БИОКОМПЛЕКС
BIOCOMPLEX

Изобретение относится к области комплексной переработки отходов сельскохозяйственного производства с получением продуктов, используемых в сельском хозяйстве - кормовых добавок, удобрений и других и продуктов широкого применения - пиролизного газа, углекислоты.
Известен интегральный способ безотходного сельскохозяйственного производства (RU 2268581 С2, A01G 9/24, A01G 1/04, 27.01.2006), предполагающий подбор отраслей сельскохозяйственного производства и создание условий, с возможностью образования экосистемы, связанной биоценозом с последовательно-параллельным использованием сырья соответствующим числом сельскохозяйственных отраслей по отходно-сырьевым и кормовым связям.
Недостатком способа являются неэффективное использование энергии, аккумулированной в отходах, получаемых на разных стадиях сельскохозяйственного производства.
Известны установка комплексной утилизации сельхозотходов крупного рогатого скота (RU 2167827 С2, C02F 3/00, C02F 11/04, 27.05.2001) и установка комплексной переработки сельхозотходов (RU 2167827 C2, C02F 3/00, C02F 11/04, 27.05.2001), включающие источник сельхозотходов, например товарную животноводческую ферму, сообщенную со сборником сельхозотходов, метантенком в виде камер: кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженных диспергаторами, камера метанового брожения по биогазу и бражке сообщена с ферментатором, метантенк установлен в помещении, выполненном в грунте с перекрытием помещения плитами, на которых размещен твердофазный ферментатор с каналами, сообщенными с нагнетателем воздуха и со сборником сельхозотходов для корректирования сельхозотходов по азоту, ферментатор сообщен с центробежным микрофильтром, а по биомассе хлореллы и серобактерий - с динамическим дезинтегратором.
Недостатком переработки сельхозотходов в известных установках является необходимость дополнительных энергозатрат для осуществления брожения в зимних условиях. Получаемый в процессе брожения биогаз, содержащий 50-70% метана и углекислоту, не может широко применяться из-за низкого качества.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является решение по патенту SU 1837811 A3 A23N 17/00; C02F 11/04 - Комплексная установка «БИОТА», включающая животноводческую ферму, поле для выращивания с/х культур, накопитель сырого навоза, метатенк, газгольдер, фильтровальное устройство, газотурбинный агрегат, соединенный с накопительным устройством и теплообменником, фотореактор с сепаратором, каждый из которых соединен с газотурбинным агрегатом и сверхвысокочастотным генератором с размещением в его контактной зоне неметаллическим бассейном, соединенным с сепаратором.
Недостатком известной комплексной установки является невозможность обеспечения интенсивного выращивания микроводорослей вследствие того, что в фотореактор поступают дымовые газы, содержащие кроме двуокиси углерода вредные примеси, отрицательно влияющие на процессы роста, при этом двуокись углерода содержится в количестве, недостаточном для интенсивного наращивания биомассы. Кроме того, круглогодичное производство биогаза в метатенках экономически нецелесообразно, поскольку требует дополнительной энергии для осуществления брожения навоза в холодный период времени, использование продукции.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности работы биокомплекса.
Поставленная задача решается тем, биокомплекс, содержащий животноводческий комплекс, сообщенный с накопителем органических отходов, устройство для переработки органических отходов, газгольдер, теплоэнергетическую установку, блок выращивания микроводорослей, состоящий из блока культуральной жидкости и фотореактора, блок переработки микроводорослей, сообщенный с кормоприготовительным цехом, поле для выращивания с/х культур, также сообщенное с кормоприготовительным цехом, согласно изобретению в качестве устройства для переработки органических отходов биокомплекс включает пиролизную печь с патрубками отвода полукокса, неочищенного пиролизного газа, избыточного тепла, и дымовых газов; блок очистки пиролизного газа с патрубками отвода пиролизного дистиллята и очищенного пиролизного газа; блок подготовки (производства) печного топлива, снабженный патрубками отвода печного топлива в блок подготовки сырья, в пиролизную печь и потребителю; когенерационную установку, снабженную системой отвода дымовых газов в установку производства диоксида углерода и сообщенную по теплу и электричеству со всеми объектами биокомплекса; установку производства диоксида углерода, состоящую из абсорбера и десорбера, снабженную патрубком отвода диоксида углерода в блок производства микроводорослей; установку сжижения диоксида углерода с патрубком отвода сжиженной углекислоты в блок переработки микроводорослей; комплекс производства удобрений с патрубками подвода полукокса и микроводорослей и патрубками отвода удобрений; поле для выращивания зерновых культур, входящее в состав комплекса производства зерна, сообщенного с комплексом производства удобрений транспортером подачи удобрений, с кормоприготовительным устройством и накопителем органических отходов соответственно линиями транспортировки зерна и соломы, а также линиями транспортировки зерна с комплексом глубокой переработки зерна, включающим микробиологический цех, и сообщенным трубопроводами подачи продуктов переработки зерна в кормоприготовительное устройство; при этом пиролизная печь сообщена соответственно с блоком подготовки печного топлива, с блоком очистки пиролизного газа, с животноводческим комплексом и с установкой производства углекислоты; блок очистки пиролизного газа сообщен с блоком подготовки печного топлива и с газгольдером, соединенным, в свою очередь, с когенерационной установкой; комплекс производства удобрений соединен соответственно с пиролизной установкой, блоком выращивания микроводорослей, комплексом производства зерна.
Биокомплекс может включать устройство для заправки автомобилей с патрубком подвода очищенного пиролизного газа.
Биокомплекс может включать тепличный комплекс, снабженный патрубками подвода углекислоты и удобрений и патрубком отвода органических отходов и соединенный соответственно с установкой производства углекислоты, комплексом производства удобрений и накопителем органических отходов.
Устройство иллюстрируется чертежом, на котором приведена схема биокомплекса. Биокомплекс содержит животноводческий комплекс 1; накопитель органических отходов 2; пиролизную установку, включающую блок подготовки сырья 3, состоящий из оборудования для очистки, измельчения и сушки сырья и собственно пиролизную печь 4, с патрубками отвода полукокса 5, патрубком отвода неочищенного пиролизного газа 6, патрубком отвода избыточного тепла 7, и патрубком отвода дымовых газов 8, блок очистки пиролизного газа 9 с патрубком отвода пиролизного дистиллята 10 и патрубком отвода очищенного пиролизного газа 11; блок подготовки (производства) печного топлива 12, снабженный патрубками 13-15 отвода печного топлива соответственно в блок подготовки сырья, в пиролизную печь и потребителю; газгольдер 16, который может быть соединен с устройством для заправки автомобилей 17; когенерационную установку 18, снабженную трубопроводом отвода тепла 19, линиями электропередачи 20 и трубопроводом отвода дымовых газов 21; установку производства диоксида углерода 22, состоящую из абсорбера 23 и десорбера 24 и снабженную патрубком отвода диоксида углерода 25; блок выращивания микроводорослей, состоящий из блока подготовки культуральной жидкости 26 и фотореактора 27; установку сжижения диоксида углерода 28; блок переработки микроводорослей 29; комплекс производства удобрений 30, снабженный патрубком подвода полукокса 31 от пиролизной печи 4, патрубком подвода микроводорослей 32 и транспортером 33 отвода удобрений к комплексу производства зерна 34, и к тепличному комплексу 35 (в случае включения его в биокомплекс). При этом комплекс производства зерна 34 сообщен линиями транспортировки зерна 36 соответственно с комплексом глубокой переработки зерна 37, включающим микробиологический цех 38, и с кормоприготовительным цехом 39, и линиями транспортировки соломы 40 с накопителем органических отходов 2. Комплекс глубокой переработки зерна 37 сообщен трубопроводом подачи продуктов переработки зерна (патока, отруби, мезга и другие) 41 в кормоприготовительный цех 39, снабженный также патрубком подвода суспензии микроводорослей 42 из блока переработки микроводорослей 29. Цех микробиологической переработки 38 сообщен трубопроводом 44 подачи микробиологических кормовых добавок (лизин, рибофлавин и др.) с кормоприготовительным цехом 39. Кормоприготовительный цех и животноводческий комплекс сообщены друг с другом посредством транспортера (трубопровода) 43.
Биокомплекс работает следующим образом. Отходы животноводческого комплекса 1 подают в накопитель органических отходов 2, и далее на блок подготовки сырья 3, где органическое сырье очищают от попавших в него неорганических примесей (металла, полиэтилена и пр.), при необходимости измельчают и сушат. Далее подготовленное сырье по транспортеру поступает в пиролизную печь 4, где под действием температуры (400-850°C) происходит разложение органических соединений без доступа воздуха (кислорода). В результате образуется неочищенный пиролизный газ, и полукокс, представляющий собой черную массу, легко рассыпающуюся в порошок, который через патрубки 5 отводят от пиролизной печи и подают на блок производства печного топлива 12 и через транспортер 31 в комплекс производства удобрений 30. Неочищенный пиролизный газ отводят через патрубок 6 и направляют в блок очистки пиролизного газа 9. Образуемый в результате очистки пиролизный дистиллят отводят от блока очистки через патрубок 10 и также подают в блок производства печного топлива 12, а очищенный пиролизный газ отводят через патрубок 11 и подают в газгольдер 16. Избыток тепла, образующийся после пиролизного процесса, через теплообменник (не показан), отводят от пиролизной печи через патрубок 7 и в виде пара или горячей воды подают к животноводческому комплексу 1 или другому потребителю биокомплекса. В блоке производства печного топлива 12 из пиролизного дистиллята и полукоксового порошка получают печное топливо - аналог мазута М40. Часть печного топлива через патрубок 13 отводят к блоку подготовки сырья 3 на сушку, через патрубок 14 в пиролизную печь для создания нужной температуры (600-800°C). Избыток печного топлива отводят через патрубок 15 и продают потребителю. Дымовые газы, образованные после сгорания печного топлива, из пиролизной печи 4 через патрубок отвода дымовых газов 8 подают в установку по производству диоксида углерода 22. Из газгольдера 16 очищенный пиролизный газ подают на когенерационную установку 18. Преимущество имеет газопоршневая когенерационная установка, поскольку вырабатывает больше электроэнергии по сравнению с газотурбинной установкой, но при необходимости иметь больше тепла используется газотурбинная установка.
Избыток газа может быть направлен на устройство для заправки автомобилей 17.
2
Получаемое при сжигании очищенного пиролизного газа в когенерационной установке тепло 18 по трубопроводам отвода тепла 19 подают на установку по производству диоксида углерода 22, сюда же из когенерационной установки по трубопроводу 21 подают дымовые газы, образующиеся при сгорании пиролизного газа; электричество и по необходимости тепло, получаемые в когенерационной установке, по линиям электропередачи и трубопроводам 20 подают в блок выращивания микроводорослей 27, в комплекс глубокой переработки зерна 37 и другим потребителям биокомплекса (на чертеже линии подачи не показаны), при избытке электричество и тепло может продаваться сторонним потребителям. Дымовые газы, поступающие в установку по производству диоксида углерода 22, попадают в абсорбер 23, где раствор абсорбента поглощает диоксид углерода, далее насыщенный раствор абсорбента по трубопроводу поступает в десорбер 24, где происходит его нагревание паром до кипения с выделением диоксида углерода с водяным паром, далее раствор абсорбента подается опять в абсорбер 23. Основную часть диоксида углерода отводят через патрубок 25 и через сатуратор или барбатер (на чертеже не показаны), подают в фотореактор 27 блока выращивания микроводорослей, соединенный с блоком подготовки культуральной жидкости 26. Культивирование микроводорослей (хлореллы, спирулины и др.) осуществляют в фотореакторах 27 непрерывно в течение всего года по известным технологиям. Часть диоксида углерода отводят на установку сжижения диоксида углерода 28, далее сжиженный диоксид углерода по трубопроводу подают в блок переработки микроводорослей 29, состоящий из системы герметичных сосудов, в которых осуществляется разрыв клеточных оболочек микроводорослей. Процесс происходит за счет проникновения жидкого диоксида углерода (углекислоты) в клетки микроводорослей, осуществляемого под давлением свыше 60 кг/см. При резком сбросе давления жидкий диоксид углерода переходит в сухой лед, разрывая оболочку микроводорослей, и испаряется. Газообразный диоксид углерода возвращают на установку сжижения диоксида углерода 28. Полученную в блоке переработки микроводорослей 29 суспензию микроводорослей с разрушенными клеточными оболочками направляют в кормоприготовительный цех 39 через патрубок подвода суспензии микроводорослей 42, где ее используют для изготовления кормовой добавки. Микроводоросли богаты высококачественными питательными веществами, особенно белками (65-72%) и β-каротином, содержат важные растительные пигменты, включая хлорофилл и фикоцианин, витамины группы В, железо, магний, селен, редкоземельные минералы, ферменты, нуклеотиды, линолевую и линоленовую кислоты, а также являются одним из основных источников витамина В12. Готовые корма по трубопроводу или транспортеру 42 (консистенция корма зависит от возраста и породы выращиваемых животных) из кормоприготовительного цеха 39 подают на животноводческий комплекс 1.
Микроводоросли с неразрушенными оболочками и использованную культуральную жидкость из блока выращивания микроводорослей блока (фотореактора 27) подают в комплекс производства удобрений 30, туда же поступает полукокс из пиролизной печи 4. В результате смешивания получают комплексные удобрения (смесь микроводорослей, полукокса и бактериального удобрения, которые закупаются или изготавливаются на отдельном производстве), которые направляют в комплекс производства зерна 34, а именно на поле для выращивания зерновых культур и в тепличный комплекс 35. Микроводоросли хлорелла и спирулина содержат активные вещества - факторы роста (CGF) и (SGF) соответственно, что в сочетании с бактериальным удобрением (азотобактером и др.) не только способствует повышению урожайности ценных культур зерновых (особенно деградированных пахотных земель), но и значительно снижает нагрузку на окружающую среду со стороны химических соединений - минеральных удобрений и средств защиты растений, что позволяет более эффективно использовать ограниченные земельные ресурсы, затрачивать меньше усилий на поддержание в их работе и их восстановление это помогает усвоению питательных веществ, способствует значительному повышению урожая. При необходимости увеличения производства электричества, тепла или топлива для автомобилей (пиролизного газа) микроводоросли с неразрушенными оболочками по трубопроводу 45 могут поступать в накопитель органических отходов 2.
При использовании тепличного комплекса необходимую часть произведенного диоксида углерода могут направлять в тепличный комплекс.
Из комплекса производства зерна 34 часть зерна без глубокой переработки подают в кормоприготовительный цех 39, а органические отходы и солому направляют в накопитель органических отходов 2, куда также поступают отходы от тепличного комплекса для подачи на пиролизное производство. Другую часть зерна направляют в комплекс глубокой переработки зерна 37, включающий микробиологический цех 38. В комплексе глубокой переработки зерна 37 из зерна получают крахмал и/или спирт, клейковину и отруби. Крахмал может служить сырьем для получения в микробиологическом цехе высококачественных кормовых добавок (лизин, рибофлавин и др.), которые по трубопроводу 44 в нужном количестве подают в кормоприготовительный цех. Патока, отруби и другие продукты, получаемые в процессе глубокой переработки зерна, подают в кормоприготовительное устройство 39 по трубопроводу подачи продуктов переработки зерна 41. Из поступивших в кормоприготовительное производство компонентов - суспензии микроводорослей, отрубей, микробиологических добавок и пр. готовят корма для животных. Готовые корма по трубопроводу или транспортеру 43 (консистенция корма зависит от породы выращиваемых животных и способа кормления) из кормоприготовительного цеха 39 подают на животноводческий комплекс 1.
Заявляемый биокомплекс представляет собой замкнутое по получаемой продукции и отходам производство. При этом по сравнению с выбранным прототипом - комплексной установкой «Биота» - заявляемый биокомплекс позволяет за счет использования в качестве устройства для переработки органических отходов пиролизной установки:
- круглогодично получать достаточное количество пиролизного (топливного) газа для переработки его в тепло и электричество, и дополнительно полукокс и пиролизный дистиллят, также утилизируемые в биокомплексе;
- осуществлять переработку отходов животноводства и отходов забоя животных, а также отходов комплекса производства зерна (соломы и других растительных отходов) и растительных отходов тепличного комплекса;
- при отсутствии спроса на электричество и тепло использовать пиролизный газ для заправки автомобилей;
- снизить загрязненность окружающей среды за счет возможности переработки в пиролизной установке всех видов органических отходов (солома, органический мусор, бумагу, продукты забоя животных и т.д.), полностью исключая при этом образование канцерогенных и загрязняющих веществ, выделяемых в окружающую среду в процессе окисления.
Наличие в биокомплексе установки производства диоксида углерода и устройства сжижения диоксида углерода позволяет:
- обеспечить насыщение культуральной жидкости очищенной 99% углекислотой, что создает оптимальные условия для интенсивного наращивания биомассы, значительно увеличивая интенсивность роста микроводорослей.
- повысить качество разрушения (измельчения) оболочек микроводорослей, улучшить тем самым качество кормовой добавки;
Соединение блока выращивания микроводорослей и пиролизной установки с блоком производства удобрений позволяет получить эффективные органо-минеральные удобрения. А наличие комплексов производства зерна и глубокой переработки зерна с цехом микробиологической переработки зерна расширить ассортимент получаемой продукции.