БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к области технологий переработки органических отходов, в частности - к биогазовым установкам анаэробного сбраживания органических отходов, и может быть использована для анаэробной переработки органических отходов животного и растительного происхождения, производства биогаза и приготовления удобрений из навоза животных и отходов сельскохозяйственного производства.
Биогаз - это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в специальных реакторах, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана в процессе переработки биомассы посредством анаэробных бактерий. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90% той энергии, которой обладает исходный материал, а в отходах биомассы содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале. Основой беспрепятственного размножения анаэробных бактерий служит наличие питательных веществ в сбраживаемой среде, и почти все питательные вещества, необходимые для роста метановых бактерий, содержат экскременты животных, являющиеся основным сырьем для производства биогаза. Разнообразие видового состава метанообразующих бактерий позволяет использовать практически все виды жидких и твердых органических отходов. Но лучшая органическая масса для получения биогаза - навоз крупного рогатого скота в смеси с растительными остатками (влажность биомассы не менее 85-90%).
Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, сельскохозяйственных предприятий и т.д.). Экономичность заключается в том, что нет нужды в предварительном сборе отходов, в организации и управлении их подачей; при этом известно, сколько и когда будет получено отходов. Получение биогаза, возможное в установках самых разных масштабов, особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла. Биогаз используют для освещения, отопления, приготовления пищи, для приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов.
При анаэробном сбраживании органические вещества разлагаются в отсутствии кислорода. Этот процесс включает в себя два этапа. На первом этапе сложные органические полимеры (клетчатка, белки, жиры и др.) под действием природного сообщества разнообразных видов анаэробных бактерий разлагаются до более простых соединений: летучих жирных кислот, низших спиртов, водорода и окиси углерода, уксусной и муравьиной кислот, метилового спирта. На втором этапе метанообразующие бактерии превращают органические кислоты в метан, углекислый газ и воду.
Первичные анаэробы представлены разнообразными физиологическими группами бактерий: клеткоразрушающими, углеродосбраживающими (типа маслянокислых бактерий), аммонифицирующими (разлагающими белки, пептиды, аминокислоты) бактериями, разлагающими жиры и т.д. Благодаря такому составу первичные анаэробы могут использовать разнообразные органические соединения растительного и животного происхождения, что является одной из важнейших особенностей метанового сообщества. Тесная связь между этими группами бактерий обеспечивает достаточную стабильность процесса переработки сырья.
Для нормального протекания процесса анаэробного сбраживания необходимы оптимальные условия в реакторе: температура, допустимый диапазон значений pH, анаэробные условия, достаточная концентрация питательных веществ, отсутствие или низкая концентрация токсичных веществ.
В общем случае образование метана идет в достаточно широком интервале температур (8-60°C), при этом при определенных температурах в процессе сбраживания участвуют определенные виды бактерий. Обычно различают три характерных диапазона температур, предпочтительных для отдельных видов бактерий. Психрофильный режим идет при температуре 8-20°C, мезофильный - при 30-40°C, термофильный - при 45-60°C. Более производительны термофильный и мезофильный режимы сбраживания, однако все три режима имеют как свои преимущества, так и недостатки. Режимы с более высокими температурами требуют больших затрат энергии на поддержание оптимальной температуры, зато благодаря сокращению продолжительности сбраживания удается значительно сократить объем биореактора и таким образом увеличить производительность биогазовой установки. Выбор мезофильного или термофильного режима работы основывается на анализе климатических условий. Наиболее эффективны реакторы, работающие в термофильном режиме при 43-52°C. Если же для обеспечения термофильных температур необходимы значительные затраты энергии, то более эффективной будет эксплуатация реакторов при мезофильных температурах.
При эксплуатации реакторов, как уже было упомянуто выше, необходимо проводить контроль за показателем pH, оптимальное значение которого находится в пределах 6,7-7,6. При оптимальной (ровной) активности кислотообразующих и метановых бактерий (то есть при установившемся процессе брожения) значение pH поддерживается в желательных пределах «автоматически». Однако иногда кислотообразующие бактерии начинают размножаться быстрее, чем метановые, из-за чего концентрация летучих жирных кислот в бродильной камере возрастает, и происходит так называемое «закисление», в результате которого выход биогаза снижается, а кислотность биомассы увеличивается. В этом случае в содержимое биореактора добавляют горячую воду, известковое молоко, соду. Для интенсификации процесса анаэробного сбраживания навоза и выделения биогаза могут добавлять органические катализаторы, которые изменяют соотношение углерода и азота в сбраживаемой массе (оптимальное соотношение C/N составляет 20/1-30/1). В качестве таких катализаторов используют глюкозу и целлюлозу. При нарушении баланса между азотом и углеродом его восстанавливают добавлением в биомассу коровьей мочи.
В бродильных камерах необходимо проводить энергичное перемешивание для предупреждения образования в верхней части слоя всплывающего вещества. Это значительно ускоряет процесс брожения и выход биогаза. Без перемешивания для получения такой же производительности объем реакторов должен быть значительно увеличен, следствием чего являются большие затраты и удорожание установки. Перемешивание способствует также равномерному распределению температуры и кислотности в биомассе, находящейся в камере сбраживания. Однако разрушение плавающей корки и осадка связано с большими затратами в связи с применением средств перемешивания.
При нормальной работе реактора получаемый биогаз содержит 60-70% метана, 30-40% двуокиси углерода, небольшое количество сероводорода, а также примеси водорода, аммиака и окислов азота.
Известна биоэнергетическая установка, описанная в патенте Российской Федерации на изобретение №2272392, опубликованном 27.03.2006, содержащая реактор, включающий гидравлически связанные между собой емкости для размещения биомассы, по меньшей мере, одна из которых снабжена газовой полостью, средства для перемешивания и дробления корки биомассы, запорный элемент и газопровод, при этом средство для перемешивания биомассы представляет собой гидравлическую связь, запорный элемент и газовую полость.
Известна установка для анаэробной переработки органических отходов животного и растительного происхождения, производства биогаза и жидкого органического удобрения, описанная в патенте Российской Федерации на полезную модель №86589, опубликованном 10.09.2009, содержащая реактор с нагревателем биомассы, систему подачи предварительно подогретого и измельченного исходного сырья, систему интенсивного перемешивания биомассы, систему удаления биогаза из реактора с вакуумным насосом, систему управления технологическим процессом, систему выгрузки и разлива готового продукта, при этом биореактор выполнен в виде герметичной емкости цилиндрической формы с размещенными в ней по принципу «матрешки» емкостями, причем биореактор снабжен дополнительной боковой мешалкой, установленной под углом относительно горизонта.
Известна также биогазовая установка анаэробного сбраживания органических отходов, описанная в патенте на изобретение Российской Федерации №2074600, опубликованном 10.03.1997, включающая реактор, выполненный в виде емкости с лопастной мешалкой, установленной на горизонтальной оси вращения, узлы загрузки и выгрузки отходов и сборник биогаза, при этом емкость установки снабжена дополнительными лопастными мешалками и выполнена многосекционной, а дно емкости расположено с наклоном в сторону узла выгрузки.
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели и выбранным в качестве прототипа является биогазовая установка для анаэробного сбраживания органических отходов, описанная в патенте на изобретение Российской Федерации №2202161, опубликованном 20.04.2003, содержащая реактор, разделенный на сообщающиеся между собой секции, узлы загрузки и выгрузки.
Недостатками устройств по указанным выше патентным документам являются сложность конструкции и обслуживания, уязвимость к внешним воздействиям. Описанные устройства не адаптированы под нестационарные условия функционирования предприятия (сезонные изменения объема и состава сбраживаемого сырья) и ориентированы на работу на крупных предприятиях. Поэтому актуальной является проблема создания такой установки сбраживания, в которой будут устранены существующие недостатки.
Задачей заявляемой полезной модели является создание такой установки анаэробного сбраживания органических отходов, которая за счет оптимально подобранных элементов конструкции позволит обеспечить непрерывность процесса сбраживания, увеличение равномерности выхода продуктов сбраживания, широкий спектр условий функционирования установки, а также будет надежной, удобной и экономичной в эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что разработана биогазовая установка анаэробного сбраживания органических отходов, содержащая реактор, представляющий собой, по меньшей мере, один блок сбраживания, имеющий входное и выходное отверстия, связанные с реактором узел загрузки и узел выгрузки, при этом реактор выполнен с возможностью изменения количества блоков, а блоки соединены посредством переходника и располагаются друг под другом со смещением один относительно другого таким образом, что выходное отверстие предыдущего блока соединено с входным отверстием следующего блока.
Узлы загрузки и выгрузки могут представлять собой входное и выходное отверстия соответственно первого и последнего по ходу следования сырья блоков сбраживания. В предпочтительном варианте осуществления заявляемой полезной модели узел загрузки представляет собой накопитель сырья, выполненный в виде емкости, имеющей патрубок для отвода тяжелых фракций в нижней части корпуса, патрубок для отвода чрезвычайно легких фракций в верхней части корпуса и патрубок для подачи сырья на переработку, посредством которого через трубопровод накопитель соединен с насосом. Накопитель сырья можно разделить на три условные зоны: накопления тяжелых фракций, накопления чрезвычайно легких фракций и накопления рабочей жидкости. Узел выгрузки также может быть выполнен в виде емкости с необходимым количеством патрубков и отверстий.
Обычно среднее время полного цикла сбраживания загруженной порции сырья длится 18 дней. В этот период все новое сырье поступает в место для его накопления, теряя со временем свои свойства и занимая полезную площадь помещения. Реактор, выполненный с возможностью изменения количества блоков, позволяет сделать процесс сбраживания практически непрерывным: когда новую порцию сырья подают в первый блок, его содержимое перемещается в следующий блок, а из последнего блока реактора осуществляется выход готовой продукции (удобрения). Сырье перемещается внутри реактора самотеком под действием силы тяжести за счет разности высот расположения блоков, что позволяет исключить дополнительные затраты и конструктивные элементы, необходимые для принудительного передвижения сырья и его перемешивания. Последнее в данном случае обеспечивают посредством передвижения сырья по блокам сбраживания реактора, а также перемещением образующегося биогаза. При такой организации процесса, когда выгрузка определенного объема сброженного в реакторе сырья происходит одновременно с загрузкой такого же объема свежего, выделяется наибольшее количество биогаза и увеличивается равномерность выхода продуктов сбраживания.
Если интенсивности поступления сырья недостаточно для эффективного перемешивания, то образуют цикл: количество блоков уменьшают в k раз и k раз организуют возврат реакционной массы в начало цикла (от выходного отверстия последнего блока сырье повторно подают на входное отверстие первого блока). Такую же операцию осуществляют в случае, когда реактор представляет собой один блок сбраживания.
Хозяйство должно иметь такое количество блоков, которое бы обеспечивало сбраживание максимально возможного количества сырья при неизменном времени полного цикла сбраживания. В остальное время посредством уменьшения количества блоков обеспечивают переменную мощность установки с достижением любой необходимой заданной ее величины, что позволяет учитывать сезонные колебания поступления сырья и иные причины нестабильности функционирования хозяйства, осуществлять регламентные и ремонтные работы на отдельных блоках в удобное время, изъяв их из реактора, не останавливая при этом технологический процесс в целом, и сократить срок непроизводительного и затратного (с экологической и экономической точек зрения) ожидания подачи сырья на переработку.
Предпочтительно блок сбраживания выполнен в виде емкости в целом кубической формы, снабженной входным и выходным отверстиями. Блок может содержать клеммы для подвода электропитания, штуцеры с клапанами для выхода биогаза и для установки датчиков измерения pH, а также блокируемое отверстие для введения извести для корректировки pH. Также блок может быть снабжен ручками, обеспечивающими удобство его транспортировки и монтажа. Предпочтительно предыдущий и следующий блоки смещены друг относительно друга на 2/3 их длины, а выходное отверстие предыдущего блока сбраживания соединено переходником с входным отверстием следующего блока с использованием уплотнительной муфты. Муфты при соединении блоков с патрубком на стыках закрепляют винтами на ручках. Такое конструктивное оформление блока позволяет обеспечить различные условия на разных фазах сбраживания и, таким образом, непрерывность и однородность забора образованного в результате сбраживания сырья удобрения и поступления газа потребителю.
В предпочтительном варианте осуществления внутри блока сбраживания расположены вертикальные направляющие пластины, образующие со стенками блока зигзагообразный проход, при этом один конец пластины остается свободным, а другой упирается в поверхность блока. Свободные концы направляющих пластин целесообразно выполнять загнутыми, а, по меньшей мере, один угол блока - закругленным. Выполнение нижних углов блока закругленными позволяет исключить «мертвые зоны» для перемещаемой массы, что в свою очередь обеспечивает равномерное сбраживание всего объема сырья, а закругление верхних углов блока формирует конусообразный сборник для накопления образовавшегося газа.
В предпочтительном варианте осуществления переходник выполнен с возможностью регулирования расстояния между предыдущим и следующим блоками. Он полностью погружается во входное отверстие нижнего блока при монтаже конструкции, а при работе установки его выдвигают на длину, достаточную для надежного соединения блоков и обеспечения движущей силы массой сырья за счет увеличения давления столба жидкости. Такое конструктивное решение делает возможным сбраживание сырья с различной вязкостью. Необходимое расстояние между блоками определяют физическим моделированием процесса, добиваясь устойчивого прохождения массы заданной консистенции по реактору.
В предпочтительном варианте осуществления в блоке выполнено отверстие для установки теплообменника. Целесообразным является выполнение отверстия в нижней части блока, что обеспечивает удобный доступ в его внутреннюю часть. При необходимости данное отверстие может быть использовано для очистки блока сбраживания.
Далее заявляемая полезная модель подробно поясняется при помощи графических материалов, приведенных ниже.
Фиг.1 - общий вид блока сбраживания, соединенного со следующим блоком посредством переходника.
Фиг.2 - общий вид биогазовой установки анаэробного сбраживания органических отходов, включающей реактор, состоящий из двух блоков сбраживания.
На Фиг.1 изображен вариант исполнения блока сбраживания 1, имеющего входное отверстие 2 и выходное отверстие 3, соединяющегося посредством переходника 4 со следующим блоком сбраживания 1. В нижней части блока выполнено отверстие 5 для установки теплообменника, а в верхней части выполнен конусообразный сборник 6 для накопления образовавшегося газа и ручка 7 для транспортировки и монтажа блока.
На Фиг.2 изображен вариант исполнения биогазовой установки анаэробного сбраживания органических отходов, включающей реактор, состоящий из двух блоков сбраживания 1. Внутри блоков расположены вертикальные направляющие пластины 8 с загнутыми свободными концами. Узел загрузки выполнен в виде накопителя 9 с патрубком 10 для отвода тяжелых фракций в нижней его части, патрубком 11 для отвода чрезвычайно легких фракций в верхней его части и патрубком 12 для подачи сырья на переработку, соединенным посредством трубопровода через насос 13 с реактором. Стрелкой показано направление движения сбраживаемого сырья.
Сбраживание сырья осуществляют следующим образом.
Исходное сырье подают в узел загрузки, представленный накопителем 9, и отстаивают. Всплывшие легкие фракции удаляют через патрубок 11, осевшие тяжелые фракции удаляют через патрубок 10. Очищенное сырье с необходимой влажностью через патрубок 12 подают насосом 13 во входное отверстие 2 первого блока 1, в котором происходит процесс сбраживания. Сырье перемещают по зигзагообразному каналу, образованному вертикальными направляющими пластинами 8 посредством подачи новых порций сырья либо же организуют возврат реакционной массы из выходного отверстия 3 последнего блока 1 сбраживания во входное отверстие 2 первого блока 1 сбраживания.
Таким образом, заявляемая полезная модель представляет собой установку анаэробного сбраживания органических отходов, которая за счет оптимально подобранных элементов конструкции позволяет обеспечить непрерывность процесса сбраживания, увеличение равномерности выхода продуктов сбраживания, широкий спектр условий функционирования установки, а также является надежной, удобной и экономичной в эксплуатации.