RU|EN

Альтернативная энергетика

 

     Область применения

Основная  цель проекта создания  Комплекса  – получение эффективной самоокупаемой экологичной системы переработки биомассы микроводорослей (МКВ) с получением энергетических продуктов в замкнутом производственном цикле. При  этом  в  Комплексе используются следующие технологические решения, обеспечивающие самодостаточность, энергонезависимость и экологическую безопасность Комплекса,  а  также  решающие  важную  проблему  утилизации сточных  вод: 
  • В Комплексе  осуществляется взращивание на картах микроводорослей – сырья для получения энергетических продуктов.  Интенсивный рост микроводорослей осуществляется за счет использования сточных вод, углекислого газа и солнечной энергии. При этом «вредные»  для окружающей среды  элементы, содержащиеся в сточных водах,  служат  источником  питания  для  микроводорослей.
  • Для обеспечения микроводорослей углекислым газом, необходимым для их жизнедеятельности,  применяется разработанная нами технология выделения углекислого газа из дымовых производственных  газов, собираемых со всех технологических участков Комплекса.  Отсутствие дымовых выбросов при производстве энергетических продуктов делает Комплекс полностью экологически безопасным.
  • Из выращенной и высушенной биомассы микроводорослей традиционным способом  (отжимом) выделяется востребованный  топливный продукт – биодизель (например у МКВ Спирулина масса полученного биодизеля достигает 50% от объема сырья), а затем осуществляется переработка оставшейся биомассы микроводорослей по разработанной и успешно нами реализуемой  технологии пиролизной переработки  без доступа кислорода, которая позволяет получить другие энергетические и топливные продукты  и обеспечить,  в том числе, энергонезависимость Комплекса.

   Для гарантированного взращивания микроводорослей с восстановлением своей биомассы в течение суток в Комплексе предполагается использование не только самих сточных вод,  но и продукта переработки сточных вод – канализационного газа (биогаза).  

   Канализационный газ содержит до 60% метана и используется в Комплексе путем  его сжигания (после предварительной очистки) для поддержания оптимальной для роста микроводорослей температуры воды в картах, либо перерабатывается на соответствующих технологических участках  Комплекса для получения синтез-газа после его очистки от всех инертных негорючих газов.

 

Microalgae Spirulina  Микроводоросль  Спирулина

       Энергетические и топливные продукты, вырабатываемые Комплексом.  Отжим выращенной биомассы микроводорослей и ее пиролизная переработка  позволяет  получить следующие  энергетические и топливные  продукты: 

  • Биодизель;
  • очищенный пиролизный газ;
  • полукоксовый порошок;
  • пиролизный дистиллят (жидкая углеводородная фракция пиролиза)

   Биодизель (отжим сухих МКВ) является готовым энергетическим продуктом и может быть использован как топливо в автомобильной и тракторной технике. Далее приведены сравнительные показатели преимуществ биодизеля в сравнении с дизельным топливом из нефти.

   Получаемый очищенный пиролизный газ может обеспечивать работу стандартного энергогенерирующего  оборудования  для  получения  электрической  и  тепловой энергии.

   Полукоксовый порошок и пиролизный дистиллят  при гомогенизации  образуют  топливный продукт – печное топливо (заменитель мазута).

   Дальнейшая (при потребности)  переработка очищенного пиролизного газа с применением паровой  высокотемпературной конверсии  дает возможность получить синтез-газ (смесь водорода и оксида углерода в определенном процентном соотношении), являющийся основой  для получения  широкого спектра продуктов химической промышленности.  Так, на основе синтез-газа с использованием катализаторов можно получить заменитель природного газа с высокой калорийностью  и  метанол.

   Применяемая в Комплексе технология выделения углекислого газа из дымовых газов с производственных  участков Комплекса,  обеспечивает не только потребности Комплекса в СО2 (для  взращивания  микроводорослей),  но  и  позволяет выделить чистый углекислый газ как отдельный востребованный  в промышленности продукт.

 Таким образом,   дальнейшая переработка первичных продуктов пиролиза  дает возможность получать (при потребности) коммерчески востребованные  продукты:

  • заменитель природного газа  с калорийностью до 33000 кДж/м3;
  • заменитель мазута  с калорийностью до 8000 кКал/кг;
  • метанол;
  • ожиженный углекислый газ;
  • электрическая энергия;
  • тепловая энергия  в виде горячей воды, пара или воздуха.

 Преимущества  использования   биомассы  микроводорослей  как сырья для  производства энергетических  продуктов   

   В полной аналогии с растениями, для роста микроводорослям требуется три главных компонента – солнечный свет, углекислый газ и вода. В процессе фотосинтеза – ключевого биопроцесса для всех растений, включая микроводоросли, энергия солнца перерабатывается в "химическую энергию". Помимо этого, микроводоросли аккумулируют в качестве материала для строения мембраны различные липиды и жирные кислоты, при этом их содержание колеблется у разных видов водорослей в пределах от 2% до 40% от общего веса. Именно эти компоненты наиболее ценны  для  промышленного использования микроводорослей с целью получения биодизеля.

   Растительная биомасса микроводорослей образуется при фотосинтезе из диоксида углерода (CO2) и воды с выделением кислорода (О2).  Микроводоросли синтезируют из водной среды и углекислого газа 94% массы своего сухого вещества, а остальные 6% получают из других растворенных в водной среде веществ. Для  образования 1 кг сухой биомассы из микроводорослей   поглощается 1,83 кг углекислого газа. 
 

     Возможно искусственным путем увеличивать  содержание  углекислого газа в водной среде, растворяя в ней предварительно очищенные от токсичных веществ дымовые производственные газы, содержащие в значительном количестве углекислый газ.

Другим источником углекислого газа являются продукты очистки канализационного газа, которые вместе с парами воды подаются в лотки для взращивания МКВ.

Использование углекислого газа рассматривается как основной фактор управления процессом фотосинтеза микроводорослей при  их  промышленном выращивании. 

 

Cards for industrial growing microalgaeКарты промышленного выращивания микроводорослей

     НПЭО «НЕРОАЭРА»  разработаны  технологические режимы, при которых микроводоросли выделяют до 2мл кислорода на 1 мкг. В этом случае полученный кислород  используется в пиролизной технологии НПЭО «НЕРОАЭРА» для интенсивного подъема температуры паровой конверсии полукоксового порошка с целью генерации синтез-газа.

    Выработка энергии с помощью  микроводорослей, используемых в качестве сырья, основана на эффекте нейтрализации углекислого газа,  образующегося в больших количествах в  любом производстве. Это обеспечивает экологическую безопасность такого производства и выгодно отличает данную технологию от  традиционных производственных методов, сопровождающимися  выбросами CO2  в окружающую среду.

     Кроме создания замкнутого производственного  цикла, в котором происходит как выработка, так и поглощение углекислого газа,  использование микроводорослей  в качестве сырья имеет следующие преимущества:

  • Энергетический потенциал  микроводорослей в 50-100 раз превышает потенциал масляничных  культур (рапса, подсолнечника), которые являются известным сырьем для получения биодизеля. Так, на один гектар подсолнечник дает 0,8 тонн масла, рапс – 1 тонну, а микроводоросль хлорелла – 79,3 тонны.
  • Микроводоросли растут в 20-30 раз быстрее наземных растений (некоторые виды микроводорослей  могут удваивать свою биомассу несколько раз в сутки).
  • Безотходность производства – в процессе переработки  сырья используется  все вещество микроводорослей.
  • Затраты на выращивание микроводорослей  на  порядки меньше затрат на выращивание масляничных культур, особенно если учесть, что  используемая тепловая энергия (для подогрева воды в питомнике в случае необходимости) и углекислый газ являются побочными  продуктами основного производства.
  • Микроводоросли являются  быстровозобновляемым и безотходным источником сырья  для  производства.
  • Это непищевая  биомасса – не влияет на фактор продовольственной безопасности.
  • Отсутствие у  микроводорослей  твердой  оболочки  и лигнина делает их переработку в жидкие топлива более простой и эффективной.
  • Возможность выращивания водорослей во всех водах (пресной, соленой, сточной и др.) Так микроводоросли, своей жизнедеятельностью, способны  очищать и обеззараживать  сточные воды,  при этом загрязненная сточная вода не влияет на рост микроводорослей. Микроводоросли используют своей жизнедеятельностью эти вредные для экологии элементы, содержащиеся в сточных водах, переводя их в биомассу – полезное  сырье.
  • Возможность промышленного выращивания микроводорослей в биореакторах, фотореакторах  или открытых картах.
  • Экологический эффект: микроводосли не только уменьшают выбросы парниковых газов СО2 (они поглощают до 90% углекислого газа),  но и восстанавливают состав атмосферы, путем выделения большого количества молекулярного кислорода в процессе своей жизнедеятельности.
  • Водоросли являются источником масел, протеинов, углеводородов, а также отличным сырьем для производства заменителя природного газа и др. энергетических продуктов 
  • Микроводоросли при производстве энергетических и топливных продуктов с использованием пиролизной технологии  НПЭО «НЕРОАЭРА»  «конверсируют» проблему выбросов углекислого газа, выделяемого в значительных количествах  при производственных процессах,  в  фактор  прибыли.

 Описание технологического процесса  работы Комплекса

   Технологический процесс работы  Комплекса,   представленный ниже  в виде блок-схемы технологических участков  Комплекса,  можно разделить  на несколько этапов:

Блок-схема 1 этапа технологического процесса работы Комплекса  

 1 ЭТАП:  Выращивание  и  подготовка биомассы  микроводорослей  к  пиролизной переработке для выработки энергетических  и топливных продуктов

 

В предлагаемом  Комплексе  дано универсальное технологическое решение проблемы  утилизации  сточных  вод, которые предлагается  эффективно использовать для выращивания микроводорослей  - самовозобновляемого сырья для работы Комплекса.

Сточные воды, содержащие широкий спектр различных химических и органических веществ, способны обеспечить суперэффективный рост микроводорослей, при их  дозированном добавлении  в лотки с водной смесью для взращивания микроводорослей. Канализационный газ, выделяемый сточными водами, также используется в технологическом  процессе  для  обеспечения оптимальной температуры в картах выращивания микроводорослей.  Необходимую потребность микроводорослей  в  углекислом газе, обеспечивают газовые примеси продуктов сгорания (СО2, NOх, SO2), которые подаются в карты со всех производственных  участков  Комплекса.

Выращивание микроводорослей в Комплексе предполагается  в  картах с поликарбонатными укрытиями. Эти укрытия позволяют обеспечивать постоянную круглогодичную температуру воды в картах и  снижают   эксплуатационные  затраты  Комплекса.

 Данный этап технологического процесса работы Комплекса, кроме выращивания и сбора  микроводорослей включает в себя подготовку биомассы микроводорослей  к  дальнейшей пиролизной переработке с предварительным  выделением из нее  биодизельной фракции.   

 

Схема подготовки биомассы МКВ для пиролизной переработки 


     Для  эффективного протекания процесса пиролиза  биомассы микроводорослей необходимо чтобы  влажность  перерабатываемого сырья составляла 18-20%.  Для  этого  водная суспензия с биомассой микроводорослей  перерабатывается на оборудовании для выделения сгущенного осадка микроводорослей  70% влажности (флотаторы, седикантеры), после чего биомасса микроводорослей  поступает  в  сушильные установки для получения 18-20% влажности. Далее, подготовленная  биомасса отжимов  микроводорослей подается на пиролизную переработку сырья – следующего этапа технологического процесса работы Комплекса.

 

Sedicanter in the plantСедикантер   в   цеху

 2 ЭТАП:  Пиролизная  переработка подготовленной биомассы микроводорослей с получением первичных продуктов пиролиза

Пиролиз представляет собой процесс термического разложения органических соединений без доступа воздуха.  Пиролизная переработка биомассы отжимов микроводорослей полностью исключает образование канцерогенных и загрязняющих веществ, выделяемых в окружающую среду в процессе окисления.

Пироретортные установки в Линии пиролизной переработки сырья производства НПЭО «НЕРОАЭРА» осуществляют переработку в непрерывном режиме без доступа воздуха биомассы отжимов  микроводорослей  при температурах 500 – 850°С. В пироретортах при данных температурах происходит пиролиз органической массы отжимов с непрерывным ее ворошением. В результате образуется полукоксовый  порошок и значительное количество пиролизного газа, насыщенного конденсируемыми составляющими. При охлаждении и очистки полученного пиролизного газа выделяется пиролизный  дистиллят (жидкая углеводородная фракция). 

 

3 ЭТАП:  Переработка первичных продуктов пиролиза с получением топливных и энергетических продуктов.

Дальнейшая глубокая переработка полученных первичных продуктов пиролиза биомассы отжимов МКВ - очищенного пиролизного газа, полукоксового порошка,  пиролизного дистиллята позволяет (при потребности) получить следующие топливные и энергетические продукты:

  • электрическая энергия Полученный очищенный пиролизный газ позволяет  эффективно вырабатывать  электрическую энергию  в   энергогенерирующем  оборудовании, обеспечивая  в том числе  энергонезависимость Комплекса.

  • тепловая энергия  Тепловая энергия может быть получена как побочный продукт - за  счет обязательного охлаждения устройств и оборудования, входящих в состав Комплекса, так и за  счет сжигания продуктов пиролиза.В первом случае максимальный съем тепловой энергии происходит с энергогенерирующего оборудования  модуля  генерации  электрической энергии, при этом коэффициент съема (для газопоршневых электростанций) составляет не менее 1,2  к  электрической мощности. Тепловая  энергия  может быть получена  (в зависимости от потребности)  в   виде  пара, горячей воды или воздуха.
  • заменитель мазута (печное топливо)   Совместная переработка пиролизного дистиллята и полукокса с помощью имеющихся современных технологий позволяет получить вторичное углеводородное сырье в виде печного топлива (заменитель мазута) с калорийностью не менее 7000 ккал/кг. Основным  перерабатывающим оборудованием  является станция гомогенизации дистиллята и полукокса с  емкостью  для накопления печного топлива. Печное топливо является востребованным и высоколиквидным топливным продуктом (заменителем мазута), позволяющее использовать его путем сжигания  в дизельных горелках для работы котельного оборудования, а также для работы  любого оборудования, работающего на мазуте.

  • синтез-газ, заменитель природного газа с высокой калорийностью, метанол Реактор для генерации синтез-газа использует очищенный пиролизный газ (как и канализационный газ сточных вод). Процесс происходит методом смешения очищенного пиролизного или канализационных газа с водяным паром в смесителе и подачи его в трубную печь, так называемая паровая конверсия. Смесь пара и горючего газа, проходя через слои катализатора при температуре 850-900°С под давлением 20-25 атм, конвертируются в синтез-газ. Далее, газ охлаждают до температуры  300-360°С и подают в реактор метанирования для получения метана. Синтез-газ также можно при потребности преобразовывать в метанол и другие углеводороды.Переработка (конверсия) очищенного пиролизного или канализационного газа в синтез-газ является самой энергоемкой стадией технологии, на долю которой приходится 60-65% капитальных затрат.

 

4 ЭТАП:  Получение углекислого и канализационного газа (биогаза). 

1.  Углекислый газ.  Дымовые газы со всех производственных участков Комплекса в основном содержат  пары воды, окислы азота  и значительное количество  углекислого  газа. Разработанная нами Система моноэтаноламинового поглощения  углекислого газа из дымовых выбросов  позволяет  очистить дымовые выбросы со всех производственных участков Комплекса от углекислого газа  и  выделить его как для дальнейшего использования для выращивания микроводорослей, так  и  в отдельный  востребованный продукт - углекислоту. 

Количество углекислого газа (СО2), которое можно получить из дымовых газов зависит от вида сжигаемого топлива: 

  №п/п 

             Вид  сжигаемого  топлива            

   Количество   СО2    при  сжигании 1 м3  или 1 кг  топлива 

 1

Природный газ (метан)

1,9 кг

 2

Каменный  уголь

2,1-2,7 кг

 3

  Пропан, дизтопливо, мазут, печное топливо 

3,0 кг

 4

Газ, выделяющийся из сточных вод 

3,7 кг

 2.   Канализационный газ (биогаз). Биоректоры со сточными водами, находящиеся под воздействием сфокусированных солнечных лучей,  генерируют канализационный газ, который имеет следующий состав:

  •  углекислый газ (СО2) - 25-50%
  • азот (N2) -  менее 5%
  • метан (СН4) -  40 - 60%
  • кислород (О2) - менее 2%, водород (Н2) -  менее 1%
  • сероводород (Н2S) -  менее 2%
  • аммиак (NH3) -  менее 1% 

Непрерывная кавитационная обработка  сточных вод перед подачей их в метатенк

    Канализационный газ принудительно десорбируется в вихревых аппаратах с энергоразделительными  элементами, обуславливающие переход жидких сточных вод в пузырьковую фазу вращающегося вихря, который образует по оси зону разряжения. Это способствует большей десорбции горючих газов из сточных вод. Получаемый  канализационный газ с  калорийностью  16-17МДж/м3  используется для выработки тепловой энергии (при его сжигании), которая обеспечивает  поддержание оптимальной температуры в лотках для взращивания микроводорослей.  Также тепловая энергия от канализационного газа может быть использована для сушки биомассы микроводорослей до 18-20% влажности.  
 
  При очистке канализационного газа от CO2, N2, O2,  H2S и паров H2O (данные примеси подаются в лотки для проращивания МКВ) уже высококалорийный газ используется как и ощиченный пиролизный газ на выроботку синтез-газа.

 

Блок-схема технологических участков Комплекса 

 

    Средняя норма рентабельности  переработки  биомассы  микроводорослей  составляет 890,57%.

Преимущества биодизельного топлива, полученного из биомассы микроводослей   

    Одним из значимых топливных продуктов, получающимся при переработке биомассы микроводорослей,  является биодизель - жирнокислотный метиловый эфир. Биодизель не содержит серы, у него достаточно высокая температура воспламенения - более 100°С, что позволяет отнести горючее  к относительно безопасным продуктам.

   Сырьем для производства биодизеля служат жирные эфирные масла, содержащихся в растениях и микроводорослях.  Многие микроводоросли «идеально» подходят для производства биотоплива благодаря высокому содержанию в них масла - до 70%  и  очень быстрому увеличению своей биомассы. 

    Сравнительное соотношение количества биодизеля, которое может быть получено в год с одного гектара площади, приведено в следующей таблице:   

Название  выращиваемой сырьевой культуры

          Количество бионефти с 10 000 м2 (ГА), л/год

 1

Соевые бобы

539,17

 2

Сафлор 

932,3

 3

Подсолнечник

1 145,8

 4

Рапс

1 426,6

 5

Масляничная    пальма 

7 133,0

6

Микроводоросли

56 165,8 – 168 497,5

 

Площадь земли, необходимая
для производства 1кг белка

Микроводоросли Спирулины
(65% белка)

Площадь, м2

Тайланд

0,5

Средиземноморье

1,0

Соевые бобы
 (34% белка)

16

Кукуруза
(9% белка)

22

Говядина
(20% белка)

193

 

 

Сравнение энергетической эффективности

Культура, %

Отношение полученной энергии к затраченной энергии

Микроводоросли Спирулины
(65% белка)

4,2

Соевые бобы
 (34% белка)

1,2

Кукуруза
(9% белка)

3,0

Говядина
(20% белка)

0,04

   
Также, основные показатели  биодизеля  превосходят показатели дизельного топлива, полученного из нефтяных фракций, и  традиционного мазута:
 

Основные  показатели

Биодизель

Дизельное топливо

 1

цетановое число

55

75

 2

содержание полиароматических углеводородов, %

0,1

6

 3

содержание серы, %

0,001

50

 4

плотность, кг/м3

767

835

 

Основные  показатели

Биодизель

Традиционный мазут

 1

Плотность, кг/м3

1200-1300

980

 2

Теплота сгорания, МДж/кг

29-33

40,5

 3

Вязкость, сСт

13-80

59-118

 4

Зольность, %

0,01-0,02

0,14

5

Температура  вспышки, ºС

50-100

6

Температура  застывания, ºС

-20

+10

7

Кислотность, рН

2-37

5,5

8

Стоимость, $

0,66

0,534

     
 Кроме того, одними из главных преимуществ биодизеля  безусловно является его низкая себестоимость и  экологическая безопасность.
 
 
 
© «НЕРОАЭРА», 2007
630123, г. Новосибирск, ул. Красногорская 26
e-mail: office@neroaera.com
тел./факс: (383) 243-01-55, 243-02-06
Разработка сайта - Art54