RU2785600C2

RU2785600C2 - Helio-biogas complex

Info

Publication number: RU2785600C2
Application number: RU2021109370A
Authority: RU
Inventors: Яхя Алиевич Дибиров; Алибек Басирович Алхасов; Камиль Яхяевич Дибиров
Filing date: 2021-04-05
Publication date: 2022-12-09

Abstract

FIELD: bioenergetics.

SUBSTANCE: invention relates to bioenergetics; it can be used for the production of biogas and finished organic products by biochemical recycling of organic waste. A helio-biogas complex is proposed, including two separate bioreactors. One reactor fully operates all year round, and the second one operates in a year period, when heat energy generated by solar collectors exceeds the total heat energy necessary for all technological needs of the production of biogas in the first bioreactor. Connection of the second bioreactor is performed by a heat controller with servo drives of corresponding valves installed on separate pipelines for heat carrier circulation, supply of a daily dose of source raw material substrate, as well as a hatch for unloading to a tank for a liquid fertilizer. Round-the-clock maintenance of an optimal isothermal mode of biomass fermentation in both bioreactors, when the sun is absent, is provided by compensation of all heat losses with heat energy of discharging of a phase-transition heat battery installed in the corresponding tank with liquid around the bioreactor.

EFFECT: maximum use of all potential of heat energy daily generated by solar collectors.

1 cl, 1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к биоэнергетике и может быть использовано для получения биогаза и готовых органических продуктов биохимической переработкой органических отходов.The present invention relates to bioenergy and can be used to produce biogas and finished organic products by biochemical processing of organic waste.

Известна биоэнергетическая установка [1], содержащая биореактор с водяной рубашкой, солнечный коллектор, мешалка, загрузочный и выгрузочный патрубки и газгольдер. Установка снабжена электроводонагревателем и двигателем Стирлинга, в котором тепловая энергия сгорания части собственного биогаза преобразовывается в электроэнергию и используется для поддержания необходимой термического режима сбраживаемой в биореакторе биомассы.Known bioenergy plant [1], containing a bioreactor with a water jacket, a solar collector, a stirrer, loading and unloading nozzles and gas tank. The unit is equipped with an electric water heater and a Stirling engine, in which the thermal energy of combustion of a part of its own biogas is converted into electricity and used to maintain the required thermal regime of the biomass fermented in the bioreactor.

Недостатком данного технического решения является необходимость сжигания выработанного собственного биогаза для обогрева сбраживаемой в реакторе биомассы до необходимой температуры и обеспечения непрерывной работы системы в периоды отсутствия поступления солнечного излучения, в результате чего значительно снижается объем товарного биогаза, непосредственно передаваемой потребителю.The disadvantage of this technical solution is the need to burn the generated own biogas to heat the biomass fermented in the reactor to the required temperature and ensure continuous operation of the system during periods without solar radiation, resulting in a significant reduction in the volume of commercial biogas directly transferred to the consumer.

Известны биогазовые установки [2, 3], содержащие биореактор, вокруг которого в резервуаре с жидкостью установлены контейнеры теплового аккумулятора, заряжаемые солнечными коллекторами. Эти установки снабжены также системами загрузки исходной биомассы и отвода готового органического продукта, перемешивающим устройством и солнечными коллекторами. Для исключения перегрева сбраживаемой биомассы на трубопроводе выхода из солнечных коллекторов установлен терморегулятор.Biogas plants are known [2, 3], containing a bioreactor, around which containers of a heat accumulator charged by solar collectors are installed in a reservoir with liquid. These plants are also equipped with systems for loading the initial biomass and removing the finished organic product, a mixing device and solar collectors. To avoid overheating of the fermented biomass, a thermostat is installed on the outlet pipeline from the solar collectors.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому гелиобиогазовому комплексу является автономная солнечная биогазовая установка [4], выполненная с возможностью подогрева ежесуточно подаваемой в реактор дозы субстрата до температуры сбраживания путем переключения циркуляции нагретого солнечными коллекторами теплоносителя через теплообменник, установленный в резервуаре для подготовки субстрата исходного сырья.The closest technical solution to the claimed heliobiogas complex is an autonomous solar biogas plant [4], made with the possibility of heating the dose of substrate daily supplied to the reactor to the fermentation temperature by switching the circulation of the coolant heated by solar collectors through a heat exchanger installed in the tank for preparing the substrate of the feedstock.

В известных технических решениях [2-4] при определении площади солнечных коллекторов, объема биореактора и количества теплоаккумулирующего материала за расчетный период принимается период года, соответствующий наименьшему поступлению солнечной энергии на земную поверхность, что приходится примерно на месяцы декабрь и январь. Следовательно, во всех этих технических решениях весь потенциал тепловой энергии, ежедневно вырабатываемый солнечными коллекторами, только для технологических нужд производства биогаза может быть использован в лучшем случае только в период времени интервалом два месяца в разрезе года. Избыток ежедневно вырабатываемой теми же солнечными коллекторами тепловой энергии, оставшийся после использования для технологических нужд биогазовой установки, в течение не менее 10 месяцев года может быть использован совсем для других энергетических нужд потребителя, никак не связанных с производством биогаза, что значительно снижает энергоэффективность самой биогазовой установки.In the well-known technical solutions [2-4], when determining the area of solar collectors, the volume of the bioreactor and the amount of heat-storage material, the period of the year corresponding to the lowest influx of solar energy on the earth's surface, which occurs approximately in the months of December and January, is taken as the calculation period. Consequently, in all these technical solutions, the entire potential of thermal energy generated daily by solar collectors, only for the technological needs of biogas production, can be used at best only during a period of time with an interval of two months in the context of a year. The excess of thermal energy produced daily by the same solar collectors, remaining after being used for the technological needs of a biogas plant, for at least 10 months of the year can be used for completely different energy needs of the consumer, not related to the production of biogas, which significantly reduces the energy efficiency of the biogas plant itself .

Приведем ориентировочные подсчеты выработанной солнечными коллекторами избыточной тепловой энергии, оставшейся после потребления на все технологические нужды в биогазовых установках, предлагаемых во всех известных технических решениях, в течение года. Среднедневная суммарная солнечная радиация на площадку с оптимальным углом наклона для условий Дагестана по справочным данным [5] для периода года в интервале месяцев декабрь и январь составляет примерно 7,2 МДж/м² в то время, как это же значение для летних месяцев (июнь, июль и август) составляет более 22 МДж/м², т.е. более чем в три раза больше, чем в зимние месяцы. На основе данных [5] суммарное значение годового поступления солнечной радиации на площадку с оптимальным углом наклона составляет примерно 5700 МДж на каждый квадратный метр тепловоспринимающей поверхности гелиоприемника. Если допустить, что среднегодовое значение КПД солнечных коллекторов равным 70%, то годовой потенциал тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, будет иметь значение, равным примерно 4000 МДж с одного квадратного метра коллектора. Элементарные расчеты показывают, что из полученного значения годового потенциала чисто для нужд производства биогаза во всех известных технических решениях (при неизменных габаритах биореактора, площади солнечных коллекторов и вырабатываемого суточного объема биогаза) потребуется не более 1900 МДж выработанной за год с одного квадратного метра солнечного коллектора тепловой энергии. Полученное значение потребной энергии явно завышено, т.к. расходы тепловой энергии на все нужды производства биогаза в биогазовых установках в теплый период года имеют значительно меньшее значение, чем в холодный период, обусловленное достаточным значением разности среднесуточных температур окружающего наружного воздуха за те же периоды. Приведенные упрощенные расчеты показывают, что во всех известных решениях более половины годового потенциала фактически выработанного солнечными коллекторами тепловой энергии не востребовано непосредственно для технологических нужд биогазовой установки.Let us give approximate calculations of excess thermal energy generated by solar collectors, remaining after consumption for all technological needs in biogas plants, offered in all known technical solutions, during the year. The average daily total solar radiation to the site with the optimal slope angle for the conditions of Dagestan according to reference data [5] for the period of the year in the interval of December and January is approximately 7.2 MJ/ ^m2 , while the same value for the summer months (June , July and August) is more than 22 MJ/ ^m2 , i.e. more than three times more than in the winter months. Based on the data [5], the total value of the annual influx of solar radiation to the site with the optimal angle of inclination is approximately 5700 MJ per square meter of the heat-receiving surface of the solar receiver. If we assume that the average annual efficiency of solar collectors is 70%, then the annual potential of thermal energy generated by solar collectors will be approximately 4000 MJ per square meter of collector. Elementary calculations show that from the obtained value of the annual potential purely for the needs of biogas production in all known technical solutions (with the same dimensions of the bioreactor, the area of solar collectors and the daily volume of biogas produced) it will take no more than 1900 MJ generated per year from one square meter of solar thermal collector energy. The obtained value of the required energy is clearly overestimated, because thermal energy consumption for all the needs of biogas production in biogas plants in the warm period of the year is significantly less important than in the cold period, due to the sufficient difference in the average daily temperatures of the ambient air for the same periods. The above simplified calculations show that in all known solutions, more than half of the annual potential of thermal energy actually generated by solar collectors is not in demand directly for the technological needs of a biogas plant.

Целью предлагаемого технического решения является устранение указанного недостатка.The purpose of the proposed technical solution is to eliminate this drawback.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является максимальное использование всего потенциала ежедневно выработанной солнечными коллекторами тепловой энергии только для технологических нужд производства биогаза в независимости от сезонной неравномерности поступления солнечной инсоляции в разрезе года с круглосуточным поддержанием оптимального термического режима для процесса сбраживания биомассы применением теплового аккумулятора.The task to be solved by the claimed invention is to maximize the use of the entire potential of the thermal energy generated daily by solar collectors only for the technological needs of biogas production, regardless of the seasonal unevenness of solar insolation in the context of the year, with round-the-clock maintenance of the optimal thermal regime for the process of biomass fermentation using a heat accumulator .

Данная задача решается тем, что в заявленном гелиобиогазовом комплексе, содержащем биореактор, помещенный в резервуар с жидкостью, в котором вокруг реактора установлены контейнеры с фазопереходным теплоаккумулирующим материалом, солнечные коллекторы, резервуар для подготовки субстрата исходного сырья, дозировочный насос, газгольдер, резервуар жидкого удобрения, циркуляционный насос, термоконтроллер с термодатчиками и сервоприводами, систему подогрева ежесуточно добавляемой в реактор дозы субстрата, осуществляемого переключением терморегулятором циркуляции теплоносителя после солнечных коллекторов через теплообменник, установленный в резервуаре для подготовки субстрата исходного сырья, систему трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой и систему отбора биогаза, а для круглогодичного использования всего потенциала выработанной солнечными коллекторами тепловой энергии только для технологических нужд производства биогаза комплекс содержит дополнительно отдельный биореактор, функционирование которого регулируется изменением расхода перерабатываемой биомассы в зависимости от изменяющихся по сезонам года условий поступления солнечной энергии.This problem is solved by the fact that in the claimed heliobiogas complex containing a bioreactor placed in a tank with a liquid, in which containers with a phase-transition heat storage material, solar collectors, a tank for preparing the feedstock substrate, a dosing pump, a gas tank, a tank of liquid fertilizer are installed around the reactor, a circulation pump, a temperature controller with temperature sensors and servo drives, a heating system for the daily dose of substrate added to the reactor, which is carried out by switching the heat carrier circulation after the solar collectors through a heat exchanger installed in the tank for preparing the feedstock substrate, a pipeline system with shut-off and control valves and a biogas extraction system, and for the year-round use of the entire potential of the thermal energy generated by solar collectors only for the technological needs of biogas production, the complex contains an additional separate bioreactor, functioning which is controlled by changing the consumption of processed biomass, depending on the seasonally changing conditions for the receipt of solar energy.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является круглогодичное использование всего потенциала выработанной солнечными коллекторами тепловой энергии только для технологических целей получения биогаза с поддержанием в каждом биореакторе оптимального термического режима для сбраживания биомассы только за счет тепла солнечной радиации.The technical result provided by the above set of features is the year-round use of the entire potential of thermal energy generated by solar collectors only for technological purposes of obtaining biogas, while maintaining the optimal thermal regime in each bioreactor for fermenting biomass only due to the heat of solar radiation.

Круглогодичное использование поступающей энергии солнечной радиации на солнечные коллекторы определенной суммарной площадью только для нужд производства биогаза в заявленном техническом решении достигается использованием в гелиобиогазовом комплексе двух отдельных биореакторов. Один биореактор (постоянный) задействован в производстве биогаза круглый год, а второй (периодичный) - в период года, когда выработанная солнечными коллекторами тепловая энергия превышает над суммарной тепловой энергией, необходимой для всех технологических нужд производства биогаза в первом биореакторе.The year-round use of the incoming energy of solar radiation to solar collectors of a certain total area only for the needs of biogas production in the claimed technical solution is achieved by using two separate bioreactors in the heliobiogas complex. One bioreactor (permanent) is involved in the production of biogas all year round, and the second (periodic) - during the period of the year when the thermal energy generated by solar collectors exceeds the total thermal energy required for all technological needs of biogas production in the first bioreactor.

Каждый из этих биореакторов отличается не только габаритными размерами, но и природой теплоаккумулирующей среды. Так, если рабочим телом теплового аккумулятора для первого биореактора является фазопереходный теплоаккумулирующий материал, а теплоносителем - жидкость в резервуаре вокруг данного биореактора, то для второго биореактора находящаяся вокруг него жидкость является одновременно и рабочим телом теплоемкостного теплового аккумулятора, и теплоносителем.Each of these bioreactors differs not only in overall dimensions, but also in the nature of the heat-accumulating medium. So, if the working body of the heat accumulator for the first bioreactor is a phase-transition heat-accumulating material, and the coolant is the liquid in the tank around this bioreactor, then for the second bioreactor, the liquid around it is both the working body of the heat-capacitive heat accumulator and the coolant.

Целесообразность выбора для каждого биореактора определенного вида теплового аккумулятора обусловлена следующими обстоятельствами. Проведенные оценочные расчеты с конкретными исходными данными показали, что объем второго (периодичного) биореактора в несколько десятков раз больше объема первого биореактора. Поэтому для первого биореактора с таким относительно незначительным объемом более оправдывает себя фазопереходный тепловой аккумулятор, обеспечивающий поддерживание заданного изотермического режима в биореакторе даже в зимних условиях.The expediency of choosing a certain type of heat accumulator for each bioreactor is due to the following circumstances. The estimated calculations with specific initial data showed that the volume of the second (periodic) bioreactor is several tens of times larger than the volume of the first bioreactor. Therefore, for the first bioreactor with such a relatively small volume, a phase-transition heat accumulator more justifies itself, which ensures the maintenance of a given isothermal regime in the bioreactor even in winter conditions.

А для второго биореактора со значительным большим объемом биореактора, благодаря близким значениям всех теплофизических параметров сбраживаемого субстрата (с внутренней стороны поверхности стенок корпуса биореактора) и жидкостной теплоаккумулирующей среды (с внешней стороны поверхности стенок корпуса биореактора), можно пренебречь мизерным термическим сопротивлением металлической стенки корпуса биореактора при теплопередаче. Отсюда следует, что в процессах теплообмена между сбраживаемым субстратом и жидкостной теплоаккумулирующей средой условно отсутствует разделяющая их металлическая стенка. Это означает, что к объему рабочего тела теплового аккумулятора (в резервуаре вокруг биореактора) однозначно можно приплюсовать и весь объем субстрата, находящегося внутри биореактора. Из изложенного следует, что при этом в десятки раз можно увеличивать общую массу жидкостного теплоемкостного теплового аккумулятора, следовательно, во столько же раз увеличивается и потенциал разовой разрядки теплового аккумулятора. Такое конструктивное решение позволяет минимизировать габаритные размеры резервуара с жидкостной теплоаккумулирующей средой.And for the second bioreactor with a significant large volume of the bioreactor, due to the close values of all thermophysical parameters of the fermented substrate (on the inner side of the surface of the walls of the bioreactor housing) and the liquid heat-accumulating medium (on the outer side of the surface of the walls of the bioreactor housing), we can neglect the scanty thermal resistance of the metal wall of the bioreactor housing during heat transfer. It follows that in the processes of heat exchange between the fermented substrate and the liquid heat-accumulating medium, there is conditionally no metal wall separating them. This means that the volume of the working fluid of the heat accumulator (in the tank around the bioreactor) can definitely be added to the entire volume of the substrate inside the bioreactor. It follows from the foregoing that, in this case, it is possible to increase the total mass of a liquid heat-capacitive heat accumulator ten times, therefore, the potential for a single discharge of a heat accumulator increases by the same amount. Such a constructive solution allows minimizing the overall dimensions of the reservoir with a liquid heat storage medium.

Поддержание оптимального режима сбраживания биомассы в первом (постоянном) биореакторе в периоды отсутствия солнечного излучения обеспечивается компенсацией всех теплопотерь тепловой энергией разрядки фазопереходного теплового аккумулятора, установленного в резервуаре с жидкостью вокруг биореактора, а во втором (периодичном) - тепловой энергией разрядки жидкостного теплоемкостного теплового аккумулятора, в объеме которого и помещен данный биореактор.Maintaining the optimal mode of biomass fermentation in the first (permanent) bioreactor during periods of lack of solar radiation is ensured by compensating for all heat losses by the thermal energy of discharging a phase-transitional thermal accumulator installed in a tank with liquid around the bioreactor, and in the second (periodic) - by the thermal energy of discharging a liquid heat-capacitive thermal accumulator, in the volume of which this bioreactor is placed.

Сущность изобретения поясняется чертежом на фиг. 1, где приведена принципиальная схема гелиобиогазового комплекса с двумя отдельными биореакторами.The essence of the invention is illustrated by the drawing in Fig. 1, which shows a schematic diagram of a heliobiogas complex with two separate bioreactors.

Гелиобиогазовый комплекс содержит два отдельных реактора 1 (I и II), каждый из которых помещен соответственно в резервуар с жидкостью 2₁ и 2₂. Резервуар с жидкостью каждого реактора соединен с солнечными коллекторами 3 отдельными трубопроводами. Подогрев исходного сырья в резервуаре подготовки субстрата 4 производится циркуляцией нагретого теплоносителя по контуру: солнечные коллекторы 3 → теплообменник 5 в субстрате в резервуаре для подготовки субстрата исходного сырья 4 → циркуляционный насос 6 → солнечные коллекторы 3. Подготовленное и нагретое до температуры сбраживания в резервуаре 4 увлажненное сырье дозировочным насосом 7 подается отдельными трубопроводами в биореакторы I и II, где в анаэробных условиях осуществляется процесс сбраживания. Образующийся биогаз из верхней части каждого биореактора через трубопровод выхода биогаза поступает в газгольдер 8, откуда по трубопроводу 9 подается потребителям. Остаток сброженной биомассы из нижней части обоих биореакторов по соответствующему трубопроводу люка выгрузки поступает в резервуар для жидкого удобрения 10 и оттуда вывозят на поля. Термоконтроллер 11 управляет циркуляционным насосом 6, дозировочным насосом 7, переключением циркуляции теплоносителя по разным контурам по сигналам от термодатчиков, установленных в резервуаре для подготовки субстрата исходного сырья (T₁), а также в резервуарах 2₁ и 2₂ с жидкостью вокруг биореактора I(Т₂) и биореактора II(Т₃), соответствующими сервоприводами циркуляционного насоса 6, трехходового крана с одним входом 12 и одним выходом 13, а также вентилей на трубопроводах подачи теплоносителя к резервуарам с жидкостью вокруг биореакторов I(14₁) и II(14₂) и отвода охлажденного теплоносителя от низа тех же резервуаров биореакторов I(14₃) и II(14₄). Отдельную подачу подготовленного в резервуаре для подготовки субстрата суточной дозы исходного сырья 4 в определенный биореактор производится контроллером 11 соответствующими сервоприводами вентилей: 14₅ (в биореактор 7) и 14₆ (в биореактор II), а отдельную подачу ежесуточной дозы сброженной биомассы из каждого биореактора в резервуар для жидкого удобрения 10 производится соответствующими сервоприводами вентилей: 14₇ (из биореактора I) и 14₈ (из биореактора II). Внутри резервуара с жидкостью 2₁ вокруг биореактора I установлены контейнеры 15 с фазопереходным теплоаккумулирующим материалом, а внутри резервуара 2₂ вокруг биореактора II находится теплоемкостный жидкостный тепловой аккумулятор 16. Стабильное давление в системах циркуляции жидкого теплоносителя поддерживается расширительными бачками, устанавливаемыми в верхних точках трубопроводов циркуляции каждого контура. Сервоприводы всех вентилей 14, а также расширительные бачки на чертеже фиг. 1 условно не показаны.The heliobiogas complex contains two separate reactors 1 (I and II), each of which is placed respectively in a liquid tank 2 ₁ and 2 ₂ . The fluid reservoir of each reactor is connected to the solar collectors by 3 separate pipelines. The feedstock is heated in the substrate preparation tank 4 by circulating the heated coolant along the circuit: solar collectors 3 → heat exchanger 5 in the substrate in the feedstock preparation tank 4 → circulation pump 6 → solar collectors 3. Prepared and heated to the fermentation temperature in tank 4 humidified Raw material is supplied by dosing pump 7 by separate pipelines to bioreactors I and II, where the fermentation process is carried out under anaerobic conditions. The resulting biogas from the upper part of each bioreactor enters the gas tank 8 through the biogas outlet pipeline, from where it is supplied to consumers through the pipeline 9. The rest of the fermented biomass from the bottom of both bioreactors through the corresponding pipeline of the unloading hatch enters the tank for liquid fertilizer 10 and is taken out to the fields from there. The temperature controller 11 controls the circulation pump 6, the dosing pump 7, the switching of the coolant circulation in different circuits according to the signals from the temperature sensors installed in the tank for preparing the feedstock substrate (T ₁ ), as well as in tanks 2 ₁ and 2 ₂ with liquid around the bioreactor I( T ₂ ) and bioreactor II(T ₃ ), the corresponding servomotors of the circulation pump 6, a three-way valve with one inlet 12 and one outlet 13, as well as valves on the coolant supply pipelines to the liquid tanks around the bioreactors I(14 ₁ ) and II(14 ₂ ) and removal of the cooled coolant from the bottom of the same tanks of bioreactors I(14 ₃ ) and II(14 ₄ ). A separate supply of the daily dose of feedstock 4 prepared in the tank for preparing the substrate to a certain bioreactor is carried out by the controller 11 with the corresponding servomotors of valves: 14 ₅ (to bioreactor 7) and 14 ₆ (to bioreactor II), and a separate supply of a daily dose of fermented biomass from each bioreactor to the liquid fertilizer tank 10 is produced by the respective valve servomotors: 14 ₇ (from bioreactor I) and 14 ₈ (from bioreactor II). Inside the reservoir with liquid 2 ₁ around the bioreactor I, containers 15 with phase-transition heat storage material are installed, and inside the reservoir 2 ₂ around the bioreactor II there is a heat-capacity liquid thermal accumulator 16. Stable pressure in the liquid heat carrier circulation systems is maintained by expansion tanks installed at the upper points of the circulation pipelines of each contour. Servo drives of all valves 14, as well as expansion tanks in the drawing of Fig. 1 are conditionally not shown.

РАБОТАЕТ ГЕЛИОБИОГАЗОВЫЙ КОМПЛЕКС СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМHELIOBIOGAS COMPLEX WORKS AS FOLLOWS

В период года, когда для производства биогаза в гелиобиогазовом комплексе полноценно используются оба биореактора, солнечные коллекторы 3, оба теплоизолированные снаружи резервуары 2 с жидкостью, в которых помещены соответствующие биореакторы 1 (I и II), и соединительные трубопроводы всех контуров циркуляции теплоносителя заполняются жидким теплоносителем.During the period of the year when both bioreactors, solar collectors 3, both thermally insulated from the outside tanks 2 with liquid, in which the corresponding bioreactors 1 (I and II) are placed, are fully used for the production of biogas in the heliobiogas complex, and the connecting pipelines of all coolant circulation circuits are filled with liquid coolant .

Подогрев предварительно подготовленного увлажненного исходного сырья (навоз домашних животных, растительная биомасса и другие органические отходы) производится циркуляцией нагретого солнечными коллекторами 3 теплоносителя по первому контуру через теплообменник 5, установленный внутри субстрата в резервуаре подготовки исходного сырья 4. При этом теплоноситель циркуляционным насосом 6 подается во вход контура солнечных коллекторов 3, где при прохождении через этот контур происходит его нагрев. После выхода из контура солнечных коллекторов нагретый теплоноситель поступает через трубопроводы в теплообменник 5, производящий нагрев субстрата исходного сырья в резервуаре 4 до заданной температуры. После прохождения через теплообменник охлажденный теплоноситель вновь подается во вход контура солнечных коллекторов 3. При циркуляции теплоносителя по этому контуру термоконтроллер соответствующими сервоприводами закрывает в трехходовом кране с одним входом 12 выход к трубопроводу к резервуарам 2, а в трехходовом кране с одним выходом 13 - вход на трубопроводе от низа резервуаров 2.The pre-prepared moistened feedstock (pet manure, plant biomass and other organic waste) is heated by circulation of the coolant heated by solar collectors 3 along the primary circuit through the heat exchanger 5 installed inside the substrate in the feedstock preparation tank 4. In this case, the coolant is supplied by the circulation pump 6 to the the input of the solar collector circuit 3, where it is heated when passing through this circuit. After leaving the solar collector circuit, the heated coolant enters through pipelines into the heat exchanger 5, which heats the feedstock substrate in the tank 4 to a predetermined temperature. After passing through the heat exchanger, the cooled coolant is again fed into the inlet of the solar collector circuit 3. When the coolant circulates through this circuit, the thermal controller closes the outlet to the pipeline to the tanks 2 in the three-way valve with one inlet 12, and in the three-way valve with one outlet 13 - the inlet to the pipeline from the bottom of the tanks 2.

После достижения заданной температуры субстрата в резервуаре 4 по значению входного сигнала от термодатчика T₁ термоконтроллер переключает циркуляцию теплоносителя по второму контуру: солнечные коллекторы 3 → оба резервуара 2 с жидкостью вокруг биореакторов 1 → циркуляционный насос 6 → солнечные коллекторы 3, в результате чего обеспечивается заданный температурный режим в жидкости в обоих резервуарах 2. При циркуляции теплоносителя по этому контуру термоконтроллером соответствующими сервоприводами в трехходовом кране 12 закрывается выход к трубопроводу к резервуару 4, а в трехходовом кране 13 - вход на трубопроводе от теплообменника 5, а вентили на трубопроводах входов 14₁ и 14₂, а также выходов 14₃ и 14₄ циркулирующего через резервуары 2 с жидкостью теплоносителя устанавливаются в открытом положении.After reaching the specified temperature of the substrate in the tank 4 according to the value of the input signal from the temperature sensor T ₁ , the temperature controller switches the circulation of the coolant along the second circuit: solar collectors 3 → both tanks 2 with liquid around the bioreactors 1 → circulation pump 6 → solar collectors 3, as a result of which the specified the temperature regime in the liquid in both tanks 2. When the coolant circulates along this circuit by the thermal controller, the corresponding servo drives in the three-way valve 12 close the outlet to the pipeline to the tank 4, and in the three-way valve 13 - the inlet on the pipeline from the heat exchanger 5, and the valves on the inlet pipelines 14 ₁ and 14 ₂ , as well as outlets 14 ₃ and 14 ₄ circulating through the tanks 2 with the coolant liquid are installed in the open position.

Нагретое до заданной температуры в резервуаре для подготовки субстрата 4 увлажненное сырье дозировочным насосом 7 подается в каждый биореактор 1 отдельно, где в анаэробных условиях осуществляется процесс сбраживания. При подаче ежесуточной дозы сбраживаемого субстрата в биореактор I вентиль 14₅ на трубопроводе подачи субстрата в данный биореактор устанавливают в открытом положении, а аналогичный вентиль 14₆ на трубопроводе к биореактору II - в закрытом положении. После завершения подачи дозы субстрата в биореактор I для подачи соответствующей дозы в биореактор II открывается вентиль 14₆ на трубопроводе к биореактору II и закрывается вентиль 14₅ на трубопроводе к биореактору I. По окончанию процесса загрузки ежесуточной дозы субстрата в биореактор II вентиль 14₆ устанавливают в закрытом положении.Heated to a predetermined temperature in the substrate preparation tank 4, the moistened raw material is supplied by a dosing pump 7 to each bioreactor 1 separately, where the fermentation process is carried out under anaerobic conditions. When a daily dose of the fermentable substrate is supplied to the bioreactor I, the valve 14 ₅ on the pipeline for supplying the substrate to this bioreactor is set in the open position, and a similar valve 14 ₆ on the pipeline to the bioreactor II is in the closed position. After the completion of the supply of the substrate dose to the bioreactor I, to supply the appropriate dose to the bioreactor II, the valve 14 ₆ on the pipeline to the bioreactor II is opened and the valve ₁₄ ₅ on the pipeline to the bioreactor I is closed. closed position.

Для выгрузки дозы сброженной биомассы из нижней части определенного биореактора в резервуар для жидкого удобрения 10 открывается вентиль на соответствующем трубопроводе люка выгрузки, а вентиль на трубопроводе люка выгрузки от другого биореактора устанавливают в закрытом положении.To discharge a dose of fermented biomass from the bottom of a certain bioreactor into the liquid fertilizer tank 10, a valve on the corresponding discharge hatch pipeline is opened, and the valve on the discharge hatch pipeline from another bioreactor is set in the closed position.

Образующийся биогаз из верхней части каждого биореактора через трубопровод выхода биогаза поступает в газгольдер 8, откуда по трубопроводу 9 подается потребителям.The resulting biogas from the upper part of each bioreactor enters the gas tank 8 through the biogas outlet pipeline, from where it is supplied to consumers through the pipeline 9.

В период года, когда начинает функционировать только один биореактор I, закрывают циркуляцию теплоносителя через резервуар 2₂ биореактора II и полностью выгружают весь остаток сброженной биомассы из биореактора II в резервуар для жидкого удобрения 10. До периода следующего начала функционирования биореактора II вентили 14₂, 14₄, 14₆, и 14₈ на соответствующих трубопроводах устанавливают в закрытом положении.During the period of the year, when only one bioreactor I begins to function, the circulation of the coolant through the reservoir 2 ₂ of the bioreactor II is closed and the entire residue of the fermented biomass from the bioreactor II is completely unloaded into the reservoir for liquid fertilizer 10. Until the period of the next start of the operation of the bioreactor II, valves 14 ₂ , 14 ₄ , 14 ₆ , and 14 ₈ on the respective pipelines are installed in the closed position.

До начала частичного возобновления работы биореактора II надо определить дату начала периода избыточного (сверх необходимого для всех энергозатрат технологической схемы сбраживания исходного сырья, находящегося только в рабочем объеме биореактора I) производства тепловой энергии солнечными коллекторами. Непосредственно начало этого периода определяется по показаниям термодатчика Т₂, установленного в резервуаре 2₁ с жидкостью вокруг биореактора I. Конкретно такой датой является тот день, начиная с которого температура термодатчика Т₂ будет превышать более 1°С над заданным значением температуры жидкости в резервуаре вокруг биореактора I.Before the partial resumption of the operation of bioreactor II, it is necessary to determine the date for the start of the period of excess (in excess of the required for all energy costs of the technological scheme of fermentation of the feedstock located only in the working volume of bioreactor I) production of thermal energy by solar collectors. Directly the beginning of this period is determined by the readings of the temperature sensor T ₂ installed in the tank 2 ₁ with liquid around the bioreactor I. Specifically, such a date is the day from which the temperature of the temperature sensor T ₂ will exceed more than 1 ° C above the set temperature of the liquid in the tank around bioreactor I.

После определения даты начала выработки солнечными коллекторами избыточной тепловой энергии для одного биореактора I ежедневно весь избыток тепловой энергии переключает термоконтроллером в контур циркуляции теплоносителя через резервуар 2₂ с жидкостью вокруг биореактора II, а сам биореактор II еще остается незагруженным субстратом исходного сырья. Переключение производится термоконтроллером по входному сигналу от термодатчика Т₂. При превышении температура Т₂ более 1°С над заданным значением, вентили 14₁ и 14₃ устанавливают в закрытом положении (циркуляция теплоносителя через резервуар 2₁ вокруг биореактора I прекращается), а для циркуляции теплоносителя через резервуар 2₂ вокруг биореактора II вентили на трубопроводах входа (14₂) и выхода (14₄) устанавливают в открытом положении.After determining the start date for the production of excess thermal energy by solar collectors for one bioreactor I, every day the entire excess thermal energy is switched by a thermal controller to the coolant circulation circuit through the tank 2 ₂ with liquid around bioreactor II, and the bioreactor II itself still remains unloaded with the feedstock substrate. Switching is performed by the temperature controller according to the input signal from the temperature sensor T ₂ . When the temperature T ₂ exceeds more than 1°C above the set value, the valves 14 ₁ and 14 ₃ are set in the closed position (the circulation of the coolant through the tank 2 ₁ around the bioreactor I stops), and for the circulation of the coolant through the tank 2 ₂ around the bioreactor II, the valves on the pipelines inlet (14 ₂ ) and outlet (14 ₄ ) are set in the open position.

Дату начала частичной загрузки биореактора II дозой сбраживаемого субстрата определяется по температуре Т₃, значение которой должна превышать более 1°С над заданным значением температуры жидкости в резервуаре вокруг биореактора II. Это означает, что выработанная солнечными коллекторами избыточная энергия превышает над тепловой энергией, необходимой для полной зарядки всей массы жидкостного теплоаккумулирующего материала, находящегося в резервуаре 2₂ вокруг биореактора II с учетом всех теплопотерь.The start date for the partial loading of the bioreactor II with the dose of the fermentable substrate is determined by the temperature T ₃ , the value of which should exceed more than 1°C above the set temperature of the liquid in the tank around the bioreactor II. This means that the excess energy generated by solar collectors exceeds the thermal energy required to fully charge the entire mass of liquid heat storage material located in the reservoir 2 ₂ around the bioreactor II, taking into account all heat losses.

После этого ежедневная доза субстрата исходного сырья, подаваемая в биореактор II, увеличивается с каждым днем в соответствии с нарастающим поступлением среднедневной суммарной солнечной радиации на всю площадь солнечных коллекторов (и соответственно вырабатываемой солнечными коллекторами тепловой энергии).After that, the daily dose of the feedstock substrate fed into the bioreactor II increases every day in accordance with the increasing supply of the average daily total solar radiation to the entire area of the solar collectors (and, accordingly, the thermal energy generated by the solar collectors).

Полная загрузка биореактора II субстратом сбраживаемого сырья начинается с начала периода года с максимальным поступлением суммарной солнечной радиации на тепловоспринимающую поверхность солнечных коллекторов (летние месяцы). Этот период характеризуется максимальной производительностью биогазового комплекса.The full loading of bioreactor II with the substrate of fermentable raw materials begins from the beginning of the period of the year with the maximum influx of total solar radiation on the heat-receiving surface of solar collectors (summer months). This period is characterized by the maximum productivity of the biogas complex.

С начала периода снижения поступления солнечной радиации (конец лета) производится постепенное уменьшение объема ежедневной подаваемой в биореактор II дозы субстрата исходного сырья до полного прекращения его подачи в этот биореактор, что должно соответствовать началу периода наименьшего поступления солнечной радиации (зимние месяцы). Процесс постепенного снижения технически осуществляется в обратном порядке изложенному выше процессу постепенного нарастания объема ежедневной подаваемой в биореактор II дозы субстрата исходного сырья.From the beginning of the period of decreasing solar radiation input (end of summer), a gradual decrease in the volume of the daily dose of the feedstock substrate supplied to the bioreactor II is carried out until its supply to this bioreactor is completely stopped, which should correspond to the beginning of the period of the lowest solar radiation input (winter months). The process of gradual reduction is technically carried out in the reverse order of the above process of gradual increase in the volume of the daily feedstock substrate dose fed into the bioreactor II.

В любой определенный день периода функционирования обоих биореакторов конкретный объем отдельно подаваемой в биореактор II дозы субстрата исходного сырья определяется из следующих соображений. Вся избыточная (сверх необходимой для всех энергозатрат технологической схемы сбраживания исходного сырья, находящегося только в рабочем объеме биореактора I) тепловая энергия, вырабатываемая в определенный день солнечными коллекторами, должна превышать над однодневными энергозатратами, необходимыми и для подогрева подаваемой именно в этот день в биореактор II дозы субстрата до заданной температуры, и для полной зарядки всей массы теплоаккумулирующего материала теплового аккумулятора (в резервуаре вокруг биореактора II) с учетом возможных теплопотерь в дневное время.On any given day during the operation of both bioreactors, the specific volume of feedstock substrate dose separately fed into bioreactor II is determined from the following considerations. All excess (in excess of the necessary for all energy consumption of the technological scheme of fermentation of the feedstock located only in the working volume of bioreactor I) thermal energy generated on a certain day by solar collectors must exceed the one-day energy consumption necessary for heating supplied on that day to bioreactor II doses of the substrate to a predetermined temperature, and to fully charge the entire mass of the heat-storage material of the heat accumulator (in the tank around the bioreactor II), taking into account possible heat losses in the daytime.

За все периоды отсутствия прямого солнечного излучения (ночное время, пасмурная погода) во избежание неизбежного охлаждения жидкости вокруг биореактора при циркуляции через нее ненагретого теплоносителя, термоконтроллер 11 отключает циркуляционный насос 6 и закрывает вентили на трубопроводах входа и выхода циркулирующего теплоносителя каждого биореактора гелиобиогазового комплекса, непосредственно подключенного к производству биогаза.For all periods of absence of direct solar radiation (night time, cloudy weather) in order to avoid the inevitable cooling of the liquid around the bioreactor when the unheated coolant circulates through it, the thermal controller 11 turns off the circulation pump 6 and closes the valves on the inlet and outlet pipelines of the circulating coolant of each bioreactor of the heliobiogas complex, directly connected to biogas production.

Ежесуточная полная зарядка всей массы теплоаккумулирующего материала и поддержание температуры в оптимальном диапазоне для выбранного режима сбраживания в обоих биореакторах производятся в дневное время циркуляцией теплоносителя через соответствующий резервуар с жидкостью за счет тепловой энергии, выработанной солнечными коллекторами. А в периоды подогрева ежедневно подаваемой в биореакторы доз субстрата в резервуаре для подготовки исходного сырья дневного времени и отсутствия прямого солнечного излучения (пасмурная погода или темное время суток) заданный температурный режим в каждом биореакторе поддерживается за счет тепловой энергии, выделяемой при разрядке теплового аккумулятора, установленного в соответствующем резервуаре.Daily full charging of the entire mass of heat storage material and maintaining the temperature in the optimal range for the selected mode of digestion in both bioreactors are carried out during the daytime by the circulation of the coolant through the corresponding tank with liquid due to the thermal energy generated by solar collectors. And during the periods of heating of the doses of the substrate daily supplied to the bioreactors in the tank for the preparation of the feedstock during the daytime and the absence of direct solar radiation (cloudy weather or dark hours of the day), the specified temperature regime in each bioreactor is maintained due to the thermal energy released during the discharge of the thermal accumulator installed in the appropriate tank.

Площадь солнечных коллекторов гелиобиогазового комплекса рассчитывается из условия достаточности минимальной однодневной тепловой энергии, вырабатываемой коллекторами, и для подогрева ежесуточно подаваемой только в биореактор I дозы субстрата до температуры сбраживания, и для полной зарядки всей массы теплоаккумулирующего материала теплового аккумулятора, помещенного в резервуаре 2₁ с жидкостью вокруг биореактора I с учетом возможных теплопотерь в дневное время.The area of solar collectors of the heliobiogas complex is calculated from the condition of sufficiency of the minimum one-day thermal energy generated by the collectors, both for heating the daily dose of the substrate supplied only to the bioreactor I to the fermentation temperature, and for fully charging the entire mass of the heat storage material of the heat accumulator placed in the tank 2 ₁ with liquid around bioreactor I, taking into account possible heat losses in the daytime.

Объем биореактора II определяется из следующих соображений. Максимальный объем ежесуточно подаваемой в биореактор II дозы до заданной температуры должен соответствовать дате периода с избыточной максимальной однодневной тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами. При этом с учетом подаваемой именно в этот день в биореактор II дозы субстрата максимально допустимый рабочий объем (объем, занимаемый субстратом сбраживаемой биомассы) биореактора II должен превышать объем, занимаемый в этот день в биореакторе всем субстратом сбраживаемой биомассы.The volume of the bioreactor II is determined from the following considerations. The maximum volume of the daily dose supplied to the bioreactor II up to the set temperature must correspond to the date of the period with excess maximum one-day thermal energy generated by solar collectors. At the same time, taking into account the dose of the substrate supplied to the bioreactor II on that day, the maximum allowable working volume (the volume occupied by the substrate of the fermented biomass) of the bioreactor II must exceed the volume occupied by the entire substrate of the fermented biomass in the bioreactor on that day.

Количество теплоаккумулирующего материала рассчитывается отдельно для каждого биореактора из условия превышения тепловой энергии потенциала разовой разрядки теплового аккумулятора данного биореактора над соответствующими теплопотерями через всю наружную поверхность теплообмена, которая непосредственно соприкасаются с окружающим атмосферным воздухом, за период времени с возможным длительным отсутствием солнечного излучения. При этом за расчетный период принимается период функционирования конкретного биореактора с самыми неблагоприятными климатическими условиями.The amount of heat storage material is calculated separately for each bioreactor from the condition that the thermal energy of the potential of a single discharge of the thermal accumulator of this bioreactor exceeds the corresponding heat losses through the entire outer heat exchange surface, which is in direct contact with the surrounding atmospheric air, for a period of time with a possible long-term absence of solar radiation. In this case, the period of operation of a particular bioreactor with the most unfavorable climatic conditions is taken as the calculation period.

1. Авторское свидетельство RU №2440308, 15.12.2009 г.1. Copyright certificate RU No. 2440308, 12/15/2009

2. Авторское свидетельство RU №166736, 10.12.2016 г.2. Copyright certificate RU No. 166736, December 10, 2016

3. Авторское свидетельство RU №2664457, 17.08.2018 г.3. Copyright certificate RU No. 2664457, 08/17/2018

4. Авторское свидетельство RU №№2734456, 16.10.2020 г.4. Copyright certificate RU No. 2734456, 10/16/2020

5. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Киселева С.В., Терехова Е.Н. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории Российской Федерации. - М.: ОИВТ РАН, 2010.5. Popel O.S., Frid S.E., Kolomiets Yu.G., Kiseleva S.V., Terekhova E.N. Atlas of solar energy resources on the territory of the Russian Federation. - M.: OIVT RAN, 2010.

Claims

Helio-biogas complex containing a bioreactor placed in a reservoir with a liquid, in which containers with phase-transition heat-storage material, solar collectors, a reservoir for preparing the feedstock substrate, a dosing pump, a gas tank, a liquid fertilizer reservoir, a circulation pump, a temperature controller with thermal sensors and servo drives are installed around the reactor , a heating system for the daily dose of substrate added to the reactor, carried out by switching the temperature controller for the circulation of the coolant after the solar collectors through a heat exchanger installed in the tank for preparing the substrate of the feedstock, a piping system with shut-off and control valves and a biogas extraction system, characterized in that for year-round and daily using the full potential of the thermal energy generated by solar collectors only for the technological needs of biogas production, the complex additionally contains a separate bioreactor.