ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Биогазогумусные установки». Эффективный альтернативный вариант энергоснабжения фермерских и крестьянских хозяйств.

Рекомендуемая область пременения

- сельское хозяйство
- птичники в фермерских хозяйствах
- альтернативный источник энергии
- переработка отходов сельского хозяйства
- получение ценных органических удобрений с повышенной биологической активностью.

Назначение, цели и задачи проекта

Одна из наиболее острых проблем развития, как фермерского хозяйства, так и всего агропромышленного комплекса проблема его эффективного энергообеспечения. Нерациональное использование электрической и тепловой энергии в большинстве случаев не позволяет им эффективно развиваться. Все это заставляет искать пути рационального использования как традиционных так и нетрадиционных источников энергии. Если традиционным источникам энергии постоянно уделяется большое внимание, то к использованию нетрадиционных энергетических источников относятся довольно скептически. В большей мере такое отношение было заложено как низкой стоимостью традиционных энергоресурсов, так и достаточно плохой научной проработкой вопросов повышения эффективности нетрадиционных источников энергии. В настоящее время картина резко стала меняться, в сторону пристального внимания к использованию нетрадиционных источников энергии, что в большей мере связано не с повышением их эффективности, а повышением тарифов на традиционные энергоресурсы. В связи с этим актуальность исследований повышения эффективности использования нетрадиционных источников энергии для фермерского хозяйства значительно возросла. Среди наиболее приемлемых направлений для региона Северного Кавказа можно считать использование таких нетрадиционных источников как солнечная энергия, энергия ветра и энергия, получаемая за счет биотехнологий. Использование солнечной энергии весьма эффективно в случае летнего периода для решения проблем горячего водоснабжения. Наиболее активно расширяется производство и использование солнечных нагревательных систем в Австралии, Израиле, США и Японии. Для получения высоких КПД в таких элементах используются концентраторы солнечной энергии. Однако использование простейших солнечных коллекторов, использующих прямое преобразование солнечной энергии  в тепловую энергию, за счет нагрева воды в плоских коллекторах не всегда эффективно. Наиболее перспективным и эффективным на наш взгляд, является использование биотехнологий для получения энергии. В этом направлении можно выделить технологии связанные с анаэробным сбраживанием отходов.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Технологии  связанные с анаэробным сбраживанием отходов достаточно успешно используются в различных областях производства. Однако современное развитие сельскохозяйственного производства, появление фермерских и арендных предприятий требует разработки специализированных установок. Отметим, что продуктом переработки по такой технологии является растительные отходы, экскременты животных и птицы и получение на этой основе высококачественных обеззараженных органических удобрений и горючего газа на энергетические нужды. Этот метод позволяет почти полностью сохранить в готовом удобрении все компоненты питательных веществ для растений, которые содержались в исходном сырье. Получаемые органические удобрения получаются обеззараженными от патогенных микроорганизмов, гельминтов и их семян, семян сорняков и могут быть использованы как для основной заправки почвы, так и для подкормки с поливом растений в период вегетации всех культур и при внутрипочвенном внесении. Вырабатываемый биогаз имеет калорийность 5500 ккал.куб.м и может быть использована в качестве топлива для котлов и двигателей внутреннего сгорания.

Вопросы размещения птичников в значительной мере определяются экологическими проблемами, которые они за собой влекут. Любое экологическое воздействие на окружающую природную среду определяется влиянием объекта на атмосферный воздух, водные и почвенные ресурсы.

Данный вопрос является одним из наиболее серьезных с точки зрения воздействия на окружающую природную среду. Среднесуточный выход помета от одной птицы мясного направления – 290 г. Ясно, что даже для маленького птичника на 1000 голов, ежедневное накопление 290 кг помета это серьезная проблема, которая может перерасти в серьезную проблему и для существования самого мелкого хозяйства при условии отсутствия необходимых свободных площадей для их утилизации (складирования), которые при этом должны быть специально оборудованы и достаточно далеко расположены от жилых объектов. Близость же этих птичников или мест складирования помета (навоза) к водным объектам вообще недопустимо. В данном случае начинают действовать нормы расстояний, определяемых для санитарно защитных зон, которые в зависимости от типа и вида объекта могут быть в пределах 200-2000м. Отметим также и экономический аспект, определяемый тем ущербом, который сопровождает размещение отходов производства и оплачиваемый по специальным тарифам. Решение данной проблемы и обусловило значительный интерес к использованию технологий анаэробного сбраживания отходов птицеводства (сельскохозяйственного производства). В настоящее время в КБР, как и во всей Российской Федерации (РФ) отходы сельскохозяйственного производства, как правило, перерабатывают с использованием тех же методов, что и при переработке ТБО, а именно методов захоронения и компостирования. Эти методы основаны на сборе отходов и их складировании в специально-приспособленных для этих целей приемниках (навозохранилищах).

Среди наиболее прогрессивных методов, нашедших свое применение как у нас в стране, так и за рубежом является метод основанные на использовании биообъектов (красный калифорнийский червь) и анаэробное сбраживание отходов. Эти методы направлены на ускорение процесса сбраживания отходов и на получение из отходов гораздо более ценных органических удобрений

Билгазогумусная установка отличается от ранее разработанных наличием механической мешалки, расположенной в верхней части метантенка, кроме этого конусная нижняя часть метантенка заменена скошенным цилиндром, в нижней части которого расположен отвод для выгрузки твердого осадка. Для обогрева метантенка, используется, газовая горелка. Для обеспечения более эффективной ее работы нижняя часть метантенка полая и часть дымовой трубы заведена в метантенк.

В то же время, как показал опыт эксплуатации установки, использование газа на время разгона установки не всегда возможно. Поэтому в установке предусмотрена возможность установки на время запуска установки электрического нагревателя мощностью 1 кВт. Для контроля и регулировки температуры, используется теромопарный регулятор. Для обеспечения взрывобезопасности установки нами разработан отсекатель пламени и специальный гидрозатвор. Отсекатель состоит из металлического цилиндра, внутренний объем которого наполнен металлической стружкой. Гидрозатвор состоит из V-образной стеклянной трубки наполненной на 0,3 объема водой. Газгольдер к установке разработан и изготовлен поплавкового типа, который имеет гораздо более меньший начальный объем. Это достигается специальным размещением вкладываемых друг в друга емкостей. Газгольдер снабжен гидрозатвором, одновременно выполняющем роль конденсатора влаги.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Для анаэробного сбраживания используются биогазогумусные установки, предназначенные для приготовления из растительных отходов, экскрементов животных и птицы высококачественных обеззараженных органических удобрений и горючего газа на энергетические нужды. Этот метод позволяет почти полностью сохранить в готовом удобрении все компоненты питательных веществ для растений (NPK), которые содержались в исходном сырье. Получаемые органические удобрения получаются обеззараженными от патогенных микроорганизмов, гельминтов и их семян, семян сорняков и могут быть использованы как для основной заправки почвы, так и для подкормки с поливом растений в период вегетации всех культур и при внутрипочвенном внесении. Вырабатываемый биогаз имеет калорийность 5500 ккал. куб.м и используется в качестве топлива для котлов и двигателей внутреннего сгорания.

Применение биогазогумусных установок, как альтернативных источников энергии во многом определяется ее конструктивными характеристиками и отработанными технологическими режимами. Для решения данных вопросов требуется разработка опытных лабораторных установок и проведение лабораторных испытаний. Нами разработаны и проведены испытания биогазогумусных установок для птичника, широко применяемого в настоящее время на небольших фермерских хозяйствах.

Лабораная установка

Экспериментальная установка

При переработке отходов сельскохозяйственного производства за все протекание процесса анаэробного сбраживания ответственны кислотообразующие и газообразующие молекулы. Отличительная черта газообразующих бактерий метанового ряда - их избирательность к субстрату. Так Methanobacterium formicium окисляют только муравьиную кислоту, а Methanobacterium Syboxydans - более сложные соединения (валерьяновую и капроновую кислоты, бутиловый спирт). Вместе эти группы бактерий способны полностью переработать все продукты кислого брожения.

Чтобы процесс протекал более интенсивно, в сбраживаемую массу добавляют специально выращенные культуры анаэробных бактерий, который начинают интенсивно размножаться. Следует также учитывать, что газообразующие бактерии метанового ряда нуждаются в строго анаэробных условиях и требуют более длительного времени для воспроизводства, чем кислотообразующие бактерии. Их жизнедеятельность зависит:

1 - от кислотности Среды (как правило кислотность среды поддерживается на уровне рН 6 - 8). Низкий рН подавляет рост метаногенных бактерий и снижает выход баиогаза. Против закисления, как правило, используют известь.

2 - от температуры протекания процесса. В зависимости от температуры процесс сбраживания может протекать по термофильному (50-60 градусов) или по мезофильному (30-40 градусов по цельсию) режимам. Резкие перепады температуры нежелательны.

3 - от соотношения количеств твердой и жидкой фазы. Нормальное протекание процесса, как правило, наблюдается при количестве твердого вещества 7 - 10 процентов. В случае использования жидкого навоза, соотношение между твердыми компонентами и водой должно составлять 1:1.

4 - от соотношения в сбраживаемом составе углерода и азота. Так как при анаэробном сбраживании происходит преобразование имеющегося в отходах углерода и азота в метан при минимальных потерях азота, то поддержание правильного соотношения С/N очень важно для производства метана.

Для предотвращения расслаивания, подавляющего брожение, производится перемешивание загружаемой массы веществ. Образованию метана мешает также наличие крупных комков и перегрузка установки.

Выбор продолжительности пребывания биомассы в реакторе - важнейший технологический момент всего процесса. Универсальных рекомендаций по этому вопросу не существует. Все определяется видом сбраживаемого материала и заранее задаваемой степенью разложения. Для помета птицы и навоза крупного рогатого скота достаточно около 20 дней. Однако, уже двухнедельной переработки при температуре 35 градусов по Цельсию достаточно, чтобы убить все патогенные энтеробактерии и энтеровирусы, а также 90% популяции Ascaris lumbricoides и Ancylostoma.

В случае повышения температуры сбраживания (термофильный режим) процесс заметно ускоряется. В первые десятки минут при термофильном режиме погибают гельминты, а за время выделения метана (5-6 дней) в навозной массе погибают все вредные микроорганизмы, теряют всхожесть семена сорняков.

Все современные биогазовые установки работают практически по одной технологической схеме. Органические отходы поступают в приемный резервуар, где их разбавляют водой. В случае необходимости для создания нужного соотношения С/N в резервуар добавляют отходы полеводства. Подготовленная масса подается в метантенк (дайджестер). В метантенке происходит процесс анаэробного сбраживания. Образующийся биогаз подается в газгольдер, в случае необходимости проходя устройство очистки. Перебродившая в метантенке масса поступает в резервуар для хранения и дальнейшего использования.

Основная часть любой БГУ - метантенк. Конструкции метантенков чрезвычайно разнообразны. Однако предпочтение отдается метантенкам непрерывного (квазинепрерывного) действия, работающего на принципах вертикального смешения и вытеснения.

Изучение анаэробного сбраживания птичьего помета в лабораторных условиях показало приемлемость и эффективность данного подхода. В лабораторных условиях, анаэробное сбраживание проводилось на специально разработанной экспериментальной лабораторной установке, объемом 20 литров. Данная установка представляла собой метантенк на 20 литров и газгольдер на 3 литра. Для контроля физико-химических параметров использовались термометры и газоанализатор. Выход газа регистрировался по газгольдеру. Процесс протекает в мезофильном режиме при температуре 35 градусов по Цельсию. Для обеспечения данного температурного режима использовался жидкостный термостат, вода от которого циркулировала по теплообменнику, расположенному непосредственно в метантенке. Исходным сырьем являлся помет из птичника фермерского хозяйства. Ежесуточная загрузка составляла 1 литр. Перемешивание загруженной массы осуществлялось 2 раза в сутки в момент загрузки. Состав выбирались с различной влажностью и различным отношением С/N, что обеспечивалось добавкой в загружаемую массу отходов растениеводства или древесных опилок.

Для достижения требуемой влажности 80-90 процентов, исходное сырье разводится водой также в пропорции 1:1. Как показывают проведенные на данной установке опыты, уже в первые десятки минут погибают гельминты. Экспериментально наблюдаемое значения для выхода по газу составляло 0.7 литра в час. За время выделения биогаза в навозной массе погибают все вредные микроорганизмы, теряют всхожесть семена сорняков. Отметим, что по существующей традиционной технологии складирования навоза, его можно использовать не ранее чем через 6-8 месяцев, то после обработки в данной установке "отработанный" продукт можно вывозить немедленно.

На основе проведенных лабораторных испытаний. Были получены контрольные цифры и выяснены конструкционные особенности, послужившие основой для разработки полупромышленной установки. Для расчета конструкционных характеристик установки воспользовались требуемым количеством газа, которое определялось бытовыми и технологическими потребностями в данном виде топлива. Учитывая непрерывную работу газовой горелки с расходом 90 литров в час, а также расход газа на подогрев технической воды горелкой с расходом250 литров в час при времени работы 4 часа получим для суточного расхода: G=3,16 м³/сут.

Для получения такого количества газа, исходя из среднестатистических данных по выходу биогаза на одну тонну переработанного помета q=1.32 м³ биогаза на куб.м. объема метантенка, получим требуемый объем метантенка.

V=Gg=2,4м³

С учетом возможных 30% потерь получим объем 3.12 куб.м. Ежедневная суточная загрузка метантенка составит: L=V/t l=0,14м³/сут.

где tl=22 - продолжительность сбраживания.

Объем газгольдера можно рассчитать исходя из часового запаса биогаза: .

Общая тепловая энергия получаемого биогаза: Q_общ=GCб=75,84МДж.

где Cб=24 МДж/кубм. - теплотворная способность биогаза.

Расход теплоты на нагрев исходного помета с температуры 10 градусов до температуры мезофильного режима 35 градусов.

Q_n=L(t₂-t₁)C_n/h=20,3 МДж,

где h=0,7 - кпд нагревательного устройства; Cn =4.06кДж/(кг*град) - теплоемкость помета.

Запас тепловой энергии на собственные нужды:

Q=Q_общ-Q_n=55,54 МДж.

Объем навозоприемника:

V_n=V_rtk=7,32м³

где V_r - плотность помета (навоза), принимается равной 1 т/куб.м.; t - время накопления помета (навоза) равно 2 суток; k=1.5 - коэффициент, учитывающий изменение плотности помета (навоза) в зависимости от исходной влажности (95%).

На основе данных расчетов изготовлена опытная биогазовая установка, работающая на принципах вертикального смешения и вытеснения. Метантенк установлен на металлических опорах, обеспечивающих свободный доступ к выгрузному устройству и устройству подогрева. Подогрев обеспечивается газовой горелкой. Газ на подогрев подводится из газгольдера. Через загрузочное устройство исходная масса поступает в бродильную камеру метантенка где протекает процесс анаэробного сбраживания. После первой загрузки происходит ежесуточная загрузка исходной массы в камеру метантенка. После перебраживания масса всплывает и поступает самотеком в разгрузочное устройство. Выделяющийся при сбраживании биогаз поступает в мокрый газгольдер. Мокрый газгольдер выполнен из двух цилиндрических металлических емкостей типа стакан в стакане. Для удаления осадка из крупных частиц на дне метантенка имеется выходной патрубок, позволяющий производить очистку метантенка. Для контроля за работой метантенка и профилактического осмотра в нем расположены смотровые отводы и люк в верхней крышке метантенка. Данная установка отличается от ранее разработанных в лаборатории наличием механической мешалки, расположенной в верхней части метантенка, кроме этого конусная нижняя часть метантенка заменена скошенным цилиндром, в нижней части которого расположен отвод для выгрузки твердого осадка. Газгольдер снабжен гидрозатвором. Для обогрева метантенка, используется, как и в предыдущем варианте, газовая горелка. Однако, для обеспечения более эффективной ее работы, часть дымовой трубы заведена в метантенк. Для контроля и регулировки температуры, используется термопарный регулятор.

В то же время, как показал опыт эксплуатации установки, использование газа на время разгона установки не всегда возможно. Поэтому в установке предусмотрена возможность установки на время запуска установки электрического нагревателя мощностью 1 кВт. Для контроля и регулировки температуры, используется теромопарный регулятор. Для обеспечения взрывобезопасности установки нами разработан отсекатель пламени и специальный гидрозатвор. Отсекатель состоит из металлического цилиндра, внутренний объем которого наполнен металлической стружкой. Гидрозатвор состоит из V-образной стеклянной трубки наполненной на 0,3 объема водой. Газгольдер к установке разработан и изготовлен поплавкового типа. Однако в отличие от первого варианта установки, второй вариант газгольдера имеет гораздо более меньший начальный объем. Это достигается специальным размещением вкладываемых друг в друга емкостей. Газгольдер снабжен гидрозатвором, одновременно выполняющем роль конденсатора влаги. Проведенные испытания показали гораздо более лучшие эксплуатационные характеристики второго варианта установки.

Анаэробное метановое сбраживание навоза и других отходов сельскохозяйственного производства, позволяет получать биогаз, ценное органическое удобрение с повышенной биологической активностью, либо белково-витаминные концентраты для обогащения ими кормов. Такая переработка навоза - наиболее эффективное природоохранное мероприятие, обеспечивающее его дезодорацию, снижение загрязнения почвенного покрова, водных ресурсов и атмосферы загрязняющими веществами и патогенной флорой.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Изучение анаэробного сбраживания навоза и птичьего помета показало эффективность данного процесса. В лабораторных условиях, анаэробное сбраживание проводилось на специально разработанной экспериментальной лабораторной установке, объемом 20 литров. Ежесуточная загрузка составляла 1 литр. Выход газа составлял 0.7 литра в час. Перемешивание загруженной массы осуществлялось 2 раза в сутки в момент загрузки. Состав выбирался с различной влажностью и различным отношением углерода и азота, что обеспечивалось добавкой в загружаемую массу отходов растениеводства или древесных опилок. Для производственных испытаний нами была разработана   и   изготовлена   опытная   установка   для   фермерского  хозяйства. В соответствии с разработанной технологической схемой основные параметры процесса и технологического оборудования можно определить следующим образом. Процесс протекает в мезофильном режиме при температуре 35 градусов по Цельсию. Исходным сырьем будут являться отходы сельскохозяйственного производства (навоз или птичий помет). Для достижения требуемой влажности 80-90 процентов, исходное сырье разводится водой также в пропорции 1:1. Необходимые конструкционные характеристики элементов установки определялись расчетным методом. Расчет проводился по требуемому количеству биогаза, которое в свою очередь определялось бытовыми и технологическими потребностями в данном виде топлива. На основе данных расчетов изготовлена опытная биогазовая установка объемом 2,44 куб.м, работающая на принципах вертикального смешения и вытеснения. Метантенк представляет собой бродильную камеру снабженную механической мешалкой, расположенной в верхней части метантенка, в нижней части метантенка, представляющего собой скошенный цилиндр, расположен отвод для выгрузки твердого осадка. Метантенк установлен на металлических опорах, обеспечивающих свободный доступ к выгрузному устройству и устройству подогрева. Подогрев обеспечивается газовой горелкой. Газ на подогрев подводится из газгольдера. Для повышения эффективности использования работы горелки, часть дымовой трубы заведена в метантенк, который полностью теплоизолирован от окружающей среды. Для контроля и регулировки температуры, используется термопарный регулятор.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Раннее данную технологию относили только к способам  получения биогаза. Однако в процессе анаэробной переработки навоза стали получать не только новый энергоноситель, но и экологически чистое органическое удобрение по своим свойствам более высокого качества, чем  исходная  масса. В результате анаэробного сбраживания навоза разрушается клетчатка, значительное количество белкового азота переходит в аммиачный, доступный растениям, коагулирует органическое вещество. Кроме того, в процессе сбраживания ускоряется процесс разложения навоза по сравнению с обычным перегреванием в буртах, при этом гибнут семена  сорных растений, гельминты, снижается порог запаха. Основное преимущество анаэробного сбраживания заключается в сохранении практически всего азота и перехода значительной части его в легкоусвояемую растениями форму. Применение сброженной массы позволяет повысить урожайность полевых культур на  30, 40%. Если эффективность  процесса разделить на  энергетическую (от использования биогаза)  и экологическую (охрана окружающей среды), то последняя составляет 78%, а первая 22%.

Новые потребительские свойства продукции

Данная установка отличается от ранее разработанных в лаборатории наличием механической мешалки, расположенной в верхней части метантенка, кроме этого конусная нижняя часть метантенка заменена скошенным цилиндром, в нижней части которого расположен отвод для выгрузки твердого осадка. Газгольдер снабжен гидрозатвором. Для обогрева метантенка, используется, как и в предыдущем варианте, газовая горелка. Однако, для обеспечения более эффективной ее работы, часть дымовой трубы заведена в метантенк. Для контроля и регулировки температуры, используется термопарный регулятор.
В то же время, как показал опыт эксплуатации установки, использование газа на время разгона установки не всегда возможно. Поэтому в установке предусмотрена возможность установки на время запуска установки электрического нагревателя мощностью 1 кВт. Для контроля и регулировки температуры, используется теромопарный регулятор. Для обеспечения взрывобезопасности установки нами разработан отсекатель пламени и специальный гидрозатвор. Отсекатель состоит из металлического цилиндра, внутренний объем которого наполнен металлической стружкой. Гидрозатвор состоит из V-образной стеклянной трубки наполненной на 0,3 объема водой. Газгольдер к установке разработан и изготовлен поплавкового типа. Однако в отличие от первого варианта установки, второй вариант газгольдера имеет гораздо более меньший начальный объем. Это достигается специальным размещением вкладываемых друг в друга емкостей. Газгольдер снабжен гидрозатвором, одновременно выполняющем роль конденсатора влаги. Проведенные испытания показали гораздо более лучшие эксплуатационные характеристики второго варианта установки.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

1) Помет – влажность 80-90 % РН 6-8
2) Метантенк – материал металл, утепленный теплоизоляционным материалом.
3) Газгольдер – металл или пластик.

Стадия и уровень разработки

Существует лабораторная биогазогумусная установка и эксперементальная промышленная установка, используемая на Нарткалинской птицефабрике.

Предлагаемые инвестиции

1 млн. руб.

Рынки сбыта

1) Сельское хозяйство
2) Промышленные предприятия , как изготовители.

Возможность и эффективность импортозамещения

Имеются аналоги, но есть возможность замещения.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

12

Дата поступления материала

01.12.2006