RO131972A0 - Procedeu şi instalaţie pentru producerea biogazului - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu de obţinere a biogazului prin fermentarea anaerobă a deşeurilor biodegradabile, şi la o instalaţie pentru aplicarea procedeului. Procedeul conform invenţiei constă în fermentarea anaerobă a reziduurilor biodegradabile în suspensie, cu o umiditate cuprinsă între 85...95%, la o temperatură optimă pentru fiecare etapă în parte: pentru procesul de hidroliză şi acidogeneză asigurându-se o temperatură cuprinsă între 25...35°C, iar pentru procesul de acetogeneză şi metanogeneză între 30...60°C, timpul de retenţie fiind cuprins între 10 şi 50 zile; raportul C/N, cuprins între 15...45,H-ul optim pentru hidroliză şi acidogeneză, cuprins între 5,0...6,5, iar pentru acetogeneză şi metanogeneză, între 6,0...7,5; biogazul produs este purificat prin desulfurare, obţinându-se biogaz cu conţinut de circa 55...75% metan. Instalaţia pentru aplicarea procedeului conform invenţiei cuprinde o instalaţie (1.1) de tocare, dozare, transport deşeuri vegetale, opţional în cazul utilizării de deşeuri vegetale, un sistem (1.2) de distribuţie şi dozare de alte materii prime, dejecţii animale, resturi alimentare, nămol de la staţiile de epurare, un bioreactor (2) paralelipipedic longitudinal, multi-compartimentat, prevăzut cu şicane, un agitator (3) într-un prim compartiment (2), pentru omogenizarea materiilor prime, un sistem (4) de omogenizare prin barbotare de biogaz cu o suflantă (5) pentru un compartiment (2), un sistem (6) de încălzire, având posibilitate de reglare a temperaturii pentru fiecare compartiment în parte, un sistem (7) de dozare acid/bază pentru reglareH, acid/hidroxid de calciu, un decantor (11) centrifugal, o platformă (13) de depozitare nămol, un gazometru (15) pentru depozitare biogaz, o unitate (17) de desulfurare, şi o unitate (18) de cogenerare.

Description

PROCEDEU ȘI INSTALAȚIE PENTRU PRODUCERE A BIOGAZULUI

Descrierea invenției

Prezenta invenție se referă la un procedeu și la o instalație de producere a biogazului prin fermentare anaerobă a reziduurilor organice destinată producerii de biogaz pentru consumul casnic și industrial.

Sunt cunoscute mai multe procedee pentru obținerea de biogaz prin utilizarea deșeurilor biodegradabile, acestea diferențiindu-se între ele prin diferite metode de optimizare a procesului de fermentare, prin numărul și tipul reactoarelor etc.

Se cunoaște o instalație de producere a biogazului din dejecții zootehnice și reziduuri organice, prin fermentare anaerobă, alcătuită dintr-un singur reactor - recipient închis, de formă paralelipipedică, orizontal, îngropat, prevăzut cu pereți despărțitori care asigură o circulație șicanată a nămolului, într-un strat de circa 2...4 m înălțime, prevăzut cu vute în lungul pereților, conductă de alimentare și sistem deversor de evacuare, cu închidere hidraulică, fiecare canal având câte o conductă sub formă de buclă, prin care circulă apa caldă, pentru menținerea temperaturii de regim, câte un sistem de agitare a nămolului prin barbotare secționabilă pe canale a biogazului recirculat din recipient cu ajutorul unei turbosuflante și dispersat în lungul fundului canalelor prin intermediul unor difuzoare adecvate (RO 77694). O îmbunătățire a acestei invenții constă intr-o instalație de producere a biogazului prin fermentare anaerobă a apelor uzate menajere care funcționează pe principiul amintit anterior, cu un singur reactor dar care este constituit din două paliere suprapuse permițând fermentarea unor cantități mari de materii prime. (RO 84050).

Se cunoaște, de asemenea, o instalația alcătuită dintr-o succesiune de camere de lucru, tratare în buclă, incluzând o cameră de alimentare, prevăzută cu mijloace de agitare și încălzire, în faza aerobă și un compartiment de fermentare anaerobă din care se culege biogazul și se evacuează nămolul uzat prin mijloace adecvate (FR 2531061).

în documentul WO 2007/052306 A2 se dezvăluie un procedeu trifazic biometanogen, ce cuprinde etapele enumerate în continuare și care se desfășoară într-o serie de reactoare:

- alimentarea primului reactor cu biomasa, solubilizarea acesteia la o temperatura de 4O...9O°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 grași cu catena scurtă, suplimentarea cu microorganisme și încălzirea la o temperatura 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 30,..50°C, timp de 70...96 h, în condiții anaerobe. Din acest proces se obține un amestec bogat in metan.

De asemenea, în US 2006/0060526 Al este prezentată un procedeu de obținere a biogazului din biomasa în care hidroliză, 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 prezintă un procedeu de folosire a biomasei pentru obținerea de biogaz. Scopul invenției este de a folosi substanțe cu conținut bogat de azot și conținut de solide, și care folosește o mică cantitate de apă. Substanțele sunt tratate cu ri a 2017 00083

15/02/2017 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.

Problema tehnică pe care o rezolvă prezenta invenția constă în stabilirea unui procedeu de obținere biogaz și a unei structuri de instalație care fac posibile utilizarea unei game foarte variate de materii prime, utilizarea unui singur bioreactor și producerea de biogaz cu consum scăzut de energie.

Dezavantajele procedeelor și instalațiilor prezentate, constau în faptul că utilizează o gamă redusă de deșeuri, un control nespecific al condițiilor de lucru, implică valori ridicate ale echipamentelor, consum ridicat de energie pentru funcționarea instalațiilor.

Procedeul și instalația de producere a biogazului, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:

- optimizarea procesului de fermentare prin monitorizarea și reglarea unor parametri foarte importanți: raportul C/N; conținutul de umiditate; temperatura la care se desfășoară fiecare faza a procesului;

-reglarea raportului C/N și a umidității prin algoritme specifice de calcul, pe baza unui sistem de automatizare inteligent;

-reglarea diferențiată a temperaturii pe faze ale procesului tehnologic, influențând pozitiv desfășurarea procesului și consumul de energie termică al instalației;

-utilizarea unei game variate de materii prime (resturi vegetale simple sau în amestec cu dejecții animaliere, resturi alimentare, etc.),ca urmare a controlului riguros al parametrilor de funcționare;

-construirea bioreactorului cu două compartimente diferite ca dimensiune, ceea ce determină posibilitatea de a controla fazele procesului, de a intensifica procesul de fermentare, de a diminua consumul de reactivi acid și bază și de a reduce consumul de energie termică.

-utilizarea reziduului solid ce rezultă din procesul de fermentare ca amendament pentru sol, după o scurtă perioadă de maturare.

în continuare, se prezintă fig. 1 și fig. 2. care reprezintă:

-fig 1, schemă de principiu a instalației de biogaz;

-fig 2, plan bioreactor, (2).

Deșeurile vegetale sunt tocate, dozate și transportate prin instalația (1.1.), în bioreactorul de fermentație (2) unde se amestecă cu dejecțiile animaliere/alte fluide biodegradabile și cu apă în primul compartiment (2i)prevăzut cu un agitator (3). Bioreactorul este împărțit cu o șicană principală în două mari compartimente, diferite ca dimensiune, funcții bine stabilite, compartiment pentru hidroliză și acidogeneză (2i), compartiment pentru acetogeneză și metanogenză (2₂), fiecare cu șicane secundare ce asigură timpul de retenție necesar fiecărui tip de proces în parte; sunt prevăzute sistem de omogenizare (4) prin barbotare de biogaz eu suflanta (5), sistem de încălzire (6) cu reglare a temperaturii, sistem de dozare acid - bază (7) pentru corecția de pH.

Intesificarea procesului de fermentare se obține prin recirculare din compartimentul (2₂) în compartimentul (2i) cu pompa (10.1).

După fermentare, digestatul se colectează în căminul (8) echipat cu schimbătorul de căldură digestat - apă (9) și se evacuează cu pompa (10.2) în decantorul centrifugal (11). Eficiența separării este realizată prin dozare de polimer cu instalația (12). Faza lichidă separată în decantorul a 2017 00083

15/02/2017 centrifugal împreună cu levigatul rezultat de pe platforma de depozitare a nămolului (13), se colectează în căminul de stocare (14).

Biogazul format este colectat în gazometrul (15), constituit din două membrane polimerice între care se menține aer sub presiune cu ajutorul suflantei (16).

Biogazul utilizat la unitatea de cogenerare (18) este purificat în unitatea de desulfurare (17). Pentru siguranța în exploatare a instalației s-a prevăzut o faclă de urgență (19). Golirea bioreactorului în perioada de revizie sau în situație de avarie se face cu ajutorul pompei (10.2).

Se prezintă în continuare exemple de realizare a investiției, în legătură cu figura 1.

Ex 1. Instalație demonstrativă cu o capacitate de 100 m³/zi biogaz.

Se introduc în bioreactorul de fermentație (2), în compartimentul pentru hidroliză și acidogeneză (21) , o cantitate de 0,3 t/ zi paie de grâu mărunțite în prealabil, o cantitate de 1,5 t/zi nămol și 2 m³/zi apă, se omogenizează cu ajutorul unui mixer (3), umiditatea amestecului ajunge la 92%, pH-ul la 6,1 prin introducere de acid acetic cu sistemul de dozare (7), temperatura la 25...30°C, timpul de retenție fiind de 5 zile. Materia primă ajunge în compartimentul pentru acetogeneză și metanogeneză (22) , unde umiditatea amestecului atinge 90...93%, temperatura se ridică la 35...40°C cu ajutorul sistemului de încălzire (6), se corectează pH-ul cu hidroxid de calciu la 7...7,2 cu sistemul de dozare acid - bază (7), omogenizarea amestecului se face cu sistemul de barbotare biogaz (4), timpul de retenție al amestecului fiind de 20 zile. Fermentatul este evacuat în căminul (8) prevăzut cu schimbător de căldura digestat - apă. Se formează 100 m³/zi biogaz cu concentrația de cca. 65% metan. Biogazul format pe parcursul procesului de fermentare se colectează în gazometrul (15), trece prin unitatea de desulfurare (17) și ajunge la centrala termică.

Ex 2. Instalație demonstrativă cu o capacitate de 1000 m³/zi biogaz.

Se introduce în bioreactorul de fermentație (2), compartimentul pentru hidroliză și acidogeneză (2i), o cantitate de 7 t/ zi resturi vegetale mărunțite în prealabil, o cantitate de 8,5 t/zi dejecții animaliere și 4 m³/zi apă, se omogenizează cu ajutorul unui mixer (3), umiditatea amestecului ajunge la 92%, pH-ul la 6,1 prin introducere de acid acetic cu sistemul de dozare (7), temperatura la

25,..30°C, timpul de retenție fiind de 5 zile. Materia primă ajunge în compartimentul pentru acetogeneză și metanogeneză (22), unde umiditatea amestecului atinge 90...93%, temperatura se ridică la 35...40°C cu ajutorul sistemului de încălzire (6), se corectează pH-ul cu hidroxid de calciu la 7...7,2 cu sistemul de dozare acid - bază (7), omogenizarea amestecului se face cu sistemul de barbotare biogaz (4), timpul de retenție al amestecului fiind de 20 zile. Fermentatul este evacuat în căminul (8) prevăzut cu schimbător de căldura digestat - apă. Se formează 1000 m³/zi biogaz cu concentrația de cca. 65% metan. Biogazul format pe parcursul procesului de fermentare se colectează în gazometrul (15), trece prin unitatea de desulfurare (17) și ajunge la unitatea de cogenerare (18).

a 2017 00083

15/02/2017

Bibliografie

1. Brevet România RO 77694

2. Brevet România RO 84050

3. Brevet Franța FR 2531061

4. Brevet WO 2007/052306 A2

5. Brevet WO 2007/039067 A2

6. Brevet USA US 2006/0060526 Al

Claims (4)

1. Revendicări

   1. Procedeu pentru producere a biogazului din deșeuri biodegradabile, caracterizat prin aceea că deșeurile biodegradabile și apa, sunt dozate în bioreactorul multi - compartimentat (2). Aceste materii prime se amestecă în rapoarte bine stabilite astfel încât suspensia cu o umiditate cuprinsă între 85...95% și raportul C/N între 15...45, este supusă procesului de hidroliză și acidogeneză în compartimentul (2i), la o temperatură de 25...35°C asigurată cu sistemul de încălzire (6), cu un pH cuprins între 5,2...6,3, asigurat prin sistemul de dozare acid/bază (7); procesul de fermentare continuă în compartimentul (2₂) unde are loc procesul de acetogeneză și metanogeneză, temperatura de lucru este cuprinsă între 3O...6O°C, pH-ul între 6,5...7,5, rezultând biogaz cu un conținut de cca. 65% metan și fermentat cu un conținut de apă între 85.. .92 %.
2. 2. Instalație pentru producerea biogazului prin fermentarea deșeurilor biodegradabile, caracterizată prin aceea că este constituită dintr-o instalație de tocare, dozare și transport deșeuri vegetale (1.1.), sistem de distribuție și dozare alte materii prime diverse (1.2.), circuit de alimentare cu apă, debit total între 4...30 t/zi, controlat printr-un sistem automatizat (20); un bioreactor (2) cu două compartimente inegale (2i) și (2₂), cu omogenizare cu agitator (3) în compartimentul (2i) și prin barbotare discontinuă de biogaz (4), cu suflanta (5), 2...4 ore/zi, cu debit între 5...40 m³/min; sistem de încălzire (6), cu reglarea temperaturii în domeniul 25 - 35°C în compartimentul (2i) și în domeniul 30...60°C în compartimentul (2₂); sistem de dozare acid/bază (acid acetic/hidroxid de calciu) (7), pentru corecția pH la valori cuprinse între 5,2 și 6,3 în compartimentul (2i), 6,5 și 7,5 în compartimentul (2₂); cămin (8) cu schimbător de căldură digestat - apă (9) pentru colectarea fermentatului și preîncălzirea apei de alimentare a bioreactorului; pompă (10.2) de evacuare a fermentatului în decantorul centrifugal (11); pompă (10.1) de recirculare pentru intensificarea procesului de fermentare; gazometru (15) pentru colectare biogaz cu debite între 100...1500 m /zi; unitate de desulfurare (17); unitate de cogenerare (18).
3. 3. Instalație pentru producerea biogazului conform revendicării 2, caracterizata prin aceea că bioreactorul (2) este format din două compartimente diferite ca dimensiuni, separate printr-o șicană principală; compartiment pentru hidroliză și acidogeneză (2i) și compartiment pentru acetogeneză și metanogeneză (2₂), fiecare prevăzut cu șicane secundare, cu înălțimea cuprinsă între 3,5...4 m, distanța între șicane între 1.. .3 m, fiecare cu sistem propriu de reglare a temperaturii între 25.. .35°C în (2i) și 3O...6O°C în (2₂); sistem de omogenizare prin agitare cu mixer (3) în (2i) și prin barbotare de biogaz (4) în (2₂), cu debit variabil in funcție de capacitate între 5...40 m/min, sistem de reglare pH acid - bază, cu dozare de acid în compartimentul (2i), pH între 5,2.. .6,3 si cu hidroxid de calciu în compartimentul (2₂), pH între 6,5.. .7,5.
4. 4. Instalație pentru producerea biogazului conform revendicării 2, caracterizata prin aceea că sistemul de automatizare (20) pentru alimentare cu materii prime menține parametrii de funcționare în domenii optime: raportul C/N între 15...45 prin reglarea raportului de materii prime, umiditatea în domeniul 85...95%, temperatura între 25...35°C în (2i) și 3O...6O°C în (2₂) prin reglare diferențiată în compartimente.