Біогазова установка

Бюгазова установка, що містить реактор у вигляді циліндричного корпусу, з одного торця закритого основою, а з другого торця - кришкою, привід, змішувач, розміщений у корпусі і зв'язаний з основою, кришкою і приводом, джерело теплової енергії, зв'язане з резервуаром, і пристрої завантаження і розвантаження, яка відрізняється тим, що корпус, основа і кришка виконані у вигляді тришарової стінки з крайніми твердими шарами, розділеними шаром повітря, а змішувач виконаний у вигляді порожнистого циліндра з ємністю для нагрівного теплоносія у нижній частині, установле ного СПІВВІСНО з корпусом з можливістю обертання навколо осі, і з додатково установленими принаймні не менше ніж двома вертикальними змійовиками-теплообмінниками із зсунутими по вертикалі їх кроками згинання, в яких одні нижні КІНЦІ герметично з'єднані з нижньою, а другі КІНЦІ з верхньою частиною ємності, а верхня частина кожного теплообмінника жорстко зв'язана з циліндром і має температурний розширювач, при цьому всередині порожнистого циліндра знаходиться нагрівний теплоносій з установленим у ньому нагрівачем, шарнірно зв'язаним з нижньою частиною циліндра з можливістю його обертання навколо осі нагрівача, а у верхній частині - жорстко з кришкою корпуса, а також додатково установлена система автоматичного регулювання температури нагрівного теплоносія і зброджуваного субстрату з трьома терморегуляторами, датчик першого з яких установлений в нагрівному теплоносії, а датчики другого і третього терморегуляторів - по вертикалі на корпусі реактора, і пристроями ручного вмикання-вимикання нагрівача та приводу змішувача, а пристрої завантаження і розвантаження реактора виконані у вигляді теплообмінника "труба в трубі" із затворами, зв'язані з корпусом і додатково установленою ємністю для приготування субстрату Передбачуваний винахід відноситься до галузі машинобудування установок по використанню відновлюваних нетрадиційних видів енергії, і, зокрема, до засобів виробництва бюгазу із органічних речовин Відома бюгазова установка неперервної дії для виробництва бюгазу із органічних речовин гною, залишив сільськогосподарських культур, харчових та інших ВІДХОДІВ ШЛЯХОМ анаеробного збродження Установка включає газгольдер, реактор і сховище, зв'язані між собою системою трубопроводів (див кн Драганов Б Х , Буляндра О Ф , Міщенко А В Теплоенергетичні установки і системи в сільському господарстві За ред Б Х Драга нова - К Урожай, 1995, с 143, рис 9 24) Для підтримання необхідної для зброджування температури і більш ефективного використання об'єму реакторів залучають нагрівальні прилади (див кн Драганов Б X , Булянда О Ф , Міщенко А В Теплоенергетичні установки і системи в сільському господарстві За ред БХДраганова - К Урожай, 1995, с 145, рис 9 28) Однак, недоліками відомої бюгазової установки і нагрівальних приладів є - недосконалість конструкції реакторів, оснащених відомими нагрівальними приладами, - втрати теплоти, обумовлені її підведенням за допомогою настінного і донного обігріву в резуль 44141 таті нагрівання одним боком стін і дна реактора, а також втрата теплоти в оточуюче середовище джерелом теплової енергії і теплотрасою, розміщеними поза реактором, - втрати теплоти в оточуюче середовище при підведенні її від зовнішнього джерела теплової енергії до циліндричної сорочки шнека змішувача ЧИ ДО ЗМІЙОВИКІВ, - втрати теплоти в установках з нагрівальними приладами, розміщеними за межами реактора, - втрати теплоти в установках з нагрівальними приладами, в яких використовується пара, - обмежена зона дії змішувачів із-за малого діаметра шнека у зв'язку з наявністю всередині реактора циліндричної сорочки шнека змішувача, що створює "мертві" зони в реакторі і погіршує якість перемішування рідкого субстрату, - нерівномірність прогрівання всіх точок об'єму реактора, - неможливість регулювання оптимальної температури зброджування субстрату, - недостатня теплова ІЗОЛЯЦІЯ СТІНОК огородження реактора, що спричинює значні втрати з нього теплоти, - низька продуктивність бюгазової установки по добуванню бюгазу, - висока вартість бюгазу із-за значних затрат теплової енергії при роботі бюгазової установки, не використовується теплота, яка відводиться разом із збродженою масою, - низька якість бюгазу із-за відсутності систем автоматичного регулювання температури теплоносія і підтримування оптимального теплового режиму зброджування, - низька ефективність експлуатації та обмеженість області застосування відомих бюгазових установок, ідов цілому спричинює певний збиток народному господарству Отже, ВІДОМІ бюгазові установки недосконалі за своєю конструкцією, малоефективні і мають обмежену область використання Тому, з метою удосконалення конструкції, підвищення ефективності і розширення області використання, циліндричний коронує реактора виконаний тришаровим, крайні шари металеві, а середній шар повітряний і має тиск повітря менший від тиску оточуючого середовища, а змішувач субстрату, установлений СПІВВІСНО з корпусом з можливістю обертання навколо осі, виконаний у вигляді, по крайній мірі, не менше двох, зсунутих по фазі вздовж реактора, теплообмінних ЗМІЙОВИКІВ ДЛЯ усунення при їх повертанні у його об'ємі "мертвих" зон Одні КІНЦІ теплообмінників герметично з'єднані з нижньою, а другі КІНЦІ - з верхньою частиною, розміщеною на основі корпусу, ємності з нагріваним теплоносієм, що утворюють замкнені контури Верхня частина кожного теплообмінника має розширювач для компенсації розширення нагрітого теплоносія і для заповнення через них контурів і стравлювання повітря Ємність нижньою частиною зв'язана з установленим СПІВВІСНО З корпусом порожнинним трубопроводом, до верхньої частини якого жорстко приєднані теплообмінники Усередині порожнинного трубопроводу встановлений електронагрівач, занурений у грійний теплоносій (наприклад, воду), тепло від якого через стінку трубопроводу передається нагрівальному теплоносію теплообмінників, а від нього -субстрату Нагрівач верхньою частиною жорстко зв'язаний з корпусом, а нижньою частиною шарнірно - з порожнинним трубопроводом, забезпечуючи останньому можливість вільно обертатися відносно корпусу нагрівача Для підтримування заданого оптимального температурного режиму субстракту додатково установлена система автоматичного регулювання температури у вигляді трьох терморегуляторів Перший терморегулятор підтримує задану температуру трійного теплоносія і складається з датчика температури, пристрою для її настроювання і виконавчого механізму вмикання електронагрівача Другий і третій терморегулятори включають датчики температури, які встановлені у нижній і верхній частині корпусу реактора для контролю температури субстрату на периферії (біля стінки корпусу), де вона знижується в першу чергу, пристрої настроювання величини підтримуваної температури субстрату і механізм вмикання та вимикання змішувача При цьому привід змішувача автоматично вмикається і вимикається в залежності від величини диференціала температур другого і третього датчика і примусово - за допомогою ручного вимикача На початку роботи бюгазової установки вручну вмикається електронагрівач гріючого теплоносія і привід теплообмінника Далі, по мірі нагрівання гріючого і нагріваного теплоносія, змішувач обертається і циркулюючий по його теплообміннику нагріваний теплоносій одночасно перемішує і нагріває субстрат При досягненні гріючим теплоносієм гранично допустимої температури електронагрівач автоматично вимикається, а змішувач продовжує обертатися і своїм теплообмінником нагрівати субстрат до тих пір, поки його температура на периферії не досягне потрібної величини Привід змішувача автоматично вимикається після досягнення другим і третім датчиками допустимого диференціала температур між верхніми і нижніми шарами субстрату в реакторі Якщо ж при обертанні змішувача температура трійного теплоносія знизиться, а температура субстрату не досягне потрібної величини, то нагрівач автоматично ввімкнеться, знову підвищуючи температуру трійного теплоносія до гранично допустимої величини Оскільки процес бродіння субстрату супроводжується значним виділенням біологічної теплоти, то КІЛЬКІСТЬ теплоти, яка підводиться до субстрату від електронагрівача буде невеликою і, з іншого боку, зменшенню КІЛЬКОСТІ цієї теплоти сприятиме практична відсутність її втрат, завдяки розміщенню електронагрівача всередині реактора і виконання огородження реактора у вигляді тришарової циліндричної стінки Поставлена задача розв'язується тим, що корпус реактора виконаний у вигляді тришарової стінки, причому крайні тверді шари розділені шаром повітря, а змішувач виконаний у вигляді труби, з'єднаної в нижній частині з першою ємністю для трійного теплоносія, установленої СПІВВІСНО З корпусом з можливістю обертання навколо осі і з, по крайній мірі, не менше двома вертикальними теплообмінниками, КІНЦІ яких зв'язані з другою ємніс 44141 тю для нагрівання теплоносія, а одна його вертикальна сторона виконана у вигляді прямолінійного трубопроводу, жорстко зв'язаного з трубою, має розширювач для компенсації температурного розширення нагріваного теплоносія з податливою діафрагмою, а друга вертикальна сторона - у вигляді зсунутих по фазі вздовж реактора ЗМІЙОВИКІВ, при цьому всередині труби у першій ємності встановлений електронагрівач, шарнірно з'єднаний з нижньою частиною труби з можливістю обертання и навколо його осі, а у верхній частині - жорстко з кришкою корпусу, а також додатково оснащена системою автоматичного регулювання температури трійного теплоносія і субстрату з трьома терморегуляторами, з яких датчик першого терморегулятора встановлений у першій ємності, а датчики другого і третього терморегуляторів - по вертикалі на корпусі, з автоматичними і ручними виконавчими механізмами і схемами регулювання електронагрівача і приводу змішувача, а пристрої завантаження і розвантаження виконані у вигляді теплообмінника "труба в трубі" із затворами, зв'язаними з корпусом і ємностями для завантаження органічної маси і розвантаження збродженого субстрату При такому технічному рішенні в реакторі, не зважаючи на будь-які коливання температури навколишнього середовища, буде автоматично підтримуватись задана оптимальна температура субстрату, що, поряд з компактністю, підвищить ефективність і розширить область використання бюгазової установки На представленому кресленні показано загальний вигляд запропонованої бюгазової установки (фіг) ВІДПОВІДНО ДО креслення запропонована бюгазова установка складається з реактора 1, виконаного у вигляді циліндричного корпусу 2 з основою 3 і верхньою, герметично через проміжну прокладку 4 приєднаною болтами 5, кришкою 6 Стінка корпусу 2, основа 3 і кришка 6 виконані тришаровими, причому крайні шари 7 і 8 виконані з твердого матеріалу (металевими тощо), а середній шар 9 - повітряним, що забезпечує високу теплову ІЗОЛЯЦІЮ СПІВВІСНО з корпусом 2 всередині реактора 1 встановлений з можливістю обертання змішувач 10, який нижньою частиною через шарнірну опору 11 зв'язаний з основою 3, а верхньою частиною - з кришкою 6 Герметичність в рухомому з'єднанні кришка - змішувач забезпечується гідравлічним затвором 12 через рідину 13 Змішувач 10 виконаний у вигляді труби 14 з ємністю 15 для нагрівного теплоносія 16 До верхньої частини ємності 15 одними кінцями приєднано, по крайній мірі, два теплообмінники 17, другі КІНЦІ яких приєднані до нижньої частини ємності 15 Висхідна дільниця теплообмінників 17 виконана прямолінійною, має розширювальні бачки 18 з податливими діафрагмами 19, а низхідна дільниця - у вигляді зсунутих по фазі вздовж реактора ЗМІЙОВИКІВ для запобігання утворенню у зброджуваному субстраті при їх повертанні "мертвих" зон СПІВВІСНО В трубу 14 встановлений електронагрівач 20, нижній кінець якого через шарнірну опору 21 з'єднаний з трубою 14, а верхній через кронштейн 22 - з корпусом 2 Електронагрівач 20 розміщений у нагрівному теплоносієві 23 Верхня частина труби 14 через зубчасті шестерні 24, 25, 26, 27, муфту перемикання 28, редуктор 29 приводу ЗО і муфту 31, з'єднана з валом електродвигуна 32 Розчин сухої біомаси з водою (завантажувальний субстрат) приготовляється у змішувачі 33, в корпусі 34 якого на опорних підшипниках 35 встановлений шнек 36 Шнек 36 обертається від електродвигуна 32 через постійно замкнену муфту 31, редуктор 29, муфту перемикання 28, зірочки 37, 38 ланцюгової передачі, вал 39 і зубчасті шестерні 41, 40 Приготовлений субстрат 42 через затвор 43, завантажувальну трубу 44 поступає до нижньої частини реактора 1 Зброджений субстрат 45 із реактора 1 вивантажується через затвор 46, розвантажувальну трубу 47, яка проходить всередині труби 44, утворюючи теплообмінник "труба в трубі", і затвор 48 Повне розвантаження субстрату із реактора 1 здійснюється через затвор 49 Для підтримування оптимального температурного режиму анаеробного зброджування установка укомплектована системою автоматичного регулювання температури у вигляді трьох терморегуляторів Перший терморегулятор 50 нагрівного теплоносія включає датчик 51, пульт керування 54 і електронагрівач 20 В другий і третій терморегулятори входять датчик 55 температури зброджуваного субстрату на периферії (біля стінки корпусу 2) у нижній частині, а датчик 56-у верхній частині реактора 1, механізм 57 порівняння сигналів обох датчиків, формування і передачі результативного сигналу, з'єднаний капілярами 58, 59 ВІДПОВІДНО З датчиками 55, 56, механізмом 6 вмикання (вимикання) електродвигуна 32 і пульт керування 61 Живляться електропривод і електронагрівач від електромережі 62 Відбір бюгазу із реактора 1 здійснюється через забірник 63, газолінію 64, пробковий кран 65 у газгольдер 66 Вибух у реакторі 1 запобігається запобіжним клапаном 67 Термічний опір основи 3 збільшений азбестовою прокладкою 68, розміщеною між внутрішніми 7 і ЗОВНІШНІМ 8 термоізоляційними шарами Стійке вертикальне положення реактора 1 забезпечується анкерними болтами 69 що з'єднують його основу 3 з бетонним фундаментом 70 Грійний теплоносій 23 від навколишнього середовища розділяється гідравлічним затвором 71 через рідину 72 В конструкції установки передбачені пульти 54, 61 для ручного керування роботою терморегулятора 50 та електродвигуна 32 Для контролю за рівнем зброджуваного субстрату в реакторі на корпусі 2 встановлено оглядове скло 73, а в кришці 6 - пристрій 74 для очищення скла з внутрішнього боку Розглянемо процеси підготовки субстрату до бродіння, початкового завантаження реактора підготовленим до бродіння субстратом, щодобового завантаження субстрату, щодобового вивантаження збродженого субстрату (органічного добрива), відбору бюгазу, ручного і автоматичного ввімкнення і вимкнення електронагрівача, ручного та 44141 автоматичного ввімкнення і вимкнення змішувача і повного, при необхідності, очищення збродженого або незбродженого субстрату із реактора Процес підготовки субстрату до бродіння, утвореного із гною і рідких ВІДХОДІВ, а також подрібнених твердих органічних ВІДХОДІВ, ЗДІЙСНЮЄТЬСЯ у змішувачі 33 Для цього гній і рідкі органічні побутові відходи попередньо подрібнені і тверді (листя, качани, гичка, гілки тощо) органічні відходи подаються у змішувач 33 разом із водою в КІЛЬКОСТІ, яка забезпечує 90 92% вологості підготовленого до бродіння субстрату Далі муфта 28 вручну перемикається в положення (вправо, ВІДПОВІДНО до креслення) приводу шнека змішувача Вмикається електродвигун 32, обертання від вала якого через еластичну постійно замкнену муфту 31, редуктор 29, зірочки 38, 37 ланцюгової передачі, вал 39, зубчасті шестерні 41, 40 передається на шнек 36 змішувача 33 В результаті обертання шнека 36 із біомаси і води утворюється 90 92%-ний субстрат, після чого електродвигун 32 зупиняється і муфта 28 вимикається Початкове завантаження субстрату відбувається протягом 10 12 днів При цьому добова доза завантаження приготовленого субстрату складає 10% від об'єму реактора, який із змішувача 33 через відкритий затвор 43, завантажувальну трубу 44 поступає в реактор 1 Одночасно із завантаженням субстрат електронагрівачем 20 підігрівається до необхідної температури, прискорюючи цим процес його бродіння При запуску реактора бюгаз починає виділятися через 1 З тижні, після чого процес виділення бюгазу відбувається неперервно Через 15 20 днів починається вивантаження збродженого субстрату у вигляді готового органічного добрива з одночасним завантаженням дози наперед приготовленого субстрату Для цього відкриваються затвори 43, 48 і приготовлений субстрат із змішувача 33 7 через затвор 43, трубу 44 поступає в реактор 1, витісняючи з нього верхній шар нагрітого збродженого субстрату 45 Останній через затвор 46, трубу 47 і затвор 48 поступає в тару для органічного добрива При проходженні субстрату по теплообміннику "труба в трубі" від збродженого нагрівається завантажуваний субстрат Утворений внаслідок зброджування біологічної маси бюгаз збирається у верхній частині реактора 1 і по мірі досягнення тиску О.ОЗМПа (0,Зкгс/см2) через забірник 63, газолінію 64, відкритий пробковий кран 65 поступає в газгольдер 66, а з нього до споживачів У верхній частині забірника бюгазу установлений запобіжний клапан 67, через який в атмосферу випускаються гази у випадку досягнення ними тиску, вищого від допустимого значення Підтримування заданого оптимального температурного режиму бродіння біологічної маси в реакторі 1 забезпечується терморегулятором 50 Так, при досягненні нею мінімальної гранично допустимої температури за сигналами датчика 51 вмикається електронагрівач 20, який нагріває гріючий теплоносій 23, і через відокремлювальну стінку - нагріваний теплоносій 16 Теплоносій 16, завдяки різниці його температури по висоті ємності 15 і зміиовикового теплообмінника 17, почне по 8 ньому циркулювати, нагріваючи зброджуючу масу Після досягнення грійним теплоносієм 23 максимально допустимої температури за сигналами датчика 51 електронагрівач 20 вимкнеться Якщо температура субстрату біля стінок (на периферії) реактора досягне мінімально допустимої величини, за сигналами датчиків 55, 56, пропорційних диференціалу вимірюваної ними по вертикалі температури, автоматично механізмом 60 вмикається електродвигун 32 змішувача 10 В результаті обертання зміиовикового теплообмінника 17 температура субстрату по всьому об'єму реактора вирівнюється У випадку коли КІЛЬКОСТІ теплоти у теплоносіях 16, 23 стане недостатньо для нагрівання субстрату до максимально допустимої температури, за сигналами датчика 51 автоматично вмикається електронагрівач 20 Обертатися змійовиковий теплообмінник 17 буде до тих пір, поки як в центрі реактора, так і на його периферії зброджуваний субстрат не нагріється до максимально допустимої температури При цьому за сигналами датчика 51 автоматично вимикається електронагрівач 20 Повне вивантаження субстрату із реактора 1 здійснюється через затвор 49 Запропонована бюгазова установка компактна за конструкцією з можливістю автоматично підтримувати в реакторі заданий оптимальний температурний режим зброджування субстрату при коливаннях температури оточуючого середовища, тому є більш ефективною, що розширить її область використання і посприяє швидкому запровадженню й у виробництво Використання запропонованої бюгазової установки, у порівнянні з уже відомими, дасть можливість - підвищити продуктивність бюгазової установки по виробництву бюгазу, - підтримувати оптимальний температурний режим зброджування субстрату в реакторі в будьяку пору року експлуатації бюгазової установки, - зменшити втрати теплоти із реактора через огородження, завдяки використанню тришарової стінки з повітряним середнім шаром, - зменшити втрати теплоти в оточуюче середовище теплоносієм, оскільки джерело теплоти розміщене всередині реактора і вся теплота від нього передається на зброджуваний субстрат, - зменшити вартість вироблюваного бюгазу, завдяки підвищенню продуктивності бюгазової установки і зменшенню втрат теплоти для забезпечення оптимального процесу бродіння, - покращити компактність бюгазової установки за рахунок розміщення джерела теплоти всередині реактора, підвищити зручності в обслуговуванні бюгазової установки в результаті використання системи автоматичного регулювання температурного режиму бродіння субстрату, - покращити умови і культуру праці обслуговуючого персоналу, завдяки впровадженню автоматизації і механізації процесів підготовки субстрату до бродіння, контролю за температурним станом процесу бродіння і підтримування його оптимального режиму в умовах перепаду температури оточуючого середовища, 44141 - використовувати частину теплоти, що виноситься із реактора з органічним добривом, для підігрівання завантажуваного свіжого субстрату, - інтенсифікувати процес бродіння і підтримувати більш стабільний температурний режим всередині реактора за рахунок одночасного перемішування і підігрівання субстрату, - створити певні зручності при обслуговуванні установки, усунути утворення накипу на поверхнях змішувача і покращити процес теплообміну всередині реактора за рахунок відсутності втрат теплоносіїв із системи теплообміну і виключення при цьому необхідності періодичного їх доливання, - при однаковій продуктивності з відомими бюгазовими установками зменшити габаритні 10 розміри і матеріалоємність запропонованої, - розширити область використання, особливо в зонах зі зниженими температурами оточуючого середовища, - підвищити якість бюгазу за рахунок забезпечення оптимального температурного процесу бродіння субстрату при значних перепадах температури оточуючого середовища, - спростити конструкцію бюгазової установки за рахунок вилучення пристроїв примусового завантаження в реактор свіжого і вивантаження з нього збродженого субстрату, що в цілому дасть народному господарству певний економічний ефект ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90