Промышленная установка для переработки органических отходов на биогумус и биогаз с системой управления на базе блока информационных технологий

 

Полезная модель относится к сельскому хозяйству и предназначена для обеспечения оптимального управления универсальными промышленными установками производства биогаза и биогумуса, и локальной стабилизации экологической ситуации на местах скопления биоотходов (навоз КРС, птичий помет, зеленая масса, солома, шелуха подсолнечника, бытовые отходы и т.д.).

Технической задачей создания полезной модели является обеспечение минимальных затрат физического труда и времени оператором системы управления универсальной промышленной установкой, предназначенной для переработки любых органических отходов на биогумус и биогаз, в зависимости от ее мощности, конструктивного исполнения, теплового режима брожения, способу обогрева, перемешивания, способу предварительной подготовки, загрузки и выгрузки биомассы, качеству очистки биогаза; достижения легкой адаптации ее работы к природно-климатическим, вводно-почвенным и растительным условиям регионов; максимальной простоты, надежности, безопасности; получение требуемой производительности установки с оптимальными параметрами процесса сбраживания биомассы в биореакторе и достижение высокой экономичности и экологичности самой установки и обслуживаемого объекта.

Поставленная техническая задача достигается тем, что промышленная установка для переработки органических отходов на биогумус и биогаз с системой управления на базе блока информационных технологий, включающая: биореактор, с вертикально размещенной в нем бродильной камерой; с системой обогрева биомассы, состоящей 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; механизма перемешивания биомассы, дополнительно снабженного гидравлической и пневматической системами; и системы механической загрузки и разгрузки биомассы, сдублированной гидравлической; трехступенчатой системой очистки выделяемого биогаза и его сборки отличающаяся тем, что установка снабжена емкостью предварительной подготовкм биомассы, причем в эту емкость и в биореактор, дополнительно к датчикам температуры биомассы и давления биогаза, размещены электроемкостные датчики, которые включены в термисторный самобалансирующийся дифференциальный трансформаторный мост, являющийся цепью обратной связи автогенераторного измерительного преобразователя (АИП), и производят измерения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления сбраживаемой биомассы в реальном масштабе времени на дисперсных рабочих частотах, которые поступают в блок информационных технологий, выполненный на базе ПЭВМ, состоящий из вычислительно-логического блока, формирующего управляющие сигналы для систем регулирования качественных параметров процесса сбраживания (рН, , W,), систем управления режимными параметрами (t°, Рг, Тц.б.); систем подготовки, загрузки и выгрузки сырья; блоков памяти, индикации и пульта управления. Кроме того, для промышленных установок с объемами биореактора 30÷100 м3 целесообразно устанавливать блок информационных технологий с автоматическим измерением основных параметров (t°, Рг , ) и построением системы управления на базе серийных микропроцессорных устройств, например, типа Ремиконт Р-130, по замкнутому временному циклу (алгоритму); а промышленные установки с объемами биореактора 3÷30 м3 необходимо изготавливать для работы в ручном режиме: с минимумом средств контроля и регулирования (t°, Рг , W, рН); С установкой автономных серийных средств управления и регулирования.

Полезная модель относится к сельскому хозяйству и предназначена для обеспечения оптимального управления универсальными промышленными установками производства биогаза и 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.).

Известны установки анаэробного сбраживания органических отходов (патент РФ 2040515, МПК: C05F 3/06, C05F 9/06, опубл. 25.07.1995; патент РФ 2196410 МПК: А01С 3/00, C02F 11/04, опубл. 20.01.2003; патент РФ 2349556 МПК: C02F 11/04, А01С 3/00, опубл. 20.03.2009; патент РФ 2370457 МПК: C02F 3/28, опубл. 20.10.2009), обеспечивающие минимальную длительность сбраживания, оптимальный выход биогаза и получение обеззараженных органических удобрений путем: предварительного измельчения, разжижения, подогрева и частичного смешивания с уже сброженной биомассой исходного сырья; конструктивным выполнением многосекционных метантенков для получения пофазного протекания сбраживания.

Основным недостатком данных установок является отсутствие их градации по мощности, в соответствии с требованиями от мелких фермерских хозяйств до крупных предприятий АПК, как основы для выбора оптимальной системы управления по техническим и экономическим показателям

Другим недостатком является отсутствие возможности контролировать качественные параметры (влажность, дисперсность твердой фракции и рН) загружаемого свежего субстрата и продуктов сбраживания в реальном масштабе времени, и, как следствие этого, отсутствие возможности управлять автоматически технологическим процессом сбраживания в зависимости от качественных и режимных параметров технологического процесса, обеспечивающих заведомо заданные количественные требования потребителей на выход удобрения или газа. Применяемые в этих установках рН-метры необходимо периодически регенерировать в процессе эксплуатации, а также калибровать при изменении состава сырья. Контроль влажности обычно осуществляется методом выпаривания. Для выполнения таких измерений необходимо вручную из кранов отбирать пробы и делать их анализ в лабораторных условиях в течение времени не менее 30 мин.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является «Промышленная установка для переработки органических отходов на биогумус и биогаз» по патенту на полезную модель RU 49524 C02F 3/00 от 27.11.2005, Бюл. 33. Установка содержит теплоизолированный биореактор, с вертикально размещенной в нем бродильной камерой; с системой обогрева биомассы, состоящей 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; механизма перемешивания биомассы, дополнительно снабженного гидравлической и пневматической системами; систему предварительной подготовки, механической загрузки и разгрузки биомассы, сдублированной гидравлической; трехступенчатой системой очистки выделяемого биогаза и его сборки.

Установка разработана в 8-ми модификациях с рабочим объемом бродильной камеры от 3 до 1000 м3, которые могут обеспечить потребности в биогазе от одной семьи до крупного предприятия АПК. Оптимальным рабочим объемом биореактора, периодически действующей установки, для крестьянского двора является 8÷12 м3. Использование в ее конструкции различных модификаций и объемов биореактора, оптимальных комбинаций конструктивных элементов механизмов (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 ее удельной стоимости обратно пропорциональной рабочему объему биореактора и минимальных эксплуатационных расходах, что обеспечивает принципиальную возможность конструирования установок с заданной мощностью и оптимальным уровнем ее автоматизации.

Универсальная, циклично работающая установка имеет оптимальные параметры процесса сбраживания по температуре (3537°С или 4557°С); рН среды (4,479,3); плотности среды (0,9780,988); выходу биогаза (1,52,5 до 6 м33) при мезофильном и термофильном процессах.

Кроме того в работе (Эфендиев A.M., Шаруев Н.К. Управление биопроцессами и адаптация БГУ к регионам. Тезисы доклада на международной конференции ЮНЕСКО в МГТУ им. Баумана 16÷19 ноября 2004 г., Москва.) обоснована актуальность автоматического управления анаэробным сбраживанием с целью его адаптации к природно-климатическим и водно-почвенным условиям конкретного региона, которая обусловлена зависимостью его основных оценочных показателей (производительность по биогазу Wб.г и биогумусу Мб.г, и продолжительность цикла Тц.б брожения) от температуры t° биомассы, которая зависит от принятого метода осуществления анаэробного брожения (мезофильный, термофильный или комбинированный); рН - среды брожения, которая зависит от физико-химического состава исходного сырья и воды; W - влажности исходного сырья, - плотности биомассы, величина которой зависит от принятого метода анаэробного брожения; Фх - физико-химических свойств исходного сырья, зависящие от свойств кормов; МБ - микробиологической характеристики флоры в биомассе, которые в мезофильном непрерывном методе брожения задаются, термофильном - устанавливаются через день после начала процесса анаэробного брожения; избыточное давление Рг газов в реакторе в процессе брожения). Причем, перед загрузкой биореактора необходимо также контролировать дисперсность (степень измельчения), рН и влажность W исходного сырья.

Анализ приведенных зависимостей показал, что t°, рН, , Рг, W являются параметрами управления технологическим процессом, которые должны быть заложены в основу определения основных конструктивных параметров (размеров) биореактора с требуемыми Wб.г., Мб.г., Тц.б. и автоматизации технологических процессов.

Однако приборы измерения этих параметров, кроме t° и Рг, достаточно дороги, имеют низкое быстродействие, для произведения измерений необходимо периодически брать пробы, иногда и остановка технологического процесса, что не допустимо.

В работе описаны исследования на базе приборов экспресс-контроля количества взвешенных в растворе твердых диэлектрических компонентов, дисперсного состава и проводимости сельскохозяйственных продуктов (Парусов В.П., Шаруев Н.К., Шаруев В.Н. Автогенераторные преобразователи с термисторным мостом в измерительной цепи. Приборы и техника эксперимента. 5, 2003. - С.79-82.), близких по свойствам к биомассе, с помощью которых появляется возможность одновременно контролировать указанные управляющие параметры в реальном масштабе времени, что делает возможным устранить необходимость проведения сложных и длительных лабораторных измерений.

В основу работы приборов положен принцип одновременного раздельного измерения активной (проводимости) и реактивной (емкостной) составляющих комплексного сопротивления контролируемого объекта на рабочих частотах от 0,1 до 10 МГц. Активной составляющей в биомассе является дисперсионная среда с проводимость , состоящая из воды с растворенными солями, щелочами и кислотами, а реактивной составляющей является электрическая емкость С измерительного конденсатора, величина которого определяется взвешенными в дисперсионной среде твердыми диэлектрическими компонентами биоотходов размерами не более 1÷3 мм, диэлектрическая проницаемость которых известна, причем размеры взвесей в процессе сбраживания непрерывно изменяются в сторону уменьшения. Прибор работает в диапазоне частот от единиц до десятков МГц, обеспечивая возможность проведения дисперсного анализа взвесей.

В качестве первичного преобразователя здесь применен электроемкостной датчик, конструктивно выполненный как трехточечный конденсатор с равномерным полем в зоне измерения (патент РФ 2006788 30 января 1994 г.), который включен в термисторный самобалансирующийся дифференциальный трансформаторный мост, являющийся цепью обратной связи автогенераторного измерительного преобразователя АИП.

Исследования проводились при сбраживании коровьего навоза. С периодом в 1 час описанным выше прибором измерялись активная и реактивная составляющие среды, а также брались пробы, и с помощью рН-метра и методом выпаривания измерялись рН и влажность W среды. При этом были выявлены корреляционные связи между измерениями прибором и лабораторными измерениями качественных параметров сбраживаемой среды. В частности на рабочей частоте прибора ~1 МГц была выявлена однозначная связь измеренной прибором проводимости и измеренной лабораторными методами рН среды в зоне наибольшего выхода биогаза.

Таким образом, на основании проведенных исследований была выявлена возможность разработки установок на базе конструктивных решений прототипа, с использованием автогенераторных измерительных преобразователей и системы управления на базе блока информационных технологий, осуществляющего сбор, хранения и анализ информации методами статистики с целью выявления корреляционных связей измеренных АИП в реальном масштабе времени активных и реактивных параметров комплексного сопротивления сбраживаемой биомассы в дисперсном диапазоне рабочих частот (проводимость , емкость С, дисперсный состав) с ее качественными параметрами сбраживания (рН, влажность W, плотность ), поскольку стандартные методы измерений не обеспечивают требуемого быстродействия.

Причем, по мере увеличения объема биореактора, экономически выгодная система управления установкой усложняется. При объемах биореактора более 100 м 3 установкой целесообразно управлять с помощью блока информационных технологий, созданного на базе ПЭВМ, который должен выполнять весь комплекс работ по подготовке биосырья, пуску и остановке, регулированию систем установки, оптимизации их работы, сбору, хранению и анализу информации.

Прототип и проведенные на его базе исследования показали возможность разработки установок объемом биореактора от 3 до 1000 м3, с использованием автогенераторных измерительных преобразователей для экспресс-контроля управляющих параметров сбраживания, сбора, хранения и обработки полученной информации.

Однако, имеют следующие недостатки: отсутствие в емкости предварительной подготовки биомассы и в биореакторе контрольно-измерительных приборов измерения качественных параметров биомассы не позволяет производить оперативную подготовку биомассы перед загрузкой в биореактор, и оптимизировать время протекания процесса сбраживания и его качественные параметры.

Технической задачей создания полезной модели является обеспечение минимальных затрат физического труда и времени оператором системы управления универсальной промышленной установкой, предназначенной для переработки любых органических отходов на биогумус и биогаз, в зависимости от ее мощности, конструктивного исполнения, теплового режима брожения, способу обогрева, перемешивания, способу предварительной подготовки, загрузки и выгрузки биомассы, качеству очистки биогаза; достижения легкой адаптации ее работы к природно-климатическим, водно-почвенным и растительным условиям регионов; максимальной простоты, надежности, безопасности; получение требуемой производительности установки с оптимальными параметрами процесса сбраживания биомассы в биореакторе и достижение высокой экономичности и экологичности самой установки и обслуживаемого объекта.

Задача достигается тем, что установка снабжена емкостью предварительной подготовки биомассы, причем в эту емкость и в биореактор, дополнительно к датчикам температуры биомассы и давления биогаза, размещены электроемкостные датчики качественных параметров биомассы, которые включены в термисторный самобалансирующийся дифференциальный трансформаторный мост, являющийся цепью обратной связи автогенераторного измерительного преобразователя (АИП), и производят измерения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления сбраживаемой среды в реальном масштабе времени на дисперсных рабочих частотах, которые поступают в блок информационных технологий, выполненный на базе ПЭВМ, и состоящий из вычислительно-логического блока, формирующего управляющие сигналы для систем регулирования качественных параметров процесса сбраживания (рН, , W), и систем управления режимными параметроми (t°, Рг, Тц.б.); подготовки, загрузки и выгрузки сырья; блоков памяти, информационного табло и клавиатуры (пульта управления).

Причем, для промышленных установок с объемами биореактора 30÷100 м3 целесообразно устанавливать блок информационных технологий с автоматическим измерением основных параметров (t°, Рг, ) и построением системы управления на базе серийных микропроцессорных устройств, например, типа Ремиконт Р-130, по замкнутому временному циклу (алгоритму); а промышленные установки с объемами биореактора 3÷30 м3 необходимо изготавливать для работы в ручном режиме: с минимумом средств контроля и регулирования (t°, Рг, W, рН); С установкой автономных серийных средств управления и регулирования, например, регулирование температуры с помощью электрических нагревателей типа ТЭН, сопровождая их подробной инструкцией по переработке различных отходов, свойств воды и т.п.

На фигуре 1 представлена блок-схема разработанной промышленной установки с системой управления на базе блока информационных технологи. Установка содержит: биореактор 1, включающий вертикально размещенную в нем бродильную камеру и систему обогрева биомассы, состоящую из водяной рубашки, расположенной между внешней обечайкой биореактора и бродильной камерой, солнечного обогревателя в виде плоского солнечного коллектора с аккумулятором тепла и циркуляционного насоса, смонтированного на установке и соединенного с водяной рубашкой и бродильной камерой; снабженный гидравлической и пневматической системами механизм перемешивания биомассы 16; сдублированную с гидравлической систему механической загрузки и разгрузки биомассы 15; трехступенчатую систему очистки и сборки биогаза 14; камеру предварительной подготовки биомассы 5; электроемкостные датчики 2, 3, 4; автогенераторные измерительные преобразователи 7; блок информационных технологий 6, состоящий из вычислительно-логического блока 8, блока памяти 9, информационного табло 10, клавиатуры 11; и систем регулирования качественных параметров 12, 13.

Установка работает по общей программе, состоящей из последовательности самостоятельных разделов: «подготовка», «загрузка», «сбраживание», «выход биогаза», «выгрузка биоудобрений».

Вначале, по программе «подготовка» с клавиатуры 11 вводят параметры используемых видов сырья, необходимые соотношения сухой массы в общей массе смеси и алгоритм работы. Установка на этом этапе программы работает в полуавтоматическом режиме. В емкость предварительной подготовки биомассы 5, согласно предустановок программы для систем загрузки и разгрузки 15 шнековым насосом подаются определенные дозы сухой массы, предварительно измельченной и очищенной от крупных механических примесей, а также, с помощью насосной станции закачивается теплая вода и производится перемешивание механизмом 16.

Кроме того, в емкости предварительной подготовки биомассы 5 установлены электроемкостной датчик качественных параметров 2 и датчик температуры 3, сигналы с которых поступают в блок информационных технологий 6, вырабатывающий управляющие сигналы для систем регулирования 12 и 13, которые доводят смесь до температуры 45-55°С, влажность до 92% и рН до номинальных значений путем управления системами загрузки и разгрузки 15 исходного сырья и воды, или части уже сброженной биомассы при ее разгрузке из биореактора 1 с помощью гидравлической системы в виде насоса для жидкого навоза. Также, за период года с температурой окружающей среды выше 20-22°С регулирование температуры осуществляется от системы обогрева биореактора 1, состоящей из водяной рубашки, расположенной между внешней обечайкой реактора и бродильной камерой, плоского солнечного коллектора с аккумулятором тепла и циркуляционного насоса, смонтированного на установке и соединенного с водяной рубашкой и бродильной камерой, размещенной вертикально в биореакторе.

При работе установки по программе «загрузка» из емкости предварительной подготовки 5 биомасса посредством насосной станции через трубопровод и загрузочный люк системы 15 поступает в биореактор 1.

В зависимости от режима работы (полная загрузка или порционная), этап загрузки может, по мере выработки (сбраживания) биомассы включаться между другими этапами.

При работе установки по программе «сбраживание», в программу с клавиатуры 11 вводят оптимальные данные по температуре, частоте перемешивания и рН среды. Далее она работает в автоматическом режиме. Рабочая среда в биореакторе 1 перемешивается механизмами системы загрузка и разгрузка 15 с заданным циклом и частотой вращения механической пропеллерной или электромеханической мешалки, сдублированной с пневматическим механизмом перемешивания 16 биомассы биогазом, полученным через газопровод от газгольдера высокого давления, или гидравлическим перемешиванием шнековым насосом, совмещенным с системами загрузки и разгрузки 15 биомассы. Необходимые условия по температуре, рН, влажности, плотности биомассы и давлению биогаза устанавливаются программно; контролируются электроемкостными датчиками 2, 3, 4, причем электроемкостной датчик качественных параметров 2 включен в термисторный самобалансирующийся дифферинциальный трансформаторный мост, являющийся цепью обратной связи автогенераторного измерительного преобразователя 7, а показания датчиков 3 и 4 поступают на вычислительно-логический блок 8; и регулируются системами 12, 13, 14: в случае кислотной (щелочной) среды, включается насосная станция для подачи нейтрализующего (титрующего) агента. Все данные по качественным и режимным параметрам сбраживания поступают в блок информационных технологий 6, который в режиме реального времени анализирует собранную информацию, записывает ее в блок памяти 9, которая выводится на информационное табло 10 и управляет всеми системами сбраживания.

При работе установки по программе «выход биогаза», в программу, с клавиатуры 11 вводят оптимальные данные трехступенчатой системы очистки и сборки биогаза 14 при его заданном давлении в биореакторе 1, по объему газгольдера, составу проходящего газа. Система работает в автоматическом режиме. Когда концентрация выделяющегося газа достигнет заданного значения, срабатывает электроемкостной датчик давления биогаза 4, данные с которого поступают в блок информационных технологий 6, сигналы с которого открывают трубопровод, по которому биогаз самотеком поступает через тройную систему фильтрации в упругий буферный газгольдер, и затем перекачивается компрессором по герметичному трубопроводу в газгольдер высокого давления. В случае повышения давления до предельно допустимых значений, автоматически открывается аварийный клапан сброса биогаза в ГТС.

Программа «выгрузки биоудобрений» начинает работать когда на мониторе отображается уменьшение объема выхода биогаза, с клавиатуры 11 вводят данные по выгрузке сырья, открывается клапан выгрузки сырья с фильтром и насосной станцией, которое по трубопроводу поступает в накопитель удобрений, контролируемый блоком 6. После выгрузки этапы повторяются вновь, начиная с подготовки.

Таким образом, применение блока информационных технологий позволяет свести к минимуму время обслуживания установки, обеспечивает оперативную связь оборудования с персональным компьютером для сбора, сохранения и обработки данных о ходе технологического процесса, а также для дистанционного управления и настройки процесса сбраживания.

Промышленная установка для переработки органических отходов на биогумус и биогаз с системой управления на базе блока информационных технологий, включающая: биореактор с вертикально размещенной в нем бродильной камерой; с системой обогрева биомассы, состоящей 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; механизма перемешивания биомассы, дополнительно снабженного гидравлической и пневматической системами; и системы механической загрузки и разгрузки биомассы, сдублированной гидравлической; трехступенчатой системой очистки выделяемого биогаза и его сборки, отличающаяся тем, что установка снабжена емкостью предварительной подготовки биомассы, причем в эту емкость и в биореактор дополнительно к датчикам температуры биомассы и давления биогаза размещены электроемкостные датчики, которые включены в термисторный самобалансирующийся дифференциальный трансформаторный мост, являющийся цепью обратной связи автогенераторного измерительного преобразователя (АИП), и производят измерения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления сбраживаемой биомассы в реальном масштабе времени на дисперсных рабочих частотах, которые поступают в блок информационных технологий, выполненный на базе ПЭВМ, состоящий из вычислительно-логического блока, формирующего управляющие сигналы для систем регулирования качественных параметров процесса сбраживания (рН, , W), систем управления режимными параметрами (t°, Pг, Тц.б); систем подготовки, загрузки и выгрузки сырья; блоков памяти, индикации (дисплея) и пульта управления (клавиатуры).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для промышленных установок с объемами биореактора 30÷100 м3 целесообразно устанавливать блок информационных технологий с автоматическим измерением основных параметров (t°, Рг, ) и построением системы управления на базе серийных микропроцессорных устройств, например, типа Ремиконт Р-130, по замкнутому временному циклу (алгоритму).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для налива автомобильных цистерн нефтепродуктами

Насосная станция относится к устройствам для обеспечения водоснабжения населения питьевой водой и может быть использована в народном хозяйстве для индивидуального водоснабжения производственных зданий, жилых домов, коттеджей, дачных участков, где нет централизованного обеспечения водой.

Полезная модель относится к устройствам для обеспечения населения водой питьевого качества и может быть использована в системах индивидуального и коллективного централизованного водоснабжения производственных зданий, жилых домов, коттеджей, дачных участков, поселков и иных населенных пунктов

Изобретение относится к биологической очистке хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу сточных вод и может быть использовано при очистке стоков малых населенных пунктов и небольших производств, а также в микробиологической промышленности
Наверх