ГЕЛИОБИОГАЗОВЫЙ КОМПЛЕКС
HELIO-BIOGAS COMPLEX

Настоящее изобретение относится к биоэнергетике и может быть использовано для получения биогаза и готовых органических продуктов биохимической переработкой органических отходов.
Известна биоэнергетическая установка [1], содержащая биореактор с водяной рубашкой, солнечный коллектор, мешалка, загрузочный и выгрузочный патрубки и газгольдер. Установка снабжена электроводонагревателем и двигателем Стирлинга, в котором тепловая энергия сгорания части собственного биогаза преобразовывается в электроэнергию и используется для поддержания необходимой термического режима сбраживаемой в биореакторе биомассы.
Недостатком данного технического решения является необходимость сжигания выработанного собственного биогаза для обогрева сбраживаемой в реакторе биомассы до необходимой температуры и обеспечения непрерывной работы системы в периоды отсутствия поступления солнечного излучения, в результате чего значительно снижается объем товарного биогаза, непосредственно передаваемой потребителю.
Известны биогазовые установки [2, 3], содержащие биореактор, вокруг которого в резервуаре с жидкостью установлены контейнеры теплового аккумулятора, заряжаемые солнечными коллекторами. Эти установки снабжены также системами загрузки исходной биомассы и отвода готового органического продукта, перемешивающим устройством и солнечными коллекторами. Для исключения перегрева сбраживаемой биомассы на трубопроводе выхода из солнечных коллекторов установлен терморегулятор.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому гелиобиогазовому комплексу является автономная солнечная биогазовая установка [4], выполненная с возможностью подогрева ежесуточно подаваемой в реактор дозы субстрата до температуры сбраживания путем переключения циркуляции нагретого солнечными коллекторами теплоносителя через теплообменник, установленный в резервуаре для подготовки субстрата исходного сырья.
В известных технических решениях [2-4] при определении площади солнечных коллекторов, объема биореактора и количества теплоаккумулирующего материала за расчетный период принимается период года, соответствующий наименьшему поступлению солнечной энергии на земную поверхность, что приходится примерно на месяцы декабрь и январь. Следовательно, во всех этих технических решениях весь потенциал тепловой энергии, ежедневно вырабатываемый солнечными коллекторами, только для технологических нужд производства биогаза может быть использован в лучшем случае только в период времени интервалом два месяца в разрезе года. Избыток ежедневно вырабатываемой теми же солнечными коллекторами тепловой энергии, оставшийся после использования для технологических нужд биогазовой установки, в течение не менее 10 месяцев года может быть использован совсем для других энергетических нужд потребителя, никак не связанных с производством биогаза, что значительно снижает энергоэффективность самой биогазовой установки.
2
2
Приведем ориентировочные подсчеты выработанной солнечными коллекторами избыточной тепловой энергии, оставшейся после потребления на все технологические нужды в биогазовых установках, предлагаемых во всех известных технических решениях, в течение года. Среднедневная суммарная солнечная радиация на площадку с оптимальным углом наклона для условий Дагестана по справочным данным [5] для периода года в интервале месяцев декабрь и январь составляет примерно 7,2 МДж/м в то время, как это же значение для летних месяцев (июнь, июль и август) составляет более 22 МДж/м, т.е. более чем в три раза больше, чем в зимние месяцы. На основе данных [5] суммарное значение годового поступления солнечной радиации на площадку с оптимальным углом наклона составляет примерно 5700 МДж на каждый квадратный метр тепловоспринимающей поверхности гелиоприемника. Если допустить, что среднегодовое значение КПД солнечных коллекторов равным 70%, то годовой потенциал тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, будет иметь значение, равным примерно 4000 МДж с одного квадратного метра коллектора. Элементарные расчеты показывают, что из полученного значения годового потенциала чисто для нужд производства биогаза во всех известных технических решениях (при неизменных габаритах биореактора, площади солнечных коллекторов и вырабатываемого суточного объема биогаза) потребуется не более 1900 МДж выработанной за год с одного квадратного метра солнечного коллектора тепловой энергии. Полученное значение потребной энергии явно завышено, т.к. расходы тепловой энергии на все нужды производства биогаза в биогазовых установках в теплый период года имеют значительно меньшее значение, чем в холодный период, обусловленное достаточным значением разности среднесуточных температур окружающего наружного воздуха за те же периоды. Приведенные упрощенные расчеты показывают, что во всех известных решениях более половины годового потенциала фактически выработанного солнечными коллекторами тепловой энергии не востребовано непосредственно для технологических нужд биогазовой установки.
Целью предлагаемого технического решения является устранение указанного недостатка.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является максимальное использование всего потенциала ежедневно выработанной солнечными коллекторами тепловой энергии только для технологических нужд производства биогаза в независимости от сезонной неравномерности поступления солнечной инсоляции в разрезе года с круглосуточным поддержанием оптимального термического режима для процесса сбраживания биомассы применением теплового аккумулятора.
Данная задача решается тем, что в заявленном гелиобиогазовом комплексе, содержащем биореактор, помещенный в резервуар с жидкостью, в котором вокруг реактора установлены контейнеры с фазопереходным теплоаккумулирующим материалом, солнечные коллекторы, резервуар для подготовки субстрата исходного сырья, дозировочный насос, газгольдер, резервуар жидкого удобрения, циркуляционный насос, термоконтроллер с термодатчиками и сервоприводами, систему подогрева ежесуточно добавляемой в реактор дозы субстрата, осуществляемого переключением терморегулятором циркуляции теплоносителя после солнечных коллекторов через теплообменник, установленный в резервуаре для подготовки субстрата исходного сырья, систему трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой и систему отбора биогаза, а для круглогодичного использования всего потенциала выработанной солнечными коллекторами тепловой энергии только для технологических нужд производства биогаза комплекс содержит дополнительно отдельный биореактор, функционирование которого регулируется изменением расхода перерабатываемой биомассы в зависимости от изменяющихся по сезонам года условий поступления солнечной энергии.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является круглогодичное использование всего потенциала выработанной солнечными коллекторами тепловой энергии только для технологических целей получения биогаза с поддержанием в каждом биореакторе оптимального термического режима для сбраживания биомассы только за счет тепла солнечной радиации.
Круглогодичное использование поступающей энергии солнечной радиации на солнечные коллекторы определенной суммарной площадью только для нужд производства биогаза в заявленном техническом решении достигается использованием в гелиобиогазовом комплексе двух отдельных биореакторов. Один биореактор (постоянный) задействован в производстве биогаза круглый год, а второй (периодичный) - в период года, когда выработанная солнечными коллекторами тепловая энергия превышает над суммарной тепловой энергией, необходимой для всех технологических нужд производства биогаза в первом биореакторе.
Каждый из этих биореакторов отличается не только габаритными размерами, но и природой теплоаккумулирующей среды. Так, если рабочим телом теплового аккумулятора для первого биореактора является фазопереходный теплоаккумулирующий материал, а теплоносителем - жидкость в резервуаре вокруг данного биореактора, то для второго биореактора находящаяся вокруг него жидкость является одновременно и рабочим телом теплоемкостного теплового аккумулятора, и теплоносителем.
Целесообразность выбора для каждого биореактора определенного вида теплового аккумулятора обусловлена следующими обстоятельствами. Проведенные оценочные расчеты с конкретными исходными данными показали, что объем второго (периодичного) биореактора в несколько десятков раз больше объема первого биореактора. Поэтому для первого биореактора с таким относительно незначительным объемом более оправдывает себя фазопереходный тепловой аккумулятор, обеспечивающий поддерживание заданного изотермического режима в биореакторе даже в зимних условиях.
А для второго биореактора со значительным большим объемом биореактора, благодаря близким значениям всех теплофизических параметров сбраживаемого субстрата (с внутренней стороны поверхности стенок корпуса биореактора) и жидкостной теплоаккумулирующей среды (с внешней стороны поверхности стенок корпуса биореактора), можно пренебречь мизерным термическим сопротивлением металлической стенки корпуса биореактора при теплопередаче. Отсюда следует, что в процессах теплообмена между сбраживаемым субстратом и жидкостной теплоаккумулирующей средой условно отсутствует разделяющая их металлическая стенка. Это означает, что к объему рабочего тела теплового аккумулятора (в резервуаре вокруг биореактора) однозначно можно приплюсовать и весь объем субстрата, находящегося внутри биореактора. Из изложенного следует, что при этом в десятки раз можно увеличивать общую массу жидкостного теплоемкостного теплового аккумулятора, следовательно, во столько же раз увеличивается и потенциал разовой разрядки теплового аккумулятора. Такое конструктивное решение позволяет минимизировать габаритные размеры резервуара с жидкостной теплоаккумулирующей средой.
Поддержание оптимального режима сбраживания биомассы в первом (постоянном) биореакторе в периоды отсутствия солнечного излучения обеспечивается компенсацией всех теплопотерь тепловой энергией разрядки фазопереходного теплового аккумулятора, установленного в резервуаре с жидкостью вокруг биореактора, а во втором (периодичном) - тепловой энергией разрядки жидкостного теплоемкостного теплового аккумулятора, в объеме которого и помещен данный биореактор.
Сущность изобретения поясняется чертежом на фиг. 1, где приведена принципиальная схема гелиобиогазового комплекса с двумя отдельными биореакторами.
1
2
1
1
2
2
3
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
Гелиобиогазовый комплекс содержит два отдельных реактора 1 (I и II), каждый из которых помещен соответственно в резервуар с жидкостью 2 и 2. Резервуар с жидкостью каждого реактора соединен с солнечными коллекторами 3 отдельными трубопроводами. Подогрев исходного сырья в резервуаре подготовки субстрата 4 производится циркуляцией нагретого теплоносителя по контуру: солнечные коллекторы 3 → теплообменник 5 в субстрате в резервуаре для подготовки субстрата исходного сырья 4 → циркуляционный насос 6 → солнечные коллекторы 3. Подготовленное и нагретое до температуры сбраживания в резервуаре 4 увлажненное сырье дозировочным насосом 7 подается отдельными трубопроводами в биореакторы I и II, где в анаэробных условиях осуществляется процесс сбраживания. Образующийся биогаз из верхней части каждого биореактора через трубопровод выхода биогаза поступает в газгольдер 8, откуда по трубопроводу 9 подается потребителям. Остаток сброженной биомассы из нижней части обоих биореакторов по соответствующему трубопроводу люка выгрузки поступает в резервуар для жидкого удобрения 10 и оттуда вывозят на поля. Термоконтроллер 11 управляет циркуляционным насосом 6, дозировочным насосом 7, переключением циркуляции теплоносителя по разным контурам по сигналам от термодатчиков, установленных в резервуаре для подготовки субстрата исходного сырья (T), а также в резервуарах 2 и 2 с жидкостью вокруг биореактора I(Т) и биореактора II(Т), соответствующими сервоприводами циркуляционного насоса 6, трехходового крана с одним входом 12 и одним выходом 13, а также вентилей на трубопроводах подачи теплоносителя к резервуарам с жидкостью вокруг биореакторов I(14) и II(14) и отвода охлажденного теплоносителя от низа тех же резервуаров биореакторов I(14) и II(14). Отдельную подачу подготовленного в резервуаре для подготовки субстрата суточной дозы исходного сырья 4 в определенный биореактор производится контроллером 11 соответствующими сервоприводами вентилей: 14 (в биореактор 7) и 14 (в биореактор II), а отдельную подачу ежесуточной дозы сброженной биомассы из каждого биореактора в резервуар для жидкого удобрения 10 производится соответствующими сервоприводами вентилей: 14 (из биореактора I) и 14 (из биореактора II). Внутри резервуара с жидкостью 2 вокруг биореактора I установлены контейнеры 15 с фазопереходным теплоаккумулирующим материалом, а внутри резервуара 2 вокруг биореактора II находится теплоемкостный жидкостный тепловой аккумулятор 16. Стабильное давление в системах циркуляции жидкого теплоносителя поддерживается расширительными бачками, устанавливаемыми в верхних точках трубопроводов циркуляции каждого контура. Сервоприводы всех вентилей 14, а также расширительные бачки на чертеже фиг. 1 условно не показаны.
РАБОТАЕТ ГЕЛИОБИОГАЗОВЫЙ КОМПЛЕКС СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ
В период года, когда для производства биогаза в гелиобиогазовом комплексе полноценно используются оба биореактора, солнечные коллекторы 3, оба теплоизолированные снаружи резервуары 2 с жидкостью, в которых помещены соответствующие биореакторы 1 (I и II), и соединительные трубопроводы всех контуров циркуляции теплоносителя заполняются жидким теплоносителем.
Подогрев предварительно подготовленного увлажненного исходного сырья (навоз домашних животных, растительная биомасса и другие органические отходы) производится циркуляцией нагретого солнечными коллекторами 3 теплоносителя по первому контуру через теплообменник 5, установленный внутри субстрата в резервуаре подготовки исходного сырья 4. При этом теплоноситель циркуляционным насосом 6 подается во вход контура солнечных коллекторов 3, где при прохождении через этот контур происходит его нагрев. После выхода из контура солнечных коллекторов нагретый теплоноситель поступает через трубопроводы в теплообменник 5, производящий нагрев субстрата исходного сырья в резервуаре 4 до заданной температуры. После прохождения через теплообменник охлажденный теплоноситель вновь подается во вход контура солнечных коллекторов 3. При циркуляции теплоносителя по этому контуру термоконтроллер соответствующими сервоприводами закрывает в трехходовом кране с одним входом 12 выход к трубопроводу к резервуарам 2, а в трехходовом кране с одним выходом 13 - вход на трубопроводе от низа резервуаров 2.
1
1
2
3
4
После достижения заданной температуры субстрата в резервуаре 4 по значению входного сигнала от термодатчика T термоконтроллер переключает циркуляцию теплоносителя по второму контуру: солнечные коллекторы 3 → оба резервуара 2 с жидкостью вокруг биореакторов 1 → циркуляционный насос 6 → солнечные коллекторы 3, в результате чего обеспечивается заданный температурный режим в жидкости в обоих резервуарах 2. При циркуляции теплоносителя по этому контуру термоконтроллером соответствующими сервоприводами в трехходовом кране 12 закрывается выход к трубопроводу к резервуару 4, а в трехходовом кране 13 - вход на трубопроводе от теплообменника 5, а вентили на трубопроводах входов 14 и 14, а также выходов 14 и 14 циркулирующего через резервуары 2 с жидкостью теплоносителя устанавливаются в открытом положении.
5
6
6
5
6
Нагретое до заданной температуры в резервуаре для подготовки субстрата 4 увлажненное сырье дозировочным насосом 7 подается в каждый биореактор 1 отдельно, где в анаэробных условиях осуществляется процесс сбраживания. При подаче ежесуточной дозы сбраживаемого субстрата в биореактор I вентиль 14 на трубопроводе подачи субстрата в данный биореактор устанавливают в открытом положении, а аналогичный вентиль 14 на трубопроводе к биореактору II - в закрытом положении. После завершения подачи дозы субстрата в биореактор I для подачи соответствующей дозы в биореактор II открывается вентиль 14 на трубопроводе к биореактору II и закрывается вентиль 14 на трубопроводе к биореактору I. По окончанию процесса загрузки ежесуточной дозы субстрата в биореактор II вентиль 14 устанавливают в закрытом положении.
Для выгрузки дозы сброженной биомассы из нижней части определенного биореактора в резервуар для жидкого удобрения 10 открывается вентиль на соответствующем трубопроводе люка выгрузки, а вентиль на трубопроводе люка выгрузки от другого биореактора устанавливают в закрытом положении.
Образующийся биогаз из верхней части каждого биореактора через трубопровод выхода биогаза поступает в газгольдер 8, откуда по трубопроводу 9 подается потребителям.
2
2
4
6
8
В период года, когда начинает функционировать только один биореактор I, закрывают циркуляцию теплоносителя через резервуар 2 биореактора II и полностью выгружают весь остаток сброженной биомассы из биореактора II в резервуар для жидкого удобрения 10. До периода следующего начала функционирования биореактора II вентили 14, 14, 14, и 14 на соответствующих трубопроводах устанавливают в закрытом положении.
2
1
2
До начала частичного возобновления работы биореактора II надо определить дату начала периода избыточного (сверх необходимого для всех энергозатрат технологической схемы сбраживания исходного сырья, находящегося только в рабочем объеме биореактора I) производства тепловой энергии солнечными коллекторами. Непосредственно начало этого периода определяется по показаниям термодатчика Т, установленного в резервуаре 2 с жидкостью вокруг биореактора I. Конкретно такой датой является тот день, начиная с которого температура термодатчика Т будет превышать более 1°С над заданным значением температуры жидкости в резервуаре вокруг биореактора I.
2
2
2
1
3
1
2
2
4
После определения даты начала выработки солнечными коллекторами избыточной тепловой энергии для одного биореактора I ежедневно весь избыток тепловой энергии переключает термоконтроллером в контур циркуляции теплоносителя через резервуар 2 с жидкостью вокруг биореактора II, а сам биореактор II еще остается незагруженным субстратом исходного сырья. Переключение производится термоконтроллером по входному сигналу от термодатчика Т. При превышении температура Т более 1°С над заданным значением, вентили 14 и 14 устанавливают в закрытом положении (циркуляция теплоносителя через резервуар 2 вокруг биореактора I прекращается), а для циркуляции теплоносителя через резервуар 2 вокруг биореактора II вентили на трубопроводах входа (14) и выхода (14) устанавливают в открытом положении.
3
2
Дату начала частичной загрузки биореактора II дозой сбраживаемого субстрата определяется по температуре Т, значение которой должна превышать более 1°С над заданным значением температуры жидкости в резервуаре вокруг биореактора II. Это означает, что выработанная солнечными коллекторами избыточная энергия превышает над тепловой энергией, необходимой для полной зарядки всей массы жидкостного теплоаккумулирующего материала, находящегося в резервуаре 2 вокруг биореактора II с учетом всех теплопотерь.
После этого ежедневная доза субстрата исходного сырья, подаваемая в биореактор II, увеличивается с каждым днем в соответствии с нарастающим поступлением среднедневной суммарной солнечной радиации на всю площадь солнечных коллекторов (и соответственно вырабатываемой солнечными коллекторами тепловой энергии).
Полная загрузка биореактора II субстратом сбраживаемого сырья начинается с начала периода года с максимальным поступлением суммарной солнечной радиации на тепловоспринимающую поверхность солнечных коллекторов (летние месяцы). Этот период характеризуется максимальной производительностью биогазового комплекса.
С начала периода снижения поступления солнечной радиации (конец лета) производится постепенное уменьшение объема ежедневной подаваемой в биореактор II дозы субстрата исходного сырья до полного прекращения его подачи в этот биореактор, что должно соответствовать началу периода наименьшего поступления солнечной радиации (зимние месяцы). Процесс постепенного снижения технически осуществляется в обратном порядке изложенному выше процессу постепенного нарастания объема ежедневной подаваемой в биореактор II дозы субстрата исходного сырья.
В любой определенный день периода функционирования обоих биореакторов конкретный объем отдельно подаваемой в биореактор II дозы субстрата исходного сырья определяется из следующих соображений. Вся избыточная (сверх необходимой для всех энергозатрат технологической схемы сбраживания исходного сырья, находящегося только в рабочем объеме биореактора I) тепловая энергия, вырабатываемая в определенный день солнечными коллекторами, должна превышать над однодневными энергозатратами, необходимыми и для подогрева подаваемой именно в этот день в биореактор II дозы субстрата до заданной температуры, и для полной зарядки всей массы теплоаккумулирующего материала теплового аккумулятора (в резервуаре вокруг биореактора II) с учетом возможных теплопотерь в дневное время.
За все периоды отсутствия прямого солнечного излучения (ночное время, пасмурная погода) во избежание неизбежного охлаждения жидкости вокруг биореактора при циркуляции через нее ненагретого теплоносителя, термоконтроллер 11 отключает циркуляционный насос 6 и закрывает вентили на трубопроводах входа и выхода циркулирующего теплоносителя каждого биореактора гелиобиогазового комплекса, непосредственно подключенного к производству биогаза.
Ежесуточная полная зарядка всей массы теплоаккумулирующего материала и поддержание температуры в оптимальном диапазоне для выбранного режима сбраживания в обоих биореакторах производятся в дневное время циркуляцией теплоносителя через соответствующий резервуар с жидкостью за счет тепловой энергии, выработанной солнечными коллекторами. А в периоды подогрева ежедневно подаваемой в биореакторы доз субстрата в резервуаре для подготовки исходного сырья дневного времени и отсутствия прямого солнечного излучения (пасмурная погода или темное время суток) заданный температурный режим в каждом биореакторе поддерживается за счет тепловой энергии, выделяемой при разрядке теплового аккумулятора, установленного в соответствующем резервуаре.
1
Площадь солнечных коллекторов гелиобиогазового комплекса рассчитывается из условия достаточности минимальной однодневной тепловой энергии, вырабатываемой коллекторами, и для подогрева ежесуточно подаваемой только в биореактор I дозы субстрата до температуры сбраживания, и для полной зарядки всей массы теплоаккумулирующего материала теплового аккумулятора, помещенного в резервуаре 2 с жидкостью вокруг биореактора I с учетом возможных теплопотерь в дневное время.
Объем биореактора II определяется из следующих соображений. Максимальный объем ежесуточно подаваемой в биореактор II дозы до заданной температуры должен соответствовать дате периода с избыточной максимальной однодневной тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами. При этом с учетом подаваемой именно в этот день в биореактор II дозы субстрата максимально допустимый рабочий объем (объем, занимаемый субстратом сбраживаемой биомассы) биореактора II должен превышать объем, занимаемый в этот день в биореакторе всем субстратом сбраживаемой биомассы.
Количество теплоаккумулирующего материала рассчитывается отдельно для каждого биореактора из условия превышения тепловой энергии потенциала разовой разрядки теплового аккумулятора данного биореактора над соответствующими теплопотерями через всю наружную поверхность теплообмена, которая непосредственно соприкасаются с окружающим атмосферным воздухом, за период времени с возможным длительным отсутствием солнечного излучения. При этом за расчетный период принимается период функционирования конкретного биореактора с самыми неблагоприятными климатическими условиями.
1. Авторское свидетельство RU №2440308, 15.12.2009 г.
2. Авторское свидетельство RU №166736, 10.12.2016 г.
3. Авторское свидетельство RU №2664457, 17.08.2018 г.
4. Авторское свидетельство RU №№2734456, 16.10.2020 г.
5. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Киселева С.В., Терехова Е.Н. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории Российской Федерации. - М.: ОИВТ РАН, 2010.