ケーススタディ: 嫌気性消化槽断熱のためのバイオガス発電所からの廃熱回収

 

I. プロジェクトの概要

このプロジェクトは、ドイツのバイエルン州にある大規模な家畜および家禽飼育工業団地内にあります。{0}中規模のバイオガス発電所と嫌気性発酵処理システムを備えており、その中核機能は公園内の大規模農場から発生する家畜や鶏の糞尿、飼育排水の処理です。-嫌気発酵によりバイオガスを生成し発電するとともに、廃棄物の資源利用と環境に配慮した排出を実現します。プロジェクトの総処理規模は、1日あたり家畜・鶏糞尿120トン、飼育排水300立方メートルで、100kWバイオガス発生装置2セットと容量2000立方メートルのバイオニック腸内嫌気性消化装置8基を備えている。発酵原料は前処理を経て嫌気性消化槽に入り、適切な温度で微生物の代謝によりバイオガスが生成されます。バイオガスは精製処理された後、発電装置に送られ発電されます。発電過程で発生する廃熱はすべて回収され、嫌気性消化槽の恒温保温に利用され、「嫌気性発酵によるバイオガス生産-バイオガス発電-断熱のための廃熱回収-発酵効率の向上」というクローズドループのエネルギー利用システムを形成しています。-

プロジェクト実施前は、嫌気性消化槽の冬期断熱には蒸気ボイラー加熱による電気加熱方式が主に採用されていたが、エネルギー消費量が多く、断熱効果が不安定で、運転コストが高く、エネルギーの浪費が大きいという問題があった。特にバイエルン州の冬季の寒く湿気の多い環境では、嫌気性消化槽内の温度を中温発酵に適した温度に安定して維持することが難しく、バイオガス生産量の変動が大きく、発電効率に影響を与えていました。上記の問題点を解決するために、このプロジェクトではバイオガス発電廃熱回収技術を導入し、産業用熱交換装置の大手メーカーである常州 Vrcooler Refrigeration Co., Ltd. (VRCOOLER) - - をコアの廃熱回収ユニットの設計と製造に特別に選定しました。これらの廃熱回収ユニットはフィンチューブ構造を採用しており、熱交換面積を効果的に拡大し、熱回収効率を向上させることができ、嫌気性消化槽の断熱用発電機の運転中に発生する排ガス廃熱とシリンダージャケット水廃熱を効率的に回収し、カスケードエネルギー利用を実現し、運転コストを削減し、システムの安定性を向上させます。

II.コアテクノロジーとプロセス設計

(I)コア技術原則

バイオガス発生器セットが動作しているとき、燃料の燃焼によって生成されるエネルギーの 35% ～ 42% のみが電気エネルギーに変換され、エネルギーの残りの 58% ～ 65% は排ガス廃熱 (最高温度 600 度) およびシリンダー ジャケット水廃熱 (温度約 90 度) の形で放散されます。直接放出はエネルギーの無駄を引き起こすだけでなく、環境の熱汚染を増加させます。嫌気性発酵プロセス中、微生物の活動は温度に敏感です。中温発酵（35〜40度）では、メタン生成菌の活性が最適となり、バイオガスの生成と発酵効率が最も高くなります。しかし、冬季は周囲温度が低く、嫌気性消化釜は熱の放散が早いため、消化釜内の温度を一定に保つために継続的な熱供給が必要です。このプロジェクトは、廃熱回収システムを通じて、発電時に放散される廃熱を回収・交換し、嫌気性消化槽に輸送して安定した熱源を提供するもので、従来の電気加熱や蒸気ボイラー加熱方式に代わるもので、「エネルギーのリサイクル、コスト削減と効率の向上、環境保護と省エネ」という目標を達成します。

(II)プロセスシステムの構成

このプロジェクトの廃熱回収および嫌気性消化槽断熱システムは、主に以下の 4 つの部分で構成されており、これらが相乗的に動作して、効率的な廃熱回収、安定した輸送、および嫌気性消化槽の正確な温度制御を確保します。

バイオガス発電システム：嫌気性消化槽で生成したバイオガスを燃料とする100kWガス発生装置を2台採用。バイオガスは脱硫、脱水などの精製処理を行った後、発電機に送られ、燃焼・発電されます。 1台当たりのバイオガス消費量は1時間当たり48立方メートル、発電効率は42％で、発生する廃熱量も多く（1台最大廃熱286kW）、安定した廃熱回収源となります。発電機セットにはバイオガス脱硫装置が装備されており、バイオガス中の硫化水素を効果的に除去し、機器の腐食を回避し、システムの長期安定稼働を保証します。-

廃熱回収システム：コア機器には、排ガス熱交換器、シリンダージャケット水熱交換器、循環ポンプが含まれており、これらはすべて、熱交換機器の研究開発と生産で豊富な経験を持ち、ISO 9001国際品質システム認証を取得した専門企業であるVRCOOLER（常州Vrcooler冷凍有限公司）によって設計および製造されています。このシステムは「ダブルループ熱交換」設計を採用しており、廃熱回収器のコア熱交換コンポーネントはフィン付きチューブ構造です-。フィン付きチューブはフィンストリップをチューブの周囲に螺旋状に巻き付けて作られており、外壁には波形フィンが付いており、熱交換面積を大幅に増加させ、熱伝達性能を高めています。一方では、発電機セットから排出される高温の排ガス廃熱は VRCOOLER フィンチューブ排ガス熱交換器を通して回収され、循環媒体 (不凍液と水の混合物) を約 58 度に加熱します。一方、発電機セットのシリンダージャケット水廃熱は、VRCOOLER フィンチューブシリンダージャケット水熱交換器を通じて回収され、循環媒体の温度がさらに 65 度以上に上昇し、熱源温度が嫌気性消化槽の断熱ニーズを満たすことが保証されます。 VRCOOLER 廃熱回収システムにはインテリジェントな温度制御装置が装備されており、排ガス温度と循環媒体温度に応じて熱交換効率を自動的に調整し、廃熱損失を削減します。試験の結果、フィンチューブ構造の優れた伝熱性能とVRCOOLERのプロフェッショナルな設計により、システムの廃熱回収効率は85%以上で、発電時に発生する廃熱資源を完全に回収できることが判明しました。

嫌気性消化槽断熱システム: 8つの嫌気性消化槽はすべて「内部コイル加熱+外部断熱層」の構造設計を採用しています。蒸解釜の内壁には高温-耐食性-のコイルが配置されており、循環媒体はコイルを介して蒸解釜内の発酵液と熱交換を行い、蒸解釜内の温度を均一に上昇させます。蒸解釜の外壁には厚さ 15cm の発泡セメント断熱層が敷かれています。発泡セメントは優れた断熱性能を備えており、消化釜内の熱損失を効果的に低減できます。数値シミュレーション計算によると、この断熱方式では、嫌気性消化槽の総熱損失を428.24MJ・d⁻¹以内に抑えることができ、安定した断熱効果が得られます。同時に、嫌気性消化槽はバイオニック腸構造を採用しており、機械的撹拌装置を必要とせず、構造が簡単でエネルギー消費が低く、各発酵段階の動的分離を実現し、発酵効率を向上させることができます。

知能制御システム: PLC インテリジェント制御システムは、嫌気性消化槽内の発酵液の温度、循環媒体の温度、排ガス温度、発電機セットの動作パラメータなど、200 以上の指標をリアルタイムで監視するために採用されています。-循環ポンプの回転数と廃熱交換効率をあらかじめ設定したプログラムにより自動調整し、嫌気性消化槽内の温度を発酵最適範囲の35±0.5度に安定に保ちます。蒸解釜内の温度が設定値より低い場合、システムは自動的に廃熱送出量を増加させます。温度が設定値より高い場合、廃熱送出量を自動的に減少させます。同時に余剰廃熱を発酵原料の前処理段階での加熱に利用することができ、カスケード廃熱利用を実現し、エネルギー利用効率を向上させます。

(III)主要プロセスの最適化

1. 廃熱交換の最適化: 数値流体力学 (Fluent) 数値シミュレーション手法を通じて、嫌気性消化槽内の温度場がシミュレーションおよび分析され、コイルのレイアウト密度と熱交換経路が最適化されて、消化槽内の温度分布が均一になり、微生物の活動に影響を与える過剰または不十分な局所温度が回避されます。同時に、熱風供給温度が 35 度のときに断熱効果が最適であることがわかります。

2. 断熱材の選定：各種断熱材の性能を比較した結果、嫌気性消化槽の外側断熱層の材質として発泡セメントを選定しました。この材料には、優れた断熱効果、低コスト、耐食性、環境保護、非毒性という利点があります。-従来のポリウレタン断熱材と比較して、断熱コストを15%以上削減し、環境への影響を軽減します。

3. 循環システムの最適化: クローズドループ循環システムを採用し、循環媒体を再利用して水資源の消費量を削減します。同時に、循環パイプラインにはフィルターとスケール除去装置が設置され、パイプラインの閉塞やスケールの発生を防ぎ、設備の耐用年数を延ばし、運転とメンテナンスのコストを削減します。

 

Ⅲ．プロジェクトの実施プロセス

(I)準備段階（1～2ヶ月）

プロジェクトの現地調査を行うために技術チームが組織されました。{0}嫌気性消化槽の規模、発電機セットのパラメーター、バイエルン州の地域の気候条件を組​​み合わせて、廃熱回収システムの設計スキームが VRCOOLER の技術チームと協力して最適化され、VRCOOLER フィンチューブ熱交換器のモデル、コイルのレイアウトスキーム、断熱材の仕様、およびインテリジェント制御システムのパラメーターが決定されました。 VRCOOLER フィン付きチューブ排ガス熱交換器、VRCOOLER シリンダージャケット水熱交換器、循環ポンプ、発泡セメント断熱材、インテリジェント温度制御機器などのコア機器は、機器の品質がエンジニアリング要件を確実に満たすことを保証するために購入されました。- VRCOOLER の熱交換器は、チューブとフィンに高品質のステンレス鋼とアルミニウム材を採用しており、優れた耐食性と高温耐性を備えており、過酷な作業に適応しています。-高温の排ガスとシリンダージャケット水の環境。 VRCOOLERフィンチューブ廃熱回収システムの設置技術や嫌気性消化槽の断熱構造の訓練を中心に、建設プロセス、安全仕様、品質基準を明確にするための技術訓練を建設担当者に実施しました。

(Ⅱ)設備設置・建設段階（3～4ヶ月）

1. 廃熱回収システムの設置: まず、VRCOOLER フィン付きチューブ燃焼排ガス熱交換器と VRCOOLER フィン付きチューブ シリンダー ジャケット水熱交換器が、メーカーの仕様と現場の設計要件に従って固定的に設置されました。-熱交換器と発電機セットの間の排ガスパイプラインとシリンダージャケット水パイプラインが接続され、廃熱漏れを防ぐためにパイプラインのシール処理が行われました。- VRCOOLER フィンチューブ熱交換器には、耐食性コーティングされたコイルが装備されています。-これにより、排ガス中の微量酸性物質の腐食に効果的に耐えることができ、長期間の安定した運転が保証されます。-。その後、循環ポンプと循環パイプラインが設置され、インテリジェントな温度制御機器が PLC 制御システムに接続され、廃熱回収システムの正常な動作を確保し、フィン付きチューブ構造の熱伝達の利点を最大限に発揮するために、VRCOOLER のアフターセールス技術チームと協力して機器の試運転が完了しました。-

2. 嫌気性消化槽の断熱構造: まず、嫌気性消化槽の外壁を洗浄して錆びを除去し、次に発泡セメント断熱層を敷設して、断熱層の厚さが均一で、損傷や空洞がないことを確認します。高温-耐食性-のコイルが蒸解釜の内壁に敷設され、循環パイプラインに接続され、コイルの漏れがないことを確認するために水圧試験が実施されました。蒸解釜内に温度センサーが設置され、インテリジェントな制御システムに接続されて、リアルタイムの温度監視が実現されました。-

3. システムリンケージ試運転：すべての機器の設置が完了した後、発電機セットの動作、廃熱回収、嫌気性消化槽の断熱のプロセス全体をシミュレートし、温度制御精度、循環ポンプ速度、熱交換効率などのパラメータをデバッグし、試運転中のパイプラインの漏れや不正確な温度制御などの問題を解決し、システムのすべてのリンクが相乗的に動作し、設計要件を満たしていることを確認するために、システムリンケージ試運転が実行されました。

(III)試行・受入段階（1ヶ月）

システム連携試運転の認定を経て試運転段階に入った。試運転中は、嫌気性消化槽内の温度安定性、廃熱回収効率、発電機セットの動作状態などの指標がリアルタイムで監視され、関連データが記録され、制御システムのパラメータが最適化および調整されました。-試運転後は専門チームを編成し、廃熱回収効率、嫌気性消化槽の断熱効果、設備運転の安定性などの確認を中心にプロジェクト受入を実施しました。承認が得られた後、プロジェクトは正式に開始されました。

IV.プロジェクト運営効果・便益分析

(I) 運用効果

プロジェクトの正式稼働後は、バイオガス発電廃熱の効率的な回収と嫌気性消化槽の恒温断熱が実現し、以下の点で顕著な運用効果が得られました。

安定した温度制御: インテリジェント制御システムと廃熱回収システムの相乗効果により、嫌気性消化槽内の温度を発酵最適範囲の35±0.5度に安定して維持します。冬場に周囲温度が0度を下回る場合でも、蒸解釜内の温度変動は±1度を超えず、従来の断熱工法における温度不安定の問題を完全に解決し、メタン生成菌の生育に適した環境を提供します。

発酵効率の向上：安定した恒温環境により嫌気発酵効率が大幅に向上し、バイオニック腸内嫌気消化装置の利点が最大限に発揮されます。発酵サイクルは28日から21日に短縮され、バイオガス生産量は25％以上増加し、1日当たりのバイオガス生産量は1200立方メートルから1500立方メートルに増加し、バイオガス純度（メタン含有量）は60％～65％で安定して維持され、発電に十分な燃料を供給できるようになった。

効率的な廃熱回収：システムの廃熱回収効率は85％以上で、2台の発電機セットで回収される毎日の廃熱は8台の嫌気性消化槽の断熱ニーズを完全に満たすことができ、従来の電気加熱および蒸気ボイラー加熱方法を完全に置き換え、廃熱の資源利用を実現し、エネルギーの無駄を削減します。

システムの安定稼働：システム全体が高度に自動化されており、インテリジェントな制御システムにより無人運転が実現でき、運用保守の負担が大幅に軽減されます。試運転以来、機器の故障率は3%未満であり、システムの安定性も良好で、運用保守コストも効果的に削減されています。

(II)利益分析

1. 経済的メリット

プロジェクト実施後の経済効果は大きく、主に 3 つの側面に反映されています。まず、暖房費の節約です。従来の電気暖房と蒸気ボイラー暖房を置き換えることで、1 日あたりの電気代と燃料費を約 1,200 ユーロ、年間運用コストを 430,000 ユーロ以上節約できます。 2つ目は、発電収入の増加です。バイオガスの生産量が 25% 増加し、1 日あたり約 900 kWh 多くの電力を生成します。現地の送電網の電力価格 0.65 ユーロ/kWh によれば、年間の追加の発電収入は約 210,000 ユーロになります。第三に、運用および保守コストの削減です。システムは自動的に動作するため、運用および保守要員が 2 名減り、年間人件費が約 120,000 ユーロ節約されます。包括的な計算によると、このプロジェクトは年間約 76 万ユーロの経済効果をもたらし、投資回収期間はわずか 2.5 年です。同時に、電力販売による年間収入は 20,281 ユーロに達し、年間コストはわずか 4,047 ユーロであり、顕著な経済的利点が示されています。

2. 環境上の利点

まず、エネルギー消費量の削減です。バイオガス発電からの廃熱を回収して利用することで、年間約 120 トンの標準石炭を節約でき、石炭燃焼による大気汚染を軽減できます。第二に、温室効果ガスの排出量を削減します。従来の暖房方法を廃熱回収に置き換えることで、二酸化炭素排出量を年間約 8,000 トン削減でき、「デュアルカーボン」目標の達成に役立ちます。 3つ目は、廃棄物の資源化の実現です。家畜や鶏のふん尿や飼育排水をバイオガスや有機肥料に変換することで、廃棄物の排出量を削減し、周囲の環境を改善し、「廃棄物の宝化」を実現します。

3. 社会的福利厚生

第一に、家畜や家禽の飼育廃棄物処理の問題を解決し、肥料や廃水による土壌、水、大気の汚染を回避し、地域の生態環境を改善します。第二に、クリーンな電力を供給し、地域の電力供給を補完し、地域のエネルギー不足を緩和します。第三に、農業廃棄物資源利用産業の発展を促進し、廃熱回収と同様のバイオガス発電所の利用に関する参考事例を提供し、周辺地域での新エネルギープロジェクトの開発を推進し、農業のグリーンで持続可能な発展を促進します。

 

V. プロジェクトの概要と展望

(I)プロジェクト概要

このプロジェクトでは、バイオガス発電廃熱回収技術を導入することで、嫌気性消化槽の断熱用発電機の運転中に放散される廃熱を回収し、「嫌気発酵-バイオガス発電-廃熱回収-定温断熱」というクローズドループのエネルギー利用システムを形成します。-従来の嫌気性消化槽断熱材の高いエネルギー消費、不安定な温度、高い運転コストの問題点を完全に解決します。プロジェクト実施後は、嫌気発酵効率とバイオガス生産の向上、廃熱の資源利用が実現するだけでなく、経済的、環境的、社会的利益も大きく得られます。これは、バイオガス発電の廃熱を嫌気性消化槽の断熱に利用する実現可能性と優位性を検証し、中規模のバイオガス発電所の省エネルギー転換のための実用的かつ実現可能なスキームを提供します。-

このプロジェクトを成功させる鍵は、バイオニック腸内嫌気性消化装置の構造的特徴を組み合わせること、数値シミュレーションによる熱交換と断熱パラメータの最適化、適切な断熱材と VRCOOLER フィン付きチューブ廃熱回収装置の選択にあります - 熱交換器のフィン付きチューブ構造は、プレーンチューブと比較して熱交換面積を効果的に 4 ～ 6 倍に拡大し、熱回収効率を大幅に向上させます。 VRCOOLER の専門的な設計と製造能力、およびインテリジェントな制御システムとのマッチングにより、正確な温度制御と効率的な廃熱利用が実現され、発酵効率に対する廃熱の無駄や温度変動の影響が回避されます。

(Ⅱ)今後の見通し

今後は、本プロジェクトの実施経験を踏まえ、廃熱回収システムの更なる最適化、廃熱回収効率の向上、カスケード型廃熱利用モードの検討、余剰廃熱を飼育園内の暖房や発酵原料の前処理に利用することで、エネルギー利用効率を更に向上させていきます。同時に、デジタル ツイン テクノロジーを導入して、嫌気発酵および廃熱回収システムのデジタル ツイン モデルを構築し、システム動作状態のリアルタイム監視、障害早期警告、パラメータ最適化を実現し、システムのインテリジェンス レベルを向上させます。{0}さらに、このプロジェクトの技術スキームを家畜や家禽の飼育、食品廃棄物処理などの他の分野のバイオガス発電所に推進し、より多くの新エネルギー プロジェクトが省エネと炭素削減を達成できるよう支援し、グリーン エネルギー産業の質の高い発展を促進します。-