Двухсекционный биореактор для анаэробного сбраживания органических отходов Российский патент 2024 года по МПК C02F11/04 C12M1/113 C12M1/107 

Изобретение относится к устройствам для энзимологии со средствами для сбора ферментационных газов, а именно метана, с перемешиванием субстрата во время ферментации, и может быть использовано в биоэнергетике, при осуществлении технологических процессов анаэробного сбраживания органических отходов, например, навоза крупного рогатого скота, птичьего помета, осадков сточных вод.

Из уровня техники известна биогазовая установка по производству метана (RU2525897С2, МПК C02F 11/04, B09B 3/00, B01F 7/04, опубл. 20.08.2014) Установка содержит систему подачи исходного сырья, анаэробный биореактор, систему отвода биогаза, систему удаления биотходов, систему управления процессом. В систему подачи исходного сырья включен механизм для измельчения и его перемешивания с системой подогрева, состоящей из приемной воронки, механизма измельчения, механизма перемешивания, системы подогрева.

Недостатком установки является отсутствие в ее конструкции узлов, позволяющих обеспечить повышение интенсивности процесса газообразования. Кроме того, установка содержит большое количество рабочих емкостей и трубопроводов, что снижает возможность ее компактного исполнения и установки на шасси транспортного средства.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признана установка с пятисекционным биореактором для утилизации органических отходов (RU138446U1, МПК C12M 1/113, опубл. 20.03.2014). Установка содержит газгольдер, загрузочный бункер с люком и трубопроводом приема биомассы, соединенный с биореактором, состоящим из трех кольцевых рабочих секций анаэробного сбраживания, цилиндрической секции обеззараживания и кольцевой секции осветления, сообщающихся между собой через верхние торцы смежных стенок секций. При этом рабочие секции имеют различные диаметры, но одинаковую величину кольцевого зазора, что обеспечивается за счет ступенчатого уровня дна секций при одинаковом уровне верхних торцов стенок.

Недостатком известного технического решения является отсутствие в конструкции установки средств автоматики, позволяющих контролировать технологический процесс анаэробного сбраживания субстрата и обеспечивать его интенсификацию.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение энергоэффективности биогазовой установки утилизации органических отходов и обеспечение ее высокой производительности.

Указанная задача решена тем, что биореактор для анаэробного сбраживания органических отходов содержит корпус со съемной крышкой, снабженный термоизоляцией, внутри которого смонтированы сообщающиеся между собой кольцевые рабочие мезофильная и термофильная секции равного объема, разделенные цилиндрической перегородкой. Для загрузки биомассы в биореактор к корпусу присоединен загрузочный трубопровод, а для ее выгрузки – разгрузочный трубопровод. Для подогрева биомассы в секциях смонтированы трубчатые радиаторы, выполненные в виде змеевиков, заполненных водой и соединенных расширительными камерами с установленными в них ТЭНами. В съемной крышке и днище корпуса биореактора установлены электромеханические мешалки, каждая из которых состоит из электродвигателя, на приводном валу которого установлена лопастная насадка. Для отвода газа из корпуса биореактора в крышке установлены трубопроводы, соединенные со смесительной камерой, снабженной манометром, выходной патрубок которой, с установленным на нем газовым счетчиком, подключен к газгольдеру. Для контроля давления газовой среды во внутренних полостях секций в крышке корпуса установлены манометры, для контроля температуры газовой среды во внутренних полостях секций в крышке корпуса установлены датчики температуры, а для контроля температуры биомассы датчики температуры установлены в боковой стенке корпуса. Выходы датчиков температуры подключены к измерительным входам блока управления биореактором, а силовые выходы блока управления подключены к ТЭНам и электродвигателям мешалок.

Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытыми выше признаками устройства, является повышение производительности биореактора по выработке биогаза, за счет применения в его конструкции мезофильной и термофильной секций, обеспечивающих выработку биогаза как при невысоких и умеренных температурах биомассы, так и при ее высокой температуре. Повышение производительности достигается также применением в конструкции биореактора трубчатых радиаторов, обеспечивающих подогрев биомассы, загруженной в биореактор, а также электромеханических мешалок, обеспечивающий ее равномерное перемешивание. Дополнительным положительным результатом является возможность автоматизации работы биореактора за счет применения в его конструкции средств автоматики, а именно манометров и датчиков температуры, подключенных к блоку управления, при этом последний, управляя ТЭНами и электрическими мешалками, обеспечивает возможность автоматического регулирования технологического процесса переработки биомассы.

Конструкция установки поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена структурная схема биореактора для анаэробного сбраживания органических отходов; на фиг. 2 приведен внешний вид пульта блока управления установкой.

Биореактор для анаэробного сбраживания органических отходов имеет следующую конструкцию.

Установка содержит корпус 1, внутри которого смонтированы две сообщающиеся между собой кольцевые рабочие секции 2 и 3 равного объема, первая из которых обеспечивает мезфильную стадию анаэробного сбраживания, а вторая – термофильную. С целью снижения теплопотерь корпус 1 биореактора снабжен термоизоляцией 4 и выполнен по принципу «стакан в стакане». Секции 2 и 3 разделены перегородкой, имеющей цилиндрическую форму, и сообщаются между собой в нижней части корпуса 1 биореактора, таким образом, что субстрат при загрузке перетекает из одной секции в другую. Корпус 1 биореактора имеет съемную крышку 5, которая крепится к корпусу установки болтовым соединением. Биомасса (органические отходы) загружается через загрузочный трубопровод 6, а выгружается через разгрузочный трубопровод 7. Выходы трубопроводов выполнены выше уровня заполнения секций 2 и 3 биомассой. Для подогрева биомассы, в мезофильной и термофильной секциях 2 и 3 смонтированы первый 8 и второй 9 трубчатые радиаторы, выполненные в виде змеевиков, заполненных водой и соединенных с первой 10 и второй 11 расширительными камерами с установленными в них первым 12 и вторым 13 ТЭНами. В съемной крышке 5 и днище корпуса 1 биореактора установлены, соответственно, первая и вторая электромеханические мешалки, каждая из которых состоит из электродвигателя 14, на приводном валу которого установлена лопастная насадка 15, лопасти которой выполнены в виде шнеков. Приводные валы мешалок проходят через крышку и днище корпуса 1 и для обеспечения герметичности корпуса 1 уплотнены гидравлическими резиновыми уплотнителями. Для отвода газа из корпуса 1 биореактора в крышке 5 установлены трубопроводы 16, соединенные со смесительной камерой 17, снабженной манометром 18, выходной патрубок которой, с установленным на нем газовым счетчиком 19, подключен к газгольдеру 20. Для контроля давления газовой среды во внутренней полости корпуса 1 в секциях 2 и 3 в крышке установлены первый 21 и второй 22 манометры, для контроля температуры газовой среды в секциях 2 и 3 в крышке 5 установлены первый 23 и второй 24 датчики температуры, а для контроля температуры биомассы (субстрата) в боковой стенке корпуса установлены третий 25 и четвертый 26 датчики температуры.

Выходы датчиков температуры (на фигурах условно не показаны) подключены к измерительным входам блока управления, первый 27 и второй 28 силовые выходы блока управления подключены к первому 12 и второму 13 ТЭНам, а третий 29 и четвертый 30 силовые выходы блока управления подключены, соответственно, к электродвигателям 14 первой и второй электромеханических мешалок.

В случае использования установки в качестве учебного стенда на днище корпуса 1 биореактора может быть смонтирован вентиль аварийного сброса воды 31, который применим также при запуске биореактора на холостом ходу установки и тарировке параметров технологического процесса анаэробного сбраживания.

Общие технические характеристики биореактора представлены ниже (таблица 1).

Таблица 1 – Технические характеристики биореактора

Параметр Значение Вес 130 кг Характеристики электродвигателя М1 АВЕ-071-4С Напряжение, U 220 В Частота, f 50 Гц Сила тока, I 20 А Мощность установки, W 220 Ватт

Корпус 1 биореактора может быть выполнен стальным или из термостойкой пластмассы. Термоизоляция 4 корпуса 1 может выполнена на основе базальтового волокна. Манометры, установленные в крышке 5 корпуса, могут представлять собой стрелочные приборы или резистивные датчики давления; в последнем случае их выходы подключены к дополнительным измерительным входам блока управления. Датчики температуры, установленные в крышке 5 корпуса 1 и на его боковой стенке могут быть выполнены резистивными или представлять собой термопары.

Блок управления биореактором может быть выполнен на основе программируемого промышленного контроллера, например модели DVP32ES311T, содержащего аналоговые входы и транзисторные или релейные выходы, при этом аналоговые входы контроллера являются измерительными входами блока управления, а транзисторные или релейные выходы контроллера – силовыми выходами блока управления.

Двухсекционный биореактор для анаэробного сбраживания органических отходов работает следующим образом.

Первоначально биореактор собирают, установив в корпус радиаторы, вторую электромеханическую мешалку и датчики температуры 25 и 26, а в крышку 5 – первую электромеханическую мешалку, манометры 21, 22 и датчики 23 и 24. После чего корпус 1 накрывают через уплотнительную прокладку крышкой и закрепляют на корпусе болтовыми соединениями. После чего к корпусу присоединяют загрузочный трубопровод 6, на входе в которого, при необходимости, устанавливают измельчитель биомассы (на фигурах условно не показан), и разгрузочный трубопровод 7, датчики температуры подключают к измерительным входам блока управления, а его силовые выходы подключают к ТЭНам 12, 13 и электродвигателям 14 мешалок. На последнем этапе сборки устанавливают трубопроводы 16 для отвода биогаза и соединяют их со смесительной камерой 17, подключенной к газгольдеру 20.

После сборки биореактор устанавливают на промышленной площадке или шасси транспортного средства, а блок управления установкой и электродвигатели 14 коммутируют с электросетью, после чего устройство готово к работе.

Управление установкой осуществляют при помощи пульта 32 блока управления, на котором установлены органы управления биореактором и световая сигнализация. На пульте блока управления расположены контактный коммутационный аппарат (автоматический выключатель) 33, световой индикатор «сеть» 34, световая индикация работы электрических ТЭНов системы подогрева 35 и 36, а также световая индикация работы электромеханических мешалок 37 и 38.

При работе биореактора исходная биомасса, в качестве которой могут быть использованы органические отходы, в частности, навоз крупного рогатого скота, птичий помет, осадки сточных вод, подается в загрузочный трубопровод 6, откуда биомасса попадает внутрь корпуса 1 биореактора, где происходит ее сбраживание с образованием биогаза и высококачественных удобрений. Биогаз отводится из верхней части секций 2 и 3 по трубопроводам 16 в смесительную камеру 17, откуда биогаз поступает в газгольдер 20. Об интенсивности газообразования в биореакторе судят по показаниям манометра 18 и газового счетчика 19.

Сбраживание происходит при мезофильном режиме при температуре органической биомассы от 30 до 35ºC и при термофильном режиме при температуре биомассы от 50 до 55ºC. Работа установки в термофильном режиме обеспечивается подогревом биомассы с помощью первого 8 и второго 9 трубчатых радиаторов. Интенсификации процесса сбраживания обеспечивается электромеханическими мешалками, равномерно перемешивающими биомассу.

Во все время работы установки промышленный контроллер блока управления на основе управляющей программы и предварительно заданных оператором установки режимов ее работы осуществляет итерационный опрос датчиков температуры и давления и, в зависимости от показаний приборов, выполняет автоматическое регулирование режимов работы ТЭНов и электродвигателей 14 электромеханических мешалок.

После окончания цикла работы установки, который определяют по падению давления в смесительной камере 17, биореактор разгружают, открывая выходной люк разгрузочного трубопровода 7, извлекая из биореактора очищенный почвенный грунт.

Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке биореактор, является высокотехнологичной экологически безопасной установкой, которая может эффективно использоваться для утилизации отходов городского хозяйства, а также в качестве альтернативного возобновляемого источника тепловой энергии.

Изобретение относится к устройствам для энзимологии со средствами для сбора ферметационных газов, а именно метана, и может быть использовано в биоэнергетике при осуществлении технологических процессов анаэробного сбраживания органических отходов, например навоза крупного рогатого скота, птичьего помета, осадков сточных вод. Биореактор содержит корпус с термоизоляцией и съемной крышкой, внутри которого смонтированы сообщающиеся между собой рабочие мезофильная и термофильная секции равного объема, разделенные цилиндрической перегородкой. Для загрузки биомассы в биореактор к корпусу присоединен загрузочный трубопровод, а для ее выгрузки – разгрузочный трубопровод. Для подогрева биомассы в секциях смонтированы трубчатые радиаторы, выполненные в виде змеевиков, заполненных водой и соединенных расширительными камерами с установленными в них ТЭНами. В съемной крышке и днище корпуса установлены электромеханические мешалки с электродвигателями, на приводном валу которых установлена лопастная насадка. Для отвода газа в крышке установлены трубопроводы, соединенные со смесительной камерой, снабженной манометром, выходной патрубок которой, с установленным на нем газовым счетчиком, подключен к газгольдеру. Для контроля давления газовой среды во внутренних полостях секций в крышке корпуса установлены манометры. Для контроля температуры газовой среды во внутренних полостях секций в крышке корпуса установлены датчики температуры, а для контроля температуры субстрата датчики температуры установлены в боковой стенке корпуса. Выходы датчиков температуры подключены к измерительным входам блока управления биореактором, а силовые выходы блока управления подключены к ТЭНам и электродвигателям мешалок. Технический результат: повышение производительности по выработке биогаза, возможность автоматизации работы. 7 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Биореактор для анаэробного сбраживания органических отходов, содержащий корпус со съемной крышкой, снабженный термоизоляцией, внутри которого смонтированы сообщающиеся между собой кольцевые рабочие мезофильная и термофильная секции равного объема, разделенные цилиндрической перегородкой, отличающийся тем, что для загрузки биомассы в биореактор к корпусу присоединен загрузочный трубопровод, а для ее выгрузки – разгрузочный трубопровод; для подогрева биомассы в секциях смонтированы трубчатые радиаторы, выполненные в виде змеевиков, заполненных водой и соединенных расширительными камерами с установленными в них ТЭНами; в съемной крышке и днище корпуса биореактора установлены электромеханические мешалки, каждая из которых состоит из электродвигателя, на приводном валу которого установлена лопастная насадка; для отвода газа из корпуса биореактора в крышке установлены трубопроводы, соединенные со смесительной камерой, снабженной манометром, выходной патрубок которой, с установленным на нем газовым счетчиком, подключен к газгольдеру; для контроля давления газовой среды во внутренних полостях секций в крышке корпуса установлены манометры, для контроля температуры газовой среды во внутренних полостях секций в крышке корпуса установлены датчики температуры, а для контроля температуры субстрата датчики температуры установлены в боковой стенке корпуса; выходы датчиков температуры подключены к измерительным входам блока управления биореактором, а силовые выходы блока управления подключены к ТЭНам и электродвигателям мешалок.

2. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что лопасти насадок, установленных на приводных валах электродвигателей мешалок, выполнены в виде шнеков.

3. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что на днище корпуса биореактора смонтирован вентиль аварийного сброса воды.

4. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что корпус биореактора выполнен стальным или из термостойкой пластмассы.

5. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что термоизоляция корпуса выполнена на основе базальтового волокна.

6. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что манометры, установленные в крышке корпуса, могут представлять собой стрелочные приборы или резистивные датчики давления.

7. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что датчики температуры, установленные в крышке корпуса и на его боковой стенке, могут быть выполнены резистивными или представлять собой термопары.

8. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что блок управления биореактором выполнен на основе программируемого промышленного контроллера, содержащего аналоговые входы и транзисторные или релейные выходы, при этом аналоговые входы контроллера являются измерительными входами блока управления, а транзисторные или релейные выходы контроллера – силовыми выходами блока управления.