ПРОМЫШЛЕННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ НА БИОГУМУС И БИОГАЗ С СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ БЛОКА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Полезная модель относится к сельскому хозяйству и предназначена для обеспечения оптимального управления универсальными промышленными установками производства биогаза и биогумуса, и локальной стабилизации экологической ситуации на местах скопления биоотходов (навоз КРС, птичий помет, зеленая масса, солома, шелуха подсолнечника, отходы силоса, бытовые отходы и т.д.).
Известны установки анаэробного сбраживания органических отходов (патент РФ №2040515, МПК: C05F 3/06, C05F 9/06, опубл. 25.07.1995; патент РФ №2196410 МПК: А01С 3/00, C02F 11/04, опубл. 20.01.2003; патент РФ №2349556 МПК: C02F 11/04, А01С 3/00, опубл. 20.03.2009; патент РФ №2370457 МПК: C02F 3/28, опубл. 20.10.2009), обеспечивающие минимальную длительность сбраживания, оптимальный выход биогаза и получение обеззараженных органических удобрений путем: предварительного измельчения, разжижения, подогрева и частичного смешивания с уже сброженной биомассой исходного сырья; конструктивным выполнением многосекционных метантенков для получения пофазного протекания сбраживания.
Основным недостатком данных установок является отсутствие их градации по мощности, в соответствии с требованиями от мелких фермерских хозяйств до крупных предприятий АПК, как основы для выбора оптимальной системы управления по техническим и экономическим показателям
Другим недостатком является отсутствие возможности контролировать качественные параметры (влажность, дисперсность твердой фракции и рН) загружаемого свежего субстрата и продуктов сбраживания в реальном масштабе времени, и, как следствие этого, отсутствие возможности управлять автоматически технологическим процессом сбраживания в зависимости от качественных и режимных параметров технологического процесса, обеспечивающих заведомо заданные количественные требования потребителей на выход удобрения или газа. Применяемые в этих установках рН-метры необходимо периодически регенерировать в процессе эксплуатации, а также калибровать при изменении состава сырья. Контроль влажности обычно осуществляется методом выпаривания. Для выполнения таких измерений необходимо вручную из кранов отбирать пробы и делать их анализ в лабораторных условиях в течение времени не менее 30 мин.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является «Промышленная установка для переработки органических отходов на биогумус и биогаз» по патенту на полезную модель RU №49524 C02F 3/00 от 27.11.2005, Бюл. №33. Установка содержит теплоизолированный биореактор, с вертикально размещенной в нем бродильной камерой; с системой обогрева биомассы, состоящей из водяной рубашки, расположенной между внешней обечайкой реактора и бродильной камерой и солнечного обогревателя в виде плоского солнечного коллектора с аккумулятором тепла и циркуляционным насосом, который смонтирован на установке и соединен с водяной рубашкой и бродильной камерой; механизма перемешивания биомассы, дополнительно снабженного гидравлической и пневматической системами; систему предварительной подготовки, механической загрузки и разгрузки биомассы, сдублированной гидравлической; трехступенчатой системой очистки выделяемого биогаза и его сборки.
3
3
Установка разработана в 8-ми модификациях с рабочим объемом бродильной камеры от 3 до 1000 м, которые могут обеспечить потребности в биогазе от одной семьи до крупного предприятия АПК. Оптимальным рабочим объемом биореактора, периодически действующей установки, для крестьянского двора является 8÷12 м. Использование в ее конструкции различных модификаций и объемов биореактора, оптимальных комбинаций конструктивных элементов механизмов (или систем) перемешивания биомассы; систем обогрева биомассы и очистки биогаза - обеспечивают ей универсальность, высокую экологичность и адаптивность к любым природно-климатическим и водно-почвенным условиям регионов, с оптимальными выходными параметрами при ее удельной стоимости обратно пропорциональной рабочему объему биореактора и минимальных эксплуатационных расходах, что обеспечивает принципиальную возможность конструирования установок с заданной мощностью и оптимальным уровнем ее автоматизации.
3
3
Универсальная, циклично работающая установка имеет оптимальные параметры процесса сбраживания по температуре (35…37°С или 45…57°С); рН среды (4,47…9,3); плотности среды (0,978…0,988); выходу биогаза (1,5…2,5 до 6 м/м) при мезофильном и термофильном процессах.
б.г
б.г
ц.б
г
Кроме того в работе (Эфендиев A.M., Шаруев Н.К. Управление биопроцессами и адаптация БГУ к регионам. Тезисы доклада на международной конференции ЮНЕСКО в МГТУ им. Баумана 16÷19 ноября 2004 г., Москва.) обоснована актуальность автоматического управления анаэробным сбраживанием с целью его адаптации к природно-климатическим и водно-почвенным условиям конкретного региона, которая обусловлена зависимостью его основных оценочных показателей (производительность по биогазу W и биогумусу М, и продолжительность цикла Т брожения) от температуры t° биомассы, которая зависит от принятого метода осуществления анаэробного брожения (мезофильный, термофильный или комбинированный); рН - среды брожения, которая зависит от физико-химического состава исходного сырья и воды; W - влажности исходного сырья, ρ - плотности биомассы, величина которой зависит от принятого метода анаэробного брожения; Фх - физико-химических свойств исходного сырья, зависящие от свойств кормов; МБ - микробиологической характеристики флоры в биомассе, которые в мезофильном непрерывном методе брожения задаются, термофильном - устанавливаются через день после начала процесса анаэробного брожения; избыточное давление Р газов в реакторе в процессе брожения). Причем, перед загрузкой биореактора необходимо также контролировать дисперсность (степень измельчения), рН и влажность W исходного сырья.
г
б.г.
б.г.
ц.б.
Анализ приведенных зависимостей показал, что t°, рН, ρ, Р, W являются параметрами управления технологическим процессом, которые должны быть заложены в основу определения основных конструктивных параметров (размеров) биореактора с требуемыми W, М, Т и автоматизации технологических процессов.
г
Однако приборы измерения этих параметров, кроме t° и Р, достаточно дороги, имеют низкое быстродействие, для произведения измерений необходимо периодически брать пробы, иногда и остановка технологического процесса, что не допустимо.
В работе описаны исследования на базе приборов экспресс-контроля количества взвешенных в растворе твердых диэлектрических компонентов, дисперсного состава и проводимости сельскохозяйственных продуктов (Парусов В.П., Шаруев Н.К., Шаруев В.Н. Автогенераторные преобразователи с термисторным мостом в измерительной цепи. Приборы и техника эксперимента. №5, 2003. - С.79-82.), близких по свойствам к биомассе, с помощью которых появляется возможность одновременно контролировать указанные управляющие параметры в реальном масштабе времени, что делает возможным устранить необходимость проведения сложных и длительных лабораторных измерений.
В основу работы приборов положен принцип одновременного раздельного измерения активной (проводимости) и реактивной (емкостной) составляющих комплексного сопротивления контролируемого объекта на рабочих частотах от 0,1 до 10 МГц. Активной составляющей в биомассе является дисперсионная среда с проводимость σ, состоящая из воды с растворенными солями, щелочами и кислотами, а реактивной составляющей является электрическая емкость С измерительного конденсатора, величина которого определяется взвешенными в дисперсионной среде твердыми диэлектрическими компонентами биоотходов размерами не более 1÷3 мм, диэлектрическая проницаемость ε которых известна, причем размеры взвесей в процессе сбраживания непрерывно изменяются в сторону уменьшения. Прибор работает в диапазоне частот от единиц до десятков МГц, обеспечивая возможность проведения дисперсного анализа взвесей.
В качестве первичного преобразователя здесь применен электроемкостной датчик, конструктивно выполненный как трехточечный конденсатор с равномерным полем в зоне измерения (патент РФ №2006788 30 января 1994 г.), который включен в термисторный самобалансирующийся дифференциальный трансформаторный мост, являющийся цепью обратной связи автогенераторного измерительного преобразователя АИП.
Исследования проводились при сбраживании коровьего навоза. С периодом в 1 час описанным выше прибором измерялись активная и реактивная составляющие среды, а также брались пробы, и с помощью рН-метра и методом выпаривания измерялись рН и влажность W среды. При этом были выявлены корреляционные связи между измерениями прибором и лабораторными измерениями качественных параметров сбраживаемой среды. В частности на рабочей частоте прибора ~1 МГц была выявлена однозначная связь измеренной прибором проводимости и измеренной лабораторными методами рН среды в зоне наибольшего выхода биогаза.
Таким образом, на основании проведенных исследований была выявлена возможность разработки установок на базе конструктивных решений прототипа, с использованием автогенераторных измерительных преобразователей и системы управления на базе блока информационных технологий, осуществляющего сбор, хранения и анализ информации методами статистики с целью выявления корреляционных связей измеренных АИП в реальном масштабе времени активных и реактивных параметров комплексного сопротивления сбраживаемой биомассы в дисперсном диапазоне рабочих частот (проводимость σ, емкость С, дисперсный состав) с ее качественными параметрами сбраживания (рН, влажность W, плотность ρ), поскольку стандартные методы измерений не обеспечивают требуемого быстродействия.
3
Причем, по мере увеличения объема биореактора, экономически выгодная система управления установкой усложняется. При объемах биореактора более 100 м установкой целесообразно управлять с помощью блока информационных технологий, созданного на базе ПЭВМ, который должен выполнять весь комплекс работ по подготовке биосырья, пуску и остановке, регулированию систем установки, оптимизации их работы, сбору, хранению и анализу информации.
3
Прототип и проведенные на его базе исследования показали возможность разработки установок объемом биореактора от 3 до 1000 м, с использованием автогенераторных измерительных преобразователей для экспресс-контроля управляющих параметров сбраживания, сбора, хранения и обработки полученной информации.
Однако, имеют следующие недостатки: отсутствие в емкости предварительной подготовки биомассы и в биореакторе контрольно-измерительных приборов измерения качественных параметров биомассы не позволяет производить оперативную подготовку биомассы перед загрузкой в биореактор, и оптимизировать время протекания процесса сбраживания и его качественные параметры.
Технической задачей создания полезной модели является обеспечение минимальных затрат физического труда и времени оператором системы управления универсальной промышленной установкой, предназначенной для переработки любых органических отходов на биогумус и биогаз, в зависимости от ее мощности, конструктивного исполнения, теплового режима брожения, способу обогрева, перемешивания, способу предварительной подготовки, загрузки и выгрузки биомассы, качеству очистки биогаза; достижения легкой адаптации ее работы к природно-климатическим, водно-почвенным и растительным условиям регионов; максимальной простоты, надежности, безопасности; получение требуемой производительности установки с оптимальными параметрами процесса сбраживания биомассы в биореакторе и достижение высокой экономичности и экологичности самой установки и обслуживаемого объекта.
г
ц.б.
Задача достигается тем, что установка снабжена емкостью предварительной подготовки биомассы, причем в эту емкость и в биореактор, дополнительно к датчикам температуры биомассы и давления биогаза, размещены электроемкостные датчики качественных параметров биомассы, которые включены в термисторный самобалансирующийся дифференциальный трансформаторный мост, являющийся цепью обратной связи автогенераторного измерительного преобразователя (АИП), и производят измерения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления сбраживаемой среды в реальном масштабе времени на дисперсных рабочих частотах, которые поступают в блок информационных технологий, выполненный на базе ПЭВМ, и состоящий из вычислительно-логического блока, формирующего управляющие сигналы для систем регулирования качественных параметров процесса сбраживания (рН, ρ, W), и систем управления режимными параметроми (t°, Р, Т); подготовки, загрузки и выгрузки сырья; блоков памяти, информационного табло и клавиатуры (пульта управления).
3
3
г
г
Причем, для промышленных установок с объемами биореактора 30÷100 м целесообразно устанавливать блок информационных технологий с автоматическим измерением основных параметров (t°, Р, ρ) и построением системы управления на базе серийных микропроцессорных устройств, например, типа Ремиконт Р-130, по замкнутому временному циклу (алгоритму); а промышленные установки с объемами биореактора 3÷30 м необходимо изготавливать для работы в ручном режиме: с минимумом средств контроля и регулирования (t°, Р, W, рН); С установкой автономных серийных средств управления и регулирования, например, регулирование температуры с помощью электрических нагревателей типа ТЭН, сопровождая их подробной инструкцией по переработке различных отходов, свойств воды и т.п.
На фигуре 1 представлена блок-схема разработанной промышленной установки с системой управления на базе блока информационных технологи. Установка содержит: биореактор 1, включающий вертикально размещенную в нем бродильную камеру и систему обогрева биомассы, состоящую из водяной рубашки, расположенной между внешней обечайкой биореактора и бродильной камерой, солнечного обогревателя в виде плоского солнечного коллектора с аккумулятором тепла и циркуляционного насоса, смонтированного на установке и соединенного с водяной рубашкой и бродильной камерой; снабженный гидравлической и пневматической системами механизм перемешивания биомассы 16; сдублированную с гидравлической систему механической загрузки и разгрузки биомассы 15; трехступенчатую систему очистки и сборки биогаза 14; камеру предварительной подготовки биомассы 5; электроемкостные датчики 2, 3, 4; автогенераторные измерительные преобразователи 7; блок информационных технологий 6, состоящий из вычислительно-логического блока 8, блока памяти 9, информационного табло 10, клавиатуры 11; и систем регулирования качественных параметров 12, 13.
Установка работает по общей программе, состоящей из последовательности самостоятельных разделов: «подготовка», «загрузка», «сбраживание», «выход биогаза», «выгрузка биоудобрений».
Вначале, по программе «подготовка» с клавиатуры 11 вводят параметры используемых видов сырья, необходимые соотношения сухой массы в общей массе смеси и алгоритм работы. Установка на этом этапе программы работает в полуавтоматическом режиме. В емкость предварительной подготовки биомассы 5, согласно предустановок программы для систем загрузки и разгрузки 15 шнековым насосом подаются определенные дозы сухой массы, предварительно измельченной и очищенной от крупных механических примесей, а также, с помощью насосной станции закачивается теплая вода и производится перемешивание механизмом 16.
Кроме того, в емкости предварительной подготовки биомассы 5 установлены электроемкостной датчик качественных параметров 2 и датчик температуры 3, сигналы с которых поступают в блок информационных технологий 6, вырабатывающий управляющие сигналы для систем регулирования 12 и 13, которые доводят смесь до температуры 45-55°С, влажность до 92% и рН до номинальных значений путем управления системами загрузки и разгрузки 15 исходного сырья и воды, или части уже сброженной биомассы при ее разгрузке из биореактора 1 с помощью гидравлической системы в виде насоса для жидкого навоза. Также, за период года с температурой окружающей среды выше 20-22°С регулирование температуры осуществляется от системы обогрева биореактора 1, состоящей из водяной рубашки, расположенной между внешней обечайкой реактора и бродильной камерой, плоского солнечного коллектора с аккумулятором тепла и циркуляционного насоса, смонтированного на установке и соединенного с водяной рубашкой и бродильной камерой, размещенной вертикально в биореакторе.
При работе установки по программе «загрузка» из емкости предварительной подготовки 5 биомасса посредством насосной станции через трубопровод и загрузочный люк системы 15 поступает в биореактор 1.
В зависимости от режима работы (полная загрузка или порционная), этап загрузки может, по мере выработки (сбраживания) биомассы включаться между другими этапами.
При работе установки по программе «сбраживание», в программу с клавиатуры 11 вводят оптимальные данные по температуре, частоте перемешивания и рН среды. Далее она работает в автоматическом режиме. Рабочая среда в биореакторе 1 перемешивается механизмами системы загрузка и разгрузка 15 с заданным циклом и частотой вращения механической пропеллерной или электромеханической мешалки, сдублированной с пневматическим механизмом перемешивания 16 биомассы биогазом, полученным через газопровод от газгольдера высокого давления, или гидравлическим перемешиванием шнековым насосом, совмещенным с системами загрузки и разгрузки 15 биомассы. Необходимые условия по температуре, рН, влажности, плотности биомассы и давлению биогаза устанавливаются программно; контролируются электроемкостными датчиками 2, 3, 4, причем электроемкостной датчик качественных параметров 2 включен в термисторный самобалансирующийся дифферинциальный трансформаторный мост, являющийся цепью обратной связи автогенераторного измерительного преобразователя 7, а показания датчиков 3 и 4 поступают на вычислительно-логический блок 8; и регулируются системами 12, 13, 14: в случае кислотной (щелочной) среды, включается насосная станция для подачи нейтрализующего (титрующего) агента. Все данные по качественным и режимным параметрам сбраживания поступают в блок информационных технологий 6, который в режиме реального времени анализирует собранную информацию, записывает ее в блок памяти 9, которая выводится на информационное табло 10 и управляет всеми системами сбраживания.
При работе установки по программе «выход биогаза», в программу, с клавиатуры 11 вводят оптимальные данные трехступенчатой системы очистки и сборки биогаза 14 при его заданном давлении в биореакторе 1, по объему газгольдера, составу проходящего газа. Система работает в автоматическом режиме. Когда концентрация выделяющегося газа достигнет заданного значения, срабатывает электроемкостной датчик давления биогаза 4, данные с которого поступают в блок информационных технологий 6, сигналы с которого открывают трубопровод, по которому биогаз самотеком поступает через тройную систему фильтрации в упругий буферный газгольдер, и затем перекачивается компрессором по герметичному трубопроводу в газгольдер высокого давления. В случае повышения давления до предельно допустимых значений, автоматически открывается аварийный клапан сброса биогаза в ГТС.
Программа «выгрузки биоудобрений» начинает работать когда на мониторе отображается уменьшение объема выхода биогаза, с клавиатуры 11 вводят данные по выгрузке сырья, открывается клапан выгрузки сырья с фильтром и насосной станцией, которое по трубопроводу поступает в накопитель удобрений, контролируемый блоком 6. После выгрузки этапы повторяются вновь, начиная с подготовки.
Таким образом, применение блока информационных технологий позволяет свести к минимуму время обслуживания установки, обеспечивает оперативную связь оборудования с персональным компьютером для сбора, сохранения и обработки данных о ходе технологического процесса, а также для дистанционного управления и настройки процесса сбраживания.