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 альтернативного газового энергоносителя, содержащего метан и водород.
Известна система комплексной переработки органических отходов, содержащая реакторный блок для выработки биогаза, газоразделительный блок, трубопроводную и запорную арматуру, средства контроля и управления (см. Панцхава B.C., Биогазовые технологии - радикальное решение проблем экологии, энергетики и агрохимии. Теплоэнергетика, 1994, №4, с 36).
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.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является система комплексной переработки органических отходов, содержащая биогазовый реактор, теплообменники в тракте циркуляционной воды, блоки осушки биогаза, очистки, газоразделения с абсорбером и десорбером, трубопроводную и запорную арматуру (см. патент РФ №65048, бюл. №21, 2007 г. - прототип).
К недостаткам известной системы следует отнести сравнительно низкую эффективность комплексной переработки органических отходов в биогаз, в том числе, из-за термодинамических потерь, связанных с недоиспользованием тепла, выделяющегося в процессе анаэробного разложения отходов в реакторе и тепла уходящего из него биогаза.
Решаемой задачей является повышение термодинамической эффективности системы переработки органических отходов различной природы в биогаз. Дополнительной к указанной, является задача создания комплексной экологически чистой системы биохимической переработки отходов 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.
Указанная задача решается тем, что в системе комплексной переработки органических отходов, содержащей биогазовый реактор, теплообменники в тракте циркуляционной воды, блоки осушки биогаза, очистки, газоразделения с абсорбером и десорбером, трубопроводную и запорную арматуру, согласно полезной модели, система содержит первый теплообменник биогаз - циркуляционная вода, второй теплообменник циркуляционная вода - субстрат органических отходов и третий теплообменник циркуляционная вода - сетевая вода из системы централизованного водоснабжения, причем выход указанного реактора по биогазу соединен через блоки осушки, очистки, абсорбер и газовый тракт первого теплообменника с трактом подачи биогаза потребителю, а тракт циркуляционной воды выполнен замкнутым и включает последовательно соединенные по току воды первый теплообменник, абсорбер, второй и третий теплообменники, десорбер и циркуляционный насос.
Кроме того, первый и третий теплообменники могут быть выполнены кожухотрубными, водяной тракт второго теплообменника может быть выполнен в виде кольцевой полости, охватывающей корпус биогазового реактора, вход в газовый тракт десорбера может быть подключен через ресивер к выходу воздушного компрессора, а тракт сетевой воды может быть соединен для подпитки с трактом циркуляционной воды.
Такое выполнение системы переработки органических отходов позволяет решить указанную задачу повышения ее термодинамической эффективности за счет использования в схеме установки трех теплообменников: биогаз - циркуляционная вода, циркуляционная вода - субстрат органических отходов и циркуляционная вода - сетевая вода, которые в совокупности обеспечивают благоприятный тепловой режим для анаэробного разложения органических отходов и предотвращают потери, связанные с недоиспользованием тепла, выделяющегося в процессе анаэробного разложения отходов в реакторе, и тепла уходящего из него биогаза.
Предложенное техническое решение обеспечивает необходимый уровень жизнедеятельности, содержащихся и привносимых в отходы продуцентов в виде штаммов бактерий с необходимыми свойствами. В данной системе возможна экологически чистая комплексная биохимическая переработка 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, энергоносителей метана и водорода, ценных производных в виде твердых и жидких удобрений, а также диоксида углерода, аммиака, сероводорода и др. Другие составляющие системы комплексной переработки в виде блоков осушки и очистки биогаза, блока газоразделения, включающего указанные контакторные модули с селективными мембранами, обеспечивают в реальном масштабе времени эффективное отделение метана, диоксида углерода и дополнительных компонентов из получаемого в реакторе сырого биогаза.
На фиг.1 представлена принципиальная блок-схема системы комплексной переработки органических отходов животноводческих ферм.
Система комплексной переработки органических отходов содержит биогазовый реактор 1, блоки 2, 3 осушки и очистки биогаза и блок 4 газоразделения с абсорбером 5 и десорбером 6. Система также содержит теплообменники в тракте 7 циркуляционной воды. Первый теплообменник 8 биогаз - циркуляционная вода предназначен для частичного отвода тепла от биогаза, уходящего из системы к потребителю. Второй теплообменник 9 циркуляционная вода - субстрат органических отходов обеспечивает необходимый температурный режим субстрата в биогазовом реакторе 1. Третий теплообменник 10 циркуляционная вода - сетевая вода из системы централизованного водоснабжения обеспечивает регулируемое охлаждение циркуляционной воды, поступающей из реактора 1 в десорбер 6.
Выход реактора 1 по биогазу соединен через блоки 2, 3 осушки и очистки, газовое отделение абсорбера 5 и трубки первого теплообменника 8 с трактом 11 подачи биогаза потребителю. При этом тракт 7 циркуляционной воды выполнен замкнутым и включает последовательно соединенные по току воды полость корпуса первого теплообменника 8, жидкостное отделение абсорбера 5, полости корпусов второго и третьего теплообменников 9, 10, жидкостное отделение десорбера 6 и циркуляционный насос 12. Воздушный компрессор 13 через ресивер 14 обеспечивает прокачку воздуха через газовое отделение десорбера 6. Поз. 15 обозначен блок вывода жидких и твердых продуктов переработки из реактора 1.
Указанные первый и третий теплообменники 8, 10 на схеме выполнены кожухотрубными, а водяной тракт второго теплообменника 9 выполнен в виде кольцевой полости, охватывающей корпус биогазового реактора 1. При этом тракт сетевой воды соединен линией 16 между реактором 1 и теплообменником 10 для подпитки тракта 7 циркуляционной воды, а в верхней части реактора 1 установлена расширительная емкость 17 и механизм 18 привода мешалки. На выходе указанных агрегатов в линиях биогаза, воздуха и циркуляционной воды установлены соответствующие регулирующие и/или запорные вентили, обеспечивающие нормальное функционирование системы, проведение профилактических и пуско-наладочных работ.
Система комплексной переработки органических отходов животноводческих ферм функционирует следующим образом.
Через загрузочный патрубок биогазовый реактор 1 заполняют подготовленными для биохимической переработки органическими отходами животноводческих ферм. После герметизации реактора 1 включают привод 18 мешалки для перемешивания субстрата, выравнивания его состава и поля температур. Затем включают циркуляционный насос 12 для прокачки воды по тракту 7 и поддержания необходимого уровня температуры субстрата. Образующийся в реакторе 1 сырой биогаз при температуре около 55°С поступает сначала в блок осушки 2, затем в блок очистки 3 биогаза от сероводорода и далее в газовое отделение адсорбера 5 блока 4 газоразделения для отделения из биогаза диоксида водорода. Очищенный биогаз при температуре около 52°С поступает в трубную часть теплообменника 8 для его охлаждения циркуляционной водой и возврата части тепла в систему. Вода на входе в теплообменник 8 имеет температуру 20°С, а после выхода из него при температуре около 50°С поступает в абсорбер 5, где насыщается диоксидом углерода. Затем подогретая вода поступает в полость второго теплообменника 9 для подогрева субстрата.
Таким образом теплообменник 9 циркуляционная вода - субстрат органических отходов обеспечивает необходимый температурный режим субстрата в биогазовом реакторе 1. После выхода из теплообменника 9 циркуляционной вода, охлажденная до температуры 22-30°С, поступает в полость третьего теплообменника 10 для дополнительного регулируемого охлаждения до температуры 20°С сетевой водой из системы централизованного водоснабжения. Указанная температура является оптимальной для функционирования десорбера 6 при выводе диоксида углерода из воды в воздух, поступающий из ресивера 14. Очищенная вода при указанной температуре поступает в полость теплообменника 8, замыкая циркуляционный тракт 7.
Для регулирования объема дополнительно поступающей воды из системы водоснабжения через трубопровод линии 16 на верхней части реактора 1 установлена расширительная емкость 17. При необходимости дополнительного подогрева субстрата до температуры 55°С и более биогазовый реактор 1 может быть снабжен электроподогревателем (не показан), расположенным внутри реактора или в кольцевой полости теплообменника 9. Вывод жидких и твердых остатков продуктов переработки осуществляется с помощью блока 15, подключаемого к реактору 1 после окончания процесса выработки биогаза из органических отходов предыдущей загрузки.
Биогазовый реактор 1 системы комплексной переработки органических отходов животноводческих ферм обычно выполняют в виде одного или двух вертикально установленных емкостей с общими средствами подготовки, подачи и вывода отходов. Блок газоразделения 4, содержащий абсорбер 5 и десорбер 6, как было указано, предназначен для селективного разделения биогаза на смесь воздуха с диоксидом углерода и целевого продукта метана (с дополнительными компонентами), направляемого через тракт 11 потребителю. При этом уходящий воздух с высоким содержанием диоксида углерода впоследствии может использоваться, например, в тепличном хозяйстве.
Реактор, блоки газоразделения, осушки и очистки, кроме основных, могут иметь дополнительные входные и выходные патрубки, в том числе, для промывки и просушки, смотровые лючки и др. Основные агрегаты системы, а также агрегаты подготовки отходов и их вывода из реактора обычно 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).
В предложенной системе возможно проведение технологической переработки различных органических субстанций с помощью термофильного (50-55°С) анаэробного разложения органических отходов с получением метана. Система комплексной переработки органических отходов, оснащенная биогазовым реактором и указанным дополнительным оборудованием для осуществления более низких рабочих температур, может быть использована также для мезофильного или иных видов анаэробного разложения отходов. Для поддержания их жизнедеятельности и ускорения процесса образования биогаза необходимо, прежде всего, путем перемешивания периодически или постоянно удалять газ из всей массы перерабатываемого сырья для ликвидации зон с пересыщенным содержанием биогаза вблизи гранул с иммобилизованными на них бактериями.
Обеспечение предложенной системы необходимой контрольно-измерительной и регулирующей аппаратурой делает возможным ее функционирование в различных исследовательских, наладочных, профилактических и рабочих режимах, при этом возможно функционирование всей системы в автоматическом или полуавтоматическом режиме.
Экспериментальная модель данной системы комплексной переработки органических отходов различного типа была разработана и прошла 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.