1과 비교하여)는, 다운스트림 이코노마이저 열 교환기(210)가 경제적으로 더 작은 크기일 수 있지만 여전히 다운스트림 장비에서 바이오가스 연료로서 사용 또는 저장을 위한 충분히 낮은 바이오가스 스트림(22)에서 온도를 달성하기에 충분하다는 것을 의미한다. 탈산제 베드(230) 내에서 수소의 연소 때문에 상기 시스템을 떠나는 바이오가스 스트림(22)에서 더 많은 물을 제거하기 위한 필요성이 있다면, 그리고 나서 상기 바이오가스가 더 냉각될 수 있고 물이 제거될 수 있도록 바이오가스 스트림(22)에서 다른 냉매 루프 열 교환기(미도시)의 추가로 상기 가스를 더 냉각시키는 것이 가능하다. 냉각 유체는 이 간헐적인 다운스트림 냉각을 위하여 동일한 업스트림 냉각 시스템으로부터 들어올 수 있다. 이것이 요구될 수 있는 유일한 이유는 다운스트림 장비에 대한 더 낮은 습식 사양(lower humidify specification)을 충족하는 것이다.
도 4의 다른 차이는 오염물질 클리닝 구성성분들을 가지는 상기 열 교환기의 핫 루프에서 프로세스의 추가적 컨트롤을 위한 열 제거 구성성분의 추가이다. 바이오가스 스트림(11)의 산소 농도가 예를 들어, 2% 산소로 높고, 상기 탈산제 베드(230)에서 수소의 연소가 열 교환기(210)의 핫 사이드에 의해 규정된 핫 루프에서 상당한 열량을 생성할 때, 그리고 나서 열은 상기 핫 루프로부터 버려질 필요가 있고, 그렇지 않으면 손상을 초래하는 제어 불능(out of control)으로 갈 수 있다. 열을 내버리기 위한 또 다른 방법은 도 3에 배치된 열 제거 구성성분과 유사한 것으로서, 황 폴리셔(290)로부터 오는 가열된 바이오가스 스트림(80)을 나눔으로써 바이오가스 스트림(82)처럼 이 스트림의 일부가 바이오가스 스트림(83)에서의 온도를 떨어뜨려 주는 공랭식 라디에이터(715) (또는 비 절연된 파이프 또는 동등(equivalent)))를 통과하도록 하고, 그리고 나서 이코노마이저 열 교환기(210)로 가는 혼합된 바이오가스 스트림(84)의 온도가 더 낮은 온도에 있도록 바이패스되거나 전환된 바이오가스 스트림(81)과 혼합되는 것이다. 바이패스 밸브(295)는 관련된 열 센서 TE1로 상기 탈산화제 촉매 베드(230) 후에 온도에 반응하여 이 바이패싱을 컨트롤한다. 이 열 제거는, 사실상, 상기 바이오가스 스트림(11)의 온도가 결과로 초래된 바이오가스 스트림(13)이 이전에 기술된 것처럼 다운스트림 구성성분들을 위한 타겟 온도에 있고 탈산제 베드(230)에서의 더 큰 발열 온도 상승을 가지도록 감소한다. 상기 바이오가스 클리닝 시스템(444)은 상기 바이오가스 스트림과 오염물질 제거 구성성분들의 필요한 가열의 개선된 컨트롤의 장점들을 가진다.
물 제거와 응축에 의한 오염물질 제거의 초기 단계는 예비-처리 서브시스템으로서 도 1에 기술된다. 통합을 통하여 전반적인 시스템 전력 소비량을 감소시키는 것은 다운스트림 프로세스들로부터 제거된 열이 더 경제적인 순수한 집합적 전력 효율 이득을 위한 이 업스트림 서브시스템에 사용되도록 배치될 수 있다. 그러한 통합된 효율적인 배치는 바이오가스 클리닝 시스템(555)으로서 도 5에 나타난다. 특히, 열 교환기(210)의 핫 사이드에 의해 규정된 핫 루프에서 여분의 열이 있을 때, 핫 황 폴리셔(290)로부터의 바이오가스 스트림(80)은 밸브(295)를 이용하여 바이오가스 스트림들(81, 93)로 나눠진다. 그리고 나서 바이오가스 스트림(93)은 응축된 서브시스템(556)에서 사용된 흡착 냉각기(421)로 사용하기 위해 가열되고 순환될 수 있는 다른 사이의 유체(94)를 가지는 열 교환기(720)로 들어간다. 흡착 냉각기는 폐열로 냉각한 열 교환 매체를 가진다 [일 예는, http://www.energysolutionscenter.org/resources/PDFs/GT_W03_Small_Absorption_Chillers.pdf e.g. Yazaki gas fired absorption unit임]. 그리고 나서 핫 흡착 냉각기 유체(95)는 이전의 전기적으로 운영하는 냉각제 기반 냉각 시스템을 대체하는데 사용되는 흡착 냉각 장비(421)로 흐른다. 인렛 바이오가스는 시스템(555)으로 물과 아마 실록산들을 파괴시키기 위한 이 수정된 응축 배치를 통하여 흐른다. 이 폐열의 재활용은, 바이오가스가 일반적으로 전기보다 더 저렴한 리소스이기 때문에 전기적으로 운영하는 냉각 시스템이 필요할 전력보다 더 경제적이다. 상기 바이오가스 클리닝 시스템(555)은 필요 전력의 최소화와 바이오가스 연료로 바이오가스 폐기물을 전환하는 것의 직접 비용 절감으로, 바이오가스 클리닝 시스템으로 효율적으로 통합하는 실록산 제거의 장점들을 제공한다.
시스템(555)에 대하여, 입력 전력 요구사항들을 감소시킨 추가적 배치가 있다. 그것은 핫 루프의 전기 히터들 (클리닝 베드들(230,240,250,270,290)의 베드들 중에 통합되지만 개별적으로 보여지지 않음)이 바이오가스에서 불충분한 산소가 있고 보충 열을 제공하여야 하는 경우에 흡착 냉각기들에 대해 열을 공급하도록 활용되지 않는다면 바람직할 것이다. 상기 시스템의 정상 작동 동안에 상기 통합된 히터들 (미도시)을 이용한 감소시키기 위한 하나의 배치는 컨트롤된 방식으로 상기 바이오가스 안으로 공기 또는 산소를 의도적으로 추가하는 것에 의해 탈산제 내에 수소 또는 메탄 각각의 연소에 의해 폐열을 생성할 것이다. 이 목적을 위해, 추가적 컨트롤 밸브(405), (또한 블로어(blower) 또는 컴프레서(compressor)일 수 있음), 열 센서 TE1에서 상기 탈산제 촉매 베드 후에 측정된 온도에 반응하고, 공기 스트림(92)의 컨트롤된 플로우가 추가적 산소 함량을 가지는 바이오가스 스트림(91)이 되도록 바이오가스 스트림(90)과 혼합되게 허용한다. 상기 탈산제 베드(230)의 발열 온도 상승이 상기 바이오가스 중에 있는 산소의 퍼센트에 비례하기 때문에, 추가될 공기량은 TE1에서 바이오가스 스트림(13)의 온도의 패드백 컨트롤로 결정된다. 이 배치에서, 열 제거 라디에이터 팬(715)이 작동할 필요가 없고 작동 전력 효율을 극대화하도록, 상기 시스템 안으로 요구되는 다량의 열을 단지 도입하는 것이 가능할 것이다. 상기 바이오가스로의 산소의 추가는 단지 흡착 냉각기를 활용하는 시스템이 아니라, 임의의 시스템의 히터 의무를 감소시키기 위한 장점으로서 이용될 수 있다.
각각의 바이오가스 시스템들의 실시예들에 대한, 물(미도시) 스프레이 세정이, 더 많은 불순물들이 상기 물과 흡수되게 허용하고, 그러므로 다운스트림 불순물 흡착 베드들의 부담을 감소시키기 위하여 냉각 및 응축 서브시스템 이전에 주입되는 선택적 실시예가 있다. 일반적으로, 수소탈황화 서브시스템을 가진 냉각 및 응축 서브시스템의 조합은, 냉각 및 응축 서브시스템이 바이오가스에서 홀로 수행했을 때 보다 더 많은 불순물들을 제거할 수 있다는 것을 의미한다.
대안적 실시예들에 있어서, 바이오가스 클리닝 시스템은, 예들로서, 제올라이트에 함침된 구리와 활성 탄소와 같은 더 낮은 온도 황 흡착 매체 베드들을 이용할 수 있다. 프라이머리 황 흡착제와 황 폴리셔 흡착제의 조합이 50 ppb 미만으로 황을 제거할 수 있는 한, 흡착된 황의 그램당 흡착제의 가격이 고온과 비교하여 저온 매체를 이용하는 것이 비슷하거나 더 적으면, 그때 저온 매체는 바람직한 선택일 수 있다.
상기 실시예들에서 기술된 상기 바이오가스 클리닝 시스템을 사용하는 장점은, 바이오가스 연료 생성물이 연료 셀 시스템과 같은 매우 민감한 장비에 대한 준비가 되도록 상기 시스템 후에 황, 실록산, 염소 및 산소와 같은 매우 낮은 레벨의 불순물들이 바이오가스 중에 남아 있다는 것이다. 특별한 요소들, 실시예들 및 응용들이 보여지고 기술되었던 동안, 물론, 범위가 특히 전술한 교시들(teachings)에 비추어, 발명 공개의 범위로부터 벗어남 없이 당분야의 숙련된 자들에 의해 만들어질 수 있기 때문에 이에 제한되지 않는다는 것이 이해된다.

Claims (23)

  1. 연소성 클린 바이오연료를 형성하기 위하여, 메탄, 이산화탄소와 물을 포함하는 바이오가스 폐기물 스트림(biogas waste stream) 및 황, 할로겐화물들, 실록산들과 휘발성 유기 화합물들을 포함할 수 있는 불순물들을 정화하기 위한 바이오가스 클리닝 시스템으로서,
    (a) 수소 플로우 컨트롤러와 수소 포트를 가지는, 바이오가스 폐기물 스트림으로(into) 수소 가스를 혼합(blending)하기 위한 가스 컨트롤 시스템,
    (b) 상기 바이오가스로부터 산소가 실질적으로 제거되고 상기 바이오가스 스트림이 가열되도록 상기 바이오가스에 상기 남아있는 산소로(with) 상기 혼합된 수소를 촉매적으로 연소하고 수용(receiving)하기 위한 상기 가스 컨트롤 시스템의 다운스트림에 유동적으로(fluidly) 연결된(coupled) 탈산제 촉매 베드,
    (c) 황 화학종들 (sulfur species)을 실질적으로 황화수소로 수소화시키고, 염소 화학종들 (chlorine species)을 실질적으로 염화수소로 수소화시키는 목적으로 상기 가열된 바이오가스 스트림을 수용하는 상기 탈산제 촉매 베드의 다운스트림에 유동적으로 연결된 수소탈황화 촉매 베드(hydrodesulphurization catalyst bed),
    (d) 상기 바이오가스로부터 실질적으로 황을 제거하는 목적으로 상기 수소탈황화 촉매 베드의 다운 스트림에 유동적으로 연결된 제1 황화수소 제거 흡착 베드,
    (e) 바이오가스 스트림 온도를 측정하고 상기 가스 컨트롤 시스템과 통신하는 열 센서 컨트롤러,
    를 포함하고,
    바이오가스 스트림을 수용하고 작동가능할 때, 수소가 상기 바이오가스와 혼합되고, 그리고 나서 상기 산소는 실질적으로 제거됨에 의해(whereby when operable and receiving a biogas stream, hydrogen is mixed with the biogas, then the oxygen is substantially removed), 상기 황 화학종들이 황화수소로 주로 전환되는 상기 수소탈황화 촉매 베드에 의해 수소화되도록 상기 바이오가스 스트림은 발열 연소에 의해 충분히 가열되고, 그리고 나서 상기 전환된 황화수소들은 상기 흡착 베드에서 실질적으로 제거되고, 나아가 상기 수소 혼합 비율은 상기 열 센서 컨트롤러에 반응하여 컨트롤되는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 컨트롤 시스템은, 2% 초과로 첨가된 수소 농도를 제공하고, 상기 수소탈황화 촉매 베드 이전에, 상기 탈산제 베드에서의 상기 바이오가스 스트림의 연소율은 250℃ 및 400℃ 사이의 바이오 가스 온도를 제공하는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    (f) 환원되거나 산화물 상태의 구리 또는 니켈의 부분을 구성하는(consisting in part of copper or nickel in a reduced or oxide state), 상기 바이오가스로부터 트레이스 황(trace sulfur) 레벨들을 제거하도록 상기 제1 황화수소 제거 흡착 베드의 다운스트림에 유동적으로 연결된 황 폴리셔 흡착 베드
    를 더 포함하는, 바이오가스 클리닝 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    열 교환기 루프,
    (g), 쿨 열 교환 사이드(cool heat exchange side)는 들어오는 바이오가스 스트림과 나가는 냉각된 클린 바이오가스를 포함하고, 핫 열 교환 루프는 나가는 가열된 클린 바이오가스 스트림과 탈산제 촉매 베드의 상기 바이오가스 스트림으로 형성된 것인, 탈산제 촉매 베드의 업스트림과 상기 황화수소 제거 흡착 베드를 배출(exiting)하는 가열된 바이오가스 스트림에 유동적으로 연결된 이코노마이저 열 교환기(economizer heat exchanger),
    (h) 상기 탈산제 촉매 베드에서의 불충분한 발열 온도 상승이 있을 때 충분한 산소 제거를 위하여 상기 탈산화제 촉매 베드의 상기 바이오가스 스트림을 250℃ 및 400℃ 사이로 가열하기 위한 상기 핫 열 교환 루프 내의 추가 히터,
    (i) 상기 클린 가열된 바이오가스 스트림의 상기 온도를 감소시키기 위한 제2 열 교환기, 및 상기 황 흡착 베드, 열 교환기 및 나가는 쿨링된 클린 바이오가스 스트림에 유동적으로 연결되고 상기 탈산제 촉매 베드 내에 과도한 발열 온도 상승을 나타내는 열 센서에 반응하여 상기 뜨겁거나 쿨 교환 루프들 및 열 교환기 사이에 상기 핫 클린 바이오가스 스트림을 분포시키도록 작동할 수 있는 바이오가스 플로우 컨트롤러 중 선택되고,
    상기 바이오가스 스트림을 냉각시키기 위한 상기 핫 열 교환 루프 내의 추가 냉각기,
    를 더 포함하고,
    작동 중 상기 이코노마이저 열 교환기로 돌아가는 상기 핫 바이오가스의 상기 온도와 플로우는 250℃에서 400℃를 초과하지 않는 범위에서 상기 탈산제 촉매 베드의 상기 바이오가스 온도 다운스트림을 유지하도록 조정 가능한 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    (j) 상기 제1 황 제거 흡착 베드의 염소 제거 흡착 베드 업스트림
    을 더 포함하는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    (k) 상기 바이오가스로부터의 실록산들을 제거하는 목적으로 상기 열 교환기의 실록산 제거 흡착 베드 업스트림
    을 더 포함하는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    물과 오염물질들을 응축시키도록 약 -10°F 미만을 제공하는 냉매 루프 (refrigerant loop),
    물과 일부 오염물질들을 응축시키도록 -10°F 및 32°F 사이를 제공하는 냉매 루프, 및
    실질적으로 물 함량을 응축시켜 내도록(to condense out water content) 32°F 및 50°F 사이에서 작동하는 물 응축기 (water condenser)의 그룹으로부터 선택된 하나의 수소 포트 업스트림에 유동적으로 연결된 바이오가스 예비-냉각기
    를 더 포함하는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 바이오가스를 예비-냉각하기 위한 목적이고, 상기 물에서의 이산화황과 황화수소와 같은 상기 불순물들의 일부를 흡수하도록 물 스프레이어와 물 분리기로 구성되는, 수소 포트의 업스트림에 유동적으로 연결된 바이오가스 예비-냉각기
    를 더 포함하는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 실록산 흡착 베드는, 활성 탄소, 실리카 젤(silica get), 분자체(molecular sieve), 또는 제올라이트의 그룹으로부터 선택된 하나로 형성되는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 탈산제 촉매 베드는, 플래티늄, 팔라듐, 로듐, 및 환원된 상태의 금속들의 그룹으로부터 선택된 귀금속 촉매들을 포함하는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 수소탈황화 촉매 베드는, 코발트, 몰리브덴 및 니켈의 그룹으로부터 선택된 금속들을 포함하는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 염화수소 제거 흡착 베드는 산화 디소듐을 부분적으로(in part) 포함하는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 황 흡착 베드는, 산화아연, 산화철, 및 활성 탄소의 그룹으로부터 선택된 활성 화합물을 포함하는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 시스템 다운스트림에 의한 상기 클린 바이오가스 배출(output)은, 제너레이터에 대한 감소된(reduced) 부식 또는 손상을 가지는, 내연 기관 엔진(internal combustion engine), 터빈, 연료 셀 시스템 및 보일러의 그룹으로부터 선택된 하나의 제너레이터에서 상기 바이오가스가 연료로서 확실하고 반복되게 연소될 수 있도록 충분히 낮은 레벨들의 오염물질들을 가지는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    작동 중에, 적어도 하나의 다른 흡착 베드가 상기 바이오가스 스트림으로(to) 작동가능한 인라인인 동안, 상기 다수의 황 흡착 베드들 중 하나가 바이오가스 스트림 오프라인으로부터 제거되고 변하도록, 리드(lead)와 랙(lag) 배치로 각각 배치된 다수의 황 흡착 베드들을 더 포함하는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  16. 연소성 클린 바이오연료를 형성하기 위하여, 메탄, 이산화탄소와 물을 포함하는 바이오가스 폐기물 스트림 및 황, 할로겐화물들, 실록산들과 휘발성 유기 화합물들을 포함할 수 있는 불순물들을 정화하기 위한 바이오가스 클리닝 시스템으로서,
    (a) 상기 바이오가스 폐기물 스트림에서 휘발성 유기 화합물들과 물을 감소(reducing)시키기 위한 바이오가스 예비-냉각기
    (b) 상기 바이오가스로부터 실질적으로 실록산들을 제거하기 위한 상기 바이오가스 예비-냉각기의 다운스트림에 유동적으로 연결된 실록산 제거 흡착 베드,
    (c) 수소 플로우 컨트롤러와 상기 실록산 제거 흡착 베드의 수소 포트 다운스트림을 가지는 바이오가스 폐기물 스트림으로 수소 가스를 혼합하기 위한 가스 컨트롤 시스템,
    (d) 상기 바이오가스로부터 산소가 실질적으로 제거되고 상기 바이오가스 스트림이 가열되도록 상기 바이오가스에 남아있는 산소로(with) 상기 혼합된 수소를 촉매적으로 연소하고 수용하기 위한 상기 가스 컨트롤 시스템의 다운스트림에 유동적으로 연결된 탈산제 촉매 베드,
    (e) 황 화학종들 (sulfur species)을 실질적으로 황화수소로 수소화시키고, 염소 화학종들 (chlorine species)을 실질적으로 염화수소로 수소화시키는 목적으로 상기 가열된 바이오가스 스트림을 수용하는 상기 탈산제 촉매 베드의 다운스트림에 유동적으로 연결된 수소탈황화 촉매 베드,
    (f) 상기 수소탈황화 촉매의 염소 제거 흡착 베드 다운스트림 및 상기 제1 황 제거 흡착 베드의 업스트림,
    (g) 상기 바이오가스로부터 실질적으로 황을 제거하는 목적으로 상기 수소탈황화 촉매 베드의 다운 스트림에 유동적으로 연결된 제1 황화수소 제거 흡착 베드,
    (h) 상기 바이오가스로부터 트레이스 황 레벨들을 제거하기 위하여 상기 제1 황화수소 제거 흡착 베드의 다운스트림에 유동적으로 연결된 황 폴리셔 흡착 베드(sulfur polisher adsorption bed),
    (i) 상기 바이오가스 스트림 온도를 측정하고 상기 가스 컨트롤 시스템과 통신하는 열 센서 컨트롤러,
    (j) 쿨 열 교환 루프(cool heat exchange loop)는 들어오는 바이오가스 스트림과 나가는 냉각된 클린 바이오가스로 형성되고, 핫 열 교환 루프(hot heat exchange loop)는 나가는 가열된 클린 바이오가스 스트림으로 형성되고 상기 탈산제 촉매 베드의 바이오가스 스트림 업스트림은 황 폴리셔 흡착 베드에 유동적으로 연결된 바이오가스 플로우 컨트롤러, 열 교환기 및 나가는 냉각된 클린 바이오가스 스트림을 더 포함하고, 상기 핫 또는 쿨 교환 루프들과 열 교환기 사이의 상기 핫 클린 바이오가스 스트림을 분포하기 위해 작동하는 수소 포트의 다운스트림과 탈산제 촉매 베드의 업스트림과 상기 황화수소 제거 흡착 베드를 배출하는 가열된 바이오가스 스트림에 유동적으로 연결된 열 교환기,
    를 포함하고,
    바이오가스 스트림을 수용하고 작동가능할 때, 실록산들, 휘발성 유기 화합물들(VOC?)과 물이 제거되고, 그리고 나서 수소는 상기 바이오가스와 혼합되고, 상기 이코노마이저 열 교환기로 돌아가는 상기 핫 바이오가스의 플로우와 온도를 남아있는 산소가 제거되도록 250℃에서 400℃를 초과하지 않는 범위에서 상기 탈산제 촉매 베드의 상기 바이오가스 온도 다운스트림을 유지하도록 조절되고, 상기 바이오가스 스트림은 상기 황 화학종들이 H2S로 주로 전환하는 상기 수소탈황화 촉매 베드에 의해 수소화되도록 가열되고, 그리고 나서 할로겐화물들은 클린 바이오가스 연료를 생산하기 위하여 황들이 흡수되기 이전에 제거되는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    작동할 때, 상기 결과로 초래된 클린 바이오가스 연료는 50 ppb 미만의 황, 50 ppb 미만의 할로겐화물들 및 50 ppb 미만의 실록산들을 포함하는 감소된 오염물질 농도를 가지는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  18. 연소성 클린 바이오연료를 형성하기 위하여, 메탄, 이산화탄소와 물을 포함하는 바이오가스 폐기물 스트림 및 황, 할로겐화물들, 실록산들과 휘발성 유기 화합물들을 포함할 수 있는 불순물들을 정화하기 위한 바이오가스 클리닝 방법으로서,
    (a) 가스 컨트롤 시스템을 이용하여 바이오가스 폐기물 스트림과 수소를 혼합하는 단계,
    (b) 산소를 제거하고 상기 바이오가스를 250℃에서 400℃를 초과하지 않는 범위로 가열하기 위하여 상기 혼합된 수소와 바이오가스 스트림을 연소하는 단계,
    (c) 그리고 나서 황화물들을 실질적으로 황화수소로 전환하는, 상기 결과로 초래된 가열된 바이오가스 스트림을 수소화하는 단계,
    (d) 그리고 나서 황화수소를 흡수하는 단계,
    (e) 실질적으로 클린 바이오가스 연료가 제공됨으로써, 단계 b) 이후 온도에 반응하여 상기 수소 농도를 컨트롤하는 단계,
    를 포함하는, 바이오가스 클리닝 방법.
  19. 연소성 클린 바이오연료를 형성하기 위하여, 메탄, 이산화탄소와 물을 포함하는 바이오가스 폐기물 스트림 및 황, 할로겐화물들, 실록산들과 휘발성 유기 화합물들을 포함할 수 있는 불순물들을 정화하기 위한 바이오가스 클리닝 방법으로서,
    (a) 휘발성 유기 화합물들과 물을 감소(reducing)시키는 바이오가스 폐기물 스트림을 예비-냉각하는 단계,
    (b) 상기 바이오가스 폐기물 스트림으로부터 실질적으로 실록산들을 제거하여 실록산들을 흡착하는 단계,
    (c) 그리고 나서 상기 바이오가스 스트림에 수소 가스를 첨가하는 단계,
    (d) 상기 바이오가스로부터 산소가 실질적으로 제거되고 상기 바이오가스 스트림이 가열되도록 상기 바이오가스에 상기 남아있는 산소로(with) 상기 혼합된 수소를 촉매적으로 연소하는 단계,
    (e) 그리고 나서 황 화학종들을 실질적으로 황화수소로 수소화하고 동시에 염소 화학종들을 염화수소로 수소화하는 단계,
    (f) 그리고 나서 염화수소를 흡착하는 단계,
    (g) 그리고 나서 황 흡착제를 이용하여 황화수소들을 흡착하는 단계,
    (h) 그리고 나서 황 폴리셔를 이용하여 남아있는 황화수소들을 더 흡착하는 단계,
    (i) 실질적으로 클린 바이오가스 연료가 제공됨으로써, 250℃에서 400℃를 초과하지 않는 범위에서 상기 탈산제 촉매 베드의 상기 바이오가스 온도 다운스트림을 유지하기 위하여 이코노마이저 열 교환기로 돌아가는 핫 바이오가스의 플로우와 온도를 조절하는 단계,
    를 포함하는, 바이오가스 클리닝 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 결과로 초래된 바이오가스 연료는 50 ppb 미만의 황, 50 ppb 미만의 할로겐화물들 및 50 ppb 미만의 실록산들을 포함하는 감소된 오염 물질 농도를 가지는 것인, 바이오가스 클리닝 방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 바이오가스 예비-냉각기는, 현재 타겟 온도에 반응하여 상기 예비-냉각 시스템에 남겨지는 상기 바이오가스의 온도를 감소시키기 위하여 도관들로부터 상기 바이오가스 스트림들을 혼합하기 위하여, 바이패스 유체 도관(bypass fluid conduit)과 상기 예비냉각기 열 교환기의 제1 유체 도관 출력(output)에 연결된 플로우 컨트롤러를 더 포함하는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 바이오가스 예비-냉각기는, 상기 황 폴리셔 흡착 베드의 제2 열 교환 다운스트림에 열적으로 연결된 폐쇄된 유체 루프를 통하여 연결된 흡착 냉각기 (adsorption chiller)를 더 포함하고, 상기 흡착 냉각기를 이용하여 상기 요구된 열은 효율적 에너지 이용을 위하여 상기 제2 열 교환기로 제공되는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 실록산 제거 흡착 베드의 다운스트림에 유동적으로 연결된 공기 플로우 컨트롤러를 가지는 공기 인렛(air inlet)을 더 포함하고, 상기 공기 플로우 컨트롤러는, 첨가 공기가, 상기 탈산제 촉매 베드에서 연소 동안 상기 바이오가스의 상기 발열 가열을 증가시키기 위하여 컨트롤된 방법으로 상기 바이오가스에 첨가될 수 있도록 상기 열 센서 컨트롤러에 반응하고 통신하는 것인, 바이오가스 클리닝 시스템.
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