НЕПРЕРЫВНОДЕЙСТВУЮЩИЙ ПОДЗЕМНЫЙ ГЕНЕРАТОР БИОГАЗА
CONTINUOUS UNDERGROUND GENERATOR OF BIOGAS

Изобретение относится к области устройств, которые предназначены для получения биогаза из сточных вод животноводческих хозяйств и жизнедеятельности людей.
Близкими по технической сути изобретениями, по сравнению к предлагаемому, являются американские патенты US 4845034 и US 6962561.
Установка по патенту US 5845034 предназначена для переноса биореактора под землю для проведения биохимических реакций, в том числе и для получения биогаза.
Основными недостатками этой установки являются:
1) необходимость наличия на определенной глубине под землей слоя каменной соли для создания в нем полости для биореактора;
2) выбор в качестве исходного сырья для получения биомассы раздробленного каменного угля, бурого угля или торфа, которые требуют сложной энергоёмкой предварительной термохимической обработки;
3) необходимость выращивания штаммов специальных солестойких метаногенных микроорганизмов и обязательного введения их (засев) в биомассу;
4) малое значение давления биогаза на выходе из установки, о чем свидетельствует наличие вентилятора на выходе из нее;
5) для обеспечения работы проточных биореакторов необходима сложная система каналов в полости биореактора. Установка энергоёмкая, сложная в строительстве и эксплуатации.
Патент US 6962561, как биореактор, предлагает использовать прослойку горных пород, типа песчаников, толщиной не менее 100 м, которые находятся на глубинах от 500 до 3000 м от поверхности Земли, где температуры пород наиболее благоприятны для анаэробной переработки биомассы метаногенными организмами.
Главными недостатками указанного патента являются:
1) необходимость наличия дырчатой горной породы в необходимом нам месте, эта порода должна быть размещена на необходимой нам глубине;
2) прослойка этой породы должна иметь горизонтальное или слегка наклонное размещение в Земле;
3) покров этой прослойки должен быть непроницаем для газа и иметь куполоподобную форму;
4) так как результатом биохимического превращения биомассы будет биогаз, биоил и биовода, биоил при фильтрации в породе быстро заилит каналы, вследствие чего работа биореактора достаточно быстро прекратится;
5) указанный метод переработки биомассы экологически опасен, особенно при проникновении биомассы или промежуточных веществ переработки биомассы в водоносные слои;
6) указанная установка энергоёмка, особенно на стадии закачивания биомассы в глубокоразмещенные слои горных пород, где давление 10...50 МПа;
7) процесс переработки биомассы должен быть контролированным, чаще всег о, регулируемым по ряду параметров.
Наиболее близкой по технической сути к предлагаемому изобретению" является установка по патенту US 4388186. Описание к патенту содержит описание схем включения различных аппаратов для переработки осадка и пульпы в установке для получения биогаза со сточных вод и систем, которые обслуживают установку, а также принципы построения и работы биореактора.
Основными элементами установки являются: система подготовки биомассы (осадка), которая включает в себя осадочную ёмкость первой ступени, аэротенк. осадочную ёмкость второй ступени, центробежный уплотнитель осадка, промежуточную ёмкость для завершения процесса расщепления биомассы (вариант установки, трубопроводы, не указанные на схемах рис. 1 и 2, но необходимые для работы установки, насосы, воздушный процессор для аэротенка, обогревающие устройства для нагревания биомассы (осадка) до необходимой температуры (+35°С); система обработки биопульпы, которая включает в себя смесительный резервуар с мешалкой, обезвоживающую машин) (отжимной пресс), сушилку, гранулятор, обжигную печь и трубопроводы, систему отвода биогаза, которая включает в себя газосборник, компрессор (не изображенный на рис. 1 и 2), трубопроводы, в том числе отвода биогаза потребителям, подвода к сушарке биопульпы и к обжигательной печи; биореактор многократноциркуляционного типа, который состоит (в вариантах рис. 3 и 4) с цилиндрического стаканной формы корпуса (внешняя труба) с внешней теплоизоляцией, установленного в Земле в колодце диаметром 5 м и глубиной 10 м, внутренней трубы, размещенной соосно с корпусом биореактора и предлазначенного для нисходящего движения биомассы, насоса и винтового насоса для обеспечения циркуляции биомассы в биореакторе, труб подвода биомассы в биореактор, отвода биогаза из верхней части биореактора и отвода биопульпы.
Главные недостатки по патенту US 4388186:
1) использование как биомассы не самой органики сточных вод, а "активного биоила" (осадка), что значительно снижает коэффициент полезного ' использовании биомассы;
2) установка очень энергоёмка, поскольку даже в биореакторе для обеспечения циркуляции биомассы используется насос (см. рис. 3), или насос и винтовой насос (см. рис. 4);
3) корпус биореактора рекомендуется разместить в кольце не для использования внутреннего тепла Земли, а для уменьшения тепловых потерь биореактора (см. тепловые расчеты и таблицу в столбике 8 описания);
4) строительство колодцев в Земле диаметром 5 м и глубиной 10 м, а тем более на глубину 100 м, дело достаточно сложное, трудоемкое и энергозатратное, буровых установок с таким диаметром долота пока нет;
5) биореактор в установке многократно-циркуляционный, в таком варианте работа биогенераторной установки должна быть периодической (пропорциональной), иначе полная переработка биомассы невозможна, давление биогаза на выходе биогенератора мало, о чем свидетельствует указание о необходимости установки компрессора на выходе из биореактора (см. столбик 6, рядок 51 описания);
6) самопроизвольная система циркуляции биомассы в биореакторе, которая задекларирована в патенте, тем более во всей биогенераторной установке, физически невозможна (см. рис. 3 и 4).
В целом, биореакторная установка, что рассматривается, неработоспособна, энергоёмкая, малотехнологична, сложна в строительстве и в эксплуатации.
В основу предлагаемого изобретения поставлена задача создания высокотехнологичного, непрерывно действующего, достаточно простого в изготовлении и эксплуатации генератора биогаза, пригодного для полной утилизации городских бытовых сточных вод, сточных вод больших животноводческих комплексов с получением биогаза (аналога природного газа), биоила (органического удобрения для сельского хозяйства) и технической воды.
Эта задача решается путем размещения активной зоны биореактора в Земле, где температура горных пород, за счет внутреннего тепла Земли, равняется оптимальной для жизнедеятельности анаэробных мезофильных метаногенных микроорганизмов (+30...35°С), использования биореактора самопроточного типа, использования самопроточной системы загрузки и выгрузки биореактора за счет разности удельного веса и гидростатического давления биомассы и биопульпы (смеси пузырьков биогаза, биомассы, биоила и воды).
3
1
2
На рисунке приведена схема предлагаемого генератора биогаза, который включает в себя: ёмкость с биомассой (сточными водами жизнедеятельности животных или людей) 1, трубу подвода биомассы в биореактор 2, корпус биореактора 3, межтрубное пространство 4, конечный башмак 5 корпуса биореактора 3, активную зону биореактора (высотой Н) 6, тепловой поток 7 от горных пород к активной зоне б корпуса биореактора 3, кондуктор 8, трубопровода отвода остаточной биопульпы 9, грубы отвода биогаза 10. гидростатический напор биомассы H, гидростатический напор биопульпы H.
дв
БМ
1
БП
2
Генератор биогаза, который предлагается, работает следующим образом: биомасса из ёмкости 1 через трубу подвода биомассы 2 самотёком, за счет перепада давления Δр=g (ρ·H - ρ·Н) биомасса направляется в активную зону трубной полости 4, где анаэробные метаногенные микроорганизмы, которые находятся в достаточном количестве в биомассе, при оптимальной температуре (+30...+35°С), превращают биомассу в биогаз, биоил и воду, смесь пузырьков биогаза с остаточной биопукльпой поднимается в верхнюю часть корпуса биореактора, разделяется на биогаз и остаточную биопульпу, по трубе отвода 9 остаточная биопульпа поступает на дальнейшую переработку, по трубе отвода 10 биогаз поступает на очистку и дальнейшее использование.
Изобретение, которое предлагается малоэнергоёмкое, экологически безопасное, способное стать неисчерпаемым источником горючего газа высокого (5-6 MПа) давления.