АППАРАТ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА РАЗЛОЖЕНИЕМ ОРГАНИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
APPARATUS FOR PRODUCTION OF BIOGAS BY DIGESTION OF ORGANIC MATERIAL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к аппарату для получения биогаза. В частности, настоящее изобретение относится к аппарату, содержащему сборник газа, предохранительный клапан, средство охлаждения газа и выпуск газа.
Уровень техники
Разложение в анаэробных ферментерах представляет собой часть процесса обработки во многих городских и промышленных установках. Целью разложения, которое может быть либо криофильным, мезофильным, либо термофильным, является превращение части органического материала в биогаз, используемый для получения электричества и/или тепла. В то же время ферментер уменьшает количество твердых веществ, посредством чего уменьшается количество материала, впоследствии подлежащего утилизации из установки обработки.
Задача одного или более вариантов осуществления настоящего изобретения заключается в том, чтобы упростить существующие в настоящее время анаэробные ферментеры.
Краткое изложение существа изобретения
В первом аспекте настоящее изобретение относится к аппарату для получения биогаза анаэробным разложением органического материала, причем аппарат содержит:
- ферментер, определяющий:
- газогенераторную зону для размещения органического материала, который будучи размещенным в газогенераторной зоне генерирует биогаз за счет его разложения; и
- газосборную зону, по меньшей мере часть которой расположена над газогенераторной зоной в ферментере, для сбора биогаза, сгенерированного в газогенераторной зоне;
причем выпуск биогаза образован в газосборной зоне, причем выпуск биогаза расположен так, что биогаз выходит из газосборной зоны через выпуск биогаза;
причем одна или более форсунок расположена(ы) в газосборной зоне, причем форсунки выполнены с возможностью распылять охлаждающую газ жидкость в газ, находящийся в газосборной зоне, для того, чтобы охладить газ;
причем собирающий элемент расположен в газосборной зоне для сбора охлаждающей газ жидкости, распыленной из одной или более форсунок в направлении собирающего элемента для того, чтобы предотвратить проникновение охлаждающей газ жидкости в органический материал;
причем один или более предохранительных клапанов расположены в газосборной зоне, причем каждый предохранительный клапан определяет впуск, который находится в сообщении по текучей среде с внутренним пространством газосборной зоны, и выпуск, который находится в сообщении по текучей среде с воздухом с наружной стороны аппарата; и
причем по меньшей мере один из одного или более предохранительных клапанов представляет собой жидкостный предохранительный клапан и причем собирающий элемент расположен с возможностью вызывать протекание собранной охлаждающей газ жидкости в жидкостный предохранительный клапан.
Одно преимущество расположения собирающего элемента так, что собранная охлаждающая газ жидкость протекает в жидкостный предохранительный клапан, заключается в том, что предотвращается протекание собранной охлаждающей газ жидкости в органический материал. Это является желательным, поскольку такое поступление собранной охлаждающей газ жидкости вызывало бы разбавление органического материала, в результате чего органический материал находился бы в газогенераторной зоне на протяжении более короткого периода времени. Результатом последнего было бы то, что меньшая процентная доля органического материала подвергалась бы разложению и вследствие этого производство газа уменьшалось бы.
Одно другое преимущество настоящего изобретения заключается в том, что направлением собранной охлаждающей газ жидкости в жидкостный предохранительный клапан гарантируется то, что жидкостный предохранительный клапан не высыхает в результате испарения. Если бы произошло последнее, жидкостный предохранительный клапан прекратил бы функционировать. В зависимости от конструкции системы это могло бы привести к неконтролируемой утечке биогаза из аппарата и, таким образом, увеличить риск взрывов.
Другое преимущество настоящего изобретения заключается в том, что жидкость, распыленная в газосборной камере посредством форсунок, может быть использована для предотвращения пожара и/или взрывов, где форсунки функционируют в качестве устройств гашения пламени/взрывов.
Аппарат выполнен с возможностью производства биогазов, например содержащих метан и диоксид углерода в качестве основных компонентов.
Примерами органического материала являются отстой, получаемый при обработке промышленных или коммунальных сточных вод, стоки ферм и сельскохозяйственные стоки, энергетические сельскохозяйственные культуры, бытовые отходы, стоки промышленных производств.
Ферментер может быть симметричным относительно вертикальной линии, такой как вращательно-симметричной относительно вертикальной оси. Альтернативно, ферментер может быть асимметричным, например, таким, что газосборная зона определена на одной стороне ферментера.
Ферментер может быть определен бетонным материалом или металлическим материалом. Высота ферментера может находиться в диапазоне от 1 до 100 метров, таком как от 10 до 50 метров.
Ширина ферментера может находиться в диапазоне от 1 до 100 метров, таком как от 10 до 50 метров.
6
3
3
4
3
Объем ферментера может находиться в диапазоне от 1 до 10 м, таком как от 10 до 10 м.
Ферментер может определять впуск для отходов, служащий для поступления потока органического материала в ферментер. Более того, ферментер может включать в себя выпуск для отходов, служащий для выхода потока органического материала из ферментера. В одном варианте осуществления впуск для отходов используют для того, чтобы позволить необработанному и/или частично обработанному органическому материалу войти в ферментер. В одном варианте осуществления выпуск для отходов может быть использован для того, чтобы позволить обработанному и/или частично обработанному отходу покинуть ферментер. Частично обработанный органический материал может представлять собой органический материал, который уже подвергался операции получения биогаза, но который все еще содержит биологический материал, который может давать биогаз.
В одном варианте осуществления впуск для отходов расположен в нижней части газогенераторной зоны, в то время как выпуск для отхода расположен в верхней части газогенераторной зоны.
В альтернативном варианте осуществления впуск для отходов расположен в верхней части газогенераторной зоны, тогда как выпуск для отходов расположен в нижней части газогенераторной зоны.
Для закачки органического материала в ферментер может быть установлен насос. Альтернативно или дополнительно, насос может быть установлен для откачки обработанного органического материала из ферментера.
В одном варианте осуществления по меньшей мере часть газогенераторной зоны расположена ниже любой части газосборной зоны. Более того, по меньшей мере часть газосборной зоны может быть расположена выше любой части газогенераторной зоны. В одном варианте осуществления любая часть газосборной зоны расположена выше любой части газогенераторной зоны.
Верхней части газогенераторной зоны может быть придана форма с тем, чтобы направлять генерированный газ в газосборную зону. В одном варианте осуществления верхние части боковых стен и/или потолок газогенераторной зоны определяют наклонные поверхности, которые выполнены с возможностью направлять генерированный газ в газосборную зону.
3
3
3
В одном варианте осуществления ширина газосборной зоны находится в диапазоне от 0,2 до 20 метров, таком как от 1 до 15 метров, таком как 5-10 метров. В одном варианте осуществления высота газосборной зоны находится в диапазоне от 0,2 до 20 метров, таком как от 1 до 15 метров, таком как 5-10 метров. В одном варианте осуществления объем газосборной зоны находится в диапазоне от 0,0008 до 8000 м, таком диапазоне, как от 1 до 5000 м, таком диапазоне, как от 1000 до 2500 м.
В одном варианте осуществления газосборная зона не содержит нижнего перекрытия. В другом варианте осуществления одна или более, как например все, боковые стены газосборной зоны формируют удлинение одной или более, как например всех, боковых стен газогенераторной зоны. В одном варианте осуществления переход между верхним потолком газогенераторной зоны и одной или более боковыми стенами газосборной зоны не определяет средство ограничения потока.
В одном варианте осуществления газогенераторная зона и газосборная зона определяются одной и той же камерой, то есть так, что отсутствуют трубки или трубы, взаимосоединяющие две зоны. В одном варианте осуществления нижняя часть газосборной зоны имеет такую же ширину, что и та часть газогенераторной зоны, которая ведет в газосборную зону. В одном варианте осуществления нижняя половина газосборной зоны имеет такую же ширину, что и та часть газогенераторной зоны, которая ведет в газосборную зону. Последняя часть может представлять собой наиболее высокую возможную часть газосборной зоны.
В одном варианте осуществления ширина газогенераторной зоны и газосборной зоны не увеличивается в направлении от газогенераторной зоны к выпуску биогаза газосборной зоны.
Ферментер может быть газонепроницаемым относительно своего окружающего пространства, так что газ может выходить только через выпуск биогаза газосборной зоны.
Выпуск биогаза определен в газосборной зоне и расположен так, что биогаз выходит из газосборной зоны через выпуск биогаза. В одном варианте осуществления предусматривается более одного выпуска биогаза, как например один, два, три, четыре, пять и так далее. Выпуск(и) биогаза может(гут) быть расположен(ы) в верхней половине газосборной зоны, как например в верхней трети, как например в верхней четверти, как например в верхней пятой части. В одном варианте осуществления один или более выпусков биогаза определен(ы) в самой верхней части газосборной зоны.
Одна или более форсунка(ок) расположена(ы) в газосборной зоне. Форсунки выполнены с возможностью распылять охлаждающую газ жидкость в газ, размещенный в газосборной зоне, с тем, чтобы охлаждать газ. Будет понятно, что для охлаждения газа температура охлаждающей газ жидкости должна быть ниже температуры газа. В одном варианте осуществления температура охлаждающей газ жидкости составляет менее 50 градусов Цельсия, как например менее 40 градусов Цельсия, как например менее 30 градусов Цельсия, как например менее 20 градусов Цельсия, как например менее 10 градусов Цельсия. Форсунки могут быть распределены по площади потолка газосборной зоны.
Аппарат может быть соединен с источником очищенной сточной воды, которую распыляют в газосборную камеру посредством форсунок.
Собирающий элемент расположен в газосборной зоне для сбора охлаждающей газ жидкости, распыленной из одной или более форсунок в направлении собирающего элемента. Посредством этого предотвращается поступление охлаждающей газ жидкости в газогенераторную зону и, таким образом, ее смешение с органическим материалом. Форсунки могут быть расположены так, что распыленная через них жидкость может попадать только на собирающий элемент. В некоторых вариантах осуществления форсунки могут быть также расположены так, что жидкость, распыленная через форсунки, может также попадать на любую поверхность выше собирающего элемента, которая направляет жидкость на собирающий элемент.
Так как газ генерируется в ферментере, ферментер содержит предохранительные клапаны, которые выполнены с возможностью допускать прохождение газа, когда давление в ферментере выше заданного порогового значения. Данное пороговое значение может быть выше 2000 Па, как например выше 5000 Па.
По меньшей мере один из одного или более предохранительных клапанов представляет собой жидкостный предохранительный клапан, который расположен таким образом относительно собирающего элемента, что любая охлаждающая газ жидкость, собранная собирающим элементом, направляется в жидкостный предохранительный клапан, посредством чего в водяном предохранительном клапане поддерживается заданный уровень воды. Жидкостный предохранительный клапан может представлять собой гидрозатвор.
В одном варианте осуществления собирающий элемент определяет верхнюю и нижнюю поверхность. Чтобы собрать охлаждающую газ жидкость, верхняя поверхность может быть обращена к форсункам, которые расположены выше собирающего элемента. Более того, нижняя поверхность может быть расположена так, что она обращена к газогенераторной зоне, в которой размещен органический материал. Таким образом, когда газ поднимается от органического материала и поступает в газосборную зону ферментера, он может течь в направлении или контактировать с нижней поверхностью собирающего элемента. В зависимости от температуры нижней поверхности газ может охлаждаться в некоторой степени. Будет понятно, что когда холодная охлаждающая газ жидкость распыляется на верхнюю поверхность собирающего элемента, верхняя поверхность собирающего элемента охлаждается. Таким образом, в вариантах осуществления, где между верхней и нижней поверхностью не предусмотрен теплоизолятор, нижняя поверхность также будет охлаждаться. Чтобы избежать этого между верхней и нижней поверхностью может быть предусмотрен теплоизолятор. Таким образом, собирающий элемент может быть предусмотрен в форме слоистой (сэндвичной) конструкции, в которой теплоизоляционный элемент образует сердцевину слоистой конструкции. В другом варианте осуществления теплоизолятор прикреплен к нижней поверхности пластины, например металлической пластины, посредством чего поверхность, которая обращена к органическому материалу, изолирована относительно верхней поверхности пластины.
В одном варианте осуществления собирающий элемент наклонен относительно горизонтального направления так, чтобы направлять собранную охлаждающую газ жидкость по направлению к по меньшей мере одному жидкостному предохранительному клапану. Наклон собирающего элемента относительно горизонтального направления может составлять от 5 до 45 градусов, как например от 20 до 30 градусов. Верхняя поверхность собирающего элемента может быть плоской. Альтернативно, верхняя поверхность собирающего элемента может быть вогнутой или выпуклой.
Собирающий элемент может быть расположен так, что охлаждающая газ жидкость, которая собрана во время использования, стекает каплями в жидкостный предохранительный клапан. Стекающая каплями охлаждающая газ жидкость может падать с собирающего элемента и непосредственно попадать на поверхность жидкости, содержащейся в жидкостном предохранительном клапане. Альтернативно или дополнительно, стекающая каплями охлаждающая газ жидкость может падать с собирающего элемента и непосредственно попадать на поверхность жидкостного предохранительного клапана, которая не является верхней поверхностью содержащейся в нем жидкости. После попадания на данную нежидкостную поверхность жидкость может втекать в жидкость, содержащуюся в жидкостном предохранительном клапане.
Более того, самая нижняя точка собирающего элемента может быть расположена непосредственно над впуском жидкостного(ых) предохранительного(ых) клапана(ов). В одном варианте осуществления это означает, что во время эксплуатации аппарата вертикальная линия проходит через самую нижнюю точку собирающего элемента и поверхность жидкости жидкостного предохранительного клапана.
Жидкостный предохранительный клапан может определять выпуск жидкости, который расположен так, что предоставляет возможность избытку жидкости из жидкостного предохранительного клапана покидать через себя жидкостный предохранительный клапан. Более того, жидкостный предохранительный клапан может определять первый и второй гидрозатворы, которые расположены последовательно или параллельно. Когда первый и второй гидрозатворы расположены последовательно, любая жидкость, вытекающая из первого гидрозатвора, может впоследствии втекать во второй гидрозатвор.
В одном варианте осуществления жидкостный предохранительный клапан определяет выпуск газа, который расположен так, что газ будет выходить через него из жидкостного предохранительного клапана, когда первый гидрозатвор не содержит заданного количества жидкости. Это может происходить в случае, когда давление в ферментере превышает заданное пороговое значение, в результате чего жидкость, содержащаяся в первом гидрозатворе, втекает во второй гидрозатвор и/или выбрасывается из выпуска газа жидкостного предохранительного клапана. Как следствие, предотвращается поступление газа в выход для жидкости. Так как выход для жидкости часто будет соединен с трубами и трубками, например трубопроводом для стоков, нежелательно, чтобы газ направлялся в такие трубы и трубки. Таким образом, за счет обеспечения выпуска газа газ может быть направлен в окружающий воздух. Будет понятно, что выпуск газа может быть расположен в верхней позиции, так что газ не выпускается вблизи нижней поверхности.
Чтобы иметь возможность проводить техническое обслуживание жидкостного предохранительного клапана, жидкостный предохранительный клапан может быть доступен с внешней поверхности аппарата. В одном варианте осуществления жидкостный предохранительный клапан расположен с возможностью скольжения в аппарате так, что он может скользить между вставленным положением, при котором он расположен внутри аппарата в его газосборной зоне, и извлеченным положением, при котором он доступен с наружной стороны аппарата. Альтернативно или дополнительно, жидкостный предохранительный клапан может быть поворотно соединен со структурой, определяющей газосборную зону.
В некоторых ситуациях может быть желательно открывать первый гидрозатвор, так что генерированный газ отводят через выпуск газа. Таким образом, в одном варианте осуществления первый и второй гидрозатворы определяют, соответственно, первую и вторую жидкостную зону, в которой во время эксплуатации имеется жидкость. Первая и вторая жидкостные зоны могут находиться в сообщении по текучей среде так, что когда обводной клапан находится в открытом состоянии, жидкость может протекать из первой жидкостной зоны во вторую жидкостную зону, в то время как протекание жидкости из первой во вторую жидкостную зону через обводной клапан предотвращается, когда обводной клапан находится в закрытом состоянии.
Во время использования ферментера органический материал может генерировать пену, которая постепенно будет подниматься от органического материала и вверх по направлению к собирающему элементу и далее вверх по направлению к выпуску газа. Данная пена нежелательна, так как она может осаждаться на внутренних поверхностях выпуска газа и соединенных с ним труб/трубок. Таким образом, в одном варианте осуществления форсунки расположены так, что когда охлаждающая газ жидкость распыляется через форсунки, охлаждающая газ жидкость распыляется в пену, которая генерируется органическим материалом во время использования аппарата, вследствие чего она поднимается из газогенераторной зоны в газосборную зону, в которой она продолжает движение в направлении одного или более выпусков биогаза. Одна или более форсунок может быть выполнена с возможностью распыления количества охлаждающей газ жидкости, достаточного для того, чтобы предотвратить вхождение пены в выпуск биогаза. Более того, форсунки могут быть выполнены с возможностью функционировать как средство предотвращения возникновения огня и/или взрыва.
В одном варианте осуществления собирающий элемент расположен относительно водяного предохранительного клапана так, что предотвращается прохождение газа и/или пены между собирающим элементом и жидкостным предохранительным клапаном. Это может быть достигнуто, например, путем отказа от условия прохождения между собирающим элементом и жидкостным предохранительным клапаном. Чтобы позволить газу входить в выпуск биогаза собирающий элемент может быть расположен таким образом относительно внутренней стены газосборной зоны, что газ и/или пена могут проходить между внутренней стеной и наиболее высокой точкой собирающего элемента.
Краткое описание чертежей
Теперь изобретение будет описано со ссылкой на чертежи, среди которых
на Фиг. 1 раскрыт первый вариант осуществления аппарата для получения биогаза, где первый гидрозатвор закрыт,
на Фиг. 2 раскрыт второй вариант осуществления аппарата для получения биогаза, где первый гидрозатвор открыт,
на Фиг. 3 раскрыт второй вариант осуществления аппарата для получения биогаза, где первый гидрозатвор закрыт,
на Фиг. 4 раскрыт второй вариант осуществления аппарата для получения биогаза, где первый гидрозатвор открыт,
на Фиг. 5 раскрыт изометрический вид аппарата для получения биогаза, и
на Фиг. 6 раскрыт вид в поперечном сечении всего аппарата для получения биогаза.
Подробное описание чертежей
На Фиг. 1 раскрыт аппарат 100 для получения биогаза разложением органического материала 102. Аппарат 100 для получения биогаза определяет газогенераторную зону 104 и газосборную зону 106, которая расположена над газогенераторной зоной 104. В варианте осуществления на Фиг. 1 и Фиг. 2 верхняя поверхность 108 органического материала 102 определена в верхней части газогенераторной зоны 104. Любой биогаз, генерированный органическим материалом 102, будет подниматься из газогенераторной зоны 104 и попадать в газосборную зону 106, как показано стрелками 110. Вследствие наличия собирающего элемента 112 газ направляется между собирающим элементом 112 и внутренней поверхностью 111 газосборной зоны 106 через проход 113, определенный между ними. Жидкостный предохранительный клапан 114 определяет первый гидрозатвор 118 и второй гидрозатвор 120. Гидрозатворы 118, 120 расположены последовательно, так что первый гидрозатвор 118 находится выше по ходу относительно второго гидрозатвора 120. В варианте осуществления на Фиг. 1 оба гидрозатвора 118, 120 заполнены водой и таким образом закрыты, тогда как в случае, проиллюстрированном на Фиг. 2, только второй гидрозатвор 120 заполнен водой и таким образом закрыт.
Соответственно, в варианте осуществления на Фиг. 1 будет предотвращаться проникновение газа в первый гидрозатвор 118 пока давление газа ниже заданного порогового значения, которое определяется конструкцией первого гидрозатвора 118. Результатом является то, что биогаз продолжает движение вверх в газосборной зоне 106. В верхней части газосборной зоны 106 предусмотрено множество форсунок 122. Во время эксплуатации охлаждающая газ жидкость 124 распыляется в биогаз, в результате чего он охлаждается перед тем, как покинуть газосборную зону 106 через выпуск 126 биогаза. Однонаправленный клапан 127 может быть предусмотрен в выпуске 126 или ниже по ходу относительно него (как в случае, проиллюстрированном на Фиг. 1 и Фиг. 2), так что падение давления в газосборной зоне 106 не вызывает течение собранного газа назад в газосборную зону 106.
Собирающий элемент 112 выполнен с возможностью предотвращать поступление охлаждающей газ жидкости 124 в органический материал 102, поскольку он расположен с возможностью сбора охлаждающей газ жидкости 124. Поскольку собирающий элемент 112 наклонен относительно горизонтального направления, собирающий элемент 112 направляет собранную охлаждающую газ жидкость в первый гидрозатвор 118 за счет силы тяжести. Это показано стрелкой 128. Более того, экран 129 прохода расположен с возможностью предотвращать поступление охлаждающей газ жидкости в проход 113 и, таким образом, поступление в органический материал. В варианте осуществления на Фиг. 1 и Фиг. 2 собирающий элемент 112 и жидкостный предохранительный клапан интегрированы так, что проход между ними не определен.
В первом гидрозатворе 118 собранная охлаждающая газ жидкость 124 протекает во второй гидрозатвор 120. Это показано стрелкой 130. Во втором водяном заторе 120 охлаждающая газ жидкость 124 вытекает через выпуск 132 жидкости, как показано стрелкой 134.
В варианте осуществления на Фиг. 2 первый гидрозатвор 118 открыт, поскольку жидкость уже не присутствует в нем. Это может происходить из-за того, что обводной клапан 136 открыт или из-за выбрасывания жидкости в первом гидрозатворе 118 в результате того, что давление в газосборной зоне 106 превышает заданное пороговое значение. Результатом является то, что газ может выходить через выпуск 138, как показано стрелкой 140. Будет понятно, что обеспечение второго гидрозатвора 120 гарантирует то, что газы не поступят в выпуск 132 жидкости. Вместо этого биогаз выходит через выпуск 138 газа.
На Фиг. 3 и Фиг. 4 раскрыт второй вариант осуществления настоящего изобретения. Многие из элементов данных двух чертежей идентичны элементам на Фиг. 1 и Фиг. 2. Таким образом, идентичные ссылочные номера относятся к идентичным элементам. Различие между двумя вариантами чертежей заключается в компоновке и положении собирающего элемента 112. На Фиг. 1 и Фиг. 2 собирающий элемент 112 расположен так, что проход 113 образован между собирающим элементом 112 и внутренней поверхностью 111 газосборной зоны 106. На Фиг. 3 и Фиг. 4 проход 113 не образован. Вместо этого верхняя часть собирающего элемента 112 находится в прямом контакте с внутренней поверхностью 111 газосборного элемента 106. Чтобы позволить биогазу протекать в направлении выпуска 126 биогаза между нижней частью собирающего элемента 112 и жидкостным предохранительным клапаном 114 образован проход 116. Чтобы гарантировать то, что собранная посредством собирающего элемента охлаждающая газ жидкость не поступит в органический материал, самая нижняя часть собирающего элемента 112 расположена непосредственно над жидкостным предохранительным клапаном 114. Таким образом, собранная жидкость протекает/капает в жидкостный предохранительный клапан 114 с тем эффектом, что он постоянно подпитывается жидкостью и посредством этого предотвращается его высыхание из-за испарения содержащейся в нем жидкости.
На Фиг. 5 и Фиг. 6 раскрыт изометрический вид и вид в поперечном сечении, соответственно, аппарата 100 для получения биогаза. На Фиг. 4 аппарат 100 для получения биогаза показан сверху. На обоих чертежах можно видеть, что ферментер определен крупной структурой 142, которая определяет газогенераторную зону 104, и меньшей структурой 144 наверху более крупной структуры 142. Данная меньшая структура 144 определяет газосборную зону 106. В газогенераторной зоне 104 предусмотрен впуск 146 для отходов, служащий для подачи отходов в газогенераторную зону 104, и предусмотрен выпуск 148 для отходов, через который органический материал выходит из газогенераторной зоны 104. В меньшей структуре 144 образована задвижка 150. Когда задвижка 150 открыта, к гидрозатворам 118, 120 может быть произведен доступ и, таким образом, обслуживание.