Установка для получения биогаза, электрической, тепловой энергии и удобрений из отходов сельского хозяйства

Изобретение относится к анаэробной конверсии отходов сельского хозяйства с получением биогаза и генерацией из него электрической и тепловой энергии, а также с получением ценного органического удобрения. Установка содержит последовательно установленное и связанное трубопроводами следующее оборудование: измельчитель растительных отходов, соединенный с приемником отходов, выход которого через трубопровод соединен со входом первого центробежного или шнекового насоса для перекачки субстрата, выход насоса через трубопровод соединен со входом реактора предварительного кислотного брожения, выход которого через трубопровод соединен со входом второго центробежного или шнекового насоса для перекачки субстрата, выход которого через трубопровод соединен со входом в основной реактор-метантенк, при этом газовый выход реактора-метантенка соединен со входом компрессора, сжимающего биогаз, выход которого соединен со входом газгольдера высокого давления, а выход газгольдера высокого давления через циклон и систему очистки биогаза соединен с каталитическим конвертором биогаза, выход которого связан со входом батареи твердооксидных топливных элементов, причем каталитический конвертор биогаза и батарея твердооксидных топливных элементов находятся в термостатируемой камере, при этом батарея твердооксидных топливных элементов электрически связана с батареей аккумуляторов и инвертором, при этом выход для разогретых газов батареи твердооксидных топливных элементов связан теплопроводом со входом в систему рекуперации тепла, выход которой соединен с погружным теплообменником, расположенным в реакторе предварительного кислотного брожения, который последовательно соединен с погружным теплообменником в основном реакторе-метантенке. Технический результат: переработка отходов сельского хозяйства, получение биогаза, генерация электрической и тепловой энергии, получение ценного биоудобрения. 1 ил.

 

Изобретение относиться к анаэробной конверсии разнообразных отходов сельского хозяйства с получением биогаза и генерации из него электрической и тепловой энергии, а также с получением ценного органического удобрения.

Известено устройство для получения метана, электрической и тепловой энергии (патент РФ №2297395, МПК C02F 11/04; опуб. 10.05.05 г.) которое состоит (см. чертеж) из установки (1) для приготовления биомассы, соединенной с гидролизером (2) и далее с последовательной системой (3) бродильных чанов и компостера, взаимодействующих с установкой (4) для возврата и обогащения флегмы. Резервуар (5) для технического биогаза соединен с установкой (6) для очистки биогаза и далее с резервуаром (7) для очищенного биогаза, связанным с установкой (8) для разложения биогаза и смесителем (11) для газов. Установка (8) имеет выходы к установке (10) для обработки СО₃ и к установке (9) для обработки метана, соединенной со смесителем (11) для газов, соединенным (12) с резервуаром для стандартного газового топлива. Резервуар (12) соединен с установкой (13) для генерации электроэнергии и тепла и с установкой (14) для переработки тепла.

Недостатками аналога является достаточно сложное аппаратурное оформление получения метана, электрической и тепловой энергии из растений, специально выращенных для этой цели.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является «Биоэнергокомилекс» (Патент РФ №65044, МПК C02F 11/04; А01С 3/00 опуб. 27.07.07 г.).

Биоэнергокомплекс состоит из одного реактора - метантенка, обогреваемого водяной рубашкой, и газгольдера низкого давления. Биогаз, полученный при анаэробном превращении биомассы, используется как топливо в двигателе внутреннего сгорания, работающем в режиме двухфазного смесеобразования.

Недостатками прототипа являются: относительно низкий электрический КПД схемы, обусловленный тем, что основным генерирующим устройством является генератор на базе двигателя внутреннего сгорания. Использование одного реактора для проведения процессов как кислотного брожения, так и метаногенеза не позволяет создать оптимальные условия для каждого из процессов.

Задачей изобретения является увеличение электрического КПД схемы за счет применения твердооксидного топливного элемента в качестве основного устройства для генерации электрической энергий, а также общее упрощение технологической схемы, повышение ее производительности и экономической эффективности. Поставленная задача решается с помощью существенных признаков, указанных в формуле изобретения, таких как установка для получения биогаза, электрической, тепловой энергии и удобрений из отходов, характеризующаяся, тем, что содержит последовательно установленное и связанное трубопроводами следующее оборудование: измельчитель растительных отходов, соединенный с приемником отходов, выход которого через трубопровод соединен со входом первого центробежного или шнекового насоса для перекачки субстрата, выход насоса через трубопровод соединен со входом реактора предварительного кислотного брожения, выход которого через трубопровод соединен со входом второго центробежного или шнекового насоса для перекачки субстрата, выход которого через трубопровод соединен со входом в основной реактор-метантенк, при этом газовый выход реактора-метантенка соединен со входом компрессора, сжимающего биогаз, выход которого соединен со входом газгольдера высокого давления, а выход газгольдера высокого давления через циклон и систему очистки биогаза соединен с каталитическим конвертором биогаза, выход которого связан со входом батареи твердооксидных топливных элементов, причем каталитический конвертор биогаза и батарея твердооксидных топливных элементов находятся в термостатируемой камере, при этом батарея твердооксидных топливных элементов электрически связана с батарей аккумуляторов и инвертором, при этом выход для разогретых газов батареи твердооксидных топливных элементов связан теплопроводом со входом в систему рекуперации тепла, выход которой соединен с погружным теплообменником, расположенным в реакторе предварительного кислотного брожения, который последовательно соединен с погружным теплообменником в основном реакторе-метантенке.

Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - упрощение технологической схемы, повышение ее производительности и экономической эффективности. На схеме (см. чертеж) обозначены основные функциональные элементы системы для генерации электрической энергии из отходов сельского хозяйства. Установка состоит из приемника отходов 2, реактора предварительного кислотного брожения 4, основного реактора-метантенка 6, шнековых или центробежных насосов для перекачки субстрата 3 и 5, компрессорной установки 7, газгольдера высокого давления 8, циклона для отделения воды 9, сорбционной установки для очистки биогаза от сероводорода 10, конвертера 11, батареи твердооксидных топливных элементов 12, батареи аккумуляторов 13 и инвертора для преобразования постоянного тока в переменный с напряжением 220 В 14, системы рекуперации тепла 15, выход которой соединен с погружным теплообменником 16, расположенным в реакторе предварительного кислотного брожения 4, который последовательно соединен с погружным теплообменником 17 в основном реакторе-метантенке 6.

При использовании в качестве сырья отходов растениеводства применяется устройство для измельчения биомассы 1.

Представленная схема установки работает соответствующим образом: отходы сельского хозяйства, такие как навоз крупного рогатого скота, свиней, лошадей, помет домашней птицы, отходы скотобоен и мясоперерабатывающих заводов, по мере накопления направляются в приемник отходов 2, где разбавляются водой, отходы растениеводства предварительно измельчаются в устройстве для измельчения биомассы 1, после этого подготовленный субстрат с помощью циркуляционного или шнекового насоса 3 направляется в реактор предварительного кислотного брожения 4, где под действием соответствующих микроорганизмов происходят процессы гидролитического разложения биополимеров, а также кислотное брожение исходного субстрата, после этого с помощью циркуляционного или шнекового насоса 5 субстрат перекачивается в основной реактор-метантенк 6, откуда по мере поступления свежего субстрата отводится биоудобрение(по стрелке см. чертеж), а также с помощью компрессорной установки 7 откачивается образующий биогаз, давление в метантенке 6 поддерживается на уровне 10-20 кПа, биогаз собирается в ресивере 8 под давлением 2 МПа, после ресивера 8 установлена система очистки биогаза, состоящая из циклона 9 и устройства сорбции серосодержащих соединений 10. После очистки биогаз через редуктор направляется в конвертор 11, где метан, входящий в состав биогаза, под действием катализатора конвертируется в синтез-газ, состоящий из монооксида углерода и водорода, водород окисляется на аноде водородно-кислородного твердооксидного топливного элемента 12 [может быть выполнен как описано в патенте РФ №2178560 «Ячейка высокотемпературного элемента электрохимического устройства с твердым электролитом», опубл. 20.01.02 г.], конвертор метана 11, а также твердооксидный топливный элемент 12 функционируют в термостатируемой камере при температуре 900С°, первоначальный нагрев камеры осуществляется за счет электрических нагревательных элементов(не показаны), после выхода на режим твердооксидного топливного элемента 12 разогрев камеры осуществляется за счет тепла, выделяемого при окислении водорода на аноде топливного элемента. Газы, отходящие из топливного элемента 12, направляются в систему рекуперации тепла 15, где за их счет происходит нагрев воды, используемой в качестве теплоносителя в системе обогрева реактора предварительного кислотного брожения 4 и основного реактора - метантенка 6, обогрев реакторов осуществляется за счет погружных змеевиковых теплообменников 16,17. Электрическая энергия генерируется батарей топливных элементов, собранной таким образом, чтобы выходное напряжение было равным 12 или 24 вольтам, батарея топливных элементов заряжает аккумуляторную батарею 13. Постоянный электрический ток от аккумуляторной батареи 13 преобразуется в переменный с напряжением 220 В с помощью полупроводникового инвертора 14.

Данное описание и схема установки рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.

Установка для получения биогаза, электрической, тепловой энергии и удобрений из отходов, характеризующаяся тем, что содержит последовательно установленное и связанное трубопроводами следующее оборудование: измельчитель растительных отходов, соединенный с приемником отходов, выход которого через трубопровод соединен со входом первого центробежного или шнекового насоса для перекачки субстрата, выход насоса через трубопровод соединен со входом реактора предварительного кислотного брожения, выход которого через трубопровод соединен со входом второго центробежного или шнекового насоса для перекачки субстрата, выход которого через трубопровод соединен со входом в основной реактор-метантенк, при этом газовый выход реактора-метантенка соединен со входом компрессора, сжимающего биогаз, выход которого соединен со входом газгольдера высокого давления, а выход газгольдера высокого давления через циклон и систему очистки биогаза соединен с каталитическим конвертором биогаза, выход которого связан со входом батареи твердооксидных топливных элементов, причем каталитический конвертор биогаза и батарея твердооксидных топливных элементов находятся в термостатируемой камере, при этом батарея твердооксидных топливных элементов электрически связана с батареей аккумуляторов и инвертором, при этом выход для разогретых газов батареи твердооксидных топливных элементов связан теплопроводом со входом в систему рекуперации тепла, выход которой соединен с погружным теплообменником, расположенным в реакторе предварительного кислотного брожения, который последовательно соединен с погружным теплообменником в основном реакторе-метантенке.