RU2491233C2

RU2491233C2 - Domestic digester

Info

Publication number: RU2491233C2
Application number: RU2011116377/05A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Коробко; Виктор Иванович Тихонов; Наталья Александровна Полковникова; Сергей Валерьевич Свиридов; Михаил Михайлович Ставничий; Татьяна Анатольевна Ставничая
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "С-Технологии"
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2013-08-27
Also published as: RU2011116377A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to recovery of biological nitrogen- and carbon-bearing wastes by anaerobic fermentation for production of high-quality fertiliser. Domestic digester comprises heat-isolated body 1 divided by partitions 4 into intercommunicated fermentation chambers 5, loading pipe 2 and discharge pipe 3 and biogas discharge hydraulic gate 9. Perforated partitions are arranged inside said body one above the other while loading pipe is furnished with feed valve 12. Body insulation is composed of two spaced apart layers. Every layer consists of inner heat-reflective layer and outer heat-isolation layer while resistive heater is arranged between said layers and distributed over inner layer surface. Temperature gage is provided to control air temperature in air gap. Digester inner surface has antirust polymer coating. Stiff jacket covers the digester from outside. Feed valve represents a flexible immersed leaf shutter located at top partition.

EFFECT: compact design, simple use, lower costs, fire safety.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области утилизации биологических азот- и углеродсодержащих отходов сельскохозяйственных предприятий путем анаэробного термофильного сбраживания с выработкой высококачественного удобрения и может быть использовано для утилизации отходов домашнего хозяйства.The invention relates to the field of disposal of biological nitrogen- and carbon-containing wastes of agricultural enterprises by anaerobic thermophilic digestion with the production of high-quality fertilizer and can be used for disposal of household waste.

Известен метантенк, содержащий корпус, разделённый перегородками на камеры кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, перемешивающее устройство, размещенное между патрубками загрузки и выгрузки сред, и теплообменное устройство термостатирования процесса брожения. Нагрев субстрата осуществляется циркулирующей водой, нагреваемой открыто сжигаемым биогазом, причем продукты сгорания выходят в открытую атмосферу или в помещение. Перемешивание субстрата осуществляют при встряхивании корпуса (Патент RU 2098481, опубл. 10.12.97., Бюл. №34, С12М 1/00).Known digester containing a housing divided by partitions into chambers of acidic, neutral, alkaline, methane fermentation, a mixing device located between the nozzles of the loading and unloading media, and a heat exchanger thermostatic fermentation process. The substrate is heated by circulating water heated by openly burned biogas, and the combustion products exit into the open atmosphere or into the room. The mixing of the substrate is carried out by shaking the body (Patent RU 2098481, publ. 10.12.97., Bull. No. 34, C12M 1/00).

Недостатком способа является мезофильный режим брожения, при котором не обеспечивается санитарная безопасность перебродившего субстрата, а открытое сжигание образующегося при брожении биогаза не соответствует требованиям пожарной безопасности. Нагрев субстрата естественно циркулирующей водой неэффективен, а при небольших размерах метантенка (порядка 0,2 м³) объема образующегося биогаза недостаточно для подогрева метантенка на широте, например, Нижегородской области РФ.The disadvantage of this method is the mesophilic fermentation mode, in which the sanitary safety of the fermented substrate is not ensured, and the open burning of biogas generated during fermentation does not meet the fire safety requirements. Heating the substrate with naturally circulating water is ineffective, and with a small digester (about 0.2 m ³ ) the volume of biogas formed is not enough to heat the digester at a latitude, for example, in the Nizhny Novgorod region of the Russian Federation.

Известен метантенк, содержащий корпус с перегородками, образующими камеры кислого, нейтрального, щелочного и метанового брожения, сообщенные друг с другом окнами для прохода субстрата и газовыми полостями в верхних частях корпуса. В камерах установлены перемешивающие устройства в виде валов, снабженных приводами и элементами перемешивания для перемещения субстрата от загрузочного устройства к разгрузочному. Устройство отвода биогаза выполнено в виде гидравлического затвора с патрубком, а камера метанового брожения по биогазу и жидкой составляющей послеброжевого остатка сообщена с колонной обогащения в виде вертикального корпуса с горизонтальными перфорированными перегородками (Патент RU 2107043, опубл. 20.03.98, бюл. №8, C02F 11/04). Данное устройство, как наиболее близкое по технической сущности, выбрано в качестве прототипа.Known digester containing a housing with partitions forming chambers of acidic, neutral, alkaline and methane fermentation, communicated with each other by windows for the passage of the substrate and gas cavities in the upper parts of the housing. Mixing devices in the form of shafts equipped with drives and mixing elements for moving the substrate from the loading device to the unloading device are installed in the chambers. The biogas removal device is made in the form of a hydraulic shutter with a nozzle, and the methane fermentation chamber for biogas and the liquid component of the post-ferment residue is communicated with the enrichment column in the form of a vertical casing with horizontal perforated partitions (Patent RU 2107043, publ. 20.03.98, bull. No. 8, C02F 11/04). This device, as the closest in technical essence, is selected as a prototype.

Конструкция прототипа для бытового метантенка малого объема (порядка 0,2 м³) является чрезмерно сложной и ресурсоемкой, а требование соотношения между углеродом и азотом в загружаемом сырье в пропорции порядка 20:1 является слишком жестким, требует контроля и усложняет его эксплуатацию. Кроме того, перебродивший субстрат после мезофильного брожения санитарно не безопасен. Устройство способно функционировать только в определенных климатических условиях.The design of the prototype for a small-volume domestic digester (of the order of 0.2 m ³ ) is excessively complex and resource-intensive, and the requirement of the ratio between carbon and nitrogen in the feedstock in the ratio of about 20: 1 is too rigid, requires control and complicates its operation. In addition, fermented substrate after mesophilic fermentation is not sanitary safe. The device is capable of functioning only in certain climatic conditions.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение габаритов, стоимости изготовления и эксплуатации метантенка с одновременным повышением эффективности его работы в режиме получения санитарно безопасного удобрения, не содержащего паразитов и семян сорных растений, в любых климатических условиях, с минимально допустимой температурой в помещениях для содержания животных.The objective of the present invention is to reduce the size, cost of manufacture and operation of the digester with a simultaneous increase in the efficiency of its operation in the mode of obtaining sanitary safe fertilizer that does not contain parasites and seeds of weed plants, in any climatic conditions, with the minimum allowable temperature in the premises for keeping animals.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в следующем:The technical result achieved using the present invention is as follows:

- компактность и дешевизна: корпус метантенка изготавливается из стандартной бочки объемом 0,216 м³;- compactness and cheapness: the digester shell is made of a standard barrel with a volume of 0.216 m ³ ;

- эффективность и экономичность работы при минимальном размере корпуса. Энергозатраты, например, не превышают 0,3 кВт·ч при разнице температур субстрата и окружающего воздуха не более 43°С;- Efficiency and profitability of work with a minimum housing size. Energy consumption, for example, does not exceed 0.3 kW · h with a temperature difference of the substrate and the ambient air of not more than 43 ° C;

- сокращение длительности цикла брожения с 30 до 16 суток;- reducing the duration of the fermentation cycle from 30 to 16 days;

- получение санитарно безопасного удобрения, не содержащего паразитов и семян сорных растений;- obtaining a sanitary safe fertilizer that does not contain parasites and seeds of weed plants;

- пожарная безопасность метантенка;- fire safety digester;

- простота эксплуатации за счёт снижения требований к составу загружаемого сырья.- ease of operation by reducing the requirements for the composition of the feedstock.

Для решения указанной задачи и достижения технического результата в бытовом метантенке, содержащем корпус, разделённый перегородками на камеры брожения, сообщающиеся последовательно одна с другой, загрузочный и разгрузочный патрубки, гидравлический затвор для отвода биогаза, согласно изобретению перегородки выполнены перфорированными и установлены в корпусе одна над другой, загрузочный патрубок снабжен питательным клапаном лепесткового типа в виде гибкого плоского рукава, свободно лежащего на верхней перегородке, на наружной поверхности корпуса установлена теплоизоляция, выполненная в виде двух слоев, установленных с зазором, каждый слой, в свою очередь, состоит из внутреннего теплоотражающего и внешнего теплоизолирующего слоев, а в зазоре расположен резистивный нагреватель, распределенный по поверхности теплоизолирующего слоя. На внутренней поверхности корпуса нанесено антикоррозионное полимерное покрытие. В зазоре между слоями теплоизоляции расположен температурный датчик, а снаружи метантенк заключен в жесткий кожух.To solve this problem and achieve a technical result in a domestic digester, containing a housing divided by partitions into fermentation chambers, connected in series with each other, loading and unloading pipes, a hydraulic shutter for biogas removal, according to the invention, the partitions are perforated and mounted one above the other , the loading nozzle is equipped with a flap-type feed valve in the form of a flexible flat sleeve freely lying on the upper partition, on the outer turn In the case of the housing, thermal insulation is installed, made in the form of two layers installed with a gap, each layer, in turn, consists of an internal heat-reflecting and an external heat-insulating layer, and in the gap there is a resistive heater distributed over the surface of the heat-insulating layer. An anti-corrosion polymer coating is applied on the inner surface of the housing. A temperature sensor is located in the gap between the layers of thermal insulation, and on the outside the digester is enclosed in a rigid casing.

Вышеперечисленные признаки позволяют устранить недостатки прототипа и достичь указанный технический результат.The above signs can eliminate the disadvantages of the prototype and achieve the specified technical result.

Последовательно расположенные одна над другой камеры брожения обеспечивают прохождение субстрата из камеры в камеру без механического перемешивания основной массы бродящего субстрата с загружаемыми порциями исходного сырья. Перемешивание субстрата осуществляется автоматически при периодической (1 раз в 4 дня) выгрузке перебродившего субстрата из нижней камеры брожения, поскольку при этом происходит перемещение субстрата из верхних камер в нижние. Образующийся при брожении биогаз, поднимаясь вверх, проходит через перфорированные перегородки и через объем субстрата, обеспечивая дополнительное перемешивание субстрата. Биогаз собирается в газовой полости, расположенной в верхней части метантенка, и выходит через водяной затвор за пределы корпуса.Sequentially located one above the other, the fermentation chambers allow the passage of the substrate from the chamber into the chamber without mechanical mixing of the bulk of the fermenting substrate with loaded portions of the feedstock. The mixing of the substrate is carried out automatically during periodic (1 time in 4 days) unloading of the fermented substrate from the lower fermentation chamber, since the substrate moves from the upper chambers to the lower ones. The biogas formed during fermentation, rising upward, passes through the perforated partitions and through the volume of the substrate, providing additional mixing of the substrate. Biogas is collected in the gas cavity located in the upper part of the digester, and exits through the water shutter outside the housing.

Используемое свойство микроорганизмов разогревать субстрат при брожении позволяет минимизировать энергозатраты на нагрев загружаемого в метантенк сырья. Эффективность работы метантенка обеспечивается термофильным режимом брожения, сокращающим длительность цикла брожения (до 16 дней) и обеспечивающим санитарную безопасность получаемого удобрения (отсутствие семян сорных растений и паразитов).The used property of microorganisms to heat the substrate during fermentation minimizes the energy consumption for heating the raw materials loaded into the digester. The efficiency of the digester is ensured by the thermophilic mode of fermentation, which reduces the duration of the fermentation cycle (up to 16 days) and ensures the sanitary safety of the fertilizer obtained (absence of weed seeds and parasites).

Затопленный в субстрат рукав питательного клапана лепесткового типа обеспечивает загрузку сырья в метантенк, предотвращая попадание воздуха внутрь корпуса метантенка, что обеспечивает анаэробное брожение сырья.The sleeve of the flap-type feed valve flooded into the substrate provides loading of raw materials into the digester, preventing air from entering the digester chamber, which provides anaerobic fermentation of the feed.

Теплоизоляция корпуса выполнена двухслойной, слои установлены с зазором, а каждый слой, в свою очередь, выполнен из теплоотражающего и теплоизолирующего слоя, при этом теплоотражающие слои обращены к корпусу, а теплоизолирующие - наружу. Такое выполнение теплоизоляции и установка в зазоре нагревателя способствуют минимизации и компенсации теплопотерь корпуса, а температурный датчик обеспечивает контроль температуры воздуха в воздушном зазоре, что позволяет поддерживать в камерах требуемую температуру брожения.The heat insulation of the body is made of two layers, the layers are installed with a gap, and each layer, in turn, is made of a heat-reflecting and heat-insulating layer, while the heat-reflecting layers are facing the body, and the heat-insulating ones are facing out. Such a thermal insulation and installation of a heater in the gap helps minimize and compensate for heat losses in the housing, and a temperature sensor provides control of the air temperature in the air gap, which allows you to maintain the required fermentation temperature in the chambers.

Корпус метантенка может быть изготовлен на базе стандартной бочки из углеродистой стали, защищенный изнутри слоем тонкого дешевого антикоррозионного полимерного покрытия. Снаружи метантенка расположен жесткий кожух, защищающий его от внешних механических повреждений и придающий жесткость конструкции теплоизоляции для обеспечения необходимой толщины воздушного зазора между ее слоями. Заявляемая конструкция метантенка является пожаробезопасной, поскольку не предусматривает использование открытого огня.The body of the digester can be made on the basis of a standard carbon steel barrel, protected from the inside with a layer of thin, cheap anti-corrosion polymer coating. Outside the digester is a rigid casing that protects it from external mechanical damage and gives rigidity to the insulation structure to provide the required thickness of the air gap between its layers. The inventive design digester is fireproof, since it does not provide for the use of open flame.

Совокупность существенных признаков обеспечивает стабильность температурного режима, используя свойство бактерий разогревать субстрат при брожении, позволяет снизить себестоимость изготовления и эксплуатации метантенка, увеличить срок эксплуатации и получить качественное санитарно безопасное и экологически чистое удобрение.The set of essential features ensures the stability of the temperature regime, using the ability of bacteria to heat the substrate during fermentation, reduces the cost of manufacture and operation of the digester, increase the life of the product and get high-quality sanitary safe and environmentally friendly fertilizer.

На фиг.1 схематически показан бытовой метантенк, продольный разрез.Figure 1 schematically shows a household digester, a longitudinal section.

На фиг.2 схематически показана теплоизоляция корпуса.Figure 2 schematically shows the thermal insulation of the housing.

На фиг.3 схематически изображен загрузочный клапан на перегородке.Figure 3 schematically shows a loading valve on a partition.

На фиг.4 изображена перфорированная перегородка.Figure 4 shows a perforated partition.

Бытовой метантенк (фиг.1-фиг.4) содержит цилиндрический корпус 1, который может быть выполнен из углеродистой стали с полимерным покрытием на внутренней поверхности, снабженный загрузочным патрубком 2 и разгрузочным патрубком 3. В корпусе установлены перегородки 4, разделяющие корпус на камеры брожения 5, сообщенные друг с другом окнами 6 для прохода субстрата. Перегородки выполнены с перфорацией 7 (фиг.4) для прохода биогаза, собираемого в газовой полости 8, расположенной в верхней части корпуса 1. Метантенк содержит устройство отвода биогаза 9 в виде гидравлического затвора с патрубком 10. Загрузочный патрубок 2 снабжен герметично закрывающейся крышкой 11 и питательным клапаном 12 лепесткового типа, нижний конец которого свободно лежит на верхней перегородке (фиг.3). Теплоизоляция корпуса метантенка состоит из двух слоев (фиг.2), между которыми имеется воздушный зазор 15. При этом каждый слой состоит из теплоотражающего 13 и теплоизолирующего 14. Теплоотражающие слои 13 обращены в сторону корпуса 1, а теплоизолирующие слои 14 - наружу. Зазор 15 образован, в частности, при помощи навитого вокруг теплоизолирующего слоя 14 шнура 16. В воздушном зазоре между витками шнура расположен электронагреватель 17, распределенный по поверхности теплоизолирующего слоя 14, и температурный датчик 18. Снаружи метантенк заключен в жесткий кожух 19.The household digester (FIG. 1-FIG. 4) contains a cylindrical body 1, which can be made of carbon steel with a polymer coating on the inner surface, equipped with a loading pipe 2 and a discharge pipe 3. In the case, partitions 4 are installed that divide the case into fermentation chambers 5, communicated with each other by windows 6 for passage of the substrate. The partitions are made with perforation 7 (Fig. 4) for the passage of biogas collected in the gas cavity 8 located in the upper part of the housing 1. The digester contains a biogas removal device 9 in the form of a hydraulic shutter with a nozzle 10. The loading nozzle 2 is equipped with a hermetically sealed lid 11 and the feeding valve 12 of the petal type, the lower end of which lies freely on the upper partition (figure 3). The thermal insulation of the methane tank case consists of two layers (Fig. 2), between which there is an air gap 15. Each layer consists of heat-reflecting 13 and heat-insulating 14. Heat-reflecting layers 13 are turned towards the body 1, and heat-insulating layers 14 are outward. The gap 15 is formed, in particular, by means of a cord 16 wound around a heat-insulating layer 14. An electric heater 17 is located in the air gap between the turns of the cord, distributed over the surface of the heat-insulating layer 14, and a temperature sensor 18. Outside, the digester is enclosed in a rigid casing 19.

Заявляемый бытовой метантенк работает следующим образом. При открытой крышке 11 в загрузочный патрубок 2 загружают свежие измельченные твердые и жидкие отходы сельскохозяйственных предприятий (например, навоз КРС) с размерами частиц не более 2 мм в количестве 4/5 объема метантенка, причем концентрация твердой составляющей в субстрате составляет порядка 5-10%.The inventive household digester works as follows. With the lid open 11, fresh chopped solid and liquid wastes of agricultural enterprises (for example, cattle manure) with particle sizes of not more than 2 mm in the amount of 4/5 of the digester volume are loaded into the loading nozzle 2, and the concentration of the solid component in the substrate is about 5-10% .

Питательный клапан 12 лепесткового типа обеспечивает поступление сырья в метантенк, предотвращая попадание атмосферного воздуха внутрь корпуса за счет того, что его конец всегда погружён в субстрат. Субстрат последовательно перебраживает в камерах брожения 5, проходя сверху вниз при выгрузке; при этом происходит его перемешивание. Образующийся в камерах брожения биогаз (порядка 16 м³ за цикл брожения полной загрузки метантенка) собирается в верхней части корпуса 8, проходя через отверстия перфорированных перегородок 4, откуда через гидравлический затвор 8 удаляется из метантенка.The feed valve 12 of the flap type ensures the flow of raw materials into the digester, preventing atmospheric air from entering the body due to the fact that its end is always immersed in the substrate. The substrate is subsequently fermented in the fermentation chambers 5, passing from top to bottom during unloading; while it is mixing. The biogas formed in the fermentation chambers (about 16 m ³ per fermentation cycle of the full loading of the digester) is collected in the upper part of the housing 8, passing through the holes of the perforated partitions 4, from where it is removed from the digester through the hydraulic shutter 8.

Для компенсации теплопотерь корпуса метантенка используется двухслойная теплоизоляция с воздушным зазором, который подогревается распределенным по поверхности теплоизолирующего слоя 14 электронагревателем 17. В воздушном зазоре находится температурный датчик для контроля температуры воздуха в нем, что позволяет термостатировать корпус посредством регулирования режима работы нагревателя. Снаружи метантенк заключен в жесткий кожух, например, из поликарбоната, защищающий теплоизоляцию от внешних механических повреждений и придающий жесткость конструкции теплоизоляции для обеспечения необходимой толщины воздушного зазора между ее слоями.To compensate for heat losses of the methane tank case, a two-layer thermal insulation with an air gap is used, which is heated by an electric heater 17 distributed over the surface of the heat-insulating layer 14. The temperature sensor is located in the air gap to control the air temperature in it, which allows the thermostat to be controlled by adjusting the heater operating mode. Outside, the digester is enclosed in a rigid casing, for example, made of polycarbonate, which protects the insulation from external mechanical damage and gives rigidity to the insulation structure to provide the required thickness of the air gap between its layers.

Пример конкретной реализации процессаAn example of a specific process implementation

Работа метантенка осуществляется в помещении с температурой окружающего воздуха не ниже 12°С. Нагрев сырья с температуры порядка 35°С до 55°С (оптимальной для термофильных бактерий) осуществляется самими бактериями в процессе своей жизнедеятельности. По истечении 16 дней через разгрузочный патрубок 3 выгружается 1/4 часть объема перебродившего субстрата, после чего через загрузочный патрубок 2 загружают свежее сырье. В дальнейшем периодически, через 4 дня, операцию выгрузки 1/4 части объема перебродившего субстрата и загрузки такого же количества свежего сырья повторяют.The digester is operated indoors with an ambient temperature of at least 12 ° C. The heating of raw materials from a temperature of about 35 ° C to 55 ° C (optimal for thermophilic bacteria) is carried out by the bacteria themselves in the process of their life. After 16 days, 1/4 of the volume of the fermented substrate is discharged through the discharge pipe 3, after which fresh raw materials are loaded through the loading pipe 2. Subsequently, periodically, after 4 days, the operation of unloading 1/4 of the volume of the fermented substrate and loading the same amount of fresh raw materials is repeated.

Перебродивший субстрат является санитарно безопасным и экологически чистым удобрением. В теплое время года его можно использовать непосредственно в оригинальном виде, а в холодное время года высушивать и хранить, причем сухого удобрения получается порядка 10% от объема перебродившего субстрата.The fermented substrate is a sanitary safe and environmentally friendly fertilizer. In the warm season, it can be used directly in its original form, and dried and stored in the cold season, and dry fertilizer produces about 10% of the volume of the fermented substrate.

Заявляемый бытовой метантенк компактен, дешев и удобен в обслуживании, а также позволяет получить качественное биоудобрение. Видимые количества газообразного синтезируемого биотоплива можно использовать для хозяйственных нужд, например, для подогрева первичного сырья и воды.The inventive household digester is compact, cheap and easy to maintain, and also allows you to get high-quality biofertilizer. Visible quantities of gaseous synthesized biofuel can be used for household needs, for example, for heating primary raw materials and water.

Claims

1. A household digester containing a housing divided by partitions into fermentation chambers, connected in series with one another, loading and unloading nozzles, a hydraulic shutter for biogas removal, characterized in that the partitions are perforated and installed in the housing one above the other, the loading nozzle is equipped with a nutrient a flap-type valve in the form of a flexible flat sleeve freely lying on the upper partition, on the outer surface of the housing there is a thermal insulation made in the form of two Oev disposed with a gap, each layer in turn, consists of thermally and the heat insulating layers and the gap is a resistive heater, distributed over the surface of the heat insulating layer.

2. The household digester according to claim 1, characterized in that the anticorrosion polymer coating is applied on the inner surface of the housing.

3. The household digester according to claim 1, characterized in that a temperature sensor is located in the gap between the layers of thermal insulation.

4. The household digester according to claim 1, characterized in that the digester is enclosed in a rigid casing on the outside.