Установка выработки биогаза Советский патент 1993 года по МПК C02F11/04 C02F3/28 

Ё

Использование: выработка биогаза из стоков свиноводства в смеси с куриным пометом при высокой степени распада беззольного органического вещества и высоком содержании метана в биогазе Сущность изобретения: установка содержит приямок, секцию кислого брожения, секцию регрессии кислого брожения, секции щелочного и метанового брожения, разделенные перегородками, выполненными в виде гибких нитей и размещенными поперек потока стоков Секции имеют замкнутые системы рециркуляции биогаза через фильтросные трубы В установке разобщен распад жиров, белков и углеводов с соответствующей адаптацией микроорганизмов - деструкторов, заселяющих гибкие нити, при этом снижена токсикация метаболитами одних микроорганизмов жизнедеятельности других 9 ил

Изобретение относится к технике выработки биогаза, обогащенного метаном и высокой калорийности, и может быть использовано при очистке стоков сельского хозяйства, особенно стоков свиноводства, содержащих большое количество азота.

Цель изобретения - повышение содержания метана в биогазе.

Указанная цель достигается тем, что перегородки, разобщающие секции, выполнены в виде гибких нитей, пересекающих поток стоков, под которыми размещены фильтросные труГ)ы, а секции кислого, регрессии кислого и щелочного брожения снабжены замкнутыми на секции напорными системами рециркуляции биогаза, причем каждая секция выполнена с индивидуальным перекрытием из нежесткой непроницаемой для биогаза перегородки и дополнительным перекрытием для всех секций, размещенным над первыми

Заявленные отличия существенны, Беззольное органическое вещество стоков содержит жиры, белки углеводы, дающие разные продукты распада и разный по составу биогаз.

Распад жиров проходит по реакции: ЖИРЫ + Н20 2СН4 + С02, причем эта реакция обеспечивает максимальный выход биогаза, составляющий 1,25м3/кг. При распаде белков: БЕЛКИ + Н20 - H2S + С02 + + МНз + + С02

образуется сероуглерод, который является ингибитором образования СЩ по реакции: С02 + ЗН2 + 2Н20 Наличие сероводорода приводит к тому, что при совместном сбраживании степень распада белка не превышает 47%.

Распад углеводов проходит по реакции УГЛЕВОДЫ + Н20 - ЗС02 + ЗСН4, причем большинство исследователей утвержда

00

ю ел VI ел

ет, что из-за метаболитов микроорганизмов- деструкторов, разлагающих жиры и белки, степень распада их очень низкая.

При замкнутой циркуляции на секции происходит перемешивание субстрата, одновременно окисляется сероводород за счет кислорода беззольного органического вещества и, соответственно, устраняется его вредное воздействие на метаногенез и упрощается последующее использование биогаза.

При распаде белка аммиак и диоксид углерода выделяются в виде связанного комплекса, который при рециркуляции расщепляется с образованием гидрата окиси аммония:

NH3 + H70-(NH4)OH и двууглекислого аммония:

МНз + С02 + Н20 -(МН4)НСОз, которые являются легкоусвояемыми формами азота для жизнедеятельности метаногенов.

Одновременно гидрат окиси аммония и двууглекислый аммоний обеспечивают слабощелочную среду для секции щелочного брожения и последующей обработки биогаза в секции метанового брожения, протекающей в аппарате колонного типа.

Выполнение общего перекрытия, в газовое пространство под которым поступает биогаз из секции метанового брожения, сокращает до минимума потери в окружающую среду из наиболее термофильных секций, для которых предпочтительней ме- зофильный и еще в большей степени термо- фильный режимы. Все вместе взятое обеспечивает достижение цели изобретения - повышение содержания мегана в биогазе.

На фиг.1 показана предлагаемая установка без покрытий и без секции метанового брожения, вид сверху; на фиг.2 - секция метанового брожения, продольный разрез; на фиг.З - сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - вид Б на фиг.З; на фиг.5 - показан узел В на фиг.З; на фиг.б - сечение Г-Г на фиг.1; на фиг.7 - сечение Д-Д на фиг.1; на фиг.8 - сечение Ж-Ж на фиг.1 (схематически); на фиг.9 - то же (увеличено).

Установка выработки биогаза содержит корпус 1 с перегородкой 2. образующие приямок I, секцию II кислого брожения, секцию III регрессии кислого брожения, секцию IV щелочного брожения, секцию V осветления иловой воды, секцию VI метанового брожения и секцию-сборник VII иловой воды. Приямок I снабжен патрубок 3 подвода стоков, патрубок 4 отвода тяжелых фракций и мешалкой 5. Секции, Ill, IVснабжены фильтросными трубами 6. сообщенными с

вентиляторами 7. Секции I. II, III, IV и V перекрыты нежесткими перегородками 8, образующими газового пространство Е, а над ними размещена перегородка 9, при- крепленная к ленточному фундаменту 10 с образованием газового объема И, причем перегородки 8 и 9 снабжены натяжным устройством 11, а перегородка 9 выполнена с компенсатором 12 увеличения ее объема.

Между секциями U и III, III и IV, IV и V размещены гибкие нити 13, укрепленные на канатах 14, выполняемых из инертного материала (стекло, базальт и т.д.), являющихся иммобилизационной насадкой для прикреп5 ления микроорганизмов и задерживающих перемещение верхнего продукта по стрелке К. Секция-сборник VII выполнена с нежесткой перегородкой 15, размещенной между брусками 16 и 17 и засыпкой 18 инертным

0 сыпучим материалом, и снабжена патрубком 19 отвода иловой воды и пульсатором 20. Секция VI метанового брожения снабжена дутьевыми камерами 21 и реакторными камерами 22, выполненными с патрубками

5 23 и 24 и размещенными между камерами перфорированными перегородками 25 с экранами 26, патрубками 27 и 28 и запорной арматурой 29. Секция метанового брожения VI выполнена с патрубком 30 подвода био0 газа, патрубком 31 подвода иловой воды,

патрубком 32 отвода биогаза и патрубком 33

отвода иловой воды. На перфорированной

перегородке 25 размещена иммобилизаци нная насадка 34 из зернистого материала

5 с режущими кромками, плотность которого меньше плотности воды и тем более плотности бактерий-деструкторов.

Установка выработки биогаза работает следующим образом.

0 Особенностью стоков свиноводства является высокое содержание азота при относительно низком содержании углерода, т.е. содержание C:N 4:1, причем азот угнетает жизнедеятельность метаногенов. Более

5 благоприятное соотношение между углеродом и азотом и куриного помета, которое находится в пределах 10-16, а поэтому для выработки помета стоки свиноводства сгущают жидким пометом влажностью 800 85%. Помет разводят стоками свиноводства до влажности 95%, причем стоки нагревают до температуры 80-90°С погружными горелками, чтобы температура в приямке I составляла 54-55°С, где при размешивании

5 мешалкой 5 происходит дополнительное освобождение стоков от тяжелых взвесей, которые отводятся по патрубку 4. Поступление стоков по патрубку 3 осуществляют непрерывно. Стоки из приямка I поступают в секцию кислого брожения II, где под

воздействием масляно- и молочных кислых бактерий происходит переход беззольной органики в кислоты, спирты, газы. Процесс воздействия на субстрат маслянокислых и молочнокислых бактерий происходит при интенсивном перемешивании смесью газов (С02, На, Н2$), истекающих через перфорацию фильтросных труб, причем газ отбирается из пространства Е под перекрытием вентилятором 7. Перемещению в направлении К жировых включений препятствуют гибкие нити 13 канатов 14, закрепленных на перегородке 8, и поперечные фильтросные трубы 6, создающие газовый фильтр, задерживающий твердые включения и пропускающий жидкие и газовые компоненты распада.

В секцию III регрессии кислого брожения переходят белки и углеводы, и происходит дальнейшее освобождение газа от сероводорода при перемешивании истекающим из фильтросных труб 6 газом, состав которых аналогичен составу газа в секции кислого брожения. На границе между секциями III и IV происходит задерживание взвесей, причем в секцию IV переходит избыточное количество углеводов, которые из- за антагонизма бактерий-деструкторов жира и белков подвергаются небольшому распаду. Преобладание в секции IV углеводов создает предпосылки для размножения метаногенов. Этому благоприятствует слабощелочная среда в секции, создаваемая гидратом окиси аммония и двууглекислым аммонием. Соответственно в секции IV изменяется структура газов, в котором появляется наряду с водородом и диоксидом углерода метан, причем при перемешивании субстрата из фильтросных труб 6 напором вентилятора 7 часть диоксида в присутствии водорода переходит в метан. После прохождения очередной завесы из гибких нитей 13 субстрат поступает в секцию V, где происходит фильтрация иловой воды через засыпку 18, перегородку 15 в секцию-сборник VIII.

Периодически патрубок 19 отвода иловой воды перекрывают, осуществляют подтопление перегородки 15 и засыпки 18 и при работе пульсатора 20 выполняют освобождение пор от элементов кольматации, а осадок сдвигается по наклону засыпки 18 и отводится по отводному патрубку. Иловая вода из патрубка 19 секции-сборника VII поступает через патрубок 31 в секцию метанового брожения VI, сюда через патрубок 31 нагнетается газ и газового пространства Е секции IV. На перфорированной перегородке 25 происходит взаимодействие между иловой водой и газпх в реакторной камере

На перегородках 25 размещена насадка 34 из зернистого сыпучего материала (вспу0 ченный перлит, керамзит, пемза и т.д.), плотность которой меньше плотности воды. Насадка заселяется метаногенами, плотность которых порядка 1055-1080 кг/м3, в результате при заселении частицы теряют

5 плавучесть и погружаются на поверхность перегородки 25, где в области интенсивного перемешивания режущими кромками насадки 34 происходит разрушение оболочек клеток метаногенов с освобождением фер0 ментом, которые разлагают воды на водород и кислород.

Водород служит катализатором в реакции восстановления диоксида углерода до метана, а кислород освобождает воды от

5 остаточного количества сероводорода, окисляя ее до органической серы, используемой в качестве биогенного элемента мега- ногенами.

В секции VI происходит пространстиен0 ная сукцессия биокатализаторов, когда продукты жизнедеятельности одних микроорганизмов, заселяющих вышележащую реакторную камеру 22 служат биогенными элементами для микрорганизмов,

5 заселяющих лежащую ниже реакторную камеру 22. Благодаря иммобилизационной насадке 34, происходит адаптация метаногенов к изменению биогенного состава иловой воды при ее движении сверху

0 вниз. Для исключение выноса насадки 34 с вышележащей реакторной камеры 22 на нижележащую служат экраны 26. Подбором количества реакторных камер 22 ,/ стигают исчерпывания биогенных элементов иловой

5 воды и получения биогаза с высоким содержанием метана. Газ из камеры 22 через патрубок нагнетается в газовое пространство И под перегородкой 9, причем по мере заполнения газом этого пространства увеличива0 ется ее объем за счет компенсатора 12. Герметичность газовых полостей Е и Д обеспечивается гидравлическими затворами, расположенными по бровке корпуса 1 и ленточного фундамента 10. Натяжку перего5 родок 8 и 9 осуществляют скрутками компенсаторов 12, с выходом их концов в гидравлический затвор.

Технико-экономический эффект заключается в том. что предлагаемая установка позволяет доводить распад беззольного орпанического вещества до 90-95%, а содержание метана в биогазе - до 95-98%, т.е. повышать его калорийность с 5000-6000 ккал/кг до 9000 ккал/кг, что соответствует теплоте сгорания бензина. Освобождение биогаза от сероводорода позволяет использовать его в двигателях внутреннего сгорания, причем переход с бензина на биогаз снижает издержки на горючее в несколько раз, сокращается расход смазочных матери- алов на 15%, повышается ресурс двигателей, полностью исключается токсичность выхлопа, так как при сгорании биогаза образуются водяные пары и диоксид углерода, которые безвредны для окружающей среды. Выход биогаза составляет 1.2-1,5 кг с 1 кг беззолыюго органического вещества, причем 10 кг биогаза достаточно на 25 кг пробега автомашины грузоподъемностью 3 тонны.

Формула изобретения Установка выработки биогаза, содержащий корпус с патрубками подвода и отвода сред, разделенный перегородками на секции кислого брожения, регрессии кислого брожения, щелочного и метанового брожения, отличающаяся тем, что, с целью повышения содержания метана в биогазе, перегородки, разделяющие секции, выполнены из гибких нитей и снабжены расположенными под нитями фильтросными трубами, секции кислого брожения и щелочного брожения снабжены замкнутыми на секции напорными системами рециркуляции биогаза, при этом каждая секция выполнена с индивидуальным перекрытием из нежесткой и не проницаемой для биогаза перегородки и установка снабжена дополнительным перекрытием, размещенным над индивидуальными перекрытиями секций.

Фиг.

фигз

Зидб

фигЛ

г-г

фиг 6

фиг.5

Л

А

-- Г f Г fL.f f f Ж Г Г f

Риг.$