RO122047B1 - Procedeu şi instalaţie pentru obţinerea biogazului din biomasă - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu de obţinere a biogazului, prin fermentaţia biomasei, şi la oinstalaţie pentru aplicarea procedeului. Procedeul conform invenţiei constă în fermentaţia anaerobă a deşeurilor de biomasă, în suspensie, la o temperatură de maximum 55...60°C, timp de maximum 120 zile, şi pH cuprins între 7,2 şi 8,2,urmată de filtrarea biogazului obţinut, prin şpan de fier, pentru reţinerea hidrogenului sulfurat, concentrarea şi spălarea biogazului, pentru reţinerea dioxidului de carbon, obţinându-se produsul dorit, cu o concentraţie de metan de peste80%. Instalaţia conform invenţiei cuprinde: un depozit (1) de biomasă, o moară/tocător (2), unrezervor (3) de preparare a suspensiei de biomasă, două reactoare de fermentaţie (5), prevăzutecu un sistem (17) de încălzire termostatat, un rezervor (6) pentru agentul de corecţie a pH-ului, un filtru (7) pentru reţinerea hidrogenului sulfurat, un vas (8) pentru reţinerea dioxidului de carbon şi un filtru pentru compost (12).

Description

Invenția se referă la un procedeu și la o instalație pentru producerea de biogaz prin fermentație metanogenă a biomasei.

Sunt cunoscute alte procedee pentru obținerea de biogaz prin utilizarea deșeurilor de biomasă, care folosesc sisteme de agitare mecanică, pentru omogenizarea termică și a compoziției materialului de fermentație din reactoare.

în documentul WO 2007/052306 A2 se dezvăluie un procedeu trifazic biometanogen, ce cuprinde etapele:

- alimentarea primului reactor cu biomasă, solubilizarea acesteia la o temperatură de 40...90“C și hidrolizarea prin adăugarea în reactor a unei enzime sau microorganisme capabile să producă enzimele necesare procesului, timp de 1...24 h;

- trecerea masei hidrolizate în cel de-al doilea reactor în care are loc transformarea masei de reacție în acizi gra și cu catena scurtă, suplimentarea cu microorganisme și încălzirea la o temperatură de 3O...5O°C, agitând ocazional, timp de 30...72 h;

- trecerea masei de reacție în cel de al treilea reactor, adăugarea de acid, încălzirea amestecului la o temperatură de 3O...5O°C, timp de 70...96 h, în condiții anaerobe. Din acest proces se obține un amestec bogat în metan.

De asemenea, în US 2006/0060526 A1 este dezvăluită o metodă de obținere a biogazului din biomasa în care hidroliza, acidifierea și generarea de biogaz se pot realiza consecutiv, în reactoare separate, în condiții de temperatură, amestecare, pH și presiune atent supravegheate și măsurate de aparate specifice, iar în documentul WO 2007/039067 A2 se dezvăluie un procedeu de folosire a biomasei pentru obținerea de biogaz. Scopul invenției este de a folosi substanțe cu un conținut bogat de azot și conținut de solide, și care folosește o mică cantitate de apă. Substanțele sunt tratate cu produse recirculate, pentru a forma un mediu transportabil cu pompa, și suplimentar tratate cu bacterii în cicloane și fermentatoare, care înlătură azotul simultan cu procesul de stripare.

Procedeele și instalațiile prezentate presupun un consum ridicat de energie electrică și costuri mari pentru echipamente.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în stabilirea unui procedeu și a unei instalații pentru producerea de biogaz din deșeuri de biomasă.

Procedeul conform prezentei invenții înlătură dezavantajele menționate, prin aceea că biomasa mărunțită, aflată sub formă de suspensie, este menținută într-un sistem de reactoare de fermentație, la o temperatură de 55...60°C, timp de 30...120 zile, la un pH cuprins între 7,2 și 8,2, și este omogenizată prin recircularea ocazională a suspensiei între reactoarele sistemului, până la începerea fermentației, a degajării de biogaz și obținerea unei suprapresiuni, care este folosită în continuare pentru amestecarea secvențială a masei de fermentație, prin barbotarea acesteia dintr-un reactoral sistemului în altreactoral sistemului, până la completa epuizare a biomasei, biogazul rezultat fiind captat, purificat și stocat.

într-o realizare preferată, barbotarea biogazului se realizează între două reactoare consecutive, în ambele sensuri, cu recircularea parțială a acestuia, la baza reactorului anterior și/sau următor.

Instalația conform invenției este formată dintr-un depozit 1 de biomasă, o moară 2, un rezervor 3 de preparare a suspensiei de biomasă, un sistem de reactoare înseriate 5, de fermentație, în care omogenizarea masei de fermentație se face prin recircularea acesteia între reactoarele aferente sistemului și care este prevăzut cu un ansamblu de electroventile 5', montate pe capacele reactoarelor de fermentație, în scopul reglării presiunii rezultate prin formarea biogazului și folosirea suprapresiunii pentru agitarea secvențială a masei de fermentație prin barbotarea acesteia la baza reactoarelor, un rezervor 6 pentru agentul de

RO 122047 Β1 corecție a pH-ului, un sistem de purificare format dintr-un filtru 7 pentru reținerea hidrogenului 1 sulfurat și filtru 8 pentru reținerea dioxidului de carbon, un sistem de captare a biogazului purificat, rezultat 10 și un sistem de recirculare a materialelor uzate, format din pompe de 3 recirculare 11,16, filtru mecanic 12, sterilizator 13 și depozit de compost 14.

într-o variantă preferată de realizare a instalației conform invenției, ansamblul de 5 electroventile 5' este format din electroventile centrale prin care se barbotează biogaz la baza reactoarelor și electroventile laterale care asigură circulația biogazului dintr-un reactor 7 în alt reactor aferent sistemului de reactoare 5 și evacuarea acestuia din sistem.

Procedeul și instalația pentru producerea de biogaz prin fermentație metanogenă 9 prezintă următoarele avantaje:

- procedeul poate fi utilizat pentru orice mărime de instalație de producere biogaz din 11 deșeuri de biomasă, cu condiția dimensionării corecte, pentru a se asigura timpii optimi de contact și rezidență, în scopul obținerii performanțelor preconizate: concentrație în metan de 13

90% și de epurare a gazelor de peste 95% (reținerea hidrogenului sulfurat);

- pierderea de presiune în instalație este redusă, iar suprafața de contact a biogazului 15 cu mediul de adsorbție-absorbție la reținerea/eliminarea dioxidului de carbon este mare, în volume relativ reduse; 17

- consumul energetic este redus;

- consumul de reactivi, pentru neutralizare, poluanți chimici, este redus, iar deșeul 19 rezultat poate fi reciclat, prin utilizarea în alte domenii.

Invenția va fi prezentată în continuare, în legătură și cu figura care reprezintă schema 21 de principiu a instalației de producere biogaz prin fermentație metanogenă a biomasei și de epurare a biogazului. 23

Parametrii procesului vor fi măsurați și controlați permanent, în timpul funcționării instalației, în principal, aceștia fiind:25

- temperaturi măsurate și reglate cu termostate;

- presiuni măsurate cu senzori de presiune, în reactoarele instalației;27

- concentrații de hidrogen sulfurat și dioxid de carbon, înainte și după purificare/ concentrare biogaz;29

- debite de apă de încălzire reactoare, debite lichid spălare biogaz în filtrul de reținere dioxid de carbon, capacitate biogaz produs în instalație.31

Din depozitul de biomasă 1 se introduce biomasa în sistemul de tocare a deșeurilor 2 și apoi în rezervorul de preparare suspensie de biomasă 3. Cu ajutorul pompei de alimen- 33 tare suspensie de biomasă 4, se introduce suspensia în sistemul de reactoare 5. Din rezervorul 6 se alimentează reactivi de corecție pH, acesta fiind cuplat la senzorii de pH, montați 35 pe reactoarele 5.

Biogazul produs este acumulat în treimea superioară a reactoarelor de fermentație 37 metanică, până la atingerea unei presiuni impuse. Pe capacele reactoarelor sunt montate electroventile pentru evacuare și pentru injecție biogaz dintr-un reactor în masă de 39 fermentație a celuilalt reactor, la bază, printr-un distribuitor cu duze, până la egalizarea presiunii, apoi, după creșterea presiunii se repetă operația la celalalt reactor. Operațiile sunt 41 comandate de senzori de presiune montați pe ambele reactoare. Biogazul evacuat din reactoarele 5 este trecut printr-un filtru 7 cilindric, vertical, umplut cu șpan de oțel, pentru 43 reținerea hidrogenului sulfurat produs în timpul fermentației metanice, biogazul intrând pe la bază și ieșind pe la partea superioară a filtrului și intrând apoi într-un filtru 8, cilindric, 45 vertical, umplut cu inele Raschig, pentru reținerea unei părți din dioxidul de carbon produs din fermentație, prin spălare, cu un lichid adsorbant, alimentat cu o pompă adiacentă. După 47 desorbția termică a dioxidului de carbon, captare 9 și răcirea lichidului, acesta este recirculat.

RO 122047 Β1

Biogazul purificat și îmbogățit în metan este trimis la utilizator 10. Periodic se evacuează din reactoare material uzat, cu pompa 11, care este trecut printr-un filtru mecanic 12, apoi, opțional, compostul (partea solidă) este trecută printr-un sterilizator (uscător) 13 și apoi intră într-un depozit de compost 14. După filtrare, o parte din lichid poate fi trimisă la utilizare ca fertilizant 15 sau neutralizată și evacuată în rețeaua de canalizare, iar altă parte din lichid este preluată de pompa 16 și trimisă la rezervorul de preparare suspensie de biomasă 3. Materialul de fermentație este încălzit la temperatura de lucru prin sisteme de serpentine amplasate în treimea inferioară a reactoarelor și se controlează și menține cu ajutorul unor termostate care comandă sistemul/cazanul de încălzire 17.

Prin procedeul conform invenției, se reduce consumul intern al instalației și se obține biogaz cu o concentrație mare de metan (circa 90%) față de alte procedee (60...70%).

Instalația conform invenției are în componență un sistem de minimum două reactoare 5, cilindrice, verticale, racordate la bază cu pompa de evacuare material 11 și pompa de recirculare lichid 16, care trimite lichidul la prepararea suspensiei 3 și este preluată de pompa 4 pentru alimentare reactoare.

S-au efectuat teste de hidroliză a deșeurilor de biomasă, cu acid acetic concentrat, la un pH suspensie inițial de 3...3,5, la o temperatură de 45...50°C, timp de 3...4 h, după care s-a adus suspensia de biomasă la pH 7...7,5, prin adaos de lapte de var [Ca(OH)₂], apoi fermentația deșeurilor de biomasă și s-au obținut performanțele preconizate, realizându-se o fermentație metanogenă acceptabilă și purificarea/concentrarea eficientă a biogazului rezultat, iar izolația cu saltele de izopren a stopat disiparea căldurii în exterior, temperatura la exteriorul izolației nedepășind 30°C, deși în interiorul instalației s-a menținut temperatura propice desfășurării procesului.

Procesul de metanogeneză, deci producția de biogaz, este puternic influențat de temperatură. Astfel, din punct de vedere al temperaturii la care își desfășoară activitatea, microorganismele ce concură la producerea biogazului, îndeosebi cele metanogene, se împart în trei categorii:

- criofile, caracterizate printr-o activitate care poate avea loc la temperaturi cuprinse între 10 și 20°C, zonă caracteristică fermentării în regim criofil, cu durata de 90...120 zile;

- mezofile, caracterizate printr-o activitate care poate avea loc la temperaturi cuprinse între 25 și 35°C, zonă caracteristică fermentării în regim mezofil, cu durata de 25*30 zile;

- termofile, caracterizate printr-o activitate care poate avea loc la temperaturi cuprinse între 40 și 55°C, zonă caracteristică fermentării în regim termofil, cu durata de aproximativ 10 zile.

Acest proces este cu atât mai rapid, cu cât temperatura din reactorul de fermentație este mai mare (dar fără a depăși 55...60°C când bacteriile metanogene mor).

Materialul de fermentație pretratat poate fi introdus (după diluție) în proces (în reactor), obținându-se regimul termic dorit, fără a mai fi necesară o preîncălzire anterioară.

Celuloza (din materialele vegetale) constă, în bună parte, din polimeri ai glucozei și este impregnată, în general, cu lignină, care îngreunează accesul bacteriilor metanogene, pentru a avea loc fermentația metanică.

Prin tratarea chimică a deșeurilor vegetale, are loc solubilizarea ligninei și totodată ruperea polimerilor celulozici ,în urma reacțiilor chimice, în forme ușor accesibile fermentației metanice:

hidroliză (θβ^ΙΟθϋ) ^{k π} £βΗι₂Ο₆ celuloză glucoză

RO 122047 Β1

Substanțele macromoleculare pot fi solubilizate într-o singură etapă, cu ajutorul 1 enzimelor produse de bacterii specifice sau prin tratament chimic (acidulare sau alcalinizare).

Această etapă este numită etapa de scindare de polimeri. 3

Celuloza, constând din glucoză polimerizată, poate fi scindată în forma dimerică, apoi momomerică (glucoza), utilizând bacterii celulozice sau reactivi chimici. 5

Prin acidifiere, are loc degradarea monomerului (glucoza) cu ajutorul enzimelor produse de bacterii specifice. în această etapă, moleculele de 6 atomi de carbon (glucoza) 7 sunt rupte în molecule mai mici (în special acizi). Acizii principali produși în această etapă sunt: 9

- acid acetic (CH₃COOH);

- acid propionic (CH₃CH₂COOH);11

- acid butiric (CH₃-CH₂-CH₂COOH).

De asemenea, se produce și etanol (CH₃-CH₂-OH).13

Produsele rezultate, prezentate anterior, sunt introduse în reactorul de fermentație metanică anaerobă, unde, sub acțiunea bacteriilor metanogene, se desfășoară procesul de15 producere a biogazului, conform reacțiilor:

CH₃-CH₂-CH₂-COOH - CH₄ + CH₃-CH₂COOH,17

CH₃-CH₂-COOH - CH₄ + CH₃-COOH,

CH₃COOH - CH₄ + CO₂,19

2CH₃-CH₂OH + CO₂ - CH₄ + 2CH₃-COOH,

CO₂ + 4H₂ · CH₄ + 2H₂O.21

Din toate reacțiile, rezultă metan (CH₄). în timp, concentrația de dioxid de carbon (CO₂) crește între anumite limite, deoarece hidrogenul produs în proces este insuficient 23 pentru reducerea totală a CO₂ la CH₄.

Bacteriile metanogene sunt foarte sensibile la pH acid și mor sub valoarea pH de 6,5.25 în timpul continuării procesului, pH-ul crește până la valoarea peste 8, datorită creșterii concentrației de amoniac (rezultat din fermentația metanică).27

Când regimul de producție metanică se stabilizează, valoarea pH-ului variază între

7,2 și 8,2.29

Motivația utilizării acidului acetic în etapa de hidroliza, deși este un acid slab, deci consum mare pentru a atinge pH-ul necesar reacției, este argumentată de faptul că excesul 31 de acid poate fi procesat de bacterii, la CH₄ și CO₂.

Se prezintă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură și cu 33 figura.

A fost realizată o instalație demonstrativă, cu o capacitate de material de fermentație 35 de 4 m³.

Se introduce în fiecare reactor 5 de fermentație, aferent sistemului de reactoare de 37 fermentație, câte o cantitate de 85...90 kg de biomasă mărunțită în prealabil, care este hidrolizată și adusă la concentrația de 2...3% și la un pH de 7...7,5. Corecția de pH se face 39 după omogenizarea suspensiei în reactoare, omogenizare ce are loc periodic, prin recircularea cu ajutorul pompei 4, de la partea superioară a reactoarelor 5, la baza acestora, 41 printr-un sistem de conducte. Nu s-a făcut inocularea de bacterii metanogene, acestea formându-se după o perioadă de circa două săptămâni, când a început să crească presiunea 43 în reactoare și a pornit fermentația. Temperatura în reactoare a fost menținută la o valoare de 3O...4O°C, cu ajutorul sistemului de încălzire 17. în timpul procesului de fermentație, se 45 evacuează o parte din materialul uzat, adăugându-se, corespunzător, material proaspăt. Operația de evacuare material uzat și adăugare de material proaspăt se efectuează când 47 începe să scadă producția de biogaz. După începerea fermentației, s-a făcut, secvențial,

RO 122047 Β1 amestecarea masei de fermentație din reactoare, utilizând biogazul produs, astfel: cu ajutorul ansamblului 5' de electroventile, montat pe fiecare capac de reactor 5 al sistemului de reactoare de fermentație, din primul reactor se trimite biogazul printr-o conductă, la baza următorului reactor, din care se elimină, pe la partea superioară, biogaz, ce este apoi trimis la purificare. Barbotarea biogazului se face în ambele sensuri ale fluxului, cu colectarea concomitentă a biogazului produs. Biogazul produs este trimis pentru purificare la filtrul 7 cu șpan de oțel, în care se reține hidrogenul sulfurat produs în timpul fermentației, apoi la filtrul 8, pentru reținerea unei părți din dioxidul de carbon emis în timpul fermentației. Biogazul purificat și concentrat este stocat și apoi trimis la utilizator. Se obține biogaz cu o concentrație de metan de circa 90%.

Revendicări

Claims (4)

1. Procedeu de obținere a biogazului prin fermentația metanogenă a biomasei, în care biomasa mărunțită, aflată sub formă de suspensie, este menținută într-un sistem de reactoare de fermentație la o temperatură de 55...60°C, timp de 30...120 zile, la un pH cuprins între 7,2 și 8,2 și este omogenizată prin recircularea ocazională a suspensiei între reactoarele sistemului, până la începerea fermentației, a degajării de biogaz și obținerea unei suprapresiuni, care este folosită în continuare pentru amestecarea secvențială a masei de fermentație, prin barbotarea acesteia dintr-un reactor al sistemului în alt reactor al sistemului, până la completa epuizare a biomasei, biogazul rezultat fiind captat, purificat și stocat.

2. Procedeu conform revendicării 1, în care barbotarea biogazului se realizează între două reactoare consecutive, în ambele sensuri, cu recircularea parțială a acestuia, la baza reactorului anterior și/sau următor.

3. Instalație pentru obținerea biogazului prin procedeul de fermentație metanogenă a biomasei, definit în revendicarea 1, care este formată dintr-un depozit (1) de biomasă, o moară (2), un rezervor (3) de preparare a suspensiei de biomasă, un sistem de reactoare înseriate (5), de fermentație, în care omogenizarea masei de fermentație se face prin recircularea acesteia între reactoarele aferente sistemului și care este prevăzut cu un ansamblu de electroventile (5') montate pe capacele reactoarelor de fermentație, în scopul reglării presiunii rezultate prin formarea biogazului și folosirea suprapresiunii pentru agitarea secvențială a masei de fermentație, prin barbotarea acesteia la baza reactoarelor, un rezervor (6) pentru agentul de corecție a pH-ului, un sistem de purificare format dintr-un filtru (7) pentru reținerea hidrogenului sulfurat și filtru (8) pentru reținerea dioxidului de carbon, un sistem de captare a biogazului purificat, rezultat (10) și un sistem de recirculare a materialelor uzate, format din pompe de recirculare (11,16), filtru mecanic (12), sterilizator (13) și depozit de compost (14).

4. Instalație conform revendicării 3, în care ansamblul de electroventile (5') este format din electroventile centrale prin care se barbotează biogaz la baza reactoarelor și electroventile laterale care asigură circulația biogazului dintr-un reactorîn alt reactor aferent sistemului de reactoare (5) și evacuarea acestuia din sistem.