Результат интеллектуальной деятельности: ЛИНИЯ УТИЛИЗАЦИИ НАВОЗА С ПОЛУЧЕНИЕМ БИОГАЗА И УДОБРЕНИЙ

Изобретение относится к сельскохозяйственному производству и может использоваться в системах получения обеззараженных и стабилизированных органических удобрений из бесподстилочного навоза, помета сельскохозяйственных животных и птицы.

Помимо сельского хозяйства данное изобретение может использоваться для переработки органических отходов коммунального хозяйства, например осадков и илов сооружений биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод и других органических полисубстратов, которые могут быть подвергнуты анаэробной переработке с получением биогаза.

В частности, предлагаемое изобретение относится к технологическим линиям, сооружениям и установкам анаэробной переработки (биоконверсии) концентрированных органических полисубстратов с получением обеззараженных и стабилизированных удобрений и биогаза, в первую очередь товарного, оснащенных средствами рекуперации физического тепла эффлюента. Наиболее эффективно данное техническое решение может применяться в условиях среднего и крупного непрерывного производства современного (высокотехнологичного) типа, оснащенного оборудованием заводского изготовления.

Известны устройства такого назначения, см. авт. св-во №1692951. Установка-аналог содержит анаэробный биореактор (метантенк), загрузка субстрата в который осуществляется через два последовательно включенных теплообменных аппарата, причем в первом по ходу субстрата теплообменном аппарате в качестве теплоносителя с низким температурным потенциалом используется эффлюент метантенка. Во втором по ходу субстрата теплообменном аппарате в качестве теплоносителя используется конденсирующийся хладагент теплового насоса. Охлажденный в первом теплообменном аппарате эффлюент служит дополнительным источником низкопотенциального тепла, которое, после повышения термодинамического потенциала в компрессоре теплового насоса, используется во втором теплообменном аппарате - конденсаторе теплового насоса для окончательного нагрева субстрата. Полученный в процессе анаэробной биоконверсии биогаз в основном является товарным. При коэффициенте преобразования теплового насоса на уровне 4-5 на каждые 3-4 кВт тепловой мощности, отводимой из биореактора с биошламом, может быть получено 4-5 кВт подводимой к исходному навозу тепловой мощности. При этом расходуется 1 кВт механической (электрической) мощности на приводе компрессора.

Основным недостатком данного технического решения является высокая техническая сложность и металлоемкость теплообменной системы рекуперации тепловой энергии, представляющей собой линейную совокупность рекуперативного теплообменника, конденсатора и испарителя теплового насоса. Использование проточного режима в сочетании с необходимостью достижения технологически обусловленных и экономически оправданных температурных напоров приводит к необходимости применения дорогостоящих и сложных в эксплуатации конструкций с развитыми поверхностями и/или значительным количеством ходов по субстрату (эффлюенту).

В случае значительных колебаний параметров исходного субстрата и окружающей среды системы рекуперации тепловой энергии может не обеспечить проектных показателей анаэробного процесса, что приведет к снижению выхода биогаза и ухудшению качества эффлюента.

Нарушение процесса теплопередачи в теплообменных аппаратах из-за образования отложений с малой теплопроводностью на трубном пучке со стороны осадка (субстрата) также может быть причиной нерасчетных режимов работы устройства в целом.

Другим недостатком является низкая интенсивность биохимических процессов в метантенке из-за наличия лимитирующих стадий метаногенеза, а также отсутствие средств предварительного сгущения эфлюента.

Основной недостаток рассмотренного выше устройства-аналога в известной степени устранен в техническом решении, приведенном в кн. авт. Баадера В., Доне Е. «Биогаз. Теория и практика». М.: Колос, 1982, с.44.

Исходный навоз через навозоприемник поступает в анаэробный биореактор - метантенк. Обработанный в анаэробном биореакторе навоз (биошлам) направляется в накопитель биошлама и в рециркуляционном режиме прокачивается через теплообменник-испаритель теплового насоса. Тепловая энергия от биошлама через легкокипящий теплоноситель после повышения температурного потенциала в компрессоре передается через теплообменник-конденсатор исходному навозу, циркулирующему через анаэробный биореактор - метантенк и теплообменник-конденсатор теплового насоса. Таким образом, тепловая энергия нагретого биошлама, отводимого из биореактора, используется для нагрева исходного навоза в непрерывном режиме. Применение рециркуляционных режимов в сочетании с демпфирующими емкостями позволяет избежать чрезмерного усложнения теплообменной аппаратуры, снизить вероятность технологических сбоев при нерасчетных режимах эксплуатации.

Основным недостатком данного устройства является низкая интенсивность биохимических, тепломассобменных и гидродинамических процессов, определяющих производительность технологической линии «навозоприемник - биореактор - накопитель биошлама (отстойник)». Продолжительность анаэробной обработки существенно возрастает из-за невозможности осуществления полноценного метаногенеза без получения ряда соединений, необходимых для жизнедеятельности метаногенов, осуществляемого другими группами анаэробного консорциума. В конечном итоге значительные капитальные затраты на изготовление метантенка, а также необходимость использования теплообменного оборудования кожухотрубного или спирального типов не позволяют широко использовать данное устройство на практике. Образование отложений на трубчатых теплообменных поверхностях со стороны навоза и биошлама приводит к существенным потерям тепловой мощности и в конечном счете к необходимости проведения дорогостоящих работ с соответствующей остановкой технологической линии.

Другим недостатком является необходимость применения сложного и дорогостоящего механического обезвоживающего оборудования.

Это связано с тем, что в процессе расслоения биошлама в отстойнике-накопителе устройства сгущенная фракция биошлама скапливается в нижней (осадочной) части аппарата. Из-за значительной концентрации анаэробных метаногенных микроорганизмов и наличия остаточного органического вещества субстрата в осадочной части развивается анаэробный процесс с выделением биогаза. Всплывающие пузырьки биогаза являются причиной резкого падения интенсивности процесса седиментации биошлама, так как развивается процесс встречного по отношению к гравитационному осаждению переноса твердой фазы за счет биофлотации. В результате продолжительность гравитационного уплотнения биошлама до приемлемой с технологической точки зрения влажности 93-95% может достигать 30 и более дней.

В итоге происходит увеличение массогабаритных характеристик накопителя-уплотнителя (отстойника), его объем становится сопоставимым с объемом метантенка, возникает необходимость применения дорогостоящего механического сгустительного оборудования.

Следствием рассмотренных процессов является увеличение в жидкой фракции содержания твердой фазы, что приводит к существенному увеличению нагрузки на последующие ступени очистки.

Следует также отметить, что применение газомоторного привода теплового насоса с системой утилизации тепловой энергии выхлопа и охлаждающей воды в средних и крупных установках, а также в ряде других случаев существенно эффективнее, чем использование электропривода.

Известно устройство для анаэробной переработки бесподстилочного навоза в биогаз и удобрения, наиболее близкое к предлагаемому техническому решению.

Согласно патенту РФ №2414443, исходный навоз с фермы поступает в навозоприемник и далее подается в анаэробный биореактор для предварительной обработки субстрата. Анаэробная переработка навоза осуществляется на данной стадии сообществом анаэробных микроорганизмов; при этом сложные исходные органические соединения - белки, жиры, углеводы - преобразуются в более простые: жирные кислоты, высшие спирты и другие соединения, в наилучшей степени пригодные для дальнейшей анаэробной переработки метаногенной группой организмов. Кроме того, в процессе обработки происходит гидролиз исходного твердого органического вещества с участием специфической гидролитической микрофлоры. Результатом является снижение доли крупных и мелких частиц и соответствующее увеличение доли растворенного и тонкодисперсного органического вещества.

Применение предварительной анаэробной обработки позволяет создать наилучшие условия для метаногенеза в основном анаэробном биореакторе - метантенке - и тем самым существенно повысить интенсивность процесса анаэробной переработки навоза, сократить в среднем в 1,5 раза суммарные объемы биореакторов.

Размещение в нижней части отстойника-накопителя теплообменника-испарителя теплового насоса приводит к резкому снижению температуры осажденной биомассы, и, как следствие, к соответствующему снижению остаточного газовыделения. В конечном счете достигается существенное преобладание гравитационного потока массы над флотационным, сокращается продолжительность процесса разделения биошлама на фракции, снижается концентрация взвешенных веществ в жидкой фракции биошлама, отводимой для дальнейшей очистки или утилизации.

Нагрев исходного навоза осуществляется путем непрерывной прокачки биомассы вдоль внутренней поверхности теплообменного аппарата-конденсатора теплового насоса. Размещение теплообменного аппарата внутри корпуса и его конструктивное исполнение в виде коаксиальной трубы большого диаметра позволяет существенно повысить компактность установки в целом и избежать интенсивного образования отложений на теплообменных поверхностях, что свойственно теплообменным аппаратам традиционного типа. Дополнительно снижается гидравлическое сопротивление гидравлического тракта. Выполнение пространства для конденсации хладагента теплового насоса в виде вертикально ориентированной полости внутри трубной стенки позволяет создать наилучшие условия для теплоотдачи со стороны конденсирующихся паров хладагента за счет организации пленочного режима, существенно облегчить эксплуатацию.

Основным недостатком устройства-прототипа является недостаточно надежная работа технологической линии при переходных режимах, колебаниях температуры, изменении подачи, концентрационных и реологических характеристик исходного навоза. В результате качественные показатели процессов кислотообразования, гидролиза и последующего метаногенеза ухудшаются. Выход биогаза падает, качество удобрений снижается. Соответственно, показатели процесса конденсации в контуре теплового насоса также ухудшаются, часть хладагента поступает к терморегулирующему вентилю в несконденсировавшемся виде, снижая тем самым коэффициент преобразования.

Другим недостатком является низкая интенсивность теплопередачи в системе «сгущенный эффлюент - хладагент» теплообменника-испарителя теплового насоса, что вызвано в основном преобладанием кондуктивных механизмов теплопередачи в нижней (сгустительной) части отстойника-накопителя. В конечном счете для компенсации низких коэффициентов теплопередачи требуются значительные поверхности теплообмена, соответственно ухудшаются массогабаритные характеристики отстойника-накопителя. Возникает локальное переохлаждение биошлама (эффлюента), в то время как значительная часть его массы остается неохлажденной. При падении теплоотвода от теплообменника-испарителя сверх некоторого критического значения в ходе процесса уплотнения возможен так называемый «влажный ход» теплового насоса из-за недоиспарения хладагента с последующим выходом компрессора из строя.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков. Техническим результатом от применения предлагаемого изобретения является повышение устойчивости процесса анаэробной переработки навоза в нерасчетных режимах эксплуатации при сохранении высоких показателей по выходу и составу товарного биогаза, качеству эффлюента. Снижается вероятность простоев линии.

Технический результат достигается тем, что линия утилизации навоза с получением биогаза и удобрений состоит из гидравлически связанных навозоприемника, первого анаэробного биореактора с теплообменником-конденсатором теплового насоса, второго анаэробного биореактора с теплообменником, отстойника-накопителя удобрений с теплообменником-испарителем теплового насоса. Теплообменник-конденсатор и теплообменник-испаритель связаны друг с другом посредством компрессора с газомоторным приводом на биогазе с образованием термодинамического контура теплового насоса. Теплообменник-конденсатор теплового насоса выполнен в виде вертикальной трубы с полыми стенками и размещен коаксиально внутри первого анаэробного биореактора. Теплообменник-испаритель теплового насоса выполнен в виде погружного змеевика и размещен в нижней части отстойника-накопителя удобрений. В теплообменнике второго анаэробного биореактора используется тепловая энергия охлаждающей жидкости и выхлопных газов газомоторного привода компрессора теплового насоса. Теплообменник второго биореактора выполнен аналогично теплообменнику-конденсатору. В навозоприемнике предусмотрен дополнительный теплообменник-конденсатор теплового насоса. В верхней части отстойника-накопителя предусмотрен дополнительный теплообменник-испаритель теплового насоса, выполненный в виде вертикальной трубы с полыми стенками. Теплообменник второго биореактора связан с газомоторным приводом компрессора теплового насоса посредством линии циркуляции теплоносителя с трехходовым регулирующим клапаном, тепловоспринимающий элемент которого размещен в рабочем пространстве дополнительного биореактора.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурой 1, на которой представлена принципиальная технологическая схема линии.

Линия утилизации навоза с получением биогаза и удобрений содержит навозоприемник 1, оснащенный типовыми средствами загрузки-разгрузки, удержания инородных крупных включений, перемешивания. Навозоприемник 1 помимо функции накопления и усреднения навоза обеспечивает также предварительный нагрев и дозированную подачу навоза в первый анаэробный биореактор 2. С этой целью в навозоприемнике 1 предусмотрен дополнительный теплообменник-конденсатор 3 теплового насоса и подающий трубопровод 4. Первый анаэробный биореактор 2 состоит из герметичного корпуса 5 с патрубками отведения субстрата 6 и газа (биогаза) 7, патрубка для подключения линии перемешивания 8, встроенного теплообменника-конденсатора 9 теплового насоса и циркуляционного насоса 10. Теплообменник-конденсатор 9 теплового насоса представляет собой вертикальную трубу с полой стенкой, связанной с контуром циркуляции 11 хладоносителя термодинамического контура теплового насоса. Первый анаэробный биореактор 2 посредством трубопровода 12 связан со вторым анаэробным биореактором 13, который конструктивно выполнен аналогично первому биореактору 2 и состоит из корпуса 14, снабженного патрубками 15 и 16 для отведения целевых продуктов - биошлама и биогаза соответственно, теплообменного аппарата 17 для компенсации теплопотерь в окружающую среду. Конструктивно теплообменный аппарат 17 выполнен аналогично теплообменнику-конденсатору 9 и связан посредством линии циркуляции теплоносителя 18 с трехходовым регулирующим клапаном 19, тепловоспринимающий элемент 20 которого размещен в рабочем пространстве дополнительного анаэробного биореактора 13.

Для перемешивания содержимого второго анаэробного биореактора 13 предусмотрен циркуляционный насос 21.

Второй анаэробный биореактор 13 посредством трубопровода 22 связан с отстойником-накопителем 23 биошлама (удобрений), в нижней (сгустительной) части 24 которого размещен теплообменник-испаритель 25 теплового насоса, выполненный в виде погружного змеевика. Нижняя часть 24 отстойника-накопителя 23 оснащена патрубком 26 для выгрузки твердой (сгущенной) фракции биошлама. Слив жидкой фракции (надосадочной жидкости) осуществляется через патрубок 27. В верхней части 28 отстойника-накопителя 23 предусмотрен дополнительный теплообменник-испаритель 29 теплового насоса, выполненный в виде вертикальной трубы с полыми стенками. Отведение газов осуществляется через патрубок 30.

Распределение хладоносителя между теплообменником-испарителем 25 и дополнительным теплообменником-испарителем 29 осуществляется посредством распределителя 31.

Распределение хладоносителя между теплообменником-конденсатором 9 и дополнительным теплообменником-конденсатором 3 осуществляется посредством распределителя 32.

Отбор хладоносителя от теплообменника-испарителя 25 и дополнительного теплообменника-испарителя 29 осуществляется посредством коллектора 33.

Отбор хладоносителя от теплообменника-конденсатора 9 и дополнительного теплообменника-конденсатора 3 осуществляется посредством коллектора 34.

Первый анаэробный биореактор 2 и второй анаэробный биореактор 13 связаны посредством газопровода 35 с газохранилищем 36. Газохранилище 36 связано с газомоторным приводом 37 компрессора 38 теплового насоса через газопровод 39. Для подачи товарного биогаза предусмотрен газопровод 40. Газомоторный привод 37 оснащен теплоутилизационным блоком 41, с которым он связан трубопроводами подачи 42 и отведения 44 охлаждающей жидкости и газопроводом 43 подачи выхлопных газов. Охлажденные выхлопные газы отводятся в атмосферу через выпускной тракт 45. Теплоутилизационный блок 41 посредством линии циркуляции теплоносителя 18 с трехходовым регулирующим клапаном 19 связан с теплообменным аппаратом 17 дополнительного биореактора 13. Тепловоспринимающий элемент 20 трехходового регулирующего клапана 19 размещен в рабочем пространстве дополнительного биореактора 13. Товарный теплоноситель по магистрали 46 направляется внешним потребителям.

С целью снижения теплопотерь в окружающую среду и увеличения доли товарного биогаза анаэробные биореакторы 2, 13 и отстойник-накопитель 23 могут быть снабжены теплоизоляцией 47, 48 и 49 соответственно.

Линия утилизации навоза с получением биогаза и удобрений функционирует следующим образом. Исходный субстрат (навоз) поступает в навозоприемник 1, в котором происходит отделение крупных инородных включений, таких как камни, щепа, соломистые включения, усреднение массы по составу и расходу, а также первичный нагрев до температур, близких к температуре анаэробного процесса. В случае необходимости навозопремник 1 может быть оборудован измельчителем и (или) перемешивающим устройством известных типов. Нагрев осуществляется при конденсации хладагента в дополнительном теплообменнике-конденсаторе 3 теплового насоса, который может быть выполнен в виде теплообменного регистра - плоского или спирального змеевика - или другой известной конструкции. Конструктивное оформление навозоприемника 1 может быть любым из применяемых на практике.

Из навозоприемника 1 через подающий трубопровод 4 подготовленный навоз в непрерывном или непрерывно-циклическом режиме поступает в первый анаэробный биореактор 2. В первом анаэробном биореакторе 2 в режиме интенсивного перемешивания циркуляционным насосом 10 осуществляются гидролиз и первичная анаэробная трансформация органического вещества с частичным переходом крупно - и среднедисперсного органического вещества в тонкодисперсную и растворенную форму, образованием летучих жирных кислот и газа. Газ состоит в основном из диоксида углерода и метана с преобладанием диоксида углерода. Обработка производится в аноксидных или анаэробных условиях в мезофильном (32°C≤t≤37°C) или термофильном (52°C≤t≤57°C) температурных режимах, которые обеспечиваются посредством встроенного в герметичный корпус 5 биореактора 2 теплообменника-конденсатора 9 теплового насоса. Перемешивание осуществляется по замкнутой схеме «патрубок 8 - встроенный теплообменник-конденсатора 9 - циркуляционный насос 10 - патрубок 6». Теплоносителем является хладагент, например хладон, конденсирующийся внутри полой стенки теплообменника-конденсатора 9 теплового насоса. Газообразные продукты метаболизма отводятся через патрубок 7. Продолжительность обработки навоза на данной стадии (фазе) - незначительная, от нескольких часов до 1-2 суток в зависимости от типа субстрата и особенностей ведения технологического процесса.

Из первого анаэробного биореактора 2 через трубопровод 12 подготовленный субстрат периодически или непрерывно поступает во второй анаэробный биореактор 13, в котором происходит основной цикл биологической конверсии значительной части (до 50%) органического вещества в биогаз и стабилизированное и обеззараженное удобрение - эффлюент. В составе рабочей биомассы преобладает метаногенный консорциум, потребляющий обогащенное жирными кислотами и гидролизованное органическое вещество субстрата. Биогаз может содержать до 70% метана. Эффлюент обладает повышенным содержанием аммиачного азота и малым соотношением C:N<10:1. Обработка ведется в условиях строгого анаэробиоза, периодического или постоянного перемешивания средней интенсивности, и стабильного температурного режима (мезофильного или термофильного). Перемешивание осуществляется по замкнутой схеме «теплообменный аппарат 17 - патрубок 15 - циркуляционный насос 21».

Увеличение или стабилизация температуры во втором анаэробном биореакторе 13 осуществляется посредством циркуляции биомассы вдоль теплопередающей поверхности теплообменного аппарата 17. Теплоноситель (например, вода) из теплоутилизационного блока 41 посредством линии циркуляции 18 подается через трехходовой регулирующий клапан 19 в полую стенку теплообменного аппарата 17, причем его расход регулируется трехходовым регулирующим клапаном 19 и контролируется тепловоспринимающим элементом 20, помещенным в биомассу. В связи с особыми требованиями к стабильности температурного режима теплопотери в окружающую среду минимизируются посредством теплоизоляции 48.

Анаэробная переработка на данной стадии (фазе) длится в течение 5-15 суток, в зависимости от типа субстрата и особенностей ведения технологического процесса.

Биогаз отводится в газохранилище 36 через патрубок 16 для последующей утилизации в газомоторном приводе 37 компрессора 38 теплового насоса или подачи внешним потребителям по газопроводу 40. Охлаждающая жидкость и выхлопные газы из газомоторного привода 37 поступают в теплоутилизационный блок 41 через трубопровод 42 и газопровод 43 соответственно. Охлаждающая жидкость по обратному трубопроводу 44 возвращается в газомоторный привод 37, а охлажденные выхлопные газы отводятся в атмосферу через выпускной тракт 45.Товарный теплоноситель по магистрали 46 направляется внешним потребителям.

Далее эффлюент из второго анаэробного биореактора 13 посредством трубопровода 22 направляется в отстойник-накопитель 23, в котором одновременно реализуются два основных целевых процесса - получение уплотненного эффлюента (биошлама) и передача части физического тепла эффлюента хладагенту, циркулирующему в контуре 11 теплового насоса.

Теплопередача происходит в нижней (сгустительной) части 24 в погружном теплообменнике-испарителе 25 теплового насоса отстойника-накопителя 23 и в верхней части 28 отстойника-накопителя 23 дополнительном теплообменнике-испарителе 29 теплового насоса. Конструкция дополнительного теплообменника-испарителя 29 предусматривает интенсивный (пленочный или конвективный) режим теплопередачи, реализуемый, выполненный вдоль поверхности вертикальной трубы с полыми стенками. В процессе теплопередачи хладагент внутри полой стенки вскипает и далее через коллектор 33 подается в компрессор 38 теплового насоса. Распределение хладагента между погружным теплообменником-испарителем 25 и дополнительным теплообменником-испарителем 29 осуществляется посредством распределителя 31 таким образом, чтобы поддерживалась необходимая для каждой из теплообменных поверхностей температура. Кроме того, перераспределение хладагента позволяет избежать нерасчетных режимов работы компрессора 38 вследствие его «влажного» хода, т.е. в отстойнике-накопителе 23 обеспечивается полное испарение хладагента. Сжатые пары хладагента подаются далее через распределительное устройство 32 в теплообменники - конденсаторы 9 и 3 теплового насоса для нагревания исходного навоза и стабилизации температурного режима в первом анаэробном биореакторе 2. Применение распределительного устройства 32 в совокупности с коллектором 34 позволяет осуществить необходимое переохлаждение хладагента и повысить тем самым к.п.д. термодинамического цикла.

Охлажденный таким образом эффлюент теряет способность к остаточной генерации биогаза, что в свою очередь позволяет достичь относительно высокой степени его уплотнения в нижней (сгустительной) части 24 перед выгрузкой через патрубок 26.

Сгущенная фракция (биошлам) используется в последующем для приготовления удобрений.

Осветленная жидкая фракция (надосад очная жидкость) через патрубок 27 отводится на доочистку или переработку. Газы, выпускаемые через через патрубок 30, могут сжигаться совместно с биогазом или отводиться на очистку.