УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ВЛАЖНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ В ГАЗООБРАЗНЫЕ ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ
PLANT TO PROCESS MOIST ORGANIC SUBSTRATES TO GASEOUS ENERGY CARRIERS

3
Настоящее изобретение относится к области термохимической переработки таких органических субстратов, как осадки сооружений механобиологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, бесподстилочный и подстилочный навоз сельскохозяйственных животных, а также торфа и бурых углей с получением сухого обезвреженного остатка - золы и искусственного газа с калорийностью 3-5 МДж/м.
В частности, предназначенная установка может быть использована на крупных и средних городских очистных сооружениях, на животноводческих комплексах с бесподстилочным и подстилочным содержанием животных при отсутствии сельхозугодий для агротехнической утилизации навоза, автономных силовых станциях с газогенераторными установками на низкосортном топливе - торфе и буром угле.
Целью изобретения является максимально полное использование биоэнергетического потенциала исходного органического субстрата, повышение общего энергетического к.п.д. газогенераторных установок.
Дополнительными целями являются расширение области применения термохимической переработки органических субстратов различных видов, в том числе с влажностью до 98%, а также уменьшение отрицательного воздействия на окружающую среду.
Известны устройства аналогичного назначения, включающие в свой состав: газогенератор, мокрый скруббер для очистки газов от грубодисперсных частиц и различных примесей, газоочистное устройство для тонкой очистки генераторного газа, и энергогенерирующую установку [Сергеев В.В., Калютик А.И др. Нетрадиционные и возобновляемых источники энергии. СП-5ГПУ, 2004, с.33.]. Основным недостатком данного устройства является невозможность работы на органических субстратах с высокой влажностью более 35-45, значительные потери энергии со сточными водами, а также высокий уровень негативного воздействия на гидросферу из-за высоких концентраций органических загрязнений в промывных водах. Кроме того, определенным недостатком является повышенный расход воды на промывку генераторного газа в скруббере.
В известной степени, указанные недостатки решены в устройстве согласно [Сергеев В.В., Калютик А. И др. Нетрадиционные и возобновляемых источники энергии. СП-5ГПУ, 2004, стр.39].
В устройстве-прототипе предусмотрена обезвоживающая установка, позволяющая снизить исходную влажность субстрата до 45% и менее. Сточные воды после очистки используются повторно, что обеспечивает экономию воды и снижение загрязнения поверхностных вод стоками. Основными недостатками данного устройства являются низкая энергетическая эффективность из-за использования теплового метода обезвоживания (сушки), на что расходуется значительная часть генераторного газа, а также высокие затраты на очистку высококонцентрированных загрязненных промывных вод. Относительно высокий биоэнергетический потенциал сточных вод не используется, а удаляемые (окисляемые) загрязнения являются источником вторичного загрязнения окружающей среды.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков.
Техническим результатом является эффективное использование биоэнергетического потенциала промывных вод в анаэробном биофильтре в сочетании с предварительным механическим обезвоживанием субстрата и регулированием концентраций основных веществ - ингибиторов анаэробного процесса путем смешения части промывных вод с водами, образующимися при обезвоживании.
3
Технический результат достигается тем, что в установке для переработки влажных органических субстратов в газообразные энергоносители, состоящей из последовательно расположенных обезвоживающего устройства, газогенератора, мокрого скруббера и энергогенерирующей установки, между выходом скруббера по жидкому потоку и устройством доочистки предусмотрен анаэробный биофильтр, выход которого по газу связан с энергогенерирующей установкой, при чем выход продуктов сгорания из энергогенерирующей установки последовательно связан с сушилкой, установленной между выходом механического обезвоживающего устройства по твердой фракции и швельшахтой газогенератора, и с теплообменным аппаратом, установленным между аппаратом аэробного гидролиза и дутьевым устройством газогенератора, вход по жидкому потоку дополнительно связан с жидкостным выходом механического обезвоживающего устройства, а перед механическим обезвоживающим устройством размещен аппарат аэробного гидролиза, при этом выход аппарата аэробного гидролиза по газу связан с топкой газогенератора, при этом на жидкостном входе скруббера предусмотрен многоходовой управляемый вентиль, связанный жидкостной линией с жидкостным выходом механического обезвоживающего устройства, а управляющее устройство многоходового управляемого вентиля связано с выходом анаэробного биофильтра по газу. При таком техническом решении становится возможным для повышения энергетической эффективности газогенераторной установки использовать наиболее эффективный в энергетическом отношении анаэробный процесс, применение которого позволяет перевести основную массу летучих растворенных и тонкодисперсных загрязнений в высококалорийное газообразное топливо - биогаз с калорийностью до 24 МДж/м. Основная техническая проблема, делающая затруднительной или невозможной применение анаэробного биореактора - биофильтра, заключается в высоком уровне концентраций ингибирующих компонентов вод от газификации топлив (субстратов) с повышенным содержанием летучих веществ, а именно фенолов (до 6-9 г/л) и аммонийного азота (до 3 г/л). В данном изобретении проблема решается за счет достижения необходимых входных концентраций (по лимитирующему компоненту) до уровня ПДК для анаэробной очистки при смешении промывных вод с водами, образующимися при механическом обезвоживании субстрата перед его термохимической газификацией. Снижения концентрации веществ - источников питания для анаэробных метаногенерирующих микроорганизмов ниже критического для ведения анаэробного процесса уровня не происходит в силу следующих причин:
- относительно высокой концентрации питательных веществ в промывных водах (до 20-30 г/л по ЛЖК);
- повышенном выходе в жидкую фракцию органического вещества при механическом обезвоживании после аэробного гидролиза (до 70% по ХПК), при преобладании гидролизованных в ходе аэробной предобработки и поэтому быстро усвояемых анаэробными микроорганизмами составляющих.
Приспособление для механического обезвоживания современных технических средств - винтовых прессов, центрифуг с флокулянтами позволяет достигнуть относительной влажности субстрата 55-60%, что, при наличии встроенного в газогенератор «прямого процесса» устройства для сушки - швельшахты - позволяет достигнуть необходимой влажности твердой фракции 35-45%. Подсушка может также осуществляться продуктами сгорания без расходования на эти цели первичных энергоносителей.
Распределение органического вещества между жидкой и твердой фракциями, направленными на биологическую и термохимическую газификацию, соответственно регулируется степенью аэробного гидролиза, которая, в свою очередь, является функцией продолжительности процесса и условий аэрации - перемешивания субстрата. Дополнительным положительным эффектом является некоторый нагрев фракций при аэробной предобработке за счет выделения биологической тепловой энергии.
Принципиальная технологическая схема установки представлена на фигуре.
Установка состоит из следующих основных элементов. Газогенератор 1 является известным устройством, и предназначен для термохимического преобразования содержащихся в субстрате углеродосодержащих компонентов в генераторный газ. В верхней части газогенератора расположена шахта 2 для подсушивания субстрата, в нижней - размещены топочное пространство 3 (камера газификации) и дутьевое устройство 4. Над шахтой 2 предусматривается вспомогательная сушилка 5, обогреваемая продуктами сгорания газообразного топлива. Сушилка 5 может быть контактного типа. Аппарат для аэробного гидролиза 6 предназначен для обеспечения более эффективного перевода органического вещества субстрата в жидкую фракцию, а также для предварительного (биологического) нагрева субстрата.
Обезвоживающее устройство 7 механического типа известной конструкции. Жидкостной выход обезвоживающего устройства 7 связан с входом анаэробного биофильтра 8, предназначенного для биоконверсии органических загрязнений в биогаз, содержащий до 79% метана с одновременной очисткой вод до уровня, обеспечивающего рентабельную доочистку в устройстве доочистки 9.
Вход анаэробного биофильтра 8 связан также с выходом скруббера 10, предназначенного для очистки (промывки) генераторного газа от смол и крупнодисперсных частиц, через отстойник 11.
Выход обезвоживающего устройства 7 по твердой фракции связан с входом газогенератора 1 через шахту 2 и сушилку 5, которые в совокупности обеспечивают необходимую влажность твердой фракции на входе в газогенератор 1. Выход газогенератора 1 по газу связан с соответствующим входом скруббера, и далее через газоочистное устройство 12 для тонкой очистки газа с энергогенерирующей установкой 13 известного типа (газовый котел, двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором, когенерационная установка).
В целях регулирования качества жидкости (смеси жидкой фракции и рециркуляционных вод из устройства доочистки 9) предусмотрен многоходовой управляемый вентиль 14, снабженный управляющим устройством 15 и линией обратной связи с датчиком расхода 16. Наличие данной обратной связи позволяет при снижении выхода биогаза увеличивать степень разбавления промывочных вод перед их подачей в анаэробный биофильтр 8 за счет увеличения подачи рециркуляционных вод.
Подключение дутьевого устройства 4 газогенератора 1 к газовому выходу аппарата аэробного гидролиза 6 позволяет снизить уровень загрязнения атмосферы вредными выбросами. При этом остаточное количество кислорода и влага, содержащиеся в газе, полезно используются в термохимическом процессе газификации.
Выход сушилки 5 по выхлопным (влажным) газам связан с греющим регистром теплообменного аппарата 17, служащего для дополнительного нагрева кислородосодержащего влажного газа перед его подачей в дутьевое устройство 4 газогенератора 1,
Устройство работает следующим образом.
Исходный субстрат (бесподстилочный навоз, осадки хозяйственно-бытовых сточных вод, низкосортное органическое топливо) поступает в аппарат аэробного гидролиза 6, где подвергается аэробной мезо- или термофильной обработке в условиях интенсивного перемешивания и аэрации. При этом происходит солюблизация органического вещества, значительная часть которого (до 70%) переходит в растворенную форму. Процесс сопровождается повышением температуры биомассы до 33-37°С (мезофильный процесс, характерен для низкоконцентрированных субстратов с содержанием сухого вещества до 30-40 г/л) или 52-57°С (термофильный процесс, при содержании сухого вещества 60-80 г/л). Далее подготовленный субстрат поступает на механическое обезвоживание в устройство 7, в котором происходит разделение на фракции. Твердая фракция направляется в шахту 2 газогенератора 1 и служит сырьем для получения низко- или среднекалорийного топлива - генераторного газа. Сушилка 5 служит для предварительной сушки твердой фракции, относительное содержание сухого вещества в которой не превышает 55-65%, до уровня, предусмотренного конструкцией данного газогенератора. Как правило, для влажных топлив типа осадков, торфа и т.п.относительное содержание сухого вещества не должно быть менее 55%.
Жидкая фракция направляется в скруббер 10 для использования в качестве холодоносителя для охлаждения и грубой очистки генераторного газа. При этом некоторая часть жидкой фракции посредством многоходового управляемого вентиля 14 может направляться, минуя скруббер 10, непосредственно на анаэробный биофильтр 8 вместе с промывочными водами, прошедшими очистку от смол и других механических примесей в отстойнике 11. После анаэробного биофильтра 8 воды подвергаются, в случае необходимости, доочистке в устройстве доочистки 9. При этом степень потребления рециркуляционных вод, необходимая для получения концентраций веществ-загрязнителей на уровне ниже ПДК для анаэробной обработки, регулируется многоходовым управляемым вентилем 14 в зависимости от выхода биогаза, воспринимаемого датчиком расхода 16. Помимо концентрации веществ-ингибиторов, данное техническое решение позволяет контролировать и, в случае необходимости, регулировать концентрацию органического вещества на входе в анаэробный биореактор (биофильтр) 8 в зависимости от выхода целевого компонента - биогаза.
Генераторный газ, образующийся в камере газификации 3 газогенератора 1, направляется на промывку в скруббер 10 и далее, в случае необходимости, в газоочистное устройство 12 для тонкой очистки. Утилизация генераторного газа осуществляется в энергогенерирующей установке 13, вырабатывающей электрическую и/или тепловую энергию. Продукты сгорания из установки 13 последовательно используются в сушилке 5 и теплообменном аппарате 17 для снижения влажности твердой фракции перед термохимической газификацией и повышения температуры кислородосодержащего газа перед его подачей из аппарата аэробного гидролиза 6 в дутьевое устройство 4 газогенератора 1.