Промышленная установка для переработки органических отходов на биогумус и биогаз
Полезная модель относится к сельскому хозяйству и предназначена для обеспечения энергоносителем - биогазом тепло- и электроэнергетические установки в сельскохозяйственном производстве, получения экологически чистого удобрения - биогумуса и локальной стабилизации экологической ситуации на местах скопления биоотходов (навоз КРС, птичий помет, зеленая масса, солома, шелуха подсолнечника, отходы силоса, бытовые отходы и т.д.) на предприятиях сельского хозяйства.
Технической задачей создания полезной модели является: обеспечение универсальности промышленной установки для переработки любых органических отходов на биогумус и биогаз по объему, конструктивной форме и материалу изготовления бродильной камеры, тепловому режиму брожения, способу обогрева, перемешивания, загрузки и разгрузки биомассы и качеству очистки биогаза; достижение легкоадаптируемости ее работы к природно-климатическим, вводно-почвенным и растительным условиям регионов; получение требуемой производительности установки с оптимальными параметрами процесса брожения биомассы в реакторе и достижение высокой экономичности и экологичности самой установки и обслуживаемого объекта.
Промышленная установка содержит теплоизолированный реактор 1 с водяной системой обогрева биомассы 4, использующая в качестве источника тепла теплонагреватель 5, газовую горелку 6, топку для сжигания твердого топлива 7 или солнечный коллектор 8 с периферией; систему перемешивания биомассы в реакторе с ручным механическим или электромеханическим приводами 18 мешалки 17 или пневматическим 19 и гидравлическим 14, 16 способами; систему откачки 21, фильтрации 25, 26, 27, сбора и реализации 22, 23, 20 биогаза; систему предварительной подготовки 28, загрузки 14, 16 и разгрузки 14, 15, 29 биомассы, а также систему гелиообогрева биомассы в предварительном этапе, состоящую из плоского солнечного коллектора 8 аккумулятора и накопителя 9, 10 с насосом и трубопроводом.
Использование в конструкции промышленной установки различных модификаций и объемов метантенка, оптимальных комбинаций конструктивных элементов механизма (или систем) перемешивания биомассы; систем обогрева биомассы и очистки биогаза обеспечивают ей универсальность, высокую экологичность и адаптивность к любым природно-климатическим и водно-почвенным условиям регионов, с оптимальными выходными параметрами при удельной стоимости обратно пропорциональной рабочему объему реактора и минимальных эксплуатационных расходах.
Универсальная, циклично работающая установка имеет оптимальные параметры биопроцесса по температуре (35...37°С или 45...57°С); рН среды от 4,47 до 9,3; плотности среды (0,978...0,988); выходу биогаза (1,5÷2,5 до 6 м3/м 3) при мезофильном и термофильном процессах.
Установка предназначена для использования в предприятиях сельского хозяйства и др. на местах скопления биоотходов (навоз КРС, птичий помет, зеленая масса, солома, шелуха подсолнечника, бытовые отходы и т.д.) для улучшения и стабилизации экологической ситуации, получения биоорганического удобрения - биогумуса и энергоносителя - биогаза путем анаэробного сбраживания биомассы в герметичном сосуде при определенной влажности, стабильной температуре и периодическом перемешивании.
Известна биоэнергетическая установка для биологической обработки жидкостей, отходов животноводства и сточных вод для производства биогаза, удобрения и электроэнергии [Патент RU, №2068397, С1. С 02 F 0 03/00] путем анаэробного сбраживания сырого осадка выделяемого из сточных вод и смывов животноводческих ферм (влажностью 96...98%). Для чего установка имеет сборник сырого осадка соединенный трубопроводом с насосом, ловушкой и подогревателем сырого осадка. Подогреватель имеет мешалку в виде электроимпульсного нагревательного элемента специальной конструкции, благодаря чему обеспечивается одновременное перемешивание и подогрев сырого осадка. Из подогревателя сырой осадок загружается в метантенк, имеющий приводную мешалку и обогреватель. Выделившийся, в процессе брожения сырого осадка в метантенке, биогаз скапливается в газгольдере, соединенном с верхней частью биореактора, переработанная биомасса собирается в сборнике-усреднителе для дальнейшего разделения сепаратором на жидкую и твердую фазы.
Однако конструкция биоэнергетической установки достаточно сложная и дорогостоящая, требует большого расхода питьевой воды для смыва отходов и электрической энергии на подогрев биомассы животного происхождения, что делает ее не приемлемой для фермерских хозяйств и маломощных предприятий АПК. Кроме того, в конструкции биоэнергетической установки не присутствует элемент или средство для выработки электроэнергии, как это обусловлено в названии и начале текста патента.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является «Установка для обеззараживания и приготовления удобрений из органических отходов» по патенту RU №2040515 С1 от 06.04.93 г., Бюл. №21 от 27.07.95 г. Установка включает биореактор с утепляющим кожухом. Горизонтально расположенная, цилиндрическая бродильная камера биореактора разделена на две неравные части. В большей части ниже оси цилиндра установлен водяной обогревающий радиатор, выше которого расположено перемешивающее и перемещающее биомассу устройство, выполненное в виде механически вращаемого колеса с лопастями мельничного типа. Устройство для отделения твердой массы от жидкой фазы перебродившей биомассы представляет собой, соединенный с бродильной камерой трубопроводом, емкость с шарнирно подвешенным в нем ситом. Такая конструкция позволяет легко выгрузить отфильтрованное через сито удобрение. Очистка биогаза от влаги и углекислого газа осуществляется в
влагоотделителе и газосборнике, соединенные общим трубопроводом с биореактором.
Однако при принципиальной возможности соответствия конструкции установки для достижения поставленной цели прототип имеет следующие существенные конструктивные и технологические недостатки, которые ставят под сомнение возможность получения (при данной конструкции установки) стабильных, нормальных выходных параметров и целесообразность применения ее на практике:
- приведенная в описании компоновка обогревательного водяного радиатора, перемешивающего устройства и перегородки в бродильной камере биореактора не позволяют осуществить полное перемешивание биомассы по всему объему, в результате чего происходит оседание части твердой фазы в подрадиаторном пространстве, и коркообразование из твердой массы на поверхности биомассы, т.к. биомасса расслаивается в три яруса с различными плотностями и рН среды, нарушается процесс брожения и в несколько раз увеличивается его продолжительность, соответственно снижается производительность;
- в газгольдере отсутствуют фильтрующий элемент или поглощающая среда, следовательно, само по себе разделение в нем метаноуглекислой смеси на чистый метан и углекислый газ по ходу технологического процесса не может произойти;
- в бродильной камере, в реальном масштабе времени стабильно может происходить только один процесс: мезофильный (при 32°С) или термофильный (при 55°С); на изменяющихся от 32°С до 55°С температурных режимах, как указано в описании прототипа, процесс брожения будет нестабильным и долгосрочным, с низкими выходными параметрами;
- при температуре 32-55°С свежий навоз или другая органическая биомасса животноводческого или растениеводческого происхождения за 7 дней, как указано в описании прототипа, не перебраживается, при температуре 32°С этот срок составляет не менее 22...25 дней; при 55°С только чистый свежий птичий помет с влажностью 92%, в зависимости от химического состава используемой воды, перебраживает за 12-14 дней;
- «разделение субстрата на твердую и жидкую фазы» в прототипе не правильно названо «обезвоживание биомассы», это разные понятия;
- жидкая фаза перебродившей биомассы, содержащая значительную долю биогумуса в описании прототипа неправильно (некомпетентно) названа «технической водой» повторно используемой в процессе брожения, однако не указано кратность возврата жидкой фазы в навозосборник, после которого она должна быть выгружена из установки как «жидкий» биогумус.
Технической задачей создания полезной модели является: обеспечение универсальности промышленной установки для переработки любых органических отходов (биоотходов) на биогумус и биогаз по объему и конструктивной форме бродильной камеры, тепловому режиму брожения, способам обогрева, перемешивания, загрузки и выгрузки биомассы и качеству очистки биогаза достижение легкоадаптируемости ее работы к природно-климатическим, водно-почвенным и растительным условиям регионов; получение требуемой производительности установки с оптимальными параметрами брожения биомассы в
реакторе и достижение высокой экологичности самой установки и обслуживаемого объекта.
Поставленная задача достигается в промышленной установке для переработки органических отходов на биогумус и биогаз включающей биореактор с обогреваемой бродильной камерой, механизмы перемешивания биомассы и системы загрузки и разгрузки биомассы, где согласно техническому предложению бродильная камера размещена в биореакторе вертикально, система обогрева биомассы состоит из водяной рубашки, расположенной между внешней обечайкой реактора и бродильной камерой и солнечного коллектора с аккумулятором тепла и циркуляционным насосом, который смонтирован на установке и соединен с водяной рубашкой и бродильной камерой, причем установка дополнительно снабжена гидравлической и пневматической системами перемешивания биомассы, трехступенчатой системой очистки выделяемого биогаза и емкостью для его сборки, а механическая система загрузки и разгрузки биомассы сдублированы с гидравлической.
Принятые в основу конструирования приемы, широкий диапазон типажа конструкций механизмов и систем, возможность выполнения типоразмеров установки из различных материалов при идентичном конструктивном исполнении, позволяет предлагаемой полезной модели, при любом исходном сырье, и химическом составе используемой воды, обеспечить производительность по биогазу 1,5...2,5 (до 6) м3/м3 рабочего объема бродильной камеры с содержанием метана 86...90%, по биогумусу - 40...50 кг перебродившей биомассы на 1 м3 выделяемого биогаза; довести продолжительность цикла полного брожения 12 суток для птичьего помета, 14...18 суток для смеси биосырья при цикличном или непрерывном термофильном режиме с минимальной удельной стоимостью и эксплуатационными расходами, и экологичностью соответствующей существующим стандартам.
На фиг.1.а, б приведены принципиальная схема и фотография предлагаемой полезной модели.
Установка состоит из: биореактора 1 с теплоизоляцией 2, вертикальной бродильной камеры 3, обогревательной водяной рубашки 4 с различными источниками тепла 5, 6, 7 и солнечным обогревателем состоящим из плоского солнечного коллектора 8, бака - аккумулятора 9, бака - накопителя 10, циркуляционного насоса 11, механизма загрузки и разгрузки состоящего из загрузочного 12 и разгрузочного 13 люков с запорными механизмами, а также гидравлического шнекового насоса (НЖН) 14 с трубопроводом 15, 16; механизма перемешивания биомассы состоящего из пропеллерно-сетчатой мешалки 17 с ручным и электромеханическим приводом 18, сдублированной пневматическим перемешиванием биомассы биогазом через газопровод 19 от газгольдера высокого давления 20 и гидравлическим перемешиванием насосом НЖН 14 совмещенным с загрузкой-разгрузкой биомассы. Двухступенчатая система установки для сбора и хранения выделившегося биогаза состоит из газоотводной трубы 21, газгольдеров 22 и 20, компрессора 23, счетчика 24. Трехступенчатая очистка биогаза состоит из барботажного фильтра 25, влагоуловителя 26 и сухого циолитового фильтра 27. В комплект установки входят также емкость предварительной подготовки биомассы
28, накопитель перебродившей биомассы 29, трубопровод 31 для подачи воды из бака-аккумулятора 10 в емкость 28.
Биомасса, очищенная от крупных механических примесей поступает в емкость предварительной подготовки биомассы 28, смешивается теплой водой температурой 45-55°С, ее влажность доводится до 92% и с помощью гидравлической системы загрузки в виде насоса для жидкого навоза 14 через трубопровод 16 и загрузочный люк 12 подается в бродильную камеру реактора 1.
Бродильная камера двустенного реактора 1 представляет собой вертикальный цилиндр с дном наклонным к вертикальной оси под углом 15-20°, обеспечивающим разгрузку отработавшей биомассы самотеком при открытии разгрузочного люка 13. Обогревательная водяная рубашка 4 образуется между стенками внутреннего и наружного цилиндров, дном наружной обечайки 32 и общей крышкой реактора 1. Теплота в водяную рубашку сообщается из одного из следующих источников: солнечного коллектора 8, теплонагревателя 5, газовой горелки 6 или топки 7, где сгорает твердое топливо. Продукты сгорания газа или твердого топлива используются для обогрева биомассы в емкости предварительной ступени подготовки биомассы 28. Благодаря надежной теплоизоляции 2 и равномерного обогрева и утилизации тепла продуктов сгорания, расход тепла на собственные нужды реактора минимальный, а конструкция источника тепла делает установку многотопливной.
Предварительный обогрев биомассы до загрузки в бродильную камеру и в бродильной камере за период года с температурой окружающей среды выше 20-22°С осуществляется плоским солнечным коллектором с поглощающей поверхностью 6 м2, для чего солнечный коллектор 8 соединен с питательным баком 10 аккумулятором 9, водяной обогревательной рубашкой 4 реактора и трубопроводом 31 с емкостью для предварительной подготовки биомассы 28.
Пропеллерно-сетчатая мешалка 17 имеет двойной - ручной и электромеханический привод 18, установлена на двух шарикоподшипниковых опорах 33 расположенных на крышке и наклонном дне бродильной камеры. При загрузочном объеме бродильной камеры более 8-10 м 3 перемешивание биомассы осуществляется гидравлически, насосом НЖН 14 через трубопровод 16, или пневматически - биогазом из газгольдера высокого давления 20, через трубопровод 19.
Отвод выделяющегося биогаза - самотеком через тройную систему фильтрации 25, 26, 27 в упругий буферный газгольдер 22, и перекачка компрессором 23 по герметичному трубопроводу в газгольдер высокого давления 20 обеспечивает экологическую, санитарно-гигиеническую и противопожарную безопасность установки для обслуживающего персонала и окружающей среды на сельскохозяйственных объектах эксплуатации.
Разгрузка перебродившей биомассы для малых объемов реактора - самотеком в лоток 34, для больших - насосом НЖН 14 в накопитель 29, через трубу 15.
В зависимости от выбранного режима брожения, состава биосырья и химических характеристик используемой воды, одновременно с подготовкой биомассы в емкости 28 к загрузке, включается система обогрева водяной рубашки 4 и ее температура доводится до 35-37°С или 45-57°С. В предварительно подогретую
бродильную камеру загружается биомасса с температурой 35°С или 45°С. Загрузка реактора осуществляется из емкости 28 насосом 14, через трубопровод 16. Загруженная до 85% рабочего объема бродильная камера герметизируется. При периодическом перемешивании биомассы ее температура доводится до 37°С или 55°С и режим брожения стабилизируется. При стабильной температуре выделение биогаза начинается через 35...40 (24...28) часов. В начальной стадии (1,5...2 суток) содержание метана в биогазе незначительное (2,5...6,5%), содержание углекислого газа и других компонентов высокое, к четвертым суткам содержание метана достигает 55...60% и выше. Выделяемый при брожении биогаз под давлением в реакторе поступает в тройную систему фильтрации, последовательно в барботажный фильтр 25, фильтр-уловитель влаги 26 и циолитовый фильтр 27. Очищенный биогаз скапливается в упругом газгольдере 22. По мере заполнения упругого газгольдера 22, включается компрессор 23 и биогаз из него перекачивается в газгольдер высокого давления 20 для потребления. При стабильной температуре, в зависимости от состава биомассы и воды, процесс брожения в реакторе продолжается 12...18 суток.
Установка может работать как циклично, так и непрерывно. При цикличном процессе через 12 (18) суток перебродившая биомасса из реактора разгружается в накопитель 29, затем цикл повторяется. При непрерывном процессе, начиная с момента устойчивого выделения биогаза с содержанием метана 45...60%, ежедневно из бродильной камеры 3 разгружается 1/12 (1/18) часть перебродившей биомассы в накопитель 29 и столько же из емкости предварительной подготовки биомассы 28 загружается в нее.
Перемешивание биомассы в бродильной камере осуществляется механизмом, с ручным или электромеханическим приводом, работающим на автоматическом режиме, через каждые два часа или гидроприводом через каждые четыре часа. Кроме того, для интенсификации процесса брожения и метанообразования один раз в сутки осуществляется перемешивание (продувка) биомассы в бродильной камере биогазом из газгольдера высокого давления 20.
Обогрев биомассы при предварительной ее подготовке и в бродильной камере в процессе брожения с использованием солнечного коллектора 8 осуществляется только при солнечной погоде с температурой окружающей среды выше 20...22°С. Перебродившая биомасса может быть использована непосредственно в жидком виде или разделенной на твердую и жидкую фазы. В последнем случае жидкая фаза 6-8 раз возвращается в цикл брожения для перемешивания свежей биомассы, затем используется как жидкое удобрение. Многократное использование жидкой фазы для брожения сокращает его продолжительность на 2-4 суток, увеличивает выход биогаза на 15...20% и снижает расход тепловой энергии на цикл 30...35%.
Достаточно высокая температура, изменение рН среды от 4,47 до 9,3, четырехступенчатый процесс распада высокомолекулярных биоорганических веществ на газообразные и низкомолекулярные составляющие и микроэлементы одновременно обезвреживают патогенные микроорганизмы и ликвидируют всхожесть семян сорных трав.
Предлагаемая установка разработана в 8-ми модификациях с рабочим объемом бродильной камеры 8-1000 м3, которые могут обеспечить потребности в
биогазе от одной семьи до крупного предприятия АПК. Оптимальным рабочим объемом метантенка, периодически действующей установки, для крестьянского двора является 8-12 м 3.
Оптимальные выходные параметры промышленной установки для переработки органических отходов на биогумус и биогаз следующие: содержание метана в очищенном биогазе - 86-90%; продолжительность цикла брожения при различных видах биомассы в термофильном режиме 12-20 суток; производительность по биогазу (1,5-2,5 до 4,5) м 3/м3 рабочего объема бродильной камеры; производительность по биогумусу 40-50 кг на 1 м 3 биогаза; удельная стоимость установки обратно пропорциональна рабочему объему бродильной камеры.
Окупаемость установки при реализации биогумуса и биогаза 0,6...1 год.
Промышленная установка для переработки отходов на биогумус и биогаз, включающая биореактор с системой обогрева, механизм перемешивания биомассы, и системы загрузки и разгрузки биомассы, отличающаяся тем, что бродильная камера размещена в биореакторе вертикально, система обогрева биомассы состоит из водяной рубашки, расположенной между внешней обечайкой реактора и бродильной камерой и солнечного обогревателя в виде плоского солнечного коллектора с аккумулятором тепла и циркуляционным насосом, который смонтирован на установке и соединен с водяной рубашкой и бродильной камерой, причем установка дополнительно снабжена гидравлической и пневматической системами перемешивания биомассы, трехступенчатой системой очистки выделяемого биогаза и его сборки, а механическая система загрузки и разгрузки биомассы сдублированы с гидравлической.
