ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Создание многофункционального источника возобновляемой энергии и получение биогаза и биоудобрений из отходов сельского хозяйства путём решения экологических проблем.

Рекомендуемая область пременения

Создание возобновляемых источников энергии (получение биогаза) с использованием биотехнологий, получение экологически чистых биоорганических удобрений и биодобавок к кормам для животных, птиц и рыб, при одновременной очистке воздуха, воды и почвы сельских населенных пунктов, животноводческих ферм, свиноводческих комплексов и птицефабрик от канцерогенных веществ их отходов.

Назначение, цели и задачи проекта

Разработка технологии промышленной переработки отходов животноводства, птицеводства и растениеводства на биогумус и биогаз и создание комплекса средств её обеспечения.Решение этой многогранной проблемы с учётом географического расположения, водно-растительво-почвенно-климатических особенностей, энергообеспеченности и экологической ситуации регионов, возможно путём разработки многофункционального источника возобновляемой энергии на базе биогазово-биогумусной технологии с использованием солнечной и ветровой энергии. Такие комплексы (или его отдельные блоки) позволят обеспечить фермерские хозяйства, крестьянское подворье, средние и крупные предприятия АПК, пригородные коттеджные экопоселения, отдаленные населённые пункты, воинские части, погранзаставы, экспедиции и т.п. теплом и электроэнергией, топливом, биоудобрением, биодобавками к кормам для животных, птиц и рыб, при абсолютной чистоте производства.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

За 2003-2006г.г. цены на нефтепродукты, газ и тарифы на электроэнергию в мировом рынке возросли более чем в 3 раза. Прогноз на ближайшие 5-10 лет несравненно выше. Если запасы ископаемых топлив иссякают, напротив биоэнергия возобновляемая, имеется в любом регионе, потенциал ее вполне достаточен для удовлетворения нужд сельхозпроизводителей.

К2006 году доля РФ в мировом балансе потребления возобновляемых источников энергии составляет менее 0,1%. Причём сведения о потреблении биоэнергии от переработки отходов сельского хозяйства нет вообще. Для нашей страны, с огромными малонаселёнными территориями занятыми сельхозпроизводством, биоэнергетика конкурентоспособна с привозным топливом и электроэнергетикой.    Для    густонаселённых,    экономически   развитых    регионов использование   возобновляемых   источников   энергии   и   биотехнологий   может оказаться решающим фактором обеспечения экологической чистоты.

Энергетическая составляющая биогазово-биогумусной технологии, т.е. стоимость биогаза, в общей стоимости товарной продукции составляет всего лишь 7-12%, 88-93% приходится на долю одновременно получаемого биоудобрения. По данным информационных источников в настоящий момент в ЕС доля производимых экологически чистых продуктов питания составляет 30%, к 2010 году предусматривается рост до 60%. В РФ вообще отсутствует законодательная, экономическая, техническая и технологическая база для производства и потребления экологически чистых продуктов питания. Следовательно, разработка биогазово-биогумусной технологии по промышленной переработке органических отходов и средств её обеспечения с целью получения энергоносителя - биогаза, экологически чистых биоудобрений и биодобавок к кормам при одновременной очистке воздуха, воды и почвы от канцерогенных веществ, является актуальной проблемой не только для отдельного региона, но и для всей России.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

В основе биогазово-биогумусной технологии лежат сложные природные процессы биологического разложения навоза, птичьего помёта и др. органических веществ в анаэробных условиях (без доступа кислорода воздуха).

В отличие от примитивного долгосрочного превращения навоза или птичьего помёта с подстилкой, бытовых отходов без каких либо предварительных обработок в биогумус и биогаз, интенсивная, промышленная биогазовая технология представляет собой смешивание предварительно подготовленных органических отходов в определённой пропорции с водой, содержание в герметичной среде приопределённой температуре с периодическим перемешиванием и отводом выделившихся газов. Применяются мезофильные протекающие при температуре 15...18⁰С, термофильные -45...57°С и переходные- 18 - 37°С методы. Применение мезофильного метода брожения с биостимуляторами связано с необходимостью наличия биолаборатории по выращиванию и содержанию биостимуляторов (микроорганизмов) для разных этапов брожения, что для малых и средних биогазово-биогумусной установок (БГУ) (V_P < 100м³) дорого и неприемлемо, для БГУ с V_p > 100m³ и крупных комплексов по сравнению с термофильным режимом, требующим дополнительный расход тепловой энергии, при дефиците энергоносителей, мезофильный режим является более дешёвым.

Но, если при принятой технологии в термофильном режиме увеличение выхода биогаза по сравнению с мезофильным компенсирует собственные расходы (до 30% выделяющегося газа), то  проще и дешевле осуществление этого метода.

Предлагаемый проект предусматривает осуществление технологического процесса, в зависимости от объёма, типа и расположения реактора, переходным (32-37 °С) или термофильным (45-57 ⁰С) методами.

Новизна подхода к решению поставленной задачи заключается в следующих:

-адаптация технологического процесса промышленной переработки биоотходов к природно-климатическим» растительным и водно-почвенным условиям конкретного региона и выбор сооветсвующих типов, материалов и конструктивных параметров элементов средств его обеспечения;

- установление и учёт зависимости общей технологической схемы БГУ, параметров её элементов и производительности установки от масштаба и цели создания объекта, способа содержания и кормления животных и птиц, качества и состава кормов, периодичности и способа уборки отходов и технологии их хранения (см. пункт 5).

Подходы:

При выборе проектного решения общей схемы технологического процесса и основных элементов средств его обеспечения целесообразно следующие обобщенные и обоснованные подходы;

1. В литературных источниках, известных патентах, отчетах по исследованию технологического процесса переработки биологических отходов животноводства и птицеводства в биогумус и биогаз рассматриваются только процесс брожения, готового субстрата или переработка навозных стоков собранных гидросмывом из животноводческих помещений при безподстилочном их содержании. Необходимость предварительной подготовки навозной массы из ферм с подстилочным беспривязным содержанием животных нигде никем не рассматривался. При беспривязном подстилочном содержании животных и птиц в составе навозной массы доля примесей (полстилки, остатков грубых кормов, земли и т.д.) достигает до 60%, они не однородны, имеют разные физико-механическиесвойства, размеры частиц и т.д. Поэтому непосредственное использование такого сырья для интенсивного брожения невозможно.

Пока нет специального оборудования для приведения в однородное состояние (диспергирования) навозной массы с подстилкой и остатками грубых кормов, или отделения из нее крупных механических включений, соломы, остатков грубых кормов до или н процессе перемешивания с водой. Поэтому переработка такого исходного сырья исследователям не представлялась возможным из-за разности по времени периода брожения, невозможности работы механизмов перемешивания (электромеханического или гидравлического), гидрозагрузки и разгрузки, необходимости частой периодической очистки метантенка и трубопроводов, иди необходимости предварительной переработки (дробления) или рассортировки навозной массы.

2. Конструкции, объемы, материалы и размещение реактора или реакторов (метантенков,   бродильных   камер,   ферментаторов) выбираются   исходя   из назначения, производственной программы или конкретных технических условий

заказчика.

3. О целесообразных конструктивных исполнениях и приводе механизма перемешивания биомассы в реакторах с рабочим объемом  V_p>2...3 м" или каких-либо сравнительных испытаниях электромеханических, механических или гидравлических систем перемешивания технической информации  или нормативных (стандартных) данных нет, следовательно, их необходимо разрабатывать для каждого конкретного реактора (индивидуального проекта).

4. С точки зрения энергосбережения целесообразными считаются самотечные схемы загрузки и выгрузки.  Однако при надземном расположении метантенка затрудняется (исключается) его загрузка самотеком, при подземном расположении исключается выгрузка отработавшей биомассы из него.

При небольших объемах суточной загрузки и выгрузки ручной способ приемлем. При суточной загрузке выгрузке 250-500 кг и выше такая возможность исключается. При выборе типа и конструкции механизма загрузки и разгрузки метантенка необходимо принять компромиссное решение.

5. Обогрев биомассы при термофильном режиме брожения может осуществляться до загрузки в реактор и в реакторе. Каждый из двух вариантов имеют свои положительные и отрицательные стороны. В литературе нет информации об оптимальном варианте.

В первом варианте частичный или полный обогрев биомассы осуществляется в специальных котлах или теплообменниках, работающих в основном от тепломагистралей или вторичных энергоресурсов, затем нагретая пульпа загружается в теплоизолированный реактор и в реакторе поддерживается постоянная температура. Такой обогрев упрощает конструкцию реактора, но увеличиваются обшие энергозатраты   на   привод   насосов,   тепловые   потери   истоимость оборудования.

При обогреве биомассы в реакторе усложняется его конструкция, так как система обогрева может быть выполнена в виде водяной рубашки, гладкотрубных, оребренных и секционных теплообменников или «котел вреакторе». Обогрев может быть и двухступенчатым: в предварительной ступени и в реакторе. При множествевариантов обогрева биомассы рациональным может считаться тот, который позволяет размещение электромеханического механизма, обеспечивающего перемешивание биомассы по всему объему реактора. При гидравлическом перемешивании биомассы конструкция теплообменника особой роли не играет, единственное требование к конструкции - это равномерный обогрев биомассы по всему объему реактора и минимальные тепловые потери, При небольших размерах реактора (V_р < 30 м³) наиболее оптимальным считается обогревательный теплообменник специальной конструкции, играющий одновременно роль роторной мешалки биомассы в реакторе.

В любом случае, выбранный вариант системы обогрева должен учесть отсутствие в сельской местности ВЭР и тепломагистралей, и обеспечить минимальные тепловые потери и общий расход тепла на биопроцесс, простоту конструкции и удобство я эксплуатации. По данным наших исследований выбор любого из перечисленных вариантов обогрева биомассы зависит от объема реактора, технических и технологических возможностей предприятий-изготовителей, предполагаемого объема производства биогумуса и биогаза (условия окупаемости объекта).

             6.  В этой цепи наиболее сложным следует считать очистку биогаза, наиболее дорогостоящим - его хранение и заправку. Реализация очищенного биогаза абсолютно ничем не отличается от использования природного газа. Сбор выделяемого в процессе брожения биомассы биогаза можно осуществить самотеком в буферный газгольдер с гидрозапором, в упругий газгольдер с предохранительным клапаном или откачкой компрессором. Наиболее простое и дешевое применение биогаза - его использование в естественном виде. Собранный в
буферном газгольдере газ может быть использован вкотлах для теплоснабжения, горячего водоснабжения, без очистки для сушки зеленой массы, в теплоэлектрогенераторах, теплогенераторах. При этом содержание метана (CH4) в биогазе не превысит 65-70%. Если же биогаз предназначается для использования в качестве топлива для транспортных электростанций получения метанола, то естественно требуется его очистка от CO , CO2 и H2S и других примесей и доведение концентрации CH4 до 94-95% и сушка. Это возможно при наличии и цепи между буферным газгольдером и компрессором специального двухступенчатого фильтра и влагоуловителя; газольдера высокого давления (для хранения) биогаза и газоправочного оборудования. Последние применимы при достаточно хорошей производительности.

7. Наиболее простым и целесообразным способом реализации биогумуса (перебродившей биомассы) является его внесение сразу в почву без каких-либо переработок что важно для собственных нужд сельхозпредприятия. При крупном производстве и реализации биогумуса на сторону для снижения расходов на хранение и транспортировку целесообразно переведение переработанной биомассы на жидкую и твердую фракции, выпаривание жидкой и сушка твердой фракций, грануляция и расфасовка для транспортировки. Возможна также расфасовка жидкого биогумуса в пластиковую тару объемами 1, 3, 5, 10, 40, 100, 200 литров.

Проведенный анализ процессов, механизмов и систем, входящих в технологическую схему «обобщенного варианта» биогазово-биогумусной установки, показывает, что для переработки биоотходов из животноводческих или птицеводческих ферм с беспривязным подстилочным содержанием животных и птиц технологическая схема обязательно должна включать:

-предварительную ступень сбора, разрыхления, рассортировки (или дробления) и диспергирования биомассы, которая экономически целесообразна только при объеме реактора V_{р=50куб.м.}

-реактор (метантенк, бродильная камера, ферментатор) с достаточно хорошей теплоизоляцией, механизмами (или системами) обогрева и перемешивания биомассы;

-механическую, гидравлическую илисамотечную (иликомбинированную) систему загрузки субстрата и выгрузки перебродившей биомассы;

-систему сбора, очистки, хранения и реализации биогаза;

-систему хранения, разделения на фракции, сушки, гранулирования и расфасовки биомассы или непосредственной реализации в жидком виде;

-автоматизированную   контрольно-измерительную системудляосуществления технологического процесса.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

При беспривязном подстилочном содержании животных и птиц в составе навозной массы доля примесей (полстилки, остатков грубых кормов, земли и т.д.) достигает до 60%, они не однородны, имеют разные физико-механическиесвойства, размеры частиц и т.д. Поэтому непосредственное использование такого сырья для интенсивного брожения невозможно.

Пока нет специального оборудования для приведения в однородное состояние (диспергирования) навозной массы с подстилкой и остатками грубых кормов, или отделения из нее крупных механических включений, соломы, остатков грубых кормов до или н процессе перемешивания с водой. Поэтому переработка такого исходного сырья исследователям не представлялась возможным из-за разности по времени периода брожения, невозможности работы механизмов перемешивания (электромеханического или гидравлического), гидрозагрузки и разгрузки, необходимости частой периодической очистки метантенка и трубопроводов, иди необходимости предварительной переработки (дробления) или рассортировки навозной массы.

Конструкции, объемы, материалы и размещение реактора или реакторов (метантенков,   бродильных   камер,   ферментаторов)   выбираются   исходя   из назначения, производственной программы или конкретных технических условий заказчика.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Результатами проекта являются: получение сертифицированного экологически чистого биоудобрения для всех видов растений и почв; альтернативного топлива - очищенного биогаза, с содержанием метана не менее 86-90%. Биогаз можно использовать как моторное или котельное топливо, и для бытовых нужд (для горячего водоснабжения и отопления). Биоудобрение снижают кислотность почвы, используются круглый год. Повышение плодородия для злаковых, клевера, суданки, кукурузы на зерно в различных климатических зонах составляет от  15 до 35%, овощей, бахчевых и фруктов - 2-4 раза. Повышает устойчивость растений к засухе. Смачивание семян в жидком биогумусе увеличивает всхожесть семян до 98%. Приживаемость высаживаемых рассад – почти 100%.По технико-экологическим и экономическим показателям возобновляемые источники энергии обеспечивают получение биогумуса и биогаза при низких эксплуатационных затратах, быстрой окупаемости и минимально вредном воздействии на окружающую среду. Это позволит получить экономические преимущества, обеспечат снижение капитальных затрат и производственных издержек, что в целом даст значительный экономический эффект на предприятиях.

Новые потребительские свойства продукции

Высокая эффективность технологических процессов, которые обеспечиваются за счет снижения эксплуатационных расходов.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

Общий план работы на весь срок выполнения проекта следующий:
Обследование конкретного предприятия, разработка и согласование технических условий на проектирование. Выбор и обоснование типа реактора и общей технологической схемы БГУ.
Разработка общей технологической схемы ступени предварительной подготовки биомассы к брожению.
Разработка общих видов реактора БГУ с системами загрузки - разгрузки, перемешивания биомассы и её обогрева. Конструирование и расчёт элементов реактора.
Разработка общей технологической схемы сбора, очистки и хранения (подачи потребителю) биогаза. Конструирование и расчёт её элементов.
Разработка общей технологической схемы системы сбора, хранения и расфасовки жидкого биоудобрения (проектирование системы разделения.)
Технологический процесс отработан на трех установках: Vр=1,23м3 при Саратовском Государственном Аграрном университете, Vp=2 x 1,5м3- при технологическом институте (г.Бухара), республики Узбекистан; VP = 3,5 м3 - при Нижнечерновском агропромышленном холдинге Вольского района Саратовской области.
В качестве сырья были использованы: куриный помёт из птицефабрики с клеточным содержанием птиц, навоз КРС из фермы с подстилочным содержанием животных и свиные стоки. Влажность птичьего помёта до загрузки составляла 65%, при загрузке 80%, навоза КРС соответственно 80% и 91%, свиных стоков - 98% и 90%, Температура брожения птичьего помёта составляла 35 - 42 0С т.е. кроме солнечного тепла дополнительный подогрев отсутствовал (Узбекистан). Температура брожения навоза КРС и свиных стоков составляли 52 - 57 0С (г.Саратов, СГАУ и Вольский район Саратовской области).

Предлагаемые инвестиции

6 млн. руб.

Рынки сбыта

Технологический процесс отработан на трех установках при Саратовском Государственном Аграрном университете, при технологическом институте (г.Бухара) республики Узбекистан, при Нижнечерновском агропромышленном холдинге Вольского района, Саратовской области.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология и оборудование для ее реализации не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и услуг

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

29.11.2006