RU2344344C1 - Method of biothermophotoelectrocatalytic convertion of energy released at enriched biogas fuel burning and device for its implementation - Google Patents
Method of biothermophotoelectrocatalytic convertion of energy released at enriched biogas fuel burning and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2344344C1 RU2344344C1 RU2007118855/06A RU2007118855A RU2344344C1 RU 2344344 C1 RU2344344 C1 RU 2344344C1 RU 2007118855/06 A RU2007118855/06 A RU 2007118855/06A RU 2007118855 A RU2007118855 A RU 2007118855A RU 2344344 C1 RU2344344 C1 RU 2344344C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- energy
- conversion
- spectral range
- gas
- biogas
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
- Y02P20/59—Biological synthesis; Biological purification
Landscapes
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к энергетике, в частности к выработке электроэнергии в замкнутом энергетическом цикле каскадного преобразования тепловой энергии и энергии светового излучения, выделяемых при сгорании обогащенного биогазового топлива, продуцируемого анаэробным сбраживанием органических отходов, и фотосинтеза технической биомассы.The invention relates to energy, in particular to the generation of electricity in a closed energy cycle of the cascade conversion of thermal energy and light energy emitted during the combustion of enriched biogas fuel produced by anaerobic digestion of organic waste, and photosynthesis of technical biomass.
Предлагаемое изобретение является замыкающим звеном авторской последовательности новаторских технических решений, направленных на разработку и создание нетрадиционного возобновляемого экологически безопасного источника электрической энергии, использование которого позволит решать проблемы повышения энергетического потенциала цивилизации при реально существующей угрозе истощения традиционных топливно-энергетических ресурсов с учетом современных темпов и уровня их потребления.The present invention is the closing link in the author's sequence of innovative technical solutions aimed at the development and creation of non-traditional renewable environmentally friendly source of electric energy, the use of which will solve the problems of increasing the energy potential of civilization with a real threat of depletion of traditional fuel and energy resources, taking into account current rates and their level consumption.
Известен способ термофотоэлектрокаталитического преобразования энергии, выделяемой при сгорании углеводородных топлив, заключающийся во введении в пламя, образующееся в результате реакции окисления углеводородного топлива кислородом, каталитической структуры с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и прямого преобразования излучаемой энергии в электрическую энергию с использованием полупроводниковых фотоэлементов, скоммутированных в фотоэлектрическую батарею, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, а также с применением оптической системы фокусировки светового потока и дополнительного блока термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания (Адамович А.Б., Вестяк В.А. Прикладное 3D-моделирование в среде AutoCAD. GGD (прикладная Gеометрия инженерная Gрафика компьютерный Dизайн), №1 (7), 2007, с.75-86).A known method of thermophotoelectrocatalytic conversion of energy released during the combustion of hydrocarbon fuels, which consists in introducing into the flame generated as a result of the oxidation of hydrocarbon fuel with oxygen a catalytic structure with high light output in an incandescent state in a certain spectral range and direct conversion of radiated energy into electrical energy using semiconductor photovoltaic cells connected to a photovoltaic battery, optimal for this spectral range by the border of the main photoactive absorption band, as well as with the use of an optical system for focusing the light flux and an additional block of thermoelectric conversion of thermal energy removed from high-temperature combustion products (Adamovich AB, Vestyak V.A. Applied 3D-modeling in AutoCAD GGD (Applied Geometry Engineering Graphics Computer Design), No. 1 (7), 2007, p. 75-86).
Процесс термофотоэлектрокаталитического преобразования в известном способе представлен в виде:The process of thermophotoelectrocatalytic conversion in the known method is presented in the form:
Известно устройство (патент US 4584426 А, H01L 31/04, 136 - 253, 1986), содержащее элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки со светопрозрачной защитной оболочкой, каталитическую структуру на тканевой основе, пропитанную окислами редкоземельных металлов, с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и фотоэлектрическую батарею с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, а также оптическую систему фокусировки светового потока с зеркальной внутренней поверхностью.A device is known (patent US 4584426 A, H01L 31/04, 136 - 253, 1986), containing an element for burning hydrocarbon fuel in the form of an injection gas burner with a translucent protective shell, a catalytic structure on a fabric basis, impregnated with rare earth oxides, with high light output in a state of incandescence in a certain spectral range and a photovoltaic battery with the optimal border for the main photoactive absorption band for a given spectral range, as well as an optical system for focusing light vogo flow with a mirror internal surface.
Известно устройство (Адамович А.Б., Вестяк В.А. Прикладное 3D-моделирование в среде AutoCAD. GGD (прикладная Gеометрия инженерная Gрафика компьютерный Dизайн), №1 (7), 2007, с.75-86) для осуществления известного способа термофотоэлектрокаталитического преобразования энергии, выделяемой при сгорании углеводородных топлив, содержащее элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки со светопрозрачной защитной оболочкой, каталитическую структуру с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне, фотоэлектрическую батарею с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, а также оптическую систему фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения с зеркальной внутренней поверхностью и дополнительный блок в виде полупроводниковой батареи термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания.A device is known (Adamovich A.B., Vestyak V.A. Applied 3D-modeling in AutoCAD. GGD (Applied Geometry Engineering Graphics Computer Design), No. 1 (7), 2007, p. 75-86) for implementing the known method thermophotoelectrocatalytic conversion of energy released during the combustion of hydrocarbon fuels, containing an element for burning hydrocarbon fuel in the form of an injection gas burner with a translucent protective sheath, a catalytic structure with high light output in a glow state in a certain spectrally m range, a photovoltaic battery with an optimal border for the main photoactive absorption band for a given spectral range, as well as an optical system for focusing the light flux in the form of a bifocal rotation ellipsoid with a mirrored inner surface and an additional unit in the form of a semiconductor battery for thermoelectric conversion of thermal energy removed from high-temperature combustion products .
Недостатком известных способа и устройств является недостаточная полнота использования в них потенциальных возможностей процесса термофотоэлектрокаталитического преобразования энергии, обусловленная отсутствием ключевых составляющих, обеспечивающих возможность организации замкнутого энергетического цикла.A disadvantage of the known method and devices is the insufficient completeness of using the potential of the process of thermophotoelectric catalytic energy conversion in them, due to the lack of key components that enable the organization of a closed energy cycle.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение потенциальных возможностей процесса термофотоэлектрокаталитического преобразования энергии посредством организации замкнутого энергетического цикла, включающего фотосинтез технической биомассы, анаэробное сбраживание органических отходов, продуцирование биогаза, его обогащение и выработку электроэнергии при каскадном преобразовании тепловой энергии и энергии светового излучения, выделяемых при сгорании обогащенного биогазового топлива.The problem to which the invention is directed, is to increase the potential of the process of thermophotoelectrocatalytic energy conversion by organizing a closed energy cycle, including photosynthesis of technical biomass, anaerobic digestion of organic waste, biogas production, its enrichment and electricity generation during cascade conversion of heat energy and light radiation energy emitted during the combustion of enriched biogas fuel.
Органические соединения (жиры, белки, углеводы и т.д.) генерируются в природе зелеными растениями с выделением молекулярного кислорода О2 соответственно в «темновой» и «световой» стадиях процесса фотосинтеза за счет энергии солнечного света, поглощаемого пигментом (хлорофиллом), из двуокиси углерода СО2, воды Н2О и других простых неорганических веществ.Organic compounds (fats, proteins, carbohydrates, etc.) are generated in nature by green plants with the release of molecular oxygen O 2 in the “dark” and “light” stages of the photosynthesis process, respectively, due to the energy of sunlight absorbed by the pigment (chlorophyll) from carbon dioxide CO 2 , water H 2 O and other simple inorganic substances.
Однако урожайность высших (многоклеточных) растений и скорость их роста недостаточны для генерации промышленных объемов технической биомассы.However, the yield of higher (multicellular) plants and their growth rate are insufficient to generate industrial volumes of technical biomass.
Особое место в растительном мире занимают зеленые одноклеточные микроводоросли, характеризующиеся очень высокой интенсивностью бесполого размножения путем деления клетки на две или более частей.A special place in the plant world is occupied by green unicellular microalgae, characterized by a very high intensity of asexual reproduction by dividing the cell into two or more parts.
Одной из наиболее перспективных культур является хлорелла, зеленая микроводоросль размером 8÷10 мкм с максимальным в сравнении с растениями содержанием хлорофиллов «а»+»b» в количестве 4÷5% от сухого веса, искусственное размножение которой в микроводорослевом культиваторе при благоприятном освещении в диапазоне длин волн 0,38÷0,74 мкм и обеспечении питания носит цепной характер с периодом удвоения 20÷25 часов (Андреева В.М. Род Chlorella. - Л.: Мир, 1977).One of the most promising crops is chlorella, a green microalga with a size of 8–10 μm with a maximum content of chlorophylls “a” + ”b” in the amount of 4–5% of dry weight, which is artificially propagated in a microalgae cultivator under favorable light in the wavelength range of 0.38 ÷ 0.74 μm and the power supply is chain in nature with a doubling period of 20 ÷ 25 hours (Andreeva V.M. Rod Chlorella. - L .: Mir, 1977).
Авторами предлагаемого изобретения был проведен спектрографический анализ светового излучения каталитической структуры на тканевой основе, пропитанной окислами редкоземельных металлов, в состоянии накаливания в пламени газовой горелки, результаты которого отражены на прилагаемой к описанию обработанной фотографии контрольного листа спектрограммы (фиг.1).The authors of the present invention carried out a spectrographic analysis of the light emission of a fabric-based catalytic structure impregnated with rare-earth metal oxides in a state of incandescent flame in a gas burner, the results of which are reflected in the processed photograph attached to the description of the control sheet of the spectrogram (figure 1).
Светоотдача каталитической структуры наблюдалась в спектральном диапазоне от λo=0,36 мкм до λпор.=0,72 мкм.The luminous efficiency of the catalytic structure was observed in the spectral range from λ o = 0.36 μm to λ pores. = 0.72 μm.
Наличие у хлореллы в отличие от других микроводорослей, например спирулины, относительно прочной гемицеллюлозной оболочки препятствует образованию отложений на рабочих поверхностях микроводорослевого культиватора (Адамович Б.А. и др. Марсианская одиссея. - М.: ИД «Авиамир», 2006, с.268).The presence in chlorella, unlike other microalgae, for example spirulina, of a relatively strong hemicellulose membrane prevents the formation of deposits on the working surfaces of the microalgae cultivator (B. Adamovich and other Martian Odyssey. - M .: Publishing House Aviamir, 2006, p.268 )
Использование суспензии хлореллы в качестве биологически активной добавки (БАД) в кормовом рационе сельскохозяйственных животных способствует более полной усвояемости кормов последними и соответственно получению дополнительных привесов, увеличению молочной продуктивности, повышению яйценоскости, лучшей сохранности поголовья, улучшению его репродуктивных свойств и повышению иммунитета при снижении количества применяемых лекарственных препаратов, в том числе антибиотиков, позволяющем получать животноводческую продукцию более высокого качества (Богданов Н. И. Суспензия хлореллы в рационе сельскохозяйственных животных. - Пенза: РИО ПГСХА, 2007, с.51).The use of chlorella suspension as a biologically active additive (BAA) in the feed ration of farm animals contributes to a more complete digestibility of feed by the latter and, accordingly, to obtain additional weight gain, increase milk production, increase egg production, better preserve the livestock, improve its reproductive properties and increase immunity while reducing the amount of applied drugs, including antibiotics, allowing you to get livestock products more than you okogo quality (Bogdanov N. suspension of chlorella in the diet of farm animals - Penza:. PGSKHA RIO 2007, p.51).
На сегодняшний день наиболее полно отвечают требованиям промышленного культивирования планктонные штаммы Chlorella vulgaris ИФР №С-111 и Chlorella vulgaris BIN, в которых сохранены основные природные свойства микроводоросли:To date, the planktonic strains of Chlorella vulgaris IGF No. C-111 and Chlorella vulgaris BIN most fully meet the requirements of industrial cultivation, in which the basic natural properties of microalgae are preserved:
- способность свободного парения в водном пространстве;- the ability of free floating in the water;
- равномерное распределение клеток в культуральной среде;- uniform distribution of cells in the culture medium;
- отсутствие агглютинации клеток;- lack of agglutination of cells;
- способность создавать условия, препятствующие развитию прочих микроорганизмов;- the ability to create conditions that impede the development of other microorganisms;
- устойчивость к поражению вирусами.- resistance to damage by viruses.
Анаэробное брожение или биометаногенез - давно известный процесс превращения биомассы в энергию (Волова Т.Г. Биотехнология. - Новосибирск: СО РАН, 1999, с.145).Anaerobic fermentation or biomethanogenesis is a long-known process of converting biomass into energy (Volova T.G. Biotechnology. - Novosibirsk: SB RAS, 1999, p.145).
Биогаз, получаемый из органического сырья в ходе биометаногенеза в результате сложных процессов деструкции органических субстратов при участии микробной ассоциации различных анаэробных микроорганизмов, представляет собой газовую смесь из 55÷75% метана СН4 и 20÷35% двуокиси углерода СО2 а также незначительных количеств сероводорода Н2S, азота N2 и водорода Н2.Biogas obtained from organic raw materials during biomethanogenesis as a result of complex processes of destruction of organic substrates with the participation of the microbial association of various anaerobic microorganisms is a gas mixture of 55 ÷ 75% methane CH 4 and 20 ÷ 35% carbon dioxide CO 2 and also small amounts of hydrogen sulfide H 2 S, nitrogen N 2 and hydrogen H 2 .
Анаэробное брожение с точки зрения химизма процесса характеризуется двухфазностью. В «кислотной» фазе деструкцию органической массы вызывает ассоциация облигатных (аккомпанирующих) анаэробных бактерий, среди которых гидролитики, кислотогены, ацетатогены и др. В «газовой» фазе «венцом» метанового сообщества являются метанообразующие археобактерии (метаногены), катализирующие восстановительные реакции, приводящие к синтезу метана.Anaerobic fermentation from the point of view of the chemistry of the process is characterized by two-phase. In the "acid" phase, the destruction of the organic matter is caused by the association of obligate (accompanying) anaerobic bacteria, among which hydrolytics, acidogens, acetate and other genes. In the "gas" phase, the methane-forming archaeobacteria (methanogens) are the "crown" of the methane community, catalyzing reduction reactions leading to methane synthesis.
Скорость процесса анаэробного сбраживания зависит от вида популяции бактерий деструкторов. Для популяции психрофильных бактерий процесс реализуется при +5÷+20°С, для мезофильных при +30÷+40°С и для термофильных при +50÷+60°С. Применяется популяция экстратермофильных бактерий, для которой оптимальной считается температура +65°С.The speed of the process of anaerobic digestion depends on the type of population of bacteria of destructors. For a population of psychrophilic bacteria, the process is realized at + 5 ÷ + 20 ° С, for mesophilic bacteria at + 30 ÷ + 40 ° С and for thermophilic bacteria at + 50 ÷ + 60 ° С. A population of extratermophilic bacteria is used, for which a temperature of + 65 ° C is considered optimal.
Сбраживание при более высоких температурах идет быстрее, чем при низких, и характеризуется примерно удвоением выхода биогаза на каждые 5°С (Твайделл Дж., Уэир А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с.292).Fermentation at higher temperatures is faster than at low temperatures and is characterized by approximately doubling the biogas yield for every 5 ° С (Twidell J., Weir A. Renewable energy sources: Transl. From English - M .: Energoatomizdat, 1990, p. 292).
Важно также подчеркнуть, что содержащиеся в сбраживаемой массе полезные неорганические вещества фактически полностью остаются в переброженном шламе, пригодном для повторного использования в качестве подкормочного материала.It is also important to emphasize that the beneficial inorganic substances contained in the fermented mass remain virtually completely in the fermented sludge, suitable for reuse as a top dressing material.
Касаясь способов обогащения биогаза путем снижения содержащихся в нем примесей, отметим адсорбционный способ глубокой сушки с неподвижным слоем на синтетических цеолитах типа NaA, получаемых гранулированием алюмосиликатного сырья с последующей термообработкой и кристаллизацией (Колобродов В.Г. и др. Способы повышения качества биогаза. - Твердые бытовые отходы, 2006, №8, с.11), и абсорбционный, основанный на растворении углекислоты СО2 в абсорбционной жидкости (воде). Предельные углеводороды, к которым относится метан CH4, в воде не растворяются.Regarding the methods of biogas enrichment by reducing the impurities contained in it, we note the adsorption method of deep drying with a fixed layer on synthetic zeolites of the NaA type, obtained by granulating aluminosilicate raw materials with subsequent heat treatment and crystallization (Kolobrodov V.G. et al. Methods for improving the quality of biogas. - Solid household waste, 2006, No. 8, p.11), and absorption based on the dissolution of carbon dioxide CO 2 in the absorption liquid (water). Limit hydrocarbons, which include methane CH 4 , are not soluble in water.
Поставленная задача решается следующим образом. Заявленный способ, включающий введение в пламя, образующееся в результате реакции окисления углеводородного топлива кислородом, каталитической структуры с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и прямого преобразования излучаемой энергии в электрическую энергию с использованием полупроводниковых фотоэлементов, скоммутированных в фотоэлектрическую батарею, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, а также с применением оптической системы фокусировки светового потока и дополнительного блока термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания, осуществляют по замкнутому энергетическому циклу, включающему фотосинтез технической биомассы зеленой микроводоросли - биологически активной добавки в кормовой рацион сельскохозяйственных животных, анаэробное экстратермофильное сбраживание отходов животноводства и бытовых органических отходов, продуцирование биогаза, его обогащение и выработку электроэнергии при каскадном преобразовании тепловой энергии и энергии светового излучения, выделяемых при сгорании обогащенного биогазового топлива.The problem is solved as follows. The claimed method, comprising introducing into the flame resulting from the oxidation reaction of hydrocarbon fuel with oxygen, a catalytic structure with high light output in a state of incandescence in a certain spectral range and direct conversion of radiated energy into electrical energy using semiconductor photocells connected to a photovoltaic battery, optimal for of this spectral range by the boundary of the main band of photoactive absorption, as well as using optical A system of focusing the light flux and an additional block of thermoelectric conversion of heat energy removed from high-temperature combustion products is carried out according to a closed energy cycle, including photosynthesis of technical biomass of green microalgae - a biologically active additive in the feed ration of farm animals, anaerobic extra-thermophilic fermentation of animal waste and household organic waste , biogas production, enrichment and power generation and during cascade conversion of thermal energy and light radiation energy released during the combustion of enriched biogas fuel.
Процесс биотермофотоэлектрокаталитического преобразования в предлагаемом способе можно представить в виде:The process of biothermal photoelectrocatalytic conversion in the proposed method can be represented in the form:
Поставленная задача решается также тем, что заявленное устройство, содержащее элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки со светопрозрачной защитной оболочкой, каталитическую структуру на тканевой основе, пропитанную окислами редкоземельных металлов, с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и фотоэлектрическую батарею с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, а также оптическую систему фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения с зеркальной внутренней поверхностью и дополнительный блок в виде полупроводниковой батареи термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания, включает в свой состав фотореактор со светопрозрачным корпусом, установленным во вторичной фокальной плоскости оптической системы фокусировки светового потока над фотоэлектрической батареей, емкость-смеситель с перистальтическим циркуляционным насосом, емкости для абсорбции углекислоты из продуктов сгорания и обогащения биогаза, образующими в совокупности двухстадийный «световой» и «темновой» фотосинтезирующий контур, а также перистальтический насос подачи водной суспензии зеленой микроводоросли в центробежный сепаратор, емкости приема инфлюента (отходов животноводства и бытовых органических отходов) и отбора эффлюента (переброженного шлама) с прямой и обратной, имеющей запорную арматуру, ветвями, метантенк второго поколения с теплоизоляцией и камерами «кислотного» и «газофазного» брожений, оснащенными биотехническими вставками с соответствующими сообществами маточных культур анаэробных бактерий, находящихся в иммобилизованном состоянии, причем емкости приема и отбора соответственно инфлюента и эффлюента и метантенк соединены друг с другом по принципу сообщающихся сосудов.The problem is also solved by the fact that the claimed device containing an element for burning hydrocarbon fuel in the form of an injection gas burner with a translucent protective sheath, a fabric-based catalytic structure impregnated with rare-earth metal oxides, with high light output in a state of incandescence in a certain spectral range and a photoelectric battery with the optimal boundary for the photoactive absorption band for the given spectral range, as well as the optical system of foci luminous flux arrays in the form of a bifocal ellipsoid of revolution with a mirrored inner surface and an additional unit in the form of a semiconductor battery of thermoelectric conversion of thermal energy removed from high-temperature combustion products, includes a photoreactor with a translucent body mounted in the secondary focal plane of the optical system for focusing the light flux above photoelectric battery, mixing tank with peristaltic circulation pump, containers for ab sorption of carbon dioxide from the products of combustion and enrichment of biogas, which together form a two-stage “light” and “dark” photosynthetic circuit, as well as a peristaltic pump for supplying an aqueous suspension of green microalgae to a centrifugal separator, containers for receiving influenza (animal waste and household organic waste) and effluent selection (fermented sludge) with direct and reverse, having shutoff valves, branches, second-generation digesters with thermal insulation and chambers of “acid” and “gas-phase” fermentation, o naschennymi biotechnical inserts with the respective communities stock cultures of anaerobic bacteria in the immobilized state, wherein the container receiving and sampling respectively inflyuenta and digester effluent and connected to each other by the principle of communicating vessels.
Для обеспечения гомогенизации бродящей массы и препятствования образованию корки на ее поверхности метантенк оборудован мешалкой с герметичным сильфонным эксцентриковым вводом вращения и двумя рециркуляционными насосами камер «кислотного» и «газофазного» брожений.To ensure homogenization of the fermenting mass and to prevent the formation of a crust on its surface, the digester is equipped with a stirrer with a sealed bellows eccentric rotation input and two recirculation pumps of the “acid” and “gas-phase” fermentation chambers.
Для обеспечения экстратермофильного сбраживания устройство включает в свой состав жидкостной теплообменный контур, содержащий теплообменник метантенка, рекуператор тепла, насос для прокачки жидкости, рубашку жидкостного охлаждения блока термоэлектрического преобразования, теплообменник патрубка отвода продуктов сгорания и бачок-компенсатор с воздушным клапаном.To provide extra-thermophilic fermentation, the device includes a liquid heat exchange circuit containing a methane tank heat exchanger, a heat recuperator, a liquid pump, a liquid cooling jacket of the thermoelectric conversion unit, a heat exchanger of the exhaust pipe, and a compensating tank with an air valve.
Устройство включает также газовый контур, содержащий газовый компрессор, газгольдер-конденсатор высокого давления с запорной арматурой и обратными газовым и жидкостным клапанами, редукционный клапан, адсорбер с байпасной ветвью, теплообменник предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива и ветвь отвода продуктов сгорания с газовым нагнетателем.The device also includes a gas circuit containing a gas compressor, a high-pressure gas holder-condenser with shutoff valves and gas and liquid check valves, a pressure reducing valve, an adsorber with a bypass branch, an enriched biogas fuel preheater heat exchanger, and a combustion products exhaust branch with a gas supercharger.
Биотехнические вставки могут быть выполнены с использованием пористых материалов (стекловолокно, вспененный перлит, галечник, керамзит и др.).Biotechnological inserts can be made using porous materials (fiberglass, foamed perlite, pebble, expanded clay, etc.).
Адсорбер может быть выполнен с использованием синтетических цеолитов типа NaA, получаемых гранулированием алюмосиликатного сырья с последующей термообработкой и кристаллизацией.The adsorber can be made using synthetic zeolites of the NaA type, obtained by granulating aluminosilicate raw materials with subsequent heat treatment and crystallization.
На фиг.1 представлена обработанная фотография контрольного листа спектрограммы; на фиг.2 изображена схема устройства для осуществления способа биотермофотоэлектрокаталитического преобразования энергии; на фиг.3 представлен узел I на фиг.2, поясняющий устройство; на фиг.4 показано сечение А-А на фиг.3; на фиг.5 показан разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.6 показан разрез В-В на фиг.3.Figure 1 presents the processed photo of the control sheet of the spectrogram; figure 2 shows a diagram of a device for implementing the method of biothermal photoelectrocatalytic energy conversion; figure 3 presents the node I in figure 2, explaining the device; figure 4 shows a section aa in figure 3; figure 5 shows a section bB in figure 3; figure 6 shows a section bb in figure 3.
Способ биотермофотоэлектрокаталитического преобразования энергии, включающий введение в пламя 1, образующееся в результате реакции окисления углеводородного топлива кислородом, каталитической структуры 2 с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и прямого преобразования излучаемой энергии в электрическую энергию с использованием полупроводниковых фотоэлементов, скоммутированных в фотоэлектрическую батарею 3, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, а также с применением оптической системы фокусировки светового потока 4 и дополнительного блока 5 термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания, осуществляют по замкнутому энергетическому циклу, включающему фотосинтез технической биомассы зеленой микроводоросли - биологически активной добавки в кормовой рацион сельскохозяйственных животных, анаэробное экстратермофильное сбраживание отходов животноводства и бытовых органических отходов, продуцирование биогаза, его обогащение и выработку электроэнергии при каскадном преобразовании тепловой энергии и энергии светового излучения, выделяемых при сгорании обогащенного биогазового топлива (фиг.2, 3).The method of biothermal photoelectrocatalytic energy conversion, including introducing into the flame 1, resulting from the oxidation of hydrocarbon fuel with oxygen, a catalytic structure 2 with high light output in an incandescent state in a certain spectral range and direct conversion of radiated energy into electrical energy using semiconductor photocells connected to a
Устройство для осуществления способа биотермофотоэлектрокаталитического преобразования энергии, содержащее элемент 6 для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки со светопрозрачной защитной оболочкой 7, каталитическую структуру 2 на тканевой основе, пропитанную окислами редкоземельных металлов, с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и фотоэлектрическую батарею 3 с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, а также оптическую систему фокусировки светового потока 4 в виде бифокального эллипсоида вращения с зеркальной внутренней поверхностью и дополнительный блок 5 в виде полупроводниковой батареи термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания, включает в свой состав фотореактор 8 со светопрозрачным корпусом 9, установленным во вторичной фокальной плоскости оптической системы фокусировки светового потока 4 над фотоэлектрической батареей 3, емкость-смеситель 10 с перистальтическим циркуляционным насосом 11, емкости 12, 13 для абсорбции углекислоты из продуктов сгорания и обогащения биогаза, образующими в совокупности двухстадийный «световой» и «темновой» фотосинтезирующий контур, а также перистальтический насос 14 подачи водной суспензии зеленой микроводоросли в центробежный сепаратор 15, емкости приема 16 инфлюента и отбора 17 эффлюента с прямой 18 и обратной 19, имеющей запорную арматуру 20, ветвями, метантенк 21 второго поколения с теплоизоляцией 22 и камерами «кислотного» 23 и «газофазного» 24 брожений, оснащенными биотехническими вставками 25 с соответствующими сообществами маточных культур анаэробных бактерий, находящихся в иммобилизованном состоянии, причем емкости 16, 17 приема и отбора соответственно инфлюента и эффлюента и метантенк 22 соединены друг с другом по принципу сообщающихся сосудов, при этом метантенк 22 оборудован мешалкой 26 с герметичным сильфонным эксцентриковым вводом вращения 27 и двумя рециркуляционными насосами 28, 29 камер «кислотного» 23 и «газофазного» 24 брожений, а также жидкостной теплообменный контур, содержащий теплообменник метантенка 30, рекуператор тепла 31, насос 32 для прокачки жидкости, рубашку 33 жидкостного охлаждения блока 5 термоэлектрического преобразования, теплообменник 34 патрубка 35 отвода продуктов сгорания и бачок-компенсатор 36 с воздушным клапаном 37, и газовый контур, содержащий газовый компрессор 38, газгольдер-конденсатор 39 высокого давления с запорной арматурой 40 и обратными газовым 41 и жидкостным 42 клапанами, редукционный клапан 43, адсорбер 44 с байпасной ветвью 45, теплообменник 46 предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива и ветвь 47 отвода продуктов сгорания с газовым нагнетателем 48 (фиг.2, 3, 4, 5 и 6).A device for implementing the method of biothermal photoelectrocatalytic energy conversion, containing an
Биотехнические вставки 25 выполнены с использованием пористых материалов (стекловолокно, вспененный перлит, галечник, керамзит и др.).Biotechnological inserts 25 are made using porous materials (fiberglass, foamed perlite, pebble, expanded clay, etc.).
Адсорбер 44 выполнен с использованием синтетических цеолитов типа NaA, получаемых гранулированием алюмосиликатного сырья с последующей термообработкой и кристаллизацией.The adsorber 44 is made using synthetic zeolites of the NaA type, obtained by granulating aluminosilicate raw materials with subsequent heat treatment and crystallization.
Устройство работает следующим образом (фиг.2, 3).The device operates as follows (figure 2, 3).
Обогащенное биогазовое топливо подается под давлением в инжекционную газовую горелку 6, в которой создается газовоздушная смесь, необходимая для процесса горения.The enriched biogas fuel is supplied under pressure to the
В пламени 1 газовой горелки 6 каталитическая структура 2, находящаяся в первичной фокальной области бифокального эллипсоида вращения 4 в состоянии накаливания, излучает в биофотоактивном спектральном диапазоне световой поток, который после переотражения от зеркальной внутренней поверхности эллипсоида 4, фокусируется во вторичной фокальной области, где располагается фотореактор 8 со светопрозрачным корпусом 9, в котором осуществляется «световая» стадия фотосинтеза в прокачиваемой через него перистальтическим циркуляционным насосом 11 водной суспензии зеленой микроводоросли, сопровождающаяся выделением молекулярного кислорода. Непоглощенная часть светового потока падает на фотоэлектрическую батарею 3 с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения. Фотоэлектрическая батарея 3 эффективно генерирует фото-ЭДС, преобразуя энергию светового потока в электрическую энергию.In flame 1 of a
При снижении до определенного уровня электрической мощности фотоэлектрической батареи 3, обуславливаемого снижением интегральной пропускательной способности водной суспензии зеленой микроводоросли вследствие увеличения со временем биомассы последней, происходит ее отбор и перекачивание перистальтическим насосом 14 в центробежный сепаратор 15.When the
После фотореактора 8 водная суспензия зеленой микроводоросли поступает в емкость-смеситель 10, в которой происходит ее смешивание с фракцией водной суспензии с пониженной концентрацией зеленой биомассы после сепаратора 15 и фракцией переброженного шлама с полезными неорганическими компонентами, поступающей по обратной ветви 19, имеющей запорную арматуру 20, из емкости 17 отбора эффлюента.After the
В емкостях 12 происходит растворение углекислоты и конденсация влаги, содержащихся в продуктах сгорания, а в емкостях 13 растворение углекислоты, содержащейся в биогазе.In tanks 12, the dissolution of carbon dioxide and condensation of moisture contained in the products of combustion, and in tanks 13, the dissolution of carbon dioxide contained in biogas.
Таким образом, водная суспензия зеленой микроводоросли получает требуемое сырье для осуществления «темновой» стадии фотосинтеза по генерации органических соединений и своего размножения.Thus, an aqueous suspension of green microalgae receives the required raw materials for the implementation of the "dark" stage of photosynthesis for the generation of organic compounds and its propagation.
Воздух, поступающий во внутренний объем эллипсоида вращения 4, отбирая на входе тепло от нагретой фотоэлектрической батареи 3 (вследствие внутренних потерь, определяемых физическими свойствами полупроводников и конструктивными параметрами батареи в целом) и термостатируя светопрозрачный корпус 9 фотореактора 8, предварительно подогревается, перемешивается с выделяющимся из фотореактора 8, кислородом, частично инжектируется газовой горелкой 6 и, продолжая движение внутри эллипсоида 4, отбирает тепло (вследствие неполного отражения) от его внутренней зеркальной поверхности и от нагретой продуктами сгорания светопрозрачной защитной оболочки 7.The air entering the internal volume of the ellipsoid of revolution 4, taking heat from the heated
В кольцевом зазоре между оболочкой 7 и блоком 5 термоэлектрической батареи происходит интенсивная передача тепла от нагретого воздуха к горячим спаям полупроводниковых термоэлементов последней. При установившейся разности температур между нагреваемыми горячими и охлаждаемыми через рубашку 33 жидкостного охлаждения холодными спаями термоэлектрическая батарея генерирует термо-ЭДС, преобразуя тепловую энергию, выделяемую при сгорании обогащенного биогазового топлива, в электрическую энергию.In the annular gap between the shell 7 and the
Далее смесь воздуха с продуктами сгорания через патрубок 35 поступает в ветвь отвода 47 и нагнетателем 48 прокачивается через емкости 12 в атмосферу.Next, the mixture of air with combustion products through the pipe 35 enters the branch branch 47 and the supercharger 48 is pumped through the tank 12 into the atmosphere.
После центробежного сепаратора 15 концентрированная фракция водной суспензии зеленой микроводоросли используется в качестве биологически активной добавки в кормовом рационе сельскохозяйственных животных.After centrifugal separator 15, a concentrated fraction of an aqueous suspension of green microalgae is used as a biologically active additive in the feed ration of farm animals.
Отходы животноводства и бытовые органические отходы поступают в емкость 16 приема инфлюента и далее в метантенк 21 с теплоизоляцией 22 и камерами «кислотного» 23 и «газофазного» 24 брожений. Обе фазы осуществляются параллельно и одновременно в одном пространственно разделенном объеме. Продукты деструкции органики, образовавшиеся под воздействием маточных культур анаэробных бактерий в «кислотной» фазе, являются субстратом для маточных культур анаэробных микроорганизмов «газовой» фазы, иммобилизованных в биотехнических вставках 25. Переброженный шлам поступает в емкость 17 отбора эффлюента, откуда по прямой ветви 18 направляется для повторного использования в качестве эффективного биологического удобрения, а по обратной ветви 19 на подкормку микроводоросли в фотосинтезирующий контур.Livestock wastes and household organic waste go into the receptacle 16 for receiving the influent and then to the digester 21 with heat insulation 22 and acidic 23 and gas-phase fermentation chambers 24. Both phases are carried out in parallel and simultaneously in one spatially separated volume. Organic degradation products formed under the influence of uterine cultures of anaerobic bacteria in the “acid” phase are a substrate for uterine cultures of anaerobic microorganisms of the “gas” phase immobilized in biotechnological inserts 25. The fermented sludge enters the container 17 for selection of the effluent, from where it is sent in a straight branch 18 for reuse as an effective biological fertilizer, and on the reverse branch 19 for feeding microalgae into a photosynthetic circuit.
Интенсификация процессов деструкции достигается использованием в конструкции метантенка 21 мешалки 26, насоса 28, обеспечивающего рециркуляцию продуктов брожения «кислотной» фазы, и насоса 29, рециркулирующего осадок «газовой» фазы.The intensification of the degradation processes is achieved by using the design of the digester 21 of the mixer 26, pump 28, which ensures recirculation of the fermentation products of the “acid” phase, and pump 29, which recirculates the precipitate of the “gas” phase.
Насос 32, прокачивая жидкость по теплообменному контуру через теплообменник метантенка 30, рекуператор тепла 31, рубашку 33 жидкостного охлаждения блока 5 термоэлектрического преобразования, теплообменник 34 патрубка 35 отвода продуктов сгорания, обеспечивает экстратермофильные условия протекания эндотермичных процессов биометаногенеза.The pump 32, pumping liquid along the heat exchange circuit through the heat exchanger 30, heat recuperator 31,
Синтезированный биогаз подается газовым компрессором 38 через газовый обратный клапан 41 в газгольдер-конденсатор 39 высокого давления, в котором происходит конденсация влаги, содержащейся в биогазе, и усредняется его химический состав. Избыток конденсата удаляется через жидкостной обратный клапан 42 в емкость 12.The synthesized biogas is supplied by a gas compressor 38 through a gas check valve 41 to a high-pressure gas condenser 39, in which the moisture contained in the biogas is condensed and its chemical composition is averaged. Excess condensate is removed through a liquid check valve 42 into a container 12.
Из газгольдера-конденсатора 39 биогаз через запорную арматуру 40 и редукционный клапан 43 поступает в емкости 13, где, как уже указывалось, происходит растворение содержащейся в нем двуокиси углерода.From the gas-condenser 39 biogas through the shut-off valve 40 and the pressure reducing valve 43 enters the tank 13, where, as already indicated, the carbon dioxide contained in it is dissolved.
В адсорбере 44 с байпасной ветвью 45 на синтетических цеолитах типа NaA происходит глубокая осушка газа, завершающая процесс его обогащения.In adsorber 44 with bypass branch 45 on synthetic NaA type zeolites, a deep drying of the gas occurs, which completes the process of its enrichment.
Обогащенное биогазовое топливо после предварительного подогрева в теплообменнике 46 поступает в инжекционную газовую горелку 6, замыкая тем самым энергетический цикл каскадного преобразования.Enriched biogas fuel after preheating in the heat exchanger 46 enters the
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007118855/06A RU2344344C1 (en) | 2007-05-21 | 2007-05-21 | Method of biothermophotoelectrocatalytic convertion of energy released at enriched biogas fuel burning and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007118855/06A RU2344344C1 (en) | 2007-05-21 | 2007-05-21 | Method of biothermophotoelectrocatalytic convertion of energy released at enriched biogas fuel burning and device for its implementation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2344344C1 true RU2344344C1 (en) | 2009-01-20 |
Family
ID=40376075
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007118855/06A RU2344344C1 (en) | 2007-05-21 | 2007-05-21 | Method of biothermophotoelectrocatalytic convertion of energy released at enriched biogas fuel burning and device for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2344344C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2478758C1 (en) * | 2011-09-01 | 2013-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Device to control lifting-digging mechanisms |
CN113388845A (en) * | 2021-06-11 | 2021-09-14 | 四川大学 | Microorganism-photoelectrochemistry-thermoelectrochemistry coupling hydrogen production system |
-
2007
- 2007-05-21 RU RU2007118855/06A patent/RU2344344C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Прикладная Gеометрия инженерная Gрафика компьютерный Dизайн, Выпуск №1(7) (2007), 20.02.2007. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2478758C1 (en) * | 2011-09-01 | 2013-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Device to control lifting-digging mechanisms |
CN113388845A (en) * | 2021-06-11 | 2021-09-14 | 四川大学 | Microorganism-photoelectrochemistry-thermoelectrochemistry coupling hydrogen production system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101920258B (en) | Energy utilization system of organic wastes with zero emission of carbon dioxide | |
CN101914572B (en) | Energy utilization method of carbon dioxide zero-emission type organic waste | |
Tian et al. | Characteristics of a biofilm photobioreactor as applied to photo-hydrogen production | |
US20120288921A1 (en) | Solar powered spectral photosynthetic bioreactor system for culturing microalgae at high density | |
Xiao et al. | Exergy analyses of biogas production from microalgae biomass via anaerobic digestion | |
CN102337302A (en) | Method for biologically purifying marsh gas and recycling waste of marsh gas | |
CN102124093B (en) | For by CO 2be converted into the continuous system of high added value and/or nutritive value product and the energy | |
US20090081744A1 (en) | Method of processing slops | |
CN101760432A (en) | Method for producing bioenergy through microalgae two-step method | |
WO2012077250A1 (en) | Method and system for producing and supplying biogas using mixed microalgae | |
CN110819662A (en) | Method for promoting medium-chain fatty acid production by adding biochar in anaerobic reaction system | |
Carlozzi | Hydrogen photoproduction by Rhodopseudomonas palustris 42OL cultured at high irradiance under a semicontinuous regime | |
Khoobkar et al. | Performance assessment of a novel pyramid photobioreactor for cultivation of microalgae using external and internal light sources | |
Zhang et al. | Latest avenues and approaches for biohydrogen generation from algal towards sustainable energy optimization: Recent innovations, artificial intelligence, challenges, and future perspectives | |
Chaikitkaew et al. | Simultaneous biogas upgrading and acetic acid production by homoacetogens consortium enriched from peatland soil | |
Gholizadeh et al. | Experimental evaluation and optimization of the anaerobic digestibility of two new desert weeds for biogas production | |
RU2344344C1 (en) | Method of biothermophotoelectrocatalytic convertion of energy released at enriched biogas fuel burning and device for its implementation | |
Sibiya et al. | A review of biogas production optimization from grass silage | |
Bhujade et al. | Biogas plant by using kitchen waste | |
RU2505490C2 (en) | Device for utilisation of organic substrates with humidity 92-99% with obtaining organic manure and electric power | |
KR101181834B1 (en) | Pre-thermal treatment of microalgae and high temperature and high efficiency hydrogen/methane fermentation process using waste heat of power-plant effluent gas | |
Singh et al. | Microalgal Biomass as a Promising Feedstock for the Production of Biohydrogen: A Comprehensive Review | |
Velasquez-Orta | Alternatives for energy production in aerobic wastewater treatment facilities | |
Kowalska | Recruiting and using agricultural biogas | |
CN110452932A (en) | Driven by Solar Energy biochemistry thermochemical study produces microalgae fuel process and system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090522 |