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.
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.
2
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 HS.
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.
2
2
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 HS. Затем осушенный и очищенный от HS 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.
2
2
Очищенный от HS и от СO 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.