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 10°С до 60°С, 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 92±2%, 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 1°С.

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