Способ и устройство для получения метана, электрической и тепловой энергии - RU2004104324A

Реферат

1. Способ получения метана, электрической энергии и тепла посредством анаэробной конверсии биомассы в форме измельченных растений и/или органических отходов в биогаз с использованием терморегенеративной ячейки и генератора электрического тока или турбогенераторного агрегата, характеризующийся тем, что измельченные растения смешивают с водой в такой пропорции, чтобы содержание сухой массы в воде составляло от 20 до 60%, предпочтительно 30%, измельченные органические отходы, первоначально содержащие менее 60% воды, смешивают с водой в той же пропорции, и эти смеси вместе с органическими отходами, содержащими от 4 до 20% сухой массы в воде, подвергают вместе, по отдельности или в определенном соотношении гидролизу при температуре около 20°С в течение 12-36 ч, затем через гидролизованную биомассу пропускают диоксид углерода до полного исчезновения в биомассе кислорода и азота, после этого биомассу при необходимости дополненную водой из такого расчета, чтобы количество сухой массы в воде составляло от 4 до 60%, предпочтительно 20%, подвергают метановому брожению под действием метановых мезофильных бактерий, предпочтительно, при температуре 35°С в течение 48-240 ч, после этого биогаз, полученный при анаэробном превращении биомассы в биогаз - далее называемый первой порцией - направляют в резервуар для технического биогаза, а оставшуюся биомассу при необходимости разбавляют водой таким образом, чтобы она содержала от 4 до 60%, предпочтительно 20% сухой массы в воде, и подвергают метановому брожению под действием метановых термофильных бактерий, предпочтительно при температуре 55°С в течение 48-240 ч, при этом в обоих процессах метанового брожения отношение углерода к азоту в биомассе превышает 100:3, предпочтительно составляет 10:1, значение рН водной смеси биомассы составляет 6-8, предпочтительно рН 7, а окислительно-восстановительный потенциал - ниже 250 мВ, затем биогаз, полученный при анаэробном превращении биомассы в биогаз под действием метановых термофильных бактерий, - далее называемый второй порцией - объединяют с первой порцией в резервуаре для технического биогаза, а из оставшейся биомассы, после извлечения из нее приблизительно 50% воды и возвращения этой воды на стадию метанового брожения следующей порции биомассы, готовят компост с одновременным протеканием анаэробного превращения биомассы в биогаз под действием метановых психрофильных бактерий предпочтительно при температуре 23°С в течение 190-300 ч, который затем используют в сельском хозяйстве в качестве природного удобрения, а полученный биогаз, составляющий третью порцию, объединяют с первой и второй порциями биогаза, из него удаляют серосодержащие соединения, после чего 20-80% десульфуризованного биогаза разлагают на метан и диоксид углерода, от 5 до 50% которого накапливают в резервуаре под повышенным давлением и затем возвращают на следующую стадию извлечения кислорода и азота из гидролизованной биомассы, а оставшийся диоксид углерода собирают в емкости для газа под давлением или конденсируют, либо сбрасывают в атмосферу, тогда как 25-75% метана конденсируют или объединяют с природным газом, либо используют в чистом виде в качестве топлива, или же превращают в другие химические соединения, оставшийся метан или 100% произведенного метана объединяют с десульфуризованной порцией биогаза, не подвергавшегося разложению, в отношении, необходимом для получения газового топлива с постоянным метановым числом, предпочтительно, 104,4, и постоянной теплотворной способностью 8,6 кВт·ч/м - называемого стандартным газовым топливом, из которого 20-40% сжигают в горелке высокотемпературного терморегенератора терморегенеративной ячейки, а вещества, образовавшиеся в результате теплового разложения продуктов синтеза, аккумулированных в ячейке, возвращают из высокотемпературного терморегенератора на электроды ячейки, что приводит к генерированию в ячейке электрической энергии прямого тока и продуктов синтеза, тогда как остальное топливо сжигают в двигателе внутреннего сгорания генератора электрического тока, генерируя электроэнергию переменного тока и тепло, содержащееся в жидкостях, охлаждающих двигатель, и в газообразных продуктах сгорания, либо сжигают в камере сгорания турбогенераторного агрегата, производя электрическую энергию переменного тока и тепло, содержащееся в газообразных продуктах сгорания, вырабатываемых газовой турбиной, а 25-75% тепла, полученного от жидкостей, охлаждающих двигатель, и от газообразных продуктов сгорания, передают на низкотемпературный терморегенератор терморегенеративной ячейки для процесса извлечения продуктов синтеза из электролита и возвращения их в терморегенератор высокотемпературной ячейки, а также для возвращения электролита с низкой концентрацией в камеры ячейки, тогда как 25-75% тепла передают на стадию гидролиза и анаэробной конверсии биомассы в биогаз, в то время как оставшееся тепло поступает в тепловой цикл центрального отопления и/или используется для получения теплой воды.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что флегму, образовавшуюся в каждом отдельном технологическом цикле, возвращают в цикл для повторного использования.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что флегму, направленную в бродильные чаны, дополняют, в частности добавляют азотсодержащие соединения.

4. Устройство для генерирования метана, электрической и тепловой энергии, состоящее из гидролизера, последовательной системы бродильных чанов, каждый из которых оборудован трубопроводом и насосом для рециркуляции жидкости, червячного пресса, компостера, генератора электрического тока или турбогенераторного агрегата, терморегенеративной ячейки, резервуаров, жидкостных и газовых насосов и трубопроводов, характеризующееся тем, что содержит установку (1) для приготовления биомассы, соединенную с гидролизером (2), который в свою очередь связан с последовательной системой (3) бродильных чанов и компостера, оборудованной транспортером компоста к хранилищу и соединенной с установкой (4) для возврата и обогащения флегмы, кроме того, эти установки (1), (3) и (4) соединены с внешним подводом (15) воды, составной трубопровод для природного биогаза связывает последовательную систему (3) бродильных чанов и компостера с резервуаром (5) для технического биогаза, в свою очередь соединенным с установкой (6) для очистки биогаза, которая в свою очередь связана с резервуаром (7) для очищенного биогаза, соединенным с установкой (8) для разложения биогаза и смесителем (11) для газов, установка для разложения биогаза соединена с установкой (10) для обработки диоксида углерода и установкой (9) для обработки метана, установка для обработки диоксида углерода соединена газопроводом с гидролизером (2), который оборудован устройством для сброса CO₂ в атмосферу, а установка (9) для обработки метана также связана со смесителем (11) для газов, в свою очередь соединенным с резервуаром (12) для стандартного газового топлива, этот резервуар соединен с установкой (13) для генерирования электроэнергии и тепла или с системой (14) переработки тепла, а установка (13) для генерирования электроэнергии и тепла соединена с установкой (14) для переработки тепла, которая, в свою очередь, соединена тепловыми трубопроводами с гидролизером (2), с установкой (4) для возврата и обогащения флегмы и с последовательной системой (3) бродильных чанов и компостера.

5. Устройство по п.4, характеризующееся тем, что установка (1) для приготовления биомассы содержит смеситель (1f) для биомассы, соединенный с гидролизером (2) и внешним подводом (15) воды с помощью водного трубопровода (15а) смесителя для биомассы, смеситель для биомассы соединен с измельчителем (1d) травы, листьев и злаков (1а) и с измельчителем (1е) корнеплодов (1b), с хранилищем или резервуаром (1с) для органических отходов, особенно если они представляют собой осадочную твердую фазу в воде.

6. Устройство по п.4, характеризующееся тем, что гидролизер (2) на входе связан с установкой (1) для приготовления биомассы, на выходе гидролизер оборудован транспортером (2d) для гидролизованной биомассы и водным рециклом (2а), выходящим из днища гидролизера из-под транспортера (2d) для гидролизованной биомассы и входящим в гидролизер сверху около входа в него биомассы, приготовленной на установке (1), кроме того, гидролизер (2) в днище оснащен дозатором (2b) СО₂, в гидролизер и сверху имеет газоотвод (2с), и оборудован водонагревателем нагревательной системы (14с) гидролизера и бродильных чанов.

7. Устройство по п.4, характеризующееся тем, что последовательная система (3) бродильных чанов и компостера включает резервуар (3а) мезофильного брожения, резервуар (3с) термофильного брожения, червячный пресс (3е) и компостер 3g, которые соединены последовательно транспортерами биомассы, резервуар мезофильного брожения имеет на входе транспортер (2d) для гидролизованной биомассы и на выходе - транспортер (3b) для биомассы после мезофильного брожения; этот транспортер соединен с резервуаром (3с) термофильного брожения, имеющим на выходе транспортер (3d) для биомассы после термофильного брожения, связанный с червячным прессом (3е), который соединен транспортером (3f) для прессованной биомассы с компостером (3g), который оборудован герметичной газовой камерой и на выходе - транспортером (3h) компоста к хранилищу, оба бродильных чана оборудованы водонагревателями нагревательной системы (14с) гидролизера и бродильных чанов, а газовые камеры бродильных чанов и компостера соединены газопроводами с резервуаром (5) для технического биогаза, соединенным трубопроводом (5 а) для технического биогаза с установкой (6) для очистки биогаза.

8. Устройство по п.4, характеризующееся тем, что установка для возврата и обогащения флегмы содержит водный рецикл (4а) резервуара мезофильного брожения, выходящий со дна резервуара мезофильного брожения из-под транспортера (3b) для биомассы после мезофильного брожения и входящий в бродильный чан сверху около входа в него транспортера (2d) для гидролизованной биомассы, водный рецикл (4с) резервуара термофильного брожения, выходящий со дна резервуара (3с) термофильного брожения из-под транспортера (3d) для биомассы после мезофильного брожения и входящий в бродильный чан сверху около входа в него транспортера (3b) для биомассы после мезофильного брожения, заборник (4d) воды из червячного пресса, связанный с водным рециклом (4с) резервуара термофильного брожения и с водным рециклом (4е) компостера, выходящим из дна компостера (3g) и входящим в компостер сверху около входа в него транспортера (3f) для прессованной биомассы, причем оба эти рецикла соединены с внешним подводом (15) воды при помощи внешнего водопровода (15b), водный рецикл (4а) резервуара мезофильного брожения и водный рецикл (4с) резервуара термофильного брожения соединены с дозатором (4b) азотсодержащих соединений.

9. Устройство по п.4, характеризующееся тем, что установка (8) для разложения биогаза состоит из двухкамерного сатуратора (8а) и жидкостного цикла (8b) сатуратора, входная камера А сатуратора заполнена жидкостью, поглощающей только диоксид углерода, и на выходе оборудована газопроводом (9а) для метана, а внутри сатуратора камера А соединена со входом в камеру В сатуратора, заполненную той же жидкостью, выделяющей СО₂, к верхней части сатуратора подсоединен газопровод (10d) для CO₂, а к днищу - трубопровод для жидкости жидкостного цикла (8b) сатуратора, входящий в камеру А и используемый для возвращения жидкости из камеры В в камеру А, при этом камера А сатуратора связана газопроводом ниже уровня жидкости в камере с резервуаром (7) для очищенного биогаза и с установкой (6) для очистки технического биогаза, состоящей из колонны (6а) для десульфуризации биогаза и газового насоса (6b).

10. Устройство по п.4, характеризующееся тем, что установка (10) для обработки диоксида углерода содержит газопровод (10d) для диоксида углерода, соединяющий сатуратор (8а) с дозатором (2b) CO₂ в гидролизер, резервуар (10с) для сжатого диоксида углерода и аппарат (10а) для конденсации CO₂, соединенные с этим газопроводом, причем аппарат для конденсации СО₂ с другой стороны соединен с резервуаром (10b) для сконденсированного диоксида углерода, а газопровод снабжен регулируемым сбросом (10е) диоксида углерода в атмосферу.

11. Устройство по п.4, характеризующееся тем, что установка (9) для обработки метана содержит газопровод (9а) метана, выходящий из сатуратора (8а) и связанный с аппаратом (9b) для конденсации метана, который соединен с резервуаром (9с) для сконденсированного метана или присоединен к газовому коллектору, также соединенному со смесителем (11) для газов, который на входе соединен с резервуаром (7) для очищенного биогаза, а на выходе - с резервуаром (12) для стандартного газового топлива.

12. Устройство по п.4, характеризующееся тем, что установка (13) для генерирования электрической энергии и тепла содержит генератор электрического тока, который имеет электрическую связь с электрической сетью (13b) и терморегенеративной ячейкой (13с), оборудованной высокотемпературным терморегенератором (13d) и низкотемпературным терморегенератором (13е), причем двигатель внутреннего сгорания генератора электрического тока и высокотемпературный регенератор ячейки соединены трубопроводом (12а) для стандартного газового топлива с резервуаром (12) для стандартного газового топлива, при этом трубопровод (12а) имеет антиаварийную связь с газовой горелкой (12b), а низкотемпературный терморегенератор (13е) ячейки оборудован теплообменником, соединенным с теплообменником (14f) "газообразные продукты сгорания/жидкость" в установке (14) для переработки тепла.

13. Устройство по п.4, характеризующееся тем, что установка (14) для переработки тепла содержит нагревательную систему (14с) гидролизера и бродильных чанов, тепловой цикл (14d) центрального отопления и тепловой цикл (14g) низкотемпературного терморегенератора, в основном тепловом цикле имеется водяной насос (14а), соединенный тепловым трубопроводом (14b) с теплообменником (14е) "жидкость/жидкость" в цикле жидкостей, охлаждающих двигатель, и далее соединенный с теплообменником (14f) "газообразные продукты сгорания/жидкость", поглощающим тепло газообразных продуктов сгорания, далее основной тепловой цикл соединен с тепловым циклом (14d) центрального отопления и с нагревательной системой (14с) гидролизера и бродильных чанов, оборудованной водонагревателями, расположенными в гидролизере и в бродильных чанах, а тепловой цикл (14g) низкотемпературного терморегенератора соединяет теплообменник (14f) "газообразные продукты сгорания/жидкость" с теплообменником низкотемпературного терморегенератора (13е).

14. Устройство по п.12, характеризующееся тем, что установка для генерирования электроэнергии и тепла содержит газовую турбину, соединенную синхронной связью с генератором трехфазного тока вместо генератора (13а) электрического тока, трубопровод (12а) для стандартного газового топлива соединен с камерой сгорания газовой турбины, а газоотвод газообразных продуктов сгорания газовой турбины соединен с теплообменником, где нагревается сжатый воздух, который подается в камеру сгорания газового топлива, и с теплообменником (14f) "газообразные продукты сгорания/жидкость" в основном тепловом цикле системы, а генератор трехфазного тока электрически связан с электрической сетью (13b).