АВТОНОМНАЯ СОЛНЕЧНАЯ БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА
AUTONOMOUS SOLAR BIOGAS PLANT

Настоящее изобретение относится к биоэнергетике и может быть использовано для получения биогаза и готовых органических продуктов биохимической переработкой органических отходов.
Известна биоэнергетическая установка [1], которая содержит биореактор с водяной рубашкой, солнечный коллектор, мешалка, загрузочный и выгрузочный патрубки и газгольдер. Комплекс снабжен электроводонагревателем и двигателем Стирлинга, в котором тепловая энергия сжигаемого собственного биогаза преобразовывается в электрическую энергию и используется для обогрева сбраживаемой в биореакторе биомассы до необходимой температуры.
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 снижается эффективность биогазовой установки.
Известна гелиобиогазовая установка [2], содержащая, биореактор с резервуаром с жидкостью, являющейся одновременно и теплоемкостным тепловым аккумулятором, заряжаемым солнечными коллекторами, системы загрузки исходной биомассы и отвода готового органического продукта с люком выгрузки, перемешивающее устройство и солнечные коллекторы. Недостатками данного технического решения являются:
- невозможность поддержания в биореакторе желательного строго изотермического режима в периоды отсутствия солнечного излучения, т.к. жидкость вокруг реактора является теплоемкостным теплонакопителем;
- необходимость неоправданно огромного резервуара с теплоаккумулирующей жидкостью для проведения процесса сбраживания при термофильном режиме из-за жестких требований к допустимым предельным колебаниям температуры от оптимального значения при этом режиме.
Наиболее близким к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату является солнечная биогазовая установка [3], которая содержит биореактор с резервуаром с жидкостью, внутри которого вокруг реактора установлены контейнеры теплового аккумулятора с фазопереходным теплоаккумулирующим составом, заряжаемые тепловой энергией солнечных коллекторов, с температурой плавления, равной оптимальной температуре выбранного режима сбраживания. Данная биогазовая установки содержит также системы загрузки исходной биомассы и отвода готового органического продукта, перемешивающее устройство и солнечные коллекторы. Для исключения перегрева сбраживаемой биомассы на трубопроводе выхода из солнечных коллекторов в установлен терморегулятор.
Недостатком этого технического решения является необходимость дополнительного источника энергии для подогрева субстрата в резервуаре подготовки исходного сырья. Как известно, именно на подогрев исходного сырья до температуры сбраживания расходуется более 70% всех энергозатрат технологической схемы анаэробного сбраживания [4].
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является подогрев ежесуточно добавляемой в биореактор дозы субстрата в резервуаре подготовки исходного сырья до температуры сбраживания с круглосуточным поддержанием в реакторе биогазовой установки оптимального термического режима сбраживания биомассы применением теплового аккумулятора, заряжаемого тепловой энергией от солнечных коллекторов.
Данная задача решается тем, что заявленная автономная солнечная биогазовая установка, содержащая реактор, помещенный в резервуар с жидкостью, в котором вокруг реактора установлены контейнеры с фазопереходным тепловым аккумулятором, заряжаемым тепловой энергией солнечных коллекторов, резервуар для подготовки субстрата исходного сырья, фекальный насос, газгольдер, резервуар жидкого удобрения, солнечные коллекторы, циркуляционный насос, термоконтроллер с термодатчиками и сервоприводами, систему трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой и систему отбора биогаза, выполнена 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.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, являются подогрев ежесуточно подаваемой в реактор дозы субстрата в резервуаре для подготовки сырья до температуры сбраживания и поддержание в реакторе оптимального температурного режима для сбраживания биомассы только за счет тепла солнечной радиации для круглосуточного производства биогаза.
Подогрев сырья в резервуаре для подготовки исходного сырья производится циркуляцией нагретого теплоносителя по контуру: солнечные коллекторы → теплообменник в субстрате в резервуаре для подготовки исходного сырья → циркуляционный насос → солнечные коллекторы.
После достижения соответствующей температуры ежесуточно добавляемой дозы субстрата в резервуаре для подготовки исходного сырья термоконтроллер переключает циркуляцию теплоносителя по второму контуру: солнечные коллекторы → резервуар с жидкостью вокруг биореактора → циркуляционный насос → солнечные коллекторы, в результате чего поддерживается заданный температурный режим в жидкости вокруг биореактора.
Для исключения возможного перегрева биомассы при достижении предельной верхней температуры оптимального диапазона термического режима сбраживания в реакторе после загрузки ежесуточно подаваемой в реактор дозы субстрата термоконтроллер переключает циркуляцию теплоносителя в систему горячего водоснабжения.
Поддержание оптимального температурного режима сбраживания биомассы в биореакторе в периоды подогрева ежесуточно добавляемой для сбраживания дозы сырья и отсутствия прямого солнечного сияния обеспечивается разрядкой теплового аккумулятора в резервуаре с жидкостью вокруг биореактора.
Сущность изобретения поясняется чертежом на фиг. 1, где приведена принципиальная схема автономной биогазовой установки с тепловым аккумулятором, заряжаемым энергией солнечных коллекторов.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Автономная солнечная биогазовая установка содержит реактор 1, который помещен в резервуар с жидкостью 2, внутри которого вокруг биореактора установлены контейнеры с фазопереходным теплоаккумулирующим материалом. Резервуар с жидкостью 2 соединен с солнечными коллекторами 3. 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 для подготовки субстрата исходного сырья 4 увлажненное сырье фекальным насосом 7 подается в биореактор 1, где в анаэробных условиях осуществляется процесс сбраживания. Образующийся биогаз из верхней части биореактора через трубопровод выхода биогаза поступает в газгольдер 8, откуда по трубопроводу 9 подается потребителям. Остаток сброженной биомассы из нижней части биореактора по трубопроводу люка выгрузки поступает в резервуар для жидкого удобрения 10 и оттуда вывозят на поля. Термоконтроллер 11 управляет циркуляционным насосом 6 и переключением циркуляции теплоносителя по разным контурам по сигналам от термодатчиков, установленных в субстрате в резервуаре для подготовки субстрата исходного сырья (T) и субстрате в биореакторе (Т), соответствующими термическими сервоприводами циркуляционного насоса 6, трехходовых кранов с одним входом 12, 12 и одним выходом 13, а также вентилей на трубопроводах подачи теплоносителя к резервуару с жидкостью вокруг биореактора 14 и отвода охлажденного теплоносителя от низа того же резервуара 14. В систему горячего водоснабжения теплоноситель подается через трехходовые краны 12 и 12 по трубопроводу 15. Для поддержания стабильного давления в системе циркуляции жидкого теплоносителя в верхних точках трубопроводов циркуляции каждого контура устанавливаются соответственно расширительные бачки 16 и 16.
РАБОТАЕТ АВТОНОМНАЯ СОЛНЕЧНАЯ БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ
Контур солнечных коллекторов 3, теплоизолированный снаружи резервуар 2 с жидкостью, в которой помещен биореактор 1, и соединительные трубопроводы всех контуров циркуляции теплоносителя заполняются жидким теплоносителем.
1
2
После предварительной подготовки увлажненное сырье (навоз домашних животных, растительная биомасса и другие органические отходы) подогревается циркуляцией нагретого солнечными коллекторами теплоносителя по первому контуру через теплообменник 5, установленный внутри субстрата в резервуаре подготовки исходного сырья. Далее, теплоноситель циркуляционным насосом 6 подается во вход в контур солнечных коллекторов 3, где он, проходя через тепловоспринимающую поверхность солнечных коллекторов 3, нагревается и вновь поступает через трубопроводы в теплообменник 5. При циркуляции теплоносителя по этому контуру термоконтроллер соответствующими сервоприводами закрывает в трехходовых кранах с одним входом 12 и 12 соответственно выходы к трубопроводам к системе горячего водоснабжения и к резервуару с жидкостью, а в трехходовом кране с одним выходом 13 - вход на трубопроводе от низа резервуара с жидкостью.
1
2
1
1
2
После достижения соответствующей температуры субстрата в резервуаре 5 по значению входного сигнала от термодатчика T термоконтроллер переключает циркуляцию теплоносителя по второму контуру: солнечные коллекторы 3 → резервуар с жидкостью вокруг биореактора → циркуляционный насос 6 → солнечные коллекторы 3, в результате чего поддерживается заданный температурный режим в жидкости вокруг биореактора. При этом в трехходовом кране 12 закрывается выход к трубопроводу к трехходовому крану 12, а в трехходовом кране 13 закрывается вход на трубопроводе от теплообменника 5, а вентили на трубопроводах входа 14 и выхода 14 циркулирующего теплоносителя через резервуар с жидкостью вокруг биореактора устанавливаются в открытом положении.
Нагретое до температуры сбраживания в резервуаре для подготовки субстрата 4 увлажненное сырье фекальным насосом 7 подается в биореактор 1, где в анаэробных условиях осуществляется процесс сбраживания.
Образующийся биогаз из верхней части реактора через трубопровод выхода биогаза поступает в газгольдер 8, откуда по трубопроводу 9 подается потребителям. Остаток сброженной биомассы из нижней части биореактора по трубопроводу люка выгрузки поступает в резервуар для жидкого удобрения 10 и оттуда вывозят на поля.
2
2
1
2
1
Для исключения возможного перегрева сбраживаемой биомассы после подачи подогретой ежесуточно подаваемой дозы субстрата в биореактор 1 термоконтроллер 11 по значению входного сигнала от термодатчика Т переключает циркуляцию теплоносителя в систему горячего водоснабжения через трехходовые краны 12 и 12. При этом в трехходовом кране 12 закрывается выход к трубопроводу к резервуару с жидкостью, а в трехходовом кране 12 - выход к трубопроводу к субстрату в резервуаре 5. Обратный трубопровод с запорно-регулирующей арматурой от системы горячего водоснабжения на чертеже фиг. 1 условно не показан.
1
2
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 14 и выхода 14 циркулирующего теплоносителя.
Полная зарядка всей массы теплоаккумулирующего материала и поддержание температуры в оптимальном диапазоне для выбранного режима сбраживания в биореакторе 1 производятся в дневное время циркуляцией теплоносителя через резервуар с жидкостью 2 за счет тепловой энергии, выработанной солнечными коллекторами 3. А в периоды подогрева ежесуточно подаваемой в биореактор 1 дозы субстрата в резервуаре для подготовки исходного сырья 4 дневного времени и отсутствия прямого солнечного излучения (пасмурная погода или темное время суток) заданный температурный режим в биореакторе 1 поддерживается за счет тепловой энергии, выделяемой при разрядке фазопереходного теплового аккумулятора, установленного в резервуаре с жидкостью вокруг биореактора.
Таким образом, в предложенной автономной биогазовой установке единственным источником тепла для всех энергозатрат технологической схемы анаэробного сбраживания является тепловая энергия, выработанная солнечными коллекторами.
Площадь солнечных коллекторов установки рассчитывается из условия достаточности минимальной однодневной тепловой энергии, вырабатываемой коллекторами, и для подогрева ежесуточно подаваемой в биореактор дозы субстрата до температуры сбраживания, и для полной зарядки всей массы теплоаккумулирующего материала теплового аккумулятора с учетом возможных теплопотерь в дневное время.
Количество теплоаккумулирующего материала рассчитывается из условия превышения тепловой энергии разовой разрядки теплового аккумулятора над теплопотерями через всю наружную поверхность резервуара с жидкостью и биореактора, которая непосредственно соприкасаются с окружающим атмосферным воздухом, за возможные периоды отсутствия солнечного излучения.
1. Авторское свидетельство RU №2284967, 10.10.2006 г.
2. Авторское свидетельство RU №166736, 10.12.2016 г.
3. Авторское свидетельство RU №2664457, 17.08.2018 г.
4. Ковалев А.А. Повышение энергетической эффективности биогазовых установок: дис. … канд. техн. наук. - М., 2014. 119 с.