КОНТЕЙНЕР И БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2020 года по МПК C12M1/02 C12M1/113 

Настоящее изобретение относится к контейнеру, в частности для производства биогаза, с предпочтительно цилиндрической основной секцией и нижней секцией, расположенной под основной секцией.

Изобретение также относится к биогазовой установке.

Упомянутые выше контейнеры различных конструкций и размеров известны, например, в качестве компонента биогазовых установок. Часто контейнер выполнен в виде стального или железобетонного контейнера и имеет объем от 400 до 6000 м³. Контейнер заполняется биомассой в виде жидкого шлама, используемого для производства биогаза. При этом жидкий шлам представляет собой суспензию, так что существует проблема отложений. В обычных контейнерах биогазовых установок основание по существу является плоским. Таким образом, на практике в известных контейнерах биогазовых установок часто возникает проблема, заключающаяся в возникновении засорений и осаждения тяжелых веществ на основании вследствие осадки тяжелых компонентов обрабатываемого жидкого шлама.

Для решения этой проблемы в DE 42 08 148 A1 предложено устройство для анаэробного добавления шлама, выполненное коническим в нижней части корпуса или имеющее яйцевидную форму. Важным эффектом конического или яйцевидного нижнего конуса согласно уровню техники является обеспечение переходной зоны для перемещения образующейся при разложении жидкости, содержащейся в перегнивателе, к основанию корпуса и нижнего конца всасывающей трубки или из него. Таким образом, в соответствии с уровнем техники наклон конического корпуса должен быть выбран так, чтобы разлагающийся шлам не оседал и, соответственно, был изолирован от процесса смешивания. Однако недостатком известного из DE 4 208 148 A1 контейнера является оставшаяся проблема засорений и образования воронок из-за отложений шлама или очень высокие инвестиционные расходы этой конструкции.

Таким образом, для эффективного предотвращения засорений и седиментации в традиционных контейнерах для производства биогаза, как правило, используются мешалки больших размеров. Однако недостаток заключается в том, что аппаратные и эксплуатационные расходы, а также инвестиционные затраты являются значительными из-за высокого потребления энергии.

С учетом вышесказанного, задачей настоящего изобретения является создание контейнера упомянутого выше типа и биогазовой установки, которые имеют простую и недорогую конструкцию, обеспечивающую простоту обслуживания и эффективно предотвращающую засорения и седиментацию на основании контейнера при низком потреблении энергии.

Согласно изобретению, относящаяся к контейнеру задача решается с помощью контейнера, в частности для производства биогаза, с предпочтительно цилиндрической основной секцией и нижней секцией, расположенной под основной секцией, в котором нижняя секция имеет кольцеобразно замкнутый циркуляционный канал. Благодаря тому, что на основании контейнера расположен кольцевой канал для направления циркуляционного потока вокруг вертикальной оси контейнера, предпочтительно могут быть эффективно предотвращены отложения, ведущие к засорению и седиментации в нижней зоне контейнера. Таким образом, мешалка в основной секции контейнера может быть иметь значительно меньшие размеры или она может быть полностью исключена без риска засорений. По сравнению с обычными контейнерами могут быть уменьшены как потребление энергии установкой, так и другие эксплуатационные расходы.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения нижняя секция предпочтительно имеет по существу плоскую центральную область, которая ограничена циркуляционным каналом в горизонтальном направлении. Таким образом, предпочтительно центральная плоская нижняя область окружена циркуляционным каналом. При этом циркуляционный канал может быть выполнен, например, в виде кольцеобразно замкнутой канавки, основание которой расположено глубже плоской центральной области основной секции. Благодаря циркуляции в циркуляционном канале согласно изобретению предпочтительно предотвращаются отложения в плоской центральной области при создании циркуляции в циркуляционном канале с помощью надлежащих средств.

В частности, согласно предпочтительному варианту осуществления заявленного контейнера циркуляционный канал имеет впускное отверстие с впускным поперечным сечением для впуска среды в циркуляционный канал по существу тангенциально к вертикальной оси контейнера. Таким образом, путем подачи среды через впускное отверстие может быть создана циркуляция в циркуляционном канале, предпочтительно противодействующая отложению твердых веществ в нижней зоне.

Кроме того, в заявленном контейнере циркуляционный канал предпочтительно имеет выпускное отверстие с выпускным поперечным сечением для отвода среды из циркуляционного канала по существу тангенциально к вертикальной оси контейнера. Например, к выпускному отверстию может быть присоединен насос для отсасывания среды из контейнера вдоль циркуляционного канала. Благодаря этому в циркуляционном канале возникает кольцеобразная циркуляция, которая предпочтительно может предотвращать отложения в нижней зоне. Предпочтительно для достижения этого эффекта нет необходимости в использовании энергоемких мешалок в основной секции контейнера, производительность перемешивания которых достаточна для создания рециркуляции также в нижней зоне. Таким образом, согласно изобретению опционально используемая мешалка в основной секции может быть меньше. Таким образом, работа биогазовой установки с таким контейнером может быть простой и с низким потреблением энергии.

Если предпочтительно используется байпасная линия, соединяющая выпускное отверстие с впускным отверстием, в циркуляционном канале может быть создано циркулирующее течение, полностью или частично основанное на возвращении отведенной из контейнера среды. В частности, часть среды, отведенной из циркуляционного канала через выпускное отверстие, может подаваться в хранилище для хранения твердых остатков от производства биогаза. С другой стороны, через байпасную линию может быть отведена часть откачанного потока, которая может быть возвращена в циркуляционный канал через впускное отверстие.

Согласно предпочтительному варианту осуществления заявленного контейнера предусмотрен впускной насос для впуска среды в циркуляционный канал через впускное отверстие и/или выпускной насос для отвода среды из циркуляционного канала через выпускное отверстие. Таким образом, согласно изобретению в циркуляционном канале предпочтительно может быть создана циркуляция путем применения насоса. Если используются отдельный впускной насос и отдельный выпускной насос, то путем управления производительностью впускного насоса или выпускного насоса относительно друг друга может быть отрегулировано соотношение между возвращаемой средой и отводимой средой. С другой стороны, согласно изобретению также может быть применен один насос, если используется байпасная линия, соединяющая выпускное отверстие с впускным отверстием.

В этой связи предпочтительно, если предусмотрены средства для изменения поперечного сечения байпасной линии. Например, согласно изобретению средства изменения могут быть выполнены в виде заслонки, более или менее деблокирующей поперечное сечение байпасной линии. Таким образом, при использовании насоса в циркуляционном канале в течение работы может быть выполнена непрерывная регулировка соотношения между средой, отводимой к хранилищу, и средой, возвращаемой в циркуляционный канал.

Для регулировки соотношения между возвращаемой и отводимой средой согласно изобретению предпочтительно, если выпускное поперечное сечение больше впускного поперечного сечения. В этом случае отводится большее количество содержащего седименты шлама из циркуляционного канала, и меньшее количество возвращается в циркуляционный канал через впуск, если впускное отверстие и выпускное отверстие сообщаются через байпасную линию.

В частности, на практике было обнаружено, что предпочтительно, если диаметр выпускного отверстия приблизительно вдвое больше диаметра впускного отверстия.

В варианте осуществления изобретения было обнаружено, что предпочтительно, если циркуляционный канал выполнен из пластика и предпочтительно замоноличен с центральной областью. Выполнение и формование кольцеобразно замкнутого циркуляционного канала в частности могут быть осуществлены с применением полиэтилена. В этом случае, кольцевой канал из полиэтилена может быть замоноличен с центральной областью, выполненной, например, из железобетона.

Согласно дополнительному варианту осуществления заявленного контейнера в направлении вертикальной оси контейнера к нижней секции присоединена секция, суженная, предпочтительно конически, по направлению к нижней секции. При этом, согласно изобретению зона, суженная, например, конически, имеет в частности воронкообразную форму. Данная воронкообразная форма предпочтительно обеспечивает сужение, т.е. уменьшение поперечного сечения контейнера по направлению к грунту. На практике контейнер может, например, иметь диаметр 30 м в области предпочтительно цилиндрической основной секции. Напротив, согласно изобретению было обнаружено, что предпочтительно, если плоская центральная область нижней секции имеет диаметр всего лишь приблизительно 3 - 6 м. Благодаря суженной секции контейнера согласно изобретению поперечное сечение контейнера равномерно уменьшается от относительно большого значения поперечного сечения в области основной секции до намного меньшего значения диаметра в области центральной области. Это, с одной стороны, предпочтительно для противодействия осаждению седимента в нижней секции на основании характеристик потоков, если мешалка работает в основной секции. С другой стороны, было обнаружено, что действие циркуляционного канала для предотвращения отложений в нижней секции плоская центральная область нижней секции не должна иметь слишком большой диаметр. Таким образом, суженная секция контейнера, в частности коническая секция, действует в равной мере в качестве адаптера между основной секцией контейнера и нижней секцией.

При этом, в принципе, согласно изобретению основная секция заявленного контейнера также может быть предпочтительно выполнена конически суженной.

В качестве альтернативы, согласно изобретению конически суженная секция контейнера расположена между нижней секцией и основной секцией.

Для экономичного изготовления суженной, в частности конически, секции согласно изобретению, конически суженная секция имеет пластиковые стенки. В качестве материала также оказался пригодным полиэтилен высокой плотности (PE-HD), в частности также с учетом аспектов защиты грунтовых вод. Этот материал, например, уже был испробован при изготовлении биогазовых установок, выполненных в виде отстойных бассейнов, т.е. земляных контейнеров, облицованных пленкой.

Для дополнительного противодействия седиментации взвешенных веществ на основании контейнера в основной секции контейнера согласно изобретению могут быть расположены смесительные средства для перемешивания среды, находящейся в контейнере. Однако, предпочтительно эти смесительные средства могут иметь со значительно меньшие размеры благодаря выполнению контейнера согласно изобретению с кольцеобразно замкнутым циркуляционным каналом в нижней секции. Благодаря этому значительно уменьшается потребление энергии биогазовой установкой при использовании контейнера согласно изобретению.

Согласно изобретению упомянутая выше задача также решается с помощью биогазовой установки, содержащей контейнер по любому из п.п. 1-9, встроенный в грунт по меньшей мере с нижней секцией, причем под нижней секцией расположен гравийный подстилающий слой. С помощью гравийного подстилающего слоя, в частности, могут быть соблюдены существующие требования водного законодательства. Поскольку гравийный подстилающий слой должен поддерживать лишь нижнюю зону, имеющую только сравнительно небольшой диаметр из-за своей конструкции, его изготовление значительно дешевле, чем в случае обычных контейнеров.

В частности, особенно экономичным является предпочтительный вариант осуществления биогазовой установки, в котором суженная секция также встроена в грунт.

Нижняя секция контейнера соответственно выполнена в виде отстойного бассейна, т.е. земляного контейнера, облицованного пленкой. При этом с помощью нижней секции, выполненной согласно изобретению, с кольцеобразно замкнутым циркуляционным каналом предпочтительно могут быть устранены недостатки, связанные с предотвращением отложения седиментов, которые возникают в обычных отстойных бассейнах.

Изобретение описано более подробно ниже с помощью примера его предпочтительного варианта осуществления со ссылками на чертежи, на которых показаны дополнительные предпочтительные детали.

При этом функционально идентичные части имеют одни и те же номера позиций.

На чертежах детально показано следующее:

фиг.1 - вид в вертикальном разрезе биогазовой установки согласно

предпочтительному варианту осуществления изобретения с заявленным контейнером согласно предпочтительному варианту осуществления;

фиг.2 - детальный вид зоны II с фиг.1, на котором показана нижняя зона биогазовой установки с фиг.1;

фиг.3 - схематический вид сверху предпочтительного варианта осуществления нижней секции контейнера согласно изобретению.

На фиг.1 показан вид в вертикальном разрезе биогазовой установки 1 согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения с контейнером 2 согласно варианту осуществления изобретения. Как видно на фиг.1, контейнер 2 имеет цилиндрическую основную секцию 3, к которой снизу присоединена конически суженная секция 4. Цилиндрическая основная секция 3 имеет стенку 5 из железобетона. Стенка 5 опирается на кольцеобразный основной фундамент 6.

Конически суженная секция 4 в виде отстойного бассейна расположена в грунте 7. Суженная секция 4 выполнена из полиэтилена высокой плотности (PE-HD). Стенка суженной секции 4 находится под углом 8 к горизонтали, составляющим от 10° до 45°, предпочтительно 30°.

Суженная секция 4 закрыта снизу нижней секцией 9. Нижняя секция 9 по существу состоит из нижней плиты 10 из железобетона. Нижняя плита 10 установлена на гравийном подстилающем слое 11, расположенном в грунте 7 в области нижней плиты 10, для опциональной откачки грунтовых вод.

Диаметр цилиндрической основной секции 3 составляет приблизительно 24 м согласно описанному варианту осуществления, тогда как диаметр нижней пластины 10 согласно этому примеру составляет приблизительно 5 м. Таким образом, конически суженная секция 4 имеет вертикальное удлинение, составляющее приблизительно 6 м в соответствии с углом 8.

Стенка 5 основной секции 3 заявленного контейнера 2 имеет смесительную систему 12. Смесительная система 12 состоит по существу из нижнего отверстия 13 в стенке 5 и верхнего отверстия 14 в стенке 5, а также из трубопровода 15, соединяющего нижнее отверстие 13 с верхним отверстием 14.

В трубопроводе 15 расположен насос для удаления среды 16, хранящейся в цилиндрической основной секции 3 контейнера 2, от нижнего отверстия 13 и для ее возврата в контейнер 2 через верхнее отверстие 14. Таким образом, может быть создана рециркуляция, чтобы питательные вещества, содержащиеся в среде 16, были поданы как можно более равномерно к активным бактериям. Ниже со ссылками на фиг.2 и 3 более подробно раскрыта нижняя секция 9 контейнера 2 биогазовой установки 1 с фиг.1. На фиг.2 в этой связи показан увеличенный вид разреза II с фиг.1. Как видно на фиг.2, нижняя плита 10 из железобетона имеет по существу плоскую центральную область 17. Плоская центральная область 17 кольцеобразно окружена кольцевым каналом 18. Кольцевой канал 18 состоит из полиэтиленовых плит 19, замоноличенных с нижней плитой 10 из железобетона. Основание 20 кольцевого канала 18 находится под плоской центральной областью 17 нижней плиты 10.

В переходной области между плоской центральной областью 17 нижней плиты 10 и кольцевым каналом 18 находится кольцеобразная переходная зона 21, расположенная под наклоном относительно горизонтали.

Согласно показанному варианту осуществления данная наклонная переходная зона 21 выровнена с полиэтиленовой плитой 22. Полиэтиленовая плита 22 выступает в виде крыши за вертикальную внутреннюю стенку 23 кольцевого канала 18 на радиально внешнем конце 24. Дополнительно нижняя плита 10 имеет, в радиально внешней области, дополнительную зону 25, расположенную под наклоном радиально внутрь и кольцеобразно окружающую в свою очередь кольцевой канал 18. Данная наклонная 20 внешняя зона 25, как и наклонная переходная зона 21, облицована полиэтиленовыми плитами 26, проходящими в виде крыши в кольцевой канал 18.

На фиг.3 показан вид сверху нижней секции 9 в направлении стрелки III с фиг. 2. Как особенно хорошо видно на фиг. 3, кольцевой канал 18 имеет впускное отверстие 27 и выпускное отверстие 28. Через впускное отверстие 27 направлена впускная труба 29 из полиэтилена так, что при подаче среды через впускную трубу 29 в тангенциальном направлении образуется кольцевой поток 30 в направлении против часовой стрелки.

На другой стороне через выпускное отверстие 28 направлена выпускная труба 31, через которую среда может быть удалена в тангенциальном направлении из кольцевого канала 18 для образования или усиления кольцевого потока 30.

Возвращаясь к фиг. 1, ниже более подробно раскрыт принцип действия впускной трубы 29 и выпускной трубы 31 для образования кольцевого потока 30 в кольцевом канале 18. Как видно на фиг. 1, выпускная труба 31 присоединена к насосу 32, сообщающемуся через клапан 33 с детально не показанным контейнером 34 для хранения. Также видно, что на выходе насоса 32 расположена байпасная линия 35, соединяющая выпускную трубу 31 с впускной трубой 29. Также видно, что в байпасной линии расположена заслонка 36, показанная лишь схематично. С помощью заслонки 36 может быть отрегулировано соотношение подаваемой насосом 32 среды, возвращаемой в кольцевой канал 18 через впускное отверстие 27 с помощью байпасной линии 35 и впускной трубы 29, к части среды, подаваемой в контейнер 34 для хранения.

Кроме того, на фиг.1 не показаны более подробно дополнительные компоненты биогазовой установки 1, например, для отбора производимого биогаза. Они могут быть выполнены обычным способом, хорошо известным специалисту в данной области техники.

Для работы биогазовой установки 1 с контейнером 2 с фиг.1-3 согласно изобретению контейнер 2 заполняют средой 16 до уровня 37 наполнения через отверстие, не показанное на фиг. 1. Среда 16 представляет собой биомассу в качестве исходного вещества для производства биогаза. В качестве среды 16 также подходят шламы с высоким содержанием тяжелого вещества/содержанием взвешенных веществ, например из песка или грубозернистого песчаника. Для того, чтобы гарантировать, что в частности при больших диаметрах основной секции 3, например, в диапазоне от 10 до 40 м, бактерии снабжаются органическими питательными веществами и удерживаются во взвеси, сначала используют смесительную систему 12, обеспечивающую рециркуляцию среды 16 в контейнере 2.

Однако, в то же время, согласно изобретению, кольцевой поток 30 в кольцевом канале 18 в нижней плите 10 служит для предотвращения образования корки и образования воронок в нижней секции 9 контейнера 2. Для этого посредством насоса 32 через выпускную трубу 31 и выпускное отверстие 28 в кольцевом канале 18 отсасывают шлам, который может быть подан через клапан 33 в контейнер для хранения. Однако для 30 поддержания кольцевого течения в кольцевом канале 18, часть шлама, отсасываемого через выпускную трубу 31, возвращается в кольцевой канал 18 с помощью байпасной линии 35 и впускной трубы 29 через впускное отверстие 27. При этом соотношение рециркуляционного потока может быть отрегулировано с помощью не показанной более подробно заслонки 36 в байпасной линии 35. 

Вариант осуществления заслонки 36 может быть любым, известным специалисту, например, в виде регулирующего клапана.

Благодаря кольцевому течению 30 в кольцевом канале 18 предотвращается отложение взвешенных веществ в нижней секции 9 контейнера 2 при сравнительно низком расходе энергии. Таким образом, с помощью смесительной системы 12 может быть осуществлена рециркуляция в цилиндрической основной секции 3 контейнера 2 при сравнительно небольших затратах энергии и без возникновения проблем.

Благодаря тому, что между цилиндрической основной секцией 3 большого диаметра, например, 15 м или более, и нижней секцией 9 расположена конически суженная секция 4 с полиэтиленовыми стенками, нижняя секция 9 имеет диаметр, например, 3 м, который значительно меньше, чем диаметр основной секции 3.

Что касается регулировки части среды, возвращаемой с помощью байпасной линии 35 через впускную трубу 29, согласно изобретению предусмотрена предварительная установка, при которой выбранный диаметр впускной трубы 29 меньше диаметра выпускной трубы 31.

В частности, было обнаружено, что предпочтительно, если диаметр впускной трубы 29 составляет 110 мм, при этом диаметр выпускной трубы 31 составляет приблизительно 200 мм.

Таким образом, раскрыты контейнер и биогазовая установка, которые можно использовать с меньшими инвестиционными затратами и более низкими эксплуатационными расходами, чем в случае обычных установок и контейнеров, без возникновения засорений и седиментации из-за взвешенных веществ.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ

1 биогазовая установка

2 контейнер

3 основная секция

4 конически суженная секция

5 стенка

6 основной фундамент

7 грунт

8 угол

9 нижняя секция

10 нижняя плита

11 гравийный подстилающий слой

12 смесительная система

13 нижнее отверстие

14 верхнее отверстие

15 трубопровод

16 среда

17 плоская центральная область

18 кольцевой канал

19 плиты из полиэтилена

20 основание

21 наклонная переходная зона

22 плита из полиэтилена

23 внутренняя стенка

24 внешний конец

25 наклонная внешняя зона

26 плита из полиэтилена

27 впускное отверстие

28 выпускное отверстие

29 впускная труба

30 кольцевой поток

31 выпускная труба

32 насос

33 клапан

34 контейнер для хранения

35 байпасная линия

36 заслонка

37 уровень наполнения.

Группа изобретений относится к области биотехнологии. Предложен контейнер для производства биогаза, а также биогазовая установка. Контейнер образован основной секцией и расположенной под основной секцией нижней секцией, где нижняя секция имеет кольцеобразно замкнутый циркуляционный канал в виде канавки. Причём циркуляционный канал имеет впускное отверстие для впуска среды в циркуляционный канал, выпускное отверстие для отвода среды из циркуляционного канала. Также предусмотрена соединяющая выпускное отверстие с впускным отверстием байпасная линия и средства для изменения поперечного сечения байпасной линии. Биогазовая установка содержит контейнер, встроенный в грунт по меньшей мере с нижней секцией, причем под нижней секцией предусмотрен гравийный подстилающий слой. Изобретения обеспечивают эффективное предотвращение засорения и седиментации при низком потреблении энергии. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Контейнер (2) для производства биогаза, образованный основной секцией (3) и нижней секцией (9), расположенной под основной секцией (3), отличающийся тем, что нижняя секция (9) имеет кольцеобразно замкнутый циркуляционный канал (18) в виде канавки, причем циркуляционный канал (18) имеет впускное отверстие (27) с впускным поперечным сечением для впуска среды в циркуляционный канал (18) по существу тангенциально к вертикальной оси контейнера (2), причем циркуляционный канал (18) имеет выпускное отверстие (28) с выпускным поперечным сечением для отвода среды из циркуляционного канала (18) по существу тангенциально к вертикальной оси контейнера (2), причем предусмотрена байпасная линия (35), соединяющая выпускное отверстие (28) с впускным отверстием (27), при этом предусмотрены средства (36) для изменения поперечного сечения байпасной линии (35).

2. Контейнер (2) по п. 1, отличающийся тем, что нижняя секция (9) имеет по существу плоскую центральную область (17), которая ограничена циркуляционным каналом (18) в горизонтальном направлении.

3. Контейнер (2) по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что предусмотрен впускной насос (32) для впуска среды в циркуляционный канал (18) через впускное отверстие (27) и/или выпускной насос (32) для отвода среды из циркуляционного канала (18) через выпускное отверстие (28).

4. Контейнер (2) по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что выпускное поперечное сечение больше впускного поперечного сечения.

5. Контейнер (2) по п. 2, отличающийся тем, что циркуляционный канал (18) выполнен из пластика и предпочтительно замоноличен с центральной областью (17).

6. Контейнер (2) по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что в направлении вертикальной оси контейнера (2) к нижней секции присоединена секция (4), суженная, предпочтительно конически, по направлению к нижней секции.

7. Контейнер (2) по п. 6, отличающийся тем, что суженная секция (4) имеет пластиковые стенки.

8. Контейнер (2) по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что в основной секции предусмотрены смесительные средства (12, 13, 14, 15) для перемешивания среды (16), находящейся в контейнере (2).

9. Контейнер (2) по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что основная секция (3) выполнена цилиндрической.

10. Биогазовая установка (1), отличающаяся тем, что содержит контейнер (2) по любому из пп. 1-9, встроенный в грунт (7) по меньшей мере с нижней секцией (9), причем под нижней секцией (9) предусмотрен гравийный подстилающий слой (11).

11. Биогазовая установка (1) по п. 10, отличающаяся тем, что суженная секция (4) также встроена в грунт (7).