Биогазовая установка

 

Изобретение относится к технике комплексной утилизации сточных вод и может быть использовано на свинофермах при переработке смываемого навоза с получением метана, белково-витаминной добавки, тяжелой воды, биоудобрения. Биогазовая установка содержит метантенк, у которого камера кислого брожения сообщена со сборником жидкого навоза, камера метанового брожения по шламу для его обезвоживания связана с ленточным пресс-фильтром, по биогазу - с газосборником, а по бражке и биогазу - с камерой ферментолиза, в которой установлены поперечные перфорированные перегородки, образующие секции, соединенные одна с другой переливными трубами. Нижняя секция камеры ферментолиза сообщена с центробежным микрофильтром и ленточным пресс-фильтром, а по избыточной биомассе и отжатой воде сборника ленточного пресс-фильтра - с динамическим дезинтегратором, по оси которого размещен ротор с глухими отверстиями, взаимодействующими через кольцевой канал с отверстиями перфорированного кольца, образующего с корпусом динамического дезинтегратора замкнутую полость, сообщенную с последующими ступенями динамического дезинтегратора и сборником тяжелой воды. Выходной патрубок динамического дезинтегратора сообщен с верхней секцией камеры ферментолиза. Изобретение обеспечивает повышение концентрации метана в биогазе. 1 ил.

Изобретение относится к технике комплексной утилизации сточных вод товарных свиноферм с гидросмывом и гидросплавом навоза с выработкой метана /CH₄/, белково-витаминной добавки /БВД/, тяжелой воды /Д₂О/, биоудобрения /БE/.

Известна биогазовая установка, включающая метантенк /МТ/ с камерами: кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженными диспергаторами в виде взаимодействующих через кольцевой канал волновых цилиндрических поверхностей корпуса и ротора, причем камера кислого брожения сообщена со сборником жидкого навоза, а камера метанового брожения по шламу сообщена с ленточным пресс-фильтром /ЛПФ/ для его обезвоживания, а по биогазу - с газосборником /патент РФ N 2102468, кл. C 12 M 1/00, 1995/, недостатком которого является низкое содержание метана в биогазе, порядка 65-75%, что не позволяет применять его в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания /ДВС/.

Цель изобретения - повышение концентрации метана в биогазе достигается тем, что камера метанового брожения МТ сообщена по бражке и биогазу с камерой ферментолиза /КФ/, включающей корпус со светопроницаемыми стенками и светильниками, установленные в корпусе поперечные перфорированные перегородки /ППП/, образующие секции, соединенные друг с другом переливными трубами для перемещения бражки сверху вниз и напорного перемещения биогаза через ППП снизу вверх, причем нижняя секция КФ сообщена с центробежным микрофильтром /ЦМФ/ и ленточным пресс-фильтром /ЛПФ/, а по избыточной биомассе и отжатой воде сборника ЛПФ - с динамическим дезинтегратором /ДД/, включающим патрубки входа и выхода, размещенный по оси ДД ротор с глухими отверстиями, выполненными в кольце магнитофора на основе каучука с ферромагнитным наполнителем, намагниченным индуктором-магнитофором, причем глухие отверстия в кольце магнитофора взаимодействуют через кольцевой канал с отверстиями перфорированного кольца, образующего с корпусом ДД замкнутую полость, изолированную от патрубков входа и выхода и сообщенную патрубком с последующими ступенями ДД и сборником тяжелой воды /Д₂О/, а патрубок выхода ДД сообщен с верхней секцией КФ.

Фотосинтезирующие микроводоросли, в том числе хлорелла, исчерпывают из биогаза диоксид углерода для построения своей клеточной биомассы, а фотосинтезирующие серобактерии исчерпывают сероводород с переводом его в элементарную серу - микроэлемент питания микроводорослей. При дезинтеграции освобождается содержимое клеток микроводорослей с освобождением ферментов, разлагающих воду 2H₂O--->2H₂+O₂, причем водород преобразует диоксид углерода в метан CO₂ + 4H₂ ---> CH₄ +2H₂O.

В результате ферментолиза масса метана на 20-30% превышает массу распада беззольной органики свиного навоза. За счет ферментов микроводоросли ассимилируют тяжелую воду /Д₂О/ до концентрации 0,4- 0,6% их биомассы. При последующей дезинтеграции ассоциатов молекул тяжелой /Д₂О/ и легкой /H₂O/ воды в ДД концентрация доводится до 90-95%, что позволяет использовать ее для распада в термоядерных дейтериевых реакторах, причем распад 1 кг дейтерия эквивалентен по количеству энергии сжиганию 10000 т угля. Получаемый после обработки микроводорослями практически чистый метан после осушки используют в качестве горючего в ДВС.

На чертеже схематически показана установка комплексной утилизации жидкого навоза с применением биогазовой.

Биогазовая установка включает МТ 1 с камерами: 2 - кислого, 3 - нейтрального, 4 - щелочного, 5 - метанового брожения, снабженными диспергаторами 6 в виде взаимодействующих через кольцевой канал 7 волновых цилиндрических поверхностей корпуса 8 и ротора 9, причем камера 2 - кислого брожения сообщена со сборником 10 жидкого навоза, а камера 5 метанового брожения по шламу сообщена с ЛПФ 11 для его обезвоживания, а по биогазу - с газосборником 12. Камера 5 метанового брожения МТ 1 сообщена по бражке и биогазу с КФ 13, включающей корпус КФ 13 со светопроницаемыми стенками и светильниками 14, установленные в корпусе КФ 13 ППП 15, образующие секции 16, соединенные друг с другом переливными трубами 17 для перемещения бражки сверху вниз и напорного перемещения снизу вверх биогаза через ППП 15.

Причем нижняя секция 16 КФ 13 сообщена с ЦМФ 18 и ЛПФ 19, а по избыточной биомассе и отжатой воде сборника 20 ЛПФ 19 сообщена с ДД 21, включающим патрубки: 22 - входа, 23 - выхода, размещенный по оси ДД 21 ротор 24 с глухими отверстиями 25, выполненными в кольце 26 магнитофора на основе каучука с ферромагнитным наполнителем, намагниченным индуктором-магнитофором, причем глухие отверстия 25 в кольце 26 магнитофора взаимодействуют через кольцевой канал 27 с отверстиями 28 перфорированного кольца 29, образующего с корпусом ДД 21 замкнутую полость 30, изолированную от патрубков входа 22 и выхода 23 и сообщенную патрубком 31 с последующими ступенями ДД 32 и 33 и сборником Д₂О 34, а патрубок выхода 23 ДД 21 сообщен с верхней секцией 16 КФ 13.

Биогазовая установка при комплексной утилизации свиного навоза работает следующим образом.

Свиной навоз гидросмывом и гидросплавом поступает из помещения товарной свинофермы в сборник 10 с содержанием биогеноза: порядка 10 кг азота, 3 кг калия и около 1 кг фосфора на 1 тонну. Причем содержание азота почти в 2 раза превышает содержание углерода и в сборнике 10 осуществляют корректирование путем ввода измельченных растительных остатков, чтобы соотношение между углеродом и азотом составляло 20:1. Подготовленный субстрат последовательно сбраживают в камерах 2-5 МТ 1 в его жидкостной полости, составляющей 4/5 объема МТ 1. Под воздействием кислотогенов, ацетогенов, ацетогидрогенов. . . метаногенов на частицах субстрата образуются паровые и газовые оболочки, препятствующие доступу микрофлоры к биогенозу частиц субстрата. Одновременно под воздействием паровых и газовых оболочек взвеси флотируются с выносом их в верхнюю часть полости МТ. Для разрушения паровых и газовых оболочек, препятствующих анаэробному сбраживанию субстрат обрабатывают в камерах МТ 1 диспергаторами 6.

При перемещении по кольцевому каналу 7 между цилиндрическими волновыми поверхностями корпуса 7 и ротора 9 в поле центробежных сил осуществляется разрушение паровых и газовых оболочек с одновременным измельчением взвесей до размеров, сопоставимых с размерами микрофлоры. Субстрат забирают диспергаторами 6 в верхней части, предупреждая коркообразование, а выбрасывают в нижнюю часть камер 2-5. При вращения ротора 9 субстрату сообщается скоростной напор, который в кольцевом канале 7 переходит в статический, который вновь волновыми поверхностями ротора 9 переводится в скоростной.

Пульсация напоров приводит к потере энергии напоров и трансформации ее в тепловую с нагревом субстрата. Использование диспергаторов 6 исключает потребность в установке в камерах 2-5 теплообменников и необходимость стабилизировать температурный режим сбраживания, чтобы колебания температуры не превышали одного градуса в сутки, с отключением диспергаторов 6 от реле температуры /на чертеже не показаны/.

При обработке взвесей анаэробами образуется шлам, который отбирают из камеры 5, отжимают на ЛПФ 11 и после сушки полученное биоудобрение упаковывают. БУ является товарной продукцией утилизации свиного навоза, причем после обработки анаэробами БУ лишается неприятного запаха и приобретает запах свежей земли. На выходе из МТ 1 биогаз содержит порядка 65-75% метана /CH₄/, что не позволяет его использовать в качестве горючего в ДВС. Для исчерпывания диоксида углерода и сероводорода биогаз обрабатывают в КФ 13 потоком бражки, отбираемой из камеры 5, перемещающейся сверху вниз через переливные трубы 17 по секциям 16. Биогаз, подводимый напорно, барботирует слой бражки, на которой выращивают хлореллу и фотосинтезирующие бактерии, в частности серобактерии. За счет адаптации к изменению биогеноза в бражке по высоте КФ 13 происходит автоселекция, т.е. на ППП 15 культивируются микроорганизмы, приспособленные к обеднению бражки биогенозом, а неприспособленные отмирают и выносятся через переливные трубы 17.

Одновременно микрофлора вырабатывает в результате автоселекции способность использовать в качестве биогенеза продукты жизнедеятельности /метаболиты/ вышележащей микрофлоры нижележащей по ходу перемещения бражки, т.е. вырабатывается способность к сукцессии.

Воду из нижней секции 16 КФ 13 отбирают в ЦМФ 18 с отделением биомассы, избыточную часть которой отжимают на ЛПФ 19, и после сушки и упаковки получают товарную массу БВД, содержащую до 50% белка, витамины, в том числе витамин ₁₂. По вкусу БВД напоминает тыквенные семечки. Отжим из сборника 20 ЛПФ 19 и биомасса из ЦМФ 18 через патрубок 22 поступает в ДД 21 и обрабатывается в кольцевом канале 27. При вращении ротора 24 вода со взвешенной в ней микрофлорой выбрасывается из глухих отверстий 25 в виде жидкостного поршня. Между жидкостным поршнем и днищем глухого отверстия 25 возникает при опорожнении разрежение, и в воде появляются пузырьки пара, которых конденсируются в кольцевом канале 27. Объем конденсата в тысячу раз меньше объема пара, и в воде появляются пустоты, которые схлопываются с гидравлическими ударами, разрушая оболочки микрофлоры, являющиеся центрами конденсации.

При дезинтеграции содержимое клеток микрофлоры /нуклеиновые кислоты, ферменты, микроэлементы, витамины и тяжелая вода/ переходят в воду. Дезинтеграт после отделения тяжелой воды является биогенезом фотосинтеза в КФ 13, причем ферменты обеспечивают накопление в микрофлоре порядка 0,4-0,6% тяжелой/Д₂О/ воды. При перемещении по кольцевому каналу 27 за счет нуклеиновых кислот происходит изменение структуры ассоциатов молекул тяжелой и легкой воды с превращением в линейные цепи макромолекул, водородные связи между которыми разрываются. Ассоциаты молекул тяжелой воды, плотность которой на 10% превышает плотность легкой, под действием центробежной силы проходят через отверстия 28 в перфорированном кольце 29 в полость 30 и накапливаются в ней, так как выходу тяжелой воды в кольцевой канал 27 препятствует ее вязкость, на 23% превышающая вязкость легкой. За счет обогащения воды нуклеиновыми кислотами дезинтеграта повышается скользкость воды, а соответственно в 1,5-2 раза повышается ее скорость перемещения в кольцевом канале 27.

При прохождении воды над отверстиями 28 перфорированного кольца 29 возникают разрежения с образованием в воде, заполняющей кольцевой канал 27, при повышенных скоростях паровых пузырьков, которые конденсируются в перемычках между отверстиями 28 с образованием пустот, последующим их схлопыванием и дезинтеграцией ассоциатов молекул тяжелой и легкой воды. Выполнение ротора 24 с кольцом 26 из магнитофора приводит к появлению временных ассоциативных образований с появлением структур, способствующих дезинтеграции тяжелой и легкой воды. При опорожнении глухих отверстий 25 в кольцевом канале 27 скоростной напор переходит в статический.

При более высоком статическом напоре вода вновь заполняет глухие отверстия 25. Такие пульсации напоров приводят к нагреву воду. Тяжелая вода кипит при температуре 101,42^oC. Она труднее испаряется и быстрее конденсируется, т.е. наряду с динамической дезинтеграцией осуществляется в ДД 21 статическая тепловая дезинтеграция ассоциатов тяжелой и легкой воды. Дополнительную дезинтеграцию ассоциатов молекул тяжелой и легкой воды осуществляют в ДД 32 и 33. Количество ступеней ДД выбирают из условия доведения концентрации тяжелой воды в сборнике 34 до 90-95% для последующего использования в термоядерном реакторе /на чертеже не показан/.

Термоядерный распад 1 кг дейтерия по тепловому эквиваленту заменяет сжигание 10000 т угля. На выходе из КФ 13 в сборнике 12 получают практически чистый метан, его теплотворная способность составляет порядка 8000-10000 ккал/кг. 1,2 м³ газа эквивалентен 1 л бензина, после сжатия под давлением 20-35 МПа в баллоне 50 л вмещается 10 м³ газа.

Перевод ДВС с бензина на метан после установок утилизации навоза сохраняет грузоподъемные, динамические и эксплуатационные качества. В 2 раза повышается межремонтный ресурс ДВС, на 15% сокращается расход смазочных материалов, выхлоп становится экологически безопасным /водяной пар и диоксид углерода/. Особенно перспективно использование сжиженного метана после установок утилизации в авиации, так как его плотность, в 2 раза меньше плотности керосина, т.е. возрастает грузоподъемность, увеличивается дальность полетов.

Утилизация навоза наряду с улучшением экологической обстановки вокруг товарных свиноферм за счет выработки товарной тяжелой воды /Д₂О/, биоудобрения /БУ/, белково-витаминной добавки /БВД/, метана /CH₄/ снижает себестоимость производства свинины и продуктов ее переработки, улучшает условия приготовления корма и его расхода.

Формула изобретения

Биогазовая установка, включающая метантенк с камерами кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженными диспергаторами в виде взаимодействующих через кольцевой канал волновых цилиндрических поверхностей корпуса и ротора, причем камера кислого брожения сообщена со сборником жидкого навоза, камера метанового брожения по шламу для его обезвоживания сообщена с ленточным пресс-фильтром, а по биогазу - с газосборником, отличающаяся тем, что камера метанового брожения сообщена по бражке и биогазу с камерой ферментолиза, включающей корпус со светопроницаемыми стенками и светильниками, установленные в корпусе камеры ферментолиза поперечные перфорированные перегородки, образующие секции, соединенные друг с другом переливными трубами для перемещения бражки сверху вниз и напорного перемещения снизу вверх биогаза через поперечные перфорированные перегородки, при этом нижняя секция камеры ферментолиза сообщена с центробежным микрофильтром и ленточным пресс-фильтром, а по избыточной биомассе и отжатой воде сборника ленточного пресс-фильтра - с динамическим дезинтегратором, включающим патрубки входа и выхода, размещенный по оси динамического дезинтегратора ротор с глухими отверстиями, выполненными в кольце магнитофора на основе каучука с ферромагнитным наполнителем, намагниченным индуктором-магнитофором, причем глухие отверстия в кольце магнитофора взаимодействуют через кольцевой канал с отверстиями перфорированного кольца, образующего с корпусом динамического дезинтегратора замкнутую полость, изолированную от патрубков входа и выхода и сообщенную патрубком с последующими ступенями динамического дезинтегратора и сборником тяжелой воды, а патрубок выхода динамического дезинтегратора сообщен с верхней секцией камеры ферментолиза.

РИСУНКИ

Рисунок 1