БИОРЕАКТОР МОДУЛЬНЫЙ
MODULAR BIOREACTOR

Заявляемое техническое решение относится к сельскому хозяйству и предназначено для переработки жидких органических отходов, преимущественно навоза или помета, а также пищевых отходов, с получением экологически чистых органических удобрений и горючего биогаза.
Задача, стоящая перед разработчиками, - создание универсальных биореакторов для использования в биогазовых установках, которые направлены на получение экологически чистых органических удобрений и горючего биогаза, используемого для подогрева биореактора, либо на получение экологически чистых органических удобрений и чистого биогаза, например для заправки автомобилей.
Известен реактор для анаэробного сбраживания жидких органических отходов, например навоза, содержащий теплоизолированную бродильную емкость с водяной рубашкой, патрубками для ввода и вывода сбраживаемой массы, вертикальную, центральную трубу, коаксиально установленную внутри бродильной емкости, не доходящую до днища последней, выполненную с двойными стенками и имеющую направляющие элементы на внешней поверхности и в верхней части патрубок для отхода биогаза, при этом центральная труба снабжена безнапорной магистралью, которая выполнена в виде наклонного патрубка с регулируемым клапаном, сообщенного верхним концом с верхней частью внутренней полости центральной трубы, а нижним концом - с бродильной емкостью, причем нижний конец патрубка погружен в сбраживаемую массу, а направляющие элементы выполнены в виде подвижных лопастей, установленных попарно с наклоном друг к другу (см. авторское свидетельство СССР №1152541, МПК А01С 3/00, опубликованное 30.04.1985).
Недостатки этого известного реактора заключаются в низкой эффективности удаления твердой фракции осадка, особенно при сбраживании полужидкого навоза или высококонцентрированных стоков из-за быстрого уплотнения осадка в зоне нижнего торца центральной трубы, большой длительности процесса брожения вследствие неинтенсивного перемешивания сбраживаемой массы подвижными лопастями, не имеющими привода, высоком коркообразовании на поверхности сбраживаемой массы в верхней части бродильной емкости.
Известен биореактор, имеющий форму бочки, (см. ПМ  RU №105624 U1, 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.
Недостатком данного устройства является 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 RU 2532176, опубл. 27.10.2014. Биореактор выполнен трубчатым, расположенным горизонтально и разделенным на три секции - загрузочную, рабочую и выгрузочную перегородками-сегментами, не доходящими до дна емкости. В загрузочной секции биореактора сверху расположен технологический загрузочный люк для загрузки биомассы, в верхней части выгрузочной секции так же расположен технологический люк, рабочая секция состоит из одного или нескольких модулей. В модуле рабочей секции смонтирована мешалка и теплообменник, в верхней части расположен технологический люк и отборные устройства в виде штуцеров, для подключения напоромера и отбора биогаза, при этом рабочая секция разделяется на модули или посредством одного или нескольких модулей-вставок в виде колен, или посредством одного или нескольких сегментов-разделителей конверсионных потоков. При этом все секции биореактора теплоизолированы. В рабочей секции между модулями смонтирована регулируемая запорная арматура, позволяющая герметично отсекать модули друг от друга. В выгрузочной секции смонтирована мешалка-миксер.
Недостатком данного технического решения является то, что:
- работа биореактора осуществляется под низким избыточным давлением биогаза, что требует установки компрессора для откачки биогаза;
- загрузочная и выгрузочная секции биореактора разделены перегородками сегментами, что снижает рабочий объем биореактора;
- опорожнение биореактора происходит только через нижний патрубок выгрузочной секции, в случае ремонта одного из модулей рабочей секции приходится останавливать и сливать весь объем биореактора;
- отсутствие напорной измерительной емкости затрудняет точную дозировку биомассы при загрузке биореактора;
- отсутствие аварийных клапанов давления в каждом модуле снижает безопасность технологического процесса.
Технический результат заявляемого технического решения заключается в создании биореактора с безопасным, оптимальным и низкоэнергозатратным режимом работы, обеспеченного за счет того, что биореактор состоит из двух и более автономных модулей, разделенных между собой запорной арматурой, где первый модуль является загрузочным и имеет соединение с напорной измерительной емкостью, а последний выгрузочным, между ними могут находиться другие модули, в зависимости от объема и производительности биореактора, биомасса в которых находится на разных, стадиях брожения, при этом биореактор может выводиться на рабочий режим поэтапно, существенно экономя тепловую энергию.
Каждый модуль теплоизолирован, имеет теплообменник для поддержания необходимой температуры биомассы, перемешивающее устройство, в верхней части клапан аварийного сброса давления биогаза, смотровой и технологический люки, приспособление для отбора проб, выпуска биогаза, выполненных в виде штуцеров, а также в нижней средней части каждого модуля расположен патрубок с запорной арматурой для слива биомассы в случае проведения ремонтно-профилактических работ, что позволяет ремонтировать один модуль, не сливая весь объем биореактора.
Загрузочный модуль служит для загрузки биомассы, имеет напорную измерительную емкость с датчиком верхнего уровня, снабженную патрубком, наружная часть патрубка снабжена запорной арматурой и обратным клапаном, а внутренняя часть патрубка не доходит до дна модуля.
Выгрузочный модуль, служит для выгрузки биомассы, имеет внутри на выходе в торце, патрубок с коленом, предназначенный для поддержания постоянного уровня биомассы в биореакторе, второй наружный конец патрубка опущен в емкость гидрозатвор, для препятствия выхода биогаза в атмосферу.
В нижней части выгрузочного модуля в торце, имеется патрубок с запорной арматурой для выгрузки биомассы. Биореактор работает как при низком давлении биогаза до 10 кПа, так и при высоком давлении до 0,1 МПа, что позволяет селективно по качеству, отбирать газ из каждого модуля отдельно. Все модули снабжены датчиками для контроля технологических параметров, такими как датчик давления, температуры, рН и еН. Контроль и управление биореактором осуществляется с пульта управления.
Описание изобретения
Биореактор состоит из двух и более трубчатых модулей расположенных горизонтально или вертикально, соединенных между собой запорной арматурой. Запорная арматура герметично перекрывает сообщение между модулями и может иметь как ручной, так и электрический привод, каждый модуль теплоизолирован, имеет наружный или внутренний теплообменник для поддержания необходимой температуры биомассы, в каждом модуле 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 модуле расположенном горизонтально может располагаться несколько вертикальных или погружных мешалок, в зависимости от длины модуля.
В верхней части каждого модуля монтируется клапан аварийного сброса давления биогаза, а так же расположены смотровые и технологические люки и смотровые окна для контроля пенообразования. Технологические люки монтируются в том случае, если модуль имеет вертикальные мешалки, их может быть несколько в зависимости от длинны модуля.
Каждый модуль снабжен приспособлением для отбора проб, выпуска биогаза, а так же для подключения технологических магистралей, выполненных в виде штуцеров.
В нижней средней части каждого модуля расположен патрубок с запорной арматурой для слива биомассы в случае проведения ремонтно-профилактических работ, что позволяет ремонтировать один модуль, не сливая весь объем биореактора.
Первый модуль является загрузочным, последний выгрузочным, между ними могут быть смонтированы другие модули в зависимости от производительности биореактора.
Загрузочный модуль имеет напорную измерительную емкость с датчиком верхнего уровня, которая посредством патрубка, на котором расположена запорная арматура и обратный клапан, подсоединена к модулю в верхней его части, при этом внутренняя часть патрубка расположенного внутри модуля и не доходит до дна модуля.
В выгрузочном модуле, внутри, на выходе в торце, имеется патрубок с коленом, предназначенный для поддержания постоянного уровня биомассы в биореакторе, второй наружный конец патрубка с запорной арматурой опущен в емкость гидрозатвор, для препятствия выхода биогаза в атмосферу.
В торце в нижней части выгрузочного модуля имеется патрубок с запорной арматурой для выгрузки биомассы. Все модули снабжены датчиками физико-химического контроля давления, температуры, рН и окислительно-восстановительного потенциала еН, управление биореактором осуществляется с пульта управления.
Биореактор работает как при низком давлении биогаза до 10 кПа, при этом устанавливается компрессор для откачки биогаза из биореактора в мягкий газгольдер, а отбор биогаза происходит сразу из всех модулей, так и при высоком давлении биогаза до 0,1 МПа, при этом биогаз может отбираться из каждого модуля отдельно. Слив биомассы из биореактора, при работе под низким давлением, осуществляется автоматически по принципу сообщающихся сосудов, через патрубок с коленом в гидрозатвор, при этом нижний патрубок с коленом перекрыт запорной арматурой.
При высоком давлении отбор биогаза происходит отдельно из каждого модуля, что позволяет селективно выделять биогаз более высокого качества с повышенным содержанием метана, так как биомасса в биореакторе, в разных модулях, находится на разных стадиях брожения, при этом биогаз в газгольдер поступает самотеком и компрессор для откачки биогаза из биореактора не нужен. Все технологические параметры в биореакторе контролируются и управляются с помощью пульта управления
Биореактор должен быть выполнен из материала, стойкого к заполняющей его среде, например из металла или пластика.
Длина биореактора зависит от времени сбраживания, а диаметр трубы - от производительности биореактора.
На фиг. 1 изображен модульный биореактор с вертикальной мешалкой, где:
1 - загрузочная напорная измерительная емкость;
2 - датчик верхнего уровня;
3 - запорная арматура;
4 - обратный клапан;
5 - не доходящий до дна патрубок;
6 - мешалка;
7 - датчик температуры;
8 - патрубок с запорной арматурой для слива биомассы;
9 - теплообменник;
10 - запорная арматура между первым и вторым модулями;
11 - запорная арматура между вторым и третьим модулями;
12 - датчик давления;
13 - компрессор;
14 - патрубок для выгрузки биомассы;
15 - запорная арматура;
16 - гидрозатвор;
17 - мягкий газгольдер;
18 - клапан аварийного давления;
19 - нижний патрубок для слива биомассы;
20 - смотровой люк;
21 - технологический люк;
22 - штуцер для отбора биогаза.
23 - смотровые окна.
Биореактор работает следующим образом.
Биореактор состоит из двух и более модулей, на Фиг. 1 между модулями установлена запорная арматура 10, 11 в каждом модуле смонтировано перемешивающее устройство 6 и теплообменник 9.
В первом загрузочном модуле происходит загрузка биомассы, он снабжен в верхней части напорной измерительной емкостью 1 с датчиком верхнего уровня 2, патрубком 5 с запорной арматурой 3 и обратным клапаном 4, при закрытой запорной арматуре измерительная емкость заполняется биомассой до датчика верхнего уровня 2, при заполнении емкости датчик автоматически отключает загрузочный насос. После чего открывается запорная арматура 3 и происходит загрузка биомассы в биореактор.
Во время загрузки автоматически включаются перемешивающее устройства 6. В теплообменник 9 подается теплоноситель для нагрева биомассы до необходимой температуры. Температура в модулях поддерживается автоматически за счет того, что контролируется датчиком 7.
В первом загрузочном модуле идет процесс брожения до образования биогаза и длится 10-12 суток, все это время в модуле автоматически периодически происходит перемешивание биомассы и поддерживается необходимая температура.
После заполнения первого загрузочного модуля биомассой открывается запорная арматура 10 во второй модуль и в него перетекает часть биомассы, при этом в первый модуль каждые сутки продолжается загрузка биомассы.
После заполнения второго модуля открывается запорная арматура 11 и заполняется третий и последующие модули, если их несколько.
Из последнего выгрузочного модуля биомасса через патрубок с коленом 14 и гидрозатвор 16 выгружается из биореактора. Если биореактор работает при низком давлении биогаза до 10 кПа, биогаз через штуцер 21 откачивается компрессором 13 в мягкий газгольдер 17, если биореактор работает при высоком давлении до 0,1 МПа, то биогаз поступает в мягкий газгольдер 17 самотеком. Если биореактор работающий при низком давлении до 10 кПа, полностью загружен и вышел на рабочий режим, запорная арматура 10, 11, 15 постоянно открыта, уровень в биореакторе поддерживается автоматически с помощью патрубка с коленом 14 по принципу сообщающихся сосудов, отбор биогаза производится сразу из всех модулей. При работе биореактора под высоким давлением до 0,1 МПа, в промежутке между загрузкой и выгрузкой биомассы запорная арматура 3, 10 11, 15, 19 закрыта, в этом случае отбор биогаза производится из каждого модуля отдельно, а биомасса периодически сливается через нижний патрубок 19, который снабжен как ручным, так и электрическим приводом. В модулях установлены датчики температуры 7, давления 12, рН, еН (на фиг. 1 - только датчик температуры 7). Биомасса в модулях периодически, четыре раза в сутки, перемешивается мешалками 6.
В нижней средней части каждого модуля смонтирован патрубок с запорной арматурой 8 для слива биомассы в момент проведения ремонтно-профилактических работ, а в верхней части каждого модуля смонтированы смотровые окна 23, смотровой люк 20 и технологический люк 21, если биореактор снабжен вертикальными мешалками 6.
Модульная конструкция биореактора позволяет, наращивая модули, изготавливать биореакторы большого объема, а также создавать в модулях физико-химические условия для оптимального режима брожения биомассы и поэтапно запускать биореактор в работу. Технологические параметры в биореакторе контролируются и управляются с помощью пульта управления (на фиг. 1 не показан).
Пример выполнения
3
Биогазовая установка Фиг. 1 с биореактором рабочим объемом 30 м. Биореактор, выполнен в виде трубы. Длина реактора - 15 м, диаметр трубы - 2 м. Корпус биореактора разделен на три модуля, модули соединены между собой запорной арматурой, каждый модуль снабжен перемешивающим устройством и теплообменником, что позволяет поддерживать в каждом модуле индивидуальные физико-химические параметры. Первый загрузочный модуль снабжен напорной измерительной емкостью с датчиком верхнего уровня, запорной арматурой и обратным клапаном, третий выгрузочный модуль снабжен патрубком в виде колена для выгрузки биомассы и запорной арматурой, патрубок препятствует опорожнению биореактора и поддерживает в биореакторе постоянный уровень при работе под низким до 10 кПа давлении. В торце третьего выгрузочного модуля, в нижней его части смонтирован патрубок с запорной арматурой для слива биомассы, при работе биореактора при высоком до 0,1 МПа давлении биогаза. Все модули снабжены смотровыми окнами для визуального контроля пенообразования. Время выхода биореактора на рабочий режим должно составлять не менее 10-12 суток. Биогаз, который образуется внутри модулей биореактора, по показанию датчика давления, откачивается компрессором или поступает самотеком в мягкий газгольдер. Технологические параметры в биореакторе контролируются и управляются с помощью пульта управления (на Фиг. 1 не показан).