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 пищевых продуктов, содержащее универсальный привод с редуктором, рабочую камеру и сменные органы для перемешивания, закрепленные на валу привода (см. Кирпичников В.П., Леенсон Г.Х. Справочник механика. Общественное питание. M., «Экономика», 1990 г., с.278).
Известный механизм МВП-П-1 выпускается отечественной промышленностью для равномерного перемешивания и взбивания различных пищевых продуктов. К недостаткам такого механизма можно отнести, в частности, отсутствие герметичности используемых сменных емкостей, что является препятствием для его применения в качестве устройства для перемешивания субстрата в реакторах анаэробного сбраживания органических отходов.
Наиболее близким техническим решением к предложенному, является 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. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер M. Биогаз. Теория и практика. Пер. с нем. и предисловие Серебряного М.И. - M.: Колос, 1982 г., стр.32 - прототип).
Недостатками известного устройства являются сравнительно низкая эффективность перемешивания и аэрации субстрата в реакторе, связанная с малой глубиной погружения перемешивающего механизма и несовершенством имеющихся средств управления термодинамическими параметрами процесса анаэробного разложения отходов различного происхождения для получения товарных количеств целевых продуктов.
Решаемой задачей является создание сравнительно простого, эффективного и многофункционального устройства для искусственного перемешивания органических отходов различной природы в реакторе анаэробного сбраживания за счет перемешивания и аэрации субстрата по всему объему реактора при одновременном воздействии на термодинамические параметры процесса для повышения выхода биогаза.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для перемешивания субстрата в реакторе анаэробного сбраживания органических отходов, содержащем внешний привод и вертикальный вал с закрепленной в рабочем объеме реактора погружной мешалкой, согласно полезной модели, устройство 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.
Кроме того, силовой элемент погружной мешалки и трубопроводы для подачи горячей воды могут иметь, по преимуществу, овальное сечение и могут быть приварены друг к другу так, чтобы большие оси сечений и точки крепления трубопроводов к силовому элементу лежали на одной прямой.
Кроме того, силовой элемент погружной мешалки может быть выполнен в виде трубы с отверстиями по ее длине с возможностью подачи в субстрат газа или жидкости через вращающийся коллектор по каналам внутри вертикального вала.
Такое выполнение устройства для перемешивания органических отходов различной природы в реакторе анаэробного сбраживания позволяет повысить его эффективность за счет обеспечения интенсивной объемной циркуляции субстрата, минимизации мертвых зон, использования мелкопузырчатой пневматической системы аэрации и повышения выхода биогаза путем оптимизации температуры процесса и сокращения времени нагрева субстрата.
На фиг.1 представлен общий вид реактора анаэробного сбраживания органических отходов с трубопроводами для подачи горячей воды.
Устройство для перемешивания субстрата в реакторе анаэробного сбраживания органических отходов содержит внешний привод 1 и вертикальный вал 2 с закрепленной в объеме реактора 3 погружной мешалкой 4. Устройство дополнительно содержит средства для подогрева субстрата, выполненные в виде двух трубопроводов 5, 6, прикрепленных к силовому элементу 7 мешалки 4 с возможностью подачи в них горячей воды из системы оборотного водоснабжения (не показана) через вращающийся коллектор 8 по каналам внутри вертикального вала (не показаны).
Силовой элемент 7 мешалки 4 выполнен в форме цилиндрической спирали, размещены вдоль оси реактора 3 на расстоянии от его внутренней поверхности эквидистантно ее профилю. Трубопроводы 5, 6 приварены с противоположных сторон к силовому элементу 7 погружной мешалки 4 для создания при ее вращении объемной циркуляции субстрата за счет одновременного формирования радиальной и вертикальной компонентов скорости объемов субстрата.
Для повышения жесткости силового элемента 7 и трубопроводов 5, 6, а также для увеличения эффективности объемного перемешивания субстрата упомянутые элементы имеют, преимущественно, овальное сечение и, в данном случае, приварены друг к другу так, чтобы большие оси сечений и точки крепления трубопроводов к силовому элементу лежали на одной прямой. Сечения силового элемента 7 и трубопроводов 5, 6 могут также иметь форму крыла, овальной пластины, эллипса и др. при значительных отношениях длины к ширине.
Для дополнительной аэрации субстрата силовой элемент 7 мешалки 4 выполнен в виде трубы с отверстиями 9, расположенными по ее длине, с возможностью подачи в субстрат газа, например, воздуха, через отверстия 9 по каналам внутри вертикального вала (не показаны) и вращающийся коллектор 8. Отверстия 9 могут быть размещены с нижней, верхней или с обеих сторон сечения силового элемента 7 мешалки 4. В некоторых случаях через отверстия 9 по указанным каналам может подаваться жидкость, насыщенная кислородом или иным газом, стимулирующим процесс анаэробного разложения различных органических и сельскохозяйственных отходов.
Элементы мешалки могут быть изготовлены из высококачественной нержавеющей стали с любой степенью обработки поверхностей. Сечение вертикального вала 2 привода и конструкция узлов крепления мешалки 4 выбираются из условия механической прочности для всех режимов работы устройства.
Корпус реактора 3 в средней части 10 имеет цилиндрическую форму, в нижней части 11 - коническую. Последняя имеет патрубок 12 для ввода в рабочий объем реактора 3 органических отходов и вывода переработанных отходов. В верхней части корпуса имеется люк 13 для проведения профилактических работ по очистке реактора 3, а поз.14 обозначены опоры корпуса реактора 3. Для достижения более равномерного поля температур в рабочем объеме реактора 3, в его цилиндрической части 10 размещают водяную рубашку для нагрева отходов через стенку реактора.
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 этих 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.
Устройство для перемешивания субстрата работает следующим образом. После проведения профилактических работ в рабочий объем реактора 3 подают через патрубок 12 свежую порцию органических отходов. Затем включают электродвигатель внешнего привода 1, который через механическую передачу приводит во вращение вертикальный вал 2 с закрепленной в объеме реактора 3 погружной мешалкой 4.
Одновременно осуществляют подачу горячей воды в водяную рубашку корпуса реактора 3 и вращающиеся трубопроводы 5, 6 через каналы в валу 2 и в коллекторе 8. Горячая вода при заданной температуре подается в реактор 3 с помощью насосов, например, из системы оборотного водоснабжения. Указанное выполнение силового элемента 7 погружной мешалки 4 в форме цилиндрической спирали с приваренными к ней трубопроводами 5, 6, обеспечивает объемную циркуляцию субстрата. Его равномерное перемешивание приводит к выравниванию поля температур в рабочем объеме реактора.
Вследствие значительной вязкости субстрата конструкция элементов погружной мешалки должна обладать повышенной прочностью. Силовой элемент 7 и трубопроводы 5, 6 имеют общую повышенную прочность и жесткость в радиальном направлении благодаря выбранному типу сечения элементов 5, 6, 7 мешалки 4 и способу их крепления друг к другу.
Дополнительная аэрации субстрата осуществляется подачей в субстрат газа, например, воздуха, через отверстия 9, которые размещены с нижней и верхней сторон сечения трубчатого силового элемента 7 по всей его длине. Через отверстия 9 по упомянутым каналам может подаваться также жидкость, насыщенная кислородом для стимулирования процесса анаэробного разложения различных органических отходов.
Повышение выхода биогаза связано с эффективностью воздействия на гидродинамические и термодинамические параметры процесса анаэробного разложенияи отходов за счет интенсивной объемной циркуляции субстрата, минимизации мертвых зон, использования мелкопузырчатой пневматической 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 многофункциональное устройство для искусственного перемешивания субстрата в реакторе анаэробного сбраживания органических отходов различного типа было разработано и прошло экспериментальные и пусковые испытания на базе Марийского ГТУ. При этом была решена общая задача создания эффективной системы биохимической переработки органических отходов для получения коммерческих количеств целевых продуктов из компонентов биогаза.