Případová studie: Rekuperace odpadního tepla z bioplynové elektrárny pro izolaci anaerobní digestoře

 

I. Přehled projektu

Tento projekt se nachází ve velkém-průmyslovém parku pro chov dobytka a drůbeže v Bavorsku v Německu. Je vybaven středně-velikou bioplynovou elektrárnou a systémem anaerobní fermentace, jehož hlavní funkcí je úprava trusu hospodářských zvířat a drůbeže a chovné odpadní vody produkované-velkými farmami v parku. Bioplyn je produkován anaerobní fermentací pro výrobu energie, při současném využití zdrojů odpadu a ekologického vypouštění. Celkový rozsah čištění projektu je 120 tun chlévské mrvy a drůbeže a 300 metrů krychlových chovných odpadních vod denně, vybavených 2 soupravami generátorů bioplynu o výkonu 100 kW a 8 bionickými střevními anaerobními vyhnívacími nádržemi o objemu 2000 metrů krychlových každý. Fermentační suroviny vstupují po předúpravě do anaerobních fermentorů a bioplyn je produkován mikrobiálním metabolismem při vhodné teplotě. Po čištění je bioplyn odeslán do generátorových soustrojí pro výrobu energie. Veškeré odpadní teplo generované během procesu výroby energie je rekuperováno a použito pro izolaci anaerobních fermentorů při konstantní teplotě, čímž se vytváří uzavřený-systém energetického využití energie „anaerobní fermentace pro výrobu bioplynu - výroba energie z bioplynu - rekuperace odpadního tepla pro izolaci - zlepšení účinnosti fermentace“.

Zimní izolace anaerobních vyhnívacích fermentorů před realizací projektu převzala především metodu elektrického vytápění s využitím parního kotle, která měla problémy s vysokou spotřebou energie, nestabilním izolačním efektem, vysokými provozními náklady a velkým plýtváním energií. Zejména v chladném a vlhkém zimním prostředí v Bavorsku bylo obtížné stabilně udržovat teplotu uvnitř anaerobních vyhnívacích jednotek ve vhodném rozmezí pro mezofilní fermentaci, což vedlo k velkým výkyvům v produkci bioplynu a ovlivňovalo efektivitu výroby energie. K vyřešení výše uvedených bolestivých bodů projekt zavedl technologii zpětného získávání odpadního tepla na výrobu energie z bioplynu a speciálně vybral Changzhou Vrcooler Refrigeration Co., Ltd. (VRCOOLER) -, předního výrobce zařízení pro průmyslovou výměnu tepla -, aby navrhl a vyrobil základní jednotky pro rekuperaci odpadního tepla. Tyto jednotky pro rekuperaci odpadního tepla využívají žebrovanou trubkovou konstrukci, která může účinně rozšířit oblast výměny tepla a zlepšit účinnost rekuperace tepla, zajistit efektivní rekuperaci odpadního tepla spalin a odpadního tepla vody z pláště válce generovaného během provozu generátorových soustrojí pro izolaci anaerobních vyhnívacích nádrží, realizovat kaskádové využití energie, snížit provozní náklady a zlepšit stabilitu systému.

II. Základní technologie a procesní design

(I)Základní technický princip

Při provozu vyvíječe bioplynu se pouze 35%-42% energie vzniklé spalováním paliva přemění na elektrickou energii a zbývajících 58%-65% energie se rozptýlí ve formě odpadního tepla spalin (teplota až 600 stupňů) a odpadního tepla vody pláště válce (teplota asi 90 stupňů). Přímé emise nejen způsobují plýtvání energií, ale také zvyšují tepelné znečištění životního prostředí. Během procesu anaerobní fermentace je mikrobiální aktivita citlivá na teplotu. Při mezofilní fermentaci (35-40 stupňů) je aktivita metanogenu optimální a produkce bioplynu a účinnost fermentace jsou nejvyšší. Okolní teplota je však v zimě nízká a anaerobní vyhnívací nádrže rychle odvádějí teplo, což vyžaduje nepřetržitý přívod tepla k udržení konstantní teploty uvnitř digestoří. Prostřednictvím systému rekuperace odpadního tepla tento projekt rekuperuje a vyměňuje odpadní teplo rozptýlené při výrobě energie, poté jej transportuje do anaerobních vyhnívacích jednotek, aby poskytly stabilní zdroj tepla, čímž nahradí tradiční metody vytápění elektrickým ohřevem a parním kotlem a dosáhne cílů „recyklace energie, snížení nákladů a zvýšení účinnosti a ochrana životního prostředí a úspora energie“.

(II) Složení procesního systému

Systém izolace odpadního tepla a anaerobního vyhnívacího zařízení tohoto projektu se skládá převážně ze 4 částí, které fungují synergicky, aby zajistily efektivní zpětné získávání odpadního tepla, stabilní přepravu a přesnou regulaci teploty anaerobních vyhnívacích jednotek, a to následovně:

Systém výroby energie z bioplynu: Používají se dvě 100kW plynové generátorové soupravy využívající jako palivo bioplyn produkovaný anaerobními digestory. Po čištění, jako je odsíření a dehydratace, se bioplyn posílá do generátorových soustrojí ke spalování a výrobě energie. Každá jednotka spotřebuje 48 metrů krychlových bioplynu za hodinu s účinností výroby energie 42 % a generuje velké množství odpadního tepla (maximální odpadní teplo jedné jednotky je 286 kW), což představuje stabilní zdroj pro rekuperaci odpadního tepla. Generátorové soustrojí jsou vybavena zařízeními na odsíření bioplynu, které dokážou účinně odstranit sirovodík z bioplynu, zabránit korozi zařízení a zajistit dlouhodobý-stabilní provoz systému.

Systém rekuperace odpadního tepla: Základní vybavení zahrnuje výměník tepla spalin, výměník tepla s válcovým pláštěm a oběhové čerpadlo, z nichž všechny jsou navrženy a vyrobeny společností VRCOOLER (Changzhou Vrcooler Refrigeration Co., Ltd.), profesionálním podnikem s bohatými zkušenostmi v oblasti výzkumu a vývoje a výroby zařízení pro výměnu tepla, který je držitelem mezinárodní certifikace systému kvality ISO 9001. Systém využívá konstrukci „dvojitého-smyčkového výměny tepla“ a hlavní součásti výměny tepla rekuperátorů odpadního tepla jsou konstrukce žebrovaných trubek - žebrované trubky jsou vyrobeny spirálovitě ovinutými pásy žeber po obvodu trubky s vlnitými žebry na vnější stěně, aby se výrazně zvětšila oblast výměny tepla a zlepšil výkon přenosu tepla. Na jedné straně se odpadní teplo spalin o vysoké teplotě odváděné z generátorových soustrojí rekuperuje přes žebrovaný trubkový spalinový výměník tepla VRCOOLER, který ohřívá cirkulační médium (směs nemrznoucí směsi a vody) na asi 58 stupňů; na druhé straně odpadní teplo vody z pláště válce generátorových soustrojí je rekuperováno prostřednictvím výměníku tepla s žebrovanými trubkami pláště válce VRCOOLER, což dále zvyšuje teplotu cirkulačního média nad 65 stupňů, což zajišťuje, že teplota zdroje tepla splňuje izolační potřeby anaerobních vyhnívacích jednotek. Systém rekuperace odpadního tepla VRCOOLER je vybaven inteligentním zařízením pro regulaci teploty, které dokáže automaticky upravit účinnost výměny tepla podle teploty spalin a teploty cirkulačního média, čímž se sníží ztráty odpadního tepla. Testy ukazují, že účinnost rekuperace odpadního tepla systému je více než 85 %, což může plně využít zdroje odpadního tepla generované při výrobě energie, a to díky vynikajícímu výkonu přenosu tepla žebrované trubkové konstrukce a profesionálnímu designu VRCOOLER.

Anaerobní izolační systém digestoře: Všech 8 anaerobních vyhnívacích nádrží má konstrukční řešení „vnitřní ohřev spirály + vnější izolační vrstva“. Kolem vnitřní stěny fermentorů jsou umístěny spirály odolné proti vysokým-teplotám a korozi-a cirkulující médium si vyměňuje teplo s fermentační kapalinou ve fermentorech prostřednictvím hadů, aby se dosáhlo rovnoměrného zvýšení teploty uvnitř fermentorů; na vnější stěnu digestoří je položena izolační vrstva z pěnového cementu o tloušťce 15 cm. Pěnový cement má dobré tepelně izolační vlastnosti, které mohou účinně snížit tepelné ztráty uvnitř fermentorů. Podle výpočtů numerické simulace lze v rámci tohoto izolačního schématu řídit celkovou tepelnou ztrátu anaerobních vyhnívacích nádrží v rozmezí 428,24 MJ·d⁻¹, což zajišťuje stabilní izolační účinek. Anaerobní fermentory zároveň přijímají bionickou střevní strukturu, která nevyžaduje mechanická míchací zařízení, má jednoduchou strukturu a nízkou spotřebu energie a může realizovat dynamickou separaci každého stupně fermentace a zlepšit účinnost fermentace.

Inteligentní řídicí systém: Inteligentní řídicí systém PLC využívá v reálném čase-monitorování více než 200 ukazatelů, jako je teplota fermentační kapaliny v anaerobních fermentorech, teplota cirkulačního média, teplota spalin a provozní parametry generátorových soustrojí. Rychlost oběhového čerpadla a účinnost výměny odpadního tepla se automaticky upravují pomocí přednastavených programů, aby bylo zajištěno, že teplota uvnitř anaerobních vyhnívacích nádrží je stabilně udržována v optimálním fermentačním rozsahu 35±0,5 stupně. Když je teplota uvnitř fermentorů nižší než přednastavená hodnota, systém automaticky zvýší objem dodávaného odpadního tepla; když je teplota vyšší než přednastavená hodnota, automaticky se sníží objem odváděného odpadního tepla. Zároveň lze přebytečné odpadní teplo využít pro ohřev ve fázi předúpravy fermentačních surovin, realizaci kaskádového využití odpadního tepla a zlepšení účinnosti využití energie.

(III)Optimalizace klíčových procesů

1. Optimalizace výměny odpadního tepla: Pomocí numerické simulační metody výpočetní dynamiky tekutin (Fluent) je simulováno a analyzováno teplotní pole uvnitř anaerobního vyhnívacího zařízení a hustota uspořádání spirály a dráha výměny tepla jsou optimalizovány tak, aby bylo zajištěno rovnoměrné rozložení teploty uvnitř vyhnívacích nádrží, čímž se zabrání nadměrné nebo nedostatečné místní teplotě ovlivňující mikrobiální aktivitu. Zároveň je zjištěno, že izolační efekt je optimální, když je teplota přívodu horkého vzduchu 35 stupňů.

2. Výběr izolačního materiálu: Po porovnání vlastností různých izolačních materiálů je jako materiál pro vnější izolační vrstvu anaerobních vyhnívacích nádrží vybrán pěnový cement. Tento materiál má výhody dobrého izolačního účinku, nízké ceny, odolnosti proti korozi, ochrany životního prostředí a -netoxicity. Ve srovnání s tradičními polyuretanovými izolačními materiály může snížit náklady na izolaci o více než 15 % a snížit dopad na životní prostředí.

3. Optimalizace cirkulačního systému: Je použit uzavřený-cirkulační systém a cirkulační médium lze znovu použít ke snížení spotřeby vodních zdrojů. Současně jsou v cirkulačním potrubí instalovány filtry a odvápňovací zařízení, které zabraňují ucpání potrubí a usazování vodního kamene, prodlužují životnost zařízení a snižují náklady na provoz a údržbu.

 

III. Proces implementace projektu

(I)Přípravná fáze (1–2 měsíce)

Byl zorganizován technický tým, aby provedl-prozkoumání projektu na místě. V kombinaci s měřítkem anaerobních vyhnívadel, parametry generátorových soustrojí a místními klimatickými podmínkami v Bavorsku bylo ve spolupráci s technickým týmem VRCOOLER optimalizováno konstrukční schéma systému zpětného získávání odpadního tepla a stanoven model žebrových trubkových výměníků tepla VRCOOLER, schéma rozmístění hadů, specifikace izolačních materiálů a parametry inteligentního řídicího systému; základní vybavení, jako jsou žebrované trubkové spalinové výměníky tepla VRCOOLER, vodní výměníky tepla s válcovým pláštěm VRCOOLER, oběhová čerpadla, pěnové cementové izolační materiály a inteligentní nástroje pro regulaci teploty, byly zakoupeny, aby bylo zajištěno, že kvalita zařízení splňuje technické požadavky - Výměníky tepla VRCOOLER využívají vysoce-kvalitní nerezové a hliníkové materiály pro odolnost trubek a korozi{} s dobrou odolností vůči korozi a žebrům{{101} pracovní prostředí s vysokoteplotními spalinami a vodou z pláště lahve; Pro pracovníky stavby bylo poskytnuto technické školení za účelem objasnění procesu výstavby, bezpečnostních specifikací a norem kvality se zaměřením na školení instalačních dovedností systému rekuperace tepla z žebrovaných trubek VRCOOLER a izolační konstrukci anaerobních vyhnívacích nádrží.

(II) Fáze instalace a konstrukce zařízení (3–4 měsíce)

1. Instalace systému rekuperace odpadního tepla: Nejprve byly napevno nainstalovány žebrovaný trubkový spalinový výměník tepla VRCOOLER a výměník tepla VRCOOLER s válcovým pláštěm a válcem v souladu se specifikacemi výrobce a-požadavky na projektování na místě. Bylo propojeno potrubí spalin a vodní potrubí pláště válce mezi výměníky tepla a soustrojí generátoru a bylo provedeno utěsnění potrubí, aby se zabránilo úniku odpadního tepla - žebrové trubkové výměníky tepla VRCOOLER jsou vybaveny spirálami s povlakem odolným proti korozi-, které účinně odolávají korozi stopových kyselých látek ve spalinách a zajišťují dlouhodobý stabilní provoz-. Poté bylo nainstalováno oběhové čerpadlo a cirkulační potrubí, inteligentní nástroj pro řízení teploty byl připojen k řídicímu systému PLC a uvedení zařízení do provozu bylo dokončeno ve spolupráci s poprodejním technickým týmem společnosti VRCOOLER, aby byl zajištěn normální provoz systému rekuperace odpadního tepla a aby byly plně využity výhody přenosu tepla konstrukce žebrovaných trubek.

2. Izolační konstrukce anaerobních digestorů: Nejprve byla vyčištěna a zbavena rzi vnější stěna anaerobních digestoří, poté byla položena pěnová cementová izolační vrstva, aby se zajistilo, že izolační vrstva bude mít stejnoměrnou tloušťku, bez poškození a prohlubní; na vnitřní stěnu digestoří, připojené k cirkulačnímu potrubí, byly položeny výměníky odolné proti vysokým-teplotám a korozi-a byla provedena tlaková zkouška vodou, aby se zajistilo, že výměníky neprosakují; byly instalovány teplotní senzory uvnitř fermentorů a připojeny k inteligentnímu řídicímu systému, aby bylo možné-sledovat teplotu v reálném čase.

3. Zprovoznění propojení systému: Po dokončení instalace všech zařízení bylo provedeno zprovoznění propojení systému, aby se simuloval celý proces provozu generátorového soustrojí, rekuperace odpadního tepla a izolace anaerobního vyhnívacího zařízení, ladily se parametry, jako je přesnost regulace teploty, rychlost oběhového čerpadla a účinnost výměny tepla, vyřešily se problémy, jako je netěsnost potrubí a nepřesná regulace teploty během uvádění do provozu, a zajistilo se, že všechny spoje a požadavky systému fungují synergicky.

(III) Fáze zkušebního provozu a přijetí (1 měsíc)

Po kvalifikovaném zprovoznění propojení systému vstoupilo do fáze zkušebního provozu. Během zkušebního provozu byly v reálném čase sledovány ukazatele, jako je teplotní stabilita uvnitř anaerobních fermentorů, účinnost zpětného získávání odpadního tepla a provozní stav generátorových soustrojí, byly zaznamenávány relevantní údaje a optimalizovány a upravovány parametry řídicího systému; po zkušebním provozu byl zorganizován odborný tým, který provedl přejímku projektu se zaměřením na kontrolu účinnosti zpětného získávání odpadního tepla, izolačního účinku anaerobních vyhnívacích nádrží a stability provozu zařízení. Po kvalifikované přejímce byl projekt oficiálně uveden do provozu.

IV. Analýza efektů a přínosů projektu

(I)Operační efekt

Po oficiálním uvedení projektu do provozu byla realizována efektivní rekuperace odpadního tepla z výroby energie z bioplynu a izolace anaerobních vyhnívacích nádrží na konstantní teplotu s pozoruhodnými provozními efekty, které se konkrétně projevily v následujících aspektech:

Stabilní regulace teploty: Díky synergickému efektu inteligentního řídicího systému a systému rekuperace odpadního tepla je teplota uvnitř anaerobních fermentorů stabilně udržována v optimálním fermentačním rozsahu 35±0,5 stupně. I když okolní teplota v zimě klesne pod 0 stupňů, kolísání teploty uvnitř fermentorů nepřesáhne ±1 stupeň, což zcela řeší problém nestabilní teploty při tradičním způsobu izolace a poskytuje vhodné růstové prostředí pro metanogeny.

Zlepšená účinnost fermentace: Stabilní prostředí s konstantní teplotou výrazně zlepšuje účinnost anaerobní fermentace a plně se uplatňují výhody bionických střevních anaerobních fermentorů. Fermentační cyklus se zkracuje z 28 dnů na 21 dnů, produkce bioplynu se zvyšuje o více než 25 %, denní produkce bioplynu se zvyšuje z 1200 metrů krychlových na 1500 metrů krychlových a čistota bioplynu (obsah metanu) je stabilně udržována na 60 % - 65 %, což poskytuje dostatek paliva pro výrobu energie.

Efektivní rekuperace odpadního tepla: Účinnost systému rekuperace odpadního tepla je více než 85 % a denní odpadní teplo rekuperované 2 generátorovými soustrojími může uspokojit plné izolační potřeby 8 anaerobních vyhnívacích jednotek, které zcela nahrazují tradiční metody vytápění elektrickým ohřevem a parním kotlem, realizují využití zdrojů odpadního tepla a snižují plýtvání energií.

Stabilní provoz systému: Celý systém má vysoký stupeň automatizace a inteligentní řídicí systém může realizovat bezobslužný provoz, což výrazně snižuje pracovní zátěž provozu a údržby. Od zkušebního provozu byla poruchovost zařízení menší než 3 %, stabilita systému je dobrá a náklady na provoz a údržbu byly účinně sníženy.

(II) Analýza přínosů

1. Ekonomické přínosy

Po realizaci projektu jsou ekonomické přínosy značné, projevující se především ve třech aspektech: za prvé, úspora nákladů na vytápění. Nahrazením tradičního elektrického vytápění a vytápění parním kotlem lze ušetřit asi 1200 eur na nákladech na elektřinu a palivo za den a více než 430 000 eur na ročních provozních nákladech; za druhé, zvýšení příjmů z výroby elektřiny. Produkce bioplynu se zvýšila o 25 %, čímž se denně vyrobí o 900 kWh více elektřiny. Podle místní{8}}ceny elektřiny v síti ve výši 0,65 EUR/kWh je roční dodatečný příjem z výroby energie asi 210 000 EUR; za třetí, snížení nákladů na provoz a údržbu. Systém pracuje automaticky, snižuje 2 pracovníky obsluhy a údržby, což ušetří asi 120 000 EUR v ročních mzdových nákladech. Komplexní propočet ukazuje, že projekt přináší roční ekonomické přínosy zhruba 760 000 eur s dobou návratnosti investice pouze 2,5 roku. Roční příjem z prodeje elektřiny přitom může dosáhnout 20 281 eur a roční náklady pouze 4 047 eur, což představuje výrazné ekonomické výhody.

2. Environmentální přínosy

Za prvé, snížení spotřeby energie. Rekuperací a využitím odpadního tepla z výroby energie z bioplynu lze ušetřit asi 120 tun standardního uhlí ročně a snížit znečištění ovzduší způsobené spalováním uhlí; za druhé snížení emisí skleníkových plynů. Nahrazení tradičních způsobů vytápění rekuperací odpadního tepla může snížit emise oxidu uhličitého o přibližně 8 000 tun ročně, což pomůže dosáhnout cíle „dvou uhlíku“; za třetí, realizace využívání zdrojů odpadu. Přeměna trusu hospodářských zvířat a drůbeže a chovné odpadní vody na bioplyn a organická hnojiva snižuje emise odpadu, zlepšuje kvalitu okolního prostředí a realizuje „přeměnu odpadu v poklad“.

3. Sociální dávky

Za prvé řeší problém nakládání s odpady z chovu hospodářských zvířat a drůbeže, zamezuje znečištění půdy, vody a ovzduší hnojem a odpadními vodami a zlepšuje místní ekologické prostředí; za druhé, poskytuje čistou elektřinu, doplňuje místní zásobování energií a zmírňuje regionální nedostatek energie; zatřetí, podporuje rozvoj odvětví využití zdrojů zemědělského odpadu, poskytuje referenční příklad pro využití odpadního tepla a využití podobných bioplynových elektráren, podněcuje rozvoj nových energetických projektů v okolních oblastech a podporuje zelený a udržitelný rozvoj zemědělství.

 

V. Shrnutí projektu a výhled

(I)Shrnutí projektu

Zavedením technologie rekuperace odpadního tepla při výrobě energie z bioplynu tento projekt rekuperuje odpadní teplo rozptýlené během provozu generátorových soustrojí pro izolaci anaerobních vyhnívacích nádrží a vytváří uzavřený -cyklický systém využití energie „anaerobní fermentace - výroba energie z bioplynu - rekuperace odpadního tepla - izolace konstantní teploty“. Zcela řeší bolestivá místa vysoké spotřeby energie, nestabilní teploty a vysokých provozních nákladů tradiční izolace anaerobního vyhnívacího zařízení. Po realizaci projektu nejen zlepšuje efektivitu anaerobní fermentace a produkci bioplynu, realizuje zdrojové využití odpadního tepla, ale také dosahuje významných ekonomických, ekologických a sociálních přínosů. Ověřuje proveditelnost a nadřazenost využití odpadního tepla při výrobě energie z bioplynu pro izolaci anaerobní vyhnívací nádrže a poskytuje praktické a proveditelné schéma pro energeticky -úspornou transformaci středně velkých- bioplynových elektráren.

Klíč k úspěšné realizaci projektu spočívá ve spojení strukturálních charakteristik bionických střevních anaerobních vyhnívacích fermentorů, optimalizaci tepelné výměny a izolačních parametrů prostřednictvím numerické simulace, výběru vhodných izolačních materiálů a zařízení na rekuperaci odpadního tepla z žebrovaných trubek VRCOOLER - žebrovaná trubková struktura obyčejných výměníků tepla účinně rozšiřuje oblast tepelné výměny 4–6krát, což výrazně zlepšuje účinnost rekuperace tepla ve srovnání s trubkami obyčejných. Díky profesionálním konstrukčním a výrobním schopnostem společnosti VRCOOLER a sladění s inteligentním řídicím systémem je dosaženo přesné regulace teploty a efektivního využití odpadního tepla, čímž se zabrání dopadu odpadního tepla a kolísání teploty na účinnost fermentace.

(II) Výhled do budoucna

V budoucnu na základě realizačních zkušeností tohoto projektu dále optimalizujeme systém rekuperace odpadního tepla, zlepšíme účinnost rekuperace odpadního tepla, prozkoumáme kaskádový režim využití odpadního tepla a využijeme přebytečné odpadní teplo pro vytápění v chovném parku a předúpravu fermentačních surovin pro další zlepšení účinnosti využití energie; zároveň zavést technologii digitálního dvojčete k vybudování modelu digitálního dvojčete systému anaerobní fermentace a zpětného získávání tepla, realizovat-monitorování v reálném čase, včasné varování před poruchami a optimalizaci parametrů provozního stavu systému a zlepšit úroveň inteligence systému; kromě toho propagujte technické schéma tohoto projektu pro bioplynové elektrárny v jiných oblastech, jako je chov dobytka a drůbeže a zpracování potravinového odpadu, pomozte více novým energetickým projektům dosáhnout úspory energie a snížení uhlíku a propagujte vysoce-kvalitní rozvoj odvětví zelené energie.