БИОРЕАКТОР МОДУЛЬНЫЙ
MODULE BIOREACTOR

Заявляемое техническое решение относится к сельскому хозяйству и предназначено для переработки жидких органических отходов, преимущественно навоза или помета, и получения экологически чистых органических удобрений и горючего биогаза.
Известен реактор (см. патент FR 2471124 (13) A1, 19.06.1981, на 13 л., фиг.1-2). Сущность данного технического решения заключается в том, что запатентованный реактор содержит горизонтально расположенную стальную емкость, которая имеет загрузочный и выгрузочные люки и подключена к газгольдеру, кроме того, емкость биореактора покрыта теплоизоляцией для поддержания стабильной температуры в биореакторе.
Недостатком данного технического решения является то, что при загрузке смешиваются массы, перебродившие и вновь поступившие, так же, как и при выгрузке, происходит выгрузка смешанных масс, что не обеспечивает полного перебраживания сбраживаемой массы и снижает эффективность биореактора.
Известен биореактор, имеющий форму бочки (см. (19) RU (11) 105624, (13) U1 (51) МПК С12М 1/00 (2006.01)), которая разделена на горизонтальные секции, в каждой из которых происходит своя стадия ферментации. Перегородки, расположенные между секциями, имеют окна, которые открываются-закрываются по мере выполнения стадии ферментации в этой секции.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, а также неремонтопригодность данного устройства - при поломке створки, закрывающей секцию, отремонтировать биореактор будет очень сложно или вообще невозможно.
Наиболее близким к заявляемому модульному биореактору является биореактор, запатентованный в качестве патента на полезную модель РФ №102617, С12М 1/00, от 10.09.2010. Биореактор выполнен трубчатым, расположенным горизонтально и разделенным сверху перегородками-сегментами на три секции: загрузочную, рабочую и выгрузочную. Перегородки-сегменты не доходят до дна емкости. В загрузочной секции биореактора сверху расположен загрузочный люк для загрузки биомассы. В выгрузочной секции - выгрузочный люк для выгрузки биомассы. Рабочая секция биореактора изготовлена из одного или нескольких базовых модулей, при этом загрузочная и выгрузочная секции выполнены в виде отдельных модулей и соединены с рабочей секцией, в каждом базовом модуле рабочей секции смонтирована мешалка и теплообменник, при этом модули рабочей секции разделяются или посредством одного или нескольких модулей-вставок, или посредством одного или нескольких модулей-вставок в виде колен, или посредством одного или нескольких сегментов-разделителей конверсионных потоков. При этом модули рабочей секции имеют подключение, через которое биогаз из биореактора откачивается компрессором в газгольдер.
Недостатком данного технического решения является:
3
- его недостаточная проработка относительно вывода на рабочий режим брожения биореактора больших объемов более 200 м зигзагообразной формы. В биореакторах больших объемов в момент поэтапного заполнения биореактора биомассой происходит брожение биомассы и биогаз попадает из заполненной части биореактора в нерабочую часть, при этом в ней создается взрывоопасная концентрация метана, который через выгрузочный люк может попасть во внешнюю среду.
- В случае применения сегментов-разделителей конверсионных потоков, имеющих зазор между верхней и нижней частями сегмента и корпусом биореактора, в биореакторах с числом рабочих модулей более одного газовые смеси на разных стадиях брожения смешиваются между собой и поступают в газгольдер, что значительно затрудняет использование биогаза в когенерационных установках из-за большого содержания сероводорода в биогазе в первом модуле на начальной стадии брожения.
3
3
3
3
- Биореакторы малых (от 1 м до 10 м) и средних (от 10 м до 200 м) объемов не имеют возможности поэтапного запуска в работу, поэтому на разогрев биомассы в начальной стадии брожения тратится больше времени и тепловой энергии.
- Отсутствие теплоизоляции секций биореактора приводит к повышенному расходу энергии на начальный разогрев биореактора и собственные нужды.
Технический результат заявляемого технического решения заключается в создании в биореакторе безопасного и низкоэнергозатратного режима работы, обеспеченного за счет коррекции и поддержания физико-химических параметров среды в разных секциях биореактора и их частях, биомасса в которых находится на разных стадиях брожения.
Результат достигается за счет того, что горизонтальный трубчатый биореактор разделен на три секции: загрузочную, рабочую и выгрузочную перегородками-сегментами, не доходящими до дна емкости, где в загрузочной секции биореактора сверху расположен технологический загрузочный люк для загрузки биомассы, в верхней части выгрузочной секции также расположен технологический люк. Рабочая секция биореактора состоит из одного или нескольких модулей. В каждом модуле рабочей секции смонтированы мешалка и теплообменник. В верхней части каждого модуля расположен технологический люк и отборные устройства в виде штуцеров для подключения напоромера и отбора биогаза. Рабочая секция разделена на модули или посредством одного или нескольких модулей-вставок, или посредством одного или нескольких модулей-вставок в виде колен, или посредством одного или нескольких сегментов-разделителей конверсионных потоков, в модуле-вставке в виде колен установлена регулируемая заслонка-сегмент.
Отличие заявляемого биореактора от прототипа в том, что:
- в рабочей секции между модулями смонтирована регулируемая запорная арматура, позволяющая герметично отсекать модули друг от друга. Регулируемая запорная арматура, установленная между модулями рабочей секции, имеет винтовой привод, связанный со штурвалом или электроприводом. За счет этого биомасса из загрузочной секции поступает в рабочую секцию, последовательно поэтапно заполняя трубчатые теплоизолированные модули и их части. При этом биомасса остается в модуле столь длительное время, пока не наберется нужная концентрация метанобактерий и не начнется выделение биогаза. Это позволяет выводить биореактор на рабочий режим поэтапно и за счет этого существенно экономить энергию на начальный разогрев. При этом повышается взрывобезопасность биореактора - метан не попадает в нерабочие модули, а через соответствующий штуцер поступает в газгольдер;
- в выгрузочной секции смонтирована мешалка-миксер, позволяющая гомогенизировать полученное на выходе биореактора удобрение;
- все секции биореактора теплоизолированы с целью уменьшения теплопотерь в биореакторе.
Регулируемая запорная арматура имеет винтовой привод, связанный со штурвалом или электроприводом.
В верхней части выгрузочной секции имеется патрубок для выгрузки биомассы.
В нижней части выгрузочной секции имеется патрубок для выгрузки биомассы в момент проведения профилактических работ.
Описание изобретения
Биореактор изготавливают из теплоизолированных трубчатых или с конусностью (с расширением в сторону выгрузки на 0,5-2%) секций, расположенных горизонтально. Биореактор может иметь вытянутую и зигзагообразную форму. Длина биореактора зависит от времени сбраживания, а диаметр трубы - от производительности биореактора.
Биореактор должен быть выполнен из материала, стойкого к заполняющей его среде, например из металла или пластика.
При изготовлении биореакторов из пластика секции и модули между собой соединяются с помощью фланцевого болтового соединения или с помощью муфтовых сальниковых соединений, а при изготовлении из металла могут соединяться между собой как с помощью фланцевых болтовых соединений, так и напрямую - посредством сварки.
Внутреннее пространство биореактора разделено сегментами на три секции - загрузочную, рабочую и выгрузочную, сегменты перекрывают все пространство сверху и не доходят до дна емкости. В верхней части загрузочной секции биореактора расположен технологический люк для загрузки биомассы. Загрузочная секция отделена от рабочей секции перегородкой-сегментом, не доходящей до дна биореактора.
Рабочая секция может быть выполнена: из одного теплоизолированного трубчатого модуля или нескольких теплоизолированных трубчатых модулей, разделенных запорной арматурой, соединенной со штурвалом или электроприводом, позволяющей поэтапно запускать биореактор в работу, существенно снижая энергозатраты на начальный нагрев биомассы в биореакторе, и конструкций, их разделяющих, которые могут быть выполнены в виде:
- модулей-вставок, в которых размещается мотор-редуктор, который в свою очередь приводит во вращение горизонтальную мешалку,
- модулей-вставок в виде колен, внутри каждого из которых установлена запорная арматура,
- сегментов-разделителей конверсионных потоков.
При этом модули-вставки и запорная арматура в рабочем режиме обеспечивают беспрепятственное перетекание биомассы между трубчатыми модулями и являются одновременно разделителем температурных конверсионных потоков между модулями, что позволяет в каждом модуле поддерживать оптимальную температуру анаэробного брожения.
В верхней части каждого модуля рабочей секции имеется технологический люк и отборные устройства в виде штуцеров, один для отбора биогаза, другой для подключения напоромера, а также два смотровых окна. Каждый модуль рабочей секции имеет с обеих сторон унифицированное фланцевое болтовое соединение. Биогаз из базовых трубчатых модулей откачивается в газгольдер компрессором через отборные устройства.
В каждом трубчатом модуле рабочей секции смонтирована мешалка, конструктивно мешалка может быть выполнена в нескольких вариантах:
горизонтальной - с приводом от мотора-редуктора,
вертикальной - с креплением на верхнем технологическом люке,
погружной - при этом мешалка погружена вместе с двигателем в биомассу.
В каждом трубчатом модуле рабочей секции смонтирован теплообменник для поддержания оптимальной температуры брожения.
Мотор-редуктор для привода горизонтальной мешалки монтируется в модуле-вставке, расположенной между трубчатыми модулями рабочей секции.
В случае установки вертикальной мешалки или погружной мешалки модуль-вставка с мотором-редуктором не монтируется, а вместо нее устанавливается сегмент-разделитель конверсионных потоков или запорная арматура, которые выполняют функцию разделителя конверсионных температурных потоков между базовыми трубчатыми модулями. Сегмент-разделитель конверсионных потоков имеет зазор между верхом и низом корпуса биореактора, а в случае разделения газовых потоков между модулями - только между низом корпуса биореактора.
Биореакторы больших объемов имеют зигзагообразную форму, при этом между базовыми модулями рабочей секции устанавливают модули-вставки в виде колен, в которых смонтирована регулируемая запорная арматура, соединенная со своим штурвалом или электроприводом. Запорная арматура может герметично перекрывать сообщение между модулями рабочей секции, что позволяет поэтапно запускать биореактор в работу, существенно снижая энергозатраты на начальный нагрев биомассы в биореакторе.
В верхней части выгрузочной секции имеется технологический люк, в выгрузочной секции монтируется мешалка-миксер для перемешивания биомассы в момент выгрузки, в верхней торцевой части выгрузочной секции смонтирован не имеющий запорной арматуры патрубок для выгрузки биомассы. В нижней части выгрузочной секции смонтирован технологический патрубок, снабженный запорной арматурой, через который осуществляется опорожнение биореактора в момент проведения профилактических работ. Все секции биореактора покрываются теплоизоляционным материалом для снижения потерь тепла при нагреве и брожении.
Длина биореактора зависит от времени сбраживания, а диаметр трубы - от производительности биореактора.
Биореактор снабжен датчиками рН, датчиками, измеряющими окислительно-восстановительный потенциал еН, датчиками температуры и влажности, которые подключены к управляющему микропроцессорному контроллеру. Контроллер позволяет контролировать и управлять физико-химическим составом биомассы в биореакторе.
На фиг.1 изображен модульный биореактор с горизонтальной мешалкой, на фиг.2 изображен модульный биореактор с вертикальной мешалкой, на фиг.3 - модульный биореактор с запорной арматурой между модулями, на фиг.4 изображен модульный биореактор большого объема, имеющий зигзагообразную форму, с запорной арматурой между модулями - вид сверху, где:
1 - загрузочная секция;
2 - загрузочный люк;
3 - рабочая секция, первый базовый трубчатый модуль;
4 - технологический люк;
5 - датчик температуры;
6 - трубчатый теплообменник;
7 - мешалка горизонтальная;
8 - мотор-редуктор;
9 - модуль-вставка, обеспечивающая беспрепятственное перетекание биомассы между базовыми трубчатыми модулями;
10 - штуцер для отбора газа;
11 - рабочая секция второй базовый трубчатый модуль;
12 - мешалка-миксер;
13 - выгрузочная секция;
14 - патрубок для выгрузки биомассы;
15 - патрубок для выгрузки биомассы в момент профилактического осмотра;
16 - перегородка-сегмент;
17 - модуль-вставка в виде колена, внутри которого установлена регулируемая запорная арматура;
18 - регулируемая запорная арматура;
19 - вертикальная мешалка;
20 - сегмент-разделитель конверсионных потоков.
Модульный биореактор работает следующим образом.
Первая секция биореактора - загрузочная 1, она снабжена в верхней части загрузочным люком, через который осуществляется загрузка биомассы.
Вторая секция - рабочая, состоящая из трубчатых модулей.
В трубчатых модулях рабочей секции 3, 11 происходит брожение и образование биогаза. Биогаз откачивается компрессором в газгольдер через штуцер 10. В модулях рабочей секции установлены датчики температуры, рН, еН и давления (на фиг.1 - только датчик температуры 5). Биомасса во второй секции периодически, четыре раза в сутки, перемешивается горизонтальной мешалкой 7. Вместо горизонтальной мешалки на технологическом люке модуля рабочей секции может быть смонтирована вертикальная мешалка 19 или погружная мешалка (на фиг.2 не показана). В этом случае между модулями рабочей секции монтируется сегмент-разделитель конверсионных потоков 20. На фиг.3 и фиг.4 между модулями рабочей секции 3, 11 монтируется запорная арматура 18, позволяющая отсекать модули рабочей секции друг от друга в начальный момент загрузки биореактора биомассой, тем самым осуществлять поэтапный запуск биореактора в работу.
Третья секция - выгрузочная 13, имеет небольшой объем. В ней идет накопление перебродившей биомассы и происходит ее выгрузка. В верхней части третьей секции на технологическом люке монтируется мешалка-миксер 12 или погружная мешалка (на фиг.1 не показана) для перемешивания биомассы в момент выгрузки, в верхней торцевой части выгрузочной секции смонтирован патрубок 14 для выгрузки перебродившей биомассы.
В нижней торцевой части выгрузочной секции смонтирован патрубок 15, через который при остановке биореактора выполняется его внутренняя очистка.
В загрузочную секцию 1 через загрузочный люк 2 загружается биомасса. Датчики влажности и кислотности (не показаны) определяют характеристики загруженного сырья, и в случае необходимости, по сигналу с микроконтроллера, производится увеличение влажности путем добавления воды или изменение кислотности путем добавления кислоты или щелочи. Возможно добавление в биомассу бактерий, ускоряющих процесс разложения органических веществ биомассы.
Корпус биореактора, разделенный перегородками-сегментами 16, можно рассматривать как сообщающиеся сосуды, имеющие перепускные отверстия в виде пространства под перегородками. Вновь поступившая из загрузочной секции 1 биомасса продавливается под перегородкой-сегментом 16 в первый базовый трубчатый модуль 3 рабочей секции, в котором идет предварительное брожение в мезофильном режиме, а оттуда - через нижний просвет модуля-вставки 9, являющейся одновременно разделителем конверсионных температурных потоков, далее - во второй модуль 11 рабочей секции, где идет процесс термофильного брожения.
Биогаз скапливается в верхней части модулей рабочей секции 3, 11, занимая свободное пространство между внутренней поверхностью корпуса и поверхностью биомассы, и по сигналу датчика давления откачивается компрессором в газгольдер.
Далее биомасса продавливается под разделенной перегородкой-сегментом 16 в выгрузочную секцию 13, она там накапливается до уровня выгрузочного патрубка 14 и самоизливом поступает в приемник перебродившей биомассы (не показан).
При профилактических работах слив биомассы из биореактора проводят через очистной патрубок 15, который снабжен запорной арматурой. Модульная конструкция биореактора позволяет в каждом модуле установить теплообменник и перемешивающее устройство, что позволяет, наращивая модули, изготавливать биореакторы большого объема, а также создавать в модулях оптимальные физико-химические условия для брожения биомассы и поэтапно запускать биореактор в работу. Технологические параметры в модулях рабочей секции поддерживаются автоматически - по командам, выдаваемым микропроцессорным контроллером.
Пример выполнения.
3
Биогазовая установка фиг.5 с биореактором рабочим объемом 30 м. Биореактор выполнен в виде трубы. Длина реактора - 14 м, диаметр трубы - 2 м. Корпус биореактора разделен на три секции перегородками-сегментами, не доходящими до дна примерно на 300 мм. Рабочая секция состоит из двух базовых трубчатых модулей, между модулями монтируется модуль-вставка с мотором-редуктором, который приводит во вращение горизонтальную мешалку. Модуль-вставка с мотором-редуктором препятствует конверсионному перемешиванию биомассы между модулями. Время выхода биореактора на рабочий режим должно составлять не менее 12 суток. Биогаз, который образуется внутри рабочей секции биореактора, по показанию датчика давления откачивается компрессором в газгольдер.
Биореактор может перерабатывать отходы от 30 голов КРС.