НЕПРЕРЫВНОДЕЙСТВУЮЩИЙ ПОДЗЕМНЫЙ ГЕНЕРАТОР БИОГАЗА Российский патент 2015 года по МПК C02F11/04 

Изобретение относится к области устройств, которые предназначены для получения биогаза из сточных вод животноводческих хозяйств и жизнедеятельности людей.

Близкими по технической сути изобретениями, по сравнению к предлагаемому, являются американские патенты US 4845034 и US 6962561.

Установка по патенту US 5845034 предназначена для переноса биореактора под землю для проведения биохимических реакций, в том числе и для получения биогаза.

Основными недостатками этой установки являются:

1) необходимость наличия на определенной глубине под землей слоя каменной соли для создания в нем полости для биореактора;

2) выбор в качестве исходного сырья для получения биомассы раздробленного каменного угля, бурого угля или торфа, которые требуют сложной энергоёмкой предварительной термохимической обработки;

3) необходимость выращивания штаммов специальных солестойких метаногенных микроорганизмов и обязательного введения их (засев) в биомассу;

4) малое значение давления биогаза на выходе из установки, о чем свидетельствует наличие вентилятора на выходе из нее;

5) для обеспечения работы проточных биореакторов необходима сложная система каналов в полости биореактора. Установка энергоёмкая, сложная в строительстве и эксплуатации.

Патент US 6962561, как биореактор, предлагает использовать прослойку горных пород, типа песчаников, толщиной не менее 100 м, которые находятся на глубинах от 500 до 3000 м от поверхности Земли, где температуры пород наиболее благоприятны для анаэробной переработки биомассы метаногенными организмами.

Главными недостатками указанного патента являются:

1) необходимость наличия дырчатой горной породы в необходимом нам месте, эта порода должна быть размещена на необходимой нам глубине;

2) прослойка этой породы должна иметь горизонтальное или слегка наклонное размещение в Земле;

3) покров этой прослойки должен быть непроницаем для газа и иметь куполоподобную форму;

4) так как результатом биохимического превращения биомассы будет биогаз, биоил и биовода, биоил при фильтрации в породе быстро заилит каналы, вследствие чего работа биореактора достаточно быстро прекратится;

5) указанный метод переработки биомассы экологически опасен, особенно при проникновении биомассы или промежуточных веществ переработки биомассы в водоносные слои;

6) указанная установка энергоёмка, особенно на стадии закачивания биомассы в глубокоразмещенные слои горных пород, где давление 10...50 МПа;

7) процесс переработки биомассы должен быть контролированным, чаще всег о, регулируемым по ряду параметров.

Наиболее близкой по технической сути к предлагаемому изобретению" является установка по патенту US 4388186. Описание к патенту содержит описание схем включения различных аппаратов для переработки осадка и пульпы в установке для получения биогаза со сточных вод и систем, которые обслуживают установку, а также принципы построения и работы биореактора.

Основными элементами установки являются: система подготовки биомассы (осадка), которая включает в себя осадочную ёмкость первой ступени, аэротенк. осадочную ёмкость второй ступени, центробежный уплотнитель осадка, промежуточную ёмкость для завершения процесса расщепления биомассы (вариант установки, трубопроводы, не указанные на схемах рис. 1 и 2, но необходимые для работы установки, насосы, воздушный процессор для аэротенка, обогревающие устройства для нагревания биомассы (осадка) до необходимой температуры (+35°С); система обработки биопульпы, которая включает в себя смесительный резервуар с мешалкой, обезвоживающую машин) (отжимной пресс), сушилку, гранулятор, обжигную печь и трубопроводы, систему отвода биогаза, которая включает в себя газосборник, компрессор (не изображенный на рис. 1 и 2), трубопроводы, в том числе отвода биогаза потребителям, подвода к сушарке биопульпы и к обжигательной печи; биореактор многократноциркуляционного типа, который состоит (в вариантах рис. 3 и 4) с цилиндрического стаканной формы корпуса (внешняя труба) с внешней теплоизоляцией, установленного в Земле в колодце диаметром 5 м и глубиной 10 м, внутренней трубы, размещенной соосно с корпусом биореактора и предлазначенного для нисходящего движения биомассы, насоса и винтового насоса для обеспечения циркуляции биомассы в биореакторе, труб подвода биомассы в биореактор, отвода биогаза из верхней части биореактора и отвода биопульпы.

Главные недостатки по патенту US 4388186:

1) использование как биомассы не самой органики сточных вод, а "активного биоила" (осадка), что значительно снижает коэффициент полезного ' использовании биомассы;

2) установка очень энергоёмка, поскольку даже в биореакторе для обеспечения циркуляции биомассы используется насос (см. рис. 3), или насос и винтовой насос (см. рис. 4);

3) корпус биореактора рекомендуется разместить в кольце не для использования внутреннего тепла Земли, а для уменьшения тепловых потерь биореактора (см. тепловые расчеты и таблицу в столбике 8 описания);

4) строительство колодцев в Земле диаметром 5 м и глубиной 10 м, а тем более на глубину 100 м, дело достаточно сложное, трудоемкое и энергозатратное, буровых установок с таким диаметром долота пока нет;

5) биореактор в установке многократно-циркуляционный, в таком варианте работа биогенераторной установки должна быть периодической (пропорциональной), иначе полная переработка биомассы невозможна, давление биогаза на выходе биогенератора мало, о чем свидетельствует указание о необходимости установки компрессора на выходе из биореактора (см. столбик 6, рядок 51 описания);

6) самопроизвольная система циркуляции биомассы в биореакторе, которая задекларирована в патенте, тем более во всей биогенераторной установке, физически невозможна (см. рис. 3 и 4).

В целом, биореакторная установка, что рассматривается, неработоспособна, энергоёмкая, малотехнологична, сложна в строительстве и в эксплуатации.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача создания высокотехнологичного, непрерывно действующего, достаточно простого в изготовлении и эксплуатации генератора биогаза, пригодного для полной утилизации городских бытовых сточных вод, сточных вод больших животноводческих комплексов с получением биогаза (аналога природного газа), биоила (органического удобрения для сельского хозяйства) и технической воды.

Эта задача решается путем размещения активной зоны биореактора в Земле, где температура горных пород, за счет внутреннего тепла Земли, равняется оптимальной для жизнедеятельности анаэробных мезофильных метаногенных микроорганизмов (+30...35°С), использования биореактора самопроточного типа, использования самопроточной системы загрузки и выгрузки биореактора за счет разности удельного веса и гидростатического давления биомассы и биопульпы (смеси пузырьков биогаза, биомассы, биоила и воды).

На рисунке приведена схема предлагаемого генератора биогаза, который включает в себя: ёмкость с биомассой (сточными водами жизнедеятельности животных или людей) 1, трубу подвода биомассы в биореактор 2, корпус биореактора 3, межтрубное пространство 4, конечный башмак 5 корпуса биореактора 3, активную зону биореактора (высотой Н₃) 6, тепловой поток 7 от горных пород к активной зоне б корпуса биореактора 3, кондуктор 8, трубопровода отвода остаточной биопульпы 9, грубы отвода биогаза 10. гидростатический напор биомассы H₁, гидростатический напор биопульпы H₂.

Генератор биогаза, который предлагается, работает следующим образом: биомасса из ёмкости 1 через трубу подвода биомассы 2 самотёком, за счет перепада давления Δр_дв=g (ρ_БМ·H₁ - ρ_БП·Н₂) биомасса направляется в активную зону трубной полости 4, где анаэробные метаногенные микроорганизмы, которые находятся в достаточном количестве в биомассе, при оптимальной температуре (+30...+35°С), превращают биомассу в биогаз, биоил и воду, смесь пузырьков биогаза с остаточной биопукльпой поднимается в верхнюю часть корпуса биореактора, разделяется на биогаз и остаточную биопульпу, по трубе отвода 9 остаточная биопульпа поступает на дальнейшую переработку, по трубе отвода 10 биогаз поступает на очистку и дальнейшее использование.

Изобретение, которое предлагается малоэнергоёмкое, экологически безопасное, способное стать неисчерпаемым источником горючего газа высокого (5-6 MПа) давления.

Изобретение относится к области устройств, предназначенных для получения биогаза из сточных вод от животноводческих хозяйств и жизнедеятельности людей. Задача изобретения - превращение работоспособной периодически действующей с ручной загрузкой-выгрузкой биогенераторной установки для получения биогаза низкого давления в промышленную непрерывно действующую установку по производству биогаза высокого давления (5-6 МПа) путем размещения биореактора в Землю на глубину порядка 1200 м, что обеспечит оптимальные температурные условия реакций анаэробного преобразования биомассы, создаст условия для самотечной загрузки биореактора жидкой биомассой и эрлифтной выгрузки биогаза и остаточной биопульпы. Для устройства непрерывно действующих подземных генераторов биогаза может быть использовано штатное буровое оборудование и материалы. Предлагаемое изобретение является идеально энергосберегающим и экологически безопасным.

Непрерывнодействующий подземный генератор биогаза, состоящий из корпуса, приспособленного для заполнения его до определенного уровня биомассой, системы загрузки биореактора, которая включает в себя трубу подвода биомассы в биореактор, системы выгрузки биореактора, которая включает в себя трубу отвода остаточной биопульпы и трубу отвода биогаза, отличающийся тем, что корпус биореактора выполнен в виде цилиндрической трубы с конечным башмаком на ее нижнем конце, которая в основном расположена в скважине и заглублена в землю таким образом, что ее нижняя часть, в которой размещена активная зона биореактора с тепловым контактом в слое горной породы, который имеет повышенную температуру в пределах 30-35°С, которая благоприятна превращению биомассы в биогаз, система загрузки биореактора имеет на входе емкость для биомассы, которая соединена с верхним концом трубы подвода биомассы в биореактор, которая проходит внутри корпуса биореактора так, что ее нижний конец размещен в зоне указанного конечного башмака, труба отвода остаточной биопульпы присоединена к верхней части корпуса биореактора ниже уровня биопульпы, а труба отвода биогаза присоединена к верхней части корпуса биогенератора выше уровня биопульпы, причем системы загрузки и выгрузки биореактора и его корпус образуют проточную систему, обеспечивающую непрерывное самотечное движение биомассы и биопульпы под действием перепада давления, который создается силами земной гравитации и газлифта в межтрубном пространстве биогенератора.