用於甲烷化具有高固態組分的生物質的生物反應器的製作方法

2023-07-27 07:04:31 3

專利名稱：用於甲烷化具有高固態組分的生物質的生物反應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1前述部分所述的、用於甲垸化具有高固態
組分(solids fraction)的生物質的生物反應器。
術語"具有高固態組分的生物質"應理解為其涵義與例如用在溼發酵過
程中的液體的、可泵送的生物質相反。因此"具有高固態組分的生物質"應 理解為不可泵送的生物質。
背景技術：
從專利文獻EP 1 301 583 Bl中已知根據權利要求1前述部分所述的生物 反應器，在此援引該專利文獻的全部公開內容，以避免不必要的重複，並且 將該專利文獻所公開的內容專門地結合到本申請中。
這種已知的生物反應器包括類似預製車庫形式的消化池，利用擋板 (flap)將所述消化池以氣密的方式密封。可以通過輪式裝載機(whed loader)
來裝載未發酵的生物質和卸載已發酵的殘餘生物質。由於在發酵過程中生物 質的沉積，使得生物質擠壓在擋板上。因此擋板必須以相應的堅固方式構造， 並且還必須以精確的方式關閉，以便充分地密封消化池。這種構造堅固同時 能精確移動的擋板較為昂貴。此外，在裝載大量生物質的情況下，存在著擋 板不能夠再精確地密封和關閉的風險。為了解決此問題，專利文獻DE 202005014176.3提出了一種設在擋板後面的保持系統(retaining system)， 該保持系統防止了沉積的生物質壓在擋板上。
在專利文獻DE 102 57 849 Al中描述了一種車庫狀發酵罐，在該發酵罐 中，生物質從底部通過篩狀底座(screen base)被充入生物氣。該篩狀底座 也相應地用作滲濾液的排放系統，類似於本申請的情況，所述滲濾液也通過 泵進行循環。但是沒有描述對填充液位(fill level)的控制。
專利文獻DE 101 29 718 Al描述了一種直立發酵罐，其通過螺旋運輸器 經由分隔的開口進行連續的裝料和退料(withdrawal)來甲垸化家庭生物廢
物(biowaste)。其使用篩狀底座分離滲濾液，並通過泵使滲濾液進行循環， 但並無法控制滲濾液的填充液位。
專利文獻DE 44 44 462 Al也涉及一種直立發酵罐，在發酵期間生物質 在該發酵罐頂部以非連續且氣密的方式進行填充、在發酵期間下沉、並且在 那裡以非連續且氣密的方式排出。使用受控的滲水再循環以將形成在頂部的 有機酸輸送到反應器的進行發酵的下部區域。生物材料的固態組分被規定為 30%至55%。
在專利文獻DE201 21 701 Ul中描述了一種包括兩個反應器的兩步驟系 統。在第一個反應器中，在溼處理(wet process)中，使生物質保持浸泡在 包含厭氧細菌的處理液(processing liquid)中，並由此將生物質從一個進料 口運輸至出料口。通過再循環將處理液灑在生物質上。將處理液輸送入第二 反應器中並在該第二反應器中發酵。然而，在兩個反應器中都產生生物氣。 作為替代該溼過程的另一選擇，也可以在第一反應器中處理具有高固態組分 的生物質。在這種情況下，生物氣主要在第二反應器中產生。其並未描述對 該處理液的填充液位的控制。
專利文獻EP 0 803 568 Al描述了一種生物氣生產設備(plant)，其用於 發酵具有大約25%乾物質的固態組分的生物質。該設備包括多個反應器，所 述反應器彼此連接，以使從反應器排出的原料能夠有目的地供應給其他反應 器，從而在每個反應器中獲得單獨的以及最佳的過程控制。
儘管在許多情況下，生物質的氣體產量和生物質的必要停留時間是足夠 的，但是仍然可以期望更高的氣體產量和/或生物質在消化池中的更短的停留 時間。

發明內容
因此，本發明的目的在於，改進從專利文獻EP 1 301 583 Bl中已知的生 物反應器，以便增加氣體產量並減少生物質在消化池中必要的停留時間。
這一目的是通過根據權利要求1前述部分所述的生物反應器依靠權利要 求l的特徵部分來實現的。
在幹生物質、即不可泵送的生物質的發酵過程中，因包含在生物質中的 水分而形成所謂滲濾液的滲透液，所述滲濾液通過排放系統排出，並且如需
要的話，使滲濾液從頂部再次回到待發酵的生物質上。現已發現，當並不立 即由排放系統排出產生的滲濾液，而是使滲濾液積聚在消化池中直至特定的
液位時，生物氣產量顯著地提高10%至40%。這是通過技術裝置來實現的， 在該技術裝置中，消化池是液密性的，亦即用於消化池的裝載和卸載的擋板 必須是液密性的，並且以相應的堅固方式設計，以便承受所產生的液體壓力。 通過將已有的滲濾液排放系統與滲濾液控制系統連接，能夠調節和控制正在 發酵的生物質內的滲濾液的液位，使生物氣產生率或生物氣產量最大化。
根據如權利要求2所述的本發明的優選實施例，滲濾液控制系統包括滲 濾液儲存器，所述滲濾液儲存器通過滲濾液排放導管連接到滲濾液排放系 統。在滲濾液排放導管內設置有閥，通過該閥可使在消化池中形成的滲濾液 積聚至期望的高度。通過這種操作，調節滲濾液液位的高度以使生物氣產量 最大化。通過重力的作用使滲濾液排入滲濾液儲存器中。
根據如權利要求3所述的本發明的優選實施例，在滲濾液排放導管中設 置滲濾液泵，以便能夠不受重力影響地將滲濾液排入滲濾液儲存器中。在這 種情況下，滲濾液泵可同時兼具閥的功能。
根據如權利要求4所述的本發明的優選實施例，填充液位傳感器例如為 簡單的壓力傳感器，其設置在消化池的底座區域中的滲濾液排放導管內。這 種壓力傳感器十分便宜，並且不會被化學活性強的滲濾液腐蝕。
根據如權利要求5所述的本發明的另一個優選實施例，滲濾液控制系統 還包括滲濾液回流管路，從而以原本已知的方式使滲濾液從滲濾液儲存器回 到消化池中。
根據如權利要求8所述的本發明的另一個優選實施例，在滲濾液儲存器 中放置有多個填充體(fill body)，使產生生物氣的微生物能夠特別好地積 聚在所述填充體中。根據權利要求9，這可以通過簡單的方式來實現通過 將具有高固態組分的生物質的固定床(fixed bed)裝入滲濾液儲存器中。在 這種方式下，滲濾液儲存器自身也可以用作生物反應器，並且可以從該滲濾 液儲存器中排出生物氣。
根據如權利要求10所述的本發明的另一個優選實施例，可將多個根據 本發明的生物反應器相互連接，以提供一生物氣產生系統。此外，使多個生 物反應器包括共用的滲濾液儲存器。 根據如權利要求11所述的本發明的另一個優選實施例，在這種情況下， 各生物反應器附加地通過滲濾液連接管路相互連接。在這種方式下，例如可 以將各生物反應器內的液位調節為相同。
從以下參照附圖對本發明示例性實施例的描述中將顯示本發明的進一 步的細節，特徵和優點。


在附圖中-
圖1示意性示出了根據本發明的生物反應器的立體圖； 圖2示出了根據圖1的生物反應器的、與裝載和卸載方向垂直的剖視圖； 圖3分別示出了圖1和圖2的生物反應器的底板的示意圖； 圖4示出了根據圖1至圖3的生物反應器的示意性剖視圖；以及 圖5示出了包括多個根據本發明的生物反應器的生物氣產生系統的示例 性實施例的示意圖。
具體實施例方式
圖1至圖4示出了根據本發明的生物反應器或生物氣反應器1 (視其情 況而定)的示例性實施例。生物反應器包括長方體形狀的消化池2，所述消 化池2填充有生物質4。消化池2由混凝土製成為類似預製車庫的形式，並 且包括六個平面壁構件，特別地，這六個平面壁構件為底板6、兩個側壁 8和9、蓋板IO、後壁12、以及可通過氣密擋板14密封的敞開的前側13。
擋板14可利用液壓裝置16致動。在擋板14打開的情況下，能夠視其 情況而以簡單的方式向消化池2填充生物質或從消化池2移除殘餘的生物 質。在消化池2中產生的生物氣通過生物氣排放導管18排出。可在消化池2 的底板6中、並且某種程度上也可在側壁8和9中以類似地板加熱系統的方 式設置加熱系統20 (參閱圖3)，利用該加熱系統20能夠相應地調節位於 消化池2中的生物質4的溫度。至於其細節，請參照專利文獻EP 1 301 583 Bl 中相應的描述。
底板6中還結合有滲透液排放系統22，所述滲透液排放系統22是通過 使底板6沿擋板14的方向輕微傾斜、並通過設置在擋板14後面的消化池的
前部區域中的通道24來實現的。通道24垂直於消化池2的縱向方向或者說 裝載和卸載方向延伸，並由打孔的或帶槽的板26覆蓋。在示例性實施例中 僅示出了一個通道24。可選擇地，可以設置多個這種通道，這些通道也可以 垂直於縱向方向或沿著該縱向方向設置。
滲濾液液位28的高度由滲濾液控制系統30調節和/或控制。滲濾液控制 系統30包括滲透液或滲濾液排放導管32，匯集在通道24中的滲濾液通過該 排放導管32排入滲濾液儲存器34中。可利用閥36關閉滲濾液排放導管32， 以使匯集在消化池2中的滲濾液能夠積聚到期望的液位28。在滲濾液排放導 管32中設置滲濾液泵38，以便能夠不受重力影響地將滲濾液傳輸至滲濾液 儲存器34中。
在消化池2中滲濾液液位28的高度是通過採用壓力傳感器40形式的填 充液位傳感器確定的。壓力傳感器40布置在閥36之前的滲濾液排放導管32 內。壓力傳感器40、閥36和滲濾液泵38通過控制線連接到控制單元44。 可通過附加的控制線46將例如消化池內部中的氣體產出率、氣體壓力等進 一步的過程參數提供給控制單元44。在這種方式下，可通過控制單元44將 滲濾液液位28調整為使得氣體產出率保持在最大值。
圖1僅示出本發明實施例的示意圖，在圖1中，滲濾液儲存器34設置 在消化池下方。由於滲濾液泵38設置在滲濾液排放導管32內，因此滲濾液 儲存器34也可以布置在與消化池2相同的高度上。
在圖4中，閥36沿著排出方向設置在滲濾液泵38之前。或者，閥36 也可以設置在滲濾液泵38之後。在這種情況下，壓力傳感器40也可以布置 在滲濾液泵38的泵井(pump sump)內。在相應的滲濾液泵38的實施例中， 該泵還可以兼具閥36的功能，即在滲濾液泵38的停止期間關閉滲濾液排放 導管32，以使滲濾液能夠積聚在消化池中。
圖5示意性示出了生物氣產生系統，該生物氣產生系統包括依據圖1至 圖4的五個生物反應器和消化池2-1至2-5。所述五個消化池2-1至2-5通過 五個滲濾液排放導管32-1至32-5連接到共用的滲濾液儲存器34。在根據圖 1至圖4的實施例中，在每個滲濾液排放導管32-i中設置有滲濾液泵38-i， 所述滲濾液泵38-i還兼具閥36的功能。在每個獨立的滲濾液泵38-i的泵井 中設置用於確定各消化池2-i中滲濾液液位的壓力傳感器40-i。來自共用的
滲濾液儲存器34的滲濾液可以通過滲濾液回流管路48回流到各消化池2-i 中，該滲濾液回流管路48包括滲濾液再循環泵50。滲濾液液位28可以通過 控制單元44來控制和調節。控制單元44與壓力傳感器40-1至40-5連接， 並致動滲濾液泵38-1至38-5和滲濾液再循環泵50。相關的控制線是根據圖 4來布置的，但為清晰起見，這些控制線沒有在圖5中示出。
此外，消化池2-i也可以通過滲濾液管路彼此連接(未圖示)。
附圖標記一覽表
1生物反應器
4生物質
8側壁
10蓋板
13敞開的前側
16液壓系統
20加熱系統
24通道
28消化池中的滲濾液液位 32滲濾液排放導管 36閥
40壓力傳感器 44控制單元 2-i消化池 38-i滲濾液泵 50滲濾液再循環泵
2消化池 6底板 9側壁 12後壁
14裝載和卸載擋板
18生物氣排放導管
22滲透液和滲濾液排放系統
26打孔的或帶槽的板
30滲濾液控制系統
34滲濾液儲存器
38滲濾液泵
42控制線
46附加的控制線
32-i滲濾液排放導管
48滲濾液回流管路
權利要求
1. 一種生物反應器，用於甲烷化具有高固態組分的生物質(4)，該生物反應器包括氣密的、可密封的消化池(2)；生物氣排放導管(18)；裝載和卸載開口(14)，其用於向所述消化池填充生物質(4)，和清空所述消化池內的生物質(4)；以及滲透液或滲濾液排放系統(22)，其位於所述消化池(2)的底板(6)和/或壁(8，9，12)中，其特徵在於，所述消化池是液密性的，並且所述滲濾液排放系統(22)連接到滲濾液控制系統(30)，以便控制所述消化池(2)內的滲濾液液位(28)。
2. 如權利要求1所述的生物反應器，其特徵在於，所述滲濾液控制系 統(30)包括滲濾液儲存器(34)，其通過滲濾液排放導管(32)連接到所述滲濾液 排放系統(22);閥(36)，其設置在所述滲濾液排放導管(32)內；以及 填充液位傳感器(40)，其用於確定所述消化池(2)內的滲濾液液位 (28)。
3. 如權利要求2所述的生物反應器，其特徵在於，所述滲濾液控制系 統(30)包括滲濾液泵(38)，所述滲濾液泵(38)設置在所述滲濾液排放 導管(32)內。
4. 如權利要求2或3所述的生物反應器，其特徵在於，所述填充液位 傳感器為壓力傳感器(40)，所述壓力傳感器(40)設置在所述滲濾液排放 導管(32)內或消化池(2)內。
5. 如前述權利要求中任一項所述的生物反應器，其特徵在於，所述滲 濾液控制系統(30)包括滲濾液回流管路(48)，所述滲濾液回流管路(48) 將所述滲濾液儲存器(34)連接到所述消化池(2)的上部區域。
6. 如前述權利要求中任一項所述的生物反應器，其特徵在於，所述裝 載和卸載開口 (14)優選為可液壓致動的擋板，所述擋板以齊平的方式密封 所述消化池(2)。
7. 如權利要求6所述的生物反應器，其特徵在於，在所述消化池(2) 中沿填充方向在所述擋板(14)後面設置保持裝置，以使填充的生物質(4) 自身至少部分地抵靠支撐在所述保持裝置上。
8. 如權利要求2至7中任一項所述的生物反應器，其特徵在於，在所 述滲濾液儲存器(34)中設置有多個填充體，產生生物氣的微生物能附著在 所述填充體上；並且所述滲濾液儲存器(34)包括生物氣排放管路。
9. 如權利要求6所述的生物反應器，其特徵在於，在所述滲濾液儲存 器(34)中的所述填充體形成具有高固態組分的生物質的固定床。
10. —種生物氣產生系統，包括多個如前述權利要求中任一項所述的 生物反應器(2-i)、以及一個共用的滲濾液儲存器(34)。
11. 如權利要求10所述的生物氣產生系統，其特徵在於，大多數的單 獨的所述生物反應器(2-i)通過滲濾液連接管路彼此連接。
全文摘要
說明了一種提高了氣體產量的生物反應器，其中，減少了生物質在消化池(2)中必要的停留時間。在幹生物質、亦即不可泵送的生物質發酵時，因包含在生物質中的水分而形成稱之為滲濾液的滲透液，並且所述滲濾液通過排放系統(22)排出，並且如合適的話，將滲濾液從頂部再循環到待發酵的生物質上。現已證明，當並不立即由排放系統排出產生的滲濾液，而是使滲濾液積聚在消化池中直至特定的液位時，生物氣產量顯著地提高10％至40％。這是通過此種裝置來實現的消化池被設計成液密性的，亦即，用於消化池的裝載和卸載的擋板(14)必須是液密性的，並且還必須以相應的堅固方式設計，以便承受所產生的液體壓力。通過將已有的滲濾液排放系統與滲濾液控制單元(30)結合在一起，能夠調節和控制待發酵生物質內滲濾液的液位，使生物氣產生率或生物氣產量最大化。
文檔編號C12M1/107GK101389746SQ200780006221
公開日2009年3月18日 申請日期2007年2月21日 優先權日2006年2月21日
發明者彼得·盧茨 申請人:貝肯能量科技兩合公司