Биогазовая установка
Полезная модель относится к биотехнологии, а именно к устройствам для ферментативной переработки отходов растительного и животного происхождения, бытовых отходов, ботвы, стеблей растений, навоза животных и птицы, сточных вод для получения электрической и тепловой энергии. Технический результат - обеспечение стабильности свойств вырабатываемого биогаза по метановому числу, обеспечение устойчивой работы по выдаче электрической и тепловой энергии при постоянно повторяющемся скачкообразном изменении параметров состава входной биомассы, обеспечении стабильной работы в экстремальных условиях не только русской зимы, но и аномально теплого лета. Установка, содержит блок подготовки исходного сырья, связанные с ним блок исходного субстрата, связанный с блоком биологически активных добавок, и блок сухого субстрата, последовательно связанные с блоком подготовки исходного сырья ферментер, блок очистки и хранения биогаза, когенерационный блок производства электроэнергии и тепла, и блок управления. Ферментер выполнен с тепловой рубашкой, связанной с выходом по теплу энергетического блока и источником сетевой воды. Блок управления связан с блоком подготовки исходного сырья, блоками исходного и сухого субстрата, блоком биологически активных добавок, установленными на выходе блока исходного субстрата датчиками содержания поверхностно активных веществ и антибиотиков в исходном субстрате и его влажности, установленными в ферментере датчиками температуры, давления и состава выделяемого газа и датчиками для проведения микробиологического анализа, блоком производства электроэнергии и тепла и источником сетевой воды. Блок управления выполнен с возможностью регулирования состава исходного сырья биологически активными добавками и его влажности - сухим субстратом, отбраковки исходного сырья по уровню загрязнений, корректировки его состава по данным микробиологического анализа, состава и давления выделяемого в ферментере газа. 1 ил.
Полезная модель относится к биотехнологии, а именно к устройствам для ферментативной переработки отходов растительного и животного происхождения, бытовых отходов, ботвы, стеблей растений, навоза животных и птицы, сточных вод для получения электрической и тепловой энергии.
Известна биоэнергетическая установка, содержащая метантенк с водяной рубашкой, теплоизоляцией, мешалкой, загрузочным и выгрузочным патрубками, трубопроводы для отвода биогаза, электроводонагреватель, трубопроводы подачи биогаза и газгольдер (SU 1733407, 1992).
Недостатком известного биоэнергокомплекса является невозможность обеспечения стабильного обогрева сбраживаемого субстрата и обеспечения гарантированного минимума энергоснабжения локальных энергопотребителей в условиях отсутствия централизованного источника электрической энергии, поскольку количество теплоты, поступающей на землю с солнечным излучением, резко колеблется в зависимости от местных климатических условий.
Известна установка для сбраживания навозной массы, содержащая корпус с загрузочным и выгрузным люками, патрубком отвода биогаза. Корпус содержит накопительную, бродильную и разгрузочную камеры, отделенные одна от другой днищами, установленными под углом естественного схода массы. Наклонные днища разгрузочной и бродильной камер снабжены нагревательными электропанелями с терморегуляторами, а днища накопительной и бродильной камер - шиберными заслонками для разгрузки камер. Кроме того, установка снабжена устройством для перемешивания биомассы, выполненным в виде приводных валов с закрепленными на них лопатками, установленных горизонтально в бродильной и разгрузочной камерах (SU 1825583 1993).
Недостатком известной установки является ее пожароопасность, обусловленная наличием большого количества отверстий в корпусе для установки вращающихся валов механизмов перемешивания биомассы и открывания шиберных заслонок днищ камер, что ведет к утечке биогаза из корпуса через уплотнения, накоплению его около корпуса и часто к возгоранию установки. Кроме того, наличие большого количества приводных механизмов установки усложняет ее обслуживание и требует затрат электроэнергии.
Известна технологическая линия утилизации бесподстилочного навоза с получением биогаза и удобрений состоит из последовательно расположенных камеры нагрева исходного навоза, камеры гидролиза, камеры с термофильным режимом анаэробной обработки навоза, теплообменного аппарата, камеры с мезофильным режимом анаэробной обработки навоза. По крайней мере, одна из камер анаэробной обработки навоза снабжена средствами иммобилизации анаэробной микрофлоры. Камера нагрева исходного навоза снабжена подогревателем. Между теплообменным аппаратом и камерой с термофильным режимом анаэробной обработки навоза предусмотрено устройство гравитационного разделения анаэробной биомассы на фракции, жидкостная часть которого связана последовательно с теплообменным аппаратом и камерой с мезофильным режимом анаэробной обработки навоза. Теплообменный аппарат посредством последовательно расположенных компрессора и дросселирующего клапана связан с подогревателем с образованием единого термодинамического контура. (RU 2407723, 2010).
Общим недостатком вышеприведенных известных технических является невозможность обеспечения стабильности свойств вырабатываемого биогаза по метановому числу и невозможность тем обеспечения устойчивой работу по выдаче электрической и тепловой энергии при постоянно повторяющемся скачкообразном изменении параметров состава входной биомассы. Кроме того, известные схемы не позволяют обеспечить стабильную работу в экстремальных условиях не только русской зимы, но и аномально теплого лета.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в обеспечении стабильности свойств вырабатываемого биогаза по метановому числу и обеспечении устойчивой работу по выдаче электрической и тепловой энергии при постоянно повторяющемся скачкообразном изменении параметров состава входной биомассы, в обеспечении стабильную работу в экстремальных условиях не только русской зимы, но и аномально теплого лета.
Сущность полезной модели заключается в достижении упомянутого технического результата в биогазовой установке, содержащей блок подготовки исходного сырья, связанные с ним блок исходного субстрата, связанный с блоком биологически активных добавок, и блок сухого субстрата, последовательно связанные с блоком подготовки исходного сырья ферментер, блок очистки и хранения биогаза, когенерационный блок производства электроэнергии и тепла, и блок управления, при этом ферментер выполнен с тепловой рубашкой, связанной с выходом по теплу энергетического блока и источником сетевой воды, блок управления связан с блоком подготовки исходного сырья, блоками исходного и сухого субстрата, блоком биологически активных добавок, установленными на выходе блока исходного субстрата датчиками содержания поверхностно активных веществ и антибиотиков в исходном субстрате и его влажности, установленными в ферментере датчиками температуры, давления и состава выделяемого газа и датчиками для проведения микробиологического анализа, блоком производства электроэнергии и тепла и источником сетевой воды и выполнен с возможностью регулирования состава исходного сырья биологически активными добавками и его влажности - сухим субстратом, отбраковки исходного сырья по уровню загрязнений, корректировки его состава по данным микробиологического анализа, состава и давления выделяемого в ферментере газа.
Полезная модель поясняется чертежом, где изображена схема биогазовой установки.
Биогазовая установка содержит блок 1 подготовки исходного сырья, связанные с ним блок 2 исходного субстрата, связанный с блоком 3 биологически активных добавок, и блок 4 сухого субстрата. Блок 1 подготовки исходного сырья последовательно связан с ферментером 5, блоком 6 очистки и хранения биогаза, когенерационный блоком 7 производства электроэнергии и тепла. Ферментер 5 выполнен с тепловой рубашкой, связанной с выходом по теплу энергетического блока 7 и источником 8 сетевой воды, Установка содержит блок управления 9, который связан с блоком 1 подготовки исходного сырья, блоками 2 и 4 исходного и сухого субстрата, блоком 3 биологически активных добавок, установленными на выходе блока 2 исходного субстрата датчиками 10, 11, 12 содержания поверхностно активных веществ, антибиотиков в исходном субстрате и его влажности соответственно. Блок управления 9 также связан с установленными в ферментере 5 датчиками 13, 14, 15, температуры, давления , состава выделяемого газа соответственно и датчиками 16 для проведения микробиологического анализа. Имеется также связь блока управления 9 с блоком 7 производства электроэнергии и тепла. Блок управления 9 выполнен с возможностью регулирования температуры исходного сырья, его состава биологически активными добавками и влажности - сухим субстратом, отбраковки исходного сырья по уровню загрязнений, корректировки его состава по данным микробиологического анализа, состава и давления выделяемого в ферментере газа.
Для изменения состава входного субстрата, коррекции температуры в соответствующих блоках установлены насосы, мешалки, задвижки, дозаторы, клапаны, транспортеры и т.п.,
Установка работает следующим образом.
Подача сырья в ферментер происходит автоматизировано от 8 до 12 раз в сутки в с помощью насоса. Для успешного призводства биогаза в установку необходимо регулярно и равномерно добавлять субстрат для брожения.
Выгрузка переброженного субстрата происходит автоматически в этот же период. Предусмотрена также аварийная выгрузка субстрата из приемного резервуара и ферментер по датчику в случае переполнения резервуара.
В ферментерах происходит процесс разложения исходного субстрата метановыми бактериями. Для устойчивого хода процесса необходимо поддержание постоянной температуры ( для мезофильного режима около 38 град. С и для термофильного режима 55 град °С) и постоянное перемешивание. Температура обеспечивается встроенной системой обогрева и термоизоляцией стенок. Перемешивание осуществляют механические, гидравлические и пневматические устройства.
Перебродивший субстрат автоматически удаляется из ферментера в момент загрузки новой порцией исходного сырья методом перелива без использования дополнительных насосов.
Когенерационная установка делается на основе газопоршневого или газотурбинного двигателя внутреннего сгорания. Электрическая полезная энергия возникает в результате сжигания биогаза в газовом двигателе внутреннего сгорания и дальнейшего преобразования в синхронном генераторе механической энергии вращательного движения в электрическую. Генераторы состоят из: газового двигателя внутреннего сгорания, трехфазного синхронного генератора, газовой рампы, теплообменника отходящих газов, радиатора охлаждения и панели управления. Тепловая энергия образуется в результате сгорания топлива в газовом двигателе. Тепло, содержащееся в выхлопных газах, коллекторе, блоке двигателя, моторном смазочном масле, служит для нагрева, воды в системе отопления. Общий коэффициент полезного действия использования топлива складывается из коэффициентов использования электрической и тепловой энергии. Основное количество тепловой энергии отбирается из системы выхлопа. В газопоршневых электростанциях отбор тепловой энергии происходит и от масляного радиатора, а также системы охлаждения двигателя.
Тепло, полученное в результате работы когенерационной установки частично идет на поддержание температуры в ферментере. Оставшееся тепло может быть передано на нужды агрокомлпекса или продано сторонним потребителям. Часть электрической энергии используется на внутренние нужды биогазовой установки, оставшаяся часть может быть использовано внутри агрокомплекса или продано в сеть.
Для конденсации влаги в отводимом газе его необходимо охладить минимум до +8 град. С, что составит остаточное содержание влаги < 10 мг/м3. Осевшая влага на стенка газопровода отводится в сепаратор за счет наклона трубы. После охлаждения и отделение влаги биогаз поступает к системе питания когенрационной установки.
Дальнейшая очистка биогаза происходит на установке газоочистки. Использование ротационного компрессора сухого сжатия создает давление газа боле 0.2 бар и биогаз под давлением проходит стадию очистки от серы на 100%, водорода на 100%, от окиси углерода остаток содержания до 10% , и окончательная осушка газа до точки росы - 20°С на колоне установки.
Для очистки биогаза от серы так же могут быть использованы химические, абсорбционные и микробиологические методы. Так же перспективным считается способ очистки с помощью использования сжатого воздуха.
Разделение биогаза проводится с целью извлечения метана СН4 и получения углекислого газа СO2. Метан имеет большую энергетическую ценность, что расширяет перспективы его применения, а углекислый газ можно использовать при хранении продуктов или в теплицах.
Наличие загрязняющих веществ в субстрате, поступающем из блока 2 исходного субстрата определяется с помощью датчика загрязнений, встроенного в трубу, подающую входной субстрат в блок 2. В случае превышения загрязнений установленной нормы исходный субстрат направляется в бункер для отбракованного субстрата (на чертеже не показан). В случае незначительных значений загрязнений субстрат не отбраковывается, а коррекция состава производится добавлением специальных веществ из бункера с биологически активными добавками.
Падение температуры в реакторе регулируется сигналами на когенерационный модуль, что приводит к увеличению расхода нагревающей воды. Если температура превышает допустимую, то по сигналу от контроллера происходит срабатывание автоматического переключения источника подачи воды на рубашку ферментера на сетевую воду. Таким образом происходит охлаждение ферментера от перегрева. Параллельно анализируется данные микробиологического анализа и в зависимости от результаты сигнал идет на блок подготовки исходного сырья, где с помощью биологически активных добавок корректируется состав подаваемого в ферментер субстрата.
Изменение состава или давления выделяемого биогаза так же дает сигнал на блок управления, который по аналогичной схеме изложенной выше, дает сигналы на устройства, регулирующие состав в блоке подготовки исходного сырья и температуру в реакторе.
При изменении влажности входного субстрата, контролер дает сигнал на блок подготовки исходного сырья, которая увеличивает долю загрузки сухого субстрата.
Имеющаяся в линии схема обеспечения стабильности свойств вырабатываемого биогаза по метановому числу путем дифференциации состава подаваемого субстрата в ферментер позволяет обеспечить устойчивую работу по выдаче электрической и тепловой энергии при постоянно повторяющемся скачкообразном изменении параметров состава входной биомассы (скачки влажности входного субстрата, резкое изменения его химического состава, наличие примесей железа и пластика). Наличие контуров регулирования температуры дает возможность обеспечения стабильной работы в экстремальных условиях не только русской зимы, но и аномально теплого лета. от -34 до +43°С).
Биогазовая установка, характеризующаяся тем, что она содержит блок подготовки исходного сырья, связанные с ним блок исходного субстрата, связанный с блоком биологически активных добавок, и блок сухого субстрата, последовательно связанные с блоком подготовки исходного сырья ферментер, блок очистки и хранения биогаза, когенерационный блок производства электроэнергии и тепла и блок управления, при этом ферментер выполнен с тепловой рубашкой, связанной с выходом по теплу энергетического блока и источником сетевой воды, блок управления связан с блоком подготовки исходного сырья, блоками исходного и сухого субстрата, блоком биологически активных добавок, установленными на выходе блока исходного субстрата датчиками содержания поверхностно активных веществ и антибиотиков в исходном субстрате и его влажности, установленными в ферментере датчиками температуры, давления и состава выделяемого газа и датчиками для проведения микробиологического анализа, блоком производства электроэнергии и тепла и источником сетевой воды и выполнен с возможностью регулирования состава исходного сырья биологически активными добавками, а его влажности - сухим субстратом, отбраковки исходного сырья по уровню загрязнений, корректировки его состава по данным микробиологического анализа, состава и давления выделяемого в ферментере газа.
