УСТРОЙСТВО И СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО ГИДРОЛИЗА БИОЛОГИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
DEVICE AND METHOD OF CONTINUOUS THERMAL HYDROLYSIS OF BIOLOGICAL MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для выполнения непрерывного термического гидролиза биологического материала.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Во многих местах мира сточные воды из домашнего хозяйства, промышленных процессов и сельского хозяйства подвергают биологической обработке перед выпуском в потоки, ручьи и реки. Это делается, чтобы предотвратить загрязнение указанных потоков, ручьев и рек определенными биологическими компонентами.
Такая обработка может представлять собой биологическое разложение, в котором разлагают биологические частицы. Однако определенные биологические частицы являются более трудно разложимыми, чем другие, и в этом плане известно ускорение процесса разложения обработкой биологического материала путем нагревания биологического материала, включающего биологический материал, и выдерживания его при температуре около 140-160 градусов Цельсия в течение предварительно заданного периода времени, такого как по меньшей мере полчаса. Такой способ известен как термический гидролиз, и обеспечивает превращение биологического материала, который проявляет устойчивость к биологическому разложению, в материал, который является легко разложимым.
Такой термический гидролиз обычно выполняют в периодическом процессе, в котором партии шлама подвергают термическому гидролизу и затем направляют в септиктенк. Однако желательно иметь возможность выполнять термический гидролиз в непрерывном процессе.
Пример такого непрерывного процесса представлен в патентном документе ЕР 1198424, который раскрывает способ, в котором шлам с содержанием сухого вещества 1-20% подают в реактор. Шлам выдерживают в реакторе в течение периода времени 5-60 минут при температуре 130-180 градусов Цельсия и давлении 3-10 бар (0,3-1,0 МПа).
Затем обработанный биологический материал охлаждают с помощью теплообменника для обеспечения того, что температура шлама была достаточно низкой, чтобы избежать гибели бактерий в септиктенке. Для возвращения тепловой энергии теплообменник часто компонуют так, чтобы предварительно нагревать шлам перед подачей его в реактор.
Дополнительные сведения о прототипе можно найти в патентных документах WO 96/09882, WO 2006/027062, WO 92/06925 и WO 2004/096866.
Задача варианта осуществления настоящего изобретения состоит в представлении системы для непрерывного термического гидролиза, приспособленной для обработки шлама с содержанием сухого вещества по меньшей мере 20%.
Кроме того, задачей варианта осуществления настоящего изобретения заключается в представлении системы для непрерывного термического гидролиза, в которой не требуется теплообменник для охлаждения шлама.
Более того, задачей варианта осуществления настоящего изобретения является представление системы, в которой при охлаждении биологического материала не происходит или происходит небольшое осаждение частиц на внутренних поверхностях трубчатого реактора.
Кроме того, задачей еще одного дополнительного варианта осуществления настоящего изобретения заключается в представлении системы, приспособленной для предотвращения осаждения частиц в подводящих трубопроводах, таких как трубопроводы для подачи водяного пара, соединенных с реактором для термического гидролиза.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В ПЕРВОМ аспекте настоящее изобретение относится к способу выполнения непрерывного термического гидролиза шлама, включающего биологический материал, в трубчатом реакторе, при котором непрерывно:
- подают биологический материал в зоне подачи реактора так, чтобы повысить давление и обеспечить температуру выше 100 градусов Цельсия без кипения биологический материала;
- подают пар в реактор в зоне подачи пара так, чтобы повысить температуру до температуры выше 100 градусов;
- поддерживают давление в реакторе в течение предварительно заданного периода времени;
- подают воду в реактор в зоне охлаждения так, чтобы снизить температуру до температуры ниже 100 градусов, и
- выводят биологический материал в выпускной зоне.
Одно преимущество системы согласно настоящему изобретению состоит в том, что не происходит или происходит небольшое осаждение веществ, таких как вивианит и/или струвит. Такое осаждение обычно происходит, когда биологический материал охлаждают до уровня, на котором концентрация данного химического вещества создает состояние перенасыщения вследствие снижения растворимости при понижении температуры. Перенасыщение обычно вызывает осаждение количества химического вещества, достаточное, чтобы вещество достигло своего нового уровня насыщения.
В настоящем изобретении шлам охлаждают путем нагнетания охлаждающей воды, и таким образом биологический материал охлаждают внутри трубчатого реактора и не вдоль его внутренних поверхностей. В традиционных системах биологический материал охлаждают с помощью теплообменника, который приспособлен для охлаждения одной или более внутренних поверхностей трубчатого реактора, тем самым охлаждая шлам, контактирующий с указанной(ными) поверхностью(ями). Однако когда внутренние поверхности охлаждаются, шлам, находящийся вблизи или в контакте с указанными более холодными внутренними поверхностями, будет осаждать частицы на указанных поверхностях по мере того, как биологический материал охлаждается и проходит вышеупомянутую температуру. Вследствие этого такие системы нужно часто очищать, чтобы они функционировали надлежащим образом.
Еще одно преимущество настоящего изобретения состоит в том, что содержание сухого вещества в биологическом материале, подаваемом в систему, может быть более высоким, так как биологический материал разбавляют в месте ниже по потоку относительно впуска для подачи шлама. Благодаря более высокому уровню содержания сухого вещества производительность системы согласно настоящему изобретению является высокой сравнительно с известными системами, включающими теплообменник для охлаждения биологического материала до температуры, пригодной для обработки в последующем септиктенке.
Еще одно дополнительное преимущество настоящего изобретения может заключаться в том, что высокая температура и повышенное давление могут обусловливать желательные химические реакции, такие как ферментативный гидролиз молекул с длинными углеродными цепочками.
В контексте настоящего изобретения термин «биологический материал» следует понимать как любой материал биологического происхождения, и который содержит органический материал. Примерами являются отходы производственных процессов, отходы из процессов в сельском хозяйстве/животноводстве (в том числе навоз и отходы со скотобоен) и шлам, полученный после обработки сточных вод из домашнего хозяйства, промышленности и/или сельского хозяйства/животноводства.
В большинстве вариантов исполнения трубчатый реактор будет удлиненным так, чтобы обеспечить возможность подачи биологического материала в один конец с предварительно заданной скоростью и постепенного перемещения внутри трубчатого реактора, в то же время поддерживая рабочую температуру и давление. Будет понятно, что для данной скорости подачи (массы в единицу времени) продолжительность обработки является более длительной для более толстого трубчатого реактора, чем для более тонкого реактора - при условии, что длина реактора остается такой же.
Дополнительно, будет понятно, что для данной скорости подачи продолжительность обработки определяется толщиной (диаметром) и длиной реактора.
Трубчатый реактор может включать по меньшей мере одну горизонтальную часть, в которой биологический материал протекает в горизонтальном направлении, и/или по меньшей мере одну вертикальную часть, в которой биологический материал протекает в вертикальном направлении. В качестве примера, весь трубчатый реактор в целом может быть протяженным в горизонтальном направлении, или же весь трубчатый реактор в целом может быть протяженным в вертикальном направлении.
В одном варианте исполнения вертикальную часть размещают выше по потоку относительно горизонтальной части, и в нижней области вертикальной части размещают зону подачи пара. Благодаря плавучести пара относительно биологического материала размещение зоны подачи пара в нижней области вертикальной части обусловливает перемешивание пара и биологического материала лучшим образом, чем если бы зону подачи пара размещали в горизонтальной части. Причина этого состоит в том, что, когда зону подачи пара располагают в горизонтальной части, пар и биологический материал могут иметь склонность разделяться на два слоя - верхний, включающий пар, и нижний, включающий биологический материал.
В контексте настоящего изобретения термин «вертикальная часть» трубчатого реактора должен означать любую часть реактора, которая имеет геометрически вертикальный компонент. Соответственно этому, вертикальная часть будет протяженной в направлении, перпендикулярном горизонтальному направлению.
В одном конкретном варианте исполнения, а именно, когда вертикальная часть расположена строго вертикально, «вертикальная часть» имеет только геометрически вертикальный компонент и не имеет геометрически горизонтального компонента. В других вариантах исполнения вертикальная часть может быть скомпонована под углом, отличным от 0 и 90 градусов относительно вертикальной ориентации. Примерами являются 30 градусов относительно вертикальной ориентации, такие как 45 градусов, такие как 60 градусов.
В контексте настоящего изобретения термин «горизонтальная часть» трубчатого реактора должен означать любую часть реактора, которая имеет геометрически горизонтальный компонент. Соответственно этому, вертикальная часть будет протяженной в направлении, перпендикулярном вертикальному направлению.
В одном конкретном варианте исполнения, а именно, когда горизонтальная часть расположена строго горизонтально, «горизонтальная часть» имеет только геометрически горизонтальный компонент и не имеет геометрически вертикального компонента. В других вариантах исполнения горизонтальная часть может быть скомпонована под углом, отличным от 0 и 90 градусов относительно горизонтальной ориентации. Примерами являются 30 градусов относительно вертикальной ориентации, такие как 45 градусов, такие как 60 градусов.
В области зоны подачи пара или ниже по потоку могут быть размещены статические или динамические смесители, чтобы улучшать смешение пара и биологического материала. Один результат этого состоит в том, что выравнивается температура. Будет понятно, что такие статические или динамические смесители являются весьма предпочтительными, когда зона подачи пара размещена в горизонтальной части. Более того, будет понятно, что размещение статических или динамических смесителей в вертикальной части обеспечивает лучшие условия перемешивания пара и биологического материала.
Зона подачи пара может быть размещена в нижней половине вертикальной части, такой как нижняя треть, такой как нижняя четверть, такой как нижняя пятая часть. В одном варианте исполнения зону подачи пара располагают в донной области вертикальной части.
В одном варианте исполнения между зоной подачи пара и зоной охлаждения размещают множество статических и/или динамических смесителей. Такие смесители могут быть распределены равномерно (то есть, по существу на равном расстоянии друг от друга), или смесители могут быть собраны в группы. Множество смесителей может включать два смесителя, или три смесителя, или четыре смесителя, или пять смесителей, или шесть смесителей, или десять смесителей. В одном варианте исполнения реакторная труба скомпонована так, что содержимое трубы перемешивают вдоль всей длины трубы. Это может быть достигнуто размещением множества смесителей, которые разделены между собой малым расстоянием, таким как 10 см, таким как 20 см, таким как 30 см, таким как 40 см, таким как 50 см, таким как 1 метр.
Реактор может быть приспособлен для предотвращения обратного течения охлаждающей воды в направлении выше по потоку в реакторе. Это может быть достигнуто размещением клапана однонаправленного действия выше по потоку относительно зоны охлаждения. Альтернативно или в качестве дополнения, выше по потоку относительно зоны охлаждения в горизонтальной части реактора может быть предусмотрено дроссельное устройство, такое как вертикальная стенка. Дроссельное устройство может быть размещено в нижней части реактора. Альтернативно или в качестве дополнения, реактор может составлять вертикальную часть выше по потоку относительно зоны охлаждения.
В одном варианте исполнения реактор включает первую и вторую вертикальные части, между которыми размещена горизонтальная часть так, что первая вертикальная часть расположена выше по потоку относительно горизонтальной части, и вторая вертикальная часть размещена ниже по потоку относительно горизонтальной части. В этом варианте исполнения зона подачи пара может быть расположена в нижней области первой вертикальной части, и зона охлаждения может быть предусмотрена во второй вертикальной части, например, в ее нижней области. В альтернативном варианте исполнения ниже по потоку относительно второй вертикальной части может быть размещена дополнительная горизонтальная часть, и зону охлаждения размещают в этой дополнительной горизонтальной части.
В одном варианте исполнения длина трубчатого реактора варьирует в диапазоне от 5 до 50 метров, такая как в диапазоне 10-40 метров, такая как в диапазоне 20-30 метров. В одном варианте исполнения диаметр трубчатого реактора варьирует в диапазоне 50-500 мм, такой как в диапазоне 100-400 мм, такой как в диапазоне 200-300 мм.
В контексте настоящего изобретения термин «непрерывный термический гидролиз» следует понимать как процесс, в котором проводят термический гидролиз, в то время как новый необработанный биологический материал подают в систему, из которой одновременно выводят обработанный биологический материал.
Давление пара, подводимого в трубчатый реактор, может составлять более 2 бар (0,2 МПа) такое как выше 5 бар (0,5 МПа), такое как выше 10 бар (1 МПа), такое как выше 15 бар (1,5 МПа), или такое как выше 20 бар (2 МПа).
В одном варианте исполнения трубчатый реактор скомпонован так, чтобы обеспечивать выдерживание предварительно заданного времени пребывания, составляющего более 5 минут, такого как более 20 минут, такого как более 30 минут, такого как более 45 минут, такого как более 60 минут, такого как более 90 минут, такого как более 180 минут.
В одном варианте исполнения способ включает стадию, в которой химический реагент подают по меньшей мере в одну зону подачи химического реагента в реакторе. В одном варианте исполнения зону подачи химического реагента размещают выше по потоку относительно зоны подачи пара. Альтернативно, зона подачи химического реагента может быть размещена ниже по потоку относительно зоны подачи пара. В еще одном дополнительном варианте исполнения зону подачи химического реагента предусматривают выше по потоку относительно зоны охлаждения, и/или зону подачи химического реагента размещают ниже по потоку относительно зоны охлаждения. Вводимый химический реагент может представлять собой щелочь, такую как NaOH, которая может быть введена так, чтобы стимулировать реакцию гидролиза длинноцепочечных органических соединений (таких как лигноцеллюлозные компоненты биомассы и компоненты клеточных стенок микроорганизмов). Альтернативно или в качестве дополнения, щелочь может быть введена так, чтобы обеспечить возможность проведения гидролиза при пониженной температуре (такой как 120 градусов Цельсия), и/или при пониженном давлении (таком как 7 бар (0,7 МПа)).
Щелочь может быть добавлена, когда используют устройство для предварительного гидролиза отходов с высоким содержанием жиров, таких как жировые отходы пищевой промышленности или городские сточные воды.
В еще одном варианте исполнения химический реагент добавляют для подкисления, чтобы удалить тяжелый металл из биологического материала. Гидролиз в кислотных условиях может перевести в растворенное состояние металлы, поглощенные биологическим материалом, например, на установке для обработки промышленных сточных вод. После термического гидролиза жидкостная фаза может быть отделена от твердой фракции, чтобы обеспечить возможность отдельного осаждения и удаления металла из жидкости, и чтобы обеспечить возможность направления твердой фазы в анаэробный септиктенк после нейтрализации с корректированием величины рН.
2
2
3
В еще одном дополнительном варианте исполнения нагнетаемый химический реагент представляет собой окислитель, такой как НО, или О, или надуксусная кислота. Окислитель может включать или может не включать минеральную кислоту или щелочь для корректирования величины рН. Введением окислителя можно снизить токсическое действие некоторых органических соединений, таких как ВТЕХ (БТЭК; бензол, толуол, этилбензол, ксилол), или хлорированных компонентов типа РСВ (ПХБ, полихлорбифенилов). Соответственно этому, биологический материал, который неприемлем для распространения в сельскохозяйственных угодьях вследствие вредоносных органических соединений, таких как ПХБ, может быть обеззаражен с помощью устройства и/или способа согласно настоящему изобретению.
В одном варианте исполнения в зону охлаждения реактора подают воду, чтобы обеспечивать выполнение по меньшей мере одного из:
- снижения температуры биологического материала до температуры ниже 100 градусов Цельсия, и
- достижения желательного содержания сухого вещества в обработанном биологическом материале.
В одном варианте исполнения воду подают в зону охлаждения так, чтобы уменьшить концентрацию путем разбавления для достижения предварительно заданного содержания сухого вещества, которое пригодно для последующей обработки в септиктенке. Такое предварительно заданное содержание сухого вещества может представлять собой содержание сухого вещества ниже 15%, такое как ниже 12%, такое как ниже 9%, такое как ниже 6%. Будет понятно, что идеальное содержание сухого вещества в биологическом материале зависит от последующего септиктенка, и это содержание сухого вещества в большинстве вариантов исполнения должно быть выбрано так, чтобы избежать опасности аммиачного отравления септиктенка.
В одном предварительно заданном варианте исполнения охлаждающую воду подают в зону охлаждения так, чтобы разбавить биологический материал до содержания сухого вещества приблизительно 9%.
Следует отметить, что добавление пара в зоне подачи пара также вызывает снижение уровня/процентного содержания сухого вещества относительно уровня/процентного содержания в биологическом материале, который подают в трубчатый реактор в зоне подачи.
В одном варианте исполнения охлаждающую воду подают, чтобы снизить температуру до температуры ниже 100 градусов Цельсия, такой как ниже 80 градусов Цельсия, такой как ниже 60 градусов Цельсия, такой как ниже 50 градусов Цельсия, такой как ниже 40 градусов Цельсия.
Вода, подводимая в зону охлаждения, может иметь температуру в диапазоне от 1 до 100 градусов Цельсия, такую как в диапазоне от 10 до 50 градусов Цельсия. Вода, подводимая в систему, может представлять собой водопроводную воду и/или технологическую воду, например обработанные сточные воды.
Будет понятно, что в большинстве вариантов исполнения зону подачи пара размещают выше по потоку относительно зоны охлаждения, чтобы обеспечить возможность повышения температуры шлама перед его охлаждением.
В одном варианте исполнения реактор включает более чем одну зону охлаждения, например, оснащен последовательностью таковых. В качестве примера, в вертикальной части реактора, такой как вышеописанная вторая вертикальная часть, могут быть размещены две или более зон охлаждения. Дополнительно, реактор может включать более чем одну зону подачи пара, например, оснащен последовательностью таковых. В качестве примера, в вертикальной части реактора, такой как вышеописанная первая вертикальная часть, могут быть размещены две или более зон подачи пара.
В одном варианте исполнения биологический материал непрерывно подают из зоны подачи к выпускной зоне через зону подачи пара и зону охлаждения.
В одном варианте исполнения реактор компонуют и управляют им так, чтобы проходил предварительно заданный период времени, пока биологический материал подается из зоны подачи пара до зоны охлаждения. Предварительно заданное время может составлять по меньшей мере 20 минут, такое как по меньшей мере 30 минут, такое как по меньшей мере 45 минут, такое как по меньшей мере 60 минут. В одном варианте исполнения предварительно заданное время может варьировать в диапазоне от 20 до 120 минут, такое как в диапазоне от 30 до 60 минут.
Система может включать управляющее устройство для регулирования одного или более параметров из скорости подачи, температуры и давления пара, подаваемого в систему, температуры и давления охлаждающей воды, подводимой в систему, чтобы охлаждать биологический материал.
В одном конкретном варианте исполнения количество вводимого пара корректируют соответственно поступающему потоку материала отходов/шлама, чтобы получать желательную температуру.
Как упомянуто ранее, настоящее изобретение представляет систему, в которой биологический материал с высоким содержанием сухого вещества может быть подан в систему, например, так, чтобы биологический материал обеспечивал содержание сухого вещества 1-50%, такое как 10-40 процентов в шламе, подводимом в зону подачи. В еще одном варианте исполнения биологический материал составляет количество по меньшей мере 20 процентов шлама, такое как по меньшей мере 25 процентов, такое как по меньшей мере 30 процентов, такое как по меньшей мере 35 процентов, такое как по меньшей мере 40 процентов.
Будет понятно, что при введении пара процентное содержание сухого биологического вещества слегка снижается.
В одном конкретном варианте исполнения жидкий шлам может - при обработке в трубчатом реакторе - поступать в септиктенк с содержанием сухого вещества приблизительно 9 процентов. Будучи помещенным в септиктенк, шлам может иметь продолжительность обработки по меньшей мере одну неделю, такую как по меньшей мере две недели, такую как по меньшей мере четыре недели.
В одном варианте исполнения в области выпуска трубчатого реактора размещают устройство для поддержания давления внутри трубчатого реактора. Указанное устройство для поддержания давления приспособлено для обеспечения возможности выхода биологического материала из трубчатого реактора через выпуск, в то же время с сохранением желательного давления. Другими словами, устройство для поддержания давления приспособлено для обеспечения возможности выхода биологического материала из трубчатого реактора без падения давления ниже минимального давления, необходимого для проведения обработки в трубчатом реакторе. Устройство для поддержания давления может иметь форму нагнетательного клапана, например, включающего подпружиненный отклоняющийся элемент, который удерживает клапан в закрытом состоянии, пока давление не находится на уровне выше предварительно заданного значения. В альтернативном варианте исполнения устройство для поддержания давления имеет форму кавитационного шнекового насоса, скомпонованного для такого вращения, чтобы побуждать биологический материал перемещаться из трубчатого реактора, в то же время с сохранением желательного минимального давления.
Во ВТОРОМ аспекте настоящее изобретение относится к устройству для непрерывного гидролиза шлама, включающего биологический материал, причем устройство включает трубчатый реактор с:
- по меньшей мере одним впуском для подачи шлама в реактор в его зоне подачи,
- по меньшей мере одним впуском для подачи пара в реактор в его зоне подачи пара,
- по меньшей мере одним впуском для подачи охлаждающей воды в реактор в его зоне охлаждения, и
- по меньшей мере одним выпуском позволяющим обработанному шламу выходить из реактора.
Согласно второму аспекту, изобретение может включать любую комбинацию признаков и/или элементов изобретения согласно первому аспекту.
В качестве примера, устройство может включать блок управления, который выполнен с возможностью управления подачей пара в зону подачи пара, чтобы повышать давление и поддерживать температуру выше 100 градусов Цельсия без кипения биологического материала в трубчатом реакторе.
В качестве еще одного примера, реактор может включать статические или динамические смесители, как описанные в отношении первого аспекта изобретения. В качестве еще одного дополнительного примера, реактор может включать горизонтальные и/или вертикальные части, как описано в отношении первого аспекта.
Альтернативно или в качестве дополнения, блок управления выполнен с возможностью управления подачей охлаждающей воды в зону охлаждения, чтобы снижать температуру до уровня ниже 100 градусов Цельсия.
В одном варианте исполнения реактор включает впуск для введения химического реагента в реактор в его зоне подачи химического реагента.
В одном варианте исполнения реактор приспособлен для предотвращения обратного течения охлаждающей воды в направлении выше по потоку в реакторе.
Вышеописанные примеры из первого аспекта, которые также применимы ко второму аспекту изобретения, представляют собой только примеры, и любой признак и/или элемент первого аспекта применим ко второму аспекту.
В третьем аспекте настоящее изобретение относится к применению способа и/или устройства согласно первому и второму аспекту, соответственно, для подготовки биологического материала к получению биопродукта, такого как биотопливо, биохимические препараты или биополимеры.
При получении таких продуктов преобразование сырьевой биомассы в ценные продукты может быть затруднительным, и поэтому в основном первой стадией получения таких продуктов может быть термический гидролиз сырьевой биомассы. Такое применение термического гидролиза компонентов сырьевого биологического материала делает их более легко поддающимися химическому и/или биологическому преобразованию в конечный биопродукт.
Этот гидролитический процесс может быть проведен при температуре в диапазоне 100-200 градусов Цельсия, и/или при давлении 1-12 бар (0,1-1,2 МПа), и/или в течение предварительно заданного периода времени, такого как 0-5 часов. Более того, процесс может быть проведен с добавлением или без добавления водных химических обработок и при упомянутых ранее концентрациях твердых веществ в биологическом материале.
В четвертом аспекте настоящее изобретение относится к применению способа и/или устройства согласно первому и второму аспекту, соответственно, для пастеризации биологического материала.
В одном варианте исполнения процесс пастеризации включает стадию нагревания биологического материала до предварительно заданной температуры, такой как температура выше 70 градусов Цельсия. Более того, процесс пастеризации может включать стадию поддержания температуры в течение предварительно заданного периода времени, такого как один час.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Теперь изобретение будет описано более подробно с привлечением чертежей, в которых:
Фиг.1 представляет вариант исполнения системы для непрерывного термического гидролиза согласно настоящему изобретению,
Фиг.2 представляет трубчатый реактор согласно настоящему изобретению, и
Фиг.3 представляет вариант исполнения трубчатого реактора согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Фиг.1 представляет систему 100 для обработки шлама, предназначенную для обработки биологического материала. Система 100 для обработки шлама включает резервуар 102, который пригоден для хранения биологического материала, и который сообщается по текучей среде с системой 104 подачи биологического материала. Температура биологического материала может варьироваться в диапазоне от 0 до 100 градусов Цельсия. Биологический материал может иметь содержание сухого вещества по меньшей мере 20%. Система 100 для обработки шлама дополнительно включает трубчатый реактор 106 и септиктенк 108. Резервуар 102 сообщается по текучей среде с септиктенком 108 через трубчатый реактор 106 и охладитель 110 (который необязателен и не является необходимым для работы системы). Трубчатый реактор 106 включает впуск 112 для шлама, через который шлам может быть подведен в трубчатый реактор 106, и выпуск 114 для шлама, через который шлам выводят из трубчатого реактора 106 после предварительно заданного периода времени, такого как период от 5 минут до 5 часов, такого как 30 минут, такого как 60 минут, такого как 2 часа, такого как 3 часа, такого как 4 часа.
В одном варианте исполнения длина трубчатого реактора составляет от 5 до 50 метров, такая как 10 метров, такая как 20 метров, такая как 30 метров, такая как 40 метров. В одном варианте исполнения диаметр трубчатого реактора варьирует в диапазоне 50-500 мм, такой как 100 мм, такой как 200 мм, такой как 300 мм, такой как 400 мм. В одном варианте осуществления изобретения диаметр трубчатого реактора составляет один метр, такой как два метра, такой как три метра, такой как четыре метра, такой как пять метров. В одном варианте осуществления изобретения длина трубчатого реактора составляет сто метров, такая как двести метров, такая как триста метров, такая как четыреста метров, такая как пятьсот метров.
Во время применения шлам, содержащийся в резервуаре 102, подают в трубчатый реактор 106 с помощью питателя 116 для подачи шлама в трубчатый реактор 106 через впуск 112 для шлама.
Питатель 116 может быть приспособлен для нагнетания шлама в трубчатый реактор 106 так, чтобы повышать давление внутри трубчатого реактора 106. Будет понятно, что, когда давление внутри реактора повышается, температура шлама внутри трубчатого реактора 106 может быть повышена до температуры более 100 градусов Цельсия без доведения шлама до кипения.
Система 100 для обработки шлама включает впуск 118 для подачи водяного пара, через который водяной пар подают в трубчатый реактор 106, чтобы повысить температуру до температуры более 100 градусов Цельсия. Когда давление в трубчатом реакторе было увеличено с помощью питателя 116, температура может быть повышена до уровня более 100 градусов Цельсия без доведения содержимого в трубчатом реакторе 106 до кипения. В некоторых вариантах исполнения водяной пар, подводимый в трубчатый реактор 106, подают в трубчатый реактор 106 под давлением по меньшей мере 15 бар (1,5 МПа).
В одном варианте исполнения по меньшей мере часть газа, полученного в септиктенке 108, используют для нагревания воды для производства водяного пара. Соответственно этому, по меньшей мере часть газа может быть подана в парогенератор 109 через систему 111 подачи газа.
Благодаря выходному нагнетательному клапану 120 внутри трубчатого реактора может поддерживаться предварительно заданное давление, в то время как шлам подают из впуска 112 для шлама в сторону выпуска 114 для шлама. Указанное предварительно заданное давление должно представлять собой давление, достаточно высокое, чтобы избежать кипения, так как кипение содержимого трубчатого реактора 106 будет повреждать реактор.
Более того, трубчатый реактор 106 содержит устройство для термической изоляции трубчатого реактора 106 относительно температуры окружающей среды. Соответственно этому, шлам можно поддерживать по существу при одинаковой температуре во время его прохождения от впуска 112 для шлама в сторону выпуска 114 для шлама без подведения дополнительной теплоты в процесс.
В большинстве вариантов исполнения давление ниже по потоку относительно выходного нагнетательного клапана 120 является равным или по существу равным атмосферному давлению. Соответственно этому, будет понятно, что температура шлама должна быть снижена до прохождения через выходной нагнетательный клапан 120, чтобы предотвратить вскипание шлама. Будет понятно, что температура должна быть снижена до уровня ниже температуры кипения при атмосферном давлении в месте расположения системы, то есть, 100 градусов Цельсия на уровне моря.
Чтобы снизить температуру шлама, система 100 для обработки шлама включает один или более впусков 122 для охлаждающей воды, чтобы добавлять охлаждающую воду к шламу. Как описано ранее, одно преимущество добавления охлаждающей воды состоит в том, что может быть снижена температура. Еще одно преимущество заключается в том, что содержание сухого вещества в шламе, поступающем в трубчатый реактор 106, может быть более высоким, чем в традиционных системах, в которых воду не добавляют, и в которых шлам охлаждают исключительно с помощью теплообменника.
Шлам, подаваемый через систему согласно настоящему изобретению, охлаждают добавлением охлаждающей воды, которая делает шлам более разбавленным. Соответственно этому, будет понятно, что содержание сухого вещества обязательно должно быть более высоким выше по потоку относительно впусков 122 для охлаждающей воды в системе согласно настоящему изобретению. Таким образом, квалифицированный специалист без труда поймет, что концентрация шлама, подаваемого в систему согласно настоящему изобретению, будет более высокой, чем в традиционных системах для такой же концентрации сухого вещества, содержащегося в шламе, выходящем из соответствующей системы.
Будет понятно, что охлаждающая вода, подводимая к впускам 122 для охлаждающей воды, может представлять собой водопроводную воду, технологическую воду или любой другой сорт воды, который не нарушает или не подавляет процессы, которые обычно протекают в септиктенке 108.
В одном варианте исполнения содержание сухого вещества в шламе, подаваемом в трубчатый реактор 106, составляет приблизительно 19 процентов, и температура повышается по меньшей мере до 150 градусов Цельсия. В последнем варианте исполнения время пребывания (то есть, период времени, в течение которого шлам выдерживается в трубчатом реакторе 106) составляет порядка получаса или целого часа. В последнем варианте исполнения содержание сухого вещества в шламе ниже по потоку относительно впусков 122 для охлаждающей воды составляет приблизительно 9 процентов, и температура составляет приблизительно 80 градусов Цельсия.
В некоторых вариантах исполнения система включает охладитель 110 для еще большего снижения температуры обработанного шлама. Охладитель 110 может иметь форму теплообменника, который используют для извлечения тепловой энергии из шлама, чтобы указанную тепловую энергию можно было использовать для нагревания шлама, например, перед подачей его во впуск 112 для шлама.
Конечная стадия процесса в системе состоит в том, что шлам подают в септиктенк 108, в котором инициируют бактериологические процессы, чтобы биологически разложить шлам.
Чтобы смешать обработанный шлам со шламом, уже содержащимся в септиктенке 108, система 100 для обработки шлама может включать мешалку 124. Альтернативно или в качестве дополнения, система 100 для обработки шлама может включать систему 126 рециркуляции, которая приспособлена для смешения шлама, уже присутствующего в септиктенке 108, со шламом, вышедшим из трубчатого реактора 106.
Поскольку температура шлама, уже присутствующего в септиктенке 108, обычно будет более низкой, чем температура шлама, вышедшего из трубчатого реактора 106, рециркуляционная система также будет способствовать дополнительному охлаждению шлама, вышедшего из трубчатого реактора 106.
В качестве примера, шлам, вышедший из трубчатого реактора 106, и шлам, уже находящийся в септиктенке 108, могут быть смешаны в соотношении 1:19 (то есть, каждую часть шлама, вышедшего из трубчатого реактора 106, смешивают с 19 частями шлама, уже присутствующего в септиктенке). Если температура шлама, вышедшего из трубчатого реактора 106, составляет 80 градусов Цельсия, и температура шлама, циркулирующего из септиктенка 108, составляет 55 градусов Цельсия, то температура шлама, поступающего в септиктенк из рециркуляционной системы, составляет приблизительно 56 градусов Цельсия, то есть, на один градус выше, чем у шлама, уже присутствующего в септиктенке 108.
Будет понятно, что для предотвращения постепенного повышения температуры шлама в септиктенке 108 вследствие более высокой температуры шлама, поступающего в септиктенк 108, септиктенк 108 должен быть соответствующим образом изолирован, или температура шлама, выходящего из трубчатого реактора 106, должна быть соответственно скорректирована.
Более того, система может включать средство 128 для предотвращения отложений (например, струвита, или вивианита, или кальция) в подводящих трубопроводах, сообщающихся по текучей среде с трубчатым реактором 106, то есть, во впуске 118 для подачи водяного пара, и/или впуске 122 для охлаждающей воды, и/или во впуске 112 для шлама. Такое отложение может возникать во время отключения системы. Устройство 128 может быть приспособлено для нагнетания масла, такого как растительное масло, в указанные впуски, чтобы, когда в одном или более из указанных впусков для подачи было сброшено давление, шлам не втягивался в указанные впуски и тем самым не создавал возможности осаждения в указанных впусках, когда шлам охлаждается. Устройство 128 может управляться автоматически и/или иметь ручное управление. Будет понятно, что благодаря низкой стоимости минерального масла устройство 128 обеспечивает простой и недорогой путь предохранения более дорогостоящих впусков.
Фиг.3 представляет вариант исполнения трубчатого реактора 106, в котором реактор 106 включает вертикальную часть 130 и горизонтальную часть 132. Более того, в варианте исполнения согласно Фиг.3 две части 130, 132 размещены под прямым углом относительно друг друга так, что вертикальная часть не имеет геометрически горизонтального компонента 134, и так, что горизонтальная часть не имеет геометрически вертикального компонента 136.
Трубчатый реактор содержит впуск 112 для шлама, через который подают биологический материал, и два впуска 118 для подачи водяного пара, нижний из которых размещен в нижней трети вертикальной части 130, и верхний из которых расположен в нижней половине вертикальной части 130.
Более того, трубчатый реактор 106 содержит выходной нагнетательный клапан 120, который размещен ниже по потоку относительно впусков 122 для охлаждающей воды. Для предотвращения обратного течения охлаждающей воды, выше по потоку относительно впусков 122 для охлаждающей воды предусмотрено устройство 138 для предотвращения обратного течения. В варианте исполнения согласно Фиг.3 устройство 138 для предотвращения обратного течения выполнено в виде барьера в нижней части трубчатого реактора 106. Однако, как описано ранее, устройство 138 может быть скомпоновано в виде клапана однонаправленного действия.