ПРЯМОТОЧНАЯ БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к биотехнологии, а именно к устройствам для ферментативной переработки отходов растительного и животного происхождения, бытовых отходов, ботвы, стеблей растений, навоза животных и птицы, сточных вод для получения электрической и тепловой энергии.
Известна установка для переработки твердый веществ, которая содержит блок подготовки исходного сырья, емкость для ацидогенной обработки субстрата, контейнер для переработки жидких органических отходов с большим содержанием сухого вещества (6-12%), состоящих из двух проходов потока, причем первых проход имеет входное, а второй выходное отверстие, имеющими барботажную систему и систему обогрева, совместное действие которых обеспечивает поступательно круговое движение субстрата; последовательно связанный с ним сепарационный блок (US 2004087011, 2004).
Недостатком данной установки является:
- получение на выходе из реактора недоброженных продуктов, что приводит к тому что потенциал выхода метана из сырья реализуется только на 50-70%.
- недостаточная низкая (45-60%) концентрация метана в производимом биогазе.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в создании установки, которая обеспечивала бы экологичность процесса переработки отходов и позволяла бы интенсифицировать процесс анаэробного метаногенеза и всего процесса переработки в целом.
Технический результат заключается в повышении содержания метана в вырабатываемом биогазе и снижении выбросов метана в атмосферу за счет доведения выхода метана из исходного сырья в процессе переработки до 95-98%.
Сущность полезной модели заключается в достижении указанного технического результата в прямоточной биогазовой установке, которая содержит блок подготовки исходного сырья, последовательно связанные с ним емкость для ацидогенной обработки субстрата, ферментер, выходной коллектор и сепарационный блок, при этом корпус ферментера представляет собой горизонтально установленную емкость с тепловой рубашкой, внутри которой горизонтально установлена связанная с источником газа барботажная система в виде комплектов труб, причем ферментер снабжен средствами для обогащения биогаза, установленными вертикально внутри его корпуса и представляющими собой размещенные в полых футлярах из пористого материала аноды, катодами для которых являются трубы барботажной системы, а сепарационный блок выполнен с возможностью разделения дигистата на жидкую и твердую фракции, при этом комплекты труб барботажной системы установлены с условием исключения попадания газа из форсунок непосредственно на аноды средств для обогащения биогаза.
Корпус ферментера может быть выполнен изогнутой формы.
Корпус ферментера может быть выполнен из бетона или композитных материалов, или металла.
Комплекты труб барботажной системы выполнены с конфигурацией, повторяющей конфигурацию корпуса ферментера.
В одном из вариантов корпус ферментера имеет прямоугольное сечение, внутри которого установлено два комплекта труб барботажной системы, установленных горизонтально в нижней части корпуса ферментера по его углам.
При выполнении корпуса ферментера с круглым сечением барботажная система содержит один комплект труб, установленный в его боковой части.
В одном из вариантов выполнения каждый из комплектов труб барботажной системы включает одну трубу.
В другом варианте выполнения каждый из комплектов труб барботажной системы включает 2-8 труб.
Барботажная система выполнена с возможностью периодической подачи газа через форсунки.
В предпочтительном варианте выполнения установка снабжена блоком отделения аммония из жидкой фракции, вход которого связан с выходом по жидкой фракции сепарационного блока, а выход - с входом по воде блока подготовки исходного сырья.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен разрез корпуса ферментера (увеличено) при выполнении корпуса ферментера в виде изогнутой трубы, на фиг. 2 - сечение по Α-A на фиг 1 - схема прямоточной биогазовой установки при выполнении корпуса ферментера в виде изогнутой трубы, на фиг. 3 - разрез корпуса ферментера в прямоугольном исполнении, на фиг. 4 - анод средства для обогащения биогаза.
Прямоточная биогазовая установка содержит блок 1 подготовки исходного сырья, последовательно связанные с ним емкость 2 для ацидогенной обработки субстрата, ферментер 3, выходной коллектор 4, сепарационный блок 5. Ферментер 3 может быть выполнен из бетона или композитных материалов на основе армированного стеклопластика, или металла, корпус ферментера установлен горизонтально и может иметь форму прямоугольника или форму трубы с круглым сечением с соответственно с диагональю или диаметром от 3 до 10 м с тепловой рубашкой 6. Корпус ферментера может быть изогнутой формы (фиг. 1 и фиг. 2). Внутри корпуса ферментера установлена барботажная система в виде комплекта труб 7.
При исполнении корпуса ферментера с круглым сечением барботажная система содержит один комплект труб, установленный в боковой части корпуса, причем при выполнении корпуса изогнутым комплект труб устанавливают с внешней стороны корпуса ферментера.
При выполнении корпуса ферментера с прямоугольным сечением внутри него горизонтально в нижней части установлено два комплекта труб барботажной системы 8 и 9, установленных по углам корпуса ферментера.
Каждый из комплектов труб может содержать одну трубу или 2-8 труб в зависимости от диаметра или диагонали корпуса ферментера. Комплекты труб барботажной системы связаны с источником газа 10 и имеют форсунки, для подачи газа в ферментер.
В любом из вариантов выполнения корпуса ферментера (изогнутым или прямолинейным) комплекты труб барботажной системы выполняют с конфигурацией, подобной конфигурации корпуса ферментера (изогнутыми или прямолинейными).
Сепарационный блок 5 выполнен с возможностью разделения дигистата на жидкую 11 и твердую 12 фракции и отвода жидкой фракции либо в канализацию либо подачи жидкой фракции 11 в блок 13 отделения аммония, связанный по воде линией 14 с блоком 1 подготовки исходного сырья. Тепловая рубашка 6 связана с источником тепла 15 (горячей воды).
Внутри корпуса ферментера размещены средства 16 для обогащения биогаза, представляющие собой аноды 17, размещенные в полых футлярах 18. Средства 16 размещены вертикально по оси ферментера на расстоянии, равном диагонали или диаметру корпуса ферментера (в зависимости от конфигурации корпуса ферментера). Причем комплекты труб 7 барботажной системы установлены с условием исключения попадания газа из форсунок непосредственно на аноды 17 средств 16 для обогащения биогаза.
Футляры 19 выполнены из перфорированного материала, например, из перфорированной полиэтиленовой трубы по ГОСТ 18599-2001, причем перфорация наносится только на погружаемую в жидкость часть.
Барботажная система выполнена с возможностью периодической (4-8 раз в сутки) подачи газа через форсунки.
Периодическая подача газа через форсунки барботажных труб предусмотрена для разбивки застойных зон, причем при выполнении корпуса изогнутым и наличии в нем, например, двух комплектов труб барботажной системы, которые расположены в соответствии с фиг. 3, газ подается поочередно то на правый комплект труб (при этом левый не работает), то на левый (при этом правый не работает).
Футляры 18 установлены в стальных стаканах 19, которые закреплены в верхней части корпуса ферментера, например, с помощью уплотнительных муфт (на чертеже не показаны). Стаканы 19 имеют длину меньшую, чем анод и его пористый футляр и занимает около 1/5 длины анода с его футляром. Катодом для средств обогащения биогаза являются барботажные трубы выполненные из металла. Средства для подачи напряжения на катод и анод на чертеже не показаны.
Прямоточная биогазовая установка работает следующим образом.
Субстрат (исходное сырье - отходы растительного и животного происхождения, бытовые отходы, ботва, стебли растений, навоз животных и птицы, сточные воды) подается в приемную яму блока 1 подготовки исходного сырья, где происходит (при необходимости) разбавление водой или очищенной жидкой фракцией и перемешивание сырья до получения однородной консистенции при влажности 89-94%, и с помощью насоса подается в биореактор 8-12 раз в сутки, таким образом, вытесняя, уже находящейся там субстрат. В емкости 2 для ацидогенной обработки субстрата происходит интенсивное размножение ацидогенных бактерий, что вызывает активный процесс преобразования органических веществ в жирные кислоты. Полученный субстрат, являющийся оптимальной средой для развития метаногенных бактерий, подается далее в ферментер 3, и медленно перемещается по нему к выходу. Перемешивание субстрата идет за счет барбатажной системы и системы обогрева, которые расположены вдоль стены ферментера. Барбатажная система представляет из себя комплект труб с форсунками, из которых под небольшим избыточным давлением выходит биогаз, подаваемый насосом от источника газа, создающий активные конвективные потоки в субстрате, что исключает образование застойных зон.
При выполнении корпуса изогнутым соответствии с фиг. 1, 2 газ, выходящий из расположенных на боковой внешней стороне реактора барботажных труб, вызывают интенсивное круговое движение. Для исключения образования застойных зон при прямоугольной форме корпуса ферментера газ подается поочередно то на правый комплект труб (при этом левый не работает), то на левый (при этом правый не работает). Газ подают через форсунки с периодичностью 4-8 раз в сутки с целью разбить застойную зону, формирующуюся по оси ферментера.
Для запуска метаногенеза необходимо постоянное возобновление метаногенной культуры в начале процесса. Для этого часть переработанного субстрата забирается насосом перед самым выходом и подается в начальную часть метаногенной части по линии доставки 20.
С выхода ферментера 3 переработанный субстрат попадает в выходной коллектор 4 и оттуда - в сепаратор 5. Твердая фракция 12 либо вывозится на поля, либо досушивается и гранулируется. Жидкая фракция 11, которая содержит около 3% сухих веществ может быть использована в качестве обратной воды для разбавления исходного субстрата при снабжении установки блоком 13 отделения аммония.
В блоке 13 из жидкой фракции выделяется газообразный аммиак, который пропускается через колонну навстречу серной кислоте с образованием сульфата аммония, который является ценным минеральным удобрением. Используя тепло сжигания биогаза раствор выпаривается до насыщенного и кристаллический аммоний выпадает в осадок. Используя шиберную заслонку, расположенную снизу модуля, с периодичностью 1 раз в 3 дня происходит извлечение осадка. После доведения влажности до 10-15% сульфат аммония фасуется и может быть отправлен потребителям.
Биогаз собирается в верхней части ферментера, откуда по трубам под небольшим избыточным давлением попадает в газгольдер (не показан). Часть биогаза направляется в барбатажную систему от источника 10 газа, связанного с газгольдером. Энергия сжигания биогаза используется для обогрева ферментера. Процесс сжигания может быть осуществлен в ГПА или в котлах (на чертеже не показаны). Тепло сжигания передается воде, которая может быть использована для обогрева тепловой рубашки для поддержания оптимальной температуры реакции 35-40C°.
Средства 16 обогащения биогаза выполняют следующую функцию.
Метанобактерии, находящиеся в среде катодной области осуществляют жизнедеятельность с выработкой соответствующих ферментов. Ток, протекающий от анода 17 к катоду в соответствии с расположением катодов восстановительно активирует ферменты метанобактерий в прикатодной области, а в анодной области происходят окислительные процессы и выделение кислорода. Футляр 18 предназначен для предотвращения попадания кислорода в область сбора газа. Верхняя непористая часть футляра должна быть высотой по крайней мере на 10% длиннее от уровня жидкости в ферментере. Газовую смесь из верхней части ферментера газовым насосом через барботажную систему пропускают через среду в катодной области, насыщая ее углекислым газом. Активированные ферменты конвертируют углекислый газ в биометан. Управление процессом осуществляют путем регулирования тока, проходящего через среду, посредством изменения напряжения на электродах. Увеличение тока (но не выше расчетного, формула (1) приводит к уменьшению содержания углекислого газа в выходящей газовой смеси и увеличению концентрации метана.
Уменьшение количества углекислого газа пропорционально количеству электричества, прошедшего через биомассу. Максимальный постоянный ток (I, А; при 100% конверсии углекислого газа), который необходимо пропускать через среду расчитывают по формуле:
где:
W-объемный расход пропускаемого биогаза, приведенный к н.у. (20°C, 1 атм);
-1
F - постоянная Фарадея, Кл·моль
x - объемная доля углекислого газа в биогазе;
Превышение расчетного значения тока нецелесообразно, т.к. в этом случае увеличивается содержание водорода в газовой смеси, повышенные концентрации которого ингибируют процесс метаногенеза. При использовании значений тока меньше расчетного выходящий обогащенный биогаз соответственно будет содержать остаточный углекислый газ.
Подача напряжения ниже 0,2 В нецелесообразно, т.к. не приводит к активации ферментных комплексов и осуществлению процесса в целом.
Увеличение напряжения на электродах свыше 36 В нецелесообразно вследствие резкого увеличения энергозатрат на проведение процесса.
Использование рециркуляции газовой смеси из верхней части ферментера через среду при помощи барботажной системы позволяет достичь более полной конверсии углекислого газа. Предпочтительным является, чтобы управление процессом осуществлялось при помощи положительной обратной связи между содержанием углекислого газа в выходящем биогазе и током, проходящим через среду.
Полезная модель позволяет увеличить содержание метана в производимом биогазе и интенсифицировать процесса анаэробного метаногенеза и всего процесса переработки в целом, что ведет к повышению экологичности процесса.