БИОМЕТАНОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ Российский патент 2024 года по МПК C02F3/28 C12M1/107 

Изобретение относится к биоэнергетике, а именно к устройствам для двухступенчатого анаэробного сбраживания органических отходов и может быть использовано для получения высококачественных органических удобрений и биогаза.

Известен метантенк, предназначенный для использования на станциях очистки бытовых и промышленных сточных вод коммунального хозяйства, на животноводческих и птицеводческих фермах, в бытовых биогазовых и биогумусовых установках сельских населенных мест и дачных участков.

(Патент РФ № 2242434. Автор Андрюхин Т.Я. (RU). МПК C02F 3/28, C02F 11/04. Подача заявки: 07.07.2003, публикация патента: 12.20.2004).

Метантенк содержит корпус резервуара круглой, овальной, квадратной, прямоугольной или многоугольной формы в плане с боковой стенкой, днищем и куполом с присоединенной к куполу, не доходящей до днища, разделительной концентрической перегородкой. Перегородка имеет в плане форму резервуара и разделяет верхнюю часть резервуара на внешнюю и внутреннюю камеры сбраживания. Метантенк содержит патрубки подвода отходов во внешнюю камеру и отвода сброженной массы из внутренней камеры, а также патрубки отвода биогаза из внешней и внутренней камер. На днище резервуара по его форме в плане выполнена перегородка, внешне охватывающая в верхней своей части с зазором нижнюю часть присоединенной к куполу резервуара, разделительной концентрической перегородки. Она разделяет нижнюю часть резервуара на внешнюю и внутреннюю камеры при объединении их заодно со сверху расположенными соответствующими частями внешней и внутренней камер резервуара.

Технический результат заключается в обеспечении наибольшей выработки горючего биогаза высокой калорийности при наименьшем образовании органического осадка с получением обеззараженных жидких и полужидких органических удобрений.

Недостатки известного метантенка заключаются в том, что плотные трудносбраживаемые органические вещества в составе поступающих во внешнюю камеру метантенка разжиженных и измельченных органических отходов, не задерживаясь в кислой среде при рН менее 7,0 первой фазы сбраживания во внешней камере, осаждаются на днище резервуара метантенка во внутреннюю камеру со щелочной средой сбраживания во второй фазе при рН более 7,2, образуют неразлагаемый органический осадок. Это вынуждает удалять его из метантенка в составе сброженной массы на иловые площадки для последующего разложения, исключая при этом возможность из органического вещества вырабатывать горючий биогаз.

Известна установка для анаэробной переработки органических отходов, содержащая анаэробный биореактор с основным нагревателем биомассы, выполненный в виде герметично закрытой емкости, разделенный с помощью вертикальных перегородок на секции.

(Патент РФ № 2370457. Авторы: Мариненко Е.Г. (RU), Ефремова Т.В. (RU), Кондауров П.П. (RU), Черкасов А.В. (RU). МПК C02F3/28. Подача заявки: 14.07.2008, публикация патента: 20.10.2009).

Установка содержит патрубки загрузки сырья и выгрузки жидкого минерального удобрения, систему подачи исходного сырья, систему отвода биогаза с компрессором, систему удаления жидких органических удобрений, систему управления технологическим процессом, выполненную в виде программируемого компьютера. Внутренний объем биореактора размещен переливной и двумя перегородками-теплообменниками, расположенными друг к другу под углом 120°, на три сообщающиеся между собой секции: гидролизную, соединенную с системой подачи исходного сырья через патрубок загрузки, кислотоацидогенную и метаногенную, соединенную с системой выгрузки жидкого органического удобрения через патрубки выгрузки, а также с системой отвода биогаза.

Известная установка для анаэробной переработки органических отходов позволяет, получать биогаз из влажной биомассы, обладает рядом недостатков:

- сложность исполнения конструкции анаэробного биореактора, характеризующаяся наличием разделительных перегородок. Разделение внутреннего пространства биореактора нецелесообразно, так как весь процесс анаэробного распада происходит в три стадии (психотропная, мезофильная и термофильная), причем психотропная стадия, как правило, не применяется;

- обогрев биореактора с помощью дополнительного выносного теплообменника, что усложняет конструкцию установки;

- непрерывность подачи исходного сырья и выгрузки органического удобрения приводят к тому, что из биореактора удаляется биомасса, неперебродившая полностью, что снижает эффективность работы установки.

Известен бытовой метантенк, содержащий корпус с теплоизоляцией, разделенный перегородками на камеры брожения, сообщающиеся последовательно одна с другой, загрузочный и разгрузочный патрубки и гидравлический затвор для отвода биогаза.

(Патент РФ № 2491233. Авторы: Коробко А.Н. (RU), Тихонов В.И. (RU), Полковникова Н.А. (RU), Свиридов С.В. (RU), Ставничий М.М. (RU), Ставничая Т.А. (RU), МПК C02F11/04. Подача заявки: 25.04.2011, публикация патента: 27.08.2013).

Перегородки выполнены перфорированными и установлены в корпусе одна над другой, а загрузочный патрубок снабжен питательным клапаном. Теплоизоляция корпуса выполнена в виде двух слоев, установленных с зазором. Каждый слой состоит из внутреннего теплоотражающего и внешнего теплоизолирующего слоев, а в зазоре расположен резистивный нагреватель, распределенный по поверхности внутреннего теплоизолирующего слоя, и температурный датчик, обеспечивающий контроль температуры воздуха в воздушном зазоре. На внутренней поверхности метантенка нанесено антикоррозионное полимерное покрытие. Снаружи метантенк заключен в жесткий кожух. Питательный клапан выбран лепесткового типа в виде гибкого затопленного плоского рукава, свободно лежащего на верхней перегородке. Метантенк позволяет получать санитарно-безопасное удобрение, не содержащее паразитов и семян сорных растений; отличается компактностью, простотой в эксплуатации, дешевизной и пожаробезопасностью.

К преимуществам известного бытового метантенка можно отнести выполнение корпуса в виде двух слоев, установленных с зазором, внутреннего, теплоотражающего и внешнего, теплоизолирующего. В зазоре расположен резистивный нагреватель (греющий кабель), который распределен по поверхности внутреннего теплоизолирующего слоя.

Недостатками известного бытового метантенка являются:

- плохая смешиваемость кормов в бытовом метантенке, вследствие отсутствия механизма смешивания;

- низкая эффективность, вследствие этого, работы бытового метантенка.

Наиболее близким по техническому исполнению к решаемой задаче является метантенк для двухступенчатого анаэробного сбраживания органических. (Патент РФ № 2462509. Авторы: Соколов В.Ю. (RU), Наумов С.А., Садчиков А.В., Горячев С.В., Никаноров И.Н., Идигенов А.Б., Котова М.С. МПК C12M 1/00, А01С 3/00, C02F 11/04. Подача заявки: 15.07.2011, публикация патента: 27.09.2012).

Метантенк содержит герметичный резервуар с куполом и днищем. Внутри резервуара расположены внутренняя и внешняя камеры сбраживания, патрубки подвода разжиженных органических отходов, отвода сброженной массы и патрубок отвода биогаза. Внутренняя камера выполнена изолированной от внешней и расположена соосно внутри нее на опорах, соединенных с днищем резервуара. Внутренняя камера сообщена с внешней через систему трубопроводов, соединенных с сепаратором. Система трубопроводов состоит из патрубка для подачи во внутреннюю камеру смеси летучих жирных кислот из сепаратора и воздуха из воздухозаборника. Система солержит патрубок для подачи из внутренней камеры субстрата после фаз гидролиза и кислотогенеза в сепаратор для отделения летучих жирных кислот от густой массы и трубопровод для подачи густой массы, отделенной от летучих жирных кислот в сепараторе, во внешнюю камеру самотеком.

Изобретение обеспечивает уменьшение длительности сбраживания органических отходов и повышение производительности.

Недостатком известного метантенка является длительное время сбраживания отходов, т.к. фазы кислотогенеза и метаногенеза выполнены разделеными, и поэтому сложно контролировать допустимую дозу загрузки отходов во внутреннюю камеру.

Недостатком этого известного метантенка является то, что предлагаемая схема его реализации не позволяет получить максимально возможную производительность по биогазу, так как исходные отходы перед поступлением во внутреннюю камеру не диспергированы до необходимой величины.

Другим недостатком является то, что исключается возможность отделения летучих жирных кислот (ЛЖК), которые являются ингибиторами фазы метаногенеза.

Недостатком является также предложенное подключение патрубка воздухозабора для подачи во внутреннюю камеру смеси воздуха и ЛЖК, поскольку воздух не способствует развитию анаэробного сбраживания, что не позволяет получить биогаз с предельно высоким содержанием метана.

Вместе с тем по своей технической сущности и достигаемому результату известный по патенту РФ № 2462509 метантенк является наиболее близким к заявленному и принят за прототип.

Техническим результатом предлагаемого биометановой установки для анаэробного сбраживания органических отходов является снижение длительности сбраживания органических отходов, повышение ее производительности, а также возможность отделения летучих жирных кислот, являющимися ингибиторами фазы метаногенеза.

Поставленная задача решается тем, что биометановая установка для анаэробного сбраживания органических отходов содержит герметичный резервуар с эластичным куполом и днищем, внутри которого расположены внутренняя и внешняя камеры сбраживания. Биометановая установка содержит патрубки подвода разжиженных органических отходов, патрубки отвода сброженной массы и патрубок отвода биогаза, два разнонаправленных шнека, а также выгрузной патрубок сброженной массы. Внутренняя камера изолирована от внешней и расположена соосно внутри нее па опорах, соединенных с днищем резервуара. Внутренняя камера сообщена с внешней через систему трубопроводов, соединенных с сепаратором, насосом и компрессором, состоит из патрубка для подачи во внутреннюю камеру смеси ЛЖК из сепаратора и биогаза от компрессора, патрубка для подачи из внутренней камеры субстрата после фаз гидролиза и кислотогенеза в сепаратор для отделения летучих жирных кислот от густой массы, шпеков для подачи густой массы, отделенной от летучих жирных кислот в сепараторе. Установка имеет в своем составе патрубок загущенных органических отходов и промывки, вентиль, а также греющий кабель, работающий от электросети.

Сущность изобретения поясняется чертежем, па котором изображена биометановая установка анаэробного сбраживания органических отходов.

На фиг. 1 приведен общий вид биометановой установки для анаэробного сбраживания органических отходов в разрезе, на фиг.2 приведен вид сложного разреза (А-А) и на фиг.3 показан тангенциальный подвод подготовленного для переработки материала (разрез Б-Б).

Биометановая установка для анаэробного сбраживания органических отходов представляет собой герметичный резервуар 1 с куполом накопителем биогаза 2 и днищем 3. Внутри резервуара 1 расположены соосно и изолированно друг от друга, внешняя 4 и внутренняя камера 5, причем ось внутренней камеры 5 совмещена с осью внешней камеры 4. Внутренняя камера 5 содержит систему трубопроводов, состоящей из тангенциально расположенного трубопровода 6 для подачи свежих органических отходов, смеси летучих жирных кислот, фазы кислотогснеза с направлением угла выпускного трубопровода равным 45±5° и вентиль 7. Она также имеет в своем составе трубопровод 8 подачи разжиженных органических отходов и трубопровод 9 транспортирования разжиженных органических отходов, которые посредством насоса 10 и компрессора 11 соединена с сепаратором 12. Внутренняя камера также содержит клапан 13 выпуска биогаза. Купол 2 соединен с вентилем 14, патрубком 15, и редукционным клапаном 16 трубопроводом 17, а также гофрированным трубопроводом 18 с запорным вентилем 19 биогаза. Установка содержит тангенциально расположенный трубопровод 20 и вентиль 21 загущенных органических отходов. Во внешней камере 4 установлены два разнонаправленных шнека 22 и 23, а также выгрузной патрубок сброженной массы 24 с углом наклона 30±5°. Крепление внутренней камеры 5 осуществлено посредством опор метаптепка 25 и опор шпека 26, связанных с днищем 3 внешней 4 и внутренней 5 камер. Снизу во внешней камере 4 и внутренней камере 5 вмонтированы съемные люки 27 и 28. Метантенк содержит также вентиль патрубка загущенных органических отходов и промывки 29, греющий кабель 30 и электросеть 31, Опоры 25 и 26 жестко связаны с основанием 32.

Биометановая установка для анаэробного сбраживания органических отходов работает следующим образом.

Предварительно нагретые от греющего кабеля 31, разжиженные органические отходы с исходной влажностью, под напором вводят во внутреннюю камеру 5 по тангенциально расположенному трубопроводу 6 для подачи свежих органических отходов, смеси летучих жирных кислот, фазы кислотогенеза с направлением угла выпускного трубопровода равным 45±5°, при открытом вентиле 7. Во внутреннюю камеру 5 также подается летучая жирная кислота (ЛЖК) и после фат гидролиза и кислотогенеза по трубопроводам 8 и 9, насосом 10, разжиженные органические отходы подаются в сепаратор 12 для отделения ЛЖК от загущенной массы. Для нормальной качественного сбраживания органических отходов компрессором 11 при закрытом вентиле клапане 13 обеспечивается движение обрабатываемой массы. Образовавшийся в результате сбраживания, и накопившийся в куполе 2, биогаз отводится при открытом вентиле 14 биогаза по биогазовому патрубку 15 и через редукционный клапан 16, биогазовому трубопроводу 17 и гофрированному трубопроводу 18 и запорный вентиль 19 для дальнейшего использования потребителями.

Это позволяет обойтись без разбавления биогаза воздухом, получение и поддержание биогаза заданной концентрации и повышенного качества.

Отделенная от ЛЖК густая сброженная масса поступает во внешнюю камеру 4 по тангенциально расположенному трубопроводу 20 при открытом вентиле 21. Отношение площадей поперечного сечения трубопроводов 6 и 8 составляет 2:1. Установка во внешней камере 4, разнонаправленных шпеков 22 и 23, организующих движение навстречу друг другу, способствуют ускоренному транспортированию через выгрузной патрубок сброженной массы 24 с углом наклона 30±5°, что повышает производительность биометановой установки. Крепление внешней камеры 4 осуществленное посредством опор метантенка 25, крепление внутренней камеры 5, осуществленное посредством опор шнека 26, а также имеющаяся общая связь внешней 4 и внутренней 5 камеры с днищем 3 значительно снижает вибрационное воздействие на систему. Очистка камер от неразложившихся веществ осуществляется через съемные люки 27 и 28 проводится в тех случаях, когда при работе биометановой установки совместно с разжиженными органическими отходами в него поступили ингибиторы процесса сбраживания (антибиотики, бытовая химия, токсичные вещества и др.), которые приводят к замедлению процесса сбраживания и сокращению выхода биогаза, необходимо остановить работу метантенка и промыть камеры сбраживания. Для этого нужно опорожнить внешнюю камеру 4 и внутреннюю камеру 5, дополнительно с вентилем 7, открыть вентиль 29, убедиться, что закрыт редукционный клапан 16 и, через трубопровод 6 осуществить подачу воды или промывочного раствора и промыть внешнюю и внутреннюю камеры.

Поступление смеси ЛЖК из внутренней камеры 5 по трубопроводу 9 «снизу вверх» обеспечивает эффективное перемешивание сбраживаемой массы во внутренней камере 5, создает в ней состояние «псевдокипения», препятствуя тем самым образованию, так называемой, «корки». Для периодического или постоянного контроля значений рН в патрубках 6, 9, 20 и во внутренней и внешней камерах метантенка установлены датчики рН, взаимодействующие с программным пультом управления (на фигурах не показаны). Вводимая под тангенциальным направлением под напором во внутреннюю камеру 5 разжиженная смесь свежих органических отходов, смешиваясь с находящейся в камере сбраживаемой массой, обсеменяется активным симбиозом микроорганизмов. Это обеспечивает более быстрый гидролиз трудносбраживаемой части органических отходов (целлюлоза, лигнин и другие полисахариды, белки, жиры), при отборе образуемых ЛЖК и аминокислоты в сепараторе 12 перед подачей во внешнюю камеру 4.

Изобретение относится к биоэнергетике, а именно к устройствам для двухступенчатого анаэробного сбраживания органических отходов. Биометановая установка для анаэробного сбраживания органических отходов содержит герметичный резервуар с куполом и днищем, внутри которого размещены внутренняя и внешняя камеры сбраживания, патрубки подвода разжиженных органических отходов, отвода сброженной массы и патрубок отвода биогаза. Внутренняя камера выполнена изолированной от внешней и расположена соосно внутри нее на опорах, соединенных с днищем резервуара. Внутренняя камера сообщена с внешней через систему трубопроводов, соединенных с сепаратором, состоящим из патрубка для подачи во внутреннюю камеру смеси летучих жирных кислот из сепаратора и патрубка для подачи из внутренней камеры субстрата после фаз гидролиза и кислотогенеза в сепараторе для отделения летучих жирных кислот от густой массы. Купол биометановой установки для анаэробного сбраживания органических отходов выполнен из эластичного материала, позволяющего изменять объем биогаза. Патрубок подвода сбраживаемого материала выполнен тангециально с направлением угла выпускного трубопровода 45±5°. Во внешней камере установлены два разнонаправленных одновитковых шнека с направлением витков к центру навстречу друг к другу. Выгрузной патрубок сброженной массы выполнен с углом наклона 30±5°. Технический результат: снижение длительности сбраживания отходов, повышение производительности, возможность отделения летучих жирных кислот. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Биометановая установка для анаэробного сбраживания органических отходов, содержащая герметичный резервуар с куполом и днищем, внутри которого размещены внутренняя и внешняя камеры сбраживания, патрубки подвода разжиженных органических отходов, отвода сброженной массы и патрубок отвода биогаза, внутренняя камера выполнена изолированной от внешней и расположена соосно внутри нее на опорах, соединенных с днищем резервуара, при этом внутренняя камера сообщена с внешней через систему трубопроводов, соединенных с сепаратором, состоящим из патрубка для подачи во внутреннюю камеру смеси летучих жирных кислот из сепаратора и патрубка для подачи из внутренней камеры субстрата после фаз гидролиза и кислотогенеза в сепараторе для отделения летучих жирных кислот от густой массы, отличающаяся тем, что купол биометановой установки для анаэробного сбраживания органических отходов выполнен из эластичного материала, позволяющего изменять объем биогаза, патрубок подвода сбраживаемого материала выполнен тангециально с направлением угла выпускного трубопровода 45±5°, при этом во внешней камере установлены два разнонаправленных одновитковых шнека с направлением витков к центру навстречу друг к другу, а также выгрузной патрубок сброженной массы с углом наклона 30±5°.

2. Биометановая установка по п. 1, отличающаяся тем, что соотношение площадей тангенциального трубопровода свежих органических отходов и трубопровода разжиженных органических отходов составляет 2:1.