ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНВЕРСИИ ОТХОДОВ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ
INTEGRATED WASTE CONVERSION SYSTEM AND CORRESPONDING SYSTEM

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к области обращения с отходами и обработки отходов, в частности, к обработке органических отходов путем соответствующей предварительной обработки, сепарации и конверсии потоков отходов для производства ценных продуктов, включая биодизель и метан и/или этанол.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Обращение с отходами и их обработка являются постоянной проблемой по мере роста населения. Мусорные свалки занимают землю и имеют ограниченный срок их заполнения, что порождает потребность в новых площадках, необходимость рекультивации заполненных свалок и потенциально проблемы загрязнения окружающей среды. Принятая в Евросоюзе политика обращения с отходами установила цель, что к 2020 году вывоз отходов на свалку должен быть ограничен остаточными загрязняющими веществами (т.е. не подлежащими вторичной переработке и невосстанавливаемыми отходами) (7-я Программа действий по охране окружающей среды (7th EAP). Сжигание отходов решает проблемы землепользования, но создает парниковые газы, причем сжигание требует высокой температуры, чтобы предотвратить выброс загрязняющих веществ. В соответствующей литературе хорошо обосновано, однако, что сжигание несовместимо с качеством местной окружающей среды, эффективным снижением выбросов парниковых газов и целевым снижения отходов до нуля, на которое направлена современная политика в области климата. Во множестве локальных сред сжигание требует чрезвычайно высоких инвестиций, и модель получения дохода слаба даже, если принимать в расчет правительственные дотации на энергетику и транспортировку твердых бытовых отходов (ТБО) на дальние расстояния с использованием ископаемого топлива. Сжигание является основным источником опасных загрязнений, таких как ртуть, диоксины и полихлорированные бифенилы (ПХД). Важно, что энергетическая эффективность сжигания удручающе мала, и полученная электроэнергия доступна только для использования в стационарных условиях. После сжигания около 15% первоначального веса отходов должно по-прежнему отправляться на свалку в виде опасной золы. Производство/сбор метана со свалок путем анаэробного дигерирования осуществляется в небольшом объеме во многих местах, однако не уменьшает общих недостатков использования свалок. Известны описанные и реализованные способы для получения топлива из отходов, например, путем промежуточного производства синтез-газа, который можно сжигать в качестве топлива или трансформировать в другие виды топлива, включая бензин или этанол. Enerkem (Монреаль, Канада) построили топливную установку для производства метанола (и, в конечном счете, также этанола) из отходов, в том числе посредством процесса синтез-газа. (См. www.enerkem.com). Процесс Enerkem представляет собой пример хорошо известного процесса газификации, в котором исходное органическое сырье в виде богатой углеродом биомассы преобразуют при высокой температуре и контролируемом количестве кислорода в монооксид углерода, водород и двуокись углерода (эту смесь называют синтез-газом). Альтернативой процессу газификации является использование плазменной дуги, когда высокое напряжение, подаваемое на горелку, создает высокотемпературный дуговой разряд. Такой процесс называют плазменной газификацией; InEnTec построили и продемонстрировали небольшую установку, которая может перерабатывать 25 тонн отходов в день, используя эту технологию (InEnTec, Ричленд, Вашингтон, США; www.inentec.com).
Было бы целесообразно создать и другие решения, более гибкие и имеющие меньшие энергетические и системные требования.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1а содержит схему, изображающую основные узлы системы согласно изобретению.
Фиг.1b изображает блок-схему всей системы согласно изобретению.
Фиг.2 изображает в перспективе и в разобранном виде блок предварительной обработки, в частности, секции смачивания и смешивания, а также секции нагрева и удержания высокого давления.
Фиг.3а схематично изображает вариант секции очистки от двуокиси углерода в блоке предварительной обработки.
Фиг.3b изображает в перспективе и в разобранном виде секции очистки от двуокиси углерода в одном варианте осуществления блока предварительной обработки.
Фиг.4а схематично изображает основные секции варианта осуществления блока сепарации; в верхней части показана секция кондиционирования, ведущая к секции сепарации жира/масла, которая содержит центральную коаксиальную трубу внутри вертикально расположенного бака. Снизу находится транспортер сепарации твердое вещество/жидкость.
Фиг.4b изображает в перспективе и в разобранном виде основные секции варианта осуществления 4а блока сепарации.
Фиг.4с изображает в перспективе транспортер сепарации твердое вещество/жидкость с фиг.4а и 4b и накопительный/буферный бак, для приема жидкого материала из сепаратора жидкость/твердое вещество.
Фиг.5а изображает альтернативный вариант осуществления трехфазного сепаратора, в котором трехфазную сепарацию осуществляют в одном устройстве, объединяющем сепарацию жир/масло и твердое вещество/жидкость путем применения декантера с шнековым транспортером и дисковой центрифуги в одном инструменте, далее называемом центробежным декантером или блоком центробежного декантера или инструментом.
Фиг.5b изображает трехфазный сепаратор с фиг.5а, с дополнительной детализацией потока материала в процессе сепарации.
Фиг.6а содержит общий вид в перспективе биодизельного реактора с непрерывным потоком согласно изобретению.
Фиг.6b изображает дополнительные детали биодизельного реактора с непрерывным потоком с фиг.6a, иллюстрируя возможную комплектацию компонентов реактора и поток материала в процессе конверсии.
Фиг.6с содержит вид в перспективе и изображает поперечное сечение ячейки внутри биодизельного реактора с непрерывным потоком; справа - гофрированная контактная пластина 4110, где 4111 показывает поверхностное покрытие в увеличенном поперечном сечении; в центре находится статический смеситель 4130 с возмущающим поток поверхностным покрытием 4131, которое показано в увеличенном поперечном сечении; слева - разделитель 4120 с каталитическим поверхностным покрытием 4121, которое показано в увеличенном поперечном сечении.
Фиг.6d изображает увеличенное поперечное сечение примера линий потока внутри одной ячейки биодизельного реактора с непрерывным потоком, состоящего из статического смесителя, ограниченного двумя пластинами реактора. Все показанные поверхности покрыты каталитическим материалом. Ячейка показана без разделителей.
Фиг.7а содержит общий вид двух первых секций (секция 5100 инициирования и секция 5200 инкубации) трехступенчатого блока ускоренного компостирования.
Фиг.7b изображает в перспективе секцию 5100 инициирования блока ускоренного компостирования.
Фиг.8 изображает возможную компоновку блока переработки в соответствии с изобретением.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к полностью основанной на воде, энергетически самодостаточной, интегрированную линейную систему конверсии отходов для полноценной конверсии всех органических фракций бытовых отходов и более широкого спектра коммунальных отходов в топливо, пригодное для использования при транспортировке, с твердыми остатками, перерабатываемым в компост с высоким содержанием питательных веществ. Термин «полностью основанная на воде» относится здесь к системным процессам, не нуждающимся в каких-либо органических растворителях и добавках, кроме экологически приемлемых водорастворимых химикатов. Одним словом, система обеспечивает полный цикл обработки органических отходов, минимизируя или устраняя производительные потери отходов ниже по потоку, выдавая вместо этого ценные продукты. Система может работать энергетически полностью самодостаточно и обладает гибкостью, позволяющей системе принимать приспосабливаться к разнообразным потокам отходов, не нуждается в высокотемпературной газификации, паровом риформинге или подобных процессов.
Система по существу основана на гибкой комбинация предварительной обработки, содержащей паровзрывной гидролиз и сапонификацию; сепарацию предварительно обработанных отходов на различные потоки, каждый из которых направляется на соответствующую дальнейшую переработку, включая производство топлива; производство топлива, которое включает производство биодизеля в блоке каталитической этерификации с непрерывным потоком и анаэробное дигерирование для производства метана или иного низкомолекулярного биотоплива, такого как этанол (посредством ферментации). Оставшиеся твердые вещества перерабатывают в компост в процессе квазинепрерывного ускоренного компостирования. Таким образом, система и способ могут быть предпочтительно организованы так, что отдельные этапы выполняются или могут выполняться в непрерывном режиме, в частности, предварительная обработка, включая обработку паровым взрывом, трехфазная сепарация и производство биодизеля, тогда как некоторые другие этапы, такие как, например, ускоренное компостирование, могут выполняться в полунепрерывном режиме. Сборные и/или буферные баки и контейнеры могут быть расположены между основными блоками и этапами способа, чтобы приспособиться к перемещению материала различными блоками и этапами, такими как непрерывные и полунепрерывные фазы и этапы, а также к любым различиям между выходным объемом и входным объемом соседних блоков и этапов.
Особенно успешно применение процесса обработки паровым взрывом в непрерывном или полунепрерывном режиме, что включает в себя подвергание введенного материала высокому давлению и температуре, предпочтительно в щелочном или кислотном растворе, и выпуск материала посредством резкого понижения давления, например, с помощью поворотного клапана сброса высокого давления, с подходящим расположением как описано ниже, так что секция удержания высокого давления и высокой температуры сохраняет высокие значения рабочего давления и температуры, в то время как материал непрерывно или полунепрерывно вводится и выпускается без спада давления или температуры в секции удержания высокого давления и высокой температуры. Это повышает эффективность и снижает энергопотребление по сравнению с использованием парового взрыва, производимого в периодическом режиме.
Система надлежащим образом расположена по модульному принципу, что позволяет адаптировать ее к составу отходов, подлежащих переработке в конкретной локации. Система может быть сконфигурирована так, чтобы, согласно приведенному выше определению, быть полностью или по существу основанной на воде, при этом наиболее предпочтительно, чтобы вся энергия, используемая в способе, генерировалась из компонентов топлива, производимых в этом способе.
Система спроектирована для обеспечения максимальной синергии отдельных компонентов и вывода ее за пределы уровня техники, уменьшения энергопотребления и выбросов парниковых газов, максимально экологической и экономической пользы.
Система готова к эксплуатации без подвода внешней энергии, и расчеты энергетического баланса показывают, что система в целом может работать исключительно как поставщик энергии, используя энергосодержание потоков отходов. Соответственно, в предпочтительных вариантах изобретения система и способ энергетически самодостаточны, что означает, что в этих вариантах не требуется подвод внешней энергии.
Один из аспектов настоящего изобретения относится к системе конверсии отходов, содержащей: по меньшей мере один блок предварительной обработки для приема потока отходов, по меньшей мере часть которого является органическими отходами, блок предварительной обработки, предусматривающий по меньшей мере один паровой взрыв с непрерывным потоком; по меньшей мере один блок сепарации для приема потока предварительно обработанных отходов из блока предварительной обработки, причем блок сепарации содержит по меньшей мере одну секцию кондиционирования и по меньшей мере одну секцию сепарации для сепарации кондиционированных отходов по меньшей мере на один жировой/масляный компонент и по меньшей мере на один водный компонент и предпочтительно также по меньшей мере на один влажный твердый компонент; по меньшей мере один блок производства биодизеля для производства дизеля из по меньшей мере одного жирового/масляного компонента; по меньшей мере один блок дигерирования для анаэробного дигерирования по меньшей мере одного водного компонента для производства метана и/или блок ферментации для производства этанола из по меньшей мере одного водного компонента; и по меньшей мере один блок компостирования для производства компоста из твердого материала.
Другой аспект изобретения относится к способу обработки и конверсии отходов, содержащему: прием потока отходов, по меньшей мере одна часть которого является органическими отходами; введение потока отходов или, по меньшей мере, его части в блок предварительной обработки, в котором поток отходов вводится в реактор парового взрыва с непрерывным потоком; направление потока предварительно обработанных отходов в блок сепарации, где происходит их сепарация, по меньшей мере, на компонент, содержащий жир и/или масло, и компонент, содержащий водную суспензию органического вещества, и предпочтительно также на компонент, содержащий твердый органический материал; введение указанного жирового и/или масляного компонента в блок производства биодизеля и производство биодизеля из указанного жирового/масляного компонента; введение указанного компонента, содержащего водную суспензию, в блок дигерирования и дигерирование указанного компонента путем анаэробного дигерирования для производства метана или путем ферментации для производства этанола; и введение оставшегося твердого материала в блок ускоренного компостирования.
Другой аспект относится к реактору парового взрыва, содержащему секцию удержания высокого давления и секцию понижения давления, причем секция удержания высокого давления содержит по меньшей мере один транспортер регулируемой скорости для транспортировки указанного потока отходов через указанную секцию. Реактор парового взрыва может дополнительно содержать по меньшей мере один интегрированный блок очистки от двуокиси углерода, который может быть опционально конфигурирован для одновременной работы с реактором парового взрыва.
Другой аспект относится к биодизельному реактору, приспособленному для приема непрерывного потока по меньшей мере одного жирового/масляного компонента и, таким образом, создания непрерывного потока биодизеля. Биодизельный реактор может быть реактором с непрерывным потоком, содержащим множество контактных пластин, покрытых катализатором этерификации и/или переэтерификации, для каталитической этерификации свободных жирных кислот и/или переэтерификации глицеридов. Биодизельный реактор может дополнительно содержать один или более разделителей и/или статических смесителей для регулирования расстояния между контактными пластинами и усиления турбулентного перемешивания.
Другой аспект относится к блоку центробежного декантера, содержащему осевой подшипниковый вал, корпус декантера, соосно охватывающий шнековый транспортер, выполненный с возможностью вращения на указанном осевом подшипниковом валу, по меньшей мере один стационарный центрально расположенный основной вход для подачи материала к шнековому транспортеру, по меньшей мере один выход для твердого вещества, корпус дискового сепаратора, охватывающий указанную дисковую центрифугу, по меньшей мере одну импеллер, расположенный между корпусом декантера и корпусом дискового сепаратора, и выходы для тяжелой фазы и более легкой фазы.
ОПИСАНИЕ
Основные блоки настоящего изобретения показаны на блок-схеме на фиг.1а и 1b, где изображены блок (1000) предварительной обработки, блок (2000) сепарации, блоки (3000 и 4000) производства топлива, блок (5000) ускоренного компостирования и опциональная установка (6000) переработки. Каждый блок может иметь внутри себя компоненты и части; основные части системы названы секциями. На фиг.1а показана упрощенная блок-схема последовательности блоков, а на фиг.1б - более подробная блок-схема всей системы с секциями и компонентами блоков.
Термин «основано на воде» указывает на то, что для способов и систем в соответствии с изобретением не требуются органические растворители. Однако в некоторых вариантах осуществления могут быть использованы экологически приемлемые водорастворимые реагенты или химикаты, например, этанол или метанол, необходимые для производства биодизеля, и кислоты или основания для поддержания отдельных этапов процесса, как более подробно описано ниже. Термин «энергетически самодостаточный» указывает, что способы могут осуществляться без потребления энергии из внешних источников и что вся необходимая энергия, как тепловая, так и электрическая, может быть получена на этапах высвобождения в самом способе и/или с использованием произведенного топлива как источника энергии для способов. В некоторых вариантах осуществления система может быть подсоединена к внешней электрической сети для подачи электроэнергии в систему, но в общем случае любой такой подвод энергии в систему более чем уравновешивается энергетическим выходом самой системой, т.е. итоговой баланс производства энергии положителен. Термин «масло/жир» относится в общем случае к любому липиду из полученных отходов, включая моно-, ди- и триглицериды, полученные из животного жира и масла, а также растительного масла и свободных жирных кислот того же происхождения, и к любой их комбинации. Термин «биодизель» используется здесь как принято в данной области техники и в целом относится к топливу, полученному из переработанного масляного/жирового материала (а не на основе нефти), которое содержит длинноцепочные алкильные (метиловые, этиловые и/или пропиловые) эфиры. Термин «компост» имеет значение, общеизвестное в данной области техники, и относится к органической материи, которая разложилась на удобрения и мелиорирующие вещества.
Как уже упоминалось, преимуществом изобретения является то, что система может быть реализована полностью или по существу на водной основе. Это означает, что все этапы и вспомогательные процессы могут быть выполнены без добавления органического растворителя, за исключением необходимых (экологически приемлемых) водорастворимых растворителей, которые могут потребоваться в качестве реагента и которые могут быть полностью извлечены на соответствующем этапе конверсии, например, метанол или этанол на этапах способа для производства биодизеля.
Блок предварительной обработки согласно изобретению принимает поток отходов, подлежащих обработке. Поток отходов может иметь различный состав; система и способ по настоящему изобретению в общем случае ориентированы на органические отходы или отходы, содержащие в основном органическую материю, которая может или не может быть предварительно отсортирована, такую как, не ограничиваясь этим, бытовые органические отходы. Соответственно, материал отходов, поступивший на обработку, может содержать, не ограничиваясь этим, один или более видов отходов, указанных ниже, или любую их комбинацию: Бытовые отходы (HHW), отходы мясопереработки (SHW), отходы пищевой промышленности (FdIW), отходы рыбной промышленности (FhIW), отходы производства жидкого растительного масла и рыбьего жира (OIW), осадок сточных вод, жир и масла сточных вод (SwW), сельскохозяйственные отходы, такие как пшеничная солома или другая солома, рисовая шелуха, остатки соевого творога, трава и животный навоз (AcW), а также садовые отходы (GW) и древесные отходы (WW). Такие потоки отходов могут быть классифицированы как потоки, богатые углеводами (C), жирами (F) и белками (P) или любой их комбинацией. Термины «жир» («F»), «жир/масло» и «жир и/или масло», используемые в данном документе, в общем случае относятся к компонентам, богатым липидами, таким как, жир и/или масла, включая один или несколько глицеридов (моно- ди-, триглицериды), фосфолипиды и свободные жирные кислоты и любые их смеси.
Если это выгодно (в зависимости от получаемого материала отходов), система может дополнительно содержать опциональный блок сепарации, расположенный выше по потоку от блока предварительной обработки, для удаления, по меньшей мере, части или предпочтительно по существу полного удаления по меньшей мере одного из таких компонентов как металлы, стекло, пластмасса и бумажные компоненты и любых их смесей из полученного смешанного материала отходов. Предпочтительно, чтобы поступающие отходы, подлежащие обработке, представляли собой предварительно отсортированные отходы, такие как происходят из домашних хозяйств, предприятий и/или офисов, где их сортируют в общие баки для пластика, металла, бумаги и в баки для органических отходов. В системе согласно изобретению из таких отсортированных отходов органическая фракция может быть надлежащим образом извлечена, полностью обработана и преобразована.
Блок предварительной обработки содержит в качестве одного из своих самых основных компонентов, по меньшей мере, реактор парового взрыва с непрерывным потоком, который в данных предпочтительных вариантах осуществления работает как щелочной реактор парового взрыва, как подробно описано ниже. В этих вариантах осуществления, при работе с паровым взрывом в щелочных условиях, реактор парового взрыва предпочтительно содержит по меньшей мере один интегрированный блок очистки от двуокиси углерода, который принимает материал, выпускаемый путем понижения давления из секции удержания высокого давления реактора парового взрыва. В одном варианте осуществления щелочной реактор парового взрыва с непрерывным потоком содержит по меньшей мере одну секцию удержания высокого давления, подсоединенную к интегрированной секции очистки от двуокиси углерода через соединение понижения давления, через которое поток материала поступает при быстром понижении давления из секции удержания высокого давления в секцию очистки газа от двуокиси углерода. Секция удержания высокого давления в общем случае будет работать при давлении в диапазоне от примерно 10 бар (1000 кПа) или от примерно 12, или от примерно 14, или от примерно 15, или от примерно 16, от примерно 18, или от примерно 20 бар до примерно 40 бар, или до примерно 38 бар, или до примерно 36 бар, или до примерно 34 бар, или до примерно 32 бар, например, до примерно 30 бар, например, до примерно 28, или до примерно 27, или до примерно 26, или до примерно 25, или до примерно 24 бар. В некоторых вариантах блок очистки от двуокиси углерода работает при давлении в диапазоне от примерно 1 бар, например, от примерно 1,2 бар, например, от примерно 1,5 бар, например, от примерно 2 бар, до примерно 5 бар или до примерно 4 бар, и альтернативно блок имеет охлаждающие элементы для понижения температуры субстрата и для отвода тепла от блока парового взрыва.
Температура в секции удержания высокого давления находится в общем случае в диапазоне примерно 180-250°C, выбранная температура в общем случае зависит от требуемого давления, т.е. температуру и давление подбирают так, что давление приблизительно равно давлению водяного пара или немного выше его. Например, при температуре 180°С давление насыщенного водяного пара составляет чуть более 10 бар, при 200°С - примерно 15,5 бар, при 220°С - примерно 23,2 бар и при 250°С - примерно 40 бар. В некоторых вариантах осуществления реактор парового взрыва работает при температуре в указанном диапазоне и при давлении, соответствующем или близком к давлению насыщенного водяного пара при соответствующей температуре. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления реактор парового взрыва работает при температуре в диапазоне примерно 180-200°С и давлении в диапазоне примерно 10-16 бар, в некоторых вариантах осуществления реактор парового взрыва работает при температуре в диапазоне примерно 200-220°С и давлении в диапазоне примерно 15-23 бар или при температуре в диапазоне примерно 220-240°С и давлении в диапазоне примерно 23-33 бар.
Реактор парового взрыва совершает резкое разрушение непластичной структуры компактных волокнистых материалов, делая их доступными для эффективного гидролиза и последующего разложения посредством ферментации. Блок парового взрыва дополнительно служит для осуществления гидролиза и/или сапонификации введенных органических отходов, таких как целлюлоза, лигнин, белки и жиры/масла, а также для извлечения из потока отходов растворимых углеводородов, аминокислот или пептидов, жирных кислот и их солей. Когда паровой взрыв используют в щелочных условиях, то затем в блоке очистки от двуокиси углерода, описанном ниже, происходит снижение рН водного щелочного экстракта и твердого субстрата. Процесс предварительной обработки служит нескольким целям: i) разрыв структуры компактного волокнистого материала; ii) по меньшей мере, частичное разложение материала с низкой биодоступностью, такого как, например, лигнин и целлюлозный материал; iii) предварительный гидролиз органического материала; iv) водное извлечение питательных веществ из твердого субстрата; и v) стерилизация всего материала.
Стерилизация в этом процессе является чрезвычайно ценной, поскольку она значительно увеличивает полезность продуктов ниже по потоку. В настоящее время существует проблема эффективного использования определенных потоков отходов, поступающих, например, со скотобоен, рыбокомбинатов или пищевых предприятий, где отходы могут быть загрязнены нежелательными бактериями, а также проблема использования бытовых отходов, часто содержащих значительное количество использованных подгузников с мочой и калом. Обработка паровым взрывом в дополнение к измельчению и гидролизу материала обеспечивает требуемую стерилизацию. Во многих странах и регионах использование пищевых отходов или других потенциально содержащих бактерии отходов, например, для компостирования, требует стерилизации в автоклаве или т.п. Настоящая система обеспечивает такую требуемую стерилизацию компостного материала, который, соответственно, становится более подходящим и более ценным продуктом.
Подразумевается, что предпочтительных вариантах осуществления секция очистки от двуокиси углерода составляет интегральную часть реактора парового взрыва с непрерывным потоком, когда паровой взрыв используют в щелочных условиях. Верхняя часть секции очистки от двуокиси углерода предпочтительно приспособлена для обеспечения подачи потока материала из секции удержания высокого давления блока парового взрыва, так что поток материала путем понижения давления направляется к циклоновидной структуре потока отходов внутри секции очистки от двуокиси углерода, при этом способствуя разбрызгиванию и рассеиванию в направлении центра секции очистки, где поток материала щелочных водных отходов (поглотитель) встречается с подлежащим очистке потоком, обогащенным двуокисью углерода, что повышает эффективность очистки. Используемый здесь термин «циклонная структура» относится к в целом круговой или спиральной структуре. Угол входа потока отходов и спиралевидные направляющие внутри блока очистки усиливают циклоновидный поток. Угол входа в некоторых вариантах находится в диапазоне от примерно 5° до 30° от горизонтали, т.е. имеет место наклон вниз от горизонтали, например, под углом в диапазоне от примерно 5° или от примерно 10° до примерно 30°, или до примерно 25° или до примерно 20°. В то же время они предназначены для частичного нарушения циклоновидного потока, чтобы вызвать эффективное разбрызгивание и рассеивание поступающего потока в направлении центра блока очистки и обеспечить максимальный контакт с потоком газа, обогащенного двуокисью углерода. Таким образом, в некоторых вариантах блок очистки должен содержать по меньшей мере одну спиралевидную вставку, предпочтительно по меньшей мере две. В одном варианте этот блок содержит две внутренние спирали, смещенные вертикально друг относительно друга, причем между верхней спиралью и внутренней стенкой блока очистки имеется зазор, тогда как нижняя спираль не имеет зазора. Эта конфигурация служит для сообщений перпендикулярной составляющей скорости первичному потоку циклонной структуры для отходов внутри блока очистки от двуокиси углерода, создаваемому материалом, транспортируемым от верхней спирали к нижней спирали вдоль внутренней стенки блока очистки от двуокиси углерода. Нижняя спираль может быть дополнительно снабжена гофрированной структурой, чтобы частично направлять материал к центру блока очистки, и предпочтительно может также иметь выступающий ободок на ее внутреннем крае, придающий материалу перпендикулярную компоненту для разбрызгивания и рассеивания по направлению к центру.
Двуокись углерода течет в секцию очистки от двуокиси углерода через по меньшей мере один вход для двуокиси углерода, который предпочтительно предусмотрен в нижней части секции очистки от двуокиси углерода, проходя в виде пузырьков через скопление щелочного материала отходов в нижней части блока очистки предварительной обработки, прежде чем подняться через блок очистки и встретить поток диспергированного щелочного материала, движущегося вниз внутри блока очистки. Опционально блок очистки может быть оборудован теплообменными охлаждающими элементами для понижения температуры субстрата и частичного отвода тепла от блока парового взрыва. Чтобы обеспечить максимальную эффективность теплообмена, такие охлаждающие элементы могут быть установлены в секции конденсации на дне блока очистки и/или в контакте с направляющими спиралями внутри блока очистки. Охлаждающие элементы могут быть преимущественно использованы с целью предварительного нагрева воды для парового котла системы, более подробно описанного здесь.
2
2
2
Используемые здесь термины «блок очистки от двуокиси углерода» и «очистка от двуокиси углерода» означают, что двуокись углерода направляют/впрыскивают в блок очистки для абсорбирования, так что очиститель действует как обычный очиститель от двуокиси углерода, выполняющий общую функцию удаления или уменьшения содержания CO в богатом CO потоке; однако в этом способе CO используют для понижения pH и буферизации щелочного субстрата/водного экстракта (абсорбера), образующегося в процессе предварительной обработки, а также для увеличения концентрации карбоната и бикарбоната экстракта с целью усиления анаэробного преобразования двуокиси углерода в метан в последующем блоке преобразования метана. Как описано ниже, система преимущественно работает, направляя СО2, генерируемый в системе, в таких блоках как блок дигерирования и/или котельный блок, блок очистки от двуокиси углерода.
2
Вспомогательный очиститель может быть установлен так, чтобы питаться предварительно отфильтрованной жидкой фракцией, собираемой в зоне осаждения основного очистителя, и может иметь обычную конфигурацию разбрызгивания сверху вниз при повышенном давлении и пониженной температуре с малым количеством СО, поступающем снизу из основного очистителя. Соответственно, вспомогательный очиститель в системе в некоторых вариантах осуществления изобретения может работать при давлении в диапазоне от примерно 5 до 150 бар, например, при значении давления в диапазоне от примерно 5 или от примерно 10, или от 15, или от примерно 20 или от примерно 30 или от примерно 40, примерно до 150, или до примерно 140, или до примерно 130, или до примерно 120, или до примерно 110, или до примерно 100, или до примерно 90, или до примерно 80, или до примерно 70, или до примерно 60, или до примерно 50 бар, и температура предпочтительно находится в диапазоне от 5 до 40°C, например в диапазоне от примерно 5°C или от примерно 10°C, или от 1 до 5°C, или от примерно 20°C, до примерно 50°С, или до примерно 45°С, или до примерно 40°С, или до примерно 35°С, или до примерно 30°С.
Перед введением в камеру парового взрыва высокого давления поступающий материал предпочтительно подается через секцию смачивания и смешивания, где в поток может быть добавлена вода для получения требуемого соотношения твердой и жидкой составляющих, материал перемешивают, при этом можно влиять на рН, в частности, для последующего щелочного процесса парового взрыва, для чего в поток в секции смачивания и смешивания добавляют щелочной раствор. Секция смачивания и смешивания предпочтительно содержит питаемый сверху транспортирующий смеситель и смачивающее оборудование, например, одно или более смачивающих сопел. Выходное отверстие секции смачивания и смешивания предпочтительно подсоединено к реактору парового взрыва через поворотный дозирующий клапан и более предпочтительно через последовательное соединение поворотного дозирующего клапана и поворотного клапана высокого давления, более подробно описанного ниже со ссылкой на частные варианты осуществления, но применимых к изобретению в целом. Подсоединение секции смачивания и смешивания к секции удержания высокого давления реактора парового взрыва обеспечивает непрерывную или полунепрерывную передачу материала из секции смачивания и смешивания при атмосферном давлении в секцию удержания высокого давления, в то время как давление в последней поддерживают постоянным.
В секции удержания высокого давления загруженный субстрат транспортируют подходящими средствами из точки загрузки к точке выхода, например, не ограничиваясь этим, посредством транспортера регулируемой скорости, предпочтительно шнекового транспортера. Секция оборудована по меньшей мере одним, предпочтительно двумя или более отверстиями инжекции пара и поворотными клапанами на конце загрузки и выпуска (называемыми соответственно подающим клапаном и выпускным клапаном), предпочтительно каждый из которых имеет отверстие инжекции пара и отверстия понижения давления и которые предпочтительно синхронизированы так, что падение давления в секции удержания высокого давления минимально во время работы, а время удержания в секции удержания высокого давления можно регулировать в широком диапазоне путем изменения скорости транспортировки, синхронизированной с механизмом загрузки и понижения подающего и выпускного клапанов. Преимущественно синхронизацией управляет блок управления, например, система ПЛК.
Выходное отверстие секции удержания высокого давления предпочтительно подсоединено вертикально к поворотному дозирующему клапану и поворотному клапану сброса высокого давления, как описано далее в примерах. В точке выхода субстрат транспортируют посредством поворотного дозирующего клапана к отделению поворотного клапана сброса высокого давления, который в этот момент времени обращен к выходному отверстию секции удержания высокого давления. Затем поворотный клапан поворачивается, открывая отделение повышенного давления давлению секции понижения давления (приемная секция, предпочтительно представляющая собой блок очистки от двуокиси углерода), что запускает взрыв пара, перед поворотом в положение возврата к повышению давления, снабженное отверстием инжекции пара. Из этого положения камера поворачивается назад в позицию заполнения.
При этом сущность изобретения предусматривает и другие варианты осуществления, в которых вместо щелочного парового взрыва применяется кислотный паровой взрыв. Эти варианты используют по существу аналогичную компоновку оборудования с некоторыми небольшими модификациями, поскольку в них не применяется очистка от двуокиси углерода, а вместо щелочной сапонификации поступающий поток отходов окисляют подходящим раствором кислоты, такой как, не ограничиваясь этим, соляная кислота, что частично приводит скорее к образованию свободных жирных кислот из жирового/масляного компонента, чем к сапонификации. После кислотного парового взрыва и перед сепарацией потока, обработанного паровым взрывом, pH повышают путем смешивания предпочтительно со щелочью.
Блок предварительной обработки дополнительно содержит в некоторых вариантах осуществления блок измельчения и/или гомогенизации, который расположен выше по потоку от реактора парового взрыва с непрерывным потоком. Блок измельчения/гомогенизации может быть любого подходящего механического типа, известного специалисту, для измельчения и/или дробления или подобной механической обработки поступающего материала перед дальнейшей обработкой согласно изобретению.
Реактор парового взрыва, в частности, щелочной реактор парового взрыва с интегрированным блоком очистки от двуокиси углерода, как в общем аспекте, раскрытом в настоящем документе, так и во всех описанных и подразумеваемых вариантах, является таким же существенным аспектом изобретения, также независимо от других блоков и компонентов других блоков в системе в целом. Таким образом, реактор парового взрыва может быть предусмотрен и использован в других устройствах, отличающихся от тех, которые отдельно описаны и указаны здесь в качестве полной системы согласно изобретению.
Когда получен поток отходов, богатых жиром/маслом, таких как, не ограничиваясь этим, отходы мясопереработки (SHW) или отходы производства растительного масла и рыбьего жира (OIW), такой богатый жиром поток может в определенных вариантах осуществления направляться предпочтительно в установку переработки отходов, в которой происходит предварительная сепарация, с отделением масляного материала от твердого материала и материала на водной основе. Блок переработки конфигурирован для сепарации из входящего потока, по меньшей мере, части и предпочтительно всего объема жирового/масляного компонента и уменьшения объема оставшейся водной суспензии, содержащей твердые вещества, посредством удаления воды. Это приводит к значительному уменьшению объема, и оставшаяся фракция суспензии, содержащая белок/углеводы, может быть смешана с другими органическими отходами и подвергнута обработке (паровой взрыв) в блоке предварительной обработки. Жировой/масляный компонент, получаемый из установки переработки отходов, однако, может быть передан непосредственно биодизельному блоку, более подробно описанному ниже, а водный компонент может быть в достаточной степени освобожден от органических компонентов для направления в сточные воды или на соответствующую обработку отходов. Блок переработки может с пользой применяться для потоков отходов, которые легко сепарировать на их соответствующие водосодержащие, масляные/жировые и белковые компоненты (после измельчения, где это целесообразно). Переработка отходов в общем случае включает в себя период умеренного нагрева при атмосферном давлении (в общем случае в интервале примерно 80-100°С, более предпочтительно в интервале примерно 90-95°С в течение, например, примерно 30-60 мин) с последующей центробежной сеперацией. Соответственно, блок переработки содержит в некоторых вариантах бак нагрева/удержания, декантер и центрифугу или комбинированный блок, сочетающий функциональные возможности декантера и центрифуги, как описано здесь в отдельном варианте осуществления блока трехфазной сепарации. Оставшуюся фракцию, содержащую твердые вещества, из блока переработки затем преимущественно направляют в блок предварительной обработки для стерилизации и гидролиза, как описано выше. Это повышает эффективность системы, поскольку нагрузка на блок предварительной обработки может быть существенно снижена.
Блок сепарации системы в соответствии с изобретением содержит в некоторых вариантах осуществления секцию кондиционирования, секцию непрерывной сепарации жир/масло, сепаратор жидкость/твердое вещество и центробежный очиститель. В некоторых вариантах секция кондиционирования блока сепарации содержит камеру со смесителем и средствами (такими как оборудование) для введения раствора кислоты (и/или другого раствора), например, для регулирования pH предварительно обработанного материала отходов, содержащихся в камере, и дополнительно выпускной клапан для выпуска кондиционированного материала. Смеситель в блоке кондиционирования может быть любым из множества подходящих смесителей, известных специалисту; в некоторых вариантах осуществления изобретения смесителем может быть транспортирующий смеситель. Секция непрерывной сепарации жир/масло содержит в предпочтительных вариантах вертикальный удлиненный бак, внутри которого центрально и соосно расположена удлиненная труба. На входе указанной центральной трубы предпочтительно установлен выпускной клапан, посредством которого кондиционированный материал может быть выпущен из секции кондиционирования блока в эту трубу. Труба или бак предпочтительно содержит один или более инжекторов микропузырьков вблизи нижнего конца трубы и выходной клапан. Секция сепарации жир/масло дополнительно предпочтительно содержит средства подачи жира/липида, накапливающегося на поверхности жидкости внутри бака, в буферный бак для жира/масла или центробежный очиститель, такой как, не ограничиваясь этим, поверхностный насос и/или переливной дренажный карман. Сепаратор жидкость/твердое вещество в некоторых вариантах осуществления может быть выполнен в виде транспортера (например, шнекового транспортера), заключенного в корпус, такого как шнековый транспортер в цилиндрическом корпусе, расположенном под углом; водную суспензию, из которой сепарированы жиры и масла, подают на вход шнекового транспортера в нижней части цилиндрического корпуса, шнековый транспортер транспортирует твердые вещества вверх через корпус к выходному отверстию для фракции, содержащей твердые вещества; выходное отверстие находится в верхнем конце корпуса/транспортера или рядом с ним. Транспортер и корпус могут быть расположены под углом в диапазоне примерно 5-45°, например, под углом в диапазоне от примерно 5° или от примерно 7° или от 10° или от примерно 12° до примерно 45° или до примерно 40° или до примерно 35° или до примерно 30° или до примерно 25°.
2
Когда применяется щелочной паровой взрыв, с помощью интегрированного блока очистки от двуокиси углерода суспензия, выходящая из блока очистки от двуокиси углерода, поступает в секцию кондиционирования и в общем случае дополнительно регулируется pH (pH уже был снижен в блоке очистки с помощью CO). Там, где установлен вспомогательный очиститель, сброс из этого блока объединяют с суспензией из основного очистителя перед регулировкой pH. Регулировка рН приводит к тому, что щелочные соли жирных кислот превращаются в свободные жирные кислоты и, таким образом, могут быть отделены от водной фазы путем флотации. Это происходит в секции непрерывной сепарации жир/масло. Таким образом, выходом секции трехфазной сепарации являются: (i) фракция, содержащая свободные жирные кислоты наряду с остальными, негидролизованными, жирами и маслами; (ii) фракция, содержащая водный экстракт, предпочтительно с менее 15% взвешенных твердых веществ, более предпочтительно менее 12% или менее 10% взвешенных твердых веществ и еще более предпочтительно менее 8% или менее 6% твердых веществ, с возможностью регулировки; и (iii) фракция, содержащая твердый субстрат, к которой в общем случае относится фракция, имеющую предпочтительно по меньшей мере 25% содержания сухого материала, более предпочтительно более высокое содержание сухого материала, например, по меньшей мере 28% или по меньшей мере 30% и еще более предпочтительно по меньшей мере 35% или по меньшей мере 40% и более предпочтительно по меньшей мере 45% или по меньшей мере 50%, например, по меньшей мере 55% или по меньшей мере 60%. Содержание сухого материала в твердом субстрате и взвешенной твердой фракции в водной фазе можно регулировать, например, регулируя степень и плотность перфорации и размер отверстия перфорированной нижней пластины в секции сепарации твердое вещество/жидкость, как более подробно описано ниже.
Упомянутая вначале жировая/масляная фракция может быть преимущественно направлена в биодизельный блок на этерификацию и/или переэтерификацию. Как упомянуто, биодизельный блок приспособлен преимущественно для приема непрерывного потока жирового/масляного компонента из блока сепарации и работы в качестве блока производства биодизеля с непрерывным потоком. Это означает блок, производящий по существу непрерывный поток биодизеля.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения секция сепарации содержит блок центробежного декантера, объединяющий все секции блока трехфазной сепарации в одном и том же инструменте. Такой блок в общем случае содержит комбинированный блок декантера со шнековым транспортером и дисковую центрифугу, которую также называют центрифугой с конической тарелкой, центрифугой с коническими перегородками в роторе и сепаратором со стопкой дисков - в данном контексте эти термины синонимичны. Эти функциональные компоненты образуют секцию блок декантера и секцию центрифуги, соответственно. Блок центробежного декантера в общем случае содержит корпус декантера, в котором заключен шнековый транспортер; корпус декантера и транспортер вращаются независимо на осевом подшипниковом валу. Секция декантера дополнительно имеет по меньшей мере один вход, который предпочтительно расположен стационарно и аксиально, внутри вала осевого подшипника. Через вход материал поступает в корпус декантера. Выход твердого материала расположен вблизи дистального конца шнекового транспортера (конец, дальний от секции центрифуги). Блок дополнительно содержит корпус дискового сепаратора, в котором расположена упомянутая дисковая центрифуга. По меньшей мере одна крыльчатка расположена между корпусом блок декантера и корпусом дискового сепаратора, пропуская через себя жидкость, выход для тяжелой фазы и выход для более легкой фазы; крыльчатка предпочтительно стационарна. Блок центробежного декантера, описанный здесь и более подробно в примерах, может функционировать независимо, для требуемой сепарации органических потоков с водой, маслами и твердым веществом и в некоторых аспектах может быть предусмотрен в качестве независимого блока, подходящего как описанной здесь системы, так и других система и применений.
В соответствии с изобретением блок производства биодизеля в предпочтительном варианте содержит модульный биодизельный реактор с непрерывным потоком, с контактными пластинами, покрытыми катализатором этерификации, для катализа этерификации свободных жирных кислот и/или для переэтерификации глицеридов. Термин «контактные пластины» означает, что пластины контактируют с введенным жировым/липидным материалом. Пластины в некоторых вариантах осуществления гофрированы для увеличения площади поверхности и улучшения динамики потока и контакта. Предпочтительно одна или обе стороны контактных пластин покрыты закрепленным на них каталитическим материалом в зависимости от конфигурации потока. Катализаторы этерификации, как таковые, известны в данной области техники, и специалист может выбрать подходящий катализатор. Катализатор в некоторых вариантах осуществления может быть твердотельным или в других вариантах может представлять собой ферментный катализатор, закрепленный или не закрепленный на твердой основе. Реактор может дополнительно содержать разделители для регулировки расстояния между контактными пластинами; разделители также могут быть покрыты катализатором и предпочтительно имеют внутреннюю поверхность, усиливающую турбулентность потока, чтобы повысить эффективность перемешивания. Предпочтительно в реакторе между контактными пластинами расположен смеситель, например, не ограничиваясь этим, один или более статических смесителей. Предпочтительно, чтобы между контактными пластинами было расположено несколько статических смесителей, которые могут быть, не ограничиваясь этим, вытянутыми вертикально профильными элементами, такими как V-образные профили, изогнутые профили, стержни, сетки или т.п.
В некоторых вариантах осуществления контактные пластины в реакторе расположены с катализатором на одной стороне так, что стороны с покрытием обращены друг к другу, и поток материала направлен через реактор так, что реагент течет между сторонами, покрытыми катализатором, а теплоноситель течет в каналах между непокрытыми сторонами.
В некоторых вариантах применяется по меньшей мере один гомогенный катализатор, который может быть, не ограничиваясь этим, кислотным катализатором, таким как серная кислота, или щелочным катализатором, таким как, не ограничиваясь этим, гидроксид натрия, метоксид натрия или гидроксид калия или метоксид калия. Традиционный гомогенный щелочной катализатор, однако, неприменим к сырьевым материалам, содержащим значительное количество свободных жирных кислот. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления изобретения применяется по меньшей мере один гетерогенный катализатор, который может быть органическим или неорганическим катализатором, например, известным в данной области техники или ферментативным катализатором. В некоторых вариантах, таких как дополнительно описано ниже, комбинацию катализаторов используют в отдельных реакторах или отдельных секциях реактора, когда первый катализатор катализирует этерификации свободных жирных кислот, а второй катализатор катализирует трансэтерификацию глицеридов во второй секции. Когда в отдельных реакторах используется комбинация катализаторов, между реакторами может быть введена промежуточная чистка посредством взрывного испарения или смол. Когда в устройстве с одним реактором используется один катализатор или комбинация катализаторов, может быть также использована промежуточная смоляная чистка.
Реактор предпочтительно оборудован входной системой, позволяющей эффективно перемешивать реагенты перед их инжекцией в реактор, что включает в себя добавление спирта (метанола/этанола) при необходимости для производства реакции. В некоторых вариантах осуществления изобретения этанол, полученный в системе, используют как реагент при производстве биодизеля. В некоторых вариантах дополнительный гомогенный катализатор может быть добавлен через вход. Таким дополнительным катализатором может быть жидкость, добавляемая в качестве дополнительного катализатора и/или для активации твердотельного катализатора на пластинах в реакторе. Входная система может содержать предварительный смеситель для смешивания кондиционированного материала реагента со вспомогательным растворителем и/или для смешивания дополнительного катализатора, такого как серная кислота, со вспомогательным растворителем. Подходящий вспомогательный растворитель содержит метиловые эфиры и предпочтительно может быть получен путем частичной циркуляции полученного биодизеля. Предварительный смеситель может быть двухступенчатым, что означает, что на первой ступени смешивают определенные материалы, а на второй ступени эти материалы смешивают с другим веществом или другими веществами, которые могут быть или не быть предварительно смешаны в дополнительном предварительном смесителе. В реакторах пластины предпочтительно уложены с чередованием двух покрытых поверхностей, обращенных друг к другу, и двух непокрытых поверхностей, обращенных друг к другу. Любая другая последовательность укладки является опциональной, если это целесообразно.
В некоторых вариантах осуществления биодизельный реактор с непрерывным потоком заключен в наружную оболочку, в частности, когда требуется работа под высоким давлением; оболочка может быть, например, компенсатором перепада давления, содержащим герметичный корпус. Вход и выход реактора (для реагентов и/или теплоносителей) в некоторых вариантах осуществления могут выходить за пределы корпуса через трубчатое уплотнение высокого давления.
В некоторых вариантах осуществления реактор разделен на секции, где целесообразно раздельно проводить этерификацию свободных жирных кислот и переэтерификацию глицеридной фракции. В таких конфигурациях одна секция или обе секции могут работать с гомогенными катализаторами с надлежащей очисткой/кондиционированием как промежуточный этап. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления изобретения биодизельный реактор содержит по меньшей мере два последовательно соединенных реактора или две реакторные секции. В одном таком варианте этерификация гомогенным кислотным катализатором происходит в первом реакторе/первой реакторной секции, а переэтерификация основным гомогенным катализатором происходит во второй. Когда такое разделение применяют между этерификацией и переэтерификацией, чистка и удаление воды могут быть выполнены путем взрывного испарения и ионного обмена между указанными реакторами или секциями этерификации и переэтерификации.
Чтобы создать каталитическую поверхность, где твердотельный катализатор является предпочтительным, поверхности, ограничивающие реакционный канал биодизельного реактора с непрерывным потоком, могут быть покрыты в один или более этапов путем, например, осаждения и кальцинирования, термического напыления, химического осаждения из паровой фазы, реактивного покрытия, осаждения атомный слоев или любым другим методом покрытия или их комбинацией, обеспечивающими грубое покрытие большой площади, выступающее над поверхностью.
Там, где это применимо, металлические губки (например, титановые или циркониевые) или пористые структуры могут быть выращены непосредственно на поверхности или нанесены на поверхность из порошков соответствующих металлических губок.
Легирование там, где это целесообразно, может быть проведено на том же этапе или, например, посредством химического осаждения из паровой фазы. Контролируемое окисление затем может быть проведено с термической или нетермической поддержкой через воздействие соответствующих окисляющих сред в газообразной или жидкой форме, например, воздуха, кислорода, окислительных растворов солей металлов или оксидов. Прямое покрытие оксидами также может быть достигнуто путем прямого осаждения на естественной или предварительно обработанной поверхности и последующего прокаливания.
Данное покрытие одновременно обеспечивает требуемую каталитическую активность и эффективное микроскопическое перемешивание на значительной части поверхности.
Когда применяется ферментативный катализ, иммобилизация предпочтительно достигается благодаря ковалентному присоединению к неорганическому субстрату с большой площадью поверхности, такому как двуокись кремния или оксид алюминия, но может быть также достигнута посредством физической сорбции или инкапсуляции, при которых преимуществом субстрата может быть наличие органического материала, такого как, например, крахмал или коллаген.
Биодизельный реактор, описанный здесь, и все варианты его осуществления, включая, не ограничиваясь этим, варианты, подробно разобранные в примерах, могут как таковые функционировать независимо для любого производства биодизеля и как таковые не ограничены описанной здесь работой в системе конверсии отходов, а также в любом обобщенном производстве биодизеля.
Фракцию водного экстракта из блока трехфазной сепарации предпочтительно подвергают непосредственно термофильному анаэробному дигерированию для производства метана и/или ферментации для производства этилового спирта в блоке дигерирования системы, как подробно описано ниже. Оба процесса, как таковые, хорошо известны в данной области. В общем случае производство этанола путем ферментации включает в себя добавление или удержание активных дрожжей в ферментационном баке, в который подают водный поток, богатый углеводами. В некоторых вариантах осуществления изобретения предусмотрен одиночный блок, конфигурированный для производства метана или этанола, и пользователь может переключаться между двумя режимами производства в зависимости от поступающих потоков отходов. Вкратце, это достигается очисткой блока, и в случае запуска производства метана вводится сырье, содержащее кормовые бактерии, тогда как в случае производства этанола вводят сырье, содержащее дрожжи. В других вариантах два блока могут быть организованы так, что один предназначен для производства метана, а другой - для производства этанола путем ферментации.
Фракция, содержащая твердый субстрат из блока трехфазной сепарации, направляется в блок ускоренного компостирования системы. Блок ускоренного компостирования предпочтительно представляет собой трехступенчатый полунепрерывный блок. В таком трехступенчатом полунепрерывном блоке согласно изобретению первая ступень служит для перемешивания и инициирования, где свежий субстрат смешивают с семенным компостом. На этой ступени субстрат, выходящий из блока трехфазной сепарации, предпочтительно имеет температуру примерно 40-50°С и, таким образом, может непосредственно подвергаться термофильному компостированию, минуя мезофильную ступень. Дополнительно, посредством разрыва структуры плотного богатого целлюлозой или лигнином материала, предварительного гидролиза целлюлозного и лигнинового материала и разложения белкового компонента до более коротких пептидов и аминокислот в блоке парового взрыва предварительной обработки термофильное дигерирование значительно ускоряется, а высокая перевариваемость обогащенного углеродом материала обеспечивает сравнительно низкое отношение C:N на начальной фазе. Эту фазу предпочтительно осуществляют при непрерывном или полунепрерывном перемешивании предпочтительно в течение от примерно 2 до примерно 6 часов и более предпочтительно в диапазоне от примерно 3 до примерно 6 часов, например, в диапазоне примерно 3-5 часов или в диапазоне примерно 4-6 часов, например, примерно 3 часа, примерно 4 часа, примерно 5 часов или примерно 6 часов, до перехода к ступени два.
Поскольку органический материал, перенесенный в блок компостирования, прошел обработку паровым взрывом, обеспечивающую стерилизацию потенциально патогенного материала и повышенную перевариваемость обогащенного углеродом целлюлозного материала, бумаги, подгузников и т.д., процесс компостирования согласно изобретению может давать более широкое отношение углерод/азот (C:N), чем традиционное компостирование. Однако в некоторых вариантах осуществления изобретения отношение C:N отслеживается или оценивается на основе поступающего потока отходов, и отношение C:N компостного материала корректируют с помощью обогащенного углеродом материала, такого как, не ограничиваясь этим, садовые отходы, глицерин (например, из производства биодизеля в системе), мука, тесто, фрукты и другие богатые углеродом отходы пищевой промышленности и твердые отходы с высоким содержанием сахара из других источников. Отношение C:N на начальном этапе поддерживают предпочтительно в диапазоне от примерно 10 до примерно 20 и предпочтительно в диапазоне от примерно 15 до примерно 20, но работа может также идти при отношении C:N в диапазоне от примерно 10 до примерно 15.
На первой ступени, этапе смешивания и инициирования, в некоторых вариантах осуществления изобретения фракция шлама, извлеченная из блока анаэробного дигерирования и/или блока ферментации, может быть преимущественно подмешана в субстрат компоста.
После первого этапа субстрат компоста предпочтительно должен быть на пике его термофильной ступени или близко к нему, после чего переведиться на вторую ступень при примешивании наполнительных материалов, таких как древесная стружка, предпочтительно тех, что могут быть возвращены после третьего этапа, этапа выдержки, предыдущей партии, однако в альтернативном варианте они могут иметь другое происхождение, например, из садовых отходов. Наполнительный материал предпочтительно непрерывно смешивают с субстратом при переносе субстрата с первой ступени (инициация) на вторую ступень (инкубация), например, в конусном шнековом транспортере, предпочтительно выполненном так, что его объем соответствующим образом увеличивался вдоль направления переноса. Таким образом, в некоторых вариантах субстрат из секции инициирования подается в секцию инкубации транспортером, таким как шнековый транспортер, и транспортер увеличивается в объеме/диаметре в секции вдоль направления транспортировки, таким как конический шнековый транспортер, предпочтительно в диаметром или объемом, увеличивающимися примерно на 20-50%. Может быть предусмотрено подходящее питающее устройство, такое как, например, бункер, присоединенный к расширяющейся секции транспортера для подачи наполнительного материала. Вторая ступень, ступень инкубации, в некоторых вариантах осуществления изобретения осуществляется без перемешивания, но предпочтительно с активной (принудительной) аэрацией и увлажнением. На этой второй ступени термофильная фаза завершается или полностью завершается, предпочтительно в течение примерно от 24 до примерно 96 часов, после чего субстрат передается на третью ступень, называемую ступенью выдержки. На этой третьей ступени субстрат надлежащим образом созревает, в общем случае в течение от примерно трех месяцев до примерно одного года, например, в кучах на открытом воздухе или других подходящих и приспособленных местах.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Далее описаны примерные варианты осуществления изобретения со ссылкой на чертежи. Примеры предоставлены для лучшего понимания изобретения без ограничения объема его правовой охраны.
В дальнейшем описании раскрыт ряд этапов. Специалисту будет понятно, что, если контекст не требует иного, порядок этапов не имеет критического значения для достигаемой конфигурации и эффекта. При этом специалисту будет очевидно, что независимо от порядка этапов между некоторыми или всеми этапами может присутствовать или отсутствовать временная задержка.
Система представляет собой комплексное решение по переработке органических отходов и содержит основные модульные блоки для: i) предварительной обработки различных потоков органических отходов (1000, фиг.2 и 3); ii) сепарации предварительно обработанных органических отходов на соответствующие компоненты для дальнейшей переработки (2000, фиг.4 и 5); iii) конверсия таких компонентов в топливо, пригодное для транспортных задач (3000 и 4000, фиг.6); и iv) конверсия твердых остатков в компост с высоким содержанием питательных веществ (5000, фиг.7).
Отдельные модули и компоненты системы предназначены для повышения функциональности за пределы решений, известных из уровня техники, а также для минимизации энергопотребления и выброса парниковых газов, максимального увеличения экологической и экономической отдачи.
Система обеспечивает полную конверсию различных потоков отходов и их комбинаций.
Различными видами топлива, которые могут быть получены с помощью этого способа, являются метан, этанол и метиловые, этиловые и пропиловые эфиры жирных кислот (далее именуемые биодизелем).
Эти, а также промежуточные продукты, могут также составлять сырье для синтеза других видов топлива или других полезных химических веществ.
Система в целом конфигурирована для обеспечения максимальной синергии отдельных компонентов. Система имеет эргономические и экономические преимущества по сравнению с существующими подходами в экологически безопасном обращении с органическими компонентами бытовых и других коммунальных отходов.
Она предназначена для минимизации как энергопотребления, так и выброса парниковых газов, для уменьшения потребности в сжигании и захоронении органических отходов.
Система предпочтительно устанавливается на централизованных муниципальных объектах по управлению отходами и состоит из модульных блоков, комбинация которых может адаптироваться к конкретным требованиям каждого объекта или площадки.
При этом отдельные компоненты или любая их комбинация могут быть установлены в месте образования соответствующих отходов или на любых объектах, занимающихся переработкой, транспортировкой или обработкой компонентов органических отходов, с целью преимущественной интеграции отдельных компонентов в существующие системы обращения с отходами или как «автономные» установки, где это целесообразно.
Компоненты или их комбинация также могут быть скорректированы для получения высокоценных кормов для человека или животных из отдельных потоков отходов, отдельно или в сочетании с производством топлива, если это предпочтительно.
Таким образом, решение является гибким и адаптивным к разным составам потоков отходов в разных точках их сброса и на разных объектах управления отходами для получения в каждом случае максимального эргономического и экономического эффекта.
В настоящем изобретении потоки органических отходов подразделяются на потоки, богатые углеводами (C), потоки, богатые жирами (F), и потоки, богатые белками (P), или на любую их комбинацию.
Системное решение представляет собой комбинацию модульных блоков предварительной обработки, сепарации и конверсии, каждый из которых предпочтительно оптимизирован для обращения с конкретным потоком отходов, обогащенным C, F и/или P, или с любой их комбинацией.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения все органические компоненты, объединяются и совместно подвергаются предварительной обработке, после измельчения и гомогенизации, если необходимо.
Процесс предварительной обработки (1000) служит для разрушения и гидролиза компонентов, содержащих целлюлозу и лигнин, (C) до более легко биоразлагаемого материала, одновременно с гидролизом белкового компонента (P) на более мелкие пептиды и аминокислоты, в сочетании с гидролизом и/или сапонификацией жиров и масел (F).
Процесс предварительной обработки в этой предпочтительной стратегии основан на паровом взрыве с непрерывным потоком (1200, 1300). Реактор парового взрыва предпочтительно работает в щелочных условиях, осуществляя щелочной гидролиз или сапонификацию всех компонентов органических отходов в сочетании с одновременным извлечением растворимых углеводородов, аминокислот или пептидов, а также жирных кислот и их солей.
2
2
Когда паровой взрыв происходит в щелочной среде, рН водной щелочной вытяжки и твердого субстрата затем уменьшают с помощью CO (S01), выпускаемого расположенного ниже по потоку анаэробного производства биогаза или из блока ферментации (3000), где производится метан или этанол, соответственно. Это достигается таким построением секции понижения давления секции парового взрыва блоков предварительной обработки, что она надлежащим образом служит интегрированной секцией (1400) очистки от CO, включая в себя угловой вход и спиральные вставки, необходимые для направления субстрата в циклоновидный поток, но в то же время направляет и рассеивает фракцию материала внутрь по направлению к центру секции понижения давления и очистки от двуокиси углерода. Там, где установлен вспомогательный очиститель, сброс из этого блока объединяется с суспензией из основного очистителя перед регулировкой рН.
2
2
2
Процесс предварительной обработки (1000) служит для получения стерильной, содержащей большое количество питательных веществ суспензии с высокой биодоступностью, пригодной для производства метана при анаэробном дигерировании или альтернативно для ферментации при производстве этанола. В дополнение к этому процесс предварительной обработки, когда паровой взрыв выполняется в щелочной среде, предназначен, в качестве очистителя, для удаления CO (1400) из биогаза, полученного ниже по потоку при анаэробном дигерировании (S01) питательных веществ, извлеченных из твердого субстрата, или для удаления CO (S01) при ферментации субстрата (экстракта, вытяжки) для получения этанола и/или для удаления CO из дымовых газов, отводимых из котла, вырабатывающего пар высокого давления для этого процесса (U01, S02).
2
2
Использование блока предварительной обработки в качестве блока очистки от CO служит трем разным целям: i) удаление CO из биогаза, произведенного ниже по потоку при анаэробном дигерировании (S01) водного экстракта, полученного в процессе предварительной обработки, или из блока ферментации (S01), где производится этанол, а также из парового котла высокого давления (U01) S02) в соответствии с уравнениями 1а, b и c:
ii) снижение рН и буферизация субстрата/водного субстрата, полученного в процессе предварительной обработки, т.е. до воздействия трехфазной сепарации (для использования водного субстрата в производстве метана (S04) посредством анаэробного дигерирования или альтернативно для выработки спирта путем ферментации (3000)); и iii) увеличение концентрации карбоната и бикарбоната в экстракте для усиления анаэробной конверсии углекислого газа в метан путем метаногенеза.
2
Следовательно, процесс предварительной обработки в целом одновременно служит для стерилизации, увеличения биодоступности органических отходов посредством разрушения структуры компактного волокнистого материала, в качестве блока предварительного гидролиза, блока экстракции и блока очистки от  CO. Он предназначен для увеличения выхода и мощности производства биогаза выше обеспечиваемых решениями уровня техники, и в то же время для снижения нагрузки по чистке биогаза до уровня топливного метана.
2
2
После снижения pH посредством очистки биогаза от CO и последующего превращения CO в углекислоту, бикарбонат и карбонат (как указано выше в уравнении 1a-c) происходит дополнительная регулировка рН жидкого экстракта и твердого субстрата в секции кондиционирования (2100) блока сепарации (2000), при этом рекгулировка рН приводит к тому, что щелочные соли жирных кислот превращаются в свободные жирные кислоты и могут быть сепарированы от жидкой фазы посредством флотации (2200). В результате процесса трехфазной сепарации/кондиционирования (2000) получаются следующие продукты: i) фракция, содержащая свободные жирные кислоты вместе с оставшимися негидролизованными жирами и маслами (S05), ii) фракция, содержащая водный экстракт, имеющий менее 15% взвешенных твердых веществ (S06), и iii) твердый субстрат (S07).
Альтернативно все жировое и масляное содержимое в форме свободных жирных кислот и/или моно-, ди- и триглицеридов подвергается анаэробному дигерированию вместе с другим продуктом (S08).
Как упомянуто выше, блок трехфазной сепарации в некоторых вариантах осуществления изобретения содержит отдельную секцию сепарации жир/масло и отдельную секцию сепарации твердое вещество/жидкость. В предпочтительном варианте секция трехфазной сепарации комбинирована в один инструмент центробежного декантера. Примерные варианты осуществления подробно описаны в разделе «Примеры» со ссылкой на фиг.4а-4с и фиг.5a и 5b, соответственно, и ниже детализированы принципы работы комбинированного центробежного декантера.
Комбинированный центробежный декантер согласно настоящему изобретению содержит корпус декантера и конический корпус дискового сепаратора, каждый установлен и может вращаться на общем подшипниковом валу. Оба корпуса могут вращаться независимо друг от друга. Шнековый транспортер внутри корпуса декантера вращается вокруг того же вала. Через расположенный аксиально по центру вход материал поступает в корпус декантера. Стационарный насосный импеллер расположен между корпусом декантера и коническим корпусом дискового сепаратора. Конический корпус дискового сепаратора заключает в себе дисковый сепаратор, содержащий распределительный диск и сепарационные диски с возможностью вращения на внутреннем валу. Сверху сепарационных дисков находится верхний диск с выходной трубой в его центре для более легкой фазы, а на конце конического корпуса сепаратора - выходная труба для тяжелой фазы.
Принцип работы комбинированного центробежного декантера
Сепаратор основан на двух хорошо известных принципах сепарации, блоке декантера со шнековым транспортером (секция декантера) и дисковой центрифуге (секция центрифуги). Задача состоит в сепарации фракции твердого вещества (жидкость, состоящая из более 25% сухого вещества), тяжелой жидкой фазы (водная фаза) и легкой жидкой фазы (жировая/масляная фаза) в одной единственной машине.
Корпус декантера предпочтительно вращается со скоростью по меньшей мере 3 800 об/мин, внутренний винт вращается с несколько меньшей скоростью. Как показано на фиг.5а и b, сырьевой материал накачивается через входную трубу (2504) и передается в декантер через выходные отверстия (2509) и (2517). Центробежная сила смещает самый тяжелый материал (сухая материя) к периметру декантера, а шнековый транспортер транспортирует его к выходу декантера (2510). Жидкая фаза будет располагаться в барабанной форме внутри декантера, и прежде чем внутренний периметр водяной барабанной формы достигнет выходных отверстий (2510), эта фаза войдет в наружный периметр стационарной импеллера (2511), которая преобразует кинетическую энергию в жидкой фазе в энергию давления и будет прижимать жидкость к центру импеллера, где будет происходить ее перекачивание в дисковую центробежную часть сепаратора. Из центра она поступит на распределительный диск (2512), который будет равномерно подавать ее наверх через отверстия сепарационных дисков (2513). Сепарация жидкости на тяжелую фазу (например, воду) и более легкую фазу (например, масло или жир) будет происходить на поверхности сепарационных дисков, при этом от общей поверхности дисков зависят производительность и степень сепарации. Более тяжелая фаза вместе с остатками сухой материи, которые могли попасть вместе с ней, толкается к периферии, заполняет корпус сепаратора и выжимает материал более легкой фазы к центру центрифуги, где более легкая фаза достигает выходной трубы для более легкой фазы (2520) и поступает в нее. Разделение/сепарация между легкой и тяжелой фазами будет зависеть от разницы относительной плотности двух фаз. Более тяжелая фаза будет выдавлена через выходную трубу (2521). Небольшое количество сухой материи выдавливается к периферии корпуса центробежного сепаратора и из-за конической его формы и центробежных сил перемещается в направлении к декантерной части сепаратора. На периферии неподвижной тарелки (2514) и неподвижной тарелки (2507) имеются небольшие отверстия, которые позволяют сухой материи вместе с небольшим количеством тяжелой жидкой фазы проходить и попадать в декантерную часть сепаратора. Шнековый транспортер (2516) собирает твердую материю и перемещает ее к выходу (2510), в то время как жидкость будет снова циркулировать к центрифуге под действием стационарной крыльчатки (2511). Эти небольшие отверстия на неподвижных пластинах создают небольшую внутреннюю протечку, однако падение давления на этих отверстиях обеспечивает установление более высокого давления в центробежной части, чем в декантерной части и гарантирует, что чистая более тяжелая фаза будет проходить через выходную трубу (2521), а более легкая фаза - через выходную трубу (2520).
Когда жировая и масляная компоненты сепарированы из водного раствора/водной суспензии, они подвергаются этерификации и/или переэтерификации как требуется для производства биодизеля, предпочтительно в блоке (4000) производства биодизеля с непрерывным потоком, который является частью настоящего изобретения и способен работать также может быть автономным и работать независимо. В альтернативном варианте этот биодизельный блок с непрерывным потоком может быть адаптирован для производства пищевых или кормовых продуктов, где переэтерификация или этерификация жиров составляет неотъемлемую часть процесса; например, производство этилового эфира жирной кислоты при изготовлении рыбьего жира.
В предпочтительном варианте осуществления блок производства биодизеля с непрерывным потоком представляет собой одноэтапную систему (4000) с непрерывным потоком, адаптируемую к любой комбинации FFA и глицеридов и с высокой водостойкостью. В общем случае система предусматривает твердотельный катализатор, закрепленный на сложенных с большим сдвигом пластинах каталитической конверсии и статических турбулентных пластинчатых смесителях (4111 и 4131). При этом блок производства биодизеля с непрерывным потоком также предназначен для традиционной комбинации гомогенно кислотной и основной катализируемой терификации или переэтерификации или их комбинации, для чего требуются два реактора и последующие промежуточные этапы чистки.
Водный экстракт из блока трехфазной сепарации предпочтительно подвергают термофильному анаэробному дигерированию для производства метана или ферментации для производства этилового спирта.
В данном предпочтительном варианте ферментализатор метана объединен с системой ферментации для производства этилового спирта. В этом вариант ферментализатор и система ферментации составляют один производственный блок, который можно взаимозаменяемо использовать для производства метана или этанола в соответствии с эргономикой производства, логистикой и рыночным спросом на отдельные продукты.
Система также может быть образована специальными блоками для производства метана путем анаэробного дигерирования или этанола путем ферментации.
Термофильное анаэробное дигерирование предпочтительно происходит в высокопроизводительной системе анаэробного дигерирования с малым временем гидравлического удержания (HRT), но более высоким временем удержания шлама в системе (SRT). К таким системам относятся, не ограничиваясь перечисленным, системы с анаэробный расширенным слоем гранулированного шлама с восходящим потоком (системы UASB и EGSB), а также реакторы с неподвижной пленкой и их модификации, каждая из которых может быть конфигурирована как часть настоящей системы.
В альтернативном варианте производство метана посредством анаэробного дигерирования может происходить в мезофильных условиях или в комбинации мезофильных и термофильных условий и/или в «мокрых» реакторах низкой нагрузки с высоким общим содержанием твердого вещества до примерно 30% или в сухой ферментации с общим содержанием твердых веществ более 30%.
Ферментация для производства этилового спирта может также происходить в любой традиционной установке ферментации и включать в себя дополнительно  ферментативное разложение субстрата и затем балансировку доступными источниками сахара, если это целесообразно.
Оставшийся твердый субстрат (S07) из блока трехфазной сепарации передается на первую стадию (5100) высокопроизводительного, полунепрерывного, трехступенчатого блока (5000) ускоренного компостирования. На первой ступени (5100), служащей этапом смешивания и инициирования, субстрат подвергается непосредственному термофильному дигерированию, минуя мезофильную фазу, чтобы ускорить процесс. С этой целью стерильный субстрат из блока (2000) трехфазной сепарации непрерывно смешивается с семенным компостом, который находится на завершении процесса инициации, т.е. на вершине или близко к вершине его термофильной ступени. Далее, субстрат из блока трехфазной сепарации в общем случае на этой ступени имеет температуру 40-50°C, оптимальной для термофильного дигерирования, также стимулируемого в этих условиях за счет высокого содержания легко перерабатываемого углерода, обеспечиваемого процессом предварительной обработки. Первая фаза, фаза инициирования, поддерживается при непрерывном перемешивании в общем случае в течение 2-6 часов, после чего происходит переход на вторую ступень (5200) при одновременном добавлении наполнительного материала, служащего одновременно дополнительным источником углерода.
На первой ступени, этап (5100) смешивания и инициирования, фракция шлама, извлеченного из блока анаэробного дигерирования, также может быть смешана с субстратом компоста (S09). Имеющиеся источники углерода с высокой биодоступностью, не подвергавшиеся анаэробному дигерированию, также могут быть добавлены для ускорения и балансировки процесса компостирования. Они могут включать, не ограничиваясь этим, глицерин (например, от производства биодизеля) (S10), муку, тесто, фрукты и другие богатые углеродом отходы пищевой промышленности, твердые отходы с высоким содержанием сахара из других источников.
Когда экстракт, содержащий большое количество питательных веществ, из процесса предварительной обработки используется для производства этанола путем ферментации, осадок из процесса ферментации также может быть добавлен на этапе смешивания блока (S09) компостирования.
После этапа смешивания и инициирования субстрат компоста находится на пике своей термофильной ступени или близко к нему и передается на вторую ступень, которая не предусматривает перемешивание, но содержит активную (принудительную) аэрацию и увлажнение (5200). На второй ступени термофильная фаза завершается или почти завершается предпочтительно в интервале 24-96 часов, прежде чем субстрат передается на третью ступень (S13), ступень (U02) выдержки.
Наполнительный материал дозируется и добавляется в субстрат на этапе перехода со ступени один на ступень два (5100 и 5200). Предпочтительным наполнительным материалом являются древесные стружки с распределением по размеру в диапазоне 10-50 мм, полученные с этапа выдержки предыдущих партий (S14), свежие или выдержанные древесные стружки другого происхождения или любая их смесь.
Компенсация потери воды из-за аэрации и регулировки влажности на второй ступени (5200) процесса компостирования может быть, по меньшей мере частично, обеспечена путем добавления стока анаэробного дигерирования (S15).
На третьем этапе, выдержка (U02), субстрат подвергается надлежащему созреванию в общем случае на период от трех месяцев до одного года в кучах на открытом воздухе или в других подходящих и приспособленных местах.
2
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения отходы с высоким содержанием жировых и масляных компонентов, включая, не ограничиваясь этим, SHW, FIW, EOIW и SwW, обрабатываются отдельно в блоке переработки отходов, подробно описанном ниже, для отделения основной массы жировых и масляных компонентов, а также для уменьшения объема за счет удаления воды. Жировой/масляный компонент в этой конфигурации может быть прямо направлен на производство биодизеля, а водный компонент может быть выпущен. Твердые субстраты, остающиеся после сепарации жир/масло и снижения количества воды, представляют собой, как правило, компоненты с высоким содержанием белка, особенно те, которые получены из SHW и FIW, однако они могут содержать также заметное количество углеводов, например, если они происходят из EOIW и SwW. Эти твердые остатки могут быть объединены с другими отходами. Объединенные потоки затем подвергают щелочному паровому взрыву и щелочному гидролизу с одновременным извлечением водорастворимых питательных компонентов, с последующей регулировкой pH и буферизацией посредство очистки от CO от производства метана, как описано выше и показано на фиг.3. FFA, жировая и масляная фракция, подвергается этерификации и переэтерификации, как описано выше.
ПРИМЕРЫ
Ниже описаны частные варианты осуществления изобретения, которые не следует рассматривать как ограничивающие. В комплексе система составляет систему и технологию поточной конверсии всех органических компонентов отходов городов и крупных поселений в топливо, пригодное для транспортных задач и конверсии всех остальных твердых фракций, созданных в процессе, в компост.
Система, принципиальная блок-схема которой показана на фиг.1b, спроектирована с целью достижения максимальной синергии отдельных компонентов, превышающей уровень известных решений, минимизации энергопотребления, выбросов парниковых газов и максимальной экологической и экономической отдачи. Отдельные компоненты системы конфигурированы для обеспечения функциональности выше уровня техники, для минимизации энергопотребления и выброса парниковых газов, максимального увеличения экологической и экономической отдачи.
В данном иллюстративном варианте система содержит:
2
- щелочной реактор парового взрыва с непрерывным потоком и интегрированный блок (1000) очистки от CO,
- блок (2000 или 2500) кондиционирования и сепарации,
- блок производства метана, в альтернативном варианте объединенный блоком (3000) производства этанола или замененный им,
- блок производства биодизеля с непрерывным потоком, настраиваемый на любую свободную жирную кислоту и глицеридную композицию и с высокой водостойкостью (4000), в альтернативном варианте замещаемый другими конфигурациями с непрерывным потоком или традиционными системами периодической загрузки и
- блок (5000) квазинепрерывного компостирования.
Опционально система также оснащена компактным блоком «мокрой» переработки отходов для раздельной обработки отходов (6000) с высоким содержанием жировых и масляных компонентов.
В совокупности система обеспечивает полную конверсию различных потоков отходов, содержащих органические отходы и их комбинации, в топливо, пригодное для транспортных целей, и конверсию всех твердых остатков процессов в компост.
Потоки отходов, пригодные для конверсии в способе согласно изобретению, включают, не ограничиваясь этим, бытовые отходы (HHW), отходы мясопереработки (SHW), отходы пищевой промышленности (FdIW), отходы рыбной промышленности (FhIW), отходы производства растительного масла и рыбьего жира (OIW), осадок сточных вод, жиры и масла сточных вод (SwW), сельскохозяйственные отходы, такие как пшеничная солома или иная солома, рисовая шелуха, остатки соевого творога, трава и животный навоз (AcW), а также садовые отходы (GW) и древесные отходы (WW).
Продукты, получаемые с помощью способа, могут быть комбинациями следующего:
метан, биодизельное топливо и компост,
этанол, биодизельное топливо и компост или
один из этих видов топлива и компост.
Блок щелочного парового взрыва с непрерывным потоком и очистки от CO
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Блок щелочного парового взрыва с непрерывным потоком и очистки от CO содержит секцию (1100) измельчения и гомогенизации, секцию (1200) смачивания и смешивания, также называемую секцией кондиционирования (или, в частности, секцией кондиционирования предварительной обработки), секцию (1300) нагрева-удержания высокого давления и секцию (1400) взрывного сброса и очистки от CO. Секция взрывного сброса и очистки от CO в блоке парового взрыва и очистки от CO является секцией понижения давления в секции парового взрыва и в то же время абсорбером для очистки от CO смеси метана/CO получаемой из анаэробного дигерировании (S01), или альтернативно CO, получаемого из процесса ферментации (S01), а также CO дымовых газов (S02) из парового котла (U01) системы.
Секция (1200) смачивания и смешивания предпочтительно образует транспортирующий смеситель (1201) верхней загрузки, оснащенный интегрированным смачивающим оборудованием (1202), предпочтительно в конфигурации разбрызгивания сверху вниз.
Поток отходов, содержащий органические отходы, подлежащие обработке, уже предпочтительно измельченные выше по потоку на секции измельчения и гомогенизации, подаются в дальний конец секции (1203) смачивания и смешивания и транспортируются при смешивании к ее точке выхода (1204). На этом этапе твердый субстрат смачивается (1202) до достижения требуемого содержания воды (S22), оптимального для парового взрыва, и одновременно регулируется pH.
2
Для щелочного парового взрыва, интегрированного с очисткой от CO как описано в этом предпочтительном варианте, водный раствор является щелочным, предпочтительно из-за раствора гидроокиси (S23) натрия или калия, добавляемому к смачивающей воде в смесителе (1205) жидкость/жидкость.
Блок парового взрыва может также действовать как отдельный блок или в других комбинациях и может работать с нейтральным или кислотным pH питания, с питанием без регулировки рН или смешанным с любыми другими добавками, подходящими для стимуляции соответствующих процессов.
Выходное отверстие секции (1204) смачивания и смешивания вертикально подсоединено к секции парового взрыва через поворотный дозирующий клапан (1206) и поворотный клапан высокого давления (1301), который может преимущественно иметь конфигурацию с принудительного смещения.
На выходе блока (1204) смачивания и смешивания субстрат поступает в поворотный дозирующий клапан (1206), который дозирует субстрат в находящуюся под давлением окружающей среды камеру поворотного клапана (1301) высокого давления. Поворотный дозирующий клапан предназначен для предотвращения перегрузки поворотного клапана высокого давления, приводящей к ненужной нагрузке на уплотнение высокого давления. После загрузки при давлении окружающей среды клапан высокого давления поворачивается в герметичное положение, где его доводят до требуемого давления (предпочтительно до 10-30 бар, в общем случае примерно на 1 бар выше, чем в блоке нагрева-удержания) и температуры (в общем случае 180-250°C) (1302). Поворотный клапан высокого давления затем поворачивается дальше в вертикальное положение над входным отверстием блока нагрева-удержания.
2
Пар высокого давления, обеспечиваемый котлом (U01, S18), работающим на топливах, произведенных в способе в целом. Это может быть чистый метан или любая смесь метана/CO из блока (S19) анаэробного дигерирования, биодизель (S20) или любая смесь жиров, масел или жирных кислот до их этерификации или переэтерификации (S21).
Посредством разницы давления и силы тяжести находящаяся в этом момент под давлением камера разгружается в секцию (1300) нагрева-удержания блока парового взрыва перед последующим поворотом клапана во второе герметичное положение, где происходит сброс давления (1303).
Нагрузка давления на поворотные клапаны может быть уменьшена, если использовать поворотные клапаны с большим количеством отделений и постепенно повышать давление в отдельных отделениях входной системы, уменьшая, таким образом, разницу давления между ними.
В конфигурации с положительным смещением, применяемой в некоторых вариантах осуществления изобретения, нагнетанию и снятию давления способствует соответствующее изменение объема камеры в течение цикла поворота.
В секции (1300) нагрева-удержания высокого давления загруженный субстрат транспортируется из точки загрузки в точку выхода посредством шнекового транспортера (1304) регулируемой скорости, что позволяет непрерывно и в широком диапазоне регулировать время удержания.
Блок имеет отверстия (1305) инжекции пара для достижения надлежащих давления и температуры и их поддержания прямой инжекцией. Два таких отверстия для инжекции показаны в качестве примеров на фиг.2 (1305).
Выходное отверстие секции нагрева и удержания высокого давления вертикально подсоединено к поворотному дозирующему клапану (1306) и поворотному клапану (1307) сброса высокого давления. В точке выхода субстрат транспортируют, поворачивая поворотный дозирующий клапан (1306), в отделение клапана сброса высокого давления, который в этот момент времени обращен к выходному отверстию секции нагрева и удержания высокого давления.
Поворотный клапан (1307) затем поворачивается, открывая отделение, находящееся под давлением, окружающему давлению, обеспечивая возможность парового взрыва, перед поворотом в положение повторного набора давления, причем указанное отделение снабжено отверстием инжекции пара. Из этого положения отделение  поворачивается назад в позицию загрузки.
В данной конфигурации тепловая эффективность доведена до максимума благодаря динамической синхронизации инжекции пара в поворотный питающий клапан высокого давления, секцию нагрева-удержания и в секцию повторного набора давления поворотного клапана сброса высокого давления. При этом все процессы инжекции контролируются по отдельности. Это сделано для учета вариаций давления и температуры, происходящие на стороне сброса и входа, и из-за потери тепла. Вдоль секции (1309) нагрева и удержания высокого давления осуществляется постоянный мониторинг давления и температуры, предоставляя индивидуальные данные вдоль секции (DS01). Эти данные подаются в процессорный блок P/T (1310), выдающий сигналы управления на отверстия (DS02) инжекции пара. Те синхронизированы с сигналом вдоль секции нагрева и удержания высокого давления для поддержания условий, близких к постоянным. Дополнительный сигнал (DS02) подается для регулировки скорости вращающегося транспортера (1304). Три точки мониторинга P/T показаны в качестве примеров на фиг.2 (1309).
В некоторых вариантах осуществления изобретения сочтено предпочтительным частично перекрывать экструзионное отверстие выходного поворотного клапана подходящими конструкциями, чтобы использовать механическую силу парового взрыв для дополнительного поверхностного огрубления /разрыва экструзионного материала. Пример показан на фиг.2 в виде устройства (1310) с рвущими зубьями для придания древесной стружке дополнительной поверхностной шероховатости .
2
2
2
Там, где паровзрывное устройство работает в щелочных условиях и составляет интегральную частью блока очистки от CO, верхняя часть блока (1400) очистки от CO имеет конфигурацию циклонного типа, приспособленную улучшения перпендикулярного рассеивания к центру очистителя для оптимального контакта щелочного материала с противотоком богатого CO выхлопа.
2
Загруженная камера поворотного выходного клапана высокого давления выгружается под соответствующим углом (1401) в верхней части комбинированной секции (1400) понижения и очистки от CO, направляющей высокоскоростной пар/субстрат вниз к спиральной конструкции (1402) циклонного типа с зазором от внутренних стенок отделения основного очистителя. Примерная конфигурация показана на фиг.3. За счет высокой скорости выпускаемого материала более тяжелая фракция и конденсированный пар прижимаются к внутренней стенке оболочки очистителя/циклона с направленным вниз компонентом (1403) скорости, обусловленным начальным углом входа (1401). Эту фракцию захватывает гофрированная спиральная пластина, расположенная внизу и параллельно спирали циклона с зазором (1404) от стенки.
2,
Гофрирование (1405), нисходящий уклон спиральной пластины (1404) и направленная вниз скорость субстрата/конденсата (1403) частично направляют его вдоль поверхности нижней спиральной пластины (1404a) к центру, где его рассеивает направленный вверх выступ (1404b), завершающий внутреннюю сторону спиральной пластины, тем самым увеличивая контакт щелочной суспензии с противотоком CO поднимающимся вверх через очиститель. Рассеиваемые субстрат/конденсат (1406) падают вниз по центру оболочки очиститель/циклон, вместе с конденсацией пара в центральной области и на просветлителе (1407), чтобы аккумулироваться в зоне осаждения (1408) очистителя/циклона.
Альтернативно зона осаждения оснащена охлаждающей спиралью или другими теплообменными элементами для частичного возврата тепла от парового взрыва, таким образом понижая температуру субстрата и подогревая воду, поступающую в парогенераторный котел, обеспечивающий систему. Такие охлаждающие элементы также могут быть установлены или расширены до верхней секции блока очистки и предпочтительно контактируют с направляющими спиралями, чтобы обеспечить быстрое охлаждение субстрата уже в верхней секции очистителя.
Горизонтальная/угловая часть выпускной трубы (1401) отделена от секции газовой полости под выпускным отверстием для газа сеткой влагоконденсатора (1407).
2
2
Отработавший газ, содержащий CO, (S01 и S02) поступает снизу через микропузырьковый рассеиватель (1409). Он представляет собой предпочтительно сквозные отсасывающие устройства (1409) в наклонном боковом расположении, работающие благодаря циркуляции водной суспензии с низким содержанием твердого вещества, получаемой из верхней части секции суспензии. При таком расположении данные отсасывающие устройства одновременно перемешивают суспензию, обеспечивая однородный состав на выходном отверстии секции и не допуская забивания. Альтернативно отработавший газ, содержащий CO, (S01 и S02) поступает через микропузырьковое или иное пассивное рассеивающее устройство (1409).
2
Отработавший газ, содержащий CO, проходит через зону (1408) осаждения субстрата и далее входит в контакт со щелочной адсорбирующей суспензией в верхней центральной части секции конденсации на газоочистителе перед выходом с сухой фракцией пара через конденсатор (1410) на выходном отверстии конденсатора (1411) для газа.
2
4
2
4
Оставшийся пар удаляется в конденсатор (1410) вместе с газом, содержащим небольшое количество CO (CH, если происходит очистка от CO/CH), выходящим через выходное отверстие (1411), и вместе с конденсатом, выходящим через сливное отверстие (1412). Теплоту конденсации используют для подогрева воды, подаваемой в блок смачивания.
2
В альтернативном варианте выходное отверстие (1411) газа ведет к вспомогательному очистителю, который может работать при повышенном давлении и пониженной температуре. На вспомогательный очиститель предпочтительно охлажденная жидкая фракция с первичного очистителя поступает в общем случае в конфигурации разбрызгивания сверху, а отработавший газ, содержащий небольшое количество CO, с основного очистителя поступает снизу.
2
4
2
2
Секция очистки газа в блоке предварительной обработки преимущественно служит для удаления CO2 из неочищенной смеси CO/CH, полученной в процессе анаэробного дигерирования, или для удаления CO, полученного в процессе ферментации, и/или для удаления CO из дымовых газов парового котла, обеспечивающего систему (U01).
2
Суспензию периодически выпускают в виде фракций через выпускной клапан в нижней части секции (1413) сброса и очистки от CO. Эти фракции проходят обработку в блоке (2000) кондиционирования и сепарации, и их выпуск синхронизирован с выпуском из блока парового взрыва, чтобы обеспечить непрерывную нагрузку в процессе.
Блок трехфазной сепарации
В блок трехфазной сепарации (2000, фиг.4 и 5) входит следующее: i) замкнутая секция (2100) кондиционирования; ii) секция (2200) непрерывного сепарации жир/масло; iii) сепаратор (2300) жидкость/твердое вещество; и iv) буферный бак для жира/масла (2400), питающий центробежный очиститель (2450). В этом предпочтительном варианте осуществления, где система представлена как единое целое, данный блок служит для отделения и очистки жира и масла из предварительно обработанных органических отходов и для сепарации оставшейся водной и твердой фазы.
Твердая фракция предпочтительно имеет достаточную влажность для компостирования (в диапазоне 40-70%), а жидкая фаза содержит достаточное количество твердой суспензии для поддержания анаэробного производства метана (10-15%) или - альтернативно - производства этанола посредством ферментации (3000).
2
2
Секции (2100 и 2200) кондиционирования и сепарации жир/масло содержат секцию (2100) кондиционирования, подача на которую происходит через поворотный или другой подходящий клапан на выпускном отверстии (1413) секции понижения давления и очистки от CO на блоке (1400) предварительной обработки. Для непрерывного перемешивания в секции кондиционирования используют предпочтительно транспортирующий смеситель (2101), а значение pH субстрата регулируют введением кислоты через два разбрызгивающих узла (2102). Разбрызгивающие узлы служат для управляемого добавления кислоты и/или дополнительных водных растворов к перемещаемому субстрату для регулирования pH при активном перемешивании. В этом предпочтительном варианте осуществления регулирование рН происходит в две ступени с помощью разбрызгивающих узлов (2102), установленных на верхней части секции (2100) кондиционирования. Оба разбрызгивающих узла (2102) могут быть смонтированы перпендикулярно направлению перемещения относительно верхней части секции (2100) кондиционирования. Первый узел устанавливают в дальнем конце сразу после входного отверстия. Второй разбрызгивающий узел устанавливают примерно на 2/3 ниже по потоку. Сигнал датчика (DS03) pH при работе поступает на управление разбрызгивающим узлом (2103) с участка осаждения/конденсации секции (1414) очистки от CO в блоке (1400) предварительной обработки. Этот сигнал управляет работой первого узла (2102). Сигнал второго датчика (2104, DS04) поступает на управление (2103) разбрызгивающими узлами, расположенными примерно на полпути ниже по потоку от блока смешивания и кондиционирования. Этот сигнал управляет вторым разбрызгивающим узлом.
Секция (2100) кондиционирования в блоке сепарации непрерывно ведет выпуск в свою секцию (2200) сепарации жир/масло через выпускной клапан (2105) в центральную цилиндрическую трубу (2201). Выход центральной цилиндрической трубы (2202) расположен ниже отверстий для впрыскивания микропузырьков или сопел (2203) в секции сепарации жир/масло в блоке сепарации.
Уровень поверхности в секции сепарации жир/масло поддерживают посредством активного управления (2204, DS07) выпуск из секции по показанию датчика (2205, DS06) уровня жидкости. Чтобы способствовать отделению жира и масла от водной и твердой фракций, через отверстия (2203) в нижней части секции отделения масла/жира над центральной подающей трубой впрыскивают микропузырьки. В предпочтительном варианте осуществления микропузырьки вводят перпендикулярно подающей трубе в насыщенном потоке воды, создаваемом центробежным насосом (2206), или через отсасывающие устройства, как показано на фиг.4 (2203). Вода поступает из центробежного очистителя (не показан) и/или из верхней водной секции сепаратора жира/масла (2207). Это обеспечивает конвекцию, перпендикулярную подъему микропузырьков и опусканию (2208) осадка. Там, где это целесообразно, микропузырьки можно создавать также подачей сжатого воздуха через перфорированные конструктивные узлы в нижней части секции сепарации жир/масло. Подъем микропузырьков способствует отделению жира и масел от водной/твердой суспензии путем флотации и обеспечивает надлежащую конвекцию материала и дополнительную перпендикулярную конвекцию, если использовать подачу воды, насыщенной воздухом (2208). Чтобы ограничить конвекцию и смешивание в секции жира/масла блока сепарации жир/масло, эта секция предпочтительно отделена от секции водной суспензии двумя сетками (2209), расположенными вертикально на примерно 3/4 высоты этого блока отделения. Сетки предпочтительно разнесены примерно на 50 мм и повернуты на 45° относительно их основной линии сетки.
Жир и масло непрерывно накапливаются на поверхности (2210) и непрерывно уходят через автоматический регулируемый поверхностный насос (2211) или альтернативно через сливной карман перелива (2212). Насос перекачивает полученную масляную/жировую фракция в буферный бак, питающий центробежный очиститель, очищающий ее от воды и твердых остатков. Очищенную водяную фракцию подают обратно к впрыскивателю микропузырьков, где это уместно, или в блок анаэробного дигерирования или ферментации. Это может происходить в любом месте вдоль подающей линии от блока сепарации твердой и жидкой фаз или непосредственно там, где это целесообразно. Очищенную фракцию жира и масла подвергают этерификации или переэтерификации в зависимости от того, что требуется биодизельному блоку (4000) для производства биодизеля. Выпуск водной суспензии и субстрата из секции сепарации жир/масло в секцию сепарации твердой и жидкой фаз блока сепарации синхронизирован с уровнем поверхности благодаря действию управления выпускным клапаном (2213, DS07).
Секция сепарации твердой и жидкой фаз в этом варианте осуществления состоит из сжимающего шнекового транспортера (2301) с зоной сжатия в верхней секции (2302), как показано на фиг.4с. Шнековый транспортер встроен в цилиндрический корпус (2303), причем нижняя секция, занимающая 20-60%, имеет перфорированную нижнюю пластину (2304), обеспечивающую слив для жидкой суспензии. Наклон всего блока сепарации можно регулировать, чтобы получить оптимальную эффективность сепарации твердой и жидкой фаз.
Перфорированная часть корпуса шнекового транспортера является сменной для обеспечения возможности техобслуживания; ее длину, а также размер и плотность расположения отверстий можно подбирать с целью регулировки размера частиц и количества твердого компонента в водной суспензии.
Водная суспензия поступает из транспортера по желобу, ограничивающему перфорированный участок корпуса транспортера (2305). Она выходит из секции сепарации твердой и жидкой фаз на ее нижнем конце и попадает в промежуточный буферный бак (2306), из которого ее перекачивают в блок дигерирования или ферментации или в место дальнейшего хранения в зависимости от назначения (2307). Сопло для промывочной воды установлено на верхнем конце желоба для соответствующей промывки и очистки (2308). Твердая фракция выходит из верхнего конца шнекового транспортера (2309)и поступает в трехступенчатый блок компостирования (5000).
Альтернативный блок сепарации, блок центробежного декантера 2500
На фиг.5а и 5b показан альтернативный вариант осуществления, разработанный для настоящего изобретения. Подшипники во втулке (2506) блока и на подшипниковом валу (2515) соединяют и удерживают на месте корпус (2501) (2502) блок декантера и конический корпус (2503) дискового сепаратора. Главный клиноременный привод (не показан) вращает корпуса с частотой около 3800 об/мин. Шнековый транспортер (2516) опирается на подшипники на ступице подшипника для шнекового транспортера (2505) блок декантера и на ступицу для внутреннего подшипника (2507). Шнековый транспортер (2516) вращается с меньшей частотой, чем корпус; его приводит в действие вспомогательный клиноременный привод (не показан). Входная труба (2504) является неподвижной и опирается на установочную эстакаду на входном конце и на позиционирующие подшипники внутри блок декантера (не показаны). Входная труба имеет выходные отверстия (2509) для подачи материала в блок декантации через выходные отверстия (2517) на шнековом транспортере (2516). На своем другом конце входная труба соединена со стационарной (неподвижной) крыльчаткой (2511) насоса. Входная труба и неподвижная крыльчатка опираются на подшипники (не показаны), закрепленные на пластине распределительного кольца (2514). Внутренний вал (2519) прикреплен к распределительному диску (2512), а сепарационные диски (2513) расположены на внутреннем валу (2515). На верхней части сепарационных дисков находится верхний диск (2518). В центре верхнего диска (2518) расположена выходная труба (2520) для более легкой фазы, а на конце конического корпуса (2503) сепаратора находится выходная труба (2521) для тяжелой фазы. Наружная часть выходной трубы для тяжелой фазы (2521) образует ступицу (2515) подшипника с опорами для внутреннего вала (2522) и для выходной трубы (2523).
Биодизельный реактор с непрерывным потоком, блок 4000
Жировой/масляный компонент из секции сепарации жир/масло в блоке сепарации состоит из значительной доли свободных жирных кислот, в общем случае в пределах 30-60%, а остальная часть представляет собой моно-, ди- и триглицериды, полученные в результате неполного сапонификации на этапе предварительной обработки (предварительной обработки). Там, где жировой/масляный компонент отделяют от специфических отходов, богатых жиром, в компактной установке (6000) переработки отходов до щелочного парового взрыва, доля FFA в общем случае составляет 10-30%.
В предпочтительном варианте осуществления жировой/масляный компонент, получаемый после центробежной очистки, подвергают одно- или многоэтапной этерификации FFA и переэтерификации глицеридов в модульном проточном реакторе (4100), который может быть адаптирован к любому соотношению FFA и глицерида и к сравнительно высокому содержанию воды. Реактор с непрерывным потоком специально сконструирован, чтобы обеспечить гибкую, эффективную и экономичную конверсию низкосортного исходного сырья с переменного состава с соотношением FFA и глицеридов в диапазоне от 0 до 1.
Биодизельный блок по изобретению предлагает реакционную систему с непрерывным потоком, обеспечивающую следующее: i) широкий диапазон по производительности и времени каталитического контакта; ii) большой диапазон давления и температуры и эффективную теплопередачу; iii) высокую степень гибкости в составе и структуре катализатора; iv) высокую степень гибкости в конфигурации, техобслуживании оборудования и в регенерации катализатора. Указанный реактор с непрерывным потоком является модульным и состоит из трех основных компонентов: i) гофрированные контактные пластины, покрытые с одной стороны каталитическим материалом (4110); ii) разделители с внутренней поверхностью (4120), покрытой катализатором и усиливающей турбулентность потока; и iii) статические смесители с каталитическими поверхностями (4130).
Реактор оснащен входной системой, сконструированной для обеспечения эффективного перемешивания реагентов до или во время ввода в реактор и альтернативно для дополнительного добавления гомогенных катализаторов и добавления вспомогательных растворителей, где это необходимо. Таким вспомогательным растворителем предпочтительно являются метиловые эфиры, полученные в процессе и частично рециркулирующие, способствующие образованию гомогенной реакционной смеси метанола, глицеридов и FFA. Пример использования предварительного смесителя показан на фиг.6а (4101). В данном примере серную кислоту предварительно смешивают с метанолом как гомогенным катализатором или для активации твердотельного катализатора. Это одновременно позволяет использовать энергию сольватации, выделяемую в процессе. В другом предварительном смесителе свободные жирные кислоты и глицериды смешивают с сопоставимыми метиловыми эфирами жирных кислот, которые могут быть получены в этом процессе, или с другим вспомогательным растворителем. Соответствующие смеси затем смешивают в третьем предварительном смесителе.
В предпочтительном варианте осуществления биодизельный реактор с непрерывным потоком, показанный как завершенный на фиг.6a, выполнен для обеспечения возможности этерификации FFA и переэтерификации глицеридов за одну ступень.
В настоящем варианте осуществления блок для производства биодизеля с непрерывным потоком содержит гофрированные пластины (4110), покрытые с одной стороны твердотельным катализатором (4111), обеспечивающим каталитическую поверхность. В альтернативном варианте гофрированные контактные пластины содержат поверхностный слой на одной стороне с иммобилизованными катализаторами, предпочтительно ферментами, для каталитической конверсии свободных жирных кислот и/или переэтерификации глицеридов. Пластины предпочтительно уложены так, что обращены друг к другу попеременно две покрытые поверхности и две непокрытые поверхности. Любая другая последовательность укладки является опциональной, если это целесообразно. Расстояние между пластинами задают распорками (4120) с внутренними поверхностями, нарушающими поток с целью усиления его турбулентности и эффективности перемешивания на границе режима течения в реакторе. Расстояние между каталитическими контактными пластинами можно задать соответствующим выбором ширины разделители.
Предпочтительно внутренние поверхности разделителей также покрыты надлежащим твердым или ферментативным катализатором (4121). Разделители имеют уплотнительные прокладки и ограничивают полость между отдельными гофрированными контактными пластинами. В этой конфигурации полость между поверхностями без покрытия обеспечивает канал для теплообменной среды, такой как пар, масло, вода, охлаждающая жидкость и т.д. Полость между каталитическими поверхностями определяет реакционную зону реактора с непрерывным потоком (фиг.6b). Альтернативно пластины (4130) статического смесителя установлены между каталитической контактной пластиной с распорками, определяющими ополость между пластиной статического смесителя и каталитическими контактными пластинами, удерживающими их (фиг.6c).
Статические смесители предпочтительно покрыты тем же катализатором, что и контактные пластины (4131). Таким образом, такой статический смеситель увеличивает величину каталитической поверхности, позволяет лучше управлять макроскопическим потоком через реактор и обеспечивает эффективное перемешивание и участие материала в реакциях на всех каталитических поверхностях. Для пояснения неограничивающий пример поперечного сечения секции статического смесителя реакционной ячейки показан на фиг.6d вместе с линиями (4133) потока реагента.
В этом примере часть потока направляют из входного отделения наклонные прорези, ориентированные против потока, оканчивающиеся укороченным ребром, преграждающим поток, на стороне выходного отделения смесителя. Ограниченный прямой поток к выходному отделению обеспечивает в результате увлечение жидкости к выходному отверстию соответствующей реакционной ячейки (вниз на фиг.6d) и обеспечивает турбулентное перемешивание в выходной секции реакционной ячейки.
Дополнительное результирующее увлечение жидкости к выходному отверстию и повышенная турбулентность могут быть достигнуты посредством дополнительных ограниченных щелей для потока, ориентированных в основном направлении потока и расположенных между щелями, ориентированными против потока. Пример этой конфигурации, обеспечивающей два ограниченных пути потока вдоль основного направления потока, показан на фиг.6d. Соответствующие полости соединены последовательно, чтобы сделать возможным непрерывный поток через зону реакции и зону теплообмена, соответственно. Эти режимы потока могут быть реализованы в параллельном исполнении или в исполнении противотока в зависимости от требуемого теплового градиента. Чередующиеся контактные пластины и разделители, а также статические пластинчатые смесители укладывают в соответствующем порядке на боковых дорожках и закрепляют жесткими концевыми пластинами на независимых ползунах. Конструкция между концевыми пластинами допускает высокое боковое рабочее давление, ограниченное только характеристиками концевых пластин.
Для применений с высоким или сверхвысоким давлением, превышающим поперечный допуск прокладок, биодизельный реактор с непрерывным потоком заключен в компенсатор перепада давления. Компенсатор перепада давления охватывает герметичный (4102) корпус высокого давления и служит, главным образом, для уменьшения поперечной деформации, вызываемой давлением, на прокладках реактора. Входное и выходное отверстия реактора (реагенты и теплоносители) выходят наружу из корпуса через трубчатое уплотнение (4103) высокого давления или иное уплотнение высокого давления.
Реагент подают насосом (4104a) высокого давления для перекачки жидкостей, предпочтительно с пневмоприводом, размещенным после статического предварительного смесителя (4140); для управления давлением предназначен регулятор давления всасывания на выходном отверстии канала (4105a) конверсии реагентов. Аналогично теплоноситель подают насосом (4104b) высокого давления для перекачки жидкостей, предпочтительно с пневмоприводом; для управления давлением предназначен регулятор давления всасывания на выходном отверстии канала (4105b) теплоносителя. Управление повышением давления в тепловой секции и в секции конверсии во время запуска, его поддержанием и снижением давления при останове работы происходит в соответствии с показаниями датчиков обоих регуляторов (4105 а и b) давления всасывания, поступающими на блок управления (DS08 и DS09-4106), который синхронизирует работу высоконапорных насосов для теплоносителя и подачи реагента (от DS12 a и b до 4104 a и b).
При работе в компенсаторе перепада давления в корпусе поддерживают давление, сравнимое с рабочим давлением реактора или немного меньше его. Предпочтительно давление реагента, давление теплоносителя и давление в корпусе обеспечивают и поддерживают с помощью насосов (4104 a, b и c) высокого давления или сверхвысокого давления с пневмоприводом для перекачки жидкостей. Нагнетаемой жидкостью предпочтительно являются метиловые эфиры жирных кислот, полученные в данном процессе или имеющие длину цепи, сопоставимую с длиной цепи полученного биодизеля, но также могут быть другие среды, предпочтительно инертные и с низкой сжимаемостью.
В альтернативном варианте секция нагрева может быть разделена на две или более зоны нагрева, где отдельные зоны можно нагревать с использованием различных сред, например, масла и пара. Такое разделение может также служить для минимизации теплового градиента при параллельной подаче, например, одного и того же теплоносителя в разные зоны реакторной системы. Аналогично реакционная зона может быть выполнена многоярусной, чтобы обеспечить различные секции с явно различными условиями реакции. Для производства биодизеля они могут, например, составлять первую секцию, где каталитические поверхности первично рассчитаны на этерификацию FFA, и вторую секцию, где каталитические поверхности первично рассчитаны на переэтерификацию глицеридной фракции сырья. Это могут быть, например, кислотные и щелочные твердотельные катализаторы, соответственно, или различные ферментативные катализаторы. Если это целесообразно, то секции могут быть дополнительно разделены ионообменными секциями или дегидратационными секциями, где дегидратирующий или ионообменный материал расположен на поверхностях соответствующих, укладываемых в стопку пластин и может быть регенерирован путем тепловой или химической обработки без демонтажа реактора. Это может быть особенно ценным там, где активность каталитических поверхностей повышают путем параллельной подачи гомогенного катализатора или среды для поддержания активности каталитической поверхности. Примером, где применение таких сред может быть целесообразным, является использование сульфатированного оксида циркония или других сульфатированных оксидов металлов. Здесь совместно вводимая серная кислота может одновременно быть гомогенным катализатором и поддерживать активность каталитической поверхности. Аналогичная ситуация имеет место в отношении совместной подачи щелочных гидроксидов или других основных сред, где применяют основные каталитические поверхности.
В альтернативном варианте реактор может быть разделен на секции, где целесообразно проводить этерификацию FFA и переэтерификацию глицеридной фракции по-отдельности. В таких конфигурациях одна секция или обе секции могут работать с гомогенными катализаторами с адекватной очисткой/адекватным кондиционированием в качестве промежуточных этапов. Они могут включать в себя, не ограничиваясь этим, взрывное испарение, дегидратацию или ионный обмен.
Полунепрерывный блок (5000) компостирования
Полунепрерывный блок (5000) компостирования включает в себя трехступенчатый процесс ускоренного компостирования, в котором первый этап представляет собой этап (5100) ускоренного инициирования, допускающий низкое отношение C:N из-за содержания углерода с высокой перевариваемостью и пропускающий мезофильную фазу благодаря высокой начальной температуре субстрата, высокому семенному коэффициенту, высокой перевариваемости углеродной фракции и эффективным перемешиванию и аэрации. Вторым этапом является этап (5200) инкубации с материалом с высоким отношением C:N, содержащим углерод с более низкой перевариваемостью; этот материал одновременно является наполнителем. Третьим этапом является процесс выдержки, который протекает, как правило, в обычных кучах.
Секция (5100) инициирования состоит из транспортирующего смесителя (5101), разделенного на два параллельных отделения (5102) с противоположными направлениями транспортировки, приводимыми в движение отдельными двигателями (5104 а и b). Первое смесительное отделение снабжено загрузочным отверстием (5105) с верхней загрузкой, определяющим вход секции инициирования. Шнековый транспортер (5107a) непрерывно подает твердый субстрат из блока трехфазной сепарации в секцию инициирования/смешивания через бункер (5106) предварительного смешивания, а через второй шнековый транспортер (5107b) может быть добавлен легко доступный, богатый углеродом улучшающий материал, такой как, например, глицерин от производства биодизеля, отходы от хлебопекарной или фруктовой промышленности или т.п. Такой улучшающий материал может также служить для увеличения пористости субстрата или для регулирования свойств производимого компоста. Примером такого материала является использованная отбеливающая земля, калий из в общем случаего производства биодизеля или любые другие подходящие органические отходы, которые не подвергаются процессу предварительной обработки и сепарации, описанному здесь выше. Второе смесительное отделение снабжено выпускным отверстием на своем конце (5108), т.е. на выходе смесителя. Выпускное отверстие находится в нижней части дальнего конца второй секции смешивания. Оба отделения оборудованы отдельно приводимыми валами, имеющими наклонные лопасти с малым зазором (5109).
Оси лопастей, показанные здесь, оборудованы перпендикулярными наклонными лопастями, т.е. параллельно приводном валу (5110). Эти два отделения имеют U-образную форму (5111) с относительно малым зазором лопастных пластин и разделены пластиной (5112), за исключением участка, где дальний конец первого отделения встречается с началом второго отделения. В этом месте перемешивающие лопасти в конце первого отделения перемещают субстрат из первого отделения во второй. Концевая секция второго отделения ограничена перемешивающими лопастями, и в этой секции можно регулировать разделительную пластину по высоте; высота этой пластины в общем случае составляет от 1/2 до 2/3 высоты центральной разделительной пластины. Таким образом, внутри выпускное секции, которая в общем случае составляет около 1/8 от ее общей длины, часть субстрата переходит из второго отделения над разделительной пластиной обратно в первое отделение. Эта фракция служит в качестве семенного материала, а остаток перемещают в секцию инкубации в блоке компостирования. Соотношение материала, возвращаемого для затравки свежего субстрата, и материала, перемещаемого в секцию инкубации, можно регулировать, регулируя высоту разделительной пластины соответствующим образом. Альтернативно выходное отверстие может быть закрыто, и разделительные пластины могут быть удалены для работы в режиме периодической загрузки и для увеличения длительности перемешивания. В этой конфигурации выпускное отверстие открыто для выпуска смесителя между партиями. В режиме периодической загрузки выпуск смесителя выполняют только до степени, обеспечивающей достаточное количество затравки для следующей партии. В любой конфигурации выпускное отверстие смесителя привязано непосредственно к шнековому транспортеру (5115), расположенному под этим выпускным отверстием (5108).
Шнековый транспортер (5115) служит для перемещения субстрата из секции инициирования к секции инкубации в блоке компостирования, но в то же время он служит в качестве блока смешивания для наполнителя, добавляемого перед фазой инкубации.
Это получают увеличением диаметра шнекового транспортера на 50% на пути от смесителя к секции инкубации или к контейнеру.
Материал в отверстие с верхней загрузкой для добавления наполнителя (5116) в общем случае подают шнековым транспортером (5117) через загрузочный бункер (5118); это отверстие расположено примерно на 0,5-1,0 м ниже по потоку от места увеличения диаметра шнекового транспортера. Шнековый транспортер соединяется с выпускным узлом (5201) в верхней части секции (5200) инкубации, который может обеспечить выпуск в различных точках вдоль секции (5202) инкубации с помощью съемных нижних люков. Секция инкубации может быть надлежащим образом размещена в транспортном контейнере 20 или 40 футов с увлажняющими разбрызгивателями, предусмотренными в верхней части (5203) секции, и с принудительной аэрацией сжатым воздухом, предусмотренной в нижней части (5204) секции.
В тех случаях, когда в процессе используют SHW и происходит разделение на жировые и белковые компоненты с пониженным содержанием воды, можно ожидать, что фракция белка имеет отношение C:N 2-4. Пищевые отходы, которые составляют основную часть органической фракции бытовых отходов, в общем случае имеют это отношение в диапазоне 8-10. В этом предпочтительном варианте осуществления, где система представлена как единое целое, органическая фракция, подлежащая компостированию, прошла через блок парового взрыва и сепарации, обеспечивающий стерилизацию потенциально патогенного материала и повышенную перевариваемость богатого углеродом целлюлозного материала, например, бумаги и подгузников, которые могут составлять значительную часть бытовых отходов (HHW). Стерилизация нагревом в блоке парового взрыва может иметь особое преимущество в случае отходов мясопереработки (SHW), где этого требуют правила, в противном случае ограничивающие использование произведенного компоста. Это также относится к бытовым отходам, особенно когда значительную часть таких отходов составляют использованные подгузники, как эти имеет место быть в большинстве зон населенных пунктов. Полученный таким образом компостный материал может быть сбалансирован садовыми отходами, а также глицерином (например, от производства биодизеля), мукой, тестом, фруктами и другими отходами, обогащенными углеродом, из пищевой промышленности и твердыми отходами с высоким содержанием сахара из других источников. Отношение C:N на этапе инициирования может быть сбалансировано для достижения отношения предпочтительно в диапазоне от 15 до 20, но также может изменяться в диапазоне от 10 до 15.
Опциональная установка (6000) «мокрой» переработки отходов
Как упомянуто выше, для потоков отходов, которые богаты жирами и/или маслами, такими как отходы мясопереработки (SHW) или отходы производства растительного масла и рыбьего жира (OIW), система и процесс могут включать в себя опциональную установку переработки отходов, являющуюся частью изобретения. Пример такого устройства согласно изобретению показан на фиг.8, в котором устройство включает в себя приемную секцию (6100), из которой материал подают на измельчитель (6200) и далее в нагреватель для повышения температуры потока. Нагретый поток поступает в плавильный резервуар (6400), в котором субстрат распадается дальше, а белки коагулируют. Субстрат поддерживают при температуре 80-100°C, более предпочтительно примерно 90-95°C, в общем случае в течение 30-60 минут; фактическое время может зависеть от состава перерабатываемого материала. После нагревания/плавления субстрат переносят в блок декантации (6500), в котором масляную/жировую фазу отделяют от водной суспензии, затем водную суспензию дополнительно разделяют центрифугированием в центрифуге (6600) и получают фракцию с твердым веществом, предпочтительно по меньшей мере 30-40% или более сухого вещества; эта фракция затем может быть направлена в блок предварительной обработки для обработки паровым взрывом. Водная фаза после блока «мокрой» переработки отходов предпочтительно имеет достаточно низкое содержание твердых веществ, так что ее можно направить непосредственно в канализацию или на очистку воды в зависимости от местных требований.
Энергетический и материальный баланс
В следующем примере приведены расчеты баланса энергии и массы для всей системы с целью определения ее энергетической самодостаточности. Расчеты являются примерными, применимы к производству метана и биодизеля и основаны на ряде предпосылок, подробно описанных ниже. Для упрощения ни тепловые потери, ни рекуперация тепла не рассматриваются в тепловом энергетическом контуре системы, но эффективность конверсии энергии топлива в электроэнергию задана на уровне 80%, включая рекуперацию тепла в этом процессе. Набор допущений может быть пересмотрен как разумно применимый к некоторой конкретной системе, что позволяет специалисту проверить самодостаточность системы в различных условиях эксплуатации:
Материал и состав:
Расчеты основаны на скорости потока материала 10000 кг/ч или 2,78 кг/с.
Средний поступающий поток отходов имеет следующий основной состав: вода: 60%; жиры и/или масла: 15%, сухое вещество: 25%.
Эффективность конверсии материалов:
Доля твердого вещества, превращенного в метан: 20%
Доля жиров и/или масел, преобразованных в биодизель: 80%
Удельная теплоемкость и теплота испарения:
Удельная теплоемкость воды: 4,2 кДж/кг°C
Удельная теплоемкость сухого вещества: 2,1 кДж/кг°C
Удельная теплоемкость жира/масла: 2,0 кДж/кг°C
Средневзвешенная удельная теплоемкость: 3,3 кДж/кг°C
Теплота испарения биодизеля: 360 кДж/кг°C
Теплота сгорания:
Теплота сгорания метана: 55,7 МДж/кг
Теплота сгорания биодизеля: 40 МДж/кг
Основное потребление энергии:
Тепловая
Нагрев материала от 0°С до 212°С для парового взрыва: 3,3 (кДж/кг°C) * 10 000 (кг/ч) * 212 (°C) = 7 000 МДж.
Нагрев материала от 40 до 95°C после парового взрыва, но до трехфазной сепарации: 3,3 (кДж/кг°C) * 10 000 (кг/ч) * 50 (°C) = 1 650 МДж.
Нагрев материала от 0°C до 60°C для конверсии жира/масла в биодизель: 2,0 (кДж/кг°C) * 0,15 *10 000 (кг/ч) * 60 (°C) = 180 МДж.
Нагрев биодизеля от 0°С до 180°С для перегонки: 2,0 (кДж/кг°C) * 0,15 *10 000 (кг/ч) * 180 (°C) = 540 МДж.
Теплота испарения биодизеля: 360 (кДж/кг°C) * 0,15 *10 000 (кг/ч) = 570 МДж.
Общая подводимая тепловая энергия без рекуперации тепла: 7000 + 1,650 + 180 + 540 + 570 = 9 940 МДж/ч
Электрическая
Электропотребление оценивается в 800 МДж/ч, что составляет около 8% от потребляемой тепловой энергии. Эффективность конверсии в общем случае составляет 80% независимо от топлива, используемого для производства электроэнергии, при условии эффективной рекуперации тепла от электрического генератора для нагрева воды для парового котла.
Полная потребляемая электрическая энергия с рекуперацией тепла: 100*800/80 = 1 000 Мдж/ч
Полная потребляемая энергия в системе: = 11 000 Мдж/ч
Производство топлива:
Производство метана: 10 000 кг/ч * 0,25 * 0,2 = 500 кг/ч
Производство биодизеля: 10 000 кг/ч * 0,15 * 0,8 = 1 200 кг/ч
Теплота сгорания
Полная теплота сгорания метана: 500 кг/ч * 55,7 МДж/кг = 27 800 МДж/кг
Полная теплота сгорания биодизеля: 1 200 кг/ч * 40 МДж/кг = 48 000 МДж/кг
Полная потребляемая энергия в системе: 11 000 МДж/ч
Полная доступная теплота сгорания топлива, произведенного в системе: 75 800 МДж/ч
Полный результирующий энергетический баланс системы может быть выражен как разница между полной энергией, потребляемой системой, и полной теплотой сгорания топлива, полученного в процессе. В текущем примере результирующий энергетический баланс системы, таким образом, следующий: 75 800 МДж/ч - 11 000 МДж/ч = 64 800 МДж/ч.