УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ СУБСТРАТА В РЕАКТОРЕ АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к технологии переработки органических отходов, более конкретно, к устройствам для перемешивания субстрата в реакторе анаэробного сбраживания органических отходов и может найти применение при создании биохимических реакторов для получения из отходов фермерских хозяйств товарных количеств биогаза и других целевых продуктов.
Известно устройство для перемешивания субстрата в реакторе анаэробного сбраживания органических отходов, содержащее внешний привод и вертикальный вал с закрепленной в рабочем объеме реактора погружной мешалкой (см. патент РФ №68919, бюл. №34, 2007 г.).
Особенностью известного устройства является то, что оно дополнительно содержит средства для подогрева субстрата, выполненные в виде, по крайней мере, двух трубопроводов, прикрепленных к силовому элементу погружной мешалки с возможностью подачи в них горячей воды через вращающийся коллектор по каналам внутри вертикального вала, причем указанный силовой элемент выполнен в форме цилиндрической спирали, размещенной на расстоянии от внутренней поверхности реактора, а трубопроводы для подачи горячей воды прикреплены с противоположных сторон к силовому элементу погружной мешалки для формирования при ее вращении объемной циркуляции субстрата. Вертикальный корпус такого реактора имеет конические верхнюю и нижнюю части, способствующие ограничению объема плавающей корки и хорошему отводу шлама.
Недостатком известного устройства является сравнительно сложная конструкция корпуса реактора и мешалки с силовым элементом спиральной формы, с которым скреплены трубопроводы горячей воды для подогрева субстрата. Это препятствует созданию сравнительно недорогих реакторов анаэробного сбраживания с большой производительностью по массе перерабатываемых органических отходов.
Наиболее близким техническим решением к предложенному, является устройство для перемешивания субстрата в реакторе анаэробного сбраживания органических отходов, содержащее цилиндрической корпус и расположенный по его оси приводной вал с силовыми элементами лопаточного типа (см. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз. Теория и практика. Пер. с нем. и предисловие Серебряного М.И. - М.: Колос, 1982 г., стр.34 - прототип).
Известное устройство имеет достаточно простую конструкцию перемешивающего устройства лопаточного типа и цилиндрического корпуса реактора, в качестве которого может использоваться с небольшими доработками стандартная железнодорожная цистерна. К недостаткам известного устройства следует отнести отсутствие в его конструкции средств для подогрева и аэрации субстрата с целью направленного управления термодинамическими и биохимическими параметрами процесса анаэробного разложения отходов, при использовании которых возможно получение товарных количеств целевых продуктов.
Решаемой задачей является создание сравнительно простого по конструктивному воплощению многофункционального устройства для искусственного перемешивания органических отходов различной природы в реакторе анаэробного сбраживания за счет комплексного воздействия объемной циркуляции, нагрева и аэрации субстрата для управления параметрами процесса анаэробного разложения отходов с целью повышения эффективности их переработки и увеличения выхода целевых продуктов.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для перемешивания субстрата в реакторе анаэробного сбраживания органических отходов, содержащем цилиндрической корпус и расположенный по его оси приводной вал с силовыми элементами лопаточного типа, согласно полезной модели, устройство содержит средства для подогрева субстрата, включающие, по крайней мере, один теплообменник в форме цилиндра, охватывающего приводной вал между смежными силовыми элементами, причем входной и выходной трубопроводы указанного теплообменника выполнены в виде радиальных стоек, размещенных в общей плоскости и закрепленных одним концом на теплообменнике, а другим - на внутренней поверхности цилиндрического корпуса.
Кроме того, указанные силовые элементы могут быть выполнены в виде радиальных штанг, закрепленных одним концом на приводном валу и снабженных на свободном конце основными пластинами для формирования при вращении приводного вала объемной циркуляции субстрата, причем
смежные силовые элементы по обе стороны указанного теплообменника могут быть снабжены на свободном конце дополнительными пластинами, расположенными вдоль его теплообменной поверхности для увеличения теплоотдачи к субстрату.
Кроме того, штанги и пластины указанных силовых элементов могут быть снабжены отверстиями, а приводной вал - каналами для дополнительной аэрации субстрата биогазом или воздухом через коллектор на внешнем конце приводного вала.
Такое выполнение устройства для перемешивания субстрата в реакторе анаэробного сбраживания органических отходов различной природы позволяет повысить его эффективность при одновременном использовании указанных средств для подогрева субстрата, обеспечения интенсивной объемной циркуляции, минимизации мертвых зон, ограничения объема плавающей корки и применения мелкопузырчатой пневмогидравлической системы аэрации субстрата.
На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства.
Устройство для перемешивания субстрата в реакторе анаэробного сбраживания органических отходов содержит цилиндрический корпус 1 и расположенный по его оси приводной вал 2 с силовыми элементами лопаточного типа 3, 4, 5, 6. Внутри корпуса 1 размещены два одинаковых теплообменника 7 для подогрева субстрата, каждый из которых выполнен в форме цилиндра, охватывающего приводной вал 2 между смежными силовыми элементами (для теплообменника 7 это силовые элементы 5, 6).
Входной и выходной трубопроводы 8, 9 указанного теплообменника 7 выполнены в виде радиальных стоек, размещенных в общей плоскости и закрепленных одним концом на теплообменнике, а другим - на внутренней поверхности цилиндрического корпуса. Подводящий трубопровод 8 для подачи горячей воды в теплообменник 7 и отводящий трубопровод 9 для отвода воды из теплообменника 7 снабжены стыковочными фланцами 10 для подключения к тракту горячего водоснабжения (не показан). Указанные силовые элементы 3, 4, 5, 6 выполнены в виде радиальных штанг, закрепленных одним концом на приводном валу и снабженных на свободном конце основными пластинами 11 для формирования при вращении приводного вала 2 объемной циркуляции субстрата. При этом смежные силовые элементы 5, 6 по обе стороны указанного теплообменника 7 снабжены на свободном конце дополнительными пластинами 12, расположенными вдоль его теплообменной поверхности для увеличения
теплоотдачи к субстрату. Силовые элементы лопаточного типа в области другого теплообменника размещены аналогичным образом. При этом силовые элементы 3, 4, 5, 6 и пластины 11, 12 снабжены отверстиями, а приводной вал 2 - каналами (не показаны) для дополнительной аэрации субстрата биогазом, поступающим под давлением из газгольдера 13 через коллектор 14 на внешнем конце вала 2. Аэрация субстрата может осуществляться также воздухом или иным газом, стимулирующим процесс анаэробного разложения различных органических отходов в реакторе.
Механизм привода вала 2 устройства обозначен поз.15, а подшипниковый узел левой опоры приводного вала 2 в торцевой части цилиндрического корпуса 1 - поз.16. Корпус 1 устройства в рабочем положении располагается на опорах 17 под углом к горизонту для образования в нижней части корпуса 1 зоны скопления шлама и его вывода через патрубок 18. Биогаз, полученный в результате анаэробного сбраживания органических отходов, скапливается в верхней части наклоненного корпуса 1 и выводится через патрубок 19. Заполнение рабочего объема корпуса 1 новой порцией органических отходов осуществляется через люк 20. Предпочтительные габаритные размеры корпуса 1 предложенного устройства: длина - 11 м., диаметр - 3,5 м.
Пластины 11 закреплены на свободных концах силовых элементов 3, 4, 5, 6 на небольшом расстоянии от внутренней поверхности корпуса 1. При этом они могут иметь в плане форму прямоугольника или иной фигуры, обеспечивающей при вращении вала 2 эффективную объемную циркуляцию субстрата за счет одновременного формирования радиальной и тангенциальной компонентов скорости субстрата в области пластин 11. Лучшему перемешиванию субстрата способствует также многорядное и крестообразное расположение силовых элементов 3, 4, 5, 6 вдоль приводного вала 2. Вследствие значительной вязкости субстрата конструкция силовых элементов лопаточного типа и элементы их крепления к приводному валу 2 должны обладать повышенной прочностью и жесткостью.
Теплообменники 7 могут быть выполнены в виде набора трубчатых или пластинчатых теплообменных элементов, вписанных в габариты цилиндра. Указанные элементы перемешивающего устройства и теплообменников могут быть изготовлены из нержавеющей стали с любой степенью обработки поверхностей. Сечение приводного вала 2, а также конструкция силовых элементов и узлов их крепления выбираются из условия механической прочности для всех режимов работы устройства. Исходные расчетные
Устройство для перемешивания субстрата работает следующим образом.
После проведения профилактических работ в рабочий объем корпуса 1 реактора подают через люк 20 свежую порцию органических отходов для их переработки. Затем включают механизм 15 привода вала 2, который обеспечивает вращение силовых элементов 3, 4, 5, 6 с пластинами 11, 12 и, тем самым, объемную циркуляцию субстрата в реакторе.
Равномерное перемешивание субстрата по всей длине наклонного цилиндрического корпуса приводит к выравниванию поля температур в рабочем объеме реактора. Одновременно, с помощью насосов (не показаны), осуществляют подачу расчетного количества горячей воды при заданной температуре из внешней системы водоснабжения через трубопроводы в виде стоек 8 в водяную рубашку теплообменников 7. При этом указанное выполнение дополнительных пластин 12, укрепленных на силовых элементах 5, 6, позволяет повысить эффективность теплопередачи от теплообменной поверхности к субстрату за счет удаления более плотных слоев субстрата с теплоотдающей поверхности теплообменников 7 и увеличения скорости вынужденной конвекции субстрата, омывающего указанные поверхности.
Дополнительная аэрации субстрата осуществляется подачей в его объем расчетного количества газа, например, полученного биогаза или метана, стимулирующего процесс анаэробного разложения отходов. Подача газа из газгольдера 13 осуществляется через отверстия, которые размещены в силовых элементах 3, 4, 5, 6 ив пластинах 11, 12 по каналам в приводном валу 2 через вращающийся коллектор 14. Через указанные или дополнительные отверстия в толщу субстрата может подаваться также жидкость, насыщенная биогазами для дополнительного стимулирования процесса анаэробного разложения различных типов органических отходов.
Для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов в субстрате и ускорения процесса образования биогаза необходимо периодически или постоянно удалять газ из всей массы перерабатываемого сырья для ликвидации зон с пересыщенным содержанием биогаза вблизи гранул с иммобилизованными на них бактериями. Удаление пересыщенных зон в данной системе обеспечивается за счет организации конвективных потоков при интенсивном механическом перемешивании сырья. Предложенное устройство обеспечивает необходимую оптимизацию режимов проведения процесса, а также дополнительное выравнивание температурных и гидродинамических условий анаэробного сбраживания органических отходов.
Повышение выхода биогаза связано с эффективностью воздействия на гидродинамические и термодинамические параметры процесса анаэробного разложенияи органических отходов за счет указанного выполнения средств для нагрева субстрата, интенсивной объемной циркуляции и использования мелкопузырчатой пневмогидравлической системы аэрации. Предложенное устройство имеет сравнительно простую конструкцию, надежно в эксплуатации и является многофункциональным с точки зрения использования для переработки органических отходов различной природы.
Предложенное устройство для искусственного перемешивания субстрата в реакторе анаэробного сбраживания органических отходов различного типа было разработано в Марийском ГТУ, а его основные элементы прошли необходимые экспериментальные и пусковые испытания. При этом была решена задача создания эффективных и надежных узлов и компонентов устройства для перемешивания субстрата в системах биохимической переработки органических отходов для получения коммерческих количеств биогаза и других целевых продуктов.