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 Жукель Виктория Валерьевна Заневский Владислав Викторович(73) Патентообладатель Учреждение образования Гродненский государственный аграрный университет(57) 1. Биоэнергетическая установка, содержащая биогазовую установку, имеющую вход и выход по субстрату, а также выход по биогазу, когенерационную установку с первым газовым входом, выходом по электроэнергии и выходом по выхлопу, блок подготовки питательного раствора и фитобиореактор, имеющий жидкостный вход и выход по биомассе,подсоединенный ко входу микрофильтра, имеющего выход по суспензии и жидкостный выход, отличающаяся тем, что дополнительно содержит хранилище отработанного субстрата, первый и второй абсорберы, блок электролизера и газгольдер, выходом подсоединенный к первому газовому входу когенерационной установки, а входом связанный с газовым выходом первого абсорбера, газовый вход которого подсоединен к выходу по биогазу биогазовой установки, теплотехнически связанной с когенерационной установкой, а выходом по субстрату, связанной с первым входом хранилища отработанного субстрата, выходом и вторым входом соединенного соответственно с первыми входом и выходом блока подготовки питательного раствора, жидкостные вход и выход первого абсорбера соединены соответственно с первыми жидкостными выходом и входом блока электролизера, у которого первый газовый выход подсоединен ко второму газовому входу когенерационной установки, выходом по выхлопу подсоединенной к первому газовому входу второго абсорбера, Фиг. 1 96122013.10.30 вторым газовым входом связанного со вторым газовым выходом блока электролизера, а жидкостным выходом соединенного с жидкостным входом фитобиореактора, жидкостный выход микрофильтра соединен со вторым жидкостным входом блока подготовки питательного раствора, электрические входы блока электролизера и фитобиореактора подсоединены к электрическому выходу когенерационной установки, а газовые выходы второго абсорбера и фитобиореактора связаны с атмосферой. 2. Биоэнергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что блок электролизера,содержащий блок питания и диафрагменный электролизер, имеющий стальной сетчатый катод, графитовый анод, диафрагму и на первом жидкостном выходе насос, содержит первый газовый выход, являющийся выходом диафрагменного электролизера по водороду, и второй газовый выход, являющийся выходом диафрагменного электролизера по диоксиду углерода и кислорода. 3. Биоэнергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что фитобиореактор выполнен в виде панели с прозрачными стенками, оборудован источниками света, связанными с электрическим входом, и снабжен газовым выходом, связанным с атмосферой.(56) 1. Заявка РФ 20041043244234014002 , РТС 03/00638, 2003. 2. Патент РБ 2145, МПК 602 11/04, 1998. 3. Патент РБ на полезную модель 4283, МПК 602 11/04, 2008. 4. Патент РФ 2073653, МПК 02 11/04, 1994 (прототип). Полезная модель относится к устройствам для получения биометана из отходов животноводства и растениеводства и может быть использована для производства тепловой,электрической энергии, биометана и получения суспензии водорослей, например хлореллы, при снижении выброса в атмосферу диоксида углерода. Известно устройство для получения биометана, электрической и тепловой энергии,органических удобрений 1, содержащее биогазовую установку, имеющую вход и выход по субстрату, а также выход по биогазу, газгольдер, когенерационную установку и установку для выделения биометана. Недостатками данного устройства являются низкая эффективность процесса очистки биометана от примесей, отсутствие регенерации рабочей жидкости, выброс в атмосферу диоксида углерода и невозможность получения суспензии водорослей. Известна биоэнергетическая установка 2, содержащая биогазовую установку, имеющую вход и выход по субстрату, а также выход по биогазу, хранилище отработанного субстрата, первый абсорбер, имеющий жидкостные и газовые входы и выходы, газгольдер, блок электролизера и когенерационную установку, теплотехнически связанную с биогазовой установкой. При этом биогазовая установка выходом по субстрату связана со входом хранилища отработанного субстрата, выходом по биогазу через газовые вход и выход первого абсорбера связана со входом газгольдера, жидкостные вход и выход абсорбера связаны соответственно с жидкостными выходом и входом блока электролизера. Недостатками данной установки являются выброс в атмосферу диоксида углерода и невозможность получения суспензии водорослей. Известна также биоэнергетическая установка 3, содержащая биогазовую установку,имеющую вход и выход по субстрату, а также выход по биогазу, первый абсорбер, газгольдер, блок электролизера, имеющий жидкостные вход и выход, первый газовый выход и электрический вход, когенерационную установку, теплотехнически связанную с биогазовой установкой, электрический выход подсоединен к электрическому входу блока электролизера, а первый газовый вход связан с выходом газгольдера, причем биогазовая установка 2 96122013.10.30 выходом по субстрату связана со входом хранилища отработанного субстрата, выходом по биогазу через газовые вход и выход первого абсорбера связана с входом газгольдера,жидкостные вход и выход абсорбера связаны соответственно с жидкостными выходом и входом блока электролизера. Недостатками известной установки являются выброс в атмосферу диоксида углерода и невозможность получения суспензии водорослей. Эти недостатки снижают эффективность данной установки. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа биоэнергетическая установка 4, содержащая биогазовую установку, имеющую выход по биогазу, вход и выход по субстрату, когенерационную установку с выходами по электроэнергии и по выхлопу и теплотехнически связанную с биогазовой установкой, блок подготовки питательного раствора и фитобиореактор, имеющий жидкостный вход и выход по биомассе, подсоединенный к входу микрофильтра,имеющему выход по суспензии и жидкостный выход. Биоэнергетическая установка обеспечивает за счет утилизации продуктов жизнедеятельности животных и птицы получение суспензии водорослей, электрической энергии и снижение выбросов в атмосферу диоксида углерода. Недостатками известной установки являются отсутствие производства очищенного биометана, тепловой энергии, органических удобрений и низкая эффективность работы фитобиореактора из-за негативного влияния вредных компонентов выхлопа когенерационной установки на жизнедеятельность микроводорослей, что в совокупности приводит к низкой эффективности установки. Заявляемая полезная модель направлена на получение биометана высокого качества,тепловой энергии, органических удобрений, повышение эффективности работы фитобиореактора и эффективности работы всей установки в целом. Решение указанной задачи достигается тем, что биоэнергетическая установка, содержащая биогазовую установку, имеющую вход и выход по субстрату, а также выход по биогазу, когенерационную установку с выходами по электроэнергии и по выхлопу, теплотехнически связанную с биогазовой установкой, блок подготовки питательного раствора и фитобиореактор, имеющий жидкостный вход и выход по биомассе, подсоединенный ко входу микрофильтра, имеющего выход по суспензии и жидкостный выход, дополнительно снабжена хранилищем отработанного субстрата, первым и вторым абсорберами, блоком электролизера и газгольдером, выходом подсоединенным к первому входу когенерационной установки а входом связанным с газовым выходом первого абсорбера, газовый вход которого подсоединен к выходу по биогазу биогазовой установки, выходом по субстрату связанной с первым входом хранилища отработанного субстрата, выходом и вторым входом соединенного соответственно с первыми входом и выходом блока подготовки питательного раствора, жидкостные вход и выход первого абсорбера соединены соответственно с первыми жидкостными выходом и входом блока электролизера, у которого первый газовый выход подсоединен ко второму газовому входу когенерационной установки, выходом по выхлопу подсоединенной к первому газовому входу второго абсорбера, который вторым газовым входом связан со вторым газовым выходом блока электролизера, а жидкостным выходом соединен с жидкостным входом фитобиореактора, жидкостный выход микрофильтра соединен со вторым жидкостным входом блока подготовки питательного раствора, электрические входы блока электролизера и фитобиореактора связаны с электрическим выходом когенерационной установки, а газовые выходы второго абсорбера и фитобиореактора связаны с атмосферой. Блок электролизера содержит блок питания и диафрагменный электролизер, имеющий стальной сетчатый катод, графитовый анод, диафрагму и на первом жидкостном выходе насос, содержит первый газовый выход, являющийся выходом диафрагменного электролизера по водороду, и второй газовый выход, являющийся выходом диафрагменного электролизера по диоксиду углерода и кислорода. 3 96122013.10.30 Фитобиореактор выполнен в виде панели с прозрачными стенками, оборудован источниками света, связанными с электрическим входом, и снабжен газовым выходом, связанным с атмосферой. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков хранилища отработанного субстрата, газгольдера, первого и второго абсорбера, электролизера, и наличием новых связей между элементами схемы. Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, 2 и 3, на которых приведены соответственно схема биоэнергетической установки, электролизер и фитобиореактор. Биоэнергетическая установка (фиг. 1) содержит биогазовую установку 1, имеющую вход и выход по субстрату, а также выход по биогазу, когенерационную установку 2, теплотехнически связанную с биогазовой установкой и имеющую выходы по электроэнергии и по выхлопу, хранилище 3 отработанного субстрата, входом по субстрату связанную с биогазовой установкой, блок 4 подготовки питательного раствора, первыми входом и выходом связанный с хранилищем 3, первый абсорбер 5, газовым входом подсоединенный к выходу по биогазу биогазовой установки 1, а газовым выходом подсоединенный ко входу газгольдера 6, выходом подсоединенного к первому входу когенерационной установки,жидкостные вход и выход первого абсорбера 5 соединены соответственно с первыми жидкостными выходом и входом блока 7 электролизера, у которого первый газовый выход подсоединен ко второму газовому входу когенерационной установки 2, выход по выхлопу которой подсоединен к первому газовому входу второго абсорбера 8, связанного вторым газовым входом со вторым выходом блока 7 электролизера, жидкостным входом - со вторым жидкостным выходом блока 4, а жидкостным выходом соединенного с жидкостным входом фитобиореактора 9, у которого выход по биомассе подсоединен ко входу микрофильтра 10, жидкостным выходом подсоединенного ко второму жидкостному входу блока подготовки питательного раствора, электрические входы блока 7 электролизера и фотобиореактора 9 связаны с электрическим выходом когенерационной установки 2, а газовые выходы второго абсорбера 8 и фитобиореактора 9 связаны с атмосферой. Когенерационная установка 2 выполнена в виде газопоршневой установки, механически нагруженной на электрогенератор. Блок 7 электролизера (фиг. 2) содержит блок 11 питания и диафрагменный электролизер 12, выполненный по коаксиальной схеме, имеющий стальной сетчатый катод 13, графитовый анод 14, пористую диафрагму 15, разделяющую внутреннее пространство электролизера 12 на катодную и анодную камеры, и на первом жидкостном выходе насос 16,содержит первый газовый выход 17, являющийся выходом диафрагменного электролизера по водороду, связывающий катодную камеру со вторым газовым входом когенерационной установки 2, и второй газовый выход 18, являющийся выходом диафрагменного электролизера по диоксиду углерода и кислорода, связывающий анодную камеру с первым газовым входом второго абсорбера 8. Блок 11 питания положительным выводом электрически соединен с анодом 14, отрицательным - с катодом 13. Фитобиореактор 4 (фиг. 3) выполнен в виде панели 19 с прозрачными стенками, оборудован источниками 20 света, связанными с электрическим входом, и снабжен газовым выходом, связанным с атмосферой. Хранилище 3 отработанного субстрата выполнено в виде отстойника-накопителя,обеспечивающего разделение твердой и жидкой фракций и раздельное их хранение. Первый 5 и второй 8 абсорберы выполнены в виде колонных барботажных реакторов,обеспечивающих активное поглощение диоксида углерода. Биоэнергетическая установка работает следующим образом. Исходный субстрат(навозные стоки, отходы растительного происхождения и др.) подается на вход биогазовой установки 1 (фиг. 1), где подвергается анаэробному сбраживанию с образованием биогаза. Поддержание необходимого температурного режима брожения обеспечивается за счет когенерационной установки 2, теплотехнически связанной с биогазовой установкой. 4 96122013.10.30 Прошедший процесс брожения субстрат с выхода по субстрату биогазовой установки поступает в хранилище 3 отработанного субстрата, где осуществляется разделение этого субстрата на твердую и жидкую фракции и раздельное их хранение. Образовавшийся в процессе брожения биогаз представляет собой смесь метана 4 и диоксида углерода 2. С газового выхода биогазовой установки получаемый биогаз, подается на газовый вход абсорбера 5. В абсорбере циркулирует абсорбент - водный раствор щелочи, например . Через этот раствор барботируется подаваемый биогаз и происходит активное поглощение диоксида углерода. При этом происходит реакция образования карбоната натрия, т.е. 2 СО 2232. Метан в реакцию с абсорбентом не вступает и, очищенный от диоксида углерода, с выхода абсорбера 5 в виде чистого биометана поступает в газгольдер 6, с выхода которого подается в качестве топлива на первый вход когенерационной установки и используется на другие нужды. В блоке 7 электролизера (фиг. 2) происходит электрохимическая реакция, обеспечивающая процесс регенерации абсорбента с образованием в катодной камере диафрагменного электролизера 12 щелочи и водорода 2, т.е. 22342422222. Перекачивающий насос 16 обеспечивает непрерывную циркуляцию абсорбента по контуру жидкостный выход катодной камеры, насос 16, жидкостный вход и выход абсорбера 6,жидкостный вход анодной камеры, диафрагма 13, катодная камера. Пористая диафрагма 13 исключает газовый обмен между анодной и катодной камерами диафрагменного электролизера, однако не препятствует перетоку жидкости между этими камерами. Водород Н 2, образующийся в катодной камере через второй газовый выход блока электролизера,поступает на второй газовый вход когенерационной установки 2, где вместе с биометаном используется в качестве топлива. За счет этого снижается расход биометана, который является удобным, хорошо освоенным энергоносителем. Образующиеся в анодной камере диафрагменного электролизера диоксид углерода и кислород (22) выделяются в анодном газовом объеме 18 и через первый газовый выход блока 7 электролизера поступают на первый газовый вход второго абсорбера 8, на второй газовый вход которого подаются выхлопные газы когенерационной установки 2. Через этот абсорбер от блока 4 прокачивается питательный раствор, поступающий на жидкостный вход фитобиореактора 9, который готовится в блоке 4 на основе жидкой фракции отработанного субстрата, хранящегося в хранилище 3 отработанного субстрата. В абсорбере 8 через питательный раствор барботируется смесь газов, подаваемых на его первый и второй газовые входы, то есть диоксид углерода, кислород и выхлопные газы, содержащие оксиды углерода, азота и пр., экологически вредные и способные отрицательно влиять на развитие микроводорослей. Эти газы смешиваются в газовой камере абсорбера. В процессе барботирования диоксид углерода интенсивно растворяется в питательном растворе. Кислород 2 практически раствором не поглощается и через газовый выход абсорбера 8 уходит в атмосферу. В процессе смешивания и растворения в питательном растворе всех подаваемых газов кислород частично или полностью окисляет вредные примеси, присутствующие в газовой смеси или в растворе. За счет этого повышается эффективность развития микроводорослей в фитобиореакторе 9, где этот раствор используется в качестве питательной среды. В панели 19 фитобиореактора 9, где находится культура микроводоросли хлореллы и куда через жидкостный вход подается обогащенный диоксидом углерода питательный раствор, под действием освещения, естественного или искусственного, создаваемого источниками 20, осуществляется фотосинтез, в результате которого происходит нарастание массы хлореллы и выделяется свободный кислород 2, который через газовый выход уходит в атмосферу. Получаемая масса хлореллы, взвешенная в отработанном питательном растворе, с выхода фитобиореактора в виде биомассы поступает на вход микрофильтра 10,где отфильтровывается до состояния суспензии. Полученная суспензия хлореллы может подвергаться дальнейшей переработке - дезинтеграции, высушиванию и др., пользоваться в качестве кормовой добавки для животных и птицы, а также использоваться в составе ис 5 96122013.10.30 ходного субстрата предлагаемой биоэнергетической установки. Отработанный питательный раствор после фильтрации в микрофильтре 10 с его жидкостного выхода подается на второй вход блока 4 подготовки питательного раствора, где подвергается регенерации. В процессе регенерации он освобождается от вредных примесей и нормализуется по содержанию питательных веществ за счет жидкой фракции отработанного субстрата, поступающей из хранилища 3, внесения удобрений и микроэлементов. Вредные примеси, полученные в процессе регенерации отработанного раствора, сбрасываются в хранилище 3, где утилизируются. Предлагаемая полезная модель обеспечивает получение из отходов животноводства и растениеводства органических удобрений, суспензии хлореллы, энергоносителя - биометана высокой степени чистоты, тепловой и электрической энергии. При этом снижается выброс в атмосферу диоксида углерода и других вредных соединений, присутствующих в биогазе и в выхлопных газах когенерационной установки. Эффективность биоэнергетической установки в целом повышается. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6