SK500092015U1 - Zariadenie na výrobu bioplynu kontinuálnou suchou anaeróbnou fermentáciou biomasy - Google Patents

Abstract

Predkladané technické riešenie sa týka zariadenia na výrobu bioplynu kontinuálnou suchou anaeróbnou fermentáciou biomasy, ktoré zahŕňa násypku (1) surovín prepojenú dopravníkom (2) s násypkou (28) spojenou s korčekovým dopravníkom (3) a s dolným závitovkovým dopravníkom (12), pričom násypka (28) zahŕňa rozdeľovač (29) a korčekový dopravník (3) je vybavený na svojom hornom konci meničom (4) smeru, ktorý umožňuje pripojenie k hornému závitovkovému dopravníku (5) alebo k vyprázdňovaciemu závitovkovému dopravníku (13); fermentor (14) vybavený horným rotačným dávkovačom (6) s rozprestieracím mechanizmom (7); dolný rotačný dávkovač (10) prepojený s vykladacím závitovkovým dopravníkom (11) so zberným žľabom (24) ústiacim do perkolátnej nádrže (25).

Description

Oblasť techniky

Predkladané technické riešenie sa týka konštrukcie zariadenia na výrobu bioplynu použitím suchej fermentácie biologicky rozložiteľných sypkých substrátov bez prístupu vzduchu, pracujúceho kontinuálnym spôsobom.

Doterajší stav techniky

Bioplyn je zmes metánu, oxidu uhličitého a ďalších zložiek. Vzniká biochemickým procesom premeny biomasy za pomoci mikroorganizmov, nazývaným anaeróbna fermentácia. Dá sa vyjadriť nasledujúcou zápisom:

bkxnasa + baktérie= biopfyn{CH<_f CO₂, ...)+ živiny (N, P, K, S,...}

Fermentácia sa uskutočňuje vo vzduchotesnej nádrži bioplynovej stanice (fermentore), kde sa biomasa zahrieva na prevádzkovú teplotu počas presne stanovenej doby zdržania (obyčajne experimentálne overenej). Tu sa biomasa bez prístupu vzduchu za pôsobenia metanogénnych baktérií pri teplote 5 až 60 °C rozkladá, pričom vzniká bioplyn a kvapalný alebo kašovitý digestát. Pri fermentácii sa najčastejšie využívajú teploty fermentovanej biomasy z rozmedzia 30 až 40 °C, tzv. mezofilné pásmo.

Použitie technológii využívajúcich anaeróbnu fermentáciu je dôležité z hľadiska ochrany životného prostredia, nakoľko tak dochádza k znižovaniu emisii skleníkových plynov.

Počiatky bioplynovej techniky v európskom poľnohospodárstve boli zaznamenané až po druhej svetovej vojne. Je možné vyzdvihnúť zariadenie s kvasným kanálom vyvinuté na Technickej univerzite v Darmstadte (systém Darmstadt) a metódu Schmidta a Eggersglússa. V tom čase však ešte technická úroveň zvlášť miešadiel substrátu, ako aj konkurencia nízkych cien ropy spôsobili útlm záujmu o výrobu bioplynu, aj keď už boli známe výhody lepšej kvality organického hnojiva po anaeróbnom spracovaní. Až ropná kríza začiatkom sedemdesiatych rokov minulého storočia ako aj rozšírenie hnojového hospodárstva so známymi prednosťami si vynútili rozvoj výroby bioplynu. Napr. v roku 1985 bolo v Nemecku v prevádzke 75 bioplynových staníc, väčšinou v južnej časti krajiny. Dnes je v Nemecku nainštalovaných takmer 4 000 bioplynových staníc s rozličnými výkonovými kategóriami.

Tvorba bioplynu je viacstupňovým procesom, ktorý je schematicky znázornený v Schéme 1, pri ktorom mikroorganizmy na svoju látkovú výmenu pri anaeróbnych podmienkach využívajú

-2chemickú energiu obsiahnutú v uhľohydrátoch, tukoch a proteínoch. Najskôr sa pritom štiepia hydrolytickými baktériami makromolekuly s nízkymi molekulovými hmotnosťami (napr. cukry, mastné kyseliny, aminokyseliny). Takýmto spôsobom rozrušené produkty štiepneho procesu sa potom fermentačnými baktériami ďalej kvasia, pričom sa redukujú vznikajúce nízkomolekulové spojenia - ako karboxylová kyselina, plyny alebo alkoholy. Metanogénne baktérie nie sú schopné zhodnotiť všetky produkty látkovej výmeny fermentačných baktérií, takže acetogénne baktérie predstavujú dôležitý spojovací článok medzi fermentáciou a tvorbou metánu. Odbúravajú predovšetkým kyselinu propiónovú, kyselinu karboxylovú a alkoholy na kyselinu octovú, oxid uhličitý a vodík, ktoré sa potom spotrebúvajú metanogénnymi baktériami.

bioodpady

bloplyn

Schéma 1

-3V bioplynových staniciach prebiehajú všetky procesy vedľa seba. Pri pravidelnom prísune vstupnej suroviny je tak zabezpečená kontinuálna tvorba bioplynu. Aby však bol celý proces úspešný a efektívny, musí bioplynová stanica vytvárať na činnosť metánových baktérii priaznivé podmienky. Baktérie pracujú len vo vlhkom prostredí, ak sú dostatočne zaliate vodou pri stálej teplote v rozmedzí 20 - 50°C. Musí byť vylúčený prístup vzduchu a rovnako prístup svetla, ktoré celý proces spomaľuje. Hodnota pH suroviny by mala dosahovať hodnotu cca 7,5. Baktérie nedokážu rozložiť tuky, bielkoviny, uhľovodíky a celulózu v čistej podobe, preto je potrebné zabezpečiť dostatočný prísun dusíkatých zlúčením, minerálnych látok a stopových prvkov. Tieto látky sú v optimálnej štruktúre obsiahnuté najmä v hnoji a hnojovici, preto sa často využívajú ako základná surovina pre bioplynové stanice. Naopak, pozornosť treba venovať obmedzeniu prísunu organických kyselín, dezinfekčných prostriedkov, antibiotík a chemoterapeutických látok, ktoré proces vyhnívania brzdia.

Bioplynové zariadenia sa v princípe delia podľa obsahu suchej hmoty v spracúvanom substráte na mokrú fermentáciu, kedy je obsah suchej hmoty nižší ako 15 % hmotn. a suchú fermentáciu s obsahom suchej hmoty v rozsahu 25 až 60 % hmotn.

Využívanie mokrej fermentácie pri kombinovanej výrobe elektriny a tepla v bioplynových staniciach je technológia, na ktorej sú založené takmer všetky súčasné bioplynové stanice využívajúce ako zdroj vstupných surovín odpady zo živočíšnej výroby vo forme exkrementov hospodárskych zvierat, odpady zo spracovania poľnohospodárskych produktov, kuchynské odpady ale aj materiály vo forme zelených a konzervovaných krmív ako je kukuričná či trávna siláž. Táto technológia je dostatočne prepracovaná, hlavne v zahraničí, a odskúšaná v praxi. Hlavným princípom je spracovanie biomasy s obsahom sušiny cca do 12 %.

Pri zariadeniach takéhoto typu sa surovina dávkuje spravidla 1-2 denne, aby proces prebiehal kontinuálne. V závislosti od veľkosti fermentora a jeho teplote je potrebné pri dávkovaní sledovať obsah sušiny vo vstupnej surovine, aby nedošlo k zahlteniu procesu a utlmeniu činnosti baktérií. K optimálnemu procesu prispieva aj pravidelné premiešanie obsahu fermentora, čím dochádza k uvoľneniu tvoriaceho sa bioplynu.

Pre plynulý proces fermentácie je dôležité posekanie, resp. rozdrobenie organických látok nerozpustných vo vode. Vytvárajú sa vďaka tomu veľké kontaktné plochy na pôsobenie baktérií.

Na začiatku technológie mokrej fermentácie sa zvyčajne miešajú vstupné suroviny s procesnou vodou, aby sa dosiahla potrebná kašovitá, tekutá konzistencia surovín (sušina 10- 15 %), ktorá umožňuje lepšiu manipuláciu (čerpanie) a kontinuálny priebeh technológie.

Ak bioplynová stanica nie je stavaná čisto len na poľnohospodárske odpady a suroviny, ale spracováva aj kuchynský a reštauračný bioodpad a iné živočíšne odpady, musí mať zabezpečenú hygienizáciu vstupných surovín v súlade s Európskou legislatívou (nariadenie ES/1774/2002). Preto pred vstupom surovín do fermentora býva predradená hygienizačná

-4jednotka, ktorá zabezpečí hygienizáciu vstupu teplotou 70 °C počas 1 hod. Potrebná veľkosť častíc (max. 12 mm) je zabezpečená sitovaním a mletím.

Proces fermentácie môže byť jednostupňový alebo viacstupňový. Pri jednostupňovom procese je technológia investične menej náročná, ale väčšinou nedochádza k tak účinnému vyhnitiu substrátu ako napr. pri dvojstupňovom procese. Fermentačný proces vo výstupnom digestáte ešte „dobieha“ v skladovacích nádržiach a metán ako aj zapáchajúci amoniak často voľne unikajú do ovzdušia.

V dvojstupňovom procese je substrát prečerpávaný z prvého stupňa do druhého, v ktorom môže byť vyššia teplota na dobehnutie metanogénnej fázy fermentácie. Bioplyn z prvého stupňa obsahuje viac CO₂, v druhom stupni je možné dosiahnuť až 80 % metánu v bioplyne.

Vzniknutý bioplyn z fermentora sa uskladňuje v plynojeme, ktorý môže byť integrovaný ako súčasť fermentora alebo často to býva samostatný objekt.

Materiálový výstup z fermentora - digestát (sušina 4-10 %) sa ďalej skladuje v skladovacích nádržiach, kde ešte za vhodných podmienok môže prebiehať fermentačný proces. Skladovanie sa musí realizovať v súlade so Správnou poľnohospodárskou praxou a bežne trvá 140 - 150 dní. Práve táto skutočnosť je najväčšou nevýhodou mokrej fermentácie.

Často sa ďalej spracováva na kalolisoch, prípadne odstredivkách. Pevná frakcia sa väčšinou spracováva v kompostárňach a kvapalná frakcia - fugát (sušina zväčša pod 2 %) sa aplikuje na poľnohospodársku pôdu ako hnojivo. Časť fugátu sa môže vracať naspäť do technológie ako procesná voda a miešať sa so vstupnými surovinami. Tu je potrebné sledovať, aby sa príliš nezvýšil obsah dusíka vo fugáte, čo by mohlo zabrzdiť proces anaeróbnej digescie.

Správne spracovaný a dostatočne vyzretý digestát, resp. fugát je pre rastliny výborným hnojivom a vďaka vysokému obsahu vody, súčasne aj závlahou. Aplikácia na pole počas suchých období, najmä keď sú rastliny ešte malé, je pre poľnohospodárske plodiny veľmi prospešná.

Na základe prispôsobovania sa mnohých poľnohospodárskych podnikov sa dobytkárstvo zredukovalo na minimum, približne 20 % produkcie oproti roku 2003. Z tohto dôvodu sa poľnohospodárom znížila možnosť využívať klasické bioplynové stanice na mokrú fermentáciu, do ktorých sú hlavným vstupom výkaly hospodárskych zvierat. Preto začala narastať potreba zariadení pracujúcich pri podmienkach suchej fermentácie, pri ktorých je možné spracovávať biomasu s obsahom sušiny až do 60 %. Je však potrebné úplne zmeniť technológiu. V prípade technológií suchej fermentácie má spracovávaná surovina sušinu výhodne z rozsahu 30 - 50 %. Hlavnou výhodou oproti doposiaľ prevažne využívanej mokrej fermentácii je, že výstupný digestát má vyšší podiel sušiny a ľahšie sa spracováva kompostovaním. Ďalšou výhodou je, že

-5suchá fermentácia dokáže spracovať aj suroviny, ktoré sú pre mokrú fermentáciu problematické (napr. piliny z podstielok tvoria pri mokrej fermentácii ťažko čerpateľné krusty).

Najpodstatnejšie výhody suchej fermentácie oproti mokrej fermentácii sa dajú zhrnúť nasledovne:

- Suchá fermentácia je vhodná hlavne pre biomasu s vyšším obsahom sušiny (25 % a viac) - maštaľný hnoj, trávna senáž, kukuričná siláž, lístie).

Prípadné rozšírenie bioplynovej stanice je veľmi jednoduché.

- Biomasu nie je nutné pred vstupom do fermentora nijako upravovať, ako napríklad rezať a vytried'ovať nežiaduce prímesi. V týchto staniciach je možné komplexne spracovávať aj biologicky rozložiteľné odpady.

Keďže sa biomasa nemusí nutne riediť vodou, vzniká menšie množstvo fermentačného zvyšku, ktorý je nutné následne vyviezť na pole.

- Je šetrná k životnému prostrediu. Pri mokrej fermentácii je vysoká spotreba vody, a tým následná potreba veľkých nádrží na uskladnenie biokalu pred aplikáciou, ktorá je možná 2x ročne. Zároveň je veľká potreba plôch na aplikáciu biokalu, ktorý vzniká v rámci fermentácie.

- Nižšia spotreba elektrickej energie (napríklad, v prípade podlahového vykurovania fermentora je to 5 % z energetickej produkcie).

- V prípade zastavenia procesu v jednom fermentore u problémových substrátov (napr. bioodpady) nehrozí kolaps celej stanice, jeden fermentor sa vyprázdni a náplni čiastočne novou biomasou a čiastočne biomasou z iného fermentora. Celý proces pokračuje ďalej.

- K manipulácii s biomasou dochádza iba 1-2 x týždenne.

- Hlavnou výhodou je, že výstupný digestát má vyšší podiel sušiny a ľahšie sa spracováva kompostovaním a následným preosiatím sa eliminujú nežiaduce prímesi.

- Menšie nároky na potrebnú mechanizáciu (nie sú žiadne čerpadlá a miešadlá), nižšia spotreba vody a minimálne prevádzkové náklady. Keďže sa biomasa nečerpá do fermentora a vo vnútri nemieša, odpadajú problémy s poruchou týchto zariadení.

Nevýhodami suchej fermentácie sú:

- Na Slovensku nie sú aplikácie tejto fermentácie a v zahraničí je relatívne malý počet týchto staníc, s čím súvisí malé povedomie verejnosti o tejto technológii.

- Investičné náklady na bioplynové stanice využívajúce proces suchej fermentácie sú náročnejšie ako pri mokrej fermentácii o cca 10 -15 %.

- Nie je možné jej použitie pre tekuté substráty a substráty s nízkym obsahom sušiny (hnojovica, močovka, kaly z ČOV, kuchynské odpady len v obmedzenej miere).

-6- Technológia nie je príliš vhodná pre materiály vyžadujúce hygienizáciu.

- Z dôvodu nerovnomernej produkcie bioplynu, je nutné postaviť minimálne 4 fermentory.

- Vyžadujú zložitejšie riadenie, vďaka častej výmene biomasy. Proces je možné efektívne riadiť iba stanovením vhodnej štruktúry biomasy na začiatku každého cyklu. Možnosti zasahovania do procesu v priebehu cyklu sú potom už veľmi obmedzené.

Nakoľko sa jedná o technológiu, ktorá nie je veľmi rozšírená, údaje ohľadom výťažnosti plynu sú veľmi rozdielne a niekedy aj protichodné.

Technológia suchej fermentácie býva jednoduchšia ako pri mokrých fermentáciách. Fermentor sa pri suchej fermentácii vyznačuje tým, že má často tvar bežnej budovy a môže sa plniť čelným nakladačom (najmä pri menších prevádzkach). Surovina vo fermentore sa očkuje potrebnými kultúrami baktérií pomocou tzv. perkolátu, prípadne časťou predchádzajúcej vsádzky.

V súčasnosti dostupných technológiách výroba bioplynu prebieha prostredníctvom suchej fermentácie vo fermentoch, ktoré majú tvar garáže. V každom fermentore výroba bioplynu prebieha samostatne po dobu 4-5 týždňov. Po uplynutí fermentačného procesu v jednotlivých fermentoroch, sa „garáž“ otvorí a pomocou nakladača sa vyskladňuje vyfermentovaná biomasa a napĺňa novou surovinou. Tým sa proces výroby bioplynu prerušuje, výroba je nekontinuálna a fermentačný proces musí začať odznova.

Vyrobený bioplyn sa môže použiť na výrobu tepla v teplovodných alebo parných kotloch alebo na kombinovanú výrobu tepla a elektriny v kogeneračných jednotkách. Prípadne je možné ho ďalej čistiť a predávať výrobcom tepla alebo ho využívať ako palivo do motorových vozidiel.

Vedľajší produkt bioplynovej stanice je organický materiál, ktorý je možné buď využiť priamo ako hodnotné organické hnojivo alebo ho pri nižšom obsahu vody stabilizovať kompostovaním.

Existuje tu preto potreba anaeróbne pracujúceho fermentačného zariadenia na spracovanie biomasy s obsahom sušiny do 60 %, tzn. pracujúceho za podmienok suchej fermentácie, ktoré spracúva biomasovú surovinu kontinuálnym spôsobom za účelom výroby bioplynu.

Podstata technického riešenia

Nevýhody z doterajšieho stavu techniky rieši zariadenie podľa predkladaného technického riešenia. Ide o zariadenie, v ktorom je možné uskutočňovať proces anaeróbnej suchej fermentácie kontinuálnym spôsobom. Takzvaná suchá fermentácia umožňuje metanizáciu sypkej biomasy z poľnohospodárstva a komunálnych bioodpadov bez nutnosti zmeny ich konzistencie do kvapalného stavu, ktorá v praxi spôsobuje zvýšené prevádzkové náklady.

-7Namiesto toho sa substrát vo fermentačnej komore udržuje vo vlhkom stave kropením fermentačným roztokom (perkolátom) cirkulujúcim v uzavretom okruhu. Potrebné baktérie je možné okrem perkolátu do systému zavádzať aj v podobe časti predchádzajúcej vsádzky, ktorá sa dávkuje spolu so vstupnou surovinou. Touto technológiou je možné skvasovať biomasu s obsahom sušiny až 30 - 60 % (oproti 10 -15 % pri mokrom spôsobe).

Zdroje substrátov na suchú fermentáciu môžu byť:

• zelená hmota z poľnohospodársky priamo nevyužívaných úhorom ležiacich plôch, trávna a kukuričná siláž;

• všetky ľahko skvasiteľné sypké formy biomasy - zemiakové šupky, chmeľové šišky, atď.;

• suchý hnoj hospodárskych zvierat;

• hydinový trus a podobne.

Zariadenie na výrobu bioplynu pomocou kontinuálnej suchej anaeróbnej fermentácie biomasy podľa predkladaného technického riešenia zahrnuje:

- násypku surovín funkčne prepojenú s vyprázdňovacím rédlerovým dopravníkom;

- vyprázdňovací rédlerový dopravník, ktorý sa pohybuje pomocou pohonu rédlerového dopravníka. Tento rédlerový dopravník prepája uvedenú násypku surovín s násypkou korčekového dopravníka;

násypku korčekového dopravníka funkčne spojenú s korčekovým dopravníkom; a taktiež funkčne spojenú s dolným spojovacím závitovkovým dopravníkom, ktorý pomocou pohonu dopravuje do nej časť sfermentovanej suroviny. Násypka korčekového dopravníka ďalej zahrnuje rozdeľovač slúžiaci na jej funkčné prepojenie buď s vyprázdňovacím rédlerovým dopravníkom dopravujúcim surovinu z násypky suroviny alebo s dolným spojovacím dopravníkom dopravujúcim sfermentovanú surovinu zbavenú perkolátu z dolnej časti fermentora;

- korčekový dopravník, ktorý je opatrený pohonom korčekového dopravníka. Tento dopravník je umiestnený vertikálne aje na svojom hornom konci opatrený meničom smeru;

menič smeru, ktorý v závislosti od režimu, v ktorom zariadenie pracuje, pripája ku korčekovému dopravníku buď horný spojovací závitovkový dopravník alebo vyprázdňovací závitovkový dopravník;

horný spojovací závitovkový dopravník s pohonom horného spojovacieho závitovkového dopravníka funkčne prepájajúci korčekový dopravník s meničom smeru korčekového dopravníka a fermentor;

-8vyprázdňovací závitovkový dopravník, opatrený pohonom vyprázdňovacieho závitovkového dopravníka; pričom keď ho menič smeru funkčne prepája ku korčekovému elevátoru slúži na vyprázdňovanie obsahu fermentora;

fermentor, ktorý je prostredníctvom horného spojovacieho závitovkového dopravníka pripojený ku meniču smeru korčekového dopravníka, a ktorý pozostáva z tela fermentora a kupoly.

Telo fermentora je tvoreného opláštením s izoláciou, pričom toto telo fermentora je opatrené snímačom hladiny a prinajmenšom jedným teplomerom umiestneným na opláštení. V najvrchnejšej časti tela fermentora sa nachádza miesto, v ktorom dochádza k odberu vyrobeného bioplynu. Ten sa za pomoci vzduchového čerpadla čerpá do plynojemu. V uvedenej časti tela fermentora sa taktiež nachádza rozprestierací mechanizmus s pohonom. Telo fermentora je hermeticky oddelené od kupoly. Telo fermentora je opatrené výhrevným systémom, ktorým je výhodne ohrevný had s ohrevným médiom a dno fermentora je opatrené aspoň jedným dolným rotačným dávkovačom s pohonom a funkčne pripojeným na vykladací závitovkový dopravník. Výhodne sú poskytnuté dva dolné rotačné dávkovače.

Kupola je vo svojej strednej časti opatrená horným rotačným dávkovačom s pohonom pripojeným z jeho vrchnej časti na horný spojovací závitovkový dopravník a v jeho spodnej časti na rozprestierací mechanizmus v tele fermentora. V stene kupoly je umiestnený otvor na prirodzené odvetranie, v prípadne potreby je výhodne možné použiť pomocný ventilátor, ktorým sa zabezpečí nútené odvetranie. Kupola je opatrená miestom na vstrekovanie perkolátu. Ten sa vstrekuje buď ako recyklovaný z fermentačného procesu predchádzajúcej suroviny za pomoci čerpadla z perkolátnej nádrže alebo ako čerstvý. Perkolátna nádoba je výhodne vyhrievaná.

prinajmenšom jeden vykladací závitovkový dopravník opatrený pohonom a zberným žľabom ústiacim do perkolátnej nádrže, pričom uvedený vykladači závitovkový dopravník je ďalej funkčne pripojený na dolný spojovací dopravník a zberný žľab ústiaci do perkolátnej nádrže;

- dolný spojovací dopravník opatrený pohonom a funkčne spojený s rozdeľovačom násypky korčekového dopravníka.

Na bližšie objasnenie podstaty predkladaného technického riešenia jednotlivé funkčné časti zariadenia sú ďalej opísané detailnejšie.

Násypka surovín je upravená na prijímanie rôznych druhov sypkej biomasy. Môže byť plnená pomocou čelných nakladačov alebo pomocou sklápacích nákladných áut. Má plošne veľké bočné steny, ktoré sú schopné prijať a udržať veľký objem materiálu naloženého do násypky pomocou uvedených mechanizmov.

-9K násypke je funkčne pripojený vyprázdňovací rédlerový dopravník. Tento rédler pomocou pohonu s frekvenčným meničom vykonáva presun suroviny z násypky surovín do násypky v zvislom smere umiestneného korčekového dopravníka.

Na presun materiálu sa používa reťaz dopravníka so škrabátkovou nádobou a s príchytkami. Modul (delenie) reťaze (delením reťaze sa rozumie polovička vzdialenosti medzi ktorýmkoľvek tromi po sebe nasledujúcimi nitmi) s príchytkami musí byť opatrený vhodnými vodítkovými kolesami, ktoré musia mať špeciálny profil, aby sa u surovín rôznej konzistencie znížilo riziko zanášania na minimum.

Medzi charakteristické vlastnosti rédlerov alebo podobných dopravníkov patrí faktor spätného hrnutia. Vyplýva to z ich fungovania, preto je výhodné zvoliť taký druh dopravníka, ktorý je so spodným hrnutím materiálu. Nakoľko sa jedná o zariadenie značnej dĺžky (prepravuje materiál po dĺžke viac metrov), môže byť výhodne opatrené núdzovým vypínačom, aby obsluhujúci personál mohol zasiahnuť čo najskôr po zistení problému. Tieto zariadenia, ktoré sú zapojené pri transporte materiálu v jednom rade za sebou, sú opatrené tzv. závorovými podmienkami (spúšťacie poradie). Riadenie chodu je zabezpečené aplikovaním elektromagnetických spínačov.

Použitie korčekového dopravníka má dvojaký účel. Tento typ zabezpečuje jednak vstup, teda dávkovanie suroviny do fermentora a jednak výstup vyfermentovaného zvyšku za pomoci meniča smeru.

Škrabátkové komponenty korčekového dopravníka pripojené na popruhy naberajú biomasu v spodnej časti dopravníka z násypky, následne na najvyššom stupni sa prevrátia cez poháňaný bubon a nazbieraný materiál vysypú do šikmého horného spojovacieho závitovkového dopravníka, ktorý dopraví materiál až k hornej časti - kupole fermentora. Smer pohybu materiálu je možné meniť pomocou meniča smeru, ktorý zabezpečí prevádzkovanie stroja aj v inom prevádzkovom režime. Tento ďalší prevádzkový režim je potrebný na vyprázdňovanie sfermentovaného zvyšku, ktorý sa takto dostane cez bočné rameno korčekového dopravníka cez vyprázdňovací závitovkový dopravník - do prepravného vozidla aje odvážaný na ďalšie využitie, prípadne na prechodné skladovacie miesto.

Z korčekového dopravníka sa dostane materiál cez horný spojovací závitovkový dopravník do horného rotačného dávkovača. Rotačným dávkovačom je dávkovač s otočným ventilom, zabudovaný v kupolovitej streche fermentora, ktorý zabezpečuje dávkovanie materiálu a hermetické uzatvorenie nádrže. Skelet dávkovača je výhodne vyhotovený z oceľového plechu. Jednotlivé články rotujúcej časti sú výhodne zvarené. Deliace steny jednotlivých článkov sú umiestnené na osi radiálne a sú opatrené gumovým okrajom - tesnením, čo zabezpečuje hermetické uzatváranie.

-10Rotačný dávkovač je vhodným zariadením na vzduchotesné premiestnenie suroviny určenej na fermentáciu zo zberného priestoru dávkovača do fermentačnej nádrže pod dávkovačom. Na rovnomerné rozvrstvenie materiálu slúži rozprestierací mechanizmus umiestnený v dolnej časti horného rotačného dávkovača. Tento mechanizmus má súčasne za úlohu aj rovnomerné a kontinuálne dávkovanie perkolátu privedeného do kupoly fermentora, ktorý zabezpečuje iniciáciu a udržanie fermentačného procesu.

Fermentor sa skladá z tela fermentora tvoreného izolovaným vonkajším opláštením a z kupoly. Opláštenie je výhodne vytvorené z hrubej oceľovej konštrukcie, ktorá zahrnuje izoláciu. Opláštenie s izoláciou môže byť konštrukčne vyhotovené vo forme obručí, ktoré sú navzájom pospájané po svojom obvode vhodným spôsobom, napríklad pomocou skrutiek, a vzájomné spoje sú vyplnené silikónovým tesnením na zabezpečenie vzduchotesnosti. Obruče sú výhodne vytvorené tak, že každá ďalšia má oproti predošlej o niečo väčší priemer, a teda poskladané telo fermentora má tvar smerom dole rozširujúceho sa valca, ktorým sa zabezpečuje kontinuálny posun materiálu bez uviaznutia. V kupole sa výhodne nachádza dávkovacie zariadenie s pohonom, pričom dávkovacie zariadenie je výhodne opatrené rozprestieracím mechanizmom.

V kupole je výhodne vytvorený dostatočne veľký manipulačný priestor pre vstup osoby vykonávajúceho údržbu a opravy. V tejto časti fermentora sú umiestnené prinajmenšom 2 otvory, cez prvý otvor je umožnený vstup obsluhujúcej osoby pomocou rebríka, druhý otvor slúži na prirodzené odvetranie tohto priestoru pri eventuálnom signalizovaní výskytu plynu. Pre zabezpečenie ochrany zdravia pri práci tu bude výhodne umiestnený aj pomocný ventilátor na umelé odvetranie. Hrubá kovová podlaha kupoly, výhodne s protišmykovou úpravou, hermeticky oddeľuje kupolu od tela fermentora, z ktorého sa odoberá vznikajúci bioplyn. Telo fermentora je tiež opatrené miestom na vstrekovanie perkolátu.

Po naplnení tela fermentora do potrebnej výšky, čo sa zabezpečuje pomocou snímača hladiny, je možné proces fermentácie sledovať pomocou prinajmenšom jedného teplomera namontovaného na plášti fermentora. Výhodne je rozmiestnených viacero takýchto teplomerov na rozličných miestach opláštenia fermentora, pričom je možné použiť analógové alebo digitálne teplomery. Riadenie procesu bude možné po vytvorení praktického algoritmu pomocou PLC riadiacej jednotky.

Zachytávanie vznikajúceho bioplynu sa uskutočňuje v hornej časti tela fermentora, pod hermeticky uzatvorenou podlahou kupoly. Bioplyn je odsávaný z tohto priestoru pomocou vzduchového čerpadla pod nízkym tlakom (niekoľko desatín barov) a stláčaný do plynojemu, napr. zbernej nádrže s vodným zaslepením. Tento vodný uzáver slúži ako protipožiarna ochrana. Z plynojemu je možné čerpať bioplyn pod stálym tlakom na použitie v ďalších zariadenia využívajúce bioplyn - horáky, motory atď.

-11Na zachovanie kontinuity procesu v spodnej časti fermentora je umiestnený prinajmenšom jeden veľký dolný rotačný dávkovač na vyprázdňovanie sfermentovaného materiálu. Výhodne je fermentor opatrený dvomi takýmito dolnými rotačnými dávkovačmi. Sfermentovaný materiál sa následne dostane do prinajmenšom jedného veľkého dolného vykladacieho závitovkového dopravníka, ktorý vykonáva súčasne aj separáciu pevnej časti od fermentačnej šťavy, t. j. perkolátu, ktorý je pomocou zberného žľabu odvádzaný do zbernej perkolátnej nádrže a odtiaľ v prípade potreby čerpadlom čerpaný späť do fermentora. Pre každý dolný rotačný dávkovač (v prípade použitia viacerých) je potrebné poskytnúť samostatný dolný vykladací závitovkový dopravník. Pevná časť sfermentovaného zvyšku je potom pomocou dolného spojovacieho závitovkového dopravníka dopravovaná ku násypke korčekového dopravníka, ktorá je opatrená rozdeľovačom vhodným na príjem dvojakého materiálu, jednak čerstvého materiálu prichádzajúceho z hlavnej násypky materiálov, jednak sfermentovaného materiálu prichádzajúceho z fermentora cez dolný závitovkový dopravník. Takto vytvorenú zmes vynesie korčekový dopravník a preklopí ju do horného spojovacieho závitovkového dopravníka za účelom udržania kontinuity celého procesu.

V prípade, ak je potrebné fermentor vyprázdniť úplne alebo je potrebné pozastavenie fermentácie, pomocou meniča smeru korčekového dopravníka sa nastaví smer pohybu výstupného materiálu na tzv. režim vyprázdňovania. V tomto prípade je pohyb materiálu presmerovaný k vyprázdňovaciemu závitovkovému dopravníku, ktorý umožní jeho transport k nákladnému vozidlu slúžiacemu na odvoz. Správne nastavenie a synchrónne fungovanie rozdeľovača a meniča smeru korčekového dopravníka umožnia uskutočniť nasledovné tri dávkovacie režimy:

- plnenie fermentora čerstvým substrátom:

- dávkovanie zmesi čerstvej suroviny a sfermentovaného substrátu:

- vyprázdňovanie sfermentovaného substrátu.

V zimnom období je potrebné sa postarať o chod zariadenia naprázdno, aby sa odstránilo nebezpečenstvo zamŕzania počas dlhého státia.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Obr. 1 Schematické znázornenie zariadenia podľa technického riešenia

Obr. 2 Schematické znázornenie umiestnenia pohonov jednotlivých pohyblivých súčastí zariadenia podľa technického riešenia

Príklad uskutočnenia

-12Bolo vytvorené zariadenie na výrobu bioplynu pomocou kontinuálnej suchej anaeróbnej fermentácie trávnej a kukuričnej siláže. Toto zariadenie je schematicky znázornené na obr. 1 a pohony jednotlivých pohyblivých častí zariadenia sú znázornené na obr. 2

Do násypky 1 surovín sa pomocou čelného nakladača naložila trávna a kukuričná siláž. Tá sa pomocou vyprázdňovacieho rédlerovho dopravníka 2 so spodným hrnutím a s pohonom 2/1 presúva do násypky 28 korčekového dopravníka 3. Nakoľko rédlerový dopravník 2 má značnú dĺžku, je opatrený núdzovým vypínačom. Násypka 28 korčekového dopravníka 3 je opatrená rozdeľovačom 29, pomocou ktorého je možné ku trávnej a kukuričnej siláži, ktorá sa pomocou zvisle umiestneného korčekového dopravníka 3 dopravuje do kupoly 9 fermentora 14, primiešať časť už sfermentovanej suroviny z predchádzajúceho fermentačného procesu, ktorá je dopravovaná dolným spojovacím závitovkovým dopravníkom 12 pomocou pohonu 12/1. Vo svojej hornej časti je pohonom 3/1 poháňaný korčekový dopravník 3 opatrený meničom 4 smeru, čím je možné zmeniť režim práce zariadenia. V prípade, že k meniču 4 je pripojený vyprázdňovací závitovkový dopravník 13 s pohonom 13/1. dochádza k zmene pracovného režimu zariadenia a fermentačný zvyšok z fermentora 14 sa vyprázdňuje do prepravného vozidla, ktoré ho odváža na skladovacie miesto. V prípade, že je pripojený horný spojovací závitovkový dopravník 5 s pohonom 5/1. surovina postupuje ďalej do fermentora 14. Fermentor 14 pozostáva z tela 8 fermentora 14 tvaru valca, rozširujúceho sa smerom nadol, a kupoly 9. Telo 8 fermentora 14 je tvorené plechovým opláštením 15 s izoláciou, pričom toto telo 8 fermentora 14 je opatrené snímačom 20 hladiny a tromi teplomermi 21 rozmiestnenými na opláštení 15 fermentora 14. Riadenie teploty procesu je umožnené vytvorením praktického algoritmu pomocou PLC riadenej jednotky. Opláštenie 15 s izoláciou konkrétne pozostáva zo základnej oceľovej konštrukcie, na povrchu ktorej je navrstvená tepelno-izolačná vrstva a táto je prekrytá ďalšou oceľovou vrstvou. Opláštenie 15 s izoláciou je vyhotovené ako päť obručí, ktoré sú navzájom jedna s druhou pospájané po svojom obvode pomocou skrutiek a vzájomné spoje sú vyplnené silikónovým tesnením na zabezpečenie vzduchotesnosti. Obruče sú vytvorené tak, že každá ďalšia má oproti predošlej o niečo väčší priemer, a teda poskladané telo 8 fermentora 14 má tvar smerom dole sa rozširujúceho valca. Takýmto spôsobom vznikne hrubá oceľová konštrukcia, ktorá je pevná a má požadované tepelno-izolačné vlastnosti. V najvrchnejšej časti tela 8 fermentora 14 sa v mieste 16 odsáva bioplyn pomocou vzduchového čerpadla 22 pod nízkym tlakom (niekoľko desatín barov) a stláča sa do plynojemu 23, ktorým je zberná nádrž s vodným zaslepením. V uvedenej časti tela 8 fermentora 14 sa tiež nachádza rozprestierací mechanizmus 7 s pohonom 7/1 a v mieste 27 sa vstrekuje perkolát do fermentora 14. Perkolát sa čerpá pomocou čerpadla 26 z perkolátnej nádrže 25, do ktorej sa zbiera perkolát z fermentora 14. Vstupná surovina sa kropí perkolátom pomocou rozprestieracíeho mechanizmu 7. Kupola 9 je vo svojej strednej časti opatrená horným rotačným dávkovačom 6 s pohonom 6/1. Rotačný dávkovač 6 je pripojený v hornej časti na horný spojovací závitovkový

-13dopravník 5 a v jeho spodnej časti na rozprestierací mechanizmus 7. Rotačný dávkovač 6 je vyhotovený ako dávkovač s otočným ventilom, je zabudovaný v kupole 9 fermentora 14 a zabezpečuje dávkovanie surovín, ako aj hermetické uzatvorenie nádrže. Skelet rotačného dávkovača 6 je z oceľového plechu. Jednotlivé články rotujúcej časti sú zvarené. Deliace steny jednotlivých článkov sú umiestnené na osi radiálne a sú opatrené gumovým okrajom pôsobiacim ako tesnenie, čím sa zabezpečuje jeho hermetické uzatváranie. V stene kupoly 9 je umiestnený otvor 18 na prirodzené odvetranie a tiež pomocný ventilátor 19, ktorým sa zabezpečí nútené odvetranie. V kupole 9 fermentora 14 je vytvorený otvor 17 na vstup obsluhy vykonávajúcej údržbu a opravy. Telo 8 fermentora-je od kupoly 9 hermeticky oddelené. Telo 8 fermentora 14 je opatrené výhrevným systémom 30 vo forme PVC trubky obmotanej niekoľkokrát po obvode tela 8 fermentora 14, pričom v tejto trubke prúdi horúca voda ako ohrevné médium (princíp ohrevného hada s ohrevným médiom). Dno fermentora 14 je opatrené dvomi dolnými rotačnými dávkovačmi 10 s pohonmi 10/1, 10/2 a funkčne pripojenými na vykladacie závitovkové dopravníky 11 s pohonmi 11/1, 11/2. Tieto sú ďalej funkčne pripojené na dolný spojovací dopravník 12 s pohonom 12/1. Vykladacie závitovkové dopravníky 11 sú opatrené vlastným zberným žľabom 24 ústiacim do perkolátnej nádrže 25, z ktorej sa perkolát pomocou čerpadla 26 vracia do fermentora 14. Dolný spojovací závitovkový dopravník 12 je funkčne spojený s násypkou 28 korčekového dopravníka 3 a dopravuje do nej časť sfermentovaného zvyšku.

-14Zoznam vzťahových značiek:

I - Násypka surovín

2- Vyprázdňovací rédlerový dopravník

- Korčekový dopravník (elevátor)

- menič smeru

- horný spojovací závitovkový dopravník

- horný rotačný dávkovač

-rozprestierací mechanizmus

- telo fermentora

- kupola fermentora

- dolný rotačný dávkovač

II - vykladací závitovkový dopravník

- dolný spojovací závitovkový dopravník

- vyprázdňovací závitovkový dopravník

14-fermentor

- opláštenie s izoláciou

- miesto odberu bioplynu

- otvor na vstup obsluhy

- otvor na odvetranie

- pomocný ventilátor

- snímač hladiny

- teplomer

- vzduchové čerpadlo

- plynojem

24- zberný žľab

- perkolátna nádrž

- čerpadlo

- miesto vstrekovania perkolátu

-1528 - násypka korčekového dopravníka

- rozdeľovač

- výhrevný systém

2/1 - pohon vyprázdňovacieho rédlerového dopravníka

3/1 - pohon korčekového dopravníka

5/1 - pohon horného spojovacieho závitovkového dopravníka

6/1 - pohon horného rotačného dávkovača

7/1 - pohon rozprestieracieho mechanizmu

10/1 - pohon dolného rotačného dávkovača

10/2 - pohon dolného rotačného dávkovača

11/1 - pohon vykladacieho závitovkového dopravníka

11/2 - pohon vykladacieho závitovkového dopravníka

12/1 - pohon dolného spojovacieho závitovkového dopravníka

13/1 - pohon vyprázdňovacieho závitovkového dopravníka

Priemyselná využiteľnosť

Zariadenie podľa predkladaného technického riešenia nájde uplatnenie všade tam, kde existuje potreba ďalšieho spracovania biomasy kontinuálnym spôsobom za vytvorenia bioplynu, ako napríklad v poľnohospodárskej výrobe, pričom výhodami predkladaného zariadenia sú nízke požiadavky na plochu, veľký dopravný výkon, bezprašná a bezhlučná prevádzka a minimálne požiadavky na údržbu.

rJi/ svoo^-ir

Claims (12)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zariadenie na výrobu bioplynu kontinuálnou suchou anaeróbnou fermentáciou biomasy vyznačujúce sa tým, že zahrnuje:

   - násypku (1) surovín funkčne prepojenú s vyprázdňovacím rédlerovým dopravníkom (2);

   - vyprázdňovací rédlerový dopravník (2) s pohonom (2/1) prepájajúci násypku (1) surovín s násypkou (28) korčekového dopravníka (3);

   - násypku (28) korčekového dopravníka (3) funkčne spojenú s korčekovým dopravníkom (3) a súčasne funkčne spojenú s dolným spojovacím závitovkovým dopravníkom (12) s pohonom (12/1), pričom násypka (28) korčekového dopravníka (3) zahrnuje rozdeľovač (29) funkčne ju prepájajúci buď s vyprázdňovacím rédlerovým dopravníkom (2) alebo s dolným spojovacím závitovkovým dopravníkom (12);

   - korčekový dopravník (3) s pohonom (3/1), pričom korčekový dopravník (3) je opatrený na svojom hornom konci meničom (4) smeru;

   - menič smeru (4) prepájajúci korčekový dopravník (3) buď s horným spojovacím závitovkovým dopravníkom (5) alebo s vyprázdňovacím závitovkovým dopravníkom (13);

   -horný spojovací závitovkový dopravník (5) s pohonom (5/1) funkčne prepájajúci korčekový dopravník (3) a fermentor (14);

   - vyprázdňovací závitovkový dopravník (13) s pohonom (13/1);

   - fermentor (14) s miestom (16) odberu bioplynu spojený prostredníctvom horného spojovacieho závitovkového dopravníka (5) s korčekovým dopravníkom (3) a prostredníctvom dolného rotačného dávkovača (10) s vykladacím závitovkovým dopravníkom (11);

   -vykladací závitovkový dopravník (11) s pohonom (11/1) funkčne pripojený na dolný rotačný dávkovač (10) fermentora (14) a ďalej funkčne pripojený na dolný spojovací dopravník (12), pričom vykladací závitovkový dopravník (11) je opatrený zberným žľabom (24) ústiacim do perkolátnej nádrže (25);

   - dolný spojovací dopravník (12) s pohonom (12/1) funkčne pripojený na násypku (28) korčekového dopravníka (3).
2. 2. Zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, že fermentor (14) pozostáva z tela (8) a kupoly (9), ktoré sú výhodne vzájomne hermeticky oddelené.
3. 3. Zariadenie podľa nároku 2, vyznačujúce sa tým, že telo (8) fermentore^je tvorené opláštením (15) s izoláciou a je opatrené snímačom (20) hladiny, prinajmenšom jedným teplomerom (21), výhrevným systémom (30) umiestnenými na opláštení (15), miestom

   -17(27) vstrekovania perkolátu z perkolátnej nádrže (25) pomocou čerpadla (26), a prinajmenšom jedným dolným rotačným dávkovačom (10) s pohonom (10/1).
4. 4. Zariadenie podľa nároku 3, vyznačujúce sa tým, že výhrevným systémom (30) je ohrevný had naplnený ohrevným médiom, výhodne horúcou vodou.
5. 5. Zariadenie podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že miesto (16) odberu bioplynu je spojené prostredníctvom vzduchového čerpadla (22) s plynojemom (23).
6. 6. Zariadenie podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že k hornému spojovaciemu závitovkovému dopravníku (5) je pripojený horný rotačný dávkovač (6) s pohonom (6/1), ktorý je vo svojej spodnej časti opatrený rozprestieracím mechanizmom (7), pričom horný rotačný dávkovač (6) je výhodne umiestnený v kupole (9) fermentora (14) a rozprestierací mechanizmus (7) je výhodne umiestnený v tele (8) fermentora (14).
7. 7. Zariadenie podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že stena kupoly (9) fermentora (14) je opatrená otvorom (18) na odvetranie a/alebo pomocným ventilátorom (19).
8. 8. Zariadenie podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že stena kupoly (9) je opatrená otvorom (17) na vstup obsluhy.
9. 9. Zariadenie podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že vyprázdňovací rédlerový dopravník (2) je so spodným hrnutím materiálu.
10. 10. Zariadenie podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že vyprázdňovací rédlerový dopravník (2) je opatrený núdzovým vypínačom.
11. 11. Zariadenie podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že plynojemom (23) je zberná nádrž s vodným zaslepením.
12. 12. Zariadenie podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že opláštenie (15) s izoláciou je vyhotovené z plechu.

    fJi/ soop⁴? -1 f