ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Производство биореактора для переработки органических отходов и получения горючего биогаза»

Рекомендуемая область пременения

Предлагаемая инновационная технология предназначена для получения альтернативного источника энергии путем переработки жидких органических отходов. Дополнительным эффектом является получение в процессе переработки экологически чистых органических удобрений.

Назначение, цели и задачи проекта

Проблема энергосбережения, так же как и экологической безопасности, актуальна в настоящее время. Во всем мире ведется поиск альтернативных источников энергии, безопасных для окружающей среды.

Цель инновационного проекта – получение экологически безопасного альтернативного источника энергии путем переработки жидких органических отходов.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

В последнее время все большее внимание привлекают нетрадиционные – с технической точки зрения – источники энергии: солнечное излучение, морские приливы и волны и многое другое. Некоторые из них, например, ветер, находили широкое применение и в прошлом, а сегодня переживают второе рождение. Одним из «забытых» видов сырья является и биогаз, использовавшийся еще в Древнем Китае и вновь «открытый» в наше время.

Что же такое биогаз? Этим термином обозначают газообразный продукт, получаемый в результате анаэробной, то есть происходящей без доступа воздуха, ферментации органических веществ самого разного происхождения. В любом крестьянском хозяйстве в течение года собирается значительное количество навоза, ботвы растений, различных отходов. Обычно после разложения их используют как органическое удобрение. Однако мало кто знает, какое количество биогаза и тепла выделяется при ферментации. А ведь эта энергия тоже может сослужить хорошую службу сельским жителям.

Биогаз – смесь газов. Его основные компоненты: метан (СН₄) - 55-70% и углекислый газ (СО₂) – 28-43%, а также в очень малых количествах другие газы, например – сероводород (Н₂S).В среднем 1 кг органического вещества, биологически разложимого на 70%, производит 0,18 кг метана, 0,32 кг углекислого газа, 0,2 кг воды и 0,3 кг неразложимого остатка.

Существует технология анаэробного сбраживания жидких органических отходов, например навоза, при которой реактор, содержит теплоизолированную бродильную емкость с водяной рубашкой, патрубками для ввода и вывода сбраживаемой массы, а также вертикальную, центральную трубу, коаксиально установленную внутри бродильной емкости. Труба не доходит до днища бродильной емкости, выполненной с двойными стенками и имеющей направляющие элементы на внешней поверхности, а в верхней части патрубок для отхода биогаза.  При этом центральная труба снабжена безнапорной магистралью, которая выполнена в виде наклонного патрубка с регулируемым клапаном, сообщенного верхним концом с верхней частью внутренней полости центральной трубы, а нижним концом - с бродильной емкостью, причем нижний конец патрубка погружен в сбраживаемую массу, а направляющие элементы выполнены в виде подвижных лопастей, установленных попарно с наклоном друг к другу (см. авторское свидетельство СССР №1152541, МПК А 01 С 3/00, опубликованное 30.04.1985).

Недостатки этого реактора заключаются в низкой эффективности удаления твердой фракции осадка особенно при сбраживании полужидкого навоза или высококонцентрированных стоков из-за быстрого уплотнения осадка в зоне нижнего торца центральной трубы, большой длительности процесса брожения вследствие неинтенсивного перемешивания сбраживаемой массы подвижными лопастями, не имеющими привода, высоком коркообразовании на поверхности сбраживаемой массы в верхней части бродильной емкости.

Наиболее близким к предлагаемому реактору аналогом является реакторRU (11) 2226047 (13) C1, МПК 7 A01C3/02. Сущность данного технического решения заключается в том, что запатентованный реактор содержит вертикальную теплоизолированную ферментационную емкость с коническим днищем и выполненной в виде купола крышей, в центральную часть которой вмонтирован газосборный колпак, вертикальную центральную трубу, коаксиально установленную внутри ферментационной емкости под газосборным колпаком, сообщенную с последним и не доходящую до днища ферментационной емкости, В центре конического днища ферментационной емкости выполнено выпускное отверстие, к которому подключен выгрузной трубопровод с вмонтированным в него запорным краном. Устройство для выравнивания давления газа в центральной трубе и подкупольной зоне ферментационной емкости выполнено в виде сифона, восходящая ветвь которого через гидравлический затвор сообщена с ферментационной емкостью, а нисходящая ветвь - введена сверху в центральную трубу. Газосборный колпак заглублен в ферментационную емкость так, что его нижняя кромка расположена ниже входного отверстия восходящей ветви сифона. Переключатель дополнительного газопровода и привод запорного крана выгрузного трубопровода связаны с блоком управления.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Избежать всех указанных недостатков позволяет создание новой  инновационной технологии, основывающейся на конструкции биореактора.

Технические результаты предлагаемой технологии получения горючего биогаза из жидких органических отходов с использованием биореактора заключаются в том, что:

- повышается КПД работы биореактора за счет горизонтальной трубной конструкции биореактора, в которой обеспечивается разделение сбраживаемой биомассы по степени сбраживания, что способствует более полному выделению биогаза;

- создается возможность быстрого получения качественных удобрений, пригодных сразу после пропускания через биореактор для использования в сельском хозяйстве за счет полного перебраживания;

- повышается безопасность работы биореактора за счет того, что загрузочный и выгрузочный люки не имеют запорной арматуры, и давление в рабочей части биореактора удерживается за счет гидрозатвора;

- в заявляемой установке имеется управляющий автомат, выполненный в виде микропроцессора, который следит за созданием заданной кислотности, температуры, влажности, давления внутри биореактора, обеспечивая при этом стабильность процесса протекания биореакций. Горизонтальная трубчатая конструкция биореактора, имеющая на выходе свободный излив, обеспечивает простоту обслуживания биореактора.

- смещенная в сторону от центра горизонтальная мешалка, расположенной в нижней части биореактора обеспечивает более легкое прохождение биомассы внутри биореактора – не создает дополнительного сопротивления.

Биореактор по предлагаемой инновационной технологии выполнен в виде стальной трубчатой емкости, расположенной либо горизонтально, либо под уклоном 3-5 град., разделенной сверху на три сектора. Вдоль корпуса биореактора имеются  металлические перегородки - сегменты, не доходящие до дна биореактора. Нижняя часть биореактора заключена в водяную рубашку. Длина биореактора зависит от времени сбраживания биомассы, а диаметр трубы - от производительности биореактора.

Первый сектор биореактора – загрузочный, он имеет небольшой объем и снабжен в верхней части загрузочным люком, не имеющим запорной арматуры, через который  осуществляется загрузка биомассы. В первом секторе монтируется датчик рН  для контроля исходной кислотности загружаемой биомассы.

Второй сектор - рабочий, в нем происходит брожение и образование биогаза. Биогаз поступает в газгольдер через отборное устройство. Во втором секторе смонтировано подключение к газгольдеру, а также в нем имеется соединение с микропроцессорным контроллером, на который поступают сигналы с приборов, измеряющих температуру, рН и давление. Биомасса во втором секторе периодически, три раза в сутки перемешивается мешалкой, расположенной в нижней части биореактора и смещенной  в сторону от центра.

Третий сектор выгрузочный, имеет небольшой объём. В третьем секторе на торцевой поверхности смонтирован  открывающийся выгрузочный люк, не имеющий запорной арматуры, для выгрузки перебродивших масс.

В нижней части торца третьего сектора биореактора может быть выполнен открывающийся очистной люк, через который при остановке биореактора выполняется очистка внутренней поверхности биореактора.

На Фигуре 1 изображен биореактор – вид спереди, на Фигуре 2 - биореактор – разрез А-А..

Биореактор работает следующим образом:

В загрузочный отсек 12 через загрузочный люк 9 загружается биомасса. Датчики влажности и кислотности 8 определяют характеристики загруженного сырья, и в случае необходимости, по сигналу с микроконтроллера, производится увеличение влажности путем добавления воды, или изменение кислотности - путем добавления кислоты или щелочи. Возможно добавление в биомассу бактерий, ускоряющих процесс разложения органических веществ биомассы 16.

Корпус биореактора 1, разделенный перегородками 3 и 4, можно рассматривать как сообщающиеся сосуды, имеющие перепускные отверстия в виде пространства под перегородками 3 и 4. Вновь поступившая из загрузочного отсека 12 биомасса продавливается в рабочий отсек 13.

Биогаз скапливается в рабочем отсеке 13, занимая свободное пространство между внутренней поверхностью корпуса 1 биореактора, между боковыми поверхностями перегородок – сегментов 3 и 4  и поверхностью биомассы 15, при этом образуется давление биогаза, не превышающее давления гидростатического столба высоты сегмента.

Биомасса 15 продавливается из отсека 12 в отсек – 13 и далее в отсек 14 через выше указанные перепускные отверстия.

Биогаз 16, выделяющийся при сбраживании, скапливается, в основном, в рабочем отсеке. Технологические параметры в рабочем отсеке поддерживаются автоматически, по командам, выдаваемым микропроцессорным контроллером.

Продавливание биомассы 15 через корпус биореактора 1 облегчается при использовании горизонтальной мешалки 7, которую включают несколько раз в сутки. Данная мешалка рыхлит биомассу.

При продавливании биомассы в третий сектор 14, она там накапливается до уровня выгрузочного люка10, и самоизливом поступает в приемник перебродившей биомассы 18.

При профилактических работах чистку внутри биореактора проводят через очистной люк 11.       Для поддержания рабочей  температуры биореактор снабжен термостатирующей рубашкой, например, водяной, через которую циркулирует оборотная вода, температура которой регулируется по командам с микроконтроллера, анализирующего показания с датчиков температуры внутри биореактора.

Решающую роль в развитии процесса ферментации играет температура: нагрев сырья с 15^о до 20^о может вдвое увеличить производство энергоносителя. Поэтому часть генераторов имеет специальную систему подогрева сырья, однако большинство установок не оборудовано ею; они используют лишь тепло, выделяемое в процессе самого разложения органических веществ. Одним из важнейших условий нормальной работы ферментатора является наличие надежной теплоизоляции. Кроме того, необходимо свести к минимуму потери тепла при очистке и наполнении бункера ферментатора.

Нужно помнить также о необходимости обеспечения биохимического равновесия. Иногда темпы производства бактериями кислот выше, чем темпы их потребления бактериями второй группы. В этом случае кислотность массы растет, а выработка биогаза снижается. Положение может быть исправлено либо уменьшением ежедневной порции сырья, либо увеличением его растворимости (по возможности, горячей водой), либо, наконец, добавкой нейтрализующего вещества – например, известкового молока, стиральной или питьевой соды.

Производство биогаза может уменьшиться за счет нарушения соотношения между углеродом и азотом. В этом случае в ферментатор вводят вещества, содержащие азот, - мочу или в небольшом количестве соли аммония, используемые обычно в качестве химических удобрений (50-100 г на 1 м³ сырья).

Следует помнить, что высокая влажность и наличие сероводорода (содержание которого в биогазе может достигать 0,5%) стимулируют повышенную коррозию металлических частей установки. Поэтому состояние всех остальных элементов ферментатора следует регулярно контролировать и в местах повреждений тщательно защищать: лучше всего свинцовым суриком – в один или два слоя, а затем еще двумя слоями любой масляной краски.

В качестве трубопровода для транспортировки биогаза от выпускного патрубка в верхней части колокола установки до потребителя могут использоваться как трубы (металлические или пластмассовые), так и резиновые шланги. Их желательно вести в глубокой траншее, чтобы исключить разрывы из-за замерзания зимой конденсировавшейся воды. Если же транспортировка газа с помощью шланга осуществляется по воздуху, то для отвода конденсата необходимо специальное устройство. Самая простая схема такого приспособления представляет собой U-образную трубку, присоединенную к шлангу в самой нижней его точке. Длина свободной ветви трубки (х) должна быть больше, чем выраженное в миллиметрах водяного столба давление биогаза. По мере того, как в трубку стекает конденсат из трубопровода, вода выливается через ее свободный конец без утечки газа.

В верхней части колокола целесообразно также предусмотреть патрубок для установки манометра, чтобы по величине давления судить о количестве накопленного биогаза.

Опыт эксплуатации биореактора показал, что использование в качестве сырья смеси разных органических веществ дает больше биогаза, чем при загрузке ферментатора одним из компонентов. Влажность сырья рекомендуется немного уменьшать зимой (до 88-90%) и повышать летом (до 92-94 %). Вода, которую используют для разбавления, должна быть теплой (желательно 35-40^о). Сырье подается порциями, по крайней мере, один раз в сутки. После первой загрузки ферментатора нередко сначала вырабатывается биогаз, который содержит более 60% углекислого газа и поэтому не горит. Этот газ удаляют в атмосферу, и через 1-3 дня установка начнет функционировать нормально.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Использование альтернативных источников энергии - уже дело не далекого будущего, а сегодняшнего дня. По доступности получения биогазу практически нет равных. При этом происходит чудесное совмещение "полезного с полезным": источники биогаза - навоз, мусор, органические отходы - иными словами, все то, от чего мы любой ценой хотим избавиться. Технология получения, ничем не отличаясь от применяемой на станциях аэрации, совершенно безвредна для природной среды. В результате несложного процесса переработки представляется возможным получить горючий газ с теплотворной способностью 5 000 ккал/куб. м.

Учитывая тот факт, что потенциальные запасы биогаза, сосредоточенные только в отходах мирового сельскохозяйственного производства составляют 1-1,3 млрд. тонн условного топлива в год, можно свести к минимуму вероятность предрекаемой учеными энергетической катастрофы. Кроме того, остатки брожения органического содержимого биогазовой установки содержат азот, фосфор, калий, а также микроэлементы, отсутствующие в обычных минеральных удобрениях. Иными словами, после очистки от микробов данные остатки представляют собой идеальное удобрение. Таким образом: преимуществ - масса, недостатков - пока никаких.

Биореактор объемом 60 м³ способен вырабатывать 50 м³ биогаза и перерабатывать до 3 т навоза в сутки. Предлагаемая конструкция биореактора не имеет аналогов.  Биореактор выполнен в виде стальной трубчатой емкости, расположенной горизонтально  и разделен на три секции, не доходящими до дна, перегородками сегментами. В первом секторе биореактора расположен загрузочный люк, через который осуществляется загрузка биомассы, во втором секторе происходит брожение биомассы и через отборное устройство отводится биогаз в газгольдер, а в третьей секции на торцевой поверхности смонтирован выгрузочный люк для выгрузки перебродившей биомассы, при этом реактор снабжён водяной рубашкой и горизонтальной мешалкой. Мешалка включается автоматически 4 раза в сутки на 5 минут. Через водяную рубашку циркулирует вода сначала для нагрева (рабочая температура должна быть не менее 35⁰С), а потом для охлаждения. Подогрев воды осуществляется мини котлом работающем как на твердом так и на жидком топливе. Выход на рабочий режим от  4 до 6 суток.

Конструкция биореактора отличается от ранее предложенных тем, что в процессе брожения перебродившая биомасса перемещается от загрузочного люка к выгрузочному не перемешиваясь между собой, что способствует более полному сбраживанию и большему выходу биогаза. Выгрузка перебродившей биомассы осуществляется через выгрузочный люк, расположенный в верхней части третьего сектора. Загрузочный и выгрузочный люки не имеют запорной арматуры. Длина и диаметр биореактора зависит от производительности. Биореактор снабжён датчиками температуры, рН, и давления, рабочие параметры в биореакторе поддерживаются автоматически  микропроцессорным контроллером. Полученный биогаз имеет низкую себестоимость и может быть использован для сушки мясокостной муки.

Сравнительная таблица значимых показателей

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Реактор объемом 60м³ может вырабатывать 50 м³ газа в час , что является эквивалентом 80 кВт / час электроэнергии или 800 кг топочного мазута в сутки. Биореактор может перерабатывать отходы от 600 голов КРС и 40000 голов птицы (до 3 т навоза в сутки).

Себестоимость электрической энергии, полученной из биогаза 2-4 раза ниже полученной из электросети.

Новые потребительские свойства продукции

Предлагаемая конструкция биореактора имеет преимущество перед устройствами аналогичного назначения в компактности и производительности. Биореактор объемом 60м3 может вырабатывать 50 м3 газа в час, что является эквивалентом 80 кВт/час электроэнергии или 800 кг топочного мазута в сутки. Преимуществом является значительное увеличение выхода получаемого продукта – горючего биогаза, что ведет к снижению его себестоимости на 40-50%. Управление осуществляется автоматически при помощи микропроцессорного контроллера.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Перед загрузкой в биореактор исходная биомасса в зависимости от состава должна быть пропущена через измельчитель фирмы ALLDOS Eichler GmbH , Германия

Стадия и уровень разработки

Ведется сертифицирование образца.

Предлагаемые инвестиции

10 млн. руб.

Рынки сбыта

Российская Федерация. Сельское хозяйство: животноводческие комплексы, птицефабрики и т. д.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

При налаживании серийного производства биореакторов

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

21.11.2007