RU2786110C1

RU2786110C1 - Biogas plant

Info

Publication number: RU2786110C1
Application number: RU2022106829A
Authority: RU
Inventors: Константин Константинович Ким; Александр Юрьевич Панычев
Filing date: 2022-03-15
Publication date: 2022-12-19

Abstract

FIELD: biochemistry.

SUBSTANCE: invention relates to biochemistry and is intended for anaerobic digestion of organic waste from agricultural production to produce biogas and fertilizers. The biogas plant includes a source of multi-phase alternating voltage and a current begins to flow through the multi-phase winding (11), creating a rotating electromagnetic field that induces eddy currents in the horizontal blades (7) and in the walls of the central vertical shaft (8). As a result, the horizontal blades (7) are heated and rotated, whereby intense and rapid heat exchange occurs between the areas of biomass in direct contact with the horizontal blades (7) and peripheral areas. The resulting biogas through the pipe (20) and pipeline (21) enters the gas tank, where part of it enters the compressor through the pipeline. To enhance the effect of fermentation periodically run bubbling mixing device. To do this, the valve (17) is opened and the biogas enters the spiral perforated pipe (5), exits through the holes (9) into the biomass, accelerating the process of raising the biogas bubbles formed by methane fermentation.

EFFECT: invention improves the reliability of the plant.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к биохимии и предназначено для анаэробного сбраживания органических отходов сельскохозяйственного производства с получением биогаза и органических удобрений.The invention relates to biochemistry and is intended for anaerobic digestion of organic waste from agricultural production to produce biogas and organic fertilizers.

Известна биогазовая установка (RU 2605312, С12М 1/04, С12М 1/107, 20.12.2016), содержащая герметичный вертикальный цилиндрический резервуар с технологическими патрубками, снабженный куполом и днищем, установленное в резервуаре барботажное перемешивающее устройство, представляющее собой спиралевидную перфорированную трубу, расположенную вдоль стен резервуара, витки которой повторяют форму резервуара, внешняя часть которого обмотана нагревательной лентой, купол и днище имеют форму полусферы, в резервуаре установлена вертикальная рамная мешалка, оснащенная вертикальными и горизонтальными лопастями, закрепленными на центральном вертикальном валу, который своим верхним концом прикреплен к валу приводного двигателя. Нижняя горизонтальная лопасть имеет радиус кривизны, соответствующий радиусу кривизны днища резервуара, при этом отверстия на спиралевидной трубе выполнены сквозными вертикальными на равном расстоянии друг от друга, купол резервуара выполнен съемным.Known biogas plant (RU 2605312, S12M 1/04, S12M 1/107, 12/20/2016), containing a sealed vertical cylindrical tank with technological nozzles, equipped with a dome and bottom, installed in the tank bubbling mixing device, which is a spiral perforated pipe, located along the walls of the tank, the coils of which repeat the shape of the tank, the outer part of which is wrapped with a heating tape, the dome and the bottom are in the shape of a hemisphere, a vertical frame mixer is installed in the tank, equipped with vertical and horizontal blades, mounted on a central vertical shaft, which is attached to the shaft with its upper end drive motor. The lower horizontal blade has a radius of curvature corresponding to the radius of curvature of the bottom of the tank, while the holes on the spiral pipe are made through vertical at an equal distance from each other, the dome of the tank is made removable.

Так как приводной двигатель закреплен к верхнему концу вертикального вала рамной мешалки, а нижний конец вала не закреплен, вал во время вращения мешалки будет совершать колебания. При большой амплитуде этих колебаний возможно касание лопастей мешалки внутренней поверхности вертикального цилиндрического резервуара, а при продолжительных интенсивных колебаниях возможен излом центрального вертикального вала. Отмеченный факт обуславливает низкую надежность работы биогазовой установки.Since the drive motor is fixed to the upper end of the vertical shaft of the frame agitator, and the lower end of the shaft is not fixed, the shaft will oscillate during rotation of the agitator. With a large amplitude of these oscillations, the agitator blades may touch the inner surface of the vertical cylindrical tank, and with prolonged intense oscillations, the central vertical shaft may break. The noted fact determines the low reliability of the biogas plant.

Известна биогазовая установка (RU 2743584, С12М 1/00, С12М 1/04, С12М 1/107. 20.02.2021), выбранная в качестве прототипа, содержащая герметичный вертикальный цилиндрический резервуар с технологическими патрубками, снабженный куполом и днищем, имеющих форму полусферы, установленное в резервуаре барботажное перемешивающее устройство, представляющее собой спиралевидную перфорированную трубу, расположенную вдоль стен резервуара, витки которой повторяют форму резервуара, в резервуаре установлена вертикальная мешалка, оснащенная горизонтальными лопастями, закрепленными на центральном вертикальном валу, верхний конец которого предназначен для подсоединения к приводу, нижняя горизонтальная лопасть имеет радиус кривизны, соответствующий радиусу кривизны днища резервуара, при этом отверстия на спиралевидной трубе выполнены сквозными вертикальными на равном расстоянии друг от друга, купол резервуара выполнен съемным, центральный вертикальный вал выполнен полым, внутри которого по его высоте регулярно расположены индукторы в виде катушек собмотками. Обмотки индукторов соединены друг с другом и контактными кольцами, жестко закрепленными на внешней поверхности верхней части центрального вертикального вала, выходящей за пределы купола, с контактными кольцами соприкасаются электропроводящие щетки узла скользящего токосъема, жестко закрепленного на наружной поверхности купола, выводы электропроводящих щеток предназначены для соединения с источником переменного напряжения, а горизонтальные лопасти, выполненные из электропроводящего материала жестко прикреплены к наружным боковым поверхностям участков центрального вертикального вала, в которых расположены индукторы.Known biogas plant (RU 2743584, S12M 1/00, S12M 1/04, S12M 1/107. 20.02.2021), selected as a prototype, containing a sealed vertical cylindrical tank with technological nozzles, equipped with a dome and a bottom having the shape of a hemisphere, a bubbling mixing device installed in the tank, which is a spiral perforated pipe located along the walls of the tank, the coils of which repeat the shape of the tank, a vertical mixer is installed in the tank, equipped with horizontal blades mounted on a central vertical shaft, the upper end of which is designed to be connected to the drive, the lower the horizontal blade has a radius of curvature corresponding to the radius of curvature of the bottom of the tank, while the holes on the spiral pipe are made through vertical at an equal distance from each other, the dome of the tank is made removable, the central vertical shaft is made hollow, inside which the height is adjustable Inductors in the form of coils with windings are clearly arranged. The windings of the inductors are connected to each other and by slip rings rigidly fixed on the outer surface of the upper part of the central vertical shaft extending beyond the dome, the electrically conductive brushes of the sliding current collection unit, rigidly fixed to the outer surface of the dome, are in contact with the slip rings, the leads of the electrically conductive brushes are designed for connection with an alternating voltage source, and horizontal blades made of electrically conductive material are rigidly attached to the outer side surfaces of the sections of the central vertical shaft, in which the inductors are located.

Недостатком данной биогазовой установки является низкая надежность работы из-за использования для передачи электрической энергии с неподвижного источника переменного напряжения на вращающиеся индукторы узла скользящего токосъема, характеризующегося относительно низкой надежностью.The disadvantage of this biogas plant is the low reliability of operation due to the use of electrical energy from a stationary source of alternating voltage to the rotating inductors of the sliding current collection unit, which is characterized by relatively low reliability.

Задача настоящего изобретения - повышение надежности работы биогазовой установки за счет использования вращающего момента, распределенного по длине центрального вертикального вала.The objective of the present invention is to improve the reliability of the biogas plant through the use of torque distributed along the length of the central vertical shaft.

Технический результат достигается тем, что в биогазовой установке, содержащей герметичный вертикальный цилиндрический резервуар с технологическими патрубками, снабженный куполом и днищем, имеющих форму полусферы, установленное в резервуаре барботажное перемешивающее устройство, представляющее собой спиралевидную перфорированную трубу, расположенную вдоль стен резервуара, витки которой повторяют форму резервуара, в резервуаре установлена вертикальная мешалка, оснащенная горизонтальными лопастями, выполненными из электропроводящего материала и закрепленными на центральном вертикальном валу, нижняя горизонтальная лопасть имеет радиус кривизны, соответствующий радиусу кривизны днища резервуара, при этом отверстия на спиралевидной трубе выполнены сквозными вертикальными на равном расстоянии друг от друга, купол резервуара выполнен съемным, центральный вертикальный вал выполнен полым, внутри которого расположен индуктор с многофазной обмоткой, выводы которой соединены с источником переменного напряжения, верхний конец центрального вертикального вала герметично закрыт крышкой, во внутренней полости центрального вертикального вала коаксиально ему расположен центральный вертикальный стержень, жестко закрепленный на внутренней поверхности днища герметичного вертикального цилиндрического резервуара, центральный вертикальный вал удерживается относительно центрального вертикального стержня с помощью подшипников, расположенных на концах центрального вертикального вала, причем внешние кольца подшипников жестко закреплены на внутренней боковой поверхности центрального вертикального вала, а внутренние кольца подшипников жестко закреплены на наружной боковой поверхности центрального вертикального стержня, нижний конец центрального вертикального вала сопрягается с внутренней поверхностью днища герметичного вертикального цилиндрического резервуара посредством подвижного уплотнительного приспособления, а многофазная обмотка индуктора равномерно намотана по длине центрального вертикального стержня. Биогазовая установка показана на чертеже.The technical result is achieved by the fact that in a biogas plant containing a sealed vertical cylindrical tank with technological nozzles, equipped with a hemisphere-shaped dome and bottom, a bubbling mixing device installed in the tank, which is a spiral perforated pipe located along the walls of the tank, the coils of which repeat the shape tank, a vertical mixer is installed in the tank, equipped with horizontal blades made of electrically conductive material and fixed on the central vertical shaft, the lower horizontal blade has a radius of curvature corresponding to the radius of curvature of the bottom of the tank, while the holes on the spiral tube are made through vertical at an equal distance from each other. friend, the dome of the tank is made removable, the central vertical shaft is made hollow, inside of which there is an inductor with a multi-phase winding, the outputs of which are connected to an AC source. tension, the upper end of the central vertical shaft is hermetically sealed with a lid, in the inner cavity of the central vertical shaft there is a central vertical rod coaxially to it, rigidly fixed on the inner surface of the bottom of the sealed vertical cylindrical tank, the central vertical shaft is held relative to the central vertical rod by means of bearings located on ends of the central vertical shaft, wherein the outer rings of the bearings are rigidly fixed on the inner side surface of the central vertical shaft, and the inner rings of the bearings are rigidly fixed on the outer side surface of the central vertical rod, the lower end of the central vertical shaft is mated with the inner surface of the bottom of the sealed vertical cylindrical tank by means of a movable sealing devices, and the polyphase winding of the inductor is evenly wound along the length of the central vertical th rod. Biogas plant shown in the drawing.

Биогазовая установка содержит герметичный вертикальный цилиндрический резервуар 1 на опорах 2, снабженный куполом 3 и днищем 4, имеющих форму полусферы. В герметичном вертикальном цилиндрическом резервуаре 1 установлено барботажное перемешивающее устройство, представляющее собой спиралевидную перфорированную трубу 5, расположенную вдоль стен резервуара 1, витки которой повторяют форму резервуара 1. В резервуаре 1 установлена вертикальная мешалка 6, оснащенная горизонтальными лопастями 7, выполненными из электропроводящего материала и закрепленными на центральном вертикальном валу 8. Нижняя горизонтальная лопасть 7 имеет радиус кривизны, соответствующий радиусу кривизны днища 4 резервуара 1, при этом отверстия 9 на спиралевидной трубе 5 выполнены сквозными вертикальными на равном расстоянии друг от друга. Купол 3 резервуара 1 выполнен съемным, центральный вертикальный вал 8 выполнен полым, внутри которого расположен индуктор 10 с многофазной обмоткой 11, выводы которой соединены с источником многофазного переменного напряжения, например, трехфазного (на чертеже не показан). Центральный вертикальный вал 8 изготовлен из немагнитного материала. Верхний конец центрального вертикального вала 8 герметично закрыт крышкой 12. Во внутренней полости центрального вертикального вала 8 расположен центральный вертикальный стержень 13, жестко закрепленный на внутренней поверхности днища 4 герметичного вертикального цилиндрического резервуара 1. Центральный вертикальный стержень 13 изготовлен из ферромагнитного материала, например из электротехнической стали марки Э 48, Э 370 или Э 380. Центральный вертикальный вал 8 удерживается относительно центрального вертикального стержня 13 с помощью подшипников 14, расположенных на концах центрального вертикального вала 8, причем внешние кольца подшипников 14 жестко закреплены на внутренней боковой поверхности центрального вертикального вала 8, а внутренние кольца подшипников 14 жестко закреплены на наружной боковой поверхности центрального вертикального стержня 13. Нижний конец центрального вертикального вала 8 сопрягается с внутренней поверхностью днища 4 герметичного вертикального цилиндрического резервуара 1 посредством подвижного уплотнительного приспособления 15, например, сальника или армированной манжеты. Многофазная обмотка 11 равномерно намотана по длине центрального вертикального стержня 13.The biogas plant contains a sealed vertical cylindrical tank 1 on supports 2, equipped with a dome 3 and a bottom 4 having the shape of a hemisphere. In a sealed vertical cylindrical tank 1, a bubbling mixing device is installed, which is a spiral perforated pipe 5, located along the walls of the tank 1, the coils of which repeat the shape of the tank 1. The tank 1 has a vertical mixer 6, equipped with horizontal blades 7, made of an electrically conductive material and fixed on the central vertical shaft 8. The lower horizontal blade 7 has a radius of curvature corresponding to the radius of curvature of the bottom 4 of the tank 1, while the holes 9 on the helical pipe 5 are made through vertical at an equal distance from each other. The dome 3 of the tank 1 is made removable, the central vertical shaft 8 is made hollow, inside which is located the inductor 10 with a multi-phase winding 11, the outputs of which are connected to a source of multi-phase alternating voltage, for example, three-phase (not shown). The central vertical shaft 8 is made of non-magnetic material. The upper end of the central vertical shaft 8 is hermetically sealed with a cover 12. In the inner cavity of the central vertical shaft 8 there is a central vertical rod 13 rigidly fixed on the inner surface of the bottom 4 of the sealed vertical cylindrical tank 1. The central vertical rod 13 is made of a ferromagnetic material, for example, electrical steel brand E 48, E 370 or E 380. The central vertical shaft 8 is held relative to the central vertical rod 13 using bearings 14 located at the ends of the central vertical shaft 8, and the outer rings of the bearings 14 are rigidly fixed on the inner side surface of the central vertical shaft 8, and the inner rings of the bearings 14 are rigidly fixed on the outer side surface of the central vertical rod 13. The lower end of the central vertical shaft 8 mates with the inner surface of the bottom 4 of the sealed vertical cylindrical about the tank 1 by means of a movable sealing device 15, for example, an oil seal or a reinforced cuff. The polyphase winding 11 is evenly wound along the length of the central vertical rod 13.

Нижний конец спиралевидной перфорированной трубы 5 жестко прикреплен к стальному цилиндрическому уголку 16, соединенному с шаровым краном 17 для подачи биогаза. Купол 3 выполнен съемным.The lower end of the spiral perforated pipe 5 is rigidly attached to a steel cylindrical angle 16 connected to a ball valve 17 for supplying biogas. Dome 3 is removable.

На куполе 3 герметичного цилиндрического резервуара 1 установлены загрузочный патрубок 18 для подачи перерабатываемой биомассы, датчик давления 19, патрубок 20 для отвода биогаза. Патрубок 20 соединен через трубопровод 21 выхода биогаза с газгольдером, который на чертеже не показан. В днище 4 герметичного цилиндрического резервуара 1 установлен патрубок 22 для выгрузки переработанного субстрата.On the dome 3 of the sealed cylindrical tank 1, a loading pipe 18 is installed for supplying processed biomass, a pressure sensor 19, and a pipe 20 for removing biogas. The branch pipe 20 is connected through the pipeline 21 of the biogas outlet with a gas tank, which is not shown in the drawing. In the bottom 4 of the sealed cylindrical tank 1 there is a branch pipe 22 for unloading the processed substrate.

Спиралевидная перфорированная труба 5 через стальной уголок 16 и шаровой кран 17 соединена с трубопроводом 23 для подачи биогаза и компрессором, который на чертеже не показан, соединенным с газгольдером. На внешней поверхности вертикального герметичного цилиндрического резервуара 1 жестко закреплен терморегулятор 24.Spiral perforated pipe 5 through a steel angle 16 and a ball valve 17 is connected to the pipeline 23 for supplying biogas and a compressor, which is not shown in the drawing, connected to the gas tank. The thermostat 24 is rigidly fixed on the outer surface of the vertical sealed cylindrical tank 1.

Биогазовая установка работает следующим образом.Biogas plant works as follows.

Для создания анаэробности сбраживания в вертикальный герметичный цилиндрический резервуар 1 через загрузочный патрубок 18 заливают воду до верхнего уровня купола 3. Далее часть воды сливают из вертикального герметичного цилиндрического резервуара 1, так чтобы загрузочный патрубок 18 оставался частично загруженным в воде. Затем в вертикальный герметичный цилиндрический резервуар 1 через загрузочный патрубок 18 загружают разжиженный свежий навоз (помет) с влажностью 92-93% до верхнего уровня купола 3. Форма купола 3 биогазовой установки образует емкость для скапливания образующегося биогаза. Давление в вертикальном герметичном цилиндрическом резервуаре 1 отслеживают при помощи датчика давления 19. После заполнения вертикального герметичного цилиндрического резервуара 1 биомассой включают источник переменного напряжения (на чертеже не показан). По многофазной обмотке 10 начинает протекать многофазный, например, трехфазный, переменный ток, который создает вращающееся электромагнитное поле, индуцирующее в горизонтальных лопастях 7 и в стенках центрального вертикального вала 8 вихревые токи. Под действием этих токов горизонтальные лопасти 7 нагреваются и отдают свою теплоту окружающим слоям биомассы. Одновременно с этим взаимодействие вращающегося магнитного поля тока, протекающего по многофазной обмотке 10, с вихревыми токами в стенках центрального вертикального вала 8 приводит к возникновению вращающегося момента, под действием которого центральный вертикальный вал 8 с горизонтальными лопастями 7 начинает вращаться.To create anaerobic fermentation, water is poured into the vertical sealed cylindrical tank 1 through the loading pipe 18 to the upper level of the dome 3. Then part of the water is drained from the vertical sealed cylindrical tank 1 so that the loading pipe 18 remains partially loaded in water. Then, liquefied fresh manure (litter) with a moisture content of 92-93% is loaded into the vertical sealed cylindrical tank 1 through the loading pipe 18 to the upper level of the dome 3. The shape of the dome 3 of the biogas plant forms a container for accumulating the generated biogas. The pressure in the vertical sealed cylindrical tank 1 is monitored using a pressure sensor 19. After filling the vertical sealed cylindrical tank 1 with biomass, an alternating voltage source is turned on (not shown). A multi-phase, for example, three-phase, alternating current begins to flow through the multi-phase winding 10, which creates a rotating electromagnetic field that induces eddy currents in the horizontal blades 7 and in the walls of the central vertical shaft 8. Under the action of these currents, the horizontal blades 7 heat up and give off their heat to the surrounding biomass layers. At the same time, the interaction of the rotating magnetic field of the current flowing through the multi-phase winding 10 with eddy currents in the walls of the central vertical shaft 8 leads to the emergence of a rotating moment, under the influence of which the central vertical shaft 8 with horizontal blades 7 begins to rotate.

В результате вращения нагретых горизонтальных лопастей 7 осуществляется интенсивный и быстрый теплообмен между областями биомассы, непосредственно контактирующими с горизонтальными лопастями 7, и периферийными областями.As a result of the rotation of the heated horizontal blades 7, an intense and rapid heat exchange takes place between the biomass regions in direct contact with the horizontal blades 7 and the peripheral regions.

Получаемый в вертикальном герметичном цилиндрическом резервуаре 1 биогаз через патрубок 20 и трубопровод 21 поступает в газгольдер, где его часть через трубопровод поступает в компрессор. Для усиления эффекта перемешивания биомассы, обеспечения питательными веществами метанообразующих бактерий, предотвращения осадочного материала и корки под куполом 3, которая препятствует выходу биогаза, периодически запускают барботажное перемешивающее устройство 5. Для этого открывают кран 17, после чего находящийся в компрессоре биогаз по трубопроводу 23 под давлением поступает в спиралевидную перфорированную трубу 5, выходит через отверстия 9 в биомассу, ускоряя процесс поднятия образованным метановым брожением пузырьков биогаза.The biogas obtained in the vertical sealed cylindrical tank 1 through the pipe 20 and pipeline 21 enters the gas holder, where part of it enters the compressor through the pipeline. To enhance the effect of mixing the biomass, provide nutrients to methane-forming bacteria, prevent sedimentary material and crust under the dome 3, which prevents the release of biogas, periodically start the bubbling mixing device 5. To do this, open the valve 17, after which the biogas in the compressor through the pipeline 23 under pressure enters the spiral perforated pipe 5, exits through holes 9 into the biomass, accelerating the process of raising biogas bubbles formed by methane fermentation.

При превышении температуры перемешиваемой биомассы допустимого значения, например 36-38°С, терморегулятор 24 отключает источник многофазного переменного напряжения (на чертеже не показан).When the temperature of the mixed biomass exceeds the allowable value, for example 36-38°C, the thermostat 24 turns off the source of multi-phase AC voltage (not shown).

Выгрузку переработанных отходов осуществляют периодически через патрубок 22.The processed waste is unloaded periodically through the branch pipe 22.

Оставшаяся часть биогаза в газгольдере может применяться в бытовых нуждах, а переработанный субстрат - как концентрат органического удобрения.The remaining part of the biogas in the gas tank can be used for domestic needs, and the processed substrate can be used as an organic fertilizer concentrate.

Как можно заметить, из-за равномерного распределения многофазной обмотки 10 по длине центрального вертикального стержня 13 вращающий момент создается практически по всей длине центрального вертикального вала 8, что позволяет избежать возникновения изгибающих моментов и понизить уровень вибраций центрального вертикального вала 8. Отмеченный факт обусловливает повышение надежности работы биогазовой установки.As you can see, due to the uniform distribution of the polyphase winding 10 along the length of the central vertical rod 13, the torque is generated almost along the entire length of the central vertical shaft 8, which avoids the occurrence of bending moments and reduces the vibration level of the central vertical shaft 8. The noted fact leads to an increase in reliability operation of the biogas plant.

Claims

Biogas plant containing a sealed vertical cylindrical tank with technological pipes, equipped with a hemisphere-shaped dome and bottom, a bubbling mixing device installed in the tank, which is a spiral perforated pipe located along the walls of the tank, the coils of which repeat the shape of the tank, a vertical mixer is installed in the tank , equipped with horizontal blades made of electrically conductive material and fixed on the central vertical shaft, the lower horizontal blade has a radius of curvature corresponding to the radius of curvature of the bottom of the tank, while the holes on the spiral pipe are made through vertical at an equal distance from each other, the dome of the tank is made removable, the central vertical shaft is made hollow, inside which there is an inductor with a multi-phase winding, the conclusions of which are connected to an alternating voltage source, characterized in that the upper the end of the central vertical shaft is hermetically sealed with a lid, in the inner cavity of the central vertical shaft there is a central vertical rod coaxially to it, rigidly fixed on the inner surface of the bottom of the sealed vertical cylindrical tank, the central vertical shaft is held relative to the central vertical rod by means of bearings located at the ends of the central vertical shaft , moreover, the outer rings of the bearings are rigidly fixed on the inner side surface of the central vertical shaft, and the inner rings of the bearings are rigidly fixed on the outer side surface of the central vertical rod, the lower end of the central vertical shaft is mated with the inner surface of the bottom of the sealed vertical cylindrical tank by means of a movable sealing device, and the multiphase the inductor winding is evenly wound along the length of the central vertical rod.