БИОГАЗОВЫЙ КОМПЛЕКС

Полезная модель относится к области переработки органических отходов сельскохозяйственных животных и растениеводства в высокоэффективные органические, удобрения, биогаз, тепловую и электрическую энергию в условиях животноводческих комплексов, а также индивидуальных и фермерских хозяйств.
Известна установка для метанового сбраживания навоза (SU, АС №1549496, А01С 3/00, 15.03.1990), содержащая приемную емкость, сообщенную с цилиндрическим реактором, имеющим газовый колпак, средство отбора биогаза, устройство гидродинамического перемешивания сбраживаемой массы. Выгрузная емкость установки выполнена в виде гидравлического затвора, сообщенного с приемной емкостью и реактором.
Недостатком известного технического решения является его сложность и малая степень надежности в процессе эксплуатации.
Также известна установка для переработки отходов животноводства в удобрения (RU 2048722, А01С 3/02, 1993.02.02), содержащая усреднитель, соединенный посредством насоса с метантенком, узел разделения сброженной массы на фракции, устройство для обезвоживания твердой фракции и средство обеззараживания жидкой фракции, приспособление для нагрева отходов, газгольдер, насос, трубопроводы и необходимые входные и выходные патрубки. Установка снабжена фильтром очистки биогаза, кислотогенным реактором, который своим входным патрубком соединен с выходным патрубком отходов основного теплообменника, а выходным с упомянутым узлом разделения сброженной массы на фракции, а также дополнительным теплообменником и средством обеззараживания твердой фракции, при этом дополнительный теплообменник соединен с патрубком отвода жидкой фракции указанного узла разделения посредством насоса, а средство обеззараживания твердой фракции установлено на входе устройства для ее обезвоживания и выполнено в виде смесителя, сообщенного с бункером для негашеной извести.
Недостатком известной установки является недостаточный уровень ее эффективности вследствие невысокой степени использования получаемой собственной тепловой и электрической энергии, а также невозможности снижение уровня эмиссии парниковых газов и создания дополнительных источников кормовой базы животноводческого комплекса.
Известна биогазовая установка для переработки навоза, включающая приемную емкость, гидрогерметизатор, газовый колпак, манометр, устройство подогрева и отбора газа. Приемная емкость выстлана чехлом из водонепроницаемого материала с армированным дном и жестко закрепленным верхним краем. Чехол является подвижным, так как армированное дно чехла связано с подъемным механизмом, при этом дно чехла опирается на решетку, под которой расположено устройство подогрева в водяной рубашке. Гидрогерметизатор снабжен выгрузным трубопроводом, конец которого находится выше уровня выгрузной площадки (патент RU №2286038, А01С 3/02, опубл. 27.10.2005, Бюл. №30).
Недостатками этой установки являются высокие энергозатраты, невозможность получения собственной электрической и тепловой энергии, высококачественных сухих и эффективных быстродействующих жидких биоорганических удобрений, а также низкая производительность, что ограничивает возможности ее использования (только мелкие хозяйства).
Также известна установка для переработки отходов животноводства и производства удобрений (RU №2056393 C1, C05F 3/06, 1993.03.19), содержащая блоки нейтрализации и очистки, компремирования и хранения газа, первый из которых выполнен в виде последовательно установленных накопителя навоза с жидкостным разбавителем и насосом подачи, теплообменника, метантенка и сепаратор с магистралями вывода твердой и жидкой фракций, подключенными соответственно через насосы-активаторы к потребителю и отстойнику, при этом перед матантенком на линии подачи подогретого навоза установлен газожидкостный эжектор, а в метантенке установлен эрлифтный барботер, соединенный по входу с выходом газожидкостного эжектора, вход которого по газу соединен с выходом блока компремирования и хранения газа.
Недостатком известного технического решения является невозможность получения собственной электрической и тепловой энергии, достаточной для обеспечения функционирования биогазового комплекса и потребителя, а также невозможность получения дополнительных кормовых средств для животноводческого комплекса.
Также известна установка для анаэробного сбраживания органических отходов с получением биогаза (RU №2073360 C1, C02F 11/04, 1994.12.19), содержащая не менее двух камер брожения, например, биореактор кислотогенной стадии брожения и метантенк, соединенных по линии отбора биогаза с газгольдером, подводящие и отводящие трубопроводы, элементы регулирования и поддержания температуры в камерах брожения, резервуары предварительной подготовки отходов и готовых удобрений, подводящие и отводящие трубопроводы. Установка снабжена энергетическим блоком для получения тепловой и электрической энергии, к входу по биогазу которого подключен выход газгольдера, элементы регулирования и поддержания температуры первой камеры брожения подключены с одной стороны к отводящему трубопроводу с метановой бражкой второй камеры брожения, а с другой - к резервуару готовых условно жидких удобрений, а указанные элементы второй камеры брожения подключены с одной стороны к входу по воде энергетического блока, а с другой - через потребитель тепла к его выходу по воде.
Недостатками известного технического решения является невозможность получения высококачественных сухих (компост) и эффективных быстродействующих жидких биоорганических удобрений, также невозможность получения дополнительного источника кормовой базы животноводческого комплекса.
Также известна биогазовая установка анаэробного сбраживания органических отходов, преимущественно навоза (RU №2074600 C1, A01C 3/02, 1993.01.26), включающая реактор, выполненный в виде емкости с лопастной мешалкой, установленной на горизонтальной оси вращения, узлы загрузки и выгрузки отходов и сборник биогаза, при этом емкость установки снабжена дополнительными лопастными мешалками и выполнена многосекционной, дно емкости расположено с наклоном в сторону узла выгрузки, узлы загрузки и выгрузки снабжены ленточными транспортерами с приводами, а мешалки установлены в каждой секции емкости и имеют общий привод, выполненный в виде цепной передачи, кинематически связанной с приводом ленточного транспортера узла загрузки.
Также известна биогазовая установка (RU №75908, А01С 3/02, 2008.04.09), которая содержит приемную емкость, образованную земляным валом и облицованную неподвижным чехлом из теплоизоляционного материала, края которого уложены в углубление кольцевого гидрогерметизатора. Емкость снабжена вертикальной и наклонной мешалками, загрузочным и выгрузным трубопроводами. Непосредственно над биомассой расположен теплоизоляционный редко перфорированный экран, края которого уложены в углубление кольцевого гидрогерметизатора. Газовый колпак (газгольдер) установки выполнен из полимерного материала, края которого закручены в виде кольцевого накопителя балластной воды и уложены в углубление кольцевого гидрогерметизатора. Кольцевой накопитель оснащен заливным и сливным патрубками и системой подогрева балластной воды. Кольцевой гидрогерметизатор заполнен водой, а в днище емкости установлена дренажная труба.
Недостатками двух последних технических решений являются невозможности получения собственной электрической и тепловой энергии, высококачественных сухих и эффективных быстродействующих жидких биоорганических удобрений, а также отсутствие дополнительных источников кормовой базы животноводческого комплекса.
Также известны автономные биоэнергетические установки, содержащие биореактор с механической мешалкой и системой автоматического управления, водогрейный котел, загрузочную емкость, фекальный насос, газгольдер, емкость для хранения удобрений, биогазэлектрогенератор, а также бойлер для горячей воды (ж. АгроРынок, №1, 2007 г.).
Недостатком известных установок является невозможность получения высококачественных сухих (компост) и эффективных быстродействующих жидких биоорганических удобрений и отсутствие источника создания собственной кормовой базы животноводческого комплекса.
Задачей настоящей полезной модели является повышение эффективности биогазового комплекса по переработке органических отходов животноводческого комплекса.
Техническим результатом от использования полезной модели является возможность получения:
- собственной электрической и тепловой энергии, достаточной для обеспечения деятельности биогазового комплекса и потребителя,
- высококачественных сухих (компост) и эффективных быстродействующих жидких биоорганических удобрений, а также возможность повышения:
- уровня экологии территорий вследствие очищения их от биоорганического загрязнения отходами жизнедеятельности крупного рогатого скота;
- качества продуктов животноводства и растениеводства и рентабельности сельхозпроизводства,
а также:
- снижение эмиссии парниковых газов;
- укрепление кормовой базы животноводческого комплекса за счет формирования дополнительного источника кормов.
Решение задачи и достижение технического результата обеспечивается биогазовым комплексом, содержащим сепаратор, сообщающийся с осушителем и проточным резервуаром с водными растениями, блок управления и питания, подключенный к элементам комплекса, компостер, последовательно соединенные между собой магистралями приемную емкость с насосом, дополнительный сепаратор, измельчитель, эжектор, накопитель, дополнительный насос, метантенк, газгольдер, фильтр и когенерационную установку, при этом основной и дополнительный сепараторы посредством дополнительных магистралей сообщены с осушителем и компостером соответственно, метантенк - с основным сепаратором, фильтр - с проточным резервуаром с водными растениями, а выход когенерационной установки подключен к потребителю тепловой и электрической энергии и элементам регулирования и поддержания температуры, установленным в накопителе, проточном резервуаре и осушителе.
Решению поставленной задачи и достижению указанного технического результата способствуют также частные существенные признаки полезной модели.
Сепараторы выполнены в виде центрифуг.
Приемная емкость выполнена в виде открытого резервуара.
Измельчитель выполнен электроискровым.
Эжектор выполнен газожидкостным.
Метантенк выполнен в виде двухсекционного реактора, секции которого представляют собой сообщающиеся наклонный трубопровод и вертикальную башню.
Секции заполнены картриджами, выполненными из пористого материала.
Проточный резервуар выполнен крытым.
Проточный резервуар выполнен многосекционным.
Проточный резервуар выполнен в виде проточного бассейна и/или проточного сосуда.
Секции проточного резервуара выполнены сообщающимися или изолированными друг от друга.
В секциях проточного резервуара размещены водные растения одного или различных видов.
Водные растения представляют собой водный гиацинт и/или макро- и микрорастения.
Приемная емкость установлена над или под землей.
Приемная емкость снабжена чехлом, выполненным из теплоизоляционного материала.
Стенки проточного резервуара выполнены с теплоизоляционным покрытием.
Элементы регулирования и поддержания температуры выполнены в виде теплообменников и/или электронагревателей.
На фиг.1 представлена структурная схема биокомплекса.
На фиг.2 - схема метантенка.
Биогазовый комплекс, содержит сепаратор 1, сообщающийся с осушителем 2 и проточным резервуаром 3 с водными растениями, блок 4 управления и питания, подключенный к элементам комплекса, компостер 5, последовательно соединенные между собой магистралями 6 приемную емкость 7 с насосом 8, дополнительный сепаратор 9, измельчитель 10, эжектор 11, накопитель 12, дополнительный насос 13, метантенк 14, газгольдер 15, фильтр 16 и когенерационную установку 17, при этом основной 1 и дополнительный 9 сепараторы посредством дополнительных магистралей 18, 19, 20 и 21 сообщены с осушителем 2 и компостером 5 соответственно, метантенк 14 - с основным сепаратором 1, фильтр 16 - с проточным резервуаром 3, а выход когенерационной установки 17 подключен к потребителю 22 тепловой и электрической энергии и элементам 23, 24, 25 регулирования и поддержания температуры, установленным соответственно в накопителе 12, проточном резервуаре 3 и осушителе 2. Элементы 23, 24 и 25 регулирования и поддержания температуры могут быть выполнены в виде теплообменников и/или электронагревателей. В состав эжектора 11 входит насос (на схеме не показан), предназначенный для подачи суспензии.
Сепараторы 1 и 9 могут быть выполнены в виде центрифуг. Приемная емкость 7 выполнена в виде открытого резервуара и может быть установлена над или под землей. Измельчитель 10 выполнен электроискровым, эжектор 11 - в виде газожидкостного эжектора, реализующего режим сверхзвукового движения смеси, метантенк 14 - в виде двухсекционного реактора, секции которого представляют собой сообщающиеся наклонный трубопровод 26 и вертикальную башню 27. Секции заполнены картриджами 28, выполненными из пористого материала. Приемная емкость 7 может быть снабжена чехлом 29, выполненным из теплоизоляционного материала. Проточный резервуар 3 может быть выполнен крытым, многосекционным, а его стенки - с теплоизоляционным покрытием 30. Секции проточного резервуара 3 могут быть выполнены сообщающимися или изолированными друг от друга, и в них могут быть размещены водные растения одного или различных видов. Водные растения представляют собой водный гиацинт и/или макро - и микрорастения. Для обеспечения регулирования потока пульпоподобной массы в магистрали 20 предусмотрен вентиль 31.
Биогазовый комплекс функционирует следующим образом. Начальный продукт (навоз КРС, свиней и птичий помет) поступает в приемную емкость 7, представляющую собой подземный открытый резервуар, расположенный в помещении коровника, (например, он же потребитель 22) или в отдельном помещении. Для поддержания температуры емкость 7 может быть снабжена чехлом 29, выполненным из теплоизоляционного материала. Из приемной емкости начальный продукт насосом 8 направляется в дополнительный сепаратор 9. На дополнительном сепараторе 9 происходит отделение (полное или частичное) твердой фракции начального продукта. Отделенная часть твердой фракции по дополнительной магистрали 18 направляется в компостер 5 (ферментер), где происходит компостирование и получение конечного продукта (аналогичного, например, продукту Пикса). Далеегкомпост вывозится на поле для последующего внесения в почву.
Оставшаяся часть исходного продукта (с влажностью 91,5%) обрабатывается измельчителем 10 с целью измельчения исходного сырья до размеров частиц не более 1 мм, а затем перерабатывается в газожидкостном эжекторе 11 для удаления растворенного в воде кислорода до заданного уровня от исходного количества и стерилизации исходной массы. Данные технологические операции во многом обеспечивают эффективность биодеградации на последующем этапе технологической цепочки. В накопителе 12 рабочей смеси происходит аккумулирование подготовленной мелкодисперсной массы и ее подогрев до необходимой температуры (40-42 град С). Для нагревания используется низкоэнтальпийная энергия когенерационной установки 17 и энергия продукта после метанирования. Процесс нагревания реализуется элементом 23 регулирования и поддержания температуры, который представляет собой теплообменник и/или электронагреватель, установленный в накопителе 12. Далее подготовленный и разогретый до необходимой температуры продукт по магистрали 6 непрерывно или по заданному временному закону подается насосом 13 в метантенк 14. В метантенке 14 происходит биодеградация продукта с выделением биогаза и эффлюента (биоудобрения). Непосредственно в метантенке 14 сырье дополнительно не подогревается для исключения скачков температуры на каждом слое метантенка. Метантенк 14 является двухсекционным реактором, в котором первая стадия гидролиза осуществляется в наклонном трубопроводе 26, который связывает накопитель 12 подготовленного сырья с основным реактором, выполненным в виде вертикальной башни 27 и заполненного картриджами 28, выполненными из пористого материала с величиной ячеек с максимальным размером 4 мм для закрепления бактериальной среды.
4
2
4
2
Выделенный биогаз (смесь CH и СО) аккумулируется в газгольдере 15. Из газгольдера 15 биогаз направляется на фильтр 16, где происходит разделение СН и СO в пропорции, необходимой для эффективной работы когенерационной установки 17, а также отделение сернистой компоненты и обезвоживание (пеногашение). Выделенный после фильтрации углекислый газ по дополнительной магистрали 21 поступает в проточный резервуар 3 с водными растениями для утилизации, где поглощается растениями и стимулирует их рост, а обогащенный метан направляется на когенерационную установку 17, в которой реализуется получение тепловой и электрической энергий. Полученная тепловая и электроэнергия поступает к потребителю 22 (например, в коровник), а также направляются на собственные нужды биогазового комплекса посредством использования элементов 23, 24 и 25 регулирования и поддержания температуры, выполненных в виде теплообменников и/или электронагревателей. Прошедшая биодеградацию в метантенке 14 пульпоподобная масса по дополнительной магистрали 20 подается на сепаратор 1, где происходит ее разделение на жидкую и густую фракции. Густая фракция по дополнительной магистрали 19 направляется в осушитель 2, в котором для поддержания требуемой температуры используется тепло когенерационной установки 17, подключенной своим выходом к элементу 25 регулирования и поддержания температуры, выполненному в виде теплообменника и/или электронагревателя. Жидкая фракция направляется в проточный резервуар 3 с водными растениями или сезонно используется в качестве активных биоудобрений. Проточный резервуар 3 представляет собой активную биосреду и может быть выполнен крытым, многосекционным, а его стенки могут иметь теплоизоляционное покрытие 30. Также проточный резервуар 3 может быть выполнен в виде проточного бассейна и/или проточного сосуда. Секции проточного резервуара 3 могут быть выполнены сообщающимися или изолированными друг от друга, и в них могут быть размещены водные растения одного или различных видов. Регулирование температуры в проточном резервуаре обеспечивается элементом 24 регулирования и поддержания температуры, выполненным в виде теплообменника. Корневая система водных растений отбирает минеральную и органическую составляющую жидкой фракции остаточного продукта, очищая его до норм сброса на рельеф или направляется на нужды самого комплекса. При этом образуется зеленая масса, которая может быть использована в пищевой цепочке. Таким образом проточный резервуар 3, представляющий собой активную биосреду, является утилизатором остаточного тепла и углекислого газа, отобранного в процессе обогащения биогаза, а также и источником получения зеленой массы. В осушителе 2 реализуется получение сухого продукта (биоудобрений), который в зимнее время может быть накоплен для последующей реализации. В процессе работы комплекса питание и управление его элементами осуществляется посредством их подключения к блоку 4 управления и питания. Таким образом, комплекс представляет собой замкнутую систему, в которой отсутствуют вредные выбросы в окружающую среду.
При использовании инновационных технологий в биогазовом комплексе существенно снижаются капиталовложения в активные биореакторы и максимально используется энергия, извлекаемая из перерабатываемой биомассы. Повышение эффективности использования биогазового комплекса обеспечивается синтезом использования прикрепленной биосреды в качестве конечного каскада очистки, получения дополнительной зеленой массы и подготовки стоков до экологически безопасного уровня, а также непрерывностью протекающих процессов в биореакторе и подготовке исходного продукта путем электроискрового измельчения, стерилизации и принудительного извлечения кислорода, что в конечном итоге позволяет существенно снизить рабочий объем метантенков.