СПОСОБ УТЕПЛЕНИЯ КОРПУСА БИОРЕАКТОРА ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НАВОЗА
METHOD OF HEAT-INSULATING HOUSING OF BIOREACTOR FOR CONTINUOUS MANURE PROCESSING

Изобретение относится к области переработки органических отходов сельскохозяйственных животных и растениеводства в высокоэффективные органические удобрения, биогаз, тепловую и электрическую энергии.
Известны биотехнологические комплексы (биогазогенераторные установки, биогазовые установки, биореакторы для переработки органических отходов.) см. RU №48973 от 10.11.2005 - «Установка для очистки сточных вод»; RU №113913 от 10.03.2012 - «Биотехнологический комплекс по переработке органических отходов»; RU №130192 от 20.07.2013 - «Биогазовая установка для переработки навоза»; RU №2462856 - «Биогазовая установка для переработки навоза» от 10.10.2012; RU №146604 - «Биореактор для конверсии органических отходов непрерывного действия» от 20.10.2014; RU №135222 - «Биогазовая установка для переработки навоза» от 10.12.2013.
Рассмотрение известных технических решений свидетельствует о том, что они направлены на решение технологических задач; таких как обеспечение стадийности процесса переработки навоза; разделении получаемых конечных продуктов; методов подготовки исходного субстрата за счет технического усовершенствования технологического оборудования. При этом не учитываются биологические процессы, связанные с накоплением микробной биомассы, в результате которых происходит образование биогаза и переработка навоза в качественное органическое удобрение. Это следует из того, что известные биотехнологические комплексы не предусматривают термоподдерживающее покрытие наружной поверхности биореактора, что ограничивает возможность стабильного поддержания температурного режима в реакционной смеси, или в случае наличия теплоизоляции не указывают материал, из которого она изготовлена.
Известны технические решения по патентам, применяющие различные варианты поддержания стабильной температуры биореактора: патент FR 2471124, в котором указано, что емкость биореактора покрыта теплоизоляцией для поддержания стабильной температуры в биореакторе, но не раскрыто техническое решение указанного покрытия; патент RU 110588 содержит просто указание возможности поддержания температуры, патент RU 138446 содержит указание, что в конструкции используется крышка газгольдера из пеноплекса. Известно техническое решение по патенту RU №2040485 от 25.07.1995 - «Биогазогенераторная установка», использующее для поддержания температуры полую оболочку корпуса с аккумулирующим тепло веществом (АТВ), в качестве которого используется вода. Недостатки известных решений - недостаточное конструктивное решение - либо решающее проблему поддержания стабильного температурного режима частично, либо наоборот конструктивно громоздкое и сложное (полая оболочка корпуса). В то же время явной является зависимость производительности и товарной выработки биогаза от внешней температуры, что ограничивает регион их применения преимущественно южными широтами, либо повышают затраты на обогрев корпуса, что увеличивает энергоемкость производства биогаза.
Наиболее близким техническим решением является патент 2346423 С2, A01C 3/02 (2006.01), опубл. 20.02.2009 г., по которому согласно п. 5 формулы «нижняя часть биореактора заключена в рубашку для поддержания стабильной температуры в биореакторе». Недостатком является частичное конструктивное решение по применению оболочки для поддержания стабильной температуры в биореакторе, не обеспечивающее стабильную температуру биореактора при сезонных и суточных изменениях температуры окружающей среды. Кроме того, не раскрыто техническое решение конструкции указанной рубашки.
Получение биогаза и биоудобрений из органических отходов основано на метановом сбраживании и происходит в результате разложения органических веществ. Одним из основных условий получения биогаза и биоудобрений из органических отходов при разложении является соблюдение наиболее часто используемого мезофильного температурного режима. Оптимальной температурой мезофильного процесса является 36…42°С. При температуре биомассы 15°С выход метана будет так низок, что установка для переработки навоза без подогрева перестает быть экономически рентабельной. При температуре выше 45°С происходит полное угнетение популяции метанобразующих мезофильных микроорганизмов и прекращение образования метана. Следовательно, процесс метанового сбраживания очень чувствителен к изменениям температуры. Степень этой чувствительности зависит от температурных колебаний, в которых происходит переработка. При процессе ферментации могут быть допустимы изменения температуры в пределах 8±2°С. Существует также тесная взаимосвязь скорости ферментации органических отходов от стабильности температурного режима.
Целью заявляемого изобретения является создание оптимальных условий переработки навоза в высокоэффективное органическое удобрение и биогаз, выраженное в снижении энергозатрат и повышении скорости сбраживания исходного субстрата для обеспечения отъемно-доливного способа ведения технологического процесса за счет оптимизации процесса поддержания температурного режима в заданных пределах в различных условиях окружающей среды.
Техническая задача - разработка способа ускоренной непрерывной переработки навоза в различных условиях окружающей среды.
Для решения поставленной задачи предлагается способ утепления корпуса биореактора для непрерывной переработки навоза, при котором корпус биореактора, содержащего подогревающую рубашку; перемешивающее устройство; систему контроля параметров течения процесса ферментации, оснащают снаружи утепляющей оболочкой, сплошное теплоизоляционное покрытие толщиной, например, от 10 до 30 см на основе композитного материала, для чего состыковывают без зазора блоки, вырезанные из конструкционного теплоизоляционного материала, например пенопласта, затем покрывают их снаружи пластичной теплоизоляционной массой с возможностью последующего затвердевания, например акрило-полимерной смеси, затем сушат до получения твердой наружной поверхности. Конструкционный теплоизоляционный материал имеет пористую структуру и при покрытии пластичной акрило-полимерной массой демонстрирует высокую степень адгезии, то есть возникает взаимопроникающая связь между поверхностными слоями двух разнородных материалов. При этом оба материала вступают во взаимодействие, образуя синергический эффект и усиливая свойства друг друга. При затвердевании внешний слой пластичной массы вместе со слоем конструкционного материала образует единое целое в виде прочной «скорлупы», стойкой к внешним воздействиям, обеспечивающей поддержание стабильного температурного режима биореактора.
Композитным материалом принято называть многослойный материал, за счет адгезии образующий материал с новыми или улучшенными свойствами, при этом свойства составляющих компонентов дополняют друг друга и образуют при взаимодействии улучшенные потребительские свойства. Используемый для заявляемого технического решения композитный материал обладает выраженным теплоизоляционным эффектом, например, 10 см панели такого материала равны 42 см газобетонного блока, а 4 см-11 см пеноблока по критерию теплоизоляции; отличаются устойчивостью к воздействию воды, минеральных масел, щелочей, кислот; высоким уровнем теплоизоляции; хорошей прочностью; не содержит ядовитых веществ, не имеет запаха, не образуют пыли; не подвержен гниению и образованию плесени; значительно снижает эксплуатационные энергозатраты.
Наличие внешнего теплоизоляционного покрытия, выполненного в виде сплошной оболочки корпуса за исключением эксплуатационных отверстий, обеспечивает стабильное поддержание температурного режима реакционной смеси, составляющего 36…42°С за счет использования композитного материала с повышенными теплоизоляционными качествами, что позволяет независимо от температуры окружающей среды переработать, например, свыше 120 тонн исходного сырья в течение 12 суток в высокоэффективное органическое удобрение - эффлюент, готовое к применению, биогаз, тепловую и электрическую энергию в различных условиях окружающей среды.
Технический результат - повышение производительности переработки навоза в различных условиях окружающей среды за счет обеспечения стабильного температурного режима.
Технический результат достигается способом утепления корпуса биореактора для непрерывной переработки навоза, при котором корпус биореактора, содержащего подогревающую рубашку; перемешивающее устройство; систему контроля параметров течения процесса ферментации, утепляют снаружи сплошной, кроме эксплуатационных отверстий, теплоизоляционной оболочкой из композитного материала, для чего состыковывают без зазора блоки, вырезанные из конструкционного теплоизоляционного материала, затем покрывают их снаружи пластичной теплоизоляционной массой с возможностью последующего затвердевания, затем сушат до получения твердой наружной поверхности.
Сущность технического решения поясняет изображение на фигуре.
Фигура. Вид в разрезе биореактора для осуществления способа ускоренной непрерывной переработки навоза в различных условиях окружающей среды, где
1 - привод перемешивающего устройства;
2 - система контроля;
3 - люк обслуживания;
4 - корпус биореактора;
5 - перемешивающее устройство;
6 - опора биореактора;
7 - подогревающая рубашка;
8 - теплоизоляционная оболочка из композитного материала.
Пример осуществления
Для осуществления способа ускоренной непрерывной переработки навоза в различных условиях окружающей среды, при котором корпус 4 биореактора, содержащего подогревающую рубашку 7; перемешивающее устройство 5; систему контроля параметров течения процесса ферментации 2, утепляют снаружи сплошной, кроме эксплуатационных отверстий, теплоизоляционной оболочкой 8 из композитного материала толщиной, например, от 10 до 30 см из композитного материала, для чего состыковывают без зазора блоки, вырезанные из конструкционного теплоизоляционного материала, например пенопласта, затем покрывают их снаружи пластичной теплоизоляционной массой с возможностью последующего затвердевания, например, акрилополимерной смеси, затем сушат до получения твердой наружной поверхности.
3
Утепляют корпус биореактора 4 теплоизоляционной оболочкой 8 в несколько этапов. Первоначально выпекают блок конструкционного теплоизоляционного материала, например, из пенополистирола (ППС). Он имеет, например, плотность порядка 20 кг/м. Это хорошая плотность пенопласта, позволяющая ему иметь отличные теплоизоляционные свойства и иметь хорошую прочность. Сам такой пенопласт состоит на 98% из воздуха и только 2% пластик и имеет коэффициент теплопроводности 0,036.
Из блока ППС вырезают сегмент скорлупы для теплоизоляции биореактора. Таких сегментов-блоков может быть любое количество, при установке сегменты-блоки состыковывают между собой соединением «шип-паз», так что в целом они образуют единую теплоизоляционную оболочку - так называемую «шубу» для биореактора. Каждый сегмент-блок будущей оболочки вырезают на специальном станке для фигурной резки пенопласта (например, СРП-22). Разрез осуществляют с помощью нагретой нихромовой струны. Блоки без зазора состыковывают между собой соединением «шип-паз», стыки блоков перед соединением обрабатывают клеящим составом.
Однако сам по себе пенополистирол имеет пористую структуру и не может противостоять механическим воздействиям извне и не обладает достаточной стойкостью к явлениям окружающей среды. Для защиты от внешних воздействий пенополистирольную оболочку на биореакторе снаружи покрывают мягкой пластичной теплоизоляционной смесью, например акрилополимерной. Данная смесь имеет консистенцию полужидкой штукатурки, предназначена для нанесения на пенопласт, имеет с ним отличную адгезию. После нанесения данной смеси на твердую оболочку из состыкованных блоков из конструкционного теплоизоляционного материала, сушат, после чего мягкая пластичная масса вступает во взаимодействие с оболочкой из ППС и отвердевает. В результате получают «скорлупу» заданной формы в виде сплошной кроме эксплуатационных отверстий оболочки 8 корпуса 4 из композитного материала, создающую уникальную теплоизоляцию установки с прочным и стойким к внешним воздействиям наружным слоем.
3
Заявляемое техническое решение позволяет оптимизировать процесс переработки навоза сельскохозяйственных животных за счет обеспечения температурного режима реакционной смеси в диапазоне 36…42°С независимо от температуры окружающей среды, что позволяет, например, переработать с использованием установки с рабочим объемом 120 м непрерывным отъемно-доливным способом 120 тонн навоза в течение 12 суток с получением высокоэффективного органического удобрения, биогаз, тепловую и электрическую энергию.
Заявляемое техническое решение является способом повысить производительность функционирования биотехнологического комплекса по переработке навоза сельскохозяйственных животных, состоящего из:
приемного бункера;
технологического узла подготовки навоза;
биореактора, сообщающегося с газгольдером для накопления метана;
технологического узла для приготовления органических удобрений.
При использовании заявляемого технического решения осуществляется следующая последовательность выполнения технологических операций:
Исходный навоз собирается в приемном бункере, где его влажность соответствует необходимым показателям 92-96%. Далее с использованием насоса сырье загружается в технологический узел подготовки навоза, в котором происходит перемешивание и гомогенизация навоза, нагрев создаваемой биомассы до температуры 35-38°С. Экспозиция подготовленного навоза при данном температурном режиме составляет 10…14 часов. После этого с использованием насоса осуществляется загрузка подготовленного полуфабриката навоза в установку для его переработки и одновременная выгрузка готового эффлюента в технологический узел для приготовления органического удобрения. Объем заполнения и выгрузки контролируется системой контроля параметров.
В установке осуществляется поддержание стабильного температурного режима в диапазоне в диапазоне 36…42°С. Процесс сбраживания навоза от подачи в биореактор до его разгрузки осуществляется в течение 12 суток. Количество ежедневно подаваемой и разгружаемой массы навоза составляет 10 т. Рабочий объем установки составляет 120 т.
Эффлюент, поступающий в технологический узел для приготовления конечного продукта, является высокоэффективным органическим удобрением, готовым к применению.
Выделяемый в процессе ферментации метан поступает в газгольдер и в последующем используется для получения тепловой или электрической энергии.
Заявляемый способ ускоренной непрерывной переработки навоза в различных условиях окружающей среды обеспечивает оптимизацию процесса переработки навоза, выраженную в снижении энергозатрат и повышении скорости сбраживания исходного субстрата за счет создания условий поддержания температурного режима в заданных пределах.