FI125284B - Menetelmä biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajottamisella ja vastaava reaktori - Google Patents

Description

MENETELMÄ BIOKAASUN VALMISTAMISEKSI BIOMASSASTA ANAEROBISELLA HAJOTTAMISELLA JA VASTAAVA REAKTORI

Keksinnön kohteena on menetelmä biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajottamisella, jossa menetelmässä biomassaa syötetään reaktiotilaan mekaanisilla syöttölaitteilla ja samalla työnnetään reaktiotilassa olevaa biomassaa tulppavirtauksena eteenpäin vaakasuunnassa, biomassaa sekoitetaan mikrobien syöttämiseksi biomassan sekaan ja biomassan siirtämiseksi eteenpäin reaktiotilassa, biomassan anaerobisen hajoamisen tuloksena syntyvä bio-kaasu otetaan talteen.

Keksinnön kohteena on myös vastaava reaktori.

Keksintö liittyy biokaasun tuotantoon biomassasta. Biokaasun tuotanto on eloperäisen jätteen käsittelymenetelmä ja uusiutuvan energian tuotantomenetelmä. Biokaasun tuotanto perustuu biologiseen prosessiin nimeltä anaerobinen hajoaminen, missä mikrobit hajottavat eloperäistä ainesta eli biomassaa hapettomissa olosuhteissa siten, että lopputuotteena syntyy metaania sisältävää biokaasua. Anaerobinen hajoaminen on monivaiheinen prosessi, jossa useat eri mikrobit osallistuvat hajotusketjun eri vaiheisiin kuvan 1 mukaisesti. Hajoamisketjuja biomassan hajottamiseksi voidaan kuvata yksinkertaistetusti seuraavasti: 1) Polysakkaridit (hiilihydraatit)-> Sokerit -> Lyhytketjuiset rasvahapot, H2, C02 -> CH4, C02 2) Proteiinit -> Peptidit, aminohapot -> Lyhytketjuiset rasvahapot, H2, C02 -> CH4, C02 3) Lipidit -> Pitkäketjuiset rasvahapot -> Lyhytketjuiset rasvahapot, H2, C02 -> CH4, C02.

Vaiheittain kuvattuna esimerkiksi lignoselluloosan sisältämän selluloosan hajoamisketju on seuraavanlainen: 1) Hydrolyysissä selluloosan pilkkoutuminen sokereiksi:

2) Happokäymisessä glukoosiyksiköiden hajoaminen asetaatiksi: (

3) Metanogeneesissä asetaatin hajoaminen metaaniksi

Eri hajotusketjun vaiheissa aktiivisilla mikrobeilla on myös erilaiset optimiolosuhteet. Anaerobisen hajoamisen lopputuotteena syntyvä biokaasu voidaan hyödyntää uusiutuvana energiana esimerkiksi sähkön- ja/tai lämmöntuotannossa tai liikennepoltto-aineena.

Perinteinen biokaasuteknologia on suunniteltu pääsääntöisesti märkien jätejakeiden kuten jätevesilietteiden ja eläinten lantojen käsittelyyn. Käsittely tapahtuu silloin useimmiten täyssekoitteisissa vertikaalisissa (pystymallisissa) lieriön muotoisissa säiliöreaktoreissa alhaisessa kuiva-ainepitoisuudessa (useimmiten <10 %) eli korkeassa vesipitoisuudessa (>90 %). Merkittävin tähän menetelmään liittyvä ongelma on se, että tällöin yli 90 %:a reaktorin sisällä olevasta raaka-aineesta on vettä. Vedestä ei saada tuotettua energiaa (biokaasua), vaan sen sijaan suurten vesimäärien lämmittäminen kuluttaa huomattavia määriä energiaa. Lisäksi haluttaessa käsitellä kuivempia jäteja-keita tämän tyyppisessä täyssekoitteisessa reaktorissa joudutaan syötettä laimentamaan nesteellä. Nestettä on mahdollista myös kierrättää takaisin reaktoriin, mutta tähän liittyy useita ongelmia, muun muassa kierrätettyyn nesteeseen kertyvien hajoamistuotteiden ja typpiyhdisteiden inhiboiva vaikutus.

Kuivempien jätejakeiden käsittelyyn on kehitetty niin sanottuja kuivaprosessiin perustuvia biokaasuteknologioita. Näitä prosesseja pystytään operoimaan huomattavasti perinteistä biokaasutek- nologiaa korkeammassa kuiva-ainepitoisuudessa. Tällöin voidaan saavuttaa huomattavasti korkeampi energiasaanto reaktoritila-vuutta kohti.

Yksi tapa toteuttaa kuivaprosessiin perustuva biokaasulaitos on niin sanottu tulppavirtausperiaatteella (plug-flow) operoitava biokaasureaktori. Tulppavirtausperiaatteella operoitava bio-kaasureaktori on useimmiten horisontaalinen (vaakamallinen) säiliöreaktori, johon syötetään biomassaa reaktorin yhdestä päästä, ja käsiteltyä materiaalia poistetaan reaktorin toisesta päästä. Käsittelyn aikana materiaali siis kulkee "tulppavirtauk-sella" koko vaakamallisen reaktorin läpi. Tulppavirtausperiaatteella operoitavaa biokaasureaktoria on mahdollista operoida perinteisiä biokaasuprosesseja huomattavasti korkeammassa kuiva-ainepitoisuudessa (esimerkiksi 10 - 30 % kuiva-ainepitoisuudessa) . Prosessi mahdollistaa siten laajan raaka-ainepohjan (myös kuivempien materiaalien käsittelymahdollisuus) , korkeamman energiasaannon reaktoritilavuutta kohti ja kompaktimmat reakto-rirakenteet (vähemmän vettä viemässä reaktoritilavuutta, enemmän hajotettavaa orgaanista ainetta reaktoritilavuutta kohti). Lisäksi monet perinteisissä biokaasuprosesseissa ongelmia aiheuttavat materiaalit, kuten biojätteen seassa olevat muovin-palat ja hiekka, eivät aiheuta samankaltaisia ongelmia tulppavirtausperiaatteella operoitavassa biokaasureaktorissa.

Haasteena tulppavirtausperiaatteella operoitavassa biokaasureaktorissa, erityisesti operoitaessa reaktoria korkeassa kuiva-ainepitoisuudessa, on sekoituksen järjestäminen. Reaktorin sisältöä sekoittamalla varmistetaan mikrobien esteetön pääsy käsiksi hajotettavaan materiaaliin ("ymppäys") sekä estetään hajoamistuotteiden kertyminen mikrobien välittömään läheisyyteen. Kuvan 1 mukaisesti hajotusketjun eri vaiheissa syntyvien hajoamistuotteiden kertyminen inhiboi eli hidastaa tai saattaa myös kokonaan estää mikrobien hajotustyötä ja metaanin muodostumista. Sekoittamalla reaktorin sisältöä edesautetaan hajoamistuotteiden "laimenemista" paikallisesti sekä niiden siirtymistä muiden mikrobien saataville.

Aiemmissa tulppavirtausperiaatteella operoitavissa biokaasureak-toritekniikoissa sekoitus on useimmiten toteutettu reaktorin pituussuuntaisella sekoitusakselilla. Julkaisusta US 7,659,108 B2 tunnetaan tulppavirtausreaktori, jossa reaktorissa olevaa biomateriaalia sekoitetaan yhdelle akselille tuettujen sekoitin-lapojen avulla. Tällaisen rakenteen ongelmana on kuitenkin se, että koko biomassa reaktorin alusta loppuun on samoissa olosuhteissa sekä sekoituksen että kemiallisten ja fysikaalisten parametrien suhteen. Tämä on epäedullista mikrobien toiminnan tehokkuuden kannalta anaerobisen hajoamisen prosessin sisältäessä useita eri reaktiovaiheita kuvan 1 mukaisesti.

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada tekniikan tason menetelmiä tehokkaampi ja nopeampi menetelmä biokaasun tuottamiseksi biomassasta. Tämän keksinnön tunnusomaiset piirteet ilmenevät oheisesta patenttivaatimuksesta 1. Keksinnön tarkoituksena on myös aikaansaada tekniikan tason reaktoreita tehokkaampi reaktori biokaasujen tuottamiseksi biomassasta. Tämän keksinnön tunnusomaiset piirteet ilmenevät oheisesta patenttivaatimuksesta 6.

Keksinnön mukaisen menetelmän tarkoitus voidaan saavuttaa menetelmällä biokaasun valmistamiseksi biomassasta, jossa biomassaa syötetään reaktiotilaan mekaanisilla syöttölaitteilla ja samalla työnnetään reaktiotilassa olevaa biomassaa tulppavir-tauksena eteenpäin sekä sekoitetaan biomassaa mikrobien syöttämiseksi biomassan sekaan. Biomassan anaerobisen hajoamisen tuloksena syntyvä biokaasu otetaan talteen. Menetelmässä reak-tiotila on jaettu perättäisiin lohkoihin, jossa kussakin lohkossa biomassaa sekoitetaan lohkokohtaisesti. Lohkokohtaisella olosuhteiden säädöllä kukin anaerobisen hajoamisen reaktio saadaan suoritettua tekniikan tason menetelmiä optimaalisemmissa olosuhteissa. Tässä yhteydessä sanalla eteenpäin tarkoitetaan suuntaa kohti reaktorin loppupäätä eli pois päin siitä päästä, johon biomassa ainakin pääosin syötetään.

Edullisesti kunkin lohkon nestemäistä rejektiä syötetään edelliseen lohkoon sekoitusvälineiden kautta. Näin kunkin lohkon biomassaa saadaan ympättyä mikrobikannalla, jota tarvitaan seuraavassa lohkossa, jonne hajotettava biomassa etenee tulppa-virtauksena. Samalla osa syötteestä voidaan syöttää sekoitusvälineiden kautta nestemäisenä esimerkiksi reaktorin keskivaiheille .

Erään sovellusmuodon mukaan nestemäistä syötettä syötetään reaktoriin sekoitusvälineiden kautta. Näin syötettä voidaan syöttää valittuun kohtaan reaktoria tarpeen mukaan.

Edullisesti kussakin lohkossa biomassan lämpötilaa säädetään lohkokohtaisesti . Näin lämpötilaa voidaan säätää tarkemmin, mikä helpottaa prosessin optimointia. Tässä yhteydessä lämpötilan säädöllä voidaan tarkoittaa joko biomassan lämmitystä tai jäähdytystä olosuhteista riippuen.

Edullisesti nestemäisen rejektin syöttö tapahtuu sekoitusväli-neisiin kuuluvan sekoituspotkurin lapojen kautta. Näin rejekti saadaan syötettyä sekoituspotkurin lapojen yhteyteen, jolloin sekoituspotkurin pyöritykseen tarvittava voima pienenee.

Kunkin lohkon ymppäystä ja lämmitystä voidaan tarkkailla ja ohjata itsenäisesti. Näin voidaan varmistua, että kukin anaerobisen hajoamisen reaktio pääsee tapahtumaan reaktiolle otollisissa olosuhteissa. Itsenäisen ohjauksen avulla lohkot ja näin ollen myös reaktio-olosuhteet ovat ainakin lähes toisistaan riippumattomia.

Edullisesti biomassaa ympätään pyörittämällä sekoitusvälineitä taaksepäin. Tässä yhteydessä sanalla taaksepäin tarkoitetaan sitä, että sekoitusvälineitä pyöritetään siten, että niiden biomassaa siirtävä voima kohdistuu kohti reaktorin alkupäätä, josta biomassa ainakin pääosin syötetään reaktoriin. Siirtämällä hajotettavaa biomassaa taaksepäin reaktorissa voidaan varmistaa mikrobikannan leviäminen hajotettavaan raaka-aineeseen.

Reaktiotilan seinistä ja/tai pohjasta syötetään fluidia biomassan virtauksen helpottamiseksi. Seinistä ja/tai pohjasta syötettävä fluidi pienentää hajotettavan biomassan eteenpäin siirtämiseen tarvittavaa voimaa vähentämällä kitkaa biomassan ja reaktiotilan sisäpinnan välillä. Samalla syötetty fluidi ymppää reaktorissa olevaa biomassaa.

Edullisesti syötettävä fluidi on seuraavan lohkon nestemäistä rejektiä. Näin kitkan pienentämisen lisäksi saadaan ympättyä biomassaa.

Erään toisen sovellusmuodon mukaan syötettävä fluidi voi olla kaasua.

Keksinnön mukaisen menetelmän uudentyyppinen sekoitus toteutetaan sekoittamalla reaktorin reaktiotilassa olevaa biomassaa lohkokohtaisesti esimerkiksi mekaanisilla vaakaan tai pystyyn sijoitetuilla sekoittimilla, joiden akselit ovat edullisesti reaktorin suuntaan nähden poikittain. Sekoittimien määrä riippuu reaktorin pituudesta, yleensä voidaan käyttää 3-10 sekoitinta reaktoria kohden. Tämän sekoitustavan etuna on, että reaktoria voidaan sekoittaa lohkokohtaisesti siirtämällä massaa paikallisesti eteen- tai taaksepäin. Kunkin sekoittimen toimintaa on mahdollista säätää erikseen, eli sekoituksen tehoa ja suuntaa sekä lisäksi reaktorin lämpötilaa (20 - 55 °C välillä) pystytään säätämään lohkokohtaisesti. Reaktorin olosuhteita (muun muassa pH, lämpötila, kaasuntuotto) voidaan seurata reaaliajassa paikallisesti ja lohkokohtaisesti (anturit kunkin lohkon alueella) ja saatuja tietoja voidaan verrata sekoitukseen ja reaktorin kuormitukseen. Siirtämällä massaa ajoittain myös taaksepäin voidaan varmistaa paikallisesti mikrobikannan leviäminen käsi teltävään materiaaliin. Erona aiempiin, pituussuuntaiseen sekoitusakseliin perustuviin biokaasureaktoreihin, on se, että reaktorin olosuhteita pystytään optimoimaan lohkokohtaisesti ja olosuhteita on mahdollista optimoida paikallisesti hajotusketjun eri vaiheisiin liittyvien mikrobien optimiolosuhteiden mukaan. Tällöin voidaan saavuttaa parempi hajotustulos ja korkeampi biokaasuntuotto.

Keksinnön mukaisen reaktorin tarkoitus voidaan saavuttaa reaktorilla, johon kuuluu runko rajoittaen sisälleen reaktiotilan raaka-ainetta varten, joka runko on kanavamainen biomassan tulppavirtausta varten. Lisäksi reaktoriin kuuluu sekoitusväli-neet biomassan sekoittamiseksi ja mikrobien syöttämiseksi raaka-aineen sekaan sekä talteenottovälineet syntyvän biokaasun talteen ottamiseksi mikrobien kuluttaessa raaka-aineen orgaanista materiaalia. Runkoon kuuluu ainakin kolme peräkkäistä modulaarista lohkoa, johon kuhunkin lohkoon kuuluu itsenäiset sekoitusvälineet biomassan sekoittamiseksi lohkokohtaisesti. Tällaisella reaktorilla kussakin anaerobisen hajoamisen reaktiossa käytettävien mikrobien toimintaolosuhteet saadaan optimoitua säätämällä kyseisen lohkon olosuhteita. Optimoidut olosuhteet tehostavat mikrobien toimintaa ja sitä kautta nopeuttavat biomassan hajoamista halutuksi lopputuotteeksi eli metaaniksi .

Sekoitusvälineisiin voi kuulua nestesyöttövälineet nestemäisen rejektin tai syötteen syöttämiseksi kuhunkin lohkoon itsenäisesti. Näin kuhunkin lohkoon voidaan syöttää rejektiä sopivassa määrin samalla pienentäen sekoitusvälineiden tarvitsemaa moottoritehoa. Samalla sekoitusvälineitä voidaan käyttää nestemäisen biomassa syöttämiseen valitulle reaktorin alueelle.

Edullisesti reaktoriin kuuluu lisäksi itsenäiset lämmönsäätövä-lineet biomassan lämpötilan säätämiseksi lohkokohtaisesti. Näin biomassan lämpötilaa voidaan säätää tarkemmin, mikä helpottaa olosuhteiden optimoimista.

Edullisesti nestesyöttövälineet on sovitettu kunkin lohkon rejektin syöttämiseksi edelliseen lohkoon. Tämä tehostaa lohkojen ymppäystä.

Erään sovellusmuodon mukaan kunkin lohkon sekoitusvälineiden tuenta ja käyttö on sijoitettu rungon ulkopuolelle. Näin sekoitusvälineiden huolto voidaan suorittaa reaktorin ulkopuolelta, mikä helpottaa huoltoa huomattavasti.

Edullisesti runkoon kuuluu runkokehikko lohkojen tukemiseksi toisiinsa. Runkokehikko varmistaa reaktorin rakenteen kokonais-jäykkyyden ja sekoitusvälineiden akseleiden kiinnityspisteiden tarvitseman tuennan.

Edullisesti reaktoriin kuuluu välineet kunkin lohkon ymppäyksen, sekoituksen ja lämmityksen tarkkailemiseksi ja ohjaamiseksi itsenäisesti. Näin kutakin lohkoa voidaan ohjata riippumattomasti toisista lohkoista.

Erään sovellusmuodon mukaan reaktoriin kuuluu välineet fluidin syöttämiseksi reaktiotilan seinistä ja/tai pohjasta biomassan sekaan virtauksen helpottamiseksi. Näin reaktorin rungon ja biomassan välistä kitkaa voidaan pienentää ja samalla ympätä biomassaa.

Edullisesti reaktorin runkoon kuuluu osarunkoja, jotka osarungot ovat pituuttaan ja korkeuttaan lukuun ottamatta identtisiä keskenään. Tällainen rakenne tekee reaktorista edullisen valmistaa .

Edullisesti osarunkoon kuuluu tasomaisia moduuleja, jotka kussakin osarungossa ovat identtisiä keskenään. Näin reaktori voidaan helposti pakata merikontteihin kuljetusta varten. Tässä yhteydessä puhuttaessa lohkoista tulee ymmärtää, että tässä hakemuksessa esitetyt lohkot ovat käytännössä virtuaalisia reaktorin osia, joita kutakin ohjataan itsenäisesti. Yksittäiseen lohkoon voi kuulua yksi tai useampia moduuleista muodostuvia osarunkoja ja sekoitusvälineitä. Lohkojen rajat voivat vaihdella syötettävän biomassan mukaan reaktioalueiden mukaan. Lohkojen välillä ei ole kaasutilaa lukuun ottamatta mitään mekaanisia rajoitteita kuten väliseiniä tai vastaavia, vaan syötettävä biomassa pääsee kulkemaan reaktorin lävitse esteettä kulkien eri lohkojen lävitse. Kussakin lohkossa vallitsee edullisesti erilaiset olosuhteet. Lisäksi tulee ymmärtää, että puhuttaessa biomassasta tarkoitetaan reaktiotilaan syötettävää ja siellä anaerobisesti hajoavaa raaka-ainetta, kun taas mädät-teellä tarkoitetaan reaktiotilasta poistuvaa anaerobisen hajoamisen lopputuotteena tulevaa kiintoainesta.

Keksinnön mukaisen reaktorin uudentyyppinen rakenne perustuu tehdasvalmisteisiin moduuleihin. Moduuleilla tarkoitetaan rungon konkreettisia levymäisiä osia, joita yhdistelemällä muodostetaan kanavamaisia osarunkoja, jotka peräkkäin asetettuina muodostavat reaktorin rungon. Tehdasvalmisteisiin moduuleihin perustuvan biokaasulaitoksen etuja ovat muun muassa se, että laitoksen koko on helposti skaalattavissa (osarunkojen lukumäärää ja kokoa, eli reaktorin kokoa säätämällä), laitos on nopea asentaa ja ottaa käyttöön kohteessa (verrattuna perinteisiin biokaasulaitosrat-kaisuihin, jotka usein esimerkiksi valetaan betonista paikan päällä) ja standardimittaisten moduulien valmistuksessa on mahdollista päästä sarjatyöhön, mikä alentaa valmistuskustannuksia. Edelleen moduulit mahdollistavat reaktorin helpon kuljetuksen tavallisia merikontteja käyttäen. Tässä yhteydessä puhuttaessa osarungoista tarkoitetaan rungon muodostavaa konkreettista rakennetta, jossa moduulit muodostavat osarungon sisälle reak-tiotilan, kun taas puhuttaessa lohkoista tarkoitetaan säädön ja ohjauksen kannalta itsenäistä rakennetta, joka voi koostua yhdestä tai useammasta osarungosta.

Keksinnön mukainen reaktori pystyy hajottamaan jopa noin 9 kg orgaanista ainesta vastaavan määrän biomassaa yhtä reaktorin kuutiota vastaavaa tilavuutta kohden vuorokaudessa. Tämä määrä voi vaihdella huomattavasti syötteen ominaisuuksista riippuen. Tulos on jopa viisinkertainen lukumäärä tekniikan tason reaktoreihin suhteutettuna. Näin keksinnön mukaisen menetelmän hyöty voidaan ulosmitata esimerkiksi valmistamalla huomattavasti pienempi reaktori kuin tekniikan tason mukaiset menetelmät vaatisivat.

Keksintöä kuvataan seuraavassa yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin eräitä keksinnön sovelluksia kuvaaviin piirroksiin, joissa

Kuva 1 esittää biomassan anaerobisen hajoamisen periaate- kuvana raaka-aineesta lopputuotteeksi,

Kuva 2 esittää keksinnön mukaisen reaktorin periaatteelli sen kuvan sivulta päin esitettynä leikkauskuvana, Kuva 3 esittää keksinnön mukaisen reaktorin periaatteelli sen kuvan päästä päin esitettynä leikkauskuvana, Kuva 4 esittää keksinnön mukaisen reaktorin periaatteelli sen kuvan sivulta päin esitettynä.

Kuvan 1 mukaisesti anaerobinen hajoaminen prosessina sisältää useita vaiheita 100, joissa mikrobit hajottavat orgaanista ainesta. Koska jokainen reaktio tapahtuu parhaiten reaktiokoh-taisessa optimiolosuhteessa, on anaerobisen hajoamisen tehokas hyödyntäminen suurelta osin kiinni eri osaprosessien vaiheiden optimoinnista. Polysakkaridien hydrolyysin 102 ja fermentaation kannalta edullisessa olosuhteessa pH on noin 6,5 - 7. Sokerien fermentaation eli happokäymisen 104 edullisessa olosuhteessa pH on noin 5-6. Etikkahaponmuodostuksen 106 edullisessa olosuhteessa pH on noin 6,5 - 7,5. Metaanin muodostuksen 108 edullisessa olosuhteessa pH on noin 6,5 - 7,5. Prosessissa käytettävä lämpötila voi olla esimerkiksi 35 - 37 °C tai noin 55 °C. Lämpötila voi kuitenkin vaihdella syötteen ja käytettävän mikrobikannan mukaan. Keksinnön mukaisessa menetelmässä ja reaktorissa kunkin reaktion olosuhteet pyritään optimoimaan itsenäisesti. Koska menetelmässä käytettävä raaka-aineena toimiva biomassa voi vaihdella koostumuksensa osalta huomattavasti, voivat myös anaerobisen hajoamisen sisältämät reaktiot vaihdella.

Seuraavaksi on kuvattu keksinnön mukaisen reaktorin rakennetta tarkemmin. Kuvan 2 mukaisesti keksinnön mukainen reaktori 10 muodostuu modulaarisesta rungosta 12. Modulaariseen runkoon 12 kuuluu tarkemmin sanottuna edullisesti 3-10 osarunkoa 46, jotka muodostavat vaakatasossa reaktorin kanavamaisen rungon 12 rajoittaen sisäänsä reaktiotilan 14, jossa biomassaa 16 hajotetaan anaerobisen hajoamisen kautta lopputuotteeksi. Tarvittaessa osarunkoja voi olla myös huomattavasti yli 10. Osarungot 46 ovat halkaisijaltaan ja muodoltaan toisiaan vastaavia kanavamaisia rakenteita, ja ainoastaan osarunkojen 46 pituus biomassan kulkusuunnassa voi vaihdella. Osarungot voivat olla esimerkiksi 2,2 m leveydeltään, jolloin ainoastaan osarunkojen korkeus ja pituus vaihtelevat reaktorilta tarvittavan tilavuuden mukaan. Reaktorin 10 pituussuunnalla tarkoitetaan tässä yhteydessä samaa suuntaa kuin tulppavirtauksena etenevän biomassan 16 etenemis-suunnalla reaktiotilassa 14. Osarungot muodostavat moduulit voivat olla valmiiksi työstettyjä, pintakäsiteltyjä ja eristettyjä. Edullisesti osarungot 46 lukitaan paikoilleen ulkoisen palkkirakenteen 50 avulla ja tiivistetään toisiinsa tiivisteiden avulla kuvan 4 mukaisesti. Palkkirakenne 50 lukitsee osarungot 46 yhtenäiseksi reaktorin 10 rungoksi 12, joka rajaa reaktiotilan 14 sisäänsä. Osarungot 46 voivat olla muodoltaan esimerkiksi neliöitä ja niiden rajaaman reaktiotilan 14 poikkileikkaus voi olla myös nelikulmio tai neliö. Toisaalta reaktiotilan poikkileikkaus voi olla myös jokin muu muoto, mutta nelikulmio ja sen variaatiot ovat teknisesti yksinkertaisimpia toteuttaa.

Rungon 12 lisäksi reaktoriin 10 kuuluu sekoitusvälineet 20, joiden avulla rungon 12 sisällä olevaa raaka-aineena toimivaa biomassaa 16 sekoitetaan. Keksinnön mukaisesti jokaiseen lohkoon 24 kuuluu omat sekoitusvälineet 20, jotka voivat olla esimerkik- si kuvan 3 mukaiset osarungon 46 lävitse reaktorin 10 pituussuunnan suhteen poikittaisella akselilla 48 tuetut sekoituspot-kurit 36. Lohkolla 24 tarkoitetaan yhden tai useamman osarungon 46 ohjauksellista ja säädöllistä yksikköä, jossa olosuhteet voidaan säätää mikrobitoiminnan kannalta sopiviksi. Keksinnön edullisen sovellusmuodon mukaisesti kuhunkin lohkoon 24 kuuluu oma sekoituspotkuri 36, jolloin biomassan sekoitusta voidaan ohjata lohkokohtaisesti. Vaihtoehtoisesti sekoituspotkurien sijaan voidaan käyttää esimerkiksi sekoitusruuvia tai vastaavaa mekaanista välinettä, jolla biomassaa saadaan liikutettua reaktiotilassa eri suuntiin. Kuvan 1 mukaisesti sekoituspotku-reita 36 voi olla osarunkojen 46 lukumäärää vastaava lukumäärä. Tällöin myös lohkoja 24 voi olla sama lukumäärä.

Kuvassa 3 on esitetty keksinnön mukainen reaktori päästä katsottuna leikkauskuvana. Edullisesti reaktorissa 10 myös sekoitusvä-lineiden 20 tuenta voidaan järjestää palkkirungon yhteyteen. Tällöin kunkin sekoituspotkurin 36 käyttö ja vaihteisto 66 ja akseleiden 48 laakerit 64 on sijoitettu reaktorin 10 rungon 12 ulkopuolelle. Tämä helpottaa huomattavasti sekoitusvälineiden 20 huoltoa.

Reaktoriin 10 voi kuulua lisäksi lämmönsäätövälineet 18 biomassan 16 lämpötilan säätämiseksi mikrobien toiminnan kannalta optimaaliseen lämpötilaan. Lohkojen suhteen itsenäisien sekoitus- ja lämmönsäätövälineiden avulla olosuhteet ja sekoitus saadaan kussakin lohkossa mikrobitoiminnan kannalta optimaalisiksi. Lämmönsäätövälineet 18 voivat olla esimerkiksi osarungon moduuleihin 52 asennetut vastukset, joilla osarungon 46 rakenteita ja sitä kautta biomassaa 16 lämmitetään.

Tuotteena saatavan biokaasun talteen ottamiseksi reaktoriin 10 kuuluu talteenottovälineet 22 biokaasun keräämiseksi reaktioti-lan 14 sisältä. Talteenottovälineet 22 voivat olla rungon yläosaan valmistettu kuvan 2 putkisto 54, jonka avulla muodostuva biokaasu otetaan talteen varastosäiliöön tai vastaavaan. Tämän lisäksi reaktoriin 10 voi kuulua syöttölaitteet 25 biomassan 16 syöttämiseksi osarunkojen 46 sisään. Syöttölaitteet voivat olla esimerkiksi ruuvikuljetin tai vastaava, joka syöttää biomateriaalia ensimmäisen osarungon sisään. Erään vaihtoehdon mukaan reaktoriin voi kuulua syöttösuppilo, jonka kautta raaka-ainetta syötetään reaktoriin.

Edullisesti keksinnön mukaisessa reaktorissa sekoitusvälineiden 20 yhteyteen on integroitu kuvan 1 nestesyöttövälineet 26. Nestesyöttövälineisiin 26 kuuluu osarunkojen 46 alaosaan järjestetty nesteen talteenottojärjestelmä 56, joka kerää hajoavasta biomassasta 16 erottuvan nestemäisen rejektin talteen. Talteenottojärjestelmää ei ole esitetty kuvassa 3, mutta tulee ymmärtää, että osarunkoihin kuuluu tällaiset välineet. Tässä yhteydessä rejektillä tarkoitetaan nestemäistä osaa, joka eroaa kiintoaineesta. Talteen kerätty rejekti voidaan johtaa korkealla paineella kuvan 3 putkistoa 57 pitkin sekoituspotkureiden 36 onttojen akseleiden 48 sisällä olevaan kanavaan ja sitä kautta sekoituspotkurin lapoihin 62. Tässä yhteydessä korkealla paineella tarkoitetaan 0,2 - 20 barin painetta. Lapoihin voi kuulua suuttimet, joiden kautta rejektiä syötetään biomateriaalin sekaan sekoituspotkureita käytettäessä. Neste pienentää sekoi-tuspotkureiden käyttöön vaadittavaa voimaa ja tuo samalla uutta mikrobikantaa biomassalle sekä siirtää pois hajoamistuotteita. Edullisesti rejektiä siirretään aina materiaalin kulkusuunnassa jälkimmäiseen lohkoon, eli esimerkiksi toisesta lohkosta ensimmäiseen lohkoon. Vaihtoehtoisesti nestemäisen rejektin sijaan tai sen lisäksi sekoitusvälineiden kautta voidaan syöttää nestemäistä biomassaa syötteenä. Näin esimerkiksi helpommin hajoavaa biomassaa voidaan syöttää tarvittaessa halutulle reaktorin alueelle.

Erään sovellusmuodon mukaan reaktoriin kuuluu lisäksi kuvan 2 mukaiset välineet 30 kitkan pienentämiseksi biomassan ja reak-tiotilassa olevan biomassan välillä, johon välineisiin 30 kuuluu välineet 58 fluidin syöttämiseksi osarungon 46 laidoilta 44 tai pohjasta 42 osarungon 46 sisään esimerkiksi pumpun avulla. Syötetty fluidi pienentää osarungon 46 sisällä olevan biomassan 16 ja moduulin 52 välistä kitkaa, mikä puolestaan vähentää sekoitusvälineiden 20 voiman tarvetta. Fluidin syöttö voi olla pisteittäistä, jolloin fluidi syötettäessä biomassan sekaan syrjäyttää biomassaa muodostaen siihen aukon, joka edesauttaa hajotettavan biomassan etenemistä eteenpäin reaktiotilassa. Fluidilla tarkoitetaan tässä yhteydessä kaasua tai nestettä. Edullisesti fluidi on biomassan rejektiä. Samalla, kun syötettävä fluidi pienentää biomassan ja reaktorin rungon välistä kitkaa, se myös ymppää reaktoria. Lisäksi nes-te/kaasusekoituksella "vapautetaan" kaasua, joka on sitoutuneena kiintoaineeseen ja varmistetaan, ettei rejektin mukana poistu metaania. Tässä yhteydessä tulee ymmärtää, että sekoitusvälineet, esimerkiksi sekoituspotkurit, toimivat sekoituksen lisäksi myös pääasiallisina biomassaa tulppavirtauksena eteenpäin työntävinä eliminä. Erään sovellusmuodon mukaan rungon sisäpinta voidaan päällystää esimerkiksi teflon-pinnoitetta vastaavalla pinnoitteella, joka pienentää biomateriaalin ja rungon välistä kitkaa ja estää biomateriaalia kiinnittymästä rungon sisäpintaan.

Edullisesti keksinnön mukaiseen reaktoriin kuuluu huomattava määrä mittausantureita, jotka tarkkailevat olosuhteita kunkin lohkon osalta reaaliaikaisesti. Mitattavia suureita ovat ainakin kussakin lohkossa vallitseva pH ja lämpötila sekä reaktorin yleinen kaasuntuotto. Näiden perusteella muodostetaan erilliset ohjaussuuret ainakin sekoitusvälineitä, lämmönsäätövälineitä ja rejektin syöttöä varten lohkokohtaisesti. Edullisesti samoin perustein muodostetaan myös ohjaussuure laitteistolle kitkan pienentämiseksi. Myös biomassan sisältämän orgaanisen aineksen määrä voi olla mittauksen kohde.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä reaktiotila on suurelta osin täynnä nestettä ja biomassaa siten, että reaktiotilaan syöttävä uusi raaka-aine eli hajotettava biomassa syötetään nestepinnan alapuolelle. Tämä takaa sen, ettei biomassa mukana reaktiotilaan pääse ilmaa, mikä tuhoaisi anaerobisen hajotuksen tekevää mikrobikantaa. Vaikka kuvassa 3 nestepintaa ja biomassaa ei ole kuvattu kuvan selkeyden vuoksi, tulee ymmärtää, että reaktiotila on lähes kattoa myöten täynnä biomassaa ja nestepinta ulottuu noin 20 cm etäisyydelle reaktorin katosta. Itse mikrobikanta voidaan siirtää reaktiotilaan reaktorin käynnistyksen yhteydessä esimerkiksi toisesta reaktorista. Syötettävä biomassa voi olla yhdyskuntien, maatalouden tai teollisuuden piirissä syntynyttä biohajoavaa biomassaa, esimerkiksi lantaa, kotitalouksien biojätettä tai vastaavaa, muttei kuitenkaan runsaasti ligniiniä sisältävää materiaalia kuten puumassaa. Edullisesti reaktioti-lassa olevan massa kuiva-ainepitoisuus voi olla välillä 10 - 30 ka-%, mutta tätä kuivempi materiaali on vaikeaa sekoittaa. Biomassaa voidaan syöttää reaktiotilaan esimerkiksi ruuvisyötti-men avulla. Syöttö voi tapahtua esimerkiksi tunnin välein vuorokauden ympäri riippuen raaka-aineena käytettävän biomassan orgaanisen aineen määrästä ja biohajoavuudesta. Keksinnön mukaisella reaktorilla ja menetelmällä pystytään hajottamaan jopa 9 kg orgaanista ainesta vastaava määrä biomassaa yhtä reaktorin kuutiota vastaavaa tilavuutta kohden vuorokaudessa. Tämä on jopa viisinkertainen määrä tekniikan tason reaktoreihin suhteutettuna.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä kuvan 2 mukaisesti biomassaa 16 voidaan ympätä neljällä eri tavalla; pyörittämällä sekoitus-välineitä 20, syöttämällä rejektiä nestesyöttövälineiden 26 avulla sekoitusvälineiden 20 kautta, syöttämällä fluidia reaktorin 10 rungon 12 laidoilta 44 ja/tai pohjasta 42 välineillä 30 kitkan pienentämiseksi, tai sekoittamalla rejektiä syötteen joukkoon jo ennen reaktoriin syöttämistä. Anaerobisen hajoamisen reaktioiden ollessa käynnissä reaktiotilassa kaasuntuotantoa, pH:ta ja lämpötilaa tarkkaillaan jatkuvasti, mutta ymppäys ja sekoitus ovat edullisesti jaksottaista energian säästämiseksi. Näiden muutosten seurauksena ohjataan reaktorin sekoitusta, lämmitystä, biomassan syöttöä ja rejektin syöttöä nestesyöttövä-lineillä. Esimerkiksi jos pH:n havaitaan laskevan liian alhaiselle tasolle tai kaasuntuotannon laskevan jonkin lohkon alueella, voidaan olosuhteisiin vaikuttaa paikallisesti tehostamalla sekoitusta kyseisessä lohkossa sekä lisäämällä nestemäisen rejektin syöttöä kyseiseen lohkoon.

Sekoitusvälineiden 20 tarkoituksena on siirtää biomassaa 16 eteenpäin reaktiotilassa 14 ja sekoittaa biomassaa 16 siten, että mikrobit saavat tuoretta ravintoa. Jos sekoitusta tehdään liian harvoin, mikrobien ympärille muodostuu kerros hajoamistuotteita, jotka voivat inhiboida mikrobien toimintaa. Sekoitusta voidaan käyttää esimerkiksi 20 minuutin välein 2 minuutin ajan. Edullisesti sekoitusta käytetään eteenpäin suuntautuvan voiman aikaansaavan sekoitussuunnan lisäksi myös päinvastaiseen suuntaan, jolloin saadaan aikaan toisenlainen sekoitus. Esimerkiksi potkurisekoitinta käytettäessä yhdensuuntainen sekoitus liikuttaa biomassaa aina tietyssä kohtaa potkuria tiettyyn suuntaan. Sekoitussuunnan vaihdos tuo mukaan erilaisia sekoitus-suuntia, mikä tehostaa biomassan sekoitusta ja orgaanisen raaka-aineen saantia mikrobeille. Yleisesti biomassan läpimenoaika reaktorissa voi olla 11 - 50 päivää.

Sekoitus ja sen suunta määritetään mitattujen arvojen mukaan, mutta takaisin päin tapahtuva sekoitus suoritetaan yleisesti hiukan ennen biomassaa eteenpäin siirtävän sekoituksen aloitusta. Sekoituksen teho vaihtelee lohkoittain reaktiotilassa. Viimeisessä lohkossa sekoitus on edullisesti tehokkain, jotta reaktiotilasta poistuvasta mädätteestä saadaan erotettua loputkin biokaasut, jotka voivat olla kiinteän mädätteen sisällä niin sanotuissa taskuissa. Tämä on tärkeää, jotta biokaasun talteenotto saadaan tehokkaaksi ja jottei metaania pääse mädätteen mukana ilmakehään, missä se on voimakas kasvihuonekaasu.

Reaktiotilassa mikrobit saavat aikaan hapettomassa tilassa biomassan anaerobisen hajoamisen, joka tekniikan tason mukaisesti sisältää hydrolyysi-, happokäymis- (asidogeneesi), etikkahaponmuodostus- (asetogeneesi) ja metaaninmuodostusvaiheet (metanogeneesi) . Näistä yksittäiset vaiheet ja niiden sisältämät reaktiot tapahtuvat asteittain ja osittain limittäin reaktiotilassa. Edullisesti hydrolyysi ja asidogeneesi tapahtuvat pääsääntöisesti reaktiotilan alkupäässä, kun taas asetogeneesi ja metanogeneesi pääsääntöisesti reaktiotilan loppupäässä. Reaktioiden seurauksena biomassasta saadaan muodostettua lopputuotteena biokaasua, joka sisältää noin 50 - 75 tilavuusprosenttia metaania (CH4) ja loppu pääasiallisesti hiilidioksidia (C02) . Näiden lisäksi lopputuote voi sisältää pieniä määriä muita kaasuja ja epäpuhtauksia kuten esimerkiksi 100 - 3000 ppm rikkiä (S) . Biokaasun loppukäytöstä riippuen menetelmästä saatu biokaa-su voidaan puhdistaa hiilidioksidista esimerkiksi, jos biokaasua käytetään tieliikenteen käytössä polttoaineena. Toisaalta, jos biokaasua käytetään polttokattilassa energian- ja kaukolämmön-tuotantoon, voidaan sitä käyttää sellaisenaan. Hajoamisreaktioi-den seurauksena reaktiotilassa 50 - 90 % syötteen sisältämästä orgaanisesta aineesta muuttuu nesteeksi ja kaasuiksi. Sivutuotteena syntyvä mädäte voidaan tarvittaessa esimerkiksi kuivata tai jatkokäsitellä muilla tavoin sekä myydä sivutuotteena esimerkiksi lannoituskäyttöön tai maanparannusaineeksi.

Keksinnön mukaisen reaktorin koko voi vaihdella huomattavasti käyttötarkoituksen mukaan. Reaktorin koko voi olla esimerkiksi 0,5 m x 0,5 m x 1,5 m, mutta se on skaalattavissa myös esimerkiksi luokkaan 12 m x 12 m x 36 m tai suuremmaksi. Suurien reaktorikokojen yhteydessä voidaan käyttää useampia syöttölaitteita syötön tasaisuuden saavuttamiseksi. Tässä 12 m tarkoittaa reaktorin korkeutta ja leveyttä ja 36 m reaktorin pituutta reaktiotilan pituussuunnassa.

Keksinnön mukaisen reaktorin ohjaus voidaan toteuttaa käyttäen esimerkiksi tavallista PC:tä käyttöalustana, jonka päällä reaktorin hallintaohjelma pyörii. PC:n ja toimilaitteiden, antureiden ja muiden ohjaukseen tarvittavien välineiden kuten venttiilien välillä on kenttäväylä tiedonsiirtoa varten. Keksinnön mukainen menetelmä voi olla täysin automatisoitu, jolloin ohjelma ohjaa reaktorin toimintaa esivalittujen kriteerien perusteella esivalittuja sääntöjä noudattaen.

Keksinnön mukaisessa reaktorissa käytettävää sekoituslaitteistoa voidaan käyttää myös reaktoreissa, jotka poikkeavat patenttivaatimuksissa esitystä reaktorista. Tällaisella reaktorilla tarkoitetaan reaktoria biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajotuksella, johon kuuluu runko rajoittaen sisälleen reaktiotilan raaka-ainetta varten, joka runko on kanavamainen ja vaakasuuntainen. Lisäksi reaktoriin kuuluu lämmönsäätövälineet biomassan lämpötilan säätämiseksi, sekoitusvälineet biomassan sekoittamiseksi ja mikrobien syöttämiseksi raaka-aineen sekaan, rejektin syöttövälineet sovitettuna rejektin talteen ottamiseksi ja jälleen syöttämiseksi biomassan sekaan sekä talteenottoväli-neet syntyvän biokaasun talteen ottamiseksi mikrobien kuluttaessa raaka-aineen orgaanista materiaalia. Rejektin syöttövälinei-siin kuuluu välineet rejektin johtamiseksi sekoitusvälineiden kautta biomassan sekaan.

Keksinnön mukaisessa reaktorissa käytettävää moduuleista muodostuvaa osarunkoa voidaan käyttää myös reaktoreissa, jotka poikkeavat patenttivaatimuksissa esitystä reaktorista.

Claims (9)

1. Menetelmä biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajottamisella, jossa menetelmässä biomassaa (16) syötetään reaktiotilaan (14) mekaanisilla syöttölaitteilla (32) ja samalla työnnetään reaktiotilas-sa (14) olevaa biomassaa (16) tulppavirtauksena eteenpäin vaakasuunnassa, reaktiotila (14) on jaettu perättäisiin lohkoihin (24), jossa kussakin lohkossa (24) biomassaa (16) sekoitetaan lohkokohtaisesti mikrobien syöttämiseksi biomassan (16) sekaan ja biomassan (16) siirtämiseksi eteenpäin reak-tiotilassa (14), biomassan (16) anaerobisen hajoamisen tuloksena syntyvä biokaasu otetaan talteen, tunnettu siitä, että menetelmässä kunkin lohkon (24) nestemäistä rejektiä syötetään edelliseen lohkoon (24) sekoitusvälineiden (20) kautta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kunkin lohkon (24) ymppäystä ja lämmitystä tarkkaillaan ja ohjataan itsenäisesti.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että biomassaa (16) ympätään pyörittämällä sekoitusväli-neitä (20) taaksepäin.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reaktiotilan (14) seinistä (44) ja/tai pohjasta (42) syötetään fluidia biomassan (16) virtauksen helpottamiseksi.

5. Reaktori biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajotuksella, johon kuuluu runko (12) rajoittaen sisälleen reaktiotilan (14) biomassaa (16) varten, joka runko (12) on kanavamainen ja vaa kasuuntainen biomassan (16) tulppavirtausta varten, ja johon runkoon (12) kuuluu ainakin kolme peräkkäistä modulaarista lohkoa (24), kuhunkin lohkoon (24) kuuluvat itsenäiset sekoitusväli-neet (20) biomassan (16) sekoittamiseksi lohkokohtaisesti ja mikrobien syöttämiseksi biomassan (16) sekaan sekä biomassan (16) siirtämiseksi eteenpäin sanotussa reak-tiotilassa (14), talteenottovälineet (22) syntyvän biokaasun talteen ottamiseksi mikrobien kuluttaessa biomassan (16) orgaanista materiaalia, tunnettu siitä, että sekoitusvälineisiin (20) kuuluu nestesyöt-tövälineet (26) nestemäisen rejektin tai syötteen syöttämiseksi kuhunkin lohkoon (24) itsenäisesti sekoitusvälineiden (20) kautta.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että kunkin lohkon (24) sekoitusvälineiden (20) tuenta ja käyttö on sijoitettu rungon (12) ulkopuolelle.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että runkoon (12) kuuluu runkokehikko (28) lohkojen (24) tukemiseksi toisiinsa.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 5-7 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että reaktoriin (10) kuuluu välineet (30) fluidin syöttämiseksi reaktiotilan (14) seinistä (44) ja/tai pohjasta (42) biomassan (16) sekaan virtauksen helpottamiseksi.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 5-8 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että reaktorin (10) runkoon (12) kuuluu osarun-koja (46), jotka sanotut osarungot (46) ovat pituuttaan ja korkeutta lukuun ottamatta identtisiä keskenään.