СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PRODUCING BIOGAS AND APPARATUS THEREFOR

Изобретение относится к способу и устройству для производства биогаза из органических веществ, причем субстрат подают в контейнер посредством системы подачи, и в контейнере расположен по меньшей мере один перемешивающий механизм.
Способ служит для генерации биогаза из органических веществ. Сырье, используемое в таких установках для генерации биогаза, именуют субстратом. Субстрат состоит из биомассы, способной к биологическому разложению, такой как, например, навозная жижа, силос или биологические отходы. Контейнеры, используемые для производства биогаза, также именуют биореакторами или ферментерами. Если установки для производства биогаза работают непрерывно, то субстрат непрерывно подают в контейнер и извлекают биогаз, а также остаток, получаемый при ферментации. Субстрат, расположенный в контейнере, преобразовывают посредством микроорганизмов различных типов. Эту биомассу, подлежащую преобразованию, именуют субстратом ферментации. Разложение субстрата ферментации микробами вызывает образование метана и диоксида углерода в качестве основных компонентов биогаза.
Подаваемый субстрат смешивают с содержимым контейнера.
Субстрат подают, в основном, путем точечной подачи при помощи систем подачи питательных веществ. Время выдержки биомассы, необходимое для выработки как можно большего количества биогаза, критически зависит от смешивания субстрата с субстратом ферментации. В случае тех сред, которые характеризуются, в первую очередь, повышенными значениями вязкости, необходима циркуляция содержимого контейнера для смешивания и/или перемешивания, которое, как правило, производят посредством перемешивающих механизмов.
В области технологии анаэробных биореакций во многих областях применения используются ферментеры с отношением высоты к диаметру свыше 0,5. В этом случае смешивание выполняют обычно посредством вертикальных перемешивающих механизмов. В этом случае крыльчатки перемешивающего механизма расположены на центральном валу, приводимом в движение снаружи. Вал привода расположен вертикально и заходит в контейнер сверху, при этом он обычно проходит параллельно стенкам контейнера. Такой ферментер известен, например, из DE 199 47 339 А1.
Вместо этого в способе производства биогаза согласно изобретению использует формы контейнеров, в которых отношение высоты к диаметру является меньшим чем 0,5. Диаметр контейнеров предпочтительно составляет от 16 до 40 м. При таких размерах контейнера использование центрального вертикального перемешивающего механизма, приводимого в действие снаружи, больше не является экономически эффективным. Для перемешивания содержимого контейнера используют перемешивающие механизмы, которые в контейнере расположены преимущественно в периферийной зоне контейнера и которые генерируют, в основном, горизонтальный поток среды в контейнере. Такое устройство известно, например, из W0 2008/104320 А2.
Из DE 10056338 А1 известны устройство и способ для получения биогаза из органических веществ. Этот способ включает подачу субстрата в контейнер, содержащий по меньшей мере один перемешивающий механизм, посредством системы подачи, регистрацию фактического значения по меньшей мере одной измеряемой количественной величины и передачу его в блок регулирования, где хранится заданное значение.
В полезной модели DE 20 2007 002 835 U1 раскрыто несколько перемешивающих механизмов для перемешивания содержимого контейнера, при этом два перемешивающих механизма расположены один над другим, будучи расположенными противоположно отдельному перемешивающему механизму. Для обеспечения высокой эффективности процесса ферментации необходимым считают максимально однородное распределение биомассы в жидкости ферментера. Кроме того, предусмотрено наличие устройства измерения уровня наполнения, посредством которого регистрируют высоту наполнения в контейнере и генерируют соответствующий сигнал измерения уровня наполнения в качестве сигнала, характеризующего фактическое значение высоты. Сигнал измерения уровня наполнения подают в управляющее устройство, которое, когда зарегистрировано нижнее значение высоты наполнения, приводит в действие серводвигатель регулировки высоты перемешивающего механизма, выполненного как перемешивающее устройство с погружным электродвигателем, опуская последний и, таким образом, полностью погружая его перемешивающие лопасти еще глубже.
Также из ЕР 1762607 А1 известен процесс регулирования биогазовых установок. Так в раскрытой в этой заявке установке предусмотрены по меньшей мере один датчик для регистрации фактического значения по меньшей мере одной измеряемой количественной величины, в частности реологического свойства субстрата ферментации, блок регулирования, в который передается данная величина, причем в блоке регулирования хранится заданное значение. Блок регулирования выполнен с возможностью вычисления отклонения фактического значения от заданного значения, а также с возможностью изменения регулируемых количественных величин в зависимости от упомянутого отклонения для изменения введения мощности от перемешивающего механизма, и/или состава содержимого контейнера, и/или реологических свойств содержимого контейнера.
Субстраты ферментации, которые используют для генерации биогаза, обычно имеют структурно вязкие реологические свойства. Термин "структурно вязкий" означает, что динамическая вязкость субстрата ферментации уменьшается с увеличением скорости сдвига. Следовательно, вязкость является не величиной, а функцией. Для каждой индуцированной скорости сдвига получают соответствующую вязкость. Следовательно, вязкость в контейнере является локально различной. Она зависит от скоростей сдвига, существующих локально. Причиной этого являются локальные скорости, которые влияют на поток в контейнере.
Скорости сдвига создаются за счет движения крыльчатки перемешивающего механизма. В случае структурно вязких субстратов ферментации локальная вязкость уменьшается в окрестностях крыльчатки. С увеличением расстояния от крыльчатки скорость сдвига уменьшается, и вязкость соответственно повышается. Результатом этого является то, что крыльчатка преимущественно всасывает субстрат ферментации из тех областей вблизи крыльчатки, где субстрат ферментации имеет низкую вязкость. Это вызывает то, что области вблизи крыльчатки, в которых субстрат перемещают с высокими скоростями, расположены в небольшом объеме только вокруг самой крыльчатки. Эти области вблизи крыльчатки именуют кавернами. Если перемешивающие механизмы работают только лишь локально в каверне, оптимальное перемешивание содержимого контейнера не происходит, поскольку генерация потока ограничена этим областям. Следовательно, это приводит к снижению полезного объема реактора относительно фактической емкости биореактора. В результате, в меньшем полезном объеме реактора создается меньше биогаза и, следовательно, также меньше полезного метана. Доля метана или количество метана влияет на экономически эффективную работу биореактора.
Задачей изобретения является максимальное увеличение количества преобразованного субстрата ферментации и сгенерированного количества газообразного метана. Также предпринята попытка уменьшения времени выдерживания, необходимого для производства биогаза, и требуемой для этого энергии.
Согласно изобретению упомянутая задача решена посредством регистрации фактического значения по меньшей мере одной измеряемой количественной величины, а именно реологических свойств субстрата ферментации в области вблизи крыльчатки, передачи этого фактического значения в блок регулирования и сравнения с сохраненным в блоке регулирования заданным значением, которым является желаемое значение для конкретной установки, зависящее от размера контейнера, и/или от типа перемешивающих механизмов, и/или от расположения перемешивающих механизмов относительно друг друга, причем блок регулирования вычисляет отклонение действительного значения от заданного значения и в зависимости от упомянутого отклонения изменяет управляемые количественные величины, которые изменяют введение мощности от перемешивающего механизма, и/или состав содержимого контейнера, и/или реологические свойства содержимого контейнера.
Рентабельность установки для производства биогаза в значительной степени зависит от энергопотребления перемешивающих механизмов. В способе согласно изобретению минимизирована гидравлическая мощность, необходимая для оптимального режима работы установки. В блоке регулирования регистрируют данные от различных датчиков контроля за ходом технологического процесса. В качестве блока регулирования может использоваться, например, программируемый логический контроллер. В зависимости от программирования блока регулирования может учитываться одна или более измеряемых количественных величин в качестве контрольных величин для регулирования перемешивающего механизма.
Блок регулирования сравнивает измеренные значения с желательными значениями для конкретной установки. Желательные значения для конкретного режима работы зависят, например, от размера контейнера, от типа перемешивающих механизмов и от расположения перемешивающих механизмов относительно друг друга. Они являются неизменными для каждого применения.
В зависимости от регулируемого отклонения блок регулирования изменяет регулируемые количественные величины, которые изменяют введение мощности перемешивающим механизмом, и/или состав содержимого контейнера, и/или реологические свойства содержимого контейнера. Согласно изобретению блок регулирования может регулировать различные агрегаты, влияющие на технологический процесс. Предпочтительно ими являются, в том числе, перемешивающие механизмы, нагреватель ферментера, система подачи и блок рециркуляции.
В установке для производства биогаза основной целью является генерация метана. В особо предпочтительном варианте изобретения в качестве измеряемой количественной величины регистрируют сгенерированный массовый расход газа измерения и используют его в качестве контрольной величины для регулирования агрегатов, влияющих на технологический процесс. Для этого может использоваться газовый массметр. Если количество газа падает ниже определенного уровня, то блок регулирования изменяет, например, введение мощности от перемешивающего механизма.
При производстве биогаза создается не только метан, но также и другие газы, такие как, например, диоксид углерода. Целью является максимальное увеличение доли метана в сгенерированном потоке газа. Поэтому в одном особо предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве данных измерений регистрируют долю газообразного метана и используют ее в качестве контрольной величины для регулирования агрегатов, влияющих на технологический процесс. Доля газообразного метана в потоке газа может быть определена посредством блоков анализа. Для этого предпочтительно используют блоки анализа, работающие на основе поглощения инфракрасного излучения.
Еще один вариант регулирования технологического процесса для производства биогаза состоит в привлечении данных о рабочих характеристиках машины/агрегата, которые перерабатывают сгенерированный газообразный метан, в качестве измеренной количественной величины. Если газообразный метан сжигают в двигателе внутреннего сгорания, то рабочие характеристики упомянутой машины могут использоваться в качестве контрольной величины для регулировки агрегатов, влияющих на технологический процесс.
В ходе работы могут образовываться плавающие слои в результате адгезии пузырьков газа к структурным материалам субстрата ферментации. Всплывание упомянутых структурных материалов и их затвердевание на поверхности субстрата ферментации оказывают неблагоприятное влияние на процесс ферментации. В частности, может образовываться газонепроницаемый плавающий слой, который препятствует выходу биогаза или предотвращает его. Это оказывает неблагоприятное влияние на процесс преобрв субстрате ферментации.
В одном особо предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве измеряемой количественной величины регистрируют величину плавающего слоя, образующегося на субстрате ферментации. Величина плавающего слоя может быть определена по высоте и/или по плотности плавающего слоя. Блок регулирования регулирует агрегаты, влияющие на технологический процесс, в зависимости от плавающего слоя, образующегося на субстрате ферментации.
Была доказана целесообразность регистрации потенциальной возможности производства биогаза из остатка после ферментации в качестве измеряемой количественной величины. Превращение массы, которое имело место в субстрате ферментации, определяют посредством регулярной оценки остатка после ферментации, который извлекают непрерывно или циклически из контейнера. Если установлена потенциальная возможность производства биогаза из остатка, то блок регулирования оценивает упомянутые данные измерений. В зависимости от данных измерений, блок регулирования определяет значения времени для приведения в действие, прекращения работы или включения одного или более перемешивающих механизмов. В дополнение к этому или в альтернативном варианте блок регулирования также может изменять продолжительность работы перемешивающих механизмов.
В одном наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения введение мощности от перемешивающих механизмов изменяют посредством изменения скорости вращения перемешивающих механизмов. Если фактические значения измеряемых количественных величин отклоняются от их заданных значений, то блок регулирования изменяет скорость вращения перемешивающих механизмов в зависимости от отклонения при регулировании. Введение мощности от перемешивающих механизмов также может быть изменено путем включения перемешивающих механизмов. Это включение обеспечивает дополнительное введение мощности.
Блок регулирования также может изменять регулируемые количественные величины, которые изменяют состав содержимого контейнера. Для этого блок регулирования может увеличивать или уменьшать количество подаваемых субстратов. Еще одна возможность состоит в изменении расщепления субстрата ферментации посредством ферментов. Также возможно разбавление субстрата ферментации навозной жижей и/или рециркулятом и изменение реологических свойств субстрата ферментации путем добавления механизмов химического или биологического действия. В этом случае даже может иметь место просто синхронизированное включение одного или большего количества перемешивающих механизмов, например, при временном изменении состава субстрата или состава субстрата ферментации путем подачи рециркулята.
Дополнительные признаки и преимущества изобретения вытекают из описания вариантов осуществления изобретения, которые приведены в качестве примеров, со ссылкой на чертежи и непосредственно из самих чертежей.
На этих чертежах изображено следующее:
Фиг. 1 - вид в перспективе контейнера для производства биогаза, и
Фиг. 2 - схематичная иллюстрация регулирования установки для производства биогаза.
На фиг. 1 показан цилиндрический контейнер 1 для производства биогаза. Также возможны контейнеры иных форм. Отношение наибольшего диаметра к высоте контейнера составляет меньше чем 0,5. В контейнере 1 расположены два перемешивающих механизма 2, крыльчатки 3 которых создают в контейнере 1, по существу, горизонтальный поток субстрата ферментации. Перемешивающие механизмы 2 или их крыльчатки 3 расположены на различных высотах внутри контейнера 1. Дополнительный перемешивающий механизм 11 включают по мере необходимости.
На фиг. 2 схематично представлен блок 4 регулирования для способа производства биогаза. При этом речь может идти о системе управления на основе сохраненной программы (SPS) или иной системе регулирования.
Блок 4 регулирования имеет участок 5 ввода сигнала и участок 6 вывода сигнала. Сигналы с данными, которые зарегистрированы во время измерений в данном способе, подают в участок 5 ввода сигнала. В блоке 4 регулирования выполняют обработку данных от различных датчиков 7, 8, 9, 10, 15, 17 контроля за ходом технологического процесса и от перемешивающих механизмов 2. Участок 6 вывода сигнала соединен с агрегатами, влияющими на технологический процесс, с возможностью выполнения его функции. Агрегатами, влияющими на технологический процесс, являются перемешивающие механизмы 2, 11, нагревательный элемент 12 ферментера, система 13 подачи и блок 14 рециркуляции. Ими управляют таким образом, что отдельные параметры технологического процесса могут быть оптимизированы для обеспечения максимальной выработки метана.
Для контроля за ходом технологического процесса могут использоваться следующие датчики: по меньшей мере один датчик для измерения 7 вязкости, один или большее количество датчиков для измерения 8 скорости потока, по меньшей мере один детектор 9 плавающего слоя, измеритель 10 количества газа, блок 15 для анализа остатка после ферментации и по меньшей мере один блок 17 для определения реологических свойств субстрата ферментации.
Датчик 7 служит для регистрации вязкости. Для определения вязкости также могут использоваться данные измерений, которые определены посредством перемешивающих механизмов 2. В альтернативном варианте или в дополнение к этому может использоваться отдельный блок 17 определения реологических свойств. В этом случае определение реологических свойств может производиться по отдельности или одновременно во множестве мест. Определение реологических свойств необходимо для предотвращения слишком критичных реологических свойств в контейнере 1 с точки зрения соответствующих параметров технологического процесса, а также повреждения всех перемешивающих механизмов 2, 11, используемых в технологическом процессе, и для оптимизации их удельного энергопотребления. Скорость, создаваемая в субстрате ферментации, имеет важное значение для оптимизации между выработкой газа и удельным энергопотреблением.
Датчик 8 используется для измерения скорости в контейнере 1. В этом случае измерение скорости может производиться в различных местах посредством одного или большего количества определений скорости.
Образование плавающего слоя контролируют посредством датчика 9. Поскольку верхняя часть плавающего слоя оказывает неблагоприятный эффект на выделение биогаза из субстрата ферментации, то необходимо предотвращать ее возникновение, или ее необходимо разрушать как можно скорее после ее возникновения. Для этого, например, может быть включен дополнительный перемешивающий механизм 11 и/или может быть изменена скорость вращения одного или большего количества основных перемешивающих механизмов 2. Это вызывает турбулентность потока, которая разрушает плавающий слой.
Массовый расход сгенерированного газа регистрируют посредством газового массметра 10. Если масса газа падает ниже конкретного уровня, то блок 4 регулирования адаптирует введение мощности от перемешивающих механизмов 2, 11. Цель ферментации состоит в использовании потенциальных возможностей получения как можно большего количества биогаза из субстрата.
Остатки после ферментации собирают в хранилище 16 остатков после ферментации. Определение потенциальной возможности производства биогаза из остатка после ферментации выполняют посредством блока 15, и эта величина является еще одной количественной величиной для блока 4 регулирования и для регулирования перемешивающих механизмов 2, 11. Определение потенциальной возможности производства биогаза из остатка может производиться в различных местах в установке. Если конкретная потенциальная возможность производства биогаза из остатка является слишком высокой в остатке после ферментации, то блок 4 регулирования адаптирует агрегаты 2, 11, 12, 13, 14, влияющие на технологический процесс, к этому технологическому режиму.
По существу, в блоке 4 регулирования производится обработка всех данных из участка 5 ввода сигнала. Обработка данных производится на основании алгоритма, хранящегося в памяти. Этот алгоритм предполагает задачу определения по входным количественным величинам значений регулируемых количественных величин, определенных из них. Определенные регулируемые количественные величины используют для управления агрегатами 2, 11, 12, 13, 14, влияющими на технологический процесс, из участка 6 вывода сигнала.
Из участка 6 вывода сигнала исходят сигналы для регулирования различных регулируемых количественных величин. Следовательно, например, приводят в действие перемешивающие механизмы 2, и может быть отрегулирована скорость их вращения.
При отсутствии движения на поверхности субстрата ферментации может образовываться плавающий слой. Кроме того, отсутствие движения может вызывать такую подачу субстрата или субстрата ферментации, которая приводит просто к неудовлетворительному его распределению в контейнере 1.
Когда подают новый субстрат или если образовался плавающий слой, то может быть включен или отрегулирован дополнительный перемешивающий механизм 11. Нагревательный элемент 12 подает тепло в контейнер 1 при подаче нового субстрата. Субстрат подает система 13 подачи. Следовательно, количество питательных веществ может быть адаптировано к параметрам технологического процесса. Избыточная подача питательных веществ в контейнер 1 с субстратом оказывало бы неблагоприятный эффект на реологические свойства в контейнере 1 и, следовательно, на производстве метана. Если реологические свойства неблагоприятно изменяются, то уменьшают количество питательных веществ и/или изменяют другие регулируемые количественные величины, такие как, например, скорость или количество рециркулята.
Если количество питательных веществ является слишком низким, то субстрата недостаточно для образования метана. Это состояние обнаруживают при помощи газового массметра 10 и/или путем анализа потенциальной возможности производства биогаза из остатка после ферментации и вызывают подачу питательных веществ в виде субстрата. В способе используется блок 14 рециркуляции, посредством которого может быть добавлено дозированное количество рециркулята. Тем самым достигается повышение степени переработки субстрата и увеличение выхода биогаза.