RU2605312C1 - Biogas plant - Google Patents

Abstract

FIELD: biochemistry.

SUBSTANCE: invention relates to biochemistry. Disclosed is a biogas plant. Plant includes a sealed vertical cylindrical tank with detachable top and bottom in form of a hemisphere, as well as process pipes. In tank there is a bubbling mixer in form of helical perforated pipe. Helical pipe is located along walls of tank, wherein its turns repeat shape of tank. In tank there is a vertical frame mixer with vertical and horizontal blades. Lower horizontal blade has a curvature radius, corresponding to curvature radius of bottom of tank. Holes on helical pipe are end to end, vertical and equidistant from each other.

EFFECT: invention provides higher efficiency of plant, higher output of biogas, as well as easy maintenance and repair of plant.

1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к сельскому хозяйству и предназначено для анаэробного сбраживания органических отходов сельскохозяйственного производства с получением биогаза и органических удобрений.The present invention relates to agriculture and is intended for anaerobic digestion of organic agricultural waste with the production of biogas and organic fertilizers.

Известен биореактор (RU 2430153, С12М 1/04, опубл. 27.09.2011), который состоит из цилиндрического вертикального корпуса, размещенной в центре корпуса циркуляционной трубы для подогрева и расположенной под ней перфорированной трубы, выполненной в виде вертикальной спирали для барботажного перемешивания субстрата. Витки перфорированной трубы образуют форму конуса, обращенного основанием вверх. Установка имеет патрубок для подачи перерабатываемой биомассы (исходного субстрата), патрубок для слива готового удобрения и патрубок для отвода биогаза.Known bioreactor (RU 2430153, C12M 1/04, publ. 09/27/2011), which consists of a cylindrical vertical casing located in the center of the casing of the circulation pipe for heating and located below it a perforated pipe made in the form of a vertical spiral for bubbling mixing of the substrate. The turns of the perforated pipe form the shape of a cone facing upward. The installation has a nozzle for supplying the processed biomass (initial substrate), a nozzle for draining the finished fertilizer and a nozzle for removing biogas.

Недостатком данного биореактора является недостаточно высокая производительность из-за сложности подогрева биомассы циркуляционной трубой, расположенной внутри реактора. Также имеющееся перемешивающее устройство не полностью охватывает объем биореактора, что обуславливает не полное перемешивание и скопление осадочного материала на дне, а также образование плавающей корки в верхней части.The disadvantage of this bioreactor is not high enough productivity due to the difficulty of heating the biomass with a circulation pipe located inside the reactor. Also, the existing mixing device does not completely cover the volume of the bioreactor, which leads to incomplete mixing and accumulation of sediment at the bottom, as well as the formation of a floating crust in the upper part.

Известно, что при оптимальном подборе устройства для перемешивания рабочего сырья выход биогаза может повыситься до 50%, поскольку перемешивание сбраживаемой массы в биореакторе обеспечивает высвобождение образующегося биогаза, равномерное распределение популяции бактерий, предотвращение формирования корки и осадка, появления участков разной температуры внутри резервуара, предотвращение формирования пустот и скоплений, которые уменьшают рабочую площадь реактора (ГОСТ Р 53790 - 2010 Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Общие технические требования к биогазовым установкам. Введ. 2010-05-31. - М.: Стандартинформ, 2010).It is known that, with the optimal selection of a device for mixing the working feed, the biogas yield can increase up to 50%, since mixing the fermented mass in the bioreactor ensures the release of biogas formed, uniform distribution of the bacterial population, preventing the formation of crust and sediment, the appearance of areas of different temperatures inside the tank, and preventing the formation of voids and accumulations that reduce the working area of the reactor (GOST R 53790 - 2010 Unconventional technologies. Energy biowaste. General technical requirements for the biogas plant was put 2010-05-31 -... M .: Standartinform, 2010).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является биогазовая установка, включающая герметичный вертикальный цилиндрический резервуар, снабженный куполом и днищем, имеющими форму усеченного конуса. В резервуаре находится барботажное перемешивающее устройство, включающее спиралевидную перфорированную трубу, расположенную вдоль стен резервуара и днища, а также установленную по центру резервуара вертикальную перфорированную трубу. Витки спиралевидной трубы повторяют форму резервуара и днища. На куполе резервуара установлены загрузочный патрубок для подачи биомассы, датчик давления, патрубок для отвода биогаза, соединенный с трубопроводом выхода биогаза. Последний соединен с газгольдером. В днище резервуара установлен патрубок для выгрузки переработанного субстрата (см. RU №2567649 C1, С12М 1/04, 1/07, C02F 11/04, 3/00, В09В 3/00, опубл. 10.11.2015 г.).The closest in technical essence and the achieved technical result to the claimed invention is a biogas plant comprising a sealed vertical cylindrical tank equipped with a dome and a bottom having the shape of a truncated cone. In the tank there is a bubbler mixing device including a spiral perforated pipe located along the walls of the tank and the bottom, as well as a vertical perforated pipe mounted in the center of the tank. The turns of the spiral pipe follow the shape of the tank and the bottom. A loading nozzle for biomass supply, a pressure sensor, a nozzle for biogas drainage connected to the biogas outlet pipeline are installed on the dome of the tank. The latter is connected to the gas tank. At the bottom of the tank there is a nozzle for unloading the processed substrate (see RU No. 2567649 C1, С12М 1/04, 1/07, C02F 11/04, 3/00, В09В 3/00, publ. 10.11.2015).

Однако недостатком данного изобретения является недостаточно высокие производительность и выход биогаза из-за отсутствия механического перемешивания биомассы. Кроме того, недоступность к перемешивающему устройству из-за отсутствия съемного купола усложняет обслуживание и ремонт устройства, а также сокращает срок службы данного устройства.However, the disadvantage of this invention is the insufficiently high productivity and biogas yield due to the lack of mechanical mixing of the biomass. In addition, inaccessibility to the mixing device due to the lack of a removable dome complicates the maintenance and repair of the device, and also reduces the life of this device.

Технический результат изобретения - повышение производительности установки и увеличение выхода биогаза, простота обслуживания и ремонта установки.The technical result of the invention is to increase the productivity of the installation and increase the biogas yield, ease of maintenance and repair of the installation.

Указанный технический результат достигается тем, что в биогазовой установке, включающей герметичный вертикальный цилиндрический резервуар с технологическими патрубками, снабженный куполом и днищем, установленное в резервуаре барботажное перемешивающее устройство, представляющее собой спиралевидную перфорированную трубу, расположенную вдоль стен резервуара, витки которой повторяют форму резервуара, внешняя часть которого обмотана нагревательной лентой, согласно изобретению купол и днище имеют форму полусферы, в резервуаре установлена вертикальная рамная мешалка, оснащенная вертикальными и горизонтальными лопастями, закрепленными на центральном вертикальном валу, нижняя горизонтальная лопасть имеет радиус кривизны, соответствующий радиусу кривизны днища резервуара, при этом отверстия на спиралевидной трубе выполнены сквозными вертикальными на равном расстоянии друг от друга, купол резервуара выполнен съемным.The specified technical result is achieved by the fact that in a biogas plant including a sealed vertical cylindrical tank with technological nozzles, equipped with a dome and a bottom, a bubbler mixing device installed in the tank is a spiral perforated pipe located along the walls of the tank, the turns of which follow the shape of the tank, the external part of which is wrapped with a heating tape, according to the invention, the dome and the bottom are in the form of a hemisphere, Lena is a vertical frame mixer equipped with vertical and horizontal blades mounted on a central vertical shaft, the lower horizontal blade has a radius of curvature corresponding to the radius of curvature of the bottom of the tank, while the holes on the spiral pipe are made through vertical at an equal distance from each other, the dome of the tank is removable .

Отличительными признаками заявляемого устройства являются наличие нового конструктивного элемента - вертикальной рамной мешалки, а также новое выполнение известных конструктивных элементов, а именно спиралевидная труба имеет сквозные вертикальные отверстия, находящиеся на равном расстоянии друг от друга, купол резервуара выполнен съемным.Distinctive features of the claimed device are the presence of a new structural element - a vertical frame mixer, as well as a new implementation of the known structural elements, namely the spiral pipe has through vertical holes located at equal distance from each other, the tank dome is removable.

Использование в резервуаре биогазовой установки рамной мешалки, оснащенной вертикальными и горизонтальными лопастями, интенсифицирует процесс перемешивания биомассы, что способствует ускорению процесса брожения массы. Расположенные по бокам вертикальные лопасти мешалки позволяют захватывать оседающие осадочные частицы, не допускают залипания на стенках и перегрева биомассы. А нижняя горизонтальная лопасть с радиусом кривизны, соответствующим радиусу кривизны днища, обеспечивает предотвращение образования корки на поверхности и осадка на днище резервуара. В резервуаре с рамной мешалкой потоки биомассы накладываются друг на друга. Они перемещаются в горизонтальном и вертикальном направлениях. Интенсивное перемешивание достигается в результате появления вторичных потоков и вихревого движения биомассы. Вторичные потоки возникают под действием центробежных сил, вызывающих движение биомассы в плоскости вращения горизонтальной лопасти от центрального вала к стенкам резервуара. Вследствие этого вблизи вала мешалки возникает разрежение ввиду движения биомассы в радиальном направлении. Из-за этого идет всасывание в центр резервуара массы из слоев лежащих выше и ниже лопастей. Вторичные потоки, складываясь с основным круговым движением биомассы, создают сложное движение, при котором происходит интенсивное перемешивание отдельных слоев. Это обеспечивает ускорение процесса брожения, увеличение выхода биогаза, тем самым повышение производительности установки.The use of a frame mixer equipped with vertical and horizontal blades in the biogas plant’s reservoir intensifies the biomass mixing process, which accelerates the mass fermentation process. The vertical agitator blades located on the sides allow trapping sedimentary particles to be captured, preventing sticking on the walls and overheating of the biomass. And the lower horizontal blade with a radius of curvature corresponding to the radius of curvature of the bottom, prevents the formation of crust on the surface and sediment on the bottom of the tank. In a tank with a frame stirrer, biomass flows overlap each other. They move in horizontal and vertical directions. Intensive mixing is achieved as a result of the appearance of secondary flows and the vortex movement of biomass. Secondary flows occur under the action of centrifugal forces, causing the biomass to move in the plane of rotation of the horizontal blade from the central shaft to the walls of the tank. As a result, rarefaction occurs near the mixer shaft due to the biomass moving in the radial direction. Because of this, the mass is sucked into the center of the reservoir from the layers lying above and below the blades. Secondary flows, combined with the main circular motion of biomass, create a complex movement, in which intensive mixing of individual layers occurs. This provides an acceleration of the fermentation process, an increase in the biogas yield, thereby increasing the productivity of the installation.

Барботажное устройство, расположенное вдоль стен резервуара в виде спиралевидной трубы, обеспечивает оптимальное равномерное распределение температуры внутри резервуара, а также качественное и интенсивное перемешивание субстрата, что способствует увеличению выхода биогаза. Сквозные вертикальные отверстия, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга, предотвращают выпадение осадков и налипание загрязнений на стенки резервуара, благодаря чему улучшается теплообмен, ускоряются процессы брожения в резервуаре. Выполнение купола резервуара съемным обеспечивает простоту обслуживания и ремонт установки.A bubbling device located along the walls of the tank in the form of a spiral tube ensures optimal uniform temperature distribution inside the tank, as well as high-quality and intensive mixing of the substrate, which contributes to an increase in biogas yield. Through vertical holes located at the same distance from each other, prevent precipitation and the accumulation of contaminants on the walls of the tank, thereby improving heat transfer, accelerating the fermentation process in the tank. The implementation of the removable tank dome provides ease of maintenance and installation repair.

Таким образом, интенсификация процесса перемешивания путем введения нового элемента - рамной мешалки в совокупности с барботажным перемешивающим устройством в виде спиралевидной трубы, позволяет поддерживать равномерную температуру по всему объему и равномерно без застойных зон перемешивать субстрат внутри резервуара. Все это позволяет повысить интенсивность, стабильность и полноту биохимических процессов в установке, увеличить выход биогаза.Thus, the intensification of the mixing process by introducing a new element - a frame mixer together with a bubbler mixing device in the form of a spiral tube, allows you to maintain a uniform temperature throughout the volume and mix the substrate inside the tank uniformly without stagnant zones. All this allows to increase the intensity, stability and completeness of biochemical processes in the installation, to increase the biogas yield.

Заявляемая биогазовая установка поясняется чертежом, где схематически показан продольный разрез установки.The inventive biogas plant is illustrated by the drawing, which schematically shows a longitudinal section of the installation.

Биогазовая установка включает вертикальный герметичный цилиндрический резервуар 1, установленный на опорах 2, снабженный куполом 3 и днищем 4, имеющими форму полусферы. В резервуаре 1 находятся барботажное перемешивающее устройство, представляющее собой спиралевидную перфорированную трубу 5, и вертикальная механическая рамная мешалка 6, оснащенная горизонтальными 7 и вертикальными 8 лопастями. Горизонтальные 7 лопасти мешалки 6 закреплены на центральном вертикальном валу 9 с приводом 10. Нижняя горизонтальная лопасть 7 имеет радиус кривизны, соответствующий радиусу кривизны днища 4 резервуара 1. Спиралевидная перфорированная труба 5 расположена вдоль стен резервуара 1. Витки трубы 5 повторяют форму резервуара 1. Отверстия 11 на спиралевидной трубе 5 выполнены сквозными вертикальными и расположены на равном расстоянии друг от друга. Нижний конец спиралевидной трубы 5 жестко закреплен к стальному цилиндрическому уголку 12, соединенному с шаровым краном 13 для подачи биогаза. Купол 3 выполнен съемным.Biogas plant includes a vertical sealed cylindrical tank 1 mounted on supports 2, equipped with a dome 3 and a bottom 4, having the shape of a hemisphere. In the tank 1 there is a bubbler mixing device, which is a spiral perforated pipe 5, and a vertical mechanical frame mixer 6, equipped with horizontal 7 and vertical 8 blades. The horizontal 7 blades of the mixer 6 are mounted on the central vertical shaft 9 with the drive 10. The lower horizontal blade 7 has a radius of curvature corresponding to the radius of curvature of the bottom 4 of the tank 1. The spiral perforated pipe 5 is located along the walls of the tank 1. The turns of the pipe 5 follow the shape of the tank 1. Holes 11 on a spiral pipe 5 are made through vertical and are located at an equal distance from each other. The lower end of the spiral pipe 5 is rigidly fixed to a steel cylindrical corner 12 connected to a ball valve 13 for supplying biogas. Dome 3 is removable.

На куполе 3 резервуара 1 установлены загрузочный патрубок 14 для подачи перерабатываемой биомассы, датчик давления 15, патрубок 16 для отвода биогаза. Патрубок 16 соединен через трубопровод 17 выхода биогаза с газгольдером (на фигуре не показан). В днище 4 резервуара 1 установлен патрубок 18 для выгрузки переработанного субстрата.On the dome 3 of the tank 1, a loading pipe 14 for supplying the processed biomass, a pressure sensor 15, a pipe 16 for removing biogas are installed. The pipe 16 is connected through a biogas outlet pipe 17 to a gas holder (not shown in the figure). In the bottom 4 of the tank 1, a pipe 18 is installed for unloading the processed substrate.

Труба 5 через стальной уголок 12 и кран 13 соединена с трубопроводом 19 для подачи биогаза и компрессором, соединенным с газгольдером. Внешняя часть резервуара 1 обмотана нагревательной лентой (на фиг. не показана), соединенной с терморегулятором 20.The pipe 5 through the steel angle 12 and the valve 13 is connected to the pipeline 19 for supplying biogas and a compressor connected to the gas tank. The outer part of the tank 1 is wrapped with a heating tape (not shown in FIG.) Connected to the temperature controller 20.

Биогазовая установка работает следующим образом.Biogas plant works as follows.

Для создания анаэробности сбраживания в резервуар 1 через загрузочный патрубок 14 заливают воду до верхнего уровня купола 3. Далее часть воды сливают из резервуара 1, так чтобы патрубок 14 оставался частично загруженным в воде. Затем в резервуар 1 через патрубок 14 загружают разжиженный свежий навоз (помет) с влажностью 92-93% до верхнего уровня купола 3. Форма купола 3 биогазовой установки образует емкость для скапливания образующегося биогаза. Давление в резервуаре 1 отслеживают при помощи датчика давления 15. После заполнения резервуара 1 субстратом включают нагревательную ленту (на фигуре не показана), которую регулируют терморегулятором 20. Терморегулятор 20 автоматически отключает нагревательную ленту при достижении температуры 36-38°С и включает при ее снижении.To create anaerobic digestion, water is poured into the tank 1 through the loading pipe 14 to the upper level of the dome 3. Then, part of the water is drained from the tank 1, so that the pipe 14 remains partially loaded in the water. Then, liquefied fresh manure (droppings) with a moisture content of 92-93% is loaded into the tank 1 through the pipe 14 to the upper level of the dome 3. The shape of the dome 3 of the biogas plant forms a container for accumulating the biogas formed. The pressure in the tank 1 is monitored using a pressure sensor 15. After filling the tank 1 with a substrate, a heating tape (not shown) is turned on, which is controlled by the temperature controller 20. The temperature controller 20 automatically turns off the heating tape when the temperature reaches 36-38 ° C and turns it on when it decreases .

В таком состоянии в резервуаре 1 происходит метановое сбраживание. Получаемый в резервуаре 1 биогаз через патрубок 16 и трубопровод 17 поступает в газгольдер, где часть его через трубопровод поступает в компрессор. Для обеспечения равномерной температуры внутри резервуара 1, обеспечения питательными веществами метанообразующих бактерий, предотвращения осадочного материала и корки под куполом 3, которая препятствует выходу биогаза, каждый день в течение 10 минут запускают барботажное перемешивающее устройство и рамную мешалку 6. Для этого открывают кран 13, после чего находящийся в компрессоре биогаз по трубопроводу 19 под давлением поступает в спиралевидную перфорированную трубу 5, выходит через отверстия 11, перемешивая субстрат, ускоряя процесс поднятия образованным метановым брожением пузырьков биогаза. При включении рамной мешалки 6 с барботажным устройством происходит интенсивное перемешивание всех слоев массы.In this state, methane digestion takes place in tank 1. Obtained in the tank 1 biogas through the pipe 16 and the pipe 17 enters the gas tank, where part of it through the pipeline enters the compressor. To ensure uniform temperature inside the tank 1, to provide methane-forming bacteria with nutrients, to prevent sedimentary material and crust under the dome 3, which prevents the release of biogas, a bubbler mixing device and a frame mixer 6 are launched every day for 10 minutes. To do this, open the valve 13, after which is contained in the compressor biogas through the pipe 19 under pressure enters the spiral perforated pipe 5, goes through the holes 11, mixing the substrate, accelerating the process nyatiya formed methane fermentation biogas bubbles. When you turn on the frame mixer 6 with a bubbler device, intensive mixing of all layers of the mass occurs.

Выгрузку переработанных отходов осуществляют периодически через патрубок 18. При этом объем выгружаемой массы должен соответствовать следующей дозе загрузки свежей порции субстрата, что исключает переполнение резервуара и забивание отверстия патрубка для выхода биогаза.Recycled waste is unloaded periodically through nozzle 18. At the same time, the amount of unloaded mass should correspond to the next dose of loading a fresh portion of the substrate, which eliminates overfilling of the tank and clogging of the nozzle opening for biogas exit.

Оставшаяся часть биогаза в газгольдере может применяться в бытовых нуждах, а переработанный субстрат - как концентрат органического удобрения.The rest of the biogas in the gas tank can be used for domestic purposes, and the processed substrate as a concentrate of organic fertilizer.

Заявляемое устройство обеспечивает наибольший выход биогаза, а простота конструкции обеспечивает надежность и стабильность работы и использование его в животноводческих хозяйствах для получения из органических отходов биогаза и удобрений.The inventive device provides the greatest biogas output, and the simplicity of the design ensures reliability and stability and its use in livestock farms to obtain biogas and fertilizers from organic waste.

Claims (1)

Биогазовая установка, включающая герметичный вертикальный цилиндрический резервуар с технологическими патрубками, снабженный куполом и днищем, установленное в резервуаре барботажное перемешивающее устройство, представляющее собой спиралевидную перфорированную трубу, расположенную вдоль стен резервуара, витки которой повторяют форму резервуара, внешняя часть которого обмотана нагревательной лентой, отличающаяся тем, что купол и днище имеют форму полусферы, в резервуаре установлена вертикальная рамная мешалка, оснащенная вертикальными и горизонтальными лопастями, закрепленными на центральном вертикальном валу, нижняя горизонтальная лопасть имеет радиус кривизны, соответствующий радиусу кривизны днища резервуара, при этом отверстия на спиралевидной трубе выполнены сквозными вертикальными на равном расстоянии друг от друга, купол резервуара выполнен съемным. Biogas plant, including a sealed vertical cylindrical tank with technological pipes, equipped with a dome and a bottom, a bubbler mixing device installed in the tank, which is a spiral perforated pipe located along the walls of the tank, the turns of which repeat the shape of the tank, the outer part of which is wrapped with a heating tape, characterized in that the dome and the bottom are in the form of a hemisphere, a vertical frame mixer equipped with a vertical GOVERNMENTAL and horizontal blades mounted on a central vertical shaft, the lower horizontal blade has a radius of curvature corresponding to the radius of curvature of the bottom of the tank, while the holes on the spiral tube formed with through vertical equidistant from each other, the tank dome is removable.

Images