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

Изобретение относится к сельскохозяйственному производству и может использоваться в системах для получения органических удобрений из бесподстилочного навоза (помета) сельскохозяйственных животных (птицы).
Помимо сельского хозяйства данное изобретение может использоваться для переработки органических отходов коммунального хозяйства, например, осадков и илов сооружений биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод и других органических полисубстратов, которые могут быть подвергнуты анаэробной переработке с получением биогаза.
Более конкретно, предлагаемое изобретение относится к технологическим линиям, сооружениям и установкам биологической переработки концентрированных органических полисубстратов с использованием в качестве основного технологического процесса анаэробной переработки (биоконверсии) с получением обеззараженных и стабилизированных удобрений и биогаза, который используется для энергообеспечения анаэробного процесса и получения товарной энергии на основе теплогенераторов (паровых и водогрейных котлов) и двигателей внутреннего сгорания для когенерации механической (электрической) и тепловой энергии.
Известно устройство такого назначения, см. кн. «Метантенки» авт. Л.И.Гюнтер, Л.Л.Гольдфарб, М.: Стройиздат, 1991, с.68. Установка-аналог содержит анаэробный биореактор (метантенк). Загрузка осадка (субстрата) осуществляется через два последовательно включенных теплообменных аппарата, причем в первом по ходу осадка аппарате в качестве теплоносителя используется вода с низким температурным потенциалом. Во втором по ходу осадка (субстрата) аппарате в качестве теплоносителя используется горячая вода, получаемая при охлаждении газового двигателя и продуктов сгорания биогаза. Полученный в процессе анаэробной биоконверсии биогаз после подготовки (очистки, осушения) используется в газовом двигателе для получения механической (электрической) энергии. Такое техническое решение позволяет существенно увеличить общий энергетический к.п.д. системы «метантенк - газовый двигатель», так как теряемая в традиционных системах генерации энергии теплота охлаждающей воды и продуктов сгорания биогаза используется для нагрева исходного субстрата, и, тем самым, достигается экономия биогаза как высокопотенциального энергоносителя.
Основным недостатком данного технического решения является потеря тепловой энергии с выгружаемым из метантенка обработанным субстратом-биошламом.
Другим недостатком является низкая интенсивность теплопередачи в теплообменных аппаратах из-за образования отложений с малой теплопроводимостью на трубном пучке со стороны осадка (субстрата).
Основной недостаток рассмотренного выше устройства-аналога в известной степени устранен в техническом решении, приведенном в кн. авт. Баадера В., Дон Е. Биогаз. Теория и практика. - М.: Колос, 1982, с.44, принятом в качестве прототипа.
Обработанный в анаэробном биореакторе навоз (биошлам) направляется в накопитель биошлама и в непрерывном режиме прокачивается через теплообменник-испаритель теплового насоса. Тепловая энергия от биошлама через легкокипящий теплоноситель после повышения температурного потенциала в компрессоре передается через теплообменник-конденсатор исходному навозу, циркулирующему по схеме «биореактор-насос-теплообменник-конденсатор-биореактор». Таким образом, тепловая энергия нагретого биошлама, отводимого из биореактора, полезно используется для нагрева исходного навоза. При коэффициенте преобразования теплового насоса на уровне 4-5 на каждые 3-4 кВт тепловой мощности, отводимой из биореактора с биошламом, может быть получено 4-5 кВт подводимой к исходному навозу тепловой мощности. При этом расходуется ~1 кВт механической (электрической) мощности на приводе компрессора.
Основным недостатком данного технического решения является образование отложений на теплообменных поверхностях со стороны навоза, что приводит к существенным потерям тепловой мощности или к необходимости существенного увеличения дорогостоящих поверхностей теплообмена.
Другим недостатком является низкая интенсивность основных процессов, определяющих производительность технологической линии «навозоприемник-биореактор-накопитель биошлама (отстойник)».
Из-за отсутствия предварительной микробиологической обработки исходного навоза с целью повышения степени растворения органического вещества и получения исходного субстрата с повышенным содержанием компонентов, способствующих интенсивному метаногенезу, снижается удельная производительность линии по биогазу и биошламу. В накопителе биошлама (отстойнике) из-за остаточного газовыделения существенно снижается интенсивность процесса разделения биошлама на твердую и жидкую фракции, что в итоге приводит к увеличению массогабаритных характеристик накопителя (отстойника).
Задачей предлагаемого изобретения является повышение интенсивности теплопередачи в теплообменных аппаратах для нагревания (конденсатор теплового насоса) и охлаждения (испаритель теплового насоса) исходного и анаэробного обработанного потоков и процессов анаэробной биоконверсии исходного субстрата в биогаз и биошлам (удобрение), а также разделения биошлама на жидкую и твердую фракции.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение массогабаритных характеристик, повышение производительности основного технологического оборудования линии по биогазу и биошламу.
Технический результат достигается тем, что предлагаемая линия утилизации навоза с получением биогаза и удобрений, состоящая из навозоприемника, анаэробного биореактора, насоса, теплообменника-конденсатора теплового насоса, связанных в единый циркуляционный контур, отстойника-накопителя удобрений с теплообменником-испарителем теплового насоса, причем теплообменники связаны друг с другом посредством компрессора с газомоторным приводом на биогазе с образованием термодинамического контура теплового насоса. Теплообменник-конденсатор теплового насоса выполнен в виде вертикальной трубы с полыми стенками и размещен коаксиально внутри анаэробного биореактора, теплообменник-испаритель теплового насоса выполнен в виде погружного змеевика и размещен в нижней части отстойника-накопителя удобрений, а между анаэробным биореактором и отстойником-накопителем удобрений предусмотрен, по крайней мере, один дополнительный биореактор с насосом и теплообменником, выполненным аналогично теплообменнику-конденсатору, в котором используется тепловая энергия охлаждающей жидкости и выхлопных газов газомоторного привода компрессора теплового насоса.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная технологическая схема линии.
Линия утилизации навоза с получением биогаза и удобрений содержит навозоприемник 1 с погружным насосом 2, который связан с анаэробным биореактором 3 посредством трубопровода. Анаэробный биореактор 3 состоит из корпуса 4 с патрубками подведения исходного навоза 5, отведения субстрата 6 и биогаза 7, встроенного теплообменного аппарата-конденсатора теплового насоса 8 и циркуляционного насоса 9. Теплообменный аппарат-конденсатор теплового насоса 8 представляет собой вертикальную трубу с полой стенкой, оснащенной патрубками 10 и 11 для подведения и отведения рабочего тела теплового насоса. Анаэробный биореактор 3 постредством трубопровода 12 связан с дополнительным анаэробным биореактором 13, который конструктивно выполнен аналогично биореактору 3 и оснащен теплообменным аппаратом 14 для компенсации теплопотерь в окружающую среду с патрубками 15 и 16 для подведения и отведения теплоносителя - горячей воды.
Теплообменный аппарат 14 размещен внутри корпуса 17, снабженного патрубками для подведения исходного субстрата 18, отведения конечного продукта - биошлама 19 и биогаза 20.
Предусмотрен также циркуляционный насос 21.
Дополнительный анаэробный биореактор 13 посредством трубопровода 22 связан с отстойником-накопителем биошлама (удобрений) 23, в нижней части которого размещен теплообменник-испаритель теплового насоса 24, выполненный в виде погружного змеевика. Нижняя часть отстойника-накопителя биошлама 23 оснащена патрубком для выгрузки твердой (сгущенной) фракции биошлама. В верхней части отсойника-накопителя биошлама 23 предусмотрен патрубок для слива жидкой фракции биошлама 25.
Посредством трубопровода отведения биогаза 26 анаэробный биореактор 3 и дополнительный анаэробный биореактор 13 связаны с газохранилищем 27, из которого биогаз отбирается в газомоторный привод 28 компрессора 29 теплового насоса через трубопровод 30. Охлаждающая жидкость и выхлопные газы из газомоторного привода 28 поступают в теплоутилизационный блок 31 через трубопровод 32 и 33, соответственно. Охлаждающая жидкость по обратному трубопроводу 34 возвращается в газомоторный привод 28, а охлажденные выхлопные газы отводятся в атмосферу через выпускной тракт 35. Теплоутилизационный блок 31 посредством подводящего 36 и отводящего 37 трубопроводов связан с патрубками 15 и 16 теплообменного аппарата 14 дополнительного биореактора 13, соответственно с образованием замкнутого циркуляционного контура.
Компрессор 29 теплового насоса нагнетательным трубопроводом 38 связан с патрубком 10 теплообменного аппарата-конденсатора теплового насоса 8, а всасывающим трубопроводом 39 - с теплообменным аппаратом-испарителем теплового насоса 24.
Между теплообменным аппаратом-конденсатором теплового насоса 8 и теплообменным аппаратом-испарителем теплового насоса 24 предусмотрен терморегулирующий вентиль 40.
Линия утилизации навоза с получением биогаза и удобрений работает следующим образом.
Исходный навоз с фермы поступает в навозоприемник 1 и далее погружным насосом 2 подается в анаэробный биореактор 3. Погружной насос 2 может одновременно выполнять функции измельчителя. Загрузка навоза в анаэробный биореактор 30 осуществляется через патрубок 5. Одновременно с загрузкой навоза через патрубок 6 выгружается эквивалентное количество субстрата. Анаэробная переработка навоза осуществляется внутри корпуса 4 сообществом анаэробных микроорганизмов; при этом сложные исходные органические соединения - белки, жиры, безазотистые экстрактивные вещества - преобразуются в более простые: жирные кислоты, высшие спирты и другие соединения, в наилучшей степени пригодные для дальнейшей анаэробной переработки. В анаэробном биореакторе 3 может также осуществляться начальная стадия метаногенеза с выделением биогаза, отводимого из верхней части корпуса 4 через патрубок 7.
Нагрев исходного навоза осуществляется путем непрерывной прокачки биомассы циркуляционным насосом 9 вдоль внутренней поверхности теплообменного аппарата-конденсатора теплового насоса 8. В полой стенке теплообменного аппарата-конденсатора теплового насоса 8 конденсируется рабочее тело теплового насоса - хладагент с передачей скрытой и явной теплоты процесса конденсации биомассе. В результате внутри корпуса 4 достигается оптимальный для проведения процесса уровень температуры (33 или 53°C). Размещение теплообменного аппарата 8 внутри корпуса 4 и его конструктивное исполнение в виде коаксиальной трубы диаметром не менее 150 мм позволяет существенно повысить компактность установки в целом и избежать интенсивного образования отложений на теплообменных поверхностях, что свойственно теплообменным аппаратам традиционного типа. Дополнительно снижается гидравлическое сопротивление тракта и теплообменный аппарат 8 - циркуляционный насос 9. Выполнение пространства для конденсации хладагента теплового насоса в виде вертикально ориентированной полости внутри трубной стенки позволяет создать наилучшие условия для теплоотдачи со стороны конденсирующихся паров хладагента за счет организации пленочного режима.
Субстрат из анаэробного биореактора 3 через трубопровод 12 и патрубок 18 поступает в дополнительный анаэробный биореактор 13, в котором осуществляется основная часть процесса метаногенеза. Метаногенез осуществляется в условиях строгого анаэробиоза в герметичном корпусе 17. Перемешивание биомассы производится циркуляционным насосом 21, компенсация теплопотерь в окружающую среду производится путем подогрева биомассы горячей водой из теплоутилизационного блока 31, подводимой по трубопроводу 36 к патрубку 15 теплообменного аппарата 14; охлажденная вода через патрубок 16 и отводящий трубопровод 37 отводится обратно в теплоутилизационный блок 31. Конструктивно теплообменник 14 выполнен аналогично теплообменному аппарату-конденсатору теплового насоса 8 и обладает соответствующими преимуществами в сравнении с традиционными аппаратами аналогичного назначения. Перемешивание биомассы осуществляется циркуляционным насосом 21. Образовавшийся в процессе метаногенеза биогаз отводится через патрубок 20 в верхней части корпуса 17 в трубопровод 26 и далее в газохранилище 27. Образовавшийся в процессе анаэробной переработки биошлам через патрубок 19 и трубопровод 22 отводится в отстойник-накопитель биошлама 23 для последующего разделения на твердую и жидкую фракции.
Применение дополнительного анаэробного биореактора 13 позволяет существенно повысить интенсивность процесса анаэробной переработки навоза и сократить в среднем в 1,5 раза объемы биореакторов.
Нагрев исходного навоза до рабочей температуры в анаэробном биореакторе 3 при условии, что консорциум анаэробных микроорганизмов в первой фазе обработки навоза слабо чувствителен к проектному темпу изменения температуры, позволяет на второй фазе обработки в дополнительном анаэробном биореакторе 13 отказаться от нагрева биомассы до рабочей температуры и осуществлять обогрев рабочего пространства только с целью компенсации теплопотерь в окружающую среду. При этом возникает возможность рационализации теплового баланса всей системы в целом за счет использования в качестве теплоносителя горячей воды из теплоутилизационного блока 31.
В процессе расслоения биошлама в отстойнике-накопителе 23 сгущенная фракция биошлама скапливается в нижней (осадочной) части аппарата. Из-за значительной концентрации анаэробных метаногенных микроорганизмов и наличия остаточного органического вещества субстрата в осадочной части развивается анаэробный процесс с выделением биогаза. Всплывающие пузырьки биогаза являются причиной резкого падения интенсивности процесса седиментации биошлама, так как развивается процесс встречного переноса твердой фазы за счет биофлотации.
Размещение в нижней части отстойника-накопителя 23 теплообменника-испарителя теплового насоса 24 приводит к резкому снижению температуры осажденной биомассы, и, как следствие, к соответствующему снижению остаточного газовыделения. В конечном счете достигается существенное преобладание потока массы за счет гравитационного осаждения (седиментации), сокращается продолжительность процесса разделения биошлама на фракции, снижается концентрация взвешенных веществ в жидкой фракции биошлама, отводимой для дальнейшей очистки или утилизации через патрубок 25.
Циркулирующий в трубном пространстве теплообменника-испарителя теплового насоса 24 хладагент за счет подводимого от биошлама тепла испаряется и поступает далее в компрессор 28 теплового насоса для последующего компримирования и подачи в теплообменный аппарат-конденсатор теплового насоса 8. Поступление хладагента в теплообменник-испаритель теплового насоса 24 регулируется терморегулирующим вентилем в зависимости от тепловой нагрузки на аппарат. Образовавшаяся в нижней части отстойника-накопителя биошлама 23 твердая фракция представляет собой обеззараженное стабилизированное удобрение, по содержанию биогенных элементов не уступающее исходному навозу и пригодное как для непосредственного внесения в открытый или защищенный грунт, так и для приготовления различных компостов и удобрительных композиций,
Газомоторный привод 28 компрессора теплового насоса 29 представляет собой двигатель внутреннего сгорания, в котором до 30-35% энергии сжигаемого в цилиндрах биогаза расходуется на получение механической энергии, передаваемой на вал компрессора теплового насоса 29, и до 55% отводится с охлаждающей жидкостью и продуктами сгорания биогаза. В теплоутилизационном блоке 31 охлаждающая жидкость и продукты сгорания последовательно передают тепловую энергию циркулирующей в системе «теплообменный аппарат 14 - теплоутилизационный блок 31» воде. Охлаждающая жидкость при этом циркулирует по замкнутому контуру «газомоторный привод 28 - подводящий трубопровод 32 - теплоутилизационный блок 31 - отводящий трубопровод 34 - газомоторный привод 28»; выхлопные газы (охлажденные продукты сгорания) поступают в атмосферу через выпускной тракт 35.