Способ производства биогаза из сельскохозяйственных отходов и биогазовая установка для его осуществления
Владельцы патента RU 2463761:
Общество с ограниченной ответственностью "Инженерный центр "Прогресс" (RU)
Изобретение относится к области переработки органических отходов сельскохозяйственных животных, растениеводства и пищевой промышленности. Способ производства биогаза из сельскохозяйственных отходов включает предварительную гомогенизацию отходов, последующую сепарацию отходов на компоненты, подачу биологически разлагаемых компонентов отходов в резервуар производства биогаза и последующее раздельное или совместное использование компонентов и биогаза. Предварительная гомогенизация отходов производится периодически в закрытом объеме с подачей равными порциями на сепарацию, в процессе сепарации отходов на компоненты часть жидкой фракции отводят самотеком для самостоятельного использования, а перед подачей биологически разлагаемых компонентов отходов в резервуар производства биогаза в их состав добавляют твердое органическое вещество и образуют из них ферментную массу. Массу подают в резервуар производства биогаза. Перед сепарацией порцию отходов разделяют на две неравные части, большую из которых направляют на сепарацию, а меньшую напрямую в резервуар производства биогаза. Изобретение позволяет повысить производительность биогазового комплекса и равномерность режима его работы в условиях значительного изменения климатических условий и характеристик исходного сырья с одновременным обеспечением надежности работы резервуара производства биогаза в условиях значительного понижения температуры окружающей среды. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.
Группа изобретений относится к области переработки органических отходов сельскохозяйственных животных, растениеводства и пищевой промышленности в высокоэффективные органические удобрения, биогаз, тепловую и электрическую энергию в условиях животноводческих комплексов, производств пищевой промышленности, а также индивидуальных и фермерских хозяйств.
Известна установка для метанового сбраживания навоза (SU, АС №1549496, А01С 3/00, 15.03.1990), содержащая приемную емкость, сообщенную с цилиндрическим реактором, имеющим газовый колпак, средство отбора биогаза, устройство гидродинамического перемешивания сбраживаемой массы. Выгрузная емкость установки выполнена в виде гидравлического затвора, сообщенного с приемной емкостью и реактором.
Недостатком известного технического решения является его сложность и малая степень надежности в процессе эксплуатации.
Также известна установка для переработки отходов животноводства в удобрения (RU №2048722, А01С 3/02, 02.02.1993), содержащая усреднитель, соединенный посредством насоса с метантенком, узел разделения сброженной массы на фракции, устройство для обезвоживания твердой фракции и средство обеззараживания жидкой фракции, приспособление для нагрева отходов, газгольдер, насос, трубопроводы и необходимые входные и выходные патрубки. Установка снабжена фильтром очистки биогаза, кислотогенным реактором, который своим входным патрубком соединен с выходным патрубком отходов основного теплообменника, а выходным с упомянутым узлом разделения сброженной массы на фракции, а также дополнительным теплообменником и средством обеззараживания твердой фракции, при этом дополнительный теплообменник соединен с патрубком отвода жидкой фракции указанного узла разделения посредством насоса, а средство обеззараживания твердой фракции установлено на входе устройства для ее обезвоживания и выполнено в виде смесителя, сообщенного с бункером для негашеной извести.
Недостатком известной установки является недостаточный уровень ее эффективности вследствие невысокой степени использования получаемой собственной тепловой и электрической энергии, а также невозможности снижения уровня эмиссии парниковых газов и создания дополнительных источников кормовой базы животноводческого комплекса.
Известна биогазовая установка для переработки навоза, включающая приемную емкость, гидрогерметизатор, газовый колпак, манометр, устройство подогрева и отбора газа. Приемная емкость выстлана чехлом из водонепроницаемого материала с армированным дном и жестко закрепленным верхним краем. Чехол является подвижным, так как армированное дно чехла связано с подъемным механизмом, при этом дно чехла опирается на решетку, под которой расположено устройство подогрева в водяной рубашке. Гидрогерметизатор снабжен выгрузным трубопроводом, конец которого находится выше уровня выгрузной площадки (RU №2286038, А01С 3/02, 11.05.2004).
Недостатками этой установки являются высокие энергозатраты, невозможность получения собственной электрической и тепловой энергии, высококачественных сухих и эффективных быстродействующих жидких биоорганических удобрений, а также низкая производительность, что ограничивает возможности ее использования (только мелкие хозяйства).
Также известна установка для переработки отходов животноводства и производства удобрений (RU №2056393, C05F 3/06, 19.03.1993), содержащая блоки нейтрализации и очистки, компремирования и хранения газа, первый из которых выполнен в виде последовательно установленных накопителя навоза с жидкостным разбавителем и насосом подачи, теплообменника, метантенка и сепаратора с магистралями вывода твердой и жидкой фракций, подключенными соответственно через насосы-активаторы к потребителю и отстойнику, при этом перед матантенком на линии подачи подогретого навоза установлен газожидкостный эжектор, а в метантенке установлен эрлифтный барботер, соединенный по входу с выходом газожидкостного эжектора, вход которого по газу соединен с выходом блока компремирования и хранения газа.
Недостатком известного технического решения является невозможность получения собственной электрической и тепловой энергии, достаточной для обеспечения функционирования биогазового комплекса и потребителя, а также невозможность получения дополнительных кормовых средств для животноводческого комплекса.
Также известна установка для анаэробного сбраживания органических отходов с получением биогаза (RU №2073360, C02F 11/04, 19.12.1994), содержащая не менее двух камер брожения, например, биореактор кислотогенной стадии брожения и метантенк, соединенных по линии отбора биогаза с газгольдером, подводящие и отводящие трубопроводы, элементы регулирования и поддержания температуры в камерах брожения, резервуары предварительной подготовки отходов и готовых удобрений, подводящие и отводящие трубопроводы. Установка снабжена энергетическим блоком для получения тепловой и электрической энергии, к входу по биогазу которого подключен выход газгольдера, элементы регулирования и поддержания температуры первой камеры брожения подключены с одной стороны к отводящему трубопроводу с метановой бражкой второй камеры брожения, а с другой - к резервуару готовых условно жидких удобрений, а указанные элементы второй камеры брожения подключены с одной стороны к входу по воде энергетического блока, а с другой -через потребитель тепла к его выходу по воде.
Недостатками известного технического решения является невозможность получения высококачественных сухих (компост) и эффективных быстродействующих жидких биоорганических удобрений, а также невозможность получения дополнительного источника кормовой базы животноводческого комплекса.
Также известна биогазовая установка анаэробного сбраживания органических отходов, преимущественно навоза (RU №2074600, А01С 3/02, 26.01.1993), включающая реактор, выполненный в виде емкости с лопастной мешалкой, установленной на горизонтальной оси вращения, узлы загрузки и выгрузки отходов и сборник биогаза, при этом емкость установки снабжена дополнительными лопастными мешалками и выполнена многосекционной, дно емкости расположено с наклоном в сторону узла выгрузки, узлы загрузки и выгрузки снабжены ленточными транспортерами с приводами, а мешалки установлены в каждой секции емкости и имеют общий привод, выполненный в виде цепной передачи, кинематически связанной с приводом ленточного транспортера узла загрузки.
Также известна биогазовая установка (RU №75908, А01С 3/02, 09.04.2008), которая содержит приемную емкость, образованную земляным валом и облицованную неподвижным чехлом из теплоизоляционного материала, края которого уложены в углубление кольцевого гидрогерметизатора. Емкость снабжена вертикальной и наклонной мешалками, загрузочным и выгрузным трубопроводами. Непосредственно над биомассой расположен теплоизоляционный редко перфорированный экран, края которого уложены в углубление кольцевого гидрогерметизатора. Газовый колпак (газгольдер) установки выполнен из полимерного материала, края которого закручены в виде кольцевого накопителя балластной воды и уложены в углубление кольцевого гидрогерметизатора. Кольцевой накопитель оснащен заливным и сливным патрубками и системой подогрева балластной воды. Кольцевой гидрогерметизатор заполнен водой, а в днище емкости установлена дренажная труба.
Недостатками двух последних технических решений являются невозможности получения собственной электрической и тепловой энергии, высококачественных сухих и эффективных быстродействующих жидких биоорганических удобрений, а также отсутствие дополнительных источников кормовой базы животноводческого комплекса.
Также известны автономные биоэнергетические установки, содержащие биореактор с механической мешалкой и системой автоматического управления, водогрейный котел, загрузочную емкость, фекальный насос, газгольдер, емкость для хранения удобрений, биогазоэлектрогенератор, а также бойлер для горячей воды (журнал АгроРынок, №1, 2007 г.).
Недостатком известных установок является невозможность получения высококачественных сухих (компост) и эффективных быстродействующих жидких биоорганических удобрений и отсутствие источника создания собственной кормовой базы животноводческого комплекса.
Также известен биогазовый комплекс, содержащий сепаратор, сообщающийся с осушителем и проточным резервуаром с водными растениями, блок управления и питания, подключенный к элементам комплекса, компостер, последовательно соединенные между собой магистралями приемную емкость с насосом, дополнительный сепаратор, измельчитель, эжектор, накопитель, дополнительный насос, метантенк, газгольдер, фильтр и когенерационную установку, при этом основной и дополнительный сепараторы посредством дополнительных магистралей сообщены с осушителем и компостером соответственно, метантенк - с основным сепаратором, фильтр - с проточным резервуаром с водными растениями, а выход когенерационной установки подключен к потребителю тепловой и электрической энергии и элементам регулирования и поддержания температуры, установленным в накопителе, проточном резервуаре и осушителе. В известном комплексе приемная емкость выполнена в виде открытого резервуара, измельчитель - электроискровым, эжектор - газожидкостным, проточный резервуар - в виде проточного сосуда и/или многосекционного проточного бассейна, секции которого выполнены сообщающимися или изолированными друг от друга с размещенными в них водными растениями одного или различных видов и представляющими собой водный гиацинт и/или макро- и микрорастения (RU №85293, А01С 3/02, 07.04.2009).
Недостатком известного биогазового комплекса является его недостаточная эффективность, обусловленная скоплением излишков бактериальной среды, размещенной на установленном в метантенке пористом носителе, что приводит к снижению активности протекающих реакций и снижению активизации процесса биодеградации органических и неорганических соединений.
Известен биогазовый комплекс, содержащий сепаратор, сообщающийся с осушителем и проточным резервуаром с водными растениями одного или различных типов или представляющих собой водный гиацинт и/или макро- и микрорастения, выполненным в виде проточного сосуда и/или проточного бассейна, открытым или крытым, одно- или многосекционным, секции которого сообщены или изолированы друг от друга, компостер, последовательно соединенные между собой магистралью приемную емкость с насосом, выполненную в виде открытого или закрытого резервуара, дополнительный сепаратор, электроискровой измельчитель, газожидкостной эжектор, накопитель, дополнительный насос, метантенк, представляющий собой сообщенные между собой наклонный трубопровод с картриджами из пористого материала и башню, газгольдер, фильтр и когенерационную установку, установленные в корпусе башни, жестко связанные с ним и выполненные перфорированными основание и крышку, размещенный между основанием и крышкой и предназначенный для размещения бактериальной среды пористый эластичным носитель, установленные в один или несколько рядов по высоте баллоны, жестко связанные с внутренней боковой стенкой корпуса башни с возможностью взаимодействия с пористым эластичным носителем и друг с другом, радиальные магистрали, каждая из которых сообщена с одним из баллонов соответствующего ряда, уровневые магистрали, сообщенные с радиальными магистралями и охватывающие корпус башни, последовательно установленные и сообщенные между собой центральную магистраль, выполненную с отводами, имеющими каждый дистанционно управляемый вентиль, второй дополнительный насос, резервуар с нагревательным устройством и водой, и трехпозиционный переключатель, дополнительно сообщенный с резервуаром посредством сливной магистрали, дополнительные магистрали, посредством которых основной и дополнительный сепараторы сообщены с осушителем и компостером соответственно, внутренняя полость башни - с сепаратором, фильтр - с проточным резервуаром, блок управления и питания, подключенный к питающим входам составных элементов комплекса и к управляющим входам дистанционно управляемых вентилей, при этом дополнительная магистраль, сообщенная с внутренней полостью корпуса башни и сепаратором, выполнена с водяным затвором, корпус башни - с горловиной, теплоизоляционным покрытием, сливным патрубком с вентилем и боковым патрубком, посредством которого внутренняя полость корпуса башни сообщена с дополнительной магистралью, сообщающей внутреннюю полость корпуса башни с сепаратором, магистраль и дополнительная магистраль, сообщающая внутреннюю полость корпуса башни с сепаратором, выполнены с дополнительными вентилями, каждый из отводов центральной магистрали сообщен с одной из уровневых магистралей, резервуар - с вторым дополнительным насосом посредством входной магистрали, внутренняя полость корпуса башни - с наклонным трубопроводом, трехпозиционный переключатель дополнительно сообщен с резервуаром посредством сливной магистрали, а выход когенерационной установки подключен к потребителю тепловой и электрической энергии и элементам регулирования и поддержания температуры, выполненным в виде теплообменников и/или электронагревателей и установленным в осушителе, накопителе и проточном резервуаре. Стенки проточного резервуара выполнены с теплоизоляционным покрытием. Приемная емкость 6 выполнена с чехлом 53 из теплоизоляционного материала и установлена над или под землей, стенки проточного резервуара 3 выполнены с теплоизоляционным покрытием 54, а корпус 19 башни 15 установлен на фундаменте 55. Начальный продукт (навоз КРС, свиней и птичий помет) поступает в приемную емкость 6, представляющую собой подземный открытый резервуар, расположенный в помещении коровника (например, он же потребитель 49) или в отдельном помещении. Для поддержания температуры емкость 6 может быть снабжена чехлом 53, выполненным из теплоизоляционного материала. Из приемной емкости 6 начальный продукт насосом 7 направляется в дополнительный сепаратор 8, на котором происходит отделение (полное или частичное) твердой фракции начального продукта (RU №97026, МПК А01С 3/02, 08.04.2010).
Недостатком является низкая надежность работы в условиях резкого изменения климатических условий из-за проточного резервуара с макро- и микрорастениями и сложность оборудования комплекса.
Известны также установка и способ производства биогаза из содержащего жидкие и твердые компоненты биологически разлагаемого материала, в частности отходов производства, а также резервуар для производства биогаза для использования в такой установке. Установка для производства биогаза из содержащего жидкие и твердые компоненты органического, биологически разлагаемого материала, содержит резервуар (9, 105, 205) для производства биогаза с подачей биологически разлагаемого материала и зоной (11, 106, 206) сбора биогаза с выпуском биогаза, и флотационное разделительное устройство с устройством (15, 115) для производства микропузырьков для отделения твердых компонентов от жидких компонентов биологически разлагаемого материала, перемешивающее устройство (10, 109, 209), расположенное внутри резервуара (9, 105, 205) для производства биогаза для перемешивания содержимого резервуара, перед резервуаром (9) для производства биогаза она содержит устройство (6) разделения твердой фазы и жидкости для отделения твердых компонентов биологически разлагаемого материала перед его подачей в резервуар для производства биогаза. Устройство (6) разделения твердой фазы и жидкости содержит шнековый пресс-сепаратор. При осуществлении способа производства биогаза из содержащего жидкие и твердые компоненты органического, биологически разлагаемого материала. Резервуар для производства биогаза заполняют биологически разлагаемым материалом до уровня наполнения выше открытого верхнего конца ограниченной внутри резервуара для производства биогаза, по существу, действующей в направлении силы тяжести камерной зоны с закрытым дном, и, по существу, поддерживают этот уровень наполнения, разлагаемый материал перед подачей в производственный резервуар биогаза подвергают предварительному механическому разделению на твердые и жидкие компоненты, подают в резервуар для производства биогаза и часть объема органического материала отбирают из резервуара для производства биогаза и подвергают механическому разделению на твердые и жидкие компоненты (RU №2383497, МПК C02F 3/28, 12.12.2006).
Недостатком является низкая надежность работы при низких температурах окружающей среды и в условиях резкого изменения климата, а также неравномерность протекания процесса выработки биогаза при изменениях характеристик исходного сырья, неравномерности его поступления и необходимости дополнительных операций по транспортировке разделенных компонентов.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого технического решения, является повышение производительности биогазового комплекса и равномерности режима его работы в условиях значительного изменения климатических условий и характеристик исходного сырья, с одновременным обеспечением надежности работы резервуара производства биогаза в условиях значительного понижения температуры окружающей среды.
Технический результат достигается при использовании способа производства биогаза из сельскохозяйственных отходов, включающего предварительную гомогенизацию отходов, последующую сепарацию отходов на компоненты, подачу биологически разлагаемых компонентов отходов в резервуар производства биогаза и последующее раздельное или совместное использование компонентов и биогаза, тем, что предварительную гомогенизацию отходов производят периодически в закрытом объеме с подачей равными порциями на сепарацию, в процессе сепарации отходов на компоненты часть жидкой фракции отводят самотеком для самостоятельного использования, а перед подачей биологически разлагаемых компонентов отходов в резервуар производства биогаза в их состав добавляют твердое органическое вещество и образуют из них ферментную массу, которую подают в резервуар производства биогаза.
Кроме того, перед сепарацией порцию отходов разделяют на две неравные части, большую из которых направляют на сепарацию, а меньшую напрямую в резервуар производства биогаза.
Кроме того, органические удобрения получаемые на выходе резервуара производства биогаза подают самотеком для смешивания с отделенной после сепарации жидкой фракцией.
Кроме того, часть биогаза из резервуара производства биогаза направляют для обеспечения температурного режима его работы посредством теплоэлектрогенераторной установки.
Кроме того, в качестве твердого органического вещества используют рожь, кукурузный силос или аналогичную зеленую массу.
Указанный технический результат достигается также при использовании биогазовой установки (комплекса), содержащей приемную емкость с устройством перемешивания исходного сырья, связанную через насос с сепаратором, резервуар производства биогаза с аккумулятором биогаза и линией его отвода, тем, что в нее введены дозатор твердого субстрата и приемный бункер со шнековым транспортером, при этом входная воронка приемного бункера размещена под выходными отверстиями сепаратора и дозатора, выход шнекового транспортера сообщен с резервуаром производства биогаза, а устройство перемешивания исходного сырья выполнено в виде мешалки периодического действия.
Кроме того, приемная емкость выполнена полностью или частично подземного исполнения из железобетона с крышей.
Кроме того, приемная емкость выполнена с центральной опорной колонной для поддержания крышей.
Кроме того, в установку введены приемный резервуар насосной станции с погружным насосом для перекачки жидкой фракции в лагуны по трубопроводу подземной прокладки, а отверстия для выхода жидкой фракции сепаратора и жидких органических удобрений резервуара производства биогаза сообщены наклонными трубопроводами с упомянутым приемным резервуаром.
Кроме того, резервуар производства биогаза снабжен вертикальной мешалкой непрерывного действия.
Кроме того, установка снабжена линией рециркуляции субстрата с водяным трубчатым теплообменником и водяным центробежным насосом для подогрева содержимого резервуара производства биогаза.
Кроме того, установка снабжена вторым подающим насосом, линией обхода сепаратора и задвижками на подающих и всасывающих трубопроводах обоих подающих насосов, включенных по принципу взаимного резервирования.
Кроме того, установка снабжена теплоэлектрогенераторной установкой связанной с линией рециркуляции субстрата и линией отвода биогаза резервуара его производства.
Кроме того, перед сепаратором установлен приемный бак с датчиком уровня его наполнения.
Изобретения поясняются чертежами.
На фиг.1 - представлен общий вид биогазовой установки (комплекса).
На фиг.2 - представлена структурная схема биогазовой установки (комплекса) - биологическая часть.
На фиг.3 - представлена структурная схема биогазовой установки (комплекса) - силовая часть.
На фиг.4 - представлена схема взаимного размещения элементов биогазовой установки (комплекса) - вид спереди.
На фиг.5 - представлена схема взаимного размещения элементов биогазовой установки (комплекса) - вид сверху.
Способ реализуется при использовании биогазовой установки (комплекса), содержащей приемную емкость 1 с устройством 2 перемешивания исходного сырья, связанную через насос 3 с сепаратором 4, резервуар 5 производства биогаза с аккумулятором 6 биогаза и линией 7 его отвода. В устройство введены дозатор 8 твердого субстрата и приемный бункер 9 со шнековым транспортером 10. При этом входная воронка 11 приемного бункера размещена под выходными отверстиями 12 и 13 сепаратора и дозатора, выход 14 шнекового транспортера сообщен с резервуаром 5 производства биогаза, а устройство 2 перемешивания исходного сырья выполнено в виде мешалки 15 периодического действия. Приемная емкость 1 выполнена полностью или частично подземного исполнения из железобетона с крышей 16 с центральной опорной колонной 75 для поддержания. В установку введены приемный резервуар 17 насосной станции с погружным насосом 18 для перекачки жидкой фракции в лагуны по трубопроводу 19 подземной прокладки, а отверстия 20 и 21 для выхода жидкой фракции сепаратора и жидких органических удобрений резервуара 5 производства биогаза сообщены наклонными трубопроводами 22 и 23 с упомянутым приемным резервуаром. Резервуар производства биогаза снабжен вертикальной мешалкой 24 непрерывного действия, линией 25 рециркуляции субстрата с водяным трубчатым теплообменником 26 и водяным центробежным насосом 47 для подогрева содержимого резервуара производства биогаза, вторым подающим насосом 27, линией 28 обхода сепаратора и задвижками 29, 30, 31, 32, 33, 44, 45, 46 на подающих и всасывающих трубопроводах обоих насосов, включенных по принципу взаимного резервирования. В установке предусмотрена теплоэлектрогенераторная установка 34 связанная с линией рециркуляции 25 субстрата и линией 7 отвода биогаза из резервуара его производства. Перед сепаратором 4 установлен приемный бак 35 с датчиком 36 уровня его наполнения. Режим заполнения и работы резервуара 5 производства биогаза контролируется и управляется с помощью датчика расхода 37, датчиков давления 38, 39, 40, устройства взвешивания 41, датчика уровня загрузки 42 бункера шнека, датчика температуры 43, 43а. Тепловой режим обеспечивается водяным насосом 47 теплового контура.
Реализацию способа и режима работы биогазовой установки можно проиллюстрировать на практическом примере, рассмотренном ниже.
Переработка свиностоков.
1. Исходное сырье
Свиностоки - 106 м3/сутки с содержанием сухого вещества 5%.
Дополнительно подмешивается рожь в объеме 7,05 т/сутки.
2. Подача стоков
Свиностоки подаются от ООО «Стригуновский СК» по канализационному трубопроводу. Подача стоков не равномерна и производится по факту наполнения накопительных бункеров в свинокомплексе.
Обслуживающий персонал ООО «Стригуновский СК» вручную открывает задвижки накопительных бункеров и стоки самотеком поступают в канализационный трубопровод.
Для компенсации неравномерности подачи стоков в биогазовой установке установлена приемная емкость (1) из ж/б подземного исполнения. Объем емкости 1 тыс.м3 выбран для обеспечения возможности принять стоки за 10-дневный период накопления их в свинокомплексе. При этом она будет опустошена до минимально-допустимого уровня путем подачи ранее поступивших стоков в метантенк (5) - резервуар производства биогаза.
На трубопроводе подачи стоков в приемную емкость установлена задвижка с электроприводом (76), постоянно открытая в рабочем режиме. По сигналу превышения уровня наполнения от датчиков приемной емкости (77) и камеры подачи стоков (не показана) задвижка (76) перекрывается. В процессе подачи стоков из приемной емкости (1) в метантенк (5) уровень наполнения снижается и при достижении заданного уровня по сигналу от датчика наполнения (77) задвижка (76) снова открывается.
В приемной емкости установлены две погружные мешалки (15) электромощностью по 10 кВт для гомогенизации поступающих стоков. Указанные мешалки включаются за определенный интервал времени, до начала подачи стоков в метантенк (5) и выключаются после подачи.
Из приемной емкости (1) гомогенизированные стоки подаются в сепаратор (4) для отделения излишков воды перед последующей подачей в метантенк (5).
Подача осуществляется одним из двух эксцентриковых насосов (3, 27) по 7,5 кВт, работающих по принципу взаимного резервирования. Этими же насосами производится прокачка субстрата через теплообменник (26) на линии рециркуляции. Для подачи свиностоков через насос (3) открывается задвижка на трубопроводе от приемной емкости (29) и задвижки на подающих трубопроводах (30) к сепаратору и (31) в обход сепаратора. При этом должна быть закрыта задвижка (33) на трубопроводе к насосу (27) и задвижка на линии рециркуляции (32).
Подающий насос (3) работает циклически в течение суток. Включение происходит каждый час на время t1=15 минут. В течение этого времени свиностоки выкачиваются из приемной емкости равными порциями по 4,42 м3 и подаются:
- на сепаратор для отделения излишков воды через задвижку (30) в объеме 71% от общей массы;
- в обход сепаратора напрямую в метантенк через задвижку (31) в объеме 29% от общей массы.
Подаваемый объем на сепаратор контролируется датчиком расхода (37). По показаниям датчика отсчитывается поданный объем стоков и при достижении нужного объема насос (3) отключается.
На выходе из насосов (3, 27) на трубопроводах установлены датчики давления (38, 39) для контроля режима работы насосов. В случае превышения давления насосы отключаются.
3. Сепарация свиностоков необходима для отделения излишков воды и доведения концентрации сухого вещества в метантенке до необходимого значения (около 13% содержания сухого вещества) для протекания биологических реакций. На трубопроводе подачи стоков в сепаратор установлен датчик расхода (37), по показаниям которого контролируется подаваемый объем. Перед сепаратором установлен приемный бак (35) с датчиком уровня наполнения (36) для обеспечения равномерности подачи стоков на сепаратор (4).
Пропускная способность сепаратора (4) составляет 5-10 м3/ч при фильтре 0,75 мм.
Отделенная жидкая фракция из сепаратора (4) направляется по наклонному трубопроводу самотеком в приемный резервуар насосной станции (17), объемом 11 м3, в которой смонтирован погружной насос для перекачки жидкой фракции в лагуны по трубопроводу подземной прокладки.
4. Подача твердого органического вещества (рожь или иная органика, удовлетворяющая требованиям биологического процесса) выполняется из бункера-дозатора (8) объемом 35 м3. Объем бункера позволяет хранить запас сырья на 45,5 тонн, из расчета плотности ржи 1,3 т/м3. Этого запаса достаточно для работы в течение 6 дней.
Загрузка в бункер (8) новой порции сырья производится автопогрузчиком по мере необходимости. Из условия обеспечения непрерывной работы для предотвращения опустошения бункера, целесообразно производить дозагрузку каждые 5 дней.
Подача твердого вещества включается одновременно с подачей свиностоков из приемной емкости. Контроль подаваемой массы выполняется устройством взвешивания (41), выполненным в виде датчиков давления под опорами бункера. При снижении массы бункера на заданную величину (294 кг), подача прекращается.
5. Для подачи в метантенк (5) ферментной массы из образующейся в ходе сепарации концентрированной фракции и твердой добавки с дозатора (8) применяется V-образный приемный бункер с интегрированным в дно шнековым транспортером (10). Приемный бункер со шнеком (10) установлен в приямке под выходными окнами сепаратора(4) и дозатора твердого субстрата (8). Приемный бункер оснащен датчиком уровня (42), по которому контролируется уровень наполнения воронки, и в случае превышения максимально-допустимого уровня подача с сепаратора (4) и дозатора (8) прекращается. Подача также прекращается по сигналу от датчика давления (40), установленного на трубопроводе на выходе из шнекового транспортера (10).
6. Задачей ментантенка (5) является бактериальное преобразование органического материала, содержащегося в подаваемых веществах, в метаносодержащий газ. При поступлении новой порции субстрата, уровень наполнения повышается и содержащийся в метантенке (5) продукт брожения (органические удобрения) сливается самотеком через сифон. Таким образом в метантенке (5) поддерживается постоянный уровень наполнения, составляющий 0,5 м от борта или 3385 м3.
Получаемые органические удобрения по свободному уклону самотеком подаются в приемный резервуар насосной станции (17), откуда перекачиваются в лагуны по трубопроводу подземной прокладки вместе с отделенной жидкой фракцией после сепаратора (4).
Кроме мешалки (24) в метантенке (5) отсутствуют подвижные детали. Вертикальная мешалка обеспечивает полное перемешивание бродильных субстратов, чтобы во всем метантенке (5) создавались одинаковые условия для выработки газа. Она работает непрерывно, за исключением случаев проведения регламентных работ.
Среднее содержание сухого вещества в метантенке (5) составляет 12,7% и обеспечивается дозирующей подачей сепарированных и несепарированных стоков, а также добавками твердой органики (зеленой массы).
7. Режим работы метантенка (5) - мезофильный, что требует соблюдения температурного режима 35-38°С. Для подогрева содержимого метантенка выполнена линия рециркуляции субстрата с водяным трубчатым теплообменником (26). Циркуляция субстрата через теплообменник (26) обеспечивается эксцентриковым насосом (27). При этом должна быть открыта задвижка (44) и (45) при закрытых задвижках (33) и (46). Температура субстрата в метантенке (5) контролируется датчиком (43), установленным перед теплообменником (26). Температура подогретого субстрата, подаваемого в метантенк, контролируется датчиком (43а), установленным на выходе из теплообменника (26).
Тепловая мощность теплообменника составляет 250 кВт. Тепло подводится от электрогенераторной установки (34) с помощью водяного насоса (47).
Хранение и предварительная подготовка биогаза
- Процесс анаэробного сбраживания в метантенке протекает с образовабнием биогаза. Расчетная выработка биогаза составляет 238 м3/час. Температура биогаза на выходе из метантенка равна температуре субстрата ~35-38°С.
Постепенно накапливаясь в свободном объеме метантенка, биогаз создает избыточное давление (mах=25 мбар в области образования газа). Для предотвращения возможности возникновения взрывоопасной ситуации на крыше метантенка установлена гидравлическая защита низкого/высокого давления (48), с предусмотренным расходомером (49) (57 на фиг.3) и (50), работающие в диапазоне [+25 мбар; -4 мбар].
- Образовавшийся газ отводится по трубопроводу из стали повышенного качества 53 (надземный), выходящему из крыши метантенка. На случай аварии на газопроводе предусмотрен вентиль (51), который в рабочем режиме находится в положении "открыто".
Выходящий из метантенка биогаз почти на 100% насыщен водяным паром и имеет в своем составе высокое содержание сероводорода, что вызывает существенную коррозию стальных трубопроводов, арматуры и оборудования.
| СОСТАВ БИОГАЗА | ||
| Компоненты газа | Химическая формула | Состав в % к объему |
| Метан | СН4 | 54,8 |
| Углекислый газ | СO2 | 44,4 |
| Сероводород | H2S | <0,05 |
| Азот | N2 | 0,5 |
| Кислород | O2 | 0,3 |
| Относит.влажность | Н2O | насыщен |
- Газопровод от метантенка (5) ведет к форшахте газохранилища, в которой установлен гравийный фильтр (52). В гравийном фильтре газ проходит стадию очистки от механических примесей. Также фильтр оснащен встроенным конденсатоотводчиком, который позволяет вместе с водой сепарировать часть вредных растворимых в воде газов.
- Из форшахты биогаз поступает в газгольдер (6), который является временным хранилищем газа, а также выравнивает синусоидальный график производства и обеспечивает равномерное потребление газа. Внешняя часть газгольдера представляет собой цилиндрическую защитную камеру из стальных листов с эмалированным покрытием (⌀ 9,39 м, высота 8,47 м), крыша - усеченный конус из армированного стекловолокна. Внутри защитной камеры расположена газовая мембрана на 500 м3 (ткань - ПЭС с ПВХ покрытием).
Давление внутри мембраны приближено к атмосферному. Для поддержания давления биогаза в газгольдере на заданном уровне [+5 мбар; -4 мбар] на подводящем трубопроводе (53) после гравийного фильтра (52) установлен гидравлический предохранитель высокого/низкого давления (54) с расходомером (55).
Газгольдер также оснащен датчиком уровня (56). При достижении максимального уровня наполнения осуществляется сброс на факел газа (58), описанный ниже. Если уровень наполнения при этом не снижается, то срабатывает исполнительный механизм (54) по давлению биогаза и происходит аварийный сброс излишков биогаза в атмосферу.
- Из газгольдера (6) биогаз по газопроводу поступает в конденсатоотводчик (61), расположенный в форшахте, где происходит отделение паров воды. Образующийся при этом конденсат удаляется путем сброса.
- При нормальном режиме работы газовые вентили (60) и (59), установленные перед гравийным фильтром (52) и после конденсатоотводчика (61) соответственно открыты, а вентиль (62) обводной линии закрыт. При проведении ремонтных работ оборудования форшахты или газгольдера газ протекает по обводной линии газопровода, которая начинает работать при закрытии вентилей (60), (59) и открытии (62).
После газохранилища биогаз по газопроводу, проложенному ниже уровня промерзания грунта, при помощи дожимного компрессора (63), работающего по принципу радиального вентилятора (мощностью 3,3 кВт), подается в газовое помещения, расположенное в техническом здании.
На вводе в техздание установлен газовый вентиль (62), предназначенный для прекращения подачи биогаза в ручном режиме.
Вследствие того, что биогаз из метантенка выходит с температурой, равной t=35-38°C, возникает необходимость его охлаждения и осушки до требуемых теплоэлектрогенераторной установкой температурных параметров. Процесс осушки газа происходит в охладителе (64) мощностью 3,5 кВт. В процессе охлаждения образуется конденсат, который удаляется при помощи предустановленного конденсатоотводчика.
На выходе из охладителя (64) и перед компрессором (63) установлены приборы для контроля наличия потока газа (65) и (66) соответственно. В случае понижения или исчезновения потока вовсе, работа компрессора будет остановлена при помощи автоматического вакуумного выключателя.
Компрессор, работая в постоянном режиме, повышает давление биогаза до необходимых для теплоэлектрогенераторной установки значений (80…200 мбар). На выходе из компрессора установлен датчик температуры (67).
На случай аварийных и профилактических работ, при которых возможно прекращение подачи биогаза, предусмотрена резервная линия газоснабжения природного газа.
После компрессора, газ подается на установку для обессеривания (68), где идет процесс соединения сероводорода с активированным углем и удаления его из газа. Для эффективного использования адсорбента к неочищенному газу добавляется небольшое количество кислорода воздуха, благодаря чему активированный уголь восстанавливает свои свойства.
На выходе из установки для обессеривания установлены:
- датчик расхода газа (78), предназначенный для контроля объема сжигаемого газа;
- датчик изменения состава газа (69), служащий для контроля содержания СН4, O2 и H2S в газе.
Если подводимый газ соответствует заданному составу, то он идет на сжигание в когенерационную (теплоэлектрогенераторную) установку (70) с установленной мощностью 526 кВт.
Если же подводимый газ не соответствует требуемому составу или когенерационная установка отключена, то биогаз поступает в аварийную факельную установку (58), электрической мощностью 2 кВт, и сжигается. В случае аварийного отключения факела либо когенерационной установки (или на случай ремонтных работ) на подводящем газопроводе установлены газовые вентили (71) к факелу и (72) к когенерационной установке для возможности прекращения подачи газа вручную.
Регулирование подачи газа на факельную установку осуществляется газовым вентилем с электрическим приводом (73), который при остановке когенерационной установки полностью открывается и газ сжигается в факеле. В факельной установке предусмотрено предохранительное устройство обратного удара пламени (74) для предупреждения противотока газа и воспламенения газа в каналах горелки.
Рассмотренным техническим решением обеспечено выполнение задачи повышения производительности биогазового комплекса и равномерности режима его работы в условиях значительного изменения климатических условий и характеристик исходного сырья с одновременным обеспечением надежности работы резервуара производства биогаза в условиях значительного понижения температуры окружающей среды.
1. Способ производства биогаза из сельскохозяйственных отходов, включающий предварительную гомогенизацию отходов, последующую сепарацию отходов на компоненты, подачу биологически разлагаемых компонентов отходов в резервуар производства биогаза и последующее раздельное или совместное использование компонентов и биогаза, отличающийся тем, что предварительную гомогенизацию отходов производят периодически в закрытом объеме с подачей равными порциями на сепарацию, в процессе сепарации отходов на компоненты часть жидкой фракции отводят самотеком для самостоятельного использования, а перед подачей биологически разлагаемых компонентов отходов в резервуар производства биогаза в их состав добавляют твердое органическое вещество и образуют из них ферментную массу, которую подают в резервуар производства биогаза.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед сепарацией порцию отходов разделяют на две неравные части, большую из которых направляют на сепарацию, а меньшую напрямую в резервуар производства биогаза.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что органические удобрения, получаемые на выходе резервуара производства биогаза, подают самотеком для смешивания с отделенной после сепарации жидкой фракцией.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что биогаз из резервуара производства биогаза направляют для работы теплоэлектрогенераторной установки, производящей электроэнергию и тепло, часть из которой используют для обеспечения температурного режима работы резервуара производства биогаза.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве твердого органического вещества используют рожь, кукурузный силос или аналогичную зеленую массу.
6. Биогазовая установка, содержащая приемную емкость с устройством перемешивания исходного сырья, связанную через подающий насос с сепаратором, резервуар производства биогаза с аккумулятором биогаза и линией его отвода, отличающаяся тем, что в нее введены дозатор твердого субстрата и приемный бункер со шнековым транспортером, при этом входная воронка приемного бункера размещена под выходными отверстиями сепаратора и дозатора, выход шнекового транспортера сообщен с резервуаром производства биогаза, а устройство перемешивания исходного сырья выполнено в виде мешалки периодического действия.
7. Биогазовая установка по п.6, отличающаяся тем, что приемная емкость выполнена полностью или частично подземного исполнения из железобетона с крышей.
8. Биогазовая установка по п.6, отличающаяся тем, что приемная емкость выполнена с центральной опорной колонной для поддержания крыши.
9. Биогазовая установка по п.6, отличающаяся тем, что в установку введены приемный резервуар насосной станции с погружным насосом для перекачки жидкой фракции в лагуны по трубопроводу подземной прокладки, а отверстия для выхода жидкой фракции сепаратора и жидких органических удобрений резервуара производства биогаза сообщены наклонными трубопроводами с упомянутым приемным резервуаром.
10. Биогазовая установка по п.6, отличающаяся тем, что резервуар производства биогаза снабжен вертикальной мешалкой непрерывного действия.
11. Биогазовая установка по п.6, отличающаяся тем, что она снабжена линией рециркуляции субстрата с водяным трубчатым теплообменником и водяным центробежным насосом для подогрева содержимого резервуара производства биогаза.
12. Биогазовая установка по п.11, отличающаяся тем, что она снабжена вторым подающим насосом, линией обхода сепаратора и задвижками на подающих и всасывающих трубопроводах обоих подающих насосов, включенных по принципу взаимного резервирования.
13. Биогазовая установка по п.11, отличающаяся тем, что она снабжена теплоэлектрогенераторной установкой, связанной с линией рециркуляции субстрата и линией отвода биогаза резервуара его производства.
14. Биогазовая установка по п.6, отличающаяся тем, что перед сепаратором установлен приемный бак с датчиком уровня его наполнения.
