Биореактор модульный

Заявляемое техническое решение относится к сельскому хозяйству и предназначено для переработки жидких органических отходов, преимущественно навоза или помета, и получения экологически чистых органических удобрений и горючего биогаза в промышленных масштабах. Технический результат заявляемого решения заключается в создании конструкции, в которой решаются проблемы использования промышленного биореактора большой производительности. Внутреннее пространство биореактора разделено на три секции - загрузочную, рабочую и выгрузочную перегородками-сегментами, которые перекрывают все пространство биореактора сверху и не доходят до дна емкости. Загрузочная секция биореактора небольшого объема выполнена с расположенным сверху загрузочным люком для загрузки биомассы. Выгрузочная секция имеет выгрузочный люк для выгрузки биомассы, и выполнена в небольшом объеме, рабочая секция имеет подключение к газгольдеру. При этом, только первая секция имеет верхний загрузочный люк, и только третья секция - выгрузочный, а пространство между ними можно рассматривать, как большую рабочую секцию. Технический результат получен в возможности изготовления биореакторов больших объемов, за счет использования модульной конструкции биоректора, в которую входят: - базовые трубчатые модули, - модули-вставки в виде колен, внутри которых установлены регулируемые заслонки-сегменты, - модули-вставки, являющимися разделителями конверсионных потоков, в которых размещается мотор редуктор, который в свою очередь приводит во вращение горизонтальную мешалку. Вышеперечисленные модули выполняются унифицированными для биореакторов различных объемов.

Заявляемое техническое решение относится к сельскому хозяйству и предназначено для переработки жидких органических отходов, преимущественно навоза или помета, и получения экологически чистых органических удобрений и горючего биогаза.

Известен реактор (см. патент FR 2471124 (13) А1, 19.06.1981, на 13 л., фиг 1-2). Сущность данного технического решения заключается в том, что запатентованный реактор содержит горизонтально расположенную стальную емкость, которая имеет загрузочный и выгрузочные люки и подключена к газгольдеру, кроме того, емкость биореактора покрыта теплоизоляцией для поддержания стабильной температуры в биореакторе.

Недостатком данного технического решения является то, что при загрузке смешиваются массы, перебродившие и вновь поступившие, так же, как и при выгрузке, происходит выгрузка смешанных масс, что не обеспечивает полного перебраживания сбраживаемой массы и снижает эффективность биореактора.

Наиболее близким к заявляемому модульному биореактору является биореактор, запатентованный в качестве патента на изобретение РФ 2346423, А01С 3/02 от 15.03.2007, содержащий стальную трубчатую емкость, которая расположена горизонтально или под уклоном 3-5° и разделена сверху на три секции - загрузочную, рабочую и выгрузочную перегородками-сегментами, которые не доходят до дна емкости, в загрузочной секции биореактора сверху расположен загрузочный люк для загрузки биомассы, в выгрузочной секции - выгрузочный люк для выгрузки биомассы, а рабочая секция имеет подключение к газгольдеру.

Недостатком данного технического решения является его недостаточная проработка относительно использования его в промышленных биореакторах больших объемов для больших хозяйств. Моноблочная конструкция биореактора не позволяет изготавливать биореакторы больших объемов. При увеличении объема увеличивается длина биореактора, при этом возникают непреодолимые технические трудности с изготовлением длинных мешалок и управлением технологическим процессом. Для больших биореакторов возникают:

1. Проблемы с транспортировкой на место установки;

2. Проблемы с оптимизацией технологического процесса;

3. Проблемы с перемешиванием биоматериала внутри реактора;

4. Проблемы нагрева в период выхода биореактора на рабочий режим;

5. Проблемы с подготовкой помещения под данный реактор - под длинную трубу требуется длинное помещение.

Технический результат заявляемого решения заключается в создании конструкции промышленных биореакторов, которые состоят из загрузочной, рабочей и выгрузочной секций, разделенных перегородками-сегментами, которые перекрывают все пространство сверху и не доходят до дна емкости. При этом рабочая секция может комплектоваться из конструкций,

- базовых трубчатых модулей, каждый из которых снабжен теплообменником и мешалкой;

И конструкций, разделяющих конверсионные температурные потоки:

- модулей-вставок, в которых размещаются мотор редуктор, который в свою очередь приводит во вращение горизонтальную мешалку,

- модулей-вставок виде колен, внутри каждого из которых установлена заслонка-сегмент, которые используются в биореакторах больших объемов более 200 м³,

- сегментов-разделителей конверсионных потоков.

За счет этого решаются проблемы: оптимизации технологического процесса - за счет перемешивания биоматериала внутри реактора, нагрева в период выхода биореактора на рабочий режим, подготовки помещения под данный реактор. Модули рабочей секции биореактора, в зависимости от производительности и объема биореактора, могут наращиваться или удаляться.

Это позволяет изготавливать биореакторы больших объемов, унифицировать производство биореакторов и транспортировать биореакторы всеми видами транспорта.

Описание заявляемого технического решения.

Биореактор изготавливают из трубчатых, или с конусностью (с расширением в сторону выгрузки на 0,5-2%) модулей, расположенных горизонтально. Биореактор может иметь и вытянутую и зигзагообразную форму. Длина биореактора зависит от времени сбраживания, а диаметр трубы - от производительности биореактора.

Биореактор должен быть выполнен из материала, стойкого к заполняющей его среде -например, из металла или пластика.

При изготовлении биореакторов из пластика модули между собой соединяются с помощью фланцевого болтового соединения, а при изготовлении из металла, могут соединяться между собой как с помощью фланцевых болтовых соединений, так и напрямую - посредством сварки.

Внутреннее пространство биореактора разделено на три секции - загрузочную, рабочую и выгрузочную перегородками-сегментами, которые перекрывают все пространство сверху и не доходят до дна емкости. В загрузочной секции биореактора, которая имеет небольшой объем, сверху расположен загрузочный люк для загрузки биомассы. Загрузочная секция изготавливается отдельным модулем.

Рабочая секция может быть выполнена: из одного базового трубчатого модуля или нескольких базовых трубчатых модулей, и конструкций, их разделяющих, которые могут быть выполнены в виде:

- модулей-вставок, в которых размещаются мотор редуктор, который в свою очередь приводит во вращение горизонтальную мешалку,

- модулей-вставок в виде колен, внутри каждого из которых установлена заслонка-сегмент,

- сегментов-разделителей конверсионных потоков.

При этом модули-вставки обеспечивает беспрепятственное перетекание биомассы между базовыми трубчатыми модулями, и являются одновременно разделителем температурных конверсионных потоков между базовыми модулями, что позволяет в каждом модуле поддерживать оптимальную температуру брожения.

В верхней средней части каждого модуля рабочей секции имеется технологический люк и штуцер для отбора биогаза. Каждый модуль рабочей секции имеет с обеих сторон унифицированное фланцевое болтовое соединение. Биогаз из базовых трубчатых модулей

откачивается в газгольдер компрессором через штуцеры.

В каждом базовом трубчатом модуле смонтирована мешалка, конструктивно мешалка может быть выполнена в нескольких вариантах:

горизонтальной - с приводом от мотора-редуктора,

вертикальной - с креплением на верхнем технологическом люке,

погружной - при этом мешалка погружена вместе с двигателем в биомассу.

В каждом базовом трубчатом модуле смонтирован трубчатый теплообменник для поддержания оптимальной температуры брожения.

Мотор-редуктор для привода горизонтальной мешалки монтируется в модуле-вставке, расположенной между базовыми трубчатыми модулями.

В случае установки вертикальной мешалки или погружной мешалки, модуль-вставка с мотором-редуктором не монтируется, а вместо нее устанавливается сегмент-разделитель, который выполняет функцию разделителя конверсионных температурных потоков между базовыми трубчатыми модулями. Сегмент-разделитель конверсионных потоков имеет зазор между верхом и низом корпуса биореактора.

Биореакторы больших объемов имеют зигзагообразную форму, при этом между базовыми трубчатыми модулями устанавливают модули-вставки в виде колен, в которых смонтированы регулируемые заслонки-сегменты, соединенные со своими штурвалами. Регулируемые заслонки-сегменты перекрывают только нижнюю часть биореактора, а между верхом заслонки-сегмента и корпусом биореактора остается свободное пространство. Заслонка-сегмент имеет винтовой привод. Вращая штурвал привода можно изменять положение заслонки.

Регулируемые заслонки-сегменты позволяют перекрывать модули рабочей секции, накапливать в них биомассу, и так как каждый модуль имеет теплообменник и горизонтальную мешалку, то может самостоятельно выходить на рабочий режим. При заполнении модуля, биомасса переливается через заслонку-сегмент и попадает в следующий базовый трубчатый модуль, при этом биореактор большого объема выходит на рабочий режим поэтапно, что позволяет существенно экономить энергию на его начальный разогрев.

Выгрузочная секция, которая имеет небольшой объем и изготавливается в виде отдельного модуля, отделена от базового модуля перегородкой-сегментом.

В верхней части выгрузочной секции имеется технологический люк, на котором монтируется мешалка-миксер для перемешивания биомассы в момент выгрузки, в верхней торцевой части выгрузочной секции смонтирован штуцер для выгрузки биомассы, в нижней торцевой части выгрузочной секции смонтирован технологический штуцер, снабженный запорной арматурой, через который осуществляется опорожнение биореактора в момент проведения профилактических работ.

Длина биореактора зависит от времени сбраживания, а диаметр трубы - от производительности биореактора.

Биореактор снабжен датчиками рН, еН, температуры и влажности которые подключены к управляющему микропроцессорному контроллеру. Контроллер позволяет контролировать и управлять температурой и биохимическим составом биомассы в биореакторе. На фиг.1 изображен модульный биореактор с горизонтальной мешалкой. На фиг.2 изображен модульный биореактор с вертикальной мешалкой, на фиг.3-модульный биореактор большого объема, имеющий зигзагообразную форму - вид сверху, на фиг.4 - модульный биореактор большого объема, имеющий зигзагообразную форму - вид сбоку, где:

1 - загрузочная секция;

2 - загрузочный люк;

3 - рабочая секция, первый базовый трубчатый модуль;

4 - технологический люк;

5 - датчик температуры;

6 - трубчатый теплообменник;

7 - мешалка;

8 - мотор редуктор;

9 - модуль-вставка, обеспечивающий беспрепятственное перетекание биомассы между базовыми трубчатыми модулями;

10 - штуцер для отбора газа;

11 - рабочая секция второй базовый трубчатый модуль;

12 - мешалка-миксер;

13 - выгрузочная секция;

14 - штуцер для выгрузки биомассы;

15 - штуцер для выгрузки биомассы в момент профилактического осмотра;

16 - перегородка сегмент;

17 - модуль-вставка в виде колена, внутри которого установлена регулируемая заслонка-сегмент;

18 - регулируемая заслонка-сегмент;

19 - вертикальная мешалка.

20 - сегмент-разделитель конверсионных потоков;

Модульный биореактор работает следующим образом:

Первая секция биореактора - загрузочная 1, она имеет небольшой объем и снабжена в верхней части загрузочным люком, через который осуществляется загрузка биомассы.

Вторая секция - рабочая, состоящая из базовых трубчатых модулей.

В базовых трубчатых модулях 3, 11 происходит брожение и образование биогаза. Биогаз откачивается компрессором в газгольдер через штуцер 10. В модулях рабочей секции установлены датчики температуры, рН и давления (на фиг.1 - только датчик температуры 5). Биомасса во второй секции периодически, три раза в сутки перемешивается горизонтальной мешалкой 7. В место горизонтальной мешалки на технологическом люке трубчатого модуля рабочей секции может быть смонтирована вертикальная мешалка 19, или погружная мешалка

(на фиг.2 не показана) в этом случае между трубчатыми модулями рабочей секции монтируется сегмент-разделитель конверсионных потоков 20.

Третья секция - выгрузочная секция 13, имеет небольшой объем. В ней идет накопление перебродившей биомассы и происходит ее выгрузка. В верхней части третьей секции на технологическом люке смонтирована мешалка-миксер для перемешивания биомассы в момент выгрузки, в верхней торцевой части выгрузочной секции смонтирован выгрузочный люк 14 для выгрузки перебродившей биомассы.

В нижней торцевой части выгрузочной секции, смонтирован открывающийся очистной люк 15, через который при остановке биореактора выполняется его внутренняя очистка.

В загрузочную секцию 1 через загрузочный люк 2 загружается биомасса. Датчики влажности и кислотности (не показаны) определяют характеристики загруженного сырья, и в случае необходимости, по сигналу с микроконтроллера, производится увеличение влажности путем добавления воды, или изменение кислотности - путем добавления кислоты или щелочи.

Возможно добавление в биомассу бактерий, ускоряющих процесс разложения органических веществ биомассы.

Корпус рабочей секции биореактора, разделенный перегородками-сегментами 16, можно рассматривать как сообщающиеся сосуды, имеющие перепускные отверстия в виде пространства под перегородками. Вновь поступившая из загрузочной секции 1 биомасса продавливается под перегородкой 16 в первый базовый трубчатый модуль 3 рабочей секции, в котором идет предварительное брожение в мезофильном режиме, а оттуда - через нижний просвет модуля-вставки 9, являющемся одновременно разделителем конверсионных температурных потоков, далее - во второй трубчатый модуль 11 рабочей секции, где идет процесс термофильного брожения.

Биогаз скапливается в верхней части модулей рабочей секции 3, 11, занимая свободное пространство между внутренней поверхностью корпуса и поверхностью биомассы, и по сигналу датчика давления откачивается компрессором в газгольдер.

Далее биомасса продавливается подразделенной перегородкой-сегментом 16 в выгрузочную секцию 13, она там накапливается до уровня выгрузочного штуцера 14, и самоизливом поступает в приемник перебродившей биомассы (не показан).

При профилактических работах слив биомассы из биореактора проводят через очистной люк штуцера 15.

Модульная конструкция биореактора позволяет в каждом модуле установить теплообменник и перемешивающее устройство, что позволяет, наращивая модули, изготавливать биореакторы большого объема, а так же создавать в модулях оптимальные биохимические условия для брожения. Технологические параметры в модулях рабочей секции поддерживаются

автоматически - по командам, выдаваемым микропроцессорным контроллером. Пример выполнения.

Биогазовая установка Фиг.5 с биореактором рабочим объемом 30 м³. Биореактор выполнен в виде трубы. Длина реактора - 14 м, диаметр трубы - 2 м. Корпус биореактора разделен на три секции перегородками-сегментами, не доходящими до дна примерно на 300 мм. Рабочая секция состоит из двух базовых трубчатых модулей, между модулями монтируется модуль-вставка с мотором-редуктором, который приводит во вращение горизонтальную мешалку. Модуль-вставка с мотором-редуктором препятствует конверсионному перемешиванию биомассы между модулями. Время выхода биореактора на рабочий режим должно составлять не менее 12 суток. Биогаз, который образуется внутри рабочей секции биореактора, по показанию датчика давления

откачивается компрессором в газгольдер. Биореактор может перерабатывать отходы от 30 голов КРС.

1. Биореактор выполнен трубчатым, расположен горизонтально и разделен сверху перегородками-сегментами на три секции: загрузочную, рабочую и выгрузочную, при этом перегородки-сегменты не доходят до дна емкости, в загрузочной секции биореактора сверху расположен загрузочный люк для загрузки биомассы, в выгрузочной секции - выгрузочный люк для выгрузки биомассы, а рабочая секция имеет подключение, через которое биогаз из биореактора окачивается компрессором в газгольдер, отличающийся тем, что рабочая секция биореактора изготовлена из одного или нескольких базовых трубчатых модулей, при этом загрузочная и выгрузочная секции выполнены в виде отдельных модулей и соединены с рабочей секцией, что в каждом базовом трубчатом модуле смонтирована мешалка и теплообменник, при этом рабочая секция, состоящая из нескольких базовых трубчатых модулей, разделяется или посредством одного или нескольких модулей-вставок, или посредством одного или нескольких модулей-вставок в виде колен, или посредством одного или нескольких сегментов-разделителей конверсионных потоков.

2. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что корпус биореактора может быть как цилиндрическим, так и конусным с расширением в сторону выгрузки на 0,5-2%.

3. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что он имеет вытянутую форму.

4. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что он имеет зигзагообразную форму.

5. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что корпус биореактора выполнен из пластика.

6. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что корпус биореактора выполнен из металла.

7. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что механическое соединение модулей биореактора выполнено фланцевым.

8. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что механическое соединение модулей биореактора выполнено сварным.

9. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что внутри базового трубчатого модуля мешалка выполнена горизонтальной.

10. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что модуль-вставка имеет в своем составе мотор-редуктор, соединенный с горизонтальной мешалкой.

11. Биореактор по п.9, отличающийся тем, что внутри базового трубчатого модуля мешалка выполнена вертикальной.

12. Биореактор по п.9, отличающийся тем, что внутри базового трубчатого модуля мешалка выполнена погружной, при этом мешалка погружена в биомассу вместе с двигателем.

13. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что сегмент-разделитель конверсионных потоков монтируется между базовыми трубчатыми модулями в случае применения вертикальной или погружной мешалки.

14. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что в модуле-вставке, имеющей форму в виде колена, установлена регулируемая заслонка-сегмент.

15. Биореактор по п.14, отличающийся тем, что регулируемая заслонка-сегмент перекрывает только нижнюю часть биореактора, а между верхом регулируемой заслонки-сегмента и корпусом остается свободное пространство.

16. Биореактор по п.14, отличающийся тем, что регулируемая заслонка-сегмент имеет винтовой привод, связанный со штурвалом.

17. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что в модуле выгрузочной секции имеется технологический люк, в котором устанавливается мешалка-миксер.

18. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что внутри биореактора установлены датчики рН, еН, температуры, влажности, которые подключены к управляющему микропроцессорному контроллеру, по сигналам которого осуществляют необходимую корректировку параметров внутри биореактора.