PL231398B1 - Układ do wytwarzania biogazu pod podwyższonym ciśnieniem - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do wytwarzania biogazu pod zwiększonym ciśnieniem w procesie ciekłej fermentacji beztlenowej.

Stosowane układy do beztlenowego rozkładu materiału zawierającego węgiel organiczny z wytworzeniem biogazu wyposażone są w reaktory, w których prowadzi się fermentację metanową substancji organicznych przy udziale aktywnych mikroorganizmów beztlenowych.

Najczęściej proces prowadzony jest w jednym dużym bioreaktorze o ciśnieniu gazu zbliżonym do atmosferycznego.

Ze zgłoszenia patentowego w trybie PCT nr WO 2011/005079A1 znany jest układ do oczyszczania ścieków, w którym zbiornik ciśnieniowy służy do rozkładu materiału organicznego, prowadzo nego pod zwiększonym ciśnieniem. W układzie tym energia sprężonego gazu wykorzystywana jest do napędzania pompy związanej z funkcjonowaniem układu. W amerykańskim zgłoszeniu patentowym nr US 2007/0224669A1 opisany został system zgodnie z którym mikroorganizmy fermentacji beztlenowej wykorzystywane są do wytworzenia ciśnienia w bioreaktorze, a następnie zwiększenia zawartości metanu w biogazie wykorzystywanym do celów energetycznych. W innym układzie, znanym z opisu zgłoszeniowego w trybie PCT nr WO 2008/142007 (A) przed jedno-zbiornikowym reaktorem umieszczony jest fermentator wypełniony rurami umożliwiającymi powstanie biofilmu z mikroorganizmów, dzięki temu oddzielono częściowo reakcje hydrolityczne od właściwej metanogenezy, ponadto układ ma komorę sedymentacyjną.

Istotę wynalazku stanowi układ do przetwarzania substancji organicznych w procesie fermentacji beztlenowej, realizowanej pod samoistnie wytworzonym, podwyższonym ciśnieniem.

Układ zawiera zbiornik substratu, połączony z pneumatycznym naczyniem dozującym substrat, którego górna część rurociągiem odprowadzającym biogaz połączona jest z niskociśnieniowym zbiornikiem gazu, korzystnie o ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego przez zawór gazowy oraz rurociągiem doprowadzającym gaz, zaopatrzonym w zawór z wysokociśnieniowym zbiornikiem gazu, korzystnie pracującym pod ciśnieniem powyżej 8 barów. Ponadto dno pneumatycznego naczynia dozującego połączone jest z bioreaktorem, rurociągiem zaopatrzonym w zawór. Bioreaktor wypełniony jest złożem o dużej powierzchni, służącym do rozwoju biofilmu, katalizującego reakcje biochemiczne. W górnej części bioreaktora, usytuowana jest strefa separacyjna, w której oddzielany jest biogaz, połączona rurociągiem, zaopatrzonym w zawór odpadowy, ze zbiornikiem odpadu pofermentacyjnego, wyprowadzanego ze strefy separacyjnej bioreaktora. Do ścianki górnej bioreaktora podłączony jest rurociąg gazowy z zaworem, przeznaczony do odprowadzania biogazu do wysokociśnieniowego zbiornika gazu. Do ścianki górnej bioreaktora, podłączony jest również rurociąg zaopatrzony w zawór gazowy, wyprowadzający biogaz do niskociśnieniowego zbiornika gazu. W dnie bioreaktora usytuowany jest rurociąg odpływowy z zaworem do odprowadzania frakcji sedymentującej do zbiornika odpadu pofermentacyjnego. Korzystnie zawory gazowe, zawór odpadowy oraz zawór odprowadzający frakcję sedymentującą do zbiornika odpadu pofermentacyjnego są sterowane przy pomocy komputera. Korzystnie układ zaopatrzony jest w czujniki ciśnienia, a bioreaktor wyposażony jest w czujniki temperatury i pH oraz układ regulacji temperatury.

Układ umożliwia prowadzenie procesu w podwyższonym pulsacyjnym ciśnieniu, zapewniającym przemieszczanie substratu w ruchu posuwisto-zwrotnym oraz mieszanie substratu reakcyjnego bez mieszadeł mechanicznych.

Cechą charakterystyczną układu jest jego konstrukcja, umożliwiająca wykorzystanie samoistnie generowanej, w procesie przetwarzania materiału organicznego, energii pneumatycznej do jego funkcjonowania, bez konieczności korzystania z zewnętrznych źródeł energii. W wysokociśnieniowym zbiorniku magazynowana jest energia pneumatyczna podobnie jak w zbiorniku gazu w kompresorze, a naczynie pneumatyczne dozujące substrat zastępuje pracę mechanicznej pompy dozującej, co zapewnia prowadzenie fermentacji beztlenowej w bioreaktorze pod pulsacyjnym ciśnieniem.

Układ według wynalazku pozbawiony pomp i mieszadeł mimo mało skomplikowanej budowy i stosunkowo niewielkich wymiarów, zapewnia przy stałej kontroli ciśnienia, przyspieszenie fermentacji beztlenowej oraz optymalne warunki dla prowadzonych w nim reakcji biochemicznych.

Ważną zaletą jest, że uzyskany w układzie biogaz ma podwyższoną zawartość metanu względem CO2, ponieważ większa część dwutlenku węgla rozpuszcza się w fazie ciekłej i odprowadzana jest do zbiornika odpadu pofermentacyjnego, dzięki podwyższonemu ciśnieniu.

Przedmiot wynalazku został objaśniony w przykładzie wykonania i na rysunku.

PL 231 398 B1

P r z y k ł a d

Układ do wytwarzania biogazu zawiera zbiornik substratu 1, połączony poprzez zawór 2 z pneumatycznym naczyniem 3 dozującym substrat w którego pokrywie osadzony jest rurociąg 4 odprowadzający biogaz, zaopatrzony w zawór gazowy 5, sterowany komputerem, do niskociśnieniowego zbiornika gazu 6, o ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego. W pokrywie naczynia 3 dozującego substrat osadzony jest ponadto rurociąg 7 doprowadzający biogaz o podwyższonym ciśnieniu, zaopatrzony w zawór gazowy 8, sterowany komputerem, z wysokociśnieniowego zbiornika gazu 9, o ciśnieniu 8 barów.

Ponadto dno naczynia 3 dozującego substrat połączone jest z bioreaktorem 10 poprzez zawór 11. Bioreaktor 10 wypełniony jest złożem 12 z płyty zrolowanej, która w przekroju poziomym ma kształt spirali Archimedesa. W górnej części bioreaktora 10, usytuowana jest strefa separacyjna, w której oddzielany jest biogaz, połączona rurociągiem, zaopatrzonym w zawór odpadowy 13, ze zbiornikiem odpadu pofermentacyjnego 14. Do odbierania oddzielonego biogazu o ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego ze strefy separacyjnej bioreaktora, służy rurociąg gazowy 15 osadzony w górnej ściance bioreaktora 10, zaopatrzony w zawór gazowy 16, doprowadzający gaz do zbiornika gazu 6 o ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego. Do doprowadzania oddzielonego biogazu o podwyższonym ciśnieniu do wysokociśnieniowego zbiornika gazu 9, służy rurociąg gazowy 17 podłączony do górnej ścianki bioreaktora, zaopatrzony w zawór gazowy 18. W dnie bioreaktora usytuowany jest rurociąg odpływowy z zaworem 19 do odprowadzania frakcji sedymentującej do zbiornika odpadu pofermentacyjnego 14. W górnej części bioreaktora 10 usytuowany jest czujnik ciśnienia. Czujnik ciśnienia umieszczony jest również w wysokociśnieniowym zbiorniku 9. Bioreaktor wyposażony jest ponadto w czujniki temperatury i pH oraz układ regulacji temperatury.

Działanie układu według wynalazku:

W celu uruchomienia układu - wysokociśnieniowy zbiornik gazu 9 wypełnia się metanem, a substrat poprzez zawór substratu 2 wprowadzany jest do pneumatycznego naczynia 3, przy otwartym zaworze 5 w rurociągu 4 odprowadzającym biogaz o niskim ciśnieniu. Po napełnieniu naczynia 3 zamykane są automatycznie obydwa zawory, sterowane komputerowo, a substrat po automatycznym otwarciu zaworu 8 w rurociągu 7 doprowadzającym gaz o podwyższonym ciśnieniu i zaworu 11 wprowadzany jest do bioreaktora 10, w którym prowadzony jest proces beztlenowego, mikro-biologicznego rozkładu. Wytworzony biogaz o ciśnieniu nie mniejszym niż w zbiorniku wysokociśnieniowym, odseparowany w strefie separacji bioreaktora 10 wyprowadzany jest do wysokociśnieniowego zbiornika 9. Gdy poziom lustra mieszaniny reakcyjnej przekroczy wartość zadaną h, po automatycznym otwarciu sterowanego komputerowo, zaworu 13, część odpadu pofermentacyjnego odprowadzana jest do zbiornika odpadu 14, w ilości wystarczającej do obniżenia lustra mieszaniny reakcyjnej do poziomu zadanego h. W celu uzupełnienia bioreaktora substratem automatycznie zamykany jest zawór odpadowy 13 i wprowadzany jest do bioreaktora 10 substrat, przy otwartym zaworze 11 i otwartym zaworze 8 na rurociągu 7, doprowadzającym gaz pod ciśnieniem do pneumatycznego naczynia 3. Jednocześnie w celu intensyfikacji mieszania zawartości bioreaktora 10, automatycznie, pulsacyjnie otwierany jest zawór 15 odprowadzający biogaz do niskociśnieniowego zbiornika 6.

W celu uzupełnienia zawartości pneumatycznego naczynia 3 dozującego substrat, przy zamkniętym zaworze 11 doprowadzającym substrat do bioreaktora 10 i zaworze 8 doprowadzającym sprężony gaz do pneumatycznego naczynia 3, otwierany jest zawór 4 odprowadzający biogaz do niskociśnieniowego zbiornika 6, spadek ciśnienia w naczyniu 3 skutkuje otwarciem zaworu 2, a substrat wprowadzany do pneumatycznego naczynia 3 wypycha pozostały biogaz do zbiornika nisko-ciśnieniowego. Gromadzone w dolnej części bioreaktora 10 składniki nierozpuszczalne lub trudno rozpuszczalne przekazywane są poprzez otwarcie zaworu 19 do zbiornika odpadów pofermentacyjnych 14.

W układzie zamiast mieszadła w celu lepszego wymieszania mieszaniny reakcyjnej i zapewnienia jej ruchu posuwisto-zwrotnego wykonywane są automatycznie następujące operacje, otwarcie zaworu 11 powodujące cofnięcie się mieszaniny reakcyjnej z bioreaktora 10 do naczynia 3 i sprężenie poduszki gazowej nad substratem, a następnie otwarcie zaworu 8, dzięki czemu energia pneumatyczna zgromadzona w wysokociśnieniowym zbiorniku 9 ruchem zwrotnym wypycha substrat do bioreaktora 10. Cyklicznie otwierany zawór 19 odprowadzający frakcję sedymentującą powoduje przemieszczanie się mieszaniny reakcyjnej w bioreaktorze 10.

PL 231 398 B1

Wykaz oznaczeń na rysunku

1. zbiornik substratu

2. zawór substratu

3. pneumatyczne naczynie dozujące substrat

4. rurociąg odprowadzający biogaz o niskim ciśnieniu

5. zawór gazowy do przesyłania gazu niskociśnieniowego

6. zbiornik niskociśnieniowego gazu

7. rurociąg doprowadzający wysokociśnieniowy biogaz

8. zawór wysokociśnieniowy

9. zbiornik wysokociśnieniowy

10. bioreaktor

11. zawór na rurociągu łączącym naczynie dozujące z bioreaktorem

12. złoże

13. zawór odpadowy

14. zbiornik odpadu pofermentacyjnego

15. rurociąg gazowy wyprowadzający gaz do niskociśnieniowego zbiornika

16. zawór gazowy doprowadzający gaz do niskociśnieniowego zbiornika

17. rurociąg gazowy doprowadzający gaz do wysokociśnieniowego zbiornika

18. zawór gazowy doprowadzający gaz do wysokociśnieniowego zbiornika

19. zawór na rurociągu odprowadzającym frakcję sedymentującą

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ do wytwarzania biogazu pod podwyższonym ciśnieniem, przez przetwarzanie substancji organicznych w procesie fermentacji beztlenowej, wyposażony w bioreaktor, znamienny tym, że działa pod samoistnie wytworzonym, podwyższonym ciśnieniem i zawiera zbiornik substratu (1), połączony z pneumatycznym naczyniem (3) dozującym substrat, którego górna część rurociągiem odprowadzającym (4) biogaz połączona jest z niskociśnieniowym zbiornikiem gazu (6), przez zawór gazowy (5) oraz rurociągiem doprowadzającym gaz (7), zaopatrzonym w zawór (8) z wysokociśnieniowym zbiornikiem gazu (9), ponadto dno pneumatycznego naczynia dozującego (3) połączone jest rurociągiem zaopatrzonym w zawór (11) z bioreaktorem (10), mającym w górnej części strefę separacyjną, w której oddzielany jest biogaz, połączoną rurociągiem, zaopatrzonym w zawór odpadowy (13), ze zbiornikiem odpadu pofermentacyjnego (14), do ścianki górnej bioreaktora (10) podłączony jest rurociąg gazowy (17) z zaworem (18), przeznaczony do odprowadzania biogazu do wysokociśnieniowego zbiornika gazu (9) oraz rurociąg (15) zaopatrzony w zawór gazowy (16), wyprowadzający biogaz do niskociśnieniowego zbiornika gazu (6), ponadto w dnie bioreaktora (10) usytuowany jest rurociąg odpływowy z zaworem (19) do odprowadzania frakcji sedymentującej do zbiornika odpadu pofermentacyjnego (14).
2. 2. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że wysokociśnieniowy zbiornik gazu (9), pracuje pod ciśnieniem powyżej 8 barów, a niskociśnieniowy zbiornik gazu (6), pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego.
3. 3. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że bioreaktor (10), wypełniony jest złożem (12) o dużej powierzchni, służącym do rozwoju biofilmu, katalizującego reakcje biochemiczne.
4. 4. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że wszystkie zawory są sterowane przy pomocy komputera.
5. 5. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że zaopatrzony jest w czujniki ciśnienia, czujniki temperatury i pH oraz układ regulacji temperatury.