УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАНА ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ БИОМАССЫ

Полезная модель относится к анаэробной конверсии биомассы, а именно навозного субстрата, в биогаз в раздельных процессах гидролиза и метанового брожения биомассы под действием метановых мезофильных, термофильных бактерий, содержащихся в возвратной флегме.
Из части метана и биогаза получают стандартное газовое топливо, используемое в двигателе генератора электрического тока и в терморегенеративной ячейке, генерирующей электроэнергию и тепло.
Полезная модель может использоваться в сельском хозяйстве, в частности для переработки навоза.
Известна установка для метанового сбраживания навоза (а.с.1549496, A01C 3/00, 1990 г., бюл. 40), содержащая емкость, сообщенную с цилиндрическим реактором, имеющим газовый колпак, средство отбора биогаза, устройство гидродинамического перемешивания сбраживаемого субстрата. Выгрузная емкость установки выполнена в виде гидравлического затвора, сообщенного с приемной емкостью и реактором. Установка сложная, поэтому недолговечна в эксплуатации.
Известна установка для сбраживания навоза (а.с.№1484312, А01С 3/02, 07.06.1989 г., бюл. №41), содержащий реактор, разделенный вертикальными перегородками на камеры, гидролизатор с рециркуляционным каналом, соединяющий зоны начального сбраживания субстрата и его дображивания. На дне реактора закреплен бункер песколовки со шнеком. Мешалка выполнена из трубы со шнеком, на навивках которого закреплены плоские подогреватели и в них подается теплоноситель. При загрузке в предыдущую камеру исходной массы через имеющиеся на перегородках питающие каналы, входные отверстия которых расположены в придонной части предыдущих камер, в последующие камеры вытесняется осветленная жидкость. При этом за счет размещения выходных отверстий питающих каналов в верхней части каждой последующей камеры из последней обеспечивается вытеснение осветленной жидкости без смешивания с поступающей жидкостью. Опорожнение реактора осуществляется при помощи шлюзов, имеющих заслонки.
К конструктивным недостаткам известной установки относится то, что площади нагревательных элементов недостаточно для поддержания термофильного режима на больших реакторах. Применение переливных каналов и сальников усложняет конструкцию реактора. Реактор, изготовленный из черной стали, недолговечен из-за нахождения в нем агрессивной среды и дорог.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является биогазовая установка (патент РФ №2365080 от 18.04.2007, опубл. 27.10.2008), содержащая биореактор с последовательно сообщающимися емкостями с переливными перегородками. Биореактор снабжен трубопроводами для подачи навозного субстрата и отвода сброженной массы, подогревателями, перемешивающими устройствами и устройством для сбора и отвода биогаза.
Биореактор состоит из основной емкости реактора и пяти кольцевых емкостей дозревателей. На дне каждой емкости установлены трубчатые подогреватели. Перегородки кольцевых емкостей дозревателей снабжены переливными окнами, расположенными диаметрально противоположно и на разной глубине. Над биореактором установлен газгольдер, нижний край кольца которого погружен в гидрозатвор. На наружной стороне кольца приварен опорный диск газгольдера, вращающийся на четырех ручейковых роликах, два из которых жестко закреплены в фундаменте, а два являются компенсаторами. Внутри кольца газгольдера установлены крестообразные распорки, к которым закреплены жесткая мешалка для основной емкости реактора и цепочные для кольцевых емкостей дозревателей.
Недостатками известной установки является невозможность проведения в ней одновременного термофильного и мезофильного брожения и длительность процесса получения метана из биомассы.
Задачей полезной модели является создание установки, способной более эффективно вести процесс переработки биосырья, одновременно в мезофильном и термофильном режиме, т.е. получать метан и производить удобрения в короткие сроки, и увеличение срока эксплуатации реактора.
Технический результат достигается тем, что устройство для получения метана при переработке биомассы, содержит биореактор с последовательно сообщающимися емкостями с переливными перегородками, снабженное трубопроводами для подачи биомассы и отвода сброженной массы, подогревателями, перемешивающими устройствами и устройством для сбора и отвода биогаза, а над биореактором установлен газгольдер, при этом содержит лагуну-накопитель, кавитационный деструктор-диспергатор с трубопроводом подачи биомассы в биореактор с многоступенчатым с термофильным и мезофильным полем, состоящим из 1-й основной емкости реактора и четырех квадратных емкостей с закругленными углами. В центре 1-й основной емкости установлена колонна с двумя площадками для крепления с помощью тросовой системы купола газгольдера, выполненного из упругого материала, и установки деревянного настила, разделяющего основные емкости и газгольдер. В четырех емкостях, кроме 1-й основной установлены мешалки, на стенках емкостей установлены трубчатые подогреватели для термостатирования в термофильном и мезофильном режиме. В нижней части стенок 2-й и 4-й емкости выполнены переливные отверстия. Под деревянным настилом содержит систему биодесульфатации, выполненную в виде перфорированного трубопровода, а так же содержит систему удаления из биогаза механических примесей, систему фильтрации и удаления воды из биогаза и трубу отвода отфильтрованного газа, систему подачи биогаза в факельную систему и сжигание излишков газа, подземный конденсатоотводчик, трубу отвода очищенного газа, трубу отвода конденсата, автоматизированную систему управления.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
фиг.1 - общий вид установки сверху;
фиг.2 - общий вид, сечение А-А;
фиг.3 - схема расположения труб распределения воздуха под деревянным настилом;
фиг.4 - схема фильтрации и удаления воды из газа.
Устройство для получения метана при переработке биомассы содержит лагуну-накопитель 1 с мешалкой 3 и системой подогрева исходного сырья 2, помещение многоступенчатого биореактора с термофильным и мезофильным полем 4 (МБТМП), включающего пять квадратных радиальных емкостей с закругленными углами, обозначенных последовательно: 1-й основная, 2-я, 3-я, 4-я, 5-я емкости, помещение кавитационного деструктора-диспергатора (КДД) 5, агрегат-деструкции-диспергатора (АКДЦ) 6, насосы агрегата-деструкции-диспергатора: насос 7, насос 8, шкаф коллектора 9, трубопровод подачи сырья 10 из лагуны - накопителя биомассы в помещение КДД 5, трубопровод 11 подачи биомассы в 1-ю основную емкость МБТМП из помещения КДД 5, трубопровод отвода газа 12 из помещения КДД, помещение блока управления и контроля (БУК) 13, отсек 14 для установки оси 15 мешалок 16 в 4-х емкостях МБТМП, кроме 1-й основной, приводимых во вращение мотором-редуктором мешалки 17, купол газгольдера 18, закрепленный на площадке крепления купола 19 центральной колонны 20 с помощью тросовой системы 21 и системы крепления купола к тросу 22, трубопровод подачи субстрата 23 из 5-й емкости с помощью насоса 24 в сепаратор-отделитель 25, трубопровод 44 для отвода излишков сырья из лагуны-накопителя 1 в сепаратор-отделитель 25, систему биодесульфатации под деревянным настилом 26, и так же содержит систему удаления из биогаза механических примесей, систему фильтрации и удаления воды из биогаза и трубу отвода 58 отфильтрованного газа, систему подачи биогаза в факельную систему и сжигание излишков газа, подземный конденсатоотводчик 59, трубу отвода очищенного газа 60, трубу отвода конденсата 61.
Конструктивно МБТМП выполнен следующим образом: на грунте залита площадка из армированного бетона, утепленного слоем из экструдированного пенополиуретана, верхняя часть площадки покрыта полимерным покрытием.
В центре площадки с помощью анкерных болтов установлена колонна 20, представляющая собой трубу из нержавеющей стали, содержащая две площадки-опоры из нержавеющей стали, из которых нижняя площадка 27 служит для крепления деревянного настила 26, а верхняя площадка 19 - для крепления тросовой системы 21 поддержания купола-газгольдера 18 (фиг.2).
Тросовая система поддержки купола-газгольдера устроена следующим образом: каждый из 72 тросов натянут от закладных элементов наружной емкости к площадке крепления тросов центральной колонны. Тросы выполнены из синтетических волокон, их крепление и натяжение обеспечиваются карабинами и вертлюгами из нержавеющей стали.
Купол-газгольдер сварен из скроенных листов синтетической многослойной ткани "метантенк" и прикреплен каждым фрагментом с помощью приваренных к внутренней стороны ткани элементов к тросовой системе.
В центре биоректора установлена 1-я основная емкость, вокруг которой выполнены четыре радиальных последовательно сообщающихся емкости с переливными перегородками. Емкости выполнены квадратной формы с закругленными углами и изготовлены из железобетона с полимерным покрытием с обеих сторон. Скругления выполнены для того, чтобы избежать застойных зон циркуляции биомассы.
На стенках 1-й основной емкости смонтированы трубы обогрева 33 из сшитого полиэтилена Они служат для нагрева содержимого емкости и поддержания его в термофильном режиме.
На стенках 2-й емкости, стенках 3-й емкости и стенках 5-й емкости смонтированы трубы термостатирования 28 из сшитого полиэтилена. Они служат для термостатирования биомассы в мезофильном режиме.
В нижней части 2-й и 4-й емкостей сделаны отверстия, армированные стальным листом.
Снаружи стенки 5-й емкости утеплены листами из экструдированного пенополиуретана и закрыты от внешних воздействий профнастилом оцинкованным.
На стенках 5-й емкости смонтированы два датчика уровня - датчик верхнего уровня и датчик нижнего уровня.
На верхней кромке 5-й емкости смонтированы закладные элементы для удержания тросовой системы, а с внутренней стороны емкости отлита полка 29 заодно с конструкцией емкости для опоры на нее настила 26 (фиг.2) из деревянных балок.
Деревянный настил 26 (фиг.2) устроен следующим образом: деревянные балки уложены между полкой, отлитой в стенке 5-й емкости и площадки центральной колонны 27 и закреплены болтами из нержавеющей стали.
На балках смонтированы доски настила, к которым с нижней стороны подведены трубопроводы 30 системы подачи воздуха для оборудования удаления серы из метана, выполненные перфорированными.
Помещение КДД 5 содержит агрегат деструкции-диспергации АКДД 6, насосы агрегата-деструкции-диспергатора: насос 7, насос 8, шкаф коллектора 9, трубы системы обогрева КДД 32, подведенные к полу и внутренним стенкам.
Нагрев жидкости в системе трубопроводов осуществляется за счет источника тепла 34, соединенного с узлом смешения жидкости для обогрева МБТМП. Из узла смешения теплоноситель заданной температуры поступает с помощью насоса 36 в трубы системы обогрева 1-й основной емкости МБТМП и в теплообменник догрева 40.
Теплообменник охлаждения 37 и теплообменник догрева 40 соединены с узлом смешения жидкости 39, из которого с помощью насоса теплоноситель поступает в систему обогрева лагуны-накопителя, состоящую из трубопроводов 2, через узел смешения 43, в систему обогрева КДД, состоящую из трубопроводов 32, через узлы смешения 41 и 42 и в систему охлаждения 3-й емкости МБТМП, состоящей из трубопроводов 28.
Заданная температура контролируется с помощью датчиков температуры, установленных в системе трубопроводов.
Теплообменник догрева 40 предназначен для стабилизации температурного режима линии обогрева и охлаждения.
Узел смешения 41, узел смешения 42, узел смешения 43 предназначены для получения теплоносителя заданной температуры.
Устройство для получения метана при переработке биомассы содержит датчики уровня в лагуне-накопителе, в КДД и в емкостях МБТМП.
На фиг.3 приведена схема расположения трубопроводов 30 распределения воздуха под деревянным настилом 26: магистраль подачи воздуха 45, распределительные ветки для подачи воздуха 46, клапаны для распределения подачи воздуха 47, датчик свободного кислорода 48, труба отвода газа из газгольдера 49. Также на настиле установлены датчики контроля серы, влажности, метана.
На фиг.4 показана схема фильтрации и удаления воды из газа: система автоматического розжига 50, электромагнитный клапан 51, система предотвращения обратного пламени 52, система управления электромагнитным клапаном 53, присоединенная к АСУ, емкость заполненная керамзитом 54, конденсатоотводчик 55, емкость заполненная активированным углем 56, емкость заполненная целлюлозой 57, труба отвода отфильтрованного газа 58, подземный конденсатоотводчик 59, труба отвода очищенного газа 60, труба отвода конденсата 61.
Устройство для получения метана при переработке биомассы работает следующим образом:
Биомасса поступает из коровников посредством системы навозоудаления (в настоящем документе не рассматривается) и/или с помощью трактора, оснащенного погрузчиком, смешивается с водой и подается в лагуну-накопитель 1. По трубопроводу 31 в лагуну-накопитель поступает осветленная жижа, остающаяся после сепарации субстрата в сепараторе-отделителе 25. Она служит для разжижения густого навоза. По команде системы АСУ периодически включается мешалка-измельчитель 3, чтобы не допустить расслоения биомассы по фракциям. Они также включаются при работе любого из насосов лагуны-накопителя 1. Система обогрева 2, смонтированная в полу и стенках лагуны-накопителя, поддерживает температуру биомассы не менее 20°С. Это необходимо для того, чтобы в зимний период биомасса не замерзла и ее текучесть была достаточной для транспортировки с помощью насосов.
При нормальной эксплуатации работает только насос, подающий биомассу из лагуны-накопителя 1 по трубопроводу 10 в помещение КДД 5.
При аварийной ситуации, если АСУ запрещает прием биомассы в емкость КДД 5, а верхний датчик уровня сигнализирует об опасности переполнения лагуны-накопителя 1, включается насос подачи биомассы сразу на сепаратор-отделитель жидкости 25 по трубопроводу 44, минуя МБТМП 4.
Из лагуны-накопителя 1 навоз в смеси фрагментами соломенной подстилки и другими биоразлагаемыми материалами крупной фракции по трубопроводу 10 поступает в верхнюю часть помещения КДД 5 и наполняет его до определенного уровня.
По команде АСУ периодически включается насос 7 агрегата деструкции-диспергации (АКДД) 6, который засасывает биомассу из нижней части КДД, пропускает ее через агрегат деструкции-диспергации 6 и сбрасывает уже измельченную и имеющую гомогенную структуру смесь через трубу, расположенную в верхней части АКДД, обратно в КДД. При прохождении через кавитационный деструктор-диспергатор смесь измельчается и нагревается.
Агрегат кавитационной деструкции-диспергации предназначен для того, чтобы подготавливать биомассу к анаэробному сбраживанию с большей эффективностью. Скорость сбраживания зависит от нескольких факторов: температуры среды, оптимальной для жизнедеятельности бактерий и размеров твердых включений биомассы. Чем меньше размеры твердых включений, тем более интенсивно происходит сбраживание, и меньше времени требуется на весь цикл.
Приготовление диспергированной смеси биомассы с водой значительно уменьшает вероятность появления на поверхности жидкости в биореакторе твердой корки, которая препятствует выделению метана из биомассы.
Агрегат кавитационной деструкции-диспергации (АКДД) работает следующим образом:
По команде АСУ насос 7 агрегата кавитационной деструкции-диспергации 6 засасывает биомассу по трубопроводу, расположенному в нижней части КДД и подает ее непосредственно в агрегат кавитационной деструкции-диспергации.
В агрегате кавитационной деструкции-диспергации биомасса проходит плавно сужающуюся часть и попадает в резко расширяющуюся часть, где вынужденное уменьшение давления приводит к кавитации, поскольку жидкость стремится в сторону большего объема. Кавитация разрушает твердые включения в биомассе на более мелкие фрагменты из-за имплозии.
Так как биомасса не всегда имеет одинаковую плотность и другие параметры, необходимо управлять процессом кавитации. Для этого на корпусе АКДД в зоне кавитации расположен датчик вибрации.
АСУ в реальном времени измеряет уровень вибрации и исходя из полученных данных, регулирует производительность насоса АКДД при помощи векторного преобразователя частоты для поддержания уровня кавитации в заданном диапазоне.
По команде АСУ гомогенизированная и нагретая до температуры 34-37°С смесь насосом 8 по изолированному трубопроводу 11 подается в 1-ю основную емкость МБТМП 4 и заполняет ее, заполнение остальных емкостей происходит путем последовательного прохождения биомассы через верхнюю часть емкостей (переливом) и через отверстия в нижней части 2-й и 4-й емкостей.
В многоступенчатом биореакторе с термофильным и мезофильным полем (МБТМП) 4 происходит анаэробное сбраживание биомассы с последующей выработкой метана.
Создание термофильного режима в 1-й основной и 2-й емкостях и мезофильного режима в 3-й, 4-й и 5-й емкостях осуществляется за счет труб смонтированных на стенках емкостей.
Для осуществления термофильного и мезофильного режимов необходимо обеспечить температуры биомассы 55 и 34-37°С соответственно.
Для ускорения процесса, а также для исключения застойных зон в биореакторе за исключением 1-й основной емкости, встроены мешалки 16, расположенные на оси 15, которые постоянно перемешивают поступающую массу.
После прохождения полного процесса брожения и выделения биогаза, отработанная биомасса поступает с помощью насоса 24 по трубопроводу 23 в сепаратор-отделитель 25, где происходит разделение отработанной биомассы на жидкую и твердую фазы. Твердая фаза поступает в бетонный открытый приямок и в последующем служит для изготовления удобрений. Отделенная жидкая фаза возвращается в цикл производства биогаза путем подачи по трубопроводу 44 в лагуну-накопитель 1.
Для оптимальной работы газопотребляющего оборудования (ГПУ, ГТУ, котлов, ДВС) необходим метан, содержащий минимальное количество серы, примесей и водяного пара. В биогазе же содержится значительное количество примесей, которые необходимо удалить из него перед тем, как поставить потребителю. Также в период снижения потребления газа потребителем предусмотрен сброс газа из купола-газгольдера и сжигание его в факельной системе.
Биогаз, образующийся в процессе брожения в МБТМП и поступающий из помещения КДД по трубопроводу 12 скапливается под деревянным настилом 26, где просходит его биодесульфатация с применением аэробных бактерий, которые выделяют кристаллическую серу из сероводорода и других соединений серы, содержащихся в биогазе.
Создание аэробного режима осуществляется за счет системы распределения сжатого воздуха, изготовленной из силиконовых труб с перфорированными стенками 30, которая смонтирована на деревянном настиле с нижней стороны.
Таким образом, колонии микроорганизмов вырастают недалеко от труб подачи воздуха.
Биогаз, прошедший стадию биодесульфатации, поступает через щели в деревянном настиле 26 и щели, имеющиеся между деревянным настилом и полкой 29 для деревянного настила под купол газгольдера 18.
Накопленный в газгольдере биогаз поступает по трубопроводу 49 на стадию удаления механических примесей. Биогаз последовательно проходит через 3 полиэтиленовых емкости, заполненных керамзитом 54, активированным углем 56, целлюлозой 57, причем подается в нижнюю часть емкостей, а выходит из верхней. При прохождении через емкости происходит частичный сброс конденсата через конденсатоотводчики 55, расположенные в нижней части емкостей. От системы фильтрации газ подается по трубопроводу 58 в систему удаления водяного пара, состоящую из уложенных под землей труб и конденсатоотводчиков 59, причем трубы уложены с перепадом высот, а конденсатоотводчики расположены в самых нижних точках. Очищенный газ выводится через трубопровод 60 в систему подачи газа потребителю, а конденсат отводится через трубопровод 61.
Однако при существенном сокращении потребления газа потребителем давление в куполе-газгольдере может подняться до уровня, превышающего заданный параметр.
Для этого в систему транспорта газа потребителю до фильтрационной установки в трубопровод газа встроены датчик абсолютного давления газа, передающий сведения о давлении газа АСУ, и электромагнитный клапан 51, управляемый системой АСУ, отводящий биогаз через полиэтиленовую емкость, заполненную керамзитом, на систему сжигания (факел), которая оснащена системой автоматического розжига 50, активизирующегося одновременно с открытием этого электромагнитного клапана 51 и системой предотвращения обратного пламени 52.
Заявляемая полезная модель соответствует критерию «новизна», так как из известных и общедоступных источников информации не выявлено аналогичное техническое решение.
Заявляемая полезная модель соответствует критерию «промышленная применимость», так как может быть изготовлена из известных материалов и известными способами.