Каталитический метантенк

Устройство относится к анаэробным методам сбраживания органических отходов для получения биогаза и может быть использовано в пищевой промышленности, в сельском хозяйстве.
Известны устройства для получения биогаза в условиях анаэробного сбраживания в метантенках. Например, по авторскому свидетельству № 791653 (бюл. № 48 от 30.12.80 г.) процесс сбраживания реализуется в одном баке, внутри которого установлен модуль тонкослойного отстаивания. В авторском свидетельстве № 891581 (бюл. № 47 от 23.12.81 г.) добиваются повышения эффективности и интенсификации процесса за счет перемешивания. Аналогичное повышение процесса метаногенеза осуществляется по авторскому свидетельству № 1599319 (бюл. № 38 от 15.10.90 г.). Во всех этих устройствах отсутствует регулирование температуры процессов сбраживания, обеспечивающих при мезофильном процессе (t≈28°C÷32°C), а при термофильном сбраживании (t≈49°C÷55°C), кроме того, в существующих устройствах отсутствует регулирование процесса измельчения субстрата до оптимальных размеров частиц, тогда, как известно, что наилучшим размером частиц являются размеры 20-25 мм (см. Вестник КрасГАУ, 2015, № 5, М.Г. Курбанова, О.Г. Позднякова, «Биотехнологические факторы анаэробной переработки отходов животноводческих хозяйств», стр.173-178).
Известно устройство (патент № 2099414, бюл. № 35 от 20.12.97 г., в котором выполнены последовательно камеры кислого, щелочного и метанового брожения, а регулирование размеров субстрата обеспечивается перфорированным днищем 20, причем измельчение осуществляется вручную перемешивающим устройством 9. Данное устройство принято нами за прототип. Устройство имеет следующие недостатки. Во-первых, в камере измельчения 19 устройство 9 осуществляет только перемешивание, поэтому перфорированная перегородка 20 может быстро забиваться твердыми веществами и требуется ее частая регенерация с остановом работы всего устройства. Это снижает производительность работы метантенка. Во-вторых, в предложенной схеме отсутствует устройство регулирования необходимой температуры.
Для устранения отмеченных недостатков и интенсификации процесса сбраживания, предложен каталитический метантенк, содержащий корпус с перегородками, установленными с образованием последовательных камер кислого, нейтрального, щелочного и метанового брожения, сообщающихся между собой, загрузочное устройство, устройство перемешивания, в котором загрузочное устройство содержит механизм измельчения исходного продукта, расположено тангенциально к лопастям, расположенным на центральном горизонтальном валу, коаксиальном корпусу, оборудованном инфракрасными излучателями и имеющими перемешивающие устройства в каждой камере, выполненные в виде шнека, обеспечивающего движение исходной субстанции последовательно от начальных камер к камере метанового брожения, в камере метанового брожения находится на непровальных решетках гранулы катализатора, а жидкая фракция направляется к примыкающему блоку тонкослойного отстаивания, после которого жидкость, содержащая жидкий катализатор, направляется на возврат к загрузочному устройству. Предложенное устройство представлено на фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, где
фиг. 1 - Общий вид в разрезе,
фиг. 2 - Схема загрузочного устройства с измельчителем,
фиг. 3 - Схема устройства,
фиг. 4 - Схема тонкослойного отстойника,
фиг. 5 - Узел I,
фиг. 6 - Схема тонкослойного отстойника с карнизами,
фиг. 7 - Схема расположения гранулированного катализатора.
Здесь 1 - корпус, 2 - лопастной смеситель, 3 - лопасти , 4 - загрузочное устройство, 5 - патрубок оборотной воды, 6 - лопасти шнека, 7 - центральный вал,8 - инфракрасный излучатель, 9 - камера каталитическая, 10 - гидрозатвор, 11 - камера сбора оборотной воды, 12 - наклонные пластины, 13 - карнизы, 14 - сетки непровальные, 15 - гранулированный катализатор, 16 - патрубок отвода шлама из корпуса, 17 - перегородки, 18 - наклонный желоб, 19 - бункер, 20 - перемешивающие лопасти, 21 - крышка, 22 - вал подачи смеси, 23 - камера смешения, 24 - лопасти шнека подачи смеси, 25 - наклонные ножи, 26 - перфорированный сепаратор, 27 - патрубок отвода биогаза, 28 - газоход продольный, 29 - магистраль отвода шлама, 30 - штуцер отвода шлама из желобов, 31 - магистраль подвода промывной жидкости.
Устройство представляет собой корпус 1, выполненный в виде цилиндра с горизонтальной осью, разделенный перегородками на четыре камеры - кислого, нейтрального, щелочного и метанового брожения. Каждая камера разделена перегородками 17 с окнами лабиринтного расположения. К переднему днищу корпуса 1 примыкает лопастной смеситель 2, в котором расположены лопасти 3. Внутри лопастного смесителя 2 и корпуса 1 расположен коаксиально центральный вал 22 подачи смеси, на котором установлены лопасти 3 и лопасти шнека 6. На валу 7, внутри корпуса 1, между витками лопастей шнека, расположен пленочный инфракрасный излучатель 8, с питанием от сети (не показан). На корпусе лопастного смесителя 2 имеется бункер 19, примыкающий к загрузочному устройству 4. Внутри загрузочного устройства 4 имеется вал подачи смеси 22, на котором установлены перемешивающие лопасти 20, лопасти шнека подачи смеси 24 и наклонные ножи 25. Вал 22, вместе с лопастями 20, 24 и ножами 25 приводится во вращение от внешнего привода через редуктор или другую передачу (зубчатая, ременная) (не показан). К бункеру 19 подходит патрубок 5 подвода оборотной воды, содержащий катализатор. Корпус загрузочного устройства 4 может быть выполнен цилиндрическим или коническим, сужающимся к сепаратору 26, как на фиг. 2, который примыкает к наклонным ножам 25 и калибрует исходное сырье до необходимых размеров. К заднему днищу корпуса 1, где находится камера метанового брожения, примыкает каталитическая камера 9, в которую поступает сырье через верхнее отверстие и проходит последовательно через несколько слоев гранулированного катализатора 15, находящихся между слоями непровальных сеток 14. После этого, жидкость поступает в зону тонкослойного отстаивания, оборудованного наклонными пластинами 12 (α~45°÷60°). Жидкая фракция поступает в камеру сбора оборотной воды 11 и далее направляется к патрубку 5. Сгущенная фракция, по наклонным пластинам 12 сползает вниз и попадает в карнизы 13. Магистраль 31 служит для подачи воды и смыва шлама из карнизов 13, откуда шлам поступает в магистраль 30 и удаляет через патрубок 29. Смытый шлам далее соединяется со шламом, отводимым из патрубка 16, который собирается по наклонному желобу 18, проходящему через все камеры корпуса 1. В верхней части корпуса имеется общий газоход 28, проходящий через все камеры и соединенный с гидрозатвором 10.
4
Устройство работает следующим образом. Предварительно готовится водный раствор катализатора для анаэробного сбраживания органических отходов (например, FeSO в дозе 0,25% от массы субстрата). Исходный субстрат загружается в загрузочное устройство 4 через бункер 19 и туда же поступает водный раствор катализатора через патрубок 5. Приводится во вращение вал подачи смеси 22 от постороннего привода (не показан). Вал 22 вращается в узлах вращения, установленных в крышке 21. Перемешивающие лопасти 20 начинают вращаться и перемешивают поступающий субстрат с жидким катализатором. Сжиженный и перемешанный субстрат поступает на лопасти шнека подачи смеси 24 и измельчается на наклонных ножах 25. Далее, субстрат проходит через сепаратор, выполненный в виде перфорированного диска с отверстиями необходимого оптимального размера (~ 20÷25 мм). Тангенциальное расположение загрузочного устройства 4 в лопастном смесителе 2 воздействует на лопасти 3, расположенные на центральном валу 7 и приводят его во вращение. Поступающий субстрат заполняет пространство корпуса 1 и по лабиринтной схеме, принудительно лопастями шнека 6 перемещается последовательно по камерам кислого, нейтрального, щелочного и метанового брожения. Выделяющийся при этих анаэробных процессах газ собирается в продольный газоход 28 и направляется в каталитическую камеру 9 и далее в гидрозатвор 10. Твердая фракция, образующаяся в каждом отсеке, опускается в нижнюю часть корпуса 1 и по наклонному желобу 18 удаляется через патрубок 16. Поверхность центрального вала 7 имеет покрытие 8 являющееся инфракрасным излучателем и в процессе работы от внешнего источника (не показан) поддерживается в каждой зоне необходимая температура, в зависимости от выбранного режима (при мезофильном сбраживании t°C≈28°÷32°; при термофильном сбраживании t°C≈49°÷55°). Далее, после камеры метанового брожения субстрат поступает в каталитическую камеру 9, где проходит через ряд гранулированных катализаторов 15, находящихся между непровальными сетками 14. Здесь осуществляется дополнительное каталитическое воздействие для увеличения метановой отдачи. Далее, субстрат поступает в зону тонкослойного отстаивания, где на наклонных пластинах 12 реализуется разделение субстрата на жидкую фазу, которая собирается в камере 11 и направляется по оборотной схеме в патрубке 5. Твердая фаза субстрата сползает по наклонным пластинам 12 и попадает в карнизы 13. Шлам из карнизов 13 смывается водой из магистрали 31 и удаляется по магистрали 29 через штуцер 30 (рис.4, рис.5). Собранный биогаз из каталитической камеры 9 через гидрозатвор 10 направляется потребителю.
Таким образом, использование в метантенке при биохимических реакциях анаэробного сбраживания катализаторы, как в жидком виде, так и твердых гранулах, позволяет существенно повысить коэффициент полезного действия за счет увеличения выхода биогаза.