Info
- Publication number
- RU2462509C1
RU2462509C1
RU2011129524/10A
RU2011129524A
RU2462509C1
RU 2462509 C1
RU2462509 C1
RU 2462509C1
RU 2011129524/10 A
RU2011129524/10 A
RU 2011129524/10A
RU 2011129524 A
RU2011129524 A
RU 2011129524A
RU 2462509 C1
RU2462509 C1
RU 2462509C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
separator
inner chamber
chamber
pipe
fatty acids
Prior art date
2011-07-15
Application number
RU2011129524/10A
Other languages
English (en)
Inventor
Виталий Юрьевич Соколов (RU)
Виталий Юрьевич Соколов
Сергей Александрович Наумов (RU)
Сергей Александрович Наумов
Алексей Викторович Садчиков (RU)
Алексей Викторович Садчиков
Сергей Вениаминович Горячев (RU)
Сергей Вениаминович Горячев
Илья Николаевич Никоноров (RU)
Илья Николаевич Никоноров
Анет Борисович Идигенов (RU)
Анет Борисович Идигенов
Мария Сергеевна Котова (RU)
Мария Сергеевна Котова
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
2011-07-15
Filing date
2011-07-15
Publication date
2012-09-27
2011-07-15Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»
filed
Critical
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»
2011-07-15Priority to RU2011129524/10A
priority
Critical
patent/RU2462509C1/ru
2012-09-27Application granted
granted
Critical
2012-09-27Publication of RU2462509C1
publication
Critical
patent/RU2462509C1/ru
Загрузка реактора биоматериалом
Работу с биореактором для фермерского хозяйства можно условно разделить на следующие стадии:
- Органический материал загружают в открытые емкости для подготовки.
- Для нужной концентрации и влажности биомассу разжижают водой или уплотняют новой порцией органики.
- Полученную массу тщательно перемешивают.
- Подготовленную органическую массу помещают в герметичный метантенк для бескислородного разложения. Технологический принцип газообразования в метантенке представлен на рис. 1.
Если же метантенк обслуживает водоочистные сооружения, то способ подачи органики не может осуществляться вручную. Осадки сточных вод и активный ил из вторичных отстойников чаще всего поступают по прямоточной схеме (рис 1). Вспомогательные конструкции регулируют периодичность подачи доз свежего осадка с илом или подачу с короткими перерывами. Одновременно с самотечной загрузкой свежей органики происходит выгрузка накопленной бесполезной массы.
В осадках сточных вод содержится значительная часть неорганических частиц (песок). Песчинки не участвуют в газообразовании, но при этом также попадают в резервуар. Песок тяжелее по весу, чем органика, и неизбежно оседает на дно. Поэтому окно выгрузки с соответствующими отводящими трубами расположены в самом низу резервуара. Подача же свежей биомассы производится сверху. Окна подачи и выгрузки размещаются на максимально возможное расстояние друг от друга. Это предотвращает засасывание в нижние «мусорные» трубы поступающей свежей органики.
Конструкция прямоточных метантенков экономит теплопотери при подаче-разгрузке биомассы и предотвращает резкое падение температуры в резервуаре от залповой подачи холодной биомассы.
Где применяются?
Метантенки используются для очистки сточных вод на комплексных очистных сооружениях. Но точно так же успешно их можно применять и в автономном режиме. Второй вариант пригоден только непосредственно для очистки органических жидких отходов. Допустим, из 1000 кг навоза от КРС можно получить до 65 куб. м биогаза, а из 1000 кг зеленой массы вырабатывают до 500 куб. м биогаза. Больше всего его вырабатывают в биогазовой установке, перерабатывающей чистый жир.
Концентрация метана тоже может довольно сильно отличаться. Метантенки находят применение и как часть цепочек очистки воды в городе. Внутрь преимущественно подают комбинацию сырого осадка и избытка активного ила, который берут во вторичных отстойниках аэротенков. Активный ил создается при смешивании взвеси, не отфильтрованной на первичном контуре, с коллоидными веществами и микрофлорой, развивающейся на этом коллоиде.
Что такое метантенк и как он работает?
Обзор режимов работы
Метантенк является устройством, используемым для обработки нефтегазового сырья, включая сбор, транспортировку и хранение газа. Одной из главных задач этого устройства является обеспечение безопасности при эксплуатации газовых скважин.
Режимы работы метантенка могут варьироваться в зависимости от задач, поставленных перед устройством. Рассмотрим основные режимы работы:
- Работа на сборе газа: основная задача метантенка в этом режиме — обеспечить надежную и безопасную транспортировку газа с места добычи на пункт учета или на перерабатывающий завод. В этом режиме устройство регулирует давление газа и дополнительно очищает его от механических примесей.
- Работа на приеме газа: в этом режиме метантенк принимает газ от скважины и проводит его через устройство до места хранения и переработки. Один из важнейших факторов в работе устройства на этом режиме — обеспечение низкого давления газа, чтобы избежать риска возгорания и взрыва в трубах.
- Работа на хранении газа: этот режим предназначен для обеспечения хранения газа на протяжении нескольких дней или недель. В этом случае устройство контролирует давление газа и поддерживает его на необходимом уровне. Также метантенк регулирует температуру газа, чтобы избежать образования обледенения внутри трубопроводов.
Таким образом, метантенк является неотъемлемой частью процесса добычи и транспортировки нефтегазовых ресурсов. Режимы работы устройства должны соответствовать целям и задачам, поставленным перед ним в каждый момент времени.
Метантенк в водочистных установках
В биогазовой установке биореактор выступает как самостоятельный объект, вокруг которого выстраиваются вспомогательные элементы общей конструкции. Однако метантенк способен применяться и в качестве неосновного элемента. В городской водоочистительной системе метантенк является одним из вспомогательных звеньев в цепочке водоочистительных сооружений. Этот герметичный резервуар принимает жидкий осадок из первичных отстойников и излишний активный ил из резервуаров для вторичного отстоя. В свою очередь активный ил образуется из крупных частиц сточной жидкости, не удержанных первыми эеротенками-отстойниками.
Технология сбраживания в метантенках требуют в течение суток производить равномерную загрузку осадка в резервуар. При этом важными параметром для изначальных расчетов является выбранная температура для работы анаэробного ректора. От температуры зависит скорость бродильного процесса и производительность метантенка. Выделяют три температурных режима для брожения:
- Психрофильный режим (до 20°C). Характеризуется низкой производительностью и малыми энергозатратами на поддержание температуры.
- Мезофильный режим (от 25 до 45°C). Средняя производительность при средних затратах энергии.
- Термофильный режим (от 50 до 65°C). Высокая производительность при значительных энергозатратах.Температурные режимы активируют определенные группы бактерий, разлагающих биомассу с разной интенсивностью. На практике термофильный режим признан оптимальным для биореактора. Он применяется и в метантенках водоочистных сооружений, и в биогазовых установках на фермах.
Распад органических веществ в метантенке
Распад органических веществ состоит из трех этапов:
- растворение и гидролиз органических соединений;
- ацидогенез;
- метаногенез.
На первом этапе сложные органические вещества превращаются в масляную, пропионовую и молочную кислоты. На втором этапе эти органические кислоты превращаются в усксусную кислоту, водород, углекислый газ. На третьем этапе метанообразующие бактерии восстанавливают диокись углерода в метан с поглощением водорода. По видовому составу биоценоз метатенков значительно беднее аэробных биоценозов.
Насчитывают около 50 видов микроорганизмов, способных осуществлять первую стадию – стадию кислотообразования. Самые многочисленные среди них – представители бацилл и псевдомонад. Метанообразующие бактерии имеют разнообразную форму: кокки, сарцины и палочки. Этапы анаэробного брожения идут одновременно, а процессы кислотообразования и метанообразования протекают параллельно. Уксуснокислые и метанообразующие микроорганизмы образуют симбиоз, считавшийся ранее одним микроорганизмом под названием Methanobacillus omelianskii.
Процесс метанообразования – источник энергии для этих бактерий, так как метановое брожение представляет собой один из видов анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органических веществ переносятся на углекислый газ, который восстанавливается до метана. В результате жизнедеятельности биоценоза метатенка происходит снижение концентрации органических веществ и образование биогаза, являющегося экологически чистым топливом. Для получения биогаза могут использоваться отходы сельского хозяйства, стоки перерабатывающих предприятий, содержащих сахар, бытовые отходы, сточные воды городов, спиртовых заводов и т.д.
Принцип действия
Сверху в метантенк по трубе поступает осадок и активный ил. Для ускорения процесса брожения метантенк подогревают, а содержимое перемешивают. Подогрев осуществляется водяным или паровым радиатором. В условиях отсутствия кислорода из органических веществ (жиров, белков и т. д.) образуются жирные кислоты, из которых при дальнейшем брожении образуется метан и углекислый газ.
Сброженный ил высокой влажности удаляется из нижней части метантенка и направляется на сушку (например, иловые площадки). Образовавшийся газ отводится через трубы в кровле метантенка. Из одного кубического метра осадка в метантенке получается 12—16 кубометров газа, в котором около 70 % составляет метан.
Шведской фирмой «Альфа Лаваль» выполняются метантенки грушевидной и яйцевидной формы.
Основными технологическими параметрами при расчётах метантенков являются температура во внутреннем пространстве, продолжительность сбраживания, производительность по сухому органическому веществу, концентрация перерабатываемого осадка и режим загрузки. Наибольшее применение нашли мезофильный (при температуре 32—35 °C) и термофильный режим (при температуре 52—55 °C). Мезофильный режим является менее энергоёмким, термофильный позволяет применять метантенки меньшего объёма. За рубежом чаще применяется мезофильный режим.
В конце XX века вместо метантенков начали применять механическое обезвоживание и химическое кондиционирование нестабилизированных биологических осадков, однако эти методы энергетически менее выгодны.
Особенности расчета
Ключевой расчетный параметр — степень распада беззольного вещества. Ее оценивают либо напрямую, по убыли массы, либо по объему вырабатываемого биогаза. При втором варианте вычисляют процент по отношению к изначально загруженной беззольной массе. Эти показатели могут быть идентичны или сильно различны. Расчет по газу при значительной загрузке системы обычно показывает большее значение, чем расчет по беззольной массе; противоположное соотношение типично для слабозагруженных аппаратов с большой продолжительностью сбраживания. В них значительная часть газа успевает раствориться в воде. Исследования и анализ практически работающих систем позволили установить, что точный состав газа и его суммарный выход при разложении каждой составляющей осадка отличается.
Установлено, что больше всего биогаза появляется при распаде жира, а меньше всего его выход при распаде белка. Также эксперты выяснили, что у любых веществ есть предел распада, превысить который невозможно
Определять состав осадка можно, обращая внимание на изначальный состав стоков, поскольку в зависимости от источников он может меняться довольно сильно. Очень актуальный параметр — так называемая доза загрузки
Она равняется процентной доле занимаемого осадком объема (ко всему объему). Связь интенсивности распада с загрузкой рассчитывают по прямолинейной и степенной зависимостям.
Метантенк (от англ. methane — метан и англ. tank — резервуар) — устройство для анаэробного брожения жидких органических отходов с получением метана.
В чем заключается метод
Способ биологической очистки предполагает окисление, расщепление, а затем и уничтожение загрязнений органического происхождения, которые содержатся в стоках, в процессе жизнедеятельности обитающих в природе простейших микроорганизмов.
Данные микроорганизмы можно искусственно культивировать и помещать в специальные устройства (аэротенки и др.), где происходит удаление из жидкости опасных примесей.
Различные способы биологической очистки воды можно разделить на 2 группы в зависимости от микроорганизмов, используемых для удаления органических примесей:
- аэробные, когда жидкость очищается бактериями, жизнедеятельность которых возможна лишь при наличии кислорода;
- анаэробные, когда микроорганизмы, используемые в системе очистки, не нуждаются в доступе кислорода.
Где применяются метантенки?
Метантенки используются в разных областях, в том числе в:
- Нефтяной промышленности — метантенки используются для управления газовыми метанолами, закачиванием газа, облуживанием скважин и других процессов.
- Химической промышленности — метантенки используются для автоматического управления технологическими процессами, такими как смешение и реакция химических веществ.
- Энергетике — метантенки могут использоваться для управления газовыми турбинами, генераторами и другими устройствами, обслуживающими электростанции.
- Общественном секторе — метантенки применяются для управления различными системами, такими как системы кондиционирования воздуха и системы безопасности.
Также метантенки могут использоваться в различных областях автоматизации и управления производственными процессами, где требуется высокая точность и надежность работы.
Метантенка
Метантенки сооружены из железобетона. Изоляция железобетонного перекрытия, препятствующая пропуску газа иэ-за отсутствия над, перекрытием водяного покрова, выполнена иэ разных материалов, с расположением слоев в следующем порядке, начиная снизу: 1) слой битума № 3 с песком, замешанный до густоты, удобной для кладки лопатой; толщина слоя 10 мм; 2) жидкое стекло толщиной слоя в 5 мм пополам с асбестовой мукой; 3) шлакобетон, слой толщиной в 12 см; 4) армированный бетон без гравия ( сетка из стержней d 4 мм, уложенных через 15 см) и, наконец, 5) рубероид в два слоя.
Метантенки второй ступени предусматривают в виде открытых неподогреваемых резервуаров.
Метантенки и газгольдеры для сбора выделяющихся газов ( — 65 % метана и 33 % оксида углерода) — взрывоопасные сооружения, поэтому их располагают обычно на расстоянии не менее 40 м от других объектов.
Метантенки служат для сбраживания осадка из первичных и вторичных отстойников или биопленки, выносимой с биофильтров. Для интенсификации процесса сбраживания осадок подогревают до температуры 30 — 33 С и тогда брожение называется мезофильным; брожение при температуре 52 — 55 С — термофильным. В метантенках распадается 40 — 50 % органического вещества осадка и образуется около 10 м3 газа на 1 м3 загруженного осадка. Газ содержит около 65 % метана, 33 % углекислоты и 2 % азота и обычно используется в местной котельной, из которой пар подается в метзнтенк.
Метантенки служат для обеспечения свойств стабильности ( незагниваемости) осадка при длительном его хранении либо обезвоживании в естественных условиях. Одновременно решается задача подготовки осадка к внесению в почву, так как после сбраживания усвоение элементов осадка растениями улучшается. Выделение газа ( биогаза) является сопутствующим процессом, способствующим снижению затрат на подогрев сбраживаемой массы, регулируется в рамках программы обезвоживания, хранения и утилизации осадка и не функционирует самостоятельно и независимо.
Метантенки ( рис. 85) — резервуары, в которых происходит перегнивание осадка, поступающего из отстойников.
Метантенки следует применять для сбраживания осадков бытовых и производственных сточных вод, содержащих сбраживаемые органические вещества.
Метантенки второй ступени надлежит проектировать в виде открытых неподогреваемых резервуаров.
Метантенки второй ступени представляют собой земляные резервуары, облицованные бетоном или камнем. Осадок подается рассредоточенно на половину глубины, а выпуск уплотненного осадка производится с нескольких уровней и со дна.
Метантенки применяются для сбраживания осадков из первичных отстойников и избыточного активного ила.
Метантенки с неподвижным затопленным перекрытием были построены в Москве на Кожуховской станции аэрации.
Метантенки с неподвижным затопленным перекрытием были построены в Москве на Кожуховской станции аэрации. При эксплуатации этих метантенков выявлены основные их недостатки: образование корки, большие потери газа и увеличение объема выгружаемого осадка за счет разбавления его водой, идущей на его подогрев.
Метантенки рассчитываются для сбраживания осадка из первичных отстойников и биопленки из вторичных.
Метантенки следует применять для сбраживания осадков бытовых и производственных сточных вод, содержащих сбраживаемые органические вещества.
Метантенки второй ступени надлежит проектировать в виде открытых неподогреваемых резервуаров.
Слайд 10Эффект сбраживания в метантенках Есть и другие факторы, влияющие на эффект
сбраживания: тяжелые металлы (кобальт, медь, никель), а также хром
и сернистые соединения оказывают ингибирующие действие на процесс анаэробного сбраживания. перемешивание загрузки метантенка производится для того чтобы: предотвратить образование мертвых зон, расслоение осадка, образование корки, отложение песка, а также с целью эффективного использования всего объема метантенка, выравнивания температуры и концентраций метаболитов (промежуточных субстратов).Перемешивание осуществляется механическими мешалками или при помощи циркуляции осадка и рециркуляции газа (более эффективный способ, однако на практике примяенится редко).Однако интенсивность перемешивания имеет предел: если она будет слишком высока то, некоторые группы бактерий могут потерять связь, родство с определенной частью субстрата. В свою очередь неинтенсивное перемешивание ведет к уменьшению образования биогаза.
Устройство конструкции и принцип работы
Типичная схема метантенка напоминает в плане цилиндр. Несколько реже эти конструкции имеют прямоугольную форму. Допускается их заглубление в почву, даже иногда полностью. Донная часть в значительной мере уклонена к середине. Кровельная часть аппарата представляет собой или жесткую, или плавающую конструкцию. Второй вариант менее надежен механически. Однако он более безопасен в плане роста внутреннего давления. Для изготовления стенок и днища сооружения преимущественно используют железобетон. Сверху подводится труба. По ней поступает внутрь активный ил; через ту же трубу производится и загрузка осадка.
Чтобы усилить образование метана и все остальные процессы, емкость прогревают, заботятся также о перемешивании содержимого в постоянном режиме. Для подачи тепла используют водяные либо паровые радиаторы
Что важно, весь процесс проходит в анаэробном режиме. Это позволяет разложить органические вещества на жирные кислоты
Но брожение на таком этапе не останавливается, и следующие продукты – это углекислый газ и метан (давший даже название всему виду оборудования).
Отвод метана происходит через верхние трубы. Общий выход газов на 1 м3 обработанного осадка составляет 12-16 м3. На долю собственно метана приходится при этом от 8,4 до 11,2 м3. Стоит иметь в виду, что сейчас используются и другие аналогичные методы очистки стоков — обезвоживание механическим способом и химическое кондиционирование. Однако они экономически и энергетически не так выгодны. Еще одна важная тонкость — то, что метантенк служит главным образом для утилизации не самих жидких стоков, а насыщенных осадков. Если количество обращаемой жидкости не превышает 25 м3 за 24 часа, то первичное отстаивание проводят в септиках. Если нужно больше, вплоть до 10000 куб. м, применяют уже усовершенствованные двухъярусные отстойники.
По сравнению с другими установками, предназначенными для решения той же задачи, метантенки имеют следующие важные преимущества:
- сравнительно доступная стоимость самого оборудования и его эксплуатации;
- простота манипуляций;
- надежность (практически невозможно что-то «сломать»);
- отсутствие расходных материалов или самая минимальная потребность в них;
- экологичность (очищенную воду можно с чистой совестью сливать прямо на грунт);
- теоретическая пригодность стока из метантенка для питья (уровень очистки — 99%).
Обзор режимов работы
Сбраживание внутри метантенка может происходить по различным сценариям. Принято различать два основных типа, в зависимости от температуры внутри емкости. Термофильный процесс, характерный для российской практики, проходит при 50-55 градусах. Он существенно быстрее принятого за рубежом мезофильного сбраживания, которое идет при 30-35 градусах. Ничего удивительного в этом нет: подъем температуры попросту активизирует все биохимические изменения.
Увеличение температуры жидкости способствует еще и уменьшению относительного объема резервуаров вдвое (при идентичной производительности).
Но есть еще одно важное преимущество — термофильная стратегия позволяет надежно уничтожить всех паразитических червей и их эмбрионы, в то время как мезофильная — не более 80%, да и то при большой удаче, а обычно около ½. И все же есть доводы в пользу того, чтобы прогревать резервуар слабее
Нет, речь не о сиюминутной экономии энергии, как можно было бы подумать. Мезофильный подход позволяет полностью обойтись подачей того же тепла, которое вырабатывается сразу на месте при сжигании продуктов брожения. Чтобы осадок согрелся до 50 градусов и выше, особенно в зимний ветреный день, потребуется дополнительное топливо, и эксплуатационные расходы сразу вырастут. Кроме того, сброженная в термофильных условиях масса труднее поддается обезвоживанию. В процессе распада сухая масса сокращается, а доля влаги возрастает; одновременно увеличивается и зольность.
Особенности расчета в системе метантенк
Расчеты в системе метантенк основаны на технологии газовой хроматографии, которая позволяет проводить точные измерения содержания метана в газовой смеси. Для этого требуется установка метантенка на линии газопровода и подача газовой смеси в его аналитический модуль.
Важно учитывать, что при расчете необходимо определять не только массовую долю метана, но и других газов, которые могут присутствовать в газовой смеси. Для этого применяются различные методы анализа и обработки данных
При расчете необходимо учитывать также условия эксплуатации метантенка, такие как температура, давление и скорость потока газа. Эти параметры могут влиять на точность измерения содержания метана и требуют определенной корректировки расчетных данных.
Кроме того, важно учитывать возможность смешения газов, которые поступают в метантенк, с другими газами в резервуаре или газопроводе. Для этого необходимо проводить регулярную калибровку системы и корректировку расчетных параметров
В целом, расчеты в системе метантенк требуют точности и внимательности в обработке данных, а также регулярного обслуживания и калибровки оборудования.
Устройство конструкции и принцип работы метантенка
Устройство конструкции
Метантенк — это устройство для измерения уровня жидкости в резервуарах, которое имеет конусообразную форму с отверстиями для разных уровней. Они могут использоваться для измерения не только жидкостей, но и газов. Метантенк состоит из нескольких основных частей:
- Конусная форма с отверстиями;
- Поплавки (обычно металлические), которые закреплены на стержнях и перемещаются вверх или вниз в зависимости от уровня жидкости;
- Шкала, которая позволяет читать уровень жидкости по положению поплавков на конусной форме;
- Корпус, который держит все части вместе.
Принцип работы
Метантенк работает просто: поплавки на стержнях погружаются в жидкость, поднимаясь и опускаясь в зависимости от ее уровня. Когда жидкость находится на определенном уровне, поплавок плавает на поверхности, а другие опускаются в фазе отсутствия жидкости в резервуаре, что определяется на конусных стенках метантенка. По положению поплавков на соответствующих отверстиях на стенке конуса можно понять текущий уровень жидкости.
Иногда метантенки состоят из нескольких секций, каждая из которых имеет свою шкалу для измерения уровня жидкости. Обычно метантенки используются для хранения нефти и нефтепродуктов, но также могут использоваться для других жидкостей.