Биоэнергетическая установка

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Учреждение образования Гродненский государственный аграрный университет(72) Авторы Богданович Петр Францевич Григорьев Дмитрий Алексеевич Пестис Витольд Казимирович Заневский Виктор Владиславович Заневский Александр Иосифович(73) Патентообладатель Учреждение образования Гродненский государственный аграрный университет(57) 1. Биоэнергетическая установка, содержащая гомогенизатор с входом по субстрату,метантенк, абсорбер, газгольдер, электролизер с блоком питания и хранилище остатка,причем теплообменник первым выходом по субстрату связан с входом метантенка, выход которого через второй вход и второй выход теплообменника связан с хранилищем отработанного субстрата, газовый выход метантенка связан с входом абсорбера, газовым выходом подсоединенного к входу газгольдера, жидкостные вход и выход абсорбера связаны соответственно с первым выходом и с первым входом электролизера, при этом первый газовый выход электролизера связан с атмосферой, отличающаяся тем, что дополнительно содержит анализатор , установленный между выходом гомогенизатора и вторым входом теплообменника, блок коррекции , накопитель раствора с 7, накопитель раствора с 7, блок подготовки электролита и когенерационную установку, первым входом связанную с выходом газгольдера, при этом гомогенизатор имеет жидкостный вход, подсоединенный к выходу блока коррекции , первый вход которого через накопитель раствора с 7 связан с вторым жидкостным выходом электролизера, третьим жидкостным выходом через накопитель раствора с 7 связанного с вторым входом 88892012.12.30 блока коррекции рН, а блок подготовки электролита подсоединен к второму жидкостному входу электролизера, у которого второй газовый выход соединен с вторым входом когенерационной установки, теплотехнически связаной с метантенком. 2. Биоэнергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что электролизер выполнен диафрагменным, с графитовым анодом и стальным сетчатым катодом, содержит на первом жидкостном выходе насос, имеет первый и второй газовые выходы и первый жидкостный вход, дополнительно содержит второй жидкостный вход, связанный с блоком подготовки электролита, второй и третий жидкостные выходы, являющиеся соответственно выходами анодной и катодной камер.(56) 1. Заявка 2004104324434014002, 2003. 2. Патент на полезную модели 4283, МПК 602 11/04, 2008. 3. Патент 2145, МПК 602 11/04, 1998 (прототип). Полезная модель относится к устройствам для получения биометана и может быть использована для производства тепловой, электрической энергии, биометана и органических удобрений из биомассы, отходов животноводства и растениеводства. Известно устройство для получения биометана, электрической и тепловой энергии 1,содержащее гомогенизатор, теплообменник, метантенк, газгольдер, когенерационную установку и установку для выделения биометана. Недостатками данного устройства являются низкая эффективность процесса очистки биометана от примесей, отсутствие регенерации рабочей жидкости и низкая эффективность процесса разложения субстрата. Известна также биоэнергетическая установка 2, содержащая биогазовую установку для получения биометана, абсорбер, газгольдер, электролизер и когенерационную установку. Недостатком данной установки является низкая эффективность процесса получения биометана при переработке субстрата. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа биоэнергетическая установка 3, содержащая гомогенизатор с входом по субстрату, метантенк, абсорбер, газгольдер, электролизер с блоком питания и хранилище остатка, у которой теплообменник выходом по субстрату связан с входом метантенка, выход которого через теплообменник связан с хранилищем отработанного субстрата, газовый выход метантенка связан с входом абсорбера, газовым выходом подсоединенного к входу газгольдера, жидкостные вход и выход абсорбера связаны соответственно с первым выходом и с первым входом электролизера, при этом первый газовый выход электролизера связан с атмосферой. Биоэнергетическая установка обеспечивает за счет сбраживания исходного субстрата в метантенке получение биометана и получение органических удобрений из отработанного субстрата, очистку полученного биометана от примесей в абсорбере путем его барботирования в жидком абсорбенте, в качестве которого используется водный раствор едкого натра. Установка также обеспечивает регенерацию абсорбента в электролизере за счет протекания электрохимической реакции образования щелочи и выделения углекислого газа. Недостатком известной установки является отсутствие возможности оптимизации анаэробного процесса сбраживания исходного субстрата в метантенке по критерию максимального выхода биометана при колебании уровняэтого субстрата, зависящего от вида используемого сырья. Кроме того, данная установка не обеспечивает получения электрической энергии. Эти недостатки снижают эффективность данной установки. Заявляемая полезная модель направлена на повышение эффективности работы отдельных элементов и всей установки в целом. 2 88892012.12.30 Сущность полезной модели заключается в следующем. Биоэнергетическая установка,содержащая гомогенизатор с входом по субстрату, метантенк, абсорбер, газгольдер, электролизер с блоком питания и хранилище остатка, причем теплообменник первым выходом по субстрату связан с входом метантенка, выход которого через второй вход и второй выход теплообменника связан с хранилищем отработанного субстрата, газовый выход метантенка связан с входом абсорбера, газовым выходом подсоединенного к входу газгольдера, жидкостные вход и выход абсорбера связаны соответственно с первым выходом и с первым входом электролизера, при этом первый газовый выход электролизера связан с атмосферой, дополнительно содержит анализатор , установленный между выходом гомогенизатора и вторым входом теплообменника, блок коррекции , накопитель раствора с 7, накопитель раствора с 7, блок подготовки электролита и когенерационную установку, первым входом связанную с выходом газгольдера, при этом гомогенизатор имеет жидкостный вход, подсоединенный к выходу блока коррекции , первый вход которого через накопитель раствора с 7 связан с вторым жидкостным выходом электролизера, третьим жидкостным выходом через накопитель раствора с 7 связанного с вторым входом блока коррекции , а блок подготовки электролита подсоединен к второму жидкостному входу электролизера, у которого второй газовый выход соединен с вторым входом когенерационной установки, теплотехнически связаной с метантенком. Электролизер выполнен диафрагменным, с графитовым анодом и стальным сетчатым катодом, содержит на первом жидкостном выходе насос, имеет первый и второй газовые выходы и первый жидкостный вход, дополнительно содержит второй жидкостный вход,связанный с блоком подготовки электролита, второй и третий жидкостные выходы, являющиеся соответственно выходами анодной и катодной камер. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков анализатора , блока коррекции , накопителя раствора с 7, накопителя раствора с 7, блока подготовки электролита и когенерационной установки, измененной конструкцией электролизера и наличием новых связей между элементами схемы. Сущность полезной модели поясняется фиг. 1 и 2, на которых приведены соответственно схема биоэнергетической установки и электролизер. Биоэнергетическая установка (фиг. 1) содержит гомогенизатор 1 с входом по субстрату, последовательно связанный по субстрату через анализатор 2 и через первые вход и выход теплообменника 3 с входом метантенка 4, выход которого через второй вход и второй выход теплообменника связан с хранилищем 5 отработанного субстрата, когенерационную установку 6, теплотехнически связанную с метантенком, абсорбер 7, газовым входом подсоединенный к газовому выходу метантенка, газгольдер 8, входом связанный с газовым выходом абсорбера, а выходом подсоединенный к первому газовому входу когенерационной установки, жидкостные вход и выход абсорбера связаны соответственно с первым выходом и с первым входом электролизера 9, электрически соединенного с блоком питания 10, при этом первый газовый выход электролизера связан с атмосферой, второй газовый выход подсоединен к второму газовому входу когенерационной установки,блок 11 коррекции , содержащий на первом и втором входах электрически управляемые краны и электрически связанный с анализатором , выходом подсоединенный к второму входу гомогенизатора, накопитель 12 раствора с 7, входом связанный с вторым жидкостным выходом электролизера, а выходом подсоединенный к первому входу блока коррекции , накопитель 13 раствора с 7, входом связанный с третьим жидкостным выходом электролизера, а выходом подсоединенный к второму входу блока коррекции , блок 14 подготовки электролита, выходом связанный с вторым жидкостным входом электролизера. Накопители 12 и 13 могут быть выполнены, например, в виде емкостей с поплавковыми запорными клапанами на входах, обеспечивающих накопление и хранение определенного объема растворов. 3 88892012.12.30 Электролизер 9 (фиг. 2) содержит диафрагменный электролизер 15 и установленный на его первом жидкостном выходе перекачивающий насос 16, входом связанный с первым жидкостным выходом катодной камеры 17, вторым жидкостным выходом которой является второй жидкостный выход электролизера для раствора с 7, подсоединенный к выходу абсорбера, стальной сетчатый катод 18, графитовый анод 19, анодную камеру 20,содержащую первый жидкостный вход, являющийся первым жидкостным входом электролизер, а и третий жидкостный выход электролизера для раствора с 7, пористую диафрагму 21, разделяющую анодную и катодную камеры, анодный газовый объем 22,газовый выход которого является первым газовым выходом электролизера, и катодный газовый объем 23, газовый выход которого является вторым газовым выходом электролизера. Биоэнергетическая установка работает следующим образом. Исходный субстрат(навозные стоки, отходы растительного происхождения и др.) подается на подготовку в гомогенизатор 1 (фиг. 1), где измельчается, перемешивается и доводится до требуемой влажности. Подготовленный таким образом субстрат через анализатор 2 поступает через первый вход теплообменника 3 и его первый выход на вход метантенка 4. На второй вход теплообменника одновременно поступает сброженный субстрат с выхода метантенка. За счет теплоты сброженного субстрата в теплообменнике происходит подогрев исходного субстрата, который загружается в метантенк, где подвергается сбраживанию. С второго выхода теплообменника сброженный субстрат поступает в хранилище 5 отработанного субстрата. Поддержание необходимого температурного режима в метантенке обеспечивается за счет когенерационной установки 6, теплотехнически связанной с ним. В процессе брожения в метантенке образуется биогаз, представляющий собой смесь метана 4 и углекислого газа 2. С газового выхода метантенка биогаз подается на газовый вход абсорбера 7. Абсорбер выполнен в виде цилиндрической емкости, в которой циркулирует абсорбент - водный раствор щелочи, например . Через этот раствор барботируется биогаз. При этом углекислый газ поглощается абсорбентом и образуется карбонат калия, т.е. 22232. Метан не вступает в реакцию с абсорбентом и с выхода абсорбера поступает в газгольдер 8, с выхода которого подается в качестве топлива на первый вход когенерационной установки и используется на другие нужды. В электролизере 9 (фиг. 2) происходит электрохимическая реакция, обеспечивающая процесс регенерации абсорбента с образованием в катодной камере щелочи, т.е. 223 42422222. Перекачивающий насос 16 обеспечивает непрерывную циркуляцию абсорбента по контуру первый жидкостный выход катодной камеры 17,насос 15, жидкостный вход и выход абсорбера 7, первый жидкостный вход анодной камеры 20, пористая диафрагма 21, катодная камера 17. Образующиеся в анодной камере диафрагменного электролизера углекислый газ и кислород выделяются в анодном газовом объеме 22 и выпускаются через первый газовый выход электролизера в атмосферу. Водород 2, образующийся в катодной камере 17 и выделяющийся в катодном газовом объеме 23, через второй газовый выход электролизера поступает на второй газовый вход когенерационной установки, где вместе с метаном используется в качестве топлива. Пористая диафрагма 21 исключает газовый обмен между анодным и катодным газовыми объемами,однако не препятствует перетоку жидкости между катодной и анодной камерами диафрагменного электролизера. За счет электрохимической реакции в катодной камере образуется католит - раствор с 7 (щелочной раствор), а в анодной камере - анолит, т.е. раствор с 7 (кислотный раствор). Подготовленный в гомогенизаторе 1 исходный субстрат может иметь уровень 7,т.е. может иметь кислую (7) или щелочную (7) реакцию, что не обеспечивает оптимальное течение процесса образования биогаза в метантенке. Если исходный субстрат имеет 7, то анализатор 2 формирует соответствующий электрический сигнал, например отрицательный перепад напряжения, по которому откроется электрически 4 88892012.12.30 управляемый кран на первом входе блока коррекции , и раствор с 7 станет поступать в гомогенизатор 1. При достижении уровнемв гомогенизаторе значения 7 этот процесс прекратится. Если исходный субстрат будет иметь щелочную реакцию (7),то анализаторсформирует электрический сигнал в виде положительного перепада напряжения. Тогда откроется электрически управляемый кран на втором входе блока коррекции , и раствор с 7 станет поступать в гомогенизатор до тех пор, пока исходный субстрат в гомогенизаторе не примет нейтральную реакцию. В процессе регулирования значениясубстрата расходуются анолит и католит, что требует поддержания уровня электролита в электролизере 9. Данную функцию обеспечивает блок 14 подготовки электролита за счет подачи на второй жидкостной вход электролизера готового электролита - раствора щелочи требуемой концентрации. Предлагаемая биоэнергетическая установка обеспечивает получение биометана высокой степени очистки, тепловой и электрической энергии. Автоматическое поддержание оптимального уровняисходного субстрата обеспечивает оптимизацию анаэробного процесса в метантенке биогазовой установки, увеличивает выход биометана и повышает эффективность биоэнергетической установки в целом. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5