ITVR20110163A1

ITVR20110163A1 - PROCESS FOR THE TREATMENT OF BIOMASSES OF FOOD AND DIGESTATES IN THE PRODUCTION OF BIOGAS

Info

Publication number: ITVR20110163A1
Application number: IT000163A
Authority: IT
Inventors: Savino Sartori
Original assignee: Savino Sartori
Priority date: 2011-08-03
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2013-02-04

Description

Titolo: "PROCESSO PER IL TRATTAMENTO DI BIOMASSE DI ALIMENTO E DI DIGESTATI NELLA PRODUZIONE DI BIOGAS" Title: "PROCESS FOR THE TREATMENT OF FOOD BIOMASS AND DIGESTATES IN THE PRODUCTION OF BIOGAS"

CAMPO DI APPLICAZIONE FIELD OF APPLICATION

La presente invenzione riguarda un processo per il trattamento di biomasse di diversa provenienza, utilizzate negli impianti di produzione di biogas e del digestato in essi prodotto. The present invention relates to a process for the treatment of biomasses of different origins, used in biogas production plants and the digestate produced therein.

Le biomasse di alimento dei reattori di produzione di biogas, quando di derivazione agro-alimentare -contengono un rilevante contenuto di azoto nelle sue forme e prevalentemente di natura ammoniacale. The feed biomasses of biogas production reactors, when of agro-food derivation -contain a significant content of nitrogen in its forms and mainly of ammoniacal nature.

L'azoto ammoniacale è un elemento fondamentale nella produzione di biogas, ma la sua concentrazione deve essere controllata, mantenendolo in un intervallo ottimale, al fine di ottenere il massimo rendimento di conversione della biomassa in metano. Ammonia nitrogen is a fundamental element in the production of biogas, but its concentration must be controlled, keeping it in an optimal range, in order to obtain the maximum conversion efficiency of biomass into methane.

La presente invenzione introduce un processo di termolisi a elevata temperatura e pressione, utilizzando anche reagenti chimici, con lo scopo di mantenere controllati i parametri di buona resa del processo di produzione di biogas. The present invention introduces a high temperature and pressure thermolysis process, also using chemical reagents, with the aim of keeping the good yield parameters of the biogas production process controlled.

La termolisi, applicata al flusso di biomassa in ingresso ai reattori di produzione di biogas o al flusso di digestato in uscita, risolve il problema del contenimento del contenuto di azoto sia nella fase di alimento che di scarico. Mediante questo processo, si ottiene la spandibilità in agricoltura e la produzione di compost con concentrazioni di azoto controllate. Thermolysis, applied to the biomass flow entering the biogas production reactors or the digestate flow leaving, solves the problem of containing the nitrogen content both in the feed and in the discharge phase. Through this process, spreadability in agriculture and the production of compost with controlled nitrogen concentrations is achieved.

STATO DELLA TECNICA STATE OF THE TECHNIQUE

È noto che per digestione anaerobica si intende la degradazione della sostanza organica da parte di biospecie, microrganismi, batteri, spore etc., in condizioni di anaerobiosi, con produzione di una miscela di metano, anidride carbonica, ammoniaca e altro, definito "biogas". Il processo di digestione si attua in reattori chiusi, con tempi, temperature e concentrazione di biomasse fortemente variabili, secondo l'esperienza e la pratica dei costruttori di impianti. It is known that anaerobic digestion means the degradation of the organic substance by biospecies, microorganisms, bacteria, spores, etc., in conditions of anaerobiosis, with the production of a mixture of methane, carbon dioxide, ammonia and more, defined as "biogas" . The digestion process takes place in closed reactors, with highly variable times, temperatures and biomass concentration, according to the experience and practice of plant builders.

La preparazione della biomassa in ingresso ai bioreattori è di natura meccanica come la macinazione, 1'affinazione, la separazione dei solidi grossolani e la miscelazione con diverse masse di diluizione, onde adeguare il rapporto delle specie biodegradabili presenti ai rapporti molecolari che consentono un buon rendimento di produzione di biogas. The preparation of the biomass entering the bioreactors is mechanical in nature such as grinding, refining, separation of coarse solids and mixing with different dilution masses, in order to adapt the ratio of biodegradable species present to the molecular ratios that allow a good yield. of biogas production.

Le masse di diluizione sono generalmente più costose e migliorano la resa di biogas, a scapito della possibilità di smaltimento attraverso la produzione di biogas delle biomasse meno idonee allo scopo. The dilution masses are generally more expensive and improve the biogas yield, to the detriment of the possibility of disposal through the production of biogas of the biomasses less suitable for the purpose.

Il digestato, in uscita dal reattore di riduzione di biogas, viene separato in due frazioni: una solida, destinata ad una stabilizzazione aerobica per lo spandimento in agricoltura, e una liquida con elevatissimi contenuti di COD e ammoniaca, che viene trattata con processi a membrana evaporativi e biologici ai fini della scaricabilità in acque superficiali. The digestate, leaving the biogas reduction reactor, is separated into two fractions: a solid one, intended for aerobic stabilization for spreading in agriculture, and a liquid one with very high COD and ammonia contents, which is treated with membrane processes evaporative and biological for the purposes of discharging into surface waters.

Parte della fase liquida viene riciclata in alimento all'impianto di biogas in misura limitata a causa del suo contenuto di azoto. Part of the liquid phase is recycled into feed to the biogas plant to a limited extent due to its nitrogen content.

DESCRIZIONE DELL' INVENZIONE DESCRIPTION OF THE INVENTION

La presente invenzione si propone di mettere a disposizione un processo per il trattamento di digestati da produzione di biogas, in grado di eliminare o quantomeno ridurre gli inconvenienti sopra evidenziati, detto processo essendo di termolisi attuato ad elevata temperatura e pressione, da applicarsi al flusso in ingresso e al digestato tal quale dopo la prima separazione dai solidi grossolani, ottenendo la separazione dell'azoto ammoniacale. The present invention aims to provide a process for treating digestates from biogas production, capable of eliminating or at least reducing the drawbacks highlighted above, said process being thermolysis carried out at high temperature and pressure, to be applied to the flow in input and to the digestate as it is after the first separation from the coarse solids, obtaining the separation of ammoniacal nitrogen.

Secondo l'invenzione è previsto che il flusso in ingresso e/o il digestato venga avviato ad uno scambiatore di calore o reattore, riscaldato con i fluidi tradizionali quali vapore, acqua surriscaldata, olio diatermico, sali eutettici o gas caldi. Il flusso viene mantenuto in temperatura per un tempo predefinito, in un processo continuo o discontinuo, all'interno di un reattore o serie di reattori in cascata. According to the invention, the inlet flow and / or the digestate is sent to a heat exchanger or reactor, heated with traditional fluids such as steam, superheated water, diathermic oil, eutectic salts or hot gases. The flow is maintained at temperature for a predefined time, in a continuous or batch process, inside a reactor or series of cascaded reactors.

Il campo di temperatura nel quale si realizza la termolisi è di 150°C÷250°C con pressioni tra 6 e 40 bar. The temperature range in which thermolysis takes place is 150 ° C ÷ 250 ° C with pressures between 6 and 40 bar.

L'invenzione si propone inoltre di fornire un processo di termolisi di digestati da produzione di biogas, che prevede di essere realizzato in assenza di ausiliari chimici, ma che possa essere opportunamente integrato, in casi particolari, all'uso di sostanze con azione catalitica o di reagenti quali le basi (soda caustica, soda carbonato, basi di potassio, magnesio ossido e idrato, calcio ossido e idrato) acidi forti e catalizzatori che ne migliorino i rendimenti. The invention also proposes to provide a thermolysis process of digestates from biogas production, which foresees to be carried out in the absence of chemical auxiliaries, but which can be suitably integrated, in particular cases, with the use of substances with catalytic or of reagents such as bases (caustic soda, soda carbonate, potassium bases, magnesium oxide and hydrate, calcium oxide and hydrate) strong acids and catalysts that improve their yields.

Il processo di termolisi applicato alla frazione liquida del digestato, consente la destrutturazione molecolare delle biospecie presenti ottenendo un flusso nel quale la frazione solida liquida diventa separabile anche in assenza di ausiliari chimici e dal quale l'ammoniaca si libera in fase vapore per essere assorbita, risolvendo quindi il problema della rimozione dell'azoto ammoniacale. The thermolysis process applied to the liquid fraction of the digestate, allows the molecular destructuring of the biospecies present, obtaining a flow in which the liquid solid fraction becomes separable even in the absence of chemical auxiliaries and from which the ammonia is released in the vapor phase to be absorbed. thus solving the problem of removing ammoniacal nitrogen.

Il processo di termolisi proposto nella presente invenzione, applicato a monte dell'impianto di biogas, consente la rimozione di azoto ammoniacale dalle biomasse che ne contengono in misura non idonea ad una produzione di biogas, evitando di ricorrere a masse di diluizione spesso costose (come l'insilato di mais, cascami vegetati etc.). Applicato a valle sulla frazione liquida del digestato, ne consente il riciclo totale o parziale, secondo l'esigenza di ricetta, limitando in tal modo l'utilizzo di acque di diluizione della biomassa in ingresso. The thermolysis process proposed in the present invention, applied upstream of the biogas plant, allows the removal of ammoniacal nitrogen from the biomasses that contain it to an extent that is unsuitable for the production of biogas, avoiding the use of often expensive dilution masses (such as corn silage, vegetated waste etc.). Applied downstream on the liquid fraction of the digestate, it allows its total or partial recycling, according to the recipe requirements, thus limiting the use of dilution water of the incoming biomass.

L'operazione di termolisi risolve, nella frazione liquida del digestato, anche la separabilità delle specie presenti nella torbida. Infatti la viscosità di questa frazione, per effetto della temperatura, diminuisce fino a 5 volte; si ottiene così una frazione solida separabile con i separatori già in uso, senza ricorso ai polielettrolita inorganici e organici, che in alcuni casi ne pregiudicano il permanere della definizione di biomasse di risulta. The thermolysis operation resolves, in the liquid fraction of the digestate, also the separability of the species present in the slurry. In fact the viscosity of this fraction, due to the effect of the temperature, decreases up to 5 times; in this way a solid fraction is obtained which can be separated with the separators already in use, without resorting to inorganic and organic polyelectrolytes, which in some cases compromise the persistence of the definition of resulting biomass.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI ILLUSTRATION OF DRAWINGS

Altre caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno evidenti, alla lettura della descrizione seguente di una forma di realizzazione dell'invenzione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con l'ausilio dei disegni illustrati nelle tavole allegate, m cui: Other characteristics and advantages of the invention will become evident upon reading the following description of an embodiment of the invention, provided by way of non-limiting example, with the aid of the drawings illustrated in the attached tables, whereby:

la figura 1 è la vista dello schema di un impianto secondo l'invenzione nella forma di realizzazione in continuo; Figure 1 is the schematic view of a plant according to the invention in the continuous embodiment;

- la figura 2 rappresenta lo schema di un impianto secondo l'invenzione nella forma di realizzazione in discontinuo . Figure 2 represents the diagram of a plant according to the invention in the discontinuous embodiment.

DESCRIZIONE DI UNA FORMA DI REALIZZAZIONE DELL'INVENZIONE Secondo l'invenzione la tecnica applicata per il trattamento di biomasse e di digestati che derivano dalla produzione di biogas è, quella della termolisi a elevata temperatura e pressione, da applicarsi al flusso di digestato tal quale dopo la prima separazione dai solidi grossolani. DESCRIPTION OF AN EMBODIMENT OF THE INVENTION According to the invention, the technique applied for the treatment of biomass and digestates deriving from the production of biogas is that of thermolysis at high temperature and pressure, to be applied to the digestate stream as it is after the first separation from coarse solids.

Il flusso di digestato viene avviato ad uno scambiatore di calore, riscaldato con i fluidi tradizionali quali vapore, acqua surriscaldata, olio diatermico, sali eutettici. Il flusso viene mantenuto in temperatura per un tempo predefinito, in un processo continuo (fig. 1) o discontinuo (fig. 2), all'interno di un reattore o serie di reattori in cascata. The digestate flow is sent to a heat exchanger, heated with traditional fluids such as steam, superheated water, diathermic oil, eutectic salts. The flow is maintained at temperature for a predefined time, in a continuous (fig. 1) or discontinuous (fig. 2) process, inside a reactor or series of cascaded reactors.

La durata del processo varia in funzione che il processo sia continuo o discontinuo, tra 2 e 180 minuti primi. The duration of the process varies according to whether the process is continuous or discontinuous, between 2 and 180 minutes.

La termolisi è realizzata in assenza di ausiliari chimici catalitici ma può essere opportunamente integrata, in casi particolari, all'uso di sostanze con azione catalitica o di reagenti quali le basi (soda caustica, soda carbonato basi di potassio, magnesio ossido e idrato, calcio ossido e idrato) acidi forti e catalizzatori. Thermolysis is carried out in the absence of catalytic chemical auxiliaries but can be suitably integrated, in particular cases, with the use of substances with catalytic action or reagents such as bases (caustic soda, soda carbonate, potassium bases, magnesium oxide and hydrate, calcium oxide and hydrate) strong acids and catalysts.

L'invenzione può essere realizzata operativamente utilizzando le tradizionali operazioni unitarie della industria chimica. The invention can be practically carried out using the traditional unit operations of the chemical industry.

Si descrivono di seguito due forme di realizzazione della invenzione, una in continuo e una in discontinuo. Tali realizzazioni sono esemplificative dell'applicazione del processo, ma non limitative. Two embodiments of the invention are described below, one continuous and one discontinuous. These embodiments are exemplary of the application of the process, but not limitative.

Il processo di termolisi in continuo attuato mediante l'impianto 10 di fig. 1, prevede che il flusso di biomassa o di digestato, libero dai solidi grossolani, venga avviato per mezzo di una pompa 11 ad alta pressione attraverso uno scambiatore di riscaldo 12 che utilizza gli ordinari fluidi diatermici quali il vapore, acqua surriscaldata, olio diatermico o gas caldi come vettori di apporto dell'energia termica per il processo di termolisi. The continuous thermolysis process carried out by means of the plant 10 of fig. 1, provides that the flow of biomass or digestate, free from coarse solids, is started by means of a high pressure pump 11 through a heating exchanger 12 which uses ordinary diathermic fluids such as steam, superheated water, diathermic oil or hot gases as carriers of thermal energy for the thermolysis process.

Il processo di termolisi si realizza nell'intervallo tra 150°C e 250°C alle pressioni di equilibrio fino a 40 bar, con un tempo di permanenza del flusso nello scambiatore/reattore tra 2 e 180 minuti. The thermolysis process takes place in the range between 150 ° C and 250 ° C at equilibrium pressures up to 40 bar, with a residence time of the flow in the exchanger / reactor between 2 and 180 minutes.

Il flusso è alimentato a portata costante, onde realizzare i tempi di reazione e la temperatura necessari al processo, anche con reattori di contenimento per la permanenza in temperatura. The flow is fed at a constant flow rate, in order to achieve the reaction times and the temperature necessary for the process, even with containment reactors for staying in temperature.

Dalla zona di reazione, attraverso una valvola regolatrice 13 o un organi di strozzamento, il flusso viene immesso in un apparecchio cilindrico 14, o bolla, nella quale, per effetto del salto di pressione, si generano due fasi: una liquida e una vapore. From the reaction zone, through a regulating valve 13 or a throttling member, the flow is introduced into a cylindrical apparatus 14, or bubble, in which, due to the pressure jump, two phases are generated: a liquid and a vapor.

La fase liquida viene raccolta al fondo della bolla 14 e estratta da una pompa 15, sotto controllo di livello per mantenere il livello costante all'interno della bolla stessa. The liquid phase is collected at the bottom of the bubble 14 and extracted by a pump 15, under level control to keep the level constant inside the bubble itself.

La fase vapore attraversa un separatore di liquido 16 e fluisce ad un lavatore 17 di gas isotermo in condizioni di pressione atmosferica e/o sub atmosferica, che agisce mediante una pompa 18. The vapor phase passes through a liquid separator 16 and flows to an isothermal gas washer 17 in conditions of atmospheric and / or sub atmospheric pressure, which acts by means of a pump 18.

Il lavaggio viene eseguito con una soluzione di acido solforico mediante una pompa di dosaggio 19, mantenuto in condizioni di pH controllato, con produzione di ammonio solfato soluzione che viene estratta dall'assorbitore . The washing is carried out with a sulfuric acid solution by means of a dosing pump 19, maintained under controlled pH conditions, with the production of ammonium sulphate solution which is extracted from the absorber.

I vapori lavati condensano in un condensatore a superficie 20, raffreddato con acqua o con aria o con condensatore a miscela. The washed vapors condense in a surface condenser 20, cooled with water or air or with a mixture condenser.

Nella condizione di esercizio a pressione ridotta il sistema viene mantenuto sotto vuoto, mediante pompa da vuoto o a getto Venturi 21. In the operating condition at reduced pressure, the system is maintained under vacuum, by means of a vacuum pump or Venturi 21 jet.

Il processo discontinuo illustrato in figura 2, attuato mediante l'impianto indicato nel complesso con 22, prevede che il digestato venga caricato in un reattore tradizionale 23 agitato, del tipo utilizzato dall'industria chimica, e riscaldato alla temperatura e pressione equivalente di equilibrio con i fluidi diatermici già citati nel processo continuo. The discontinuous process illustrated in Figure 2, implemented by means of the plant indicated as a whole with 22, provides that the digestate is loaded into a traditional stirred reactor 23, of the type used by the chemical industry, and heated to the equivalent equilibrium temperature and pressure with the diathermic fluids already mentioned in the continuous process.

Secondo tale processo è previsto che al raggiungimento della temperatura obiettivo (tra i 150 e i 250°C) si sospenda il riscaldamento attraverso una valvola laminatrice si depressurizzi fino a condizione atmosferica o sub atmosferica attraversando un sistema di assorbimento analogo a quello precedentemente descritto, seguito da condensatore dei vapori e sistema del vuoto. According to this process, upon reaching the target temperature (between 150 and 250 ° C), the heating is suspended through a laminating valve and depressurized to atmospheric or sub-atmospheric conditions, passing through an absorption system similar to the one previously described, followed by vapor condenser and vacuum system.

Il sistema discontinuo consente di operare tempi con maturazione al fine ciclo di riscaldamento. The discontinuous system allows to operate times with maturation at the end of the heating cycle.

Come possibile osservare, la soluzione in oggetto consente di raggiungere tutti gli obiettivi precedentemente citati, ed in particolare l'azione della termolisi, nel campo di pressione e temperature indicati, applicata al flusso di biomasse o al digestato, consente l'ottenimento dei seguenti risultati chimico fisici: As can be seen, the solution in question allows to achieve all the previously mentioned objectives, and in particular the action of thermolysis, in the indicated pressure and temperature range, applied to the biomass flow or to the digestate, allows to obtain the following results physicist:

a) Dissociazione molecolare di tutte le biospecie presenti; a) Molecular dissociation of all biospecies present;

b) dissociazione della frazione organica in strutture a minore peso molecolare; b) dissociation of the organic fraction into structures with a lower molecular weight;

c) Liberazione dell'azoto molecolare in forma di ammoniaca libera e amminica volatile con rendimenti fino all'80% della massa in ingresso; d) Riduzione delle caratteristiche reologiche del flusso in uscita dalla termolisi, come la viscosità di 5÷10 volte il valore del flusso in ingresso; c) Release of molecular nitrogen in the form of free ammonia and volatile amine with yields up to 80% of the input mass; d) Reduction of the rheological characteristics of the flow out of thermolysis, such as viscosity of 5 ÷ 10 times the value of the inlet flow;

e) Innalzamento del pH alla fine della termolisi, in ragione della liberazione di ammoniaca; e) Increase in pH at the end of thermolysis, due to the release of ammonia;

f) Modifica strutturale della frazione sospesa, con ottenimento della centrifugabilità della stessa in assenza di dosaggio di polielettroliti; f) Structural modification of the suspended fraction, obtaining its centrifugability in the absence of dosage of polyelectrolytes;

g) Aumento non significativo del COD, ma con incremento della biodegradabilità della frazione liquida, separata dalla fase solida. g) No significant increase in COD, but with an increase in the biodegradability of the liquid fraction, separated from the solid phase.

L'invenzione è stata precedentemente descritta con riferimento ad una sua forma di realizzazione preferenziale. Tuttavia è chiaro che l'invenzione è suscettibile di numerose varianti che rientrano nel proprio ambito, nel quadro delle equivalenze tecniche. The invention has been previously described with reference to a preferential embodiment thereof. However, it is clear that the invention is susceptible of numerous variants which fall within its scope, within the framework of technical equivalences.

Claims

Title: "PROCESS FOR THE TREATMENT OF FOOD BIOMASS AND DIGESTATES IN THE PRODUCTION OF BIOGAS" CLAIMS 1) Process for the treatment of biomass or digestates deriving from the production of biogas, characterized by the fact that it is carried out by thermolysis at high temperature and pressure, to be applied to the digestate stream as it is after the first separation from the coarse solids, and by the fact that the digestate flow is sent to a heat exchanger, heated with traditional fluids such as steam, superheated water, diathermic oil, eutectic salts, and that the flow is maintained at temperature for a predefined time, in a continuous or discontinuous process, inside a reactor or series of cascaded reactors, the temperature range in which thermolysis takes place is 150 ° C ÷ 250 ° C with pressures between 6 and 40 bar, and the duration of the process varies according to the process is either continuous or discontinuous, between 2 and 180 minutes.

2) Process for the treatment of digestates deriving from the production of biogas according to the previous claim, characterized in that the thermolysis is carried out in the absence of chemical auxiliaries and is suitably integrated, in particular cases, with the use of substances with catalytic or of reagents such as bases (caustic soda, potassium carbonate bases, magnesium oxide and hydrate, calcium oxide and hydrate) strong acids and catalysts. 3) Process for the treatment of food biomass or digestates deriving from the production of biogas according to one of the preceding claims, characterized by the fact that the continuous thermolysis process implemented by the plant (10) provides that the digestate flow, free from coarse solids, is started by means of a high pressure pump (11) through a heating exchanger (12) which uses ordinary diathermic fluids such as steam, superheated water, diathermic oil or hot gases as supply vectors for the thermal energy for the thermolysis process. 4) Process for the treatment of food biomass and digestates deriving from the production of biogas according to one of the preceding claims, characterized by the fact that the thermolysis process takes place in the range between 150 ° C and 250 ° C at equilibrium pressures up to 40 bar, with a residence time of the flow in the exchanger / reactor between 2 and 180 minutes. 5) Process for the treatment of food biomass and digestates deriving from the production of biogas according to one of the preceding claims, characterized by the fact that the flow is fed at a constant flow rate, in order to achieve the reaction times and the temperature necessary for the process, also with containment reactors for the permanence in temperature. 6) Process for the treatment of food biomass and digestates deriving from the production of biogas according to one of the preceding claims, characterized in that from the reaction zone, through a regulating valve (13) or a throttle member, the flow is placed in a cylindrical apparatus (14), or bubble, in which, due to the pressure jump, two phases are generated: a liquid and a vapor, where the liquid phase is collected at the bottom of the bubble (14) and extracted from a pump (15), under level control to keep the level constant inside the bubble itself. 7) Process for the treatment of food biomass and digestates deriving from the production of biogas according to one of the preceding claims, characterized in that the vapor phase passes through a liquid separator (16) and flows to a gas washer (17) isothermal in conditions of atmospheric and sub atmospheric pressure, which acts by means of a pump (18). 8) Process for the treatment of food biomass and digestates deriving from the production of biogas according to one of the preceding claims, characterized in that the washing is carried out with a solution of sulfuric acid by means of a dosing pump (19), maintained in controlled pH conditions, with production of ammonium sulphate solution which is extracted from the absorber. 9) Process for the treatment of food biomass and digestates deriving from the production of biogas according to one of the preceding claims, characterized in that the washed vapors condense in a surface condenser (20), cooled with water or with air or with mixture condenser and that in the operating condition at reduced pressure the system is maintained under vacuum, by means of a vacuum pump or Venturi jet (21). 10) Process for the treatment of food biomass and digestates deriving from the production of biogas according to one of the preceding claims, characterized by the fact that said discontinuous process provides that the digestate is loaded into a traditional stirred reactor (22), of the type used from the chemical industry, and heated to the equivalent temperature and pressure of equilibrium with the diathermic fluids already mentioned in the continuous process, and that according to this process it is expected that upon reaching the target temperature (between 150 and 250 ° C) the heating is suspended and through a laminating valve it is depressurized to atmospheric or sub atmospheric conditions, passing through an absorption system similar to that previously described, followed by a vapor condenser and a vacuum system.