БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА
BIOGAS PLANT

Предлагаемое изобретение относится к сельскому хозяйству и предназначено для анаэробного сбраживания органических отходов сельскохозяйственного производства с получением биогаза и органических удобрений.
Известен биореактор (RU 2430153, С12М 1/04, опубл. 27.09.2011), который состоит из цилиндрического вертикального корпуса, размещенной в центре корпуса циркуляционной трубы для подогрева и расположенной под ней перфорированной трубы, выполненной в виде вертикальной спирали для барботажного перемешивания субстрата. Витки перфорированной трубы образуют форму конуса, обращенного основанием вверх. Установка имеет патрубок для подачи перерабатываемой биомассы (исходного субстрата), патрубок для слива готового удобрения и патрубок для отвода биогаза.
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.
Известно, что при оптимальном подборе устройства для перемешивания рабочего сырья выход биогаза может повыситься до 50%, поскольку перемешивание сбраживаемой массы в биореакторе обеспечивает высвобождение образующегося биогаза, равномерное распределение популяции бактерий, предотвращение формирования корки и осадка, появления участков разной температуры внутри резервуара, предотвращение 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 и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является биогазовая установка, включающая герметичный вертикальный цилиндрический резервуар, снабженный куполом и днищем, имеющими форму усеченного конуса. В резервуаре находится барботажное перемешивающее устройство, включающее спиралевидную перфорированную трубу, расположенную вдоль стен резервуара и днища, а также установленную по центру резервуара вертикальную перфорированную трубу. Витки спиралевидной трубы повторяют форму резервуара и днища. На куполе резервуара установлены загрузочный патрубок для подачи биомассы, датчик давления, патрубок для отвода биогаза, соединенный с трубопроводом выхода биогаза. Последний соединен с газгольдером. В днище резервуара установлен патрубок для выгрузки переработанного субстрата (см. RU №2567649 C1, С12М 1/04, 1/07, C02F 11/04, 3/00, В09В 3/00, опубл. 10.11.2015 г.).
Однако недостатком данного изобретения является недостаточно высокие производительность и выход биогаза из-за отсутствия механического перемешивания биомассы. Кроме того, недоступность к перемешивающему устройству из-за отсутствия съемного купола усложняет обслуживание и ремонт устройства, а также сокращает срок службы данного устройства.
Технический результат изобретения - повышение производительности установки и увеличение выхода биогаза, простота обслуживания и ремонта установки.
Указанный технический результат достигается тем, что в биогазовой установке, включающей 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, согласно изобретению 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.
Отличительными признаками заявляемого устройства являются наличие нового конструктивного элемента - вертикальной рамной мешалки, а также новое выполнение известных конструктивных элементов, а именно спиралевидная труба имеет сквозные вертикальные отверстия, находящиеся на равном расстоянии друг от друга, купол резервуара выполнен съемным.
Использование в резервуаре биогазовой установки рамной мешалки, оснащенной вертикальными и горизонтальными лопастями, интенсифицирует процесс перемешивания биомассы, что способствует ускорению процесса брожения массы. Расположенные по бокам вертикальные лопасти мешалки позволяют захватывать оседающие осадочные частицы, не допускают залипания на стенках и перегрева биомассы. А нижняя горизонтальная лопасть с радиусом кривизны, соответствующим радиусу кривизны днища, обеспечивает предотвращение образования корки на поверхности и осадка на днище резервуара. В резервуаре с рамной мешалкой потоки биомассы накладываются друг на друга. Они перемещаются в горизонтальном и вертикальном направлениях. Интенсивное перемешивание достигается в результате появления вторичных потоков и вихревого движения биомассы. Вторичные потоки возникают под действием центробежных сил, вызывающих движение биомассы в плоскости вращения горизонтальной лопасти от центрального вала к стенкам резервуара. Вследствие этого вблизи вала мешалки возникает разрежение ввиду движения биомассы в радиальном направлении. Из-за этого идет всасывание в центр резервуара массы из слоев лежащих выше и ниже лопастей. Вторичные потоки, складываясь с основным круговым движением биомассы, создают сложное движение, при котором происходит интенсивное перемешивание отдельных слоев. Это обеспечивает ускорение процесса брожения, увеличение выхода биогаза, тем самым повышение производительности установки.
Барботажное устройство, расположенное вдоль стен резервуара в виде спиралевидной трубы, обеспечивает оптимальное равномерное распределение температуры внутри резервуара, а также качественное и интенсивное перемешивание субстрата, что способствует увеличению выхода биогаза. Сквозные вертикальные отверстия, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга, предотвращают выпадение осадков и налипание загрязнений на стенки резервуара, благодаря чему улучшается теплообмен, ускоряются процессы брожения в резервуаре. Выполнение купола резервуара съемным обеспечивает простоту обслуживания и ремонт установки.
Таким образом, интенсификация процесса перемешивания путем введения нового элемента - рамной мешалки в совокупности с барботажным перемешивающим устройством в виде спиралевидной трубы, позволяет поддерживать равномерную температуру по всему объему и равномерно без застойных зон перемешивать субстрат внутри резервуара. Все это позволяет повысить интенсивность, стабильность и полноту биохимических процессов в установке, увеличить выход биогаза.
Заявляемая биогазовая установка поясняется чертежом, где схематически показан продольный разрез установки.
Биогазовая установка включает вертикальный герметичный цилиндрический резервуар 1, установленный на опорах 2, снабженный куполом 3 и днищем 4, имеющими форму полусферы. В резервуаре 1 находятся барботажное перемешивающее устройство, представляющее собой спиралевидную перфорированную трубу 5, и вертикальная механическая рамная мешалка 6, оснащенная горизонтальными 7 и вертикальными 8 лопастями. Горизонтальные 7 лопасти мешалки 6 закреплены на центральном вертикальном валу 9 с приводом 10. Нижняя горизонтальная лопасть 7 имеет радиус кривизны, соответствующий радиусу кривизны днища 4 резервуара 1. Спиралевидная перфорированная труба 5 расположена вдоль стен резервуара 1. Витки трубы 5 повторяют форму резервуара 1. Отверстия 11 на спиралевидной трубе 5 выполнены сквозными вертикальными и расположены на равном расстоянии друг от друга. Нижний конец спиралевидной трубы 5 жестко закреплен к стальному цилиндрическому уголку 12, соединенному с шаровым краном 13 для подачи биогаза. Купол 3 выполнен съемным.
На куполе 3 резервуара 1 установлены загрузочный патрубок 14 для подачи перерабатываемой биомассы, датчик давления 15, патрубок 16 для отвода биогаза. Патрубок 16 соединен через трубопровод 17 выхода биогаза с газгольдером (на фигуре не показан). В днище 4 резервуара 1 установлен патрубок 18 для выгрузки переработанного субстрата.
Труба 5 через стальной уголок 12 и кран 13 соединена с трубопроводом 19 для подачи биогаза и компрессором, соединенным с газгольдером. Внешняя часть резервуара 1 обмотана нагревательной лентой (на фиг. не показана), соединенной с терморегулятором 20.
Биогазовая установка работает следующим образом.
Для создания анаэробности сбраживания в резервуар 1 через загрузочный патрубок 14 заливают воду до верхнего уровня купола 3. Далее часть воды сливают из резервуара 1, так чтобы патрубок 14 оставался частично загруженным в воде. Затем в резервуар 1 через патрубок 14 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 резервуаре 1 отслеживают при помощи датчика давления 15. После заполнения резервуара 1 субстратом включают нагревательную ленту (на фигуре не показана), которую регулируют терморегулятором 20. Терморегулятор 20 автоматически отключает нагревательную ленту при достижении температуры 36-38°С и включает при ее снижении.
В таком состоянии в резервуаре 1 происходит метановое сбраживание. Получаемый в резервуаре 1 биогаз через патрубок 16 и трубопровод 17 поступает в газгольдер, где часть его через трубопровод поступает в компрессор. Для обеспечения равномерной температуры внутри резервуара 1, обеспечения питательными веществами метанообразующих бактерий, предотвращения осадочного материала и корки под куполом 3, которая препятствует выходу биогаза, каждый день в течение 10 минут запускают барботажное перемешивающее устройство и рамную мешалку 6. Для этого открывают кран 13, после чего находящийся в компрессоре биогаз по трубопроводу 19 под давлением поступает в спиралевидную перфорированную трубу 5, выходит через отверстия 11, перемешивая субстрат, ускоряя процесс поднятия образованным метановым брожением пузырьков биогаза. При включении рамной мешалки 6 с барботажным устройством происходит интенсивное перемешивание всех слоев массы.
Выгрузку переработанных отходов осуществляют периодически через патрубок 18. При этом объем выгружаемой массы должен соответствовать следующей дозе загрузки свежей порции субстрата, что исключает переполнение резервуара и забивание отверстия патрубка для выхода биогаза.
Оставшаяся часть биогаза в газгольдере может применяться в бытовых нуждах, а переработанный субстрат - как концентрат органического удобрения.
Заявляемое устройство обеспечивает наибольший выход биогаза, а простота конструкции обеспечивает надежность и стабильность работы и использование его в животноводческих хозяйствах для получения из органических отходов биогаза и удобрений.