Результат интеллектуальной деятельности: АНАЭРОБНЫЙ РЕАКТОР

Предлагаемое изобретение относится к биоэнергетике и может быть использовано в составе метантенков разных конструкций для увеличения их производительности.

Известны устройства аналогичного назначения, например аппараты метанового брожения финских фирм «Энбом» и «Мабби», шведской фирмы «Соригона», установки ФУ-30, ФУК-20, разработанные в Латвии В. Дубровским, У. Виестур [1] и др.

Данные устройства содержат корпус метантенка, разделенный на секции, систему подачи сырья, систему удаления сброженного остатка, нагреватели биомассы, систему перемешивания осадка в секциях и систему отвода газа.

Общим недостатком перечисленных устройств является наличие продуктов недоброда в остатке и значительное содержание (до 45%) окиси и двуокиси углерода в биогазе на выходе метантенков. В аппаратах, представленных [1] на рис. 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 (см. стр.18…20) не предусматривается дополнительных узлов для улучшения параметров сброженного осадка и биогаза.

В любых биогазовых установках требуется обеспечить равномерность подачи субстрата, так как продукты обмена веществ каждой группы бактерий являются питательным веществом для последующей группы бактерий, причем они работают (выделяют газ) с различной скоростью [2].

Равномерность передачи субстрата в заданных объемах из одной секции в другую для создания условий оптимального выхода биогаза сложно обеспечить, в том числе из-за разнообразия состава биосырья на входе метантенков.

В связи с изложенным в перечисленных выше установках, а также в других метантенках [3, 4, 5, б], например «Метантенк» по авторскому свидетельству №1353753, «Метановый биокультиватор» по патенту №2093567, «Комплекс по переработке и обезвреживанию отходов» по патенту №2162380, «Способ анаэробной переработки органических отходов и установка для его осуществления» по патенту №2315721 и др., не предусматривается дополнительных условий обогащения вырабатываемого биогаза, а также - для улучшения параметров сброженного осадка.

Известен также патент РФ №2099414 «Бытовой метантенк» [7], в котором предусматривается установка на его выходе колонны обогащения выходного сырья.

Метантенк содержит секционированный корпус, метановая секция которого соединена со входом колонны обогащения, выполненной в виде вертикального корпуса, разделенного горизонтальными перфорированными перегородками.

Жидкая составляющая послеброжевого остатка подается в колонну обогащения сверху, а биогаз - снизу. На горизонтальных перегородках размещена зернистая иммобилизирующая засыпка (перлит или керамзит).

В этом метантенке частично решена задача улучшения параметров сброженного осадка и обогащения биогаза.

К недостаткам его следует отнести:

- несущественное улучшение выходных параметров осадка и биогаза, так как используется только внутренние жидкая и газовая составляющие метантенка при их перемешивании в колонне, а процентные доли несброженного осадка и газа не определены и могут изменяться от состава исходного сырья;

- пористая иммобилизационная засыпка (перлит, керамзит и т.д.) засоряется и требует замены.

Наиболее близким по сути техническим решением (прототипом) является «Аккумулирующий метантенк» [8] по патенту №2107043, являющийся дальнейшим развитием предыдущего патента того же автора.

Прототип содержит корпус, разделенный перегородками на камеры кислого, нейтрального, щелочного и метанового брожения с окнами и газовыми полостями, перемешивающие устройства в каждой камере, причем на выходе камеры метанового брожения подключена колонна для обогащения биогаза. Колонна разделена перфорированными горизонтальными перегородками на сборник биогаза и секции, заполненные иммобилизирующей засыпкой. Из камеры метанового брожения в камеру сверху вниз подается жидкая составляющая сброженного осадка, а снизу вверх - биогаз, при этом патрубок для отвода биогаза потребителю присоединен к верхней части колонны и дополнительно введен гидрозатвор для подачи биогаза в нижнюю часть колонны.

К недостаткам прототипа, так же как и по предыдущему патенту №2099414, является несущественное улучшение выходных параметров сброженного осадка и биогаза. Это объясняется невозможностью управлять в колонне соотношением «несброженная часть осадка - биогаз», пропускаемых встречно через иммобилизирующую засыпку с метановыми бактериями.

Также недостатком является то, что засыпка требует периодической замены.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.

Технический результат предлагаемого решения заключается в следующем:

- увеличение эффективности «Анаэробного реактора» за счет использования диафрагменного электрохимического электролизера, водород которого дополнительно подается совместно с выработанным биогазом в нижнюю часть колонны, анолит (кислая вода) - в гидролизную камеру, католит (щелочная вода) - в камеры нейтрального и метанового брожения;

- увеличение эффективности «Анаэробного реактора» за счет использования в качестве иммобилизирующей поверхности для метановых бактерий графитового войлока, имеющего чрезвычайно развитую поверхность.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая описываемый «Анаэробный реактор», нами не обнаружена.

Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию «новое».

На основании сравнительного анализа предложенного решения с известным уровнем техники можно утверждать, что между совокупностью отличительных признаков, выполняемых ими функций и достигаемой задачи предложенное техническое решение не следует явным образом из уровня техники и соответствует критерию охраноспособности «изобретательский уровень».

Предложенное техническое решение может найти применение в любых метантенках для расширения их функциональных возможностей при сбраживании биомассы с различными свойствами.

На чертеже в разрезе изображена конструкция «Анаэробного реактора». Реактор содержит термостатированный корпус 1, загрузочное устройство 2, камеры 3 брожения, перемешивающее субстрат устройство 4, колонну 5 обогащения биогаза, разделенную перегородками на сборник 6 биогаза и секции 7, заполненные засыпкой, патрубок 8, подключенный между выходом субстрата из корпуса и верхней частью колонны, патрубок 8, подключенный между верхней газовой частью корпуса и нижней частью колонны.

В реактор введен электрохимический электролизер 10, содержащий емкость 11 с пористой диафрагмой и электроды 12, 13, подключенные соответственно к положительному и отрицательному полюсам источника 14 питания. Вода на входы электролизера поступает от магистральной трубы 15 через вентиль 16. Водород в газовой форме (H₂) с выхода 17 поступает через патрубок 18 в нижнюю часть колонны. Кислая вода (анолит) с выхода 19 через вентиль 20 и патрубок 21 поступает на вход корпуса в гидролизную камеру кислого брожения, а излишки этой воды сливаются через вентиль 22.

Щелочная вода (католит) с выхода 23 через вентиль 24 и патрубки 25, 26 подается в другие камеры метанового брожения, а излишки этой воды сливаются через патрубок 27.

Биогаз из сборника колонны через штуцер 28 и гидравлический затвор 29 подается потребителю. Для достижения большей степени обогащения биогаза часть его может быть повторно подана насосом 30 через патрубок 31 в нижнюю часть колонны. Сброженный субстрат удаляется из нижней части колонны с помощью разгрузочного устройства 32.

Для упрощения чертежа датчики pH, температуры, уровня субстрата и газовый анализатор состава выходного биогаза не показаны.

«Анаэробный реактор» работает следующим образом.

При очередной порционной загрузке в устройство 2 подготовленного сырья происходит перелив сброженного субстрата через патрубок 8 в верхнюю часть колонны 5 и перемещение его вниз через секции 7, заполненные засыпкой. Одновременно снизу через патрубок 9 поступает биогаз, а через патрубок 18 водород (H₂).

В сброженном субстрате всегда содержится часть недоброда - не полностью сброженного сырья, а в биогазе до 45% двуокиси углерода [2], которая обычно отделяется от метана уже после метантенков и используется для получения из нее «сухого» льда или сжатого газа в баллонах.

В книге Сассона А. Биотехнология: свершения и надежды [9] на стр.275 указывается: «… помимо различных органических субстратов (таких, как уксусная кислота) донором электронов для метанобактерий служит водород, который продуцируется несколькими типами анаэробных бактерий…». И далее:

«… при соединении с двуокисью углерода образуется метан…»

3CO₂+12H₂ →3CH₄+6H₂O (стр.276).

У авторов Янко В.Г., Янко Ю.Г. Обработка сточных вод и осадка в метантенках [10] на стр.10, 11 также указывается: «Основную реакцию метанообразования можно записать в виде:

CO₂+4H₂A→CH₄↑+4А+2H₂O.

В этом уравнении под H₂A подразумевается органическое вещество, содержащее чистый водород, если исключить A, то в этом случае реакция восстановления примет вид:

CO₂+4Н₂→CH₄↑+2H₂O…

Кроме того, возможны и другие пути образования метана. К ним можно отнести реакции восстановления окиси углерода при наличии водорода:

CO=3H₂→CH₄↑+H₂O (стр.11, [10]).

Таким образом, добавляя с электролизера через патрубок 18 чистый водород совместно с неочищенным биогазом, поступающим через патрубок 9, в секциях 7 колонны можно получить дополнительные объемы метана за счет уменьшения доли окиси и двуокиси углерода в выходном биогазе. Одновременно уменьшается объем недоброда, так как большее количество метановых бактерий участвует в химических преобразованиях. Изменение процентного соотношения «метан - углекислый газ» контролируется датчиками и газоанализатором на выходе газа после штуцера 28.

Аналит с выхода 19 и католит с выхода 23 электролизера подаются в камеры брожения в зависимости от требуемого pH для разных видов сырья.

Другой отличительной особенностью предлагаемого технического решения является заполнение секций засыпкой из углеродного войлока, имеющего чрезвычайно развитую поверхность. Например, поверхность пор всего 1 г углеродного волокнистого сорбента составляет по данным Рязанского военного автомобильного института 2380 м² [11].

Подобные материалы выпускают ФГУП НПЦ «Углерод» [12] и РУП СПО «Химволокно» [13], например углеродный войлок по ТУ 3497-029-11590737-04. Такого рода материалы допускают нагрев до 1500°C, при котором происходит выгорание накопившегося мусора, и после очищения войлока он может использоваться в секциях колонны многократно.

За счет развитой поверхности углеродного войлока молекулам водорода, метановым бактериям и молекулам углекислого газа обеспечивается большая поверхность контакта для их взаимодействия и образования дополнительного объема метана. Одновременно дображивается не сбродившаяся часть субстрата, перемещающаяся сверху вниз навстречу биогазу и водороду.

Большая степень обогащения биогаза за счет уменьшения содержания в нем CO₂ и увеличения доли CH₄ достигается неоднократной продувкой биогаза насосом 30, подающим биогаз с выхода колонны после гидравлического затвора 29 на вход в нижнюю часть колонны через патрубок 31.

Контролируя подачу необходимого объема водорода в колонну, а также - аналита и католита в другие камеры реактора, обеспечивая при этом оптимальные pH и температуру субстрата в камерах, представляется возможным существенно повысить объем получаемого метана и улучшить качество сброженного сырья.

Предложенное техническое решение найдет широкое применение для использования в составе метантенков разных конструкций, с целью увеличения их производительности.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. У.Э Виестур, A.M. Кузнецов, В.В. Савенков. Системы ферментации. - Рига: Зинатне, 1986, 174 с.

2. «Процесс получения биогаза». Информационный материал фирмы ZORG [Электронный ресурс] www.zorg-biogas.com.

3. Авторское свидетельство СССР №1353753. МПК C02F 11/04. Метантенк. А.А. Ковалев и В.П. Лосяков. - №4036561; заявл. 12.03.86, опубл. 23.11.87 (аналог).

4. Патент №2093567 РФ. МПК C12M 1/107. Метановый биокультиватор. В.И. Тумченок. -№95101288; заявл. 30.01.95, опубл. 20.10.97 (аналог).

5. Патент №2162380 РФ. МПК B09B 3/00, A61L 11/00, C05F 9/00, C05F 9/04. Комплекс по переработке и обезвреживанию отходов. Р.Ф. Чиж, А.Н. Чумаков, В.В. Дегтярев. - №99115398; заявл. 21.07.99, опубл. 27.01.2001 (аналог).

6. Патент №2315721 РФ. МПК C02F 3/28, C02F 11/04. Способ анаэробной переработки органических отходов и установка для его осуществления. В.В. Мохов, Е.В. Фомичева. - №20061103378; заявл. 03.04.2006, опубл. 27.01.2008 (аналог).

7. Патент №2099414 РФ. МПК C12M 1/107. Бытовой метантенк. В.И. Тумченок. - №95100620; заявл. 17.01.95, опубл. 20.12.97 (аналог).

8. Патент №2107043 РФ. МПК C02F 11/04. Аккумулирующий метантенк. В.И. Тумченок. - №95100994; заявл. 17.01.95; опубл. 20.03.98 (прототип).

9. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. Пер. с англ., под ред. В.Г. Дебабова, М. - Мир, 1987, 411 с.

10. Янко В.Г., Янко Ю.Г. Обработка сточных вод и осадка в метантенках, Киев, 1978, 120 с.

11. Журнал «Изобретатель и рационализатор», №6, 2001, с.13 «Этот многогранный сорбент».

12. Продукция ФГУП НПЦ «Углерод», 129090, Москва, Протопоповский пер., Д. 9.

13. Ткани углеродные РУП СПО «Химволокно». 247400. г.Светлогорск, ул. Заводская, 5, [Электронный ресурс] www.sohim.open.by.