Биогазовая установка для переработки органических отходов в биогаз и биоудобрения
BIOGAS PLANT FOR PROCESSING OF ORGANIC WASTES INTO BIOGAS AND BIOFERTILIZERS

Изобретение относится к устройствам переработки органических отходов в биогаз и биоудобрения и может быть использовано для утилизации органических отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности.
Известна биогазовая установка, содержащая биореактор с трубопроводами загрузки биомассы и выгрузки субстрата, имеющий три концентрично расположенные цилиндрические секции: наружную для проведения мезофильной стадии анаэробного сбраживания биомассы, среднюю для промежуточной стадии и центральную для термофильной стадии анаэробного сбраживания, трубопровод загрузки исходной биомассы в наружную секцию, трубопровод выгрузки полученного субстрата из нижней части центральной секции и систему отбора биогаза из секций. Центральная секция снабжена теплообменником для нагревания субстрата. Наружная секция содержит мешалку в виде крыльчатки (патент RU 2404240, МПК С12М 1/107, C02F 3/28 (2006.01)).
Основными недостатками данного устройства являются невысокая степень эффективности перемешивания субстрата из-за расположения мешалки только в наружной секции биореактора, что снижает выход продукта, поскольку в резервуаре появляются застойные зоны и появление корки на поверхности, что снижает выход биогаза а также сложность эксплуатации в связи с затрудненным техническим обслуживанием центральной секции.
Известна биогазовая установка, содержащая герметичный вертикальный цилиндрический биореактор с трубопроводами загрузки биомассы и выгрузки субстрата, патрубком отвода биогаза, установленный на опорах. Биореактор имеет конусный купол и днище, обтянутое нагревательной лентой. В биореакторе установлено барботажное перемешивающее устройство в виде спиралевидной перфорированной трубы (патент RU 2567649 С1, МПК С12М 1/04, С12М 1/107, C02F 11/04, C05F 3/00, В09В 3/00 (2006.01)).
Однако недостатками данного устройства являются недостаточно высокая производительность из-за сложности барботажного перемешивающего устройства в виде спиралевидной перфорированной трубы, а также сложность эксплуатации и ремонта ввиду указанной конструкции перемешивающего устройства и недоступности к последнему из-за отсутствия технического люка, что также сокращает срок службы данного устройства.
Наиболее близкой по технической сущности достигаемому результату является биогазовая установка, содержащая биореактор с трубопроводами загрузки биомассы и выгрузки субстрата, патрубком выхода биогаза и техническим люком, циркуляционный насос, связанный с биореактором трубопроводом, сепаратор. Внутри биореактора расположены внутренняя и внешняя камеры сбраживания, соединенные с сепаратором. Установка позволяет незначительно ускорить процесс анаэробного сбраживания и повысить выход биогаза. Эта установка выбрана в качестве прототипа (патент RU 2462509, С12М 1/00, А01С 3/00, C02F 11/04 (2006.01)).
Основными недостатком данного устройства являются невысокая степень перемешивания субстрата массы во внешней камере, что снижает выход продукта, поскольку в биореакторе появляются застойные зоны и образуются корки на поверхности субстрата, сложность эксплуатации и технического обслуживания, так как биореактор содержит две камеры сбраживания.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании биогазовой установки с улучшенными условиями эксплуатации, позволяющей производить процесс активации метаногенного брожения во всем объеме загружаемого субстрата с постоянной температурой и при перемешивании всего объема субстрата.
Решение этой технической проблемы достигается тем, что биогазовая установка, содержащая биореактор с трубопроводами загрузки биомассы и выгрузки субстрата, патрубком выхода биогаза и техническим люком, циркуляционный насос, связанный с биореактором трубопроводом, согласно изобретению снабжена кожухотрубным теплообменником, установленным между циркуляционным насосом и биореактором и связанным с ними трубопроводами. При этом кожухотрубный теплообменник соединен с биореактором трубопроводом загрузки биомассы, а циркуляционный насос соединен с биореактором трубопроводом выгрузки субстрата, причем биореактор дополнительно снабжен турбинной мешалкой, установленной на уровне трубопровода загрузки биомассы и приводимой в движение потоком биомассы.
Процесс активации метаногенного брожения во всем объеме загружаемого субстрата с постоянной температурой и при перемешивании всего объема субстрата обеспечивается за счет возбуждения поверхностных слоев субстрата установкой турбиной мешалки, приводимой в движение потоком биомассы, на уровне трубопровода загрузки биомассы, и введением в биореактор биомассы с постоянной температурой через кожутрубный теплообменник.
Предлагаемая биогазовая установка поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана ее принципиальная схема, а на фиг. 2 - разрез по линии А-А фиг. 1.
Биогазовая установка содержит приемную емкость 1 биомассы с мешалкой 2, биореактор 3 с техническим люком 4 и теплоизоляцией 5, предназначенной для компенсации тепловых потерь корпуса биореактора 3, газовый водонагреватель 6 с расширительным баком 7, трубопроводом 8 подачи теплоносителя и трубопроводом 9 возврата теплоносителя с вентилем 10 для регулирования объема подачи теплоносителя в водяную рубашку 11 биореактора 3 и вентилем 12 для регулирования соединения трубопровода 9 с кожухотрубнным теплообменником 13.
Приемная емкость 1 соединена через трубопровод 14, имеющий задвижку 15, с циркуляционным насосом 16 через кожухотрубнный теплообменник 13, подключенный к биореактору 3 трубопроводом 17 загрузки биомассы для подачи перерабатываемой биомассы в биореактор 3. Циркуляционный насос 16 и биореактор 3 соединены имеющим задвижки 18, 19 трубопроводом 20 выгрузки субстрата. Циркуляционный насос 16 также соединен имеющим задвижку 21 трубопроводом 22 с кожухотрубным теплообменником 13. Для изменения потока перерабатываемой биомассы установка снабжена дополнительным трубопроводом с задвижкой 23.
Таким образом, кожухотрубный теплообменником 13 установленм между циркуляционным насосом 16 и биореактором 3 и связанным с ними трубопроводом 17 загрузки биомассы и трубопроводом 22 с задвижкой 21.
На куполе биореактора 3 установлен патрубок 2 4 выхода биогаза. Трубопровод 20 выгрузки субстрата, подсоединенный к днищу биореактора 3, снабжен задвижкой 25 для выгрузки переработанного субстрата.
Газовый водонагреватель 6 снабжен горелкой 26.
Установка также снабжена водопроводом 27 с краном 28 для подачи воды в приемную емкость 1, краном 29, связанным с водопроводом 30, предназначенным для пополнения системы теплоснабжения водой.
В биореакторе 3 на уровне трубопровода 17 загрузки биомассы установлена турбинная мешалка 31, приводимая в движение потоком биомассы.
Биогазовая установка работает следующим образом.
В приемную емкость 1 подается биомасса, предварительно очищенная от примесей и измельченная, предназначенная для брожения. Для достижения необходимой влажности в приемную емкость 1 по водопроводу 27 через кран 28 подается вода. Для достижения однородности биомасса перемешивается мешалкой 2, затем циркуляционным насосом 16 через трубопроводы 14, 22, при открытых задвижках 15, 18, 21 и закрытых задвижках 19, 23 биомасса через кожутрубный теплообменник 13 перекачивается по трубопроводу 17 загрузки биомассы в биореактор 3.
Подготовка биомассы заключается в нагреве до температуры субстрата внутри биореактора 3 в кожухотрубном теплообменнике 13. В заполненном биореакторе 3 осуществляется анаэробное брожение субстрата при заданных режимах и условиях. Поддержание температурных условий для осуществления процесса брожения субстрата в биореакторе 3 достигается водонагревателем 6, водяной рубашкой 11 биореактора 3 и трубопроводами 8, 9. Для обеспечения равномерной температуры внутри биореактора 3, обеспечения питательными веществами метанообразующих бактерий, предотвращения осадочного материала и корки под куполом биореактора 3, которая препятствует выходу биогаза, осуществляется периодическое перемешивание с помощью циркуляционного насоса 16. Для этого на трубопроводе 20 открываются задвижки 18, 19, на трубопроводе 22 открывается задвижка 21 при закрытых задвижках 15, 23; сбраживаемый субстрат из биореактора 3 циркуляционным насосом 16 прокачивается через кожухотрубный теплообменник 13 и трубопровод 17 загрузки биомассы (Фиг. 1). Субстрат при входе в биореактор 3 по трубопроводу 17 загрузки биомассы попадает на турбинную мешалку 31, которая препятствует образованию корки на поверхности (Фиг. 2). Образующийся в биореакторе биогаз отводится из верхней внутренней части биореактора 3 через, патрубок 24 выхода биогаза. Теплоноситель в водонагревателе 6 нагревается горелкой 26.
Выгрузка переработанных отходов осуществляется периодически через трубопровод 20 выгрузки субстрата и задвижку 25 циркуляционным насосом 16 при закрытых задвижках 15, 19, 21 и открытых задвижках 18, 23, 25. При этом объем выгружаемой массы должен соответствовать следующей дозе загрузки свежей порции биомассы, что исключает переполнение.
Оставшаяся часть биогаза может применяться в бытовых нуждах, а переработанный субстрат - как концентрат органического удобрения.
В предлагаемой биогазовой установке обеспечивается наибольший выход биогаза, а простота конструкции обеспечивает надежность и стабильность работы и использование его в агропромышленном комплексе для получения из органических отходов биогаза и удобрений.