Метантенк

 

Изобретение относится к коммунальному и сельскому хозяйствам и преимущественно предназначается к использованию на животноводческих и птицеводческих фермах в составе оборудования биогазовых и биогумусогазовых установок при выработке ими различных органических отходов горючего биогаза и органических удобрений. Метантенк содержит горизонтальный преимущественно цилиндрической формы резервуар, разделенный поперечными попеременно не доходящими до верха и низа резервуара перегородками на проточные камеры сбраживания с образованием над каждой их парой обособленных газовых секций с газосборниками, загрузочный и разгрузочный патрубки, нагреватели сбраживаемой массы, люки очистки камер от осадков и присоединенный к газосборникам газовых секций газопровод к газгольдеру. У камер сбраживания выполнены инжекторы, соединенные с насосами забора всасывающими трубопроводами сбраживаемой в этих камерах массы с вводом ее в инжекторы, соединенные всасывающим газопроводом с газосборником газовых секций над предыдущими камерами сбраживания и напорным трубопроводом с рассредоточителями потоков газожидкостной смеси из инжекторов, выполненных в этих же камерах сбраживания. Технический результат: обеспечение полного использования всех жидких и газообразных продуктов распада, наиболее полная минерализация органических веществ сбраживаемой массы и увеличение количества биогаза. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к коммунальному и к сельскому хозяйствам и преимущественно предназначается к использованию на животноводческих и птицеводческих фермах, комплексах и фабриках для последовательного пофазного анаэробного сбраживания различных сбраживаемых разжиженных и измельченных органических отходов с выработкой из них горючего биогаза на энергетические цели и высококачественных обеззараженных от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков минерализованных органических удобрений.

Известен метантенк для последовательного пофазного анаэробного сбраживания различных сбраживаемых разжиженных и измельченных органических отходов с выработкой из них горючего биогаза и обеззараженных органических удобрений, содержащий горизонтальный цилиндрической формы резервуар, разделенный внутри тремя поперечными перегородками на четыре проточные камеры сбраживания с общим газосборным пространством над ними с трубой газоудаления при одинаковом уровне жидкости с возможностью ее последовательного перетекания из камеры в камеру при заполнении резервуара, что обеспечивает последовательное пофазное анаэробное сбраживание загружаемой в метантенк свежей разжиженной и измельченной органической массы с ее выводом из метантенка сброженной.

Для подогрева сбраживаемой в утепленном метантенке массы установлены греющие радиаторы, а для ее перемешивания в камерах над камерами во всю длину резервуара установлен вращающийся от привода вал с обособленными для каждой камеры плоскими сетчатыми мешалками /см. Калюжный С.В. и др. "Биогаз: проблемы и решения", - Итоги науки к техники - "Биотехнология" ВИНИТИ АН СССР/, M., 1988, т.21, с.80-82, рис.24.

Недостатком приведенного выше известного метантенка является то, что вырабатываемый в первой фазе анаэробного сбраживания в первых двух камерах в кислой среде при рН менее 7,0 тощий биогаз /водород, углекислота и сероводород/ не поступает в сбраживаемую во второй фазе щелочной среды массу в последних двух камерах при рН более 7,2, а смешивается в общем газовом пространстве с вырабатываемым в них высококалорийным биогазом, что тем самым снижает калорийность вырабатываемого биогаза, выходящего из метантенка. Недостатком является и то, что общее механическое перемешивание сбраживаемой массы одновременно во всех четырех камерах перемещает из кислой среды первой фазы сбраживания в первых двух камерах в щелочную среду второй фазы сбраживания в двух последних камерах как нерасщепленные /негидролизованные/ всплывающие и осаждающиеся органические вещества, которые не могут быть расщеплены в щелочной среде второй фазы сбраживания, так и минеральные включения /почва, глина, песок, мелкий гравий, ракушка к др./, выпадающие в осадок с заиливанием камер сбраживания.

Известен также метантенк установки для производства биогаза по авторскому свидетельству СССР №1198026, содержащий утепленный и обогреваемый горизонтальный цилиндрической формы резервуар, разделенный внутри пятью поперечными перегородками, попеременно не доходящими до верха и низа резервуара, на шесть проточных камер сбраживания с образованием трех газовых секций по одной над каждой парой камер сбраживания с газосборниками над обособленными тремя газовыми секционными пространствами поочередно последовательно сбраживаемой в камерах массой, загрузочный и разгрузочный патрубки, теплообменник, люки очистки камер, газопровод к газгольдеру, что обеспечивает последовательное пофазное анаэробное сбраживание разжиженных и измельченных различных сбраживаемых органических отходов с выработкой из них горючего биогаза и обеззараженных частично минерализованных органических удобрений.

Недостатком этого известного по авторскому свидетельству СССР №1198026 метантенка является то, что газообразные продукты расщепления /гидролизации/ органических веществ /водород, углекислота и сероводород/, образуемые симбиозом микроорганизмов в первой фазе сбраживания в кислой среде при рH менее 7,0 в первых двух камерах, не могут быть подведены для их использования во второй фазе сбраживания в нейтральной и в щелочной среде, осуществляемой при рН более 7,2 в последующих камерах, тогда как соединение всех трех газосборников с газопроводом к газгольдеру устанавливает неизбежность смешивания разносоставных и разнокалорийных биогазов, вырабатываемых в разных фазах сбраживания в различных камерах, что снижает качество и калорийность поступающего в газгольдер биогаза. Недостатком является и то, что очистка первой камеры от минеральных осадков возможна только при ее полном опорожнении от сбраживаемой в ней массы.

Вместе с тем по своем технической сущности и достигаемому результату известный по авторскому свидетельству СССР №1198026 метантенк является наиболее близким к изобретению.

Задачей настоящего изобретения является создание такого метантенка для последовательного пофазного анаэробного сбраживания различных сбраживаемых разжиженных и измельченных органических отходов, который устранял бы приведенные выше недостатки известного метантенка и обеспечивал бы полное использование всех жидких и газообразных продуктов распада симбиозом расщепляющих /гидролизующих/ микроорганизмов сложных соединений органических веществ /целлюлозу, лигнин, жиры, белки и другие вещества/, осуществляемых в первой кислой фазе сбраживания при рН менее 7,0 и поступающих затем на сбраживание в щелочную среду второй фазы сбраживания при рН более 7,2 с обеспечением наиболее полной минерализации органических веществ сбраживаемой массы при повышении в ней содержания гумуса, увеличение количества вырабатываемого биогаза из органического вещества при повышении его калорийности. Задачей является также и обеспечение возможности удаления из первой камеры метантенка минеральных осадков без ее опоржнения.

Согласно изобретению поставленная задача достигается тем, что у камер сбраживания выполнены инжекторы, соединенные с насосами забора всасывающими трубопроводами сбраживаемой в этих камерах массы о вводом ее в инжекторы, каждый из которых соединен всасывающим газопроводом с гааосборником газовых секций над предыдущими камерами сбраживания и напорным трубопроводом с рассредоточителями потоков газожидкостной смеси из инжекторов, выполненных в этих же камерах сбраживания, тогда как газосборники первой и второй газовых секций или газосборник только первой газовой секции соединены с газопроводом к газгольдеру парой обособленных газопроводов, в один из которых встроен редукционный клапан сброса избыточного давления биогаза в газовых секциях в газопровод к газгольдеру, а во второй - встроен редукционный клапан ввода биогаза из газопровода к газгольдеру в газовые секции при образовании в них повышенного вакуума. Достигается поставленная задача и тем, что в люк очистки первой камеры сбраживания встроен шнек удаления из нее минеральных осадков с затвором-выгружателем.

На Фиг.1 чертежа схематично показан общий вид метантенка в разрезе в шестикамерном его исполнении; на Фиг.2 - вид по А-А на Фиг.1; на Фиг.3 - вид по Б-Б на Фиг.1 и на Фиг.4 - общий вид метантенка в разрезе в четырехкамерном его исполнении.

Приведенный на Фиг.1-3 метантенк в шестикамерном его исполнении представляет собой горизонтальный цилиндрической формы резервуар 1, который пятью внутренними поперечными перегородками 2, попеременно не доходящими до верха и низа резервуара 1, разделен на шесть камер 8 с образованием трех газовых секций 4 с газосборниками /по одной газовой секции 4 над каждой парой камер 3/, что обеспечивает последовательную проточность сбраживаемой в камерах 3 массы с организацией в них пофазного анаэробного сбраживания с раздельным поэтапным образованием и сбором жидких и газообразных продуктов расщепления /гидролизации/ первой фазы с их общим использованием при второй фазе сбраживания.

Проточность сбраживаемых в метантенке разжиженных и измельченных органических отходов осуществляется при его загрузках, что побуждает перетекание сбраживаемой массы из камеры в камеру через перегородки 2 и под ними /на Фиг.1 места перетеканий сбраживаемой в камерах массы показаны дуговыми стрелками/ и что обеспечивает выгрузку из метантенка сброженной массы из последней камеры 3. Стрелками на Фиг.1 показаны также направления потоков в трубопроводах и в газопроводах.

Загрузка резервуара 1 свежими разжиженными и измельченными органическими отходами осуществляется в первую камеру 3, в которую встроен загрузочный патрубок 5, а для выгрузки сброженной в метантенке массы из последней камеры 3 выполнен разгрузочный патрубок 6. В первых двух и в двух центральных камерах 3 установлены нагреватели 7 сбраживаемой массы с трубами циркуляции греющей воды.

Под камерами 3 и по торцам выполнены люки 8 для очистки их от осадков, а для отвода вырабатываемого в метантенке биогаза в газгольдер выполнен газопровод 9. Для отсоса вырабатываемого в первых и в центральных камерах 3 биогаза, накапливаемого в газовых секциях 4 над ними, установлены инжекторы 10 с насосами 11, которые газопроводом всасывания 12 соединены с соответствующими газосборниками газовых секций 4, а напорным трубопроводом 13 с рассредоточителями потоков 14, установленных в третьей и в пятой камерах 3, куда возвращается забираемая из этих же камер всасывающими патрубками насосов 11 сбраживаемая в них масса в виде образованной в инжекторе 10 газожидкостной смеси, обеспечивая тем самым эффективное перемешивание сбраживаемой во второй фазе массы с жидкими и газообразными продуктами расщепления /гидролизации/ органических веществ первой фазы сбраживания.

Газосборники первых двух газовых секций 4 соединены с газопроводом к газгольдеру 9 парой обособленных газопроводов, в один из которых встроен редукционный клапан 15 сброса избыточного давления биогаза в газовых секциях 4 в газопровод к газгольдеру 9, а во второй - редукционный клапан 16 ввода биогаза из газопровода к газгольдеру 9 в соответствующие газовые секции 4 при образовании в них повышенного вакуума.

Для удаления минеральных осадков из первой камеры 3 без ее опорожнения от сбраживаемой в ней массы в люк 8 первой камеры встроен шнек 17 с секторным затвором-выгружателем.

В резервуаре 1 также выполнены деаэрационные вентили 18 на газосборниках газовых секций 4, патрубки опорожнения камер сбраживания 3 с задвижками 19, боковые люки 20 осмотра камер сбраживания 3, опоры 21 резервуара 1 и теплоизоляция всей внешней поверхности метантенка.

Нумерация одноименных по назначению и выполнению позиций и деталей приведенного на Фиг.4 метантенка четырехкамерного исполнения полностью совпадает с их нумерацией приведенного на Фиг.1-3 метантенка шестикамерного исполнения за исключением дополненных на Фиг.4 позиций 23 и 24, обозначающих рукоятки ручного привода к шнеку 17 и его секторному затвору-выгружателю.

В целях предотвращения образования в первых двух камерах сбраживания 3 корки из легко всплывающих малоплотных и воздухосодержащих измельченных органических сбраживаемых веществ /сено, солома, перо и пух птицы и др./ в этих камерах устанавливаются мешалки, которые на чертежах не показаны, т.к. их выполнение возможно во многих механических, гидравлических, газовых, газожидкостных и других вариантах исполнения.

Работа предлагаемого изобретением метантенка в шести или в четырехкамерном его исполнении, - в зависимости от вида, состава, качества и влажности сырья, необходимости обеспечения гарантированного эффективного обеззараживания сбраживаемых разжиженных и измельченных органических отходов от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков, - может осуществляться в широком диапазоне разных доз периодической, цикличной или непрерывной загрузки при температурах сбраживания от 10С до 60С, что назначается технологическим регламентом конкретного использования метантенка, обуславливающим также уровень минерализации органических веществ вырабатываемого удобрения, содержание гумуса, количество и качество биогаза.

Анаэробное последовательное пофазное сбраживание различных разжиженных и измельченных сбраживаемых органических отходов сельского и коммунального хозяйств в предложенном изобретении - проточном метантенке выполняют следующим образом.

Крупноразмерные органические отходы измельчают до размера частиц 12-15 мм и разжижают до влажности 922%, используя для этого в качестве разжижителя ранее сброженную массу влажностью 97-98%, что обеспечивает обсеменение свежей органики симбиозом сбраживающих микроорганизмов и исключает при этом необходимость использовать воду в качестве разбавителя.

Поскольку в составе экскрементов и навоза от животных и птицы имеет место нахождения в них почвы, глины, песка, камушков, гальки, ракушки и других минеральных включений, состав и количество которых обуславливается видом и методом содержания животных и птицы, то и в составе загружаемой в метантенк разжиженной и измельченной органической массе непременно будут минеральные включения, не участвующие в процессе сбраживания, для удаления которых в первой камере метантенка выполнен шнек 17 с секторным затвором-выгружателем, обеспечивающим удаление минеральных осадков и других осевших плотных несбраживаемых веществ из метантенка без опорожнения камеры от сбраживаемой массы.

Подготовленная к сбраживанию разжиженная и измельченная органическая масса по патрубку 5 вводится в первую камеру 3, вытесняя из нее через первую перегородку 2 ранее сбраживаемую в ней массу во вторую камеру 3 /при первичном вводе метантенка в работу резервуар 1 заполняют водой с ее нагревом и с добавлением ранее сброженной массы или экскрементов крупного рогатого скота в количестве 10-15% емкости метантенка и выдержкой до поступления биогаза в газопровод 9, временно опущенного в емкость с водой/. Вводимая в первую камеру 3 масса, содержащая разноплотные органические вещества и минеральные включения, расслаивается на всплывающую и осаждающуюся органическую массу и на осаждающиеся минеральные включения, которые удаляются по мере их накопления шнеком 17 через его секторный затвор-выгружатель. Всплывшая малоплотная в первой камере 3 органика частично перетекает через перегородку во вторую камеру, тогда как оставшееся ее количество в первой камере совместно с осевшей более плотной органикой, смешиваясь со сбраживаемой в камере массой, обсемененной расщепляющими /гидролизующими/ микроорганизмами, - расщепляется с разрушением сложных соединений в более простые при образовании жидких и газообразных продуктов распада в виде жирных кислот и аминокислот и тощего биогаза /водород, сероводород и углекислота/. Жидкие продукты распада при загрузке метантенка перетекают из первой камеры во вторую камеру первой фазы сбраживания с кислой средой при рН менее 7,0, а тощий биогаз накапливается в первой газовой секции 4, откуда он по газопроводу 12 отсасывается в инжектор 10 с образованием газожидкостной смеси, состоящей из тощего биогаза первой газовой секции 4 и сбраживаемой массы в третьей камере 3 отсасываемой насосом 11 и под давлением вводимой в инжектор 10, а далее по напорному трубопроводу 13 в рассредоточитель потоков 14, установленный в третьей камере 3 и куда при загрузке метантенка под второй перегородкой 2 перетекает /на Фиг.1 показано дуговой стрелкой/ сброженная в первой фазе в первых двух камерах 3 подогретая масса, чем обеспечивается во второй фазе сбраживания эффективное перемешивание жидких и газообразных продуктов распада в первой фазе сбраживания с метаногенерирующими бактериями второй фазы сбраживания, осуществляемой в последующих камерах 3 в щелочной среде при рН более 7,2. Для более полного использования метаногенерирующими бактериями продуктов распада первой фазы сбраживания и повышения содержания метана в вырабатываемом биогазе, - вторым комплектом насоса 11 с инжектором 10, всасывающим газопроводом 12, напорным трубопроводом 13 и рассредоточителем потоков 14, выполненных у пятой камеры 3 сбраживания, - осуществляется отсос биогаза из второй газовой секции 4 с образованием из него и сбраживаемой в пятой камере 3 газожидкостной смеси, перемешиваемой со сбраживаемой в четвертой камере 3 массой, поступающей под четвертой перегородкой 2 из четвертой в пятую камеру 3 при загрузке метантенка.

Предусматривается, что в первых двух газовых секциях 4 должен быть вакуум не более 2,0 кПа /200 мм вод. ст./, тогда как в третьей газовой секции 4, соединенной газопроводом 9 с газгольдером и изолированной от первых двух газовых секций 4, - давление биогаза, в соответствии с требованиями СНиП, устанавливается в пределах 1,5-2,5 кПа /150-250 мм вод. ст./.

При прекращении работы насоса 11 с инжектором 10, а также при спонтанном обильном газообразовании в газовых секциях 4 первых четырех камер сбраживания 3, давление биогаза в них может превысить 2,0 кПа /200 мм вод. ст./, что обусловит автоматическое срабатывание редукционных клапанов 15 и биогаз из первых двух газовых секций 4 одновременно или порознь станет поступать в газопровод 9, тогда как в случаях образования в газовых секциях 4 одновременно в первой и второй или порознь вакуума более 2,0 кПа /200 мм вод. ст./ - срабатывает автоматически редукционный клапан 16 и биогаз из газопровода 9 станет поступать в соответствующие газовые секции 4 одновременно или порознь, а эжекторы 10 будут продолжать отсасывать биогаз из газовых секций 4.

В зависимости от вида, количества и качества поступающих на сбраживание в метантенк органических отходов, дозы и периодичности их загрузки в метантенк, температуры сбраживания и других факторов в назначении режима работы метантенка, регулировочные значения величин давления сработки редукционных клапанов 15 и 16 могут быть изменены.

Приведенное выше описание работы предлагаемого изобретением метантенка в шестикамерном его исполнении - относится также к работе приведенного на Фиг.4 четырехкамерного метантенка с той лишь разницей, что применен только один комплект оборудования для отсоса тощего биогаза из первой газовой секции 4 и смешивания его со сбраживаемой во второй фазе массой совместно с жирными кислотами первой фазы сбрасывания, тогда как электропривод шнека и секторного затвора-выгружателя 17 заменен на ручной.

Использование приведенного на Фиг.1-3 шестикамерного метантенка, изготавливаемого объемом 120-160 м³, обеспечивает наиболее полную минерализацию органического вещества сбраживаемой массы и выработку высококалорийного биогаза с содержанием в его составе до 95% метана при получении свыше одного кубометра биогаза с каждого сброженного килограмма сухого органического вещества.

Применение приведенного на Фиг.4 четырехкамерного метантенка, изготавливаемого объемом 50-75 м³, может быть рекомендовано к использованию на малых животноводческих и птицеводческих фермах как для выработки горючего биогаза на энергетические цели, так и полужидких обеззараженных органических удобрений.

Непременным условием для обеспечения эффективной работы предлагаемого изобретением метантенка в зимнее время является его теплоизоляция 22 всей поверхности, не допускающая снижение сбраживаемой массы без ее подогрева в течение суток более чем на 1С.

Формула изобретения

1. Метантенк, содержащий горизонтальный преимущественно цилиндрической формы резервуар, разделенный внутри поперечными попеременно не доходящими до верха и низа резервуара перегородками на проточные камеры сбраживания с образованием над каждой их парой обособленных газовых секций с газосборниками, загрузочный и разгрузочный патрубки, нагреватели сбраживаемой массы, люки очистки камер от осадков и присоединенный к газосборникам газовых секций газопровод к газгольдеру, отличающийся тем, что у камер сбраживания выполнены инжекторы, соединенные с насосами забора всасывающими трубопроводами сбраживаемой в этих камерах массы с вводом ее в инжекторы, каждый из которых соединен всасывающим газопроводом с газосборником газовых секций над предыдущими камерами сбраживания и напорным трубопроводом с рассредоточителями потоков газожидкостной смеси из инжекторов, выполненных в этих же камерах сбраживания.

2. Метантенк по п.1, отличающийся тем, что газосборники первой и второй газовых секций или только первой газовой секции соединены с газопроводом к газгольдеру парой обособленных газопроводов, в один из которых встроен редукционный клапан сброса избыточного давления биогаза в газовых секциях в газопровод к газгольдеру, а во второй встроен редукционный клапан ввода биогаза из газопровода к газгольдеру в газовые секции при образовании в них повышенного вакуума.

3. Метантенк по п.1, отличающийся тем, что в люк очистки первой камеры сбраживания встроен шнек удаления из нее минеральных осадков с затвором-выгружателем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4