БИОГАЗОВЫЙ КОМПЛЕКС Российский патент 2010 года по МПК A01C3/02 

Изобретение относится к области переработки органических отходов сельскохозяйственных животных и растениеводства в высокоэффективные органические удобрения, биогаз, тепловую и электрическую энергию в условиях животноводческих комплексов, а также индивидуальных и фермерских хозяйств.

Известна установка для метанового сбраживания навоза (А.С. SU №1549496, А01С 3/00, 15.03.1990), содержащая приемную емкость, сообщенную с цилиндрическим реактором, имеющим газовый колпак, средство отбора биогаза, устройство гидродинамического перемешивания сбраживаемой массы. Выгрузная емкость установки выполнена в виде гидравлического затвора, сообщенного с приемной емкостью и реактором.

Недостатком известного технического решения является его сложность и малая степень надежности в процессе эксплуатации.

Также известна установка для переработки отходов животноводства в удобрения (RU 2048722, А01С 3/02, 1993.02.02), содержащая усреднитель, соединенный посредством насоса с метантенком, узел разделения сброженной массы на фракции, устройство для обезвоживания твердой фракции и средство обеззараживания жидкой фракции, приспособление для нагрева отходов, газгольдер, насос, трубопроводы и необходимые входные и выходные патрубки. Установка снабжена фильтром очистки биогаза, кислотогенным реактором, который своим входным патрубком соединен с выходным патрубком отходов основного теплообменника, а выходным с упомянутым узлом разделения сброженной массы на фракции, а также дополнительным теплообменником и средством обеззараживания твердой фракции, при этом дополнительный теплообменник соединен с патрубком отвода жидкой фракции указанного узла разделения посредством насоса, а средство обеззараживания твердой фракции установлено на входе устройства для ее обезвоживания и выполнено в виде смесителя, сообщенного с бункером для негашеной извести.

Недостатком известной установки является недостаточный уровень ее эффективности вследствие невысокой степени использования получаемой собственной тепловой и электрической энергии, а также невозможности снижения уровня эмиссии парниковых газов и создания дополнительных источников кормовой базы животноводческого комплекса.

Известна биогазовая установка для переработки навоза, включающая приемную емкость, гидрогерметизатор, газовый колпак, манометр, устройство подогрева и отбора газа. Приемная емкость выстлана чехлом из водонепроницаемого материала с армированным дном и жестко закрепленным верхним краем. Чехол является подвижным, так как армированное дно чехла связано с подъемным механизмом, при этом дно чехла опирается на решетку, под которой расположено устройство подогрева в водяной рубашке. Гидрогерметизатор снабжен выгрузным трубопроводом, конец которого находится выше уровня выгрузной площадки (патент RU №2286038, A01C 3/02, опубл. 27.10.2005, Бюл. №30).

Недостатками этой установки являются высокие энергозатраты, невозможность получения собственной электрической и тепловой энергии, высококачественных сухих и эффективных быстродействующих жидких биоорганических удобрений, а также низкая производительность, что ограничивает возможности ее использования (только мелкие хозяйства).

Также известна установка для переработки отходов животноводства и производства удобрений (RU №2056393 C1, C05F 3/06, 1993.03.19), содержащая блоки нейтрализации и очистки, компремирования и хранения газа, первый из которых выполнен в виде последовательно установленных накопителя навоза с жидкостным разбавителем и насосом подачи, теплообменника, метантенка, и сепаратор с магистралями вывода твердой и жидкой фракций, подключенными соответственно через насосы-активаторы к потребителю и отстойнику, при этом перед матантенком на линии подачи подогретого навоза установлен газожидкостный эжектор, а в метантенке установлен эрлифтный барботер, соединенный по входу с выходом газожидкостного эжектора, вход которого по газу соединен с выходом блока компремирования и хранения газа.

Недостатком известного технического решения является невозможность получения собственной электрической и тепловой энергии, достаточной для обеспечения функционирования биогазового комплекса и потребителя, а также невозможность получения дополнительных кормовых средств для животноводческого комплекса.

Также известна установка для анаэробного сбраживания органических отходов с получением биогаза (RU №2073360 C1, C02F 11/04, 1994.12.19), содержащая не менее двух камер брожения, например, биореактор кислотогенной стадии брожения и метантенк, соединенных по линии отбора биогаза с газгольдером, подводящие и отводящие трубопроводы, элементы регулирования и поддержания температуры в камерах брожения, резервуары предварительной подготовки отходов и готовых удобрений, подводящие и отводящие трубопроводы. Установка снабжена энергетическим блоком для получения тепловой и электрической энергии, к входу по биогазу которого подключен выход газгольдера, элементы регулирования и поддержания температуры первой камеры брожения подключены с одной стороны к отводящему трубопроводу с метановой бражкой второй камеры брожения, а с другой -к резервуару готовых условно жидких удобрений, а указанные элементы второй камеры брожения подключены с одной стороны к входу по воде энергетического блока, а с другой - через потребитель тепла к его выходу по воде.

Недостатками известного технического решения является невозможность получения высококачественных сухих (компост) и эффективных быстродействующих жидких биоорганических удобрений, также невозможность получения дополнительного источника кормовой базы животноводческого комплекса.

Также известна биогазовая установка анаэробного сбраживания органических отходов, преимущественно навоза (RU №2074600 C1, A01C 3/02, 1993.01.26), включающая реактор, выполненный в виде емкости с лопастной мешалкой, установленной на горизонтальной оси вращения, узлы загрузки и выгрузки отходов и сборник биогаза, при этом емкость установки снабжена дополнительными лопастными мешалками и выполнена многосекционной, дно емкости расположено с наклоном в сторону узла выгрузки, узлы загрузки и выгрузки снабжены ленточными транспортерами с приводами, а мешалки установлены в каждой секции емкости и имеют общий привод, выполненный в виде цепной передачи, кинематически связанной с приводом ленточного транспортера узла загрузки.

Также известна биогазовая установка (RU №75908, A01C 3/02, 2008.04.09), которая содержит приемную емкость, образованную земляным валом и облицованную неподвижным чехлом из теплоизоляционного материала, края которого уложены в углубление кольцевого гидрогерметизатора. Емкость снабжена вертикальной и наклонной мешалками, загрузочным и выгрузным трубопроводами. Непосредственно над биомассой расположен теплоизоляционный редко перфорированный экран, края которого уложены в углубление кольцевого гидрогерметизатора. Газовый колпак (газгольдер) установки выполнен из полимерного материала, края которого закручены в виде кольцевого накопителя балластной воды и уложены в углубление кольцевого гидрогерметизатора. Кольцевой накопитель оснащен заливным и сливным патрубками и системой подогрева балластной воды. Кольцевой гидрогерметизатор заполнен водой, а в днище емкости установлена дренажная труба.

Недостатками двух последних технических решений являются невозможности получения собственной электрической и тепловой энергии, высококачественных сухих и эффективных быстродействующих жидких биоорганических удобрений, а также отсутствие дополнительных источников кормовой базы животноводческого комплекса.

Также известны автономные биоэнергетические установки, содержащие биореактор с механической мешалкой и системой автоматического управления, водогрейный котел, загрузочную емкость, фекальный насос, газгольдер, емкость для хранения удобрений, биогазэлектрогенератор, а также бойлер для горячей воды (ж. АгроРынок, №1, 2007 г.).

Недостатком известных установок является невозможность получения высококачественных сухих (компост) и эффективных быстродействующих жидких биоорганических удобрений и отсутствие источника создания собственной кормовой базы животноводческого комплекса.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности биогазового комплекса по переработке органических отходов животноводческого комплекса.

Техническим результатом от использования изобретения является возможность получения:

- собственной электрической и тепловой энергии, достаточной для обеспечения деятельности биогазового комплекса и потребителя,

- высококачественных сухих (компост) и эффективных быстродействующих жидких биоорганических удобрений,

а также возможность повышения:

- уровня экологии территорий вследствие очищения их от биоорганического загрязнения отходами жизнедеятельности крупного рогатого скота;

- качества продуктов животноводства и растениеводства и рентабельности сельхозпроизводства,

а также:

- снижение эмиссии парниковых газов;

- укрепление кормовой базы животноводческого комплекса за счет формирования дополнительного источника кормов.

Решение задачи и достижение технического результата обеспечивается биогазовым комплексом, содержащим сепаратор, сообщающийся с осушителем и проточным резервуаром с водными растениями, блок управления и питания, подключенный к элементам комплекса, компостер, последовательно соединенные между собой магистралями приемную емкость с насосом, дополнительный сепаратор, измельчитель, эжектор, накопитель, дополнительный насос, метантенк, газгольдер, фильтр и когенерационную установку, при этом основной и дополнительный сепараторы посредством дополнительных магистралей сообщены с осушителем и компостером соответственно, метантенк - с основным сепаратором, фильтр - с проточным резервуаром с водными растениями, а выход когенерационной установки подключен к потребителю тепловой и электрической энергии и элементам регулирования и поддержания температуры, установленным в накопителе, проточном резервуаре и осушителе.

Решению поставленной задачи и достижению указанного технического результата способствуют также частные существенные признаки изобретения.

Сепараторы выполнены в виде центрифуг.

Приемная емкость выполнена в виде открытого резервуара.

Измельчитель выполнен электроискровым.

Эжектор выполнен газожидкостным.

Метантенк выполнен в виде двухсекционного реактора, секции которого представляют собой сообщающиеся наклонный трубопровод и вертикальную башню.

Секции заполнены картриджами, выполненными из пористого материала.

Проточный резервуар выполнен крытым.

Проточный резервуар выполнен многосекционным.

Проточный резервуар выполнен в виде проточного бассейна и/или проточного сосуда.

Секции проточного резервуара выполнены сообщающимися или изолированными друг от друга.

В секциях проточного резервуара размещены водные растения одного или различных видов.

Водные растения представляют собой водный гиацинт и/или макро- и микрорастения.

Приемная емкость установлена над или под землей.

Приемная емкость снабжена чехлом, выполненным из теплоизоляционного материала.

Стенки проточного резервуара выполнены с теплоизоляционным покрытием.

Элементы регулирования и поддержания температуры выполнены в виде теплообменников и/или электронагревателей.

Выход метантенка сообщен с его входом посредством дополнительной магистрали, второго дополнительного насоса и вентиля.

На фиг.1 представлена структурная схема биокомплекса.

На фиг.2 - схема метантенка.

Биогазовый комплекс содержит сепаратор 1, сообщающийся с осушителем 2 и проточным резервуаром 3 с водными растениями, блок 4 управления и питания, подключенный к элементам комплекса, компостер 5, последовательно соединенные между собой магистралями 6 приемную емкость 7 с насосом 8, дополнительный сепаратор 9, измельчитель 10, эжектор 11, накопитель 12, дополнительный насос 13, метантенк 14, газгольдер 15, фильтр 16 и когенерационную установку 17, при этом основной 1 и дополнительный 9 сепараторы посредством дополнительных магистралей 18, 19, 20 и 21 сообщены с осушителем 2 и компостером 5 соответственно, метантенк 14 - с основным сепаратором 1, фильтр 16 - с проточным резервуаром 3, а выход когенерационной установки 17 подключен к потребителю 22 тепловой и электрической энергии и элементам 23, 24, 25 регулирования и поддержания температуры, установленным соответственно в накопителе 12, проточном резервуаре 3 и осушителе 2. Элементы 23, 24 и 25 регулирования и поддержания температуры могут быть выполнены в виде теплообменников и/или электронагревателей. В состав эжектора 11 входит насос (на схеме не показан), предназначенный для подачи суспензии.

Сепараторы 1 и 9 могут быть выполнены в виде центрифуг. Приемная емкость 7 выполнена в виде открытого резервуара и может быть установлена над или под землей. Измельчитель 10 выполнен электроискровым, эжектор 11 - в виде газожидкостного эжектора, реализующего режим сверхзвукового движения смеси, метантенк 14 - в виде двухсекционного реактора, секции которого представляют собой сообщающиеся наклонный трубопровод 26 и вертикальную башню 27. Секции заполнены картриджами 28, выполненными из пористого материала. Приемная емкость 7 может быть снабжена чехлом 29, выполненным из теплоизоляционного материала. Проточный резервуар 3 может быть выполнен крытым, многосекционным, а его стенки - с теплоизоляционным покрытием 30. Секции проточного резервуара 3 могут быть выполнены сообщающимися или изолированными друг от друга, и в них могут быть размещены водные растения одного или различных видов. Водные растения представляют собой водный гиацинт и/или макро- и микрорастения. Для обеспечения регулирования потока пульпоподобной массы в магистрали 20 предусмотрен вентиль 31. Выход метантенка может быть сообщен с его входом посредством дополнительной магистрали 32, второго дополнительного насоса 33 и вентиля 34.

Биогазовый комплекс функционирует следующим образом.

Начальный продукт (навоз КРС, свиней и птичий помет) поступает в приемную емкость 7, представляющую собой подземный открытый резервуар, расположенный в помещении коровника (например, он же потребитель 22) или в отдельном помещении. Для поддержания температуры емкость 7 может быть снабжена чехлом 29, выполненным из теплоизоляционного материала. Из приемной емкости начальный продукт насосом 8 направляется в дополнительный сепаратор 9. На дополнительном сепараторе 9 происходит отделение (полное или частичное) твердой фракции начального продукта. Отделенная часть твердой фракции по дополнительной магистрали 18 направляется в компостер 5 (ферментер), где происходит компостирование и получение конечного продукта (аналогичного, например, продукту Пикса). Далее компост вывозится на поле для последующего внесения в почву.

Оставшаяся часть исходного продукта (с влажностью 91,5%) обрабатывается измельчителем 10 с целью измельчения исходного сырья до размеров частиц не более 1 мм, а затем перерабатывается в газожидкостном эжекторе 11 для удаления растворенного в воде кислорода до заданного уровня от исходного количества и стерилизации исходной массы. Данные технологические операции во многом обеспечивают эффективность биодеградации на последующем этапе технологической цепочки. В накопителе 12 рабочей смеси происходит аккумулирование подготовленной мелкодисперсной массы и ее подогрев до необходимой температуры (40-42°С). Для нагревания используется низкоэнтальпийная энергия когенерационной установки 17 и энергия продукта после метанирования. Процесс нагревания реализуется элементом 23 регулирования и поддержания температуры, который представляет собой теплообменник и/или электронагреватель, установленный в накопителе 12. Далее подготовленный и разогретый до необходимой температуры продукт по магистрали 6 непрерывно или по заданному временному закону подается насосом 13 в метантенк 14. В метантенке 14 происходит биодеградация продукта с выделением биогаза и эффлюента (биоудобрения). Непосредственно в метантенке 14 сырье дополнительно не подогревается для исключения скачков температуры на каждом слое метантенка. Метантенк 14 является двухсекционным реактором, в котором первая стадия гидролиза осуществляется в наклонном трубопроводе 26, который связывает накопитель 12 подготовленного сырья с основным реактором, выполненным в виде вертикальной башни 27 и заполненным картриджами 28, выполненными из пористого материала с величиной ячеек с максимальным размером 4 мм для закрепления бактериальной среды. Для удаления лишнего количества бактерий и предотвращения зарастания пористого наполнителя в картриджах реактор снабжен системой периодического впрыска конечного продукта по магистрали 32 через насос 33 на вход наклонной части метантенка.

Выделенный биогаз (смесь CH₄ и CO₂) аккумулируется в газгольдере 15. Из газгольдера 15 биогаз направляется на фильтр 16, где происходит разделение СН₄ и CO₂ в пропорции, необходимой для эффективной работы когенерационной установки 17, а также отделение сернистой компоненты и обезвоживание (пеногашение). Выделенный после фильтрации углекислый газ по дополнительной магистрали 21 поступает в проточный резервуар 3 с водными растениями для утилизации, где поглощается растениями и стимулирует их рост, а обогащенный метан направляется на когенерационную установку 17, в которой реализуется получение тепловой и электрической энергий. Полученная тепловая и электроэнергия поступает к потребителю 22 (например, в коровник), а также направляются на собственные нужды биогазового комплекса посредством использования элементов 23, 24 и 25 регулирования и поддержания температуры, выполненных в виде теплообменников и/или электронагревателей. Прошедшая биодеградацию в метантенке 14 пульпоподобная масса по дополнительной магистрали 20 подается на сепаратор 1, где происходит ее разделение на жидкую и густую фракции. Густая фракция по дополнительной магистрали 19 направляется в осушитель 2, в котором для поддержания требуемой температуры используется тепло когенерационной установки 17, подключенной своим выходом к элементу 25 регулирования и поддержания температуры, выполненному в виде теплообменника и/или электронагревателя. Жидкая фракция направляется в проточный резервуар 3 с водными растениями или сезонно используется в качестве активных биоудобрений. Проточный резервуар 3 представляет собой активную биосреду и может быть выполнен крытым, многосекционным, а его стенки могут иметь теплоизоляционное покрытие 30. Также проточный резервуар 3 может быть выполнен в виде проточного бассейна и/или проточного сосуда. Секции проточного резервуара 3 могут быть выполнены сообщающимися или изолированными друг от друга, и в них могут быть размещены водные растения одного или различных видов. Регулирование температуры в проточном резервуаре обеспечивается элементом 24 регулирования и поддержания температуры, выполненным в виде теплообменника. Корневая система водных растений отбирает минеральную и органическую составляющую жидкой фракции остаточного продукта, очищая его до норм сброса на рельеф, или направляется на нужды самого комплекса. При этом образуется зеленая масса, которая может быть использована в пищевой цепочке. Таким образом, проточный резервуар 3, представляющий собой активную биосреду, является утилизатором остаточного тепла и углекислого газа, отобранного в процессе обогащения биогаза, а также и источником получения зеленой массы. В осушителе 2 реализуется получение сухого продукта (биоудобрений), который в зимнее время может быть накоплен для последующей реализации. Пульпоподобная масса с выхода метантенка 14 может поступать на его вход по дополнительной магистрали 32 при включении второго дополнительного насоса 33. При этом вентиль 31 закрывается, а вентиль 34 открывается. В том случае, если не используется дополнительная магистраль 32 со вторым дополнительным насосом 33 и вентилем 34, вентиль 31 в дополнительной магистрали 20 ставят в открытое положение. Управление и питание элементов комплекса осуществляется посредством блока 4 управления и питания. Таким образом, комплекс представляет собой замкнутую систему, в которой отсутствуют вредные выбросы в окружающую среду.

При использовании инновационных технологий в биогазовом комплексе существенно снижаются капиталовложения в активные биореакторы и максимально используется энергия, извлекаемая из перерабатываемой биомассы. Объемы переработанных отходов могут достигать 55,0 тонн в сутки, а полученной биомассы водного гиацинта - 220 тонн в год. Повышение эффективности комплекса обеспечивается синтезом использования прикрепленной биосреды в качестве конечного каскада очистки, получения дополнительной зеленой массы и подготовки стоков до экологически безопасного уровня, а также непрерывностью протекающих процессов в биореакторе и подготовке исходного продукта путем электроискрового измельчения, стерилизации и принудительного извлечения кислорода, что в конечном итоге позволяет существенно снизить рабочий объем метантенков.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и касается биогазового комплекса. Содержит сепаратор, сообщающийся с осушителем и проточным резервуаром с водными растениями, блок управления и питания, подключенный к элементам комплекса, компостер, последовательно соединенные между собой магистралями приемную емкость с насосом, дополнительный сепаратор, измельчитель, эжектор, накопитель, дополнительный насос, метантенк, газгольдер, фильтр и когенерационную установку, при этом основной и дополнительный сепараторы посредством дополнительных магистралей сообщены с осушителем и компостером соответственно, метантенк - с основным сепаратором, фильтр - с проточным резервуаром с водными растениями. Выход когенерационной установки подключен к потребителю тепловой и электрической энергии и элементам регулирования и поддержания температуры, установленным в накопителе, проточном резервуаре и осушителе. Изобретение позволяет повысить эффективность использования получаемой энергии и снизить капиталовложения в активные биореакторы. 17 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Биогазовый комплекс, содержащий сепаратор, сообщающийся с осушителем и проточным резервуаром с водными растениями, блок управления и питания, подключенный к элементам комплекса, компостер, последовательно соединенные между собой магистралями приемную емкость с насосом, дополнительный сепаратор, измельчитель, эжектор, накопитель, дополнительный насос, метантенк, газгольдер, фильтр и когенерационную установку, при этом основной и дополнительный сепараторы посредством дополнительных магистралей сообщены с осушителем и компостером соответственно, метантенк - с основным сепаратором, фильтр - с проточным резервуаром с водными растениями, а выход когенерационной установки подключен к потребителю тепловой и электрической энергии и элементам регулирования и поддержания температуры, установленным в накопителе, проточном резервуаре и осушителе.

2. Биогазовый комплекс по п.1, в котором сепараторы выполнены в виде центрифуг.

3. Биогазовый комплекс по п.1, в котором приемная емкость выполнена в виде открытого резервуара.

4. Биогазовый комплекс по п.1, в котором измельчитель выполнен электроискровым.

5. Биогазовый комплекс по п.1, в котором эжектор выполнен газожидкостным.

6. Биогазовый комплекс по п.1, в котором метантенк выполнен в виде двухсекционного реактора, секции которого представляют собой сообщающиеся наклонный трубопровод и вертикальную башню.

7. Биогазовый комплекс по п.6, в котором секции заполнены картриджами,
выполненными из пористого материала.

8. Биогазовый комплекс по п.1, в котором проточный резервуар выполнен крытым.

9. Биогазовый комплекс по п.1, в котором проточный резервуар выполнен многосекционным.

10. Биогазовый комплекс по п.1, в котором проточный резервуар выполнен в виде проточного бассейна и/или проточного сосуда.

11. Биогазовый комплекс по п.9, в котором секции проточного резервуара выполнены сообщающимися или изолированными друг от друга.

12. Биогазовый комплекс по п.9, в котором в секциях проточного резервуара размещены водные растения одного или различных видов.

13. Биогазовый комплекс по п.12, в котором водные растения представляют собой водный гиацинт и/или макро- и микрорастения.

14. Биогазовый комплекс по п.1, в котором приемная емкость установлена над или под землей.

15. Биогазовый комплекс по п.1, в котором приемная емкость снабжена чехлом, выполненным из теплоизоляционного материала.

16. Биогазовый комплекс по п.1, в котором стенки проточного резервуара выполнены с теплоизоляционным покрытием.

17. Биогазовый комплекс по п.1, в котором элементы регулирования и поддержания температуры выполнены в виде теплообменников и/или электронагревателей.

18. Биогазовый комплекс по п.1, в котором выход метантенка сообщен с его входом посредством дополнительной магистрали, второго дополнительного насоса и вентиля.