Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ В ГАЗООБРАЗНЫЕ ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ И УДОБРЕНИЯ

Предлагаемое изобретение относится к области утилизации органических субстратов, не представляющих ценности в качестве исходного сырья для приготовления продукции с высокой добавленной стоимостью, в первую очередь органических удобрений. К таким субстратам можно отнести осадки сооружений очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, загрязненные токсическими веществами, бесподстилочный навоз с животноводческих ферм, не располагающих значительными площадями сельскохозяйственных угодий, пригодных для непосредственной агротехнической утилизации навоза.

Более конкретно, изобретение относится к способам переработки органических субстратов с получением безопасного в экологическом и санитарном отношении зольного остатка и газообразных энергоносителей, которые образуются при биологической газификации биоразлагаемого органического вещества отходов и термической (термохимической) газификации биологически неразлагаемого органического вещества, а также органических удобрений.

Известна группа способов, направленных на переработку органических субстратов с использованием вышеупомянутых процессов.

Исходный субстрат поступает в анаэробный биореактор-метантенк, в котором происходит распад основной части биоразлагаемого органического вещества с выделением газообразного энергоносителя - биогаза. Биогаз сжигается в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) когенерационной установки, при этом генерируется электрическая и тепловая энергия. Обработанные в анаэробном биореакторе отходы направляются в аэробный биореактор, в котором в условиях непрерывной аэрации происходит саморазогрев биомассы до температуры 50-60°С, сопровождающийся ее частичным обеззараживанием и стабилизацией. Остаточное тепло биомассы расходуется на нагрев исходной порции отходов, окончательный нагрев порции осуществляется теплоносителем (водой) из рубашки ДВС (патент WO 2004035491, кл. C02F 11/02). Основными недостатками данного способа являются недостаточно высокий термический кпд, т.к. теплота продуктов сгорания биогаза никак не используется; значительный объем остатка (биошлама); недостаточная экологичность из-за выбросов неочищенных газообразных продуктов аэробного процесса в атмосферу.

В известной степени перечисленные недостатки устранены в техническом решении, представленном в статье Y.Y.Li et al. "Ecological analysis of the bacterial system in a full scale egg-shaped digester, treating sewage sludge", Water Science Technology, V36, №67.

Исходный субстрат поступает в анаэробный биореактор-метантенк и подвергается в нем биологической газификации. Образовавшийся биогаз сжигается в ДВС когенерационной установки, при этом нагрев исходных отходов осуществляется теплоносителем из рубашки ДВС. Остаточная биомасса подвергается механическому обезвоживанию, образовавшаяся при этом твердая фракция (кек) сжигается с образованием компактного зольного остатка.

Основным недостатком данного способа является необходимость подсушивания механически обезвоженного остатка, на что расходуется некоторое количество биогаза. Данное решение, значительно снижающее энергетический кпд способа, вызвано тем, что самоподдерживающееся горение органического остатка происходит при его влажности менее 60%, что труднодостижимо в рамках данного технического решения из-за неудовлетворительных водоотдающих характеристик при механическом обезвоживании. Продукты сгорания, образующиеся при сжигании, в совокупности с сушильными газами загрязняют атмосферу, т.к. содержат диоксины и другие токсичные вещества.

Наиболее близким к заявляемому способу является техническое решение согласно патентному документу Японии B₄ (II) 4-46199, кл. C02F 11/12, патентообладатель фирма Эбара инфируко К.К.

Согласно прототипу исходный субстрат подвергается анаэробной обработке в метантенке с получением биогаза и частично стабилизированного и обеззараженного продукта - эффлюента.

Эффлюент направляется на дальнейшую стабилизацию и обеззараживание в аэробный биореактор и далее на механическое обезвоживание. Часть находящегося в аэробном биореакторе биошлама, нагретого до 50-60°С, направляется в качестве теплоносителя в метантенк. Образовавшаяся при механическом обезвоживании твердая фракция подвергается термической утилизации путем сжигания.

Газообразные продукты при этом направляются в контактный теплообменник - скруббер, в который подается биошлам из аэробного биореактора. Далее биошлам направляется в метантенк в качестве теплоносителя и снова в аэробный биореактор.

Представленное техническое решение обладает следующими преимуществами перед аналогами: газообразные продукты сгорания благодаря контакту с активной биомассой освобождаются от основной части опасных для окружающей среды и людей веществ; обработка эффлюента метантенка в аэробном биореакторе позволяет существенно улучшить его водоотдающие свойства, что в конечном счете приводит к некоторому повышению энергетического кпд способа. Этому способствует также утилизация тепловой энергии газообразных продуктов сгорания твердой фракции.

Основными недостатками прототипа являются необходимость использования части биогаза для поддержания процесса горения твердой фракции биошлама, а также высокая стоимость и низкие эксплуатационные качества теплообменной аппаратуры метантенка. Причиной указанных недостатков являются недостижимость при мехобезвоживании влажности твердой фракции, обеспечивающей автотермический процесс горения, и неудовлетворительные реологические и гранулометрические показатели биошлама при относительной влажности до 98%, соответственно, что существенно затрудняет его применение как теплоносителя и ухудшает условия эксплуатации теплообменной аппаратуры.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, что позволит повысить энергетическую эффективность процесса утилизации, снизить стоимость и улучшить эксплуатационные показатели основного - анаэробного - процесса.

В предлагаемом техническом решении в качестве теплоносителя для стабилизации наиболее важного технологического показателя анаэробного процесса - температуры биомассы - используется теплоноситель (жидкая фракция) с влажностью не менее 98%, при которой его плотность составляет 1005 кг/м³ и динамическая вязкость 0,01 Па*с (при обработке бесподстилочного навоза). Для сравнения, при влажности биошлама 96%, что в среднем соответствует влажности биомассы при проведении анаэробного процесса в биореакторе-прототипе, плотность составляет 1010 кг/м³, вязкость - 0,3 Па*с.

Рассмотрим утилизацию продуктов жизнедеятельности фермы КРС и поселка городского типа в количестве М=22 т/сут; количество эффлюента при реализации устройства-прототипа М_Э≈21,4 т/сут, что соответствует циркуляционному расходу в теплообменном регистре биореактора (после подогрева в аэробном биореакторе) V_Э=V_T=0,87 м³/ч.

Значение критерия Рейнольдса Re, рассчитанное по формуле

Re=W*d_т*ρ/µ

при скорости циркуляции W=0,7 м/с и диаметре трубы греющего регистра d_т=50 мм, составит Re₂=118 (ламинарный режим).

Для предлагаемого изобретения Re₁=3517 (режим турбулентный).

Рассчитанные по известным критериальным зависимостям коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителя - биошлама, составляют для принятых условий α₁=527 Вт/м²∙К и α₂=103 Вт/м²∙К.

При, толщине стенки стальной трубы δ=3,5 мм и коэффициенте теплоотдачи со стороны биомассы (α_бм=60 Вт/м²∙К коэффициенты теплопередачи составят K₁=53 Вт/м²∙К и K₂=38 Вт/м²∙К.

При теплопотерях метантенка Q_П=18 кВт, начальной температуре эффлюента (после обработки дымовыми газами) t_Э=80°С и мезофильном режиме площади теплообменного регистра составят для предлагаемого устройства и прототипа F₁=9 и F₂=13 м², что соответствует снижению металлоемкости примерно на 40%. Пропорционально уменьшатся и потери на трение по длине при прокачке биошлама по трубному пространству.

Также известно, что теплота сгорания рабочей массы органических субстратов снижается по мере повышения их влажности. Для условий прототипа, при φ=75% Q_СГ=1,5 МДж/кг, что существенно ниже данного показателя для автотермического процесса (Q_СГ ^АТ=3,76-7,53 МДж/кг). Для приведенных выше условий при массе эффлюента М_Э=21,41 т/сут условная тепловая мощность сжигания составит не более Q_Э=300 кВт, в то время как только для испарения влаги необходимо израсходовать Q_ВЛ=541 кВт. Таким образом, необходимо израсходовать до 900 м³ биогаза в сутки, что близко к практическому пределу его выхода для данного примера.

Для предлагаемого технического решения, даже при исключении дополнительных субстратов (типа древесины, торфа) для процесса газогенерации, товарная мощность биогаза и генераторного газа составит до 176 кВт.

Таким образом, технический результат заключается в уменьшении массы теплообменного оборудования, снижении энергетических затрат на прокачку теплоносителя в метантенке, устранении или существенном снижении расхода биогаза на собственные нужды процесса утилизации.

Технический результат достигается тем, что исходный субстрат подвергают последовательно анаэробной обработке с получением биогаза, аэробной обработке с получением легкоосажегося биошлама и кислородосодержащего газа, разделению на фракции с получением жидкой и твердой фракций с последующей термической утилизацией твердой фракции с получением зольного остатка и газообразных продуктов. Тепловую энергию биошлама используют для регулирования температурного режима анаэробной обработки после его контакта с газообразными продуктами термической утилизации. Термическую утилизацию проводят в режиме газификации с использованием кислородосодержащего газа и с получением газообразных продуктов в виде генераторного газа. Для регулирования температурного режима анаэробной обработки и влажности твердой фракции используют тепловую энергию жидкой фракции биошлама. Жидкую фракцию биошлама затем последовательно подвергают дополнительной анаэробной обработке и стриппингу. Аммиачную воду используют для приготовления органических удобрений.

Для регулирования влажности твердой фракции перед газификацией могут быть использованы дополнительные газифицируемые отходы с пониженной влажностью.

Использованную жидкую фракцию подвергают анаэробной обработке с получением биогаза.

Сущность предлагаемого способа поясняется фигурой, на которой представлена структурная схема процесса.

Исходный субстрат поступает в анаэробный биореактор - метантенк 1, в котором происходит анаэробная переработка части органического вещества отходов в биогаз, энергосодержание которого составляет не менее 21 МДж/м³. Температурный режим метантенка 1 при этом поддерживается посредством теплообменного регистра 2.

Биогаз отводится в газохранилище 3, откуда по крайней мере меньшая часть поступает в когенерационную установку 4, вырабатывающую электрическую и тепловую энергию для внешних потребителей. Нераспавшаяся часть отходов - эффлюент - поступает на аэробную обработку в аэробный биореактор 5, в который подается воздух. В результате аэробной обработки температура эффлюента поднимается до 50°С. Образовавшийся легкоосажийся субстрат - биошлам - направляется в сепаратор 6, в котором осуществляется разделение на твердую и жидкую фракции. Для увеличения эффективности разделения сепаратор может быть выполнен двухступенчатым. Твердая фракция после подсушки до влажности не выше 45% в сушилке 7 направляется в газогенератор 8, где перерабатывается в зольный остаток, масса которого не превышает 3% от первоначальной, и генераторный газ с калорийностью 3-5,5 МДж/м³. Генераторный газ после доочистки в узле доочистки 9 направляется в газохранилище 3, зольный остаток депонируется. В качестве дополнительного топлива для газогенератора может использоваться любой другой тип газифицируемых отходов (ТБО, древотходы, растительные остатки) с пониженной влажностью. В этом случае сушилка 7 может не использоваться. Аналогично при ступенчатом сгущении до влажности менее 60% сушилка не требуется.

Жидкая фракция из сепаратора 6 направляется в скруббер 10, в котором происходит прямой контакт с влажным и загрязненным генераторным газом. В результате контакта жидкая фракция нагревается до 50-80°С и становится пригодной для использования в качестве теплоносителя для регулирования температурного режима метантенка 1 посредством ее подачи в регистр 2.

Вторичного загрязнения генераторного газа органическими продуктами практически не происходит, т.к. жидкая фракция эффлюента после двухступенчатой биохимической стабилизации содержит незначительное количество нестабильных органических веществ. Часть жидкой фракции может направляться в сушилку 7. Генераторный газ как низкокалорийный и загрязненный энергоноситель может утилизироваться в котле-утилизаторе когенерационной установки 4, биогаз - по крайней мере частично использоваться для получения электроэнергии и теплоносителя путем сжигания в двигателе внутреннего сгорания, приводящем в действие электрогенератор. Расчетное значение интегрального термического кпд процесса η_t=80-85%.

В том случае, если в качестве дополнительного топлива в газогенераторе 8 используется топливо с высоким содержанием летучих веществ (например, торф), жидкая фракция на выходе из скруббера 10 будет иметь высокую (до 20 г/л) концентрацию растворенных органических загрязнений, что делает целесообразным использование анаэробной постобработки в аппарате с прикрепленной микрофлорой, например анаэробном биофильтре 11. Обогащенный аммонийным азотом эффлюент биофильтра 11 после парового стриппинга (отдувки) в аппарате 12 подается на доочистку, аммиачная вода с концентрацией аммиака не менее 20% поступает в смеситель 13 и используется для приготовления аммонифицированных органических удобрений. В качестве наполнителя (поглотителя) может использоваться торф. Пар вырабатывается в стандартном парогенераторе или котле-утилизаторе 14, действующем на генераторном газе или выхлопных газах когенерационной установки 4. Метан биогаза, после отделения от диоксида углерода, по крайней мере частично подвергают сжатию или сжижению в газонаполнительной станции 15 и поставляется внешним потребителям. Тепловая энергия эффлюента используется для нагревания исходного субстрата в теплообменнике 16; охлажденный эффлюент направляется на доочистку в соответствующие сооружения с естественным (биопруды, лагуны) или искусственным (аэротенки, биофильтры) биохимическим циклом.