Способ обезвоживания пастообразных материалов

 

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано для обезвоживания различных агропромышленных отходов, которые представляют собой, как правило, пастообразные материалы, в частности может быть использовано на птицефабриках для переработки куриного помета с целью последующей утилизации и реализации получаемых товарных продуктов в форме удобрений, кормовых добавок и т.д. Способ включает загрузку пастообразных материалов в сушильную камеру, подачу в нее газа-теплоносителя, термообработку и обезвоживание материала, очистку отходящих газов в циклонах и скруббере, выгрузку обезвоженного материала из циклона. При этом пульпу, образующуюся при очистке пылегазовой смеси в водоорошаемом скруббере, разделяют на два потока. Часть пульпы смешивают с исходным пастообразным материалом, а другую часть приводят в контакт с обезвоженным материалом. Получаемую при этом пасту гранулируют экструзией. Обезвоживание материала в сушильной камере ведут до остаточной влажности 15-25%, при этом 30-70% пульпы, образующейся при очистке пылегазовой смеси в орошаемом скруббере, смешивают с исходным пастообразным материалом до достижения влажности 60-90%, преимущественно 70-80%, а остальную часть пульпы (70-30%) приводят в контакт с обезвоженным материалом до достижения влажности пасты 30-50%, преимущественно 35-45%. Предложенный способ позволяет упростить технологию обезвоживания агропромышленных отходов и повысить качество получаемого продукта. 3 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано для обезвоживания различных агропромышленных отходов, которые представляют собой, как правило, пастообразные материалы, в частности изобретение может быть использовано на птицефабриках для переработки куриного помета с целью последующей утилизации и реализации получаемых товарных продуктов в форме удобрений, кормовых добавок и т.д. Кроме того, изобретение может быть использовано для обезвоживания различных неорганических пастообразных материалов - осадков, шламов, шлаков, содержащих оксигидраты, фосфаты, титанаты и т.д., с получением сорбентов, носителей, катализаторов и т. п.

Ежегодно на птицефабриках России образуется десятки млн тонн сырого птичьего помета - влажного пастообразного материала. При этом в промышленном птицеводстве под пометохранилища ежегодно отчуждается тысячи гектаров земель с выводом их из севооборота. Накапливаясь из года в год на территориях, прилегающих к птицефабрикам, помет создает серьезную угрозу природной среде: заражение водоемов, отравление воздушной среды, почвы и т.д. Вместе с тем птичий помет, в частности куриный помет, представляет собой по химическому составу ценнейшее сырье для производства высокоэффективных удобрений и кормовых добавок.

В настоящее время разработан целый ряд принципиально различных методов переработки влажного пастообразного материала - птичьего помета: биологический, биотермический, химический, компостирование, механическое и термическое обезвоживание и т. д. /В.И. Малофеев. Технология безотходного производства в птицеводстве. - М.: Агропромиздат. 1986. - 176 с. (с.31-34)/. Из всех вышеперечисленных методов пока наибольшее распространение нашел метод компостирования.

Известен /В. И. Малофеев. Создание и внедрение безотходных технологий. Птицеводство. - М. : Изд. "Колос". 1993. 2. - С.6-9/ способ переработки и обезвоживания куриного помета в биоферментаторах. В соответствии с этим способом птичий помет подают в накопительный бункер, туда же одновременно загружают торф, затем из бункера смесь транспортером подают в специальный смеситель, после чего из смесителя - в аэрационный канал, где с помощью самодвижущегося устройства аэратора происходит измельчение комков торфо-пометной смеси до определенных размеров с одновременной подсушкой до оптимальной влажности. Подготовленную смесь загружают в биореактор и там подвергают интенсивной тепловой (75-80^oС) и биохимической обработке. Полученный таким образом компост можно вносить в почву.

Недостатком данного способа является сравнительно большая (5-7 суток) длительность одного цикла переработки помета. Другим недостатком этого способа является то, что он не предусматривает получение товарных продуктов, пригодных для хранения, транспортировки, дозировки. Это связано с тем, что по известному способу в результате переработки получают влажный компост, требующий дальнейшей обработки. В этом плане наибольший интерес представляют термические методы обезвоживания пастообразных материалов - агропромышленных отходов - птичьего помета с получением сухого товарного птичьего помета (СПП).

Известен /А.А. Кива, Ю.И. Сухарев, В.М. Лукьянов. Машины и оборудование для птицеводства. Справочник. - М.: Агропромиздат. -1987. - С. 175-185/ способ переработки птичьего помета, заключающийся в следующем.

Влажный исходный пастообразный материал (влажность 60...85%) - птичий помет направляют первоначально на вибросито для удаления посторонних предметов, после чего шнековым дозатором подают в смеситель-дозатор для смешивания сырого помета с частью высушенного помета (для снижения влажности). Затем полученную смесь шнековым транспортером направляют в прямоточный сушильный барабан. Сушку (обезвоживание) производят при температуре сушильного агента (газа-теплоносителя) в начале 900...1000^oС, в конце 120...160^oС. Из сушильного барабана помет через выгрузочное устройство поступает в крошитель для измельчения крупных комков высушенного помета и затем в охладительную колонну для охлаждения готовой продукции.

Получаемый таким образом продукт имеет влажность 12-14% и представляет собой комкообразную крошку с размером гранул от 1 до 10 мм. Из охладительной колонны высушенный помет направляют транспортером в накопитель, из которого осуществляют расфасовку и/или отгрузку готового продукта потребителям.

Недостатками данного способа являются налипание влажного исходного пастообразного материала на стенки барабана и в связи с этим пригорание материала, снижение качества и потребительских свойств получаемого товарного продукта.

Из известных аналогов наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является известный /М.И. Мягков. Высокотемпературная обработка сточных вод. - Л.: Стройиндустрия, 1983. С. 16-36/ способ обезвоживания пастообразных материалов, принятый за прототип.

Способ по прототипу заключается в следующем. Влажный исходный продукт поступает на центрифуги, откуда обезвоженный до 80% влажности насосами перекачивается в аккумулирующий бункер. Из бункера влажный продукт насосами под давлением подается к форсункам, которые распыляют его в зоне сушки рабочего трубопровода (в сушильной камере). В эту зону подают теплоноситель, который вырабатывается путем подачи воздуходувкой воздуха в камеру сжигания, где за счет сжигания топлива воздух нагревается. Далее этот теплоноситель подается в зону сушки рабочего трубопровода. Сушка и обеззараживание продукта осуществляются в процессе его транспортирования в высокотемпературной среде. Из рабочего трубопровода осушенный продукт отделяется и отгружается циклоном, а парогазовая смесь поступает в мокрый скруббер и далее через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу.

К недостаткам известного способа-прототипа необходимо отнести следующее: - частичное обезвоживание центрифугированием значительно усложняет технологический процесс, а для некоторых исходных материалов, в частности для куриного помета, практически не применимо из-за содержащихся в них различного рода пленок органического происхождения, которые затрудняют процесс разделения твердой и жидкой фаз исходных материалов; - получаемый материал представляет собой разнородную массу из частиц неправильной формы. В частности, СПП соответствует действующим в России ТУ, однако не отвечает международным стандартам, согласно которым потребители требуют от производителей поставки подобных продуктов в форме прочных гранул размером 2-5 мм.

Заявленное техническое решение направлено на решение задачи, заключающейся в упрощении технологии и повышении качества получаемого продукта (за счет обеспечения получения целевого продукта в форме прочных, устойчивых, однородных по размеру, составу и прочности гранул).

Данная задача решается предлагаемым "Способом переработки пастообразных материалов", сущность которого выражается следующей совокупностью существенных признаков: - загрузка влажного пастообразного материала в сушильную камеру; - подача в сушильную камеру газа-теплоносителя (топочных газов от сжигания мазута и/или природного газа); - термообработка пастообразного материала в прямоточном режиме; - обезвоживание в условиях пневмотранспорта пастообразного материала в сушильной камере; - выгрузка материала из сушильной камеры через подциклонные бункеры; - разделение пульпы, образующейся при очистке пылегазовой смеси (после циклонов) в орошаемом скруббере, на два потока; - смешение части (30-70%) пульпы с исходным пастообразным материалом до достижения влажности 60-90%, преимущественно 70-80%;
- приведение другой части (70-30%) пульпы в контакт с сухим материалом до достижения влажности пасты 30-50%, преимущественно 35-45%;
- гранулирование пасты экструзией с получением товарной продукции.

Существенными отличительными признаками заявляемого изобретения являются следующие:
- разделение пульпы, образующейся при очистке пылегазовой смеси (после циклонов) в орошаемом скруббере, на два потока;
- смешение части (30-70%) пульпы с исходным пастообразным материалом до достижения влажности 60-90%, преимущественно 70-80%;
- приведение другой части (70-30%) пульпы в контакт с сухим материалом до достижения влажности пасты 30-50%, преимущественно 35-45%;
- гранулирование пасты экструзией с получением товарной продукции.

Как показали исследования, пилотные и опытные испытания, вышеуказанные условия (последовательность действий и режимы процесса) переработки пастообразных материалов согласно заявленному способу обеспечивают при прочих равных условиях существенное упрощение технологии, сокращение числа операций, уменьшают трудозатраты, улучшают условия эксплуатации технологии в целом, кроме того, повышается качество готового продукта.

Выбор вышеперечисленных условий осуществления процесса переработки пастообразного материала осуществлен на основании результатов экспериментальных работ, многочисленных испытаний и обусловлен следующим.

Согласно предлагаемому способу исходный влажный (60-90%, преимущественно 70-80%) пастообразный материал подвергают термообработке в прямоточном режиме, т.е. влажный исходный пастообразный материал сразу обрабатывается неохлажденными топочными газами (от сжигания мазута, природного газа и т.п.), т. е. при температуре 700-1000^oС. В результате такой (кратковременной) обработки происходит интенсивное выделение из пастообразного материала, в частности помета, в газовую фазу легколетучих органических веществ (которые, как правило, являются довольно токсичными и обладают неприятным запахом). В связи с высокой температурой топочных газов эти летучие органические вещества практически полностью сгорают.

Необходимо особо отметить, что само по себе применение термообработки влажного исходного пастообразного материала в прямоточном режиме еще не обеспечивает решение поставленной технической задачи по предлагаемому способу.

Необходимо помимо этого обеспечить протекание последующего процесса обезвоживания в условиях пневмотранспорта в сушильной камере. В противном случае, как показали испытания, происходит налипание пастообразного материала на стенки сушильной камеры, образование комков, пригорание материала, потеря качества и т.д.

С другой стороны, обезвоживание пастообразного материала в условиях пневмотранспорта приводит к "выносу" из сушильной камеры в виде газопылевой взвеси сухого материала. Это в свою очередь определяет и особенность выгрузки материала из сушильной камеры по предлагаемому способу, а именно - через подциклонные бункеры.

По предлагаемому способу циклоны служат для выделения из газопылевой смеси основной части (более 95%) высушенного материала. Опыты показали, что для системы из двух циклонов степень выделения сухого материала из газопылевой взвеси, выходящей из сушильного барабана, составляет 95-97%. Для улавливания оставшейся части (3-5%) материала из газопылевой взвеси, прошедшей систему из двух циклонов, по предлагаемому способу предусмотрено пропускание этой взвеси через орошаемый скруббер.

По предлагаемому способу пульпу, образующуюся из пылегазовой смеси после циклонов в орошаемом скруббере, утилизируют (пульпа по сути дела является токсичным отходом производства) путем разделения пульпы на два потока (по 5020%) и последующего смешения части пульпы с исходным пастообразным материалом и приведением в контакт другой части пульпы с высушенным материалом. Такой прием, с одной стороны, обеспечивает предотвращение сброса жидких токсичных отходов, а с другой стороны, позволяет регулировать исходную влажность пастообразного материала, загружаемого в сушильную камеру. Экспериментально установлено, что оптимальная исходная влажность пастообразного материала 70-80%. Процесс можно осуществлять также и в более широких пределах значений исходной влажности пастообразного материала (60-90%). Однако в случае, когда исходная влажность пастообразного материала выходит за эти пределы (менее 60% или более 90%), процесс переработки пастообразного материала по предлагаемому способу становится малоэффективным. В частности, при исходной влажности пастообразного материала более 90% очень резко возрастают энергозатраты, а при переработке пастообразного материала с влажностью менее 60% практически очень трудно обеспечить обезвоживание пастообразного материала в условиях пневмотранспорта. В этом случае возможно образование неоднородной массы агломератов и т.д. Использование части пульпы (от газоочистки) позволяет управлять исходной влажностью пастообразного материала, вносить определенные коррективы, поддерживая ее на оптимальном уровне (70-80%).

Другая часть пульпы (5020% или 30-70%) используется по предлагаемому способу для увлажнения высушенного и уловленного в циклонах материала. Назначение этой операции по предлагаемому способу - получение пасты (влажностью 30-50%, преимущественно 35-45%), пригодной для последующего гранулирования, в частности, методом экструзии. Опытным путем установлена оптимальная влажность пасты (35-45%), при которой обеспечивается получение методом экструзии прочных, устойчивых к истиранию и не слеживающихся гранул, по своему внешнему виду и физико-химическим свойствам удовлетворяющих требованиям потребителя (в том числе соответствующих международным стандартам). При более высокой влажности пасты, поступающей на гранулирование, в процессе экструзии (продавливании пасты через фильеры диаметром 3-5 мм) и после экструзии происходит слипание частиц. При меньшей исходной влажности (менее 30%) пасты образуются механически непрочные, легко рассыпающиеся после окончательной сушки (до остаточной влажности 8-12%) гранулы материала.

В соответствии с заявляемым способом обезвоженный (высушенный) пастообразный материал, уловленный в циклонах, как уже было выше отмечено, вновь увлажняется пульпой от газоочистки. В связи с этим по предлагаемому способу обезвоживание пастообразного материала в сушильной камере целесообразно вести не до 10-14%, а до такой остаточной влажности, при которой термообработанный на начальной стадии (при загрузке) при 700-1000^oС пастообразный материал теряет способность к адгезии на стенках камеры, циклонов, бункеров. Экспериментально установлено, что оптимальная остаточная влажность пастообразного материала, поступающего в циклон, составляет 15-25%.

Таким образом, анализ совокупности существенных признаков заявленного способа и достигаемый при этом технический результат показывают, что между ними существует вполне определенная причинно-следственная связь. При этом каждый из рассмотренных признаков, отдельно взятый, не обеспечивает решение задачи изобретения, и лишь в совокупности своей они позволяют существенно упростить процесс и повысить качество получаемых товарных продуктов и улучшить их потребительские свойства.

Анализ уровня техники в отношении совокупности всех существенных признаков заявленного технического решения показывает, что предложенный способ соответствует критерию "новизна"
Проверка соответствия заявленного изобретения требованиям "изобретательского уровня" в отношении совокупности существенных признаков свидетельствует о том, что предлагаемый способ не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, приведены в примере.

Для определения оптимальных условий осуществления предлагаемого способа обезвоживания пастообразных материалов была изготовлена опытная установка. На этой установке проведены испытания при различных режимах процесса. Всего в процессе испытаний переработана 1 т влажного пастообразного материала - сырого куриного помета с исходной влажностью 753%. Кроме того, были проведены испытания по обезвоживанию осадков оксигидратов металлов (5 т) с исходной влажностью 805%.

Партия исходного материала загружалась сначала в бункер-дозатор. Затем материал подавали в сушильную камеру. Одновременно с подачей влажного пастообразного материала в сушильную камеру из топки подавали газ-теплоноситель при начальной температуре его контакта с исходным материалом 800100^oС, осуществляя тем самым первичную термообработку материала, его обеззараживание, по мере удаления из материала легколетучих, токсичных и горючих веществ.

Иначе, согласно разработанному способу обезвоживания пастообразных материалов термообработку исходного материала - куриного помета вели в прямоточном режиме: влажный куриный помет сразу приводили в контакт непосредственно с топочными газами, выходящими из топки. При этом необходимо отметить, что "подгорание" помета (и соответственно потеря ценных компонентов) не наблюдалось в связи с высокой исходной влажностью помета. Дальнейшее обезвоживание помета до требуемого значения остаточной влажности по предлагаемому способу 205% (15-25%) вели в условиях, обеспечивающих пневмотранспорт помета в сушильной камере за счет газа-теплоносителя и сжатого воздуха.

Обезвоженный (не полностью - частично: 205%) подсушенный помет в виде пылегазовой, пылевоздушной смеси улавливали в двух последовательно установленных циклонах типа СИОТ. Последующую выгрузку подсушенного помета вели из подциклонных бункеров в крафт-мешки.

В процессе испытаний было установлено, что в системе из двух циклонов улавливается 95-97% от общей массы подсушенного помета. Для предотвращения выброса пылевой фракции в газовую фазу и предотвращения загрязнения воздушного бассейна аэрозоль-пылегазовую смесь, выходящую из циклона, направляли в водоорошаемый скруббер. Анализ воздушно-газовой фазы, выходящей из скруббера, показал, что в отходящих газах отсутствуют частицы помета, отсутствуют также токсичные и дурнопахнущие соединения (аммиак, меркаптаны, альдегиды, амины, сероуглерод, двуокись серы и т.п.). Выбрасываемые в атмосферу (через трубу) газы содержат в основном водяной пар и двуокись углерода.

В результате осуществления вышеуказанных операций по разработанному способу получили два промежуточных продукта, подлежащих последующей переработке и утилизации:
- термообработанный и подсушенный до остаточной влажности 205% помет, представляющий собой частицы неправильной формы размером преимущественно (на 95%) 0,5-5 мм, плотностью 0,25-0,35 кг/дм³;
- пульпу (суспензия от газоочистки в скруббере), содержащую от 5 до 50 г/дм³ твердых веществ (уловленных частиц помета), имеющую слабощелочную реакцию (рН 8-9).

С этими полупродуктами, полученными в первых опытах, в процессе испытаний проведены дальнейшие исследования по выявлению оптимальных режимов процесса их утилизации.

Для этого пульпу, получаемую в водоорошаемом скруббере, разделили на два потока по 5020% (30-70%) (в отдельных, специальных, опытах эти режимы процесса выходили за оптимальные, в частности 15 и 85% в одном опыте, 85 и 25% в другом опыте). При этом часть пульпы (примерно 40%) подавали - закачивали - в голову процесса для смешения с исходным влажным (сырым) пометом в целях обеспечения его равномерной (без комков) подачи в специальную камеру. При этом экспериментально было установлено, что подача 30-70% пульпы в "голову" процесса обеспечивает достижение влажности куриного помета, подаваемого в сушильную камеру, в пределах 60-90%, а при подаче 70-30% пульпы с термообработанным подсушенным (до 205%) пометом позволяет получать пасту влажностью 405%.

Как уже указывалось выше, в процессе испытаний потоки пульпы, направляемые в "голову" процесса и на увлажнение подсушенного помета, подлежащего последующей грануляции, варьировали (с целью определения оптимума в довольно широких пределах: от 15% до 85% и от 85% до 15%, соответственно менялась и влажность полупродуктов).

Экспериментально было установлено, что для получения методом экструзии прочных гранул, не разрушающихся при их транспортировке, дозировке, фасовке, пересыпании, необходимо иметь в качестве исходного полупродукта - увлажненной пасты - куриный помет с остаточной влажностью в пределах от 35 до 45%. В противном случае в процессе последующей грануляции пасты образуются либо непрочные гранулы, либо не достигается формирование гранул - однородных по размеру частиц правильной формы.

В оптимальных условиях осуществления процесса по предлагаемому способу были получены опытные партии гранулированного куриного помета, по внешнему виду представляющие собой цилиндры диаметром 41 мм и длиной 3-6 мм. Остаточная влажность 8-12%.

Полученные опытные и экспериментальные образцы прошли микробиологические исследования, агрохимические испытания и ветеринарно-санитарные исследования. Проведенные исследования и испытания показали, что обезвоженный пастообразный материал, термообработанный и гранулированный по предложенному способу помет, может быть успешно использован как кормовые добавки (в связи с высоким содержанием питательных веществ) и/или как высокоэффективное экологически чистое удобрение.

Формула изобретения

1. Способ обезвоживания пастообразных материалов, включающий их загрузку в сушильную камеру, подачу в сушильную камеру газа-теплоносителя, термообработку и обезвоживание материала, очистку отходящих газов в циклонах и скруббере, выгрузку обезвоженного материала из циклона, отличающийся тем, что пульпу, образующуюся при очистке пылегазовой смеси в водоорошаемом скруббере, разделяют на два потока, часть пульпы смешивают с исходным пастообразным материалом, а другую часть пульпы приводят в контакт с обезвоженным материалом, получаемую при этом пасту гранулируют экструзией.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обезвоживание материала в сушильной камере ведут до остаточной влажности 15-25%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что 30-70% пульпы, образующейся при очистке пылегазовой смеси в орошаемом скруббере, смешивают с исходным пастообразным материалом до достижения влажности 60-90%, преимущественно 70-80%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что 70-30% пульпы, образующейся при очистке пылегазовой смеси в орошаемом скруббере, приводят в контакт с обезвоженным материалом до достижения влажности пасты 30-50%, преимущественно 35-45%.