СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
METHOD TO PRODUCE THERMAL AND ELECTRIC ENERGY FROM RENEWABLE SOURCES

Изобретение относится к способу получения тепловой и электрической энергии из возобновляемых углеродсодержащих источников, преимущественно растительного сырья, путем биохимической переработки его биомассы с получением биогаза и энергетических твердых топливных продуктов.
В биомассе - зеленой массе растений, создаваемой в процессе фотосинтеза, - солнечная энергия запасается в виде химической энергии, которая может быть высвобождена различными путями. Вместе с тем имеется возможность использовать для получения биомассы водную среду, а именно - осуществлять культивирование водорослей и водных растений.
Специальное выращивание биомассы в виде водорослей с последующим ее сбраживанием в метан позволяет создать искусственный аналог процесса образования органических топлив, превосходящий по скорости естественные процессы. Создание специальных условий может во много раз ускорить образование разновидностей топлив. В процесс переработки биомассы в газ может быть включено все вещество, то есть естественный процесс образования углеводородов может быть значительно интенсифицирован.
Известен способ ферментативной переработки отходов растительного и животного происхождения, который осуществлен в биогазовой установке. В ферментерах происходит процесс разложения исходного субстрата метановыми бактериями. Термофильное разложение происходит при температуре 55С при постоянном перемешивании (RU 106895, 25.03.2011). Подачу сырья вферментер осуществляют регулярно несколько раз в сутки и с тем же интервалом осуществляют выгрузку перебродившего субстрата. Температура исходного субстрата обеспечивается за счет тепла, полученного в результате работы когенерационной установки, работающей на биогазе, произведенном в ферментере. Перебродивший субстрат выгружают из ферментера и выводят из процесса.
Недостатком известного способа является сниженный общий коэффициент полезного действия за счет того, что после ферментации перебродивший субстрат, удаляемый из процесса, не участвует в производстве дополнительной тепловой энергии. Кроме того, порционная загрузка и разгрузка ферментера отрицательно сказывается на полноте термофильного разложения исходного субстрата и увеличивает количество выгружаемого из ферментера сырья, которое не подверглось полной ферментативной переработке. При оптимальном режиме сбраживания этот остаток достигает 40% от массы исходного сырья.
Известен биогазовый комплекс, в котором сырье (отходы животноводческих хозяйств) измельчают, удаляют растворенный в воде кислород, осуществляют стерилизацию исходного сырья, его нагрев и подачу в метантенк, в котором осуществляется получение биогаза-метана и сельскохозяйственного удобрения (RU 2399184, 07.04.2009). Газ аккумулируется в газгольдере. Из газгольдера биогаз направляют на фильтрацию, где происходит разделение на метан и углекислый газ. Выделенный после фильтрации углекислый газ направляют в проточный резервуар с водными растениями для утилизации, где он поглощается растениями и стимулирует их рост. Обогащенный метан направляют в когенерационную установку, в которой реализуется получение тепла и электрической энергии, направляемой на собственные нужды биогазового комплекса, а также потребителю. Пульпоподобную массу после метантенка разделяют на жидкую и густую фракцию. Густую фракцию направляют в осушитель для получения сухого биоудобрения, а жидкую - в резервуар с водными растениями или используют в качестве активных биоудобрений. Корневая система водных растений очищает в резервуаре жидкую фракцию до санитарных норм ее сброса. При этом образуется зеленая масса, которая может быть использована в пищевой цепочке сельскохозяйственных животных.
Однако, данный способ не предназначен для переработки на биогаз растительного сырья, а отход производства после метантенка, пройдя обезвоживание и сушку используется в качестве удобрения. То есть, для получения тепловой и электрической энергий используется только та часть сырья, которая переработана в метантенке на биогаз, а отход сырья после сбраживания просто выводится из процесса.
Наиболее близким к разработанному способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения тепловой и электрической энергии из возобновляемых источников, преимущественно, растительного сырья, включающий сбор сырья, его измельчение и термофильное сбраживание в метантенках с подачей полученного биогаза в газгольдеры с последующим использованием биогаза для получения тепла и электрической энергии (RU 95567, 18.01.2010).
Указанный способ также не предусматривает прямой переработки в энергетическое топливо выгружаемой из метантенков пульпы, что в целом снижает экономическую эффективность данной технологии переработки исходного биологического сырья.
Задачей изобретения является наиболее полное извлечение тепловой и электрической энергии из возобновляемых источников, преимущественно, растительного сырья, характеризующееся безотходным производством.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения тепловой и электрической энергии из возобновляемых источников, преимущественно, растительного сырья, включающий сбор сырья, его измельчение и термофильное сбраживание в метантенках с подачей полученного биогаза в газгольдеры с последующим использованием биогаза для получения тепловой и электрической энергии, согласно изобретению, загрузку сырья производят в метантенки последовательно с интервалом равным времени сбраживания и разгрузки метантенка, пульпу после сбраживания направляют на двухстадийное механическое обезвоживание до относительной влажности 40-50% с последующей сушкой полученного концентрата до абсолютной влажности 50-60%, полученный концентрат направляют в качестве топлива на сжигание в топке котельной установки с выработкой пара энергетических параметров для производства электроэнергии, а отходящие газы из котельной установки делят на два потока, один из которых направляют на сушку концентрата, а другой поток - на подогрев растительного сырья в метантенках до температуры термофильного сбраживания.
В вариантах изобретения термофильное сбраживание сырья осуществляют при температуре 60-65С, сырье перед подачей в метантенки предварительно обезвоживают центрифугированием до влажности 80-85%. Механическое обезвоживание пульпы, выгружаемой из метантенков, осуществляют в центрифугах, а сушку концентрата проводят в барабанных сушилках. При термофильном сбраживании выбран тип термофилов, работающих при температуре 60-65C. Процесс сбраживания в метантенках завершается за 10-12 суток, а влажность сырья для нормального протекания процесса составляет 80-85%.
Изобретение направлено на разработку способа, при осуществлении которого получают биогаз-метан из возобновляемого растительного сырья. При этом может быть создан технологически замкнутый комплекс полной переработки выращенного на том же предприятии растительного сырья для получения тепловой и электрической энергии без внешнего дополнительного энергопотребления.
Изучение нескольких тысяч видов водорослей, позволило выделить наиболее перспективные для промышленного производства биомассы. Особо выделяется водное растение - эйхорния, обладающая способностью к наибольшей скорости воспроизводства и накопления биомассы. Ее субстрат эффективен для получения углеводородов в процессе анаэробного брожения.
Одна розетка эйхорнии за 50 суток образует до одной тысячи отпрысков, каждый из которых, в свою очередь, вновь начинает делиться. В природе нет растения, способного конкурировать по биопродуктивности с этим древнейшим представителем высшей водной растительности.
Разработанный способ предусматривает использование водного растения - эйхорнии в качестве растительного сырья. Оптимальным вариантом переработки эйхорнии является получение из ее биомассы путем метанового брожения биогаза и энергетического твердотопливного продукта, используемого путем сжигания для выработки тепла и электроэнергии.
Способ основан на выращивании биомассы водорослей эйхорнии в специально разработанных фотобиореакторах, установленных на открытом воздухе или в закрытых помещениях при невозможности поддержания для выращивания эйхорнии необходимой температуры на открытом воздухе.
Культура эйхорнии является возобновляемым источником сырья и меняется раз в 4-6 месяцев, а для возобновления новый посадочный материал отбирается из урожая, направляемого на переработку. При правильном сохранении образцов культуры ее можно использовать для выращивания в течение нескольких лет. При этом учтена природная способность эйхорнии к воспроизводству своей биомассы. При определенных условиях выращивания эйхорния позволяет получить съем биомассы до 5 кг в сутки с одного квадратного метра водной поверхности.
С водной поверхности осуществляют сбор эйхорнии, достигшей технологической зрелости. Растение вместе с корнями и культуральной жидкостью направляют в фильтры, где происходит первичное разделение биомассы водорослей и жидкости. После первичного обезвоживания сырье направляют на измельчение, например, в роторно-ножевом измельчителе до получения полужидкой массы с размерами частиц ≥3 мм и далее биомассу подают на перемешивание для гомогенизации сырья перед загрузкой его в метантенки.
С целью повышения эффективности их работы дальнейшую переработку выращенной биомассы эйхорнии осуществляют с использованием термофильного процесса.
общ
сух
общ
При выращивании эйхорнии содержание сухого вещества в собранной биомассе составляет 5-6,5%. Соответственно влажность биомассы 93,5- 95%. При такой высокой влажности для переработки собранной биомассы требуется значительный конструктивный объем метантенков. Влажность сырья рассчитывается по формуле: 100(G-G):G.
cyx
Вычисляя по приводимой формуле, можно убедиться, что при неизменном содержании сухого вещества G из 100 кг собранной массы при снижении ее влажности от 95 до 85%, должно быть удалено 67 кг влаги. Такое снижение объема биомассы, перерабатываемой в метантенках, позволяет сократить затраты на капитальное строительство и получить существенный экономический эффект.
Поэтому собранную растительную массу направляют на механическое обезвоживание центрифугированием, при котором влажность сырья снижают на 10-15%, то есть, до влажности 80-85%, при этом объем биомассы уменьшается практически в три раза. Данная влажность является оптимальной, так как при более низкой влажности ухудшаются условия термофильной переработки сырья в метантеках, а поддержание более низкой влажности биомассы требует неоправданно увеличенной затраты энергии. Свободную от водорослей культуральную жидкость насосом подают в технологическую емкость для приготовления питательного раствора, который затем возвращают в установку.
Для поддержания термофильного процесса в метантенке требуется температура 60-65С и периодическое перемешивание. В реакторе термофильные бактерии проявляют свою жизнедеятельность, питаясь биомассой водорослей, и продуктом их жизнедеятельности является биогаз.
Температура 60-65C является оптимальной для жизнедеятельности термофильных бактерий этого типа. Метантенк герметичен, работает без доступа воздуха, и является безопасным. Процесс получения биогаза с использованием этого типа бактерий длится обычно 10-12 дней. При осуществлении сбраживания продукта и получения биогаза в нескольких работающих метантенках возможно направлять биогаз в газгольдеры непрерывно.
Загрузку сырья - биомассы производят в метантенки поочередно с интервалом равным времени сбраживания и разгрузки соответствующего метантенка. Поскольку загруженное в метантенк сырье находится в процессе технологически заданное время от загрузки до выгрузки и в этот метантенк не добавляются новые порции сырья, то сбраживание массы происходит в максимально благоприятных условиях, наиболее полно и обеспечивает высокую степень переработки биологического сырья.
Полученный в метантенках биогаз сжимают в компрессорах и направляют в хранилище - газгольдер. В состав биогаза, получаемого с помощью анаэробного метанового брожения эйхорнии входят 70-75% метана, 25-28% двуокиси углерода, по 1% водорода и сероводорода, а также незначительные примеси азота, аммиака и углеводородов. Из газгольдеров биогаз подают либо для сжигания в отопительных приборах, либо для производства электрической и тепловой энергии для отгрузки потребителям.
После окончания процесса сбраживания в метантенках остается остаток - пульпа, в сухом состоянии составляющая до 30-40% от сухой массы исходного сырья. Пульпа состоит, в основном, из лигнина, который может использоваться в качестве топлива. Пульпа, выгружаемая из метантенка, имеет влажность 95-96%, поэтому ее сначала механически обезвоживают в две стадии в центрифугах до влажности 40-50%. На первой стадии отделяется большая часть жидкости без уплотнения биомассы на ситах центрифуги, при этом энергетические затраты на отжим минимизированы. На второй стадии происходит окончательное обезвоживание биомассы до относительной влажности 40-50%, которая является оптимальной с точки зрения снижения теплозатрат для дальнейшего процесса высушивания концентрата. После центрифугирования полученный концентрат высушивают до абсолютной влажности 50-60%, при которой может производиться сжигание топлива в котельных установках. Сушка до требуемой влажности проводится в барабанной сушилке при температуре подаваемого теплоносителя 300-400С, при которой не происходит разложения органических веществ лигнина при сушке концентрата.
Получаемый сухой топливный концентрат направляют на сжигание в топке котельной установки, где вырабатывается пар энергетических параметров, необходимых для производства на электрогенерирующих модульных установках электроэнергии, потребляемой всем оборудованием по производству биогаза (насосами для перекачки и измельчения биомассы, центрифугой, мешалкой и загрузочными устройствами метантенков, компрессорами для биогаза и др.). Избыток получаемой электроэнергии отправляют в потребительские сети.
Тепло отходящих газов из котельной установки делят на два потока, один из которых направляют на сушку концентрата, получаемого из пульпы, выгружаемой из метантенков, а другой поток - на подогрев растительного сырья до температуры 60C в метантенках.
Таким образом, тепловую и электрическую энергию получают не только из биомассы, загружаемой в метантенки, но и из выгружаемой из метантенка пульпы, которая ранее выводилась из процесса и не использовалась для производства тепловой и электрической энергии.
Дополнительным преимуществом способа является совмещение в одном комплексе выращивание биомассы эйхорнии и дальнейшая ее переработка для получения энергии, что позволяет полностью обеспечить замкнутость цикла «выращивание - переработка» и перевести оборудование на полное энергетическое самообеспечение. Комплекс по выращиванию и переработки эйхорнии легко автоматизируется.
В целом в основу способа заложена безотходная, экологически чистая технология, которая позволяет получать максимальную энергию из органических продуктов переработкой эйхорнии в биотопливо, при этом минимизировав затраты на ее выращивание. Энергия, заключенная в 28 м3 биогаза, эквивалентна энергии 16,8 м3 природного газа, 20,8 л нефти или 18,4 л дизельного топлива.
Разработанная технология позволяет извлекать максимальный экономический эффект от производства.