UA42753C2 - A method for reprocessing hard biomass and a mechanism for realizing the same - Google Patents
A method for reprocessing hard biomass and a mechanism for realizing the same Download PDFInfo
- Publication number
- UA42753C2 UA42753C2 UA96073036A UA96073036A UA42753C2 UA 42753 C2 UA42753 C2 UA 42753C2 UA 96073036 A UA96073036 A UA 96073036A UA 96073036 A UA96073036 A UA 96073036A UA 42753 C2 UA42753 C2 UA 42753C2
- Authority
- UA
- Ukraine
- Prior art keywords
- biomass
- reactor
- heat
- biological reactor
- biological
- Prior art date
Links
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 title abstract description 52
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 18
- 238000012958 reprocessing Methods 0.000 title abstract 2
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 abstract description 23
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 12
- 244000005700 microbiome Species 0.000 abstract description 11
- 238000011068 loading method Methods 0.000 abstract description 9
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 abstract description 5
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 abstract description 5
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 2
- 208000015181 infectious disease Diseases 0.000 abstract 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 15
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 12
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 11
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 7
- 235000013311 vegetables Nutrition 0.000 description 6
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 6
- 210000003608 fece Anatomy 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 4
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 4
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 description 4
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 4
- 239000010871 livestock manure Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000010908 plant waste Substances 0.000 description 4
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000009264 composting Methods 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000002211 methanization Effects 0.000 description 3
- 239000010815 organic waste Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 2
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 2
- 125000001477 organic nitrogen group Chemical group 0.000 description 2
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000003674 animal food additive Substances 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 230000004720 fertilization Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 210000001035 gastrointestinal tract Anatomy 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000009655 industrial fermentation Methods 0.000 description 1
- 244000144972 livestock Species 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000003895 organic fertilizer Substances 0.000 description 1
- 125000001741 organic sulfur group Chemical group 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000001932 seasonal effect Effects 0.000 description 1
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 description 1
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 description 1
- 230000035899 viability Effects 0.000 description 1
- 239000011345 viscous material Substances 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к биотехнологии, и в частности, к способам получения биогаза.The invention relates to biotechnology, and in particular, to methods of producing biogas.
В настоящее время известен способ получе-ния биогаза из отходов животноводства (1), отли- чающийся тем, что перед аназробной фермента-цией из исходного сьірья образуется водная сус-пензия, для чего навоз или птичий помет разбав-ляются водой в отношений примерно 1:1. В ре-зультате зтого, концентрация органических ве-ществ в получаемой водной суспензии составляет около 1095. Зто позволяет упростить загрузку, вьі-грузку и транспортировку исходного сьірья и про-дуктов его аназробного брожения, используя для зтого серийно вьіпускаемьсе насось, трубопрово-дь! и запорную арматуру. Кроме того, такое раз-бавление и ожижение исходного сьірья перед ферментацией позволяєт легко организовать не-прерьівную технологию его переработки и рекупе-рацию тепла, уносимого виходящим из реактора потоком продуктов аназробной ферментации. Та-ким образом, известная технология хорошо при- способлена для получения биогаза из непрерьвно поступающих отходов животноводства, но плохо подходит для переработжи биомассьі! растительно-го происхождения по следующим причинам: во-первьїх, для получения водной суспензиий из рас-тительного сьрфья требуется слишком дорого-стоящее оборудование, потребляющее при зтом большое количество знергии, что делает такую технологию зкономически и знергетически не вьі-г-одной. В известном способе получения биогаза зту часть расходов взяли на себя животнье, в пи-щеварительном тракте которьіх происходит необ-ходимое измельчение растительного сьірья. Во-вторьїх, производство биомассьії растений носит явно вьіраженньій сезонньй характер, а известная технология лучше всего приспособлена для пере-работки непрерьівно поступающих отходов, по-зтому ее использование для переработжи перио-дически поступающего сьтрья потребует дополни-тельньїх затрат на хранение растительного сьірья, что такхе приведет к увеличению стоимости полу-чаемого биогаза. Позтому получение знергии из биомассьй растительного происхождения в на- стоящее время производится в основном путем єе сжигания в специальньїх печах, а сьрьем для зто-г, чаще всего, служит древесина или солома. Так как для горения растительной биомассьї ее влаж-ность не должна превьишать 25-3095, а растения обьчно содержат более 5095 влаги, то большая часть растительньїх отходов, ежегодно остающих-ся на полях, и запасенная в них солнечная знер-гия не используются.Currently, there is a known method of obtaining biogas from livestock waste (1), characterized by the fact that before anaerobic fermentation, an aqueous suspension is formed from the initial sulfur, for which manure or bird droppings are diluted with water in a ratio of approximately 1 :1. As a result, the concentration of organic substances in the obtained water suspension is about 1095. This allows to simplify loading, loading and transportation of the initial sulfur and its anaerobic fermentation products, using for this purpose a serially released pump and pipeline! and shut-off fittings. In addition, such dilution and liquefaction of the initial sulfur before fermentation makes it possible to easily organize a non-interruptible technology for its processing and recovery of the heat carried by the flow of anaerobic fermentation products leaving the reactor. Thus, the known technology is well-suited for obtaining biogas from the continuously arriving animal husbandry waste, but it is poorly suited for processing biomass! of vegetable origin for the following reasons: firstly, to obtain aqueous suspensions from vegetable matter requires too expensive equipment that consumes a large amount of energy, which makes such a technology economically and energy-efficient. In the well-known method of obtaining biogas, part of the expenses were taken over by animals, in whose digestive tracts the necessary grinding of vegetable manure takes place. Secondly, the production of plant biomass is clearly seasonal in nature, and the known technology is best adapted to the processing of continuously supplied waste, therefore its use for processing periodically supplied straw will require additional costs for the storage of vegetable manure, which this will lead to an increase in the cost of the obtained biogas. Therefore, the production of energy from biomass of plant origin is currently carried out mainly by burning it in special furnaces, and wood or straw is most often used as fuel for this. Since for the burning of plant biomass, its moisture content should not exceed 25-3095, and plants usually contain more than 5095 moisture, most of the plant waste left on the fields every year and the solar energy stored in them are not used.
Найболее близким к предлагаемому способу переработки биомассь! является способ аназроб-ного компостирования соломьї |2), заключающийся в том, что увлажненную соломенную резку зара-жают целлюлозоразлагающими бактериями и сбраживают в аназробньхх условиях при темпера-туре 60"С. В результате зтого, через 1,5-2 месяца получается ценное органическое удобрение и био-газ. Однако, по мнению автора, "такой прием при-готовления искусственного навоза представлял бь практический интерес, если бь не возникали трудности, связаннье с поддержаниеєм в сбражи-ваемой массе температурь! около 60"С. В север-ной зоне зто потребует очень большой затрать! тепловой знергии, что сводит на нет знергетиче-ский зффект от получаєемьх горючих газов".The closest to the proposed method of biomass processing! is a method of anaerobic composting of straw |2), which consists in the fact that moistened straw cuttings are infected with cellulose-decomposing bacteria and fermented in anaerobic conditions at a temperature of 60"C. As a result, after 1.5-2 months, valuable organic fertilizer and bio-gas. However, according to the author, "such a method of preparing artificial manure would be of practical interest, if there were no difficulties associated with maintaining temperatures in the fermenting mass! about 60" C. In the northern zone, this requires a very large amount of heat energy, which negates the energy-deenergizing effect of the obtained combustible gases."
Целью предлагаемого изобретения является получение биогаза и органических удобрений или кормовьїх добавок из твердьїх органических отхо-дов. В качестве сьірья для такой технологии мо-жет бьть использована не только солома злаков, но и растительнье отходьі с вьісокой влажностью, не пригоднье для силосования, например, из-за низкого содержания сахаров. Кроме того, предла-гаємая технология может бьіїть использована для переработки органической части городского мусо-ра с целью получения биогаза.The purpose of the proposed invention is to obtain biogas and organic fertilizers or feed additives from solid organic waste. As a raw material for this technology, not only cereal straw can be used, but also vegetable waste with high humidity, which is not suitable for ensiling, for example, due to the low content of sugars. In addition, the proposed technology can be used to process the organic part of urban waste with the aim of obtaining biogas.
Указанная цель достигаєтся тем, что после за-грузки биологического реактора производят разо-грев биомассьй до орабочей температурь и озара-жение ее ассоциацией целлюлозоразлагающих и метаногенерирующих микроорганизмов, а ана-зробная ферментация зтой биомассь! произво-дится в биологическом реакторе такой формь и размеров, при которьіх тепло, вьиделяющееся в результате жизнедеятельности микроорганизмов, больше или равно теплу, отводимому от наружной поверхности биологического реактора в окружаю-щую среду.The specified goal is achieved by the fact that after loading the biological reactor, they heat up the biomass to working temperatures and infect it with the association of cellulose-decomposing and methane-generating microorganisms, and the industrial fermentation of that biomass! produced in a biological reactor of such shapes and sizes that the heat released as a result of the activity of microorganisms is greater than or equal to the heat removed from the outer surface of the biological reactor into the surrounding environment.
Вследствие термодинамической необратимо-сти процессов жизнедеятельности, они всегда со- провождаются вьіделением тепла, а так как сум-марнье тепловьіделения в биологическом реакто-ре пропорциональньї его обьему, а теплоотдача в окрукающую среду пропорциональна площади наружной поверхности биологического реактора, то принципиальная возможность реализации та-кой технологии не вьізьівает сомнения. Для под-тверждения технической возможности реализации предлагаеємого способа переработки твердой биомассь! оценим количество тепла, вбіделяю-щееся при получений 1 м? биогаза.Due to the thermodynamic irreversibility of life processes, they are always accompanied by the release of heat, and since the total heat release in a biological reactor is proportional to its volume, and the heat transfer to the surrounding environment is proportional to the area of the outer surface of the biological reactor, then the principle possibility of realizing koi tehnologii no vyzizhivaet doubt. To confirm the technical feasibility of implementing the proposed method of solid biomass processing! let's estimate the amount of heat, will it become whiter when receiving 1 m? biogas
Основньім компонентом растительного сьірья, разлагающимся при его аназробной ферментации является полимер глюкозь! - целлюлоза. Согласно закону Гесса, тепловой зффект сложной химиче-ской реакции, состоящей из нескольких последо-вательно происходящих промежуточньх реакций, не зависитот того, через какие стадиий проходила реакция, и равен сумме тепловьїх зффектов всех составляющих реакций. Позтому, несмотря на то, что в биологическом реакторе деградация целлю-лозьі проийсходит по другому пути, суммарньй те-пловой зффект зтих реакций будет равен тепло-вому зффекту следующей последовательности химических реакций (СеНчоО5)п-пНг2О-»пСеНігОвноThe main component of vegetable sulfur, which decomposes during its anaerobic fermentation, is the glucose polymer! - cellulose. According to Hess's law, the thermal effect of a complex chemical reaction consisting of several successively occurring intermediate reactions does not depend on the stages through which the reaction passed, and is equal to the sum of the thermal effects of all component reactions. Therefore, despite the fact that the degradation of cellulose in a biological reactor takes place in the second way, the total thermal effect of these reactions will be equal to the thermal effect of the following sequence of chemical reactions (SeNchoO5)p-pHg2O-»pSeNigOvno
СеНі2О6-2С2Н».ОНі2С ОО» 2С2НоОН-»СОЗСНАО».SeNi2O6-2С2Н».ОNi2С ОО» 2С2НоОН-»СОЗSNAO».
На оснований анализа знергии разрьіва хими-ческих связей находим, что при гидролизе целлю-лозь на один грамм-моль образующейся глюкозь! вбііделяется около 23 кДж тепла. Таким образом, тепловой зффект первой реакции равен 01-23 кДж/гмоль.Based on the analysis of the breaking energy of chemical bonds, we find that during the hydrolysis of cellulose, one gram-mole of glucose is formed! about 23 kJ of heat is released. Thus, the thermal effect of the first reaction is equal to 01-23 kJ/gmol.
Тепловой зффект второй реакции известен и равен 98 кДж/гмоль, а тепловой зффект третьей реакции может бьіть лежко вьічислен как разность химических знергий исходного вещества и продук-тов реакцииThe thermal effect of the second reaction is known and is equal to 98 kJ/gmol, and the thermal effect of the third reaction can be easily multiplied by the difference in the chemical energies of the starting substance and the reaction products
О5-63,9 кДж/гмоль. Таким образом, суммарньй тепловой зрфект рассматриваемой последовательности реакций равенO5-63.9 kJ/gmol. Thus, the total thermal effect of the sequence of reactions under consideration is equal to
О-01402-03-23-98-63,9-184,9 кДж/гмоль.O-01402-03-23-98-63.9-184.9 kJ/gmol.
В результате зтого на один моль глюкозьі по-лучается б молей газообразньїх веществ, которье при нормальньх условиях занимают обьем 6.22,4А л - 134.4 л.As a result, one mole of glucose would yield moles of gaseous substances, which under normal conditions occupy a volume of 6.22.4 A l - 134.4 l.
Следовательно, на 1 м" продуктов реакции приходится примерно 184,9:134,4 - 1,38-107 кДж тепла.Consequently, 1 m" of reaction products account for approximately 184.9:134.4 - 1.38-107 kJ of heat.
В действительности, в биологическом реакто-ре происходит деградация не только целлюлозь, но и других органических веществ, кроме того, кажая-то часть получаемой при зтом химической знергии не превращаєтся в тепло, а затрачиваєт-ся на увеличение биомассьй участвующих в реак-ции микроорганизмов. Позтому, полученное зна-чениє теплового зффекта метаногенеза можно рассматривать только как ориентировочное.In fact, in a biological reactor, not only cellulose, but also other organic substances are degraded, in addition, some part of the chemical energy obtained in this process is not converted into heat, but is spent on increasing the biomass of microorganisms participating in the reaction . Therefore, the obtained value of the thermal effect of methanogenesis can be considered only as a guideline.
По имеющимся в литературе |З| данньм, среднее количество биогаза, получаемое на био- газогенераторах без обогрева, использующихся в Китає, составляет около 0,15 мов сутки на 1 м? обьема реактора. Следовательно, обьемная мощность внутренних источников тепла при тем-пературе окрукающей средь имеет величину по-рядка о0--9 015.138-109 54 Вт "7 24.3600 24.3600 м3According to what is available in the literature |Z| According to the data, the average amount of biogas obtained from unheated biogas generators used in China is about 0.15 mol/day per 1 m? reactor volume. Therefore, the volume power of internal heat sources at the temperature of the surrounding medium has a value of the order o0--9 015.138-109 54 W "7 24.3600 24.3600 m3
При температуре 607С можно получить около 1 м? биогаза от 1 м" обьема биологического реак-тора, что дает мощность внутренних источников тепла 6At a temperature of 607C is it possible to get about 1 m? of biogas from 1 m" of the volume of the biological reactor, which gives the power of internal heat sources 6
Ов - 1.138-10 -160 Вт 24.3600 міOv - 1.138-10 -160 W 24.3600 mi
Рассмотрим биологический реактор цилинд-рической формьї, диаметр которого равен его вьі-соте. Как известно, такая форма обеспечивает минимальную величину наружной поверхности при заданном обьеме цилиндрического тела. Предположим, что зтот реактор покрьіт слоем те-плоизоляции толщиной 5-01 м, козффициент те-плопроводности которой равен Х-0,05 Вт/м.К. Диа-метр реактора примем равньім 0-12 м, тогда его обьем будет равен Ур-1360 ма суммарнье теп-ловьіделения при температуре ферментации 60"С составятLet's consider a biological reactor of a cylindrical shape, the diameter of which is equal to its diameter. As is known, such a shape provides the minimum size of the outer surface for a given volume of a cylindrical body. Let us assume that this reactor is covered with a layer of thermal insulation with a thickness of 5-01 m, the coefficient of thermal conductivity of which is equal to X-0.05 W/m.K. We will take the diameter of the reactor as 0-12 m, then its volume will be equal to Ur-1360 and the total heat release at the fermentation temperature of 60"C will be
ОС-16,0.1360-21,8 кВт.OS-16.0.1360-21.8 kW.
При температуре окрукающей средь! равной 10"С, потери тепла составятAt the temperature of the surrounding environment! equal to 10"C, heat losses will be
З кролі -З.314.122.50.905.. 170 кВт 2 5 2 (од)From crawler -Z.314.122.50.905.. 170 kW 2 5 2 (unit)
Таким образом, внутри реактора рассматри-ваемой конструкции будет вьіделяться на О4-4,8 кВт тепла больше, чем отдаваться в окружающую среду. Техническая возможность созда-ния биологического реактора таких размеров не вьзьваєт сомнения, более того, реакторь таких размеров уже зксплуатируются. Однако, при не-прерьівной технологии переработжи органического сьірья в такой реактор ежесуточно подводится и отводится около 05-90 т водной суспензии. Для то-го чтобь реактор рассматриваємой конструкции не нуждался в дополнительном подводе тепла, необходимо чтобь! разность температур между входящим и вніХходящим потоками не превьішалаThus, inside the reactor of the considered design, О4-4.8 kW of heat will be released more than it will be released into the environment. The technical possibility of creating a biological reactor of this size is beyond doubt, moreover, a reactor of this size is already in operation. However, with the non-interruptive technology of organic sulfur processing, about 05-90 t of aqueous suspension is fed and discharged into such a reactor daily. In order for the reactor of the considered design not to need additional heat supply, it is necessary that! the temperature difference between the incoming and outgoing streams did not exceed
О4:24.3600 48.107.24.3600O4:24.3600 48.107.24.3600
Ар -ЗВ--- 3-5 --- Я ЄЬ;- 5 МС, 0.с 90.103.42.103 где С - теплоемкость суспензии, что практическси не достижимо. Даже если увеличить толщину теп- лоизоляции в двоє, то избьіточное количество те-пла в реакторе составит 0О/-13,3 кВт, а макси-мальная величина недорекуперации, при которой еще не требуется дополнительньій подвод тепла, будет равна 3,0"С, что также нереально. Позтому известная технология, даже в тех случаях, когда потери тепла от поверхности биологического ре-актора в окружавшую среду меньше внутренних тепловьіделений, нуждается в подводе тепла извне.Ар -ЗВ--- 3-5 --- Я ЭБ;- 5 MS, 0.s 90.103.42.103 where C is the heat capacity of the suspension, which cannot be practically achieved. Even if the thickness of the thermal insulation is doubled, the excess amount of heat in the reactor will be 0O/-13.3 kW, and the maximum value of underrecovery, at which additional heat supply is not yet required, will be equal to 3.0"С Therefore, the known technology, even in those cases when the heat loss from the surface of the biological reactor to the surrounding environment is less than the internal heat generated, requires the supply of heat from the outside.
Приведеннье данньюе позволяют также сде-лать вьівод о том, что саморазогрев биомассь! при ее аназробной ферментации от температурьї ок-ружающей средьі до рабочей температурь! биоло-гического реактора практически невозможен. Дей-ствительно, если даже все тепло вбьіделяющееся при аназробной ферментации биомассьй при тем-пературе окружающей средьй пойдет на разогрев содержимого биологического реактора, то его температура будет подниматься наThe following results also allow us to conclude that self-heating biomass! with its anaerobic fermentation from the temperature of the surrounding environment to the working temperature! biological reactor is practically impossible. Indeed, if even all the heat dissipated during anaerobic fermentation of biomass at ambient temperature goes to heating the contents of the biological reactor, then its temperature will rise to
Оос' ет ЗБО0 74 Зоо --24 24. 3600 к 0,052 С/сутки,Oos' et ZBO0 74 Zoo --24 24. 3600 k 0.052 C/day,
Ср 42.103 .1000 где р - плотность суспензии.Average 42.103.1000 where p is the density of the suspension.
Позтому предварительньй разогрев содержи-мого биологического реактора в предлагаемом способе переработки биомассьї действительно необходим.Therefore, preliminary heating of the contained biological reactor in the proposed biomass processing method is really necessary.
В известном способе компостирования соло-мьї можно получить 200-250 л биогаза в расчете на один килограмм сухого органического вещест-ва. Приняв плотность увлажненной соломенной резки равной 600 кг/м, а ве влагосодержание равньм 50-55906, получим концентрацию сухого ор-ганического вещества в биологическом реакторе порядка 270-300 кг/м. С учетом приведенньх сро-ков компостирования и количества получаемого при зтом биогаза, находим среднесуточную удельную производительность биологического ре-актора, которая в данном случає составляет 0,9-1,6 м? биогаза от 1 м" обьема реактора.In the well-known method of composting solo-mye, it is possible to obtain 200-250 liters of biogas per kilogram of dry organic matter. Assuming a density of moistened straw cutting equal to 600 kg/m, and a moisture content of 50-55906, we will obtain a concentration of dry organic matter in the biological reactor of the order of 270-300 kg/m. Taking into account the given terms of composting and the amount of biogas obtained, we find the average daily specific productivity of the biological reactor, which in this case is 0.9-1.6 m? of biogas from 1 m" of reactor volume.
Отсюда находим обьемнье тепловьіделения в реакторе с ферментацией твердой биомассь, которье со- ставляют 12-22 Вт/м7, что в среднем несколько больше, чем в реакторе с ожиженной биомассой.Hence, we find the volume of heat release in a reactor with fermentation of solid biomass, which is 12-22 W/m7, which is on average a little more than in a reactor with liquefied biomass.
Так как при аназробной ферментации твердьх органических отходов в биологическом реакторе практически отсутствует конвективньій перенос тепла, то критические размерь! реактора, при ко-торьх внутренние тепловьіделения превьішают теплоотдачу в окружающую среду, окажутся меньше, чем у реактора с ожиженной биомасоой. Действительно, расчетьї показьшвают, что критиче-ский размер биологического реактора в зтом слу-чає составляет около 5 м, те. примерно вдвое меньше чем для реактора с окиженной био-масоой.Since during anaerobic fermentation of solid organic waste in a biological reactor, there is practically no convective heat transfer, the critical size! of a reactor in which the internal heat release exceeds the heat release to the environment will be less than that of a reactor with liquefied biomass. Indeed, the calculations show that the critical size of the biological reactor in this case is about 5 m, that is. approximately half as much as for a reactor with oxidized biomass.
В соответствии со вторьім началом термоди-намики, тепло не может самопроизвольно переда-ваться от менее нагретого тела к более нагрето-му. Максимальная температура, при которой может генерироваться тепло в биологическом реакторе, равна максимальной температуре, при кото-рой сохраняется жизнедеятельность микроорга-низмов, позтому к участку биологического реакто-ра с такой температурой не может подводиться тепло от менее нагретьїх областей. Отсюда сле-дует, что максимальная температура в биологиче-ском реакторе, работающем по предлагаеємому способу, не может достигать величин, при которьїх начинаєтся массовое отмираниеє микроорганиз-мов. Позтому, при увеличении размеров биологи-ческого реактора с твердой биомассой, темпера-турное поле в нем вьіравниваєтся и ферментация биомассь!ї происходит более равномерно.According to the second law of thermodynamics, heat cannot spontaneously transfer from a less heated body to a more heated one. The maximum temperature at which heat can be generated in a biological reactor is equal to the maximum temperature at which the viability of microorganisms is preserved, therefore, heat from less heated areas cannot be supplied to the area of the biological reactor with such a temperature. It follows from this that the maximum temperature in a biological reactor operating according to the proposed method cannot reach values at which the mass death of microorganisms begins. Therefore, when the size of the biological reactor with solid biomass increases, the temperature field in it is equalized and fermentation of biomass occurs more evenly.
Как показано вьше, производительность био-логического реактора для ферментации твердой биомассьї получаєтся примерно такой же или не-сколько вьіше, чем у реактора с ожиженной био-массой такого же обьема. При зтом длительность ферментации в реакторе с твердой биомассой оказьіваєтся в 3- 4 раза большей (45-60 дней, про-тив 15 дней в реакторе с ожиженной биомассой). Зто говорит о том, что обьем биологического ре-актора с твердой биомассой используется гораздо зффективнее, так как концентрация органических веществ в нем, по крайней мере, втрое вьіше.As shown above, the productivity of a bio-logic reactor for fermentation of solid biomass turns out to be approximately the same or slightly higher than that of a reactor with liquefied biomass of the same volume. At the same time, the duration of fermentation in a reactor with solid biomass turns out to be 3-4 times longer (45-60 days, against 15 days in a reactor with liquefied biomass). This indicates that the volume of a biological reactor with solid biomass is used much more efficiently, since the concentration of organic substances in it is at least three times higher.
Уменьшив начальную температуру фермента-ции, можно организовать работу реактора с твер-дой биомассой таким образом, чтобьї увеличить длительность зтого процесса до 3-4 месяцев. Зто позволит согласовать во времени процессьї заго-товки растительного сьрья, получения биогаза и внесения в почву органических удобрений, получающихся в результате аназробной ферментации зтого сьрья.Having reduced the initial temperature of fermentation, it is possible to organize the operation of the reactor with solid biomass in such a way as to increase the duration of this process to 3-4 months. This will make it possible to agree on the time of the process of preparation of plant material, production of biogas and application of organic fertilizers to the soil, which are obtained as a result of anaerobic fermentation of that material.
Действительно, загрузив биологиче-ский реактор твердьіми органическими отходами в октябре-ноябре, можно получить биогаз в то вре-мя, когда в нем имеется найбольшая потребность - с декабря по февраль, и к марту получить орга-нические удобрения, т.е. как раз в то время, когда их необходимо вносить в почву.Indeed, by loading the biological reactor with solid organic waste in October-November, it is possible to obtain biogas at the time when it is most needed - from December to February, and by March to obtain organic fertilizers, i.e. just at the time when it is necessary to introduce them into the soil.
В зтом случає ем-кость биологического реактора одновременно вьі-полняєет функции хранилища растительньїх отхо-дов и хранилища для органических удобрений, обеспечивающего полную сохранность связанного азота, запасенного в них.In this case, the capacity of the biological reactor simultaneously fulfills the functions of a plant waste storage facility and a storage facility for organic fertilizers, ensuring complete safety of the bound nitrogen stored in them.
Известно, что при азробном перегниваниий ор-ганических остатков теряется около половиньі ор- ганического азота. При аназробной ферментации растительньїх отходов весь органический азот ос-тается в получаемом при зтом органическом удобрений. Позтому внесение каждой тоннь! тако-го удобрения в почву зквивалентно дополнительному внесению (по сравнению с перегниванием растительньїх отходов в естественньх условиях) 5-10 кг связанного азота, на получение которого потребовалось бьі затратить 125- 250 КкВт-ч знергии.It is known that about half of the organic nitrogen is lost during the decomposition of organic residues. During anaerobic fermentation of plant waste, all organic nitrogen remains in the resulting organically fertilized waste. After that, every ton is added! such fertilization in the soil is equivalent to an additional application (compared to the rotting of plant waste in natural conditions) of 5-10 kg of bound nitrogen, the production of which required 125-250 kWh of energy.
Известно, что азробное окисление органиче-ских веществ сопровождаеєтся вьіделением значи-тельно большего количества тепла (в случає глю-козь в 18 раз), чем при его аназробной метаниза-ции. Позтому саморазогрев биомассь в азробньх условиях происходит достаточно бьістро. Зто по-зволяет для начального разогрева биомассьї ис-пользовать ее азробньій саморазогрев.It is known that the aerobic oxidation of organic substances is accompanied by the release of a significantly greater amount of heat (in the case of glucose 18 times higher) than during its anaerobic methanization. Therefore, self-heating of biomass in industrial conditions occurs quite quickly. This allows us to use self-heating for the initial heating of biomass.
Так как при азробной деградации биомассь! вьіделяется значительно больше тепла, чем при ее аназробной метанизации, то размерь биологи-ч-еского реактора, необходимого для поддержания теплового равновесия в азробном процессе, будут заведомо меньше, чем размерь! аналогичного ре- актора, в котором происходит аназробноє разложение биомассь. Зто гарантирует вьісокую ско-рость предварительного азробного саморазогрева биомассь». Кроме зтого, гидролиз сложньїх орга-нических соединений азробньми микроорганиз-мами производится значительно бьістреє, чем аназробньми, позтому азробньй начальньй разо-грев биомассь будет так же способствовать уско-рению ее последующей метанизации.As in the case of azorobnoy degradation of biomass! significantly more heat is released than during its anazrobnoy methanization, so the size of the biological-ch-esque reactor, necessary to maintain thermal equilibrium in the azorobnom process, will be obviously smaller than the size! a similar reactor in which anaerobic decomposition of biomass occurs. This guarantees a high rate of preliminary self-heating of biomass." In addition, the hydrolysis of complex organic compounds by aerobic microorganisms is much faster than by anaerobic ones, therefore the initial aerobic heating of biomass will also contribute to the acceleration of its subsequent methanization.
Рассмотрим устройство реализующее пред-ложенньій способ переработки твердой биомассьі. Схема зтого устройства показана на фигуре.Let's consider a device that implements the proposed method of processing solid biomass. The scheme of that device is shown in the figure.
Устройство состоит из герметичного биологи-ч-еского реактора, включающего теплоизолиро-ваннье корпус 1 и сьемную или откривающуюся верхнюю крьішку 2. В нижней части биологическо-го реактора имеется накопитель жидкости 3, отде-ленньій от корпуса 1 фильтрующей перегород-кой 4. Накопитель жидкости З соединен с линией всасьівания насоса 5, нагнетательная линия кото-рого через теплообменник б соединена с распре-делительньм устройством 7, находящимся в верхней части биологического реактора. Для уп-лотнения биомассь в реакторе имеются грузьї 8. Кроме зтого, устройство содержит вспомогатель-ную емкость 9, соединенную с нагнетательной ли-нией насоса 5, накопителем жидкости З и верхней частью биологического реактора.The device consists of a hermetic biological reactor, which includes a heat-insulated housing 1 and a removable or opening top cover 2. In the lower part of the biological reactor there is a liquid accumulator 3, separated from the housing 1 by a filtering partition 4. Accumulator liquid C is connected to the suction line of the pump 5, the discharge line of which through the heat exchanger is connected to the distribution device 7 located in the upper part of the biological reactor. For compaction of biomass in the reactor, there are holes 8. In addition, the device contains an auxiliary tank 9 connected to the discharge line of the pump 5, the liquid reservoir C and the upper part of the biological reactor.
Устройство для переработки твердой биомас-сьь работает следующим образом. Перед загруз-кой биологического реактора с него снимаєтся (от-крьівается) верхняя крьшка 2. После чего корпус 1 биологического реактора заполняется твердой биомассой, например, растительного проийсхожде-ния, которая уплотняется при помощи грузов 8, укладьюваемьїх на ве свободную поверхность. По-сле загрузки корпуса 1 на него устанавливаеєтся сьемная верхняя кришка 2, и обьем биологиче-ского реактора герметизируется. После зтого из биологического реактора удаляется газообразньй кислород, например при помощи газовой горелки (на рисунке не показана), расположенной в сво-бодном пространстве между крьішкой 2 и свобод-ной поверхностью биомассьї, находящейся в реак-торе. Затем в накопитель жидкостиThe device for processing solid biomass works as follows. Before loading the biological reactor, the top cover 2 is removed from it (opened). After that, the body 1 of the biological reactor is filled with solid biomass, for example, of plant origin, which is compacted with the help of loads 8, which are placed on a free surface. After loading the housing 1, the top cover 2 is installed on it, and the volume of the biological reactor is sealed. After that, gaseous oxygen is removed from the biological reactor, for example, with the help of a gas burner (not shown in the figure), located in the free space between the lid 2 and the free surface of the biomass in the reactor. Then into the fluid reservoir
З подается во-да и включается насос 5, прокачивающий зту воду через теплообменник 6, где происходит ее нагрев. Нагретая вода, пройдя через распределительное устройство 7, орошает биомассу, находящуюся в реакторе, отдавая при зтом тепло, полученное в теплообменнике 6. Охлажденная жидкость соби-раєется в нижней части биологического реактора, проходит через фильтрующую перегородку 4 и попадаєт в накопитель жидкости 3, откуда снова подаєтся насосом 5 в теплообменник б и распре- делительноеє устройство 7. Так продолжаєтся до тех пор, пока температура биомассь в реакторе не достигнет требуемой величиньі, после чего прекращаєтся подвод греющей средь! в теплооб-менник б, а в накопитель жидкости З из вспомога-тельной емкости 9 подаєтся ассоциация целлюло-зоразлагающих и метоногенерирующих микроор-ганизмов. За счет циркуляции жидкости, осущест-вляемой насосом 5, обеспечиваєтся транспорти-ровка и равномерноє заражение биомассьй микро-организмами, осуществляющими ее аназробную ферментацию. Получаємьй в результате зтого биогаз отводится через отверстие в верхней части биологического реактора. Регулирование произ-водительности биологического реактора по биога-зу или длительности процесса ферментации био-массьі может осуществляться за счет подвода или отвода тепла в теплообменнике 6.Water is supplied and the pump 5 is turned on, pumping the water through the heat exchanger 6, where it is heated. The heated water, having passed through the distribution device 7, irrigates the biomass in the reactor, giving off the heat received in the heat exchanger 6. The cooled liquid collects in the lower part of the biological reactor, passes through the filtering partition 4 and enters the liquid reservoir 3, from where it is fed again by pump 5 to the heat exchanger b and distribution device 7. This continues until the temperature of the biomass in the reactor reaches the required value, after which the supply of the heating medium is stopped! an association of cellulose-decomposing and methane-generating microorganisms is supplied to the heat exchanger b, and to the liquid reservoir C from the auxiliary tank 9. Due to the circulation of the liquid carried out by the pump 5, transportation and uniform contamination of biomass with micro-organisms, which carry out its anaerobic fermentation, are ensured. The resulting biogas is discharged through the hole in the upper part of the biological reactor. Regulation of the productivity of the biological biogas reactor or the duration of the fermentation process of biomass can be carried out due to the supply or removal of heat in the heat exchanger 6.
После окончания аназробной ферментации биомассь, жидкость из накопителя жидкости З при помощи насоса 5 перекачиваєтся во вспомога-тельную емкость 9, и будет использована для за-ражения биомассь в следующем цикле работьї реактора. После зтого верхняя крьшка 2 снимаєт-ся с корпуса 1 биологического реактора и его со-держимое вьігружается.After the end of the anaerobic fermentation of biomass, the liquid from the liquid reservoir Z is pumped into the auxiliary container 9 with the help of pump 5, and will be used for contamination of biomass in the next cycle of the reactor. After that, the upper cover 2 is removed from the body 1 of the biological reactor and its contents are loaded.
Линия, соединяющая верхнюю часть вспомо-гательной емкости 9 с верхней частью биологиче-ского реактора, служит для виіравнивания давле-ния. Позтому, при работе биологического реакто-ра она должна бьіть открьіта, а во время загрузки и вьіигрузки реактора необходимо следить за тем, чтобь! она бьла закрьта, так как попаданиє ки-слорода во вспомогательную емкость 9 ингибиру-ет рост аназробньх микроорганизмов.The line connecting the upper part of the auxiliary tank 9 with the upper part of the biological reactor is used for pressure equalization. Therefore, during the operation of the biological reactor, it must be open, and during the loading and unloading of the reactor, it is necessary to monitor the topic so that! it was closed, since the ingress of oxygen into the auxiliary tank 9 inhibits the growth of anaerobic microorganisms.
Для уменьшения расхода тепла на начальньй разогрев биомассь! можно использовать ее азробньй саморазогрев, для чего после загрузки биомассьї в биологический реактор в течение не-скольких дней или недель его верхняя крьішка 2 не устанавливаеєтся (не закрьівается). После того как температура биомассь в центре реактора дос-тигнет 60-70"С устанавливаеєтся (закрьіваєется) его верхняя кришка и производится герметизация обьема биологического реактора. Далее работа реактора проходит по виишеописанной схеме для аназробной ферментации сьідья. Если биологиче-ский реактор загружен биомассой с низкой влаж- ностью, например, соломой злаков, то для интен-сификации ее азробного саморазогрева необхо-димо ее увлажнение, которое производится путем орошения биомассь! водой, так же как и в случає ее аназробной ферментации.To reduce heat consumption for the initial heating of biomass! it is possible to use its self-heating process, so after loading the biomass into the biological reactor, its upper cover 2 is not installed (not closed) for several days or weeks. After the biomass temperature in the center of the reactor reaches 60-70°C, its top cover is installed (closed) and the volume of the biological reactor is sealed. with low humidity, for example, cereal straw, then for the intensification of its aerobic self-heating, it is necessary to moisten it, which is produced by irrigating the biomass with water, just as in the case of its anaerobic fermentation.
При ферментации твердой биомассьй корпус биологического реактора может бьіть изготовлен из зластичного материала, при зтом всегда можно добиться того, чтобьі давление на зластичную стенку реактора определялось только давлением биогаза, которое обьчно не превосходит несколь-ких килопаскалей. В настоящее время известньї конструкциийи биологических реакторов с ожижен-ной биомассой, корпус которьїх изготовлен из зла-стичного материала, но в зтом случає стенка ре-актора должна вьідерживать еще и давление стол-ба жидкости, которое, как правило, на порядок вьіше давления биогаза. Кроме зтого, в биологи-ч-еском реакторе для ферментации твердой био-массьй с зластичной стенкой можно совместить операции удаления газообразного кислорода и уплотнения биомассь, если их проводить путем откачки воздуха из биологического реактора, на-пример, при помощи вакуум-насоса.During the fermentation of solid biomass, the body of the biological reactor can be made of viscous material, however, it is always possible to ensure that the pressure on the viscous wall of the reactor is determined only by the pressure of biogas, which usually does not exceed several kilopascals. Currently, there are known designs of biological reactors with liquefied biomass, the body of which is made of a non-toxic material, but in this case the wall of the reactor must also withstand the pressure of the liquid column, which, as a rule, is an order of magnitude higher than the pressure of biogas . In addition, in a biological reactor for the fermentation of solid biomass with a viscous wall, it is possible to combine the operations of removing gaseous oxygen and compacting biomass, if they are carried out by pumping air out of the biological reactor, for example, with the help of a vacuum pump.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UA96073036A UA42753C2 (en) | 1996-07-29 | 1996-07-29 | A method for reprocessing hard biomass and a mechanism for realizing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UA96073036A UA42753C2 (en) | 1996-07-29 | 1996-07-29 | A method for reprocessing hard biomass and a mechanism for realizing the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| UA42753C2 true UA42753C2 (en) | 2001-11-15 |
Family
ID=74185965
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| UA96073036A UA42753C2 (en) | 1996-07-29 | 1996-07-29 | A method for reprocessing hard biomass and a mechanism for realizing the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| UA (1) | UA42753C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013008045A3 (en) * | 2011-07-12 | 2013-03-07 | TYUKODI, Péter | Energy cell and procedure for the exploitation of heat energy arising during aerobic processes |
| RU2534243C1 (en) * | 2013-03-27 | 2014-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт" | Method of biogas obtaining |
| RU169959U1 (en) * | 2016-05-04 | 2017-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина", ФГБОУ ВО "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | INSTALLATION FOR DEEP BIO-CONVERSION OF ORGANIC WASTE |
| RU2816892C2 (en) * | 2017-12-22 | 2024-04-08 | Хамлет Протеин А/С | Process with vertical plug flow for bioconversion using microorganisms |
-
1996
- 1996-07-29 UA UA96073036A patent/UA42753C2/en unknown
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013008045A3 (en) * | 2011-07-12 | 2013-03-07 | TYUKODI, Péter | Energy cell and procedure for the exploitation of heat energy arising during aerobic processes |
| RU2606201C2 (en) * | 2011-07-12 | 2017-01-10 | ТЬЮКОДИ Петер | Power module and method of using heat energy obtained during aerobic process |
| RU2534243C1 (en) * | 2013-03-27 | 2014-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт" | Method of biogas obtaining |
| RU169959U1 (en) * | 2016-05-04 | 2017-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина", ФГБОУ ВО "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | INSTALLATION FOR DEEP BIO-CONVERSION OF ORGANIC WASTE |
| RU2816892C2 (en) * | 2017-12-22 | 2024-04-08 | Хамлет Протеин А/С | Process with vertical plug flow for bioconversion using microorganisms |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Meng et al. | Feasibility of co-composting of sewage sludge, spent mushroom substrate and wheat straw | |
| US8110384B2 (en) | Process for conversion of dairy cow waste to biofuel products | |
| AU2005300931B2 (en) | Method for decomposing biogenic material | |
| CN102112598A (en) | Method for production of seed material for microorganisms optimized as catalyst for parallel complex mineralization reaction | |
| Molnar et al. | High solids anaerobic fermentation for biogas and compost production | |
| Gayfullin et al. | Effect of Mephosphonee on methane generation in organic waste processing | |
| CN101998941A (en) | Method and apparatus for treating organic waste and method of utilizing heat energy | |
| Williams et al. | Effect of nickel on biological methane generation from a laboratory poultry waste digester | |
| US20170354086A1 (en) | System and method for anaerobic digestion of animal wastes | |
| Wang et al. | Aerobic composting characteristics of corn straw and pig manure under dynamic aeration | |
| CN208121090U (en) | A kind of industrial bio matter biogas project application system | |
| EP3446798B1 (en) | Method for ultra-low-temperature carbonization treatment of biomass material, and method for producing carbide | |
| JP7180881B2 (en) | Method for methane fermentation of poultry manure and method for producing poultry manure fertilizer | |
| UA42753C2 (en) | A method for reprocessing hard biomass and a mechanism for realizing the same | |
| JPH0657628B2 (en) | Composting method | |
| Sinbuathong et al. | Biogas production from sunn hemp | |
| US20140017161A1 (en) | Method for production of organic ammonium sulfate using captured nh3 and nh4 produced by aerobic composting | |
| Molnar et al. | Factors influencing solid-state anaerobic digestion | |
| Ghaly | Biogas production from acid cheese whey using a two-stage digester | |
| Purnomo et al. | Biogas production from oil palm empty fruit bunches of post mushroom cultivation media | |
| Driss et al. | Realization and implementation of an experimental anaerobic digestion device of agricultural waste of animal origin | |
| US11304359B2 (en) | System and method for anaerobic digestion of animal wastes | |
| Chol et al. | Effect of Cow Dung to Maize Silage Mix Ratios and Temperature Variation on Biogas Production in Laboratory Batch Digester | |
| Molnar et al. | Solid-state methane generation | |
| CN108251460A (en) | A kind of method that biogas, biological organic fertilizer, Liquid Fertilizer are produced using livestock and poultry feces, stalk as raw material high-temperature anaerobic fermentation |