Система комплексной переработки органических отходов
Полезная модель относится к области биохимической технологии, более конкретно, к устройствам для переработки органических отходов в биогаз и может найти применение при комплексной переработке муниципальных отходов, отходов лесопереработки и фермерских хозяйств для получения товарных количеств целевых продуктов и их использования, в том числе, в качестве удобрений и альтернативного газового энергоносителя, содержащего метан и водород. Решаемой задачей является создание эффективной системы экологически чистой комплексной биохимической переработки органических отходов различной природы с использованием анаэробных технологий их разложения и мембранной газоразделительной техники для получения коммерческих количеств целевых продуктов, используемых в качестве удобрений и компонентов биогаза, содержащих ценные альтернативные энергоносители метан и водород, а также другие полезные производные, в том числе, диоксид углерода. Указанная задача решается тем, что в системе комплексной переработки органических отходов, содержащей средства подготовки отходов и вывода продуктов переработки, реакторный блок для выработки биогаза, блок газоразделения, трубопроводную и запорную арматуру, аппаратуру контроля и управления, согласно полезной модели, реакторный блок содержит средства для поддержания уровня рабочих температур и концентрации газов в массе отходов, выход реакторного блока по биогазу соединен через блоки осушки, очистки и накопительный приемник с входом блока газоразделения, включающего, по крайней мере, один мембранный контакторный модуль для селективного выделения из биогаза метана, диоксида углерода и дополнительных компонентов. Кроме того, реакторный блок может быть выполнен в виде вертикально установленной емкости в форме тела вращения и снабжен осевой мешалкой с пневмоприводом, теплообменной рубашкой, полость которой соединена патрубками с водонагревателем, средствами для подачи в емкость навески штаммов бактерий и профилактической очистки рабочего объема, причем средства подготовки отходов могут содержать измельчитель, смеситель и насос для подачи отходов в нижнюю часть емкости реакторного блока. Кроме того, реакторный блок системы может быть выполнен в виде, по крайней мере, двух вертикально установленных емкостей с общими средствами подготовки и подачи в них отходов, общим водонагревателем и общими средствами для вывода газовых, жидких и твердых продуктов переработки. Кроме того, средства для поддержания концентрации газов в массе отходов в рабочем объеме реакторного блока могут быть выполнены с использованием устройств механической, воздушной, вакуумной или ультразвуковой дегазации.
Кроме того, блок газоразделения может содержать первый контакторный модуль биогаз-воздух, соединенный по биогазу с сдвоенным рециркуляционным контакторным модулем, включающем абсорбер биогаз-вода и десорбер вода-воздух, причем тракт абсорбера и десорбера по воде может быть замкнутым и включать нагреватель, холодильник и насос. Кроме того, накопительный приемник может содержать эластичную емкость для приема биогаза, размещенную внутри металлического сосуда в форме цилиндра, объем которого соединен с воздушным компрессором для регулируемой подачи биогаза в блок газоразделения. Кроме того, реакторный блок, блоки газоразделения, осушки, очистки и накопительный приемник, кроме основных, могут иметь дополнительные входные и выходные патрубки и элементы запорной арматуры, аппаратуры контроля и управления, в том числе, для отработки режимов и увеличения функциональных возможностей системы. Описание на 7 л, ф-ла 7 пп., фиг. на 1 л.
Полезная модель относится к области биохимической технологии, более конкретно, к устройствам для переработки органических отходов в биогаз и может найти применение при комплексной переработке муниципальных отходов, отходов лесопереработки и фермерских хозяйств для получения товарных количеств целевых продуктов и их использования, в том числе, в качестве удобрений и альтернативного газового энергоносителя, содержащего метан и водород.
Известен комплекс для переработки органических отходов сельского хозяйства, содержащий реакторный блок сбраживания отходов для выработки биогаза и газоразделительный блок (см. Андрюхин Т.Я., Свириденко Н.К., Савельев Ю.В. и др. Рециркуляционное анаэробное сбраживание отходов сельского хозяйства с выработкой биогаза. Биотехнология, т.5, №2, 1989 г., с.219).
Недостатком известного устройства является сравнительно низкая эффективность реакторного и газоразделительного блоков, связанная с отсутствием комплекса средств контроля и управления процессами переработки отходов, очистки и разделения биогаза на компоненты.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является система комплексной переработки органических отходов, содержащая реакторный блок для выработки биогаза, газоразделительный блок, трубопроводную и запорную арматуру, средства контроля и управления (см. Панцхава Е.С., Биогазовые технологии - радикальное решение проблем экологии, энергетики и агрохимии. Теплоэнергетика, 1994, №4, с 36 - прототип).
К недостаткам известной системы комплексной переработки органических отходов следует отнести несовершенство имеющихся средств управления термодинамическими параметрами процесса анаэробного разложения отходов различного происхождения и малую глубину газоразделения исходного биогаза для получения товарных количеств целевых продуктов, в том числе, метана и диоксида углерода с отделением токсичных веществ, например, сероводорода.
Решаемой задачей является создание эффективной системы экологически чистой комплексной биохимической переработки органических отходов различной природы с использованием анаэробных технологий их разложения и мембранной газоразделительной техники для получения коммерческих количеств целевых продуктов, используемых в качестве удобрений и компонентов биогаза, содержащих ценные альтернативные энергоносители метан и водород, а также другие полезные производные, в том числе, диоксид углерода.
Указанная задача решается тем, что в системе комплексной переработки органических отходов, содержащей средства подготовки отходов и вывода продуктов переработки, реакторный блок для выработки биогаза, блок газоразделения, трубопроводную и запорную арматуру, аппаратуру контроля и управления, согласно полезной модели, реакторный блок содержит средства для поддержания уровня рабочих
температур и концентрации газов в массе отходов, выход реакторного блока по биогазу соединен через блоки осушки, очистки и накопительный приемник с входом блока газоразделения, включающего, по крайней мере, один мембранный контакторный модуль для селективного выделения из биогаза метана, диоксида углерода и дополнительных компонентов.
Кроме того, реакторный блок может быть выполнен в виде вертикально установленной емкости в форме тела вращения и снабжен осевой мешалкой с пневмоприводом, теплообменной рубашкой, полость которой соединена патрубками с водонагревателем, средствами для подачи в емкость навески штаммов бактерий и профилактической очистки рабочего объема, причем средства подготовки отходов могут содержать измельчитель, смеситель и насос для подачи отходов в нижнюю часть емкости реакторного блока.
Кроме того, реакторный блок системы может быть выполнен в виде, по крайней мере, двух вертикально установленных емкостей с общими средствами подготовки и подачи в них отходов, общим водонагревателем и общими средствами для вывода газовых, жидких и твердых продуктов переработки.
Кроме того, средства для поддержания концентрации газов в массе отходов в рабочем объеме реакторного блока могут быть выполнены с использованием устройств механической, воздушной, вакуумной или ультразвуковой дегазации.
Кроме того, блок газоразделения может содержать первый контакторный модуль биогаз-воздух, соединенный по биогазу с сдвоенным рециркуляционным контакторным модулем, включающем абсорбер биогаз-вода и десорбер вода-воздух, причем тракт абсорбера и десорбера по воде может быть замкнутым и включать нагреватель, холодильник и насос.
Кроме того, накопительный приемник может содержать эластичную емкость для приема биогаза, размещенную внутри металлического сосуда в форме цилиндра, объем которого соединен с воздушным компрессором для регулируемой подачи биогаза в блок газоразделения.
Кроме того, реакторный блок, блоки газоразделения, осушки, очистки и накопительный приемник, кроме основных, могут иметь дополнительные входные и выходные патрубки и элементы запорной арматуры, аппаратуры контроля и управления, в том числе, для отработки режимов и увеличения функциональных возможностей системы.
Такое выполнение системы переработки органических отходов позволяет решить задачу создания достаточно эффективной системы экологически чистой комплексной биохимической переработки органических отходов, в том числе, зеленой массы, отходов сельского хозяйства, животноводческих ферм и лесопереработки, водных растворов лактата, малата и другого органического сырья с получением товарных количеств биогаза и конечных целевых продуктов, в том числе, энергоносителей метана и водорода, ценных производных в виде твердых и жидких удобрений, а также диоксида углерода, аммиака, сероводорода и др.
Система комплексной переработки органических отходов, оснащенная биогазовым реакторным блоком указанной конструкции, для психрофильного (уровень рабочих температур 17-19°С), мезофильного (33-35°С) или термофильного (50-55°С) анаэробного разложения органических отходов, позволяет в периодическом или непрерывном режимах генерировать значительные количества сырого биогаза сложного состава с возможностью последующей эффективной переработки в целевые продукты и попутным использованием жидких и твердых остатков переработки в качестве удобрений. Предложенное выполнение реакторного блока и вспомогательных средств системы обеспечивает необходимый уровень жизнедеятельности, содержащихся и привносимых в отходы продуцентов в виде штаммов бактерий с необходимыми свойствами.
Другие составляющие системы комплексной переработки в виде блоков осушки и очистки биогаза, приемника с эластичной емкостью и блока газоразделения, включающего указанные контакторные модули с селективными мембранами, обеспечивают в реальном масштабе времени эффективное отделение метана, диоксида углерода и дополнительных компонентов по всему спектру расходов получаемого в реакторном блоке сырого биогаза.
Дополнительные модификации системы с реакторным блоком в виде двух или более вертикально установленных емкостей с общими средствами подготовки и подачи в них отходов, общим водонагревателем и общими средствами для вывода газовых, жидких и твердых продуктов переработки и устройствами механической (воздушной, вакуумной, ультразвуковой) дегазации, а также указанное выполнение селективного газоразделительного блока с рециркуляционным контакторным модулем для работы в прямоточном и/или противоточном режимах движения биогаза и абсорбирующего агента дополнительно позволяют повысить выход и чистоту конечных продуктов переработки.
На фиг.1 представлена принципиальная блок-схема системы комплексной переработки органических отходов животноводческих ферм.
Система комплексной переработки органических отходов животноводческих ферм содержит реакторный блок, выполненный в виде двух вертикально установленных емкостей 1, 2 для выработки сырого биогаза с общими средствами подготовки и подачи в них отходов, включающих емкость 3 для первичных отходов, измельчитель 4 отходов, смеситель 5 отходов с водой и фекальный насос 6 для подачи подготовленных отходов в емкости 1, 2 реакторного блока, которые имеют общий электрический водонагреватель 7 для поддержания в рабочем объеме емкостей необходимого уровня рабочих температур.
Выходы емкостей 1, 2 реакторного блока по биогазу через блок 8 осушки, блок 9 очистки и накопительный приемник 10 с эластичной емкостью 11 соединены с входом блока газоразделения, включающего первый контакторный модуль 12 (биогаз-воздух), и сдвоенный рециркуляционный контакторный модуль, содержащий абсорбер 13 (биогаз-вода) и десорбер 14 (вода-воздух) для селективного разделения биогаза на смесь воздуха с диоксидом углерода и целевого продукта метана с дополнительными компонентами. Воздушный компрессор 15 обеспечивает необходимое давление воздуха в сосуде накопительного приемника 10 для подачи биогаза из эластичной емкости 11 в газоразделительный блок. Кроме того, компрессор 15 предназначен для подачи воздуха в соответствующие мембранные узлы модуля 12 и десорбера 14, а также в другие агрегаты системы, в том числе, для их продувки.
Водяная емкость 16 обеспечивают подачу воды в контур сдвоенного рециркуляционного контакторного модуля, а насос 17 предназначен для прокачки воды через мембранную систему абсорбера 13 и десорбера 14. Центральные патрубки в нижней части емкостей 1, 2 реакторного блока предназначены для вывода жидких отходов после переработки в сборник 18, а затем в сборник 19 твердых отходов. Газообразные продукты из блока газоразделения поступает в магистраль 20 для отправки потребителю. Емкости 1, 2 реакторного блока снабжены осевыми мешалками 21 с пневмоприводами 22 и теплообменными рубашками 23, полость которых соединена патрубками с общим электрическим водонагревателем 7. Водяной тракт рециркуляционного контакторного модуля содержит теплообменники 24 и 25 для охлаждения циркулирующей воды перед абсорбером 13 и ее нагрева перед десорбером 14. Агрегаты подготовки первичных отходов и вывода переработанных отходов из емкостей 1, 2 реакторного блока выполнены с возможностью перемещения между емкостями 1 и 2 для их попеременного обслуживания по мере выработки биогаза.
Реакторный блок, блоки газоразделения, осушки, очистки и накопительный приемник, кроме основных, могут иметь дополнительные входные и выходные патрубки, в том числе, для промывки и просушки, смотровые лючки и др. (не показаны). Основные агрегаты системы 1, 2, 8, 9, 10, 12, 13, 14, а также агрегаты подготовки отходов и их вывода из реакторного блока размещены в отдельных помещениях, снабженных приточно-вытяжной вентиляцией, оборудованием по классу взрывобезопасной зоны, а также коммуникациями для предотвращения неконтролируемых накоплений и утечек биогаза (не показаны).
Система комплексной переработки органических отходов животноводческих ферм функционирует следующим образом.
Предварительно емкости 1, 2 реакторного блока промывают водой из емкости 16 и продувают воздухом от компрессора 15, заполняют блок осушки 8 силикагелем для снижения относительной влажности сырого биогаза, а блок 9 очистки - цеолитом типа NaX для удаления из осушенного биогаза основных примесей H 2S.
Из емкости 3, предварительно заполненной отходами животноводческой фермы, навоз подается с помощью транспортирующего устройства в измельчитель 4 отходов для их подготовки к подаче в смеситель 5. В смесителе 5 отходы в необходимом соотношении смешивают с водой из емкости 16 и с помощью фекального насоса 6 поочередно подают в емкости 1, 2 реакторного блока по мере выработки биогаза в каждой из них. Первоначально загружают одну из емкостей 1, 2 и обеспечивают перемешивание массы отходов в рабочем объеме с помощью мешалки 21, имеющей пневмопривод 22 от компрессора 15. Одновременно включают электроподогрев водонагревателя 7 и подают через соответствующие патрубки горячую воду в рубашку 23 данной емкости, обеспечивая необходимый подогрев массы отходов для анаэробного разложения органического сырья.
В предложенной системе возможно проведение технологической переработки различных органических субстанций с помощью термофильного и мезофильного анаэробного разложения отходов с получением метана или анаэробного продуцирования водорода с использованием фототрофных микроорганизмов, в том числе, пурпурных, циановых или зеленых бактерий.
Для поддержания их жизнедеятельности и ускорения процесса образования биогаза необходимо периодически или постоянно удалять газ из всей массы перерабатываемого сырья для ликвидации зон с пересыщенным содержанием биогаза вблизи гранул с иммобилизованными на них бактериями. Удаление этих зон в данной системе обеспечивается за счет организации конвективных потоков при интенсивном механическом перемешивании сырья мешалками. В ряде случаев, более эффективно для этой цели использовать вакуумную откачку или ультразвуковую дегазацию перерабатываемого сырья, возможно также совместное использование указанных способов удаления газа из массы сырья.
По мере выпуска сырого биогаза поочередно из емкостей 1 или 2 реакторного блока он под естественным давлением, превышающем атмосферное, поступает в блок 8 его осушки силикагелем для снижения относительной влажности сырого биогаза до 30%, а затем в блок 9 очистки цеолитом типа NaX для удаления из осушенного биогаза основных примесей H2S. Затем осушенный и очищенный от H2S биогаз поступает в эластичную емкость 11 накопительного приемника 10 с перекрытым выходом на блок газоразделения. По мере заполнения емкости 11 биогазом, при перекрытом поступлении воздуха в объем накопителя 10 от компрессора 15 и открытом выпускном клапане (не показан), указанная эластичная емкость увеличивается до заданного объема. Затем открывают выходной вентиль из емкости 11 на блок газоразделения и одновременно через регулируемый дроссель осуществляют напуск воздуха в объем приемника 10 для регулируемого выпуска биогаза через первый контакторный модуль 12 (биогаз-воздух) на абсорбер 13 (биогаз-вода) и затем в тракт 20 для отправки потребителю.
Первый контакторный модуль 12 и сдвоенный рециркуляционный контакторный модуль, содержащий абсорбер 13 и десорбер 14 предназначены для селективного разделения поступающего биогаза на диоксид углерода и целевой продукт метана с дополнительными компонентами. При этом в противоточном мембранном контакторном модуле 12 осуществляется очистка биогаза от диоксида углерода за счет его селективного проникновения через развитую поверхность полимерной мембраны в поток воздуха от компрессора 15. Уходящий воздух с высоким содержанием диоксида углерода впоследствии может использоваться, например, в тепличном хозяйстве.
Очищенный от H2S и от СO 2 биогаз поступает в противоточный абсорбер 13 для отделения остатков диоксида углерода за счет абсорбции данного газа в поток воды, отделенной от потока биогаза полимерной мембраной с последующим его выделением из воды за счет его десорбции в поток воздуха в противоточном десорбере 14. Все три модуля газоразделительного блока выполнены в виде сборок из плоскорамных элементов таким образом, что в каждой сборке имеются чередующиеся полости, разделенные мембранами, между которыми сформированы тонкие зазоры для пропускания биогаза, воздуха и воды. Толщина полимерных мембран, их материал и толщина указанных зазоров выбраны из условий того, что время диффузии молекул отделяемого газа поперек зазора должно быть не больше времени движения элемента объема воды вдоль зазора и составляет величину порядка десятых долей мм.
Воздушный компрессор 15 обеспечивает необходимое давление воздуха для подачи биогаза из эластичной емкости 11 в газоразделительный блок и необходимый расход воздуха в соответствующие мембранные узлы модуля 12 и десорбера 14, а также в другие агрегаты системы.
Циркуляционный насос 17, соединенный с водяной емкостью 16, одновременно обеспечивают с нужным расходом подачу воды в контур сдвоенного рециркуляционного контакторного модуля для ее прокачки через мембранную систему абсорбера 13 и десорбера 14. Водяной тракт рециркуляционного контакторного модуля содержит теплообменники 24 и 25 для охлаждения циркулирующей воды перед абсорбером 13 и ее нагрева перед десорбером 14, что обеспечивает необходимые термодинамические условия их эксплуатации.
После выработки в одной из емкостей реакторного блока биогаза осуществляется его очистка от переработанных отходов, заправка новой порции свежих подготовленных отходов и подключение второй емкости реакторного блока на подачу биогаза в газоразделительный блок. Отдельные фазы указанного цикла могут частично совпадать.
Основные технические характеристики емкостей реакторного блока системы:
объем каждой из емкостей - не менее 500 л.;
объем загружаемого сырья - не менее 400 л.;
диапазон стабилизации температуры в емкостях 30-60°С;
рабочее избыточное давление - не более 0,1 МПа;
контролируемые параметры - давление, температура;
режим работы - продолжительный.
Характеристики газоразделительного блока системы обеспечивают переработку получаемого биогаза в целевые продукты для указанных объемов исходного сырья, в том числе, получение метана чистотой до 94% и воздуха, обогащенного диоксидом углерода.
Обеспечение системы необходимой контрольно-измерительной и регулирующей аппаратурой делает возможным функционирование системы в различных исследовательских, наладочных, профилактических и рабочих режимах, при этом возможно функционирование всей системы в автоматическом или полуавтоматическом режиме.
Модель данной системы комплексной переработки органических отходов различного типа была разработана и прошла экспериментальные и пусковые испытания на базе Марийского ГТУ. При этом была решена задача создания эффективной системы экологически чистой комплексной биохимической переработки органических отходов различной природы с использованием анаэробных технологий их разложения и мембранной газоразделительной техники для получения коммерческих количеств целевых продуктов, используемых в качестве удобрений и компонентов биогаза, содержащих ценные альтернативные энергоносители.
1. Система комплексной переработки органических отходов, содержащая средства подготовки отходов и вывода продуктов переработки, реакторный блок для выработки биогаза, блок газоразделения, трубопроводную и запорную арматуру, аппаратуру контроля и управления, отличающаяся тем, что реакторный блок содержит средства для поддержания уровня рабочих температур и концентрации газов в массе отходов, выход реакторного блока по биогазу соединен через блоки осушки, очистки и накопительный приемник с входом блока газоразделения, включающего, по крайней мере, один мембранный контакторный модуль для селективного выделения из биогаза метана, диоксида углерода и дополнительных компонентов.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что реакторный блок выполнен в виде вертикально установленной емкости в форме тела вращения и снабжен осевой мешалкой с пневмоприводом, теплообменной рубашкой, полость которой соединена патрубками с водонагревателем, средствами для подачи в емкость навески штаммов бактерий и профилактической очистки рабочего объема, причем средства подготовки отходов содержат измельчитель, смеситель и насос для подачи отходов в нижнюю часть емкости реакторного блока.
3. Система по п.1, отличающаяся тем, что реакторный блок выполнен в виде, по крайней мере, двух вертикально установленных емкостей с общими средствами подготовки и подачи в них отходов, общим водонагревателем и общими средствами для вывода газовых, жидких и твердых продуктов переработки.
4. Система по п.1, отличающаяся тем, что средства для поддержания концентрации газов в массе отходов в рабочем объеме реакторного блока выполнены с использованием устройств механической, воздушной, вакуумной или ультразвуковой дегазации.
5. Система по п.1, отличающаяся тем, что блок газоразделения содержит первый контакторный модуль биогаз-воздух, соединенный по биогазу с сдвоенным рециркуляционным контакторным модулем, включающем абсорбер биогаз-вода и десорбер вода-воздух, причем тракт абсорбера и десорбера по воде замкнут и включает нагреватель, холодильник и насос.
6. Система по п.1, отличающаяся тем, что накопительный приемник содержит эластичную емкость для приема биогаза, размещенную внутри металлического сосуда в форме цилиндра, объем которого соединен с воздушным компрессором для регулируемой подачи биогаза в блок газоразделения.
7. Система по п.1, отличающаяся тем, что реакторный блок, блоки газоразделения, осушки, очистки и накопительный приемник, кроме основных, имеют дополнительные входные и выходные патрубки и элементы запорной арматуры, аппаратуры контроля и управления, в том числе, для отработки режимов и увеличения функциональных возможностей системы.
