Установка для виробництва біогазу та органічних добрив при зброджуванні багатокомпонентного субстрату

Установка для виробництва біогазу й органічних добрив при зброджуванні багатокомпонентного субстрату, яка включає технологічне обладнання для попередньої підготовки компонентів субстрату та їх анаеробної переробки, а саме: приймальний бункер, подрібнювач, сепаратор сторонніх включень, ємність змішування органічної маси, щонайменше один горизонтальний і один вертикальний ферментери, що обладнані мішалками; а також газгольдер, сховище органічних добрив, насоси і генератор електричної та теплової енергії, яка відрізняється тим, що технологічне обладнання для попередньої підготовки компонентів субстрату та їх анаеробної переробки функціонально розподілене і включає в себе: для рідко C2 2 UA 1 3 саме: приймального бункера, подрібнювача, сепаратора сторонніх включень та місткості змішування органічної маси, й щонайменше одного горизонтального і одного вертикального ферментерів, що обладнані мішалками; а також газгольдера, сховища органічних добрив, насосів й генератора електричної та теплової енергії [Патент AT 405185В, 1999]. Означена установка має певні недоліки, оскільки в технологічному обладнанні, при переробці сільськогосподарської сировини й утилізації органічних відходів агропромислового комплексу, харчової промисловості і комунального господарства, для попередньої підготовки біологічної сировини до зброджування не враховано особливостей ферментації рідкої й твердої фаз органічних матеріалів, що призводить до перевитрат енергії, зниження продуктивності. При змішуванні у горизонтальному ферментері субстрату, що містить тверді мінеральні частки й сторонні включення, та попередньо подрібнену біомасу рослинного походження, погіршуються можливості видалення мінерального шламу, виникає потреба у збільшенні об'єму первинно зброджуваної маси субстрату й цим ускладнюється його знезараження в процесі анаеробної ферментації. Використання однокамерного вертикального ферментеру ускладнює процес зброджування органічної сировини, призводить до перемішування свіжої біомаси та переробленого субстрату, зменшує стабільність протікання процесу метаногенезу, веде до зменшення виходу біогазу й органічних добрив високої якості. Відсутність обладнання для гігієнізації одержаних органічних добрив може призвести до зараження рослин і ґрунту. Через відсутність пристроїв для очищення біогазу від сірководню й водного конденсату погіршується якість кінцевих продуктів. В основу винаходу покладене завдання удосконалення установки для виробництва біогазу й органічних добрив при зброджуванні багатокомпонентного субстрату шляхом введення нових технологічних обмежень до складових пристроїв установки з обґрунтуванням раціональних конструктивно-технологічних параметрів, в тому числі й додаткового обладнання для ефективної ферментації, яка може бути диференційована за сировиною в технологічних потоках при переробці сільськогосподарської сировини й утилізації органічних відходів агропромислового комплексу, харчової промисловості і комунального господарства. А в результаті комплексної взаємодії усіх суттєвих ознак нової установки відбудеться істотне збільшення виходу біогазу, підвищення його якості й отриманих органічних добрив. Завдання вирішується завдяки тому, що в установці для виробництва біогазу й органічних добрив при зброджуванні багатокомпонентного субстрату, що складається з технологічного обладнання для попередньої підготовки компонентів субстрату й їх анаеробної переробки, а саме: приймального бункера, подрібнювача, сепаратора сторонніх включень та місткості змішування органічної маси, й щонайменше одного горизонтального і одного вертикального ферментерів, що облад 93788 4 нані мішалками; а також газгольдера, сховища органічних добрив, насосів й генератора електричної та теплової енергії, технологічне обладнання для попередньої підготовки компонентів субстрату й їх анаеробної переробки функціонально розподілене й включає в себе: для рідкофазних компонентів - послідовно розміщені подрібнювач, сепаратор сторонніх включень, місткість змішування органічної маси, додаткову місткість гігієнізації комунальних відходів і горизонтальний ферментер; для твердофазних - приймальний бункер, додатково - подрібнювач-плющилку біомаси; а для сумісного зброджування попередньо підготованих рідкофазних та твердофазних компонентів субстрату - вертикальний ферментер, який при цьому виконаний у вигляді кільцевого реактору з вміщеним у ньому вторинним реактором доброджування; до того ж, тривалості експозицій субстрату у місткості змішування органічної сировини Т1, горизонтальному ферментері Т2, кільцевому реакторі Т3 з вторинним реактором доброджування Т4 й сховищі рідких органічних добрив Т5 співвідносяться у пропорції Т1/Т2/Т3/Т4/Т5=1/1...6/2...6/2...7/12...45; крім того, обумовлено диференціацію інтенсивності роботи мішалок в: місткості змішування органічної маси в межах 40-150 об/хв., горизонтальному ферментері - 1-5 об/хв., кільцевому реакторі - 40-200 об/хв. й вторинному реакторі доброджування на рівні 20100 об/хв.; також додатково встановлені: послідовно - місткість гігієнізації біошламу і сепаратор органічних добрив - між вторинним реактором доброджування й сховищем рідких органічних добрив, а також апарати видалення сірководню з біогазу та осушення біогазу, які послідовно розташовані між газгольдером і генератором електричної та теплової енергії. Те, що вертикальний ферментер виконаний як кільцевий реактор з вміщеним у ньому вторинним реактором доброджування, дозволяє вести анаеробне зброджування субстрату у два етапи. При цьому на першому етапі підігрітий до 36...40°С й гомогенізований субстрат з горизонтального ферментеру транспортують до вертикального, а саме його кільцевого реактору й поступово змішують з дозовано поданою туди й попередньо подрібненою й сплющеною до часток не більше 5 см біомасою рослинного походження та гомогенізують цей комбінований з рідкої й твердої фаз субстрат, а на другому - завершують ферментацію основної частини органічної сировини без її додаткового підігріву у вторинному реакторі доброджування. Тверда фаза субстрату, таким чином, не проходить через горизонтальний ферментер й дозволяє нормалізувати процеси метаногенезу в горизонтальному й вертикальному ферментерах, забезпечивши їх роботу без піноутворення, при стабільній роботі мішалок. Тобто, підготовка сировини та її ферментація здійснюється в установці диференційовано: для твердофазних компонентів, перш за все, рослинної біомаси, - з використанням приймального бункеру та додаткового подрібнювачаплющилки рослинної біомаси; для рідкофазних компонентів, при переробці сільськогосподарської сировини й органічних відходів агропромислового 5 комплексу, харчової промисловості - із застосуванням послідовно розміщених подрібнювача, сепаратору сторонніх включень, місткості змішування органічної маси, додаткової місткості гігієнізації комунальних відходів і щонайменше одного горизонтального ферментеру; а для сумісного зброджування попередньо підготованих рідкофазних та твердофазних компонентів субстрату - як мінімум одного вертикального ферментеру, який виконаний у вигляді кільцевого реактору з вміщеним у ньому вторинним реактором доброджування. Важливо, що в технологічному обладнанні установки обумовлено диференціацію тривалості експозицій субстрату у місткості змішування органічної сировини Т1, горизонтальному ферментері Т2, кільцевому реакторі Т3 з вторинним реактором доброджування Т4 й сховищі рідких органічних добрив Т5, які співвідносяться, для ефективної переробки субстрату на усіх етапах, у пропорції Т1/Т2/Т3/Т4/Т5=1/1...6/2...6/2...7/12...45. До того ж, означено диференціацію інтенсивності роботи мішалок в: місткості змішування органічної маси в межах 40-150 об/хв., горизонтальному ферментері - 1-5 об/хв., кільцевому реакторі - 40-200 об/хв. й вторинному реакторі доброджування на рівні 20100 об/хв., що стабілізує роботу установки. Додаткове встановлення послідовно розміщених місткості гігієнізації біошламу і сепаратору органічних добрив - між вторинним реактором доброджування й сховищем рідких органічних добрив, а також апаратів видалення сірководню з біогазу та осушення біогазу, послідовно розташованих між газгольдером і генератором електричної та теплової енергії, дозволяє ефективно розділяти вирізненні кінцеві продукти із забезпеченням їх високої якості в процесі виробництва. Поєднання горизонтального і вертикального, у вигляді кільцевого реактору з вміщеним у ньому вторинним реактором доброджування, ферментерів забезпечує раціональну поетапну зміну інтенсивності перемішування субстрату, багатокомпонентного й змінного за своїм складом в часі, у зв'язку з чим адаптовано відповідним чином й оберти за хвилину мішалок установки, які становлять для: місткості змішування органічної маси в межах 40-150 об/хв., горизонтальному ферментері - 1-5 об/хв., кільцевому реакторі - 40-200 об/хв. й вторинному реакторі доброджування на рівні 20-100 об/хв., що є обов'язковим для ефективного покрокового метаноутворення при переробці органічних матеріалів. Цим забезпечується рівномірність виділення біогазу за складом і продуктивності установки. Стабільність процесів також обумовлена комплексною дією додаткового обладнання, зокрема, вузла сепарації органічних добрив на рідку й тверду фази. У сукупному поєднанні наведених характерних ознак установки для виробництва біогазу й органічних добрив при зброджуванні субстрату з кількох компонентів криється основний ефект при реалізації даної конструктивно-технологічної розробки. Суть винаходу графічно представлено на Фіг., де вміщено схему установки для виробництва біогазу й органічних добрив при зброджуванні багатокомпонентного субстрату. 93788 6 Установка для виробництва біогазу й органічних добрив при зброджуванні багатокомпонентного субстрату складається з приймального бункера 1, подрібнювача 2, сепаратора 3 сторонніх включень, місткості 4 змішування органічної маси, й щонайменше одного горизонтального 5 і одного вертикального 6 ферментерів, що обладнані мішалками 7; а також газгольдера 8, сховища 9 органічних добрив, насосів 10 й генератора 11 електричної та теплової енергії. При цьому технологічне обладнання для попередньої підготовки компонентів субстрату й їх анаеробної переробки функціонально розподілене й включає в себе: для рідкофазних компонентів - послідовно розміщені подрібнювач 2, сепаратор 3 сторонніх включень, місткість 4 змішування органічної маси, додаткову місткість 12 гігієнізації комунальних відходів і горизонтальний ферментер 5; для твердофазних - приймальний бункер 1, додатково - подрібнювач-плющилку 13 біомаси; а для сумісного зброджування попередньо підготованих рідкофазних та твердофазних компонентів субстрату - вертикальний ферментер 6, який при цьому виконаний у вигляді кільцевого реактору 14 з вміщеним у ньому вторинним реактором 15 доброджування; до того ж, тривалості експозицій субстрату у місткості 4 змішування органічної маси Т1, горизонтальному 5 ферментері Т2, кільцевому 14 реакторі Т3 з вторинним реактором 15 доброджування Т4 й сховищі 9 рідких органічних добрив T5 співвідносяться у пропорції Т1/Т2/Т3/Т4/Т5=1/1...6/2...6/2...7/12...45; крім того, обумовлено диференціацію інтенсивності роботи мішалок 7 в: місткості 4 змішування органічної маси в межах 40-150 об/хв., горизонтальному ферментері - 1-5 об/хв., кільцевому реакторі - 40-200 об/хв. й вторинному реакторі доброджування на рівні 20-100 об/хв.; також додатково встановлені: послідовно - місткість 16 гігієнізації біошламу і сепаратор 17 органічних добрив - між вторинним реактором 15 доброджування й сховищем 9 рідких органічних добрив, а також апарати видалення сірководню 18 з біогазу та осушення 19 біогазу, які послідовно розташовані між газгольдером 8 і генератором 11 електричної та теплової енергії. Зауважимо, що перед переробкою в установці рослинна сировина зберігається в анаеробних умовах; наприклад, у закритих рулонах з плівки чи у вкритих силосних чи сінажних спорудах при температурі від 4 до 24°С. Установка для виробництва біогазу й органічних добрив при зброджуванні багатокомпонентного субстрату працює наступним чином. В установці для виробництва біогазу й органічних добрив при зброджуванні багатокомпонентного субстрату технологічне обладнання для попередньої підготовки компонентів субстрату й їх анаеробної переробки функціонально розподілене, що дозволяє кожен із компонентів субстрату переробити за найбільш ефективною технологією. Так, твердофазні компоненти субстрату, до яких, перш за все відноситься рослинна біомаса, поступають до приймального бункеру 1 й потім подаються на додатково встановлену подрібнювач-плющилку 13 біомаси, з допомогою якої піддаються подрібненню й плющенню 7 до часток не більших, ніж 50 мм. Специфіка даної біомаси передбачає її подальше зброджування у вертикальному ферментері 6. Процеси підготовки рідкофазних компонентів органічної сировини до зброджування передбачають її послідовне проходження через подрібнювач 2, де сировина подрібнюється до часток не більших, ніж 50 мм, і сепаратор 3, з допомогою якого відділяють від біосировини випадкові сторонні предмети і включення. Далі подрібнена сировина, що являє собою продукти переробки чи відходи сільського і комунального господарства, а саме: відходи харчових, в тому числі молокопереробних й оліє-жирових підприємств, супермаркетів та боєнь, а також гній, гноївка, послід, гліцерин тощо, змішується з допомогою мішалки 7 і, при необхідності, зволожується для досягнення вмісту сухої органічної речовини до рівня 15...20%, а також збагачується інокулянтом з вторинного реактору 15 доброджування в спеціальній місткості 4 змішування органічної маси, де здійснюється інтенсивне перемішування субстрату з кількох компонентів мішалкою 7 для його попередньої гомогенізації перед зброджуванням. При переробці рідкофазних комунальних відходів їх, після подрібнення подрібнювачем 2 до часток не більших, ніж 50 мм, і очищення від домішок сепаратором 3, подають до додаткової місткості 12 для гігієнізації й попередньої гомогенізації при температурі 70°С. Потім гомогенізована й гігієнізована сировина з місткості 4 змішування органічної маси й додаткової місткості 12 гігієнізації комунальних відходів з допомогою насосу 10 подається до горизонтального ферментеру 5, в якому здійснюється анаеробне зброджування сировини при температурі 36-40°С на протязі 15-20 діб. Підігрів процесу проводять в горизонтальному ферментері 5 у зонах надходження й вивантаження багатокомпонентного рідкофазного субстрату з вмістом сухої органічної сировини на рівні 15...20% на вході. Горизонтальний ферментер 5 забезпечує постадійне протікання процесу метаногенезу з виділенням біогазу й гравітаційним відділенням від загального масиву субстрату твердих мінеральних часток й сторонніх включень, що містились в ньому до ферментації, а також знезараження багатокомпонентного субстрату за рахунок виконання умов неперемішування нових й раніше поданих порцій субстрату на протязі усієї тривалості його експозиції в горизонтальному ферментері 5 й низькій інтенсивності роботи мішалки 7. Одержаний біогаз з горизонтального ферментеру 5 подається до газгольдеру 8, а первинно зброджений в анаеробних умовах багатокомпонентний рідкофазний субстрат переходить на подальшу ферментацію до вертикального ферментеру 6, де відбувається сумісне зброджування попередньо підготованих рідкофазних та твердофазних компонентів субстрату. Сумісне зброджування компонентів субстрату у вертикальному ферментері 6 продовжується у два етапи, що істотно покращує вихід біогазу й покращує якість органічних добрив. На першому етапі сумісне зброджування ведеться у кільцевому реакторі 14. Субстрат з горизонтального ферментеру 5 поступає до кільцевого реактору 14 й пос 93788 8 тупово змішується з дозовано поданою туди ж попередньо підготованою рослинною біомасою при високій інтенсивності роботи мішалок 7 кільцевого реактору 14 й температурі 36-40°С. Підігрів процесу здійснюють лише в кільцевому реакторі 14. Важливо, що одержаний комплексний субстрат продовжує анаеробне бродіння поступово переміщуючись кільцевим реактором 14 на протязі 2040 діб, що стабілізує виконання процесу, дозволяє поступово видалити сторонні тверді включення, що надійшли з біомасою. Ефективність протікання метаногенезу в кільцевому реакторі 14 за рахунок додавання свіжої органічної сировини з рослинної біомаси вологістю в межах 45...30% істотно зростає, при цьому загальний вміст сухої органічної речовини в комплексному багатокомпонентному субстраті складає на вході 8...12%. Виконання вертикального ферментеру 6 у вигляді кільцевого реактору 14 з вміщеним у ньому вторинним реактором 15 доброджування дозволяє підігрів процесу ферментації здійснювати лише в кільцевому реакторі 14. На другому етапі, перероблений у кільцевому реакторі 14, субстрат подається у вторинний реактор 15 на доброджування на протязі 20-30 діб при температурі не нижче 36°С. У вторинному реакторі 15 перемішування субстрату здійснюють мішалкою 7 з середньою інтенсивністю. При цьому частина одержаного інокулянту з вторинного реактору 15 подається до місткості 4 змішування органічної маси для гомогенізації багатокомпонентного рідкофазного субстрату і його збагачення бактеріальною мікрофлорою. При цьому, диференційовано тривалості експозицій субстрату у місткості 4 змішування органічної маси Т1, горизонтальному 5 ферментері Т2, кільцевому 14 реакторі Т3 з вторинним реактором 15 доброджування Т4 й сховищі 9 рідких органічних добрив Т5, вони співвідносяться у пропорції Т1/Т2/Т3/Т4/Т5=1/1...6/2...6/2...7/12...45. Цим забезпечується раціональна переробка анаеробною ферментацією до 70% органічної сировини, яка надійшла в установку. Окрім того, обумовлено й диференціацію інтенсивності роботи мішалок 7 в: місткості 4 змішування органічної маси в межах 40150 об/хв., горизонтальному ферментері - 1-5 об/хв., кільцевому реакторі - 40-200 об/хв. й вторинному реакторі доброджування на рівні 20-100 об/хв., що обумовлює раціональне використання часу переробки органічної сировини в установці при мінімізованих на 25-30% енергетичних витратах. Накопичення і зберігання біогазу, одержаного з горизонтального 5 та вертикального 6 ферментерів відбувається в газгольдері 10. Далі, додатково встановлені між газгольдером 8 і генератором 11 електричної та теплової енергії, апарати видалення сірководню 18 з біогазу та осушення 19 біогазу здійснюють двоступеневу очистку біогазу перед його енергетичним використанням. Додатково й послідовно встановлені між вторинним реактором 15 доброджування й сховищем 9 рідких органічних добрив місткість 16 гігієнізації біошламу і сепаратор 17 органічних добрив дозволяють, при необхідності, провести гігієнізацію органічних добрив після анаеробної ферментації при температурі 70°С, а потім сепарувати їх перед переміщенням 9 93788 рідкої фази до сховища 9 органічних добрив з допомогою насоса 10, а твердої - на компостну площадку, перед внесенням їх на поля. Важливо, що компоненти субстрату готують й піддають анаеробній ферментації диференційовано, що забезпечує економію енергетичних витрат, і тим самим збільшує кількість біогазу, який може використовуватись для зовнішнього споживання. При цьому всі процеси, що супроводжують трансформацію зброджуваної сировини в біогаз й орга Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 10 нічні добрива, проводять при тиску, близькому до атмосферного. Таким чином, досягти істотного збільшення виходу біогазу при зброджуванні багатокомпонентного субстрату можливо за рахунок введення нових технологічних рішень й обмежень при раціональних режимних параметрах процесу та ефективному диференційованому багатоступеневому зброджуванні наявного складу субстрату й комплексному об'єднанні усіх суттєвих ознак нової установки. Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601