МЕТАНТЕНК Российский патент 2001 года по МПК C02F11/04 C02F1/00 C02F3/00 

Изобретение относится к технике биологической утилизации /БУ/ сельхозотходов /СХО/ и может быть использовано на свинооткормочных комплексах /СОК/ с выработкой дополнительной товарной продукции, для снижения себестоимости производства свинины: белково-витаминной добавки /БВД/, сверхтяжелой /T₂O/ воды, компоста /КП/, электроэнергии /ЭЭ/, гелия /He/.

Известен метантенк, включающий камеры: кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженных диспергаторами, в виде взаимодействующих уступчатыми цилиндрическими поверхностями через кольцевой канал ротора и корпуса, сообщенный по биогазу через гидравлический затвор с газгольдером и турбиной привода электрогенератора /с.19, рис. 2.3., У.Э.Виестур, А.М.Кузнецов, В.В.Савенков. Системы ферментации, Рига, 1986/, недостатком которого является низкая степень БУ СХО, что снижает эффективность его работы.

Цель изобретения - повышение эффективности работы достигается тем, что метантенк установлен в помещении, на перекрытии которого размещен твердофазный ферментатор /ТФФ/, выполненный с каналами, сообщенными с нагнетателем воздуха, в нижней части и оросителем шлама из метантенка в верхней, причем метантенк по биогазу и бражке сообщен с хлореллогенератором в виде корпуса со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса светильниками, внутри корпуса на валу установлена плоская спираль с иммобилизационными элементами в виде пучков стекловолокон, а по биомассе хлореллы хлореллогенератор сообщен с центробежным микрофильтром /ЦМФ/ и динамическим дезинтегратором /ДД/ в виде корпуса с патрубками входа и выхода, установленного по оси корпуса ротора, с глухими отверстиями в кольце магнитофора; взаимодействующими через кольцевой канал с отверстиями перфорированого кольца, образующего с корпусом полость, изолированную от патрубков входа и выхода, сообщенную по смеси обычной и дейтериевой воды со сборником и через гидравлический затвор с ректификационной колонной /РК/, снабженной поперечными перфорированными перегородкам /ППП/, образующими секции, сообщенные друг с другом переливными трубами, причем нижняя секция снабжена теплообменником и сообщена через парогенератор и питатель с реактором-размножителем трития, во внутренней полости которого размещены электроды, сообщенные с конденсаторной батареей, а между электродами концентрично их оси установлен теплообменник с литиевой, бериллиевой и графитовой обечайками, сообщенными контуром охлаждения с сепаратором пара и по пару с паровой турбиной привода электрогенератора, а по отработанному пару с конденсатором, дополнительной РК и сборником товарной тритиевой воды, а у передней торцевой стенки реактора-размножителя напротив упругого шланга питателя установлены дуговые электроды с возможностью перемещения навстречу друг другу, а противоположная торцевая стенка реактора размножителя трития выполнена с концентричными отверстиями в диске, сопряженными с отверстием приводной ступицы, сопряженной с диском торцевой стенки реактора-размножителя трития, а по пару смеси дейтериевой, тритиевой воды и гелия приводная ступица сообщена с конденсатором и сборником товарного гелия /He/, а по смеси дейтериевой и тритиевой воды с парогенератором питателя, снабженного пережимными роликами упругого шланга подвода пара между дуговыми электродами в полость реактора-размножителя трития, а ТФФ выполнен с герметичным покрытием, на котором размещен газгольдер товарного метана /CH₄/, причем ТФФ выполнен с загрузочным и разгрузочным устройствами и последнее сообщено по компосту со сборником СХО из СОК, причем камеры метантенка на границе между жидкостной и газовыми полостями снабжены иммобилизационной насадкой в виде полых стеклянных шариков, а патрубок выхода ДД по дезинтеграту сообщен с оросителем хлореллогенератора, а по избыточной биомассе дезинтеграта с сушилкой товарной белково-витаминной добавки /БВД/, а вал плоской спирали хлореллогенератора снабжен приводом, установлен на упругой опоре и взаимодействует с вибратором.

Обоснование достижения цели изобретения приведено в описании работы метантенка в установке БУ СХ0 СОК, показанной схематически на чертеже.

Метантенк 1 включает камеры: 2 - кислого, 3 - нейтрального, 4 - щелочного, 5 - метанового брожения, снабженные диспергаторами 6 в виде взаимодействующих уступчатыми цилиндрическими поверхностями через кольцевой канал 7 ротора 8 и корпуса 9. Метантенк 1 установлен в помещении 10, на перекрытии 11 которого размещен ТФФ 12, выполненный с каналами 13, сообщенными с нагнетателем 14 воздуха в нижней части и оросителем 15 шлама из метантенка 1 в верхней, причем метантенк 1 по биогазу и бражке сообщен с хлореллогенератором 16 в виде корпуса 17 со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса 17 светильниками 18, а внутри корпуса 17 на валу 19 установлена плоская спираль 20 с иммобилизационными элементами в виде пучков 21 и 22 стекловолокон, а по биомассе хлореллы хлореллогенератор 16 сообщен с ЦМФ 23 и ДД 24 в виде корпуса 25 с патрубками: входа 26 и выхода 27, установленного по оси корпуса 25 ротора 28 с глухими отверстиями 29 в кольце магнитофора 30, взаимодействующими через кольцевой канал 31 с отверстиями 32 перфорированного кольца 33, образующего с корпусом 25 полость 34, изолированную от патрубков 26 и 27, сообщенную по смеси обычной и дейтериевой воды со сборником 35 и через гидравлический затвор 36 с РК 37, снабженной ППП 37, образующими секции 38, сообщенные друг с другом переливными трубами 39, причем нижняя секция 38 снабжена теплообменником 40 и сообщена через парогенератор 41 и питатель 42 с реактором-размножителем 43 трития, во внутренней полости 44 которого размещены электроды 45 и 46, сообщенные с конденсаторной батареей 47, а между электродами 45 и 46 концентрично их оси установлен теплообменник 48 с литиевой - 49, бериллиевой - 50 и графитовой - 51 обечайками, сообщенными контуром 52 охлаждения с сепаратором 53 пара и по пару с паровой турбиной 54 привода электрогенератора 55, а по отработанному пару с конденсатором 56, дополнительной РК 57 и сборником 58 товарной тритиевой воды, а у передней торцевой стенки 59 реактора-размножителя 43 напротив упругого шланга 60 питателя 42 установлены дуговые электроды 61 и 62 с возможностью перемещения навстречу друг другу, а противоположная торцевая стенка 63 реактора-размножителя 43 выполнена с концентричными отверстиями 64 в диске 65, сопряженными с отверстием 66 приводной ступицы 67, сопряженной с диском 65 торцевой стенки 63, а по пару смеси дейтериевой, тритиевой воды и гелия приводная ступица 67 сообщена с конденсатором 68 и сборником 69 товарного гелия /He/, а по смеси дейтериевой и тритиевой воды с парогенератором 41 питателя 42, снабженного пережимными роликами 70 шланга 60 подвода пара между дуговыми электродами 61 и 62 в полость 71 реактора-размножителя 43, а ТФФ 12 выполнен с герметичным покрытием 72, на котором размещен газгольдер 73 товарного метана /CH/, причем ТФФ 12 выполнен с загрузочным 74 и разгрузочным 75 устройствами и последнее сообщено по компосту /КП/ со сборником 76 СХО из СОК 77, причем камеры 2-5 метантенка 1 на границе между жидкостной 78 и газовой 79 полостями снабжены иммобилизационной насадкой 80 в виде полых стеклянных шариков, а патрубок выхода 27 ДД 24 сообщен с оросителем 81 хлореллогенератора 16, а по избыточной биомассе дезинтеграта с сушилкой 82 товарной БДД, а вал 19 плоской спирали 20 хлореллогенератора 16 снабжен приводом 83, установлен на упругой опоре 84 и взаимодействует с вибратором 85. Верхняя секция 38 РК 37 по пару сообщена с дефлегматором 86 и по флегме /конденсату/ через гидравлический затвор 87 с РК 37. Полость 34 дезинтегратора 24 выполнена с патрубком 88. ТФФ 12 по нагретому воздуху сообщен вентилятором 89 с барботером 90 сборника 76 СХО.

Метантенк в установке БУ СХО СОК работает следующим образом.

Стоки из СОК 77 гидросмывом и гидросплавом поступают в сборник СХО 76, количество стоков порядка 35-40 литров на голову в сутки. Особенностью стоков СОК является то, что у них высокое содержание азота, т.е. C:N = 8:1. Для нормальных условий БУ микроорганизмами необходимо, чтобы C:N = 20:1 и корректировку осуществляют за счет ввода компоста /КП/ из ТФФ 12. В ТФФ 12 происходит термобиологическая переработка древесных опилок лиственных пород, листового опада, пожнивных остатков, подстилочных материалов СОК, орошаемых шламом оросителя 15 из метантенка 1, причем шлам содержит большое количество ферментов и обсеменен микрофлорой. В условиях влажности порядка 50-60% и высокой температуры порядка 50-70^oC происходит биологическая деградация целлюлозы, с образованием доступной для усвоения с образованием клетчатки и аэробной стабилизацией микрофлоры шлама из метантенка
C₅H₇O₂N + 5 O₂ ---> 5 CO₂ + 3H₂O + NH₃.

При продувке образующихся газов и паров ТФФ 12 вентилятором 89 через барботер 90 в сборнике 76 происходит коррекция КП его вводом в стоки по углероду с одновременным нагревом стоков до температуры 53^oC, соответствующей сбраживанию стоков в метантенке 1. Камеры 2-5 на 4/5 объема заполнены жидкостью - жидкостной объем 78 и на 1/5 газом и парами - газовый объем 79, на их границе размещена иммобилизационная насадка 80 из полых стеклянных шариков. Выбор материала шариков из стекла обусловлен тем, что стекло при перемешивании освобождается от мертвых и старых клеток микрофлоры: кислотогенов, ацетогенов, ацетогидрогенов .... метаногенов. За счет иммобилизации /прилипания/ создается обособленность микрофлоры к изменению pH среды, которая изменяется от кислой в камере 2 до слабощелочной в камере 4 и щелочной в камере 5. Температура сбраживания составляет 53^oC, причем колебания температуры не превышают одного градуса в сутки. Температурная стабилизация осуществляется включением и отключением приводов диспергатора 8 от реле температуры /на чертеже не показаны/. Ввод стоков из сборника 76 и отвод продуктов брожения осуществляют непрерывно, так период генерации /удвоения/ биомассы микрофлоры составляет 20-30 минут. В камерах 2-5 метантенка 1 происходит гидролиз
Углеводы + H₂O ---> 3CO₂ + 3CH₄
Жиры + H₂O ---> 2CH₄ + CO₂

Образующийся аммиак гидролизуется до гидрата окиси аммония NH₃ + H₂O ---> (NH₄)OH и двууглекислого аммония
NH₃ + CO₂ + H₂O ---> (NH₄)HCO₃,
раскисляющих бражку и создающих слабощелочную реакцию для метаногенов, которые разлагают воду 2H₂O ---> 2H₂ + O₂, причем кислород окисляет сероводород, а водород восстанавливает диоксид углерода до метана CO₂ + 4H₂ ---> CH₄ + 2H₂O, за счет ферментолиза количество образующего метана /CH₄/ на 20-30% превышает по массе количество распавшейся беззольной органики стоков.

Пульсационная обработка между уступчатыми цилиндрическими поверхностями ротора 8 и корпуса 9 в кольцевом канале 7 помимо нагрева бражки сопровождается разрушением газовых и паровых оболочек на частицах взвесей, что сокращает время сбраживания от нескольких суток до нескольких часов, т.е. возрастает производительность метантенка в единице объема. Концентрация метана /CH₄/ в биогазе на выходе из камеры 5 метантенка 1 не превышает 75-80%, что недостаточно для его использования в качестве горючего в двигателе внутреннего сгорания /ДВС/ автотранспорта и сельхозмашин. Исчерпывание диоксида углерода и сероводорода осуществляют в хлореллогенераторе 16 в биопленке плоской спирали 20 и на пучках 21 и 22 стекловолокон, служащих иммобилизацией для микрофлоры. В условиях фотосинтеза хлорелла накапливает в своих клетках тяжелую /D₂O/ воду. Выделяющийся хлореллой кислород стабилизирует дезинтеграт, поступающий через ороситель 81, который содержит до 45% углерода, до 11% азота и до 5% фосфора, являющихся биогенными элементами питания для хлореллы и бактерий. Освобождение биопленки от мертвых и старых клеток осуществляют встряхиванием вала 19 на упругой опоре 84 от вибратора 85. Частота вращения вала 19 от привода 83 порядка 2-8 об/мин. Мертвые и старые клетки хлореллы и бактерий отделяют на нежесткой фильтровальной перегородке, находящейся под напряжением электротока, в ЦМФ 23. Биомассу подвергают дезинтеграции в ДД 24. При опорожнении отверстий 29 между биомассой и днищем отверстия возникает разрежение и появляются пузырьки пара, которые конденсируются в кольцевом канале 34 с образованием пустот, их схлопыванием. Центрами конденсации являются микроорганизмы и их оболочки разрушаются гидроударным воздействием, с освобождением внутриклеточной жидкости. Микроорганизмы на 80-85% состоят из воды и при разрушении оболочек клеток биомасса ожижается. Освобождаемые нуклеиновые кислоты являются полимером, увеличивающим скользкость воды, т.е. скорость заполнения и опорожнения отверстий 29. Магнитное силовое поле магнитофора 30 приводит к передиссоциации молекул воды в линейные цепи макромолекул. Воздействие гидравлических ударов приводит к разрыву водородных связей между макромолекулами обычной и дейтериевой воды. Дейтериевая вода имеет плотность на 10% выше плотности обычной воды и в поле центробежных сил она проходит через отверстия 32 в перфорированном кольце 33 в полость 34, вытесняя оттуда обычную воду, а выходу тяжелой воды препятствует ее вязкость, которая на 23% выше вязкости обычной воды. Смесь обычной и дейтериевой воды через патрубок 88 поступает в сборник 35 и через гидравлический затвор 36 в РК 37. Температура кипения тяжелой воды 101,42^oC, и она хуже испаряется и быстрее конденсируется в сравнении с обычной водой. Путем многократных частичных испарений и конденсаций вверху РК 37 получаем пары частой обычной воды, а внизу в теплообменнике 40 тяжелую воду, которую смешивают со сверхтяжелой /T₂O/ водой из сборника 58 в соотношении 1:1 и направляют в парогенератор 41. Пары дозируют роликами 70 питателя 42, пережимом шланга 60. В дуге при температуре 2500 - 3000^oC между дуговыми электродами 61 и 62 пар переходит в плазму из электронов и ионов. Плазма перемещается в виде спиралей вокруг импульсного разряда электрического тока от конденсаторной батареи 47 между электродами 45 и 46. Образование спиралей обусловлено отводом паров, в которые превращается плазма при контакте с торцевой стенкой 63 и отводе паров через отверстия 64 в диске 65, попеременно подключаемом отверстием 67 приводной ступицы 67 к конденсатору 68, создающем разрежение в полости 44 реактора-размножителя трития 43. В результате слияния ядер дейтерия и трития образуется гелий, который является неконденсирующейся примесью в конденсаторе 68 и отводится в сборник 69. Нейтроны воспроизводят тритий при контакте с литиевой 49 и бериллиевой 50 обечайками теплообменника 48, охлаждаемого обычной водой, которую в виде перегретой воды отводят контуром 52 в сепаратор 53. Отработанный пар от паровой турбины 54 привода электрогенератора 55 конденсируют в конденсаторе 56 и смесь обычной и тритиевой воды разделяют в РК 57, конструктивно повторяющей РК 37, с образованием внизу тритиевой воды, отводимой в сборник 58. Поджатие спиралей плазмы осуществляется их реакцией при испарении о поверхность литиевой обечайки 49. Избыточную массу дезинтеграта из патрубка 27 ДД 24 сушат в сушилке 82 и используют в качестве БВД из расчета 1 грамм а.с.в. на 1 кг живого веса скота и птицы, что сокращает расход обычных кормов на 20-30%. Скармливание БВД в виде дезинтеграта, т.е. с разрушенными оболочками, доступными для усвоения микроэлементами, ферментами, витаминами, нуклеиновыми кислотами повышает генетику родительского стада скота и птицы. Использование CH₄ из газгольдера 73 в ДВС вместо бензина на 10-20% сокращает расход горючего, на 15% сокращается расход смазки, в 2 раза повышается межремонтный ресурс ДВС.

Метантенк используется для биологической утилизации сельхозотходов. Метантенк соединен со сборником сельхозотходов, состоит из камер кислого, нейтрального, щелочного и метанового брожения, имеющих диспергаторы, и установлен в помещении. На перекрытии помещения размещен твердофазный ферментатор, выполненный с каналами, сообщенными с нагнетателем воздуха в его нижней части и оросителем шлама из метантенка - в верхней части. Камера метанового брожения соединена с хлореллогенератором. Внутри корпуса хлореллогенератора на валу установлена плоская спираль с пучками стекловолокон. Хлореллогенератор сообщен с центробежным микрофильтром и динамическим дезинтегратором, где биомасса подвергается дезинтеграции. Смесь обычной и дейтериевой воды поступает в сборник и в ректификационную колонну, соединенную с реактором-размножителем трития. Теплообменник реактора-размножителя соединен контуром охлаждения с сепаратором пара и с паровой турбиной привода электрогенератора для выработки электроэнергии. Торцевая стенка реактора-размножителя соединена с конденсатором и сборником товарного гелия. Избыточная биомасса из патрубка выхода дезинтегратора поступает на сушилку белково-витаминной добавки. Метантенк обеспечивает переработку сельхозотходов с дополнительной выработкой гелия, электроэнергии, компоста, белково-витаминной добавки и сверхтяжелой воды. 1 ил.

Метантенк, включающий камеры: кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженных диспергаторами в виде взаимодействующих уступчатыми цилиндрическими поверхностями через кольцевой канал ротора и корпуса, отличающийся тем, что метантенк установлен в помещении, на перекрытии которого размещен твердофазный ферментатор, выполненный с каналами, сообщенными с нагнетателем воздуха в нижней части и оросителем шлама из метантенка - в верхней, причем метантенк по биогазу и бражке сообщен с хлореллогенератором в виде корпуса со светопроницаемыми стенками и размещенными с внешней стороны стенок корпуса светильниками, а внутри корпуса на валу установлена плоская спираль с иммобилизационными элементами в виде пучков стекловолокон, а по биомассе хлореллы хлореллогенератор сообщен центробежным микрофильтром и динамическим дезинтегратором в виде корпуса с патрубками входа и выхода, установленного по оси корпуса ротора с глухими отверстиями в кольце магнитофора, взаимодействующими через кольцевой канал с отверстиями перфорированного кольца, образующего с корпусом полость, изолированную от патрубков входа и выхода, сообщенную по смеси обычной и дейтериевой воды со сборником и через гидравлический затвор с ректификационной колонной, снабженной поперечными перфорированными перегородками, образующими секции, сообщенные друг с другом переливными трубами, причем нижняя секция снабжена теплообменником и сообщена через парогенератор и питатель с реактором-размножителем трития, во внутренней полости которого размещены электроды, сообщенные с конденсаторной батареей, а между электродами концентрично их оси установлен теплообменник с литиевой, бериллиевой и графитовой обечайками, сообщенными контуром охлаждения с сепаратором пара и по пару - с паровой турбиной привода электрогенератора, а по отработанному пару - с конденсатором, дополнительной ректификационной колонной и сборником товарной тритиевой воды, а у передней торцевой стенки реактора-размножителя, напротив упругого шланга питателя, установлены дуговые электроды с возможностью перемещения навстречу друг другу, а противоположная торцевая стенка реактора-размножителя выполнена с концентричными отверстиями в диске, сопряженными с отверстием приводной ступицы, сопряженной с диском торцевой стенки, а по пару смеси дейтериевой, тритиевой воды и гелия приводная ступица сообщена с конденсатором и сборником товарного гелия (He), а по смеси дейтериевой и тритиевой воды с парогенератором питателя, снабженного пережимными роликами упругого шланга подвода пара между дуговыми электродами в полость реактора-размножителя трития, а твердофазный ферментатор выполнен с герметичным покрытием, на котором размещен газгольдер товарного метана (CH₄), причем твердофазный ферментатор выполнен с загрузочным и разгрузочным устройствами и последнее сообщено по компосту со сборником сельхозотходов из свинооткормочного комплекса, причем камеры метантенка на границе между жидкостной и газовой полостями снабжены иммобилизационной насадкой в виде полых стеклянных шариков, а патрубок выхода динамического дезинтегратора сообщен с оросителем хлореллогенератора, а по избыточной биомассе дезинтегратора с сушилкой товарной белково-витаминной добавки, а вал плоской спирали хлореллогенератора снабжен приводом, установлен на упругой опоре и взаимодействует с вибратором.