Биогазовая установка

Полезная модель относится к биохимии и предназначена для анаэробного сбраживания органических отходов сельскохозяйственного производства с получением биогаза и органических удобрений.
Известна биогазовая установка (RU 2605312, С12М 1/04, С12М 1/107, 20.12.2016), содержащая герметичный вертикальный цилиндрический резервуар с технологическими патрубками, снабженный куполом и днищем, установленное в резервуаре барботажное перемешивающее устройство, представляющее собой спиралевидную перфорированную трубу, расположенную вдоль стен резервуара, витки которой повторяют форму резервуара, внешняя часть которого обмотана нагревательной лентой, купол и днище имеют форму полусферы, в резервуаре установлена вертикальная рамная мешалка, оснащенная вертикальными и горизонтальными лопастями, закрепленными на центральном вертикальном валу, нижняя горизонтальная лопасть имеет радиус кривизны, соответствующий радиусу кривизны днища резервуара, при этом отверстия на спиралевидной трубе выполнены сквозными вертикальными на равном расстоянии друг от друга, купол резервуара выполнен съемным.
Теплообмен с окружающей биогазовой установку средой приводит к необходимости постоянного запитывания электрическим током нагревательной ленты, что обусловливает повышенное энергопотребление.
Известна биогазовая установка (RU 2743584, С12М 1/00, С12М 1/04, 1/107. 20.12.2021), выбранная в качества прототипа и содержащая герметичный вертикальный цилиндрический резервуар с технологическими патрубками, снабженный куполом и днищем, имеющих форму полусферы, установленное в резервуаре барботажное перемешивающее устройство, представляющее собой спиралевидную перфорированную трубу, расположенную вдоль стен резервуара, витки которой повторяют форму резервуара, в резервуаре установлена вертикальная мешалка, оснащенная горизонтальными лопастями, закрепленными на центральном вертикальном валу, верхний конец которого предназначен для подсоединения к приводу, нижняя горизонтальная лопасть имеет радиус кривизны, соответствующий радиусу кривизны днища резервуара, при этом отверстия на спиралевидной трубе выполнены сквозными вертикальными на равном расстоянии друг от друга, купол резервуара выполнен съемным, центральный вертикальный вал выполнен полым, внутри которого по его высоте регулярно расположены катушки-индукторы, обмотки которых соединены друг с другом и контактными кольцами, жестко закрепленными на внешней поверхности верхней части центрального вертикального вала, выходящей за пределы купола, с контактными кольцами соприкасаются электропроводящие щетки узла скользящего токосъема, жестко закрепленного на наружной поверхности купола, выводы электропроводящих щеток предназначены для соединения с источником переменного напряжения, а горизонтальные лопасти, выполненные из электропроводящего материала жестко прикреплены к наружным боковым поверхностям участков центрального вертикального вала, в которых расположены катушки-индукторы.
Для обеспечения максимального выхода биогаза температура жидкой биомассы должна поддерживаться на уровне 57-60°С в течение 10-12 суток. При этом оптимальным следует считать тот режим, который характеризуется меньшим энергопотреблением.
Потребителями энергии в прототипе, использующим индукционный нагрев, являются катушки-индукторы. Затраты энергии в них связаны, во-первых, с протеканием тока, обеспечивающим необходимый уровень нагрева, а во-вторых, с использованием внешних двигателей, создающих их вращение. В целях экономии электроэнергии эксплуатация биогазовой установки предполагает периодическое отключение этих устройств от источника переменного напряжения. Основанием для этого является тепловая инерция нагретой биомассы. Степень экономии электроэнергии напрямую зависит от длительности пауз отключения при условии не понижения температуры биомассы ниже определенного значения. Недостаточная большая длительность паузы обусловливает недостаточно низкое энергопотребление.
Задача настоящей полезной модели - уменьшение энергопотребления биогазовой установкой за счет запасания тепловой энергии при запитывании катушек-индукторов и медленной разрядке при паузе.
Указанная цель достигается тем, что в биогазовой установке, содержащей герметичный вертикальный цилиндрический резервуар с технологическими патрубками, снабженный полусферическим куполом и плоским днищем, установленное в резервуаре барботажное перемешивающее устройство, представляющее собой спиралевидную перфорированную трубу, расположенную вдоль стен резервуара, витки которой повторяют форму резервуара, при этом отверстия на спиралевидной трубе выполнены сквозными вертикальными на равном расстоянии друг от друга, в резервуаре установлена вертикальная мешалка, оснащенная горизонтальными лопастями, закрепленными на центральном вертикальном валу, верхний конец которого предназначен для подсоединения к приводу, купол резервуара выполнен съемным, центральный вертикальный вал выполнен полым, внутри которого по его высоте регулярно расположены катушки-индукторы, обмотки которых соединены друг с другом и контактными кольцами, жестко закрепленными на внешней поверхности верхней части центрального вертикального вала, выходящей за пределы купола, с контактными кольцами соприкасаются электропроводящие щетки узла скользящего токосъема, жестко закрепленного на наружной поверхности купола, выводы электропроводящих щеток предназначены для соединения с источником переменного напряжения, а горизонтальные лопасти, выполненные из электропроводящего материала жестко прикреплены к наружным боковым поверхностям участков центрального вертикального вала, в которых расположены катушки-индукторы, плоское днище выполнено полым и снабжено кранами, предназначенными для заполнения плоского днища теплоаккумулирующим материалом, а внутренняя полость центрального вертикального вала заполнена теплоаккумулирующим материалом.
Биогазовая установка показана на чертеже.
Биогазовая установка содержит вертикальный герметичный цилиндрический резервуар 1, установленный на опорах 2, снабженный полусферическим куполом 3 и плоским днищем 4. В вертикальном герметичном цилиндрическом резервуаре 1 находятся барботажное перемешивающее устройство, представляющее собой спиралевидную перфорированную трубу 5, и вертикальная механическая мешалка 6, которая состоит из центрального вертикального полого вала 7 и горизонтальных лопастей 8, жестко прикрепленных к внешней боковой поверхности участков 9, внутри которых расположены катушки-индукторы 10. Горизонтальные лопасти 8 выполнены, например, из нержавеющей стали или титанового сплава. Обмотки 11 катушек-индукторов 10 соединены друг с другом и с контактными кольцами 12, изготовленными, например, из меди. Контактные кольца 12 жестко закреплены на внешней поверхности верхней части 13 центрального вертикального вала 7, выходящей за пределы купола 3. С контактными кольцами 12 соприкасаются электропроводящие щетки 14 узла скользящего токосъема 15, жестко закрепленного на наружной поверхности купола 3. Электропроводящие щетки 14 соединены с источником переменного напряжения 16.
Верхняя часть 13 центрального вертикального вала 7 жестко соединена с валом привода 17, например, двигателем постоянного тока или асинхронным двигателем.
Спиралевидная перфорированная труба 5 расположена вдоль стен резервуара 1. Витки спиралевидной перфорированной трубы 5 повторяют форму резервуара 1. Отверстия 18 на спиралевидной перфорированной трубе 5 выполнены сквозными вертикальными и расположены на равном расстоянии друг от друга. Нижний конец спиралевидной перфорированной трубы 5 жестко прикреплен к стальному цилиндрическому уголку 19, соединенному с шаровым краном 20 для подачи биогаза. Купол 3 выполнен съемным.
На полусферическом куполе 3 герметичного цилиндрического резервуара 1 установлены загрузочный патрубок 21 для подачи перерабатываемой биомассы, датчик давления 22, патрубок 23 для отвода биогаза. Патрубок 23 соединен через трубопровод 24 выхода биогаза с газгольдером, который на чертеже не показан. В днище 4 герметичного цилиндрического резервуара 1 установлен патрубок 25 для выгрузки переработанного субстрата.
Спиралевидная перфорированная труба 5 через стальной уголок 19 и шаровой кран 20 соединена с трубопроводом 26 для подачи биогаза и компрессором, который на чертеже не показан, соединенным с газгольдером. На внешней поверхности вертикального герметичного цилиндрического резервуара 1 жестко закреплен терморегулятор 27.
17
36
20
42
Плоское днище 4 выполнено полым и снабжено кранами 28, предназначенными для заполнения плоского днища теплоаккумулирующим материалом 29, например, низкоплавким парафином из ряда СН-СН с температурой плавления от 16,7 до 36,7°С или эмульсией, состоящей из парафина и воды или кристаллогидратом сульфида натрия. На чертеже показан вариант с одним краном 28. Внутренняя полость центрального вертикального вала 7 также заполнена теплоаккумулирующим материалом 29.
Биогазовая установка работает следующим образом.
Сначала плоское днище 4 через краны 29 заполняется теплоаккумулирующим материалом 29.
Для создания анаэробности сбраживания в вертикальный герметичный цилиндрический резервуар 1 через загрузочный патрубок 21 заливают воду до верхнего уровня купола 3. Далее часть воды сливают из вертикального герметичного цилиндрического резервуара 1, так чтобы загрузочный патрубок 21 оставался частично загруженным в воде. Затем в вертикальный герметичный цилиндрический резервуар 1 через загрузочный патрубок 21 загружают разжиженный свежий навоз (помет) с влажностью 92-93% до верхнего уровня купола 3. Форма купола 3 биогазовой установки образует емкость для скапливания образующегося биогаза. Давление в вертикальном герметичном цилиндрическом резервуаре 1 отслеживают при помощи датчика давления 22. После заполнения вертикального герметичного цилиндрического резервуара 1 биомассой включают источник переменного напряжения 16. По обмоткам 11 катушек-индукторов 10 начинает протекать переменный ток, который создает переменное электромагнитное поле, индуцирующее в горизонтальных лопастях 8 вихревые токи. Под действием этих токов горизонтальные лопасти 8 нагреваются и отдают свою теплоту окружающим слоям биомассы. Одновременно с этим включают привод 17, который начинает вращать центральный вертикальный вал 7. В этом случае подача электрического тока от неподвижного источника переменного напряжения 16 на обмотки 11 вращающихся катушек-индукторов 10 происходит с помощью узла скользящего токосъема 15, в котором электропроводящие щетки 14 скользят по поверхности контактных колец 12.
В результате вращения нагретых горизонтальных лопастей 8 осуществляется интенсивный и быстрый теплообмен между областями биомассы, непосредственно контактирующими с горизонтальными лопастями 8, и периферийными областями. Одновременно с этим теплоаккумулирующий материал 29, находящийся в плоском днище 4 и во внутренней полости центрального вертикального вала 7, запасает тепловую энергию.
Получаемый в вертикальном герметичном цилиндрическом резервуаре 1 биогаз через патрубок 23 и трубопровод 24 поступает в газгольдер, где часть его через трубопровод поступает в компрессор. Для усиления эффекта перемешивания биомассы, обеспечения питательными веществами метанообразующих бактерий, предотвращения осадочного материала и корки под куполом 3, которая препятствует выходу биогаза, периодически запускают барботажное перемешивающее устройство. Для этого открывают кран 20, после чего находящийся в компрессоре биогаз по трубопроводу 26 под давлением поступает в спиралевидную перфорированную трубу 5, выходит через отверстия 18 в биомассу, ускоряя процесс поднятия образованным метановым брожением пузырьков биогаза.
При превышении температуры перемешиваемой биомассы допустимого значения, например 36-38°С, терморегулятор 27 отключает источник переменного напряжения 16, биогазовая установка входит в режим паузы и теплоаккумулирующий материал 28, находящийся в плоском днище 4 и во внутренней полости центрального вертикального вала 7, начинает отдавать тепловую энергию биомассе.
Выгрузку переработанных отходов осуществляют периодически через патрубок 25.
Оставшаяся часть биогаза в газгольдере может применяться в бытовых нуждах, а переработанный субстрат - как концентрат органического удобрения.
Использование теплоаккумулирующего материала 28 позволит увеличить продолжительность паузы, т.е. сократить энергопотребление.