Способы и установки для уменьшения потери аммиака и запаха от органических материала или отходов в атмосферу - RU2621103C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к способу уменьшения потери аммиака и запаха от органических материала или отходов в атмосферу, включающему подачу воздуха или загрязненного воздуха в плазменный генератор для получения концентрации 0,1-12 об.% NO_x в воздухе путем непосредственной фиксации азота, абсорбирование NO_x абсорбирующей жидкостью с образованием азотнокислого раствора и подачу этого раствора в органические материал или отходы. Настоящее изобретение также относится к способу уменьшения потери аммиака и запаха от органических материала или отходов в атмосферу, включающему подачу воздуха или загрязненного воздуха в плазменный генератор для получения концентрации 0,1-12 об.% NO_x в воздухе путем непосредственной фиксации азота, абсорбирование NO_x абсорбирующей жидкостью с образованием азотнокислого раствора, использование этого раствора в скруббере для улавливания газообразного аммиака из органических материала или отходов и подачу раствора в органические материал или отходы. Изобретение дополнительно включает в себя установки для уменьшения потери аммиака и запаха от органических материала или отходов в атмосферу.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В уровне техники отсутствовала возможность решения связанных с потерями аммиака экологических проблем при обработке навоза и органических отходов посредством применения и сочетания технических элементов по настоящему изобретению. Проблему выбросов аммиака из навоза и органических отходов рассматривали и пытались решить посредством применения разнообразных химических реагентов кислой природы. Содержащие NO_x газы, полученные в плазменном генераторе, вводили непосредственно в навоз и/или органические отходы. Данный способ является непрактичным и неспособным регулировать химический состав навоза, а также может создавать проблему выбросов NO_x. Если в навоз вводить стандартную азотную кислоту или нитратные соли, произойдет потеря азота в виде N₂ и N₂O. Запах устраняли многими стандартными запахоподавляющими веществами. Выбросы аммиака и других исходящих веществ уменьшали посредством термической обработки и последующей абсорбции посредством подходящей неорганической или органической кислоты. Применение аэрирования и богатых кислородом неорганических кислот, таких как серная и фосфорная кислоты, уменьшало потери аммиака, но не способствовало балансу питательных веществ и не сокращало выбросы N₂O. Введение смеси азотной кислоты и азотистой кислоты в навоз решает проблему баланса питательных веществ и потери азота, но считается рискованным с точки зрения транспортировки и обращения, а также, как правило, является дорогостоящим.

SE 366730 описывает способ, в котором используются азотная кислота, азотистая кислота, сульфат меди и другие кислотные компоненты для уменьшения запаха и потерь аммиака из навоза. Значение pH навоза регулируют на уровне ниже 7. Аспекты безопасности и стоимости делают эту технологию непривлекательной. Азотная кислота представляет собой одновременно сильную кислоту и компонент для взрывчатых веществ. Азотистая кислота представляет собой неустойчивый продукт и компонент для взрывчатых веществ.

US 7909995 описывает, каким образом NH₃ из навоза и органических отходов может поглощаться водой с серной кислотой, образуя сульфат аммония в стандартном процессе, основанном на известных промышленных технологиях. Использование серной кислоты не решает проблемы баланса питательных веществ и соотношения нитратов и нитритов. Продукт представляет собой раствор сульфата аммония, который может кристаллизоваться.

US 4297123 описывает электродуговой способ фиксации азота из воздуха и его абсорбирования водой с четкой целью получения нитратных удобрений в разнообразных формах. В данной технологии описывается реакция газообразного NO, кислорода и воды с образованием нитрата, а конструкция явно нацелена на мелкомасштабное производство чистого нитрата в растворе и нитратных удобрений с применением электроэнергии.

US 2011/0044927 описывает способ уменьшения запаха с использованием ацетатов, нитратов или сульфатов металлов для снижения уровня H₂S. Данный способ решает проблему запаха, но используемый нитрат считается небезопасным и дорогостоящим химическим реагентом. В результате использования только нитрата происходит потеря азота в форме N₂ и N₂O. Соотношение N/P₂O₅ не рассматривается.

US 7785388 описывает применение цианида кальция для уменьшения запахов и повышения ценности и практического использования удобрений. В данном способе не рассматриваются и не решаются проблемы баланса питательных веществ и соотношения нитратов и нитритов.

US 6277344 описывает обработку отходящих газов пероксикислотой в химическом скруббере. Данный способ представляет собой природоохранительное решение, которое не направлено на решение основной проблемы потери и баланса питательных веществ.

DK 200600530 описывает способ использования азотной кислоты и растительного экстракта для подавления выбросов аммиака и запаха из сточной воды свинофермы и снижения опасности. Данный способ сосредоточен на устранении опасных факторов и не решает проблемы баланса питательных веществ и соотношения нитритов и нитратов. Данный способ приводит к потерям азота в форме N₂ и N₂O.

RU 2004529 описывает получение органоминерального удобрения следующим образом. Аммиаксодержащие отходы сельского хозяйства обрабатывают нитрозным газом, полученным фиксацией атмосферного азота в низкотемпературной плазме и охлажденным до менее 40°C. При этом аммиачный азот превращается в нелетучие соединения. Данный способ осуществляют, продувая горячий нитрозный газ для удаления аммиака, который является летучим, с последующей сушкой и обеззараживанием продукта. Данный способ не решает проблемы баланса питательных веществ и не подходит для регулирования имеющего решающее значение соотношения нитритов и нитратов. Способ создает газообразные выбросы NO_x и аммиака.

JP 2006247522 описывает способ сжигания посредством плазмы, устойчиво и равномерно создаваемой электрическим разрядом в разрядной камере, и газообразные отходы (например, отходящие газы из мусоросжигательных установок, имеющие неприятный запах газы от оборудования по обработке сточных вод и муниципальных предприятий по обработке отходов, отходящие газы от химических установок) подвергаются эффективной детоксикации и дезодорации. Данный способ предусматривает дуговой мусоросжигатель для разложения дурно пахнущих компонентов и не решает проблемы баланса питательных веществ или соотношения нитратов и нитритов.

WO 2009059615 A1 описывает способ, в котором часть аммиака из органического материала отделяется и превращается в азотную кислоту посредством стандартного способа сжигания и абсорбции. Азотную кислоту, производимую из аммиака, затем используют в реакции с оставшимся аммиаком, получая нитрат аммония.

Существующие проблемы можно кратно представить в следующих пунктах.

1) Все органические материалы содержат химически связанный азот. Этот азот присутствует в форме аммиака, как правило, из мочевины, мочевой кислоты и белков. Органические отходы представляют собой питательные вещества, энергия которых теряется. Основной путь извлечения питательных веществ заключался в том, чтобы возвращать органические отходы и навоз обратно на поля в качестве удобрений. За последние 20 лет эта практика снизила на 30-40% потребность в фосфатных удобрениях внутри Европейского Союза (ЕС). Однако азот по-прежнему теряется в процессе минерализации. Эта потеря происходит из-за активности микроорганизмов, выделяющих свободный аммиак, из которого 30% теряется в воздухе и 10% теряется в воде за счет выщелачивания.

Реакция потери аммиака из мочи начинается с гидролиза мочевины, который описывается уравнением Ia, и в результате общей минерализации органического материала образуются карбонаты аммония, водный раствор аммиака и угольная кислота, которые теряются в форме летучего аммиака и диоксида углерода согласно уравнению Ib.

(NH₂)₂CO+3H₂O=(NH₄)₂CO₃+H₂O=NH₄HCO₃+NH₄OH Ia

=2NH₄OH+H₂CO₃=2NH₃(г)+CO₂(г)+2H₂O Ib

Диоксид углерода очень летуч и теряется непосредственно в воздух, в результате чего pH повышается до 9-10 и происходит последующая потеря летучего аммиака.

2) Соотношение N/P₂O₅в органическом материале является слишком низким для сбалансированного удобрения. Содержание азота следует, как правило, удвоить, чтобы удовлетворять потребность большинства культурных растений в данном питательном веществе.

3) Выбросы аммиака и выбросы N₂O в процессе переработки и хранения навоза и после внесения на поля представляют собой основной вклад в глобальное потепление. Выделяющийся в сельском хозяйстве аммиак окисляется до нитратов, что создает кислотные дожди, нитрификацию, эвтрофикацию и, наконец, денитрификацию. Во всех этих биологических процессах происходит образование N₂O, причем образование N₂O в определенных биотопах, по оценкам, составляет 3-4% потери аммиака.

4) Запах от органических отходов возникает, главным образом, в результате биологического образования H₂S и других соединений серы. Недостаток кислорода в органических отходах и навозе создает базу для образования H₂S и органических соединений серы с сильным запахом.

5) С точки зрения стоимости и безопасности, изготовление правильной смеси нитрата и нитрита в надлежащем соотношении и концентрации считается дорогостоящим и небезопасным. Нитрит как химикат отсутствует в продаже, поскольку он является неустойчивым в повышенных концентрациях и при повышенных температурах окружающей среды. Азотная кислота представляет собой сильную кислоту и компонент для взрывчатых веществ, что делает ее транспортировку и хранение дорогостоящими и рискованными.

Потерю аммиака в 30-40% от мясомолочного производства необходимо компенсировать за счет производимого в промышленности аммиака. В процессе производства и доставки этого аммиака образуются дополнительные выбросы парниковых газов в форме CO₂ и N₂O. Мировое промышленное производство минеральных удобрений фактически соответствует потере от всей деятельности по разведению домашних животных.

На каждую тонну улавливаемого аммиака может приходится следующее сокращение выбросов парниковых газов:

1) нитрификация, дающая от 0,35% до 2% N₂O: 1,33-7,5 тонн экв. CO₂;

2) денитрификация, дающая от 0,35% до 2% N₂O: 1,33-7,5;

3) производство нового аммиака: 1,70;

4) производство азотной кислоты в выбросами 10 миллионных долей N₂O: 0,30;

5) дорожный транспорт на 200 км, дающий выбросы CO₂: 3,00.

Суммарное сокращение эквивалентов CO₂: 7,7-20 тонн экв. CO₂

Настоящее изобретение предлагает решение вышеупомянутых проблем.

КРАТКОЕ ОПИСАНИИ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура 1 показывает способ согласно изобретению, в котором органические материал или отходы непосредственно обрабатывают азотнокислым раствором.

Фигура 2 показывает способ согласно изобретению, в котором аммиак в вентиляционном воздухе обрабатывают и абсорбируют в скруббере с использованием азотнокислого раствора перед тем, как органические материал или отходы обрабатывают азотнокислым раствором, который после использования в скруббере содержит аммиак из вентиляционного воздуха.

Фигура 3 показывает вариант осуществления показанного на фигуре 2 способа, в который введен биогазовый реактор.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к способу уменьшения потери аммиака и запаха от органических материала или отходов в атмосферу, включающему

подачу воздуха или загрязненного воздуха в плазменный генератор, использующий электрический дуговой разряд, электростатическое поле, наноимпульсное электрическое поле, диэлектрический барьерный разряд, лазерное, радио- или микроволновое излучение или любое их сочетание, для получения концентрации 0,1-12 об.% NO_x в воздухе путем непосредственной фиксации азота;

подачу этого содержащего NO_x воздуха в абсорбер и абсорбирование NO_x абсорбирующей жидкостью в абсорбере с образованием азотнокислого раствора, содержащего нитраты и нитриты; и

подачу азотнокислого раствора в органические материал или отходы, в результате чего pH доводят до 4-6 и нитраты и нитриты связывают летучий аммиак и аммиаксодержащие компоненты, находящиеся в органических материале или отходах или образующиеся из них, в форме нитратных и нитритных солей аммония.

В одном варианте осуществления вышеупомянутый способ включает подачу воздуха или загрязненного воздуха в плазменный генератор, использующий электрический дуговой разряд, электростатическое поле, наноимпульсное электрическое поле, диэлектрический барьерный разряд, лазерное, радио- или микроволновое излучение или любое их сочетание, для получения концентрации 0,1-12 об.% NO_x в воздухе путем непосредственной фиксации азота и последующее быстрое охлаждение до температуры между 60 и 150°C в течение 10^-3 секунды, или, предпочтительно, в течение 10^-4 секунды, или, наиболее предпочтительно, в течение 10^-5 секунды; подачу этого содержащего NO_x воздуха в абсорбер после времени пребывания 15 секунд для получения молярного соотношения NO/NO₂ 3, или, предпочтительно, после времени пребывания 30 секунд для получения молярного соотношения NO/NO₂ 1,2, или, наиболее предпочтительно, после времени пребывания 60 секунд для получения молярного соотношения NO/NO₂ 0,95, и абсорбирование NO_x абсорбирующей жидкостью в абсорбере, работающем при температуре между 20°C и 80°C или, предпочтительно, между 30°C и 60°C, с образованием азотнокислого раствора, содержащего нитраты и нитриты; и подачу азотнокислого раствора в органические материал или отходы, в результате чего pH доводят до 4-6 и нитраты и нитриты связывают летучий аммиак и аммиаксодержащие компоненты, находящиеся в органических материале или отходах или образующиеся из них, в форме нитратных и нитритных солей аммония.

В вышеупомянутом способе азотнокислый раствор можно также пропускать через скруббер для абсорбции аммиака из загрязненного аммиаком вентиляционного воздуха от органических материала или отходов.

Настоящее изобретение также относится к способу уменьшения потери аммиака и запаха от органических материала или отходов в атмосферу, включающему

подачу воздуха или загрязненного воздуха в плазменный генератор, использующий электрический дуговой разряд, электростатическое поле, наноимпульсное электрическое поле, диэлектрический барьерный разряд, лазерное, радио- или микроволновое излучение или любое их сочетание, для получения концентрации 0,1-12 об.% NO_x в воздухе путем непосредственной фиксации азота;

подачу этого содержащего NO_x воздуха в абсорбер и абсорбирование NO_x абсорбирующей жидкостью в абсорбере с образованием азотнокислого раствора, содержащего нитраты и нитриты;

использование азотнокислого раствора в скруббере для абсорбции аммиака из загрязненного аммиаком вентиляционного воздуха от органических материала или отходов и для получения кислого раствора нитрата и нитрита аммония; и

подачу кислого раствора нитрата и нитрита аммония, полученного в скруббере, в органические материал или отходы.

В одном варианте осуществления вышеупомянутый способ включает подачу воздуха или загрязненного воздуха в плазменный генератор, использующий электрический дуговой разряд, электростатическое поле, наноимпульсное электрическое поле, диэлектрический барьерный разряд, лазерное, радио- или микроволновое излучение или любое их сочетание, для получения концентрации 0,1-12 об.% NO_x в воздухе путем непосредственной фиксации азота и последующее быстрое охлаждение до температуры между 60 и 150°C в течение 10^-3 секунды, или, предпочтительно, в течение 10^-4 секунды, или, наиболее предпочтительно, в течение 10^-5 секунды; подачу этого содержащего NO_x воздуха в абсорбер после времени пребывания 15 секунд для получения молярного соотношения NO/NO₂ 3, или, предпочтительно, после времени пребывания 30 секунд для получения молярного соотношения NO/NO₂ 1,2, или, наиболее предпочтительно, после времени пребывания 60 секунд для получения молярного соотношения NO/NO₂ 0,95, и абсорбирование NO_x абсорбирующей жидкостью в абсорбере, работающем при температуре между 20°C и 80°C или, предпочтительно, между 30°C и 60°C, с образованием азотнокислого раствора, содержащего нитраты и нитриты; использование азотнокислого раствора в скруббере для абсорбции аммиака из загрязненного аммиаком вентиляционного воздуха от органических материала или отходов и для получения кислого раствора нитрата и нитрита аммония; и подачу кислого раствора нитрата и нитрита аммония, полученного в скруббере, в органические материал или отходы. В данном способе органические материал или отходы можно обрабатывать в биогазовом реакторе перед подачей кислого раствора нитрата и нитрита аммония, полученного в скруббере, в органические материалы или отходы.

В одном варианте осуществления вышеупомянутых способов воздух или загрязненный воздух подают в плазменный генератор для получения концентрации 2-12 об.% NO_x в воздухе путем непосредственной фиксации азота.

В следующем варианте осуществления вышеупомянутых способов абсорбирующая жидкость представляет собой воду или мочу.

В следующем варианте осуществления вышеупомянутых способов абсорбирующая жидкость представляет собой холодную воду в избытке.

В следующем варианте осуществления вышеупомянутых способов органические материал или отходы выбирают из навоза домашнего скота и остатка биогазовой установки.

В следующем варианте осуществления вышеупомянутых способов нитратные и нитритные компоненты обеспечивают кислород, который подавляет активность восстановления сульфата до H₂S.

В следующем варианте осуществления вышеупомянутых способов соотношение нитратов и нитритов в сочетании с pH 4-6 используют для дезинфекции органических материалов или отходов.

В следующем варианте осуществления вышеупомянутых способов молярное соотношение нитрита к нитрату поддерживают между 1/10 и 1/100, что ингибирует образование N₂O в процессе биологической нитрификации аммиака.

В следующем варианте осуществления вышеупомянутых способов молярная концентрация нитрата находится в равновесии с молярной концентрацией N свободного аммиака для повышения интенсивности поглощения азота растениями.

В следующем варианте осуществления вышеупомянутых способов плазменный генератор используют для сжигания и дезинфекции загрязненного воздуха посредством воздействия плазмы и электронной бомбардировки на загрязняющие вещества.

В следующем варианте осуществления вышеупомянутых способов раствор нитрата и нитрита используют для повышения агрономической доступности фосфата посредством временного снижения pH до 4, в результате чего растворяются и мобилизуются коллоидные осадки фосфатов.

В следующем варианте осуществления вышеупомянутых способов азотнокислый раствор содержит:

NO₃^- (нитрат),

NO₂^- (нитрит) в молярном соотношении NO₂^-/NO₃^- 0,01-0,1,

NH₄⁺ в молярном соотношении NH₄⁺/NO₃^- 0,02-0,50,

NH₂⁺ в молярном соотношении NH₂⁺/NO₃^- 0,0001-0,05,

другие составляющие в незначительных количествах.

Настоящее изобретение также относится к способу получения кислого нитратного раствора, подходящего для уменьшения потери аммиака и запаха от органических материала или отходов в атмосферу, включающему

подачу воздуха или загрязненного воздуха в плазменный генератор, использующий электрический дуговой разряд, электростатическое поле, наноимпульсное электрическое поле, диэлектрический барьерный разряд, лазерное, радио- или микроволновое излучение или любое их сочетание, для получения концентрации 0,1-12 об.% NO_x в воздухе путем непосредственной фиксации азота;

подачу этого содержащего NO_x воздуха в абсорбер и абсорбирование NO_x абсорбирующей жидкостью в абсорбере с образованием азотнокислого раствора, содержащего:

NO₃^- (нитрат),

NO₂^- (нитрит) в молярном соотношении NO₂^-/NO₃^- 0,01-0,1,

NH₄⁺ в молярном соотношении NH₄⁺/NO₃^- 0,02-0,50,

NH₂⁺ в молярном соотношении NH₂⁺/NO₃^- 0,0001-0,05,

другие составляющие в незначительных количествах.

В одном варианте осуществления вышеупомянутый способ включает:

подачу воздуха или загрязненного воздуха в плазменный генератор, использующий электрический дуговой разряд, электростатическое поле, наноимпульсное электрическое поле, диэлектрический барьерный разряд, лазерное, радио- или микроволновое излучение или любое их сочетание, для получения концентрации 0,1-12 об.% NO_x в воздухе путем непосредственной фиксации азота и последующее быстрое охлаждение до температуры между 60 и 150°C в течение 10^-3 секунды, или, предпочтительно, в течение 10^-4 секунды, или, наиболее предпочтительно, в течение 10^-5 секунды;

подачу этого содержащего NO_x воздуха в абсорбер после времени пребывания 15 секунд для получения молярного соотношения NO/NO₂ 3, или, предпочтительно, после времени пребывания 30 секунд для получения молярного соотношения NO/NO₂ 1,2, или, наиболее предпочтительно, после времени пребывания 60 секунд для получения молярного соотношения NO/NO₂ 0,95, и абсорбирование NO_x абсорбирующей жидкостью в абсорбере, работающем при температуре между 20°C и 80°C или, предпочтительно, между 30°C и 60°C, с образованием азотнокислого раствора, содержащего:

NO₃^- (нитрат),

NO₂^- (нитрит) в молярном соотношении NO₂^-/NO₃^- 0,01-0,1,

NH₄⁺ в молярном соотношении NH₄⁺/NO₃^- 0,02-0,50,

NH₂⁺ в молярном соотношении NH₂⁺/NO₃^- 0,0001-0,05,

другие составляющие в незначительных количествах.

Настоящее изобретение также относится к кислому нитратному раствору, подходящему для уменьшения потери аммиака и запаха от органических материала или отходов в атмосферу, содержащему:

NO₃^- (нитрат),

NO₂^- (нитрит) в молярном соотношении NO₂^-/NO₃^- 0,01-0,1,

NH₄⁺ в молярном соотношении NH₄⁺/NO₃^- 0,02-0,50,

NH₂⁺ в молярном соотношении NH₂⁺/NO₃^- 0,0001-0,05,

другие составляющие в незначительных количествах.

Настоящее изобретение также относится к установке для уменьшения потери аммиака и запаха от органических материала или отходов в атмосферу, включающей в себя питающую линию (1), содержащую воздух или загрязненный воздух; плазменный генератор (2), использующий электрический дуговой разряд, электростатическое поле, наноимпульсное электрическое поле, диэлектрический барьерный разряд, лазерное, радио- или микроволновое излучение или любое их сочетание, для получения NO_x в воздухе из линии (1); линию (3), содержащую воздух из генератора (2); абсорбер (6), имеющий впуск (4) абсорбирующей жидкости и выпуск (5) очищенного в скруббере воздуха, для абсорбирования NO_x абсорбирующей жидкостью с образованием азотнокислого раствора, содержащего нитраты и нитриты; линию (7), содержащую азотнокислый раствор из абсорбера (6); источник (8) органических материала или отходов; выпуск (11a), содержащий вентиляционный воздух из источника (8); линию (10), содержащую органические материал или отходы из источника (8); промежуточное хранилище (9) для хранения органических материала или отходов из линии (10); выпуск (11b), содержащий вентиляционный воздух из промежуточного хранилища (9); линию (12), содержащую органические материал или отходы из промежуточного хранилища (9); линию (19) выпуска продукта, содержащую органические материал или отходы из линии (12); и линию (7a), подающую азотнокислый раствор из линии (7) в источник (8), и/или линию (7b), подающую азотнокислый раствор из линии (7) в промежуточное хранилище (9), и/или линию (7c), подающую азотнокислый раствор из линии (7) в линию (19) выпуска продукта.

Настоящее изобретение также относится к установке для уменьшения потери аммиака и запаха от органических материала или отходов в атмосферу, включающей в себя питающую линию (1), содержащую воздух или загрязненный воздух; плазменный генератор (2), использующий электрический дуговой разряд, электростатическое поле, наноимпульсное электрическое поле, диэлектрический барьерный разряд, лазерное, радио- или микроволновое излучение или любое их сочетание, для получения NO_x в воздухе из линии (1); линию (3), содержащую воздух из генератора (2); абсорбер (6), имеющий впуск (4) абсорбирующей жидкости и выпуск (5) очищенного в скруббере воздуха, для абсорбирования NO_x абсорбирующей жидкостью с образованием азотнокислого раствора, содержащего нитраты и нитриты; линию (7), содержащую азотнокислый раствор из абсорбера (6); источник (8) органических материала или отходов; выпуск (11a), содержащий вентиляционный воздух из источника (8); линию (10), содержащую органические материал или отходы из источника (8); промежуточное хранилище (9) для хранения органических материала или отходов из линии (10); выпуск (11b), содержащий аммиаксодержащий вентиляционный воздух из промежуточного хранилища (9); линию (11), содержащую аммиаксодержащий вентиляционный воздух из линии (11a) и линии (11b); скруббер (14), использующий азотнокислый раствор из линии (7) для очистки аммиаксодержащего вентиляционного воздуха из линии (11); линию (12), содержащую органические материал или отходы из промежуточного хранилища (9); линию (15), содержащую кислый раствор нитрата и нитрита аммония, полученный в скруббере (14); выпуск (16), содержащий безаммиачный воздух, полученный в скруббере (14); линию (19) выпуска продукта, содержащую органические материал или отходы из линии (12) и кислый раствор нитрата и нитрита аммония из линии (15). Данная установка может также включать в себя биогазовый реактор (17), принимающий органические материал или отходы из линии (12); линию (18), содержащую остаток из биогазового реактора (18); и линию (19) выпуска продукта, содержащую остаток из биогазового реактора (18) и кислый раствор нитрата и нитрита аммония из линии (15).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящем изобретении применяется плазменный генератор, использующий электрический дуговой разряд, электростатическое поле, наноимпульсное электрическое поле, диэлектрический барьерный разряд, лазерное, радио- или микроволновое излучение или любое их сочетание, при обогащении органических отходов и навоза смесью кислых нитратов и нитритов. Соотношение между кислыми нитратами и нитритами регулируется в плазменном процессе и в абсорбционном процессе посредством температур и времен пребывания газовой фазы. Азотнокислый раствор уменьшает потерю аммиака и азота и запахи и повышает соотношение N/P₂O₅. Азотнокислый раствор может применяться при очистке богатых аммиаком газов в скруббере и/или непосредственно вводиться в органический материал для связывания избытка летучего аммиака и уменьшения запахообразования. Состав азотнокислого раствора подбирают для уменьшения выброса N₂O. Кислотность понижает pH, который повышает устойчивость питательных веществ и доступность азота и фосфата для растений. Влага, содержащаяся в подаваемом в плазменный генератор воздухе, будет давать дополнительные радикалы кислорода и водорода. Радикалы водорода образуют, в конечном счете, щелочные компоненты, такие как NH₃, и незначительные количества таких форм, как NH₂, NH₂⁺ и NH. Щелочные компоненты, предпочтительно аммиак, повысят содержание азота и стабилизируют нитрит.

Кроме того, изобретение можно использовать для сжигания дурно пахнущих газов посредством их подачи в плазменный генератор. Плазменный генератор выполнен с размерами согласно потребности в азоте (N) для баланса соотношения N/P₂O₅ в органическом материале и способен сжигать 10-50 кубометров при нормальных условиях (Нм³) воздуха на 1 кг получаемого нитратного азота. На каждый кубометр свиного навоза объем сжигаемого воздуха составит, как правило, 50-250 Нм³, и данный способ добавит в свиной навоз 0,2-1,0% нитратного азота. Плазменная технология, соответствующая современному уровню техники, позволяет фиксировать азот из воздуха в форме NO, расходуя 30-75 ГДж/т N.

Настоящее изобретение позволяет производить газообразный NO непосредственно из воздуха в запитываемом электроэнергией плазменном генераторе при коммерчески конкурентоспособной себестоимости. В плазменном генераторе используется электрический дуговой разряд или микроволновое излучение для расщепления молекул кислорода и азота и образования газообразного NO_x из воздуха. Эти генераторы обладают способностью производить различные концентрации оксидов азота в воздухе. Наивысшая на практике концентрация составляет 12%, когда NO образуется из обычного воздуха. При этой концентрации оставшегося кислорода вполне достаточно, чтобы завершилась реакция из NO до HNO₃ в воде.

2NO+O₂=2NO₂ II

3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO III

4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃ IV=3⋅IΙ+2⋅III

Концентрация HNO₃ составляет 68% в азеотропной смеси с водой и 70% в товарной технической азотной кислоте, хотя большинство промышленных предприятий производят 60-65%-ную для внутреннего использования. Настоящее изобретение работает на другом конце шкалы концентраций производимой азотной кислоты. Причина работы в высокоразбавленной области заключается в характере способа и требованиях, поставленных его применением.

При производстве по мере необходимости высокие концентрации не требуются, потому что отсутствуют расходы на хранение и транспортировку. Напротив, в случае использования для органических компонентов требуются разбавленные системы с подобранными составами.

В настоящем изобретении основной эффект азотнокислого раствора представляет собой реакцию между азотной кислотой и свободным аммиаком, получаемым в результате разложения органических белков и мочи. Как правило, 30% суммарного содержания азота теряется в воздухе в виде газообразного аммиака, потому что pH навоза обычно составляет 8-10. Кислый нитратный и нитритный раствор применяют, чтобы довести pH до 4-6, что прекращает потери аммиака в воздух.

HNO₃+NH₄OH=>NH₄NO₃+H₂O V

Азотнокислый раствор можно также использовать в скруббере для аммиаксодержащего вентиляционного воздуха из стойл или баков вместо или в сочетании с непосредственным внесением в навоз или органические отходы. Примерами этого могут быть случаи, когда навоз или органические отходы следует подавать в биогазовый реактор, потому что процесс в биогазовом реакторе может нарушаться нитратом или нитритом.

Из технологии азотной кислоты известно, что в зависимости от температуры, давления, времени пребывания содержащего NO_x газа в процессе абсорбции можно получить различные концентрации азотной кислоты и азотистой кислоты. Образование закиси азота является более вероятным в разбавленных и холодных растворах от абсорбции газообразных NO₂ и NO в воде. Настоящее изобретение предусматривает абсорбцию при давлении вблизи или ниже атмосферного с использованием избытка холодной воды по сравнению с обычным производством азотной кислоты. После плазменного генератора плазму быстро (резко) охлаждают с максимально возможной скоростью различными средствами, такими как воздух или другие подходящие газы или твердый контактный материал, выдерживающий энергию и температуру плазмы. Время пребывания должно составлять менее 10^-3 секунды, предпочтительно менее 10^-4 секунды или, наиболее предпочтительно, менее 10^-5 секунды. После быстрого охлаждения образовавшиеся в воздухе газообразные NO_x выдерживают в течение заданного времени пребывания при 80-120°C, чтобы превратить газообразный NO в NO₂. Требуемое время пребывания зависит от температуры после быстрого охлаждения, но после 15 секунд молярное соотношение NO/NO₂ составляет 3, а после 30 секунд молярное соотношение NO/NO₂ составляет 1,2, и после 60 секунд молярное соотношение NO/NO₂ составляет 0,95. Известно, что в процессе абсорбции реакция до HNO₃ происходит как газофазная реакция II и жидкофазная реакция III. Поэтому время пребывания газа в абсорбере должно составлять более чем 120 секунд, предпочтительно 200 секунд, чтобы уменьшить концентрацию NO_x, выходящего в воздух. В настоящем изобретении, в конечном счете, используют температуру абсорбера для регулирования соотношения между нитратом и нитритом. Поддерживая температуру абсорбера в интервале 20-80°C, предпочтительно 30-60°C, концентрацию HNO₂ можно сохранять в требуемом интервале. Температура регулирует разложение HNO₂, и ее можно настроить таким образом, чтобы обеспечить достаточно остаточного NO₂^- в кислой смеси. См. реакцию VI.

NO+NO₂+H₂O↔2HNO₂ VI

Процесс нитрификации (VII) и денитрификации (VIII) считается одним из основных вкладов в глобальное потепление. Побочный продукт N₂O оказывает эффект глобального потепления, который в 320 раз превосходит такой эффект от CO₂.

N_2(г) N₂O_(г)

NH₃->↑NO₂^-->NO₃^- VII

NO₃^-->NO₂^-->N₂O->N₂ VIII

Концентрация азотистой кислоты важна потому, что нитрит (NO₂^-) способен ингибировать денитрификацию микроорганизмами нитрата и нитрита до N₂ и N₂O. По-видимому, при переходе от NO₃^- к N₂ промежуточный компонент NO₂^- ингибирует денитрификацию, если концентрация составляет более чем 0,01 моль/литр.

Кроме того, известны нитрификационные бактерии, которые производят N₂O в процессе денитрификации. Вероятно, это представляет собой защитную реакцию, чтобы ограничивать токсичную концентрацию NO₂^-.

Концентрация нитрита (NO₂^-) имеет критическое значение, поскольку известно, что он не только эффективно замедляет процесс денитрификации, но и представляет собой компонент, из которого образуется N₂O.

Настоящее изобретение уменьшает образования N₂O посредством снижения pH до 4-6 и поддержания молярного соотношения нитрита к нитрату от 1/10 до 1/100 в целях ингибирования активности денитрификации, а также нитрификации.

В бескислородных органических растворах образование H₂S является типичной реакцией и показателем запахообразования. Бактерии компенсируют недостаток кислорода, забирая кислород от сульфата и превращая SO₄^2- в H₂S. Известно, что добавление нитратов устраняет эту активность и значительно уменьшает запахи.

Требуемое соотношение N/P₂O₅ для основных культурных растений составляет порядка 2, в то время как соотношение N/P₂O₅ в навозе ниже этого. Данная технология заключается как во введении азота, так и в уменьшении потери азота. Целевое соотношение достигается дозированием азотнокислого раствора по мере образования свободного аммиака из-за биологической активности. Может также оказаться возможным прекращение биологической активности посредством передозировки и снижения pH. Производительность плазменного генератора и производство азотнокислого раствора регулируют посредством увеличения входной мощности. Это даст более высокую концентрацию NO в воздухе, проходящем через плазменный генератор.

Данная технология способна также повышать доступность растениям фосфата в органических отходах из систем очистки воды. Причина исходной низкой доступности заключается в том, что фосфаты химически осаждаются ионами Mg, Al, Ca или Fe при высоком pH, образуя компоненты с наименьшей растворимостью. Интенсивность такого осаждения определяет образование коллоидных осадков, которым требуется флокуляция. Настоящее изобретение способно повышать растворимость фосфатов посредством временного снижения pH и последующего осуществления химических и биологических реакций, мобилизующих фосфаты в слегка кислой среде.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к способу уменьшения потери аммиака и запаха от органических материала или отходов в атмосферу, включающему подачу воздуха или загрязненного воздуха в плазменный генератор, использующий электрический дуговой разряд, электростатическое поле, наноимпульсное электрическое поле, диэлектрический барьерный разряд, лазерное, радио- или микроволновое излучение или любое их сочетание, для получения концентрации 0,1-12 об.% NO_x в воздухе путем непосредственной фиксации азота и последующее быстрое охлаждение в течение 10^-3 секунды, предпочтительно 10^-4 секунды или, наиболее предпочтительно, в течение 10^-5 секунды. После быстрого охлаждения образовавшиеся в воздухе газообразные NO_x выдерживают в течение некоторого времени пребывания при 80-120°C, чтобы превратить газообразный NO в NO₂. Требуемое время пребывания зависит от температуры после быстрого охлаждения, но после 15 секунд молярное соотношение NO/NO₂ составляет 3, после 30 секунд молярное соотношение NO/NO₂ составляет 1,2, а после 60 секунд молярное соотношение NO/NO₂ составляет 0,95, перед последующим абсорбированием NO_x абсорбирующей жидкостью в абсорбере, работающем при 20-80°C, предпочтительно 30-60°C, с образованием азотнокислого раствора, содержащего нитраты и нитриты, а также некоторое количество аммиака и незначительные количества щелочных соединений азота; и подачу этого азотнокислого раствора в органические материал или отходы, в результате чего pH доводят до 4-6 и нитраты и нитриты связывают летучий аммиак и аммиаксодержащие компоненты, находящиеся в органических материале или отходах или образующиеся из них, в форме нитратных и нитритных солей аммония. В данном способе азотнокислый раствор можно пропускать через скруббер для абсорбции аммиака из загрязненного аммиаком вентиляционного воздуха от органических материала или отходов.

В другом варианте осуществления настоящее изобретение относится к способу уменьшения потери аммиака и запаха от органических материала или отходов в атмосферу, включающему подачу воздуха или загрязненного воздуха в плазменный генератор, использующий электрический дуговой разряд, электростатическое поле, наноимпульсное электрическое поле, диэлектрический барьерный разряд, лазерное, радио- или микроволновое излучение или любое их сочетание, для получения концентрации 0,1-12 об.% NO_x в воздухе путем непосредственной фиксации азота и последующее быстрое охлаждение в течение 10^-3 секунды, предпочтительно в течение менее 10^-4 секунды или, наиболее предпочтительно, 10^-5 секунды. После быстрого охлаждения образовавшиеся в воздухе газообразные NO_x выдерживают в течение некоторого времени пребывания при 80-120°C, чтобы превратить газообразный NO в NO₂. Требуемое время пребывания зависит от температуры после быстрого охлаждения, но после 15 секунд молярное соотношение NO/NO₂ составляет 3, после 30 секунд молярное соотношение NO/NO₂ составляет 1,2, а после 60 секунд молярное соотношение NO/NO₂ составляет 0,95, перед абсорбированием NO_x в абсорбере, работающем при 20-80°C, предпочтительно 30-60°C, с образованием азотнокислого раствора, содержащего нитраты и нитриты; использование азотнокислого раствора в скруббере для абсорбции аммиака из загрязненного аммиаком вентиляционного воздуха от органических материала или отходов и для получения кислого раствора нитрата и нитрита аммония; и подачу кислого раствора нитрата и нитрита аммония, полученного в скруббере, в органические материал или отходы. В данном способе органические материал или отходы можно обрабатывать в биогазовом реакторе перед подачей кислого раствора нитрата и нитрита аммония, полученного в скруббере, в органические материал или отходы.

Фигура 1 показывает основной принцип изобретения. Воздух 1 подают в плазменный генератор 2. Выпускаемый поток 3 из плазменного генератора представляет собой смесь оксидов азота в воздухе. Поток 3 поступает в абсорбер 6. В абсорбере 6 оксиды азота абсорбируются водой 4, которая поступает в верхнюю часть абсорбера. Очищенный в скруббере воздух 5 выпускают в атмосферу. Выходящая из нижней части абсорбера жидкость 7 представляет собой смесь кислых оксидов азота, главным образом, нитраты и нитриты. Абсорбирующая жидкость 4 может также представлять собой мочу, содержащую соединения аммония, и в этом случае выпускаемая жидкость 7 будет также содержать кислый нитрат и нитрит аммония. Кислую жидкость 7 с правильным составом нитрата и нитрита затем наносят на или вносят в навоз или органические отходы там, где это практически целесообразно, а предпочтительно в нескольких местах, из источника в конечный выпуск. Ее можно применять непосредственно в стойлах 8, где она будет уменьшать выбросы аммиака и запахи в стойлах и в вентиляционном воздухе 11a. Азотнокислый поток 7a будет также увеличивать содержание азота в потоке навоза или органических отходов 10, поступающих в промежуточное хранилище 9. Промежуточное хранилище 9 можно также обрабатывать азотнокислым раствором 7b для нейтрализации аммиака, выделяющегося при ферментации и минерализации навоза или органических отходов в промежуточном хранилище 9. Эффектом будет меньше аммиака в вентиляционном воздухе 11b и более высокое содержание азота в выпускаемом потоке 12. Выпускаемый поток 12 из промежуточного хранилища 9 можно также подвергать конечной обработке азотнокислым раствором 7c для регулирования азота и/или pH перед транспортировкой и разбрасыванием.

Фигура 2 демонстрирует еще один принцип того, как изобретение способно уменьшать потери аммиака и запахи и увеличивать содержание азота в навозе или органических отходах. Воздух 1 подают в плазменный генератор 2. Выпускаемый поток 3 из плазменного генератора представляет собой смесь оксидов азота в воздухе. Поток 3 поступает в абсорбер 6. В абсорбере 6 оксиды азота абсорбируются водой 4, которая поступает в верхнюю часть абсорбера. Очищенный в скруббере воздух 5 выпускают в атмосферу. Выходящая из нижней части абсорбера жидкость 7 представляет собой смесь кислых оксидов азота, главным образом, нитраты и нитриты. В данной технологии азотнокислый раствор 7 используют в очищающем вентиляционный воздух скруббере 14. Технологию очищающего вентиляционный воздух скруббера можно внедрять на самостоятельной основе или в сочетании с непосредственным внесением в навоз или органические отходы, как описано на фигуре 1. Вентиляционный воздух 11a из стойл 8 и вентиляционный воздух 11b из промежуточного хранилища 9 направляют в качестве питания 11 в скруббер 14. Выпускаемый из скруббера поток 16 будет безаммиачным воздухом, а выпускаемая жидкость 15 будет кислым раствором нитрата и нитрита аммония. Кислый раствор 15 нитрата и нитрита аммония вносят непосредственно в навоз или выпускаемую из промежуточного хранилища органику 12 для повышения питательной ценности конечного продукта 19. Эффектом будет также дополнительное уменьшение потерь аммиака и закиси азота.

Фигура 3 показывает то, как изобретение применяется в ситуации с биогазовым реактором. Воздух 1 подают в плазменный генератор 2. Выпускаемый поток 3 из плазменного генератора представляет собой смесь оксидов азота в воздухе. Поток 3 поступает в абсорбер 6. В абсорбере 6 оксиды азота абсорбируются водой 4, которая поступает в верхнюю часть абсорбера. Очищенный в скруббере воздух 5 выпускают в атмосферу. Выходящая из нижней части абсорбера жидкость 7 представляет собой смесь кислых оксидов азота, главным образом, нитраты и нитриты. В данной технологии азотнокислый раствор 7 используют в очищающем вентиляционный воздух скруббере 14. Непосредственное внесение азотнокислого раствора 7 в навоз и/или органические отходы перед его подачей в биогазовый реактор может оказаться неблагоприятным для биогазового реактора. Вентиляционный воздух 11a из стойл или источника органических отходов 8 и вентиляционный воздух 11b из промежуточного хранилища 9 направляют в качестве питания 11 в очищающий вентиляционный воздух скруббер 14. Исходный поток 10 в промежуточное хранилище и исходный поток 12 в биогазовый реактор 17 не обрабатывают нитратами и нитритами, чтобы не ухудшать качество биогаза 13. Выпускаемый воздух 16 из скруббера 14 будет безаммиачным воздухом, а выпускаемая жидкость 15 будет кислым раствором нитрата и нитрита аммония. Кислый раствор 15 нитрата и нитрита аммония вносят в биоостаток 18 из биогазового реактора 17. Конечный биогазовый остаток 19 будет обогащен азотом и отрегулирован по pH для ограничения дальнейших потерь аммиака и закиси азота.

Реферат

Изобретение относится к способу уменьшения потери аммиака и запаха от органических материала или отходов в атмосферу. Способ включает подачу воздуха или загрязненного воздуха в плазменный генератор, использующий электрический дуговой разряд, электростатическое поле, наноимпульсное электрическое поле, диэлектрический барьерный разряд, лазерное, радио- или микроволновое излучение или любое их сочетание, для получения концентрации 0,1-12 об. % NOв воздухе путем непосредственной фиксации азота и последующее быстрое охлаждение до температуры между 60°С и 150°С в течение 10секунды, подачу этого содержащего NOвоздуха в абсорбер и абсорбирование NOабсорбирующей жидкостью в абсорбере, работающем при температуре между 20°С и 80°С, с образованием азотнокислого раствора, содержащего нитраты и нитриты, и подачу азотнокислого раствора в органические материал или отходы, в результате чего рН доводят до 4-6 и нитраты и нитриты связывают летучий аммиак и аммиаксодержащие компоненты в органических материале или отходах или из них в виде нитратных и нитритных солей аммония. Изобретение обеспечивает уменьшение потери аммиака и устранение запаха от органических материала или отходов в атмосферу. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула