RU2549238C1

RU2549238C1 - Double-stage continuous underground generator of biohydrogen

Info

Publication number: RU2549238C1
Application number: RU2014150649/93A
Authority: RU
Inventors: Николай Михайлович Стоянов; Надежда Николаевна Криковцова
Original assignee: Николай Михайлович Стоянов
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2015-04-20

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: double-stage continuous underground generator of biohydrogen includes a biogenerator installed in the ground, filled to a certain level with biomass, a gas discharge pipe and a pipe for removal of residual biopulp. The biogenerator comprises two bioreactors, arranged in the ground at the depth of up to 2000 m, connected in series by working medium. In the proposed device there are systems for self-flowing charging and discharging of bioreactors under action of gravity of a column of input biomass and gaslift effect of methane and hydrogen biopulps, a system of acidification of methane biopulp, a system of sowing microfauna supply and a system of supply of biostimulant at the initial section of the bioreactor core of the 2nd stage.

EFFECT: optimal temperature conditions of reactions of anaerobic transformation of biomass, makes it possible to produce high-pressure biohydrogen at the outlet of the plant, develops conditions for self-flowing charging of a bioreactor with biomass, gaslift discharging of biohydrogen and residual biopulp.

Description

Изобретение относится к области установок, предназначенных для утилизации сточных вод от жизнедеятельности животных и людей с целью получения биогаза (биоводорода).The invention relates to the field of installations intended for the disposal of wastewater from the livelihoods of animals and people in order to obtain biogas (biohydrogen).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является "Установка для получения биогаза" (см. Интернет-информацию "Биогаз. Сделай сам" http://www.akclub.narod.ru http://akclub.narod. ru/06 Tematicheskije Napravlenija / 01 Poselenija iz Rodovich Pomestij / 02, C.3). Указанная установка состоит из: биореактора, устроенного в Земле в бетонированной яме цилиндрической формы, заполненной до определенного уровня биомассой (навозом с мочой и добавкой воды), металлического колпака конической формы, газоотводящей трубы в верхней части колпака, а также водяного затвора, устроенного в бетонированной канавке за пределами ямы биореактора.The closest in technical essence to the proposed invention is the "Installation for biogas production" (see Internet information "Biogas. Do it yourself" http://www.akclub.narod.ru http://akclub.narod.ru/06 Tematicheskije Napravlenija / 01 Poselenija iz Rodovich Pomestij / 02, C.3). The specified installation consists of: a bioreactor arranged in the Earth in a concrete cylindrical pit filled to a certain level with biomass (manure with urine and added water), a conical metal cap, a gas outlet pipe in the upper part of the cap, and a water shutter arranged in a concrete groove outside the bioreactor pit.

Главными недостатками описанной выше установки являются: необходимость вручную периодического заполнения и опорожнения полости биореактора; необходимость обогрева биореактора, особенно в зимний период, для обеспечения оптимальной температуры переработки биомассы (+35°С); сравнительно невысокое давление биогаза на выходе из установки, которое определяется глубиной слоя воды в водяном затворе (500-800 мм в.с); необходимость периодического демонтажа и последующего монтажа верхней части установки при проведении погрузочно-разгрузочных операций.The main disadvantages of the setup described above are: the need for manually periodically filling and emptying the bioreactor cavity; the need to heat the bioreactor, especially in winter, to ensure the optimum temperature of biomass processing (+ 35 ° C); a relatively low biogas pressure at the outlet of the installation, which is determined by the depth of the water layer in the water gate (500-800 mm v.s); the need for periodic dismantling and subsequent installation of the upper part of the installation during loading and unloading operations.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача преобразования работоспособной периодически действующей примитивной биогенераторной установки в промышленную непрерывнодействующую биогенераторную установку, исключающую ручной труд, обеспечивающую получение биогаза (биоводорода) высокого давления (5-7 МПа) путем заглубления биореактора в Землю на глубину до 2000 м.The basis of the invention is the task of transforming a workable periodically operating primitive biogenerator plant into an industrial continuous biogenerator plant that excludes manual labor, which provides high pressure biogas (biohydrogen) (5-7 MPa) by deepening the bioreactor into the Earth to a depth of 2000 m.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого изобретения, включающего в себя: ёмкость с биомассой 1, трубу подвода биомассы в активную зону биогенератора 1-й ступени (метантенк) 2, корпус биогенератора 1-й ступени 3, теплоизоляцию 4, конструктивную и экологическую защиту установки 5, торцевой башмак корпуса биогенератора 1-й ступени 6, тепловой поток от Земли к активной зоне биогенератора 7, переходную трубу от 1-й ко 2-й ступени биогенератора 8, трубу подвода биопульпы к активной зоне биогенератора 2-й ступени (водородотенк) 9, корпус биогенератора 2-й ступени 10, трубу отвода биоводорода от биогенератора 11, трубу отвода остаточной биопульпы из биогенератора 12, ёмкость с укислителем 13, датчик щёлочности биопульпы 14, датчик кислотности биопульпы 15, дозатор подачи укислителя в биопульпу 16, ввод укислителя в биопульпу 17, ёмкость посевной микрофауной водородогенных бактерий 18, дозатор подачи посевной микрофауны 19, ввод посевной микрофауны в биопульпу 20, ёмкость с биостимулятором водородогенных реакций 21, дозатор подачи биостимулятора в активную зону биогенератора 20-й ступени 22, магистраль подачи биостимулятора в активную зону биогенератора 2-й ступени 23, распределительное, устройство подачи биостимулятора 24, торцевой башмак корпуса биогенератора 2-й ступени 25, рабочий напор исходной биомассы Н₁ рабочий напор метановой биопульпы Н₂, активную зону биогенератора 1-й ступени Н₃, рабочий напор смешанной биопульпы Н₄, рабочий напор водородной биопульпы H₅, активную зону биогенератора 2-й ступени Н₆.In FIG. 1 shows a diagram of the invention, including: a tank with biomass 1, a biomass feed pipe into the active zone of the 1st stage biogenerator (digester) 2, a 1st stage 3 biogenerator housing, thermal insulation 4, structural and environmental protection of the installation 5, end shoe of the biogenerator body of the 1st stage 6, heat flux from the Earth to the active zone of the biogenerator 7, a transition pipe from the 1st to the 2nd stage of the biogenerator 8, a pipe for supplying the biopulp to the active zone of the biogenerator of the 2nd stage (hydrogen tank) 9, the case biogenerator of the 2nd stage 10, cutting off the biohydrogen from the biogenerator 11, a drain pipe of the residual biopulse from the biogenerator 12, a tank with an oxidizing agent 13, an alkalinity sensor of the biopulp 14, an acidity sensor of the biopulp 15, a metering device for supplying the oxidizing agent to the biopulp 16, introducing an oxidizing agent into the biopulp 17, a seed microorganism tank, 18 seed microfauna dispenser 19, input of microfauna inoculum into biopulp 20, a container with a biostimulator of hydrogenogenic reactions 21, biostimulator dispenser in the active zone of a biogen generator of the 20th stage 22, bios feed line imulyatora into the core biogenerator 2nd stage 23, a distributor, feeder biostimulant 24 housing end shoe biogenerator 2nd stage 25, the working pressure of the initial biomass H ₁ working pressure methane biopulp H ₂ biogenerator core stage 1 H, ₃ , the working head of the mixed biopulp H ₄ , the working head of the hydrogen biopulp H ₅ , the active zone of the biogenerator of the 2nd stage H ₆ .

Предлагаемое устройство работает следующим образом: исходная биомасса (смесь навоза с мочой и дополнительной водой) из ёмкости 1 через трубу подвода биомассы в биогенератор 1-й ступени под действием силы тяжести столба исходной биомассы и подъемных сил газлифта (ρ_БМ·g·H₁ - ρ_МБП·g·Н₂) самотёком перемещается в межтрубную полость биореактора, где анаэробные метаногенные бактерии, находящиеся за счет внутреннего тепла Земли (средний температурный градиент 0,033°C/м) при оптимальной температуре биомассы +30...+35°С (протяженность активной зоны биогенератора 1-й ступени 1000-1500 м) преобразуют биомассу в метановую биопульпу (смесь биогаза, основной компонент которого метан, биоила и остаточной воды). Метановая биопульпа через переходную трубу, подвергаясь по пути специальной обработке, поступает в трубу подвода смешанной биопульпы к активной зоне биогенератора 2-й ступени (активная зона биореактора 2-й ступени находится в Земле на глубине 1500-2000 м). Движение реагирующей среды в биогенераторе 2-й ступени происходит самотёком за счет сил тяжести столба смешанной биопульпы и сил газлифта водородной биопульпы (ρ_СБП·g·Н₄ - ρ_ВБП·g·Н₅). В верхней части корпуса биогенератора 2-й ступени биоводород выделяется из водородной биопульпы и по трубе отвода биоводорода направляется на очистку и затем - потребителям. Остаточная биопульпа по своей трубе направляется на дельнейшую переработку.The proposed device works as follows: the initial biomass (a mixture of manure with urine and additional water) from tank 1 through the pipe for supplying biomass to the 1st stage biogenerator under the action of gravity of the column of the original biomass and the lifting forces of gas lift (ρ _BM · g · H ₁ - ρ _MBP · g · Н ₂ ) by gravity moves into the annular cavity of the bioreactor, where anaerobic methanogenic bacteria are located due to the internal heat of the Earth (average temperature gradient of 0.033 ° C / m) at an optimum biomass temperature of +30 ... + 35 ° С ( the length of the core bi generator stage 1 1000-1500 m) converting biomass to methane biopulp (mixture of biogas, the main component of which methane bioila and residual water). Methane biopulp through the transition pipe, subjected to special treatment along the way, enters the mixed biopulp supply pipe to the active zone of the 2nd stage biogenerator (the active zone of the 2nd stage bioreactor is in the Earth at a depth of 1500-2000 m). The movement of the reacting medium in the 2nd stage biogenerator occurs by gravity due to the gravity of the mixed biopulp column and the gas lift forces of the hydrogen biopulp (ρ _SBP · g · N ₄ - ρ _VBP · g · N ₅ ). In the upper part of the body of the 2nd stage biogenerator, the biohydrogen is released from the hydrogen bio-pulp and sent through the bio-hydrogen removal pipe to the treatment and then to the consumers. The residual biopulp is sent through its pipe for further processing.

Элементы установки 13...24 представляют собой системы, обеспечивающие оптимальные условия работы водородогенных анаэробных микроорганизмов (см. Неклюдов А.Д., Иванкин А.Н. Экологическая биоэнергетика на основе анаэробного разложения органических отходов.// Экологические системы и приборы. №7. 2006 г. С.33-44).The elements of the installation 13 ... 24 are systems that provide optimal working conditions for hydrogenogenic anaerobic microorganisms (see Neklyudov A.D., Ivankin A.N. Ecological bioenergy based on anaerobic decomposition of organic waste. // Ecological systems and devices. No. 7 . 2006 S. 33-44).

Система укисления биопульпы включает в себя: укислитель (уксусная кислота СН₃СООН), который из ёмкости с укислителем с помощью дозатора подачи по команде датчиков щёлочности и кислотности через магистраль подвода укислителя подается в переходную трубу от 1-й ко 2-й ступени биогенератора, обеспечивая кислотность перерабатываетмой биомассы рН 5,49, необходимой для работы водородогенных микроорганизмов.The bio-pulp acidification system includes: an oxidizing agent (acetic acid CH ₃ COOH), which is supplied from the oxidizer tank with the aid of a dispenser via the alkali and acidity sensor through the oxidizer supply line to the transition pipe from the 1st to the 2nd stage of the biogenerator, providing the acidity of the processed biomass pH 5.49, necessary for the operation of hydrogenogenic microorganisms.

Система подачи посевной микрофауны в биопульпу включает в себя: посевную микрофауну (Caldicellusiruptor saecharolyticus и Termotoga elfi) из ёмкости с посевной микрофауной с помощью дозатора подаётся в переходную трубу между 1-й и 2-й ступенями биогенератора.The system for feeding the planting microfauna into the biopulp includes: the planting microfauna (Caldicellusiruptor saecharolyticus and Termotoga elfi) from the tank with the planting microfauna, with the help of a metering device, is fed into the adapter pipe between the 1st and 2nd stages of the biogenerator.

Claims

A two-stage continuous underground biohydrogen generator, which consists of a bioreactor installed in the Earth, filled to a certain level with biomass and a gas exhaust pipe, characterized in that the biogenerator consists of two biogenerators located in the Earth at a depth of up to 2000 m, connected in series through the working fluid, are provided gravity loading and unloading systems of bioreactors under the action of gravity of the column of incoming biomass and the gas-lift effect of methane and hydrogen biopulp; methane biopulse oxidation system, which includes a container with an oxidizing agent, alkalinity and acidity sensors of a biopulp, an oxidizer feed dispenser, an oxidizer input line; a system for supplying seed microfauna, which includes a container with a planting microfauna, a dispenser for feeding microfauna, a feed line for planting microfauna; biostimulator supply system, which includes a container with a biostimulator, a dispenser, a supply line and a biostimulator distributor in the initial section of the active zone of the bioreactor of the 2nd stage; the presence of pipes for removal of residual biopulp and biohydrogen.