БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СБРАЖИВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА С ПОЛУЧЕНИЕМ БИОГАЗА
BIOGAS PLANT FOR THE REDUCTION OF ORGANIC WASTE FROM AGRICULTURAL PRODUCTION ACCOMPANIED WITH THE BIOGAS OBTAINING

Изобретение относится к сельскому хозяйству, предназначено для анаэробного сбраживания органических отходов сельскохозяйственного производства и может быть использовано для производства биогаза и органического экологически чистого удобрения.
Известен биореактор, содержащий корпус с технологическими патрубками, размещенную в центре корпуса циркуляционную трубу и расположенную под ней равномерно перфорированную трубу в виде вертикальной спирали, витки которой образую конус, обращенный основанием вверх, причем диаметр верхнего витка спирали равен внутреннему диаметру циркуляционной трубы и расположен на уровне нижнего среза этой трубы, при этом циркуляционная труба выполнена в цилиндрической емкости, состоящей из двух труб различного диаметра, пространство между которыми заполнено подогреваемой водой для прогрева биомассы, при этом технологические патрубки включают патрубок для подачи перерабатываемой биомассы, расположенный в верхней части корпуса, а патрубок слива удобрения, расположенный в нижней части корпуса (Патент RU №2430153, С12М 1/04 от 27.09.2011).
Недостатком данного биореактора является недостаточно высокая производительность из-за сложности подогрева биомассы циркуляционной трубой, расположенной внутри реактора. Также имеющееся перемешивающее устройство не полностью охватывает объем биореактора, что обуславливает не полное перемешивание и скопление осадочного материала на дне, а также образование плавающей корки в верхней части, а значит, не способствует интенсификации перемешивания сбраживаемой массы.
Как отмечено в известном аналоге (Патент RU №2567649 от 10.11.2015), при оптимальном подборе устройства для перемешивания рабочего сырья выход биогаза может повыситься до 50%, поскольку перемешивание сбраживаемой массы в биореакторе обеспечивает высвобождение образующего биогаза, равномерное распределение популяции бактерий, предотвращение формирования корки на ее поверхности и осадка, предотвращения формирования пустот и скоплений, которые уменьшают рабочую площадь реактора (ГОСТ Р 53790 - 2010. Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Общие технические требования к биогазовым установкам. Введ. 2010-05-31. - М.: Стандартинформ, 2010).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является биогазовая установка, включающая герметичный вертикальный цилиндрический резервуар с технологическими патрубками, включающими патрубок для подачи перерабатываемой биомассы, патрубок слива переработанного субстрата, патрубок для отвода биогаза, установленное в резервуаре барбатажное перемешивающее устройство, представляющее собой перфорированную трубу в виде вертикальной спирали, спиралевидная перфорированная труба расположена вдоль стен резервуара и днища, витки которой повторяют форму резервуара и днища, при этом отверстия трубы, расположенные напротив стен резервуара, имеют насадки в виде уголка трубы, конец которого направлен вверх, по центру резервуара установлена вертикальная перфорированная труба диаметром больше, чем диаметр спиралевидной трубы, отверстия вертикальной и спиралевидной труб жестко закреплены к стальному цилиндрическому уголку, соединенному с краном подачи биогаза (Патент RU №2567649, С12М 1/07, C02F 11/04, C05F 3/00, В09В 3/00 от 10.11.2015).
Однако использование установки не связано с возможностью интенсивного образования пены из зоны, ускоряющего процессы брожения в резервуаре, т.к. в известной установке аналога отмечено, что расположение барбатажного перемешивающего устройства, создание спиралевидной перфорированной трубы, повторяющей форму резервуара и днища, а также в виде вертикальной перфорированной трубы, расположенной по центру резервуара, приводит к поступлению части биогаза через закольцованный трубопровод с компрессором в перфорированные трубы, перемешивая субстрат для образования метанового брожения пузырьков биогаза.
Другим недостатком указанной установки является отсутствие активной массы перемешивания с закручиваением биомассы по всей высоте резервуара. Таким образом, степень активного перемешивания сбраживаемой массы недостаточно для аэнаробного сбраживания, которое должно ускорить получение большого образования объема пены, из которой больше может выделяться биогаз, для протекания внутри резервуара активного спонтанного перемешивания сбраживаемой массы, при котором отпадает необходимость длительного времени дополнительного перемешивающего устройства, не способствует интенсификации активного перемешивания сбраживаемой массы.
Практика такого сбраживания органических отходов сельскохозяйственного производства показывает, что степень аэнаробного сбраживания остается недостаточно полно решенной задачей и разрушение корки на ее поверхности резервуара также затруднено в полном объеме. Для эффективной работы объема небольших резервуаров, в частности, для использования в малых животноводческих хозяйствах получения из свежего навоза (помета) животных - органических удобрений, горючего биогаза, а также улучшения экологической ситуации сельских населенных пунктов. Другим недостатком является то, что для эффективной работы необходимо использовать резервуар для ограничения сверху под куполом его гашение волнообразования на поверхности и далее для отвода биогаза из резервуара.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является получения установки, обеспечивающей существенное увеличение аэнаробного сбраживания и, как следствие этого, повышение эффективности полного перемешивания биомассы для сбраживания.
Технический результат достигается тем, что биогазовая установка для сбраживания органических отходов сельскохозяйственного производства с получением биогаза, содержащая герметичный вертикальный резервуар с технологическими патрубками, включающими патрубок для подачи перерабатываемой биомассы, патрубок слива переработанного субстрата, патрубок для отвода биогаза, компрессор и установленное в резервуаре барботажное перемешивающее устройство с вертикальной трубой, при этом вертикальная труба барботажного перемешивающего устройства выполнена цельной, закреплена жестко по центру к опоре конусного днища резервуара и содержит радиальные ответвления в виде изогнутых горизонтальных трубок с соплами, причем радиальные ответвления связаны на наружной боковой поверхности с отверстиями вертикальной трубы барботажного перемешивающего устройства и расположены в верхней и в нижней ее частях, радиальные ответвления обеспечивают направленный поток воздуха в резервуаре, подаваемого из компрессора в вертикальную трубу барботажного перемешивающего устройства, для кругового вращения биомассы в резервуаре, на верхней части купола резервуара выше радиальных ответвлений резервуара с возможностью регулирования высоты перемещения относительно уровня биомассы установлена погружная П-образная горизонтальная полка в виде кольца.
Кроме того, погружная П-образная горизонтальная полка в виде кольца выполнена с диаметром меньше диаметра резервуара.
Выполнение цельной вертикальной трубы барботажного перемешивающего устройства в виде радиальных ответвлений с изогнутыми трубками с соплами сверху и снизу на вертикальной трубе, связанных с отверстиями последней, обеспечивают круговое вращение (циркуляцию) биомассы за счет выхода воздуха из компрессора для заполненного резервуара перерабатываемой биомассы, активное насыщение атмосферным воздухом с кислородом, это представляет жидкостно-воздушную смесь путем растворения воздуха в ней, интенсифицируется соответственно в нижней и в верхней частях резервуара непереработанного исходного субстрата и слива готового удобрения, соответственно, на конусное днище резервуара, не попадания его выше расположения П-образной горизонтальной полки в виде кольца, и для отвода получаемого биогаза из образующего большого объема пены в герметично закрытом резервуаре.
Таким образом, обеспечивает полную и интенсивную переработку биомассы при стабильности температурного режима и интенсивном перемешивании за счет размещения циркуляционных изогнутых трубок с соплами внутри корпуса резервуара с креплением к боковым отверстиям вертикальной трубы, ответвления которых создают разность и плотность циркуляции вокруг вертикальной трубы барбатажного перемешивающего устройства, т.е. приводя к вращению биомассы в резервуаре ниже размещения П-образной горизонтальной полки в виде кольца, диаметр которой меньше диаметра резервуара. Кроме того, стабильно и полно идут процессы ферментации биомассы во всем его объеме.
Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом позволяет установить наличие отличительных от прототипа признаков. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна».
Анализ технических решений показал, что заявленная совокупность признаков, обеспечивающая повышение интенсивности получения аэробного сбраживания, стабильности и полноты биохимических процессов за счет полного перемешивания биомассы с обеспечением оптимальной температуры по всему объему при их совокупности с другими элементами установки неизвестна из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Простота изготовления и доступность использования биогазовой установки в малых фермерских хозяйствах, а также простота обслуживания установки, заключающаяся в наблюдении за процессом эффективности перемешивания сбраживаемой массы из-за расположения не только в центральной части резервуара, но и отсутствия застойной зоны, и выгрузке готового удобрения и загрузки биомассы, например, один раз в сутки 1/10 части объема, позволяет широко использовать, что доказывает соответствие его критерию «промышленная применимость».
Заявляемая биогазовая установка поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема предлагаемой установки, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
Биогазовая установка включает вертикальный цилиндрический резервуар 1, который содержит основание 2 с уложенным на нем опоры днища 3, к которой крепится в центре резервуара 1 цельная вертикальная труба 4 барбатажного перемешивающегося устройства. Внешняя сторона резервуара снабжена с компрессором 5 подвода под давлением воздуха в полость вертикальной трубы 4 и, нагревателя 6, например, с помощью ТЭН, нагреватель, который с внешней стороны резервуара 1 снабжен термогенератором 7. На куполе 8 резервуара 1 установлен патрубок 9 с шаровым краном 10 для подачи перерабатываемой массы, датчик давления 11, патрубок 12 с шаровым краном 13 для отвода получаемого биогаза, соединенный с трубопроводом 14 выхода биогаза к потребителю. В днище резервуара 1 установлен патрубок 15 с шаровым краном 16 для выгрузки переработанного субстрата. В резервуаре 1 находится вертикальная труба 4 барботажного перемешивающего устройства выполнена цельной, закреплена жестко по центру у опоре конусного днища 3 резервуара 1 и содержит в верхней и нижней ее частях, радиальные ответвления в виде изогнутых горизонтальных трубок 17 и 18 с соплами 19 и 20, причем радиальные ответвления 17 и 18 связаны на наружной боковой поверхности с отверстиями вертикальной трубы 4 барботажного перемешивающего устройства и расположены в верхней и в нижней ее частях. Радиальные ответвления обеспечивают направленный поток воздуха в резервуаре 1, подаваемого из компрессора 5 в вертикальную трубу 4 барботажного перемешивающего устройства, для кругового вращения биомассы в резервуаре 1. На верхней части купола 8 резервуара 1 выше радиальных ответвлений резервуара с возможностью регулирования высоты перемешивания относительно уровня биомассы установлена П-образная горизонтальная полка 21 в виде кольца, при этом последняя выполнена с диаметром меньше диаметра резервуара 1.
П-образная горизонтальная полка 21 крепится к подвесному механизму изменения, например, винта 23 к верхней части купола 8 резервуара 1 с уплотнением (не показано), что обеспечивает подъем или опускание П-образной горизонтальной полки 21 в виде диска, погружаемой в жидкость с удалением из-под нее биогаза через патрубок 12 в трубопровод 14.
Для предотвращения значительных теплопотерь и для предотвращения замерзания сбраживаемой массы в резервуаре 1 его внешняя поверхность теплоизолируется из условия не допущения потерь температуры, сбраживаемой массы в резервуаре 1 меньше заданной температуры, он заключен в кожух (не показан), например из пенополистирола, толщиной 10 см, и установлен на опорах 23.
Таким образом, загружаемый разжиженный свежий навоз (помет) с влажностью 92-93% производится до общей проектной высоты резервуара 1 до размещения над верхними ответвлениями изогнутых трубок 17 с соплами 19, П-образной горизонтальной стенки 21 в виде кольца, отбор биогаза происходит через патрубок 12 с шаровым краном 13 к потребителю. Основание 2 с уложенным днищем 3 в нижней части связывают с патрубком 15 слива готового удобрения по наклонной плоскости днища, и позволяет избежать его заиления.
Биогазовая установка работает следующим образом.
Для создания анаэробности сбраживания в резервуар 1 через загрузочный патрубок 9 заливают воду до верхнего уровня размещения П-образной горизонтальной полки 21 в виде кольца под куполом 8. Далее часть воды сливают из резервуара 1, так чтобы П-образная горизонтальная полка 21 была погружена в жидкость. Затем в резервуар 1 через патрубок 9 загружают разжиженный свежий навоз (помет) с возможностью 92-93% до погружения П-образной горизонтальной полки 21, размещенной в верхнем положении под куполом 8. Форма купола 8 выше П-образной горизонтальной полки 21 в виде круга образует емкость для скапливания образующего биогаза. Давление в резервуаре 1 отслеживают при помощи датчика давления 11.
В вертикальную трубу 4 с отверстиями в верхней и нижней ее частях, которые снабжены радиальными ответвлениями в виде изогнутых горизонтальных трубок 17 и 18 с соплами 19 и 20 подают под давлением сжатый воздух, поступающего из компрессора 5 (или баллона) и воздух циркулирует по всему объему подогреваемого перерабатываемой биомассы в резервуаре 1, обеспечивая питательными веществами метанообразующих бактерий в полном объеме, предотвращая осадочный материал на стенки и дно резервуара 1 и корки под П-образной горизонтальной полки 21, купол 8 которого препятствует выходу биогаза. Выполнение на вертикальной трубе 4 с прикрепленными изогнутыми горизонтальными трубками 17 и 18 с соплами 19 и 20 дает возможность равномерно распределять пузырьки биогаза по всему вертикальному и горизонтальному сечений резервуара 1, т.е. подача под давлением воздуха из компрессора 5, перемешивает субстрат благодаря наличию элементов 17, 18, 19 и 20, ускоряя процесс образования большого объема пены, соответственно, накапливается в емкости под куполом 8 газовоздушная смесь. Этим самым полнее обеспечивается вся масса сбраживаемого субстрата во взвешенном состоянии во вращательное движение в резервуаре 1. Сопла 19 и 20 изогнутых трубок 17 и 18 участвуют в активном направлении потока на стенки и дно резервуара, тем самым предотвращая налипания субстрата.
Биогаз активно выделяется из образующейся пены, собирается в емкости купола 8 выше П-образной горизонтальной полки 21 в виде кольца и далее используется в качестве топлива потребителем. Кроме того, извлеченный биогаз может также поступать в когенератор (не показано), где происходит обезвреживание биогаза и преобразование энергии сжигаемого биогаза в электрическую и тепловую с последующей доставкой потребителю.
Выгрузка переработанных отходов (эффлюента) осуществляется периодически через патрубок 15 выгрузного устройства в конусе днища 3 посредством открытия шарового крана 16.
Объем выгруженной массы должен быть равен дозе загрузки свежей порции навоза (помета), что исключает перенаполнение резервуара и забивание отверстия патрубка для выхода биогаза и который защищен от пенообразования П-образной горизонтальной полки 21, отслеживающей всплытие сброженной массы субстрата вверх, при накоплении биогаза в емкости купола 8.
Конусная форма днища 3 обеспечивает качество выгрузки переработанных отходов (эффлюента), - как концентрат органического удобрения. Расположение с возможностью регулирования высоты размещения П-образной полки 21, погруженной в жидкость относительно уровня запорной жидкости над верхними радиальными ответвлениями в виде изогнутых трубок 17 с соплами 19, полка 21 может перемещаться, например, в виде винтового механизма 22 на куполе 8 резервуара 1.
Биогазовая установка обеспечивает сбраживание органических отходов с высокой степенью надежности.
Давление в емкости под куполом установки отслеживается при помощи датчика давления 11.
Температура сбраживания в 30-36°С поддерживается терморегулятором 7 известной марки, а цилиндрический резервуар 1 заключен в кожух из пенополисирола толщиной 10 см (не показано) для уменьшения теплопотерь в окружающую среду.
3
Наилучшим условиям работы устройства резервуара 1 может быть обеспечено его объемом 0,7-1,0 м, что способствует протеканию внутри установки активного спонтанного перемешивания предложенными устройствами сбраживаемой массы, при котором эти предложенные устройства необходимо применять при перемешивании. Кроме того, устройство позволяет интенсифицировать процесс растворения воздуха в сбраживаемой массе навоза (помета) за счет предлагаемых узлов сверху и снизу на вертикальной трубе барбатажного перемешивающегося устройства и образование более глубокого перемешивания для образования большой массы пены, обогащенной кислородом воздуха под куполом резервуара выше П-образной горизонтальной полки.
Предложенным техническим решением обеспечено выполнения задачи существенное увеличение аэнаробного сбраживания, и повышение эффективности конструкции обеспечивает надежность и стабильность работы для использования в малых животноводческих хозяйствах для получения из свежего навоза (помета) животных - органических удобрений, горючего биогаза и кормовой добавки, а также улучшает экологическую ситуацию сельских населенных пунктов.
Кроме того, интенсивное перемешивание и поддержание оптимальных параметров температуры биомассы позволит, по сравнению с прототипом, повысит интенсивность пеновыделения, стабильность и полноту биохимических процессов в резервуаре, а также обеспечить более высокий прирост производительности по целевому выходу биогаза и экологически чистого удобрения. Состояние объекта уточняются для конкретного случая анаэробного сбраживания состава и количества органических отходов, дозы их загрузки в резервуар, временного и температурного режима сбраживания, климатического режима района использования и соблюдения узлов по привязке проекта.