Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА И УДОБРЕНИЙ ИЗ БЕСПОДСТИЛОЧНОГО НАВОЗА И ДРУГИХ ОРГАНИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ

Предлагаемое изобретение относится к области хозяйственной деятельности, при которой образуется органосодержащие отходы, например подстилочный навоз сельскохозяйственных животных, осадки сточных вод перерабатывающих производств, полная агротехническая утилизация которых в силу определенных обстоятельств (например, отсутствие соответствующих угодий) затруднена или невозможна.

В частности, предлагаемое изобретение относится к способам и средствам получения искусственных газов и аммиачного азота из бесподстилочного навоза в условиях животноводческих ферм и комплексов.

Согласно предлагаемому способу, утилизации подвергаются субстраты влажностью 90-97% с содержанием сухого органического вещества не менее 6%.

Известен способ получения биогаза, согласно которому исходный органический субстрат - осадок, образующийся в процессе механобиологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, - подвергается анаэробной переработке в анаэробном биореакторе - метантенке в стабилизированный продукт (эффлюент) и биогаз. Биогаз используется для совместной выработки электрической и тепловой энергии на ТЭЦ. Эффлюент подвергается сгущению в центрифуге, сгущенная фракция сжигается в огнетехническом устройстве - инсенераторе. Образовавшаяся при этом зола не представляет опасности для окружающей среды и людей, компактна (объем субстрата, в сравнении с первоначальным значением, снижается в 150 раз), легко утилизируется или депонируется в условия полигона (см. Y.Y. Li, et al. "Ecological analysis of the bacterial system in a fullscale egg-shaped digester treating sewage sludge" Water Science and Technology, V 36, №6-7, p. 472).

Основными недостатками данного способа являются:

- недостаточно высокая доля товарной энергии из-за значительных энергозатрат на нагрев исходного субстрата и термическую утилизацию сгущенной фракции эффлюента;

- сравнительно низкая эффективность анаэробной переработки в силу анаэробной переработки всей массы исходных отходов (включая бионеразлагаемую часть) в мезофильных (30-40°С) температурных условиях в метантенке и, как следствие, высокий уровень капитальных затрат.

Более совершенным является решение согласно патента США №6410283, в котором исходные органосодержащие отходы подвергаются анаэробной переработке с получением биогаза и биошлама. Биошлам разделяется на жидкую и твердую фракции. Жидкая фракция направляется на дальнейшую обработку (очистку), твердая фракция подсушивается и подвергается термохимической газификации в слоевом газогенераторе с получением низкокалорийного генераторного газа и золы. Смесь генераторного и биологического газов сжигается в когенерационной установке с получением тепловой и электрической энергии. Энтальпийная теплота генераторного газа и продуктов сгорания газовой смеси используется для подсушивания твердой фракции перед термохимической газификацией.

Данное техническое решение характеризуется более высоким выходом товарной энергии.

Основным недостатком аналога в силу указанных выше причин является высокий уровень капитальных затрат.

Другим недостатком является расходование значительной части, свободной энергии органического вещества - на генерирование низкокалорийного генераторного газа с энергосодержанием не более 3-4 МДж/м³.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является способ, согласно которому исходный органический субстрат (навоз или отходы механобиологической очистки сточных вод) подвергается анаэробной переработке с получением биогаза и эффлюента. Эффлюент сгущают до содержания сухого вещества не менее 50% и подвергают термохимической газификации с получением генераторного газа и золы. Генераторный газ пропускают через рабочее пространство анаэробного биореактора, при этом реализуются следующие преимущества комбинированного процесса:

- явная и скрытая теплота генераторного газа используется для нагревания субстрата и компенсации теплопотерь;

- основные компоненты генераторного газа - CO₂, СО и Н₂ (диоксид углерода, оксид углерода и водород) используются в качестве сырья для микробиологического синтеза целевого энергоносителя - метана (до 70% (об.) в составе биогаза).

Синтез осуществляется в соответствии с соотношениями:

1) 4Н₂+CO₂→СН₄+2H₂O;

2) 4СО+2H₂O→СН₄+3CO₂

(см. «Использование альтернативных энергетических источников в развитых капиталистических странах», под ред. проф. Михайлова А.И., М.: ВИНИТИ. 1983, СС. 22-23; Аркадьева З.А., Безбородов A.M., Блохина И.Н. и др. «Промышленная микробиология», под ред. Егорова Н.С., М.: Высшая школа, 1989).

Основными недостатками представленного способа являются:

- значительные затраты на изготовление (строительство) анаэробного биореактора в силу сравнительно низкой интенсивности анаэробного процесса в рассматриваемом диапазоне влажностей исходного субстрата (90-97%);

- необходимости использования (сжигания) некоторой части (до 20-30%) биогаза для поддержания термофильных условий в анаэробном биореакторе; в холодных климатических зонах данный показатель может быть и выше.

Дополнительным недостатком является сравнительно невысокое (до 60-75%) относительное содержание метана в биогазе, что ведет к снижению относительной энергетической эффективности процесса в целом.

Задачей данного изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

В результате использования предлагаемого изобретения снижаются объемы основного оборудования - биореакторов и, соответственно, капитальные затраты, повышается относительная энергетическая эффективность процесса в целом.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что исходный бесподстилочный навоз влажностью 90-97% и зольностью не более 40% подвергают аэробной переработке с получением биогаза и аммонизированного эффлюента. Эффлюент подвергают механическому разделению на твердую и жидкую фракции, твердую фракцию подвергают термохимической газификации с получением генераторного газа. Генераторный газ используют при анаэробной переработке для синтеза метана и в качестве теплоносителя. Разделение на жидкую и твердую фракции осуществляют после аэробной термофильной обработки с получением влажного кислородсодержащего газа. Анаэробной обработке подвергают жидкую фракцию в диапазоне температур 50-60°С. Влажный кислородсодержащий газ используют при термохимической газификации твердой фракции. Смесь биогаза и генераторного газа используют для отдувки аммиака из эффлюента, после чего пары аммиака конденсируют с получением аммиачной воды. Теплоту конденсации после термодинамической трансформации используют для снижения влажности твердой фракции перед термохимической газификацией. Тепловую энергию эффлюента после отдувки аммиака используют для предварительного нагрева бесподстилочного навоза.

Особенностью предлагаемого процесса является аэробный автотермический разогрев исходного субстрата до мезофильных температур (30-40°С). Так как при последующей газификации твердой фракции ее энтальпия существенно не влияет на энергетическую эффективность термохимического процесса, а энтальпия генераторного газа при его подаче в рабочее пространство анаэробного биореактора используется практически полностью для поддержания термофильного режима анаэробного процесса, то выбор указанного температурного диапазона аэробной предобработки может считаться оправданным.

Выбор мезофильного диапазона температур, достигаемых при аэробной предобработке, обусловлен расчетным балансом органического вещества и энергии в сопряженном процессе «термофильная анаэробная переработка - газогенерация - смешение субстрата (биомассы) и генераторного газа».

Помимо автотермического нагрева на аэробной стадии происходит перевод значительной части биоразлагаемого органического вещества в растворенную и тонкодисперсную форму.

Анаэробной переработке при этом подвергается жидкая фракция, с влажностью 97% и выше, что позволяет использовать в зависимости от вида субстрата различные типы анаэробных биореакторов проточного типа (с восходящим, нисходящим потоком, взвешенным слоем и т.п.) с прикрепленной биомассой.

Недостаточная степень гидролиза, в сравнении с аэробной термофильной обработкой, может быть компенсирована известными способами механической активации или путем рециркуляции части жидкой фракции.

Для достижения мезофильных температур требуется примерно вдвое меньший промежуток времени в сравнении с термофильным режимом (до 6 часов), что обуславливает соответствующее снижение объема и массы аэробного биореактора.

Многократное, до одного порядка, снижение объема анаэробного биореактора, обуславливается двумя основными факторами:

1) применением микрофлоры, иммобилизированной на современных высокопористых носителях (например, Flockor);

2) термофильным режимом обработки, интенсифицированным посредством подведения компонентов питания специализированной микрофлоры, содержащихся в генераторном газе.

Дополнительно повышается процентное содержание метана в биогазе (до 75-80%), увеличивается устойчивость анаэробного процесса по отношению к внешним факторам.

Повышение энергетической эффективности в основном обуславливается переходом низкокалорийных составляющих генераторного газа (СО, Н₂) в высококалорийную составляющую (CH₄) биогаза.

Применение мезофильного режима аэробной предобработки, снижение площади боковой поверхности анаэробного биореактора также способствуют выходу товарной энергии.

Выход генераторного газа увеличивается и его качество улучшается при снижении влажности твердой фракции с максимально достижимого при механическом обезвоживании уровня (65-70%) до обусловленного технологическим регламентом слоевой газогенерации с прямым процессом (30-45%). Снижение влажности обеспечивается посредством предварительной сушки твердой фракции, причем энергетическая эффективность сушки увеличивается посредством термодинамического преобразования скрытого и явного тепла двух парогазовых потоков: потока влажной смеси биогаза и генераторного газа с парами аммиака и потока отводимого из сушилки влажного воздуха. Пары аммиака образуются после его отдувки биогазом из эффлюента анаэробного биореактора. Так как оба парогазовых потока имеют высокую температуру (не менее 50°С) и насыщены по влаге, становится возможным использование компактных теплообменников - испарителей трансформатора тепловой энергии, при этом коэффициент преобразования составляет не менее 4-6.

Дополнительно энергетическая эффективность системы биологической и термохимической конверсии исходного субстрата увеличивается за счет использования насыщенного влагой кислородсодержащего газа, подаваемого из аэробного биореактора под колосники газогенераторной установки.

Депрессивный эффект, проявляющийся при локальном перегреве метаногенерирующей биомассы в процессе контакта с генераторным газом, незначителен, так как температура термохимического процесса снижается после анаэробной переработки; дополнительное снижение температуры обуславливается сравнительно высокой влажности газифицируемой твердой фракции эффлюента. Соответствующее снижение количества явной теплоты компенсируется эквивалентным повышением содержания водяных паров в генераторном газе.

Структурная схема реализации способа получения биогаза и удобрений из бесподстилочного навоза и других органических субстратов представлена на фигуре 1.

В соответствии со схемой, способ реализуется в объединенном посредством коммуникаций (продуктопроводов, газо-воздухопроводов, загрузочно-разгрузочных устройств) основном оборудовании: аэробном биореакторе 1, комбинированном механическом сгустителе 2, анаэробном биореакторе 3 и газогенераторе 4.

Отдувка аммиака, после соответствующей коррекции рН, осуществляется в отдувочной колонне 5 известной конструкции, см. патент США №6410283.

Сушка твердой фракции производится в конвективной сушилке 6 известной конструкции.

Охлаждение и конденсация из отдувочной парогазовой смеси (насыщенного парами биогаза) аммиака, а также охлаждение и конденсация паров воды из сушильного агента (воздуха) осуществляется в теплоутилизационном блоке 7, представляющем собой сочетание соответствующих теплообменников 7¹ и 7².

Теплоту охлаждения и конденсации после термодинамической трансформации в теплонасосной установке 8 используют в конвективной сушилке 6 для снижения влажности твердой фракции перед термохимической газификацией.

Биогаз, содержащий некоторое количество горючих и негорючих компонентов генераторного газа, накапливается перед последующей утилизацией (реализацией) в газохранилище 9.

Тепловая энергия эффлюента после отдувки аммиака используется для предварительного нагрева бесподстилочного навоза эффлюентом в регенеративном теплообменнике 10.

Согласно предлагаемому способу, исходный навоз или другой органический субстрат подвергается предварительному нагреву, например в зимний период эксплуатации, с 8-10 до 15-20°С и поступает в аэробный биореактор 1. В аэробном биореакторе 1 происходит воздействие находящейся в нем аэробной микрофлоры на биоразлагаемое органическое вещество, часть которого (4-8%) распадается с выделением тепловой энергии (до 21 МДж/кг распавшегося органического вещества). При этом происходит прирост биомассы, примерно соответствующий количеству распавшегося вещества, в силу чего влажность исходного навоза практически не меняется. Обработка осуществляется в условиях интенсивного перемешивания и аэрации, и сопровождается выделением диоксида углерода, который входит в состав отводимого газа наряду с непрореагировавшим кислородом парами воды и балластным газом - азотом. При достаточно высокой концентрации органического вещества (не менее 40 г/л) темп прироста температуры не менее 1,5-2°С/ч; скорость гидролиза существенно (в 1,5-2 раза) превышает аналогичный показатель для аноксидных и анаэробных условий.

Влажный кислородсодержащий газ направляется в реакционное пространство газогенератора 4, где его компоненты участвуют в реакциях образования основных компонентов генераторного газа:

3) С+CO₂→2СО;

4) С+1/2O₂→СО

5) С+2H₂O→H₂+СО,

частично (до 20-30%) замещая при этом штатное паровоздушное дутье.

Генераторный процесс в наиболее общем случае - слоевой прямого типа с подачей (предварительно подсушенной в сушилке 6) твердой фракции сверху через швель-шахту в расположенную снизу реакционную зону.

Источником органического углерода выступает бионеразлагаемая часть твердой фракции, состоящая в основном из лигнина, целлюлозы и лигноцеллюлозы.

Выделяющийся в количестве до 2-3 м³/кг сухого органического вещества генераторный газ обладает низкой калорийностью (2-5 МДж/м³), в силу чего он направляется не на энергетические цели, а используется в качестве «косубстрата» для биосинтеза по вышеприведенным зависимостям более энергоемкого (до 25 МДж/м) биогаза. Объем образовавшейся золы не превышает нескольких процентов от объема исходного субстрата. Непрореагировавшие компоненты генераторного газа (СО₂, СО, Н₂) входят в состав целевого энергоносителя - биогаза, несколько снижая его энергосодержание.

Подготовленный аэробно субстрат подвергается в типовом механическом сгустителе 2 (шнековом прессе, центрифуге) возможно глубокому разделению на фракции, с влажностью твердой фракции не более 70%. Жидкая фракция направляется на биологическую газификацию в анаэробный биореактор 3. Термофильный температурный уровень (50-60°С) анаэробного процесса достигается посредством введения в рабочее пространство анаэробного биореактора 3 генераторного газа. При этом, в соответствии с ранее приведенной стехиометрическими соотношениями осуществляется интенсификация процесса синтеза биогаза.

Полученный биогаз полностью является товарным и может использоваться в автономных ТЭЦ для генерирования электрической и тепловой энергии.

Обработанная в анаэробном биореакторе 3 жидкая фракция (эффлюент) обогащена аммонийным азотом (до 1,5 г/л), что делает рентабельным его рекуперацию. С этой целью в эффлюент водится щелочной реагент, например КОН, корректирующий значение рН до 10-11. Аммиак удаляется отдувкой посредством подаваемого в нижнюю часть отдувочной колонны биогаза в количестве до 3000 м³/м³ эффлюента. Степень рекуперации может достигать 95-99%.

Насыщенный парами влаги и аммиака биогаз направляется в теплообменник 7¹ теплрутилизационного блока 7, в котором происходит охлаждение и конденсация смеси аммиака и воды. Образующаяся аммиачная вода пригодна для последующего использования в качестве жидкого удобрения или других технических целей. Подготовленный таким образом биогаз направляется в газохранилище 9 любого известного типа. Охлаждение и конденсация паров воды из отводимого из сушилки 6 воздуха осуществляется в теплообменнике 7² теплоутилизационного блока 7.

Теплота охлаждения и конденсации в теплоутилизационном блоке 7 передается хладагенту теплонасосной установки 8 и после термодинамической трансформации в теплонасосной установке 8 используется в конвективной сушилке 6 для нагрева сушильного агента.

Освобожденный от аммиака стабилизированный и обеззараженный эффлюнет направляется на доочистку в аэробных искусственных или естественных условиях для последующего технического применения или сброса в окружающую среду, или, при соответствующем обосновании, используется для удобрительных поливов с/х культур.