用于连续干式甲烷生成的方法和设备的制造方法_3

文档序号:8448746阅读:来源:国知局
所注射气体之速度和流率的函数改变。两对通气道隔开的距离是例如三米,每对通气道的对流运动的半径为1.5米,所述运动通过通气道开口处气体的速度和流率来改变并控制,速度和流率作为物质的粘度的函数来改变,粘度由给定注射的持续时间内的变化来设定。这些变化表明了物质在发酵过程中根据物理和生物化学参数的动态粘度。
[0081]注射到通气道中的气体的速度和流率取决于物质前端的宽度,其为由至少两个壁引导的圆柱消化器中的可变宽度,所述两个壁中一个是将物质流分成两个的横向壁,一个是垂直壁,其界定第一隔室并分离物质与第二隔室的上覆气体填充空间,使所述物质经过垂直壁下部中宽的开口。
[0082]一些通气道分别运行,特别是位于减少的前端或靠近发酵物质的较窄通道的那些。考虑到壁的封闭性和伴随其的物料损失,这些通气道对物质搅拌区的影响比较有限。
[0083]如图8所示,由于施加于大体积上的浮力和两个通气道201周围的气体流率,速度和流率限定了作为物质粘度之函数的给定区段的搅拌宽度。
[0084]可根据物质的粘度来改变注射。通过注射来自具有限定体积的室的气体搅拌区段(所述注射表示为流率和速度),这根据释放气体的压力水平作为发酵物质之粘度的函数来改变,所述粘度由给定注射持续时间的变化来控制。粘度越大,气体注射的持续时间越长。
[0085]在室中7巴至4巴(例如,在两个通气道中)的减少的压力下,30m3气体的注射在第一隔室的第一区段中为大约17秒,但是在第二隔室的最后一个区段中达到12秒。
[0086]作为物质的函数,根据发酵区段,改变从压力室注射的气体的速度和流率。例如,在其中物质粘度高的第一隔室的第一区段中,使1m3室中气体的压力上升至7巴以保持在7巴至4巴下,即30Nm3的生物气,而在其中物质粘度在水解和发酵作用下显著降低的第二隔室的最后一个区段中,使气体的压力上升至6巴以保持在6巴至3巴,即30Nm3的生物气。
[0087]所述改变促进了发酵过程。在速度和流率不足的情况下,发酵物质在给定区段中的搅拌和对流运动会不足并会产生物质流动的优先通道和物质不能流动的死区。在速度和流率太高的情况下,会观察到显著的区段彼此重叠的区域。颗粒将在每个搅拌循环时从一个区段被携带至另一个区段中以快速地从发酵罐中离开,从而导致一些颗粒的保留期太短而另一些颗粒的保留期太长。
[0088]在一些实施方案中,还由于容器内的第一壁开始于容器顶棚,所以产生了两个隔室,其上覆气体填充的空间被隔开。该壁在物质的下部留下了通道,以从进行水解/产酸的第一隔室通向进行乙酸生成/甲烷生成的第二隔室。
[0089]浆体的连续区段混合使得可在至少两个隔室中实现有机物质的显著降解,在过程中使得待消化物质能够显著水解,并且考虑到每个发酵阶段中的细菌群体,在不同生物化学培养基(具有酸PH和超嗜热温度的第一隔室,具有中性或略碱性pH和嗜热或中温温度第二隔室)中发育的群体,产生并消耗不同的代谢物一一挥发性脂肪酸、乙醇、H2、CO2、醋酸盐/酯、CH4等。
[0090]甲烷生成在由两个隔室制成的设备中最佳,使得浆体发酵的不同阶段能够在有利于物质降解过程的生物化学培养基中发生。特别地,进入基质的水解在酸性培养基中和超嗜热温度下发生,使得可用于产酸细菌活性的复杂有机物质的分子能够简单化。比甲烷生成细菌更具有抵抗性的产酸细菌有利地在酸pH下发育。
[0091]第一隔室的水解/产酸使得可溶解复杂分子以使其可用于产酸细菌,所述产酸细菌特别地产生挥发性脂肪酸、氢气(H2)和二氧化碳(CO2)。
[0092]对于发酵的良好平衡而言,碳/氮比率优选为约15: 25。其取决于碳,特别是木质素中捕集的碳的实际可用性。低比率有引起可为毒性的氨增加的风险。在高pH例如7.4至7.6下,铵离子形式的矿化氮部分转化地成更易挥发的氨。在高浓度下,氨成为甲烷生成的抑制剂。氮损失对于消化物质(也称为“消化物”)的农业再利用是缺乏的。因此精确地控制发酵阶段(特别是良好水解)的益处,可使碳有利于碳/氮比率的较好平衡,并因此在第二隔室中很好地将pH控制在6.8至7.4的范围内,该范围对于铵以氨的形式通过不是很有利。该平衡使得可实现更好的氮保存。
[0093]在具有高水平干物质的基质的连续厌氧发酵的领域中,已知多种形状的消化器,圆柱形、平行六面体、通道型、多级的,其使用用于传递物质的机械装置或用压力下的生物气搅拌物质的装置。本发明不限于这些形状中的任何一种。
[0094]因此,本发明克服了高浓度物质的连续厌氧过程中所遇到的限制。在一些实施方案中,提供了由车间组成的方法,其在允许控制水解、产酸与甲烷生成阶段之平衡并控制随基质性质而不同的物质保留时间的单个发酵器中,通过具有高水平干物质(15%至多于30%的干物质)的粘稠均匀基质的规律前进和流动,对高浓度干物质、多相、单或多基质,对浆体进行连续厌氧发酵。
[0095]关于活塞式流,第二物质引导壁(图4中的117)(其形状取决于发酵容器的几何结构)使得可减小物质的前端,从而有利于物质的稳态前进。
[0096]整个发酵过程中,物质的随区段改变的搅拌允许提取发酵物质并且使其作为细菌接种物和生物化学调节物通过通气道从一个区段再循环到另一个区段。该接种物可发酵器的不同点上在出口处进行提取,所述出口足够大以允许物质的经过和流动,所述物质或多或少地被水解和发酵并因此在重力下或多或少地稠化以通过浆体泵收集并通过配备有气体阀和物质阀(最常在上游)的通气道从给定区段再引入到另一个区段中。该再循环的功能(如果需要的话)是通过将在下游区段中所产生的细菌再引入上游区段中来加强细菌活性或者用于一个区段到下一个区段的生物化学再平衡。
[0097]图1至图7和图10示出了发酵容器100、第一隔室101、第二隔室102、用于隔开物质的壁103、发酵器的顶棚104、第一隔室101的上覆气体填充空间105、第二隔室102的上覆气体填充空间106、第一隔室101与第二隔室102之间的物质通道107。例如,通道107测量为 50cmX50cm。
[0098]图1至图7和图10还示出了气体注射通气道108、物质进入发酵器容器101的入口 110、物质从发酵器容器100中出来的出口 111、引入浆体(例如通过泵)的系统112、用于再循环酸性物质的管113、用于再循环发酵物质的管114、物质的水平115、用于物质的路径隔板117、物质通道118、气体从发酵器隔室的上覆气体填充空间出来的出口 119、在常压下气体朝向气量计121的管120、加压室122、加压气体管123、联产(cog6n6rat1n)单元124、增压压缩机(surpresseur compresseur) 125、混合器 131。
[0099]图8示出了在容器200中的通气道201、发酵器的顶棚202、加压气体管205、气体阀204、上覆气体填充空间206、注射前的物质水平207、气体排放水平212、发酵器底部213和表面共混特征214。
[0100]在这些图中示出的设备特别地采用了分布在整个发酵器中的多个通气道108和201,其具有足够大的直径,例如1cm至15cm的直径,例如从发酵器的顶棚开始且在距发酵器底部至少15cm处停止。
[0101]例如,根据发酵器的体积和几何结构,通气道108和201以每4m2至1m2地板表面一个通气道的比率分布在整个发酵器中。通气道108与201之间的间隔是由例如通过足够大的管205 (其直径接近通气道的直径)在4巴至10巴的压力下注射的气体所产生的搅拌椎体的函数,以有助于到达通气道基座之气体的速度和流率高到足以进行待均质化区段的搅拌。流率和速度取决于待均质化区段的表面积、物质体积、发酵器中物质的高度以及所希望的与其他邻近区段的相互作用。一些通气道可有利地位于壁的边缘和发酵器的隔板处,以补偿由于壁和隔板作用引起的任何潜在的均质化问题。
[0102]来自加压室122中所存储气体的处于若干巴压力下的气体通过气体导管205进料至通气道108和201。
[0103]如图8所示,通过浮力,气体向通气道201周围的物质施加了向上的力,这伴随着产生对流运动的大尺寸气泡。在区域210中,气体与物质之间密度的显著差异在比气体直接影响区域大的区域中引起物质的对流运动。
[0104]大体积物质通过因上升气体的气泡引起的向上力来移动,从而通过在通气道201周围的下部抽吸物质在较大区域中产生引发下降运动的物质的对流运动。该气体物质对流运动取
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