FI20185183A1 - Reaktori biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajotuksella - Google Patents

Reaktori biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajotuksella Download PDF

Info

Publication number
FI20185183A1
FI20185183A1 FI20185183A FI20185183A FI20185183A1 FI 20185183 A1 FI20185183 A1 FI 20185183A1 FI 20185183 A FI20185183 A FI 20185183A FI 20185183 A FI20185183 A FI 20185183A FI 20185183 A1 FI20185183 A1 FI 20185183A1
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
reactor
biomass
biogas
block
mixing
Prior art date
Application number
FI20185183A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI129001B (fi
Inventor
Annimari Lehtomäki
Mika Rautiainen
Original Assignee
Biogts Oy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Biogts Oy filed Critical Biogts Oy
Priority to FI20185183A priority Critical patent/FI129001B/fi
Priority to UAA202006182A priority patent/UA127419C2/uk
Priority to CN201980014648.5A priority patent/CN111868225A/zh
Priority to PCT/FI2019/050151 priority patent/WO2019166694A1/en
Priority to EP19760206.3A priority patent/EP3759211A4/en
Publication of FI20185183A1 publication Critical patent/FI20185183A1/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI129001B publication Critical patent/FI129001B/fi

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/107—Apparatus for enzymology or microbiology with means for collecting fermentation gases, e.g. methane
    • C12M1/113—Apparatus for enzymology or microbiology with means for collecting fermentation gases, e.g. methane with transport of the substrate during the fermentation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/16—Apparatus for enzymology or microbiology containing, or adapted to contain, solid media
    • C12M1/18—Multiple fields or compartments
    • C12M1/20—Horizontal planar fields
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02—Form or structure of the vessel
    • C12M23/06—Tubular
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M27/00—Means for mixing, agitating or circulating fluids in the vessel
    • C12M27/02—Stirrer or mobile mixing elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/06—Nozzles; Sprayers; Spargers; Diffusers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/02—Biological treatment
    • C02F11/04—Anaerobic treatment; Production of methane by such processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P5/00—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
    • C12P5/02—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons acyclic
    • C12P5/023—Methane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Treatment Of Sludge (AREA)

Abstract

Keksintö koskee reaktoria biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajotuksella, johon kuuluu - pystymallinen kanavamainen runko (12) rajoittaen sisälleen reaktiotilan (14) biomassan (16) vertikaalisuuntaista tulppavirtausta varten, johon runkoon (12) kuuluu ainakin kolme peräkkäistä lohkoa (24) mikrobikantoineen, - syöttövälineet (25) sovitettuna rungon (12) yläpäähän (13.1) biomassan syöttämiseksi rungon (12) sisään, - sekoitusvälineet (20) biomassan (16) sekoittamiseksi ja mikrobien syöttämiseksi biomassan (16) sekaan sovitettuna ainakin osittain rungon (12) sisään, - talteenottovälineet (22) syntyvän biokaasun talteen ottamiseksi, - pohjakartio (17) yhdistettynä rungon (12) alapäähän (13.2) kiintoaineen kokoamiseksi, - kiintoaineen poistovälineet (27) sovitettuna rungon (12) alapäähän (13.2), pohjakartion (17) alapäähän (92) kiintoaineen poistamiseksi, - ulkoinen tukiranka (50) sovitettuna rungon (12) ulkopuolelle rungon (12) tukemiseksi ulkoa päin rungon (12) sisään syntyvää hydrostaattista painetta vastaan.

Description

REAKTORI BIOKAASUN VALMISTAMISEKSI BIOMASSASTA ANAEROBISELLA
HAJOTUKSELLA
20185183 PRH 27-02- 2018
Keksinnön kohteena on reaktori biokaasun valmistamiseksi 5 biomassasta anaerobisella hajotuksella, johon kuuluu
- runko käsittäen kaksi päätä, nimittäin yläpään ja alapään, rajoittaen sisälleen reaktiotilan biomassaa varten, joka runko on kanavamainen biomassan tulppavirtausta varten, ja johon runkoon kuuluu ainakin kolme peräkkäistä lohkoa mikro- bikantoineen,
- syöttövälineet sovitettuna rungon yläpäähän biomassan syöttämiseksi rungon sisään,
- sekoitusvälineet biomassan sekoittamiseksi ja mikrobien syöttämiseksi biomassan sekaan sovitettuna ainakin osittain rungon sisään,
- talteenottovälineet syntyvän biokaasun talteen ottamiseksi mikrobien kuluttaessa biomassan orgaanista materiaalia, ja
- kiintoaineen poistovälineet sovitettuna rungon 20 alapäähän kiintoaineen poistamiseksi.
Keksintö liittyy reaktoreihin biokaasun tuotantoon biomassasta. Biokaasun tuotanto on eloperäisen jätteen käsittelymenetelmä ja uusiutuvan energian tuotantomenetelmä. Biokaasun tuotanto 25 perustuu biologiseen prosessiin, joka tunnetaan anaerobisena hajoamisena. Anaerobisessa hajoamisessa mikrobit hajottavat eloperäistä ainesta eli biomassaa hapettomissa olosuhteissa siten, että lopputuotteena syntyy metaania sisältävää biokaasua. Anaerobinen hajoaminen on monivaiheinen prosessi, jossa useat eri 30 mikrobit osallistuvat hajotusketjun eri vaiheisiin kuvan 1 mukaisesti. Hajoamisketjuja biomassan hajottamiseksi voidaan kuvata yksinkertaistetusti seuraavasti:
1) Polysakkaridit (hiilihydraatit)-> Sokerit -> Lyhytketjuiset rasvahapot, H2, CO2 -> CH4, CO2
2) Proteiinit -> Peptidit, aminohapot -> Lyhytketjuiset rasvahapot, H2, CO2 -> CH4, CO2
3) Lipidit
-> Pitkäketjuiset rasvahapot -> Lyhytketjuiset rasvahapot, H2, CO2 -> CH4, CO2.
Vaiheittain kuvattuna esimerkiksi lignoselluloosan sisältämän selluloosan hajoamisketju on seuraava:
20185183 PRH 27-02- 2018
1) Hydrolyysissä selluloosan pilkkoutuminen sokereiksi: (CeHioOsjn + nH20 -> nCeH^Oe
2) Happokäymisessä glukoosiyksiköiden hajoaminen asetaatiksi:
C6Hi2O6 + 4H2O -> 2CH3COO- + 2HCO3- + 4H+ + 4H2
3) Metanogeneesissä asetaatin hajoaminen metaaniksi 20 2CH3COO- + H2O -> CH4 + HCO3-
4H2 + HCO3- + H+ -> CH4 + 3H2O
Eri hajotusketjun vaiheissa aktiivisilla mikrobeilla on myös erilaiset optimiolosuhteet. Anaerobisen hajoamisen lopputuot25 teenä syntyvä biokaasu voidaan hyödyntää uusiutuvana energiana esimerkiksi sähkön- ja/tai lämmöntuotannossa tai liikennepolttoaineena.
Perinteinen biokaasuteknologia on suunniteltu pääsääntöisesti 30 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 vesipi3 toisuudessa (>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 5 kuluttaa huomattavia määriä energiaa. Lisäksi haluttaessa käsitellä kuivempia jätejakeita tämän tyyppisessä täyssekoitteisessa reaktorissa joudutaan syötettä laimentamaan nesteellä. Nestettä on mahdollista myös kierrättää takaisin reaktoriin, mutta tähän liittyy useita ongelmia, muun muassa kierrätettyyn 10 nesteeseen kertyvien hajoamistuotteiden ja typpiyhdisteiden inhiboiva vaikutus. Edelleen ongelmana täyssekoitteisen säiliön käytössä on se, että kaikki mikrobikannat elävät samassa tilassa homogeenisissa olosuhteissa, jolloin reaktio-olosuhteet täytyy optimoida hajotusketjun hitaimman vaiheen eli metaaninmuodos15 tuksen mukaan. Tällöin muissa hajotusketjun vaiheissa aktiivisten mikrobien toiminta ei ole optimaalista.
Kuivempien jätejakeiden käsittelyyn on kehitetty niin sanottuja kuivaprosessiin perustuvia biokaasuteknologioita. Näitä prosesseja pystytään operoimaan huomattavasti perinteistä biokaasuteknologiaa korkeammassa kuiva-ainepitoisuudessa. Tällöin voidaan saavuttaa huomattavasti korkeampi energiasaanto reaktoritilavuutta kohti.
20185183 PRH 27-02- 2018
Yksi tapa toteuttaa kuivaprosessiin perustuva biokaasulaitos on niin sanottu tulppavirtausperiaatteella (plug-flow) operoitava biokaasureaktori. Tulppavirtausperiaatteella operoitava biokaasureaktori on useimmiten horisontaalinen (vaakamallinen) säiliöreaktori, johon syötetään biomassaa reaktorin yhdestä 30 päästä, ja käsiteltyä materiaalia poistetaan reaktorin toisesta päästä. Käsittelyn aikana materiaali siis kulkee tulppavirtauksella koko vaakamallisen reaktorin läpi. Tulppavirtausperiaatteella operoitavaa biokaasureaktoria on mahdollista operoida perinteisiä biokaasuprosesseja huomattavasti korke4
20185183 PRH 27-02- 2018 ämmässä kuiva-ainepitoisuudessa (esimerkiksi 10 - 30 % kuiva-ainepitoisuudessa) . Prosessi mahdollistaa siten laajan raaka-ainepohjan myös kuivempien materiaalien käsittelymahdollisuuden kautta sekä korkeamman energiasaannon reaktoriti5 lavuutta kohti ja kompaktimmat reaktorirakenteet. Prosessissa on perinteisiä korkean vesipitoisuuden prosesseja vähemmän vettä viemässä reaktoritilavuutta, jolloin prosessissa on myös enemmän hajotettavaa orgaanista ainetta reaktoritilavuutta kohti.
Tekniikan tasosta tunnetaan julkaisussa W0 2015/075298 AI esitetty vaakamallinen tulppareaktori biokaasun tuottamiseksi. Tällaisen biokaasureaktorin ongelmana on kuitenkin se, että mädäte ja muu reaktoriin jäänyt kiintoaines poistetaan vaakasuuntaisen reaktorin päästä. Tällöin reaktorin pohjalle koko 15 reaktorin matkalle alkaa kertymään ja kasaantumaan raaka-aineen mukana tulevaa raskaampaa materiaalia, kuten lasia, metallia ja kiviainesta. Raskas materiaali vaikeuttaa reaktoriin kuuluvien, vaakasuuntaisilla sekoitusakseleilla varustettujen sekoittimien toimintaa, kun sekoittimien tulee siirtää hajotettavan mate20 riaalin lisäksi myös hajoamatonta ja raskasta kiintoainesta.
Edelleen kiintoaineen poistaminen on ongelmallista, sillä mädätettä poistettaessa reaktorista alipaineen avulla kiintoaine voi tukkia poistoyhteen.
Keksinnön tarkoituksena on myös aikaansaada tekniikan tason reaktoreita toimintavarmempi reaktori biokaasujen tuottamiseksi biomassasta, jossa reaktorissa raaka-aineen mukana tuleva raskaampi ja hajoamaton materiaali ei aiheuta ongelmia. Tämän keksinnön tunnusomaiset piirteet ilmenevät oheisesta patent30 tivaatimuksesta 1.
Keksinnön mukaisen reaktorin reaktorilla, johon kuuluu runko yläpää ja toinen pää, rajoittaen tarkoitus voidaan saavuttaa käsittäen kaksi päätä, nimittäin sisälleen reaktiotilan biomassaa
20185183 PRH 27-02- 2018 varten, joka runko on pystysuuntaan kanavamainen biomassan vertikaalisuuntaista tulppavirtausta varten, ja johon runkoon kuuluu ainakin kolme peräkkäistä lohkoa mikrobikantoineen, ulkoinen tukiranka sovitettuna rungon ulkopuolelle rungon 5 tukemiseksi ulkoa päin rungon sisään syntyvää hydrostaattista painetta vastaan ja pohjakartio käsittäen leveämmän yläpään ja kapeamman alapään, yhdistettynä rungon alapäähän kiintoaineen kokoamiseksi. Lisäksi reaktoriin kuuluu syöttövälineet sovitettuna rungon yläpäähän biomassan syöttämiseksi rungon sisään, 10 sekoitusvälineet biomassan sekoittamiseksi ja mikrobien syöttämiseksi biomassan sekaan sovitettuna ainakin osittain rungon sisään, talteenottovälineet syntyvän biokaasun talteen ottamiseksi mikrobien kuluttaessa biomassan orgaanista materiaalia ja kiintoaineen poistovälineet sovitettuna rungon 15 alapäähän pohjakartion alapäähän kiintoaineen poistamiseksi kiintoaineen poistamiseksi.
Tällaisessa reaktorissa biomassa siirtyy painovoimaisesti tulppavirtauksena alaspäin reaktorissa kohti poistovälineitä ja 20 samalla myös biomassan mukana tuleva hajoamaton kiintoaines siirtyy reaktorissa automaattisesti kohti poistovälineitä. Näin kiintoaines päätyy automaattisesti painovoimaisesti rungon alapäässä olevan pohjakartion kautta poistovälineille ja edelleen ulos reaktorin rungon sisältä. Tällöin reaktorin sisään 25 kertyvän kiintoaineksen haittavaikutukset, kuten tukeutuminen ja reaktiotilavuuden pienentyminen, voidaan välttää. Toisaalta Pystysuuntaiseksi sovitettuna keksinnön mukainen reaktori vie huomattavan vähän pöhjapinta-alaa tuotantolaitoksesta ja tuotannon kapasiteettia on helppo lisätä asettamalla keksinnön 30 mukaisia reaktoreita rinnan. Käytettäessä ulkoista tukirankaa reaktorin runko voi olla rakenteeltaan varsin kevyt, sillä rungon sisällä vaikuttavan hydrostaattisen paineen aiheuttama ulospäin suuntautuva voima saadaan otettua vastaan runkoa tukevan ulkoisen tukirangan avulla paksuntamatta reaktorin runkoa.
20185183 PRH 27-02- 2018
Edullisesti sekoitusvälineisiin kuuluu rejektin keräys- ja syöttöjärjestelmä rejektin keräämiseksi lohkoista ja syöttämiseksi ainakin kolmeen lohkoon sakeamassana. 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. Rejektin keräys- ja syöttöjärjestelmä mahdollistaa rejektin sisältämän vahvan mikrobikannan syötön sakeamassana lohkon edelle, mikä varmistaa riittävän mikrobikannan heti kyseisen lohkon alussa. Rejektin syötöllä kuhunkin lohkoon voidaan myös pienentää sekoitusvälineiden tarvitsemaa moottoritehoa.
Edullisesti sekoitusvälineet on toteutettu reaktorin rungon Pystysuunnan suhteen poikittaisilla akseleilla biomassan sekoittamiseksi lohkokohtaisesti. Poikittainen akseli mahdollistaa kunkin lohkon itsenäisen sekoituksen peräkkäisten lohkojen lukumäärästä riippumatta.
Edullisesti rejektin keräys- ja syöttöjärjestelmä on sovitettu syöttämään rejektiä sakeamassana sekoitusvälineiden kautta kitkan pienentämiseksi. Samalla mikrobikantaa saadaan siirretyksi lohkon lopusta alkuosaan tai tarvittaessa lohkosta toiseen. Tarvittaessa samoilla syöttölaitteilla voidaan syöttää reaktoriin erityistä syötettä, jota ei ole kannattavaa syöttää reaktorin alkupäähän, jossa olosuhteet eivät ole optimaaliset syötettävälle erityiselle syötteelle.
Rejektin keräys- ja syöttöjärjestelmään voi kuulua sakeamassapumppu rejektin syöttämiseksi 3 - 35 %, edullisesti 15 - 25 % kuiva-ainepitoisuudessa. Tällöin rejekti pitää sisällään riittävästi kiintoainesta, jonka pinnalla esimerkiksi metano
20185183 PRH 27-02- 2018 geenit eli metaanin muodostumisesta vastaava mikrobikanta pääsääntöisesti elää.
Erään sovellusmuodon mukaan kunkin lohkon sekoitusvälineiden 5 tuenta ja käyttö on sijoitettu rungon ulkopuolelle. Näin sekoitusvälineiden huolto voidaan suorittaa reaktorin ulkopuolelta, mikä helpottaa huoltoa huomattavasti.
Edullisesti reaktiotila on jaettu lohkoihin anaerobisen 10 hajoamisen reaktiovaihekohtaisesti käsittäen ainakin hydrolyysilohkon, happokäymislohkon ja metanogeneesilohkon. Näin kunkin lohkon olosuhteet voidaan optimoida juuri kyseistä reaktiota varten biokaasun tuotannon optimoimiseksi. Edullisesti hydrolyysilohkon pituus on 25 - 35 % reaktiotilan kokonaispi15 tuudesta, happokäymislohkon pituus on myös 25 - 35 % ja metanogeneesilohkon pituus on 30 - 50 % reaktiotilan kokonaispituudesta .
Puhuttaessa lohkokohtaisesta mikrobikannasta tulee ymmärtää, 20 että kussakin lohkossa on sekaisin eri lohkojen mikrobien populaatioita. Hydrolyysilohkossa hydrolyysin kannalta oleellisten mikrobien kanta on 50 - 95 % kaikkien mikrobien lukumäärästä, kuten myös happokäymislohkossa. Metanogeneesilohkon mikrobikanta on herkempi ja siksi mikrobien kanta vastaa 30 - 90 25 % kyseisen lohkon kokonaismikrobikannasta.
Edullisesti reaktoriin kuuluu lisäksi itsenäiset lämmönsäätövälineet biomassan lämpötilan säätämiseksi lohkokohtaisesti. Näin biomassan lämpötilaa voidaan säätää tarkemmin, mikä 30 helpottaa olosuhteiden optimoimista.
Edullisesti ulkoinen tukiranka on sovitettu tukemaan lohkot toisiinsa. Ulkoinen tukiranka 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.
20185183 PRH 27-02- 2018
Erään sovellusmuodon mukaan reaktoriin kuuluu toiset syöttö10 välineet biomassan ja/tai biokaasun syöttämiseksi reaktiotilan seinistä biomassan sekaan virtauksen helpottamiseksi. Sakeamassan tai biokaasun syötöllä reaktorin rungon ja biomassan välistä kitkaa voidaan pienentää ja samalla ympätä biomassaa.
Edullisesti reaktoriin kuuluu biokaasun kierrätysvälineet yhdistettynä talteenottovälineisiin talteen otetun biokaasun kierrättämiseksi paineistettuna reaktorin rungon toiseen eli alapäähän mädätteen sekoittamiseksi ja biokaasun irrottamiseksi mädätteestä. Kierrätysvälineiden avulla mädätettä saadaan 20 sekoitettua, jolloin mädätteen sekaan jäänyt biokaasu pääsee vapautumaan ja nousemaan ylös reaktorin rungon yläpään yhteyteen kaasutilaan, josta se voidaan edelleen ottaa talteen.
Biokaasun kierrätysvälineisiin voi kuulua virtauskanava 25 talteenottovälineiden yhdistämiseksi reaktorin rungon alapäähän biokaasun kierrättämiseksi sekä pumppu sovitettuna virtauskanavaan biokaasun imemiseksi talteenottovälineiltä ja kierrätettävän biokaasun paineistamiseksi ennen biokaasun syöttöä reaktorin rungon sisään rungon alapäästä.
Edullisesti reaktorin runkoon kuuluu osarunkoja, jotka osarungot ovat pituuttaan ja korkeuttaan lukuun ottamatta identtisiä keskenään. Tällainen rakenne tekee reaktorista edullisen valmistaa.
20185183 PRH 27-02- 2018
Edullisesti osarunkoon kuuluu tasomaisia moduuleja, jotka kussakin osarungossa ovat identtisiä keskenään. Modulaarinen reaktori voidaan helposti pakata merikontteihin kuljetusta 5 varten ja se on hyvin nopeasti asennettavissa toimintakuntoon asennuskohteessä.
Edullisesti osarungot muodostavat suoran virtauskanavan, joka toimii reaktiotilana. Pystymallinen kanavamainen rakenne mahdollistaa biomassan etenemisen tulppavirtauksena.
Erään sovellusmuodon mukaan sakeamassapumppu on hydraulitoiminen mäntäpumppu. Tällainen pumppu soveltuu erityisen hyvin sakeamassan pumppaukseen. 15
Lohkoja voi olla vähintään 3, edullisesti 3-6. Tällöin jokaista hajoamisen pääreaktiota varten on vähintään yksi lohko ja kunkin lohkon olosuhteet saadaan optimoitua kutakin mikrobikantaa varten. 20
Tässä yhteydessä puhuttaessa lohkoista tulee ymmärtää, että tässä hakemuksessa esitetyt lohkot ovat reaktorin osia, joissa kussakin on oma pääasiallinen mikrobikantansa ja joita kutakin ohjataan edullisesti itsenäisesti. Yksittäiseen lohkoon voi kuulua yksi 25 tai useampia moduuleista muodostuvia osarunkoja ja sekoitusvälineitä. Lohkojen rajat voivat vaihdella syötettävän biomassan aiheuttamien reaktioalueiden mukaan. Edullisesti lohkojen rajalla tarkoitetaan sitä aluetta, missä mikrobikannan pääpopulaatio muuttuu populaatiosta toiseen. Edullisesti lohkojen 30 välillä ei ole 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 reak ίο tiotilaan syötettävää ja siellä anaerobisesti hajoavaa raaka-ainetta, kun taas mädätteellä ja rejektillä tarkoitetaan reaktiotilasta poistuvaa anaerobisen hajoamisen lopputuotteena tulevaa sakeamassaa.
Edullisesti biokaasun talteenottovälineet on sovitettu reaktorin rungon yläpään yhteyteen. Biokaasu nousee reaktorissa biomassan muodostamassa nestepatjassa ylöspäin ja voidaan poistaa helpoiten reaktorin yläpäästä eli yläpäästä.
Erään edullisen sovellusmuodon mukaan ulkoinen tukiranka on erillinen teräksinen ristikkopalkkirakenne. Tällainen tukiranka on helppo kuljettaa käyttökohteeseen purettuna ja koota paikan päällä kokonaiseksi . Toisaalta teräksinen ristikkopalkkirakenne 15 on jäykkyyteensä nähden varsin kevyt. Toisin sanottuna ulkoinen tukiranka ei ole osa runkoa vaan sen suhteen erillinen kokonaisuus .
Erään toisen sovellusmuodon mukaan ulkoinen tukiranka on valmistettu kuitubetonista. Kuitubetonia on mahdollista 3D-tulostaa, jolloin tukirangan valmistuksessa ei tarvita käsin tehtävää hitsaustyötä.
20185183 PRH 27-02- 2018
Erään sovellusmuodon mukaan reaktorin runko on valmistettu 4 25 20 mm paksusta teräslevystä. Tällöin reaktorin runko on varsin kevyt ja materiaalikustannuksiltaan edullinen toteuttaa, kun tarvittava lujuus saadaan aikaan erillisellä rungon ulkopuolisella tukirangalla.
Vaihtoehtoisesti reaktorin runko voi olla 100 - 400 mm vahvuinen kuitulujitteisesta betonista 3D-valettu rakenne. Kuitubetonin avulla toteutettuna reaktorin rungon valmistuksessa tarvitaan huomattavan vähän käsin tehtävää hitsaustyötä.
20185183 PRH 27-02- 2018
Edullisesti reaktorin rungon korkeus on 2 - 4-kertainen suhteessa reaktorin leveyteen tai pituuteen. Tällöin reaktiotilavuus voi olla suuri suhteessa käytettyyn lattiapinta-alaan reaktorin tilavuuden suuntautuessa pääasiassa pystysuuntaan. 5
Keksinnön mukaista reaktoria voidaan käyttää biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajottamisella menetelmänä, jossa syötetään syötteenä biomassaa reaktiotHaan mekaanisilla syöttölaitteilla ja samalla työnnetään reaktio10 tilassa olevaa biomassaa tulppavirtauksena eteenpäin pystysuunnassa alaspäin. Biomassaa sekoitetaan lohkokohtaisesti perättäisiin lohkoihin jaetussa reaktiotliassa biomassan syöttämiseksi lohkokohtaisille mikrobikannoille ja biomassan siirtämiseksi eteenpäin reaktiotilassa, jossa lohkoja on ainakin 15 kolme käsittäen oman pääasiallisen mikrobikantansa. Biomassan anaerobisen hajoamisen tuloksena syntyvä biokaasu otetaan talteen. Kunkin lohkon mikrobikantaa syötetään vastaavan lohkon edelle ja näistä ainakin kahdessa lohkossa syöttö tapahtuu sakeamassana lohkosta saatavana rejektinä. Lohkokohtaisella 20 olosuhteiden säädöllä kukin anaerobisen hajoamisen reaktio saadaan suoritettua tekniikan tason menetelmiä optimaalisemmissa olosuhteissa. Tässä yhteydessä sanalla edelle tarkoitetaan lohkon alkua eli biomassan kulkusuunnassa vastakkaista suuntaa. Paikka, johon mikrobikantaa syötetään määrittää lohkon alku25 kohdan, sillä mikrobikanta voimistuu merkittävästi tässä kohdassa. Keksinnön tarkoitus saavutetaan, koska mikrobikannan syöttäminen kunkin lohkon edelle vahvistaa mikrobikannan konsentraatiota ja nopeuttaa huomattavasti mikrobikannan kasvua optimiin kyseisessä lohkossa, mikä puolestaan tehostaa mikrobien 30 aikaansaamia reaktioita ja sitä kautta biokaasun tuotantoa.
Edullisesti mikrobikantaa kierrätetään lohkon sisäisesti lohkon lopusta alkuun rejektinä. Kierrätys siirtää lohkon lopussa olevaa vahvaa mikrobikantaa lohkon alkuun, jossa mikrobikanta on luonnostaan heikko.
Rejektiä voidaan syöttää takaisinpäin lohkon eteen, imuvent5 tiileihin rejektin keräys- ja syöttöjärjestelmän kautta määrävälein rejektin keräys- ja syöttöjärjestelmän puhtaana pitämiseksi. Takaisin syötöllä voidaan estää tehokkaasti keräysjärjestelmän tukkiutuminen. Toisin sanottuna rejektiä voidaan syöttää välillä takaisinpäin poistoyhteen kautta siihen 10 lohkoon, mistä rejekti on otettu.
Sekoitusvälineet voivat olla pyöriviä siipielimiä ja biomassan kulkusuunnassa viimeisen lohkon sekoitusvälineitä käytetään vastakkaiseen suuntaan kuin muiden lohkojen sekoitusvälineitä.
Vastakkainen sekoitussuunta helpottaa metanogeneesissä syntyvien biokaasun kaasukuplien vapauttamista biomassan kiintoaineesta .
20185183 PRH 27-02- 2018
Edullisesti biomassaa ympätään pyörittämällä sekoitusvälineitä 20 taaksepäin. Tässä yhteydessä sanalla taaksepäin tarkoitetaan sitä, että sekoitusvälineitä pyöritetään siten, että niiden biomassaa siirtävä voima kohdistuu kohti reaktorin yläpäätä, josta biomassa ainakin pääosin syötetään reaktoriin. Siirtämällä hajotettavaa biomassaa taaksepäin reaktorissa voidaan varmistaa 25 mikrobikannan leviäminen hajotettavaan raaka-aineeseen sekä hajoamistuotteiden sekoittuminen pois mikrobien ympäriltä.
Erään sovellusmuodon mukaan nestemäistä syötettä syötetään reaktoriin sekoitusvälineiden kautta. Näin syötettä voidaan 30 syöttää valittuun kohtaan reaktoria syötteen tarvitseman prosessointiajan mukaan. Toisin sanottuna esimerkiksi reaktorin ensimmäinen lohko voidaan jättää väliin sellaisella raaka-aineelle, joka on helposti hajoavaa, lyhentäen näin biomassan viipymäaikaa reaktorissa.
Edullisesti kussakin lohkossa biomassan lämpötilaa säädetään lohkokohtaisesti. Lohkokohtainen lämpötilan säätö mahdollistaa tarkemman olosuhteiden optimoinnin, mikä tehostaa biokaasun 5 tuotantoa. Tässä yhteydessä lämpötilan säädöllä voidaan tarkoittaa joko biomassan lämmitystä tai jäähdytystä olosuhteista riippuen. Edullisesti reaktoriin syötettävä biomassa tarvitsee lämmitystä ja reaktorin lopussa poistettavasta biomassasta voidaan ottaa talteen lämpöä eli jäähdyttää 10 esimerkiksi syötettävän raaka-aineen esilämmittämiseksi.
Kunkin lohkon ymppäystä ja lämmitystä voidaan tarkkailla ja ohjata itsenäisesti. Näin voidaan varmistua, että kukin anaerobisen hajoamisen reaktio pääsee tapahtumaan reaktiolle 15 otollisissa olosuhteissa. Itsenäisen ohjauksen avulla lohkot ja näin ollen myös reaktio-olosuhteet ovat ainakin lähes toisistaan riippumattomia.
20185183 PRH 27-02- 2018
Erään toisen sovellusmuodon mukaan seinistä voidaan syöttää 20 biokaasua biomassan virtauksen helpottamiseksi. Biokaasu irrottaa biomassaa tehokkaasti reaktiotilan seinistä biokaasukuplia biomassan sisältä. Tällä on merkitystä varsinkin reaktorin viimeisessä lohkossa, koska menetelmällä estetään biokaasun poistuminen mädätteen mukana. 25
Keksinnön mukaisessa reaktorissa sekoitus toteutetaan sekoittamalla reaktorin reaktiotilassa olevaa biomassaa lohkokohtaisesti. Tämän sekoitustavan etuna on, että reaktoria voidaan sekoittaa lohkokohtaisesti siirtämällä massaa paikallisesti 30 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 lohkokohtaisest!. 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 ainakin kahden lohkon mikrobikantaa sakeamassaisena rejektinä biomassan kulkusuun5 nassa taaksepäin lohkon eteen varmistetaan mikrobikannan riittävän suuri populaatio koko lohkossa. Erona pituussuuntaiseen sekoitusakseliin perustuviin biokaasureaktoreihin, on se, että mikrobikantaa voidaan siirtää paikallisesti ja lohkokohtaisesti taaksepäin reaktorissa, jolloin vahvistetaan 10 kyseisen lohkon alueella tapahtuvassa anaerobisen hajoamisen vaiheessa aktiivista mikrobikantaa paikallisesti. Samaan aikaan reaktorin olosuhteita pystytään optimoimaan lohkokohtaisest! ja olosuhteita on mahdollista optimoida paikallisesti hajotusketjun eri vaiheisiin liittyvien mikrobien optimiolosuhteiden mukaan. 15 Tällöin voidaan saavuttaa parempi hajotustulos ja maksimoidaan biokaasuntuotto.
20185183 PRH 27-02- 2018
Reaktorin syöttövälineet voivat olla sovitettu rungon yhteyteen siten, että syöttövälineet syöttävät biomassaa reaktorin rungon 20 sisäpuolella olevan nestepinnan alapuolelle. Tällöin varmistutaan siitä, ettei syötteen mukaan pääsee ilmaa, joka haittaa anaerobisen hajotuksen mikrobikantaa.
Keksinnön mukaisen reaktorin rakenne perustuu edullisesti 25 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 30 se, että laitoksen koko on helposti skaalattavissa (lisäämällä osarunkojen lukumäärää ja suurentamalla pituutta, eli reaktorin kokoa säätämällä), laitos on nopea asentaa ja ottaa käyttöön kohteessa (verrattuna perinteisiin biokaasulaitosratkaisuihin, jotka usein esimerkiksi valetaan muotteihin 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 5 puhuttaessa osarungoista tarkoitetaan rungon muodostavaa konkreettista rakennetta, jossa moduulit muodostavat osarungon sisälle reaktiotilan, 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 9-12 kg orgaanista ainesta vastaavan määrän biomassaa yhtä reaktorin kuutiota vastaavaa tilavuutta kohden vuorokaudessa (9 - 12 kg VS /m3/d). Tämä määrä voi vaihdella huomattavasti syötteen 15 ominaisuuksista riippuen. Keksinnön mukaisen reaktorin hyöty voidaan ulosmitata esimerkiksi valmistamalla huomattavasti pienempi reaktori kuin tekniikan tason mukaiset reaktorit vaatisivat.
Keksintöä kuvataan seuraavassa yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin eräitä keksinnön sovelluksia kuvaaviin piirroksiin, joissa
20185183 PRH 27-02- 2018
Kuva 1 esittää biomassan anaerobisen hajoamisen periaateku25 vana raaka-aineesta lopputuotteeksi,
Kuva 2 esittää keksinnön mukaisen reaktorin periaatteellisen kuvan sivulta päin esitettynä leikkauskuvana,
Kuva 3 esittää keksinnön mukaisen reaktorin periaatteellisen kuvan päästä päin esitettynä leikkauskuvana,
Kuva 4 esittää keksinnön mukaisen reaktorin periaatteellisen kuvan sivulta päin esitettynä,
Kuva 5 esittää keksinnön mukaisen reaktorin erään sovellusmuodon prosessikaaviona,
20185183 PRH 27-02- 2018
Kuva 6 esittää keksinnön mukaisen reaktorin kokonaisuuden periaatekuvana.
Kuvan 1 mukaisesti anaerobinen hajoaminen prosessina sisältää 5 useita vaiheita 100, joissa mikrobit hajottavat orgaanista ainesta. Koska jokainen reaktio tapahtuu parhaiten reaktiokohtaisessa optimiolosuhteessa, on anaerobisen hajoamisen tehokas hyödyntäminen biokaasun tuotantoon suurelta osin kiinni eri osaprosessien vaiheiden optimoinnista. Polysakkaridien 10 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 eli metanogeneesin kannalta 15 edullisissa olosuhteissa pH on noin 6,5 - 8,0. Metanogeneesin kannalta oleellinen mikrobikanta kuolee, jos pH on alle 6 . Lisäksi hydrolyysivaiheessa on hyötyä siitä, jos massassa on alhainen pitoisuus happea, kun taas happi on erittäin toksista metanogeneesivaiheen mikrobeille. Lisäksi metanogeneesi- ja aseto20 geneesivaiheen mikrobit ovat erittäin herkkiä inhiboivien aineiden (mm. lyhytketjuiset rasvahapot, ammoniakki) kertymiselle. Prosessissa käytettävä lämpötila voi olla esimerkiksi 35 - 37 °C tai noin 55 °C. Lämpötila voi kuitenkin vaihdella syötteen ja käytettävän mikrobikannan mukaan. Koska menetelmässä 25 käytettävä, raaka-aineena toimiva, biomassa voi vaihdella koostumuksensa osalta huomattavasti, voivat myös anaerobisen hajoamisen sisältämät reaktiot vaihdella.
Seuraavaksi on kuvattu keksinnön mukaisen reaktorin rakennetta 30 tarkemmin. Kuvien 2 ja 4 mukaisesti keksinnön mukainen reaktori 10 muodostuu modulaarisesta rungosta 12. Modulaariseen runkoon 12 kuuluu tarkemmin sanottuna edullisesti 3-10 osarunkoa 46, jotka muodostavat pystysuunnassa reaktorin 10 kanavamaisen rungon 12 rajoittaen sisäänsä reaktiotilan 14, jossa biomassaa
20185183 PRH 27-02- 2018 hajotetaan anaerobisen hajoamisen kautta biokaasuksi ja mädätteeksi. Tarvittaessa osarunkoja voi olla myös huomattavasti yli kymmenen kappaletta. Osarungot 46 ovat halkaisijaltaan ja muodoltaan toisiaan vastaavia kanavamaisia rakenteita, ja 5 ainoastaan osarunkojen 46 pituus biomassan kulkusuunnassa eli reaktorin pystysuunnassa voi vaihdella. Osarungot voivat olla esimerkiksi 2,2 m leveydeltään ja pituudeltaan, jolloin ainoastaan osarunkojen korkeus ja osarunkojen lukumäärä vaihtelee reaktorilta tarvittavan tilavuuden mukaan. Osarungon 10 korkeus voi olla esimerkiksi 3 m. Reaktorin 10 pystysuunnalla tarkoitetaan tässä yhteydessä samaa suuntaa kuin tulppavirtauksena etenevän biomassan 16 etenemissuunnalla reaktiotilassa 14. Osarungot muodostavat moduulit voivat olla valmiiksi työstettyjä, pintakäsiteltyjä ja eristettyjä. Edullisesti 15 osarungot 46 lukitaan paikoilleen reaktoriin 10 kuuluvan kuvissa 2 ja 4 esitetyn ulkoisen tukirangan 50 avulla ja tiivistetään toisiinsa tiivisteiden avulla tai hitsaamalla. Erillinen ulkoinen tukiranka 50 lukitsee osarungot 46 yhtenäiseksi reaktorin 10 rungoksi 12. Osarungot 46 voivat olla muodoltaan 20 esimerkiksi neliöitä ja niiden rajaaman reaktiotilan 14 poikkileikkaus voi olla myös nelikulmio tai neliö. Toisaalta reaktiotilan poikkileikkaus voi olla myös jokin muu muoto, kuten pyöreä, mutta tällöin joudutaan käyttämään pystysuuntaista sekoitusvälineiden akselia, johon eri lohkojen sekoitusvälineet 25 kytkeytyvät esimerkiksi kytkimen avulla.
Ulkoinen tukiranka 50 on edullisesti kuvan 4 mukainen rungon suhteen erillinen, teräsrakenteinen ristikkopalkkirakenne 94, jossa palkkeja on hitsattu ristikon malliin jäykän rakenteen 30 aikaansaamiseksi. Edullisesti ristikkopalkkirakenteeseen 94 kuuluu kaksi pystyosaa 94.1 molemmin puolin reaktorin 10 runkoa 12 ja pystyosat 94.1 yhdistävä vaakaosa 94.2. Molemmat pystyosat 94.1 ovat tuettu reaktorin 10 runkoon 12 sen ulkopintaan sivulta päin. Reaktorin rungon sisällä vaikuttava hydrostaattinen paine
20185183 PRH 27-02- 2018 pyrkii työntämään reaktorin seiniä ulospäin, mutta ulkoisen tukirangan aikaansaama vastavoima toimii tälle vastavoimana. Ulkoinen tukiranka voi olla esimerkiksi kiinnitetty reaktorin alle muodostettuun lattialaattaan tai pultattuna tuotantotilan 5 lattiaan, jolloin tukirangan pystyosat eivät pääse liikkumaan vaakasuunnassa. Ristikkopalkkirakenteen palkit voivat olla esimerkiksi onttoja putkia, jotka hitsataan yhteen. Tällöin rakenne on materiaalikustannuksiltaan edullinen, mutta silti erittäin jäykkä rakenne. Ulkoisen tukirangan käyttö mahdollistaa 10 reaktorin rungon toteutuksen varsin ohuena rakenteena, mikä olisi mahdotonta ilman erillisen ulkoisen tukirangan tarjoamaa ulkoista tukea. Vaihtoehtoisesti teräksiselle ristikkopalkkirakenteelle ulkoinen tukiranka voidaan muodostaa myös vaijerirakenteena. 15
Rungon 12 ja ulkoisen tukirangan 50 lisäksi reaktoriin 10 kuuluu pohjakartio 17, joka kokoaa reaktorissa alaspäin kulkeutuneen kiintoaineksen eli mädätteen ja biomassan mukana tulleen hajoamattoman aineksen, kuten lasin, metallit ja kiviaineksen, 20 yhteen. Pöhjakartioon 17 kuuluu reaktorin 10 rungon 12 alapäätä 13.2 mitoitukseltaan vastaava yläpää 90 ja edellä mainittua kapeampi alapää 92, johon on kiinnitetty reaktoriin 10 kuuluvat poistovälineet 27. Pohjakartion kartiomainen muoto kokoaa rungon sisällä oleva kiintoaineksen siten, että se päätyy poistovä25 lineiden luo painovoimaisesti ilman erillisiä siirtovälineitä tai kaapimia. Kiintoaineen poistovälineiden 27 avulla poistetaan pohjakartion 17 kautta reaktorin 10 pohjalle kertyvä mädäte ja muu kiintoaines. Kiintoaineen poistovälineet 27 voivat olla esimerkiksi ruuvikuljetin, jonka avulla kiintoaines saadaan 30 siirrettyä pois reaktorin rungon sisältä.
Kiintoaineen poistovälineiden 27 lisäksi reaktoriin 10 kuuluu syöttövälineet 25, joiden avulla biomassaa syötetään reaktorin 10 rungon 12 sisällä reaktiotilassa 14 olevan nestepinnan
20185183 PRH 27-02- 2018 alapuolelle. Syöttövälineet 25 voivat olla mekaaniset, kuten esimerkiksi ruuvikuljetin tai vastaava, joka syöttää biomateriaalia ensimmäisen osarungon 46 sisään. Ruuvikuljettimen 25.1 yhteyteen voi kuulua syöttösuppilo 25.2, jonka kautta raa5 ka-ainetta syötetään ruuvikuljettimelle 25.1. Syöttövälineet ja kiintoaineen poistovälineet voivat olla samalla puolella runkoa, jolloin reaktorin kokonaisuutena vaatima pöhjapinta-ala on edelleen pienempi kuin asettamalla syöttövälineet ja kiintoaineen poistovälineet vastakkaisille puolille. 10
Kuvan 2 mukaisesti reaktoriin 10 kuuluu myös sekoitusvälineet 20 sovitettuna ainakin osittain rungon 12 sisään, joiden sekoitusvälineiden 20 avulla rungon 12 sisällä olevaa, raaka-aineena toimivaa biomassaa 16 sekoitetaan. Keksinnön mukaisesti 15 jokaiseen lohkoon 24 kuuluu edullisesti omat sekoitusvälineet 20, jotka voivat olla esimerkiksi kuvan 3 mukaiset osarungon 46 lävitse reaktorin 10 pystysuunnan suhteen poikittaisella akselilla 48 tuetut lapasekoittimet 36. Lohkolla 24 tarkoitetaan yhden tai useamman osarungon 46 ohjauksellista ja säädöllistä 20 yksikköä, jossa olosuhteet voidaan säätää lohkon alueella vallitsevan pääasiallisen mikrobikannan mikrobitoiminnan kannalta sopiviksi. Keksinnön edullisen sovellusmuodon mukaisesti kuhunkin lohkoon 24 kuuluu ainakin yksi oma lapasekoitin 36, jolloin biomassan 16 sekoitusta voidaan ohjata lohkokoh25 taisesti. Vaihtoehtoisesti lapasekoittimien sijaan voidaan käyttää esimerkiksi sekoitusruuvia tai vastaavaa mekaanista välinettä tai lapasekoittimen ja ruuvin yhdistelmää, jolla biomassaa saadaan liikutettua reaktiotilassa eri suuntiin, myös akselin suuntaisesti. Kuvan 2 mukaisesti lapasekoittimia 36 voi 30 olla osarunkojen 46 lukumäärää vastaava lukumäärä. Tällöin myös lohkoja 24 voi olla sama lukumäärä.
Kuvassa 3 on esitetty keksinnön mukainen reaktori päästä pystysuuntaisesti katsottuna leikkauskuvana. Edullisesti reaktorissa 10 myös sekoitusvälineiden 20 tuenta voidaan järjestää kuvan 4 ulkoisen tukirangan 50 yhteyteen. Tällöin kunkin lapasekoittimen 36 käyttömoottori ja vaihteisto 66 ja akseleiden 48 laakerit 64 on sijoitettu reaktorin 10 rungon 12 5 ulkopuolelle. Tämä helpottaa huomattavasti sekoitusvälineiden 20 huoltoa.
20185183 PRH 27-02- 2018
Reaktoriin 10 voi kuulua lisäksi lämmönsäätövälineet 18 (esitetty kuvassa 5) biomassan 16 lämpötilan säätämiseksi mikrobien 10 toiminnan kannalta optimaaliseen lämpötilaan. Edullisesti lohkojen suhteen itsenäisien sekoitus- ja lämmönsäätövälineiden avulla olosuhteet ja sekoitus saadaan kussakin lohkossa mikrobitoiminnan kannalta optimaalisiksi. Lämmönsäätövälineet 18 voivat olla esimerkiksi kuvassa 4 esitettyihin osarungon 46 15 moduuleihin 52 asennetut vastukset, joilla osarungon 46 rakenteita ja sitä kautta biomassaa 16 lämmitetään. Lämmitys on tärkeää kahden ensimmäisen lohkon osalta, mutta näitä seuraavassa lohkossa tai lohkoissa, jossa metanogeneesi tapahtuu, ei biomassaa välttämättä tarvitse enää lämmittää tai sitä voidaan 20 jopa jäähdyttää biokaasun saannon siitä suuremmin kärsimättä.
Jäähdytys voidaan suorittaa lämmönsäätövälineisiin kuuluvien lämmönvaihtimien avulla, joilla voidaan esimerkiksi esilämmittää reaktoriin syötettävää biomassa. Lämmitykseen voidaan käyttää myös kaasukattiloita, joilla lämmitetään reaktorin vesikier25 toinen lämmitys, jota voidaan ohjata edullisesti kolmessa tai useammassa lohkokohtaisessa piirissä.
Tuotteena saatavan biokaasun talteen ottamiseksi reaktoriin 10 kuuluu talteenottovälineet 22 biokaasun keräämiseksi reak30 tiotilan 14 sisältä. Talteenottovälineet 22 voivat olla rungon yläosaan eli yläpäähän 13.1 muodostettu kuvan 2 putkisto 54, jonka avulla muodostuva biokaasu otetaan talteen varastosäiliöön 78 tai vastaavaan.
20185183 PRH 27-02- 2018
Keksinnön mukaisessa reaktorissa 10 sekoitusvälineisiin 20 kuuluu edullisesti kuvan 2 rejektin keräys- ja syöttöjärjestelmä 56. Rejektin keräys- ja syöttöjärjestelmä 56 on järjestetty osarunkojen 46 sivuun, jonka keräys- ja syöttöjärjestelmä 56 5 avulla kerätään hajoavasta biomassasta 16 rejektiä, joka voidaan syöttää lohkon 24 edelle. Keräys- ja syöttöjärjestelmää ei ole esitetty kuvassa 4, mutta tulee ymmärtää, että osarunkoihin 46 kuuluu tällaiset välineet. Tässä yhteydessä rejektillä tarkoitetaan sakeamassaa. Sakeamassan kuiva-ainepitoisuus on 3-35 10 %, edullisesti 15 - 25 %. Toisaalta 3 - 5 % kuiva-ainepitoisuuden massaa voidaan jossain yhteyksissä nimittäin myös ohutmassaksi. Kuvan 2 mukaisesti keräys- ja syöttöjärjestelmään 56 kuuluu edullisesti yksittäinen sakeamassapumppu 57, jonka avulla rejektiä siirretään putkistoissa. Putkistoon on järjestetty 15 venttiilijärjestelmä 88, joka reaktorin 10 ohjausjärjestelmän ohjauksen perusteella aukaisee halutun lohkon 24 venttiilit 82 ja 84 ja sulkee muiden lohkojen 24 venttiilit 82 ja 84. Edullisesti rejektin syötöllä lohkon edelle tarkoitetaan rejektin syöttämistä rejektin poistoyhdettä edeltävään syöttöyhteeseen, mutta 20 joissain tapauksissa rejektiä voidaan syöttää myös jopa poistoyhdettä edeltävän syöttöyhteen suhteen aiemmin olleeseen syöttöyhteeseen. Edullisesti rejekti kerätään kunkin osarungon sivusta, koska reaktorissa oleva neste muodostaa luonnollisesti nestepaineen, joka auttaa rejektin siirtoa.
Koska rejektin kerääminen on edullisesti osa ymppäystä, tulee huolehtia siitä, että rejektin keräys- ja syöttö järjestelmä pysyy puhtaana ja toimintakuntoisena. Tätä tarkoitusta varten rejektiä voidaan syöttää välillä takaisinpäin poistoyhteen kautta siihen 30 lohkoon, mistä rejekti on otettu. Näin estetään putkiston tukkiutuminen. Puhdistussyöttö voidaan tehdä esimerkiksi kaksi kertaa vuorokaudessa, tai kun pumppu tai pumppujen imupuolella havaitaan tukos automaation seuratessa virtaamaa. Tällöin
20185183 PRH 27-02- 2018 automaatio pyrkii automaattisesti avaamaan vastavirtauksella tukoksen.
Lohkosta poistettu rejekti voidaan johtaa korkealla paineella 5 kuvan 3 putkistoa 40 pitkin lapasekoittimien 36 onttojen akseleiden 48 sisällä olevaan kanavaan ja sitä kautta lapasekoittimen 36 lapoihin 45. Tässä yhteydessä korkealla paineella tarkoitetaan 0,2 - 20 bar:n painetta. Lapoihin voi kuulua suuttimet, joiden kautta rejektiä syötetään biomateriaalin 10 sekaan lapasekoittimia käytettäessä. Vaihtoehtoisesti rejektin sijaan tai sen lisäksi sekoitusvälineiden kautta voidaan syöttää nestemäistä biomassaa syötteenä.
Erään sovellusmuodon mukaan reaktoriin kuuluu lisäksi kuvan 2 15 mukaiset välineet 30 kitkan pienentämiseksi biomassan ja reaktiotilassa olevan biomassan välillä, johon välineisiin 30 kuuluu kuvan 2 välineet 58 sakeamassan ja/tai biokaasun syöttämiseksi kuvan 4 osarungon 46 seinistä 44 osarungon 46 sisään esimerkiksi pumpun avulla. Syötetty sakeamassa ja/tai biokaasu 20 pienentää osarungon 46 sisällä olevan biomassan 16 ja moduulin 52 välistä kitkaa, mikä puolestaan vähentää sekoitusvälineiden 20 voiman tarvetta. Sakeamassan ja/tai biokaasun syöttö voi olla pisteittäistä, jolloin biomassan sekaan syötettäessä sakeamassa ja/tai biokaasu syrjäyttää biomassaa muodostaen siihen aukon, 25 joka edesauttaa hajotettavan biomassan etenemistä eteenpäin reaktiotilassa. Edullisesti sakeamassa on biomassan rejektiä. Samalla, kun syötettävä sakeamassa ja/tai biokaasu pienentää biomassan ja reaktorin rungon välistä kitkaa, se myös ymppää reaktoria. Lisäksi neste/kaasusekoituksella vapautetaan 30 kaasua, joka on sitoutuneena kiintoaineeseen ja varmistetaan, ettei rejektin mädätteen mukana poistu metaania.
Tässä yhteydessä tulee ymmärtää, että sekoitusvälineet, esimerkiksi lapasekoittimet, toimivat sekoituksen lisäksi myös painovoiman ohella pääasiallisina biomassaa tulppavirtauksena eteenpäin työntävinä eliminä. Erään sovellusmuodon mukaan rungon sisäpinta voidaan päällystää esimerkiksi teflon-pinnoitetta vastaavalla pinnoitteella, joka pienentää biomateriaalin ja 5 rungon välistä kitkaa ja estää biomateriaalia kiinnittymästä rungon sisäpintaan.
Edullisesti keksinnön mukaiseen reaktoriin kuuluu huomattava määrä mittausantureita, jotka tarkkailevat olosuhteita kunkin 10 lohkon osalta reaaliaikaisesti. Mitattavia suureita ovat ainakin kussakin lohkossa vallitseva pH ja lämpötila sekä reaktorin yleinen kaasuntuotto. Näiden perusteella muodostetaan erilliset säätösuuret ainakin sekoitusvälineitä, lämmönsäätövälineitä ja rejektin syöttöä varten lohkokohtaisesti. Edullisesti samoin 15 perustein muodostetaan myös säätösuure laitteistolle kitkan pienentämiseksi. Myös biomassan sisältämän orgaanisen aineksen määrä voi olla mittauksen kohde.
20185183 PRH 27-02- 2018
Keksinnön mukaisessa menetelmässä reaktiotila on suurelta osin 20 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 2 nestepintaa ja biomassaa ei ole 25 kuvattu kuvan selkeyden vuoksi, tulee ymmärtää, että reaktiotila 14 on lähes kattoa myöten täynnä biomassaa ja nestepinta ulottuu noin 20 - 200 cm etäisyydelle reaktorin 10 rungon 12 yläpäästä 13.1 eli päästä, johon biomassa syötetään. Mädätteen poistoa reaktorissa ohjataan siten, että nestepinnan korkeus pysyy aina 30 tarvittavalla tasolla. Itse mikrobikanta voidaan siirtää reaktiotilaan reaktorin käynnistyksen yhteydessä esimerkiksi toisesta reaktorista. Syötettävä biomassa voi olla yhdyskuntien, maatalouden tai teollisuuden piirissä syntynyttä biohajoavaa biomassaa, esimerkiksi eläinten lantaa, kotitalouksien, ravintoloiden, kaupan tai elintarviketeollisuuden biojätettä, jätevedenpuhdistuksen lietettä, kasvibiomassaa tai vastaavaa, muttei kuitenkaan runsaasti ligniiniä sisältävää materiaalia kuten puumassaa ilman ligniinin hajotusta.
Edullisesti reaktiotilassa olevan massa kuiva-ainepitoisuus kuiva-aineprosentteina voi olla välillä 10 - 35, mutta tätä kuivempi materiaali on vaikeaa sekoittaa. Kuiva-ainepitoisuus laskee kohti reaktorin loppupäätä, jossa hajoaminen on pidem10 mällä. Biomassaa voidaan syöttää reaktiotHaan esimerkiksi ruuvisyöttimen avulla. Syöttö voi tapahtua esimerkiksi tunnin välein vuorokauden ympäri riippuen raaka-aineena käytettävän biomassan orgaanisen aineen määrästä ja biohajoavuudesta.
20185183 PRH 27-02- 2018
Keksinnön mukaisessa menetelmässä kuvan 2 mukaisesti biomassaa 16 voidaan ympätä neljällä eri tavalla; pyörittämällä sekoitusvälineitä 20, syöttämällä rejektiä rejektin keräys- ja syöttöjärjestelmän 56 avulla sekoitusvälineiden 20 kautta, syöttämällä sakeamassaa ja/tai biokaasua reaktorin 10 rungon 12 20 laidoilta 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 jak25 sottaista energian säästämiseksi. Näiden muutosten seurauksena ohjataan reaktorin sekoitusta, lämmitystä, biomassan syöttöä ja rejektin syöttöä rejektin keräys- ja syöttöjärjestelmällä. Esimerkiksi jos pH: n havaitaan laskevan liian alhaiselle tasolle tai kaasuntuotannon laskevan jonkin lohkon alueella, voidaan 30 olosuhteisiin vaikuttaa paikallisesti tehostamalla sekoitusta kyseisessä lohkossa sekä lisäämällä tai vähentämällä rejektin syöttöä kyseiseen lohkoon.
20185183 PRH 27-02- 2018
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, 5 jotka voivat inhiboida mikrobien toimintaa. Sekoitusta voidaan käyttää esimerkiksi tunnin välein 15 minuutin ajan samalla syöttäen lohkoon rejektiä. Edullisesti sekoitusta käytetään sivuttain suuntautuvan voiman aikaansaavan sekoitussuunnan lisäksi myös tulppavirtauksen suunnalle päinvastaiseen suuntaan, 10 jolloin saadaan aikaan toisenlainen sekoitus. Esimerkiksi lapasekoitinta käytettäessä yhdensuuntainen sekoitus liikuttaa biomassaa aina tietyssä kohtaa lapasekoittimen tiettyyn suuntaan. Sekoitussuunnan vaihdos tuo mukaan erilaisia sekoitussuuntia, mikä tehostaa biomassan sekoitusta, mikrobien 15 ymppäystä ja orgaanisen raaka-aineen saantia mikrobeille.
Yleisesti biomassan läpimenoaika reaktorissa voi olla 11 - 50 päivää raaka-aineena käytettävästä biomassasta riippuen.
Sekoitus ja sen suunta määritetään mitattujen arvojen mukaan, 20 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 25 loputkin biokaasut, jotka voivat olla kiinteän mädätteen sisällä kuplina niin sanotuissa kaasutaskuissa. Tämä on tärkeää, jotta biokaasun talteenotto saadaan tehokkaaksi ja jottei metaania pääse mädätteen mukana ilmakehään, missä se on voimakas kasvihuonekaasu. Edullisesti viimeisessä lohkossa sekoitusvä30 lineitä pyöritetään vastakkaiseen suuntaan kuin muissa lohkoissa sekoituksen tehostamiseksi. Reaktorista poistettava mädäte voidaan johtaa separointiin, jossa siitä erotetaan nestettä. Tätä nestettä voidaan käyttää esimerkiksi rejektin keräys- ja syöttöjärjestelmän puhdistukseen.
20185183 PRH 27-02- 2018
Reaktiotilassa mikrobit saavat aikaan hapettomassa tilassa biomassan anaerobisen hajoamisen, joka tekniikan tason mukaisesti sisältää hydrolyysi-, happokäymis- (asidogeneesi), 5 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 10 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 (CO2) . Näiden lisäksi lopputuote voi sisältää 15 pieniä määriä muita kaasuja ja epäpuhtauksia kuten esimerkiksi 100 - 3000 ppm rikkivetyä (H2S) . Biokaasun loppukäytöstä riippuen menetelmästä saatu biokaasu voidaan puhdistaa hiilidioksidista esimerkiksi, jos biokaasua käytetään tieliikenteen käytössä polttoaineena. Toisaalta, jos biokaasua käytetään polttokat20 tilassa energian- ja kaukolämmöntuotantoon, voidaan sitä käyttää sellaisenaan. Hajoamisreaktioiden seurauksena reaktiotilassa 50 - 90 % syötteen sisältämästä orgaanisesta aineesta muuttuu biokaasuksi ja nesteeksi. Sivutuotteena syntyvä mädäte voidaan tarvittaessa esimerkiksi kuivata tai jatkokäsitellä muilla 25 tavoin sekä hyödyntää esimerkiksi lannoituskäytössä tai maanparannusaineena.
Keksinnön mukaisen reaktorin koko voi vaihdella huomattavasti käyttötarkoituksen mukaan. Reaktorin koko voi olla esimerkiksi 30 2mx2mx4m (p,l,k), mutta se on skaalattavissa myös esimerkiksi luokkaan 12 m x 12 m x 50 m tai suuremmaksi. Suurien reaktorikokojen yhteydessä voidaan käyttää useampia syöttölaitteita syötön tasaisuuden saavuttamiseksi. Tässä 12 m tarkoittaa
20185183 PRH 27-02- 2018 reaktorin pituutta ja leveyttä ja 50 m reaktorin korkeutta tulppavirtauksen kulkusuunnassa.
Keksinnön mukaisen reaktorin ohjaus voidaan toteuttaa käyttäen 5 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, 10 jolloin ohjelma ohjaa reaktorin toimintaa esivalittujen kriteerien perusteella esivalittuja sääntöjä noudattaen.
Kuvassa 5 on esitetty keksinnön erään sovellusmuodon mukainen reaktori prosessikaaviona yhdessä reaktoriin liittyvien 15 lisälaitteiden kanssa. Eräässä sovellusmuodossa prosessi käynnistyy syöttöpöydältä, johon kiinteä biomassa syötetään edullisesti paaleina, jotka revitään paalinrepijällä pienemmäksi silpuksi. Syöttöpöytää ja paalinrepijää ei ole esitetyt kuvissa. Paalinrepijäitä syöte tippuu syöttösuppiloon 25.2 ja sitä kautta 20 ruuvikuljettimelle 25.1, joka syöttää syötettä syöttöyhteen 71 kautta reaktoriin 10 esiasetetuin määrävälein, esimerkiksi kerran tunnissa. Syöttöyhteeseen 71 voi olla sijoitettu putkimurskain, joka edelleen hienontaa syötettä. Syöttöyhteeseen 71 voidaan syöttää linjan 75 kautta kiinteän biomassan lisäksi 25 reaktorin nestemäistä rejektiä kitkan pienentämiseksi. Reaktoriin 10 voidaan syöttää myös nestemäistä syötettä, esimerkiksi rasvoja, joita voidaan säilöä säiliössä 76. Nestemäistä syötettä voidaan johtaa reaktoriin rejektin keräys- ja syöttöjärjestelmän 56 sakeamassapumpun 57 kautta.
Kuvan 5 mukaisesti reaktoriin 10 voi kuulua neljä mekaanista sekoitinta, jotka voivat olla tässä yhteydessä lapasekoittimia 36. Sekoittimia voi olla myös rinnakkain, jolloin yksittäisen sekoittimen halkaisija on pienempi. Kullekin lapasekoittimelle
20185183 PRH 27-02- 2018 on edullisesti oma moottori 65 ja taajuusmuuttaja, joiden avulla pyörintänopeutta voidaan säätää. Yksittäisen moottorin teho voi olla esimerkiksi 4 kW ja pyörintänopeuden 6 kierrosta minuutissa. Reaktorin 10 runko 12 jakautuu vähintään kolmeen 5 lohkoon 24 eli hydrolyysilohkoon, happokäymislohkoon ja metanogeneesilohkoon. Kussakin lohkossa 24 rejektiä syötetään rejektin keräys- ja syöttöjärjestelmän 56 avulla lohkon edelle. Kuvan 5 mukaisesti rejektiä poistetaan lohkosta poistoyhteen 60 kautta keräys- ja syöttöjärjestelmään 56 edullisesti salo keamassana sakeamassapumpun 57 aikaansaamaan alipaineen avulla.
Esimerkiksi kolmannen lapasekoittimen 36 ' kohdalla rejektiä poistetaan poistoyhteen 60' kautta, kun poistoventtiili 82' on auki. Rejekti kulkee sakeamassapumpun 57 kautta ja sitä syötetään avoimen syöttöventtiilin 84' kautta rejektin syöttöyhteeseen 15 62'. Tässä tapauksessa rejektin syöttöyhde 62' sijaitsee edullisesti lapasekoittimen 36' lavoissa. Viitenumerolla 62 tarkoitetaan yleisesti syöttöyhdettä, viitenumerolla 82 poistoventtiiliä ja viitenumerolla 84 syöttöventtiiliä.
Toisin sanottuna edullisesti kunkin lohkon mikrobikantaa kierrätetään lohkon sisällä siten, että mikrobikantaa otetaan rejektinä pois lohkosta ja syötetään edullisesti sekoitusvälineiden kautta takaisin lohkoon. Kussakin lohkossa rejektin poistoyhde on etäisyyden päässä sekoitusvälineistä tai rejektin 25 syöttöyhteestä, josta rejektiä syötetään takaisin lohkoon. Tämä etäisyys vaihtelee reaktorin mittakaavan mukaan, mutta edullisesti syöttöyhde ja rejektin poistoyhde ovat 0,2 - 0,6 kertaa lohkon pituuden mittaisella etäisyydellä toisistaan, rejektin poistoyhteen ollessa mahdollisimman lähellä lohkon loppupäätä.
Etäisyys mahdollistaa mikrobikannan luonnollisen kehityksen lohkon sisällä.
Hajotettu biomassa eli mädäte poistetaan reaktorin 10 lopusta eli viimeisestä lohkosta 24 pumpun 68 avulla. Pumppua käytetään reaktorin 10 pinnankorkeusmittarin mittaukseen perustuen esivalitun pinnankorkeuden ylittyessä. Poistettu mädäte johdetaan edullisesti kuivamädätevarastoon, jossa separoidaan matriisiputkella kuiva-ainetta ja nestettä erilleen. Reaktorissa 5 syntyvä biokaasu voidaan ottaa talteen kaasuvarastoon 78.
Edullisesti kaasuvaraston yhteydessä on myös kondenssivesikaivo 81, johon 100 % kosteudessa olevasta biokaasusta tiivistyvä kondenssivesi kerätään. Biokaasusta osa voidaan käyttää reaktorin nestemäisen lämmityskierron 77 lämmittämiseen 10 kaasukattilalla 74.
20185183 PRH 27-02- 2018
Erään sovellusmuodon mukaan reaktoriin 10 kuuluu biokaasun kierrätysvälineet yhdistettynä talteenottovälineisiin 22 talteenotetun biokaasun kierrättämiseksi paineistettuna 15 reaktorin rungon alapäähän mädätteen sekoittamiseksi ja biokaasun irrottamiseksi mädätteestä. Biokaasun kierrätysvälineisiin voi kuulua kuvan 2 mukaisesti virtauskanava talteenottovälineiden 22 yhdistämiseksi reaktorin 10 rungon 12 alapäähän 13.2 biokaasun kierrättämiseksi sekä pumppu 33 20 sovitettuna virtauskanavaan biokaasun imemiseksi talteenottovälineiltä ja kierrätettävän biokaasun paineistamiseksi ennen biokaasun syöttöä reaktorin 10 rungon 12 sisään rungon 12 alapäähän 13.2. 25 Keksinnön mukaisen reaktorin runko on edullisesti valmistettu teräslevystä hitsaamalla, mutta runko voi olla myös materiaalia, joka voidaan 3D-tulostaa. Tällaisia materiaaleja voivat olla esimerkiksi betoni, kuitubetoni tai komposiitti. Ulkoinen tukiranka puolestaan on edullisesti terästä, mutta periaatteessa 30 myös ulkoinen tukiranka voidaan 3D-tulostaa betonista tai kuitubetonista. Keksinnön mukainen reaktori, jossa on pystysuuntainen runko, on myös 3D-tulostuksen kannalta edullinen, koska 3D-tulostimen tulostuspään siirtymäetäisyydet ovat pienemmät kuin vaakamallisessa reaktorissa.
Keksinnön mukaisia reaktoreita voidaan helposti asentaa vierekkäin ilman väliä, jolloin kokonaisuuden kapasiteettia on helppo kasvattaa. Keksinnön mukaisen reaktorin pieni pohja5 pinta-ala mahdollistaa tällaisen vierekkäisen asettelun.
Keksinnön mukaisessa reaktorissa 10 syöttövälineet 25 ja kiintoaineen poistovälineet 27 voivat olla samalla puolella, jolloin reaktorin 10 syöttövälineitä 25 varten tehty rakennus ja kiintoaineen poistovälineitä 27 varten tehty rakennus voivat olla sama rakennus 99. Biomassa voidaan tuoda rakennukseen esimerkiksi kuorma-auton 98 avulla.

Claims (15)

  1. PATENTTIVAATIMUKSET
    1. Reaktori biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajotuksella, johon kuuluu
    5 - runko (12) käsittäen kaksi päätä (13), nimittäin yläpään (13.1) ja alapään (13.2) rajoittaen sisälleen reaktiotilan (14) biomassaa (16) varten, joka runko (12) on kanavamainen biomassan (16) tulppavirtausta varten, ja johon runkoon (12) kuuluu ainakin kolme peräkkäistä lohkoa (24) mikrobikantoineen,
    10 - syöttövälineet (25) sovitettuna rungon (12) yläpäähän (13.1) biomassan syöttämiseksi rungon (12) sisään,
    - sekoitusvälineet (20) biomassan (16) sekoittamiseksi ja mikrobien syöttämiseksi biomassan (16) sekaan sovitettuna ainakin osittain rungon (12) sisään,
    15 - talteenottovälineet (22) syntyvän biokaasun talteen ottamiseksi mikrobien kuluttaessa biomassan (16) orgaanista materiaalia, ja
    - kiintoaineen poistovälineet (27) sovitettuna rungon (12) alapäähän (13.2) kiintoaineen poistamiseksi,
    20 tunnettu siitä, että sanottu runko (12) on sovitettu pystymalliseksi biomassan (16) liikkuessa reaktorissa (10) vertikaalisuunnassa, ja reaktoriin (10) kuuluu lisäksi
    - ulkoinen tukiranka (50) sovitettuna rungon (12) ulkopuolelle rungon (12) tukemiseksi ulkoa päin rungon (12)
    25 sisään syntyvää hydrostaattista painetta vastaan,
    - pohjakartio (17) käsittäen leveämmän yläpään (90) ja kapeamman alapään (92), yhdistettynä rungon (12) alapäähän (13.2) kiintoaineen kokoamiseksi, ja sanotut kiintoaineen poistovälineet (27) on sovitettu 30 pohjakartion (17) alapäähän (92) kiintoaineen poistamiseksi.
  2. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että sekoitusvälineisiin (20) kuuluu rejektin keräys- ja syöttöjärjestelmä (56) rejektin keräämiseksi lohkoista (24) ja syöttämiseksi ainakin kolmeen lohkoon (24) sakeamassana.
  3. 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen reaktori, tunnettu 5 siitä, että rejektin keräys- ja syöttöjärjestelmään (56) kuuluu sakeamassapumppu (57) rejektin syöttämiseksi 3 - 35 %, edullisesti 10 - 20 % kuiva-ainepitoisuudessa.
  4. 4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen reaktori, tunnettu 10 siitä, että reaktoriin (10) kuuluu välineet (30) sakeamassan ja/tai biokaasun syöttämiseksi reaktiotilan (14) seinistä (44) biomassan (16) sekaan virtauksen helpottamiseksi.
  5. 5. Jonkin patenttivaatimuksen 2-4 mukainen reaktori, 15 tunnettu siitä, että sanottu sakeamassapumppu (57) on hyd- raulitoiminen mäntäpumppu.
  6. 6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että sanotut sekoitusvälineet (20) on toteutettu
    20 reaktorin (10) rungon (12) pystysuunnan suhteen poikittaisilla akseleilla biomassan (16) sekoittamiseksi lohkokohtaisesti.
    20185183 PRH 27-02- 2018
  7. 7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että lohkoja (24) on vähintään 3, edullisesti 3
    25 - 6 .
  8. 8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-10 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että sanotut talteenottovälineet (22) on sovitettu reaktorin (10) rungon (12) yläpään (13.1) yhteyteen.
  9. 9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että ulkoinen tukiranka (50) on teräksinen ristikkopalkkirakenne (94) .
    20185183 PRH 27-02- 2018
  10. 10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että reaktorin (10) runko (12) on valmistettu 4 - 20 mm paksusta teräslevystä.
    5
  11. 11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että reaktorin (10) runko (12) on 100 - 400 mm vahvuinen kuitulujitteisesta betonista 3D-valettu rakenne.
  12. 12. Jonkin patenttivaatimuksen 1-11 mukainen reaktori, 10 tunnettu siitä, että reaktoriin (10) kuuluu biokaasun kierrä- tysvälineet yhdistettynä talteenottovälineisiin (22) talteenotetun biokaasun kierrättämiseksi paineistettuna reaktorin rungon alapäähän mädätteen sekoittamiseksi ja biokaasun irrottamiseksi mädätteestä. 15
  13. 13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että biokaasun kierrätysvälineisiin kuuluu virtauskanava talteenottovälineiden (22) yhdistämiseksi reaktorin (10) rungon (12) alapäähän biokaasun kierrättämiseksi sekä pumppu (33)
    20 sovitettuna virtauskanavaan biokaasun imemiseksi talteenottovälineiltä ja kierrätettävän biokaasun paineistamiseksi ennen biokaasun syöttöä reaktorin (10) rungon (12) sisään rungon (12) alapäähän (13.2) .
    25
  14. 14. Jonkin patenttivaatimuksen 1-13 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että reaktorin (10) rungon (12) korkeus on 2 4-kertainen suhteessa reaktorin (10) leveyteen tai pituuteen.
  15. 15. Jonkin patenttivaatimuksen 1-14 mukainen reaktori,
    30 tunnettu siitä, että reaktorin (10) syöttövälineet (25) on sovitettu rungon (12) yhteyteen siten, että syöttövälineet (25) syöttävät biomassaa reaktorin (10) rungon (12) sisäpuolella olevan nestepinnan alapuolelle.
FI20185183A 2018-02-27 2018-02-27 Reaktori biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajotuksella FI129001B (fi)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20185183A FI129001B (fi) 2018-02-27 2018-02-27 Reaktori biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajotuksella
UAA202006182A UA127419C2 (uk) 2018-02-27 2019-02-25 Реактор для виробництва біогазу з біомаси із застосуванням анаеробного дигерування
CN201980014648.5A CN111868225A (zh) 2018-02-27 2019-02-25 利用厌氧消化从生物质生产沼气的反应器
PCT/FI2019/050151 WO2019166694A1 (en) 2018-02-27 2019-02-25 Reactor for producing biogas from biomass using anaerobic digestion
EP19760206.3A EP3759211A4 (en) 2018-02-27 2019-02-25 REACTOR FOR GENERATING BIOGAS FROM BIOMASS VIA ANAEROBIC DIGESTION

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20185183A FI129001B (fi) 2018-02-27 2018-02-27 Reaktori biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajotuksella

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FI20185183A1 true FI20185183A1 (fi) 2019-08-28
FI129001B FI129001B (fi) 2021-04-30

Family

ID=67805178

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20185183A FI129001B (fi) 2018-02-27 2018-02-27 Reaktori biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajotuksella

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP3759211A4 (fi)
CN (1) CN111868225A (fi)
FI (1) FI129001B (fi)
UA (1) UA127419C2 (fi)
WO (1) WO2019166694A1 (fi)

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60202797A (ja) * 1984-03-24 1985-10-14 Hitachi Kiden Kogyo Ltd ユニツト形立型多段発酵槽
DE3539875A1 (de) * 1985-11-11 1987-05-14 Keller & Bohacek Gmbh Verfahren und vorrichtung zum herstellen enzymhaltiger biomasse aus zuckerruebenschnitzeln
US6908555B2 (en) * 2002-04-29 2005-06-21 Columbus Water Works Biosolids flow-through thermophilic treatment process
DE102005041798B4 (de) * 2005-09-02 2014-08-14 Agraferm Technologies Ag Fermenter und Verfahren zum Betreiben eines Fermenters
CN1994596B (zh) * 2006-01-01 2011-05-04 周诗忠 生活垃圾生态循环资源化联合装置
US7824906B2 (en) * 2007-07-19 2010-11-02 Arcadis U.S., Inc. Anaerobic reactor and corresponding method for digesting organic material
CN201080460Y (zh) * 2007-08-11 2008-07-02 青岛天人环境工程有限公司 一种垂直运行的干式厌氧消化装置
CN101381674B (zh) * 2008-06-05 2012-06-13 北京桑德环保集团有限公司 一种立式无搅拌有机废物干式厌氧消化处理设备及方法
IT1393428B1 (it) * 2009-01-09 2012-04-20 Marcopolo Engineering S P A Sistemi Ecologici Dipositivo e procedimento per l'ottenimento di biomasse da un liquame organico, particolarmente un liquame di origine zootecnica
WO2012067547A1 (ru) * 2010-11-16 2012-05-24 Общество С Ограниченной Ответственностью "Титан-Агро" (Ооо Титан-Агро) Модуль-ферментёр
US9040289B2 (en) * 2012-07-23 2015-05-26 Bactee Systems, Inc. Gravity assisted compost reactor
CN103074206A (zh) * 2013-01-03 2013-05-01 合作市农业工作站 一种沼气池支架
CN104232690B (zh) * 2013-06-19 2017-06-16 清勤水处理科技（上海）有限公司 餐厨垃圾的处理方法
FI125284B (fi) * 2013-11-21 2015-08-14 Biogts Oy Menetelmä biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajottamisella ja vastaava reaktori
CN103614288B (zh) * 2013-12-11 2015-04-08 山东省农业科学院农业资源与环境研究所 一种有机垃圾高固体厌氧反应装置及厌氧反应方法
CN105985902A (zh) * 2015-01-30 2016-10-05 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种内循环式干式厌氧反应装置
US10457613B2 (en) * 2015-08-19 2019-10-29 Council Of Scientific & Industrial Research Anaerobic column reactor for biodegradation of wastes and the process thereof
CN106609238B (zh) * 2015-10-23 2020-04-03 深圳市普新环境资源技术有限公司 支架式软体厌氧反应器
CN105349409B (zh) * 2015-11-25 2018-02-09 清华大学 一种连续式固态发酵产沼气的装置
CN105441322A (zh) * 2015-12-15 2016-03-30 成都迅德科技有限公司 新型沼气搅拌装置
CN206359435U (zh) * 2017-01-03 2017-07-28 鹏鹞环保股份有限公司 固体有机废物高温好氧发酵罐

Also Published As

Publication number Publication date
EP3759211A4 (en) 2021-11-10
CN111868225A (zh) 2020-10-30
UA127419C2 (uk) 2023-08-16
EP3759211A1 (en) 2021-01-06
WO2019166694A1 (en) 2019-09-06
FI129001B (fi) 2021-04-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8568591B2 (en) System and method for thermophilic anaerobic digester process
CA2464693C (en) Fixed-film anaerobic digestion of flushed manure
KR101342982B1 (ko) 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템
KR101785611B1 (ko) 유기성폐기물 자원화 처리시설
US8470177B2 (en) Method and apparatus for anaerobic digestion of organic liquid waste streams
US20110318778A1 (en) Organic Substrate Treatment System
US20050230308A1 (en) Induced sludge bed anaerobic reactor
US9409806B2 (en) System and method for thermophilic anaerobic digester process
US20150315535A1 (en) Process for the Production of Biogas
JP2010527762A (ja) ポンプ注入可能な有機材料からバイオガスを生成するための発酵槽
EP3759210A1 (en) Anaerobic digestion reactor and plant
FI125284B (fi) Menetelmä biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajottamisella ja vastaava reaktori
WO2014124500A1 (en) A system for processing organic waste
WO2012009462A2 (en) Solid waste digestion system
RU2408546C2 (ru) Метантенк для анаэробной обработки органических отходов
FI129001B (fi) Reaktori biokaasun valmistamiseksi biomassasta anaerobisella hajotuksella
KR101286072B1 (ko) 2상 혐기소화 장치
RU2399184C1 (ru) Биогазовый комплекс
US20160122703A1 (en) Method and system for treating organic waste and wastewater
ITCE20120007A1 (it) Impianto sinergico di digestione, disidratazione e compostaggio lineare (d.d.c.l.)
US20230150854A1 (en) Method and apparatus for anaerobic digestion of liquid waste streams
CN107954567A (zh) 一种食品污水处理系统
IT201700006198A1 (it) Apparato per la produzione di biogas da biomasse e relativo metodo
KR20080110846A (ko) 높은 고형 호열 혐기성의 소화조

Legal Events

Date Code Title Description
PC Transfer of assignment of patent

Owner name: BIOGTS GREEN ENERGY COMPANY LIMITED

FG Patent granted

Ref document number: 129001

Country of ref document: FI

Kind code of ref document: B

PC Transfer of assignment of patent

Owner name: BIOALL INTERNATIONAL GREENTECH CO., LIMITED