MD4244C1 - Reactor anaerob combinat pentru obţinerea biometanului - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la instalaţii pentru obţinerea biometanului în componenţa biogazului şi poate fi utilizată în diferite ramuri ale agriculturii şi industriei de prelucrare.Reactorul anaerob combinat pentru obţinerea biometanului este constituit dintr-un bioreactor (2) cu corp cilindric (1) cu fund conic, unit cu un ştuţ (3) de evacuare a nămolului. În bioreactor (2) este amplasată o încărcătură (4) pentru fixarea microflorei şi un indicator de nivel (5). În partea superioară a bioreactorului (2) este instalat un rezervor (10), dotat cu un indicator de nivel (6) şi o supapă (9) cu flotor (8). Pe rezervor (10) este amplasat un agitator electromagnetic (11), care conţine particule metalice (14), un generator (15) de câmp electromagnetic rotativ, un ştuţ (12) de alimentare cu lichid şi un ventil (13) pentru evacuarea lui în rezervor (10). În partea inferioară a bioreactorului (2) este instalat un receiver (17), dotat cu un indicator de nivel automat (18), conectat la un bloc de comandă (19), cuplat cu o pompă (20), dotată cu un ejector (21) metan-lichid, care, prin intermediul unei conducte (24) de aspiraţie a biometanului, comunică cu partea superioară a bioreactorului (2). Ejectorul (21) este racordat la un pulverizator (25) şi la un aspirator (23). În partea inferioară a receiverului (17) este racordat un ştuţ (26) cu un ventil de reglare (27) şi o conductă de recirculare (28), unită la o pompă (29), care este cuplată cu blocul de comandă (19) şi unită cu un ejector (30) de lichid, unit cu un electrogenerator (31) cu diafragmă de hidrogen şi un distribuitor perforat (33). În partea superioară a receiverului (17) este montat un furtun (34), unit printr-un sifon (35) cu o cameră de absorbţie (36), umplută cu cărbune activat (37), racordată la corp (1) şi dotată cu un dispozitiv de acţionare (38) cu vibrare şi un ştuţ (39) de evacuare a metanului cu un ventil (40).

Description

Invenţia se referă la instalaţii pentru obţinerea biometanului în componenţa biogazului şi poate fi utilizată în diferite ramuri ale agriculturii şi industriei de prelucrare.

Biogazul reprezintă o sursă regenerabilă de energie, şi are drept obiectiv intensificarea procesului de obţinere a biometanului prin implementarea unor particularităţi constructive şi prin introducerea în el a unor adaosuri biologic active stimulatoare pentru majorarea producţiei de biometan, creşterea gradului de purificare şi reducerea costului. Invenţia include un proces complex tehnic, tehnologic şi biochimic de obţinere a biogazului, folosind ca materie primă deşeurile agricole şi ale industriei prelucrătoare, cum ar fi borhotul de alcool sau divin. În această ordine de idei invenţia propusă poate fi aplicată pentru epurarea apelor uzate de înaltă încărcare ale întreprinderilor agroindustriale pentru obţinerea biogazului şi pe baza acestuia a energiei electrice şi termice, a nămolurilor stabilizate, care pot servi în calitate de fertilizanţi sau adaosuri vitaminizate pentru hrana animalelor, cu asigurarea aceluiaşi timp de protecţie a mediului înconjurător şi de dezvoltare socio-economică durabilă.

Este cunoscut un bioreactor anaerob pentru decontaminarea compuşilor organici greu biodegradabili, care conţine un corp, conducte de admisie şi de evacuare a lichidului tratat, un suport solid pentru fixarea microflorei şi un strat de microfloră granulară, precum şi conducte de evacuare a nămolului şi biogazului, un hidrolizor şi un generator de câmp electromagnetic rotativ [1].

Acest bioreactor nu asigură o capacitate suficientă a procesului şi o producţie majoră de biometan pentru utilizare.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenţia este majorarea producţiei de biometan şi a gradului de purificare a lui, asigurarea eficienţei procesului în flux continuu şi reducerea cheltuielilor materiale şi de exploatare.

Reactorul anaerob combinat pentru obţinerea biometanului înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că este constituit dintr-un bioreactor cu corp cilindric cu fund conic, unit cu un ştuţ de evacuare a nămolului. În bioreactor este amplasată o încărcătură pentru fixarea microflorei şi un indicator de nivel. În partea superioară a bioreactorului este instalat un rezervor, dotat cu un indicator de nivel, iar la trecerea din rezervor în corp este amplasată o supapă cu flotor. Pe rezervor este amplasat un agitator electromagnetic, care conţine particule metalice dintr-un material magnetic moale, un generator de câmp electromagnetic rotativ, conectat la un variator de curent trifazat, un ştuţ de alimentare cu lichid supus tratării şi un ventil pentru evacuarea lui în rezervor. În partea inferioară a bioreactorului este instalat un receiver, care este dotat cu un indicator de nivel automat, conectat la un bloc de comandă, cuplat cu o pompă, dotată cu un ejector metan-lichid, care, prin intermediul unei conducte de aspiraţie a biometanului, comunică cu partea superioară a bioreactorului. Ejectorul este racordat la un pulverizator şi la un aspirator, amplasat la fundul corpului. În partea inferioară a receiverului este racordat un ştuţ cu un ventil de reglare şi o conductă de recirculare, unită la o pompă, care este cuplată cu blocul de comandă şi unită cu un ejector de lichid, unit cu un electrogenerator cu diafragmă de hidrogen şi un distribuitor perforat, amplasat deasupra aspiratorului. În partea superioară a receiverului este montat un furtun, unit printr-un sifon cu o cameră de absorbţie, umplută cu cărbune activat pentru purificarea biometanului de compuşi sulfuroşi, racordată la corp şi dotată cu un dispozitiv de acţionare cu vibrare şi un ştuţ de evacuare a metanului cu un ventil.

Rezultatul tehnic al invenţiei constă în următoarele.

La alimentarea cu curent alternativ a generatorului, care poate fi un stator standard de electromotor, se formează un câmp electromagnetic rotativ, sub acţiunea căruia particulele metalice, cilindrice sau de altă formă, confecţionate dintr-un material magnetic moale, cum ar fi oţelul cu conţinut mic de carbon, care se află în interiorul corpului magnetic al agitatorului electromagnetic şi cantitatea cărora variază între 2,6 şi 5,5% vol., încep a se roti haotic şi a se ciocni, formând un strat magnetic fluidizat. Raportul optim dintre lungimea acestor particule şi diametrul lor (l/d), pentru diametrul de l,5 mm, se află în limitele 5...6. Totodată, conform datelor cunoscute, particulele se rotesc în jurul axelor lor cu o viteză unghiulară variabilă, deplasându-se haotic în volumul stratului cu o viteza unghiulară (φ), care are valorile probabile medii:

φ = 0,415·102B-0,45(l/d)- 0,52d-0,28C-0,25[l(R-r)] 0,03.

Afară de aceasta, are loc o rotaţie circulară de translaţie rotativă a întregului strat global în direcţia rotirii câmpului cu valorile cele mai probabile ale vitezei mişcării de translaţie (ω):

ω = 0,327·10-2B0,82(l/d)- 0,13d-0,28C0,25[l/(R-r)]- 0,83,

unde 1/d este criteriul parametric de similitudine (l - lungimea, d - diametrul particulelor);

B - intensitatea câmpului electromagnetic, T1;

R-r = ΔR - distanţa dintre electrozi;

C - concentraţia particulelor în volumul agitatorului electromagnetic.

Un atare caracter al mişcării haotice a particulelor metalice şi al ciocnirilor între ele conduce la faptul că particulele mecanice solide, cum ar fi particulele mari de crupe de grâu sau porumb, conţinute în borhotul de la producerea alcoolului şi reprezentând celuloza, sunt supuse unei acţiuni mecanice şi magnetohidrodinamice intensive, în urma căreia are loc nu numai mărunţirea lor, dar şi omogenizarea prin dezagregarea parţială a legăturilor intermoleculare până la starea gelatinoasă sau solubilă în apă.

La aceasta contribuie şi acţiunea câmpului magnetic, care înlesneşte ruperea legăturilor polimerice ale compuşilor macromoleculari şi creşterea masei organice acceptabile în calitate de hrană a microflorei în procesele biochimice de fermentare anaerobă, precum şi, respectiv, creşterea producţiei de biometan.

Concomitent, se asigură posibilitatea amestecării uniforme a microorganismelor biologic active stimulatoare, introduse în mod special în lichidul supus tratării, cum ar fi compuşii seriei triterpenice, acţiunea cărora accelerează desfăşurarea proceselor de fermentare anaerobă, ceea ce majorează producţia de biogaz.

Condiţiile de vidare a bioreactorului cu ajutorul sistemului de ejectoare asigură evacuarea în flux continuu a biogazului, contribuie la majorarea producţiei lui, deoarece în lipsa acesteia microbulele de gaze degajate (CH4, CO2 etc.) sunt adsorbite de microorganisme, ceea ce conduce la inhibarea desfăşurării procesului biochimic.

Ejectarea este asigurată prin funcţionarea pompei care evacuează o parte din lichidul tratat în partea inferioară a bioreactorului, aspirând biogazul cu formarea unei faze gaz-lichid. Totodată se creează condiţii, datorită cărora bioxidul de carbon conţinut în biogaz, solubilitatea căruia în mediul acvatic este mai mare decât a metanului, se dizolvă în receiver. În urma pulverizării fazei gaz-lichid, biometanul se degajă într-o formă mai concentrată şi, ulterior, este îndreptat spre purificarea avansată, iar CO2 saturează faza lichidă şi este evacuat în partea inferioară a receiverului, unde cantitatea lui este controlată cu ajutorul unui indicator automat de nivel.

Pe măsura atingerii nivelului prestabilit de lichid în vasul receiverului, semnalul căruia este transmis blocului de comandă, acesta, la rândul său, pune în funcţiune pompa de recirculare şi ejectorul gaz-lichid trage hidrogenul de electroliză din electrogeneratorul cu diafragmă de hidrogen. În acest timp are loc amestecarea H2 cu CO2 conţinut în lichidul, care intră din nou în procesul metanogen. Astfel, recircularea lichidului supus tratării intensifică procesul schimbului şi transportului de masă în bioreactorul care conţine o încărcătură pentru fixarea microflorei şi, concomitent, conduce la interacţiunea biochimică a ambelor gaze în condiţiile metanogene şi transformarea lor cu forma biometanului conform reacţiei generale: CO2+4H2→CH4+2H2O.

Hidrogenul din componenţa biogazului, ca şi CO2, se degajă la faza acetogenă a procesului biochimic al fermentării anaerobe. Însă cauza cantităţii ridicate de CO2 în componenţa biogazului, care se formează în condiţii standard de fermentare anaerobă a deşeurilor organice lichide, este cantitatea insuficientă de H2, de aceea introducerea suplimentară a hidrogenului electrolizat asigură un raport balansat al gazelor, apropiat de cel stoichiometric, şi o producţie majorată a biometanului în procesul biochimic sumar.

Intensificarea proceselor de schimb de masă în bioreactor favorizează amplificarea acţiunii microadaosurilor biologic active şi dezvoltarea efectului sinergetic al structurii chimice triterpenice, de exemplu, care conduce la majorarea capacităţii procesului biochimic al fermentării anaerobe a deşeurilor lichide organice şi creşterea producţiei de biometan până la valori maxime.

Biogazul admis din receiver conţine, de asemenea, un şir de impurităţi, dintre care cele mai agresive sunt compuşii sulfuroşi, care sunt supuşi purificării avansate într-o cameră de absorbţie umplută cu cărbune activat în calitate de catalizator al proceselor redox. Datorită acestuia, hidrogenul sulfurat, sulful, carbonul sau mercaptanii sunt oxidaţi de oxigen până la sulf elementar conform reacţiilor:

2H2S+O2=2H2O+2S+Q,

CS2+O2=CO2+2S+Q.

Reacţia este accelerată în prezenţa amoniacului în concentraţii de până la 0,39 g/m3, care în mod normal întotdeauna se conţine în biogaz în cantităţi mici. Temperatura optimă a acestui proces este de 20...40°C. În legătură cu efectul caloric mare, aceste reacţii au loc cu o intensitate înaltă a procesului.

La acumularea a cca 100% de sulf din masa carbonului, reacţiile de oxido-reducere sunt frânate şi carbonul activat este regenerat. Din carbonul uzat sulful este extras cu soluţie de sulfură de amoniu:

(NH4)2S+nS= (NH4)2Sn+1 .

Apoi polisulfura de amoniu este descompusă la încălzire cu degajare cu sulf elementar:

(NH4)2Sn+1=2NH3+H2S+nS1,

care este un produs comercial de calitate bună.

Cărbunele activat se încarcă în camera de absorbţie în straturi: primul strat de jos are dimensiuni mari ale particulelor (cca 10 mm), urmează apoi stratul cu dimensiuni de 2...4 mm şi, în sfârşit, stratul superior de 1...2 mm. Gradul necesar de purificare este obţinut la o viteză a biogazului de până la 80 mm/s.

Datorită regenerării, carbonul activat poate fi utilizat pe termen lung, pe parcursul a doi şi mai mulţi ani.

Invenţia se explică prin desenul din figură, în care este reprezentată schema reactorului anaerob combinat pentru obţinerea biometanului.

Reactorul anaerob combinat pentru obţinerea biometanului este constituit din bioreactorul 2 cu corpul cilindric 1 cu fund conic, unit cu ştuţul 3 de evacuare a nămolului, încărcătura 4 pentru fixarea microflorei, indicatorii de nivel 5 şi 6 pentru înregistrare, dispozitivul 7, compus din flotorul 8 şi supapa 9, rezervorul 10, agitatorul electromagnetic 11 cu ştuţul 12 de alimentare cu lichid supus tratării şi ventilul 13 pentru evacuarea lui în rezervorul 10. În interiorul agitatorului electromagnetic 11 sunt plasate particulele metalice 14 dintr-un material moale, iar în exterior - generatorul 15 de câmp electromagnetic rotativ, conectat la variatorul 16 de curent trifazat. În partea inferioară a bioreactorului 2 este instalat receiverul 17, care este dotat cu indicatorul de nivel automat 18, conectat la blocul de comandă 19, cuplat cu pompa 20, dotată cu ejectorul 21 metan-lichid, care, prin intermediul conductei 24 de aspiraţie a biometanului, comunică cu partea superioară a bioreactorului 2, totodată ejectorul 21 este racordat la pulverizatorul 25 şi la aspiratorul 23 prin conducta 22. În partea inferioară a receiverului 17 este racordat ştuţul 26 cu ventilul de reglare 27 şi conducta de recirculare 28, unită la pompa 29, care este cuplată cu blocul de comandă 19 şi unită cu ejectorul 30 de lichid, unit cu electrogeneratorul 31 cu diafragmă de hidrogen, care este dotat cu clapeta de reţinere 32 şi cu distribuitorul perforat 33, amplasat deasupra aspiratorului 23. În partea superioară a receiverului 17 este montat furtunul 34, unit prin sifonul 35 cu camera de absorbţie 36, umplută cu cărbune activat 37 pentru purificarea biometanului de compuşi sulfuroşi, racordată la corpul 1 şi dotată cu dispozitivul de acţionare 38 cu vibrare şi ştuţul 39 de evacuare a metanului cu ventilul 40.

În calitate de electrogenerator cu diafragmă de hidrogen poate fi utilizată oricare din construcţiile cunoscute, însă cea mai bună dintre acestea este electroreactorul cu diafragmă, dotat cu electrozi plaţi sau poroşi în flux continuu, cu suprafaţa modificată cu aliaje Ni-Re, Ni-W sau Ni-Mo, care posedă o supratensiune joasă de degajare a hidrogenului şi un consum redus de energie electrică. Alimentarea lor cu curent electric poate fi realizată de la instalaţiile de cogenerare, care funcţionează cu biogaz în cadrul instalaţiilor de epurare.

Reactorul anaerob combinat pentru obţinerea biometanului funcţionează în modul următor.

Înainte de începutul funcţionării şi pentru acţionarea reactivului, în deşeurile lichide, cum ar fi borhotul de alcool şi divin, sunt introduse microcantităţi de adaosuri biologic active naturale din grupul compuşilor triterpenici ai procesului de metanogeneză prin ştuţul 12 în agitatorul electromagnetic 11 şi se conectează sursa la curent alternativ de la variatorul 16 la generatorul 15 şi, în urma apariţiei câmpului electromagnetic rotativ, particulele metalice 14 încep o rotire haotică intensă, agitând lichidul cu adaosuri şi omogenizând particulele mecanice 14 conţinute în el. Apoi se deschide ventilul 13 şi amestecul omogenizat trece în rezervorul 10 şi, prin dispozitivul 7 cu flotor 8 deschis şi supapa 9, se revarsă în bioreactorul 2, care prealabil este umplut cu încărcătura 4 pentru fixarea microflorei. Pentru iniţierea fermentării metanogene împreună cu lichidul supus tratării poate fi introdusă microflora activă din instalaţiile analoage ale bioreactoarelor anaerobe în funcţiune. Din momentul atingerii nivelului prestabilit al lichidului în bioreactorul 2, indicat de indicatorul de nivel 5, flotorul 8 cu supapa 9 se ridică la suprafaţă şi închide revărsarea lichidului din rezervorul 10, iar în bioreactorul 2 se desfăşoară procesul de fermentare metanică.

După aceasta se pune în funcţiune pompa 20 şi lichidul supus tratării trece prin aspiratorul 23, conducta 22 şi ejectorul 21, creând vid, datorită căruia biogazul este aspirat în el cu formarea unui amestec gaz-lichid, care este refulat sub presiune în pulverizatorul 25, montat în receiverul 17, umplându-l până la nivelul stabilit, care este controlat de indicatorul de nivel automat 18.

Vacuumarea pernei de gaz, realizată de ejectorul 21 de deasupra suprafeţei lichidului supus tratării din bioreactorul 2, amplifică degajarea gazului din el, ceea ce reduce posibilitatea inhibării de către biogaz a activităţii microorganismelor şi o intensifică, conducând la majorarea eficienţei globale a procesului de degajare a biogazului.

Pe parcursul pulverizării amestecului gaz-lichid, metanul slab solubil în mediul apos şi alţi componenţi gazoşi se acumulează în zona superioară a receiverului 17 şi, prin furtunul 34 şi sifonul 35, se evacuează în camera de absorbţie 36, umplută cu cărbunele activat 37, unde se purifică de compuşi agresivi cu conţinut de sulfuri şi se elimină prin ştuţul 39 cu ventilul 40 deschis pentru a fi ulterior utilizaţi. Pentru evitarea aglutinării cărbunelui activat 37 şi reducerea rezistenţei hidraulice a fluxului gazos, poate fi conectat periodic sau permanent dispozitivul de acţionare 38 cu vibrare pentru fluidizarea umpluturii de cărbune.

Concomitent cu acest proces, lichidul supus tratării şi saturat cu bioxid de carbon (CO2), care se acumulează în partea inferioară a receiverului 17, la semnalul indicatorului de nivel automat 18, prin intermediul blocului de comandă 19, cuplează pompa 29, care prin conducta de recirculare 28 aspiră lichidul în ejectorul 30 de lichid, unde datorită efectului de vidare, prin clapeta de reţinere 32, aspiră hidrogenul generat în electrogeneratorul 31 cu diafragmă de hidrogen şi saturează cu el lichidul, care este apoi refulat prin distribuitorul perforat 33 din nou în bioreactorul 2, asigurând regimul de recirculare. Datorită faptului că în faza gazelor de fermentare se conţin până la 30% vol. de CO2, care posedă o solubilitate superioară în apă, acesta rămâne parţial în componenţa lichidului îmbogăţit cu el. De aceea, în procesul biochimic metanogen, CO2 şi alte produse intermediare ale fermentării reacţionează cu hidrogenul introdus, contribuind prin aceasta la majorarea eficienţei de producere a metanului şi, în general, a conţinutului de biometan în componenţa biogazului.

Recircularea lichidului supus tratării cu ajutorul pompei 29 prin conducta 28, ejectorul 30 şi distribuitorul perforat 33 din receiverul 17 în bioreactorul 2, conduce la tulburarea conţinutului acestuia, contribuind prin aceasta la crearea unor condiţii favorabile de schimb şi transferul de masă, amplificând degazarea lui şi ridicarea bulelor de gaze CH4 şi CO2 absorbite la suprafaţă, ceea ce conduce la intensificarea dezvoltării activităţii microorganismelor. Un rol important în procesul metanogen i se atribuie influenţei stimulatoare a microadaosurilor de substanţe biologic active în componenţa lichidului supus tratării, care joacă un rol dublu: accelerează productivitatea procesului de metanogeneză şi servesc drept factor suplimentar în majorarea producţiei de biometan în componenţa biogazului.

Continuitatea procesului biochimic de fermentare metanogenă a deşeurilor lichide organice este asigurată prin reglarea evacuării unei părţi de lichid tratat prin ştuţul 26 şi ventilul 27, iar nămolul format în bioreactorul 2 este evacuat periodic prin ştuţul 3, de asemenea, datorită prezenţei dispozitivului 7 cu flotor 8 plasat între rezervorul 10 şi bioreactorul 2, care asigură introducerea automată în flux continuu în bioreactor a unei cantităţi de lichid supus tratării. Menţinerea nivelului prestabilit al lichidului în receiverul 17 se asigură în mod automat cu ajutorul indicatorului de nivel automat 18 şi al blocului de comandă 19, care semnalizează cuplarea şi decuplarea pompelor 20 şi 29.

În acest mod se obţine realizarea obiectivelor propuse de majorare a producţiei de biometan şi a gradului necesar de purificare a acestuia, de asigurare a eficienţei procesului în condiţii de flux continuu, de reducere a cheltuielilor materiale şi de exploatare, respectiv, de ieftinire a procesului. Prin acţiune complexă asupra procesului de fermentare anaerobă a deşeurilor lichide organice prevăzute în bioreactorul anaerob combinat propus se asigură reducerea suprafeţelor de producţie şi a investiţiilor capitale datorită majorării productivităţii proceselor biochimice, conţinutul biometanului poate atinge valori de până la 94...97% vol., ceea ce este similar cu gazul natural şi posedă o capacitate calorică mai mare la utilizarea lui.

1. MD 3062 G2 2006.05.31

Claims (1)

1. Reactor anaerob combinat pentru obţinerea biometanului, care este constituit dintr-un bioreactor (2) cu corp cilindric (1) cu fund conic, unit cu un ştuţ (3) de evacuare a nămolului; în bioreactor (2) este amplasată o încărcătură (4) pentru fixarea microflorei şi un indicator de nivel (5); în partea superioară a bioreactorului (2) este instalat un rezervor (10), dotat cu un indicator de nivel (6), iar la trecerea din rezervor (10) în corp (1) este amplasată o supapă (9) cu flotor (8); pe rezervor (10) este amplasat un agitator electromagnetic (11), care conţine particule metalice (14) dintr-un material magnetic moale, un generator (15) de câmp electromagnetic rotativ, conectat la un variator (16) de curent trifazat, un ştuţ (12) de alimentare cu lichid supus tratării şi un ventil (13) pentru evacuarea lui în rezervor (10); în partea inferioară a bioreactorului (2) este instalat un receiver (17), care este dotat cu un indicator de nivel automat (18), conectat la un bloc de comandă (19), cuplat cu o pompă (20), dotată cu un ejector (21) metan-lichid, care, prin intermediul unei conducte (24) de aspiraţie a biometanului, comunică cu partea superioară a bioreactorului (2), totodată ejectorul (21) este racordat la un pulverizator (25) şi la un aspirator (23), amplasat la fundul corpului (1); în partea inferioară a receiverului (17) este racordat un ştuţ (26) cu un ventil de reglare (27) şi o conductă de recirculare (28), unită la o pompă (29), care este cuplată cu blocul de comandă (19) şi unită cu un ejector (30) de lichid, unit cu un electrogenerator (31) cu diafragmă de hidrogen şi un distribuitor perforat (33), amplasat deasupra aspiratorului (23); în partea superioară a receiverului (17) este montat un furtun (34), unit printr-un sifon (35) cu o cameră de absorbţie (36), umplută cu cărbune activat (37) pentru purificarea biometanului de compuşi sulfuroşi, racordată la corp (1) şi dotată cu un dispozitiv de acţionare (38) cu vibrare şi un ştuţ (39) de evacuare a metanului cu un ventil (40).