СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И УТИЛИЗАЦИИ СОЛОМЫ ЗЛАКОВЫХ КУЛЬТУР
METHOD OF USE AND DISPOSAL OF STRAW OF GRAIN CROPS

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а более конкретно к способу использования и утилизации соломы злаковых культур, и может быть использовано в производстве кормов, в химической промышленности, биотехнологии и экологических программах.
Солому злаковых культур относят к классу возобновляемых источников биосырья. Однако переработку растительного сырья в полезный продукт и его утилизацию сегодня считают экологически невыгодной технологией, требующей больших капвложений и энергоресурсов. Поэтому в настоящее время солома злаковых культур в основном уничтожается непосредственно на полях посредством сжигания или запахивания в почву. Однако из-за постоянного удорожания углеводородного топлива и ухудшения экологической ситуации на планете интерес к растительному источнику возобновляемого экологически чистого топлива не только не угас, а напротив, возрос и вышел на новый уровень. Рентабельность предприятий, связанных с переработкой растительного сырья, будет тем выше, чем больше полезного продукта будет получено попутно при его переработке и утилизации.
Известен водогрейный котел, работающий на биотопливе, преимущественно на тюкованной соломе злаковых культур, предназначенный для выработки тепловой энергии [патент RU 2263852, F24H 1/44 от 10.11.2005 г.]. Массовое использование такого оборудования невозможно, так как получаемая данным способом тепловая энергия не компенсирует даже транспортные и складские затраты, не говоря уже о высокой стоимости самого оборудования. Установка такого оборудования непосредственно на ферме или в поле практически исключена из-за малой его рентабельности и неэффективности. Теплотворная способность соломы злаковых культур весьма низка и не может конкурировать с другими видами топлива даже в том случае, если она получена при утилизации «бросового» сырья.
Известен другой способ термической переработки биомассы при ее утилизации [патент RU 2177977, C10B 53/02 от 10.09.2001 г.], включающий загрузку растительной массы в конвертор, пиролиз ее при температуре 650-950°C в среде восстановительного газа, подачу пара после окончания пиролиза и выделение полезного продукта в виде твердого углеродного сорбента.
Однако данный способ утилизации соломы также не способствует его широкому распространению, так как затраты на углеводородное топливо, затрачиваемое на восстановительный газ и производство пара, будут несопоставимы с прибылью от реализации углеродного сорбента. К тому же при этом способе утилизации только часть растительного сырья превращается в полезный продукт и, следовательно, остальная часть должна быть утилизирована, что также понижает рентабельность данного процесса в целом.
Известен другой способ переработки соломы в полезный продукт при ее утилизации, а именно способ брикетирования лигносодержащих материалов и комплекс средств для его осуществления [патент RU 2191799, C10L 5/44, B30B 11/02 от 27.10.2002 г.], включающей дозирование, подачу в пресс, обработку паром с температурой 100-250°C для разрушения клеточных стенок и получение брикетов. Данный продукт, получаемый при утилизации соломы, авторы рекомендуют использовать в качестве биотоплива для коммунального хозяйства или в качестве строительных блоков при возведении жилья.
Однако данный способ обладает рядом существенных недостатков, которые не способствуют его широкому использованию в народном хозяйстве. К ним следует отнести низкую степень рентабельности предложенного способа и недостаточную эффективность процесса утилизации. Продукт, получаемый в процессе утилизации соломы, а именно брикеты, является лишь сырьем, и для его использования потребуются и специфичное оборудование, и своя инфраструктура для широкого внедрения. Поэтому заводы по производству брикетов и пеллет из растительного сырья остаются пока энергозатратными предприятиями. При этом особые требования на транспортировку и сохранение пеллет у потребителя однозначно повышают их себестоимость, а те выгоды, которые авторы усматривают при их использовании, сомнительны и мало конкурентоспособны с теми продуктами, которые можно получать из соломы злаковых культур при ее утилизации. Вышеуказанная и продвинутая сегодня на наш рынок технология позволяет решать часть проблем, но не меняет ситуацию в целом при утилизации соломы злаковых культур.
Экономическая целесообразность обуславливает создание новых технологий по глубокой переработке соломы злаковых культур в другие виды полезных и конкурентоспособных продуктов. Так, например, получение газообразного или жидкого биотоплива, а также получение биоактивного растительного сырья для фармацевтической, химической и сельскохозяйственной отраслей промышленности, одновременное получение электрической и тепловой энергии помогут процесс утилизации соломы злаковых культур сделать привлекательным и экономически выгодным.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому решению является способ переработки растительного сырья [заявка на изобретение RU 2009125992, 23N 17/00 от 20.01.2012 г.), включающий установленные по ходу технологического процесса питающее устройство, сушилку, измельчитель сухой растительной массы, пневмотранспортеры и устройство для улавливания готового продукта, в котором с целью разрушения структуры лигноцеллюлозных клеточных стенок и обогащения сырья целлюлозными углеводами дополнительно установлены нанодиспергатор, устройство для впрыскивания поверхностно-активных веществ и классификатор для отделения полученного нанокомпозитного порошка от крупных частиц и возврата последних в нанодиспергатор для доизмельчения и получения нанострктурированного углеводного порошка.
К недостатку известного способа, препятствующему его широкому применению, относится то, что только одна четвертая часть исходного растительного сырья превращается в полезный продукт, а именно в наноструктурированный углеводный порошок. В то время как другая его переработанная часть в виде лигноцеллюлозных отходов остается невостребованной. К другому недостатку известного способа следует отнести отсутствие средств и методов для утилизации оставшейся невостребованной части исходного продукта. К тому же накапливание и хранение таких отходов также рождает новую проблему и, как следствие, понижает эффективность процесса в целом, несмотря на ценность извлекаемого продукта.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков и проблем путем создания нового способа использования и утилизации соломы злаковых культур.
Указанную задачу решают за счет достижения технического результата, заключающегося в получении экологически чистого, безотходного, экономически и энергетически эффективного способа переработки соломы злаковых культур с получением конкурентоспособного и дефицитного продукта и одновременной выработкой тепловой и электрической энергии при последующей утилизации лигноцеллюлозных отходов, оставшихся после извлечения полезного продукта.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается известным способом использования и утилизации соломы злаковых культур, включающим извлечение полезного продукта, преимущественно растворимых биоусвояемых сахаров, и последующую утилизацию отходов.
Отличием предложенного способа от ранее известного является то, что при извлечении полезного продукта солому злаковых культур подвергают глубокой переработке, а именно диспергированию и ферментированию, а лигноцеллюлозные отходы, оставшиеся после извлечения полезного продукта, подвергают дополнительному дроблению до размера частиц не более пяти микрон, а затем смешивают с газообразным топливом и сжигают в камере сгорания газотурбинной установки, предназначенной для выработки электрической и тепловой энергии, при этом полученную в процессе сжигания электрическую и тепловую энергию используют непосредственно в процессе глубокой переработки соломы, а полезный продукт, полученный в виде наноструктурированного углеводного порошка, используют в качестве сырья для получения биотоплива или другого конкурентоспособного биопрдукта.
Указанный технический результат достигается также тем, что диспергирование и ферментирование соломы злаковых культур осуществляют с помощью линии для переработки лигноцеллюлозного сырья, включающей по ходу технологического процесса следующее оборудование: измельчитель соломы, сушилку, устройство для введения фермента, мельницу-механохимический реактор, сепаратор циклонного типа с центробежным фильтром, пневмотранспортером и устройством для улавливания и выделения наноструктурированного углеводного порошка.
Указанный технический результат достигается также тем, что дополнительное дробление лигноцеллюлозных отходов до микронного размера осуществляют с помощью трехмерного дезинтегратора, включающего камеру дозатора, камеру рециркулятора и камеру классификатора с накопителем мелкодисперсной составляющей лигноцеллюлозных отходов.
Указанный технический результат достигается также тем, что смешивание мелкодисперсной составляющей лигноцеллюлозных отходов с газообразным топливом осуществляют с помощью эжектора, установленного непосредственно в корпусе трехкамерного дезинтегратора, и турбокомпрессора, гидравлически связанного с камерой сгорания газотурбинной установки, предназначенной для выработки электрической и тепловой энергии.
Указанный технический результат достигается также тем, что полученный в процессе глубокой переработки соломы злаковых культур наноструктурированный углеводный порошок используют в качестве сырья для получения газообразного биотоплива, которое используют в качестве альтернативного вида газообразного топлива для газотурбинной установки, предназначенной для выработки электрической и тепловой энергии.
При исследовании отличительных признаков заявляемого способа не выявлено каких-либо аналогичных известных решений, касающихся глубокой переработки соломы злаковых культур с целью получения полезного продукта в виде наноструктурированного порошка за счет ее диспергирования, так и последующей утилизации лигноцеллюлозных отходов, оставшихся после извлечения полезного продукта, с помощью газотурбинной установки, предназначенной для выработки тепловой и электрической энергии.
Также не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся дробления лигноцеллюлозных отходов до микронного размера при помощи трехкамерного дезинтегратора, обеспечивающего четкую дозировку, рециркуляцию и классификацию получаемого продукта одновременно.
Не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся связи дезинтегратора с камерой сгорания газотурбинной установки с помощью эжектора, установленного непосредственно в корпусе дезинтегратора и турбокомпрессора, обеспечивающих эффективное смешивание мелкодисперсной составляющей лигноцеллюлозных отходов с газообразным топливом газотурбинной установки и последующего ввода этой смеси в камеру сгорания газотурбинной установки.
На фиг.1 изображена принципиальная схема способа использования и утилизации соломы злаковых культур, включающего установленные по ходу технологического процесса: 1 - хранилище соломы; 2 - площадка измельчения; 3 - сушилка; 4 - устройство предварительного ферментирования; 5 - мельница-механоактиватор; 6 - сепаратор циклонного типа; 7 - пневмотранспортер; 8 - устройство для улавливания и выделения наноструктурированного углеводного порошка; 9 - накопитель; 10 - контейнер для хранения лигноцеллюлозных отходов; 11 - дозатор дезинтегратора; 12 - рециркуляционная камера; 13 - камера классификатора; 14 - турбокомпрессор газотурбинной установки; 15 - камера сгорания газотурбинной установки; 16 - газотурбинная установка; 17 - нейтрализатор; 18 - котел-утилизатор; 19 - блок окончательной очистки; 20 - выхлопная труба; 21 - газохранилище.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявляемого изобретения с помощью указанного технического результата, состоят в следующем.
Заявленный способ использования и утилизации соломы злаковых культур предназначен для повышения эффективности процесса утилизации соломы злаковых культур за счет когенерационного принципа подхода к данной проблеме. А именно, сопутствующее извлечение полезного продукта и выработка электрической и тепловой энергии при ее утилизации. Солома злаковых культур содержит большое количество полезных для человека веществ, но не всегда их извлечение экономически целесообразно, как правило, из-за сложности и энергозатратности существующих технологий. Однако эффективность извлечения полезного продукта может быть существенно повышена за счет комплексного и рационального использования биосырья. Так, например, часть затрачиваемой электрической и тепловой энергии в процессе извлечения полезного продукта может быть скомпенсирована за счет дополнительной выработки ее во время полной утилизации отходов, накапливающихся в процессе глубокой переработки соломы злаковых культур. При этом все промежуточные продукты, получаемые в процессе глубокой переработки соломы, также целесообразно использовать в качестве сырья для получения еще более дефицитного и конкурентоспособного продукта. Так, например, микрокристаллическая целлюлоза, полученная из соломы овса, может послужить прекрасным сорбентом при выводе радионуклидов из организма человека, а выделенные из соломы ржи, пшеницы, ячменя и овса растворимые биоусвояемые сахара являются прекрасным сырьем для получения различных биопродуктов, включая кормовые добавки и биотопливо.
Предлагаемый способ осуществляется в несколько стадий, а именно: извлечение из соломы злаковых культур полезного продукта за счет ее глубокой переработки и полную утилизацию отходов, образующихся в процессе ее переработки. А также попутную выработку электрической и тепловой энергии и последующую переработку извлекаемого на первой стадии полезного продукта в другие еще более полезные для человека вещества. При этом каждая предыдущая стадия данного процесса переработки соломы является заделом для осуществления его последующих стадий, которые в зависимости от поставленных целей могут дополняться той или иной технологией. При этом первые две вышеуказанные стадии данного процесса являются основными, а все последующие базируются на их основе. При этом основные стадии данного процесса могут выполняться как с помощью стационарного оборудования, так и с помощью мобильного передвижного комплекса (биоутулизатора на колесах), в то время как его последующие стадии обязаны проводиться в стационарных условиях с соблюдением всех мер безопасности и привлечением широкого круга специалистов высокого уровня, а также использованием современного оборудования. Благодаря такому разделению многие дополнительные затраты могу быть просто исключены, например транспортные и складские расходы, а следовательно повышена эффективность всего процесса в целом и, как результат, понижена себестоимость извлекаемых полезных продуктов. При этом почти все стадии данного процесса могут выполняться на базе уже существующей инфраструктуры с привлечением известного оборудования. Так, например, собранная на полях тюкованная солома может быть измельчена и высушена при производстве пеллет из органического сырья. А последующая глубокая переработка осуществляется также известным способом [см. патент на полезную модель RU 90299, А23N 17/00 от 06.07.2009 г.], а именно по известной технологии из соломы злаковых культур извлекают сначала первичный продукт - растворимые биоусвояемые сахара, которые затем уже перерабатывают в другой полезный продукт - наноструктурированный углеводный порошок. Однако при этом накапливается большое количество лигноцеллюлозных отходов, утилизация которых уже не столь очевидна. Предпочтительным вариантом, по мнению авторов, является дальнейшая переработка только растворимых биоусвояемых сахаров, в то время как лигноцеллюлозные отходы более целесообразно сразу утилизировать, так как дальнейшая их переработка в другие полезные продукты на данном этапе развития технологии проблематична и экологически невыгодна. В предлагаемом авторами способе лигноцеллюлозные отходы, полученные в процессе глубокой переработки соломы, подвергают дополнительному дроблению до размера частиц не более пяти микрон, а потом утилизируют. При этом утилизацию авторы предлагают осуществлять путем их сжигания в камере сгорания газотурбинной установки, предназначенной для выработки электрической и тепловой энергии и тем самым компенсировать часть затрат.
Заявленный способ использования и утилизации соломы злаковых культур осуществляют по следующему сценарию. Вначале тюкованную солому из хранилища 1 подают на площадку измельчения 2, а затем в сушилку 3 и устройство предварительного ферментирования 4. Далее она поступает в мельницу-механоактиватор 5, туда же поступают и другие ингредиенты, необходимые для ее глубокой переработки. Из мельницы-механоактиватора 5 полученный продукт с помощью пневмотранспортера 7 сначала поступает в сепаратор 6 циклонного типа, а затем в устройство 8 для улавливания и выделения наноструктурированного углеводного порошка из всей массы биосырья и сбора его в накопителе 9. Лигноцеллюлозные отходы в сепараторе 6 отделяют от полезного продукта и переводят в контейнер для их хранения 10. Далее они поступают в дезинтегратор для дальнейшего измельчения до микронного размера. При этом в камере дозатора 11 вышеуказанного дезинтегратора их строго дозируют в зависимости от ситуации помола в рециркуляционной камере 12. В рециркуляционной камере 12 частицы лигноцеллюлозных отходов размером более пяти микрон вновь и вновь вовлекаются в процесс дробления, в то время как частицы размером меньше пяти микрон перетекают в камеру классификатора 13 и накапливаются в его накопителе перед смешиванием их с газообразным топливом газотурбинной установки, предназначенной для получения электрической энергии. При этом процесс смешивания мелкодисперсной составляющей лигноцеллюлозных отходов с газообразным топливом осуществляют с помощью эжектора, установленного на выходе камеры 13 непосредственно внутри корпуса дезинтегратора, и турбокомпрессора 14 газотурбинной установки. Далее лигноцеллюлозную топливную смесь впрыскивают в камеру 15 газотурбинной установки 16. При этом в качестве газообразного топлива в газотурбинной установке может использоваться наряду с традиционным видом топлива и топливо, полученное при дальнейшей переработке наноструктурированного углеводного порошка. При этом не исключается и использование другой смеси мелкодисперсных лигноцеллюлозных отходов, а именно когда в качестве окислителя в камеру сгорания 15 подают обычный воздух из атмосферы. Но использование воздуха целесообразно только при запуске газотурбинной установки 16, так как в этом случае выхлопные газы перед выбросом в атмосферу необходимо будет очистить от вредных окислов, в то время как при использовании биотоплива такая очистка не нужна. Далее из газотурбинной установки 16 отработанные газы через нейтрализатор 17 вводят в котел-утилизатор 18 и далее через блок окончательной очистки 19 выводят через выхлопную трубу 20 в атмосферу. При этом пар, образующийся в процессе утилизации горячих газов газотурбинной установки 16, может быть использован непосредственно в процессе глубокой переработки соломы для сушки и нагрева исходных компонентов или выдаваться потребителю в виде тепла. Другим вариантом использования пара можно рассматривать его утилизацию в парогазовой установке (в дополнительной приставке) с получением электрической энергии. При этом полезный продукт - наноструктурированный углеводный порошок также может быть переработан сразу в газообразное биотопливо в специальном газификаторе ранее известным способом. При этом в случае использования газификатора для производства газообразного биотоплива полученный газ вводят сразу в камеру сгорания 15 газотурбинной установки 16 или закачивают в газохранилище 21. Следует также отметить, что каждая стадия вышеуказанного процесса в свою очередь предусматривает несколько режимов работы, а именно пусковой, нормальный и остановочный, когда по тем или иным причинам, например отсутствие сырья или биотоплива, эти остановки неизбежны.
К достоинству предлагаемого способа следует отнести то, что любой из вышеперечисленных режимов во время основных стадий осуществляется практически мгновенно без каких-либо последствий для окружающей среды и используемого оборудования. К достоинству данного способа следует также отнести и то, что при его использовании не применяют токсичные и вредные для человека химические реактивы, а получаемые полезные продукты и выбрасываемые выхлопные газы чисты и безопасны для человека и окружающей среды. К тому же основные стадии данного процесса можно осуществлять без использования сложных и дорогих приборов и привлечения специалистов высокой квалификации, а следовательно, их можно осуществлять в непосредственной близости от растительного сырья.
Предложенный способ утилизации соломы злаковых культур позволяет эффективно и просто утилизировать солому злаковых культур с получением полезного продукта. Он экологически чист и не предусматривает использование токсичных и вредных для человека технологий. Получаемые полезные продукты в виде наноструктурированного углеводного порошка и электрической энергии и тепла делают его привлекательным для любого инвестора. Мобильные передвижные комплексы, созданные на базе предлагаемого способа, могут составить серьезную конкуренцию существующим предприятиям по переработке растительной биомассы, особенно в сельской местности. К тому же вырабатываемая с их помощью электрическая энергия будет при всех прочих равных условиях существенно дешевле традиционной, транспортировать которую в удаленные и труднодоступные горные районы не всегда экономически выгодно.
Таким образом, изложенные выше сведения показывают, что при использовании данного изобретения выполнена следующая совокупность условий:
- средства, воплощающие данное изобретение, предназначены для использования в промышленности, а именно в области сельского хозяйства, в частности при утилизации соломы злаковых культур и производстве биопродуктов;
- для заявляемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средства, воплощающие заявляемое изобретение при его осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Преимущество заявляемого изобретения состоит в том, что в результате его осуществления повышается эффективность процесса использования и утилизации соломы злаковых культур, а следовательно, и рентабельность получаемых при этом продуктов, а простота технологии и безопасность в процессе эксплуатации однозначно понижают все виды затрат, обеспечивая при этом существенную экономию при создании экологически чистых энергоустановок, использующих мелкодисперсное твердое топливо из растительного сырья при производстве электрической энергии.