SK6739Y1 - Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice a systém na jeho vykonávanie - Google Patents

Abstract

Bioplyn sa získava z odpadovej organickej hmoty, ktorá vystupuje z bioplynovej stanice. Pevné častice v organickej hmote sa mechanicky rozdrobia na menšie častice, organická hmota sa následne ohreje a dodatočne fermentuje v nádobe, z ktorej sa odoberá bioplyn. Rozdrobenie a ohrev znižuje viskozitu organickej hmoty, pričom sa vo výhodnom usporiadaní využije odpadové teplo z kogeneračnej jednotky (10). Súčasťou spôsobu a systému je tiež elektrokinetický rozklad vo vysokonapäťovom poli a prípadne aj pôsobenie ultrazvuku. Dodatočná fermentácia môže prebiehať v koncovom odpadovom zásobníku alebo v samostatnej nádobe s odberom (4) plynu. Organická hmota sa ohrieva na teplotu 16 až 80 °C, výhodne na teplotu 50 až 60 °C, obzvlášť výhodne na teplotu 55 °C. Dodatočná fermentácia môže prebiehať za prítomnosti katalyzátora, ktorý obsahuje trojsýtny alkohol. Rozdrobená organická hmota sa môže v pôvodnom fermentore (1) tiež použiť ako náhrada močovky alebo iného riediaceho roztoku.

Description

Technické riešenie sa týka spôsobu využitia odpadného digestatovaného kalu pri výrobe bioplynu v anaeróbnych bioplynových staniciach. Spôsob zvyšuje výťažnosť bioplynu z materiálu v bioplynových staniciach a znižuje množstvo konečného odpadového materiálu. Nový spôsob prispieva aj k zníženiu tvorby metánu na poľnohospodárskych plochách, kam sa doteraz odpadový materiál vyvážal ako hnojivo. Technické riešenie zároveň opisuje systém na vykonávanie nového spôsobu využitia odpadného digestatovaného kalu.

Doterajší stav techniky

V praxi sa stretávame s reaktormi, kde prebieha anaeróbna fermentácia organických materiálov. Je to sústava procesov, pri ktorých mikroorganizmy rozkladajú biologicky rozložiteľnú organickú hmotu bez prístupu vzduchu. Pri týchto procesoch vzniká bioplyn obsahujúci najmä metán, oxid uhličitý, vodík, dusík, sírovodík a nerozložiteľný zvyšok organickej hmoty, ktorý sa využíva ako hnojivo pri hnojení pôdy. Anaeróbna fermentácia je súborom rôznych činností anaeróbnych mikroorganizmov, kde produkt jednej skupiny mikroorganizmov sa stáva potravou druhej skupiny, a preto súbory rozkladu organickej hmoty musia pôsobiť ako celok.

V súčasnosti je odpadný digestatový kal využívaný ako hnojivo do pôdy, keďže obsahuje anorganické látky, predovšetkým dusík, draslík a fosfor. Rozkladný proces organických látok v bioplynových staniciach má v súčasnosti účinnosť na úrovni 40 - 60 %, to znamená, že prakticky jedna tretina organických látok sa nerozloží. Ďalšou nevýhodou technológie výroby elektrickej energie spaľovaním bioplynu v kogeneračných jednotkách je časté nevyužívanie tepla, ktoré vzniká spaľovaním bioplynu ako teplo z chladenia motora a teplo z výfukových spalín. Viac ako 85 % tepla je nevyužitých a vypúšťaných cez chladiče voľne do ovzdušia.

V prvom štádiu fermentačného rozkladu pri hydrolýze sú rozkladané makromolekuláme organické látky (proteíny, sacharidy, lipidy) na nízkomolekuláme látky. Tento proces prebieha za pomoci hydrolytických enzýmov, ktoré sú produkované fermentačnými baktériami. Vznikajúce nízkomolekuláme látky sú schopné transportu do bunky. Produkty hydrolýzy - nízkomolekuláme látky sú vnútri bunky rozkladané na jednoduchšie látky (kyseliny, alkoholy, vodík, oxid, uhličitý). Táto druhá fáza sa nazýva acidogenéza. Rozkladom týchto látok vznikajú produkty, ktoré sú závislé od charakteru substrátu a od vlastností prostredia. Pri nízkom parciálnom tlaku vodíka vzniká kyselina octová, vodík a oxid uhličitý, pri vyššom parciálnom tlaku vodíka sú tvorené vyššie organické kyseliny, kyselina mliečna, etanol. Pri acetogenéze, ktorá tvorí ďalší krok procesu, prebieha oxidácia produktov na vodík, oxid uhličitý a kyselinu octovú. Tá je tiež tvorená zlúčením oxidu uhličitého a vodíka homoacetotogennými mikroorganizmami. V poslednom kroku pri metanogenéze dochádza pomocou metanogénnych organizmov k rozkladu jednoduchých uhlíkatých látok na metán, oxid uhličitý, sírovodík a podobne.

Riešenie podľa patentovej prihlášky CN101358209 vracia naspäť časť odpadového organického materiálu do druhého fermentačného reaktora. Riešením sa dosahuje len malé zvýšenie výťažnosti bioplynu.

Je žiadané také technické riešenie, ktoré podstatne zvýši výťažnosť bioplynu, zníži množstvo odpadového materiálu a bude pritom jednoducho realizovateľné, a to prípadne aj na už existujúcich bioplynových staniciach.

Podstata technického riešenia

Uvedené nedostatky v podstatnej miere odstraňuje spôsob zvýšenia výťažnosti bioplynu pri fermentácii, a to získavaním bioplynu z odpadnej organickej hmoty vystupujúcej z bioplynovej stanice, kde po fermentácii pri výrobe bioplynu vzniká ťažšie rozložiteľná organická hmota vo forme odpadového digestátu alebo reakčnej zmesi, a kde fermentácia prebieha vo fermentore a prípadne aj v dofermentore podľa tohto technického riešenia, ktorého podstata spočíva v tom, že pevné častice v organickej hmote sa mechanicky rozdrobia na menšie častice, organická hmota sa následne ohreje a dodatočne fermentuje v nádobe, z ktorej sa odoberá bioplyn.

Priebeh procesov pri výrobe bioplynu sa odlišuje podľa vlastností spracovávaného materiálu, v závislosti od veľkosti pevných častíc a podľa rozpustnosti pevných častíc vo vodnom prostredí. Pri suspenzných materiáloch rozhoduje veľkosť a koncentrácia častíc pri rozkladnom procese. Tieto parametre majú výrazný vplyv na rozložiteľnosť materiálu, na obsah metánu v bioplyne, ktorý pri procese vzniká.

Teplota patrí medzi najvýznamnejšie faktory metanolickej aktivity mikroorganizmov. Ovplyvňuje rýchlosť všetkých prebiehajúcich reakcií vonku alebo vnútri mikroorganizmov. V kultúrach mikroorganizmov podieľajúcich sa na anaeróbnom rozklade organickej hmoty má teplota rozhodujúci vplyv na zloženie mikroorganizmov. Pri danej teplote a zložení organickej hmoty prevládajú tie mikroorganizmy, ktoré premieňajú ener

SK 6739 Υ1 giu najrýchlejšie a s najväčšou účinnosťou. Teplota ovplyvňuje rýchlosť rastu mikroorganizmov. V teplotnom rozmedzí 16 až 80 °C, výhodne v rozmedzí 50 až 60 °C proces prebieha s vysokou účinnosťou. Výhodná až optimálna teplota je približne 55 °C, kedy sa rast mikroorganizmov v závislosti od prostredia ukazuje ako najrýchlejší.

Rozdrobenie pevných častíc a ohrev znižuje viskozitu organickej hmoty. Technologický proces podľa tohto spôsobu sa preto začína mechanickým rozdrvením pevných častí. Mechanické rozdrvenie môže mať podobu drvenia, sekania, mletia alebo podobného spracovania, kedy sa pevné častice rozdrobujú na menšie častice. Vplyvom strižných síl dochádza k výraznému zníženiu veľkosti častíc a následne k zvýšeniu aktívnej plochy pre anaeróbny rozklad mikroorganizmov.

Po bežnom spracovaní vstupného materiálu a po fermentácii podľa doterajšieho postupu sa rozdrobuje a zohrieva len odpadový digestát, ktorý objemovo a hmotnostne predstavuje len zlomok pôvodného materiálu. Takýto postup je preto výhodný aj z hľadiska nižšej energetickej náročnosti, kedy sa nemusí rozdrobovať a ohrievať celý objem materiálu vstupujúceho do bioplynovej stanice. Nasadenie postupu podľa tohto technického riešenia už na vstupe pôvodného materiálu do fermentora by bolo menej výhodné.

Je výhodné, ak sa organická hmota odoberá z koncového odpadového zásobníka, kam sa po rozdrobení a ohreve vracia naspäť, pričom dodatočná fermentácia prebieha práve v utesnenom koncovom odpadovom zásobníku, odkiaľ sa odoberá bioplyn. V princípe však môže byť nádoba na dodatočnú fermentáciu vytvorená ako samostatná nádoba, kam sa premiestni, navezie digestát z koncového odpadového zásobníka. Podľa vzdialenosti od bioplynovej stanice sa môže organická hmota, digestát presúvať potrubím alebo aj cisternami a podobne.

Bude výhodné, ak sa na ohrev použije odpadové teplo, najmä odpadové teplo vzniknuté pri spaľovaní bioplynu v kogeneračnej jednotke bioplynovej stanice. V princípe však môže ísť aj o iné odpadové teplo z priemyselných procesov. Umiestnenie a použitie spôsobu a systému podľa tohto technického riešenia bude v praxi viazané práve na existenciu odpadového tepla. Spotrebovanie odpadového tepla vznikajúceho pri kogenerácii je výhodné, keďže teplo doteraz nevyužité v rámci bioplynovej stanice je využité na zvýšenie výťažnosti bioplynu. Takýto postup a príslušné zapojenie podstatne zvyšuje ekonomické benefity bioplynovej stanice, keďže predpismi je zvýhodnené využitie odpadového tepla z kogenerácie. V princípe však môže ísť aj o nadbytočné teplo zo solárnych tepelných panelov, výstupy chladiacich zariadení a podobne.

S cieľom zjednodušenia procesu a tiež zmenšenia technologických zariadení je výhodné, ak sa pevné častice v organickej hmote mechanicky rozdrobujú v dopravnom čerpadle, ktorým sa organická hmota dopravuje do výmenníka tepla, môže ísť napríklad o špeciálne zubové čerpadlo. Organická hmota sa cez dopravné čerpadlo presúva a rozdrobuje opakovane počas jednej náplne nádoby, v ktorej prebieha dodatočná fermentácia. Prísun novej organickej hmoty v nádobe je v podstate priebežný, takže nie je možné presne určiť všeobecnú zádržnú dobu organickej hmoty, bežne sa však každá časť organickej hmoty dostane opakovane do drviaceho zariadenia. To umožňuje použiť relatívne menšie drviace zariadenia, ktoré si s hmotou v nádobe poradia postupne, viacstupňovo. Dôsledkom opakovaného presunu a rozdrobovania sa pevné častice v organickej hmote pri cirkulácii rozdrobia na menej než polovicu, výhodne menej než tretinu pôvodnej veľkosti, obzvlášť výhodne na menej než štvrtinu pôvodnej veľkosti.

Mikroorganizmy pôsobiace pri fermentácii môžeme rozdeliť do teplotných skupín: psychotrofilné - optimálna teplota 15 °C mezofilné - optimálna teplota 40 °C termofílné - optimálna teplota nad 45 °C.

Anaeróbny rozklad prebieha za podmienok mezofilných, ale aj termofilných. Reakčná rýchlosť rozkladu s rastúcou teplotou stúpa. Rozklad organickej hmoty začína prebiehať nad teplotou 5 °C. Teplota má výrazný vplyv na reakcie vonku, ale aj vnútri mikrobionálnych buniek. Zvýšenie teploty spôsobuje zníženie viskozity reakčnej zmesi, lepší pohyb tuhých častíc a zvýšenie difúzie rozpustných látok asi o 50 % v termofilných podmienkach oproti mezofilným. Rýchlosť rastu termofilných organizmov je 2- až 3-krát vyššia ako pri mezofilných a rozklad organických látok je limitovaný difúziou - nižšou viskozitou. Zvýšenie teploty o niekoľko stupňov spôsobí:

- zvýšenú rýchlosť rozkladu organických látok,

- zvýšenie hĺbky rozkladu organických látok,

- zlepšenie hygienizačných podmienok.

Lepší rozklad organickej hmoty umožňuje využívať menší reaktor, menšie množstvá dávkovaných surovín do reaktora - fermentora, vyššiu produkciu bioplynu, zníženie odpadového množstva digestatovaného kalu, čo má za následok zníženie tvorby metánu v prírodnom prostredí. Na základe zistených poznatkov má rozklad ťažkorozložiteľných bunkových materiálov v odpadnom digestáte najvyšší význam pre zvýšenú tvorbu bioplynu a následné zefektívnenie procesu v bioplynových staniciach.

Na deštrukciu pevných častíc za priaznivých podmienok pri pôsobení až do buniek boli odskúšané technológie:

SK 6739 Υ1

- deštrukcia buniek ultrazvukom,

- deštrukcia buniek lyzátovou odstredivkou,

- deštrukcia buniek termickou hydrolýzou,

- deštrukcia buniek elektrokinetickým rozkladom.

Proces deštrukcie buniek elektrokinetickým rozkladom bol odskúšaný v podmienkach fermentácie pri primárnom rozklade vstupných surovín do fermentora. Synergické zlúčenie procesov drvenia a zníženia viskozity využívaním odpadného tepla z kogeneračných jednotiek technologického procesu - reaktora pri spracovaní odpadného digestátu z procesu výroby bioplynu v bioplynových staniciach výrazne zefektívni ekonomický chod bioplynových biostaníc.

Je výhodné, ak sa organická hmota pred a/alebo po zohriatí vystaví účinkom vysokonapäťového elektrokinetického zariadenia, ktoré elektrickým poľom rozrušuje bunkovú štruktúru organickej hmoty. Z hľadiska spoľahlivého priebehu procesu bude organická hmota vo vysokonapäťovom zariadení kontinuálne prechádzať cez elektrické pole vytvorené medzi dvoma vodivými plochami s relatívnym napätím 40 kV až 160 kV, výhodne s premenlivou amplitúdou napätia od 0 do 100 kV. Prechod organickej hmoty cez elektrokinetické zariadenie môže byť rovnako opakovaný ako pri prechode organickej hmoty drviacim zariadením. Jednoducho to dosiahneme zapojením týchto zariadení do spoločného vedenia.

Koncentrácia pevných častíc v organickej hmote pred rozdrobovaním dosahuje hodnotu 4-25 % hmotn., zvyčajne 6-20 % hmotn.

S cieľom zvýšiť výťažnosť môže byť organická hmota pred zohriatím a/alebo po zohriatí vystavená ultrazvukovému vlneniu. Ultrazvuk bude mať vo výhodnom nastavení frekvenciu S pásma 2-4 GHz, obzvlášť výhodne 2 450 MHz.

Dodatočná fermentácia bude pri výhodnom usporiadaní prebiehať v nádobe 7 až 120 dní, výhodne 21 až 31 dní, pričom organická hmota sa rozdrobuje a ohrieva v podstate priebežne počas celého procesu. Prísun novej organickej hmoty do nádoby môže byť v podstate kontinuálny, odber koncového odpadu po skončení dodatočnej fermentácie bude zvyčajne skokový.

S cieľom dosiahnuť vyššiu výťažnosť môže byť pri dodatočnej fermentácii použitý katalyzátor, výhodne s obsahom trojsytného alkoholu. Katalyzátor je pridaný do organickej hmoty pri jej presune do nádoby na dodatočnú fermentáciu alebo pri cirkulácii organickej hmoty cez potrubie, v ktorom je zapojené drviace zariadenie a tepelný výmenník. Katalyzátor sa môže pridať do organickej hmoty v potrubí na odbernom mieste alebo prostredníctvom dávkovača katalyzátora. Katalyzátor sa môže dávkovať podľa výsledkov rozboru vzoriek organickej hmoty. Vzorky sa najskôr odoberú cez odberné miesto v potrubí, a to aspoň raz počas priebehu jednej dodatočnej fermentácie. Podľa rozboru vzorky sa jednorazovo nadávkuje katalyzátor, ktorý sa pri cirkulácii organickej hmoty premieša s celým objemom v nádobe na dodatočnú fermentáciu. Katalyzátor sa môže pridávať aj postupne, vo viacerých krokoch, pričom celkové množstvo bude zodpovedať vypočítanému množstvu katalyzátora pre danú hmotu v nádobe podľa výsledku ostatného testovania vzorky. Po novom testovaní sa množstvo ďalej dodávaného katalyzátora opäť prepočíta.

Do organickej hmoty sa môžu tiež pridať stopové esenciálne prvky ako molybdén a/alebo zinok, alebo meď a/alebo kobalt a/alebo nikel, výhodne cez odberné miesto alebo dávkovač katalyzátora. Tým sa bude predovšetkým stimulovať aktivita fermentačných baktérií v dodatočnej fermentácii. Vhodná koncentrácia uvedených esenciálnych prvkov je nevyhnutná pre aktivitu baktérií pri metanogenéze. Testom na vzorke je možné zisťovať koncentráciu uvedených prvkov a následne sa ich pridávaním riadi vhodná koncentrácia v organickej hmote. Vysoká koncentrácia ťažkých kovov by spôsobovala problémy s uplatnením konečného odpadu, nízky obsah naznačuje zlé prostredie pre aktivitu baktérií, ktoré tieto prvky spotrebovávajú pri svojej činnosti. Pridávanie esenciálnych prvkov môže byť samostatné alebo spojené s pridávaním katalyzátora. Je výhodné, ak sú esenciálne prvky pridávané v kvapalnej podobe. V takom prípade sa môžu primiešať do katalyzátora. Presný postup pridávania katalyzátora a esenciálnych prvkov bude tiež závislý od spôsobu prevádzky systému podľa tohto technického riešenia. V prípade, že systém bude mať stálu dennú obsluhu, môžu byť viaceré etapy riadené ručne, pridávanie katalyzátora môže byť tiež ručné. V prípade, že obsluha bude len občas, napr. raz týždenne kontrolovať systém a napr. raz mesačne vykonávať rozbor vzoriek, bude vhodné procesy automatizovať, katalyzátor a esenciálne prvky sa budú dávkovať čerpadlom podľa nastaveného množstva a času.

Okrem dodatočnej fermentácie v nádobe na dodatočnú fermentáciu, resp. v koncovom odpadovom zásobníku môže sa aspoň časť rozdrobenej organickej hmoty presunúť do pôvodného fermentora a/alebo do dofermentora, kde znižuje viskozitu spracovávaného materiálu, a kde sa rozdrobená hmota dodatočne fermentuje. Pri prevádzke bioplynových staníc sa podľa povahy vstupného materiálu používa na rozriedenie močovka alebo iný riediaci roztok, čo si vyžaduje príslušné logistické zabezpečenie. V postupe podľa tohto technického riešenia sa môže rozdrobená organická hmota použiť ako náhrada močovky, čím sa bioplynová stanica stáva sebestačnejšia z hľadiska riadenia viskozity prvotne fermentovaného materiálu.

Keďže spôsob podľa tohto technického riešenia je vhodné použiť aj pri už existujúcich bioplynových staniciach, bude výhodné, ak rozdrobovanie a ohrev organickej hmoty, výhodne aj elektrokinéza a/alebo aj ul

SK 6739 Υ1 trebnú na procesy podľa tohto technického riešenia s príslušným vzájomným zapojením a riadením. Kontajner sa pri vezie do objektu bioplynovej stanice a pripojí sa k odpadovému zásobníku a k ostatným zariadeniam.

Súčasťou technického riešenia je aj nový systém na získavanie bioplynu z ťažšie rozložiteľnej organickej hmoty vystupujúcej z bioplynovej stanice, kde ťažšie rozložiteľná organická hmota vzniká po fermentácii vo forme odpadového digestátu alebo reakčnej zmesi. Podstata spočíva v tom, že zahŕňa nádobu na dodatočnú fermentáciu s odberom bioplynu, drviace zariadenie a tepelný výmenník na ohrev organickej hmoty. Drviace zariadenie aj tepelný výmenník sú zaradené vo vedení, ktoré smeruje do nádoby na dodatočnú fermentáciu. Tepelný výmenník je pripojený k zdroju tepla. Pri najbežnejšom usporiadaní bude nádoba na dodatočnú fermentáciu tvorená koncovým odpadovým zásobníkom bioplynovej stanice. Môže ísť však aj o úplne samostatnú nádobu s odberom bioplynu.

Zdroj tepla bude vo výhodnom usporiadaní tvorený kogeneračnou jednotkou, ktorá je poháňaná bioplynom z bioplynovej stanice.

S cieľom dosiahnuť vysokú výťažnosť bioplynu bude vo vedení s drviacim zariadením a tepelným výmenníkom zaradené elektrokinetické zariadenie a/alebo mikrovlnné zariadenie. Vo výhodnom usporiadaní môže byť vo vedení zaradený dávkovač katalyzátora a/alebo odberné miesto.

Systém môže byť nastavený tak, aby sa dal dodatočne a operatívne nasadiť v už existujúcich bioplynových staniciach. Z uvedeného dôvodu môžu byť prvky systému s výnimkou nádoby na dodatočnú fermentáciu umiestnené na jednom nosiči, systém môže byť umiestnený v mobilnom kontajneri, ktorý je privezený do objektu bioplynovej stanice a je pripojený k odpadovému zásobníku. Ak sa však systém použije v novoprojektovanej bioplynovej stanici, môže byť jej súčasťou tak, že drvenie a zohrievanie je zapojené medzi dofermentorom a koncovým odpadovým zásobníkom.

Potrubie s drviacim zariadením a tepelným výmenníkom môže byť cez riadený ventil prepojené s fermentorom a/alebo dofermentorom, čo umožní premiešať vstupný materiál s organickou hmotou s nižšou viskozitou.

Technické riešenie zefektívňuje technologický proces anaeróbnej fermentácie v bioplynových staniciach, prehlbuje rozklad odpadného digestátu v technologickom zariadení, kde sa synergickým zlúčením samostatných procesov do jedného celku zabezpečí prehĺbenie rozkladu ťažko rozložiteľných organických látok v odpadnom digestáte a následne zvýšenie tvorby bioplynu.

Známe spôsoby deštrukcie buniek sú využiteľné pri koncentrácii pevných častíc do 10 %. V tomto technickom riešení je deštrukcia použiteľná pri koncentrácii pevných častíc do 25 %. Zníženie viskozity digestátu využitím odpadného tepla, predovšetkým tepla z kogeneračných jednotiek umožní technológiám pracovať s vyššími koncentráciami častíc, ktoré sa v odpadnom digestáte bežne vyskytujú. Tvorba lyzátu rozkladom buniek vplyvom deštrukcie zefektívni proces najmä v týchto parametroch:

- rozklad zvyškovej organickej hmoty,

- zvýšenie tvorby bioplynu až o 25%,

- zníženie množstva odpadného kalu o 30 %,

- zvýšenie skladovacích kapacít na odpadný digestát,

- pozitívny vplyv na životné prostredie - znížená tvorba metánu, ktorý sa tvorí na poliach, ak sa odpadný digestát použije ako hnojivo.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Technické riešenie je bližšie vysvetlené pomocou obrázkov 1 až 5. Vyobrazený pomer veľkostí jednotlivých zariadení a prvkov je len ilustratívny. Rozmerové pomery na obrázkoch nie je možné vykladať ako zužujúce rozsah ochrany.

Na obrázku 1 je znázornená schéma systému so zubovým dopravným čerpadlom, jedným tepelným výmenníkom, elektrokinetickým zariadením, ultrazvukovým zariadením a dávkovačom katalyzátora v uvedenom poradí.

Na obrázku 2 je znázornený pohľad na zapojenie prvkov systému, kde prvky sú umiestnené v mobilnom kontajneri.

Na obrázku 3 je pohľad na systém s minimalistickým zapojením, len s nevyhnutnými prvkami.

Na obrázku 4 je schéma samostatného zapojenia s vlastnou nádobou mimo bioplynovej stanice, odkiaľ sa preváža digestát z koncového odpadového zásobníka. Zvislou bodkovanou čiarou je znázornené priestorové oddelenie systému a bioplynovej stanice.

Obrázok 5 vyobrazuje systém zapojený medzi dofermentor a koncový odpadový zásobník s cirkulačnou slučkou, kde je dopravné zariadenie schopné nielen presúvať organickú hmotu z dofermentora do koncového odpadového zásobníka, ale je tiež schopné opakovane prečerpávať organickú hmotu v rámci koncového odpadového zásobníka.

SK 6739 Υ1

Príklady uskutočnenia

Príklad 1

V tomto príklade podľa obrázka 1 je systém na získavanie bioplynu z organického odpadu použitý v bioplynovej stanici, ktorá má fermentor 1, dofermentor 2 a koncový odpadový zásobník 3. Všetky tieto tri nádoby majú v hornej časti odber 4 bioplynu, a to pomocou plachtového zberača. Ku koncovému dopadovému zásobníku 3 je pripojené vedenie, ktoré z neho odoberá organickú hmotu, digestát. Vo vedení sú v nasledovnom poradí zapojené tieto prvky: drviace zariadenie 5, tepelný výmenník 6, elektrokinetické zariadenie 7, mikrovlnné zariadenie 8 a dávkovač 9 katalyzátora. V inom príklade môže byť poradie odlišné, je však vždy výhodné, ak je drviace zariadenie 5 zapojené na začiatku vedenia, keďže zmenšené častice sa ľahšie prepravujú v potrubí, nebudú sa upchávať v tepelnom výmenníku 6, a tiež sa tým zvyšuje účinnosť následných procesov.

Tepelný výmenník 6 je pripojený ku kogeneračnej jednotke 10, kde sa pri teplote 90 - 95 °C odvádza odpadné teplo z chladenia. Kogeneračná jednotka 10 je poháňaná bioplynom, teda najmä metánom vytvoreným v bioplynovej stanici. Vedenie je naspäť zaústené do koncového odpadového zásobníka 3. Spustením dopravného čerpadla, ktoré zároveň plní funkciu drviaceho zariadenia 5, recirkuluje organická hmota cez vedenie a jednotlivé zariadenia, a to v hodinovom množstve 30 až 50 m³. Pri tejto preprave sú pevné častice v organickej hmote rozdrvené a organická hmota je ohriata na 55 °C. Rozdrvenie po opakovanej cirkulácii zmenšilo pevné častice z pôvodnej frakcie 2 - 5 cm na rozmer 0,5 - 1 cm. Elektrokinetické zariadenie svojim elektrickým poľom s premenlivou amplitúdou napätia do 100 kV rozrušuje bunkovú štruktúru organickej hmoty. Organická hmota je tiež vystavená ultrazvuku s frekvenciou 2 450 MHz.

Vedenie je na konci, ešte pred vstupom do koncového odpadového zásobníka 3, vybavené ventilom, ktorým sa môže dopravovať rozriedená organická hmota do fermentora 1 alebo do dofermentora 2. Tým sa nahradí používanie močovky alebo iného riediaceho roztoku v bioplynovej stanici.

Ako katalyzátor je v tomto prípade použitý glycerín, ktorý sa pridáva cez dávkovač 9 katalyzátora do vedenia. Pridáva sa v podstate len jednorazovo v rámci jedného cyklu dodatočnej fermentácie. Obsluha systému riadi dávkovanie katalyzátora podľa výsledkov testov zo vzoriek odobratých cez odberné miesto. Podľa výsledkov z testov sa tiež do organickej hmoty dávkuje molybdén, zinok, meď, kobalt a nikel. Tie sa pridávajú v kvapalnej forme tak, aby sa ich koncentrácia pohybovala v požadovanom rozmedzí. Kvapalný koncentrát s esenciálnymi, stopovými prvkami sa pridá do katalyzátora.

Príklad 2

Usporiadanie podľa obrázka 2 sa odlišuje od predchádzajúceho príkladu tým, že dopravné čerpadlo a drviace zariadenie 5 sú samostatné prvky a dávkovač 9 katalyzátora je zaradený za drviacim zariadením 5. V tomto príklade sú všetky prvky a zariadenia zapojené v rámci mobilného kontajnera 11, ktorý je nákladným vozidlom privezený do areálu bioplynovej stanice. Kontajner 11 má vstupy a výstupy vedení, ktoré sa prepoja s koncovým odpadovým zásobníkom 3. Použitie uvedeného kontajnera 11 zabezpečí podstatné zvýšenie výťažnosti bioplynu v bioplynovej stanici a účelne sa využije odpadové teplo z kogeneračnej jednotky 10. V tomto príklade obslužný personál navštívi a skontroluje chod systému raz týždenne. Raz mesačne obsluha odoberie vzorky organickej hmoty a podľa výsledkov vypočíta potrebné množstvo katalyzátora, ako aj jednotlivých esenciálnych prvkov. Tie potom v kvapalnej podobe naleje do dávkovača 9 katalyzátora, odkiaľ sú čerpadlom v denných dávkach vytlačené do potrubia.

Príklad 3

Pri požiadavke na minimalistické zapojenie s malými investičnými a priestorovými nárokmi je podľa obrázka 3 použité len drviace zariadenie 5 a tepelný výmenník 6. Tie sú zapojené do cirkulačnej slučky ku koncovému odpadovému zásobníku 3. Katalyzátor sa pridáva ručne priamo do koncového odpadového zásobníka 3. Opäť sa organická hmota rozdrobuje a využíva sa odpadné teplo na jej ohrev.

Príklad 4

Systém podľa obrázka 4 je realizovaný mimo priameho areálu bioplynovej stanice. Systém má samostatnú nádobu na dodatočnú fermentáciu s odberom 4 bioplynu. Digestát sa naváža z bioplynovej stanice do tejto nádoby. Teplovodným rozvodom je tepelný výmenník 6 napojený na zdroj odpadného tepla. Postup a spôsob je podobný ako pri predchádzajúcich príkladoch.

V tomto príklade systém obsluhuje personál každý deň.

SK 6739 Υ1

Príklad 5

Pri stavbe bioplynovej stanice boli jednotlivé zariadenia a prvky - drviace zariadenie 5, tepelný výmenník 6, elektrokinetické zariadenie 7 zaradené medzi dofermentor 2 a koncový odpadový zásobník 3. Tepelný výmenník 6 ohrieva organickú hmotu na teplotu 70 °C. V koncovom odpadovom zásobníku 3 prebieha dodatočná fermentácia. V čase, keď sa organická hmota nepresúva z dofermentora 2 do koncového odpadového zásobníka 3, sa vytvorí cirkulačný okruh a organická hmota opakovane koluje cez drviace zariadenie 5 a tepelný výmenník 6.

Príklad 6

V záujme overenia vplyvu veľkosti pevných častíc pri anaeróbnom rozklade organickej hmoty bol zásobník digestátu s odpadným digestátom s objemom 3000 m³ napojený na cirkulačné zubové čerpadlo. Výkon čerpadla bol 30 m³ digestátu za hod. Cirkulácia prebiehala počas 10 dní. Digestát po výstupe z čerpadla bol vizuálne jemnejší, častice boli podstatne jemnejšie, pri vstupe do čerpadla boli 2 - 5 cm veľké, pri výstupe 0,5 - 1 cm. Zmenšenie častíc a následné zvýšenie aktívnej plochy pre mikroorganizmy malo za následok zvýšenie tvorby bioplynu už od piateho dňa pokusu, a to o priemerné množstvo 300 m³/deň, t. j. 2,5 % hmotn. Teplota digestátu bola v rozmedzí 16-18 °C, koncentrácia tuhých častíc v digestáte bola 6 % hm.

Príklad 7

V tomto príklade sa za cirkulačné zubové čerpadlo namontovalo elektrokinetické zariadenie 7 na vytvorenie vysokonapäťového poľa. Elektrokinetické zariadenie 7 bolo namontované tak, aby prietok digestátu cez modul bol 30 m³/hod. Cirkulácia cez elektrokinetické zariadenie 2 trvala 10 dní. Teplota digestátu bola počas pokusu 18 °C a na konci pokusu sa zvýšila na 20 °C. Veľkosť častíc po prechode vysokonapäťovým modulom sa počas pokusu zmenšovala a v posledný deň pokusu bol digestát prakticky homogénny. Tvorba bioplynu sa od tretieho dňa zvyšovala a na konci pokusu dosahovala 850 m³ za deň, čo predstavovalo zvýšenie tvorby bioplynu o 5,5 %, a koncentrácia častíc v digestáte bola 7 % hm.

Príklad 8

Riešenie podľa tohto príkladu obsahuje nádobu, reakčný kotol namontovaný medzi cirkulačné zubové čerpadlo a elektrokinetické zariadenie 7. Reakčný kotol má objem 4 m³, bez miešadla s namontovaným vyhrievacím hadom. Reakčný kotol týmto nahradil aj tepelný výmenník 6. Prietok zubového čerpadla bol nastavený na 30 m³/hod. Teplota vstupnej vody do plášťa kotla a do vykurovacieho hada bola 90 °C. Pokus prebiehal 18 dní. Teplota sa počas pokusu zvýšila z 20 °C na 37 °C. Tvorba bioplynu sa s rastúcou teplotou zvyšovala až na úroveň 2200 m³/deň, čo bolo zvýšenie tvorby bioplynu o 18 %, a koncentrácia častíc v digestáte bola 20 % hm.

Príklad 9

Pokus prebiehal podľa podmienok predchádzajúceho príkladu s tým, že do reakčného kotla, ktorý slúžil tiež ako tepelný výmenník 6, sa kontinuálne dávkoval katalyzátor v množstve 3 1/hod. Katalyzátorom bol trojsýtny alkohol. Tvorba bioplynu sa zvýšila o 2800 m³/deň, čo bolo zvýšenie tvorby bioplynu o 23 % hm.

Príklad 10

Elektrokinetické zariadenie 7 sa namontovalo medzi cirkulačné čerpadlo a vyhrievaný reakčný kotol. Prietok zubového čerpadla bol nastavený na 30 m³/hod. Teplota vstupnej vody do plášťa a do vykurovacieho hada bola 90 °C. Pokus prebiehal 14 dní. Tvorba bioplynu sa zvýšila o 10 %.

Príklad 11

Do nádoby 2000 ml naplnenej digestátom sa ponorila ultrazvuková sonda s intenzitou výkonu 1000 W/l digestátu. Teplota digestátu bola 18 °C. Proces prebiehal 72 hodín. Do druhej 2000 ml nádoby sa naplnil digestát toho istého zloženia a tento bol počas 72 hodín miešaný. V tretej 2000 ml nádobe bol naplnený digestát zohriaty na 50 °C a ponorená ultrazvuková sonda počas 72 hodín. Odchádzajúci bioplyn prebublával cez nádobku naplnenú vodou a viedol do plynového meradla. Po vyhodnotení pokusu možno konštatovať: Najnižšiu tvorbu bioplynu mala nádobka s miešaným digestátom, o 10 % bola vyššia tvorba bioplynu pri nádobke s ultrazvukovou sondou, pri teplote 18 °C a nádobka s ultrazvukovou sondou a teplotou 50 °C mala tvorbu bioplynu vyššiu o 22 % ako nádobka s voľne miešajúcim sa digestátom.

Priemyselná využiteľnosť

Priemyselná využiteľnosť je zrejmá. Podľa tohto technického riešenia je možné vytvárať systém na využitie odpadného digestatovaného kalu pri dodatočnej výrobe bioplynu v anaeróbnych bioplynových staniciach.

Claims (29)

1. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice, kde po fermentácii pri výrobe bioplynu vzniká ťažšie rozložiteľná organická hmota vo forme odpadového digestátu alebo reakčnej zmesi a kde fermentácia prebieha vo fermentore (1) a prípadne aj v dofermentore (2), vyznačuj úci sa tým, že pevné častice v organickej hmote sa mechanicky rozdrobia na menšie častice, organická hmota sa následne ohreje a dodatočne fermentuje v nádobe, z ktorej sa odoberá bioplyn.

2. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa nároku 1, v y z n a čujúci sa tým, že organická hmota sa odoberá z koncového odpadového zásobníka (3), kam sa po rozdrobení a ohreve vracia, pričom dodatočná fermentácia prebieha v utesnenom koncovom odpadovom zásobníku (3), odkiaľ sa odoberá bioplyn.

3. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa nároku 1 alebo 2, vyzná č u j ú c i sa tým, že organická hmota sa ohrieva odpadným teplom.

4. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa nároku 3, v y z n a čujúci sa tým, že ide o odpadné teplo, ktoré vzniká pri prevádzke bioplynovej stanice, výhodne pri spaľovaní bioplynu v kogeneračnej jednotke (10) bioplynovej stanice.

5. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa ktoréhokoľvek z nárokov laž 4, vyznačujúci sa tým, že organická hmota sa ohrieva na teplotu 16 až 80 °C, výhodne na teplotu 50 až 60 °C, obzvlášť výhodne na teplotu 55 °C.

6. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 5, vyznačujúci sa tým, že organická hmota opakovane cirkuluje cez drviace zariadenie (5), pričom sa pevné častice v organickej hmote rozdrobia na menej než polovicu, výhodne menej než tretinu pôvodnej veľkosti, obzvlášť výhodne na menej než štvrtinu pôvodnej veľkosti.

7. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa nároku 6, vyznajú j ú c i sa tým, že pevné častice v organickej hmote sa mechanicky rozdrobujú v dopravnom čerpadle, ktorým sa organická hmota dopravuje do tepelného výmenníka (6), kde dopravné čerpadlo plní aj funkciu drviaceho zariadenia (5).

8. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 7, vyznačujúci sa tým, že organická hmota je pred a/alebo po ohriati vystavená účinkom vysokonapäťového elektrokinetického zariadenia (7), ktoré elektrickým poľom rozrušuje bunkovú štruktúru organickej hmoty.

9. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa nároku 8, vy znajú j ú c i sa tým, že organická hmota vo vysokonapäťovom zariadení prechádza cez elektrické pole vytvorené medzi dvoma vodivými plochami s relatívnym napätím 40 kV až 160 kV, výhodne s premenlivou amplitúdou napätia od 0 do 100 kV.

10. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa ktoréhokoľvek z nárokov laž 9, vyznačujúci sa tým, že koncentrácia pevných častíc v organickej hmote dosahuje hodnotu 4-25 % hmotn, výhodne 6-20 % hmotn..

11. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 10, vyznačujúci sa tým, že organická hmota je pred a/alebo po zohriatí vystavená ultrazvukovému vlneniu.

12. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa nároku 11, vyznačujúci sa tým, že ultrazvuk má frekvenciu S pásma 2-4 GHz, výhodne 2 450 MHz.

13. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa ktoréhokoľvek z nárokov laž 12, vyznačujúci sa tým, že dodatočná fermentácia prebieha 7 až 120 dní, výhodne 21 až 31 dní.

14. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 13,vyznačujúci sa tým, že dodatočná fermentácia prebieha za prítomnosti katalyzátora, ktorý obsahuje trojsytný alkohol.

15. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa nároku 14, vyznačujúci sa tým, že katalyzátor je pridaný do organickej hmoty pri jej presune do nádoby na dodatočnú fermentáciu alebo pri doprave organickej hmoty vo vedení s drviacim zariadením (5), výhodne v potrubí v mieste odberného miesta alebo prostredníctvom dávkovača (9) katalyzátora zaradeného v potrubí, pričom dávkovanie počas priebehu jednej dodatočnej fermentácie je jednorazové alebo postupné v dávkach alebo kontinuálne.

16. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa nároku 14 alebo 15, vyznačujúci sa tým, že katalyzátor sa dávkuje podľa výsledkov rozboru vzoriek organickej hmoty, vzorky sa nekontinuálne odoberú cez odberné miesto v potrubí aspoň raz počas priebehu jednej dodatočnej fermentácie.

SK 6739 Υ1

17. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 16, vyznačujúci sa tým, že aspoň časť rozdrobenej organickej hmoty sa presunie do pôvodného fermentora (1) a/alebo do dofermentora (2), kde znižuje viskozitu spracovávaného materiálu, a kde rozdrobená hmota dodatočne fermentuje.

18. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa nároku 17, vyznačujúci sa tým, že rozdrobená organická hmota sa v pôvodnom fermentore (1 ) použije ako náhrada močovky alebo iného riediaceho roztoku.

19. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 18, vyznačujúci sa tým, že do organickej hmoty sa na podporu aktivity baktérií pridávajú stopové prvky molybdén a/alebo zinok a/alebo meď a/alebo kobalt a/alebo nikel, výhodne cez odberné miesto alebo dávkovač (9) katalyzátora.

20. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa nároku 19, vyznačujúci sa tým, že stopové prvky sú pridávané v kvapalnej forme, výhodne samostatne alebo spolu s katalyzátorom, obzvlášť výhodne v množstve na dosiahnutie požadovanej koncentrácie, ktorá sa zisťuje po odbere vzorky.

21. Spôsob získavania bioplynu z organického odpadu z bioplynovej stanice podľa ktoréhokoľvek z nárokov laž 20, vyznačujúci sa tým, že rozdrobovanie a ohrev organickej hmoty, výhodne aj elektrokinéza a/alebo ultrazvukové pôsobenie prebieha v rámci mobilného kontajnera (11), ktorý je privezený do objektu bioplynovej stanice a pripojený ku koncovému odpadovému zásobníku (3).

22. Systém na získavanie bioplynu z ťažšie rozložiteľnej organickej hmoty z bioplynovej stanice, kde ťažšie rozložiteľná organická hmota vzniká po fermentácii vo forme odpadového digestátu alebo reakčnej zmesi, vyznačujúci sa tým, že zahŕňa nádobu na dodatočnú fermentáciu s odberom (4) bioplynu, drviace zariadenie (5), tepelný výmenník (6) na ohrev organickej hmoty, drviace zariadenie (5) aj tepelný výmenník (6) sú zaradené vo vedení vstupujúcom do nádoby na dodatočnú fermentáciu, a tepelný výmenník (6) je pripojený k zdroju tepla.

23. Systém na získavanie bioplynu podľa nároku 22, vyznačujúci sa tým, že nádoba na dodatočnú fermentáciu je tvorená koncovým odpadovým zásobníkom (3) bioplynovej stanice.

24. Systém na získavanie bioplynu podľa nároku 22 alebo 23, vyznačujúci sa tým, že zdroj tepla pre tepelný výmenník (6) je tvorený kogeneračnou jednotkou (10) bioplynovej stanice.

25. Systém na získavanie bioplynu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 22 až 24, vyznačujúci sa tým, že vo vedení s drviacim zariadením (5) a tepelným výmenníkom (6) je zaradené elektrokinetické zariadenie (7) a/alebo mikrovlnné zariadenie (8).

26. Systém na získavanie bioplynu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 22 až 25, vyznačujúci sa tým, že vo vedení je zaradený dávkovač (9) katalyzátora a/alebo odberné miesto.

27. Systém na získavanie bioplynu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 22 až 26, vyznačujúci sa tým, že s výnimkou nádoby na dodatočnú fermentáciu je systém umiestnený v mobilnom kontajneri (11), ktorý je privezený do objektu bioplynovej stanice a je pripojený ku koncovému odpadovému zásobníku (3).

28. Systém na získavanie bioplynu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 22 až 27, vyznačujúci sa tým, že vedenie s drviacim zariadením (5) a tepelným výmenníkom (6) je cez ventil prepojené s fermentorom (1) a/alebo dofermentorom (2).

29. Systém na získavanie bioplynu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 22 až 28, vyznačujúci sa tým, že drviace zariadenie (5) a tepelný výmenník (6) sú zaradené medzi dofermentorom (2) a koncovým odpadovým zásobníkom (3).