사례 연구: 혐기성 소화조 단열을 위한 바이오가스 발전소의 폐열 회수

 

I. 프로젝트 개요

이 프로젝트는 독일 바이에른의 대규모 가축 및 가금류 사육 산업 단지에 위치하고 있습니다.- 중형 바이오가스 발전소와 혐기성 발효 처리 시스템을 갖추고 있으며, 핵심 기능은 공원 내 대규모 농장에서 발생하는 가축 및 가금류 분뇨와 사육 폐수를 처리하는 것입니다.- 바이오가스는 발전용 혐기성 발효를 통해 생산되는 동시에 폐기물의 자원 활용과 환경 친화적인 배출을 실현합니다. 프로젝트의 전체 처리 규모는 하루 120톤의 가축 및 가금류 분뇨와 300입방미터의 사육 폐수이며, 100kW 바이오가스 발전기 세트 2세트와 각각 2000입방미터 용량의 생체공학 장혐기성 소화조 8개를 갖추고 있습니다. 발효원료는 전처리 후 혐기성 소화조로 들어가고, 적절한 온도에서 미생물 대사를 통해 바이오가스가 생산됩니다. 정화 처리 후 바이오가스는 발전용 발전기 세트로 보내집니다. 발전 과정에서 발생하는 폐열은 모두 회수되어 혐기성 소화조의 항온 단열에 사용되며, "바이오가스 생산을 위한 혐기성 발효 - 바이오가스 발전 - 단열을 위한 폐열 회수 - 발효 효율 향상"의 폐쇄형-루프 에너지 활용 시스템을 형성합니다.

프로젝트 시행 전 혐기성 소화조의 동절기 단열은 주로 증기보일러 가열을 보조하는 전기 가열 방식을 채택했는데, 이는 높은 에너지 소비, 불안정한 단열 효과, 높은 운영 비용 및 심각한 에너지 낭비라는 문제를 안고 있었습니다. 특히 바이에른의 춥고 습한 겨울 환경에서는 혐기성 소화조 내부 온도를 중온성 발효에 적합한 범위로 안정적으로 유지하기 어려워 바이오가스 생산량의 변동폭이 크고 발전 효율에 영향을 미치게 됩니다. 위의 문제점을 해결하기 위해 프로젝트에서는 바이오가스 발전 폐열 회수 기술을 도입했으며, 핵심 폐열 회수 장치를 설계 및 생산하기 위해 특별히 Changzhou Vrcooler Refrigeration Co., Ltd.(VRCOOLER) - 산업용 열 교환 장비의 선두 제조업체인 -를 선택했습니다. 이러한 폐열 회수 장치는 열 교환 영역을 효과적으로 확장하고 열 회수 효율을 향상시킬 수 있는 핀 튜브 구조를 채택하여 혐기성 소화조 단열을 위한 발전기 세트 작동 중에 발생하는 연도 가스 폐열 및 실린더 재킷 물 폐열의 효율적인 회수를 보장하고 계단식 에너지 ​​활용을 실현하고 운영 비용을 절감하며 시스템 안정성을 향상시킵니다.

II. 핵심기술 및 프로세스 설계

(I)핵심기술원리

바이오가스 발전기 세트가 작동 중일 때 연료 연소로 생성된 에너지의 35%-42%만이 전기 에너지로 변환되고 나머지 58%-65%의 에너지는 배가스 폐열(온도 최대 600도) 및 실린더 재킷 물 폐열(온도 약 90도)의 형태로 소산됩니다. 직접 배출은 에너지 낭비를 야기할 뿐만 아니라 환경 열 오염을 증가시킵니다. 혐기성 발효 과정에서 미생물 활동은 온도에 민감합니다. 중온성 발효(35~40도)에서는 메탄 생성 활성이 최적이며 바이오가스 생산 및 발효 효율이 가장 높습니다. 그러나 겨울에는 주위 온도가 낮아 혐기성 소화조에서는 열이 빨리 소산되므로 소화조 내부의 온도를 일정하게 유지하기 위해서는 지속적인 열 공급이 필요합니다. 본 프로젝트는 폐열회수 시스템을 통해 발전 중 소산된 폐열을 회수 및 교환한 후 혐기성 소화조로 이송하여 안정적인 열원을 제공함으로써 기존의 전기 가열 및 증기 보일러 가열 방식을 대체하고 "에너지 재활용, 비용 절감 및 효율성 향상, 환경 보호 및 에너지 절약"이라는 목표를 달성합니다.

(II)프로세스 시스템의 구성

본 프로젝트의 폐열 회수 및 혐기성 소화조 단열 시스템은 주로 4개 부분으로 구성되며, 이는 다음과 같이 효율적인 폐열 회수, 안정적인 운송 및 정밀한 온도 제어를 보장하기 위해 시너지 효과를 발휘합니다.

바이오가스 발전 시스템: 혐기성 소화조에서 생산된 바이오가스를 연료로 사용하는 100kW 가스 발전기 세트 2개를 채택했습니다. 탈황, 탈수 등의 정화 처리를 거친 후 바이오가스는 연소 및 발전을 위해 발전기 세트로 보내집니다. 각 장치는 시간당 48입방미터의 바이오가스를 소비하고 발전 효율은 42%이며, 다량의 폐열을 발생시켜(단일 장치의 최대 폐열은 286kW) 안정적인 폐열 회수원을 제공합니다. 발전기 세트에는 바이오가스에서 황화수소를 효과적으로 제거하고 장비 부식을 방지하며 시스템의 장기적으로 안정적인 작동을 보장할 수 있는 바이오가스 탈황 장치가 장착되어 있습니다.-

폐열 회수 시스템: 핵심 장비에는 배가스 열교환기, 실린더 재킷 수열교환기 및 순환 펌프가 포함되며 모두 ISO 9001 국제 품질 시스템 인증을 보유하고 열교환 장비 연구 개발 및 생산 분야에서 풍부한 경험을 보유한 전문 기업인 VRCOOLER(Changzhou Vrcooler Refrigeration Co., Ltd.)에서 설계 및 제조했습니다. 시스템은 "이중-루프 열 교환" 설계를 채택하고 폐열 회수기의 핵심 열 교환 구성 요소는 핀 튜브 구조입니다. - 핀 튜브는 튜브 원주 주위에 핀 스트립을 나선형으로 감싸서 만들어지며 외벽에 주름 핀이 있어 열 교환 면적을 크게 늘리고 열 전달 성능을 향상시킵니다. 한편, 발전기 세트에서 배출되는 고온- 온도의 연도 가스 폐열은 VRCOOLER 핀 튜브 연도 가스 열교환기를 통해 회수되어 순환 매체(부동액과 물의 혼합물)를 약 58도까지 가열합니다. 반면, 발전기 세트의 실린더 재킷 물 폐열은 VRCOOLER 핀 튜브 실린더 재킷 물 열 교환기를 통해 회수되어 순환 매체의 온도를 65도 이상으로 더욱 높여 열원 온도가 혐기성 소화기의 단열 요구 사항을 충족하도록 보장합니다. VRCOOLER 폐열 회수 시스템에는 지능형 온도 제어 장치가 장착되어 있어 배가스 온도와 순환 매체 온도에 따라 열 교환 효율을 자동으로 조정하여 폐열 손실을 줄일 수 있습니다. 테스트 결과, 시스템의 폐열 회수 효율이 85% 이상인 것으로 나타났습니다. 이는 핀 튜브 구조의 우수한 열 전달 성능과 VRCOOLER의 전문적인 설계 덕분에 발전 중에 발생하는 폐열 자원을 완전히 회수할 수 있습니다.

혐기성 소화조 단열 시스템: 8기의 혐기성 소화조는 모두 "내부 코일 가열 + 외부 단열층" 구조 설계를 채택하고 있습니다. 고온-내식성- 코일이 소화조 내벽 주위에 배치되어 있으며, 순환 매체는 코일을 통해 소화조의 발효액과 열교환하여 소화조 내부의 균일한 온도 상승을 달성합니다. 15cm 두께의 발포 시멘트 단열층이 소화조 외벽에 놓여 있습니다. 발포 시멘트는 단열 성능이 우수하여 소화조 내부의 열 손실을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 수치 시뮬레이션 계산에 따르면 이러한 단열 방식에서는 혐기성 소화조의 총 열 손실을 428.24MJ·d⁻² 이내로 제어할 수 있어 안정적인 단열 효과를 보장합니다. 동시에 혐기성 소화조는 기계적 교반 장치가 필요하지 않은 생체 공학 장 구조를 채택하고 구조가 간단하고 에너지 소비가 적으며 각 발효 단계의 동적 분리를 실현하고 발효 효율을 향상시킬 수 있습니다.

지능형 제어 시스템: PLC 지능형 제어 시스템을 채택하여{0}}혐기성 소화조의 발효액 온도, 순환 매체 온도, 배가스 온도, 발전기 세트의 작동 매개변수 등 200개 이상의 지표를 실시간으로 모니터링합니다. 순환펌프의 속도와 폐열교환 효율은 미리 설정된 프로그램을 통해 자동으로 조절되어 혐기성 소화조 내부의 온도가 최적 발효 범위인 35±0.5도에서 안정적으로 유지되도록 합니다. 소화조 내부 온도가 사전 설정된 값보다 낮을 경우 시스템은 자동으로 폐열 전달량을 증가시킵니다. 온도가 미리 설정된 값보다 높으면 폐열 전달량이 자동으로 줄어듭니다. 동시에 잉여 폐열은 발효 원료의 전처리 단계에서 가열에 사용될 수 있어 계단식 폐열 활용을 실현하고 에너지 활용 효율을 향상시킬 수 있습니다.

(III) 핵심 프로세스 최적화

1. 폐열 교환 최적화: 전산유체역학(Fluent) 수치 시뮬레이션 방법을 통해 혐기성 소화조 내부의 온도 장을 시뮬레이션 및 분석하고 코일 레이아웃 밀도 및 열 교환 경로를 최적화하여 소화조 내부의 균일한 온도 분포를 보장하고 미생물 활동에 영향을 미치는 국지적 온도가 과도하거나 부족하지 않도록 방지합니다. 동시에, 열풍공급온도는 35도일 때 단열효과가 가장 좋은 것으로 판단된다.

2. 단열재 선택: 다양한 단열재의 성능을 비교한 후 혐기성 소화조의 외부 단열층 재료로 발포 시멘트를 선택합니다. 이 재료는 우수한 절연 효과, 저렴한 가격, 내식성, 환경 보호 및 무독성 등의 장점을 갖고 있습니다.- 기존 폴리우레탄 단열재와 비교하여 단열 비용을 15% 이상 절감하고 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.

3. 순환 시스템 최적화: 폐쇄-루프 순환 시스템을 채택하고 순환 매체를 재사용하여 수자원 소비를 줄일 수 있습니다. 동시에 순환 파이프라인에 필터 및 스케일 제거 장치를 설치하여 파이프라인 막힘 및 스케일링을 방지하고 장비의 수명을 연장하며 운영 및 유지 관리 비용을 절감합니다.

 

III. 프로젝트 실행 프로세스

(I)준비단계(1~2개월)

프로젝트 현장 조사를 수행하기 위해 기술팀이 구성되었습니다.- 혐기성 소화조의 규모, 발전기 세트의 매개변수 및 바이에른 지역 기후 조건을 결합하여 VRCOOLER 기술 팀과 협력하여 폐열 회수 시스템의 설계 방식을 최적화했으며 VRCOOLER 핀 튜브 열교환기 모델, 코일 레이아웃 방식, 단열재 사양 및 지능형 제어 시스템 매개변수가 결정되었습니다. VRCOOLER 핀 튜브 연도 가스 열교환기, VRCOOLER 실린더 재킷 수열 교환기, 순환 펌프, 발포 시멘트 단열재 및 지능형 온도 제어 기기와 같은 핵심 장비는 장비 품질이 엔지니어링 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 구입했습니다. - VRCOOLER의 열 교환기는 튜브 및 핀에 고품질-스테인레스 스틸 및 알루미늄 재료를 채택하고 내부식성과 온도 저항이 우수하여 열악한 작업 환경에 적응할 수 있습니다. 고온-온도의 연도 가스 및 실린더 재킷 물; VRCOOLER 핀 튜브 폐열 회수 시스템의 설치 기술 및 혐기성 소화조의 단열 공사 교육에 중점을 두고 건설 공정, 안전 사양 및 품질 표준을 명확히 하기 위해 건설 인력을 대상으로 기술 교육을 제공했습니다.

(II)장비 설치 및 구축 단계(3~4개월)

1. 폐열 회수 시스템 설치: 먼저 VRCOOLER 핀 튜브 연도 가스 열교환기와 VRCOOLER 핀 튜브 실린더 재킷 수열 교환기를 제조업체의 사양 및 -현장 설계 요구 사항에 따라 고정 설치했습니다. 열 교환기와 발전기 세트 사이의 연도 가스 파이프라인과 실린더 재킷 수관을 연결하고 폐열 누출을 방지하기 위해 파이프라인 밀봉 처리를 수행했습니다. - VRCOOLER 핀 튜브 열교환기에는 부식- 방지 코팅 코일이 장착되어 있어 연도 가스의 미량 산성 물질의 부식에 효과적으로 저항할 수 있어 장기간 안정적인 작동을 보장합니다.- 그런 다음 순환 펌프와 순환 파이프라인을 설치하고 지능형 온도 제어 기기를 PLC 제어 시스템에 연결했으며 VRCOOLER의 애프터 서비스 기술 팀과 함께 장비 시운전을 완료하여 폐열 회수 시스템의 정상적인 작동을 보장하고 핀 튜브 구조의 열 전달 이점을 최대한 활용했습니다.

2. 혐기성 소화조의 단열 공사: 먼저 혐기성 소화조의 외벽을 청소하고 녹을 제거한 다음 발포 시멘트 단열층을 깔아 단열층의 두께가 균일하고 손상되거나 빈 공간이 없도록 합니다. 순환 배관과 연결된 소화조 내벽에 고온-내식성 코일을 설치하고 수압 테스트를 실시하여 코일 누출이 없는지 확인했습니다. 소화조 내부 온도 센서를 설치하고 지능형 제어 시스템에 연결하여 실시간-온도 모니터링을 구현했습니다.

3. 시스템 연결 시운전: 모든 장비 설치가 완료된 후 발전기 세트 작동, 폐열 회수 및 혐기성 소화조 단열의 전체 프로세스를 시뮬레이션하고 온도 제어 정확도, 순환 펌프 속도 및 열 교환 효율과 같은 매개변수를 디버그하고 시운전 중 파이프라인 누출 및 부정확한 온도 제어와 같은 문제를 해결하고 시스템의 모든 링크가 시너지 효과를 발휘하고 설계 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 시스템 연결 시운전을 수행했습니다.

(III)시범운영 및 승인단계(1개월)

시스템 연계 시운전 자격을 취득한 후 시운전 단계에 들어갔습니다. 시험 운전 중에 혐기성 소화조 내부의 온도 안정성, 폐열 회수 효율 및 발전기 세트의 작동 상태와 같은 지표를 실시간으로 모니터링하고 관련 데이터를 기록했으며 제어 시스템의 매개변수를 최적화 및 조정했습니다. 시운전 이후 전문팀을 구성해 폐열 회수 효율, 혐기성 소화조 단열 효과, 장비 운영 안정성 등을 중점적으로 검토해 프로젝트 승인을 진행했다. 승인이 승인된 후 프로젝트가 공식적으로 운영되었습니다.

IV. 프로젝트 운영 효과 및 편익 분석

(I)작동효과

프로젝트가 정식 가동된 후, 바이오가스 발전 폐열의 효율적인 회수와 혐기성 소화조의 항온 단열이 실현되었으며, 현저한 운영 효과를 얻었으며 구체적으로 다음 측면에 반영되었습니다.

안정적인 온도 제어: 지능형 제어 시스템과 폐열 회수 시스템의 시너지 효과로 혐기성 소화조 내부 온도를 최적 발효 범위인 35±0.5도에서 안정적으로 유지합니다. 겨울철 주변 온도가 0도 이하로 떨어져도 소화조 내부의 온도 변동은 ±1도를 넘지 않아 기존 단열 방식의 불안정한 온도 문제를 완벽하게 해결하고 메탄생성균에 적합한 성장 환경을 제공한다.

발효 효율 향상: 안정적인 항온환경으로 혐기성발효 효율이 대폭 향상되며, 바이오닉 장혐기성 소화기의 장점이 최대한 발휘됩니다. 발효주기는 28일에서 21일로 단축되고, 바이오가스 생산량은 25% 이상 증가하며, 일일 바이오가스 생산량은 1200입방미터에서 1500입방미터로 증가하고, 바이오가스 순도(메탄 함량)는 60%~65%로 안정적으로 유지되어 발전에 충분한 연료를 제공합니다.

효율적인 폐열 회수: 시스템의 폐열 회수 효율은 85% 이상이며, 2개의 발전기 세트로 회수된 일일 폐열은 8개의 혐기성 소화조의 전체 단열 요구를 충족할 수 있으며, 기존 전기 가열 및 증기 보일러 가열 방법을 완전히 대체하여 폐열의 자원 활용을 실현하고 에너지 낭비를 줄입니다.

안정적인 시스템 운영: 전체 시스템의 자동화 수준이 높으며 지능형 제어 시스템은 무인 작동을 실현하여 운영 및 유지 관리 작업량을 크게 줄입니다. 시험 가동 이후 장비 고장률은 3% 미만이고 시스템 안정성이 양호하며 운영 및 유지 관리 비용이 효과적으로 절감되었습니다.

(II)혜택 분석

1. 경제적 이익

프로젝트 시행 후 경제적 이익은 상당하며 주로 세 가지 측면에 반영됩니다. 첫째, 난방 비용 절감입니다. 기존 전기난방과 증기보일러 난방을 교체하면 하루 전기 및 연료비를 약 1200유로, 연간 운영비를 430,000유로 이상 절약할 수 있습니다. 둘째, 발전수익 증대이다. 바이오가스 생산량은 25% 증가하여 하루에 약 900kWh 더 많은 전력을 생산합니다. 0.65유로/kWh의 현지 온그리드 전기 가격에 따르면 연간 추가 발전 수입은 약 210,000유로입니다. 셋째, 운영 및 유지 관리 비용을 절감합니다. 시스템이 자동으로 작동해 운영 및 유지보수 인력 2명이 줄어들고 연간 인건비 약 120,000유로가 절약됩니다. 종합적인 계산에 따르면 이 프로젝트는 연간 경제적 이익으로 약 760,000유로를 추가하고 투자 회수 기간은 2.5년에 불과합니다. 동시에 전기 판매로 인한 연간 수입은 20,281유로에 달하고 연간 비용은 4,047유로에 불과해 탁월한 경제적 이점을 보여줍니다.

2. 환경적 이점

첫째, 에너지 소비를 줄인다. 바이오가스 발전에서 발생하는 폐열을 회수하고 활용하면 연간 약 120톤의 표준 석탄을 절약할 수 있으며 석탄 연소로 인한 대기 오염을 줄일 수 있습니다. 둘째, 온실가스 배출을 줄인다. 전통적인 난방 방법을 폐열 회수로 대체하면 연간 약 8,000톤의 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있어 "이중 탄소" 목표를 달성하는 데 도움이 됩니다. 셋째, 폐기물의 자원 활용을 실현한다. 가축 및 가금류 분뇨를 전환하고 폐수를 바이오가스 및 유기비료로 전환하여 폐기물 배출량을 줄이고 주변 환경의 질을 개선하며 "폐기물을 보물로 전환"을 실현합니다.

3. 사회적 혜택

첫째, 가축 및 가금류 사육 폐기물 처리 문제를 해결하고 분뇨 및 폐수로 인한 토양, 수질 및 대기 오염을 방지하며 지역 생태 ​​환경을 개선합니다. 둘째, 깨끗한 전력을 공급하고 지역 전력 공급을 보완하며 지역 에너지 부족을 완화합니다. 셋째, 농업 폐기물 자원 활용 산업의 발전을 촉진하고 유사한 바이오가스 발전소의 폐열 회수 및 활용에 대한 참고 사례를 제공하며 주변 지역의 새로운 에너지 프로젝트 개발을 촉진하고 농업의 녹색 및 지속 가능한 발전을 촉진합니다.

 

V. 사업개요 및 전망

(I)사업개요

본 프로젝트는 바이오가스 발전 폐열 회수 기술을 도입하여 혐기성 소화조 단열용 발전기 세트 작동 중에 소산되는 폐열을 회수하여 "혐기성 발효 - 바이오가스 발전 - 폐열 회수 - 항온 단열"의 폐쇄-루프 에너지 활용 시스템을 구성합니다. 기존 혐기성 소화조 단열재의 높은 에너지 소비, 불안정한 온도, 높은 운영 비용 등의 문제점을 완전히 해결합니다. 프로젝트 실시 후, 혐기성 발효 효율과 바이오가스 생산을 향상시키고 폐열의 자원 활용을 실현할 뿐만 아니라 상당한 경제적, 환경적, 사회적 이익을 달성합니다. 혐기성 소화조 단열을 위한 바이오가스 발전 폐열 활용의 타당성과 우수성을 검증하고, 중형 바이오가스 발전소의 에너지 절약 전환을 위한 실용적이고 실행 가능한 방안을 제공합니다.-

프로젝트의 성공적인 구현의 열쇠는 생체공학 장혐기성 소화조의 구조적 특성을 결합하고, 수치 시뮬레이션을 통해 열교환 및 단열 매개변수를 최적화하고, 적절한 단열재를 선택하고 VRCOOLER 핀 튜브 폐열 회수 장비를 선택하는 데 있습니다. - 열교환기의 핀 튜브 구조는 일반 튜브에 비해 열 교환 면적을 4~6배 효과적으로 확장하여 열 회수 효율을 크게 향상시킵니다. VRCOOLER의 전문적인 설계 및 제조 능력과 지능형 제어 시스템과의 조화를 통해 정확한 온도 제어 및 효율적인 폐열 활용이 달성되어 폐열 폐기물 및 온도 변동이 발효 효율에 미치는 영향을 방지합니다.

(II)향후 전망

앞으로는 이 프로젝트의 실행 경험을 바탕으로 폐열 회수 시스템을 더욱 최적화하고, 폐열 회수 효율을 향상시키며, 계단식 폐열 활용 모드를 탐색하고, 잉여 폐열을 사육 공원 난방 및 발효 원료 전처리에 사용하여 에너지 활용 효율을 더욱 향상시킬 것입니다. 동시에 디지털 트윈 기술을 도입하여 혐기성 발효 및 폐열 회수 시스템의 디지털 트윈 모델을 구축하고, 실시간 모니터링, 오류 조기 경고, 시스템 작동 상태 매개변수 최적화를 실현하고 시스템의 지능 수준을 향상합니다. 또한 가축 및 가금류 사육, 음식물 쓰레기 처리 등 다른 분야의 바이오가스 발전소에 이 프로젝트의 기술 계획을 홍보하고 더 많은 새로운 에너지 프로젝트가 에너지 절약 및 탄소 감소를 달성하도록 돕고 녹색 에너지 산업의 고품질 발전을 촉진합니다.-