Системы и способы смешивания и проверки биогаза
Предложена система смешивания газа для создания потока смешанного биогаза, которая содержит: источник биогазового сырья, обеспечивающий поток биогазового сырья, имеющий первое энергосодержание; первый пробоотборный зонд для отбора проб из указанного потока биогазового сырья для анализа энергосодержания; анализатор для анализа энергосодержания и выдачи сигналов данных, отражающих его; блок управления для приема указанного сигнала данных анализа энергосодержания и передачи в ответ на него сигнала управления; источник очищенного газа, выборочно сообщающийся с возможностью передачи текучей среды с указанным потоком биогазового сырья и расположенный ниже по потоку от указанного первого пробоотборного зонда, причем источник очищенного газа выборочно обеспечивает очищенный газ, имеющий известное энергосодержание, превышающее указанное первое энергосодержание; клапан, сообщающийся с помощью сигналов с указанным блоком управления для реагирования на переданный сигнал, причем указанный клапан предназначен для управления расходом очищенного газа из указанного источника очищенного газа, причем указанный клапан выполнен с возможностью приведения его в действие между первым открытым положением и вторым закрытым положением, причем указанный клапан, находясь в указанном первом открытом положении, выборочно вводит указанный очищенный газ в поток биогазового сырья для создания потока смешанного биогаза, при обнаружении падения указанного первого энергосодержания ниже предварительно заданного минимального значения; второй пробоотборный зонд для отбора проб из указанного потока смешанного биогаза, причем указанный второй пробоотборный зонд расположен ниже по потоку от указанного источника входящего очищенного газа, для анализа энергосодержания и проверки энергосодержания указанного потока смешанного биогаза на то, соответствует или превышает оно указанное предварительно заданное пороговое значение; и выход указанного потока смешанного биогаза. Также предложен способ смешивания потока биогазового сырья из первого, который используется в системе указанной выше. Технический результат - создание систем и способом обнаружения, увеличения и сохранения установленного энергосодержания биогазового потока на уровне предварительно установленного минимального порогового значения энергии сгорания, а также рассматривается создание новых систем и способа для выборочного введения и смешивания очищенного газа известного энергосодержания с потоком биогазового сырья для получения на выходе смешанного биогаза, удовлетворяющего предварительно заданному пороговому значению энергосодержания, получение на выходе смешанного биогаза, который соответствует требованиям известного энеросодержания, создание системы и способа смешивания биогаза для обеспечения порогового профиля энергии сгорания, частично на основании обнаружения, мониторинга и регулирования соответствующих расходов очищенного контрольного газа и потока биогазового сырья и создание системы смешивания газа для автоматического мониторинга уровня энергосодержания обработанного биогаза и увеличения его энергосодержания при добавлении очищенного газа после обнаружения того, что энергосодержание упало ниже выбранного порогового значения. 2 н. и 15 з. п. ф-лы, 3 ил.
В данной международной заявке в соответствии с договором РСТ испрашивается приоритет патентной заявки США №15817710, поданной 20 ноября 2017 г., а также предварительной патентной заявки США №62/429409, поданной 2 декабря 2016 г.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе смешивания и проверки биогаза, выполненной с возможностью использования с системой очистки для обработки источников биогаза. Из потока биогазового сырья из первого источника, например, многоступенчатой системы очистки, отбирается проба для осуществления анализа состава и профиля энергии сгорания. Если обнаружено, что профиль содержания энергии сгорания падает ниже предварительно заданного минимального значения, блок управления приводит в действие клапан, расположенный в потоке очищенного газа, причем очищенный газ обладает известным энергосодержанием, для впрыска очищенного газа в поток биогазового сырья для получения смешанного биогаза. Далее из смешанного биогаза отбирают пробу для подтверждения того, что он достиг предварительно заданного порогового значения энергосодержания, которое отвечает требованиям и/или техническим характеристикам двигателя.
Уровень техники
Биогаз, также именуемый биометаном, болотным газом, свалочным газом и газом вторичной переработки, представляет собой продукт анаэробного сбраживания, например, разложения отходов при отсутствии кислорода с выделением, преимущественно, метана и углекислого газа. После надлежащей обработки до подходящей степени очистки, уловленный биогаз становится пригодным для использования в качестве «зеленого»/возобновляемого топлива или топлива для транспортных средств/двигателей, работающих на природном газе. Одна такая система для многоступенчатой подготовки биогаза подробно раскрыта в патенте США №9535045, в котором описана система для обработки биогаза. Содержание данного патента включено в настоящий документ посредством ссылки.
Различные источники выработки и сбора биогаза применяются в целом ряде отраслей, а именно, при очистке сточных вод, удалении и управлении ликвидацией твердых отходов/свалок мусора, на заводах по производству пищевых продуктов и в сельскохозяйственной промышленности, в том числе, при обработке отходов животноводства.
Однако перед эффективным использованием в качестве источника топлива, биогаз следует обработать. Такая обработка требует удаления и/или сведения к минимуму характерных примесей, присутствующих в выходном потоке биогаза. Очистка начинается с удаления твердых частиц с последующим удалением воды и - когда целевой конечный продукт будет обеспечивать высококачественный газовый поток - удалением сероводорода (H2S), соединений серы, силоксанов, углекислого газа (СО2), полученных дигерированием летучих органических соединений VOC (от англ. Volatile Organic Chemicals) и кислорода. В зависимости от требуемых стандартов очистки/энергосодержания, получаемый в результате очищенный газ может быть использован в качестве компримированного природного газа CNG (от англ. Compressed Natural Gas) для питания энергией транспортных средств.
Требования к чистоте для использования обработанного биогаза в качестве топлива для работающих на природном газе транспортных средств NGV (от англ. Natural Gas Vehicle) или компримированного природного газа (CNG) установлены в таких стандартах, как ISO 15404-2006. Дополнительно к упомянутой выше скрубберной очистке, данный стандарт предусматривает удаление всей влаги для газов, подлежащих сжатию при высоких давлениях, например, 6000 фунтов/кв.дюйм (изб.). Успешный исход такой обработки также должен быть подтвержден посредством отбора и анализа проб.
Особенно в случае с CNG, существует потребность в создании системы и способа, которые позволят сохранять предварительно установленное энергосодержание из полученного биогазового потока и обеспечат его увеличение за счет смешивания очищенного газа с биогазовым потоком, если энергосодержание упадет ниже предварительно установленного минимального порогового значения профиля энергии сгорания.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание систем и способов обнаружения, увеличения и сохранения установленного энергосодержания биогазового потока на уровне предварительно установленного минимального порогового значения энергии сгорания.
Другой задачей настоящего изобретения является создание новых системы и способа для выборочного введения и смешивания очищенного газа известного энергосодержания с потоком биогазового сырья для получения на выходе смешанного биогаза, удовлетворяющего предварительно заданному пороговому значению энергосодержания.
Еще одной задачей настоящего изобретения является получение на выходе смешанного биогаза, который соответствует требованиям известного энергосодержания.
Другой задачей настоящего изобретения является создание системы и способа смешивания биогаза для обеспечения порогового профиля энергии сгорания, частично на основании обнаружения, мониторинга и регулирования соответствующих расходов очищенного контрольного газа и потока биогазового сырья.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание системы смешивания газа для автоматического мониторинга уровня энергосодержания обработанного биогаза и увеличения его энергосодержания при добавлении очищенного газа после обнаружения того, что энергосодержание упало ниже выбранного порогового значения.
Конкретные задачи из этих и других задач решены посредством системы смешивания газа для создания потока смешанного биогаза, отличающейся тем, что она содержит: источник биогазового сырья, обеспечивающий поток биогазового сырья, имеющий первое энергосодержание; первый пробоотборный зонд для отбора проб из указанного потока биогазового сырья для анализа энергосодержания; анализатор для анализа энергосодержания и выдачи сигналов данных, отражающих его; блок управления для приема указанного сигнала данных анализа энергосодержания и передачи в ответ на него сигнала управления; источник очищенного газа, выборочно сообщающийся с возможностью передачи текучей среды с указанным потоком биогазового сырья и расположенный ниже по потоку от указанного первого пробоотборного зонда, причем источник очищенного газа выборочно обеспечивает очищенный газ, имеющий известное энергосодержание, превышающее указанное первое энергосодержание; клапан, сообщающийся с помощью сигналов с указанным блоком управления для реагирования на переданный сигнал; причем указанный клапан предназначен для управления расходом очищенного газа из указанного источника очищенного газа, причем указанный клапан выполнен с возможностью приведения его в действие между первым открытым положением и вторым закрытым положением, причем указанный клапан, находясь в указанном первом открытом положении, выборочно вводит указанный очищенный газ в поток биогазового сырья для создания потока смешанного биогаза при обнаружении падения указанного первого энергосодержания ниже предварительно заданного минимального значения; второй пробоотборный зонд для отбора проб из указанного потока смешанного биогаза, причем указанный второй пробоотборный зонд расположен ниже по потоку от указанного источника входящего очищенного газа, для анализа энергосодержания и проверки энергосодержания указанного потока смешанного биогаза на то, соответствует или превышает оно указанное предварительно заданное пороговое значение; и выход указанного потока смешанного биогаза.
В настоящем изобретении предложен дополнительный вариант осуществления в отношении предыдущего варианта осуществления, который отличается тем, что указанный клапан представляет собой соленоидный клапан с электроприводом, сообщающийся с помощью электронных сигналов с указанным блоком управления для регулирования расхода очищенного газа, введенного в указанный биогазовый поток.
В настоящем изобретении предложен другой вариант осуществления в отношении любого из предыдущих вариантов осуществления, который отличается тем, что отбор проб из потока биогазового сырья происходит непрерывно.
В настоящем изобретении предложен другой вариант осуществления в отношении предыдущих вариантов осуществления, который дополнительно отличается тем, что отбор проб из потока биогазового сырья происходит периодически.
В настоящем изобретении предложен другой вариант осуществления в отношении любого из предыдущих вариантов осуществления, который отличается тем, что отбор проб из смешанного биогаза происходит периодически.
В настоящем изобретении предложен другой вариант осуществления в отношении любого из предыдущих вариантов осуществления, который дополнительно отличается тем, что он содержит первый датчик расхода, связанный с потоком биогазового сырья, причем указанный датчик расхода предназначен для обнаружения и выдачи сигнала, отражающего расход потока биогазового сырья, причем указанный датчик расхода сообщается с помощью сигналов с указанным блоком управления.
В настоящем изобретении предложен другой вариант осуществления в отношении приведенного выше варианта осуществления, который дополнительно отличается тем, что он содержит второй датчик расхода, связанный с указанным источником очищенного газа, причем указанный второй датчик расхода сообщается с помощью сигналов с указанным блоком управления для обнаружения и выдачи сигнала, отражающего расход очищенного газа.
В настоящем изобретении предложен другой вариант осуществления в отношении любого из предыдущих вариантов осуществления, который дополнительно отличается тем, что он содержит отражательную трубку очищенного газа для содействия повышению равномерности смешанного биогаза.
В настоящем изобретении предложен дополнительный вариант осуществления в отношении приведенного выше варианта осуществления, который отличается тем, что отражательная трубка представляет собой вытянутый цилиндр с осевым расточенным отверстием и разнесенными, радиально ориентированными отверстиями для очищенного газа для впрыска очищенного газа по значительному поперечному сечению потока биогазового сырья.
В настоящем изобретении предложен другой вариант осуществления в отношении любого из предыдущих вариантов осуществления, который отличается тем, что анализатор представляет собой двухпоточный газовый хроматограф.
В настоящем изобретении предложен другой вариант осуществления в отношении любого из предыдущих вариантов осуществления, который дополнительно отличается тем, что он содержит пробоотборную распределительную панель.
В настоящем изобретении предложен другой вариант осуществления в отношении любого из предыдущих вариантов осуществления, который отличается тем, что пробы смешанного и несмешанного биогаза передаются в анализатор из соответствующих пробоотборных зондов с использованием трубопроводов с сопровождающим подогревом.
В настоящем изобретении предложен другой вариант осуществления в отношении любого из предыдущих вариантов осуществления, который дополнительно отличается тем, что он содержит первый кондиционер проб, расположенный между и сообщающийся с возможностью передачи текучей среды с пробоотборный зондом и анализатором для сохранения стабильности паровой фазы пробы, извлеченной из потока биогазового сырья.
В настоящем изобретении предложен другой вариант осуществления в отношении приведенного выше варианта осуществления, который дополнительно отличается тем, что содержит второй кондиционер проб, связанный со вторым пробоотборным зондом.
В настоящем изобретении предложен другой вариант осуществления в отношении любого из предыдущих вариантов осуществления, который дополнительно отличается тем, что содержит системный интерфейс, имеющий процессор, экран и устройство ввода, причем системный интерфейс сообщается с помощью сигналов с блоком управления для передачи сигналов управления в блок управления и приема системных данных из блока управления.
Упомянутые выше, а также другие задачи настоящего изобретения решены посредством способа смешивания потока биогазового сырья из первого источника, имеющего первое энергосодержание, с очищенным газом из второго источника очищенного газа, имеющего известное второе энергосодержание, которое выше первого энергосодержания, для обеспечения смешанного биогаза, имеющего третье энергосодержание в выбранном диапазоне, с использованием системы смешивания газа, содержащей системный интерфейс и блок управления, сообщающийся с помощью сигналов с приводимым в действие клапаном, расположенным в источнике очищенного газа, причем способ отличается тем, что он содержит этапы, на которых: а) извлекают пробу из потока биогазового сырья; b) кондиционируют извлеченную пробу для анализа посредством анализатора энергосодержания и генерируют данные, соответствующие энергосодержанию потока биогазового сырья; с) определяют, имеет ли биогазовый поток энергосодержание, которое меньше предварительно установленного минимального значения; d) выдают сигнал управления посредством блока управления, если обнаружено, что первое энергосодержание падает ниже предварительно установленного минимального значения, и передают сигнал управления в указанный приводимый в действие клапан для впрыска очищенного газа в поток биогазового сырья для создания смешанного биогаза; е) извлекают пробу смешанного биогаза и анализируют ее энергосодержание для проверки того, превышает ли третье энергосодержание предварительно установленное минимальное значение; и выводят смешанный биогаз.
В настоящем изобретении предложен дополнительный вариант осуществления в отношении приведенного выше варианта осуществления, который отличается тем, что он содержит этапы, на которых измеряют расход потока биогазового сырья и расход потока очищенного газа, впрыскиваемого в поток биогазового сырья, и создают отношение расходов на основании измеренных соответствующих расходов потока.
В настоящем изобретении предложена система смешивания и сохранения энергосодержания биогаза, выполненная с возможностью мониторинга характеристик потока биогазового сырья из первого источника и управления введением очищенного газа из источника очищенного газа, например, природного газа или пропана с известным, повышенным значением энергосодержания, для получения смешанного биогаза с увеличенным энергосодержанием, отвечающим требованиям конкретных стандартов и/или установленных протоколов гарантии для двигателей, работающих на CNG.
Система смешивания газа может быть легко использована в комбинации с многоступенчатой системой, обеспечивающей поток биогазового сырья, как раскрыто в упомянутом выше патенте US 9535045. Очищенный газовый поток, имеющий профиль энергии сгорания, пригодный для увеличения общего энергосодержания потока биогазового сырья, выборочно вводится в поток биогазового сырья.
В примерном варианте осуществления система смешивания газа содержит по меньшей мере первый и второй пробоотборные зонды, расположенные в потоках биогазового сырья и смешанного биогаза в местах перед и после секции трубы для смешивания газа, соответственно. Первый пробоотборный зонд используется для извлечения несмешанной пробы из потока биогазового сырья, которая напрямую передается в надлежащий анализатор, например, газовый хроматограф GC (от англ. Gas Chromatograph). Если обнаружено, что уровень энергии сгорания несмешанного биогаза падает ниже предварительно выбранного минимального значения, из блока управления передается сигнал для открытия приводимого в действие клапана (например, электромеханического, соленоидного клапана и т.д.), расположенного между источником очищенного газа и потоком биогазового сырья. После приведения в действие, клапан переключается из закрытого в модулированное открытое или полностью открытое положение для введения очищенного газа в поток биогазового сырья для создания смешанного биогаза с более высоким общим энергосодержанием. Второй пробоотборный зонд, расположенный ниже по потоку, извлекает пробу смешанного биогаза ниже по потоку от впрыска очищенного газа, которая проходит в анализатор для оценки состава/энергосодержания. Данные, полученные из пробы смешанного биогаза, передаются из анализатора в блок управления с целью проверки достижения необходимого повышения энергосодержания для удовлетворения требований к уровню качества конечного пользователя. Данные также используются для управления расходом очищенного газа, впрыскиваемого в поток биогазового сырья, для сведения к минимуму отходов, возникающих в результате введения избыточного очищенного газа в поток биогазового сырья.
Введение очищенного газа в поток биогазового сырья необязательно происходит непрерывно. Если определено, что состав/энергосодержание пробы несмешанного биогазового сырья при первом отборе является достаточным, то нет никакой необходимости в увеличении профиля энергии потока биогазового сырья. В таком случае блок управления удерживает приводимый в действие клапан в закрытом положении и обеспечивает возможность прохождения потока биогазового сырья на выход системы без смешивания с очищенным газом.
Предлагаемые в настоящем изобретении способ и система могут также содержать датчики расхода для обнаружения и измерения расхода потока несмешанного биогазового сырья и расхода потока очищенного газа с обеспечением передачи сигнала в блок управления. Результаты определения расходов предоставляют дополнительные данные, которые дополняют результаты определения и анализа энергосодержания соответствующего биогазового потока и входящего очищенного газа. Такие результаты измерения расхода могут обеспечивать повышение точности в качестве избыточного альтернативного измерения, подтверждающего получение надлежащего смешивания, и могут сигнализировать о необходимости увеличения или уменьшения количества очищенного газа, впрыскиваемого в поток биогазового сырья. Если обработанные данные о расходе указывают на необходимость увеличить или уменьшить объемный расход очищенного газа, блок управления отправляет сигнал, отражающий необходимость регулирования расхода очищенного газа через клапан.
Предлагаемые в настоящем изобретении способ и система смешивания газа также могут содержать отражательную трубку очищенного газа, примыкающую в точке впрыска, для содействия более равномерному введению очищенного газа по поперечному сечению в поток биогазового сырья.
Термины, используемые в настоящем изобретении, предназначены только для описания конкретных вариантов осуществления и не служат для ограничения настоящего изобретения.
Используемые в настоящих материалах слова для обозначения формы единственного числа, такие как «некоторый», «какой-либо» и «указанный», также включают в себя форму множественного числа, если из контекста явным образом не следует иное. Также, следует понимать, что корневые понятия «включать в себя» и/или «иметь», при использовании в настоящем описании, указывают на наличие изложенных признаков, этапов, операций, элементов и/или компонентов, однако не исключают наличие или добавление по меньшей мере одного другого признака, этапа, операции, элемента, компонента и/или их групп.
Используемые в настоящих материалах понятия «отличающийся», «содержит», «содержащий», «включает в себя», «включающий в себя», «имеет», «имеющий» или любые другие их вариации, охватывают не исключающее включение. Например, процесс, способ, изделие или аппарат, которые содержат перечень признаков, необязательно ограничиваются только этими признаками, но могут включать в себя другие признаки, прямо не перечисленные или присущие такому процессу, способу, изделию или аппарату.
В определительных целях используемое в настоящем описании понятие «соединенный» включает в себя физическое, прямое или непрямое, соединение, прикрепление или регулируемую установку. Таким образом, если конкретно не задано, предполагается, что понятие «соединенный» охватывает любое работоспособное соединение.
В данном подробном описании, ссылки на «один вариант осуществления», «некоторый вариант осуществления» или «в вариантах осуществления» означают, что признак, на который дана ссылка, содержится по меньшей мере в одном варианте осуществления настоящего изобретения. Кроме того, отдельные ссылки на «один вариант осуществления», «некоторый вариант осуществления» или «варианты осуществления» не обязательно относятся к одному и тому же варианту осуществления; однако, при этом такие варианты осуществления не являются взаимоисключающими, если это не указано, и кроме случаев, которые будут очевидны специалисту в данной области техники. Таким образом, настоящее изобретение также включает в себя любое разнообразие комбинаций и/или объединений раскрытых здесь вариантов осуществления.
Если прямо не указано противоположное, используемый в настоящем изобретении союз «или» относится к включающему «ИЛИ», а не к исключающему «ИЛИ». Например, условие «А или В» удовлетворяется одной из следующих ситуаций: А - это истина (или наличие), а В - это ложь (или отсутствие), А - это ложь (или отсутствие), а В - это истина (или наличие), и оба и А, и В являются истиной (или имеются в наличии).
Используемые в настоящих материалах понятия «по существу», «в целом» или другие градационные слова являются относительными модификаторами, предназначенными для обозначения допустимого отличия от определяемых таким образом характеристик. Предполагается, что они не ограничиваются абсолютным значением или характеристикой, которую они определяют, а, скорее, имеют большую физическую или функциональную характеристику, чем противоположная им, и предпочтительно достигают или приближаются к такой физической или функциональной характеристике.
В нижеследующем описании приведены ссылки на прилагаемые чертежи, представленные в качестве иллюстраций конкретных вариантов осуществления, в виде которых настоящее изобретение может быть воплощено на практике. Нижеследующие проиллюстрированные варианты осуществления описаны достаточно подробно для того, чтобы специалист в данной области техники смог осуществить настоящее изобретение. Следует понимать, что могут быть использованы и другие варианты осуществления и что в настоящее изобретение могут быть внесены конструктивные изменения с учетом известных в настоящее время конструктивных и/или функциональных эквивалентов, без выхода за пределы объема правовой охраны настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан пример структурной схемы известной из уровня техники многоступенчатой системы очистки биогаза.
На фиг. 2 показана технологическая схема системы смешивания и проверки биогаза согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3 показана технологическая схема системы смешивания и проверки биогаза согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показана известная из уровня техники многоступенчатая система 10 очистки биогаза, имеющая четыре различных уровня обработки. Раскрытая многоступенчатая система 10 очистки относится к типу, содержащему объект патента США №9535045, содержание которого в полном объеме включено в настоящий документ посредством ссылки.
На фиг. 2 показана система 20 смешивания газа, которая является объектом настоящего изобретения. Система 20 смешивания газа соединена на уровне 22 выхода очищенного биогаза многоступенчатой системы 10 очистки. Газ, прошедший скрубберную очистку и имеющий значение приблизительно 900-950 БТЕ, удаляется из многоступенчатой системы 10 очистки, а поток биогазового сырья направляется через канал 22 для биогазового сырья, проходя через первый пробоотборный зонд 24, в котором происходит отбор проб из потока несмешанного биогазового сырья. Проба биогазового сырья передается в первый блок 28 кондиционирования проб газа для обеспечения надлежащего давления и температуры во время падения давления, которое необходимо для прохождения пробы из точки отбора в анализатор при не повреждающем давлении. Примером такого блока кондиционирования является система кондиционирования проб «Mustang Model 2» и система, подобная той, что раскрыта и описана в документе US 7484404 и его последующих документах, содержание которых включено в настоящий документ посредством ссылки.
В вариантах осуществления, имеющих анализатор 30, расположенный на расстоянии от кондиционера, кондиционированная проба биогаза предпочтительно передается через термостабилизированный трубопровод 26 с сопровождающим подогревом из блока 28 кондиционирования проб в анализатор 30 в массиве анализа проб. Обеспечение энергии для обогрева трубопровода данного типа раскрыто в документе US 7162933, содержание которого включено в настоящий документ посредством ссылки. Анализатор 30 предпочтительно оснащен несколькими входами, например, представляет собой хроматограф «ROSEMOUNT 570», предоставляемый компанией «Emerson» и способный измерять значение БТЕ множества потоков газовых проб.
После анализа проб посредством анализатора 30, данные передаются в блок 32 управления, например, PLC/PID контроллер, который в проиллюстрированном варианте осуществления представляет собой контроллер компании «WATLOW», и отображаются с использованием системного интерфейса 34, имеющего процессор, сенсорный экран и устройство ввода. Системный интерфейс 34 предпочтительно связан с портативным компьютером или другим дисплеем, соединенным с ним. На основании данных, обработанных блоком 32 управления, и требований конечного пользователя к энергосодержанию, блок 32 управления открывает приводимый в действие клапан 36, например, соленоидный клапан, в канале 38 для очищенного газа с целью обеспечения смешивания некоторого объема очищенного газа из источника 40 очищенного газа, имеющего известное энергосодержание, с потоком биогаза в канале 22 для биогазового сырья. Источник 40 очищенного газа предпочтительно представляет собой источник, например, пропана или высокоочищенного природного газа с высоким, известным уровнем энергосодержания, который будет увеличивать общее энергосодержание биогаза в потоке биогазового сырья, при смешивании с ним.
Клапан 36 сообщается с помощью сигналов с блоком 32 управления, например, с помощью беспроводной или электрической связи, и взаимодействует для регулирования расхода очищенного газа через канал 38 для очищенного газа. Если на основании данных из пробы потока биогаза установлено, что предварительно существующие характеристики состава пробы в несмешанном состоянии являются достаточными для удовлетворения целевых требований к качеству, необходимость во введении очищенного газа в поток биогазового сырья отсутствует. В таком случае, блок 32 управления обеспечивает, чтобы указанный приводимый в действие клапан 36 был приведен в действие/оставался в закрытом положении, позволяя, тем самым, несмешанному газу протекать вниз для передачи потребителю или использования в иных целях. Однако, чаще всего, поток биогазового сырья имеет уровень энергосодержания ниже предписанного минимального порогового значения. В таком случае, необходимо увеличение энергосодержания.
Для обеспечения такого увеличения, раскрытый вариант с фиг. 2 имеет стык 42, расположенный в точке пересечения канала 22 для биогазового сырья и канала 38 для очищенного газа. Поток очищенного газа протекает через канал 38 для очищенного газа и впрыскивается в поток биогазового сырья на стыке 42 труб смешивания.
Полученный в результате поток смешанного биогаза движется вниз от стыка 42 труб смешивания газа мимо второго встроенного пробоотборного зонда 44 на выход. В месте отбора, проба извлекается, опционально проходит через блок 48 кондиционирования проб и передается в анализатор. Если система имеет второй анализатор 50, то проба может быть напрямую направлена в него, или, как проиллюстрировано на чертежах, через коллектор или распределительную панель 45 анализатора, что обеспечивает контролируемое последовательное распределение пробы несмешанного биогаза в тот же самый анализатор 30, который применяется для анализа исходного потока биогазового сырья. В случае направления в анализатор 30, канал передачи пробы содержит соленоидный клапан 46, связанный с блоком управления для обеспечения изоляции этой линии от любого входа несмешанной пробы, проходящей в анализатор из пробоотборного зонда 24, а канал для несмешанной пробы содержит изолирующий клапан 46 для предотвращения нежелательного примешивания потоков в анализатор 30 и для обеспечения функционального управления смешанными и несмешанными пробами газа, введенными в анализатор 30 для анализа свойств газа множество потоков проб.
После передачи отобранной пробы в анализатор 30 и, в случае потока несмешанного газа во второй анализатор 50, данные анализа энергосодержания передаются в блок 32 управления. Если профиль сгорания газа потока несмешанного биогазового сырья удовлетворяет предварительно установленным минимальным требованиям конечного пользователя, клапан 36 остается закрытым. Однако если минимальное значение преодолено, то блок 32 управления отправляет пусковой сигнал на открытие клапана 36 для введения очищенного газа в поток биогазового сырья и создания смешанного биогаза. Далее смешанный биогаз подвергается отбору проб, периодически или непрерывно, и анализу для оценки энергосодержания смешанного биогаза, для гарантии того, что минимальные требования к энергосодержанию были соблюдены или продолжают соблюдаться. После обнаружения того, что поток биогазового сырья обладает достаточным энергосодержанием, блок 32 управления отключает соленоидный клапан для предотвращения введения очищенного газа в поток биогазового сырья.
Используя служебные программы, такие как «SOFTVIEW», связанные с процессором/системным интерфейсом 34, оператор может поддерживать отношение расходов, пригодное для обеспечения желаемого профиля сгорания биогаза. В вариантах осуществления, контроллер «WATLOW» переключается на автоматическое управление расходом при обнаружении им отказа на входе сигналов из блока GC. Это приводит к увеличению эффективности и уменьшению времени простоя, что, в свою очередь, позволяет увеличить производительность и прибыль. Оператор может блокировать автоматическое управление расходом за счет опционального переключения системного контроллера 32 в ручной режим.
На фиг. 3 показан второй вариант осуществления системы 20 смешивания биогаза согласно настоящему изобретению, в которой анализатор 30 и второй анализатор 50 передают данные напрямую в системный интерфейс 34, а системный интерфейс 34 устанавливает сигнальную связь с блоком 32 управления. Система 20 смешивания биогаза дополнительно содержит модульную распределительную панель 45, например, MMADP, предоставляемую компанией «Mustang Sampling)), Равенсвуд, Западная Виргиния, для выборочной изоляции и управления давлением пробы смешанного газа, соответственно, передаваемой в анализатор (30, 50).
Варианты осуществления могут также содержать щит 52 управления оператора системы, который предоставляет оператору мгновенный доступ к результатам измерения энергосодержания из анализатора (или анализаторов) и данным о расходе, полученным посредством детекторов 54. Как показано на чертежах, щит 52 управления соединен с блоком 32 управления и может обеспечивать оператору опциональные средства ручного управления в обход автоматики для любого из соленоидных клапанов с электроприводом в системе и, тем самым, позволяет управлять выходом потока биогазового сырья и впрыском в него очищенного газа. Щит 52 управления может также иметь функцию записи данных для архивации и создания документов по энергоаудиту.
В усовершенствованном варианте осуществления, способствующем улучшению равномерного смешивания двух потоков на стыке 42, очищенный газ может быть введен в биогазовый поток через отражательную трубку, выдающуюся в поток биогазового сырья. Наличие группы радиально ориентированных, разнесенных в осевом направлении отверстий, на предварительно заданных промежутках вдоль длины отражательной трубки, способствует более равномерному примешиванию очищенного газа к потокам биогазового сырья и, следовательно, более равномерно смешанному продукту.
В другом модифицированном варианте, не выходящем за рамки объема правовой охраны и сущности настоящего изобретения, система, содержащая двухпоточный хроматограф, например, проиллюстрированный на фиг. 2, имеет контур управления расходом, который обеспечивает измерение расхода на основании избыточных сведений об эффективном объеме впрыска очищенного газа и/или возможность для оператора продолжить выполнение операций в случае, если хроматограф отключается или требует технического обслуживания. Хотя такой контур не обеспечивает подтверждение при его самостоятельном использовании, с опорой на результаты измерения расхода, наличие контура управления расходом позволяет продолжить смешивание очищенного газа на усмотрение оператора. Такой вариант осуществления содержит преобразователь 54 расхода, например, преобразователь с встроенной измерительной диафрагмой модели 30515FP компании «ROSEMOUNT», расположенный на линии между блоком 32 управления и, соответственно, каналом 22 для биогазового сырья и каналом 38 для очищенного газа. Преобразователь 54 расхода измеряет соответствующие расходы в канале 22 для потока биогазового сырья и, при задействовании, в канале 36 для очищенного газа. Отображаемое отношение расходов указывает на оцененный, но не подтвержденный уровень БТЕ/энергосодержания выходного смешанного потока. В сочетании с анализом посредством хроматографа, расходы, обнаруженные посредством преобразователей 54 расхода, могут быть использованы для вычисления параметров регулирования для потока через приводимый в движение клапан 36.
Специалисту в данной области техники очевидно, что после ознакомления с информацией, предоставленной в приведенном выше описании и на прилагаемых чертежах, на ум могут прийти другие различные модификации и варианты осуществления настоящего изобретения. Таким образом, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными раскрытыми здесь вариантами осуществления, и что различные многочисленные модификации и другие варианты осуществления настоящего изобретения будут подпадать в пределы объема правовой охраны настоящего изобретения. Кроме того, хотя в настоящем изобретении использованы конкретные понятия, они применяются только в общем и иллюстративном смысле, а не для ограничения описания настоящего изобретения.
Промышленная применимость
Настоящее изобретение позволяет гарантировать, что профиль энергии сгорания выходного потока биогаза будет удовлетворять требованиям конечного пользователя за счет смешивания очищенного газа известного, более высокого энергосодержания, с потоком исходного биогазового сырья, когда энергосодержание потока биогазового сырья падает ниже предварительно установленного минимального порогового значения.
1. Система смешивания газа для создания потока смешанного биогаза,
отличающаяся тем, что она содержит:
источник биогазового сырья, обеспечивающий поток биогазового сырья, имеющий первое энергосодержание;
первый пробоотборный зонд для отбора проб из указанного потока биогазового сырья для анализа энергосодержания;
анализатор для анализа энергосодержания и выдачи сигналов данных, отражающих его;
блок управления для приема указанного сигнала данных анализа энергосодержания и передачи в ответ на него сигнала управления;
источник очищенного газа, выборочно сообщающийся с возможностью передачи текучей среды с указанным потоком биогазового сырья и расположенный ниже по потоку от указанного первого пробоотборного зонда, причем источник очищенного газа выборочно обеспечивает очищенный газ, имеющий известное энергосодержание, превышающее указанное первое энергосодержание;
клапан, сообщающийся с помощью сигналов с указанным блоком управления для реагирования на переданный сигнал, причем указанный клапан предназначен для управления расходом очищенного газа из указанного источника очищенного газа, причем указанный клапан выполнен с возможностью приведения его в действие между первым открытым положением и вторым закрытым положением, причем указанный клапан, находясь в указанном первом открытом положении, выборочно вводит указанный очищенный газ в поток биогазового сырья для создания потока смешанного биогаза, при обнаружении падения указанного первого энергосодержания ниже предварительно заданного минимального значения;
второй пробоотборный зонд для отбора проб из указанного потока смешанного биогаза, причем указанный второй пробоотборный зонд расположен ниже по потоку от указанного источника входящего очищенного газа, для анализа энергосодержания и проверки энергосодержания указанного потока смешанного биогаза на то, соответствует или превышает оно указанное предварительно заданное пороговое значение; и выход указанного потока смешанного биогаза.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что указанный клапан представляет собой соленоидный клапан с электроприводом, сообщающийся с помощью электронных сигналов с указанным блоком управления для регулирования расхода очищенного газа, введенного в указанный биогазовый поток.
3. Система по любому из пп. 1-2, отличающаяся тем, что отбор проб из потока биогазового сырья происходит непрерывно.
4. Система по любому из пп. 1-2, отличающаяся тем, что отбор проб из потока биогазового сырья происходит периодически.
5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что отбор проб из смешанного биогаза происходит периодически.
6. Система по п. 1, дополнительно отличающаяся тем, что она содержит первый датчик расхода, связанный с потоком биогазового сырья, причем указанный датчик расхода предназначен для обнаружения и выдачи сигнала, отражающего расход потока биогазового сырья, причем указанный датчик расхода сообщается с помощью сигналов с указанным блоком управления.
7. Система по п. 6, дополнительно отличающаяся тем, что она содержит второй датчик расхода, связанный с указанным источником очищенного газа, причем указанный второй датчик расхода сообщается с помощью сигналов с указанным блоком управления для обнаружения и выдачи сигнала, отражающего расход очищенного газа.
8. Система по любому из пп. 1 или 7, дополнительно отличающаяся тем, что она содержит отражательную трубку очищенного газа для содействия повышению равномерности смешанного биогаза.
9. Система по п. 8, отличающаяся тем, что отражательная трубка представляет собой вытянутый цилиндр с осевым расточенным отверстием и разнесенными, радиально ориентированными отверстиями для очищенного газа для впрыска очищенного газа по значительному поперечному сечению потока биогазового сырья.
10. Система по любому из пп. 1 или 7, отличающаяся тем, что анализатор представляет собой двухпоточный газовый хроматограф.
11. Система по любому из пп. 1 или 7, дополнительно отличающаяся тем, что она содержит пробоотборную распределительную панель.
12. Система по любому из пп. 1 или 7, отличающаяся тем, что пробы смешанного и несмешанного биогаза передаются в анализатор из соответствующих пробоотборных зондов с использованием трубопроводов с сопровождающим подогревом.
13. Система по любому из пп. 1 или 7, дополнительно отличающаяся тем, что она содержит первый кондиционер проб, расположенный между и сообщающийся с возможностью передачи текучей среды с пробоотборным зондом и анализатором для сохранения стабильности паровой фазы пробы, извлеченной из потока биогазового сырья.
14. Система по п. 13, дополнительно отличающаяся тем, что она содержит второй кондиционер проб, связанный со вторым пробоотборным зондом.
15. Система по любому из пп. 1 или 7, дополнительно отличающаяся тем, что она содержит системный интерфейс, имеющий процессор, сенсорный экран и устройство ввода, причем указанный системный интерфейс сообщается с помощью сигналов с блоком управления для передачи сигналов управления в блок управления и приема системных данных из блока управления.
16. Способ смешивания потока биогазового сырья из первого источника, имеющего первое энергосодержание, с очищенным газом из второго источника очищенного газа, имеющего известное второе энергосодержание, которое выше первого энергосодержания, для получения смешанного биогаза, имеющего третье энергосодержание в выбранном диапазоне, с использованием системы смешивания газа, содержащей системный интерфейс и блок управления, сообщающийся с помощью сигналов с приводимым в действие клапаном, расположенным в источнике очищенного газа, причем способ отличается тем, что содержит этапы, на которых:
а) извлекают пробу из потока биогазового сырья;
b) кондиционируют извлеченную пробу для анализа посредством анализатора энергосодержания и генерируют данные, соответствующие энергосодержанию потока биогазового сырья;
с) определяют, имеет ли биогазовый поток энергосодержание, которое меньше предварительно установленного минимального значения;
d) выдают сигнал управления посредством блока управления, если обнаружено, что первое энергосодержание падает ниже предварительно установленного минимального значения, и передают сигнал управления в указанный приводимый в действие клапан для впрыска очищенного газа в поток биогазового сырья для создания смешанного биогаза;
е) извлекают пробу смешанного биогаза и анализируют ее энергосодержание для проверки того, превышает ли третье энергосодержание предварительно установленное минимальное значение; и выводят смешанный биогаз.
17. Способ по п. 16, дополнительно отличающийся тем, что он содержит этапы, на которых измеряют расход потока биогазового сырья и расход потока очищенного газа, вспрыскиваемого в поток биогазового сырья, и создают отношение расходов на основании измеренных соответствующих расходов потока.
