(57)【要約】【課題】バイオガスを浄化するための統合型バイオガス浄化システムを提供する。【解決手段】シロキサン、塩素、酸素、硫黄をパーツパービリオンレベルにまで除去しながら、大部分の水と数種の揮発性有機化合物とを除去する。バイオガスシステムは、汚染物質を部分的に除去するためにバイオガス流を冷却し、低濃度の水素ガスをブレンドし、次に、バイオガスを加熱するために残留酸素を燃焼させつつ、下流において連続的かつ段階的に実施される、水素化脱硫床および吸着剤媒体床を使用したさらなる汚染物質の転換および除去に適した十分な水素を残す。熱交換装置は、幅広いバイオガス発生源での使用に適した、廃棄熱の効果的な再生利用と、入ってくるバイオガス廃棄物の流れに含有される各種の酸素レベルの補正とを提供する。【選択図】図１
2013538880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタン、二酸化炭素、水分と、さらに硫黄、ハライド、シロキサン、揮発性有機化合物などの不純物とを含有したバイオガス廃棄物の流れを浄化して、可燃性のクリーンなバイオ燃料を形成するバイオガス浄化システムであって、前記バイオガス浄化システムは、
（ａ）  バイオガス廃棄物の流れに水素ガスをブレンドし、水素流量調整器および水素ポートを設けているガス制御システムと、
（ｂ）  前記ガス制御システムの下流に流体連結しており、また、前記ブレンドされた水素と前記バイオガス中の残留酸素とを受容し触媒燃焼させることで、前記バイオガスから酸素の大部分を除去し、前記バイオガス流を加熱する脱酸剤触媒床と、
（ｃ）  硫黄種を水素化して実質的に硫化水素にし、塩素種を水素化して実質的に塩化水素にする目的で、前記加熱されたバイオガス流を受容する、下流の前記脱酸剤触媒床と流体連結している水素化脱硫触媒床と、
（ｄ）  前記バイオガスから大部分の硫黄を除去する目的で、下流の前記水素化脱硫触媒床下流と流体連結している第１硫化水素除去吸着床と、
（ｅ）  バイオガス流温度を測定し、前記ガス制御システムと連通している熱センサ制御装置と、を備え、これにより、動作可能時およびバイオガス流受容時に、前記バイオガスに水素が混合され、次いで前記酸素が大部分除去され、また、前記バイオガス流が発熱燃焼によって十分に加熱されることで、前記硫黄種が水素化脱硫触媒床によって水素化されて、主に硫化水素に転換され、次に前記転換された硫化水素が前記吸着床から大部分除去され、さらに、前記水素のブレンドの比率は、前記熱センサ制御装置に反応して制御される、バイオガス浄化システム。
【請求項２】
前記ガス制御システムは、２％よりも高い水素濃度を追加で提供し、前記脱酸剤床における前記バイオガス流の燃焼率によって、水素化脱硫触媒床に進む前に、バイオガス温度が２５０〜４００℃となる、請求項１に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項３】
（ｆ）  前記バイオガスから微量の硫黄レベルを除去するために、前記第１硫化水素除去吸着床の下流において流体連結しており、一部が還元または酸化状態の銅またはニッケルからなる硫黄研磨剤吸着床をさらに備える、請求項１に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項４】
熱交換器ループと、
（ｇ）  脱酸剤触媒床の上流で、前記硫化水素除去吸着床から出る加熱されたバイオガス流と流体連結しているエコノマイザ熱交換器であって、前記低温熱交換器側は、入ってくるバイオガス流および出て行く冷却された浄化バイオガスを含み、前記高温熱交換器ループは、出て行く浄化バイオガス流と、前記脱酸剤触媒床の上流の前記バイオガス流とによって形成されている、エコノマイザ熱交換器と、
（ｈ）  前記高温熱交換器ループに設けられ、前記脱酸剤触媒床の上流にある前記バイオガス流を、前記脱酸剤触媒床内の発熱温度上昇が不十分である場合に大部分の酸素を除去するのに十分な２５０〜４００℃に加熱する補足加熱器と、
（ｉ）  前記高温熱交換器ループ内に設けられた、前記バイオガス流を冷却する補足冷却機であって、前記冷却機は、前記クリーンで加熱されたバイオガス流の温度を低下させるために第２熱交換器を選択しており、前記冷却機はさらに、前記硫黄吸着床、熱交換器、出て行く冷却されたクリーンなバイオガス流と流体連結しており、前記脱酸剤触媒床内に過剰な発熱温度上昇が存在する旨を熱センサが示したことに反応して、前記高温のクリーンなバイオガス流を前記高温または低温交換器ループと熱交換器との間で分配するように動作できるバイオガス流量調整器を選択している、補足冷却機とをさらに備え、動作中、前記脱酸剤触媒床の下流における前記バイオガスの温度を２５０〜４００℃を超えない範囲に維持するように、前記エコノマイザ熱交換器に戻る前記高温バイオガスの流れおよび温度を調整できる、請求項１に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項５】
（ｊ）  前記第１硫黄除去吸着剤床の上流に塩素除去吸着剤床をさらに備える、請求項１に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項６】
（ｋ）  前記バイオガスからシロキサンを除去する目的で、前記熱交換器の上流にシロキサン除去吸着床をさらに備える、請求項４に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項７】
水および汚染物質を凝縮するために約‐１０°Ｆ（−２３．３℃）未満の温度を提供する冷媒ループのグループから選択された、水素ポートの上流で流体連結しているバイオガス予冷却機と、水および数種の汚染物質を凝縮するために−１０〜３２°Ｆ（−２３．３〜０℃）の温度を提供する冷媒ループと、含有水分のほとんどを凝縮除去するために３２〜５０°Ｆ（０〜１０℃）で動作できる水凝縮器とをさらに備える、請求項４に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項８】
前記バイオガスを予冷し、水分中の二酸化硫黄および硫化水素のような前記数種の不純物を吸着するために、水噴霧機および水分離器で形成されており、水素ポートの上流で流体連結しているバイオガス予冷却機をさらに備える、請求項４に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項９】
前記シロキサン吸着床は、活性炭、シリカゲット、モレクラシーブ、ゼオライトの一群から選択したもので形成されている、請求項６に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項１０】
前記脱酸剤触媒床は、プラチナ、パラディウム、ロジウム、および還元状態にある金属の一群から選択した貴金属触媒を含む、請求項１に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項１１】
前記水素化脱硫触媒床は、コバルト、モリブデン、ニッケルの一群から選択した金属を含む、請求項１に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項１２】
前記塩化水素除去吸着床は一部に酸化二ナトリウムを備える、請求項５に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項１３】
前記硫黄吸着床は、酸化亜鉛、酸化鉄、活性炭の一群から選択した活性化合物を備えている、請求項１に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項１４】
下流の前記システムによって排出された前記浄化バイオガスの汚染物質レベルは十分に低いため、バイオガスを、内燃機関、タービン、燃料電池システム、ボイラの一群から選択した発電機内で、前記発電機の腐食または損傷を低減しつつ、燃料として容易にそして繰り返し燃やすことができる、請求項７に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項１５】
複数の硫黄吸着剤床をさらに備え、前記複数の硫黄吸着剤床の各々はリードラグ型に配置されているため、動作中、バイオガス流から前記複数の硫黄吸着剤床の１つを交換のためにライン外へ取り出す一方で、少なくとも１つの別の吸着剤床はバイオガス流のライン内で動作させておくことが可能である、請求項１に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項１６】
可燃のクリーンなバイオ燃料を形成するために、メタン、二酸化炭素、水と、さらに、硫黄、ハライド、シロキサン、揮発性有機化合物を含んでいてよい不純物とを含有したバイオガス廃棄物の流れを浄化するバイオガス浄化システムであって、前記バイオガス浄化システムは、
（ａ）  前記バイオガス廃棄物の流れに含有された揮発性有機化合物と水を低減するためのバイオガス予冷却機と、
（ｂ）  前記バイオガスから大部分のシロキサンを除去するための、前記バイオガス予冷却機の下流で流体連結しているシロキサン除去吸着床と、
（ｃ）  前記シロキサン除去吸着床の下流に水素流量調整器および水素ポートを有する、バイオガス廃棄物の流れに水素ガスをブレンドするガス制御システムと、
（ｄ）  前記ブレンドされた水素および前記バイオガス中の残留酸素を受容し触媒燃焼させることで、前記バイオガスから大部分の酸素を除去し、前記バイオガス流を加熱することができる、前記ガス制御システムの下流において流体連結している脱酸剤触媒床と、
（ｅ）  硫黄種を水素化して実質的に硫化水素とし、塩素種を水素化して塩化水素とするために、前記加熱されたバイオガス流を受容する、前記脱酸剤触媒床の下流において流体連結している水素化脱硫触媒床と、
（ｆ）  前記水素化脱硫触媒の下流、および前記第１硫黄除去吸着剤床の上流に位置する塩素除去吸着剤床と、
（ｇ）  前記バイオガスから硫黄を大部分除去するために、前記水素化脱硫触媒床の下流にて流体連結している第１硫化水素除去吸着床と、
（ｈ）  前記バイオガスから微量レベルの硫黄を除去するために、前記第１硫化水素除去吸着剤床の下流において流体連結している硫黄研磨剤吸着床と、
（ｉ）  前記ガス制御システムと連通しており、バイオガス流温度を測定する熱センサ制御装置と、
（ｊ）  水素ポートの下流および脱酸剤触媒床の上流において、また前記硫化水素除去吸着剤床から出る加熱されたバイオガス流に流体連結している熱交換器であって、前記低温熱交換ループは、入ってくるバイオガス流と出て行く低温のクリーンなバイオガスとで形成されており、高温熱交換ループは、出て行くクリーンな加熱されたバイオガス流および脱酸剤触媒床の上流のバイオガス流によって形成されており、またバイオガス流量調整器をさらに含み、前記バイオガス流量調整器は、硫黄研磨剤吸着床、熱交換器、出て行く低温でクリーンなバイオガス流に流体連結しており、前記高温でクリーンなバイオガス流を高温または低温交換ループと熱交換器との間で分配するように動作できる、熱交換器を含み、これにより、動作可能時およびバイオガス流を受容する時に、シロキサン、ＶＯＣ、水が除去され、次に、水素が前記バイオガスと混合され、前記エコノマイザ熱交換器へ戻る前記高温バイオガスの流れおよび温度が、前記脱酸剤触媒床の下流の前記バイオガス温度を２５０〜４００℃を超えない温度に維持されるべく調整され、これにより残留酸素が除去され、前記バイオガス流が加熱されることで、硫黄種が水素化脱硫触媒床によって水素化されて、主にＨ２Ｓに転換され、次に、硫化物を吸着する前にハライドが除去されて、クリーンなバイオガス燃料が生成される、バイオガス浄化システム。
【請求項１７】
動作可能時に、クリーンなバイオガス燃料は、５０ｐｐｂ未満の硫黄、５０ｐｐｂ未満のハライド、５０ｐｐｂ未満のシロキサンを含む低い汚染物質濃度を有する、請求項１６に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項１８】
可燃性のクリーンなバイオ燃料を形成するために、メタン、二酸化炭素、水と、さらに硫黄、ハライド、シロキサン、揮発性有機化合物を含んでいてよい不純物とを含有したバイオガス廃棄物の流れを浄化するためのバイオガス浄化方法であって、前記バイオガス浄化方法は、
（ａ）  ガス制御システムを使用して、水素をバイオガス廃棄物の流れとブレンドするステップと、
（ｂ）  前記ブレンドした水素およびバイオガス流を燃焼させることで、酸素を除去し、前記バイオガスを２５０〜４００℃を超えない温度に加熱するステップと、
（ｃ）  次に、加熱されてできたバイオガス流を水素化することで、硫化物を実質的に硫化水素に転換させるステップと、
（ｄ）  次に、硫化水素を吸着するステップと、
（ｅ）  ステップ（ｂ）後の温度に反応して、水素濃度を制御するステップとを備え、これにより、実質的にクリーンなバイオガス燃料を提供する、バイオガス浄化方法。
【請求項１９】
可燃性のクリーンなバイオ燃料を形成するために、メタン、二酸化炭素、水と、さらに硫黄、ハライド、シロキサン、揮発性有機化合物を含んでいてよい不純物とを含有したバイオガス廃棄物の流れを浄化するためのバイオガス浄化方法であって、前記バイオガス浄化方法は、
（ａ）  バイオガス廃棄物の流れを予冷却することで、揮発性有機化合物および水を低減するステップと、
（ｂ）  シロキサンを吸着することで、前記バイオガス廃棄物の流れから大部分のシロキサンを除去するステップと、
（ｃ）  次に、前記バイオガス流に水素ガスを追加するステップと、
（ｄ）  前記ブレンドされた水素および前記バイオガス中の残留酸素を触媒燃焼させることで、前記バイオガスから大部分の酸素を除去し、前記バイオガス流を加熱することができるステップと、
（ｅ）  次に、硫黄種を水素化して実質的に硫化水素にし、同時に、塩素種を水素化して塩化水素にするステップと、
（ｆ）  次に、塩化水素を吸着するステップと、
（ｇ）  次に、硫黄吸着剤を使用して硫化水素を吸着するステップと、
（ｈ）  次に、硫黄研磨剤を使用して、残留している硫化水素をさらに吸着するステップと、（ｉ）  前記脱酸剤触媒床の下流における前記バイオガスの温度を２５０〜４００℃を超えない温度に維持するために、前記エコノマイザ熱交換器へ戻る高温バイオガスの流れおよび温度を調整するステップとを備え、
これにより実質的にクリーンなバイオガス燃料を提供する、バイオガス浄化方法。
【請求項２０】
前記クリーンなバイオガス燃料は、５０ｐｐｂ未満の硫黄、５０ｐｐｂ未満のハライド、５０ｐｐｂ未満のシロキサンを含む、低い汚染物質濃度を有する、請求項１９に記載のバイオガス浄化方法。
【請求項２１】
前記バイオガス予冷却機は、前記予冷却機熱交換器の第１流体導管排出部と、バイパス流体導管とに連結しており、現在の目標温度に反応して、前記導管からの前記バイオガス流どうしをブレンドし、前記予冷却システムから出るバイオガスの温度を低減する流量調整器をさらに備える、請求項１６に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項２２】
前記バイオガス予冷却機は吸着式冷凍機をさらに備え、前記吸着式冷凍機は、前記硫黄研磨剤吸着床の下流にある第２熱交換器に熱連結している閉鎖流体ループを介して前記バイオガス予冷却機に連結しており、これにより、吸着式冷凍機を使用する際に必要な熱が、前記第２熱交換器によって提供されるため、エネルギーの効果的な使用が可能である、請求項１６に記載のバイオガス浄化システム。
【請求項２３】
前記シロキサン除去吸着床の下流において流体連結している空気流量調整器を設けた空気入口をさらに備え、前記空気流量調整器は前記熱センサ制御装置と連通しており、またこれに反応するものであるため、前記脱酸剤触媒床内での燃焼中に、前記バイオガスの発熱加熱を増大するべく制御された方式にて、前記バイオガスに追加の空気を追加できる、請求項１に記載のバイオガス浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、埋め立て処理場のガスを含む廃棄物バイオガスの浄化に関する。特に本発明は、燃料としての使用に適さない汚染物質（水、揮発性有機化合物、シロキサン、酸素、塩素、硫黄を含む）をそれぞれ５０容量ｐｐｂ（パーツパービリオン）にまで除去するバイオガス浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオガスは典型的には嫌気性分解槽、都市廃棄物処理工場、埋め立て処理場を含む発生源から発生する、あるいは概ね無酸素の環境内での有機廃棄物の分解が可能なあらゆる発生源から発生する廃棄物である。バイオガスは典型的には、メタン約５０〜７５体積％、二酸化炭素約２５〜５０体積％、窒素約０〜１０体積％、水素約０〜１体積％、硫黄約０〜３体積％、酸素約０〜２体積％、ならびに微量不純物の取り合わせ（シロキサン、塩素、揮発性有機化合物、アンモニアを含む）を含有している。バイオガス中に含有される水は、典型的には、環境温度よりも若干高い温度、例えば最高約５０℃の温度で飽和する。バイオガスは典型的に有機物質から発生することから、再生可能な形態のエネルギーであると考えられており、したがってバイオガスを燃料として使用しても炭素が新たに大気に遊離することはない。
【０００３】
バイオガスはメタンを含有しているので、発電または発熱用のバイオガス燃料への転換が可能である。しかし、汚染物質による発電機運転の制約と、使用に伴う排出量規制とがあるので、まずバイオガスの不純物を浄化する必要がある。バイオガスを浄化する理由の１つは、バイオガスには環境に有害な汚染物質が含まれているためである。例えば、バイオガス中に、数〜数千パーツパーミリオン（ｐｐｍ）のレベルの硫化水素と有機硫黄が含まれており、これを燃焼させると酸性雨の主因である二酸化硫黄になる。バイオガスを浄化しなければならない別の理由は、バイオガス中のシロキサンのような不純物は発熱発電機器の内部に付着するので、これが内部構成要素に著しい損傷を引き起こすことで、潜在的な早期の故障および／または、頻繁に分解検査を実施して機器を維持する必要がでてくるためである。シロキサンは化粧品やシャンプーなどの様々な美容製品に使用されているため洗顔や洗髪によって排水となるか、あるいはゴミとして捨てられることによって、都市下水および埋め立て処理場に辿り着き、その結果バイオガスに混入する。バイオガス中の硫黄不純物は、発電機器の内部環境を腐食させたり、または設置されている触媒を毒汚染することさえある。
【０００４】
ガスタービンでは、汚染物質の堆積によってロータの不均衡が生じる可能性と、この堆積物からの放出物による突発的故障の可能性を考慮し、非常に低い不純物レベルが要求される。燃料電池では、こうした汚染物質が触媒表面に堆積して、出力性能を低下させ得るため、汚染物質ほぼゼロの仕様が要求される。内燃機関の汚染物質についての仕様は、頻繁でコストのかかるメンテナンスまたは機器交換を行うことで許容され得ることに基づくため、タービンおよび燃料電池よりも高くなっている。したがって、ほぼゼロの汚染物質レベルはメンテナンス周期の頻度を低減させ、運転の経済性が向上するので、内燃機関の運転も同様にほぼゼロの汚染物質レベルから利益を得ることができるのである。さらに、内燃機関で扱うことができる比較的高い不純物レベルとは、内燃機関による汚染度が他の機器よりも比較的高くできることを意味する。
【０００５】
市場には本発明以外にもバイオガス浄化の解決法があることはあるが、しかし不純物を、燃料電池や発電機といった下流機器に問題を生じさせないほど十分低いレベルにまで除去する、対コスト効果の高いアプローチはほとんどなかった。例えば、メンテナンスを最小に低減するために、燃料電池などのクリーンな発電用途に要求される望ましい不純物レベルは、典型的に硫黄、シロキサン、ハロゲン（塩素など）、アンモニアの各々につき５０ｐｐｂ未満とされている。バイオガスを使用できるようになるまで浄化するにはコストがかかるため、この継続し続ける浄化コストは、＄／ｋＷｈ運転コストの面でエネルギー生産機器の最重要点に打撃を与える。これらの浄化コストが高過ぎれば、バイオガス資源の経済的な利用は困難になる。ダウンストリーム生産を含んだ持続可能性の統合の改善を可能にするために、高品質のクリーンなバイオガス燃料へのニーズがある。
【０００６】
化学および化石燃料処理工場において、非常に大規模なガス状不純物除去技術をいくつか見つけることができる。例えば、サワーガス井浄化プラントでは典型的に「クラウス法（Ｃｌａｕｓ  ｐｒｏｃｅｓｓ）」を使用して硫黄除去を行っている。こうした解決法は複雑であるため、対コスト効果を高くするためには規模を大きくする必要があり、例えば典型的には、多数の隣接するサワーガス井の各々には中央プラントに繋ぐパイプラインが設けられている。このタイプの処理を、より離れた位置にある埋め立て処理場および地方自治体の廃棄物処理工場といった遥かに小規模な点源におけるバイオガス処理で必要とされる規模にまで縮小することは、スタンドアロンシステムでは困難である。複雑な技術をより小規模の用途に適合させる場合、資本コスト削減のためにシステムを単純化することが典型的であるが、しかし、これは時不純物除去の有効性を図らずも低下させることになり得る。バイオガス不純物は時間と共に大きく変化することがあり、複雑性を縮小したシステムとはシステムが適切に反応する能力を持たないことを意味し得るので、下流機器を不調の危険に晒すことになる。
【０００７】
メタンは太陽の熱を大気中にこもらせる能力において二酸化炭素よりも数倍強力であるので、多くの埋め立て処理場では、穿孔によって垂直井および水平井を形成し、その内部に真空を作成し、そこから生成されたバイオガスを引き出してガスフレアリング処理することで、バイオガス中のメタンが埋め立て処理場の表面から侵入し、地球温暖化や気候変動を助長することがないようにしている。しかし、埋め立て処理場からバイオガスを引き出す時に多くの他の不純物も一緒に引き出されるため、フレアリング後には必然的にこれらの不純物が大気中に放出されてしまう。そこで、バイオガスをフレアリングまたは燃焼する前に不純物を除去および封じ込めることによって、この大気汚染を低減する必要がある。
【０００８】
環境の観点から、不純物が最終的にどこに行き着くかが、バイオガス浄化の解決に伴う重要な懸念となる。例えば、大量の硫黄を含んだ吸着剤再生ガスを単にフレア燃焼すれば、潜在的に高レベルの硫黄が大気中に放出されることになる。フレア燃焼したり発電機器へ送る前にこれらの不純物を除去し、安定した固体の形態で再び埋め立て処理場内に戻すことで、汚染不純物を大気から隔離された状態に維持するという未対処のニーズがある。さらに、これらの不純物を固体形態にて捕獲する浄化システムへのニーズもある。
【０００９】
より高レベルの不純物を除去するためのいくつかの既存の解決法は、或る等級の再生可能な材料であり、これには、バイオガスと接触している間に不純物を捕獲する再生可能な吸着剤または洗浄剤が含まれる。次いで、他の解決法の中でもとりわけ特徴的なのが、後にこの吸着剤または洗浄剤をバイオガスから分離して、吸着剤または洗浄剤に対して熱を加えるか、および／または、別のガスを流すことによって汚染物質を搬送する工程により吸着剤または洗浄剤を再生させる点である。この再生によって不純物除去のコストを削減できるが、典型的には再生実施後に汚染物質はやはり大気中に放出される。さらに、この再生工程では他の不純物の堆積を完全に除去することは不可能であるため、この継続的な再生もやはり吸着剤または洗浄剤の長期的な性能に影響を与えてしまう。この吸着剤または洗浄剤は長期にわたって劣化するので、汚染物質のスリップ量にも影響する。非常に低レベルの不純物ブレークスルーを達成するには、再生性の吸着または洗浄材料をより頻繁に交換する必要があるため、コストがかさみ、継続持続性は減少してしまう。
【００１０】
あるいは、不純物をバイオガスから除去し固体に維持することが可能ないくつかの既存の解決法には、非再生可能な吸着剤媒体床がある。吸着工程中に吸着剤媒体が不純物を選択的に捕獲し、他の分子は通過させる。吸着剤媒体が容量限度に達した場合には交換する必要がある。典型的に、使用済の媒体は埋め立て処理場内に埋没されるか、あるいはゴミ処理される。吸着剤床は、その床容量が小さい場合には、扱う不純物が低レベルであれば対コスト効率が高いが、しかし、吸着剤床を頻繁に交換したり、バイオガス中の不純物含有量が高いために非常に大型の床を用いる場合には、吸着剤購入と廃棄の両方のコストに対応しなければならないため、コスト的に難しくなる。
【００１１】
硫黄吸着剤床についてさらに考慮してみると、典型的に、吸着剤床の容量は捕獲する硫黄種のタイプに依存する。例えば、周囲温度に近い温度で、活性炭によって最も容易に捕獲される硫黄種は硫化水素であり、これは、未使用の吸着剤１グラム毎に硫黄１グラムで測定すると、ブレークスルーが起こる前に活性炭床上に最大容量の硫黄が堆積してしまう可能性がある。しかし、バイオガス中に硫化水素以外の硫黄種、例えば有機硫黄が存在する場合があり、これは典型的に捕獲が難しい。例えば、硫化水素除去時には活性炭に非常に大量の硫黄が堆積するが、有機硫黄除去時には硫黄の微量ブレークスルー以前の堆積量は大幅に減少する。そのため、浄化方法には、バイオガスの硫黄硫化物を主に硫化水素に転換することで、効果的な除去と、吸着材料の最大源の利用度を得る必要がある。一般に、多くの硫黄吸着剤では、他の硫黄種よりもＨ２Ｓを遥かに大量に収容する。
【００１２】
工業プロセスでは、有機硫黄種と、これを捕獲する吸着剤床の容量の小ささのジレンマへの共通の解決法がある。この解決法は、還元環境を提供する（例えば、無酸素かつ若干過剰の水素）ことで有機種を硫化水素に転化し、温度を２５０〜４００℃に上昇して、水素化脱硫触媒床にガスを送るというものである。水素化脱硫触媒の典型的な反応として、あらゆる有機硫黄化合物への硫黄の結合を破壊し、この破壊された硫黄原子の結合を、バイオガス流中に過剰に存在している水素分子で置換する。典型的には、これにより例えば炭化水素分子と硫化水素分子が得られる。この工程はガスから硫黄を除去しないが、ほとんどの硫黄種が硫化水素に転化することで、下流の吸着剤床の対コスト効率を最大化する助けとなり得る。同じ水素化脱硫触媒はまた、不純物のその他多くの種を水素化することもできる。例えば、塩素を含有した多くの不純物種を、同じ水素化脱硫触媒床上でやはり水素化して塩化水素にすることが可能である。典型的に、水素化脱硫触媒は、アルミナ上のニッケル‐モリブデン触媒の硫化物形態、またあるいは、アルミナ上のコバルト‐モリブデン触媒の硫化物形態であるが、しかし、同一の機能反応を加速させる他の触媒を使用することもできる。他の汚染物質浄化工程との組み合わせにより、硫化物を硫化水素に効率的かつ持続可能に転換することが可能な統合型のバイオガス浄化工程が必要である。
【００１３】
しかし、ほとんどのバイオガスは、水素化脱硫反応を適切に生じさせるために必要な水素を含有していないという大きな障害が残る。そのため、この反応を可能にするためには、水素化脱硫リアクタ内で、バイオガスに水素を追加し、有機硫黄を硫化水素に転換させる。バイオガス浄化システム内に水素ガス源を効果的に提供および統合する必要がある。バイオガス中に水素を注入することのさらなる利点は、燃料中への水素追加が、内燃機関のような燃焼機器の放出低減の方法として公知であることである。燃料に２〜１０％の水素を混合することで、火炎速度が増加し、過剰な含有成分がより低い混合物となり、不発火の可能性のない完全燃焼が可能になる。いくつかのケースでは、希薄燃焼によって動作効率を高めることが可能である。クリーンなバイオガス燃料生成物中に水素容量を統合し、必要性に応じたブレンドを効果的に行うことができるバイオガス浄化システムが必要である。
【００１４】
埋め立て処理場ガス中または排水処理分解槽内には多種のシロキサン粒子が存在している。シロキサンは、酸素が存在する場所で加熱するとケイ酸塩に容易に分解することが知られており、これは内燃機関、ボイラ、タービンの燃焼室内で典型的に起きている現象である。燃料電池のようないくつかのシステム内では、下流の触媒上にシロキサンが堆積する可能性もある。形成されたケイ酸塩は微細な砂粒子状であるので、作動中の機器を研磨したり、触媒または熱交換器の作用や動作を無効化することがある。文献では、シロキサンは、数日で大気中に分解するため環境にとって危険な物質と考える必要はないと示唆されている。多くのタイプのシロキサンの自然発火温度は、典型的に２００〜４５０℃の間である。
【００１５】
バイオガス中に存在するあらゆるシロキサンを除去するバイオガス処理に利用できる方法が多くある。そういった解決法の１つが特許文献１に記載されており、これによれば、ガスを−１０°Ｆ（−２３．３℃）にまで冷却して、ガスから大部分のシロキサン分子とほとんどの水を凝縮除去する。含有水分のために氷も形成されるので、特別な手順を用いて、周期方式で定期的に熱交換器の除氷を行う。別の公知のシロキサン除去方法は、シロキサン吸着剤床を利用するものである。バイオガス廃棄物のバイオガス燃料への転換に要する必要電力量、資材、直接コストインパクトを効果的に最小化しつつ、効果的にシロキサン除去システムおよび方法をバイオガス浄化システムに統合する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第６７１２８８５号
【発明の概要】
【００１７】
バイオガス浄化システムの実施形態を提供し、このシステムは、
（ａ）  バイオガス廃棄物の流れに水素ガスをブレンドし、水素流量調整器および水素ポートを設けているガス制御システムと、
（ｂ）  ガス制御システムの下流に流体連結しており、また、ブレンドされた水素とバイオガス中の残留酸素とを受容し触媒燃焼させることで、バイオガスから酸素の大部分を除去し、バイオガス流を加熱する脱酸剤触媒床と、
（ｃ）  硫黄種を水素化して実質的に硫化水素にし、塩素種を水素化して実質的に塩化水素にする目的で、加熱されたバイオガス流を受容する、下流の脱酸剤触媒床と流体連結している水素化脱硫触媒床と、
（ｄ）  バイオガスから大部分の硫黄を除去する目的で、下流の水素化脱硫触媒床下流と流体連結している第１硫化水素除去吸着床と、
（ｅ）  バイオガス流温度を測定し、ガス制御システムと連通している熱センサ制御装置と、を備え、
これにより、動作可能時およびバイオガス流受容時に、バイオガスに水素が混合され、次いで酸素が大部分除去され、また、バイオガス流が発熱燃焼によって十分に加熱されることで、硫黄種が水素化脱硫触媒床によって水素化されて、主に硫化水素に転換され、次に転換された硫化水素が吸着床から大部分除去され、さらに、水素のブレンドの比率は、熱センサ制御装置に反応して制御される。
【００１８】
バイオガス浄化システムのさらなる詳細な実施形態を提供し、この実施形態は、
（ａ）  バイオガス廃棄物の流れに含有された揮発性有機化合物と水を低減するためのバイオガス予冷却機と、
（ｂ）  バイオガスから大部分のシロキサンを除去するための、バイオガス予冷却機の下流で流体連結しているシロキサン除去吸着床と、
（ｃ）  シロキサン除去吸着床の下流に水素流量調整器および水素ポートを有する、バイオガス廃棄物の流れに水素ガスをブレンドするガス制御システムと、
（ｄ）  ブレンドされた水素およびバイオガス中の残留酸素を受容し触媒燃焼させることで、バイオガスから大部分の酸素を除去し、バイオガス流を加熱することができる、ガス制御システムの下流において流体連結している脱酸剤触媒床と、
（ｅ）  加熱されたバイオガス流を受容する、脱酸剤触媒床の下流において流体連結している水素化脱硫触媒床と、
（ｆ）  水素化脱硫触媒の下流、および第１硫黄除去吸着剤床の上流に位置する塩素除去吸着剤床と、
（ｇ）  水素化脱硫触媒床の下流にて流体連結している第１硫化水素除去吸着床と、
（ｈ）  バイオガスから微量レベルの硫黄を除去するために、第１硫化水素除去吸着剤床の下流において流体連結している硫黄研磨剤吸着床と、
（ｉ）  ガス制御システムと連通しており、バイオガス流温度を測定する熱センサ制御装置と、
（ｊ）  水素ポートの下流および脱酸剤触媒床の上流において、また硫化水素除去吸着剤床から出る加熱されたバイオガス流に流体連結している熱交換器であって、低温熱交換ループは、入ってくるバイオガス流と出て行く低温のクリーンなバイオガスとで形成されており、高温熱交換ループは、出て行くクリーンな加熱されたバイオガス流および脱酸剤触媒床の上流のバイオガス流によって形成されており、またバイオガス流量調整器をさらに含み、バイオガス流量調整器は、硫黄研磨剤吸着床、熱交換器、出て行く低温でクリーンなバイオガス流に流体連結しており、高温でクリーンなバイオガス流を高温または低温交換ループと熱交換器との間で分配するように動作できる、熱交換器とを含み、これにより、動作可能時およびバイオガス流を受容する時に、シロキサン、ＶＯＣ、水が実質的に除去され、次に、水素がバイオガスと混合され、エコノマイザ熱交換器へ戻る高温バイオガスの流れおよび温度が、脱酸剤触媒床の下流のバイオガス温度を２５０〜４００℃を超えない温度に維持されるべく調整され、これにより残留酸素が除去され、バイオガス流が加熱されることで、硫黄種が水素化脱硫触媒床によって水素化されて、主にＨ２Ｓに転換され、次に、硫化物を吸着する前にハライドが除去されて、クリーンなバイオガス燃料が生成される。
【００１９】
バイオガス浄化方法の実施形態をさらに提供し、この実施形態は、
（ａ）  ガス制御システムを使用して、水素をバイオガス廃棄物の流れとブレンドするステップと、
（ｂ）  ブレンドした水素およびバイオガス流を燃焼させることで、酸素を除去し、バイオガスを２５０〜４００℃を超えない温度に加熱するステップと、
（ｃ）  次に、加熱されてできたバイオガス流を水素化することで、硫化物を実質的に硫化水素に転換させるステップと、
（ｄ）  次に、硫化水素を吸着するステップと、
（ｅ）  ステップ（ｂ）後の温度に反応して、水素濃度を制御するステップとを備え、これにより、実質的にクリーンなバイオガス燃料を提供する。
【００２０】
バイオガス浄化方法の実施形態をさらに提供し、この実施形態は、
（ａ）  バイオガス廃棄物の流れを予冷却することで、揮発性有機化合物および水を低減するステップと、
（ｂ）  シロキサンを吸着することで、バイオガス廃棄物の流れから大部分のシロキサンを除去するステップと、
（ｃ）  次に、バイオガス流に水素ガスを追加するステップと、
（ｄ）  ブレンドされた水素およびバイオガス中の残留酸素を触媒燃焼させることで、バイオガスから大部分の酸素を除去し、バイオガス流を加熱することができるステップと、
（ｅ）  次に、硫黄種を水素化して実質的に硫化水素にし、同時に、塩素種を水素化して塩化水素にするステップと、
（ｆ）  次に、塩化水素を吸着するステップと、
（ｇ）  次に、硫黄吸着剤を使用して硫化水素を吸着するステップと、
（ｈ）  次に、硫黄研磨剤を使用して、残留している硫化水素をさらに吸着するステップと、
（ｉ）  脱酸剤触媒床の下流におけるバイオガスの温度を２５０〜４００℃を超えない温度に維持するために、エコノマイザ熱交換器へ戻る高温バイオガスの流れおよび温度を調整するステップとを備え、これにより実質的にクリーンなバイオガス燃料を提供する。
【００２１】
バイオガス浄化システムの有益性および方法実施形態は、汚染された生のバイオガス廃棄物をクリーンなバイオガス燃料に転換して、浄化後にバイオガスに残留する硫黄、シロキサン、塩素、酸素のような不純物レベルを非常に低くし、成果物のバイオガスを発電機および汚染物質に敏感な燃料電池システムの燃料として使用できるようにすることを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】シロキサン種、酸素種、塩素種、硫黄種をパーツパービリオンレベル（ｐｐｂ）にまで除去するバイオガス浄化システム要素と、水と揮発性有機化合物とを大部分除去する予冷却段階要素との組み合わせの好適な実施形態の示す略フロー図である。
【図２】必要な要素を最小にし、硫黄吸着剤床が水素化脱硫触媒床とほぼ同温度で動作しながら酸素種および硫黄種をｐｐｂレベルにまで除去するバイオガス浄化システムの実施形態を示す略フロー図である。
【図３】ほぼ周囲温度で動作する硫黄吸着剤床を設けた熱除去段階によってバイオガス浄化システムの実施形態を示す略フロー図である。
【図４】バイオガス浄化システムの実施形態を示す略フロー図であり、予冷却段階と熱除去段階の統合と、さらに、硫黄吸着剤床がほぼ周囲温度で動作しながら、入ってくるバイオガス温度、および酸化燃焼（ＤｅＯｘ）段階後のバイオガス温度を調整する流れ制御とを示している。
【図５】バイオガス浄化システムの実施形態を示す略フロー図であり、予冷却段階および熱除去段階の統合と、酸化燃焼（ＤｅＯｘ）段階後に入ってくるバイオガス温度を調整する流れ制御とを示し、また、効率性向上のために、バイオガス浄化工程からの廃棄熱を利用および再利用する改良型の予冷却段階を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
背景技術において述べた要求を満たすバイオガス浄化システムおよび方法を提供する。汚染物質除去における様々な対立する段階を設計および改良し、極度に低い汚染物質濃度に到達しようとすると、特殊な難題と障害が立ちはだかる。各種バイオガス汚染物質を新案の技術順序ならびに技術組み合わせで除去するよう最適化した、効率的で合理化された統合型バイオガス浄化システムを提供するには、各段階の処理条件、所要資材、有効な入力温度、そして残留汚染物質濃度を統合しかつ補うための、新案的かつ新たな設計が必要である。ここで述べる実施形態は、これらの様々な未対処のニーズを、効果的かつ有効な統合型の方式によって解決するものであり、また、各ニーズへの特定の解決法ならびに新規性を、最も関連性の高い箇所において説明する。
【００２４】
次に、例示的な目的で図面をより詳細に参照すると、バイオガスシステムは図１〜図５に全体を概略的に示すシステムによって具体化される。流体ラインを流体（例えばバイオガス）の流れの方向と共に示す。要素間の流体ライン接続に、一般的かつガス浄化システムの当業者にとって公知であり、バイオガス浄化システムの製造に必須な標準の取り付け部品、連結器が採用されていると仮定した場合、明示されていなくても、詳細な実施形態にはセンサが採用されていると考えられる。ガス浄化で一般的に使用されるリアクタ床の場合も同様に、別個の加熱器と熱制御システムを設けていてよく、これらは明示されないが、「床」の定義に含まれるものと仮定する。説明の便宜上、関連する流体ラインの本数によりガス流を参照するが、説明に記載されたそれぞれのガス流には関連する流体ラインが存在するものと仮定する。
【００２５】
図１にバイオガス浄化システム１１１の好適な実施形態を示す。図中左側に、各種の入力部および出力部を示す（先述したように、流体ラインのみを示し、当業者の技術者によって製品内に組み込まれている一般的な取り付け部品およびポートは省略している）。バイオガス廃棄物の流れ１がオプションの水除去システム１１２（破線のボックスで示す）に入り、この水除去システムから廃液６が放出される。この最初の水除去システム１１２に続き、バイオガス流８は、主要な汚染物質を非常に低レベルに削減するために必須のさらなる統合型汚染物質除去段階に入る。バイオガス廃棄物の流れの発生源は、分解槽、埋め立て処理場、工業プロセス、または汚水処理であってよい。典型的にバイオガスはメタン約５０〜７５体積％、二酸化炭素約２５〜５０体積％、窒素約０〜１０体積％、水素約０〜１体積％、硫黄約０〜３体積％、酸素約０〜２体積％、ならびに微量不純物の取り合わせ（シロキサン、塩素化合物、硫黄化合物、揮発性有機化合物、アンモニアを含む）を含有している。バイオガス中の含有水分は、典型的には、環境温度よりも若干高い温度、例えば最高５０℃で飽和する。ガス浄化システム１１１は、広範囲のバイオガス汚染物質濃度に対して機能できるが、しかし、特に含有水素と含有酸素については様々な補正が必要である。
【００２６】
水除去システム１１２は、バイオガス廃棄物の流れ１中の水、揮発性有機化合物、シロキサンを冷却して凝縮除去する。下流のシステムは、水分を含有し、汚染物質レベルが高過ぎる状態では機能不能または効果がないため、この処理は前駆段階として行われる。例えば、このような除去は水素化脱硫触媒床２４０以前に行うことが必要であり、これによってシステム内のこの触媒床ならびに他の触媒床および吸着剤床がシロキサンによる毒汚染から保護される。これにより、触媒ならびに吸着剤の寿命が最大化し、床外での変化が最小化されるため、バイオガス浄化全体における経済性が改善される。当然、バイオガス浄化システム内での触媒ならびに構成要素を保護することで、下流の発電機器が同一の損傷可能性からから保護される。冷却および凝縮サブシステムのさらなる利点は、バイオガスからの水分除去である。この水分除去によって、水分量レベルの減少と共にこれらの床上での硫黄スリップが減少するため、下流に硫黄吸着剤床のような機器を多く設けることができる。例えば、酸化亜鉛吸着剤の硫化水素の平衡スリップのレベルが、およそ４００℃の操作温度に維持した状態で、高水位での約１ｐｐｍから低水位での１００ｐｐｂ未満に移動する。さらに、内部構成要素上でバイオガスが凝縮することを防ぐために、内燃機関に流入するバイオガスの相対湿度を特定の閾値未満に抑える必要がある。典型的には、バイオガスから水が凝縮する際に、凝縮した水の中に別の不純物（特に硫化水素と二酸化硫黄）が一部吸着されて、下流での硫黄吸着剤段階にかかる負担が減少する。
【００２７】
図１を参照すると、好適な実施形態において、バイオガス廃棄物の流れ１をバイオガス浄化システム１１１内に導入することができるバイオガス発生源が存在する。典型的には、バイオガス流１が水と飽和またはほぼ飽和し、バイオガス浄化システムの第１段階のうちの１つにおいて分離器１００によって液状水が除去され、さらに、フロート弁１０１を用いて分離器を定期的に廃液する際に液体の流れ７が作られる。次いで単相のバイオガス流２が、ガス流３、４、５で示す低温ループを設けたオプションの低温エコノマイザ熱交換器１１０内に流入する。冷却システム１２１に必要な電力消費を低減するために、バイオガスは最初に、低温電熱式熱交換器１００の低温側で画定された低温ループから離れる低温バイオガス流５によって冷却される。その後、バイオガス流３は低温電熱式熱交換器を離れて冷却熱交換器１２０内に流入し、ここでバイオガスが４０〜−１０°Ｆ（４．４〜−２３．３℃）あるいはこれ未満の温度にさらに冷却される。熱交換器１２０を離れたバイオガス流４は冷却システムの最も温度の低い地点にあるため、凝縮して気相化したシロキサン、水、揮発性有機化合物の含有量が最も少ない。バイオガス流４中で凝縮した液体は、次に、コアレッシングフィルタまたは分離器１３０内で部分的にガスから分離され、そしてソレノイドバルブまたはドレントラップ１３１を開くことで分離器から液体が定期的に排除される。さらに、冷媒熱交換器１２０内部に形成した固体が解凍されると、この解凍により落下した液体がソレノイド１３２によってシステムから排除され、これがソレノイド１３１からの液体と混合されて液体の流れ６となる。コアレッシングフィルタまたは分離器１３０からのバイオガス流５は、次に熱交換器１１０内を流れ、入ってくるガスを冷却した後に、バイオガス流８として凝縮サブシステムから出て行く。こうしてバイオガス流８は、水、シロキサン、揮発性有機化合物の濃度が大幅に減少し、次のガス浄化段階に適したガス流となった。
【００２８】
次いで、水除去システム１１２を用いた可用な冷却方法および凝縮方法についてより詳細に説明する。バイオガスを‐１０°Ｆに冷却して、シロキサンならびに数種の揮発性有機化合物の大部分を凝縮除去することが一般に好適である一方で、この低温に必ずしも達しなくとも有効となり得る場合もある。農業用分解槽などのいくつかのバイオガス発生源はシロキサンや揮発性有機化合物の不純物を含有していないので、このような場合には、バイオガスの温度をおよそ４０°Ｆ（４．４℃）に低下させて、水のほとんどを除去するだけで十分である。バイオガス廃棄物の流れ１中のシロキサンのレベルが非常に低く（例えば、約１ｐｐｍ未満）、下流にあるシロキサン除去床によってほとんどのシロキサンをシンプルかつ経済的に捕獲できるという場合にも当てはまる。生成したバイオガス燃料を使用する発電機器の仕様を満たすためにも、水除去が必要となる可能性がある。これらの利点は全ての用途に厳密な必須条件ではなく、いくつかの用途では入ってくるガスの冷却は不要であり、また冷却サブシステム構成要素１１０、１２０、１２１は操作上必要ない。
【００２９】
水除去段階を離れたバイオガス流８は、次に、バイオガス中の残留シロキサンを捕獲することができる吸収材を含むシロキサン研磨剤吸着剤床２００内に入る。この吸着剤床は、同時に硫黄を捕獲し吸着床が硫黄で完全に飽和してしまったとしても、シロキサンのための容量は極めて僅かしか影響を受けないように好適に設計されている。我々の理解によれば、Ｓｕｄ  Ｃｈｅｍｉｅ社が販売するＦＣＤＳ−ＧＳ２５Ａのような特別設計のシロキサン捕獲床は、これを或る程度実行することができる。バイオガス流８中には大部分の硫黄が残留している一方で、シロキサンの残留量は微量であるので、動作中に吸着剤床２００の容量が硫黄で急速に充填されてしまった場合でも、微量レベルのシロキサンを除去する主要目的のための有効部分はまだ十分残っている。シロキサンを含有していない特定のバイオガス廃棄用途では、シロキサン吸着剤床２００はオプションとなる。
【００３０】
以降の段階で明白になるように、下流の燃焼および水素化脱硫工程以前に、バイオガス流に水素をブレンドする必要がある。好適な水素流２５の挿入は、シロキサン研磨剤２００後の、バイオガス流９とブレンドされたバイオガスと水素流１０の間に行う。バイオガス流９はシロキサン研磨剤床２００から出て、バイオガス流１０中の最小水素含有量が２％となるように制御弁２０５によって制御されている水素流２５と混合する。水素流２５の流量は、流量調整器（電動弁など）２０５によって制御される。オプションで、水素流量調整器２０５を熱センサＴＥと連通させ（図示せず）、システム内の所望の温度に反応して水素流量を制御させることが可能である。燃料電池発電装置（図示せず）ならびに成果物の流れが可用である特定の用途では、この工程に利用できる水素の後流が生じることが典型的である。水素はバイオガス自体からも作成される。これは例えば、バイオガスの後流中、特にシステムから出る浄化バイオガス２２の再循環中に、メタンを再形成することで行える（図示せず）。水素の添加にはこの他にも、過剰な水素はバイオガス燃料生成物を介して伝播できることから、必要に応じて含有水素を浄化バイオガス燃料生成物にブレンドできるという有益性もある。
【００３１】
次いでバイオガスはさらなる汚染物質除去段階を、エコノマイザ熱交換器２１０の高温側を形成しているバイオガス流１０、１１、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９のような浄化要素を通過しながら順番に進んでゆく。熱交換器の機能性については、この詳細な説明の中で、高温側ループ内の各々の浄化要素ごとにさらに詳細に述べてゆく。バイオガス流１０は高温電熱式熱交換器２１０に入り、下流のクリーンなバイオガス流１９によって予熱される。典型的に、熱交換器２１０は、バイオガス流１１が効果的に加熱され、クリーンな排出バイオガスストリーム２１が効果的に冷却されるように、ガスを最大限に予熱できる大型の熱交換器である。しかし、下流の脱酸剤触媒床２３０（「ＤｅＯｘ」）での発熱温度上昇を大きくし、バイオガス流１３の排気温度を下流の水素化脱硫触媒床２４０（「ＨＤＳ」）が許容できる温度よりも高温にするために、バイオガス流１１中の酸素含有量が多くなっている場合には、熱交換器２１０に流入する浄化バイオガス流１９の流量をバイパス制御弁２９５によって減少させることで、バイオガス流１８からより多くのクリーンな高温バイオガスが直接バイオガス流２０を介して伝播され、補正を行うようにすることができる。これは、エコノマイザ熱交換器２１０の高温側により画定された高温ループ内に過剰な熱がこもることを防止し、またこれにより高温ループ内の温度の熱暴走を防止する。こうすることで、シャットダウンの必要が生じる前のバイオガス中の酸素濃度が高い状態でも、バイパス制御弁２９５がバイオガス浄化システムを有効に動作させることが可能になる。これにより、投入される精製前の生の廃棄物バイオガス内で、潜在的かつ多様な幅広い酸素濃度が許容されるという有益性が得られる。
【００３２】
次に、バイオガス流１１が熱交換器２１０から脱酸剤触媒床２３０内に入る。システム１１１は、高温側にある高温の構成要素の動作温度を、流入する酸素の濃度の比較的大きな変動幅の下で制御することができる。酸素は脱酸剤触媒床内の水素と共に燃焼するので、反応と共に比較的大きな発熱温度上昇が生じる可能性がある。適切な材料の一例に、Ｓｕｄ  Ｃｈｅｍｉｅ社が販売する、脱酸素触媒床用のＦＣＲ−ＨＣ２５Ｂがある。エコノマイザ熱交換器の高温側によって画定された高温ループ内の温度に過剰な熱が追加されると、熱暴走が発生する。廃熱を行うために、電熱式熱交換器へと進む高温のクリーンなバイオガスを必要に応じてバイパスする。あるいは、脱酸剤触媒床中の発熱温度上昇が十分でない場合には、加熱器を作動させて高温ループ内にエネルギーを注入し、温度上昇を行う。この脱酸剤触媒床２３０内で、バイオガス中の水素がバイオガス流中に残留しているあらゆるおよびほとんどの酸素を燃焼させることで、酸素濃度に比例した発熱温度上昇が生じ、副産物として水が生成される。バイオガス流１３中の脱酸剤触媒床の排気温度を、水素化脱硫動作温度範囲から出ないよう監視し（ＴＥ熱センサを使用。符号なし）、また、上の段落で概説したバイパス弁の適切な制御が行われるようにする。脱酸剤触媒床中の発熱温度上昇が不十分な場合には、バイオガス流１３中の温度（ＴＥ温度センサ）を加熱器２６０用の制御フィードバックとして追加で使用することができる。作動中、バイオガス流の温度を脱酸剤触媒床２３０に適した範囲内に維持するためには、加熱器２６０またはバイパス制御弁２９５のいずれかを（両方を同時にではない）制御するようにバイオガス流１３内の熱要素をプログラムし、過剰な酸素がある場合には、加熱器の電源を切ってバイパス弁を作動させ、または酸素が不足している場合には、バイパス弁によって、加熱器２６０の作動中にバイオガス流２０が流れないようにする。
【００３３】
水素化脱硫触媒床はシステム１１１に必須であり、またバイオガス中にはしばしば酸素が存在するので、脱酸剤触媒床２３０を利用することで、バイオガス中に混合した水素をバイオガス中にまだ残留している酸素と共に、空気中での水素の自然発火温度よりも低い温度で燃焼させることができる。バイオガスが水素化脱硫触媒床２４０に入る前にこれを行うことで、触媒床をバイオガス中の酸素による損傷から保護できる。適度な量の硫黄が存在していても耐えられる十分に頑丈なプラチナ触媒（車両からの排気ガス制御触媒と類似）を使用した場合は、水素と酸素の発火温度はおよそ２００℃またはこれよりも低くなり得る。酸素含有量がごく少量よりも多い場合には、バイオガス中にさらに水素を追加する必要がある。具体的には、水素化脱硫反応に利用するための最小量（約２体積％）の水素を確保しておけるように、十分な水素を追加する必要がある。バイオガス中に存在する酸素１％毎に、水素を、水素化脱硫反応に必要な２％に加えてさらに２％追加する。ＤｅＯＸ段階の後、水分、酸素、汚染物質含有量が低減したバイオガス流１３は、次に水素化脱硫触媒床２４０（ＨＤＳ）内で、さらなる硫化物浄化に適した温度、好適には３００〜４００℃の温度で加熱される。この温度範囲は、新たな製品または材料が利用可能になればそれに合わせて変更できる点に留意されたい。水素化された不純物量が微量のｐｐｍ値でしかない場合には、通常、この触媒床２３０内で明らかな温度上昇は起こらない。この触媒床内でほとんどの硫黄種は水素化されて硫化水素となり、ほとんどの塩素種は水素化されて塩化水素となるので、下流の吸着剤床において不純物の除去が容易になる。触媒床どうし間を多孔性金属板で離隔するのであれば、または下方よりもサイズの大きな触媒を上方に配置するのであれば、脱酸剤触媒床を水素化脱硫触媒床と同一の容器内に配置できる。
【００３４】
水素化脱硫触媒床２４０でのこの段階の有益性および新規性は、バイオガス中に存在する硫黄種ならびに塩素種を水素化して硫化水素ならびに塩化水素にすることで、これらを容易に除去できるようになり、また、システムへの入口バイオガス中に存在する硫黄と塩素の種にかかわらず、バイオガス浄化システムの出口における不純物レベルが非常に低くなる点である。適切な材料はＳｕｄ  Ｃｈｅｍｉｅ社が販売する、水素化脱硫触媒床用のＨＤＭａｘ２００である。この転換工程を起こすにはバイオガス中に約２％の水素が必要であり、十分な活動を確保するには、水素化脱硫触媒床内を２５０℃よりも高い温度に、また、同じくバイオガス中に存在する二酸化炭素による逆シフト反応を防止するには、水素化脱硫触媒床内を４００℃未満に維持する必要がある。この転換段階を経ないと、バイオガス中のいくつかの種の硫黄および塩素は吸着剤床での捕獲が困難になり、吸着剤床上をスリップするか、または吸着剤床の容量が大幅に縮小されてしまう。よって、これらの種を転換することで、吸着剤床の交換の頻度が減り経済性がより高くなると同時に、燃料電池システムのような下流の機器が徐々に毒汚染されることがなくなる。この段階は、バイオガスの硫化物を主に硫化水素に転換して効果的な除去を可能にし、吸着剤材料を最大限に利用するという浄化システムの有益性を提供する。
【００３５】
次いで、バイオガス流１４が水素化脱硫触媒床２４０から出て、塩化水素除去吸着床２５０（一般にＨＣＬ研磨剤と呼ばれる）内に入る。この塩化水素除去吸着床２５０において、バイオガス中に存在する塩化水素が床内に吸着される。適切な材料の一例に、Ｓｕｄ  Ｃｈｅｍｉｅ社が販売する、塩化水素除去床用のＡｃｔｉＳｏｒｂ  ＣＬ２がある。この塩素除去吸着床は硫黄除去床２７０の上流に優先的に配置されて、除去床２７０をバイオガス中の塩素による毒汚染から保護する。特定の用途あるいは設置においてバイオガス中に塩素が存在しない場合は、塩素除去吸着剤床はオプションとなり、省略することができる。塩素除去吸着剤床も水素化脱硫リアクタ床の上流に配置することができるが、しかしその容量は、塩化水素以外の塩化物種についてはそれほど大きくないかもしれない。
【００３６】
いくつかの汚染物質除去段階はそれぞれ温度が異なるため、各段階ごとにバイオガス流の温度を先述した温度範囲内に維持することが必須条件であり、また場合によってはオプションの補助加熱器２６０が必要になる。バイオガスはバイオガス流１５となって塩化水素除去吸着床２５０を出て、次に加熱器２６０に入る。この加熱器２６０は電気加熱器であっても、または、バイオガスを加熱するためにバーナーガスのような制御可能な高温流体を利用する熱交換器であってもよい。加熱器２６０は、水素化脱硫温度がバイオガス流１３における熱要素が測定した最大温度またはこれ未満の温度に維持される一方で、硫黄吸着剤床２７０が最大限温度となる優先位置に配置された状態で図示されている。しかし様々な代替実施形態では、加熱器（１つ以上）を、電熱式熱交換器２１０の高温側によって画定された高温ループ内のあらゆる場所に配置でき（触媒床または吸着剤床内への組み込みを含む）、これによって、シャットダウン中にこれらの床が高温に保たれるように、あるいはシステム内に流れているバイオガスの有無に関係なく温度上昇できるようにしている。これらの場合には、標準熱電対などの追加の熱センサ（図示せず）をオプションで、当分野では一般的であるように特定の段階温度を維持するように必要に応じて設定された各加熱器制御装置（図示せず）と関連付けする。
【００３７】
この段階でのバイオガス流１６は、既に硫化物の大部分が硫化水素に転換されているので、ここでは硫黄吸着剤床２７０内で硫化水素除去を行う。水分除去は、硫黄吸着剤上での平衡性を助け、吸着剤床上をスリップしてしまう硫化水素の量を減少させ、その結果、硫黄研磨剤にかかる負担を軽減できるので、有利である。床内への組み込みに適した活性材料には、Ｓｕｄ  Ｃｈｅｍｉｅ社が販売する、高温酸化亜鉛床を形成するＡｃｔｉＳｏｒｂ  Ｓ２がある。この高温酸化亜鉛床の媒体には、酸化亜鉛の可能吸着容量が大きいことから酸化亜鉛が優先される。硫黄吸着剤床の吸着容量を増大させる様々な方法がある。その１つは、動作温度を上げるというものである。４００〜６００℃での動作が可能な場合、酸化亜鉛の吸着容量は、１００グラムの未処理酸化亜鉛につき３０グラムを超える。オプションで、この吸着床を連続した２つの床で構成することができる。つまり、例えば、一方の床の動作中に他方の床を隔離して吸着剤媒体を交換することを可能にするための４または６個の弁（図示せず）を設けた、標準的なリードラグ型（図示せず）に配置できる。このリードラグ型配置により床の順序切り替えを行えるようになるので、前部床を硫黄で完全に飽和させながら、第２床はまだ未破壊という状況が可能になり、これにより利用度が向上し、システムの動作可能時間が増大する。硫黄の出口濃度は、バイオガス中の水蒸気量、吸着剤動作温度、利用する吸着剤のタイプといった各種要因に応じて変化する。バイオガス浄化システム１１１は５０ｐｐｂ未満の硫黄レベルを生じるが、バイオガスに投入される廃棄物の種類が幅広いため、用途によっては硫黄の濃度が目標の５０ｐｐｂよりも高くなり得る。
【００３８】
ガス処理産業では、水素化脱硫リアクタ以降に一般に使用される硫黄吸着材はペレット型の酸化亜鉛だが、これは、動作温度が水素化脱硫反応と似ており、また酸化亜鉛吸着材は高い硫黄搭載量を持ち得るためである。あるいは、同じ理由で鉄スポンジ吸着材の使用も可能である。酸化亜鉛吸着材と鉄スポンジ吸着材は両方とも、床上の硫黄スリップ量を表す平衡な硫黄レベルを有する。この平衡レベルは、温度や含水量を含む各種要因に応じて変わる。これら床の容量を最大化する（例えば、同時に最高限度の温度で動作しながら）場合、両方の吸着剤の平衡レベルは典型的には燃料電池に使用できる程低くはないので、バイオガス中の残留硫黄を除去するべく１次硫黄吸着材を取り除いた後、銅またはニッケルを含有し得る硫黄研磨剤床を追加して、バイオガス中の硫黄含有量を５０ｐｐｂ未満に抑えられることが公知である。
【００３９】
硫黄吸着床内での処理の後も、バイオガス流１７中に依然として微量の硫黄が存在する可能性がある。使用するバイオガス燃料生成物によっては、硫黄の微細除去をオプション追加する必要があるかもしれない。具体的には、燃料電池システムでバイオガスを使用する場合は、非常に低濃度の硫黄が必要である。バイオガス燃料を燃焼発電機で使用する場合には、この微細除去は不要またはオプションとなる。このオプションの硫黄除去は、硫黄吸着剤床からのバイオガス流１７を受容する硫黄研磨剤床２９０として示されている。硫黄研磨剤吸着剤床２９０は、硫黄との親和力が強い還元銅などの吸着剤を利用し、非常に低いｐｐｂレベルの硫黄は通過させながら、バイオガス中にまだ存在しているあらゆる微量硫黄を除去する。硫黄研磨剤床２９０に適した活性材料には、Ｓｕｄ  Ｃｈｅｍｉｅ社が販売する、銅ベースの硫黄研磨剤床のためのＡｃｔｉＳｏｒｂ  Ｓ６がある。この研磨剤床２９０は、上流の硫黄吸着材床２７０と比較して容量が小さく、単位当たりの価格が高いが、もともと捕獲量が微量であるため、典型的にこの研磨剤床は交換の必要が生じるまで非常に長く持つ。
【００４０】
この段階で、全ての汚染物質除去段階が完了した。バイオガスから除去された汚染物質は実質的に固体形状で捕獲されるが、これは、典型的にバイオガスを汚染物質と共に燃やしたり焼却したりすることで、汚染物質を毒性汚染として大気中に戻してしまう従来のバイオガス処理と比較した場合、汚染除去全体および持続可能性にとって重要である。捕獲した物質は比較的不活性な状態で貯留するか、あるいは活性物質から離隔してから安定な形態で、例えば元の埋め立て処理場に戻して貯留されることが可能であり、これは捕獲物質を燃焼させて大気中に放出するので好適である。このバイオガス浄化システムは、下流でバイオガスの焼却または燃焼を行う前に、不純物を固体の形態で除去し封じ込めることで、汚染物質による大気汚染を大幅に削減する有益性を提供する。
【００４１】
「クリーンな」処理済のバイオガス流１８は様々な段階を経て高温になっているので、典型的に、バイオガス燃料生成物として使用するためには冷却する必要がある。次にバイオガス熱は、全体の効率、信頼性、持続可能な動作を拡張するべく、新規の高温ループ熱交換の熱装置内で効率を高めるべく回復される。バイオガス流１８はバイパス弁２９５に入る。このバイパス弁２９５は、流体ライン１９を介してエコノマイザ熱交換器２１０へ、またバイパス流体ライン２０を介してバイオガス排出ライン２２とへ繋がれた排出流体ライン軸継手を設けている。バイオガス浄化システムの典型的な動作において、バイパス弁２９５は、バイオガス流がバイオガス流１９内に入り、電熱式熱交換器２１０内を流れ、入ってくるバイオガス流１０を予熱し、排出バイオバス燃料生成物の流れ２１、２２の温度を低下させることができるように設定される。例外は、入ってくるバイオガス流１０が大量の酸素を含有する場合であるが、これはより高い酸素含有量を生成する特定のバイオ廃棄物質源で起こり得る。この場合、より高い酸素含有量によってＤｅＯＸ段階２３０での燃焼が増大し、効果的な範囲を超える高温を生じる。この場合におけるバイパス弁は、熱センサＴＥ（符号なし）に反応し、また、バイオガス流１８のいくらかがバイパスとしての流体ライン２０を通って流体ライン２２へと流れ、エコノマイザ熱交換器２１０の高温側により画定された高温ループから熱を除去する設定値を有する。バイオガス流２１は電熱式熱交換器２１０の低温側にあり、加熱されたバイパスバイオガス流２０と混合してバイオガス流２２となり、温かくクリーンなバイオガスとしてシステムから出る。バイオガス流２２（この例ではバイオガス流２０を介してバイパスされるいくらかの流れ）の温度を冷却する必要がある場合には、任意で、バイオガス２０上に設けた空冷式ラジエータ（図示せず）によってバイオガスを冷却した後にバイオガス流２１と混合する。この新規の配置により、入ってくる酸素の幅広い濃度を管理する柔軟性が得られ、また、必要な加熱の一部を効果的に再使用することで加熱器ならびに電力入力部の負荷が低減され、制御構成要素と設定値の数が少ないことから信頼性が高まる。
【００４２】
バイオガス浄化システムの新規利点は、動作数および投入量の多さである。バイオガス形成工程は不調が生じやすいので、バイオガス濃度が大きく変化する可能性がシステムの寿命にわたって生じ得る。バイオガス浄化システムの実施形態は、最大１．５〜２％の酸素と、硫黄、シロキサン、塩素の各々の種につき数百ｐｐｍの不純物レベルとを扱うことが可能である。これ以上高い不純物レベルでは、吸着剤床の交換がより頻繁となり、動作の経済性に打撃を与えてしまう。
【００４３】
バイオガス浄化システムの別の新規有益性は、信頼性が高く経済的な運転を行うべく、後続の各動作をダメージを与える可能性のある他の不純物から十分に保護するための、好適な実施形態における不純物除去順序である。まず最初に、大部分のシロキサンといくらかの揮発性有機化合物を除去するが、これは、これらの化合物が熱によって劣化し、固体を形成して触媒および吸着剤床を覆ってしまうと、これにより下流の触媒および吸着剤床が汚染される可能性があるためである。さらに、凝縮段階もシロキサン吸着剤床２００の汚染物質除去の任務を低減する。この吸着剤床２００が吸着捕獲すべきシロキサン量は最大９５％減少されており、つまりこれは、吸着剤床の交換回数が減ってより経済的であり、凝縮段階のない場合と比較して運転コストを約９５％削減できることを必然的に示す。順番における次の段階は、ＤｅＯｘ床２３０によりバイオガス流から酸素を除去するものであり、これによって水素化脱硫触媒の酸化が防止され、水素化脱硫反応を補助する触媒表面に吸着した硫黄が剥離する。水素化脱硫触媒床２４０が適切に作動停止すると、硫黄種と塩素種が別々の硫化水素と塩化水素の形態になっていないために、吸着剤床２７０から硫黄および塩素の尚早なブレークスルーが生じてしまうので、ここでも、この段階順序により下流機器が保護される。下流の硫黄吸着床２７０はバイオガス中のあらゆる塩素によって毒汚染される可能性があるので、水素化脱硫触媒反応後の次段階では、塩化水素吸着床２５０により塩素を除去する。最後に、２段階の硫黄除去を行うが、第１の段階では、硫黄吸着床２７０において酸化亜鉛のような大容量かつ安価の大量硫黄吸着剤を用い、次の段階では、アルミナ上の還元銅のような硫黄研磨剤吸着剤床２９０を用いる。この好適な順序は、活性材料の利用を最適化し、その交換頻度およびコストを最小化するものであり、また、これらの効果的な有益性により、バイオガス浄化システムとその純益が、バイオガスを燃料として再生利用し、毒性汚染物質を固体の廃棄物として除去し、大気汚染を低減しながらこれを効果的に貯留する社会においてより幅広く取り入れられるようになる。
【００４４】
バイオガス浄化システム１１１について説明したバイオガス浄化方法は、実質的にクリーンなバイオガス燃料を提供するために以下の好適な段階を含む：
ａ）  バイオガス廃棄物の流れを予冷することで、シロキサン、揮発性有機化合物、水分を低減する段階、
ｂ）  シロキサンを吸着することで、バイオガス廃棄物の流れから大部分のシロキサンを除去する段階と、
ｃ）  次に、バイオガス流に水素ガスを追加する段階、
ｄ）  ブレンドした水素とバイオガス中に残留している酸素とを触媒燃焼させることで、バイオガスから大部分の酸素が除去され、またバイオガス流が加熱される段階、
ｅ）  次に、硫黄種を水素化して実質的に硫化水素にすると同時に、塩素種を水素化して塩化水素にする段階、
ｆ）  次に、塩化水素を吸着する段階、
ｈ）  次に、硫黄吸着剤を使用して硫化水素を吸着する段階、
ｉ）  次に、硫黄研磨剤を使用して残りの硫化水素をさらに吸着する段階、
ｊ）  エコノマイザ熱交換器へ戻る高温バイオガスの流れと温度を調整することで、脱酸剤触媒床よりも下流のバイオガスの温度を２５０〜４００℃を超えない範囲内に保つ段階。
【００４５】
図１のバイオガス浄化システム１１１は、バイオガス燃料への転換によってバイオガス処理を実施する完全なシステムを提供するものである。別の実施形態では、スタンドアロン型のサブシステムとして統合できる処理浄化の一部分について説明する。これは、例えば既存のバイオガス処理システムを拡張するために、または、バイオガス廃棄物が同種のものであり、汚染物質が少ないために他の段階が不要であるという特殊な場合に有用である。図２と、バイオガス浄化システム２２２の別実施形態を参照すると、冷却サブシステム、シロキサン除去吸着剤床、塩化水素除去吸着剤床を排除して、最小数の要素でバイオガス浄化を提供している。バイオガス浄化構成要素とその機能性は、同じ名称を持ち、図１に説明したものと類似しているが、しかし処理構成要素は異なる配置にて提供されている。バイオガスはバイオガス流３１にてシステム２２２に入り、次いで、バイオガス流３２中に最低２％の水素を提供するように制御弁３０５で制御された水素流４５と混合される。次に、バイオガス流３２が電熱式熱交換器３１０に入り、クリーンな高温バイオガス流３９によって予熱された後、高温のバイオガス流３３として熱交換器３１０から出る。次に、バイオガス流３３が加熱器３２０に入り、ここで熱が加えられて、水素化脱硫触媒床３４０を動作させるためにバイオガス３５内が十分高い温度にされる。バイオガス流３４が加熱器３２０から出て、脱酸剤触媒床３３０（ＤｅＯｘ）内に入り、ここで発熱反応が起こり、水素のいくらかが燃焼することでバイオガス中の酸素が消費される。バイオガスストリーム３５が脱酸剤を離れ、次に、バイオガス中に存在する硫黄種を水素化して硫化水素にするために、水素化脱硫触媒床３４０（ＨＤＳ）に入る。バイオガス流３６が水素化脱硫触媒床を離れ、１次硫黄吸着床３７０に入り、ここで大部分の硫化水素が吸着されバイオガスから除去される。バイオガス流３７が１次硫黄吸着剤床３７０を離れ、次に、硫黄研磨剤吸着剤床３９０に入り、残留硫黄をｐｐｂレベルにまで除去される。バイオガス浄化システム２２２は、燃料電池発電装置用の品質のバイオガス燃料の提供に非常に適している。
【００４６】
次いでバイオガス流３８が硫黄研磨剤吸着剤床３９０から出て、制御弁３９５に入る。この制御弁３９５は、バイオガスをバイオガス流３９へ優先的に迂回させることで、電熱式熱交換器３１０を介して熱を伝達できるようにする。システムに入るバイオガス中の酸素量が高過ぎ、そのために脱酸剤触媒床３３０での熱の投入が必要となり、これによりエコノマイザ熱交換器３１０の高温側により画定された高温ループ内で熱暴走が生じた場合には、バイオガス流３８のいくらかを、バイオガス流４０によって電熱式熱交換器３１０の周囲へバイパスまたは迂回させ、これによりバイオガス流３３での温度が低下し、バイオガス流３５での温度が要求された温度範囲内に収まるようにする。エコノマイザ熱交換器３１０から出るバイオガス流４１はバイオガス流４０と混合し、バイオガス燃料生成物の流れ４２になっている。
【００４７】
バイオガス浄化システム２２２を使用するバイオガス浄化方法は、実質的にクリーンなバイオガス燃料を提供するために以下の段階を有する：
ａ）  ガス制御システムを使用して水素をバイオガス廃棄物の流れとブレンドする段階、
ｂ）  ブレンドした水素とバイオガス流を燃焼させることで、酸素を除去し、バイオガスを２５０〜４００℃を超えない範囲の温度に加熱する段階、
ｃ）  次に、前段階で加熱されたバイオガス流を水素化することで、硫化物を実質的な硫化水素に転換する段階、
ｄ）  次に、硫化水素を吸着する段階、
ｅ）  段階ｂ）の後の温度に反応して水素濃度を制御する段階。
【００４８】
図３に、図２のシステム２２２の合理性と類似した別実施形態を、同じく先述した構成要素の別の配置において示す（但し、ここでは外部熱除去を追加している）。この配置のために、硫黄吸着剤床を図２の実施形態とは別の位置に移動させた。特に、このバイオガス浄化システム３３３は、流入するバイオガス流３１から水素化脱硫触媒床３４０までのバイオガス流の流れについては図２と同一であるが、図示のとおり、水素化脱硫触媒床３４０から出たバイオガス流５６はバイパス弁５９５に直接入り、これにより、典型的に流れのほとんどまたは全体がバイオガス流５９へと迂回させられて、電熱式熱交換器３１０内で入ってくるバイオガスを予熱する。次に、バイオガス流６２が熱交換器３１０から出てバイオガス流６３となり、周囲温度またはほぼ周囲温度において動作する硫黄吸着剤床６０５に入る。より低温での硫化水素の捕獲に適した別の材料に活性炭がある。当然、上流の水素化脱硫触媒床を使用して硫黄種のほとんどを水素化して硫化水素にするこということは、いくつかの実施形態で炭素床の直前に少量の酸素の後流を追加する時に、炭素床のブレークスルー容量が、恐らく２重量％の硫黄捕獲量から恐らく最大３０重量％硫黄捕獲量にまで劇的に増大することを意味する。これは、硫化水素の方が遥かに捕獲し易いために起こる。これは、水素化脱硫触媒が、硫黄排出量は低いままで、吸着剤の利用を経済的に助けられること示す別の例である。バイオガス流６４が硫黄吸着床を離れて硫黄研磨剤吸着剤床６１０に入り、ここで最後の硫黄除去を受けて、バイオガス流６５のガス中の硫黄含有量を５０ｐｐｂ未満にまで下げられる。この低温の研磨材床は、例えばアルミナ上の還元銅のように、高温の研磨剤床と同タイプのものでよい。研磨材床から出たバイオガスは容量は若干減少するものの、その純度は高温処理のものと比較してさらに増大する。
【００４９】
この典型的な、バイオガス浄化システム３３３の熱交換器３１０を通る流れにおける例外は、脱酸剤触媒床における発熱温度上昇が高過ぎるために、エコノマイザ熱交換器３１０の高温側により画定された高温ループからいくらか廃熱する必要がある時である。この場合には、バイパス弁５９５が、熱センサＴＥ（符号なし）からの制御信号に応答してバイオガス流のいくらかをバイオガス流６０を介して迂回させ、これが空冷式ラジエータ６００などの熱除去構成要素に入り、バイオガスを周囲温度付近にまで冷却する。次に、バイオガス流６１が空冷式ラジエータ６００から出て、バイオガス流６２と混合してバイオガス流６３となり、１次硫黄吸着剤床または周囲温度かほぼ周囲温度で動作する床に入り、ここでバイオガス中に存在する大量の硫化水素を除去される。熱除去は、あるいは別の熱交換器または液体冷却システムであってもよい。バイオガス流６４が１次硫黄吸着剤床または他の床から出て、硫黄研磨剤吸着剤床に入り、ここで最終量の硫黄を除去されて、５０ｐｐｂ未満の硫黄を含有したバイオガス流６５となる。バイオガス浄化システム３３３は、燃料電池発電装置に用いる品質のバイオガス燃料の提供に非常に適している。
【００５０】
図４のバイオガス浄化システム４４４に示すように、図３の熱除去配置を図１に示した好適なシステムに適用している。システム４４４では、図１のシステム１１１との相違点として説明するいくつかの特徴を追加している。システム４４４の場合は対照的に、分離器／フィルタ１３０から出た低温バイオガス７１が、バイオガス流７２および７４の２つに分岐する。バイオガス流７２はエコノマイザ熱交換器１１０により加熱されて、より高温のバイオガス流７３となる。バイオガス流７３からのバイオガス流とバイオガス流７４からの流れとの比率が、ミキシングバルブ７０５から出る混合されたバイオガス流７５が熱センサＴＥ２によって測定した目標の温度になるように、ミキシングバルブ７０５によって調節される。このより低い（図１と比較）バイオガス温度は、下流のエコノマイザ熱交換器２１０を経済的な小型サイズにしながらも、下流の機器においてバイオガス燃料に使用または貯留できる程度の十分な低温をバイオガス流２２において十分に達成できることを意味する。脱酸剤床２３０内で水素を燃焼させるために、システムから出て行くバイオガス流２２中の水分をより多く除去する必要がある場合には、バイオガス流２２の上に設けた別の冷媒ループ熱交換器（図示せず）でガスをさらに冷却することで、バイオガスをさらに冷却し、水分を除去することができる。冷却流体は、この断続的な下流での冷却のために、同じ上流の冷却システムから流れてくることができる。これが必須である唯一の理由は、下流の機器のための低湿度仕様を満たすためである。
【００５１】
図４のこれ以外の相違点は、汚染物質浄化構成要素を設けた熱交換器の高温ループ内での処理をさらに制御するために、熱除去構成要素が追加されていることである。バイオガス流１１中の酸素濃度が高く（例えば酸素濃度２％）、脱酸剤床２３０内での水素燃焼によって、熱交換器２１０の高温側により画定された高温ループ内に相当量の熱が生じる場合には、高温ループからの廃熱を行う必要があり、これを行わないと制御不能となり損傷する可能性がある。別の廃熱方法は、図３中に配置された熱除去構成要素と似ており、硫黄研磨剤２９０から流れてきた高温のバイオガス流８０を分岐させて、このガス流の一部はガス流８２となって空冷式ラジエータ７１５（あるいは、非絶縁管または等価物）を通り、バイオガス流８３の温度を低下させ、次に分岐またはバイパスされたバイオガス流８１と混合することで、エコノマイザ熱交換器２１０へ進むこの混合バイオガス流８４の温度をより低温にすることが可能になる。バイパス弁２９５は、脱酸剤触媒床２３０から出たバイオガス流の温度に反応し、関連の熱センサＴＥ１と協働してこのバイパスを制御する。実際には、この熱除去はバイオガス流１１の温度を低下させ、これにより、脱酸剤床２３０内でより大きな発熱温度上昇が生じた際に、バイオガス流１３の温度が先述した下流の構成要素に合わせた目標温度になることができる。バイオガス浄化システム４４４は、バイオガス流ならびに汚染物質除去構成要素の必要な加熱制御を拡張させるという有益性を有する。
【００５２】
最初の、凝縮により汚染物質を除去し、水分を除去する段階については、図１で、前処理サブシステムとして説明した。統合によりシステム全体の必要電力量を低減するには、下流での工程で除去された熱をこの上流のサブシステムで使用して、より経済的な純総計電力効率利得が得られるようにする。図５に、このような統合型の効果的な配置をバイオガス浄化システム５５５として示す。特に、熱交換器２１０の高温側により画定された高温ループ内に余分な熱がある場合には、高温硫黄研磨剤２９０から来たバイオガス流８０をバルブ２９５によってバイオガス流８１および９３に分割する。次に、バイオガス流９３が熱交換器７２０に入り、また、別の側には流体９４が設けられている。この流体９４は加熱したり、あるいは循環させたりして、凝縮器サブシステム５５６内に使われている吸着式冷凍機４２１と共に使用することができる。吸着式冷凍機は、廃棄熱と共に冷却する熱交換媒体を設けている（一例に、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｎｅｒｇｙｓｏｌｕｔｉｏｎｓｃｅｎｔｅｒ．ｏｒｇ／ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ／ＰＤＦｓ／ＧＴ＿Ｗ０３＿Ｓｍａｌｌ＿Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ＿Ｃｈｉｌｌｅｒｓ．ｐｄｆ  例えば矢崎総業社（Ｙａｚａｋｉ）製のガス燃料式吸着ユニットがある）。次いで吸着式冷凍機の高温の流体９５は、従来の電気駆動式冷媒ベースの冷却システムの代わりに使用された吸着式冷凍機システム４２１に流入する。システム５５５に入るバイオガスは、この変更型の凝縮器配置を流れることで、水と恐らくシロキサンとをはじき出す。バイオガスは典型的に電力よりも安価なエネルギー源であるので、この廃棄熱の再生利用は電気駆動式の冷却システムに必要な電力よりも経済的である。バイオガス浄化システム５５５は、バイオガス浄化システムにシロキサン除去を効果的に統合すると同時に、必要電力量を最低限に抑え、バイオガス廃棄物からバイオガス燃料への転換にかかる直接費用を削減するという有益性を提供する。
【００５３】
システム５５５では、必要な入力電力を低減するための装置を追加している。バイオガス中の酸素量が不十分で、補足熱の提供が必要な場合には、高温ループ内の電気加熱器（浄化床２３０、２４０、２５０、２７０、２９０の床内に統合されているが、個別には図示していない）を、吸着式冷凍機への熱供給のために利用しないことが好適である。システムの通常動作中に統合型加熱器（図示せず）の使用を減らすための配置の１つに、制御された方式でバイオガス中に故意に酸素または空気を加えて、脱酸剤中の水素またはメタンのいずれかを燃焼させ、廃棄熱を生成するものがある。この目的のために、制御弁４０５（送風機か圧縮器であってもよい）が、熱センサＴＥ１における脱酸剤触媒床を出たバイオガスの温度に反応して、制御された空気流９２の流れをバイオガス流９０と混合し、これが追加の酸素含有量を有するバイオガス流９１となる。追加する空気の量は、ＴＥ１でのバイオガス流１３の温度のフィードバック制御によって決定されるが、これは、脱酸剤床２３０内の発熱温度上昇がバイオガス中の酸素比率と比例するためである。この配置では、熱をシステム内に必要な量だけしか導入できないので、熱除去ラジエータ７１５を動作させる必要がなく、動作電力の効率性が最大化される。バイオガスへの酸素の追加は、吸着式冷凍機を利用するシステムだけでなく、あらゆるシステム上の加熱器の任務を軽減する利点として使用できる。
【００５４】
バイオガスシステムの実施形態の各々にはオプションの実施形態が存在するが、ここでは、冷却ならびに凝縮サブシステムへ進む前に水の噴霧洗浄（図示せず）を導入して、より多くの不純物が水と共に吸着されるようにすることで、下流の不純物吸着床にかかる負担を軽減する。一般に、冷却および凝縮サブシステムと水素化脱硫サブシステムとの組み合わせは、冷却および凝縮サブシステムが単独でバイオガスに作用する場合よりも多くの不純物を除去できることを意味する。
【００５５】
代替実施形態では、バイオガス浄化システムは、例えば活性炭や、銅を浸透させたゼオライトなどの低温の硫黄吸着剤媒体床を使用できる。吸着された硫黄１グラム毎の吸着剤の価格が、高温媒体と低温媒体で同等である、または高温媒体でよりも低温媒体での方が低い場合は、１次硫黄吸着剤と硫黄研磨剤吸着剤の組み合わせで硫黄を５０ｐｐｂ未満にまで除去できる限り、低温媒体の方が好適なオプションである。
【００５６】
複数の実施形態にて説明したバイオガス浄化システムを使用する利点は、システムを出たバイオガス中の硫黄、シロキサン、塩素、酸素などの不純物の残留レベルが非常に低くなるため、燃料電池システムのような高精密機器用のバイオガス燃料生成物としてすぐに使用できる点である。特定の要素、実施形態、用途を図示し説明してきたが、当然ながらその範囲はこれらに限定されるものでなく、当業者は本開示の範囲の範囲内で、特に前述の示唆を考慮し、変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１・・・バイオガス廃棄物の流れ
２・・・バイオガス流
３・・・ガス流
４・・・ガス流
５・・・ガス流
６・・・廃液
７・・・流れ
８・・・バイオガス流
９・・・バイオガス流
１０・・・水素流
１１・・・バイオガス流
１３・・・バイオガス流
１４・・・バイオガス流
１５・・・バイオガス流
１６・・・バイオガス流
１７・・・バイオガス流
１８・・・バイオガス流
１９・・・バイオガス流
２０・・・バイオガス流
２１・・・排出バイオガスストリーム
２２・・・浄化バイオガス
２５・・・水素流
３１・・・バイオガス流
３２・・・バイオガス流
３３・・・バイオガス流
３４・・・バイオガス流
３５・・・バイオガス
３６・・・バイオガス流
３７・・・バイオガス流
３８・・・バイオガス流
３９・・・バイオガス流
４０・・・バイオガス流
４１・・・バイオガス流
４２・・・バイオガス燃料生成物の流れ
４５・・・水素流
５６・・・バイオガス流
５９・・・バイオガス流
６０・・・バイオガス流
６１・・・バイオガス流
６２・・・バイオガス流
６３・・・バイオガス流
６４・・・バイオガス流
６５・・・バイオガス流
７１・・・低温バイオガス
７２・・・バイオガス流
７３・・・バイオガス流
７４・・・バイオガス流
７５・・・バイオガス流
８０・・・バイオガス流
８１・・・バイオガス流
８２・・・ガス流
８３・・・バイオガス流
８４・・・混合バイオガス流
９０・・・バイオガス流
９１・・・バイオガス流
９２・・・空気流
９３・・・バイオガス流
９４・・・流体
９５・・・流体
１００・・・分離器
１０１・・・フロート弁
１１０・・・低温エコノマイザ熱交換器
１１１・・・バイオガス浄化システム
１１２・・・水除去システム
１２０・・・冷却熱交換器
１２１・・・冷却システム
１３０・・・分離器
１３１・・・ドレントラップ
１３２・・・ソレノイド
２００・・・シロキサン研磨剤吸着剤床
２０５・・・制御弁
２１０・・・エコノマイザ熱交換器
２２２・・・バイオガス浄化システム
２３０・・・脱酸剤触媒床
２４０・・・水素化脱硫触媒床
２５０・・・塩化水素除去吸着床
２６０・・・加熱器
２７０・・・硫黄除去床
２９０・・・硫黄研磨剤床
２９５・・・バイパス制御弁
３０５・・・制御弁
３１０・・・電熱式熱交換器
３２０・・・加熱器
３３０・・・脱酸剤触媒床
３４０・・・水素化脱硫触媒床
３７０・・・１次硫黄吸着床
３９０・・・硫黄研磨剤吸着剤床
３９５・・・制御弁
４０５・・・制御弁
４２１・・・吸着式冷凍機
４４４・・・バイオガス浄化システム
５５５・・・バイオガス浄化システム
５５６・・・凝縮器サブシステム
５９５・・・バイパス弁
６００・・・空冷式ラジエータ
６０５・・・硫黄吸着剤床
６１０・・・硫黄研磨剤吸着剤床
７０５・・・ミキシングバルブ
７１５・・・空冷式ラジエータ
７２０・・・熱交換器
【図１】
2013538880.tif 000003
【図２】
2013538880.tif 000004
【図３】
2013538880.tif 000005
【図４】
2013538880.tif 000006
【図５】
2013538880.tif 000007
【国際調査報告】
2013538880.tif 000008
2013538880.tif 000009