СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ГИДРОЛИЗА ОРГАНИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2014 года по МПК C02F11/18 

Изобретение относится к устройству для термического гидролиза органического материала согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения и к способу термического гидролиза органического материала согласно ограничительной части п.19 формулы изобретения.

При очистке коммунальных и промышленных сточных вод при помощи механико-биологических способов образуются шламы сточных вод. В последние годы повышение качества водообработки привело к усовершенствованию обработки сточных вод, а также к увеличению количества подключений. Вследствие этого ожидается увеличение количества шламов сточных вод, особенно в промышленных странах. Согласно данным Европейского Союза было отмечено возрастание количества сухих шламов сточных вод с 5,5 млн тонн в 1992 г. до 8,3 млн тонн в 2005 г.

Существующие нормы утилизации шламов сточных вод, в первую очередь, нацелены на возврат шламов в круговорот веществ путем использования в сельском хозяйстве или животноводстве. Однако приемлемость такого способа утилизации сильно зависит от текущей политики, изменяясь от поддержки до полного отклонения. Изъятие из круговорота веществ путем помещения в отвалы означало бы уничтожение как вредных, так и ценных веществ, и с 2005 г. оно допускается только после сжигания шламов сточных вод.

Перегнивание шламов, используемое в качестве стандартного способа биологической стабилизации шлама, позволяет достигнуть существенного уменьшения его сухой массы. Даже принимая во внимание последующее сжигание, этот этап обеспечивает экологические и экономические преимущества. При использовании в сельском хозяйстве анаэробная стабилизация приводит к получению способного к длительному хранению и менее опасного для здоровья продукта. Однако протекание реакции или превращения органических веществ в активном иле ограничено, как правило, 40-50%, поскольку они по большей части представляют собой трудно разлагаемые органические вещества.

В ходе многочисленных предшествующих исследований уже было показано, что лимитирующий этап анаэробного метаболического процесса, то есть гидролиз твердых частиц, можно поддерживать при помощи целенаправленной предварительной обработки шлама сточных вод. Так например, разложение клеточных мембран вызывает высвобождение внутриклеточного материала и, таким образом, ускоренную дополнительную стабилизацию. Разложение происходит за счет воздействия внешних сил, которые могут иметь химическую, тепловую, механическую или биологическую природу.

Длительному хранению шламов сточных вод предшествует, как правило, их временное хранение. Поэтому шламы сточных вод должны быть переведены с помощью надлежащего способа стабилизации в состояние, подходящее для длительного хранения, чтобы исключить негативное воздействие на окружающую среду вследствие неконтролируемого гниения. На большинстве городских станций очистки сточных вод в Германии шламы сточных вод подвергают анаэробной обработке, в результате которой при соответствующих условиях наступает стабилизация. В качестве вторичных эффектов следует упомянуть уменьшение количества сухого органического материала, улучшение процесса обезвоживания, уменьшение количества патогенных микроорганизмов, а также получение и использование биогаза.

Анаэробную стабилизацию преимущественно проводят в диапазоне температур свыше 35°С, в котором мезофильные микроорганизмы характеризуются оптимумом размножения. Наряду с этим для термофильных бактерий существует другой температурный оптимум в относительно узком диапазоне от 48 до 55°С. Хотя последние обеспечивают более высокую интенсивность преобразования, по большей части реализуют мезофильный диапазон температур. Преимущество этого состоит в том, что нагревание может быть реализовано с меньшими энергозатратами, и организмы менее чувствительны к колебаниям температуры. Термофильное разложение может быть выгоднее с точки зрения гигиенической переработки шлама, однако его применяют лишь в отдельных случаях.

В настоящее время известно, что анаэробное разложение органического материала проходит в четыре стадии и завершается образованием конечных продуктов в виде воды, метана и двуокиси углерода. На начальной стадии гидролиза полимерные вещества расщепляют при помощи экзоэнзимов до низкомолекулярных компонентов. В ходе так называемого ацидогенеза с последующим ферментативным разложением мономерные и олигомерные компоненты разлагаются до простых органических соединений (например, жирных кислот, аминокислот и спиртов), а также до двуокиси углерода и водорода. Часть образовавшихся продуктов (ацетат, двуокись углерода, водород) может непосредственно преобразовываться метаногенными бактериями. Остальные продукты ферментации должны быть вначале преобразованы в ацетат ацетогенными бактериями, которые существуют в тесном симбиозе с метаногенными организмами. Примерно 70% от общего количества прореагировавшего углерода преобразуется ацетотрофными метаногенными микроорганизмами в метан и двуокись углерода, в то время как примерно 30% разлагается в ходе прямого преобразования образующихся в качестве промежуточных продуктов водорода и двуокиси углерода гидрогенотрофными метаногенами.

Скорость всего анаэробного процесса гниения или разложения шламов сточных вод лимитируется первым этапом процесса - гидролизом. Скорость гидролиза может быть описана как реакция первого порядка, в которой постоянная скорости реакции не зависит от температуры и при 35°С принимает значения около 0,25 с^-1. Этот субпроцесс, в зависимости от времени пребывания, определяет в конечном итоге результат стабилизации. Если время пребывания сокращается, то также уменьшается степень перегнивания или разложения органического материала, так как вещества, с трудом подвергающиеся гидролизу, могут проходить через реактор практически в неизменном виде. Некоторые вещества, например, факультативно анаэробные бактерии, вообще не участвуют в процессе разложения. Однако при условии, что метаногенные бактерии могут сохраняться и размножаться в системе, гидролиз, скорость которого уменьшилась вследствие сокращения времени пребывания, вызывает лишь уменьшение образования газа. Однако при дальнейшем сокращении времени пребывания до менее трех дней прекращается образование метана, так как время пребывания меньше времени размножения метаногенных бактерий.

При помощи дезинтеграции, то есть под воздействием внешних сил, шламы сточных вод могут быть измельчены. В зависимости от интенсивности приложенной энергии дезинтеграция приводит к распаду хлопьевидной структуры шлама сточных вод, вплоть до разложения содержащихся в шламе микроорганизмов. Высвобожденные органические вещества разлагаются намного легче, как при анаэробном, так и при аэробном разложении. В связи с этим применение дезинтеграции на различных участках станций очистки сточных водявляется возможным и рациональным. Особенно предпочтительной является дезинтеграция шламов, с трудом подвергающихся гидролизу.

Шламы сточных вод могут также обрабатываться при помощи термических способов дезинтеграции, причем они разделяются на низкотемпературные (температура менее 100°С) и высокотемпературные (температура свыше 100°С) способы. Термические способы дезинтеграции обеспечивают эффективное разложение микроорганизмов, содержащихся в шламе, и благодаря этому значительно облегчается как анаэробное, так и для аэробное разложение.

Документ ЕР 1894893 А1 описывает устройство для утилизации органических отходов, в котором шлам утилизируется посредством высокой температуры и давления. В указанном устройстве предусмотрены контейнер предварительного нагрева и средства охлаждения, содержащие нагревающие или охлаждающие змеевики соответственно. Указанные змеевикислужат для подачи нагревающего агента. Дополнительно из указанного документа известно, что в органический шлам поступает пар.

Из документов DE 10117321 А1 или ЕР 1198424 В1 известен способ непрерывного гидролиза органического материала, при котором в смесителе пар/шлам подаваемый шлам смешивают с выпаром, образующимся в декомпрессионной емкости. Кроме того, из декомпрессионной емкости шлам при помощи насоса транспортируют в шламовый теплообменник для нагрева поступающего шлама.

Однако образование выпара зависит от выбранного давления в декомпрессионной емкости. Если выбранное давление слишком низкое, то выпар, соответственно, будет иметь более низкую температуру; если же выбранное давление в декомпрессионой емкости более высокое, это может сказаться отрицательно на результате гидролиза. Поэтому предварительное нагревание при помощи выпара непосредственно зависит от выбранных условий процесса в декомпрессионной емкости и тем самым от условий гидролиза.

Кроме того, может образовываться большее количество выпара, чем фактически может быть использовано при предварительном нагревании. В экстремальном случае это означает, что исходный шлам в баке предварительного нагревания начинает медленно кипеть, что может приводить к образованию отложений. Одновременно вследствие возможного можного избытка выпара значительное количество энергии остается неиспользованным, что делает указанный способ менее экономичным.

Помимо водяного пара выпар содержит также летучие органические компоненты, а также гидролизный газ. Их подают в резервуар предварительного нагревания, при этом летучие органические компоненты выпара легко поддаются биологическому разложению. Так как выпар не отводят сразу из системы, а возвращают и смешивают с исходным шламом, то нарушается принцип, согласно которому продукты реакции, для поддержания максимальной скорости обмена и преобразования веществ, должны сразу же выводиться из системы.

Так как шлам смешивают с выпаром и нагревают лишь при небольшом избыточном давлении, то после предварительного нагревания шлам, находящийся вблизи точки кипения, должен доводиться до выбранного для гидролиза давления, для чего требуется термостойкий насос. Перекачивание шлама обратно в шламовый теплообменник также требует специальных насосов, которые делают рециркуляцию сравнительно дорогостоящей.

Кроме того, высоки конструктивные затраты на рециркуляцию шлама для нагревания свежеподведенного шлама, поскольку теплообменник должен быть выполнен таким образом, чтобы в нем не образовывались накипь или отложения. Рециркуляция должна обеспечивать непрерывную и надежную транспортировку шлама без образования засоров в трубопроводах.

Шламовый теплообменник такого типа обычно имеет высокие потери давления. Эти потери давления дополнительно повышаются, если вследствие определенных состояний регулирования рециркуляции тепла не происходит, и, соответственно шлам не при рециркуляции не будет перемещаться. Тиксотропные свойства шлама таковы, что вязкость неподвижного шлама дополнительно повышается, так что при возобновлении рециркуляции тепла должно быть преодолено очень большое давление сопротивления, чтобы шлам вновь протекал через обратный трубопровод теплообменника.

В ЕР 1198424 В1 указано, что в способе обработки биогенной остаточной массы пары, образующиеся при декомпрессии вдекомпрессионной емкости, подают через кольцевые трубопроводы в теплообменники для предварительного нагрева подводимой биогенной остаточной массы. Образующийся в теплообменниках конденсат возвращают через кольцевые трубопроводы в декомпрессионные емкости. В этом способе сложность состоит в том, что кольцевые трубопроводы должны быть выполнены таким образом, чтобы ни в коем случае не происходило засорения компонентами конденсата. Кроме того, теплоемкость пара не очень высока, поэтому этот способ относительно неэффективен.

В ЕР 1198424 В1 описан периодический способ в отдельных декомпрессионных емкостях, каждая из которых должна быть закрыта, и в которых в течение заданного периода времени должно поддерживаться определенное давление. Лишь при открытии де-компрессионной емкости выпар может подаваться обратно через кольцевой трубопровод.

Вследствие этого в данном способе требуется несколько параллельно расположенных декомпрессионных емкостей для обеспечения по меньшей мере квази-непрерывного способа.

В US 2004/0060863 A1 описан способ термического гидролиза шлама, при котором шлам в нескольких параллельно расположенных емкостях нагревают при помощи пара, поступающего, соответственно, из другой емкости. Указанный способ представляет собой обычный квази-непрерывный способ, так как должно быть параллельно расположено несколько реакторов.

В ЕР 0784504 В1 описан способ, в котором гидролизат из одного реакционного сосуда применяют для того, чтобы нагревать гидролизат, подаваемый в другой реакционный сосуд.

В WO 2008/026932 А1, WO 2007/117152 А1, ЕР 996595 В1 и DE 19811648 А1 также описаны способы термического гидролиза и разложения клеток органического материала.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства и способа термического гидролиза органического материала, которые обеспечат возможность снижения потребности в первичной энергии и одновременно являются надежными, производительными и экономичными с точки зрения конструктивного оформления и эксплуатации.

Указанная задача решена при помощи устройства для термического гидролиза органического материала по п.1 формулы изобретения и способ термического гидролиза органического материала по п.19 формулы изобретения.

Устройство согласно изобретению для термического гидролиза органического материала включает в себя нагревательный элемент и охлаждающий элемент для нагревания или охлаждения органического материала, при этом в качестве нагревательного элемента и охлаждающего элемента соответственно предусмотрены теплообменники, в которых происходит теплообмен между органическим материалом и средой, при этом органический материали среда в теплообменниках отделены друг от друга.

Применяемая в настоящем описании формулировка, согласно которой один элемент расположен между двумя другими элементами, не исключает того, что между обоими элементами могут быть еще предусмотрены другие элементы.

Благодаря тому что среда и органически материал в теплообменниках разделены с обеспечением нагревательного и охлаждающего элементов, на стороне охлаждения и на стороне нагрева давление среды и давление органического материала могут быть независимы. Таким образом, как в органическом материале, так и в среде может быть установлено оптимальное давление для обеспечения максимальной эффективности способа.

Кроме того, среда может быть выбрана независимо от органического материала в форме, обеспечивающей экономичное и эффективное нагревание и охлаждение органического материала. Кроме того, за счет надлежащего выбора среды можно обеспечить отсутствие опасности образования отложений среды в теплообменнике. Благодаря этому обеспечивается большая свобода конструктивного исполнения стенок, которые обращены к органическому материалу, и, таким образом, выбор подходящих геометрических размеров позволяет избежать образования отложений.

Благодаря дополнительной свободе конструктивного исполнения стенок теплообменников указанные теплообменники могут быть выполнены с обеспечением улучшенного продольного потока органического материала. Так как среда, в противоположность органическому материалу, не является тиксотропной, то засора или закупорки теплообменника не возникает, даже если рециркуляция тепла временно не производится.

В органическом материале происходит процесс гидролиза, вследствие чего клетки и скопления клеток разрушаются и становятся растворимыми, и легче подвергаются перегниванию. Таким образом, может быть достигнут более высокий потенциал превращения и стабилизации органического материала. Растворенные или подвергнутые гидролизу твердые органические вещества перегнивают более полно, чем компактные не перегнившие клетки. Перегнивание клеточного органического материала повышается вместе со степенью гидролиза, так что отдельно предусмотренные специальные нагревательные и охлаждающие элементы согласно п.1 формулы изобретения обеспечивают возможность точно регулируемого высокоэффективного гидролиза.

Согласно одному варианту реализации среда является жидкостью, преимущественно с большой теплоемкостью и может легко транспортироваться.

Транспортировку среды предпочтительным образом осуществляют при помощи насоса, который транспортирует среду в потоке, создаваемом между нагревательным и охлаждающим элементами, вследствие чего тепло передается от охлаждающего элемента в нагревательный элемент, и в соответствующих теплообменниках тепло подводится к органическому материалу или от него отводится.

Кроме того, между нагревательным элементом и охлаждающим элементом функционально может быть предусмотрен дроссель. Дроссель обеспечивает возможность быстрого снижения давления органического материала при выпуске пара, образующегося при снятии давления, и газа, полученного в результате гидролиза. Это способствует дезинтеграции органического материала, посредством того, что осуществляется разрушение стенок клеток, находящихся в органическом материале, и измельчение крупных частиц. Обработанный таким образом органический материал может использоваться в биореакторе для гидролиза или в аналогичном устройстве, так как в нем биоразложение может протекать быстрее. Дроссель может быть выполнен в виде диафрагмы, дроссельного клапана или в другой произвольной форме. В частности, возможно достижение эффекта дросселирования лишь при помощи трубопровода для органического материала,, посредством средством того, что вследствие расширения трубопровода давление органического материала уменьшается.

Кроме того, после дросселя может быть предусмотрена декомпрессионная емкость, в которой пар, образующийся при снижении давления, может отводиться от органического материала. Тем самым может быть образовано необходимое пространство для эффективной и резкой декомпрессии органического материала.

Выгодным образом к декомпрессионной емкостиможет быть присоединен клапан декомпрессионной емкости, который предназначен для регулирования давления в камере. Благодаря этому давление в декомпрессионой емкостиможет быть установлено таким образом, что может быть достигнут эффективный гидролиз с точно контролируемом проходом или непрерывным потоком.

Кроме того, между нагревательным элементом и дросселем функционально может быть предусмотрен реактор гидролиза органического материала. Реактор гидролиза обеспечивает возможность дальнейшего нагревания органического материала, так что она может быть доведена до желаемой для гидролиза температуры. Таким образом, процесс гидролиза может происходить при идеальной температуре. В частности, реактором гидролиза является промежуточный теплообменник, через который протекает нагреваемый снаружи в дополнительном источнике тепла теплоноситель. В частности, нагреваемым снаружи теплоносителем является термическое масло. В качестве альтернативы, в реакторе гидролиза возможен любой другой способ нагревания, известный из уровня техники, например электрическое нагревание.

К реактору гидролиза функционально может примыкать накопитель для органического материала, который предусмотрен перед дросселем, и в котором органический материал должен выдерживаться в течение определенного времени при выбранной для гидролиза температуре, прежде чем произойдет снижение давления в дросселе.

Согласно одному варианту реализации между реактором гидролиза и дросселем функционально может быть предусмотрен дополнительный охлаждающий элемент для органического материала. Дополнительный охлаждающий элемент термически соединен с охлаждающим элементом и нагревательным элементом при помощи первого дополнительного ответвления в циркуляционном контуре среды. Благодаря этому, может эффективно возвращаться тепло все еще нагретого органического материала, прежде чем он охладится посредством резкого снижения давления в дросселе. Таким образом, энергетическая эффективность устройства повышается, так как может возвращаться большее количество тепла, и потребляться меньшее количество первичной энергии. Дополнительный охлаждающий элемент обеспечивает возможность регулирования температуры в декомпрессионной емкости независимо от выбранной для гидролиза температуры. Соответственно, обеспечиваются оптимизированные результаты гидролиза, в то же самое время может быть уменьшена потребность в полезной тепловой энергии, то есть в тепловой энергии, вносимой извне.

Согласно одному варианту реализации между нагревательным элементом и реактором гидролиза функционально может быть предусмотрен дополнительный нагревательный элемент для органического материала. Дополнительный охлаждающий элемент и дополнительный нагревательный элемент термически соединены при помощи первого дополнительного ответвления в циркуляционном контуре среды. Благодаря двухступенчатому предварительному нагреванию, при помощи нагревательного элемента и дополнительного нагревательного элемента, может быть достигнуто поэтапное нагревание органического материала, так что соответствующие теплообменники могут быть точно рассчитаны на соответствующий температурный диапазон. При этом в дополнительном нагревательном элементе, благодаря непосредственному термическому соединению с дополнительным охлаждающим элементом, может быть достигнута более высокая температура, чем в нагревательном элементе. Положение смесительного клапана нагревания существенно влияет на потребность в тепловой полезной энергии установки и дает, таким образом, возможность оптимального регулирования распределения тепла между реактором гидролиза идекомпрессионной емкостью, в зависимости от параметров способа. Осуществление возможно путем активного регулирования во время работы установки.

Поток через первое дополнительное ответвление циркуляционного контура может контролироваться или регулироваться при помощи смесительного клапана нагревания, так что образуются дополнительные возможности для точного регулирования температуры, в частности, контроль или регулирование относительной разности температур между реактором гидролиза и декомпрессионной емкостью.

Кроме того, перед нагревательным элементом функционально может быть предусмотрен насос для органического материала. Благодаря этому органический материал может просто доводиться до высокого давления, которое повышает эффективность гидролиза и обеспечивает возможность большого скачка давления в дросселе.

Благоприятным образом, после охлаждающего элемента функционально может быть предусмотрен конденсационный бак для органического материала, в котором может конденсироваться пар, образующийся при снятии давления, так что органический материал включая сконденсировавшиеся компоненты, может обрабатываться далее.

По-прежнему существующая газообразная фаза органического материала может отводиться из конденсационного бака через клапан конденсационного бака, так что газообразная фаза и текучие компоненты органического материала могут обрабатываться далее раздельно, благодаря чему дальнейшая обработка становится более эффективной, чем для смеси, состоящей из двух фаз. Клапан конденсационного бака служит для регулирования давления в конденсационном баке.

После конденсационного бака может быть предусмотрен охлаждающий элемент для конденсата, для дальнейшего охлаждения органического материала. Это обеспечивает возможность регулирования температуры в конденсационном баке, поскольку могут регулироваться как охлаждение перед конденсационным баком при помощи охлаждающего элемента, так и охлаждение после конденсационного бака при помощи охлаждающего элемента для конденсата.

Охлаждающий элемент для конденсата термически соединен с нагревательным элементом и с охлаждающим элементом при помощи второго дополнительного ответвления циркуляционного контура среды, при этом может быть предусмотрен смесительный клапан охлаждения, который предназначен для регулирования распределения среды между охлаждающим элементом и охлаждающим элементом для конденсата. При помощи этой конструкции возможно рациональное регулирование распределения эффективно-стиохлаждения на охлаждающий элемент и охлаждающий элемент для конденсата. Обычно, в смесительном клапане охлаждения устанавливают разделение потока в соотношении 1:1. Тем не менее, в зависимости от температуры в декомпрессионной емкости, и желательной температуры в конденсационном баке, в смесительном клапане охлаждения могут быть также установлены другие соотношения разделения среды. В частности, может быть также реализовано активное регулирование смесительного клапана охлаждения в зависимости от остальных параметров способа.

Кроме того, может быть предусмотрен газовый клапан декомпрессионной емкости, чтобы отводить из него газовую фазу и, главным образом, подводить ее в конденсационный бак. Благодаря этому пар, образующийся при снятии давления, может проводиться мимо охлаждающего элемента. Это выгодно, поскольку смесь, состоящая из двух фаз, обусловила бы в охлаждающем элементе меньшую холодопроизводительность. Таким образом, благодаря этому параметру эффективность охлаждения охлаждающего элемента может быть повышена. Кроме того, газовый клапан декомпрессионной емкости служит для регулирования давления в камере.

Согласно одному варианту реализации может быть предусмотрен обратный трубопровод для органического материала, содержащий обратный клапан, предназначенный для регулирования пропускной способности обратного трубопровода. При помощи этого клапана, например, может регулироваться поток рециркуляции, и таким образом, регулироваться производительность установки нетто. Кроме того, обратный трубопровод дает возможность проведения автоматической очистки, посредством того, что очистительные жидкости закачивают в циркуляционный контур, чтобы таким образом очистить систему от отложений органического материала.

Способ термического гидролиза органического материала, согласно изобретению, включает в себя нагрев органического материала до выбранной для гидролиза температуры, а затем охлаждения, при этом по меньшей мере частичное нагревание и охлаждение осуществляют при помощи соответствующих теплообменников, в которых происходит теплообмен между органическим материалом и средой, в то время как органический материал и среда в теплообменниках отделены друг от друга.

Благодаря разделению органического материала и среды, предоставлен в распоряжение эффективный способ с преимуществами устройства, уже описанного выше.

Кроме того, способ отличается тем, что органический материал подводят непрерывно, вследствие чего может быть достигнута высокая производительность и высокая экономическая эффективность установки.

Ниже предпочтительные варианты выполнения устройства и способа, согласно изобретению, описаны при помощи следующих фигур:

На фиг.1 показан один вариант реализации согласно изобретению.

На фиг 2 показан другой вариант выполнения изобретения.

Схематически показанное на фиг.1 устройство 100 согласно изобретению устроено следующим образом: подводящий трубопровод для органического материала, то есть необработанного ила, соединен с насосом 1 высокого давления. Через последующий трубопровод насос 1 высокого давления соединен с нагревательным элементом 2. Нагревательным элементом 2 является промежуточный теплообменник, через который протекает среда в данном случае вода. Таким образом, непрерывный поток нагретой воды, который показан пунктирными линиями, полностью отделен от потока органического материала, показанного сплошными линиями. Теплопередача происходит лишь на граничных поверхностях теплообменника.

К нагревательному элементу 2 при помощи трубопровода присоединен дополнительный нагревательный элемент 3, который также выполнен в виде промежуточного теплообменника, через который с одной стороны протекает органический материал, а с другой стороны - среда. Нагревание среды происходит в охлаждающих элементах 4, 5 и 6, которые выполнены в виде промежуточных теплообменников между средой и органическим материалом.

Дополнительный нагревательный элемент 3 соединен при помощи трубопровода с реактором гидролиза 7, причем в него энергию подводят извне системы, для дополнительного нагрева органического материала. Реактор гидролиза 7 может быть выполнен в виде реактора трубчатого типа, в котором органический материал дополнительно нагревают при помощи термического масла, нагреваемого извне. Однако в реакторе гидролиза 7 для нагревания органического материала в качестве может применяться электрическая энергия. Реактор гидролиза присоединен при помощи трубопровода к накопителю 8 определенного объема, так что органический материал удерживается в течение определенного времени, чтобы гидролиз мог произойти как можно более полно. Накопитель 8 характеризуется высоким давлением и высокой температурой.

Накопитель 8 соединен при помощи трубопровода с дополнительным охлаждающим элементом 6, в котором органический материал охлаждается при помощи среды. К дополнительному охлаждающему элементу 6 примыкает дроссель, который выполнен в виде дросселирующего клапана 9, приводящий непосредственно в декомпрессионную емкостью. Благодаря этому органический материал подвергается резкой декомпрессии. Вследствие резкой декомпрессии происходит кипение внутри органического материала, благодаря чему, например, клетки в органическом материале разрываются, так как внутри них давление существенно повышается. Дросселирующий клапан 9 может быть выполнен с возможностью контроля и регулирования.

От декомпрессионной емкости 10 трубопровод с клапаном 11 декомпрессинной емкости идет в охлаждающий элемент 4. Клапан 11 декомпрессионной емкости является контролируемым и регулируемым клапаном и предназначен для установления оптимального давления в декомпрессионной емкости 10. Альтернативно, клапан 11 декомпрессионной емкости может быть также дополнен насосом с частотным регулированием, чтобы компенсировать потери давления в последующих теплообменниках.

Охлаждающий элемент 4 при помощи трубопровода для органического материала соединен с конденсационным баком 12. Альтернативно, декомпрессионная емкостью может быть также соединена с конденсационным баком 12 через газовый клапан 13 декомпрессионной емкости, при этом через газовый клапан 13 декомпрессионной емкости газообразные компоненты органического материала могут проводиться в конденсационный бак 12 мимо охлаждающего элемента 4. Конденсационный бак 12 при помощи трубопровода для органического материала соединен с охлаждающим элементом 5 для конденсата. От охлаждающего элемента 5 для конденсата органический материал направляют в перегниватель (не показан). Кроме того, на конденсационном баке 12 предусмотрен газовый клапан 14 конденсационного бака, который направляет газообразные компоненты из конденсационного бака 12 непосредственно в перегниватель.

Кроме того, устройство содержит обратный трубопровод 15 для органического материала, который снабжен обратным клапаном 16. Обратный трубопровод возвращает органический материал, который уже прошел через устройство, назад перед насосом 1.

Для среды, которая в нагревательных элементах 2, 3 нагревает органический материал, а в охлаждающих элементах 4, 5, 6 его охлаждает, предусмотрен циркуляционный контур 17, который состоит из трубопроводов, показанных на фиг.1 точечными линиями. При этом среду подводит насос 18. Внутри циркуляционного контура 17 предусмотрен смесительный клапан 19 нагревания, при помощи которого может регулироваться величина доли среды, которая протекает через первое дополнительное ответвление 20. В первом дополнительном ответвлении 20 среда нагревается в дополнительном охлаждающем элементе 6, охлаждая органический материал, а в дополнительном нагревательном элементе 3 она охлаждается, нагревая органическоий материал. Первое дополнительное ответвление 20 снова входит в главный циркуляционный контур перед нагревательным элементом 2.

Кроме того, циркуляционный контур 17 содержит другое дополнительное ответвление 21, при этом долю среды, которая протекает через второе дополнительное ответвление 21, регулируют при помощи смесительного клапана 22 охлаждения. Второе дополнительное ответвление 21 проходит через охлаждающий элемент 5 для конденсата, при этом среда в нем нагревается при охлаждении органического материала. Второе дополнительное ответвление 21 снова входит в главный циркуляционный контур после охлаждающего элемента 4.

Ниже на фиг.1 представлен способ согласно изобретению.

Вначале органический материал, то есть необработанный ил, находящийся примерно при нормальной температуре и нормальном давлении, подают в насос 1 высокого давления, который создает требуемое давление в системе для термического гидролиза. Требуемое повышение давления складывается из давления паров необработанного ила при выбранной для гидролиза температуре, потерь давления в последующих теплообменниках и запаса надежности, чтобы избежать кипения необработанного ила при выбранной для гидролиза температуре. При выбранной максимальной выбранной для гидролиза температуре 170°C и принятой динамической вязкости необработанного ила150 мПа·с получаются давление паров необработанного илапри максимальной выбранной для гидролиза температуре в размере примерно 8 бар и потери давления в теплообменниках в размере примерно 6 бар. Запас надежностиустановлен в размере 2 бар. Таким образом, давление подачи насоса 1 высокого давления для необработанного иласоставляет по меньшей мере 16 бар.

Находящийся под давлением необработанный ил, вначале предварительно нагревают при помощи нагревательного элемента 2 и дополнительного нагревательного элемента 3. Это происходит при использовании сбрасываемоготепла, которое получают при обратном охлаждении гидролизата при помощи охлаждающего элемента 4, охлаждающего элемента 5 для конденсата и дополнительного охлаждающего элемента 6. Окончательная выбранная для гидролиза температура достигается в реакторе гидролиза 7, который выполнен в виде теплообменника с нагреваемым извне теплоносителем, например термическим маслом. Термическое масло, при помощи дополнительного нагревательного устройства, доводят до желаемой температуры, а затем проводят через реактор гидролиза 7, при этом в нем органический материал доводится до желаемой для гидролиза температуры.

Чтобы достигнуть требуемого времени гидролиза, которое значительно отличается от времени нахождения в реакторе гидролиза 7, после него установлен накопитель 8, размеры которого являются такими, что выбранное время гидролиза всегда выдерживается. Например, время нахождения в реакторе гидролиза 7 составляет лишь немногим более 30 с, в то время как в общей сложности время гидролиза составляет более 30 мин. Накопитель 8 выполнен таким образом, что с одной стороны, газ, образующийся в результате гидролиза, может выходить, а с другой стороны, возможно осаждающиеся твердые частицы не аккумулируются в накопителе 8 и не уменьшают неконтролируемым образом доступный объем накопителя.

После прохождения накопителя 8 органический материал поступает в дополнительный охлаждающий элемент 6, который понижает температуру находящегося под давлением органического материала.

Затем органический материал проходит через дросселирующий клапан 9, при этом резкая декомпрессия вызывает разрушение клеточных стенок, содержащихся в органическом материале клеток. При этом высвобождаемая энергия парообразования соответственно понижает температуру органического материала.

Чтобы достигнуть оптимального процесса снятия давления, предусмотрена декомпрессионная емкостью, которая непосредственно примыкает к дросселирующему клапану 9 и предоставляет в распоряжение необходимое пространство для снятия давления органического материала.

Жидкую фазу органического материала из декомпрессионной емкости, 10 через клапан 11 декомпрессионной емкости и охлаждающий элемент 4, подают в конденсационный бак 12. При этом, газовую фазу, то есть пар, образующийся при снятии давления, подают из декомпрессионной емкости 10 через газовый клапан 13 декомпрессионной емкости, минуя охлаждающий элемент 4, в, конденсационный бак 12. Благодаря разделению газообразной и жидкой фаз органического материала после декомпрессионной емкости 10, обеспечена возможность эффективного охлаждения в охлаждающем элементе 4.

В конденсационном баке 12 пар, образующийся при снятии давления, обогащается органическим материалом, уже охлажденным при помощи охлаждающего элемента 4, и, таким образом, подвергается конденсации. Остающиеся в конденсационном баке 12 газообразные компоненты могут непосредственно подаваться через газовый клапан 14 конденсационного бака в перегниватель (не показан). Жидкие компоненты органического материала, после конденсационного бака 12, дополнительно охлаждают при помощи охлаждающего элемента 5 для конденсата, а затем подают в перегниватель.

Через обратный трубопровод 15 и обратный клапан 16 по меньшей мере часть органического материала может возвращаться обратно, с целью компенсации возможного прерывистого поступления начальных количеств органического материала, и, таким образом, может поддерживаться непрерывная работа установки. Кроме того, обратный трубопровод 15 обеспечивает возможность проведения через установку по циркуляционному контуру очистительной жидкости и тем самым, удаления возможных отложений органического материала в установке.

В циркуляционном контуре 17 теплоноситель, в частности, воду, пропускают при помощи насоса 18 через различные нагревательные элементы 2, 3 и охлаждающие элементы 4, 5, 6, которые выполнены в виде промежуточных теплообменников. Таким образом, тепло уже подвергнутого гидролизу органического материала возвращается к еще не подвергнутому гидролизу органическому материалу, чтобы обеспечить требуемую энергетически эффективную систему, которая, по сравнению с другими системами, известными из уровня техники, нуждается в меньшем количестве подводимой тепловой мощности. Циркуляционный контур 17 выполнен таким образом, что среда не испаряется, с тем чтобы она обладала как можно более высокой теплопроводностью.

Кроме того, отделение среды в циркуляционном контуре 17 от органического материала обеспечивает возможность того, что давление органического материала на каждом участке устройства может быть установлено таким, которое требуется для оптимальных условий способа, вследствие чего эффективность гидролиза органического материала может быть повышена.

Кроме того, циркуляционный контур 17 среды содержит смесительный клапан 19 нагревания, который направляет часть среды в первое дополнительное ответвление 20, вследствие чего осуществляется непрерывный поток через дополнительный охлаждающий элемент 6 и дополнительный нагревательный элемент 3. Таким образом, в первом дополнительном ответвлении 20 при помощи дополнительного охлаждающего элемента 6 достигается более высокая температура среды, которая может применяться для нагревания органического материала в дополнительном нагревательном элементе 3. Благодаря дополнительному охлаждающему элементу 6 и дополнительному нагревательному элементу 3, которые непосредственно соединены через первое дополнительное ответвление 20, потребность установки в первичной энергии может быть уменьшена без влияния на результат гидролиза. При этом поток через первое дополнительное ответвление 20 регулируют при помощи смесительного клапана 19 нагревания в соответствии с требованиями процесса.

Кроме того, циркуляционный контур 17 содержит второе дополнительное ответвление 21, которое отделяет часть среды в охлаждающий элемент 5 для конденсата после конденсационного бака 12. Количество среды, отводимой во второе дополнительное ответвление 21, регулируют при помощи смесительного клапана 22 охлаждения. Таким образом, при помощи смесительного клапана 22 охлаждения возможно регулирование температуры в конденсационном баке 12, чтобы создать в нем желаемые условия для возможности высвобождения газов, растворенных в органическом материале.

На фиг.2 показан другой вариант выполнения устройства 200 согласно изобретению для термического гидролиза органического материала. По существу, этот вариант выполнения отличается в отношении охлаждения органического материала. Охлаждающий элемент 4 снабжен трубопроводом для органического материала, ведущим во второй охлаждающий элемент 23. Ко второму охлаждающему элементу 23 примыкает трубопровод с клапаном 24, ведущий в конденсационный бак 12. Существенное отличие этого устройства по сравнению с первым вариантом выполнения состоит в том, что как главный циркуляционный контур 17, так и первое дополнительное ответвление 21 среды присоединены к охлаждающему элементу 4, и, таким образом, вся среда транспортируется через охлаждающий элемент 4.

При помощи смесительного клапана 22 охлаждения можно отрегулировать степень охлаждения органического материала перед конденсационным баком 12 или после него. Клапан 24 предназначен для регулирования давления или расхода в охлаждающих элементах 4 и 23, так что в них может происходить оптимальный теплообмен между органическим материалом и средой.

Так как среду применяют единственно с целью транспортировки тепла, то для этого может быть выбрана конкретная среда, например вода или другая жидкость с высокой теплоемкостью. Кроме того, среда может быть выбрана таким образом, что к выполнению контактирующих с ней граничных поверхностей теплообменников предъявляются невысокие требования. Благодаря этому обеспечивается возможность дополнительной свободы выбора конструкционных решений теплообменников в отношении сформированных в них протоков для органического материала, так что протоки для органического материала могут быть выполнены с большими поперечными сечениями, чтобы не происходило критического образования отложений.

Кроме того, поверхности теплообменников со стороны органического материала могут быть выполнены с обеспечением турбулентности, которая также препятствует образованию отложений, в частности, путем размещения механических насадок. Поверхности теплообменников могут быть выполнены таким образом, что требуется лишь небольшая разность температур между средой и нагретой органическим материалом, чтобы таким образом минимизировать локальные перегревы, которые повышают опасность кипения органического материала. Благодаря этому также можно эффективно избежать образования отложений.

Выработка необходимого технологического тепла для реактора 7 гидролиза может осуществляться извне, при помощи термического масла или парового котла. Преимущество применения термического масла состоит в отсутствии подготовки питательной воды котла, что требуется для парового котла. Выгодным при применении парового котла является высокая теплоемкость горячей воды в качестве теплоносителя в реакторе гидролиза 7. Реактором 7 гидролиза также может быть промежуточный теплообменник.

В целом следует указать на то, что не только производительность насосов 1, 18 может регулироваться, а также могут отдельно регулироваться все клапаны 9, 11, 13, 14, 16, 24 и распределительные клапаны 19, 22, чтобы иметь возможность оказывать влияние на технологические параметры способа.

Изобретение относится к устройству для термического гидролиза органического материала, в котором предусмотрены по меньшей мере нагревательный элемент и охлаждающий элемент для нагревания или охлаждения органического материала. Устройство характеризуется тем, что в качестве нагревательных элементов и охлаждающих элементов, соответственно, предусмотрены теплообменники, в которых происходит теплообмен между органическим материалом и средой. При этом органический материал и среда во всех теплообменниках отделены друг от друга. Также изобретение относится к способу термического гидролиза. Использование настоящего изобретения позволяет оптимизировать результаты гидролиза, в то же самое время может быть уменьшена потребность в тепловой энергии, вносимой извне. 2 н. и 30 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для термического гидролиза органического материала, в котором предусмотрены по меньшей мере нагревательный элемент (2) и охлаждающий элемент (4) для нагревания или охлаждения органического материала,
отличающееся тем, что в качестве нагревательных элементов (2) и охлаждающих элементов (4) соответственно предусмотрены теплообменники, в которых происходит теплообмен между органическим материалом и средой,
при этом органический материал и среда во всех теплообменниках отделены друг от друга.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что среда является жидкостью.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в устройстве предусмотрен насос (18) для подачи среды в циркуляционный контур между нагревательным элементом (2) и охлаждающим элементом (4).

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что между нагревательным элементом (2) и охлаждающим элементом (4) функционально предусмотрен дроссель (9).

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что после дросселя (9) предусмотрена декомпрессионная емкость (10).

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что за декомпрессионной емкостью (10) следует клапан (11) декомпрессионной емкости, выполненный с возможностью регулирования давления в декомпрессионной емкости (10).

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что между нагревательным элементом (2) и дросселем (9) функционально предусмотрен реактор (7) гидролиза органического материала, при этом реактор (7) гидролиза, в частности, является промежуточным теплообменником, через который проходит поток нагретого извне теплоносителя.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что между реактором (7) гидролиза и дросселем (9) функционально предусмотрен накопитель (8) для органического материала.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что между реактором (7) гидролиза и дросселем (9) функционально предусмотрен дополнительный охлаждающий элемент (6), термически соединенный с циркуляционным контуром (17) среды при помощи первого дополнительного ответвления (20).

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что между нагревательным элементом (2) и реактором (7) гидролиза функционально предусмотрен дополнительный нагревательный элемент (3) для органического материала, термически соединенный с циркуляционным контуром (17) среды при помощи первого дополнительного ответвления (20).

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что поток через первое дополнительное ответвление (20) может регулироваться при помощи смесительного клапана (19) нагревания.

12. Устройство по любому из пп.1-11, отличающееся тем, что перед нагревательным элементом (2) функционально предусмотрен насос (1) для органического материала.

13. Устройство по любому из пп.4-11, отличающееся тем, что после охлаждающего элемента (5) функционально предусмотрен конденсационный бак (12) для органического материала.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что предусмотрен газовый клапан (14) конденсационного бака, чтобы регулировать отвод газообразной фазы органического материала из конденсационного бака (12) с обеспечением возможности раздельного отвода газообразной фазы и текучих компонентов органического материала.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что после конденсационного бака (12) предусмотрен охлаждающий элемент (5) для конденсата, выполненный с возможностью охлаждения органического материала.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что охлаждающий элемент (5) для конденсата термически соединен с нагревательным элементом (2) и охлаждающим элементом (4) при помощи второго дополнительного ответвления (21) циркуляционного контура (17) среды, при этом предусмотрен смесительный клапан (22) охлаждения, выполненный с возможностью регулирования распределения среды между охлаждающим элементом (4) и охлаждающим элементом (5) для конденсата.

17. Устройство по п.5, отличающееся тем, что предусмотрен газовый клапан (13) декомпрессионной емкости для отвода газа из декомпрессионной емкости (10) и, в частности, подвода газа в конденсационный бак (12), функционально предназначенный для органического материала после охлаждающего элемента (5).

18. Устройство по любому из пп.1-11, 14-17, отличающееся тем, что предусмотрен обратный трубопровод (15) для органического материала с обратным клапаном (16), выполненным с возможностью регулирования расхода в обратном трубопроводе (15).

19. Способ термического гидролиза органического материала, при котором органический материал нагревают до выбранной для гидролиза температуры, а затем охлаждают ниже выбранной для гидролиза температуры,
отличающийся тем, что нагревание и охлаждение осуществляют при помощи соответствующих теплообменников, в которых происходит теплообмен между органическим материалом и средой, причем органический материал и среда во всех теплообменниках отделены друг от друга.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что перенос тепла между теплообменниками осуществляется при помощи среды.

21. Способ по п.19 или 20, отличающийся тем, что средой является жидкость, которую пропускают по циркуляционному контуру.

22. Способ по п.19 или 20, отличающийся тем, что давление органического материала перед нагреванием повышают.

23. Способ по п.19 или 20, отличающийся тем, что нагретый органический материал подвергают гидролизу посредством нагревания до выбранной для гидролиза температуры в два этапа.

24. Способ по п.19, отличающийся тем, что давление нагретого органического материала резко понижают.

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что органический материал после резкой декомпрессии подают в декомпрессионную емкость.

26. Способ по любому из пп.24 или 25, отличающийся тем, что нагретый органический материал перед резкой декомпрессией подают в накопитель.

27. Способ по любому из пп.24 и 25, отличающийся тем, что нагретый органический материал охлаждают при помощи среды перед резкой декомпрессией органического материала.

28. Способ по пп.19-20, 24-25, отличающийся тем, что из подвергнутого гидролизу органического материала после по меньшей мере частичного охлаждения отделяют часть газообразной фазы.

29. Способ по п.25, отличающийся тем, что по меньшей мере часть газообразной фазы подвергнутого гидролизу органического материала отделяют из декомпрессионной емкости.

30. Способ по п.28, отличающийся тем, что органический материал после отделения газообразной фазы дополнительно охлаждают.

31. Способ по любому из пп.19-20, 24-25, 29, отличающийся тем, что по меньшей мере часть подвергнутого гидролизу органического материала возвращают обратно в еще не подвергнутый гидролизу органический материал.

32. Способ по любому из пп.19-20, 24-25, 29, отличающийся тем, что органический материал подводят непрерывно.