RU2460695C1 - Plant for obtaining biogas, electric and heat energy and fertilisers from agricultural wastes - Google Patents

Abstract

FIELD: power industry. ^ SUBSTANCE: plant includes the following equipment in-series installed and connected by means of pipelines: raw plant waste crusher connected to waste receivers, the outlet of which is connected via pipeline to inlet of the first centrifugal or screw pump for substrate pumping; pump outlet is connected via pipeline to inlet of reactor of preliminary acid fermentation, the outlet of which is connected via pipeline to inlet of the second centrifugal or screw pump for substrate pumping, the outlet of which is connected via pipeline to inlet of the main reactor - methane tank; at that, gas outlet of reactor -methane tank is connected to inlet of biogas compressing compressor the outlet of which is connected to high pressure gas holder inlet, and high pressure gas holder outlet is connected through cyclone and biogas cleaning system to catalytic biogas converter the outlet of which is connected to inlet of battery of solid oxide fuel cells; at that, catalytic biogas converter and battery of solid oxide fuel cells are contained in temperature-controlled chamber; at that, battery of solid oxide fuel cells is electrically connected to battery of accumulators and inverter; besides, outlet for warmed-up gases of battery of solid oxide fuel cells is connected via heat pipeline to inlet of heat recuperation system the outlet of which is connected to submersible heat exchanger located in reactor of preliminary acid fermentation, which is in-series connected to submersible heat exchanger in the main reactor - methane tank. ^ EFFECT: utilisation of agricultural wastes, obtaining of biogas, generation of electric and thermal power, and obtaining of useful biofertiliser. ^ 1 dwg

Description

Translated fromRussian

Изобретение относиться к анаэробной конверсии разнообразных отходов сельского хозяйства с получением биогаза и генерации из него электрической и тепловой энергии, а также с получением ценного органического удобрения.The invention relates to anaerobic conversion of various agricultural wastes with the production of biogas and generation of electric and thermal energy from it, as well as with the production of valuable organic fertilizer.

Известено устройство для получения метана, электрической и тепловой энергии (патент РФ №2297395, МПК C02F 11/04; опуб. 10.05.05 г.) которое состоит (см. чертеж) из установки (1) для приготовления биомассы, соединенной с гидролизером (2) и далее с последовательной системой (3) бродильных чанов и компостера, взаимодействующих с установкой (4) для возврата и обогащения флегмы. Резервуар (5) для технического биогаза соединен с установкой (6) для очистки биогаза и далее с резервуаром (7) для очищенного биогаза, связанным с установкой (8) для разложения биогаза и смесителем (11) для газов. Установка (8) имеет выходы к установке (10) для обработки СО₃ и к установке (9) для обработки метана, соединенной со смесителем (11) для газов, соединенным (12) с резервуаром для стандартного газового топлива. Резервуар (12) соединен с установкой (13) для генерации электроэнергии и тепла и с установкой (14) для переработки тепла.A device for producing methane, electric and thermal energy (RF patent No. 2297395, IPC C02F 11/04; publ. 05/10/05) is known, which consists (see drawing) of a plant (1) for preparing biomass connected to a hydrolyzer ( 2) and further with a serial system (3) of fermentation tanks and composter, interacting with the installation (4) for the return and enrichment of reflux. The reservoir (5) for technical biogas is connected to the installation (6) for cleaning biogas and then to the reservoir (7) for purified biogas associated with the installation (8) for decomposing biogas and a mixer (11) for gases. Installation (8) has outputs to the installation (10) for processing CO₃ and to the installation (9) for methane processing, connected to a gas mixer (11), connected (12) to a tank for standard gas fuel. The reservoir (12) is connected to the installation (13) for generating electricity and heat and to the installation (14) for processing heat.

Недостатками аналога является достаточно сложное аппаратурное оформление получения метана, электрической и тепловой энергии из растений, специально выращенных для этой цели.The disadvantages of the analogue is a rather complicated hardware design of methane, electrical and thermal energy from plants specially grown for this purpose.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является «Биоэнергокомилекс» (Патент РФ №65044, МПК C02F 11/04; А01С 3/00 опуб. 27.07.07 г.).The closest technical solution to the claimed one is Bioenergocomilex (RF Patent No. 65044, IPCC02F 11/04;А01С 3/00 publ. 07.27.07).

Биоэнергокомплекс состоит из одного реактора - метантенка, обогреваемого водяной рубашкой, и газгольдера низкого давления. Биогаз, полученный при анаэробном превращении биомассы, используется как топливо в двигателе внутреннего сгорания, работающем в режиме двухфазного смесеобразования.The bioenergocomplex consists of one reactor - a digester heated by a water jacket, and a low-pressure gas tank. Biogas obtained by anaerobic conversion of biomass is used as fuel in an internal combustion engine operating in a two-phase mixture formation mode.

Недостатками прототипа являются: относительно низкий электрический КПД схемы, обусловленный тем, что основным генерирующим устройством является генератор на базе двигателя внутреннего сгорания. Использование одного реактора для проведения процессов как кислотного брожения, так и метаногенеза не позволяет создать оптимальные условия для каждого из процессов.The disadvantages of the prototype are: relatively low electrical efficiency of the circuit, due to the fact that the main generating device is a generator based on an internal combustion engine. The use of a single reactor for carrying out processes of both acid fermentation and methanogenesis does not allow creating optimal conditions for each of the processes.

Задачей изобретения является увеличение электрического КПД схемы за счет применения твердооксидного топливного элемента в качестве основного устройства для генерации электрической энергий, а также общее упрощение технологической схемы, повышение ее производительности и экономической эффективности. Поставленная задача решается с помощью существенных признаков, указанных в формуле изобретения, таких как установка для получения биогаза, электрической, тепловой энергии и удобрений из отходов, характеризующаяся, тем, что содержит последовательно установленное и связанное трубопроводами следующее оборудование: измельчитель растительных отходов, соединенный с приемником отходов, выход которого через трубопровод соединен со входом первого центробежного или шнекового насоса для перекачки субстрата, выход насоса через трубопровод соединен со входом реактора предварительного кислотного брожения, выход которого через трубопровод соединен со входом второго центробежного или шнекового насоса для перекачки субстрата, выход которого через трубопровод соединен со входом в основной реактор-метантенк, при этом газовый выход реактора-метантенка соединен со входом компрессора, сжимающего биогаз, выход которого соединен со входом газгольдера высокого давления, а выход газгольдера высокого давления через циклон и систему очистки биогаза соединен с каталитическим конвертором биогаза, выход которого связан со входом батареи твердооксидных топливных элементов, причем каталитический конвертор биогаза и батарея твердооксидных топливных элементов находятся в термостатируемой камере, при этом батарея твердооксидных топливных элементов электрически связана с батарей аккумуляторов и инвертором, при этом выход для разогретых газов батареи твердооксидных топливных элементов связан теплопроводом со входом в систему рекуперации тепла, выход которой соединен с погружным теплообменником, расположенным в реакторе предварительного кислотного брожения, который последовательно соединен с погружным теплообменником в основном реакторе-метантенке.The objective of the invention is to increase the electrical efficiency of the circuit due to the use of solid oxide fuel cell as the main device for generating electrical energy, as well as the overall simplification of the technological scheme, increasing its productivity and economic efficiency. The problem is solved using the essential features indicated in the claims, such as an installation for biogas, electric, thermal energy and fertilizer from waste, characterized in that it contains the following equipment sequentially installed and connected by pipelines: a plant waste shredder connected to the receiver waste, the outlet of which through the pipeline is connected to the inlet of the first centrifugal or screw pump for pumping the substrate, the outlet of the pump through the pipeline dinene with the inlet of the preliminary acidic fermentation reactor, the outlet of which through the pipeline is connected to the inlet of the second centrifugal or screw pump for pumping the substrate, the outlet of which through the pipeline is connected to the inlet of the main digester reactor, while the gas outlet of the digester reactor is connected to the inlet of the compressor compressing biogas, the outlet of which is connected to the inlet of the high-pressure gas tank, and the outlet of the high-pressure gas tank through the cyclone and the biogas cleaning system is connected to the catalytic converter m biogas, the output of which is connected to the input of the solid oxide fuel cell battery, and the biogas catalytic converter and the solid oxide fuel cell battery are located in a thermostatically controlled chamber, while the solid oxide fuel cell battery is electrically connected to the battery batteries and the inverter, while the output for the heated gas solid oxide fuel cells the elements are connected by a heat conduit to the entrance to the heat recovery system, the output of which is connected to a submersible heat exchanger located in the reactor e pre-acid fermentation, which is connected in series with a submersible heat exchanger in the main digester reactor.

Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - упрощение технологической схемы, повышение ее производительности и экономической эффективности. На схеме (см. чертеж) обозначены основные функциональные элементы системы для генерации электрической энергии из отходов сельского хозяйства. Установка состоит из приемника отходов 2, реактора предварительного кислотного брожения 4, основного реактора-метантенка 6, шнековых или центробежных насосов для перекачки субстрата 3 и 5, компрессорной установки 7, газгольдера высокого давления 8, циклона для отделения воды 9, сорбционной установки для очистки биогаза от сероводорода 10, конвертера 11, батареи твердооксидных топливных элементов 12, батареи аккумуляторов 13 и инвертора для преобразования постоянного тока в переменный с напряжением 220 В 14, системы рекуперации тепла 15, выход которой соединен с погружным теплообменником 16, расположенным в реакторе предварительного кислотного брожения 4, который последовательно соединен с погружным теплообменником 17 в основном реакторе-метантенке 6.The above set of essential features allows you to get the following technical result - a simplification of the technological scheme, increasing its productivity and economic efficiency. The diagram (see drawing) shows the main functional elements of the system for generating electrical energy from agricultural waste. The installation consists of awaste receiver 2, a preliminaryacid fermentation reactor 4, amain digester tank 6, screw or centrifugal pumps for pumping asubstrate 3 and 5, acompressor unit 7, a highpressure gas tank 8, a cyclone for separatingwater 9, a sorption unit for cleaning biogas fromhydrogen sulfide 10,converter 11, solid oxidefuel cell battery 12,battery accumulator 13 and inverter for converting direct current to alternating voltage 220V 14,heat recovery system 15, the output of which oh connected to asubmersible heat exchanger 16 located in the preliminaryacid fermentation reactor 4, which is connected in series to asubmersible heat exchanger 17 in themain digester 6.

При использовании в качестве сырья отходов растениеводства применяется устройство для измельчения биомассы 1.When using crop waste as a raw material, a device for grindingbiomass 1 is used.

Представленная схема установки работает соответствующим образом: отходы сельского хозяйства, такие как навоз крупного рогатого скота, свиней, лошадей, помет домашней птицы, отходы скотобоен и мясоперерабатывающих заводов, по мере накопления направляются в приемник отходов 2, где разбавляются водой, отходы растениеводства предварительно измельчаются в устройстве для измельчения биомассы 1, после этого подготовленный субстрат с помощью циркуляционного или шнекового насоса 3 направляется в реактор предварительного кислотного брожения 4, где под действием соответствующих микроорганизмов происходят процессы гидролитического разложения биополимеров, а также кислотное брожение исходного субстрата, после этого с помощью циркуляционного или шнекового насоса 5 субстрат перекачивается в основной реактор-метантенк 6, откуда по мере поступления свежего субстрата отводится биоудобрение(по стрелке см. чертеж), а также с помощью компрессорной установки 7 откачивается образующий биогаз, давление в метантенке 6 поддерживается на уровне 10-20 кПа, биогаз собирается в ресивере 8 под давлением 2 МПа, после ресивера 8 установлена система очистки биогаза, состоящая из циклона 9 и устройства сорбции серосодержащих соединений 10. После очистки биогаз через редуктор направляется в конвертор 11, где метан, входящий в состав биогаза, под действием катализатора конвертируется в синтез-газ, состоящий из монооксида углерода и водорода, водород окисляется на аноде водородно-кислородного твердооксидного топливного элемента 12 [может быть выполнен как описано в патенте РФ №2178560 «Ячейка высокотемпературного элемента электрохимического устройства с твердым электролитом», опубл. 20.01.02 г.], конвертор метана 11, а также твердооксидный топливный элемент 12 функционируют в термостатируемой камере при температуре 900С°, первоначальный нагрев камеры осуществляется за счет электрических нагревательных элементов(не показаны), после выхода на режим твердооксидного топливного элемента 12 разогрев камеры осуществляется за счет тепла, выделяемого при окислении водорода на аноде топливного элемента. Газы, отходящие из топливного элемента 12, направляются в систему рекуперации тепла 15, где за их счет происходит нагрев воды, используемой в качестве теплоносителя в системе обогрева реактора предварительного кислотного брожения 4 и основного реактора - метантенка 6, обогрев реакторов осуществляется за счет погружных змеевиковых теплообменников 16,17. Электрическая энергия генерируется батарей топливных элементов, собранной таким образом, чтобы выходное напряжение было равным 12 или 24 вольтам, батарея топливных элементов заряжает аккумуляторную батарею 13. Постоянный электрический ток от аккумуляторной батареи 13 преобразуется в переменный с напряжением 220 В с помощью полупроводникового инвертора 14.The presented installation scheme works accordingly: agricultural waste, such as manure of cattle, pigs, horses, poultry litter, waste from slaughterhouses and meat processing plants, as they accumulate, are sent to wastereceiver 2, where they are diluted with water, plant waste is pre-crushed into a device for grindingbiomass 1, after which the prepared substrate is sent to the preliminaryacidic fermentation reactor 4 using a circulation orscrew pump 3, where, under the action of the corresponding microorganisms, the processes of hydrolytic decomposition of biopolymers, as well as acid fermentation of the initial substrate, take place, then, using a circulation orscrew pump 5, the substrate is pumped to themain digester 6, from where bio-fertilizer is discharged as fresh substrate arrives (see arrow in the drawing ), as well as using thecompressor unit 7, the biogas generating pump is pumped out, the pressure in thedigester 6 is maintained at the level of 10-20 kPa, the biogas is collected in thereceiver 8 underpressure 2 MPa, after receiver 8 a biogas purification system is installed, consisting ofcyclone 9 and a sorption device for sulfur-containingcompounds 10. After purification, biogas is sent through a reducer to converter 11, where methane, which is part of biogas, is converted into synthesis gas by the action of a catalyst, consisting of carbon monoxide and hydrogen, hydrogen is oxidized on the anode of a hydrogen-oxygen solid oxide fuel cell 12 [can be performed as described in RF patent No. 2178560 “Cell of a high-temperature electrochemical cell devices with solid electrolyte ", publ. January 20, 02], themethane converter 11, as well as the solidoxide fuel cell 12 operate in a thermostatically controlled chamber at a temperature of 900 ° C, the initial heating of the chamber is carried out by electric heating elements (not shown), after the solidoxide fuel cell 12 enters the chamber, the chamber is heated is due to the heat released during the oxidation of hydrogen at the anode of the fuel cell. The gases leaving thefuel element 12 are directed to theheat recovery system 15, where they are used to heat the water used as a coolant in the heating system of the acid pre-fermentationreactor 4 and the main reactor -digester 6; the reactors are heated by immersion coil heat exchangers 16.17. Electric energy is generated by the fuel cell batteries, assembled so that the output voltage is 12 or 24 volts, the fuel cell battery charges thebattery 13. The constant electric current from thebattery 13 is converted into alternating voltage 220 V using asemiconductor inverter 14.

Данное описание и схема установки рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.This description and installation diagram are considered as material illustrating the invention, the essence of which and the scope of patent claims are defined in the following claims by a combination of essential features and their equivalents.

Claims (1)

Translated fromRussian

Установка для получения биогаза, электрической, тепловой энергии и удобрений из отходов, характеризующаяся тем, что содержит последовательно установленное и связанное трубопроводами следующее оборудование: измельчитель растительных отходов, соединенный с приемником отходов, выход которого через трубопровод соединен со входом первого центробежного или шнекового насоса для перекачки субстрата, выход насоса через трубопровод соединен со входом реактора предварительного кислотного брожения, выход которого через трубопровод соединен со входом второго центробежного или шнекового насоса для перекачки субстрата, выход которого через трубопровод соединен со входом в основной реактор-метантенк, при этом газовый выход реактора-метантенка соединен со входом компрессора, сжимающего биогаз, выход которого соединен со входом газгольдера высокого давления, а выход газгольдера высокого давления через циклон и систему очистки биогаза соединен с каталитическим конвертором биогаза, выход которого связан со входом батареи твердооксидных топливных элементов, причем каталитический конвертор биогаза и батарея твердооксидных топливных элементов находятся в термостатируемой камере, при этом батарея твердооксидных топливных элементов электрически связана с батареей аккумуляторов и инвертором, при этом выход для разогретых газов батареи твердооксидных топливных элементов связан теплопроводом со входом в систему рекуперации тепла, выход которой соединен с погружным теплообменником, расположенным в реакторе предварительного кислотного брожения, который последовательно соединен с погружным теплообменником в основном реакторе-метантенке.Installation for producing biogas, electric, thermal energy and fertilizers from waste, characterized in that it contains the following equipment sequentially installed and connected by pipelines: a vegetable waste shredder connected to a waste receiver, the outlet of which through the pipeline is connected to the inlet of the first centrifugal or screw pump for pumping substrate, the pump outlet through the pipeline is connected to the inlet of the preliminary acid fermentation reactor, the outlet of which through the pipeline is connected about the inlet of the second centrifugal or screw pump for pumping the substrate, the outlet of which through the pipeline is connected to the inlet to the main digester reactor, while the gas outlet of the digester reactor is connected to the inlet of the compressor compressing biogas, the outlet of which is connected to the inlet of the high-pressure gas tank, and the outlet a high-pressure gas tank is connected through a cyclone and a biogas purification system to a biogas catalytic converter, the output of which is connected to the input of a solid oxide fuel cell battery, and The biogas converter and the solid oxide fuel cell battery are located in a thermostatically controlled chamber, while the solid oxide fuel cell battery is electrically connected to the battery of the batteries and the inverter, while the outlet for the heated gases of the solid oxide fuel cell battery is connected by a heat conduit to the input to the heat recovery system, the output of which is connected to immersion heat exchanger located in the preliminary acid fermentation reactor, which is connected in series with the immersion heat exchanger in main digester reactor.

Images