ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ УТИЛИЗАЦИИ БЕСПОДСТИЛОЧНОГО НАВОЗА С ПОЛУЧЕНИЕМ БИОГАЗА И УДОБРЕНИЙ
PROCESS LINE OF LIQUID MANURE RECYCLING TO PRODUCE BIOGAS AND FERTILISERS

Предлагаемое изобретение относится к сельскохозяйственному производству мясной товарной продукции; более конкретно оно относится к техническим средствам переработки бесподстилочного навоза сельскохозяйственных животных, например свиней, в товарные продукты - биогаз и высококачественные удобрения.
Изобретение предусматривает утилизацию навоза сельскохозяйственных животных непосредственно на месте или в непосредственной близости от места образования навоза с минимальным уровнем капитальных и эксплуатационных затрат.
Известно устройство такого назначения см. кн. «Возобновляемые источники энергии на сельскохозяйственных предприятиях» авт. В.Э.Степанова, из-во «Агропромиздат», М., 1988, с.84. Исходный навоз со свинофермы через трубопровод исходного бесподстилочного навоза поступает в анаэробный биореактор, который представляет собой железобетонный резервуар, расположенный под полом свинарника. Анаэробная переработка навоза осуществляется по мере движения вдоль протяженной стороны железобетонного резервуара биореактора. Образовавшийся на выходе биореактора биошлам поступает в накопительную систему и далее вывозится на поля для агротехнического использования. Перемешивание содержимого биореактора осуществляется электромешалкой. Подземная конструкция биореактора позволяет существенно экономить на капитальных затратах, а также отказаться от нагрева исходного навоза. Образовавшийся биогаз является товарным и используется в пищевом производстве для генерирования тепловой энергии (сыроварение). Основным недостатком данного технического решения является большая длительность обработки навоза (70 суток) из-за низкой температуры процесса (13°С), что приводит к снижению удельного выхода биогаза и недостаточной степени обеззараживания биошлама.
Данные недостатки в известной степени преодолены в техническом решении, описанном в патенте США № 5.525.229, нац. кл. 210/603, заявитель госуниверситет штата Северная Каролина, 1996, «Процесс и аппарат для анаэробной переработки», выбранном за прототип.
Согласно патенту устройство представляет собой технологическую линию, функционирующую по схеме «исходный навоз - камера гидролиза - камера с термофильным режимом анаэробной обработки - теплообменный аппарат - камера с термофильным режимом анаэробной обработки».
Известное устройство конструктивно выполнено в виде заглубленного герметичного резервуара с линейным расположением перечисленных выше компонентов, что позволяет формировать технологическую линию с минимальными капитальными затратами на конструкционные материалы (железобетон) и теплоизоляцию. Основным преимуществом устройства по пат. США 5525229 является высокий удельный выход биогаза и высокое качество полученного на выходе удобрения (биошлама). Данное преимущество достигается за счет многостадийной обработки навоза, а также увеличения дозы анаэробной микрофлоры в камере с термофильным режимом путем применения иммобилизации на пористых носителях. Дополнительное преимущество заключается в наличии теплообменного аппарата - рекуператора тепловой энергии при переходе от термофильного к мезофильному режиму, что позволяет увеличить выход товарного биогаза.
Основным недостатком устройства (технологической линии) являются высокие затраты первичной энергии (острый пар) на нагрев исходного навоза перед его подачей в камеру гидролиза. Кроме того, добиться эффективной теплопередачи от теплоносителя, циркулирующего в трубном пространстве теплообменного аппарата, к биомассе в условиях анаэробной биоконверсии (высокая вязкость биомассы, обрастание теплообменной поверхности органическим веществом с малой теплопроводностью) невозможно, что, как следствие, приводит к увеличению затрат на первичную энергию (или, что одно и то же, снижению выхода товарного биогаза) и/или увеличению капитальных затрат на теплообменные поверхности.
Задачей изобретения является сокращение затрат первичной энергии на утилизацию навоза и снижение капитальных затрат на дорогостоящие теплообменные поверхности.
Техническим результатом, достигаемым при реализации данного устройства, является увеличение степени использования тепловой энергии биомассы при ее продвижении от одного участка технологической линии к другому, что приводит к сокращению затрат первичной энергии. Кроме того, изменение условий теплообмена между биомассой и поверхностью теплообменного аппарата за счет использования предлагаемых технических решений приводит к его интенсификации и, как следствие, к снижению потерь энергии при теплопередаче и/или снижению удельной поверхности теплопередачи.
Технический результат достигается тем, что технологическая линия утилизации бесподстилочного навоза с получением биогаза и удобрений включает в свой состав последовательно расположенные камеру нагрева исходного навоза, камеру гидролиза, камеру нагрева с термофильным режимом анаэробной обработки навоза, теплообменный аппарат, камеру с мезофильным режимом анаэробной обработки навоза. По крайней мере, одна из камер анаэробной обработки навоза снабжена средствами иммобилизации анаэробной микрофлоры. Камера нагрева исходного навоза снабжена подогревателем исходного навоза. Между теплообменным аппаратом и камерой с термофильным режимом анаэробной обработки навоза размещено устройство гравитационного разделения биомассы на фракции. Жидкостная часть устройства гравитационного разделения связана последовательно с теплообменным аппаратом и камерой с мезофильным режимом анаэробной обработки навоза. Теплообменный аппарат посредством последовательно расположенных компрессора и дросселирующего клапана связан с подогревателем исходного навоза с образованием единого термодинамического контура. Средства иммобилизации анаэробной микрофлоры размещены в камере с мезофильным режимом анаэробной обработки навоза.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная технологическая схема линии утилизации навоза.
Технологическая линия утилизации навоза с получением биогаза и удобрений содержит последовательно расположенные камеру нагрева исходного навоза 1 с размещенным в ней подогревателем 2, камеру гидролиза 3, камеру с термофильным режимом анаэробной обработки навоза 4 со средствами иммобилизации анаэробной микрофлоры 5, устройство гравитационного разделения биомассы на фракции 6 с жидкостной 7 и осадочной 8 частями и устройством забора сгущенного биошлама 9, теплообменный аппарат 10, камеру с мезофильным режимом анаэробной обработки навоза 11 со средствами иммобилизации анаэробной микрофлоры 12, накопитель жидкой фракции 13 с погружным насосом 14. Корпус (несущая конструкция) технологической линии выполняется в виде железобетонного герметичного резервуара 15 с полупогружным перекрытием 16, оснащенным трубопроводами отвода биогаза 17 и 18 из камер 4 и 11 и трубопроводом отвода сгущенного биошлама 19. Внутренние (трубные) полости подогревателя 2 и теплообменного аппарата 10 связаны друг с другом в единый термодинамический контур нагнетательным 20, всасывающим 21 и обратным 22 трубопроводами через компрессор 23 и дросселирующий клапан 24. Биогаз по трубопроводу 25 отводится в энергоблок для получения тепловой и/или механической энергии. Теплообменный аппарат 10 размещен в отдельной камере 26.
2
3
Технологическая линия утилизации навоза с получением биогаза и удобрений работает следующим образом. Исходный навоз с фермы самотеком поступает в камеру нагрева исходного навоза, который одновременно выполняет функции и приемной камеры. В результате контакта исходного навоза с теплообменной поверхностью подогревателя 2 поток нагревается до требуемой рабочей температуры термофильного процесса - 53°С. Далее нагретый поток поступает в камеру гидролиза 3, в которой осуществляется растворение и частичное разрушение высокомолекулярных органических компонентов навоза с получением питательного субстрата для последующего процесса метаногенеза. Собственно метаногенез осуществляется в две стадии (фазы). 1 - термофильная фаза реализуется в камере с термофильным режимом обработки навоза 4. Применение средств иммобилизации анаэробной термофильной микрофлоры 5, размещенных в камере 4 и представляющих собой систему носителей биомассы с плоскостной или объемно-плоскостной структурой с удельной поверхностью до 50 м/м, позволяет существенно увеличить концентрацию анаэробной микрофлоры в рабочем пространстве камеры 4 и тем самым повысить удельный выход биогаза и глубину разложения органического вещества.
Обеззараженный и стабилизированный поток (биошлам) поступает далее в устройство гравитационного разделения биомассы на фракции 6, представляющее собой седиментационный аппарат с конструктивными элементами, позволяющими интенсифицировать процесс седиментации (не показаны).
В ходе гравитационного разделения биошлам расслаивается на жидкую и сгущенную фракции, которые накапливаются соответственно в жидкостной 7 и осадочной 8 частях устройства 6. Сгущенный биошлам периодически удаляется посредством заборного устройства 9 для использования в качестве компонента для приготовления удобрительных композиций или для непосредственного внесения в грунт (почвогрунт) земледельческих угодий и культивационных сооружений. Жидкая фракция, составляющая большую часть объема биошлама, отводится в камеру 26. Теплота жидкой фракции подводится к поверхности теплообменного аппарата 10 и далее передается легкокипящему агенту (хладагенту), циркулирующему во внутренней полости (трубном пространстве). Предварительное осветление жидкой фракции в устройстве гравитационного разделения биомассы 6 позволяет существенно повысить интенсивность процесса теплопередачи от обрабатываемого потока к хладагенту в силу его низкой вязкости и уменьшения толщины слоя отложений на теплообменной поверхности. Кипящий хладагент по всасывающему трубопроводу 21 поступает в компрессор 23, сжимается и по нагнетательному трубопроводу 20 подается во внутреннюю полость подогревателя 2. Поток исходного навоза при этом нагревается до рабочей температуры, хладагент конденсируется и через дросселирующий клапан 24 отводится в теплообменный аппарат 10. Далее процесс повторяется. Результатом рассмотренного термодинамического процесса, реализуемого в соответствии с обратным циклом Карно, осуществляется процесс переноса тепловой энергии жидкой фракции биошлама к исходному навозу.
2
3
Дополнительно к навозу подводится тепловой эквивалент работы компрессора. Реализуемый таким образом цикл теплового насоса позволяет на 1 кВт подведенной к компрессору механической мощности получить до 3-4 кВт тепловой мощности, подводимой к исходному навозу. Таким образом, повышается выход товарного биогаза, снижаются затраты энергии на подогрев исходного навоза. Дополнительно температура потока снижается с уровня соответствующего термофильному процессу (53°С) до уровня мезофильного процесса (33°С). Мезофильный процесс дальнейшей обработки жидкой фракции реализуется при прохождении потока через камеру 11, в которой размещены средства иммобилизации мезофильной анаэробной микрофлоры 12. Данные средства представляют собой пористые носители биомассы с регулярной структурой (гранулы, сетки, куски труб) с удельной поверхностью до 200-300 м/м. Высокая концентрация биомассы анаэробных микроорганизмов в камере 11 позволяет повысить удельный выход биогаза, а также повысить степень обеззараживания и очистки жидкой фракции перед ее утилизацией в хозяйственной структуре животноводческой фермы или сбросом в окружающую среду (сооружение анаэробной биологической очистки). Накопление жидкой фракции осуществляется в накопителе 13, а ее подача на утилизацию или сброс (доочистку) осуществляется погружным насосом 14, вырабатываемый в камерах 4 и 11 биогаз через трубопроводы 17, 18 и 25 отводится в энергоблок технологической линии и/или в систему теплоснабжения фермы для сжигания в теплогенераторах.
Размещение резервуара 15 технологической линии в непосредственной близости от фермы с известной степенью заглубления (обваловки) позволяет существенно снизить затраты на подачу исходного навоза и уровень теплопотерь в окружающую среду.