БИОРЕАКТОР С ПРОБКОВЫМ ПОТОКОМ И СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ РАБОТЫ БИОРЕАКТОРА С ПРОБКОВЫМ ПОТОКОМ ДЛЯ АНАЭРОБНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
BIOREACTOR WITH PLUG FLOW AND METHOD OF OPTIMIZING OPERATION OF BIOREACTOR WITH PLUG FLOW FOR ANAEROBIC FERMENTATION OF ORGANIC WASTES

Настоящее изобретение относится к способу для оптимизации работы биореактора с пробковым потоком для анаэробной ферментации органических отходов и к биореактору с пробковым потоком соответствующей конструкции.
Специалистам известны способы анаэробной ферментации органических отходов, важность которых выросла, особенно в последние годы, поскольку они, во-первых, позволяют осуществлять экологическое управление отходами, но, во-вторых, также представляют экономический интерес благодаря существенному количеству биогаза, которые они могут производить.
Известные способы анаэробной ферментации фундаментально можно разделить на жидкие или мокрые способы ферментации и так-называемые сухие способы ферментации. Тогда как мокрые способы ферментации проводят в одном или боле вертикально ориентированном биореакторе, в случае так-называемых сухих способов обрабатываемый материал ферментируется, по существу, в горизонтально-ориентированном биореакторе.
Доля сухого вещества в ферментируемом материала в этой связи существенно выше, чем в способах мокрой ферментации; тем не менее, ферментируемый материал имеет существенную долю жидкости даже при сухой ферментации.
Способы сухой ферментации можно проводить особенно в биореакторе с пробочным потоком, известным, например, из ЕР-А-047217. Такие биореакторы, по существу, содержат удлиненный горизонтальный бак биореактора, имеющий впуск на одном конце и выпуск на противоположном конце.
Органические отходы, подлежащие ферментации, вводятся в измельченной форме со впускной стороны и засеваются уже ферментированным материалом и/или отжатой водой из остатков ферментации предыдущего этапа. В результате материал, подлежащий ферментации, обогащается метанопродуцирующими бактериями. В баке биореактора отходы затем разлагаются в условиях управляемого перемешивания для формирования биогаза и, затем, т.е., после прохождения через выпуск биореактора, подается на этап переработки материала, оставшегося после ферментации и, затем, на этап аэробного гниения.
Мешалка такого биореактора с пробочным потоком должна, во-первых, обеспечивать тщательное перемешивание ферментируемого материала с метанопродуцирующими бактериями для как можно более оптимальной ферментации. Кроме того, целью является достижение хорошей дегазации в результате перемешивания или в результате возникающего постоянного обновления поверхности.
Кроме того, мешалка должна обеспечить транспортировку более тяжелых твердых частиц ферментируемого материала, которые могут осаждаться на дне бака биореактора, в верхние слои и транспортировку даже этих компонентов ферментируемого материала через бак биореактора и его выход в заданное время.
Задача сокращения времени нахождения ферментируемого материала в биореакторе и, таким образом, увеличения его пропускной способности, решается, например, в WO 2005/113469, согласно которому свежий материал или ферментируемый материал можно подавать через множество впускных отверстий и/или ферментируемый материал можно удалять через множество отверстий для вывода ферментируемого материала.
Особенно в случае биореакторов с пробочным потоком, часто возникает проблема, заключающаяся в том, что порции ферментируемого материала могут твердеть на валу мешалки и прилипать к нему. Соответствующее увеличение веса приводит к более высокой нагрузке на вал мешалки и, таким образом, к его короблению. Это в свою очередь приводит к тому, что лопасти на валу мешалки и лопатки, расположенные на радиально внешних концах лопастей, начинают тереться о стенку бака биореактора, в результате чего крутящий момент на валу дополнительно увеличивается и, кроме того, стенка биореактора изнашивается. Кроме того, несмотря на предшествующее измельчение биогенных отходов, в биореактор могут вновь и вновь попадать удлиненные твердые куски, такие как веревки, проволока или петлеобразные отходы древесины, которые наматываются на вал мешалки во время работы. Эти эффекты могут ухудшать работу биореактора и, в худшем случае, к его поломке.
Учитывая вышеописанные проблемы в EP-A-1841853 был предложен способ для эксплуатации биореактора с пробочным потоком, в котором а) мешалка вращается в направлении, создающем пропахивающее действие отвалами, расположенными V-образно, b) мешалка вращается в противоположном направлении, при котором лопатки оказывают транспортирующее действие, и с) мешалка остановлена.
Однако способ, описанный в EP-A-1841853, допускает неоднородность ферментируемого материала только в ограниченной степени. Это может привести к неоптимальной ферментации и дегазации ферментируемого материала в баке биореактора из-за недостаточного перемешивания или слишком короткого времени нахождения материала в биореакторе. С другой стороны, расход энергии на мешалку больше, чем нужно для эффективного перемешивания и транспортировки, и это отражается в неоптимальном энергетическом балансе.
На этом фоне целью настоящего изобретения является создание способа для оптимизации работы биореактора с пробочным потоком для анаэробной ферментации органических отходов. В частности, целью является достижение оптимальной ферментации и дегазации с как можно более низкими затратами энергии.
Эта цель достигается с помощью способа согласно п. 1 формулы настоящего изобретения. Предпочтительные варианты изобретения определены в зависимых пунктах.
Согласно п. 1 формулы, биореактор с пробочным потоком, работа которого подлежит оптимизации, содержит горизонтально ориентированный бак биореактора и мешалку. Мешалка со своей стороны содержит вал мешалки, который пересекает внутреннее пространство бака биореактора в осевом направлении, и множество лопастей, расположенных на валу мешалки и выступающих радиально, а также привод. Ферментируемый материал перемещается в баке биореактора мешалкой. В результате, ферментируемый материал, во-первых, перемешивается и, во-вторых, движение также, по существу, поддерживает транспортировку ферментируемого материала от впуска биореактора в направлении выпуска биореактора.
Искомая оптимизация согласно настоящему изобретению достигается тем, что
а) измеряют по меньшей мере один параметр, характеризующий конкретное рабочее состояние биореактора с пробковым потоком,
actual
nominal
b) конкретную измеренную величину A полученную на этапе а), сравнивают с заданной величиной A, и
actual
nominal
с) в зависимости от отклонения измеренной величины A от номинальной величины A регулируют частоту вращения вала мешалки, направление вращение вала мешалки и/или долю сухого вещества в ферментируемом материале.
Согласно настоящему изобретению, таким образом, становится возможным через определение конкретного параметра, которое осуществляется на этапах а) и b) и через сравнение с соответствующей номинальной величиной, проверить, имеется ли "перегрузка" или "недогрузка" системы если в случае текущих частоты вращения и направления вращения вала мешалки. Если имеются такие "перегрузка" или "недогрузка", им можно конкретно противодействовать, регулируя частоту вращения и/или направление вращения. Альтернативно или дополнительно долю сухого вещества в ферментируемом материале также можно регулировать для оптимизации пропускной способности. Это в итоге позволяет оптимально обрабатывать ферментируемый материал, одновременно сводя к минимуму расходы энергии, затрачиваемой на эти цели.
Этот способ или биореактор с пробковым потоком по настоящему изобретению предназначен для сухой ферментации. Поэтому настоящее изобретение фундаментально отличается от способов мокрой ферментации, описанных выше и от вертикальных систем, предназначенных для этой цели и описанных, например, в DE 10 2014 16 239 А1 и WO 2011/121024 А1, относящихся к одному патентному семейству. Таким образом, согласно технологии, описанной в WO 2011/121024 А1, в сосуде расположены две мешалки с пропеллерами, при этом пропеллеры приводятся во вращение и в основном генерируют горизонтальные потоки содержимого сосуда. В соответствии с технологией мокрой ферментации, которая фундаментально отличается от способа по настоящему изобретению, и в соответствии с другой целью, а именно, с необходимостью максимизации конвертированного количества ферментируемого субстрата и времени нахождения в способе, необходимого для того, и с необходимостью формирования увеличенной эффективной зоны перемешивания в объеме сосуда (в котором имеется тенденция к возникновению множества мертвых зон), устройство в целом и, в частности, мешалки, по WO 2011/121024 А1 также имеют конструкцию, совершенно отличающуюся от конструкции по настоящему изобретению. Например, отсутствует вал мешалки, пересекающий внутреннее пространство сосуда в осевом направлении, и мешалки по WO 2011/121024 А1 не имеют выступающих радиально лопастей.
Как было указано выше, на этапе с) способа по настоящему изобретению можно регулировать долю сухого вещества в ферментируемом материале и, тем самым, адаптировать его способность к транспортировке. По существу это делается путем регулировки количества смачивающего агента, вводимого в биореактор и, таким образом, добавляемого к ферментируемому материалу. Однако можно также регулировать долю сухого вещества через количество ферментируемого материала, вводимого в биореактор.
Конкретно, доля сухого вещества в ферментируемом материале предпочтительно составляет от 5% до 99%, более предпочтительно от 15% до 40% и, таким образом, явно выше доли сухого вещества, присутствующего в системах мокрой ферментации.
В контексте настоящего изобретения термин "отходы" применяется для обозначения материала, который присутствует в загрузочном материале и подлежит ферментации, тогда как "ферментируемый материал" относится к материалу на основе отходов, который присутствует в баке биореактора, был введен в него и ферментируется.
Отходы и ферментируемый материал в контексте настоящего изобретения в частности являются относительно неоднородными материалами, и по этим подразумевается, что доля сухого вещества содержит твердые частицы или твердые составляющие разных размеров и форм. В частности, могу присутствовать твердые составляющие относительно большого объема. Типично, органические отходы являются смесью отходов, таких как бытовые, садовые, сельскохозяйственные, промышленные и отходы лесоразработок, остатки пищи и экскременты животных, такие как сухой навоз. Преимущества, достигаемые согласно изобретению, дают конкретную разницу, особенно в случае неоднородных материалов, поскольку частота вращения и направление вращения вала мешалки, которые оптимальны для системы, а также оптимальная доля сухого вещества, могут подвергаться постоянным флуктуациям, которые можно компенсировать в соответствии с настоящим изобретением.
actual
nominal
Термин "номинальная величина", используемый в контексте настоящего изобретения, включает, в частности, диапазон номинальных величин. Другими словами, согласно настоящему изобретению отклонение измеренной величины A от номинальной величины A означает, что измеренная величина выше, чем верхний предел диапазона номинальных величин, или ниже, чем нижний предел диапазона номинальных величин.
Более конкретно, согласно настоящему изобретению кривая номинальной нагрузки, как описано, например, в DE 10 2014 116 239 А1, согласно настоящему изобретению не закладывается. В способе по настоящему изобретению закладка кривой номинальной нагрузки будет иметь технический смысл лишь в ограниченной степени, особенно, ввиду неоднородности ферментируемого материала.
actual
nominal
actual
nominal
Как было указано выше, частота вращения вала мешалки, направление вращения вала мешалки и/или доля сухого вещества в ферментируемом материале регулируются на этапе с) в зависимости от отклонения измеренной величины A от номинальной величины A. Согласно предпочтительному варианту, частоту вращения вала мешалки и/или направление вращения вала мешалки и/или долю сухого вещества в ферментируемом материале в этой связи не только подстраивают один раз, но также регулируют. Другими словами, влияние изменения частоты вращения и/или направления вращения и/или доли сухого вещества в ферментируемом материале на отклонение измеренной величины A от номинальной величины A непрерывно отслеживается и на этой основе частоту вращения и/или направление вращения и/или долю сухого вещества в ферментируемом материале дополнительно адаптируют или сохраняют, в результате возникает замкнутая последовательность действий.
Настоящее изобретение, таким образом, фундаментально отличается от способа, описанного в WO 2006/079228 А1 для эксплуатации биореактора с пробковым потоком, согласно которому выполняют заранее определенные этапы м а) по с), при которых мешалка вращается в заданном (первом) направлении на этапе а) для создания пропахивающего действия, в обратном (вором) направлении на тапе b) для создания транспортирующего действия, и остается неподвижной на этапе с). Однако в WO 2006/079228 А1 не раскрывается регулирование направления вращения мешалки в зависимости от параметра, характеризующее рабочее состояние биореактора или от его отклонения от номинальной величины. Кроме того, в WO 2006/079228 А1 не упоминается или не описывается регулировка частоты вращения вала мешалки и/или доли сухого вещества в ферментируемом материале.
Предпочтительно, диапазон, в котором регулируют частоту вращения вала мешалки составляет от 0 до 10, предпочтительно от 0 до 1, и особенно предпочтительно, от 0,2 до 0,6 оборотов в минуту. Частота вращения вала мешалки, таким образом, очень существенно отличается от частоты вращения пропеллера, который можно использовать, например в способе мокрой ферментации, например, в соответствии с технологией, описанной в DE 10 2014 116 239 А1 и в WO 2011/121024 А1, где частота вращения имеет порядок величины от 30 до 180 оборотов в минуту.
Лопасти, расположенные на валу мешалки, и лопатки, необязательно расположенные на радиально внешних концах лопастей, в первую очередь предназначены для перемешивания ферментируемый материал для оптимальной ферментации. В этой связи, вполне возможно сконструировать лопатки асимметричными относительно направления вращения, в результате чего возникает действие радиальной транспортировки ферментируемого матерала в случае первого направления вращения, и пропахивающее действие в случае второго направления вращения. В этом варианте продвижение ферментируемого материала возникает, в первую очередь, в результате подачи ферментируемого материала через впуск биореактора, и эта транспортировка поддерживается движением ферментируемого материала, генерируемым валом мешалки. Однако, можно также сконструировать лопатки так, чтобы активный осевой компонент транспортировки в направлении к выпуску биореактора передавался ферментируемому материалу.
В качестве параметра, характеризующего рабочее состояние, согласно настоящему изобретению можно выбрать, в частности, по меньшей мере один из следующих параметров с А1 по А4:
А1: крутящий момент и/или мощность привода;
А2: по меньшей мере одна температура в баке биореактора;
А3: скорость потока и/или состав ферментируемого материала по меньшей мере в одной точке в баке биореактора; и/или
А4: состав и/или количество газа, генерируемого анаэробной ферментацией.
В этой связи согласно особенно предпочтительному варианту определяют крутящий момент и/или мощность привода, т.е., параметр А1. В этом отношении можно, например, определять мощность привода на управляющей стороне по произведению тока на напряжение. Кроме того, крутящий момент можно выводить из мощности привода. Согласно особенно предпочтительному варианту, привод присутствует в форме электродвигателя, конкретнее, асинхронного электродвигателя, с которым сопряжен частотный преобразователь; в этом случае предпочтительно, чтобы момент, определялся на частотном преобразователе в процентах.
actual
actual
max
На основе измерения величины A1, произведенного на этапе а), характеризующей крутящий момент и/или мощность привода, частоту вращения уменьшают, согласно предпочтительному варианту способа по настоящему изобретению, если измеренная величина A1 крутящего момента или мощности, полученная на этапе а), выше заданной максимальной величины A1.
В этом случае, крутящий момент или мощность затем измеряют при пониженной частоте вращения.
actual
max
Наконец, если величина A1, измеренная при пониженной частоте вращения, все еще выше, чем A1,
- крутящий момент или мощность понижают далее, после чего измерения крутящего момента или мощности при дополнительно сниженной частоте вращения и выполненном дополнительном снижении частоты вращения повторяют по меньшей мере однократно, предпочтительно, многократно, по мере необходимости, и/или
- меняют направление вращения вала мешалки.
Таким образом, в случае перегрузки системы, эта перегрузка ослабляется путем снижения частоты вращения и/или изменением или реверсированием направления движения, а индикатором перегрузки системы служит тот факт, что крутящий момент или мощность привода превышает заданную номинальную частоту. Концепция этого предпочтительного варианта, таким образом, диаметрально противоположна концепции WO 2011/121024 А1, согласно которой в случае чрезвычайно высокой вязкости частоту вращения мешалок увеличивают или подаваемую мощность увеличивают, включая дополнительные мешалки для предотвращения коллапса общей зоны перемешивания на индивидуальные каверны.
Предпочтительно, частоту вращения на конкретном этапе снижают лишь немного, в результате чего разница в частотах вращения, возникающая из-за уменьшения частоты вращения, находится в диапазоне от 0,001 до 0,1 оборота в минуту, предпочтительно составляет приблизительно 0,05 оборота в минуту. Это позволяет даже при уменьшении частоты вращения поддерживать достаточно высокую частоту вращения, чтобы обеспечит достаточное перемешивание ферментируемого материала.
Если направление вращения вала мешалки меняется, после такого изменения может быть предпочтительно изменить направление вращения вала мешалки спустя период t вреени, в результате чего восстанавливается первоначальное направление вращения. Это особенно относится к случаю, когда лопасти и/или лопатки, возможно установленные на них, расположены асимметрично относительно направления вращения, в результате чего в случае первого направления вращения на ферментируемый материал оказывается транспортирующее воздействие, а в случае второго направления вращения на ферментируемый материал оказывается пропахивающее воздействие, благодаря которому можно разрыхлять накопленный ферментируемый материал, после чего ферментируемый материал - после повторного реверсирования направления вращения - можно легче транспортировать.
actual
min
В качестве альтернативы вышеописанному способу, в котором возникает перегрузка системы, измеренная величина A1 крутящего момента или мощности, полученная на этапе а), может быть меньше заданной минимальной величины A1, указывая на "недогрузку" системы. В этом случае частоту вращения вала мешалки предпочтительно уменьшают, и система переходит в режим энергосбережения, в котором, тем не менее, можно обеспечить достаточно быстрое перемешивание и транспортировку ферментируемого материала.
actual
min
actual
min
actual
min
max
Сниженная частота вращения или режим энергосбережения поддерживают так долго, пока измеренная величина A1 остается ниже A1. Если будет установлено, что измеренная величина A1 превышает минимальную величину A1, частоту вращения повышают, в результате чего A1 находится в диапазоне, определенном пределами A1 и A1.
Помимо вышеописанного способа настоящее изобретение также предлагает, согласно другому аспекту, биореактор с пробковым потоком, оборудованный для этого способа.
Таким образом, биореактор с пробковым потоком одержит не только вышеописанный бак биореактора и мешалку, но и по меньшей мере один измерительный механизм для определения по меньшей мере одного параметра, характеризующего конкретное рабочее состояние биореактора с пробковым потоком, а также средство регулирования, предназначенное для регулирования частоты вращения и/или направления вращения вала мешалки на основе полученной измеренной величины или отклонения измеренной величины от заданной номинальной величины.
Предпочтительно, средство регулирования присутствует в форме регулировочного устройства или его части, предназначенного для регулирования направления вращения вала мешалки на основе измеренной величины, или отклонения измеренной величины от номинальной величины.
Кроме того, предпочтительно, чтобы приводом был электродвигатель, боле конкретно, асинхронный электродвигатель, которому придан частотный преобразователь.
Далее следует описание изобретения со ссылками на чертежи, где:
Фиг. 1 - схема системы регулирования в соответствии с способом по настоящему изобретению, и
Фиг. 2 - диаграмма, на которой отложены величины крутящего момента (в % на частотном преобразователе) против мощности привода, имеющейся в каждом случае, и на которой, кроме того, определены номинальные величины при разных частотах вращения вала мешалки.
Согласно фиг. 1, способ по настоящему изобретению выполняется с использованием биореактора 10 пробковым потоком, который одержит горизонтально ориентированный бак 12 биореактора и мешалку 14.
Мешалка 14 содержит вал 16 мешалки, пересекающий внутреннее пространство бака 12 биореактора в осевом направлении, и множество лопастей 18, расположенных на валу мешалки и выступающих в осевом направлении, а также привод 20, который в данном конкретном случае присутствует в форме асинхронного электродвигателя 200, с которым сопряжен частотный преобразователь 22. Помимо этого, на радиально внешних концах лопастей 18 имеются лопатки 24, предназначенные для перемешивания ферментируемого материала и, в результате, для поддержания транспортировки ферментируемого материала к выпуску биореактора.
actual
actual
В иллюстративном варианте, показанном на фиг. 1, на этапе а) измеряют крутящий момент M [%] на частотном преобразователе 22 при имеющейся частоте n [об/мин] вала 16 мешалки.
nominal
На этапе b) полученную измеренную величину сравнивают с номинальной величиной M [%], конкретнее, с диапазоном номинальных величин.
nominal,new
Если результат такого сравнения показывает, что найденная величина крутящего момента или мощности превышает максимальную величину диапазона номинальных величин (случай А), это, например, возможно является результатом относительно высокой доли сухого вещества в ферментируемом материале, систему уравновешивают, подавая на этапе с) на частотный преобразователь 22 через средство 26 регулирования в форме регулирующего устройства 26, сигнал на уменьшение частоты вращения до величины n.
nominal,new
max
Затем определяют крутящий момент, применяемый для уменьшенной частоты вращения n вала 16 мешалки и сравнивают его с максимальной величиной M.
Если крутящий момент все еще слишком высок, это указывает на закупорку ферментируемого материала. Этому можно противодействовать, многократно повторяя снижение частоты вращения с последующим измерением крутящего момента, прилагаемого при пониженной частоте вращения, и сравнивая этот момент с максимальной величиной до тех пор, пока крутящий момент не станет ниже максимальной величины. Альтернативно, также можно поменять направление вращения вала мешалки. В зависимости от конструкции лопастей и лопаток, возможно расположенных на них, таким образом можно добиться пропахивающего воздействия для разрыхления пробки ферментируемого материала. Более того, если чрезмерно высокий крутящий момент помимо прочего является результатом налипания составляющих ферментируемого материала на лопастях, изменение направления вращения может привести к разрыхлению и, в итоге, к удалению этих составляющих с лопаток.
Наоборот, если на этапе b) будет установлено, что крутящий момент меньше минимальной величины диапазона величин крутящего момента (случай В), это указывает на "недогрузку" системы. На эту ситуацию реагируют минимизацией частоты вращения для минимальной частоты вращения или до полной остановки и, тем самым, переключением в энергосберегающий режим.
Альтернативно или дополнительно, на основе, например, состава ферментируемого материала по меньшей мере в одной точке в баке биореактора и/или после выхода из бака биореактора, можно прийти к заключению о достаточности перемешивания в баке биореактора (при пониженной частоте вращения).
На диаграмме на фиг. 2 представлены разные сценарии, где диапазон номинальных величин составляет от 50% до 80%, а минимальная частота вращения, равная 0,2 оборотов в минуту (об/мин) была задана для крутящего момента на частотном преобразователе.
Если результат определения крутящего момента таков, что при частоте вращения вала мешалки 0,6 об/мин, он равен 95%, и, следовательно, слишком высок, частоту вращения понижают, в конкретном примере до 0,4 об/мин, после чего вновь определяют крутящий момент и сравнивают с номинальной величиной или с максимальной величиной в диапазоне номинальных величин.
Наоборот, если при текущей частоте вращения в 0,4 об/мин мощностью двигателя определяют ниже заданной минимальной величины, в данном конкретном случае ниже 6 кВт, частоту вращения минимизируют, и система переключается в режим энергосбережения.
В показанном на диаграмме примере частота вращения постепенно снижается с указанных 0,4 об/мин до 0,2 об/мин.
Перечень позиций
10 - биореактор с пробковым потоком
12 - бак биореактора
14 - мешалка
16 - вал мешалки
18 - лопасти
20; 200 - привод, асинхронный электродвигатель
22 - лопатки
26; 260 - средство регулирования, регулирующее устройство.