由生物质生产生物气的生物气设备及其操作方法

摘要

由生物质生产生物气的生物气设备及其操作方法，该设备包括：至少一发酵罐，带有生物气出口和吹扫气体入口；生物气管线；废气管线；废气烟道，通过第一生物废气管线连接到生物气出口；废气点火头，通过第二生物废气管线连接到生物气出口；新鲜空气管线，连接到吹扫气体入口；控制装置，其将生物气出口连接到生物气管线或生物废气烟道、或将生物气出口连接到废气点火头，及将吹扫气体入口连接到废气管线或新鲜空气管线；及测量装置，连接到控制装置，测量装置具有探测从至少一个发酵罐中产生的气体混合物中的甲烷浓度的第一测量传感器及探测从至少一个发酵罐中产生的气体混合物中的二氧化碳浓度的第二测量传感器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于从生物质生产生物气的生物气设备，所述生物气设备具有至少一个根据权利要求1所述的发酵罐，本发明还涉及一种根据权利要求10所述的用于停止运转发酵罐的方法，以及涉及一种根据权利要求14所述的用于启动发酵罐的方法.

背景技术

所谓的“干燥发酵”能够在不必将原料转换为可泵送的液体基质(substrate)的情况下将来自农业、生物学废物以及社区耕作区域(comunalcultivated area)的可流动的生物质转化为甲烷。含有最高50％的干燥物质组分的生物质可以被发酵。例如在专利文献EP 0 934 998中描述了此种干燥发酵方法。

在“干燥”发酵的情况下，待发酵的原料不会像例如生物废物的液体发酵情况那样被搅拌成液态。而是，通过取出在发酵罐底部上的滤液并再将该滤液喷洒在生物质上，以便使已装入发酵罐内的发酵基质始终保持潮湿。这产生了最适合细菌生长的环境。在滤液的再循环过程中，还可以调节温度并且可以加入添加剂以优化过程。

专利文献WO 02/06439公中开了一种预制车库(prefabricated garage)形式的生物反应器或发酵罐，所述发酵罐使用干燥发酵原理以所谓的分批处理(batch process)方式操作。在这种情况下，在用已发酵的原料播种(seeding)后，利用牵引铲(tractor shovel)用发酵基质填满发酵罐。发酵容器构造为车库形状并由气密性的门关闭。生物质在气闭状态下发酵，在该过程中并不进一步地全面混合，并且不供给附加的原料。从发酵的原料渗出的滤液经由排水凹槽排出，随后暂时存储在容器中，并再次喷洒在发酵基质上，以使发酵基质潮湿。发酵过程在34℃和37℃之间的(细菌)嗜温温度范围内进行，该温度范围是利用底部加热和壁加热产生的。

产生的生物气可以用于在热电联产系统(cogeneration system)中获得电力和热。为了确保始终可以为热电联产系统供给充足的生物气，在干燥发酵设备中以错开的周期来操作多个发酵容器。在停止时间，发酵罐区域被完全清空并随后被再次填充。已发酵的基质用于后堆肥(post-composting)过程，产生类似于传统堆肥的有机肥料。

分批操作意味着单个发酵罐必须时常停止运转，也就是说生物气生产必须停止，必须将已发酵的生物气从各发酵罐中排除，并且必须用新鲜的生物气充满发酵罐，继续生物气生产。在此过程中，出于安全的原因，有必要在装载和卸载单个发酵罐的同时防止产生有爆炸性的生物气/空气混合物。

为了这个目的，从专利资料EP 1301583 B中已知一种发酵罐，在使用中，其在有爆炸危险的情况下，也就是空气已进入发酵罐中的情况下，在该发酵罐中充满由用生物气操作的热电联产系统产生的含二氧化碳的废气。

发明内容

因此，针对根据EP 1301583 B的生物气设备的背景技术，本发明的目的在于确保从发酵罐卸载已消耗的生物质(consumed biomass)及在该发酵罐中装载新鲜生物气的过程的安全。

这一目的通过权利要求1，10和14中的技术特征来实现。

根据权利要求1所述的生物气设备包括必要的组件，以便能够安全地停止运转和卸载发酵罐，以及同样安全启动发酵罐。

根据权利要求10所述的方法，使得即使在发酵罐停止运转和用含二氧化碳的废气吹扫期间也能够尽可能长时间地维持生物气生产以及使用，也就是说，待停止运转的发酵罐的生物气/废气混合物仍然被供应给生物气用户，直至混合物的品质下降至预定的等级以下。只有当在生物气出口的甲烷(mathane)浓度降至低于上限值时才会断开通向生物气用户的生物气管线与生物气出口的连接。此时，通过排气烟道(exhaust chimney)排出(feed out)仅包含少量甲烷的生物气/废气混合物。这一过程直至甲烷浓度降至下限值时结束，此时该生物气/废气混合物几乎不含有甲烷。此后，利用新鲜空气代替含二氧化碳的废气来吹扫待停止运转的发酵罐，并且将该废气/生物气/新鲜空气混合物通过排气烟道排出，直至在废气/生物气/新鲜空气混合物中的二氧化碳浓度降至第一极限值。只有在此后才打开发酵罐以便排出已消耗的生物气并再次在发酵罐中装入新鲜生物气。前述的利用废气和新鲜空气吹扫的过程允许在对操作者没有任何危险的情况下打开、卸载和装载发酵罐。

根据权利要求11中的本发明的一个优选的改进方式(refinement)，当甲烷浓度达到上限值时，生物气/废气混合物不会通过排气烟道排放到外界，而是被传送到废气点火头(off-gas flare)并烧掉。如需要的话，可向废气点火头提供额外的燃料以使燃烧始终进行。燃烧该生物气/废气混合物，直至生物气/废气混合物中的甲烷浓度降至处于上限值和下限值之间的一个中间限值(medium limit value)以下。

根据在权利要求12中所述的本发明的一个优选的改进方式，在通过打开装载和卸载开口来卸载和装载已停止运转的生物发酵罐的同时，吸入新鲜空气，并且将吸入的气体混合物通过吹扫气体(purging gas)入口或通过生物气出口传送到排气烟道。可选地，可在该发酵罐内使用特别的新鲜空气抽吸连接。

在权利要求13中所述的本发明的有利的改进方式确保了在卸载和装载发酵罐的同时连续地吸入新鲜空气。

权利要求14和15中所述的用于(再)启动已停止运转的发酵罐的本发明的方法，安全地避免了在启动过程中形成爆炸性的生物气/空气混合物。

在第四甲烷浓度极限值(与上限值相同，见权利要求16)时，将已被再次启动的该发酵罐连接到生物气管线。

根据权利要求17，例如由内燃机提供用于吹扫待停止运转的发酵罐的废气。

根据权利要求18中的本发明的一个优选实施例，由的生物气处理装置提供含二氧化碳的废气，该生物气处理装置连接在所述至少一个发酵罐的下游。

其他从属权利要求涉及本发明有利的改进方式。.

附图说明

通过参照本发明的实施例的附图的以下描述，说明了本发明进一步的细节、特点以及优点。

图1-图7示出了在发酵罐的停止运转过程和(再)启动过程中的多个操作状态的示意图。

图8用发酵罐图示了本发明第二个实施例的示意图；以及

图9-图15图示了在停止运转过程中和在发酵罐(再)启动时具有三个发酵罐的生物气设备的多种操作状态。

其中，附图标记说明如下：

2发酵罐

4装载和卸载开口

6生物质

8生物气出口

10阀

12生物气管线

14第一生物废气管线

16第二生物废气管线

18热电联产系统

20废气烟道

22废气点火头

24吹扫气体入口

26废气管线

27废气鼓风扇

28新鲜空气管线

29新鲜空气鼓风扇

30控制装置

32第一测量传感器(甲烷浓度)

34第二测量传感器(二氧化碳浓度)

36第三测量传感器(体积流量)

38鼓风扇

40共用的生物废气管线

40-1第一生物废气管线构件

40-2第二生物废气管线构件

40-3第三生物废气管线构件

42共用的吹扫气体入口

44排气管线

46第二废气烟道

48三通阀

50第四测量传感器(甲烷浓度)

具体实施方式

图1-图7示出了根据本发明的生物气设备的带有单个发酵罐2的第一实施例。发酵罐2具有立方体形状，并且构造为近似预制车库的形状。该发酵罐2可填装生物质6，并且可利用牵引铲经由装载和卸载开口4将发酵罐2再次清空，该装载和卸载开口4在该立方形发酵罐2的一个端面上延伸。发酵罐2的详细的结构可以参考专利文件WO 02/06439。

发酵罐2还具有生物气出口8，该生物气出口8可经由阀10连接到生物气管线12、第一生物废气管线14以及第二生物废气管线16。生物气管线12通到作为生物气利用装置的热电联产系统18。第一生物废气管线14通到生物废气烟道20。第二生物废气管线16通到废气点火头22。此外，发酵罐2具有吹扫气体入口24，该吹扫气体入口24可以经由阀10连接到废气管线26或新鲜空气管线28。废气鼓风扇27设置在废气管线26内，并且该废气鼓风扇27可用于将废气吸入发酵罐2内。新鲜空气鼓风扇29设置在新鲜空气管线28内以便从外界吸入新鲜空气。含二氧化碳的废气作为吹扫气体经由废气管线26传送到发酵罐2内，而新鲜空气经由新鲜空气管线28传送到发酵罐2内。

阀10连接到控制装置30，并由控制装置30打开或关闭。该控制装置30还连接到第一测量传感器32，该第一测量传感器32设置在生物气出口8内并探测在各阶段的气体混合物中的甲烷浓度。控制装置30还连接到第二测量传感器34，该第二测量传感器34同样设置在生物气出口8内并探测在各阶段的气体混合物中的二氧化碳浓度。控制装置30还连接到第三测量传感器36，该第三测量传感器36设置在生物气出口8内并探测该生物气出口8内的气体体积流量。如需要的话，可通过在生物气出口内设置鼓风扇38来协助从发酵罐2内抽出气体。

图1-图7图示了发酵罐2的停止运转过程和启动过程的多个阶段，用实线表示在运转的管线和组件的位置，而用虚线表示未运转或停止运转的管线和组件的位置。

图1示出了停止运转发酵罐2的第一阶段，在该阶段中，将含二氧化碳的废气经由废气管线26和吹扫气体入口24抽入发酵罐2的内部。生物气出口8如上所述地连接在生物气管线12上，以便将生物气/废气混合物传送到热电联产系统18。

如图2中所示，只有当由生物气出口8内的第一测量传感器32探测到的甲烷浓度降至上限值以下时，才由控制装置30关闭在生物气管线12内的阀10，并打开在第二生物废气管线16内的阀10。这是停止运转发酵罐2的第二阶段，在该第二阶段中，使生物气/废气混合物在废气点火头22内燃烧。如需要的话，可通过加入额外的燃料来协助这一燃烧过程。

如图3中所示，当由生物气出口8内的第一测量传感器32探测到的甲烷浓度降至中间限值以下时，由控制装置30关闭在第二生物废气管线16内的阀10，并打开在第一生物废气管线14内的阀10。这是停止运转发酵罐2的第三阶段，在该第三阶段中，将生物气/废气混合物经由废气烟道20排放到外界。

如图4中所示，当由生物气出口8内的第一测量传感器32探测到的甲烷浓度降至下限值以下时，由控制装置30关闭在废气管线26内的阀10，并打开在新鲜空气管线28内的阀10。这是停止运转发酵罐2的第四阶段，在该第四阶段中，经由新鲜空气管线28和吹扫气体入口24将新鲜空气抽入发酵罐2内。更进一步地将生物气/废气混合物经由生物气出口8和在废气烟道20内的第一生物废气管线14排放到外界。

如图5中所示，当由生物气出口8内的第二测量传感器34探测到的二氧化碳浓度降至第一极限值以下时，由控制装置30关闭在新鲜空气管线28内的阀10，并打开装载和卸载开口4。同时，使用鼓风扇38通过打开装载和卸载开口将新鲜空气吸入，并且通过废气烟道20将其排放到外界。这防止了在卸载过程中仍然包含在已发酵的生物质中的生物气残留对操作人员的危险。

见图6，一旦发酵罐2再次由新鲜生物气装载时，关闭装载和卸载开口4，通过第一生物废气管线14维持在生物气出口8和废气烟道20间的连接，并且由控制装置30打开在废气管线26内的阀10，以将含二氧化碳的废气抽入发酵罐2内。这会一直持续直至由生物气出口8内的第二测量传感器34探测的二氧化碳浓度达到或超过第二极限值。

如图7中所示，当二氧化碳浓度已经达到该第二极限值时，控制装置30关闭废气管线26内和第一生物废气管线14内的阀10，并打开生物气管线12内的阀10。从而，再次到达生物气生产阶段，并且在发酵罐2内生产的生物气经由生物气管线12供给到热电联产系统18。

在上述的实施例中，所有的测量传感器32，34，36设置在生物气出口8内。可选地，第二和第二测量传感器也可以分别设置在第一和第二生物废气管线14，16内。图8示出了与图1-图7中所示的实施例不同的、本发明可选的改进方式，其中第一和第二生物废气管线14，16在其通向生物气出口8之前结合，以形成共用的生物废气管线40。第二测量传感器设置在共用的生物气管线40内，用于探测二氧化碳浓度，并且第三测量传感器36设置在第一生物废气管线14内。除此之外，本发明的第二实施例与第一实施例一致。操作方法也相同。

图9-图15示出了根据本发明的生物气设备的第三实施例，该第三实施例中设置有三个发酵罐2-1，2-2和2-3，并且三个发酵罐并联操作。相互对应的组件由相同的附图标记表示。在图9-图15中所示的生物气设备中，三个发酵罐2-i中分别设置有吹扫气体入口24-1，24-2和24-3，所述三个吹扫气体入口可分别由阀10关闭。将三个吹扫气体入口24-i结合以形成共用的吹扫气体入口42。废气管线26和新鲜空气管线28通向共用的吹扫气体入口42，并且可分别由阀10关闭。

三个发酵罐2-i中的每一个均设置有的生物气出口8-1，8-2和8-3，这些生物气出口均可分别由阀10关闭。通向废气烟道20的第一生物废气管线14和通往废气点火头22的第二生物废气管线16结合，以形成共用的生物气管线40，鼓风扇38设置在该共用的生物气管线40内。在鼓风扇38的下游，共用的生物废气管线40分开为第一、第二和第三生物废气管线构件40-1，40-2和40-3。第一生物废气管线构件40-1在阀10和第一生物发酵罐2-1之间通向第一生物气出口8-1。第二生物废气管线构件40-2在阀10和第二生物发酵罐2-2之间通向第二生物气出口8-2。第三生物废气管线构件40-3在阀10和第三生物发酵罐2-3之间通向第三生物气出口8-3。三个生物废气管线构件40-1，40-2和40-3可分别由阀10关闭。三个生物气出口8-1，8-2和8-3通向共用的生物气管线12，该共用的生物气管线12通到热电联产系统18。排气管线44从热电联产系统18通向第二废气烟道46。废气管线26经由三通阀48连接到排气管线44，也就是说，利用在热电联产系统18内产生的含二氧化碳的废气吹扫待停止运转的发酵罐2-i。三通阀能够调节经由废气管线26传送的、用于吹扫发酵罐2-i的废气的体积流量，并能够调节经由第二废气烟道46排放到外界的废气的量。

第一测量传感器32设置在共用的生物气管线12内，用以探测甲烷浓度。用于探测二氧化碳浓度的第二测量传感器34，用于探测体积流量的第三测量传感器36，以及用于探测甲烷浓度的第四测量传感器50设置在共用的生物废气管线40内的沿流动方向上的鼓风扇38的下游。四个测量传感器32，34，36和50连接到控制装置30。同样地，多个阀10连接到该控制装置。为清晰起见，这些控制线路未在图9-图15中示出。

图9-图15示出了用于停止运转和再启动第二发酵罐2-2的过程，其中，图9-图15示出了与图1-图7相同的阶段和操作状态。在第二发酵罐2-2停止运转并再次启动的同时，在第一和第三发酵罐2-1和2-3内的生物气生产连续地进行。

图9示出了停止运转发酵罐2-2的第一阶段，在该第一阶段中，含二氧化碳的废气从热电联产系统18经由三通阀48和废气管线26、废气鼓风扇27、第二吹扫气体入口24-2而被抽入发酵罐2的内部。如前述，第二生物气出口8-2连接在共用的生物气管线12上，以将生物气/废气混合物进一步供给到气体处理装置44。

如图10中所示，只有当由通向共用的生物气管线12内的第一测量传感器32探测到的甲烷浓度降至上限值以下时，才由控制装置30关闭第二生物气出口8-2内的阀10，并打开第二生物废气管线构件40-2内的阀10、以及第二生物废气管线16内的阀10。这是停止运转发酵罐2-2的第二阶段，在该第二阶段中，生物气/废气混合物在废气点火头22内燃烧。如需要的话，可通过加入额外的燃料来协助该燃烧过程。

如图11中所示，当由共用的生物废气管线40内的第四测量传感器50探测到的甲烷浓度降至中间限值以下时，由控制装置30关闭第二生物废气管线16内的阀10，并打开第一生物废气管线14内的阀10。这是停止运转发酵罐2-2的第三阶段，在该第三阶段中，生物气/废气混合物经由废气烟道20排放到外界。

如图12中所示，当由共用的生物废气管线40内的第四测量传感器50探测到的甲烷浓度降至中间限值以下时，由控制装置30关闭在废气管线26内的阀10，相应地切换三通阀48，并且打开在新鲜空气管线28内的阀10。这是停止运转发酵罐2-2的第四阶段，在该第四阶段中，新鲜空气鼓风扇29经由新鲜空气管线28和吹扫气体入口24将新鲜空气抽入发酵罐2-2内。生物气/废气混合物经由第二生物气出口8-2、第二生物废气管线构件40-2、共用的生物气管线40和废气烟道内的第一生物废气管线14排放到外界。如需要的话，可利用鼓风扇38协助这一过程。

如图13中所示，当由共用的生物废气管线40内的第二测量传感器34探测到的二氧化碳浓度降至第一极限值以下时，由控制装置30关闭新鲜空气管线28内的阀10，并关闭新鲜空气鼓风扇29。打开装载和卸载开口(该装载和卸载开口在图9-图15中未示出)。同时，将新鲜空气经由鼓风扇38和打开的装载和卸载开口吸入到共用的生物气管线40，并经由废气烟道20排放到外界。这防止了在卸载过程中发酵的生物质中仍含有的残余生物气对操作人员造成的危险。同时还吸出了装载和卸载的牵引铲产生的废气。

参见图14，一旦发酵罐2-2再次装载新鲜生物气时，则：关闭装载和卸载开口；保持第二生物气出口8-2和废气烟道20之间的连接，该连接经由第二生物废气管线构件40-2、该共用的生物废气管线和第一生物废气管线14；并且控制装置30打开废气管线26内的阀10，并切换热电联产系统18的排气管线44内的三通阀48，以将含二氧化碳的废气抽到发酵罐2-2内。这一过程会一直持续到由共用的生物废气管线40内的第二测量传感器34探测到的二氧化碳浓度达到或超过第二极限值为止。

如图15中所示，当二氧化碳浓度已经达到该第二极限值时，控制装置30关闭废气管线26内的阀10，切换三通阀38，关闭第二生物废气管线构件40-2内的阀10并打开在第二生物气出口8-2内的阀10。这意味着第二发酵罐2-2也再次到达生物气生产阶段，并且在发酵罐2-2内生产的生物气经由生物气管线12供给到气体处理装置44和热电联产系统18。直到由第四测量传感器50探测的甲烷浓度到达第四极限值时，才将生物气出口8-2连接到共用的生物气管线12。该第四极限值同该上限值相匹配。

由于通过三通阀48同样可以实现废气管线26内的阀10的功能，因此可省略废气管线26内的阀10。

以下给出各极限值的数值的实例：

甲烷浓度：上限值30％-50％

          中间限值10％-20％

          下限值0％-3％

          第四极限值30％-50％

二氧化碳浓度：第一极限值0.5％-2％

              第二极限值5％-15％

废气管线26中的废气体积流量在150和1000m³/h之间，该数值取决于发酵罐的尺寸和可用的废气的量。新鲜空气管线28内的新鲜空气体积流量在1000和5000m³/h之间。