УСТАНОВКА И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА ИЗ СОДЕРЖАЩЕГО ЖИДКИЕ И ТВЕРДЫЕ КОМПОНЕНТЫ БИОЛОГИЧЕСКИ РАЗЛАГАЕМОГО МАТЕРИАЛА, В ЧАСТНОСТИ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА, А ТАКЖЕ РЕЗЕРВУАР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТАКОЙ УСТАНОВКЕ
DEVICE AND METHOD OF PRODUCING BIOGAS FROM BIODEGRADABLE MATERIAL CONTAINING LIQUID AND SOLID COMPONENTS, PARTICULARLY PRODUCTION WASTES, AS WELL AS RESERVOIR FOR PRODUCING BIOGAS FOR USE IN SAID DEVICE

Изобретение относится к установке и способу производства биогаза из содержащего жидкие и твердые компоненты органического биологически разлагаемого материала, в частности отходов производства, таких как навозная жижа из сельскохозяйственных предприятий, а также к резервуару для производства биогаза для использования в такой установке.
Изобретение касается, в частности, концентрации анаэробной биомассы в ферментерах для производства биогаза.
Известная установка (US 5015384 А) содержит производственный резервуар биогаза, из верхней зоны которого полученный биогаз может отбираться, и предусмотренное снаружи резервуара флотационное разделительное устройство. Отведенная из резервуара жидкая биомасса вместе с газом может подаваться в устройство для образования микропузырьков, предназначенных для отделения из биомассы твердых веществ. Последние вновь подаются в резервуар, между тем как очищенная жидкость может отводиться для дальнейшего использования. Таким образом, флотационное разделение осуществляется за пределами резервуара для производства биогаза в отдельном флотационном сепараторе.
Задача изобретения состоит в создании установки для производства биогаза, имеющей компактную конструкцию, и соответствующего способа повышенной эффективности в отношении выхода биогаза в единицу времени с обеспечением снижения производственных и инвестиционных расходов.
Эта задача решается за счет пунктов 1 и 8 формулы изобретения.
Отличительным признаком изобретения является флотационное разделение на жидкие и твердые компоненты внутри резервуара для производства биогаза посредством ограниченной в нем камерной зоны. В камерной зоне содержится осветленная жидкость, которая может откачиваться с нижней части камерной зоны. Одновременно происходит непрерывный обмен отсепарированной твердой биомассы из камерной зоны для смешения с находящимися в резервуаре отходами производства и отходами производства в камерную зону, причем для этого не требуются отдельные подводящая и отводящая системы. Таким образом происходит постоянная концентрация анаэробной биомассы для производства биогаза, в результате чего повышается эффективность установки. Получение микропузырьков в камерной зоне может осуществляться согласно варианту выполнения изобретения за счет того, что отводимый частичный поток осветленной жидкости из камерной зоны подается на устройство насыщения газом и насыщенная газом жидкость вновь подается в камерную зону, где газ вследствие эффектов расширения выделяется в виде микропузырьков. Согласно другому варианту выполнения в пористую подложку в камерной зоне может быть введен газ, который выходит из подложки в виде микропузырьков. Требуется создать как можно более мелкие микропузырьки, чтобы захватить большую часть твердой биомассы за счет действия поверхностного натяжения и обеспечить ее всплытие в камерной зоне. Ограниченная камерная зона заканчивается на достаточном расстоянии ниже уровня жидкости в резервуаре биогаза. Следовательно, подаваемые отходы производства протекают сверху к ограниченной зоне противотоком по отношению к поднимающимся микропузырькам.
Биологически разлагаемый материал предпочтительно перед или после ввода в резервуар для производства биогаза подвергается дополнительному механическому разделению на жидкие и твердые компоненты предпочтительно посредством шнекового пресс-сепаратора. При этом согласно другому варианту изобретения полученные после механического отделения жидкие компоненты могут делиться на различные частичные объемы и возвращаться назад в камерную зону. Вследствие этого в камерной зоне происходит определенный предпочтительный раздел направленных в сторону дна и открытого конца камерной зоны потоков жидкости различного объема в противотоке к поднимающимся микропузырькам, что может привести к дальнейшему повышению эффективности установки. Согласно другому аспекту изобретения создан резервуар для производства биогаза.
Далее изобретение поясняется более детально с помощью примеров выполнения и чертежей, где:
Фиг.1 - схематический вид с частичным разрезом биогазовой установки согласно первому варианту выполнения изобретения, встроенной в установку для разделения навозной жижи с сельскохозяйственных предприятий на жидкие и твердые компоненты,
Фиг.2 - вид и условия, аналогичные фиг.1, для биогазовой установки согласно второму варианту выполнения изобретения,
Фиг.3 - увеличенный фрагментарный вид ограниченной зоны резервуара биогаза по фиг.2,
Фиг.4 - вид сверху в поперечном разрезе ограниченной зоны резервуара биогаза по фиг.3,
Фиг.5 - вид, аналогичный фиг.1, биогазовой установки согласно третьему варианту выполнения,
Фиг.6 - вид сверху в поперечном разрезе, аналогичный фиг.4, ограниченной зоны резервуара биогаза по фиг.5 и
Фиг.7 - вид сверху в поперечном разрезе ограниченной зоны резервуара биогаза по фиг.5.
Несмотря на то, что описание изобретения и представление его на чертежах дается в связи с производством биогаза из получающейся на сельскохозяйственных предприятиях в виде побочного продукта навозной жижи, это применение не следует рассматривать как ограничение объема охраны изобретения. Более того, оно может иметь также предпочтительное применение для получения биогаза из материалов и отходов из других источников, в частности коммунальных и промышленных предприятий.
Как показано на фиг.1, в первом варианте выполнения изобретения получающаяся в стойлах навозная жижа, которая может содержать жидкие и твердые компоненты, по трубопроводу 1 направляется в сборник 3 и там может быть гомогенизирована посредством мешалки 4. Для подачи гомогенизированной навозной жижи из сборника 3 на сепаратор 6 твердой фазы от жидкости предусмотрен насос 5. Сепаратор 6 твердой фазы от жидкости представляет собой преимущественно шнековый пресс-сепаратор, как он описан, например, в EU-В-0367037, так что на него можно ссылаться при дальнейшем изложении деталей. При желании могут быть использованы также другие конструкции сепараторов твердой фазы от жидкости.
Отделенную в сепараторе 6 твердую фазу, обозначенную позицией 7, собирают и она может быть доставлена как удобрение, при необходимости в виде компоста, на поля или после соответствующей аэробной обработки использована как подстилочный материал в стойлах.
Освобожденная в значительной мере от твердых компонентов жидкая фаза навоза подается по трубопроводу 8 в резервуар для производства биогаза или в биогазовый ферментер 9 выполненной в соответствии с изобретением биогазовой установки. В резервуаре 9 предусмотрена мешалка 10 с тем, чтобы постоянно перемешивать находящуюся в нем жидкость, обозначенную на чертеже штрихпунктирными линиями.
Вместо мешалки 10, или в дополнение к ней, может быть предусмотрена также принудительная циркуляция (не показана) посредством циркуляционного насоса, всасывающего из резервуара и вновь тангенциально направляющего в него жидкость.
Образование биогаза осуществляется посредством ферментации биомассы в присутствии анаэробных бактерий, как это в принципе известно специалисту, так что более детальное пояснение этого процесса излишне.
Несмотря на то, что это не отображено на чертеже, может быть предусмотрено еще одно сепарирование находящихся еще в жидком продукте сепаратора 6 твердой фазы и жидкости твердых мелкодиспенсных частиц вещества, например, в виде мелких песочных компонентов. Предпочтительно, если это отделение может осуществляться посредством встроенного в трубопровод 8 центробежного сепаратора. Дополнительное разделение обеспечивает то, что в резервуаре 9 для производства биогаза не образуются биологически неразрушаемые шламовые отложения.
Полученный биогаз собирают, как показано пунктирными линиями на чертеже, в верхней покрытой пленкой или тому подобным зоне 11 резервуара 9, которая служит аккумулятором биогаза. Оттуда биогаз можно отводить по трубопроводу 12 для использования по другому назначению, например для производства тока при помощи газовой микротурбины.
Согласно изобретению внутри резервуара 9 предусмотрена отстоящая кверху разделительная стенка 13, которая в резервуаре 9 создает открытую сверху ограниченную зону 14, ср. также фиг.4. Разделительная стенка 13 заканчивается на соответствующем расстоянии, например в пределах 0,5-1,0 м, ниже уровня жидкости в резервуаре 9, который на чертеже указан штриховой линией.
В ограниченной зоне 14 осуществляют новое разделение жидкой и еще имеющейся твердой биомассы по принципу флотационного разделения. Для этого по трубопроводу 16 около дна ограниченной зоны 14 очищенная жидкость отводится наружу и подается на устройство 15 для образования микропузырьков. Подобного типа устройства для производства микропузырьков известны специалисту. Они служат для того, чтобы посредством начального ввода газа в жидкость под повышенным давлением с последующим интенсивным гидродинамическим разрежением жидкости в кавитационном поле создать необходимые для флотационного разделения микропузырьки газа. В качестве газа в установке согласно изобретению из трубопровода 12 отводят часть биогаза и подают по трубопроводу 17 в устройство 15 для производства микропузырьков. В частности, посредством дросселирования потока жидкости перед центробежным насосом (не показан) биогаз может засасываться и подаваться под давлением с очищенной жидкостью для раствора. Вследствие интенсивного гидродинамического разрежения в кавитационном поле растворенный газ вновь вырывается из жидкости. При этом образуются микропузырьки в микрометрическом диапазоне. Конструкция устройства для производства микропузырьков описана, например, в публикации DE 3733583 A.
Насыщенную газом осветленную жидкость по трубопроводу 18 отводят назад в ограниченную зону 14 около ее дна. Вырывающиеся из жидкости пузырьки газа поднимаются вверх в ограниченной зоне 14, в то время как введенная по трубопроводу 8 в резервуар 9 биомасса втекает сверху в ограниченную зону 14 в противотоке к поднимающимся микропузырькам. При всплытии микропузырьки захватывают с собой вверх частицы в жидкой биомассе так, что у дна ограниченной зоны 14 остается осветленная и в значительной степени дезодорированная жидкость. В виду поверхностных напряжений очень мелкие частицы биомассы также соединяются с микропузырьками и переносятся ими вверх.
Осветленная жидкость по отходящему от трубопровода 16 трубопроводу 20 может отводиться наружу. Может быть предусмотрена деаэрация 21, обеспечивающая в трубопроводе 20 постоянный не требующий всасывания слив. Позицией 19 обозначен установленный трубопроводом 20 уровень перелива, который определяет максимальную высоту наполнения жидкой биомассы в резервуаре 9.
Мешалка 10 поддерживает жидкую биомассу в движении по всему резервуару и одновременно отводит поднимающуюся в силу флотации из ограниченной зоны твердую биомассу и смешивает ее с остальным содержимым резервуара 9.
Для поддержания смешения отсепарированной твердой биомассы с остальным содержимым резервуара всасывающая сторона мешалки 10 может быть снабжена направляющей трубой (не показана), которая от образующегося плавающего слоя биомассы возле ограниченной зоны 14 может быть проведена к задней части мешалки 10.
На фиг.2-4 показан второй вариант выполнения изобретения.
В этом варианте выполнения, как и в вышеописанном первом варианте выполнения, состоящая из жидких и твердых компонентов навозная жижа 100 поступает в определенном количестве из стойлов (не показаны) в сборник 102; там она может быть гомогенизирована мешалкой 103. Насос 104 перекачивает жидкость из сборника 102 в резервуар 105 биогаза. Образованный там биогаз 106 скапливается под аккумулирующей пленкой 107, которая может представлять собой, например, покрытую ПВХ полиэфирную ткань 108. Оттуда биогаз может отводиться для использования по другому назначению.
В диаметрально противоположных местах резервуара 105 биогаза может быть предусмотрена пара мешалок 109 для постоянного перемешивания содержимого резервуара.
Внутри резервуара 105, как и в первом варианте выполнения изобретения, предусмотрена отстоящая от дна резервуара вверх разделительная стенка 113, создающая в резервуаре 105 открытую кверху ограниченную зону 114, ср. также фиг.4. Разделительная стенка 113 заканчивается на определенном расстоянии, например в пределах 0,5-1,0 м ниже уровня жидкости в резервуаре 105, который на чертеже обозначен штриховыми линиями.
По всасывающему трубопроводу 110 со дна резервуара 105 биогаза, в месте за пределами ограниченной зоны 114, насос 111 может откачивать навозную жижу и подавать ее на сепаратор 112 твердой фазы от жидкости. Предпочтительно сепаратор 112 твердой фазы от жидкости представляет собой шнековый пресс-сепаратор аналогично, как и в первом варианте выполнения.
Количество откачиваемой из резервуара 105 биогаза навозной жижи в единицу времени составляет согласно изобретению примерно на 10-20% больше, чем пропускная способность через установку.
В сепараторе 112 отделяют твердые компоненты из навозной жижи. Отделенная твердая фаза может, как обозначено позицией 130, собираться для дальнейшего использования, например, для транспортировки на прицепе.
Большая часть всего отходящего от сепаратора 112 объема жидкости подается по трубопроводу 122 в отдельную зону 114 резервуара 105 биогаза на соответствующее место возле верхнего открытого конца, предпочтительно, например, в пределах его верхней трети. Как и в вышеописанном первом варианте выполнения изобретения, в трубопроводе 122 может быть предусмотрен центробежный сепаратор или другое подходящее разделительное устройство, чтобы отделить, например, песочные не разлагаемые бактериями компоненты в жидкости.
Небольшой частичный поток отходящего от сепаратора 112 расхода жидкости подается на устройство 115 для образования микропузырьков и покидает устройство в виде наполненной микропузырьками жидкости, которая по трубопроводу 123 подается в отделенную зону 114, в соответствующее место около ее дна, предпочтительно, например, в пределах нижней трети.
Устройство для производства микропузырьков 115 может иметь аналогичную конструкцию, как и в первом варианте выполнения изобретения. В качестве газа на этот раз также используется предпочтительно часть произведенного биогаза, как это обозначено штриховым отводным трубопроводом 127 на фиг.2.
По предусмотренному около дна отделенной зоны 114 выпускному трубопроводу 121 жидкость с ограниченным содержанием твердых компонентов может отводиться из отделенной зоны 114 биогазовой установки и собираться для дальнейшего использования во временном хранилище 117. Например, собранная во временном хранилище 117 жидкость по выпускному трубопроводу 118 может быть направлена в виде жидкого удобрения на сельскохозяйственные нужды.
Произведенный биогаз может подаваться по трубопроводу 127 для дальнейшего использования, например выработки тока или тепла, на блочную теплоэлектроцентраль 119. Отходящее тепло может быть использовано, как это показано позицией 120, для стимулирующего биодеструкцию подогрева материала, содержащегося в резервуаре 105 биогаза посредством предусмотренного в нем теплообменного аппарата.
Ниже, со ссылкой на фиг.3, поясняются маршруты потоков, полученные в результате вышеназванной подачи жидкости в ограниченной зоне 114.
По трубопроводу 122 небольшой поток частичного расхода поступает в ограниченную зону 114, основной же поток расхода подается по трубопроводу 123, так что сумма обоих частичных объемов в целом попадает в ограниченную зону 114. По расположенному около дна отделенной зоны 114 трубопроводу 121 перекачивается определенное количество жидкости с ограниченным содержанием твердых веществ. При этом поступающая из трубопровода 122 жидкость делится на частичный поток 124 с небольшим расходом, который поступает назад в резервуар 105 биогаза, а частичный поток 125 с большим расходом течет на дно ограниченной зоны 114 и по выпускному трубопроводу 121 отводится наружу.
Микропузырьки подведенного по трубопроводу 123 насыщенного газом объема жидкости под действием их подъемной силы перемещаются в противоток частичному потоку 125 кверху и при этом соединяются за счет их поверхностного натяжения с находящейся в частичном потоке 126 твердой биомассой, которая вместе с частичным потоком 124 попадает таким образом назад в резервуар 105 биогаза.
На фиг.4 показан вид сверху ограниченной зоны 114. Как можно видеть, разделительная стенка 113 проходит дугообразно от одного места крепления на боковой стенке резервуара 105 биогаза до отстоящего в окружном направлении другого места крепления так, что ограниченная зона 114 может иметь по существу сечение в форме сегмента. Однако изобретение не ограничено такого рода конфигурацией ограниченной зоны 114, которая может быть выполнена также соответственно другим подходящим образом.
Пример 1
3
3
3
3
3
3
3
На сепаратор 112 твердой фазы от жидкости приходится в целом 10 м/h отделенной жидкости. Она делится на больший частичный объем 9 м/h и меньший частичный объем 1 м/h. Больший частичный объем подают по трубопроводу 122 в верхнюю треть камерной зоны 114, а меньший частичный объем после насыщения газом по трубопроводу 123 в нижнюю треть. По трубопроводу 121 из камерной зоны откачивают 8 м/h очищенной жидкости. Расход в единицу времени направленного вверх потока 124 жидкости в камерной зоне составляет 2 м/h, а потока 125, направленного вниз, 7 м/h. Следовательно, направленный вниз поток 125 и частичный расход 123 соответствуют в сумме 8 м/h откаченного потока 121.
На фиг.5-7 показан третий вариант выполнения изобретения. От второго варианта выполнения он отличается по существу модифицированным способом образования микропузырьков в ограниченной камерной зоне так, что в отношении остальных элементов конструкции можно ссылаться на описание второго варианта выполнения. Поэтому одинаковые или аналогичные детали/узлы обозначены на чертеже одинаковыми позициями, но с измененной на «2» первой цифрой.
Образование микропузырьков осуществляется иначе, чем в вышеописанных вариантах выполнения, не посредством предусмотренного снаружи резервуара биогазового устройства, а посредством предусмотренной внутри него микропористой керамической дискообразной подложки 229 около дна ограниченной камерной зоны 214, в которую (подложку) по трубопроводу 228 может вводиться находящийся под давлением газ, поднимающийся из микропористой керамической подложки 229 в виде микропузырьков. Соответствующий микропористый керамический материал подложки может быть приобретен под торговой маркой «Kerafol» по адресу Keramische Folien GmbH, Stegenthumbach 4-6, D-92676, Эшенбах/Германия. В свою очередь, газ представляет собой предпочтительно откаченный из резервуара 205 биогаз, который смешивается посредством встроенного в трубопровод 228 компрессора 231 под соответствующим давлением, прежде чем его подают в микропористую керамическую подложку 229.
Пример 2
3
3
3
3
На сепаратор 212 твердой фазы от жидкости приходится в целом 10 м/h отделенной жидкости. По трубопроводу 222 ее подают в верхнюю треть камерной зоны 214. По трубопроводу 221 из камерной зоны откачивают 8 м/h очищенной жидкости. По трубопроводу 228 биогаз под давлением 2,2 бар подают в микропористую керамическую подложку 229. Расход в единицу времени направленного вверх потока 224 жидкости в камерной зоне составляет 2 м/h, а потока 225, направленного вниз, составляет 8 м/h.
Несмотря на то, что выше была описана предпочтительно подача газа в устройстве для производства микропузырьков с использованием полученного биогаза, при желании могут быть привлечены, разумеется, также соответствующие посторонние газы из стороннего источника газа.