PL231652B1 - Sposób wytwarzania metanu i unieszkodliwiania odpadowego dwutlenku węgla oraz urządzenie do stosowania sposobu - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania metanu z materiału organicznego, w procesie fermentacji beztlenowej i unieszkodliwiania odpadowego dwutlenku węgla oraz urządzenie do stosowania tego sposobu, przeznaczone zwłaszcza do stosowania pod ziemią.

Podczas beztlenowego rozkładu materiału organicznego, polegającego na fermentacji metanowej wodór z materii organicznej wydzielany jest w postaci metanu, a tlen w postaci dwutlenku węgla.

Z polskiego opisu patentowego nr PL 176200, znany jest sposób i urządzenie do mieszania płynnej biomasy w bioreaktorze, zwłaszcza w obecności mikroorganizmów mezofilnych i/lub termofilnych z równoczesnym uzyskiwaniem gazowego metanu, a w szczególności do mieszania osadów ściekowych w wydzielonych zamkniętych komorach fermentacyjnych. Sposób polega na tym, że mieszanie odbywa się w dwóch następujących po sobie fazach: w fazie wznoszenia - podczas której biomasę pod wpływem wytwarzanej próżni w zbiorniku górnym podaje się dołem rury wznoszącej do zbiornika górnego, gdzie następuje jej spiętrzenie oraz w fazie recyrkulacji - podczas której przynajmniej większość spiętrzonej wcześniej biomasy w zbiorniku górnym wprowadza się pod wpływem jej ciśnienia w zbiorniku górnym do górnych warstw biomasy znajdującej się w bioreaktorze, przy czym czas trwania fazy recyrkulacji jest krótszy od czasu trwania fazy wznoszenia. Wypompowywanie gazu ze zbiornika górnego dokonuje się z chwilą lub po osiągnięciu przez biomasę w zbiorniku górnym poziomu niższego stanu napełnienia, w wyniku czego w zbiorniku górnym powstaje podciśnienie, które powoduje zassanie do niego biomasy z bioreaktora, przez co stan napełnienia biomasą zbiornika górnego wzrasta. W urządzeniu do realizacji tego sposobu górny koniec rury wznoszącej umieszczony jest w zbiorniku górnym, od którego odprowadzony jest co najmniej jeden zamknięty zwrotnie przewód recyrkulacyjny dla odprowadzenia powrotnego biomasy ze zbiornika górnego do górnej części bioreaktora. Zbiornik górny znajduje się wewnątrz i/lub powyżej bioreaktora, i posiada dla gazu odgałęzienie doprowadzające i odgałęzienie odprowadzające z zainstalowaną na nim pompą próżniową. Odgałęzienie odprowadzające z zainstalowaną na nim pompą próżniową połączone jest z górną częścią bioreaktora.

Znane z amerykańskiego opisu patentowego nr US 4735724 urządzenie do beztlenowego rozkładu materiału organicznego, wyposażone jest w pionową kolumnę fermentacyjną, w której poprzez bierną koncentrację biodegradowalnych ciał stałych i mikroorganizmów wyodrębniają się samoistnie trzy strefy. W górnej części tej kolumny znajduje się strefa wytwarzania kwasów i niżej położona pod nią strefa wytwarzania metanu, a w jej środkowej i dolnej części znajduje się strefa niskiej zawartości składników stałych. Materiał wsadowy zadawany jest od góry, a część usuwanej z tej kolumny przefermentowanej biomasy o niskiej zawartości składników stałych jest recyrkulowana do górnej części pionowej kolumny i tam rozpylana równomiernie nad wierzchnią warstwą biomasy. Tym sposobem otrzymuje się dłuższy czas zatrzymania bakterii i części stałych materiału wsadowego w stosunku do czasu retencji hydraulicznej, co prowadzi do kompletniejszej przemiany biodegradacji składników materiałów wsadowych przy poprawie tempa bioprzemiany i jej sprawności. Poprawna praca takiej pionowej kolumny jest narażona w praktyce na niestabilność i nieprzewidywalność, zwłaszcza od strony zdolności narastania schnącego kożucha w górnej części tej kolumny, skutkujące zakłóceniem całego procesu fermentacji.

W zależności od składu pierwiastkowego materii organicznej, jej stopnia utlenienia i uwodornienia od ~30 do ~50% węgla organicznego przekształcane jest na dwutlenek węgla, który jest uważany za jeden z głównych czynników efektu cieplarnianego. Znane są sposoby sekwestracji dwutlenku węgla, ewentualnie przekształcania i magazynowania, między innymi z wykorzystaniem energii z elektrowni atomowej. Znany jest sposób oczyszczania metanu z dwutlenku węgla zawartego w biogazie, wykorzystujący znaczną różnicę w rozpuszczalności tych gazów w środowisku wodnym, zgodnie z którym biogaz przepuszczany jest przez zbiorniki ciśnieniowe z wodą, w której rozpuszcza się dwutlenek węgla pod ciśnieniem 30 atmosfer. Następnie wodę nasyconą dwutlenkiem węgla odgazowuje się obniżając ciśnienie i uwalnia rozpuszczony dwutlenek węgla do atmosfery.

Istota sposobu polega na tym, że fermentację metanową materiału organicznego z udziałem mikroorganizmów, prowadzi się pod rosnącym w trakcie mikrobiologicznego rozkładu ciśnieniem, w bioreaktorze w postaci długiej rury o znacznej różnicy wysokości pomiędzy wlotem a wylotem, w którym tworzący się w wyniku przekształcania węgla, metan oddziela się w górnej części bioreaktora w strefie separacji, a dwutlenek węgla, rozpuszczający się pod ciśnieniem hydraulicznym w roztworze mieszaniny reakcyjnej, wyprowadza się wraz z nasyconym nim odpadem pofermentacyjnym, z dolnej części

PL 231 652 B1 bioreaktora, w której oddziela się również frakcję wymagającą dłuższego czasu fermentacji i odprowadza ją do reaktora wolno-rozkładalnej frakcji sedymentującej, w którym prowadzi się proces biodegradacji w wydłużonym czasie. W trakcie procesu mikrobiologicznego rozkładu prowadzonego, korzystnie około 30 dni, pod ciśnieniem rosnącym do 32 barów, w temperaturze około 24°C, mieszaninę reakcyjną z mikroorganizmami miesza się pulsacyjnie przez jej poddawanie posuwisto-zwrotnym ruchom pomiędzy bioreaktorem i naczyniem wzbiorczym, wspomaganym ciśnieniem tworzącego się biogazu. Przy czym zasilanie bioreaktora substratem i usuwanie odpadu pofermentacyjnego, uwarunkowane różną szybkością przemiany substratów, reguluje się sterowanymi przy pomocy komputera zaworami.

Zgodnie z wynalazkiem proces prowadzi się w wyrobisku podziemnym, a cały wytworzony w procesie dwutlenek węgla wyprowadza się wraz z odpadem pofermentacyjnym, usuwanym z dolnej części bioreaktora oraz odpadem niebiodegradowalnym usuwanym z reaktora wolno-rozkładalnej frakcji sedymentującej i magazynuje pod ciśnieniem pod ziemią w przestrzeni w górotworze lub w porowatej skale. W innym wariancie wynalazku usuwane z procesu odpady, zmieszane z dwutlenkiem węgla gromadzi się w odbieralnikach.

Urządzenie do wytwarzania metanu i unieszkodliwiania odpadowego dwutlenku węgla w procesie fermentacji metanowej materiału organicznego zawiera bioreaktor, w postaci długiej rury, w którym przetwarzana jest frakcja szybko rozkładalna i oddzielana frakcja wymagająca dłuższego c zasu fermentacji. Bioreaktor, w górnej części, połączony jest ze zbiornikiem substratu, poprzez pompę dozującą substrat i zawór zwrotny substratu. Dno bioreaktora połączone jest z reaktorem wolno-rozkładalnej frakcji sedymentującej. Górny otwór wylotowy bioreaktora połączony jest ze zbiornikiem biogazu, poprzez zawór gazowy, którym jest odprowadzany uzyskany metan, oddzielony od fazy ciekłej, w strefie separacji.

W dolnej części bioreaktora usytuowany jest przewód z zaworem odpadowym do odprowadzania odpadu pofermentacyjnego nasyconego CO2 do odbieralnika.

W dolnej części bioreaktor jest połączony z naczyniem wzbiorczym, które na skutek zmian ciśnienia, powoduje ruch posuwisto-zwrotny mieszaniny reakcyjnej pomiędzy bioreaktorem i naczyniem wzbiorczym, zastępujący mieszadło. Ponadto dół reaktora wolno-rozkładalnej frakcji sedymentującej połączony jest z odbieralnikiem poprzez zawór odpadowy.

Odbieralnikiem odpadu jest porowata skała lub wyrobisko podziemne w którym gromadzone są pod ciśnieniem odpady pofermentacyjne nasycone dwutlenkiem węgla oraz odpady nie biodegradowalne, odprowadzane z urządzenia rurociągiem odpadów.

W wariancie rozwiązania odbieralnik ma postać zbiornika odpadu pofermentacyjnego, połączonego z reaktorem wolno-rozkładalnej frakcji sedymentującej, najkorzystniej poprzez zawór jednokierunkowy.

Korzystnie zawór gazowy i zawory dozujące oraz odpadowe w urządzeniu, sterowane są przy pomocy komputera.

W urządzeniu zawór gazowy, umożliwia utrzymanie optymalnego ciśnienia dla procesu przetwarzania oraz wpływa na przemieszczanie się mieszaniny reakcyjnej ruchem posuwisto zwrotnym w bioreaktorze. Zawór odpadowy zapewnia cykliczny odpływ odpadu pofermentacyjnego.

Sposób i urządzenie według wynalazku umożliwiają sekwestrację dwutlenku węgla metodą biologiczną, z zastosowaniem fermentacji metanowej, a dodatkową zaletą jest fakt, że ograniczenie efektu cieplarnianego realizowane jest bez dodatkowych nakładów energii. Rozwiązanie dostarcza bardzo dobrą naturalną metodę magazynowania utlenionego węgla, między innymi w pokładach, z których wcześniej został on pozyskany w postaci paliw kopalnych. Ponadto dwutlenek węgla, wytworzony w fermentacji metanowej jest immobilizowany w tych warstwach geologicznych, które zawierają wystarczające ilości jonów metali, takich jak wapń czy magnez, wchodzących w reakcję z powstającym z rozpuszczonego dwutlenku węgla kwasem węglowym. Tworzące się słabo rozpuszczalne w roztworach wodnych sole, takie jak węglan wapnia i węglan magnezu, nadają się do zastosowań przemysłowych.

Zaletą urządzenia według wynalazku jest stworzenie warunków do pulsacyjnego prowadzenia procesu biodegradacji z jednoczesnym rozdziałem przetwarzanego substratu na frakcję szybko rozkładalną oraz frakcję wymagającą dłuższego czasu fermentacji.

Zasadniczą cechą urządzenia według wynalazku jest prostota jego budowy, a przy tym stosunkowo niewielka objętość bioreaktora i zbiornika gazu.

Cechą charakterystyczną urządzenia jest duża różnica wysokości pomiędzy wlotem, a najniżej usytuowaną częścią biorektora, która zapewnia poprzez zwiększenie ciśnienia w dolnej części biorektora szybszą i efektywniejszą metanogenezę oraz większą zawartość metanu w biogazie przy równo4

PL 231 652 B1 czesnym zmniejszeniu zawartości dwutlenku węgla. Ważną pożądaną cechą urządzenia jest sterowanie zaworem gazowym przy pomocy komputera oraz wyeliminowanie mieszadeł i niskie koszty eksploatacji.

Biogaz otrzymany w urządzeniu według wynalazku ma podwyższoną zawartość metanu w stosunku do biogazu otrzymywanego w układach, realizujących proces fermentacji pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego.

Urządzenie według wynalazku przeznaczone jest do umiejscowienia pod ziemią w szybie kopalnianym lub tworze geologicznym, na zboczu góry lub pod wodą.

Przedmiot wynalazku został objaśniony w przykładach wykonania i na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia urządzenie do wytwarzania metanu w którym odbieralnikiem odpadu pofermentacyjnego jest porowata skała, a Fig. 2 - urządzenie z odbieralnikiem odpadu pofermentacyjnego w postaci zbiornika.

P r z y k ł a d 1

Układ zawiera zbiornik substratu 1, z którego poprzez pompę dozującą 2 i zawór zwrotny 3, substrat doprowadzany jest do bioreaktora 4, w postaci długiej rury. Przy czym, przewód doprowadzający substrat usytuowany jest w górnej części bioreaktora 4. Uzyskany metan oddzielony w strefie separacji odprowadzany jest z bioreaktora 4 przez sterowany komputerowo zawór gazowy 5, do zbiornika metanu 6. W dnie bioreaktora 4 znajduje się odpływ odprowadzający trudnodegradowalny substrat do reaktora 7 wolno-rozkładalnej frakcji sedymentującej. W dolnej części bioreaktora 4, usytuowany jest przewód odpływowy odpadu pofermentacyjnego z zaworem odpadowym 8. W dolnej części bioreaktor 4, połączony jest z naczyniem wzbiorczym 9.

W dnie reaktora 7 wolno-rozkładalnej frakcji sedymentującej znajduje się odpływ odpadów nie biodegradowalnych, zaopatrzony w sterowany komputerem zawór 10 odprowadzający nie rozłożone substancje do odbieralnika 11, którym jest porowata skała, gromadząca pod ciśnieniem odpad pofermentacyjny nasycony dwutlenkiem węgla oraz odpad niebiodegradowalny wyprowadzane rurociągiem odpływowym 12.

Sposób polega na tym, że do bioreaktora 4, którego objętość wynosi 1800 dm³, pompą 2 dozuje się substrat ze zbiornika 1, w tempie 15 dm³ na 6 h, przy zamkniętym zaworze 8 i otwartym zaworze 3, aż wysokość lustra substratu osiągnie poziom h1. Gdy objętość substratu pomiędzy h1 a h2 osiągnie 15 dm³, zamyka się zawór 3, wyłącza pompę 2. Proces mikrobiologicznego rozkładu z udziałem mikroorganizmów, w samoistnie tworzących się strefach reakcyjnych w bioreaktorze 4, prowadzi się przez około 30 dni, pod ciśnieniem rosnącym do 32 barów w temperaturze około 24°C.

Przed rozpoczęciem procesu wprowadzania substratu do bioreaktora w trakcie pracy układu, obniża się poziom lustra substratu do h2 poprzez otwarcie zaworu odpadowego 8 i wypuszczenie części odpadu pofermentacyjnego do odbieralnika 11 w postaci porowatej skały. Tworzący się w wyniku przekształcania węgla, metan oddziela się w górnej części bioreaktora 4 w strefie separacji, a pod wpływem rosnącego w procesie ciśnienia gazu, gdy przekroczy w górnej części bioreaktora 4 poziom 2 bary, otwiera się zawór gazowy 5 uwalniając przepływ metanu do zbiornika metanu 6. Zawór 5 zamyka się gdy ciśnienie gazu spadnie do poziomu 1 bara, a dwutlenek węgla, rozpuszczony pod ciśnieniem w roztworze mieszaniny reakcyjnej, wyprowadza się wraz z nasyconym nim odpadem pofermentacyjnym, z dolnej części bioreaktora, przez zawór 8 rurociągiem odpływowym 12. Zmiany ciśnienia w bioreaktorze 4 powodują pulsacyjnie mieszanie się reagentów w dolnej części bioreaktora poprzez przepływ jego zawartości ruchem posuwisto zwrotny do naczynia wzbiorczego 9. W dolnej części bioreaktora 4 oddziela się również frakcję wymagającą dłuższego czasu fermentacji i odprowadza ją do reaktora 7 wolno-rozkładalnej frakcji sedymentującej, w którym prowadzi się proces biodegradacji w wydłużonym czasie, Raz na 30 dni opróżnia się część substratu z reaktora 7 wolno-rozkładalnej frakcji sedymentującej. Ponadto w trakcie działania urządzenia, przed operacją wprowadzania substratu do bioreaktora obniża się poziom lustra substratu do h2, poprzez otwarcie sterowanego komputerem zaworu 10 i wyprowadzenie części nie rozłożonych substancji do odbieralnika 11 w postaci porowatej skały, w którym gromadzi się pod ciśnieniem odpady pofermentacyjne nasycone dwutlenkiem węgla oraz odpad y niebiodegradowalne.

P r z y k ł a d 2

Urządzenie jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że odbieralnikiem odpadu pofermentacyjnego nasyconego dwutlenkiem węgla jest zbiornik: odpadu pofermentacyjnego 11, do którego również odprowadzany jest odpad niebiodegradowalny i inne nie rozłożone substancje poprzez sterowany komputerem jednokierunkowy zawór 10 odpadowy rurociągiem 12 odpływowym.

PL 231 652 B1

Wykaz oznaczeń na rysunku:

1. - zbiornik substratu

2. - pompa substratu

3. - zawór doprowadzający substrat

4. - bioreaktor

5. - zawór gazowy zwrotny

6. - zbiornik metanu

7. - reaktor wolno-rozkładalnej frakcji sedymentującej

8. - zawór odpadu pofermentacyjnego

9. - naczynie wzbiorcze

10. - zawór do usuwania odpadów z reaktora wolno-rozkładalnej frakcji

11. - odbieralnik odpadów

12. - rurociąg odpływowy odpadów

Zastrzeżenia patentowe

Claims (6)

1. Sposób wytwarzania metanu i unieszkodliwiania odpadowego dwutlenku węgla polegający na fermentacji metanowej materiału organicznego, z udziałem mikroorganizmów, znamienny tym, że mikrobiologiczny rozkład materiału zawierającego węgiel, prowadzi się pod rosnącym w trakcie procesu ciśnieniem, w bioreaktorze w postaci długiej rury, o znacznej różnicy wysokości pomiędzy wlotem a wylotem, przy czym proces rozkładu kontynuuje się, korzystnie około 30 dni, pod ciśnieniem rosnącym do 32 barów, w temperaturze około 24°C, a mieszaninę reakcyjną z mikroorganizmami miesza się pulsacyjnie przez jej poddawanie posuwisto-zwrotnym ruchom pomiędzy bioreaktorem i naczyniem wzbiorczym, tworzący się metan oddziela się w górnej części bioreaktora w strefie separacji, a dwutlenek węgla, rozpuszczający się pod ciśnieniem hydraulicznym w roztworze mieszaniny reakcyjnej, wyprowadza się wraz z nasyconym nim odpadem pofermentacyjnym, z dolnej części bioreaktora, w której oddziela się również frakcję wymagającą dłuższego czasu fermentacji i odprowadza ją do reaktora wolnorozkładalnej frakcji sedymentującej, w którym prowadzi się proces biodegradacji w wydłużonym czasie, przy czym pulsacyjne mieszanie reagentów, wspomaga się ciśnieniem tworzącego się biogazu, wytworzony w procesie dwutlenek węgla wraz z odpadem pofermentacyjnym usuwanym z dolnej części bioreaktora oraz odpadem nie biodegradowalnym, usuwanym z reaktora wolno-rozkładalnej frakcji sedymentującej, wprowadza się do odbieralnika lub magazynuje pod ciśnieniem w wyrobisku lub porowatej skale.

2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że zasilanie bioreaktora substratem i usuwanie odpadu pofermentacyjnego, uwarunkowane różną szybkością przemiany substratów, reguluje się sterowanymi przy pomocy komputera zaworami.

3. Urządzenie do wytwarzania metanu i unieszkodliwiania odpadowego dwutlenku węgla w procesie fermentacji metanowej materiału organicznego, znamienne tym, że zawiera bioreaktor (4) , w postaci długiej rury, służący do przetwarzana frakcji szybko rozkładalnej i oddzielania frakcji wymagającej dłuższego czasu fermentacji, który w górnej części, połączony jest ze zbiornikiem substratu (1), poprzez pompę dozującą substrat (2) i zawór zwrotny substratu (3). dno bioreaktora (4) połączone jest z reaktorem (7) wolno-rozkładalnej frakcji sedymentującej, a jego górny otwór wylotowy połączony jest ze zbiornikiem metanu (6), poprzez zawór gazowy (5) , którym jest odprowadzany uzyskany metan, oddzielony od fazy ciekłej, w strefie separacji, w dolnej części bioreaktora usytuowany jest przewód odpływowy z zaworem (8) odpadowym, odprowadzający odpad pofermentacyjny nasycony CO2 do odbieralnika (11), ponadto w dolnej części bioreaktor (4) jest połączony z naczyniem wzbiorczym (9), a dół reaktora (7) wolnorozkładalnej frakcji sedymentującej połączony jest z odbieralnikiem (11) poprzez zawór (10) odpadowy.

4. Urządzenie, według zastrz. 3, znamienne tym, że zawór (5) gazowy i zawory (8 i 10) odpadowe, sterowane są przy pomocy komputera.

PL 231 652 Β1

5. Urządzenie, według zastrz. 3, znamienne tym, że odbieralnikiem (11) jest porowata skała lub wyrobisko podziemne, gromadzące pod ciśnieniem odpady pofermentacyjne nasycone dwutlenkiem węgla oraz odpady niebiodegradowalne, odprowadzane z urządzenia rurociągiem (12) odpadów.

6. Urządzenie, według zastrz. 3, znamienne tym, że odbieralnik (11) ma postać zbiornika odpadu pofermentacyjnego, połączonego z reaktorem (7) wolno-rozkładalnej frakcji sedymentującej, korzystnie poprzez jednokierunkowy zawór (10) odpadowy.

Rysunki