СОЛНЕЧНАЯ БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА
SOLAR BIOGAS PLANT

Настоящее изобретение относится к биоэнергетике и может быть использовано для получения биогаза и готовых органических продуктов биохимической переработкой органических отходов.
Известен «Биоэнергетический комплекс» [1], который снабжен ветроэнергетической установкой, позволяющей в период отсутствия солнечного излучения поддерживать температуру в интервале 47-55°С в реакторе, котлом АоГВ и солнечным коллектором с баком-аккумулятором.
Недостатками данного технического решения являются возможный перегрев биомассы в реакторе в часы пика солнечной радиации и необходимость дублера-догревателя при скорости ветра, выходящей за диапазон рабочей скорости ветроэнергетической установки.
Известна биоэнергетическая установка [2], которая содержит биореактор с водяной рубашкой, солнечный коллектор, мешалка, загрузочный и выгрузочный патрубки и газгольдер. Комплекс снабжен электроводонагревателем и двигателем Стирлинга, в котором тепловая энергия сжигаемого собственного биогаза преобразовывается в электрическую энергию и используется для обогрева сбраживаемой в биореакторе биомассы до необходимой температуры.
Недостатком данного технического решения является необходимость сжигания выработанного собственного биогаза для обогрева сбраживаемой в реакторе биомассы до необходимой температуры и обеспечения непрерывной работы системы в периоды отсутствия поступления солнечного излучения, в результате чего снижается эффективность биогазовой установки.
Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату является гелиобиогазовая установка [3], биореактор которой помещен в резервуар с жидкостью, являющейся теплоемкостным тепловым аккумулятором, заряжаемым солнечными коллекторами. Для исключения перегрева сбраживаемой биомассы на трубопроводе выхода из солнечных коллекторов установлен терморегулятор.
Недостатком данного технического решения является невозможность поддержания в биореакторе необходимого изотермического режима в периоды отсутствия солнечного излучения, т.к. жидкость вокруг реактора является теплоемкостным тепловым аккумулятором, разрядка которого сопровождается непосредственным понижением температуры теплонакопителя. Из-за жестких нормативных требований, предъявляемых к допустимым предельным колебаниям от оптимального значения для выбранного режима сбраживания (для мезофильного режима - ±1,0°С в час и термофильного режима - ±0,5°С в час [4]) и с учетом того, что разница между верхним и нижним пределами оптимального температурного режима сбраживания для конкретного вида сбраживаемой биомассы не превышает 5-8°С, для накопления в данной установке достаточного количества тепловой энергии, потребной для круглосуточного поддержания в биореакторе оптимального термического режима, необходим неоправданно огромный резервуар с теплоаккумулирующей жидкостью.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является поддержание в реакторе биогазовой установки изотермического режима для круглосуточного производства биогаза при температуре, соответствующей определенному значению оптимального диапазона выбранного термического режима сбраживания конкретного вида биомассы, с применением фазопереходного теплового аккумулятора, заряжаемого энергией солнечной радиации.
Данная задача решается тем, что в заявленной солнечной биогазовой установке для сбраживания биомассы с получением биогаза, содержащей реактор, который помещен в резервуар с водой с образованием водяной рубашки, загрузочный люк для приема исходной биомассы, трубопровод отвода готового органического продукта с люком выгрузки, перемешивающее устройство в реакторе, солнечные коллекторы, соединенные с резервуаром, терморегулятор для регулирования температуры воды на выходе солнечных коллекторов и для отключения циркуляции воды в случае превышения температуры воды выше допустимого, а также систему отбора биогаза, в водяной рубашке вокруг реактора установлены контейнеры теплового аккумулятора с фазопереходным теплоаккумулирующим составом с температурой плавления, равной среднему значению оптимального диапазона температур выбранного режима сбраживания.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является поддержание в реакторе оптимального изотермического режима для сбраживания биомассы только за счет тепла солнечной радиации для круглосуточного производства биогаза, уменьшение габаритных размеров реактора и повышение его компактности.
Поддержание оптимального изотермического режима сбраживания биомассы в периоды отсутствия солнца обеспечивается фазопереходным тепловым аккумулятором, до полной кристаллизации всей массы которого температура сохраняется постоянной и равной температуре кристаллизации выбранного теплоаккумулирующего состава.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
фиг. 1, где приведен продольный разрез солнечной биогазовой установки;
фиг. 2, где приведен поперечный разрез биореактора с водяной рубашкой.
Солнечная биогазовая установка содержит реактор 1, который помещен в резервуар 2 с водой 3, соединенный с солнечными коллекторами 4. При этом сферическая крышка 5 резервуара 2 с водой и реактора 1 является общей. Свободный конец 6 загрузочного люка 7 введен в нижнюю часть сбраживаемой биомассы 8. Стержень перемешивающего устройства 9 проходит через крышку до днища реактора 1. Образующийся биогаз 10 поступает в газгольдер 11, откуда распределяется по потребителям. Готовая органическая продукция, полученная биохимической переработкой органических отходов, отводится по трубопроводу люка выгрузки 12. На трубопроводе выхода из солнечных коллекторов установлен терморегулятор 13, который отключает циркуляцию жидкости через солнечные коллекторы 4. Расширительный бачок 14 установлен снаружи резервуара 2 с водой в верхней точке системы трубопровода циркулируемой жидкости. Наружная поверхность резервуара 2 с жидкостью покрыта слоем теплоизоляции 15. Контейнеры 16 с фазопереходным теплоаккумулирующим составом 17 установлены вокруг реактора в водяной рубашке.
РАБОТАЕТ СОЛНЕЧНАЯ БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ
После предварительной подготовки увлажненное сырье (навоз домашних животных, растительная биомасса и другие органические отходы) подается в реактор 1 через загрузочный люк 7, где в анаэробных условиях осуществляется процесс сбраживания. Образующийся биогаз 10 из верхней части реактора через трубопровод выхода биогаза поступает в газгольдер 11, откуда подается потребителям. Остаток сброженной биомассы из нижней части реактора по трубопроводу люка выгрузки 12 вывозят в виде готовых органических продуктов (удобрения, кормовые добавки для животных и др.). Коллекторы, теплоизолированный снаружи резервуар 2 водяной рубашки, в которой помещен реактор 1, и соединительные трубопроводы системы заполняются жидким теплоносителем (водой). Нагретая в коллекторах 4 вода по термосифонному принципу поступает в верхнюю часть рубашки из жидкости вокруг реактора 1, а ее место в коллекторах занимает более холодная вода, поступающая из нижней части рубашки из жидкости обратно в коллекторы 4.
Для исключения перегрева биомассы при достижении предельной верхней температуры оптимального диапазона термического режима сбраживания в реакторе 1 в часы пика солнечной радиации терморегулятор 13 отключает циркуляцию жидкости через солнечные коллекторы. Круглосуточное поддержание оптимального изотермического режима в реакторе для сбраживания биомассы обеспечивается терморегулятором 13 и фазопереходным тепловым аккумулятором 17, контейнеры 16 которого установлены в водяной рубашке 3 вокруг реактора 1. В периоды прямого солнечного излучения температура воды в рубашке 3 не превышает верхнего предела диапазона оптимального термического режима сбраживания, что обеспечивается терморегулятором 13. Для обеспечения полной зарядки теплового аккумулятора (т.е. расплавления всей массы теплоаккумулирующего состава во всех контейнерах) температура отключения циркуляции воды в системе должна быть на 1-2°С выше температуры плавления фазопереходного теплоаккумулирующего состава. В периоды отсутствия солнечного излучения при охлаждении воды в рубашке 3 до соответствующей температуры начинается процесс кристаллизации теплоаккумулирующего состава 17, сопровождающийся выделением скрытой теплоты плавления этого состава. Она компенсирует рассеивание теплоты в окружающее пространство, поэтому температура на поверхности контейнеров, следовательно, и в водяной рубашке остается постоянной, вплоть до полной кристаллизации всей массы теплоаккумулирующего состава (разрядка аккумулятора).
Выбор определенного фазопереходного теплоаккумулирующего состава зависит от конкретного вида исходного сырья и выбранного температурного режима его сбраживания. В настоящее время накоплен достаточный эмпирический материал, позволяющий выбрать оптимальный диапазон температур сбраживания для конкретного вида перерабатываемого сырья в выбранном температурном режиме сбраживания.
Основными требованиями, предъявляемыми к фазопереходным теплоаккумулирующим материалам для биогазовых установок, являются соответствие температуры фазового перехода плавление↔кристаллизация теплоаккумулирующего состава определенному значению оптимального диапазона выбранного термического режима сбраживания конкретного вида биомассы и высокое значение энтальпии фазового перехода.
Поиск теплоаккумулирующих материалов, работающих в диапазоне температур сбраживания различных видов перерабатываемого сырья, в настоящее время сосредоточен на изучение смесей различных кристаллогидратов и добавок к ним, уменьшающих или устраняющих ряд недостатков чистых кристаллогидратов при использовании их как теплоаккумулирующих материалов: склонность к переохлаждению, быстрый выброс теплоты за счет взрывной кристаллизации, эффект испарения кристаллизационной воды, влияющий на длительность многократного термоциклирования, расслоение и др.
Фазопереходными теплоаккумулирующими составами, наиболее пригодными для поддержания оптимального изотермического режима при сбраживании большинства видов перерабатываемого органического сырья, являются
- для мезофильного режима:
3
2
2
2
1. смесь тригидрата ацетата натрия и карбамида (CHCOONa⋅3HO+NHCONH) с температурой плавления +30°С [5];
3
2
2
3
2
2
2. смесь тетрагидрата нитрата кальция и гексагидрата нитрата магния (Ca(NO)⋅4HO+Mg(NO)⋅6HO) с температурой плавления +31°С [5];
- для термофильного режима:
3
2
2
4
3
1. смесь гексагидрата нитрата магния и нитрата аммония (Mg(NO)⋅6HO+NHNO) с температурой плавления +52°С [5];
3
2
2
2
3
2
2. смесь тригидрата ацетата натрия и пентагидрата тиосульфата натрия (CHCOONa⋅3HO+NaSO⋅5HO) с температурой плавления +53°С [6].
Площадь солнечных коллекторов установки рассчитывается из условия достаточности минимальной однодневной тепловой энергии, вырабатываемой коллекторами, для разогрева всей массы воды в системе до предельной верхней температуры диапазона оптимального термического режима сбраживания и расплавления теплоаккумулирующего материала во всех контейнерах. Количество теплоаккумулирующего материала рассчитывается из условия превышения тепловой энергии разовой разрядки теплового аккумулятора над теплопотерями через наружную поверхность резервуара водяной за возможные периоды отсутствия солнечного излучения.
1. Авторское свидетельство RU №2440308, 15.12.2009 г.
2. Авторское свидетельство RU №2284967, 10.10.2006 г.
3. Авторское свидетельство RU №166736, 10.12.2016 г.
4. ГОСТ Р 53790-2010. Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Общие технические требования к биогазовым установкам.
5. А. Sharma, V.V. Туаgi, С.R. Сhen, D. Buddhi. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. Т. 13 (2009). Р. 318-345.
6. Александров В.Д., Соболь О.В., Фролова С.А., Сельская И.В. и др. Теплоаккумулирующие материалы на основе кристаллогидратов// Сучаснi будiвельнi материалi. Випуск 2009 - 1(75). - С. 100-103.