установка для переработки органических отходов

Формула изобретения

1. Установка для переработки органических отходов в биогаз и удобрения, содержащая средство для подачи исходной массы, центрифугу для разделения исходной массы на твердую и жидкую фракции с патрубками для ввода исходной массы, вывода твердой фракции и вывода жидкой фракции, емкость-дозатор, метантенк, снабженный в зоне разгрузки средством для предотвращения коркообразования, и системы загрузки и выгрузки, отличающаяся тем, что система загрузки выполнена в виде вертикально расположенного по центру метантенка трубопровода, вокруг которого соосно расположены направляющие потока сбраживаемой массы, выполненные в виде усеченных конусов, установленных поочередно большими и малыми основаниями один над другим с перекрывающим зазором относительно друг друга, средство для предотвращения коркообразования выполнено также в виде установленного вертикально по центру в зоне разгрузки усеченного конуса, малое основание которого герметично сообщено с трубопроводом для разгрузки сброженной массы, а большое основание размещено с зазором относительно днища метантенка, причем угол наклона образующих усеченных конусов направляющих потока сбраживаемой массы и образующей усеченного конуса средства для предотвращения коркообразования к горизонтальной плоскости определяется неравенством

где f - коэффициент трения материала, равный 0,6;

_г - плотность газа, кг/м³;

_ж - плотность жидкости, кг/м³.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что трубопровод системы загрузки исходной массы снабжен устройством для предотвращения самопроизвольного опорожнения метантенка, выполненным в виде воздушного клапана, а патрубок для вывода жидкой фракции после центрифуги снабжен распределительным устройством, выполненным в виде тройника, внутри которого размещены запорный подвижный клапан с приводом и перепускные неподвижные клапаны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к установкам для переработки органических отходов животноводства и птицеводства, преимущественно навоза или помета, в анаэробных условиях и может быть использовано для производства биогаза из отходов, жидких и твердых органических удобрений.

Известна установка для переработки органических отходов, в частности, животноводства и птицеводства, в биогаз и удобрения, содержащая средство для подачи исходной массы, устройство для разделения исходной массы на твердую и жидкую фракции, метантенк для анаэробного сбраживания и систему загрузки и выгрузки (Панцхава Е.С., Кошкин Н.Л. Биоэнергетические установки по конверсии органических отходов в топливо и органические удобрения. Теплоэнергетика, 1993, №4, с.20-23).

Наиболее близким аналогом к предлагаемой установке является установка для переработки органических отходов, преимущественно животноводства и птицеводства, в биогаз и удобрения, содержащая средство для подачи исходной массы, устройство для разделения исходной массы на твердую и жидкую фракции с патрубками для ввода исходной массы, вывода жидкой отфильтрованной фракции и отвода твердой фракции, метантенк (цилиндрической формы, переходящей в верхней части в конус) для анаэробного сбраживания и систему загрузки и выгрузки с устройством для предотвращения коркообразования (заявка №98112677/13 (014977), А 01 С 3/00, опубликовано 27.03.2000 г.).

Общим недостатком известных установок является тот факт, что процесс движения каждой частицы сбраживаемой массы вместе с пузырьками образующегося по всему объему метантенка биогаза от начала ее поступления в метантенк до ее выгрузки ничем не регулируется, а время пребывания частицы в реакторе устанавливается только объемом метантенка, равным произведению суточной дозы загрузки на экспозицию (время пребывания) сбраживания.

В таких установках практически всегда происходят проскоки недосброженной и необеззараженной массы вместе с массой готового удобрения, выгружаемого из метантенка. Действительно, если посмотреть на характер движения частицы сбраживаемой массы от начала ее поступления в метантенк и до ее выгрузки, то можно наблюдать следующее. Поступившая, как правило, в нижнюю часть метантенка частица подвергается флотационному воздействию пузырьков биогаза, образующихся по всему объему метантенка, и эту частицу пузырьки биогаза флотируют к месту выгрузки за такой малый промежуток времени, за который она не сможет достаточно разложиться и обеззаразиться.

Установлено, что скорость всплытия пузырька биогаза с твердой частицей на его поверхности в сбраживаемой массе жидкого навоза составляет 0,22 м/сек, поэтому исходя из нормативного (Нормы технического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета, НТП 17-99, М., 2001, с.69) времени пребывания сбраживаемой массы в метантенке с целью ее обеззараживания не менее 72 часов (3-х суток) минимальная высота любого метантенка должна составлять не менее 0,2272=15,84 метра, что неприемлемо для метантенков с объемом до 200 м³, работающих в непрерывном режиме сбраживания.

Кроме того, в известных системах загрузки возможно самопроизвольное опорожнение метантенков после остановки насосов для загрузки в них исходной массы в случаях неисправности запорной арматуры или несвоевременного ее закрытия после заполнения метантенка и др. существенным недостатком также является сложность обслуживания устройства для разделения исходной массы на фракции, заключающаяся в частых остановках центрифуги после заполнения емкости-дозатора и переключения работы центрифуги для заполнения накопителя для жидкой отфильтрованной фракции.

Необходимо также отметить, что в известном средстве для предотвращения коркообразования, выполненном в виде двух направляющих листов, установленных под углом к корпусу метантенка, над одним из листов, а именно установленном на стороне, противоположной выходу сброженной массы, образуется так называемый карман или ниша, которая постепенно заполняется конденсатом с серной, угольной и другими видами кислот, активно коррозирующих с металлическими поверхностями установки и вызывающих их быстрый износ.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в устранении вышеуказанных недостатков.

Техническим результатом данного изобретения является обеспечение получения высококачественного обеззараженною жидкого органического удобрения в установках с непрерывным режимом сбраживания, повышение надежности работы установки и снижение затрат на ее изготовление и обслуживание.

Это достигается тем, что в предлагаемой установке, имеющей средство для подачи исходной массы, центрифугу для разделения исходной массы на твердую и жидкую фракции с патрубками для ввода исходной массы, вывода жидкой отфильтрованной фракции и вывода твердой фракции, емкость-дозатор, метантенк, снабженный в зоне разгрузки средством для предотвращения коркообразования, и системы загрузки и выгрузки, согласно изобретению система загрузки выполнена в виде вертикально расположенного по центру метантенка трубопровода, вокруг которого соосно расположены направляющие потока сбраживаемой массы, выполненные в виде усеченных конусов, установленных поочередно большими и малыми основаниями один над другим с перекрывающим зазором относительно друг друга, средство для предотвращения коркообразования выполнено также в виде установленного вертикально по центру в зоне разгрузки усеченного конуса, малое основание которого герметично сообщено с трубопроводом для разгрузки сброженной массы, а большое основание размещено с зазором относительно днища метантенка, причем угол наклона образующих конусов направляющих потока сбраживаемой массы и образующей конуса средства для предотвращения коркообразования к горизонтальной плоскости определен неравенством

где f - коэффициент трения материала, равный 0,6;

_г - плотность газа, кг/м³;

_ж - плотность жидкости, кг/м³.

Причем трубопровод системы загрузки исходной массы снабжен устройством для предотвращения самопроизвольного опорожнения метантенка, выполненным в виде воздушного клапана, а патрубок для вывода отфильтрованной фракции после центрифуги снабжен распределительным устройством, выполненным в виде тройника, внутри которого размещены запорный подвижный клапан и перепускные неподвижные клапаны.

На чертеже изображена схема предлагаемой установки для переработки органических отходов.

Установка содержит средство 1 для подачи исходной массы, преимущественно навоза или помета, фильтрующую центрифугу 2, емкость-дозатор 3, рассчитанный на объем, равный суточной дозе загрузки метантенка 4, и систему загрузки и выгрузки в виде трубопроводов и насоса.

Фильтрующая центрифуга 2 для разделения исходной массы на фракции снабжена патрубками для ввода исходной массы 5, вывода твердой фракции 6 и вывода отфильтрованной фракции 7. К патрубку 7 герметично подсоединен тройник 8, внутри которого размещены подвижный запорный клапан 9 с прикрепленным к нему приводным штоком 10 и неподвижные перепускные клапаны 11 и 12, сообщенные трубопроводами 13 и 14 (соответственно) с емкостью-дозатором 3 и наполнителем 15 для жидкой отфильтрованной фракции. Емкость-дозатор 3 может иметь нагревательный элемент 16 для предварительного нагрева исходной массы и сообщена с метантенком 4 посредством всасывающего трубопровода 17, насоса 18 и трубопровода 19 для загрузки исходной массы, который внутри метантенка 4 в его конусной, цилиндрической или другой части формы расположен вертикально по центру, а снаружи метантенка 4 трубопровод 19 в своей верхней части сообщен с воздушным клапаном 20, содержащим подвижный клапан 21, седло клапана 22 и патрубок 23, сообщенный с атмосферой. Нижний конец трубопровода 19 расположен с зазором не менее 120 мм от днища метантенка 4 и выполнен в виде распределительного конуса 24 с двойными стенками и зазором между ними. Конус 24 предназначен для равномерного распределения исходной массы по поверхности дна метантенка 4.

К наружной поверхности распределительного конуса 24 в его основании соосно и герметично с ним закреплен конус 25, направляющий поток сбраживаемой жидкости к зоне разгрузки.

Большее основание конуса 25 размещено с зазором между стенкой корпуса метантенка 4. Над корпусом 25 с зазором к нему и своим большим основанием, герметично соединенным со стенкой корпуса метантенка, расположен конус 26, который между своим меньшим основанием и стенкой трубопровода 19 имеет зазор для прохождения потока сбраживаемой массы. Выше таким же способом установлены следующие конусы, количество которых устанавливается в зависимости от скорости передвижения (флотации) сбраживаемой массы по поверхности конусов:

где r - радиус частицы пузырька биогаза, м;

_ж - плотность сбраживаемой массы, кг/м³;

q - ускорение свободного падения, м/сек²;

- коэффициент динамической вязкости, Нс/ м²;

- угол наклона образующей конуса к горизонтальной плоскости,

Для фильтрата навоза влажностью 92% скорость флотации по поверхности конусов составляет 0,11 м/час, и при выдержке в 72 часа необходимая общая длина образующих конусов составит 720,11=7,2 метра.

В нижней части метантенка 4 размещены нагревательные элементы 27 для осуществления подогрева сбраживаемой массы. В зоне разгрузки А метантенк содержит устройство для предотвращения коркообразования в виде усеченного конуса 28, меньшее основание которого герметично сообщено с трубопроводом 29 для слива готового продукта.

Трубопровод 29 сообщен с гидрозатвором 30, размещенным в емкости 31 для готового продукта (удобрения). Емкость 31 сообщена со всасывающим трубопроводом 17 посредством трубопровода 32 и задвижки 33. В своей верхней части метантенк содержит газовый колпак 34 и патрубок 35 для выхода биогаза.

Работа установки осуществляется путем подачи навоза насосом 1 через приемный патрубок 5 в центрифугу 2, откуда твердая фракция удаляется через патрубок 6 для ее дальнейшего использования, а жидкая отфильтрованная фракция самотеком через клапан 11 поступает в емкость-дозатор 3, при этом поршень 9 находится возле неподвижного перепускного клапана 9, перекрывая его. Когда емкость-дозатор 3 заполнится, чтобы не останавливать работу центрифуги, посредством штока 10 поршень 9 перемещается к клапану 11, перекрывая его отверстие, и фильтрат также самотеком через клапан 12 по трубопроводу 14 поступает в накопитель 15, где отфильтрованная жидкая фракция может выдерживаться в течение 6 месяцев с целью ее естественного обеззараживания и далее использоваться для целей удобрения с/х культур. Из емкости-дозатора 3, в которой при необходимости может также осуществляться подогрев массы, посредством нагревательного элемента 16 (ТЭН, теплообменник и др.) суточная доза фильтрата посредством насоса 18 и всасывающего трубопровода 17 подается по трубопроводу 19 и конусу 24 в нижнюю часть метантенка 4, при этом задвижка 33 закрыта, задвижка 34 открыта, а подвижный клапан 21 прижат к седлу 22, разобщая воздушный клапан 23 с атмосферой. Поступивший в нижнюю часть исходный продукт подвергается воздействию анаэробных микроорганизмов, в результате чего происходит разложение органических веществ, содержащихся в навозе, и обильное образование пузырьков биогаза с размерами от 0,1 мм. Всплытие пузырьков вместе с прилипшими к ним твердыми частицами, содержащимися в навозе, происходит по наклонным поверхностям конусов 25, 26 и др., через зазоры между ними (на схеме направление движения указано стрелками) в зону разгрузки А. Время движения, как было изложено выше, каждой частицы от начала ее поступления в метантенк до ее выхода составляет не менее 3-х суток, что обеспечивает ее полное обеззараживание и нормативное разложение органического вещества до 40%.

Далее готовый продукт, проходя через кольцевой зазор между конусом 28 и стенкой метантенка и не давая при этом образоваться корке, поступает внутрь конуса 28 и по трубопроводу 29 поступает самотеком в гидрозатвор 30 и далее в емкость 31 для готового продукта. После отключения насоса 18 давление в трубопроводе 19 падает, подвижный клапан 21 опускается в нижнее положение, сообщая при этом трубопровод 19 с атмосферой и прерывая струю обратного тока жидкости из метантенка, что полностью предотвращает самопроизвольное опорожнение метантенка. Трубопровод 32 включается в работу только в период запуска установки до выхода ее на установившийся режим. Это происходит следующим образом: метантенк заполняют исходной массой до уровня верхнего основания конуса 28 и бак 31 на 1/3 его объема, включают подогрев элементами 27, например поверхностными теплообменниками при помощи горячей воды, и выдерживают при заданной температуре, например 53-55С, в течение 5 суток. При этом во избежание образования корки в зоне разгрузки несколько раз в сутки открывают задвижку 33, закрывают задвижку 34 и включают насос 18, забирая массу из емкости 31 и подавая ее в эту же емкость через трубопровод 19 и метантенк 4 по приведенной выше схеме.

Образующийся в процессе брожения биогаз поступает в газовый колпак 34 и через патрубок 35 направляется в газгольдер для его использования по классической схеме (не показано).

Использование предлагаемой установки для переработки органических отходов позволяет повысить эффективность процесса переработки, качество получаемого удобрения, снизить энергозатраты и металлоемкость установки при одновременном повышении ее надежности.