Биоферментатор со стабилизацией уровня загрузки

Полезная модель относится к сельскому хозяйству и может быть использована для переработки органических отходов в компост.
Известен аэрационный биоферментатор (патент РФ 2310631 кл. C05F 3/06), который содержит корпус, сообщенный посредством воздуховода с воздуходувкой, устройство для подачи исходного материала и приспособление для его распределения, выполненное в виде лопастей, горизонтальный выгрузной шнек, зонды для измерения температуры и контроля воздушной смеси. Биоферментатор имеет дополнительно вертикальный разгрузочный шнек, а лопасти установлены на валу вертикального шнека в его верхней части. Биоферментатор содержит также генератор кислорода и озонатор.
Известный биоферментатор имеет ряд недостатков:
Предложенный способ аэрации компостируемого материала усложняет конструкцию устройства и не эффективен в технологическом плане по следующей причине: наружный воздух, обогащенный кислородом в генераторе кислорода, подается в полость конусной части корпуса и из нее через перфорацию стенки полости поступает в конверсируемую массу, находящуюся в конусной части корпуса биоферментатора. В этой части биоферментатора масса находится на завершающей стадии биоконверсии, в которой она приобретает свойства компоста: сыпучесть, пониженную влажность, снижение содержания конверсируемых веществ, при котором жизнедеятельность микрофлоры снижается. Из нижней части конусного дна биоферментатора осуществляется выгрузка компоста вертикальным шнеком, который одновременно осуществляет перемешивание выгружаемой массы. Таким образом, масса компоста, в которую подается воздух, обогащенный кислородом, находится в состоянии непрерывного перемещения сверху вниз и поэтому находится в достаточно рыхлом состоянии, что обеспечивает ее воздухопроницаемость. Над массой, находящейся в конусной части корпуса биоферментатора, расположена основная масса непереработанных органических отходов, которая не перемешивается и имеет достаточно большую высоту слоя и поэтому уплотнена.
Воздух, подаваемый в конусную часть корпуса, не может поступать в биомассу, находящуюся в верхней части корпуса, т.к. она обладает большим аэродинамическим сопротивлением. Подаваемый воздух будет захватываться более рыхлой массой в конусной части корпуса, обладающей меньшим аэродинамическим сопротивлением, и совместно с ней побуждаемой системой выгрузки будет удаляться в наружную атмосферу, т.е. воздух пойдет по пути наименьшего сопротивления.
Таким образом, несмотря на применение средств активной подачи воздуха и наличия генератора кислорода, в известном устройстве биоферментация протекает при недостаточности кислорода в основной (верхней) части корпуса и осуществляется за счет кислорода, ассимилированного органическими отходами до момента поступления их в биоферментатор, что обуславливает снижение интенсивности биопроцессов конверсии.
Вместе с тем, в верхней части корпуса биоферментатора предусмотрен проем для размещения загрузочного транспортера скребкового типа. Совершенно очевидно, что газовоздушная смесь не будет поступать в озонатор, обладающий большим аэродинамическим сопротивлением, а пойдет через проем для транспортера, где аэродинамическое сопротивление меньше, тем более, что нижняя ветвь транспортера движется без подаваемого продукта, что способствует некоторому захвату и выносу газовоздушной смеси за пределы верхней части корпуса биоферментатора. Таким образом, использование озонатора в предложенном устройстве не эффективно.
В известном устройстве предусмотрена система выгрузки готового компоста с применением вертикального винтового шнека с переменным радиусом винта и с сопряжением его в нижней части с другим винтовым шнеком под углом 90°, который и осуществляет транспортирование продукта из корпуса биоферментатора.
Вертикальный шнек имеет коническую форму и закреплен на двух опорах в верхней и нижней части корпуса биоферментатора. Захваченная транспортируемая масса компоста в верхней части шнека, где диаметр винта существенно больше, чем внизу, будет перемещаться вертикально вниз к части шнека с меньшим диаметром витка, в результате транспортируемая, недостаточно сыпучая масса компоста будет подпрессовываться в нижней части шнека, что затруднит перевалку этой масса на горизонтальный шнек под углом 90° в полном объеме. При этом часть массы будет переваливаться в горизонтальный шнек и транспортироваться из корпуса биоферментатора, другая часть массы в таком узле будет перемещаться винтовой поверхностью и напрессовываться на основание конусной части корпуса биоферментатора, что создает условия нестабильности технологического процесса, и выгрузка может прекратиться совсем.
Известен вертикальный биоферментатор (Патент на полезную модель РФ 155478), содержащий корпус, сообщенный посредством воздуховода с вентилятором, устройство для подачи исходного материала и приспособление для его распределения, выполненное в виде лопастей, вертикальный выгрузной шнек, зонды для измерения температуры и контроля воздушной смеси. Устройство для подачи исходного материала выполнено в виде винтового шнека, корпус которого загерметизирован относительно корпуса биоферментатора, в верхней части которого выполнено отверстие для выпускного воздуховода, а в нижней, конусной части, выполнено отверстие, в котором оканчивается вертикальный выгрузной шнек, дополнительно опирающийся с возможностью вращения на опору, жестко соединенную со стенками цилиндрической части корпуса биоферментатора, при этом в средней части корпуса биоферментатора жестко закреплен к его стенкам воздухораспределитель, выполненный в виде кольцевого коллектора, имеющего N радиальных воздухораспределительных патрубков с перфорацией в нижней их части и соединенный с воздуховодом, а над воздухораспределителем установлена лопастная ворошилка, жестко закрепленная на валу вертикального выгрузного шнека, который проходит через отверстие кольцевого коллектора.
Известный биоферментатор имеет ряд недостатков:
Для загрузки компостируемого материала и выгрузки готового компоста используются транспортеры с постоянной объемной производительностью. Однако объем загружаемого компостируемого материала и объем выгружаемого компоста различные.
Это объясняется тем, что загружаемый компостируемый материал подвергается биохимическому воздействию, в результате чего изменяется его химический состав и физико-механические свойства. В частности, в результате биоконверсии выделяются летучие вещества, так называемые клоачные газы, а также пары воды, что приводит к изменению физико-механических параметров загружаемого материала, при этом объем образующегося компоста меньше объема загружаемого продукта. Причем в зависимости от вида компостируемого материала соотношение объема загружаемого материала и объема выгружаемого компоста может значительно изменяться. Этот параметр не является постоянным даже для одной партии перерабатываемого продукта. Значит, в случае стабильной производительности загрузочного и выгрузного шнека уровень загрузки биореактора не будет стабильным. Поэтому режимы работы загрузочного и разгрузочного шнеков должны быть различны и дифференцироваться для обеспечения стабильности заданного уровня заполнения от заданного уровня перерабатываемой массы в биоферментаторе, что предопределяет необходимость в устройстве, обеспечивающем стабильный уровень загрузки биоферментатора при любом соотношении плотности и объема загружаемой и выгружаемой массы. Отсутствие указанных средств обуславливает необходимость ручного управления процессом загрузки биореактора и выгрузки готового компоста, что увеличит эксплуатационные затраты на выполнение технологического процесса.
Задачей полезной модели является стабилизация уровня загрузки биореактора.
Поставленная задача решается за счет того, что биоферментатор со стабилизацией уровня загрузки, содержащий корпус, сообщенный посредством воздуховода с вентилятором, устройство для подачи исходного материала выполнено в виде винтового шнека, корпус которого загерметизирован относительно корпуса биоферментатора, в верхней части которого выполнено отверстие для выпускного воздуховода, а в нижней, конусной части, выполнено отверстие, в котором оканчивается вертикальный выгрузной шнек, дополнительно опирающийся с возможностью вращения на опору, жестко соединенную со стенками цилиндрической части корпуса биоферментатора, при этом в средней части корпуса биоферментатора жестко закреплен к его стенкам воздухораспределитель, выполненный в виде кольцевого коллектора, имеющего N радиальных воздухораспределительных патрубков с перфорацией в нижней их части, и соединенный с воздуховодом, а над воздухораспределителем установлена лопастная ворошилка, жестко закрепленная на валу вертикального выгрузного шнека, который проходит через отверстие кольцевого коллектора, зонды для измерения температуры и контроля воздушной смеси. Под лопастями для разравнивания загружаемой органической массы установлен датчик уровня органической массы, загружаемой в биореактор, сопряженный с управляющим устройством привода загрузочного шнека.
Новые существенные признаки:
- под лопастями для разравнивания загружаемой органической массы установлен датчик уровня органической массы, загружаемой в биореактор;
- датчик уровня органической массы сопряжен с управляющим устройством привода загрузочного шнека.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными необходимы и достаточны для достижения технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объект правовой охраны.
Технический результат заключается в том, что:
Предложенное устройство позволяет поддерживать постоянный уровень загрузки биореактора.
Фиг. 1 - Схематично изображен биоферменататор со стабилизацией уровня загрузки.
Фиг. 2 - Схематично изображен воздухораспределитель.
Биоферментатор включает теплоизолированный корпус, состоящий из верхней цилиндрической части 1 и нижней части в виде усеченного конуса 2. Корпус биоферментатора установлен на стойках 3, опирающихся на фундамент 4. В верхней цилиндрической части 1 корпуса установлен шнек 5 для загрузки перерабатываемого органического вещества, сопряжение корпуса шнека 5 и верхней цилиндрической части 1 корпуса биоферментатора герметично. Шнек 5 снабжен регулируемым электроприводом 6.
В верхней цилиндрической части 1 корпуса имеется отверстие 7 для выпускного воздуховода. Внутри корпуса по его оси расположен вал 8 с регулируемым приводом 9 в верхней цилиндрической части 1 корпуса. Вал 8 поддерживается двумя опорами с возможностью его вращения. Одна опора 10 расположена в верхней стенке цилиндрической части 1 корпуса, вторая опора 11 находится внизу цилиндрической части 1 корпуса. Опоры 10 и 11 жестко соединены со стенками цилиндрической части 1 корпуса, поддерживают вал 8 и обеспечивают возможность его вращательного движения.
В средней части цилиндрической части 1 корпуса расположен воздухораспределитель 12, выполненный в виде кольцевого коллектора 13, имеющего N радиальных воздухораспределительных патрубков 14 с перфорацией в нижней части, коллектор 13 соединен воздуховодом 15 с вентилятором 16. Через отверстие 17 кольцевого коллектора 13 свободно проходит вал 8. Вал 8 в усеченной конусной части 2 снабжен винтовой поверхностью, образующей выгрузной шнек 18 с переменным радиусом винтовой поверхности.
В верхней части цилиндрической части 1 корпуса ниже загрузочного шнека 5 на вертикальном валу 8 жестко закреплены лопасти 19 для разравнивания загружаемой органической массы. Над воздухораспределителем 12 диаметрально расположена лопастная ворошилка 20, жестко соединенная с валом 8.
На верхней стенке цилиндрической части 1 корпуса предусмотрен съемный люк 21. Конусная часть 2 корпуса оканчивается выгрузным отверстием 22.
На стенке цилиндрической части 1 корпуса под лопастями для разравнивания загружаемой органической массы 19 установлен датчик уровня загруженной органической массы 23.
Регулируемый электропривод шнека 6, регулируемый привод 9 вала 8 и датчик уровня загружаемой органической массы 23 электрически соединены с управляющим устройством 24.
Технологический процесс в биоферментаторе со стабилизацией уровня загрузки предлагаемой конструкции происходит в два этапа: этап запуска биоферментатора в заданный технологический режим и этап работы в заданном технологическом режиме.
При запуске биоферментатора в заданный технологический режим перерабатываемое органическое вещество шнеком 5 загружается внутрь биоферментатора. В период загрузки привод 9 вала 8 и вентилятор 16 отключены.
Перерабатываемое органической вещество заполняет конусную часть 2 корпуса и часть цилиндрической части 1 корпуса, уровень загрузки цилиндрической части 1 корпуса зависит от угла естественного откоса перерабатываемого органического вещества, и поэтому вся цилиндрическая часть 1 корпуса не может заполниться до уровня размещения шнека 5. Для полной загрузки биоферментатора в этот период необходимо вручную через люк 21 разравнивать органическое вещество до полного заполнения биоферментатора. После заполнения биоферментатора прекращается загрузка путем отключения привода шнека 5 и включения вентилятора 16. Начинается конверсия органического вещества, причем в верхней части цилиндрического корпуса 1 конверсия осуществляется за счет кислорода, сорбированного органическим веществом в период загрузки биореактора. В средней зоне биореактора интенсивность конверсии усиливается за счет подачи воздуха вентилятором 16 посредством воздухораспределителя 12 и перемешивания массы лопастями ворошилки 20. В конусной части корпуса биореактора 2 интенсивность биоконверсии снижается.
После достижения в цилиндрической части 1 корпуса расчетных параметров биомассы, что определяется ее температурой, которая контролируется термометром (не показано), включается регулируемый привод 9 вала 8 и привод 6 загрузочного шнека 5.
Электропривод 6 загрузочного шнека 5 и электропривод 9 вала 8 с сопряженным выгрузным шнеком 18 управляющим устройством 24 устанавливаются на расчетную производительность в зависимости от вида компостируемого материала.
После включения привода 9 вала 8 начинают активно функционировать сопряженные с ним рабочие органы. Лопасти для разравнивания загружаемой органической массы 19 разравнивают органическую массу, подаваемую шнеком 5, вращение ворошилки 20 обеспечивает ворошение компостируемой органической массы, что интенсифицирует аэрацию биомассы и соответственно интенсифицируется процесс биоконверсии.
Вращение выгрузного шнека 18 обеспечивает перемещение биомассы вниз к выгрузному отверстию 22 и выход ее из биоферментатора к средствам транспортировки готового компоста (не показано).
Первоначальные порции выгружаемого компоста могут не соответствовать требованиям, предъявляемым к этому веществу, поэтому первые порции, выгружаемые из биоферментатора, необходимо направить на дополнительную переработку. После стабилизации процесса, что определяется анализом качества выгружаемого компоста, начинается плановая отгрузка получаемого компоста.
После ввода в режим работы биоферментатора начинается стабильный процесс работы биоферментатора в непрерывном режиме. В этом режиме производится непрерывная загрузка исходного материала шнеком 5, а также непрерывная выгрузка компоста шнеком 18 за пределы биоферментатора. Периодически осуществляется контроль температурного режима процесса биоферментации и лабораторные исследования качества компоста.
Стабилизация уровня загрузки биореактора происходит следующим образом. Если при работающей системе загрузки 5 и выгрузки 18 уровень массы в верхней части биореактора 1 достигает уровня расположения датчика уровня загружаемой органической массы 23, происходит отключение загрузочного шнека 5 при работающем выгрузном шнеке 18. Управляющее устройство 24 производит повторное включение загрузочного шнека 5 через фиксированное для конкретного типа компостируемого материала время.