Биогазовая установка для обеззараживания отходов и получения экологически чистого удобрения и метана и модульная биогазовая установка

(51) 02 11/04 (2011.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ эксплуатационной надежности улучшение технологического процесса увеличение выхода сухого твердого удобрения. Технический результат достигается за счет внесения ряда конструктивных и технологических изменений в биогазовую установку. Новым в биогазовой установке является введение таких основных частей, как емкости для подготовки субстрата обезвоживающего устройства и оборудования для очистки биогаза от примесей,наличие которых расширяет ассортимент готовой продукции (метан, углекислый газ, электроэнергия,твердое удобрение) оснащение биогазовой установки рациональным модульным набором биореакторов с объемами от 5, 15, 45 и более м 3 и использование газгольдеров низкого или высокого давления, которые повышают надежность в работе использование пастообразных отходов влажностью 7075, что повышает выход сухих твердых удобрений создание вращающихся биореактора и лопастного теплообменника внутри. В таком биореакторе созданы наилучшие условия для перемешивания пастообразных отходов, взаимного перераспределения микроорганизмов, подвижности бактерий и газовых пузырей в них.(76) Абенова Макпал Саматовна Абенов Самат Камалович Матвеев Валентин Александрович(56) Инновационный патент РК 21206, кл. 02 11/04, 2009(54) БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ОТХОДОВ И ПОЛУЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО УДОБРЕНИЯ И МЕТАНА И МОДУЛЬНАЯ БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА(57) Изобретение относится к средствам обеззараживания, переработки и утилизации отходов животного и растительного происхождения с одновременным получением экологически чистого органического удобрения и газообразного топлива метана (биогаза). Изобретение может найти применение в коммунальном и сельском хозяйствах. Задачей группы предлагаемых изобретений является создание биогазовой установки,состоящей из суммы технологий с расширением потребительских возможностей и ассортимента выпускаемой продукции повышение Изобретение относится к средствам обеззараживания, переработки и утилизации отходов животного и растительного происхождения с одновременным получением экологически чистого органического удобрения и газообразного топлива метана (биогаза). Изобретение может найти применение в коммунальном и сельском хозяйствах. Известна биогазовая установка для обеззараживания навоза и получения удобрений Патент 21206, , кл 02 11/04, 2009. Она включает биореактор, газгольдер низкого давления,топливный котел, при этом биореактор содержит разделительную перегородку, делящую его на две части теплообменник, который соединен с топливным котлом водяной затвор, образованный между стенкой биореактора и обечайкой, в котором размещен газовый колокол (газгольдер) камеры загрузки и выгрузки,сообщающиеся с биореактором перемешивающее устройство,состоящее из двух рамных мешалок и двух шнеков,посредством которых осевшая твердая и уплотненная часть удобрения передвигается по корытообразному дну газоотводящую трубу,выведенную из биореактора и соединенную с газопроводом теплоизоляцию. Недостатком этой биогазовой установки является использование жидких отходов влажностью 9095 и, как следствие, получение жидкой фракции с выходом до 90, а сухого твердого удобрения - около 10.Справочный материал. Использование жидких удобрений включает целый ряд основных,вспомогательных и заключительных машин и операций. Жидкие удобрения при минусовой температуре замерзают, при этом возникают проблемы хранения, транспортировки и внесения. Они вымываются в нижний слой почвы, а содержание полезных элементов (, Р, ) в них на один - два порядка ниже, чем в твердых удобрениях. Для использования сухих твердых удобрений требуются машины для транспортировки и внесения(разбрасывания). Они стойки к вымыванию в нижний слой почвы. Их внесение в почву возможно на протяжении всего года. По содержанию полезных элементов твердые удобрения превосходят жидкие удобрения. Эта биогазовая установка достаточно сложна конструктивно(биореактор с газгольдером совмещены, в нем размещены две рамные мешалки и два шнека по корытообразному дну), обладает рядом технологических и потребительских недостатков. Установка не скомпонована в рациональный модульный ряд из-за нерешенности этой технической задачи. Перечисленные недостатки ограничивают практическое использование этой биогазовой установки, делают ее нецелесообразной и требуют их устранения. Каждая свалка твердых бытовых отходов (ТБО) представляет собой биореактор внутри которого идут микробиологические и анаэробные процессы даже с низким содержанием влаги Матвеев В.А. Возобновляемые источники энергии. Биомасса. Биогазовые технологии и установки. - Алматы Издательство Бастау, 2009, с. 136. Недостатком такого биореактора является длительность процесса,который протекает стихийно и бесконтрольно. В нем отсутствуют подогрев, перемешивание, система выгрузки удобрения и отвода биогаза. Задачей группы предлагаемых изобретений является создание биогазовой установки,состоящей из суммы технологий с расширением потребительских возможностей и ассортимента выпускаемой продукции повышение эксплуатационной надежности улучшение технологического процесса увеличение выхода сухого твердого удобрения. Справочный материал. В биореакторе постоянно (непрерывно) идет процесс образования и выделения биогаза и поступление его в газгольдер. Однако во время эксплуатации происходит непредвиденное повреждение и неожиданный выход биореактора из строя. Ремонт,замену основных частей и другие технические мероприятия с биореактором можно производить только во время остановки в нем технологического процесса. При этом необходимо охладить субстрат,удалить биогаз и удобрение, очистить и вымыть биореактор, а затем проводить технические мероприятия. Для упрощения эксплуатации, обеспечения высокой надежности по выработке биогаза и удобрения, а также сокращения времени на устранение технологического процесса необходимо иметь ряд постоянно работающих биореакторов,состоящих из отдельных функционально самостоятельных модулей с объемами 5, 15, 45 м 3 и более, обладающих свойством заменяемости. Технический результат заключается в решении этих технологических и технических задач. Технический результат достигается за счет внесения ряда конструктивных и технологических изменений в биогазовую установку. Новым в биогазовой установке является введение таких основных частей, как емкости для подготовки субстрата обезвоживающего устройства и оборудования для очистки биогаза от примесей,наличие которых расширяет ассортимент готовой продукции (метан, углекислый газ, электроэнергия,твердое удобрение) оснащение биогазовой установки рациональным модульным набором биореакторов с объемами от 5, 15, 45 м 3 и более и использование газгольдеров низкого или высокого давления, которые повышают надежность в работе использование пастообразных отходов влажностью 7075, что повышает выход сухих твердых удобрений создание вращающихся биореактора и лопастного теплообменника внутри. В таком биореакторе созданы наилучшие условия для перемешивания пастообразных отходов, взаимного перераспределения микроорганизмов, подвижности бактерий и газовых пузырей в них. В конкретном исполнении биогазовая установка дополнительно содержит технологическую емкость 2 для подготовки субстрата обезвоживающее устройство оборудование для очистки биогаза для получения электроэнергии и использования его в двигателях внутреннего сгорания приборы контроля по управлению и безопасности при этом в топливном котле установлен керамический излучатель кроме того биореактор выполнен вращающимся (роторным) и внутри снабжен лопастным теплообменником, при этом биореактор и лопастной теплообменник вместе перемешивают отходы влажностью 7075. В конкретном исполнении биогазовая установка содержит роторный биореактор объемом 90 м 3,который, при отсутствии централизованного энергоснабжения,способен автономно и самостоятельно работать и обеспечить получение удобрения и биогаза. Это количество биогаза будет достаточно, как для поддержания необходимого температурного режима в биореакторе (собственные нужды), так и для приготовления пищи для членов семьи из 4 человек и обогрева жилого помещения площадью до 120 м 2 (бытовые нужды). Справочный материал. Рабочий объем биореактора - это объем субстрата, который составляет 2/3 части от геометрического объема биореактора. Если биореактор работает в штатном режиме, то с 1 м 3 субстрата выделяется примерно 2 м 3 биогаза в сутки. Биореактор объемом 90 м 3 легко достичь с помощью рационального модульного набора биореакторов с объемами 5,15,45 м 3. В конкретном исполнении биогазовая установка включает роторный биореактор, который не имеет совмещенных устройств газгольдера, систем загрузки и выгрузки. В конкретном исполнении биогазовая установка содержит роторный биореактор,который установлен на опорах, снабжен смотровым окном и приборами контроля. В конкретном исполнении биогазовая установка имеет роторный биореактор, который снабжен приводом и направляющими роликами. В конкретном исполнении биогазовая установка включает роторный биореактор, который имеет газоотводящую трубу, установленную в газовой полости и выведенную из нее наружу через неподвижную часть втулки и соединенную с газовым насосом и газгольдером. В конкретном исполнении модульная биогазовая установка содержит биогазовую установку, которая имеет, как минимум, два самостоятельных роторных биореакторов,обладающих свойством заменяемости. В конкретном исполнении модульная биогазовая установка имеет общую технологическую емкость для подготовки субстрата, общий топливный котел,общее обезвоживающее устройство,общее оборудование для очистки биогаза от примесей сероводорода и углекислого газа и соответствующие общие трубопроводы. На фиг.1 изображена общая схема модульной биогазовой установки на фиг. 2 - схема роторного биореактора на фиг.3 - схема лопастного теплообменника, вид сбоку на фиг. 4 - схема лопастного теплообменника, вид сверху на фиг. 5 разрез А - А на фиг. 4. Биогазовая установка на фиг. 1 содержит накопитель отходов 1 технологическую емкость 2 для подготовки субстрата (измельчение, нагрев,разбавление водой и др.) роторный биореактор 3(модульное исполнение) газгольдер 4 высокого или низкого давления топливный котел 5 с керамическим излучателем обезвоживающее устройство 6 оборудование для очистки биогаза 7 для получения электроэнергии и использования в двигателях внутреннего сгорания (наш патент 22509, 2010) и приборы контроля и техники безопасности. Биогазовая установка работает следующим образом. Отходы с влажностью 7075 предварительно подготавливают в емкости 2 и подают в роторный биореактор 3. Биогаз хранится в газгольдере 4 низкого или высокого давления, из которого он поступает в топливный котел 5. Излишки биогаза для очистки от примесей подаются в оборудование 7 для получения электроэнергии и использования в двигателях внутреннего сгорания. Для поддержания рабочей температуры 3237(мезофильный режим) или 5055 (термофильный режим) в биореакторе и компенсации тепловых потерь используют лопастной теплообменник,который соединен с топливным котлом 5. В котле установлен специальный керамический излучатель(перфорированная керамическая плитка). Использование керамического излучателя в конструкции топливного котла повышает качество горения, надежность и устойчивость пламени. В такой горелке достигается полное сгорание газа, что позволяет экономить расход газа до 50. В такой горелке трудно погасить пламя. Оно гаснет только от перекрытия доступа газа, т.е. от отключения горелки. Удобрение обезвоживают и сушат известными способами. Например, используют обезвоживающее устройство 7 или метод изготовления и сушки саманного кирпича с последующим его размолом. Сухое и твердое удобрение затаривают в упаковочную тару, а жидкую фракцию в цистерны. Анаэробная переработка отходов животного и растительного происхождения в биореакторе уничтожает патогенную микрофлору, семена сорняков и яйца гельминтов трансформирует отходы в комплексные экологически чистые органические удобрения, в которых присутствуют основные питательные вещества (азот, фосфор,калий), а также микроэлементы и в достаточном количестве гуминовые и фуллиевые кислоты и их соли. Эти удобрения обеспечивают получение экологически чистой сельскохозяйственной продукции высокого качества. Роторный биореактор 1 на фиг. 2 включает патрубки загрузки отходов 2 и выгрузки удобрения 3 патрубок газоотводящей трубы 4 для отвода биогаза в газгольдер лопастной теплообменник 5 посредством которого происходит перемешивание субстрата 6 газовую полость 7 в которой размещена 3 газоотводящяя труба 4 патрубки ввода 8 и вывода 9 теплоносителя шарикоподшипники 10 неподвижные втулки 11 привод 12 передаточный механизм 13 приводной вал 14 смотровое окно 15 ролики 16 направляющие 17 опоры 18 и теплоизоляцию 19. Роторный биореактор работает следующим образом. Подготовленные отходы поступают через патрубок загрузки 2 в периодически вращающийся биореактор 1, который вместе с лопастным теплообменником 5 перемешивают отходы. Биогаз собирают в газовой полости 7 и удаляют через газоотводящую трубу 4 в газгольдер. Процесс контролируют через смотровое окно 15 и приборы контроля и безопасности. Самоочистка поверхности лопастного теплообменника обеспечена благодаря вращению биореактора. Механизм вращения биореактора обеспечен соответствующим комплексом технических средств подшипниками 10, приводом 12, передаточным механизмом 13,приводным валом 14,направляющими 17. Роторный биореактор установлен на опорах 18 и имеет теплоизоляцию 19. Под действием центробежных сил созданы вращательные круговые движения субстрата в биореакторе, происходит перемешивание отходов и взаимное перераспределение микроорганизмов,созданы наилучшие условия для равномерного теплообмена, жизнедеятельности и подвижности микроорганизмов и газовых пузырей. Предлагаемая группа изобретений позволяет изготовить более рациональную и надежную по конструкции и более эффективную по технологическому процессу биогазовую установку и эффективно ее использовать за счет модульного набора биореакторов. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Биогазовая установка для обеззараживания отходов и получения экологически чистого удобрения и метана, включающая биореактор,снабженный теплообменником, системой загрузки и выгрузки,перемешивающим устройством,теплоизоляцией, газоотводной трубой топливный котел и газгольдер, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит технологическую емкость для подготовки субстрата обезвоживающее устройство оборудование для очистки биогаза для получения электроэнергии и использования его в двигателях внутреннего сгорания приборы контроля по управлению и безопасности при этом в топливном котле установлен керамический излучатель биореактор выполнен вращающимся(роторным) и внутри снабжен лопастным теплообменником, при этом биореактор и лопастной теплообменник вместе перемешивают отходы влажностью 7075. 2. Биогазовая установка по п.1, отличающаяся тем,что содержит несколько роторных биореакторов, каждый из которых при отсутствии централизованного энергоснабжения способен автономно и самостоятельно работать и обеспечить получение биогаза и удобрения. 3. Биогазовая установка по п.1, отличающаяся тем, что роторный биореактор не имеет совмещенных устройств газгольдера, систем загрузки и выгрузки. 4. Биогазовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что роторный биореактор установлен на опорах, снабжен смотровым окном и приборами контроля. 5. Биогазовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что роторный биореактор снабжен приводом и направляющими роликами. 6. Биогазовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что роторный биореактор имеет газоотводящую трубу, установленную в газовой полости и выведенную из нее наружу через неподвижную часть втулки и соединенную с газовым насосом и газгольдером. 7. Модульная биогазовая установка, содержащая биогазовую установку по п. 1, отличающаяся тем,что она имеет, как минимум, два самостоятельных роторных биореактора, обладающих свойством заменяемости. 8. Модульная биогазовая установка по п.7,отличающаяся тем, что она имеет общую технологическую емкость для подготовки субстрата,общий топливный котел, общее обезвоживающее устройство, общее оборудование для очистки биогаза от примесей сероводорода и углекислого газа и соответствующие общие трубопроводы.