способ переработки твердых органических субстратов

Формула изобретения

1. Способ переработки твердых органических субстратов, в соответствии с которым исходный субстрат помещают в метантенк с возможностью постепенного перемещения внутри перфорированной трубы через жидкостную анаэробную зону метантенка с последующей переработкой растворимого, тонко- и среднедисперсного органического вещества субстратов в газообразный энергоноситель и механически обезвоженную твердую фракцию, отличающийся тем, что механически обезвоженную твердую фракцию подвергают термохимической газификации с получением синтез-газа и твердого остатка, жидкую фракцию после обработки в анаэробном биореакторе с прикрепленной микрофлорой возвращают в метантенк, а твердую фракцию эффлюента метантенка используют для приготовления удобрений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что механически обезвоженную твердую фракцию перед термохимической газификацией подсушивают с использованием продуктов сгорания синтез-газа.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемый способ относится к методам переработки различных видов твердых субстратов с содержанием органического биоразлагаемого вещества не менее 20% от общей массы отходов. Данный способ, в зависимости от вида и морфологического состава отходов, может применяться в качестве самостоятельного технологического процесса или в составе комплексных технологических линий.

Областью применения способа является любой тип промышленного, сельскохозяйственного и муниципального производства, связанного с переработкой органических субстратов и отвечающего следующим требованиям субстрата:

- исходные (отходы) не должны содержать металлические, минеральные и иные включения, не поддающиеся биологической и термохимической переработке (газификации);

- в исходных отходах должны отсутствовать крупноразмерные твердые включения (свыше 30-50 мм), не поддающиеся разложению и диспергированию в водной среде.

В случае необходимости, в составе технологических линий должны предусматриваться процессы предварительного дробления и сепарации.

Согласно предлагаемому изобретению могут перерабатываться в газообразные энергоносители (биогаз и синтез-газ), а также в удобрения следующие виды субстратов: пищевые, растительные отходы, твердые экскременты с подстилочным материалом, в том числе в смеси с бумагой, картоном, пластмассой, что в исходной смеси содержится не менее 20% органического вещества (предпочтительно не менее 45%).

Известны способы переработки твердых органосодержащих отходов в метантенке. Согласно способу по патенту России № 2551536, кл. C02F 3/28. исходные отходы элеваторной установкой загружают последовательно в камеры метанового брожения, при этом невымываемая и нерастворимая части отходов остаются в элеваторе, затем выгружаются из рабочего пространства метантенка.

Поступившее в жидкую рабочую среду метантенка органическое вещество перерабатывается в биогаз (до 40-50%).

Недостатками способа аналога являются неудовлетворительные массогабаритные показатели системы «метантенк - элеваторная установка», что обусловлено низкой интенсивностью процессов перехода органического вещества из ковшей элеваторной установки в камеры брожения, громоздкостью установки и низкой концентрацией анаэробной биомассы в рабочем пространстве метентенка.

В известной степени указанные недостатки устранены в способе согласно патента Великобритании № 2282337, кл. C02F 11/04.

В способе-прототипе исходные отходы загружаются в метантенк через гидрозатворное устройство, связанное с перфорированной трубой, размещенной в рабочем пространстве метантенка.

Перемещение отходов и переход вымываемой и растворимой части органических отходов в дисперсную фазу обеспечивается шнековым транспортером.

В верхней части перфорированной трубы, размещенной вне рабочего пространства метантенка, предусмотрено обезвоживание отходов посредством подпружиненного диска с отверстиями, перекрывающего выход из перфорированной трубы.

Способ-прототип реализуется следующим образом. Исходные органические отходы помещаются вовнутрь перфорированной трубы и перемещаются внутри метантенка в непрерывном контакте с рабочей средой, содержащей взвешенную анаэробную микрофлору. Органические вещества поступают в рабочую среду через перфорацию в растворенном, тонко- и среднедисперсном виде, обеспечивая тем самым необходимые условия метаногенеза по питанию субстратом. Образовавшиеся при этом биогаз, а также жидкая и сгущенная фракции эффлюента отводятся через соответствующие патрубки для последующего использования. Перед выгрузкой твердый остаток частично обезвоживается в верхней части перфорированной трубы вне метантенка.

Основным недостатком способа прототипа является сравнительно низкая интенсивность процесса метаногенеза из-за низкой концентрации анаэробной биомассы и, как следствие, неудовлетворительные массогабаритные показатели установки для реализации способа. Другим недостатком является отсутствие обезвреживания (переработки, компактирования) невымываемой негидролизуемой части отходов. Органическое вещество эффлюента, обогащенное азотом в подвижной форме, полезно не используется.

Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а также существенное расширение области применения методов газификации органических отходов.

В результате использования предлагаемого изобретения повышается интенсивность процессов гидролиза и метаногенеза, увеличивается удельный выход биогаза и уменьшается суммарный объем основного оборудования.

Технический результат достигается тем, что исходный субстрат помещают в метантенк с возможностью постепенного перемещения внутри перфорированной трубы через жидкостную анаэробную зону метантенка с последующей переработкой растворимого, тонко- и среднедисперсного органического вещества субстратов в газообразный энергоноситель и механически обезвоженную твердую фракцию, механически обезвоженную твердую фракцию подвергают термохимической газификации с получением синтез-газа и твердого остатка, жидкую фракцию после обработки в анаэробном биореакторе с прикрепленной микрофлорой возвращают в метантенк, а твердую фракцию эффлюента метантенка используют для приготовления удобрений, при этом механически обезвоженную твердую фракцию перед термохимической газификацией подсушивают с использованием продуктов сгорания синтез-газа.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурой, на которой представлена схема реализации способа.

Способ реализуется следующим образом. Исходные отходы через гидрозатвор 1 загружаются в перфорированную трубу 2, оснащенную транспортирующим механизмом, например шнеком 3, и размещенную в рабочем пространстве метантенка 4.

По мере перемещения (с возможностью реверсирования) отходов внутри перфорированной трубы 2 дисперсная среда (вода) проникает через перфорацию внутрь трубы и, в условиях механического воздействия на твердую фазу, вымывает и растворяет органическое вещество твердой фазы. Рабочая (жидкая) среда 5 метантенка 4 при этом обогащается органическим веществом в растворенном, тонко- и среднедисперсном виде (с размерами частиц не более 2-5 мм). Таким образом, создаются необходимые условия развития метаногенной анаэробной микрофлоры, а образующийся в процессе метаногенеза биогаз отводится по трубопроводу 6 накопитель 7 для последующего энерготехнологического использования. В силу отсутствия интенсивного перемешивания рабочей среды 5 в метантенке 4 происходит расслоение среды, с образованием осадочной части 8 и надосадочной части 9, причем надосадочная часть 9 занимает не менее 50% рабочей среды 5.

Для сокращения размеров надосадочной части 9 и соответствующего снижения объема метантенка 4 при сохранении количества вырабатываемого биогаза и увеличении содержания в нем целевого продукта - метана, из верхней части рабочей среды 5 метантенка 4 осуществляется непрерывный отбор дисперсной среды с последующей ее подачей в анаэробный биореактор с прикрепленной микрофлорой (например, биофильтр). При этом процесс очистки дисперсной среды осуществляется в интенсивном (проточном) режиме при рабочем объеме анаэробного биореактора 10, примерно в 2-5 раз меньшем объема надосадочной части 9. Применение прикрепленной микрофлоры позволяет снизить зависимость процесса метаногенерации от температурных условий (возможен температурный диапазон 20-30°С, в то время как соответствующий показатель для метантенка 4 составляет 33-57°С).

Очищенная и стабилизированная в анаэробном биореакторе 10 дисперсная среда подается в гидрозатвор 1 для первичного увлажнения отходов.

Биогаз поступает в накопитель 7. Отходы с пониженной концентрацией органического вещества поступают далее в секцию механического обезвоживания 11 перфорированной трубы 2, размещенную вне корпуса метантенка 4. Механическое обезвоживание может осуществляться методом прессования в сочетании с гравитационным методом. Так как отходы, подвергающиеся переработке согласно данному способу, в основном обладают высокой гигроскопичностью, то может быть достигнута относительная влажность 30-45%. Это создает возможность их последующей термохимической переработки в газогенераторе 12 с получением синтез-газа с калорийностью до 5-15 мДж/м³, в зависимости от состава отходов, и твердого остатка (золы). В случае необходимости часть синтез-газа может подаваться в скруббер 13 для его очистки с одновременным подогревом рециркулирующей дисперсной среды из биореактора 10. Твердую фракцию эффлюента из осадочной части 8 метантенка 5, содержащую до 4% азота, направляют на участок приготовления удобрений 14.

После очистки в скруббере 13 синтез-газ утилизируется в генераторе тепловой энергии 15 или энерготехнологического агрегата. Продукты сгорания, образовавшиеся при сжигании синтез газа, могут быть использованы для подсушивания механически обезвоженной твердой фракции в сушилке 16.

Биогаз может быть направлен на утилизацию в энерготехнологическом агрегате или когенерационной установке 17, при этом часть теплоносителя из генератора тепловой энергии и (или) когенерационной установки 17 может быть использована для стабилизации температурного режима в метантенке 4.