ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2068397

БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Имя изобретателя: Тихомиров А.Г.; Матвеев И.К.; Клименотьева Г.В.; Жуков А.А.; Кустов Л.Я.; Жуков А.А.; Нестеров Г.И.; Панов А.И. 
Имя патентообладателя: Специализированное проектно-конструкторское и технологическоое бюро Территориального производственного специализированноого транспортного объединения
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1993.07.12 

Использование: биологическая обработка жидкостей, отходов животноводства и сточных вод в биоэнергетических установках для производства биогаза, удобрений и электроэнергии. Сущность изобретения: биоэнергетическая установка содержит сборник 1 сырого осадка, соединенный трубопроводом через насос 2 и ловушку 3 с подогревателем 4 сырого осадка, имеющий устройство 5 перемешивания осадка. Метантенк 8 имеет приводную мешалку 9 сбраживаемого осадка, сообщен своей верхней частью с газгольдером 10. Сборник-усреднитель 11 сообщен последовательно с центрифугой 12 и со сборником-аэратором 13. Трубопровод с управляемым вентилем 56 соединяет нижнюю часть метантенка 8 со сборником 1 сырого осадка. Установка содержит устройства подогрева в подогревателе 4 и метантенке 8 и станцию 14 управления установкой. Устройство 5 перемешивания в подогревателе 4 сырого осадка выполнено в виде перфорированного проводящего стакана 22, к которому подключен трубопровод 17 сырого осадка. Электрод 26 установлен по оси стакана и выполнен в виде спиралевидной лопасти 28 с источником 32 регулируемого импульсного электропитания. Приводная мешалка 9 метантенка 8 выполнена в виде спиралевидного шнека, верхняя и нижняя поверхности лопасти 48 которого снабжены подложкой 47 для иммобилизации микроорганизмов. Вал 49 шнека выполнен пустотелым, сообщенным с полостью метантенка. Изобретение позволяет достигать технический результат - повышение производительности, санитарно-гигиенической безопасности и снижение энергетических затрат.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области биологической обработки жидкостей, отходов животноводства и сточных вод, в частности, к биоэнергетическим установкам для производства удобрений, биогаза и электроэнергии для нужд установок и населенных мест.

Известна биоэнергетическая установка "Биогаз-301С", изложенная в ж. "Механизация и электрофикация сельского хозяйства", 1991, N 12, с. 16-17.

Биоэнергетическая установка содержит сборник сырого осадка, связанный трубопроводом через насос и ловушку с подогревателем сырого осадка с коническим днищем, снабженным устройством перемешивания осадка и связанным трубопроводами через насосы с метантенком с приводной мешалкой сбраживаемого осадка, причем, верхняя часть метантенка сообщена трубопроводами с газгольдером и сборником-усреднителем, сообщенным с центрифугой и со сборником-аэратором, а его нижняя часть сообщена трубопроводом со сборником сырого осадка, устройством подогрева подогревателя и метантенка и средством управления установкой.

Существенными недостатками биоэнергетической установки являются следующие:

  • устройство перемешивания сырого осадка в подогревателе, аналогичное приводной мешалке метантенка, не обеспечивает обеззараживание осадка от бактерий кишечной группы, сальмонелл и других патогенных микроорганизмов, а нагрев сырого осадка, предусмотренный в установке, требует расхода большого количества энергии и времени нагрева, например, нагрев сырого осадка до температур 50-70oС требует ее выдерживания от 23 часов до 30 мин, что снижает производительность установки;

  • приводная мешалка метантенка не обеспечивает поддержания однородности среды, так как в нем образуются мертвые зоны, особенно в полости конического днища, расслоение осадка, отложение песка и образование корки в верхней части метантенка.

Цель изобретения повышение производительности, санитарно-гигиенической безопасности установки и снижение энергетических затрат.

Для достижения цели изобретения в известной биоэнергетической установке, содержащей сборник сырого осадка, связанный трубопроводом через насос и ловушку с подогревателем сырого осадка, с коническим днищем, снабженным устройством перемешивания осадка и связанным трубопроводом через насосы с метантенком с приводной мешалкой сбраживаемого осадка, причем, верхняя часть метантенка сообщена трубопроводами с газгольдером и сборником-усреднителем, сообщенным последовательно с центрифугой и со сборником-аэратором, а его нижняя часть сообщена трубопроводом через управляемый вентиль со сборником сырого осадка, устройство подогрева подогревателя и метантенка и средства управления установкой, устройство перемешивания в подогревателе сырого осадка выполнено в виде перфорированного проводящего стакана, закрепленного в верхней части подогревателя, к которому подключен трубопровод сырого осадка, и электрода, установленного по оси стакана, выполненного в виде спиралевидной лопасти и связанного с источником регулируемого импульсного электропитания, а приводная мешалка метантенка выполнена в виде спиралевидного шнека, верхняя и нижняя поверхности лопасти которого иммобилизованы микроорганизмами, при этом вал шнека выполнен пустотелым, сообщенным с полостью метантенка.

Кроме того, для достижения цели изобретения, перфорация проводящего стакана устройства перемешивания размещена в средней части подогревателя сырого осадка; привод мешалки метантенка выполнен в виде реверсивного электродвигателя постоянного тока.

При патентных исследованиях не обнаружена заявляемая совокупность признаков биоэнергетической установки для достижения цели изобретения. Из анализа патентных исследований возможно заключить, что предлагаемое изобретение является новым, так как не известно из уровня техники. Предлагаемое изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники. Кроме того, изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано как в коммунальной технике для обработки сточных вод, так и в сельском хозяйстве для обработки и обеззараживания отходов животноводства. Элементы установки могут быть освоены на заводах и предприятиях коммунальной техники.

БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

На фиг. 1 схематично изображена биоэнергетическая установка, общий вид

 

На фиг. 2 продольный разрез подогревателя сырого осадка

На фиг. 3 разрез по А-А на фиг. 2.

Биоэнергетическая установка содержит сборник 1 исходного сырья, например, сырого осадка отходов животноводства или бытовых сточных вод, насос 2, ловушку 3, подогреватель 4 сырого осадка с устройством 5 перемешивания осадка, насосы 6, 7, метантенк 8 с приводной мешалкой 9 сбраживаемого осадка, газгольдер 10, сборник-усреднитель 11, центрифугу 12, сборник-аэратор 13, станцию 14 управления, приводные вентили, установленные на технологических трубопроводах и электрические связи для управления установкой.

Сборник 1 исходного сырья представляет из себя емкость, изготовленную из железобетона, в которой установлен насос 2 с электродвигателем 15, подключенным к станции 14 управления. Насос 2 связан трубопроводом 16 с ловушкой 3, предназначенной для разделения сырого осадка на фракции. Ловушка 3 связана трубопроводами 17 и 18 с подогревателем 4 и со сборником 1 исходного сырья. В трубопроводе 18 установлен управляемый вентиль 19.

Подогреватель 4 сырого осадка представляет из себя металлическую электрически заземленную емкость с коническим днищем с входным 20 и выходным 21 патрубками. Наружная поверхность подогревателя 4 покрыта теплоизолирующим материалом (не показано) для исключения утечки тепла из подогревателя. В подогревателе 4 смонтировано устройство 5 для перемешивания сырого осадка, представляющее из себя электрогидравлическое устройство, выполненное в виде перфорированного проводящего стакана 22 с отверстиями 23, закрепленного на проводящем кольце 24, электрически контактирующего с фланцем 25 подогревателя 4, и электрода 26. Отверстия 23 размещены на стакане по винтовой линии. Электрод 26 представляет из себя проводящий стержень 27, на котором закреплена спиралевидная лопасть 28, кромка которой совместно с внутренней стенкой перфорированного проводящего стакана 22 образуют переменный по высоте рабочий формирующий промежуток электрогидравлического устройства. Стержень 27 размещен по оси перфорированного проводящего стакана 22 и электроизолирован в верхней и нижней частях от проводящего кольца 24 и от перфорированного проводящего стакана 22 посредством изоляторов 29, 30. Верхний конец стержня 27 пропущен через тепло-электроизолированную крышку 31, закрепленную на верхней части подогревателя 4 сырого осадка посредством болтов и гаек. Проводящий стержень 27 электрически связан с источником 32 регулируемого импульсного электропитания известной конструкции с выходным импульсным напряжением в пределах 30 50 кВ.

Входной патрубок 20 подогревателя 4 сырого осадка жестко соединен с полым кольцом 33, охватывающим перфорированный проводящий стакан 22. Полость полого кольца 33 сообщена через отверстия 34 с полостью перфорированного проводящего стакана 22.

Кроме того, в подогревателе 4 сырого осадка предусмотрен сливной патрубок 35, сообщенный трубопроводом 36 со сборником 1 исходного сырья. Выходной патрубок 21 соединен с трубопроводом 37, который через управляемые вентили 38 и 39, основной 6 и резервный 7 насосы соответственно с электродвигателями 40 и 41, управляемые вентили 42 и 43 и трубопроводы 44, 45 и 46 соединен с метантенком 8 с приводной мешалкой 9 сбраживаемого осадка. Основной и резервный насосы 6 и 7 с электродвигателями 40 и 41 предназначены для перекачивания обеззараженного и подогретого сырого осадка с подогревателя 4 сырого осадка в метантенк 8.

Метантенк 8 представляет из себя железобетонный вертикально расположенный цилиндрической формы резервуар с коническим днищем и перекрытием. Резервуар снабжен системой обогрева (условно не показана). Метантенк 8 предназначен для анаэробного микробиологического процесса сбраживания предварительно обеззараженного и подогретого осадка и производства биогаза. В метантенке 8 смонтирована приводная мешалка 9, выполненная в виде спиралевидного шнека, верхняя и нижняя поверхности которого снабжены подложкой 47 для иммобилизации микроорганизмов, выполненной, например, в виде пористого покрытия лопасти 48, смонтированной на пустотелом валу 49, промежуточного вала 50, конического редуктора 51 и реверсивного электродвигателя 52 постоянного тока, электрически связанного со станцией 14 управления. Верхняя часть метантенка 8 сообщена трубопроводами 53 и 54 с газгольдером 10 и сборником-усреднителем 11 известных конструкций, а его нижняя часть сообщена трубопроводом 55 через управляемый вентиль 56 со сборником 1 исходного сырья.

Сборник-усреднитель 11 последовательно сообщен трубопроводами 57 и 58 через управляемый вентиль 59 с центрифугой 12 известной конструкции и через трубопровод 60 со сборником-аэратором 13 известной конструкции. Сборник-аэратор 13 предназначен для аэробной обработки стоков, поступающих с центрифуги 12.

Биогаз, образующийся при анаэробном сбраживании осадков, например, бытовых сточных вод, содержащих органические вещества, в основном состоит из метана и оксида углерода: 65-70% CH4 и 25-30% СО2 по объему.

Кроме того, в биогазе в небольших количествах могут присутствовать и другие составляющие: 2-4% СО, до 1% N, до 0,3% О2, а также до 1,5% различных углеводородов и небольшое количество сероводорода H2S.

Избыточное давление биогаза на выходе из метантенка 8 составляет в пределах 200-400 мм вод.ст. температура биогаза зависит от применяемого режима сбраживания и составляет обычно 33-35oC при мезофильном и 53-55oC при термофильном режиме сбраживания. Полезная теплота сгорания биогаза, как правило, не ниже 20 МДж/м3 и утилизируется, например, в биогазовых двигателях-генераторах электрической и тепловой энергии.

Биоэнергетическая установка работает следующим образом.

В связи с ужесточением санитарно-гигиенических требований к сброженным осадкам при их использовании в сельском хозяйстве, возникла необходимость обеззараживания осадков, которая может быть достигнута при термофильном анаэробном сбраживании. Однако, вследствие энергоемкости этого процесса и ухудшения водоотдающих свойств термофильно сброженных осадков, этот процесс в настоящее время в странах Европы и Америки не применяется.

Сточные воды, отходы животноводства отличаются высокой микробной загрязненностью (107-108 ед./100 мл).

В первичных отстойниках концентрируются возбудители заболеваний, например, бактерии кишечной группы, яйца гельминтов, сальмонеллы и другие патогенные микроорганизмы.

Предлагаемая биоэнергетическая установка обеспечивает обеззараживание сточных вод и отходов животноводства, поступающих из первичных отстойников (не показаны) в сборник 1 исходного сырья.

В соответствии с алгоритмом управления со станции 14 управления поступают управляющие сигналы на включение насоса 2 в сборнике 1 исходного сырья, источника 32 регулируемого импульсного электропитания, вырабатывающего импульсы тока высокого напряжения, например, напряжением 50 кВ, основного насоса 6 с открыванием, с заданным запаздыванием, управляемых вентилей 38 и 42, приводной мешалки 9 в метантенке 8, при этом вращение мешалки 9 обеспечивают с минимально возможными оборотами, например, 5-10 об./мин (в начальной стадии работы установки).

Исходное сырье насосом 2 перекачивается в ловушку 3, где осуществляется разделение его на фракции.

Крупные фракции, имеющие высокий удельный вес, по трубопроводу 18 периодически возвращаются в сборник 1 исходного сырья, а жидкая фракция с мелкими включениями по трубопроводу 17 в подогреватель 4 сырого осадка. Жидкая фракция с мелкими включениями органического вещества поступает через входной патрубок 20, полое кольцо 33 с отверстиями 34 в перфорированный проводящий стакан 22 электрогидравлического устройства 5, в котором осуществляется электрогидравличеспкая обработка сырого осадка. При поступлении на электрод 26 положительного импульса тока высокого напряжения с заданной частотой повторения импульса в рабочем формирующем промежутке возникает спиралевидный искровой разряд между верхней частью лопасти 28 и внутренней поверхностью перфорированного проводящего стакана 22, причем искровой разряд, распространяющийся по высоте от верхней части лопасти 28 до ее нижней части, сопровождается высоким или сверхвысоким давлением (электрогидравлический удар) и высокой или сверхвысокой температурой. В каналах искрового разряда возникает плазма и ультразвуковое гидродинамическое поле. Под воздействием перечисленных факторов сырой осадок выбрасывается через отверстия 23 в полость подогревателя 4, в которой происходит интенсивное перемешивание и нагрев сырого осадка, измельчение мелких фракций осадка и его обеззараживание от возбудителей заболеваний, яиц гельминтов, сальмонелл и других патогенных микроорганизмов. Под воздействием электрогидравлических ударов жидкая фракция с мелкими включениями органических веществ превращается в жидкотекущую среду.

Кроме того, при искровом разряде вода разлагается на водород и кислород, воздействующий на микроорганизмы, сжигая их клеточные структуры.

Длительность обработки сырого осадка в подогревателе 4 может осуществляться в пределах 10-30 мин, что увеличивает производительность установки.

При переполнении подогревателя 4 обработанная жидкотекущая среда частично сливается по трубопроводу 36 в сборник 1 исходного сырья. По истечении заданной длительности обработки сырого осадка, в подогревателе 4 основная масса жидкотекущей среды через выходной патрубок 21, трубопроводы 37, 44, 46 перекачивается основным насосом 6 в метантенк 8, в котором осуществляется мезофильный (33-35oC) анаэробный процесс метанового сбраживания жидкотекущей среды, предварительно обработанной в подогревателе 4.

В метантенке 8 осуществляется анаэробное разложение органических веществ сообществом микроорганизмов, составляющих трофическую цепь первичных и вторичных анаэробов с выделением биогаза, который по трубопроводу 53 поступает в газгольдер 10.

При поступлении жидкотекущей среды в метантенк 8, в нем осуществляется непрерывное перемешивание мешалкой 9 жидкотекущей среды для ее равномерного распределения по объему метантенка 8 и улучшения контакта сбраживаемой среды с иммобилизованными микроорганизмами, размещенными на подложке 47 поверхностей 48 спиралевидного шнека, при этом как анаэробы, так и иммобилизованные микроорганизмы (метанообразующие бактерии) интенсивно разлагают органическое вещество с выделением биогаза.

Для повышения производительности производства биогаза и эффективности установки в целом перемешивание жидкотекущей среды в метантенке 8 осуществляют как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки посредством электродвигателя 52 постоянного тока.

При перемещении жидкотекущей среды вверх спиралевидным шнеком достигается спиралевидное закручивание потока лопастью 48, при этом часть среды по пустотелому валу 49 перемещается вниз, а другая часть с пеной переливается по трубопроводу 54 в сборник-усреднитель 11, процесс перемешивания осуществляется циклически, обороты мешалки 9 определяются экспериментальным путем для оптимального процесса сбраживания среды.

При перемещении жидкотекущей среды вниз спиралевидным шнеком среда поступает через нижний срез пустотелого вала 49 и поднимается вверх, переливаясь через верхний срез пустотелого вала 49, при этом среда, контактируя с лопастью 48, опускается по спирали вниз, образуя спиралевидное вращение жидкотекущей среды, процесс перемешивания осуществляется циклически.

Следует отметить, что перемещение жидкотекущей среды вниз метантенка 8 осуществляется при его загрузке, а при перемещении среды вверх метантенка 8

при его разгрузке в сборник-усреднитель 11.

Заполнение сборника-усреднителя 11 контролируется датчиком уровня (не показан). При достижении заданного уровня жидкотекущей среды в сборнике-усреднителе 11 по управляющим сигналам открывается вентиль 59 и включается центрифуга 12. Жидкотекущая среда по трубопроводам 57 и 58 поступает в центрифугу 12, где среда разделяется на шлам и стоки, поступающие в сборник-аэратор 13.

Аэрация в сборнике-аэраторе 13 осуществляется известным путем нагнетания воздуха или технического кислорода в нижнюю полость сборника-аэратора 13 для дополнительной обработки стоков. Стоки из сборника-аэратора 13 разгружаются либо на иловые площадки для последующего использования в сельском хозяйстве, либо совместно со шламами из центрифуги 12 возвращаются в сборник 1 исходного сырья для полного разложения органического вещества жидкотекущей среды.

Для профилактических осмотров метантенка 8 и нанесения иммобилизованных микроорганизмов на подложку 47 спиралевидной лопасти 48 приводной мешалки 9 по управляющим сигналам со станции 14 управления открывают вентиль 56 и по трубопроводу 55 жидкотекущую среду перегружают в сборник 1 исходного сырья, при этом жидкотекущую среду перемещают вниз метантенка спиралевидным шнеком приводной мешалки 9.

Таким образом, предлагаемая конструкция биоэнергетической установки обеспечивает достижение цели изобретения повышение производительности, санитарно-гигиенической безопасности установки и снижение энергетических затрат.

Технико-экономическая эффективность биоэнергетической установки заключается в том, что благодаря новой совокупности существенных признаков обеспечивается достижение цели изобретения, в частности, повышается производительность обработки сырого осадка отходов животноводства или сточных вод за счет использования новых устройств электрогидравлического устройства и спиралевидного шнека, интенсифицирующих процессы обеззараживания и метанового брожения при определенной экономии энергетических затрат.

Энергетические затраты на приведение в действие электрогидравлического устройства в подогревателе 4 не превышают 0,5 кВт·ч на 1 м3 обрабатываемой среды.

Использование электрогидравлического устройства в биоэнергетической установке снижает энергетические затраты на перемешивание жидкотекущей среды в метантенке 8 за счет снижения плотности среды в подогревателе 4, подогрев которого осуществляется за счет работы электрогидравлического устройства.

Кроме того, в электрогидравлическом устройстве перемешивания среды существенно снижаются коэффициенты внутреннего трения сырого осадка о стенки корпуса подогревателя 4, что снижает нагрузку на насосы для перекачивания среды из подогревателя 4 в метантенк 8.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Биоэнергетическая установка, содержащая сборник сырого осадка, соединенный трубопроводом через насос и ловушку с подогревателем сырого осадка, имеющим устройство перемешивания осадка и соединенным трубопроводами через насосы с метантенком, имеющим приводную мешалку сбраживаемого осадка, соединенные трубопроводами с верхней частью метантенка газгольдер и сборник-усреднитель, сообщенный последовательно с центрифугой и со сборником-аэратором, трубопровод с управляемым вентилем, соединяющий нижнюю часть метантенка со сборником сырого осадка, устройство для подогрева подогревателя и метантенка и станцию управления установкой, отличающаяся тем, что устройство перемешивания в подогревателе сырого осадка выполнено в виде перфорированного проводящего стакана, закрепленного в верхней части подогревателя, к которому подключен трубопровод сырого осадка, и электрода, установленного по оси стакана, выполненного в виде спиралевидной лопасти и имеющего источник регулируемого импульсного электропитания, приводная мешалка метантенка выполнена в виде спиралевидного шнека, верхняя и нижняя поверхности лопасти которого снабжены подложкой для иммобилизации микроорганизмов, а вал шнека выполнен пустотелым, сообщенным с полостью метантенка.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что перфорация проводящего стакана устройства перемешивания размещена в средней части подогревателя сырого осадка.

3. Установка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что привод мешалки метантенка выполнен в виде реверсивного электродвигателя постоянного тока.

Версия для печати
Дата публикации 05.01.2007гг


вверх