МЕТАНТЕНК Российский патент 2012 года по МПК C02F11/04 

Предлагаемое устройство относится к области природоохранной и энергогенерирующей техники и предназначено для переработки органических субстратов относительной влажностью 90-98%: бесподстилочного навоза, помета сельскохозяйственных животных, осадков и илов как отходов процессов механо-биологической очистки хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод АПК. Метантенк может использоваться на малых предприятиях по переработке сельскохозяйственной продукции, крестьянских подворьях (фермерских хозяйствах), предприятиях рекреационного сервиса (домах отдыха, туристических комплексах).

Сырьем для метантенка в общем случае может быть любой органосодержащий биоразлагаемый субстрат с содержанием органического вещества не менее 50% от количества твердой фазы и не содержащий неустранимых доступными методами веществ, ингибирующих анаэробные процессы в метантенке.

Метантенк может использоваться в качестве основного аппарата биоэнергетической установки либо в качестве базового аппарата-модуля при формировании технологических линий для анаэробной переработки (очистки) органических отходов и сточных вод.

Известно устройство такого назначения, описание которого представлено в UK patent Application №2162195, Jnt. cl. C02F 3/28, 19.07.1985 «Jmproved anaerobic fermentation method and apparatus», applicant «Bisan Holdings Pty ltd».

Устройство представляет собой метантенк, выполненный в виде герметичного сооружения вертикального типа с цилиндроконической формой корпуса, снабженного патрубками для подвода исходного субстрата, отвода отработанного субстрата, патрубком для отвода биогаза. Перемешивание содержимого метантенка осуществляется посредством барботажного устройства, размещенного под нижней частью центральной трубы. Стенка центральной трубы выполнена полой и снабжена патрубками для подвода и отвода теплоносителя. Барботажное устройство содержит патрубок для вывода биогаза в рабочее пространство метантенка под центральной трубой и подключено к компрессору для подачи биогаза под давлением. Введение биогаза в малое в сравнении с рабочим объемом метантенка пространство центральной трубы вызывает резкое падение плотности биомассы (до 500 кг/м³) за счет увеличения доли газовой фазы и приводит тем самым к возникновению подъемной силы, действующей вдоль вертикальной оси центральной трубы.

Возникающая при этом циркуляция биомассы по схеме «центральная труба - кольцевое рабочее пространство метантенка» приводит к достаточно интенсивному перемешиванию содержимого метантенка и, в конечном счете, к интенсификации массообменных и биохимических процессов. Благодаря полой конструкции стенки циркуляционной трубы становится возможным совместить процессы перемешивания и подогрева биомассы в метантенке. Теплоноситель подается в полую стенку циркуляционной трубы от внешнего теплогенератора, работающего на биогазе. Помимо кольцевого пространства, образованного циркуляционной трубой и внутренней стенкой метантенка, имеется внешнее кольцевое пространство, в котором размещены средства иммобилизации анаэробной микрофлоры для обработки преимущественно жидкой фазы содержимого метантенка. Избыточный анаэробный ил из нижней части зоны метантенка с иммобилизированной микрофлорой выводится в основное рабочее пространство метантенка. Пористый материал для иммобилизации анаэробной микрофлоры ориентирован во внешнем кольцевом пространстве таким образом, чтобы обеспечить восходящее движение подлежащего обработке потока. Данное техническое решение позволяет упростить конструкцию и повысить надежность функционирования метантенка за счет размещения средств нагрева и перемешивания биомассы внутри корпуса аппарата. Наличие средств иммобилизации позволяет повысить концентрацию активной биомассы в рабочем пространстве аппарата и повысить тем самым глубину переработки субстрата в биогаз при одновременном увеличении относительного содержания метана в биогазе.

Основным недостатком метантенка по патенту Великобритании №2162195 является невозможность вовлечения в обработку с использованием иммобилизированной анаэробной микрофлоры субстратов с пониженной влажностью. Согласно патенту №2162195 концентрированные субстраты обрабатываются в отдельной камере с центральной трубой, а внешняя кольцевая камера со средствами иммобилизации используется для обработки потоков с низким содержанием твердой фазы. Как следствие, сужается область применения метантенка и увеличиваются (ухудшаются) массогабаритные показатели. Другим недостатком является недостаточно высокая интенсивность массо- и теплообмена в кольцевом пространстве вокруг центральной трубы. Если внутри циркуляционной центральной трубы линейные скорости двухфазного потока достигают 0,5 м/с и более, то в кольцевом пространстве, площадь поперечного сечения которого многократно превосходит аналогичный показатель для центральной трубы, при сохранении циркуляционного расхода скорость потока снижается многократно. В результате интенсивность теплообмена между внешней поверхностью полой стенки центральной трубы и биомассой резко снижается. Снижение скорости движения потока приводит также к падению интенсивности биохимических реакций в данной области, снижению скоростей подвода питания и отвода продуктов метаболизма, в первую очередь газообразных.

Результатом приведенных выше технических недостатков является ухудшение показателей метантенка, в первую очередь удельного выхода и состава биогаза, снижение качества обработки исходного субстрата, выражаемое в увеличении прохождения через метантенк необработанных, т.е. не стабилизированных и необеззараженных частиц субстрата, сужение области применения метантенка.

Известно устройство согласно патенту Японии №4092765 В2, Jnt. cl. C02F 3/02, 03.1998, патентообладатель «Kurita Water Ind. Ltd», согласно которому указанные недостатки в значительной степени устранены введением в рабочее пространство аппарата взвешенного пористого носителя биомассы в сочетании с перемешиванием многофазной системы «субстрат - иммобилизированная биомасса - взвешенная биомасса - газовая фаза». Перемешивание осуществляется посредством лопастной мешалки, рабочие органы которой полностью охватывают реакционное пространство аппарата. В результате существенно интенсифицируется массобмен на поверхности раздела фаз, повышается глубина и интенсивность переработки субстрата, становится возможной переработка субстратов с пониженной влажностью.

Недостатками данного устройства являются:

- отсутствие внутренних средств теплообмена;

- невозможность поддержания минимально необходимой интенсивности процесса в отсутствие перемешивания;

- значительные затраты энергии на перемешивание из-за большого лобового сопротивления вертикальных лопастей, перекрывающих живое сечение аппарата в вертикальной плоскости;

- необходимость организации процесса рециркуляции иммобилизирующего материала в процессе разгрузки аппарата;

- неопределенность решения проблемы уплотнения вала мешалки в анаэробных условиях.

В результате снижается надежность функционирования устройства, возрастают удельные энергозатраты на обработку субстрата.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство «Метантенк для анаэробной обработки органических отходов», кл. C05F 3/00, заявка ВИЭСХ №2009 109765, приоритет от 19.03.2009.

Основные недостатки устройств-аналогов устраняются путем организации биохимической обработки субстрата в двух основных зонах метантенка - внутри центральной трубы с полой стенкой, патрубками для подвода и отвода теплоносителя и патрубком для подвода биогаза. Вертикально ориентированные средства иммобилизации анаэробной микрофлоры размещены в кольцевом пространстве между центральной трубой и цилиндрической стенкой метантенка и выполнены в виде совокупности вертикальных стержней с пористой структурой с возможностью реверсивного вращения всей совокупности. Верхняя часть совокупности вертикальных стержней объединена посредством жесткой рамной подвески. Верхняя часть метантенка снабжена кольцевым гидрозатвором и электромеханическим приводом, связанным через жесткий вал с жесткой рамной подвеской. Жесткий вал герметично связан с погружным колпаком кольцевого гидрозатвора. Выравнивание температурного поля внутри корпуса метантенка осуществляется наличием греющих рубашек стенки метантенка и центральной трубы. Теплоноситель между полой стенкой центральной трубы и рубашкой распределяется посредством трехходового клапана в зависимости от температурных условий в центральной и пристенной частях корпуса метантенка.

Результатом такого технического решения является рациональное сочетание двух базовых процессов анаэробной переработки органических субстратов различной влажности: интенсивного перемешивания (гомогенизации) и нагрева субстрата внутри центральной трубы и развитого межфазного массообмена в системе «прикрепленная микрофлора - субстрат» в кольцевом пространстве. Так как основная часть биомассы находится в прикрепленном состоянии и размещена в кольцевом пространстве, необходимое для усреднения, гидролиза и дегазации субстрата интенсивное воздействие внутри центральной трубы не оказывает отрицательного воздействия на процесс метаболизма. Создание двух взаимодополняющих зон обработки субстрата в сочетании, равномерный обогрев рабочего пространства метантенка в совокупности позволяют повысить надежность функционирования устройства, увеличить глубину и интенсивность анаэробной переработки субстрата. Модульный принцип формирования средств иммобилизации анаэробной микрофлоры в совокупности с возможностью реверсивного вращения всей иммобилизирующей сборки позволяет осуществлять эффективное управление процессом обработки субстрата на стадиях проектирования и эксплуатации. При отказе привода иммобилизирующей сборки, выхода из строя патрубка для подвода биогаза в полость центральной трубы устройство в значительной степени сохраняет свою работоспособность. Применение вертикальных стержней с круглым или овальным поперечным сечением и кольцевого гидрозатвора позволяет существенно снизить удельные энергозатраты на ведение процесса.

Основным недостатком устройства-прототипа является сложность поддержания газоплотных условий в узле ввода вала рамной подвески посредством кольцевого гидрозатвора из-за испарения запирающей жидкости, а также необходимость во внутренних промежуточных опорах для жесткого вала. Наличие электромеханического привода (мотор-редуктора) в верхней части метантенка усложняет его конструкцию, увеличивает габаритные размеры аппарата, затрудняет его эксплуатацию на открытых площадках.

Задачей предлагаемого изобретения является сокращение затрат на изговление и эксплуатацию метантенка, повышение надежности функционирования в широком диапазоне эксплуатационных условий при сохранении вышеперечисленных преимуществ - высокой интенсивности и глубины анаэробной обработки органических субстратов при высокой степени заводской готовности и широкой сфере применения устройства.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение сложных в конструктивном отношении и в эксплуатации узлов, унификация источников энергии для интенсификации процессов в основных зонах обработки субстрата.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый метантенк состоит из герметичного корпуса с патрубками подвода исходного субстрата и отвода обработанных субстратов, патрубком отвода биогаза, содержит центральную трубу, верхняя и нижняя части трубы открыты по отношению к рабочему пространству метантенка, внутри нижней части центральной трубы коаксиально размещен патрубок для подвода биогаза, связанный через компрессор с патрубком отвода биогаза, снабжен вертикально ориентированными средствами иммобилизации анаэробной микрофлоры, которые размещены в кольцевом пространстве, между центральной трубой и корпусом метантенка, и выполнены в виде совокупности вертикальных стержней с пористой структурой с возможностью реверсивного вращения всей совокупности и объединенных в верхней части посредством жесткой рамной подвески, связанной с приводом через вал, привод выполнен в виде лопастного пневмодвигателя, корпус которого жестко закреплен внутри верхней части корпуса метантенка, а входной и выходной патрубки лопастного пневмодвигателя через реверсивный газораспределитель соединены с патрубком для подвода биогаза и нагнетательным трактом компрессора. Между реверсивным газораспределителем и патрубком для подвода биогаза предусмотрены последовательно размещенные регулируемый дроссель и газовый эжектор, сопло которого через первый управляемый газовый клапан связано с нагнетательным трактом компрессора, а напорная часть связана с патрубком для подвода биогаза посредством первого регулятора давления. Реверсивный газораспределитель связан с нагнетательным трактом компрессора через последовательно размещенные второй управляемый газовый клапан и второй регулятор давления.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурой 1, на которой представлена конструктивная схема метантенка с системой компримирования и регулируемого распределения биогаза.

Метантенк 1 содержит герметичный корпус 2 с патрубками подвода и отвода исходных и обработанных органических субстратов и патрубком отвода биогаза 3. Метантенк 1 содержит также центральную трубу 4 с полой стенкой 5, снабженную патрубками для подвода и отвода теплоносителя. В нижней части трубы 4 коаксиально размещен патрубок 6 для подвода сжатого биогаза. Верхняя и нижняя части центральной трубы 4 открыты по отношению к рабочему пространству метантенка 1. В кольцевом пространстве, образованном цилиндрической частью корпуса 2 метантенка 1 и центральной трубой 4, размещены вертикальные стержни 7 с пористой структурой. Вся совокупность вертикальных стержней 7 в верхней части связана в единой целое (сборку) посредством жесткой рамной подвески 8 и обладает возможностью реверсивного вращения вокруг вертикальной оси. Рамная подвеска 8 посредством жесткого вала 9 связана с лопастным пневмодвигателем 10, размещенным в верхней внутренней части 11 метантенка 1. Стенка корпуса 2 метантенка 1 может быть снабжена рубашкой с патрубками для подвода и отвода теплоносителя. Для снижения теплопотерь в окружающую среду предусмотрена теплоизоляция 12.

Отбор из метантенка 1 и сжатие биогаза осуществляется компрессором 13 с электрическим или газовым двигателем 14. Всасывающая часть компрессора 13 подключена к патрубку отвода биогаза 3 через блок подготовки биогаза 15. Нагнетательный тракт компрессора 13 подключен к ресиверу 16, который посредством распределительных трубопроводов 17, 18 и 19 связан с предохранительным клапаном 20, газовым фильтром 21 и газовым двигателем 22 когенерационной установки соответственно.

Входной 23 и выходной 24 патрубки лопастного пневмодвигателя 10 через реверсивный газораспределитель 25 соединены через регулируемый дроссель 26, газовый эжектор 27 и первый регулятор давления 28 с патрубком для подвода биогаза 6, и через второй управляемый клапан 29 и второй регулятор давления 30, газовый фильтр 21 и распределительный трубопровод 18 - с нагнетательным трактом компрессора 13. Сопло 31 газового эжектора 27 через первый управляемый клапан 32, газовый фильтр 21 и распределительный трубопровод 18 также связано с нагнетательным трактом компрессора 13. Реверсивный газораспределитель 25, первый управляемый клапан 32, второй управляемый клапан 29 посредством электрического канала управления связаны с программно-временным задатчиком 33.

Лопастной пневмодвигатель 10 снабжен жестким валом, на котором закреплена лопасть 34 с возможностью реверсивного углового перемещения в пределах не менее 300° между ограничителями 35 и 36. Реверсивный газораспределитель 25 может предусматриваться любого известного типа, на фигуре 2 представлен реверсивный газораспределитель золотникового типа, состоящий из корпуса 37, двухходового золотникового механизма, представляющего собой соединенные посредством штока 38 поршни 39, 40, патрубка подвода биогаза 41, патрубков отвода-подвода биогаза 42 и 43, подключенных к «условно» входному 24 и выходному 23 патрубкам лопастного пневмодвигателя 10, выхлопных патрубков 44 и 45, которые через регулируемый дроссель 26 связаны с газовым эжектором 27.

Все элементы компримирования и регулированного распределения биогаза стандартные, массового применения и отличаются высокой надежностью.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Исходный субстрат поступает внутрь корпуса 2 метантенка 1 и вступает во взаимодействие со взвешенной и иммобилизированной анаэробной микрофлорой. Субстрат в ходе последовательно осуществляемых ферментативных биохимических реакций преобразуется в продукты переработки - стабилизированную и обеззараженную биомассу - эффлюент, и биогаз. Обработка исходного субстрата внутри метантенка 1 осуществляется в условиях анаэробиоза, дозированной подачи исходного субстрата, перемешивания содержимого метантенка, поддержания температуры содержимого метантенка на оптимальном уровне, при котором достигается максимальная интенсивность процесса обработки.

Строгий анаэробиоз обеспечивается герметичной конструкцией метантенка 1.

Дозированная подача исходных отходов (субстрата) обеспечивается типовыми средствами метантенка 1 - блоком предварительной обработки субстрата, который включает в свой состав насос, систему трубопроводов и запорно-регулирующей аппаратуры, дозирующие емкости и другое необходимое оборудование.

Перемешивание содержимого метантенка 1 достигается тем, что после ввода исходного субстрата поступившая порция (доза), а также рециркуляционная биомасса из кольцевого пространства между корпусом 2 метантенка 1 и центральной трубой 4 вовлекаются в нижнюю открытую часть центральной трубы 4. Побуждающей причиной, вызывающей движение потока внутри циркуляционной трубы 4, является резкое падение плотности потока при введении в жидкую среду биогаза через патрубок 6. В процессе всплытия газовых пузырей, помимо осевого перемещения всего двухфазного потока, осуществляется интенсивное перемешивание (гомогенизация) вновь поступившей порции отходов и рециркуляционной биомассы. При этом происходит интенсивная дегазация биомассы, что приводит к улучшению условий обработки субстрата на последующих этапах. Частичное падение температуры биомассы, вызванное поступлением очередной порции органических отходов, компенсируется подводом тепловой энергии от теплоносителя, подаваемого в полую стенку 5 центральной трубы 6. Таким образом, посредством центральной трубы 4, оборудованной устройством для барботажа биогаза - патрубком 6 и полой стенкой 5 - теплообменником, осуществляется осевое перемещение содержимого метантенка 1 и исходного субстрата из нижней части корпуса в верхнюю, перемешивание субстрата и рециркуляционной биомассы, поддержание температуры в центральной части устройства на оптимальном уровне.

После отведения из потока части биогаза и части обработанного субстрата остальная часть потока поступает в кольцевое пространство, образованное корпусом 2 метантенка 1 и центральной трубой 4. В кольцевом пространстве осуществляется дальнейшая анаэробная обработка органических отходов, причем обработка ведется в условиях активного контакта субстрата с иммобилизированной микрофлорой. Поступивший в кольцевое пространство субстрат совершает сложное движение, состоящее из осевого перемешивания за счет подъемной силы центральной трубы 4, и вращательного (кругового) движения, возникающего в силу принудительного вращения совокупности (сборки) вертикальных стержней 7, размещенных на рамной подвеске 8. В результате отдельные частицы субстрата и прикрепленная анаэробная микрофлора находятся в достаточно интенсивном взаимодействии.

Поверхность межфазного обмена постоянно обновляется, происходит интенсивное выделение основного продукта метаболизма - биогаза в газовое пространство метантенка 1. Вращение сборки вертикальных стержней 7 обеспечивает постоянный подвод субстрата и отвод продуктов метаболизма из зоны контакта.

Положительным эффектом от вращения сборки вертикальных стержней 7 является интенсификация теплообмена между биомассой и теплоносителем, циркулирующим в полой стенке 5 центральной трубы 4.

Вращение сборки вертикальных стержней 7 осуществляется посредством лопастного пневмодвигателя 10 через жесткий вал, на котором закреплена лопасть 34 пневмодвигателя 10, воспринимающая давление биогаза, подводимого из ресивера 16 через газовый фильтр, через второй управляемый клапан 29 и второй регулятор давления 30 с возможностью реверсивного вращения. Реверсивное вращение осуществляется за счет реверсивного газораспределителя 25. Согласно фигуре 2 биогаз под давлением через второй регулятор давления 30 и второй управляемый клапан 29 через патрубок 41 поступает во внутреннюю полость золотника реверсивного газораспределителя 25, образованную поршнями 39 и 40. Далее биогаз поступает через патрубок 43 газораспределителя 25 и патрубок 23 в полость лопастного пневмодвигателя 10, воздействуя на лопасть 34 и через вал 9 передавая вращение на вертикальные стержни 7. Одновременно происходит вытеснение эквивалентного количества биогаза через патрубки 24, 42 в выхлопной патрубок 44 и далее через регулируемый дроссель 26 в газовый эжектор 27. При перемещении золотника вправо биогаз подводится через патрубки 41, 42, 24, и происходит обратное движение лопасти 34. Скорость перемещения лопасти 34, а следовательно, и вертикальных стержней 7 регулируется вторым управляемым клапаном и регулируемым дросселем 26.

Часть биогаза из ресивера 16 через первый управляемый газовый клапан подается в сопло 31 газового эжектора 27, в который поступает также часть отработанного биогаза из лопастного пневмодвигателя 10. Таким образом, газовый эжектор 27 работает как струйный компрессор, и энергия отработанного в лопастном пневмодвигателе 10 биогаза используется дополнительно, увеличивая давление в патрубке 6 для подвода сжатого биогаза в центральную трубу 4.

Структура реверса, а также режим включения-отключения лопастного пневмодвигателя 10 и подачи биогаза в патрубок 6 регулируются посредством программно-временного задатчика 33.

Газобразный продукт метаболизма - биогаз отводится из верхней внутренней части 11 метантенка 1 через патрубок отвода биогаза 3. Отбор из метантенка 1 биогаза осуществляется компрессором 13 через блок подготовки биогаза 15, в котором биогаз осушается и нормализуется. Далее компрессором 13 биогаз поступает в ресивер 16, из которого через распределительные трубопроводы 18 и 19 подается в лопастной пневмодвигатель 10 и газовый двигатель 22 когенерационной установки соответственно предохранительным клапаном 20, газовым фильтром 21 и газовым двигателем 22 когенерационной установки соответственно. Таким образом, часть биогаза используется на собственные нужды метантенка (интенсификация массобмена, регулирование теплового режима), оставшаяся часть тепловой и электрической энергии (до 78%) является товарной.

Изобретение относится к области природоохранной и энергогенерирующей техники и предназначено для переработки органических субстратов относительной влажностью 90-98%: бесподстилочного навоза, помета сельскохозяйственных животных, осадков и илов как отходов процессов механо-биологической очистки хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод АПК. Метантенк для анаэробной обработки органических субстратов состоит из герметичного корпуса с патрубками подвода исходного субстрата и отвода обработанных субстратов, патрубком отвода биогаза, содержит центральную трубу. Верхняя и нижняя части трубы открыты по отношению к рабочему пространству метантенка. Внутри нижней части центральной трубы коаксиально размещен патрубок для подвода биогаза, связанный через компрессор с патрубком отвода биогаза. Метантенк снабжен вертикально ориентированными средствами иммобилизации анаэробной микрофлоры, которые размещены в кольцевом пространстве, между центральной трубой и корпусом метантенка, и выполнены в виде совокупности вертикальных стержней с пористой структурой с возможностью реверсивного вращения всей совокупности и объединенных в верхней части посредством жесткой рамной подвески, связанной с приводом через вал. Изобретение позволяет рационально сочетать два базовых процесса анаэробной переработки органических субстратов различной влажности: интенсивного перемешивания (гомогенизации) и нагрева субстрата внутри центральной трубы и развитого межфазного массообмена в системе «прикрепленная микрофлора - субстрат» в кольцевом пространстве. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Метантенк, состоящий из герметичного корпуса с патрубками подвода исходного субстрата и отвода обработанных субстратов, патрубка отвода биогаза, центральной трубы, верхняя и нижняя части трубы открыты по отношению к рабочему пространству метантенка, внутри нижней части центральной трубы коаксиально размещен патрубок для подвода биогаза, связанный через компрессор с патрубком отвода биогаза, вертикально ориентированных средств иммобилизации анаэробной микрофлоры, которые размещены в кольцевом пространстве между центральной трубой и корпусом метантенка и выполнены в виде совокупности вертикальных стержней с пористой структурой с возможностью реверсивного вращения всей совокупности и объединенных в верхней части посредством жесткой рамной подвески, связанной с приводом через вал, отличающийся тем, что привод выполнен в виде лопастного пневмодвигателя, корпус которого жестко закреплен внутри верхней части корпуса метантенка, а входной и выходной патрубки лопастного пневмодвигателя через реверсивный газораспределитель соединены с патрубком для подвода биогаза и нагнетательным трактом компрессора.

2. Метантенк по п.1, отличающийся тем, что между реверсивным газораспределителем и патрубком для подвода биогаза предусмотрены последовательно размещенные регулируемый дроссель и газовый эжектор, сопло которого через первый управляемый газовый клапан связано с нагнетательным трактом компрессора, а напорная часть связана с патрубком для подвода биогаза посредством первого регулятора давления.

3. Метантенк по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что реверсивный газораспределитель связан с нагнетательным трактом компрессора через последовательно размещенные второй управляемый газовый клапан и второй регулятор давления.