RU2541800C2 - Способ использования и утилизации соломы злаковых культур - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Способ включает извлечение полезного продукта, преимущественно растворимых биоусвояемых сахаров, и последующую утилизацию лигноцеллюлозных отходов. При извлечении полезного продукта солому злаковых культур подвергают глубокой переработке, а именно: диспергированию и ферментированию. Лигноцеллюлозные отходы после извлечения полезного продукта подвергают дополнительному дроблению до размера частиц не более пяти микрон. Затем смешивают с газообразным топливом и сжигают в камере сгорания газотурбинной установки для выработки электрической и тепловой энергии. При этом полученную в процессе сжигания электрическую и тепловую энергию используют непосредственно в процессе глубокой переработки соломы. Полезный продукт в виде наноструктурированного углеводного порошка используют в качестве сырья для получения биотоплива. Изобретение позволяет безотходным способом перерабатывать солому с получением ценного наноструктурированного порошка и одновременной выработкой тепловой и электрической энергии. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а более конкретно к способу использования и утилизации соломы злаковых культур, и может быть использовано в производстве кормов, в химической промышленности, биотехнологии и экологических программах.

Солому злаковых культур относят к классу возобновляемых источников биосырья. Однако переработку растительного сырья в полезный продукт и его утилизацию сегодня считают экологически невыгодной технологией, требующей больших капвложений и энергоресурсов. Поэтому в настоящее время солома злаковых культур в основном уничтожается непосредственно на полях посредством сжигания или запахивания в почву. Однако из-за постоянного удорожания углеводородного топлива и ухудшения экологической ситуации на планете интерес к растительному источнику возобновляемого экологически чистого топлива не только не угас, а напротив, возрос и вышел на новый уровень. Рентабельность предприятий, связанных с переработкой растительного сырья, будет тем выше, чем больше полезного продукта будет получено попутно при его переработке и утилизации.

Известен водогрейный котел, работающий на биотопливе, преимущественно на тюкованной соломе злаковых культур, предназначенный для выработки тепловой энергии [патент RU 2263852, F24H 1/44 от 10.11.2005 г.]. Массовое использование такого оборудования невозможно, так как получаемая данным способом тепловая энергия не компенсирует даже транспортные и складские затраты, не говоря уже о высокой стоимости самого оборудования. Установка такого оборудования непосредственно на ферме или в поле практически исключена из-за малой его рентабельности и неэффективности. Теплотворная способность соломы злаковых культур весьма низка и не может конкурировать с другими видами топлива даже в том случае, если она получена при утилизации «бросового» сырья.

Известен другой способ термической переработки биомассы при ее утилизации [патент RU 2177977, C10B 53/02 от 10.09.2001 г.], включающий загрузку растительной массы в конвертор, пиролиз ее при температуре 650-950°C в среде восстановительного газа, подачу пара после окончания пиролиза и выделение полезного продукта в виде твердого углеродного сорбента.

Однако данный способ утилизации соломы также не способствует его широкому распространению, так как затраты на углеводородное топливо, затрачиваемое на восстановительный газ и производство пара, будут несопоставимы с прибылью от реализации углеродного сорбента. К тому же при этом способе утилизации только часть растительного сырья превращается в полезный продукт и, следовательно, остальная часть должна быть утилизирована, что также понижает рентабельность данного процесса в целом.

Известен другой способ переработки соломы в полезный продукт при ее утилизации, а именно способ брикетирования лигносодержащих материалов и комплекс средств для его осуществления [патент RU 2191799, C10L 5/44, B30B 11/02 от 27.10.2002 г.], включающей дозирование, подачу в пресс, обработку паром с температурой 100-250°C для разрушения клеточных стенок и получение брикетов. Данный продукт, получаемый при утилизации соломы, авторы рекомендуют использовать в качестве биотоплива для коммунального хозяйства или в качестве строительных блоков при возведении жилья.

Однако данный способ обладает рядом существенных недостатков, которые не способствуют его широкому использованию в народном хозяйстве. К ним следует отнести низкую степень рентабельности предложенного способа и недостаточную эффективность процесса утилизации. Продукт, получаемый в процессе утилизации соломы, а именно брикеты, является лишь сырьем, и для его использования потребуются и специфичное оборудование, и своя инфраструктура для широкого внедрения. Поэтому заводы по производству брикетов и пеллет из растительного сырья остаются пока энергозатратными предприятиями. При этом особые требования на транспортировку и сохранение пеллет у потребителя однозначно повышают их себестоимость, а те выгоды, которые авторы усматривают при их использовании, сомнительны и мало конкурентоспособны с теми продуктами, которые можно получать из соломы злаковых культур при ее утилизации. Вышеуказанная и продвинутая сегодня на наш рынок технология позволяет решать часть проблем, но не меняет ситуацию в целом при утилизации соломы злаковых культур.

Экономическая целесообразность обуславливает создание новых технологий по глубокой переработке соломы злаковых культур в другие виды полезных и конкурентоспособных продуктов. Так, например, получение газообразного или жидкого биотоплива, а также получение биоактивного растительного сырья для фармацевтической, химической и сельскохозяйственной отраслей промышленности, одновременное получение электрической и тепловой энергии помогут процесс утилизации соломы злаковых культур сделать привлекательным и экономически выгодным.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому решению является способ переработки растительного сырья [заявка на изобретение RU 2009125992, 23N 17/00 от 20.01.2012 г.), включающий установленные по ходу технологического процесса питающее устройство, сушилку, измельчитель сухой растительной массы, пневмотранспортеры и устройство для улавливания готового продукта, в котором с целью разрушения структуры лигноцеллюлозных клеточных стенок и обогащения сырья целлюлозными углеводами дополнительно установлены нанодиспергатор, устройство для впрыскивания поверхностно-активных веществ и классификатор для отделения полученного нанокомпозитного порошка от крупных частиц и возврата последних в нанодиспергатор для доизмельчения и получения нанострктурированного углеводного порошка.

К недостатку известного способа, препятствующему его широкому применению, относится то, что только одна четвертая часть исходного растительного сырья превращается в полезный продукт, а именно в наноструктурированный углеводный порошок. В то время как другая его переработанная часть в виде лигноцеллюлозных отходов остается невостребованной. К другому недостатку известного способа следует отнести отсутствие средств и методов для утилизации оставшейся невостребованной части исходного продукта. К тому же накапливание и хранение таких отходов также рождает новую проблему и, как следствие, понижает эффективность процесса в целом, несмотря на ценность извлекаемого продукта.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков и проблем путем создания нового способа использования и утилизации соломы злаковых культур.

Указанную задачу решают за счет достижения технического результата, заключающегося в получении экологически чистого, безотходного, экономически и энергетически эффективного способа переработки соломы злаковых культур с получением конкурентоспособного и дефицитного продукта и одновременной выработкой тепловой и электрической энергии при последующей утилизации лигноцеллюлозных отходов, оставшихся после извлечения полезного продукта.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается известным способом использования и утилизации соломы злаковых культур, включающим извлечение полезного продукта, преимущественно растворимых биоусвояемых сахаров, и последующую утилизацию отходов.

Отличием предложенного способа от ранее известного является то, что при извлечении полезного продукта солому злаковых культур подвергают глубокой переработке, а именно диспергированию и ферментированию, а лигноцеллюлозные отходы, оставшиеся после извлечения полезного продукта, подвергают дополнительному дроблению до размера частиц не более пяти микрон, а затем смешивают с газообразным топливом и сжигают в камере сгорания газотурбинной установки, предназначенной для выработки электрической и тепловой энергии, при этом полученную в процессе сжигания электрическую и тепловую энергию используют непосредственно в процессе глубокой переработки соломы, а полезный продукт, полученный в виде наноструктурированного углеводного порошка, используют в качестве сырья для получения биотоплива или другого конкурентоспособного биопрдукта.

Указанный технический результат достигается также тем, что диспергирование и ферментирование соломы злаковых культур осуществляют с помощью линии для переработки лигноцеллюлозного сырья, включающей по ходу технологического процесса следующее оборудование: измельчитель соломы, сушилку, устройство для введения фермента, мельницу-механохимический реактор, сепаратор циклонного типа с центробежным фильтром, пневмотранспортером и устройством для улавливания и выделения наноструктурированного углеводного порошка.

Указанный технический результат достигается также тем, что дополнительное дробление лигноцеллюлозных отходов до микронного размера осуществляют с помощью трехмерного дезинтегратора, включающего камеру дозатора, камеру рециркулятора и камеру классификатора с накопителем мелкодисперсной составляющей лигноцеллюлозных отходов.

Указанный технический результат достигается также тем, что смешивание мелкодисперсной составляющей лигноцеллюлозных отходов с газообразным топливом осуществляют с помощью эжектора, установленного непосредственно в корпусе трехкамерного дезинтегратора, и турбокомпрессора, гидравлически связанного с камерой сгорания газотурбинной установки, предназначенной для выработки электрической и тепловой энергии.

Указанный технический результат достигается также тем, что полученный в процессе глубокой переработки соломы злаковых культур наноструктурированный углеводный порошок используют в качестве сырья для получения газообразного биотоплива, которое используют в качестве альтернативного вида газообразного топлива для газотурбинной установки, предназначенной для выработки электрической и тепловой энергии.

При исследовании отличительных признаков заявляемого способа не выявлено каких-либо аналогичных известных решений, касающихся глубокой переработки соломы злаковых культур с целью получения полезного продукта в виде наноструктурированного порошка за счет ее диспергирования, так и последующей утилизации лигноцеллюлозных отходов, оставшихся после извлечения полезного продукта, с помощью газотурбинной установки, предназначенной для выработки тепловой и электрической энергии.

Также не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся дробления лигноцеллюлозных отходов до микронного размера при помощи трехкамерного дезинтегратора, обеспечивающего четкую дозировку, рециркуляцию и классификацию получаемого продукта одновременно.

Не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся связи дезинтегратора с камерой сгорания газотурбинной установки с помощью эжектора, установленного непосредственно в корпусе дезинтегратора и турбокомпрессора, обеспечивающих эффективное смешивание мелкодисперсной составляющей лигноцеллюлозных отходов с газообразным топливом газотурбинной установки и последующего ввода этой смеси в камеру сгорания газотурбинной установки.

На фиг.1 изображена принципиальная схема способа использования и утилизации соломы злаковых культур, включающего установленные по ходу технологического процесса: 1 - хранилище соломы; 2 - площадка измельчения; 3 - сушилка; 4 - устройство предварительного ферментирования; 5 - мельница-механоактиватор; 6 - сепаратор циклонного типа; 7 - пневмотранспортер; 8 - устройство для улавливания и выделения наноструктурированного углеводного порошка; 9 - накопитель; 10 - контейнер для хранения лигноцеллюлозных отходов; 11 - дозатор дезинтегратора; 12 - рециркуляционная камера; 13 - камера классификатора; 14 - турбокомпрессор газотурбинной установки; 15 - камера сгорания газотурбинной установки; 16 - газотурбинная установка; 17 - нейтрализатор; 18 - котел-утилизатор; 19 - блок окончательной очистки; 20 - выхлопная труба; 21 - газохранилище.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявляемого изобретения с помощью указанного технического результата, состоят в следующем.

Заявленный способ использования и утилизации соломы злаковых культур предназначен для повышения эффективности процесса утилизации соломы злаковых культур за счет когенерационного принципа подхода к данной проблеме. А именно, сопутствующее извлечение полезного продукта и выработка электрической и тепловой энергии при ее утилизации. Солома злаковых культур содержит большое количество полезных для человека веществ, но не всегда их извлечение экономически целесообразно, как правило, из-за сложности и энергозатратности существующих технологий. Однако эффективность извлечения полезного продукта может быть существенно повышена за счет комплексного и рационального использования биосырья. Так, например, часть затрачиваемой электрической и тепловой энергии в процессе извлечения полезного продукта может быть скомпенсирована за счет дополнительной выработки ее во время полной утилизации отходов, накапливающихся в процессе глубокой переработки соломы злаковых культур. При этом все промежуточные продукты, получаемые в процессе глубокой переработки соломы, также целесообразно использовать в качестве сырья для получения еще более дефицитного и конкурентоспособного продукта. Так, например, микрокристаллическая целлюлоза, полученная из соломы овса, может послужить прекрасным сорбентом при выводе радионуклидов из организма человека, а выделенные из соломы ржи, пшеницы, ячменя и овса растворимые биоусвояемые сахара являются прекрасным сырьем для получения различных биопродуктов, включая кормовые добавки и биотопливо.

Предлагаемый способ осуществляется в несколько стадий, а именно: извлечение из соломы злаковых культур полезного продукта за счет ее глубокой переработки и полную утилизацию отходов, образующихся в процессе ее переработки. А также попутную выработку электрической и тепловой энергии и последующую переработку извлекаемого на первой стадии полезного продукта в другие еще более полезные для человека вещества. При этом каждая предыдущая стадия данного процесса переработки соломы является заделом для осуществления его последующих стадий, которые в зависимости от поставленных целей могут дополняться той или иной технологией. При этом первые две вышеуказанные стадии данного процесса являются основными, а все последующие базируются на их основе. При этом основные стадии данного процесса могут выполняться как с помощью стационарного оборудования, так и с помощью мобильного передвижного комплекса (биоутулизатора на колесах), в то время как его последующие стадии обязаны проводиться в стационарных условиях с соблюдением всех мер безопасности и привлечением широкого круга специалистов высокого уровня, а также использованием современного оборудования. Благодаря такому разделению многие дополнительные затраты могу быть просто исключены, например транспортные и складские расходы, а следовательно повышена эффективность всего процесса в целом и, как результат, понижена себестоимость извлекаемых полезных продуктов. При этом почти все стадии данного процесса могут выполняться на базе уже существующей инфраструктуры с привлечением известного оборудования. Так, например, собранная на полях тюкованная солома может быть измельчена и высушена при производстве пеллет из органического сырья. А последующая глубокая переработка осуществляется также известным способом [см. патент на полезную модель RU 90299, А23N 17/00 от 06.07.2009 г.], а именно по известной технологии из соломы злаковых культур извлекают сначала первичный продукт - растворимые биоусвояемые сахара, которые затем уже перерабатывают в другой полезный продукт - наноструктурированный углеводный порошок. Однако при этом накапливается большое количество лигноцеллюлозных отходов, утилизация которых уже не столь очевидна. Предпочтительным вариантом, по мнению авторов, является дальнейшая переработка только растворимых биоусвояемых сахаров, в то время как лигноцеллюлозные отходы более целесообразно сразу утилизировать, так как дальнейшая их переработка в другие полезные продукты на данном этапе развития технологии проблематична и экологически невыгодна. В предлагаемом авторами способе лигноцеллюлозные отходы, полученные в процессе глубокой переработки соломы, подвергают дополнительному дроблению до размера частиц не более пяти микрон, а потом утилизируют. При этом утилизацию авторы предлагают осуществлять путем их сжигания в камере сгорания газотурбинной установки, предназначенной для выработки электрической и тепловой энергии и тем самым компенсировать часть затрат.

Заявленный способ использования и утилизации соломы злаковых культур осуществляют по следующему сценарию. Вначале тюкованную солому из хранилища 1 подают на площадку измельчения 2, а затем в сушилку 3 и устройство предварительного ферментирования 4. Далее она поступает в мельницу-механоактиватор 5, туда же поступают и другие ингредиенты, необходимые для ее глубокой переработки. Из мельницы-механоактиватора 5 полученный продукт с помощью пневмотранспортера 7 сначала поступает в сепаратор 6 циклонного типа, а затем в устройство 8 для улавливания и выделения наноструктурированного углеводного порошка из всей массы биосырья и сбора его в накопителе 9. Лигноцеллюлозные отходы в сепараторе 6 отделяют от полезного продукта и переводят в контейнер для их хранения 10. Далее они поступают в дезинтегратор для дальнейшего измельчения до микронного размера. При этом в камере дозатора 11 вышеуказанного дезинтегратора их строго дозируют в зависимости от ситуации помола в рециркуляционной камере 12. В рециркуляционной камере 12 частицы лигноцеллюлозных отходов размером более пяти микрон вновь и вновь вовлекаются в процесс дробления, в то время как частицы размером меньше пяти микрон перетекают в камеру классификатора 13 и накапливаются в его накопителе перед смешиванием их с газообразным топливом газотурбинной установки, предназначенной для получения электрической энергии. При этом процесс смешивания мелкодисперсной составляющей лигноцеллюлозных отходов с газообразным топливом осуществляют с помощью эжектора, установленного на выходе камеры 13 непосредственно внутри корпуса дезинтегратора, и турбокомпрессора 14 газотурбинной установки. Далее лигноцеллюлозную топливную смесь впрыскивают в камеру 15 газотурбинной установки 16. При этом в качестве газообразного топлива в газотурбинной установке может использоваться наряду с традиционным видом топлива и топливо, полученное при дальнейшей переработке наноструктурированного углеводного порошка. При этом не исключается и использование другой смеси мелкодисперсных лигноцеллюлозных отходов, а именно когда в качестве окислителя в камеру сгорания 15 подают обычный воздух из атмосферы. Но использование воздуха целесообразно только при запуске газотурбинной установки 16, так как в этом случае выхлопные газы перед выбросом в атмосферу необходимо будет очистить от вредных окислов, в то время как при использовании биотоплива такая очистка не нужна. Далее из газотурбинной установки 16 отработанные газы через нейтрализатор 17 вводят в котел-утилизатор 18 и далее через блок окончательной очистки 19 выводят через выхлопную трубу 20 в атмосферу. При этом пар, образующийся в процессе утилизации горячих газов газотурбинной установки 16, может быть использован непосредственно в процессе глубокой переработки соломы для сушки и нагрева исходных компонентов или выдаваться потребителю в виде тепла. Другим вариантом использования пара можно рассматривать его утилизацию в парогазовой установке (в дополнительной приставке) с получением электрической энергии. При этом полезный продукт - наноструктурированный углеводный порошок также может быть переработан сразу в газообразное биотопливо в специальном газификаторе ранее известным способом. При этом в случае использования газификатора для производства газообразного биотоплива полученный газ вводят сразу в камеру сгорания 15 газотурбинной установки 16 или закачивают в газохранилище 21. Следует также отметить, что каждая стадия вышеуказанного процесса в свою очередь предусматривает несколько режимов работы, а именно пусковой, нормальный и остановочный, когда по тем или иным причинам, например отсутствие сырья или биотоплива, эти остановки неизбежны.

К достоинству предлагаемого способа следует отнести то, что любой из вышеперечисленных режимов во время основных стадий осуществляется практически мгновенно без каких-либо последствий для окружающей среды и используемого оборудования. К достоинству данного способа следует также отнести и то, что при его использовании не применяют токсичные и вредные для человека химические реактивы, а получаемые полезные продукты и выбрасываемые выхлопные газы чисты и безопасны для человека и окружающей среды. К тому же основные стадии данного процесса можно осуществлять без использования сложных и дорогих приборов и привлечения специалистов высокой квалификации, а следовательно, их можно осуществлять в непосредственной близости от растительного сырья.

Предложенный способ утилизации соломы злаковых культур позволяет эффективно и просто утилизировать солому злаковых культур с получением полезного продукта. Он экологически чист и не предусматривает использование токсичных и вредных для человека технологий. Получаемые полезные продукты в виде наноструктурированного углеводного порошка и электрической энергии и тепла делают его привлекательным для любого инвестора. Мобильные передвижные комплексы, созданные на базе предлагаемого способа, могут составить серьезную конкуренцию существующим предприятиям по переработке растительной биомассы, особенно в сельской местности. К тому же вырабатываемая с их помощью электрическая энергия будет при всех прочих равных условиях существенно дешевле традиционной, транспортировать которую в удаленные и труднодоступные горные районы не всегда экономически выгодно.

Таким образом, изложенные выше сведения показывают, что при использовании данного изобретения выполнена следующая совокупность условий:

- средства, воплощающие данное изобретение, предназначены для использования в промышленности, а именно в области сельского хозяйства, в частности при утилизации соломы злаковых культур и производстве биопродуктов;

- для заявляемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- средства, воплощающие заявляемое изобретение при его осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Преимущество заявляемого изобретения состоит в том, что в результате его осуществления повышается эффективность процесса использования и утилизации соломы злаковых культур, а следовательно, и рентабельность получаемых при этом продуктов, а простота технологии и безопасность в процессе эксплуатации однозначно понижают все виды затрат, обеспечивая при этом существенную экономию при создании экологически чистых энергоустановок, использующих мелкодисперсное твердое топливо из растительного сырья при производстве электрической энергии.

Claims (5)

1. Способ использования и утилизации соломы злаковых культур, включающий извлечение полезного продукта, преимущественно растворимых биоусвояемых сахаров, и последующую утилизацию лигноцеллюлозных отходов, отличающийся тем, что при извлечении полезного продукта солому злаковых культур подвергают глубокой переработке, а именно диспергированию и ферментированию, а лигноцеллюлозные отходы, оставшиеся после извлечения полезного продукта, подвергают дополнительному дроблению до размера частиц не более пяти микрон, смешивают с газообразным топливом и сжигают в камере сгорания газотурбинной установки, предназначенной для выработки электрической и тепловой энергии, при этом полученную в процессе сжигания электрическую и тепловую энергию используют непосредственно в процессе глубокой переработки соломы, а полезный продукт, получаемый в виде наноструктурированного углеводного порошка, используют в качестве сырья для получения биотоплива или другого конкурентоспособного биопродукта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что диспергирование и ферментирование соломы злаковых культур осуществляют с помощью линии для переработки лигноцеллюлозного сырья, включающей по ходу технологического процесса следующее оборудование: измельчитель соломы, сушилку, устройство для введения фермента, мельницу-механохимический реактор, сепаратор циклонного типа с центробежным фильтром, пневмотранспортер с вентилятором и устройство для улавливания и выделения наноструктурированного углеводного порошка.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительное дробление лигноцеллюлозных отходов до микронного размера осуществляют с помощью трехкамерного дезинтегратора, включающего камеру дозатора, камеру рециркулятора и камеру классификатора, с накопителем мелкодисперсной составляющей лигноцеллюлозных отходов.

4. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что смешивание мелкодисперсной составляющей лигноцеллюлозных отходов с газообразным топливом осуществляют с помощью эжектора, установленного непосредственно в корпусе трехкамерного дезинтегратора, и турбокомпрессора, гидравлически связанного с камерой сгорания газотурбинной установки, предназначенной для выработки электрической и тепловой энергии.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что полученный в процессе глубокой переработки соломы злаковых культур наноструктурированный углеводный порошок используют в качестве сырья для получения газообразного биотоплива, которое используют в качестве альтернативного вида газообразного топлива для газотурбинной установки, предназначенной для выработки электрической и тепловой энергии.

Images