JP7478089B2 - Biogas Engine System - Google Patents
Biogas Engine System Download PDFInfo
- Publication number
- JP7478089B2 JP7478089B2 JP2020207532A JP2020207532A JP7478089B2 JP 7478089 B2 JP7478089 B2 JP 7478089B2 JP 2020207532 A JP2020207532 A JP 2020207532A JP 2020207532 A JP2020207532 A JP 2020207532A JP 7478089 B2 JP7478089 B2 JP 7478089B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- biogas
- refrigerant
- temperature
- engine
- heat
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims description 111
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 31
- 239000010815 organic waste Substances 0.000 claims description 15
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 6
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 claims description 6
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 26
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 21
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 19
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 description 18
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 description 18
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 18
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 9
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 8
- 239000010705 motor oil Substances 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 239000010794 food waste Substances 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 3
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 2
- 238000006477 desulfuration reaction Methods 0.000 description 2
- 230000023556 desulfurization Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 244000144972 livestock Species 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
Description
本発明は、バイオガスを燃焼させるバイオガスエンジンを備えるバイオガスエンジンシステムに関する。 The present invention relates to a biogas engine system equipped with a biogas engine that burns biogas.
近年、バイオガスエンジンが注目されている。バイオガスエンジンは、バイオガスとして、有機性廃棄物(例えば、生ごみ、下水、家畜排泄物および食品廃棄物)のメタン発酵によって生じるバイオガスを、燃料として使用するエンジンである。 In recent years, biogas engines have been attracting attention. Biogas engines use biogas, which is produced by methane fermentation of organic waste (e.g., food waste, sewage, livestock waste, and food waste), as fuel.
バイオガスは、カーボンニュートラルに対応しているため、バイオガスの使用により、環境負荷を低減できる。一方、有機性廃棄物のメタン発酵では、発酵を活性化させるために、有機性廃棄物を加熱することが要求される。 Biogas is carbon neutral, so using it can reduce the burden on the environment. On the other hand, methane fermentation of organic waste requires heating the organic waste to activate the fermentation.
そこで、バイオガスエンジンの熱エネルギーを使用して、有機性廃棄物を加熱することが提案されている。例えば、以下のエネルギー回収システムが提案されている。このエネルギー回収システムは、食品廃棄物を含むスラリーをメタン発酵してバイオガスを生成させるメタン発酵槽と、バイオガスを燃料として電力および高温高圧水蒸気を発生させるコジェネレーション機関とを備えている。そして、このエネルギー回収システムでは、コジェネレーション機関から排出された高温高圧水蒸気が、メタン発酵槽の保温に使用される(例えば、特許文献1参照。)。 It has therefore been proposed to use the thermal energy of a biogas engine to heat organic waste. For example, the following energy recovery system has been proposed. This energy recovery system is equipped with a methane fermentation tank that produces biogas by methane fermentation of a slurry containing food waste, and a cogeneration engine that uses the biogas as fuel to generate electricity and high-temperature, high-pressure steam. In this energy recovery system, the high-temperature, high-pressure steam discharged from the cogeneration engine is used to keep the methane fermentation tank warm (see, for example, Patent Document 1).
一方、エネルギー回収システムでは、さらに効率よくエネルギーを回収および再利用することが要求される。 On the other hand, energy recovery systems are required to recover and reuse energy more efficiently.
本発明は、エネルギー効率に優れるバイオガスエンジンシステムである。 The present invention is a biogas engine system with excellent energy efficiency.
本発明[1]は、バイオガスを燃焼させるバイオガスエンジンと、有機性廃棄物を発酵させ、バイオガスを発生させるバイオガス発生部と、前記バイオガスエンジンを冷媒により冷却するための冷媒循環ラインと、前記バイオガス発生部を熱媒により加熱するための熱媒循環ラインと、前記冷媒循環ラインおよび前記熱媒循環ラインの間で熱交換する熱交換器と、前記バイオガス発生部の温度を検知する温度センサと、前記温度センサにより検知される前記バイオガス発生部の温度に応じて、前記バイオガスエンジンおよび前記冷媒循環ラインの作動を制御する制御ユニットとを備え、前記制御ユニットは、前記温度センサにより検知される前記バイオガス発生部の温度が所定値以上である場合に、前記バイオガスエンジンを所定のタイミングで点火させ、かつ、前記冷媒循環ラインに所定の流量で冷媒を循環させる保温運転モードと、前記温度センサにより検知される前記バイオガス発生部の温度が所定値未満である場合に、前記バイオガスエンジンにおける点火のタイミングを、前記所定のタイミングよりも遅らせ、および/または、前記冷媒循環ラインの冷媒の流量を増加させる加熱運転モードとを、切り替え可能としている、バイオガスエンジンシステムを、含んでいる。 The present invention [1] is a biogas engine that burns biogas, a biogas generation unit that ferments organic waste to generate biogas, a refrigerant circulation line for cooling the biogas engine with a refrigerant, a heat medium circulation line for heating the biogas generation unit with a heat medium, a heat exchanger that exchanges heat between the refrigerant circulation line and the heat medium circulation line, a temperature sensor that detects the temperature of the biogas generation unit, and a control unit that controls the operation of the biogas engine and the refrigerant circulation line in accordance with the temperature of the biogas generation unit detected by the temperature sensor, The control unit includes a biogas engine system that can switch between an insulation operation mode in which the biogas engine is ignited at a predetermined timing and the refrigerant is circulated through the refrigerant circulation line at a predetermined flow rate when the temperature of the biogas generation section detected by the temperature sensor is equal to or higher than a predetermined value, and a heating operation mode in which the ignition timing of the biogas engine is delayed from the predetermined timing and/or the flow rate of the refrigerant through the refrigerant circulation line is increased when the temperature of the biogas generation section detected by the temperature sensor is less than a predetermined value.
本発明のバイオガスエンジンシステムでは、バイオガス発生部の温度が所定値以上である場合に、制御ユニットは、保温運転モードとして、バイオガスエンジンを所定のタイミングで点火させ、かつ、冷媒循環ラインに所定の流量で冷媒を循環させる。また、バイオガス発生部の温度が所定値未満である場合に、制御ユニットは、加熱運転モードとして、バイオガスエンジンにおける点火のタイミングを、保温運転モードにおけるタイミングよりも遅らせ、および/または、冷媒循環ラインの冷媒の流量を増加させる。 In the biogas engine system of the present invention, when the temperature of the biogas generation section is equal to or higher than a predetermined value, the control unit operates in a heat retention operation mode, igniting the biogas engine at a predetermined timing and circulating the refrigerant at a predetermined flow rate through the refrigerant circulation line. When the temperature of the biogas generation section is lower than the predetermined value, the control unit operates in a heating operation mode, delaying the timing of ignition in the biogas engine from the timing in the heat retention operation mode and/or increasing the flow rate of the refrigerant in the refrigerant circulation line.
これにより、本発明のバイオガスエンジンシステムでは、バイオガス発生部の温度が所定値以上の場合には、バイオガス発生部を保温し、バイオガス発生部の温度が所定値未満である場合にのみ、バイオガス発生部を加熱できる。そのため、本発明のバイオガスエンジンシステムは、システム全体のエネルギー効率に優れる。 As a result, in the biogas engine system of the present invention, when the temperature of the biogas generation unit is equal to or higher than a predetermined value, the biogas generation unit is kept warm, and the biogas generation unit is heated only when the temperature of the biogas generation unit is below the predetermined value. Therefore, the biogas engine system of the present invention has excellent energy efficiency throughout the system.
1.バイオガスエンジンシステムの構成
図1において、バイオガスエンジンシステム1は、例えば、発電装置100(図1破線参照)に接続される動力源である。バイオガスエンジンシステム1は、バイオガスを燃焼させるバイオガスエンジン2と、有機性廃棄物を発酵させ、バイオガスを発生させるバイオガス発生部3と、バイオガスエンジン2を冷媒により冷却するための冷媒循環ライン4と、バイオガス発生部3を熱媒により加熱するための熱媒循環ライン5と、冷媒循環ライン4および熱媒循環ライン5の間で熱交換する熱交換器6と、バイオガス発生部3の温度を検知する温度センサ8と、温度センサ8により検知されるバイオガス発生部3の温度に応じて、バイオガスエンジン2、冷媒循環ライン4および熱媒循環ライン5の作動を制御する制御ユニット7とを備えている。
1. Configuration of the biogas engine system In Fig. 1, the
バイオガスエンジン2は、シリンダーブロック11と、クランクシャフト10と、ピストン12と、シリンダヘッド13と、オイルパン23と、バイオガス供給部14と、空気供給部15と、ガス排出部16とを備えている。
The
シリンダーブロック11は、シリンダー部11aとクランクケース11bとを備えている。シリンダー部11aは、ピストン12を収容している。クランクケース11bは、シリンダー部11aの鉛直方向下方に配置される。クランクケース11bの下方端は、オイルパン32(後述)に連通している。クランクケース11bは、クランクシャフト10(後述)を収容している。
The
シリンダーブロック11の形状は、特に制限されず、気筒数に応じて設計されている。すなわち、バイオガスエンジン2は、単気筒型または多気筒型のバイオガスエンジンである。
The shape of the
ピストン12は、シリンダー部11a内で空気を圧縮するために、設けられている。ピストン12は、シリンダー部11a内に、摺動可能に収容されている。ピストン12には、クランクシャフト10が接続されている。クランクシャフト10は、クランクケース11b内に、回転可能に収容されている。
The
シリンダヘッド13は、シリンダーブロック11の鉛直方向上側において、シリンダーブロック11を封止している。ピストン12とシリンダヘッド13との間には、燃焼室20が形成されている。燃焼室20では、バイオガス供給弁19(後述)から噴射されたバイオガスと空気とが混合および燃焼可能とされている。
The
また、シリンダヘッド13は、空気供給部15(後述)から供給される空気を燃焼室20に導入するための吸気ポートと、燃焼室20で生成された排ガスをガス排出部16(後述)に排出するための排気ポート22と、吸気ポート21を開閉可能とする吸気弁24と、排気ポート22を開閉可能とする排気弁25とを備えている。吸気弁24および排気弁25は、図示しないが、制御ユニット7(後述)に接続されており、任意に開閉可能とされている。
The
オイルパン23は、エンジンオイルを貯留するための容器である。オイルパン23は、クランクケース11bの鉛直方向下端部と連通している。オイルパン23には、エンジンオイルが貯留されている。エンジンオイルは、公知の方法で、ピストン12に供給可能とされている。エンジンオイルの供給方法としては、例えば、ドライサンプ方式、ウェットサンプ方式およびセミウェットサンプ方式が挙げられる。また、クランクシャフト10をエンジンオイルに接触させ、クランクシャフト10の回転によって、エンジンオイルをバイオガスエンジン2に供給することもできる。エンジンオイルをピストン12に供給することにより、ピストン12の昇降運動が可能とされ、例えば、吸気行程、圧縮行程、爆発行程、排気行程が順次実施可能とされる。
The
バイオガス供給部14は、燃焼室20にバイオガスを供給するユニットである。バイオガス供給部14は、バイオガス供給管18と、バイオガス供給弁19とを備えている。
The
バイオガス供給管18は、バイオガスを、バイオガス貯留槽34(後述)から燃焼室20に供給するための管である。バイオガス供給管18の上流側端部は、バイオガス貯留槽34(後述)に接続されている。また、バイオガス供給管18の下流側端部は、バイオガス供給弁19に接続されている。バイオガス供給管18には、図示しないポンプが介装されている。ポンプの駆動により、バイオガス貯留槽34(後述)内のバイオガスが、バイオガス供給弁19に供給される。
The
バイオガス供給弁19は、バイオガスを燃焼室20に噴射するための噴射弁である。バイオガス供給弁19は、燃焼室20内に臨むように、シリンダー部11aに接続されている。また、バイオガス供給弁19は、図示しないが、制御ユニット7(後述)に接続されており、任意のタイミングで、バイオガスを噴射可能とされている。
The
空気供給部15は、燃焼室20に空気を導入するためのユニットである。空気供給部15は、吸気管30を備えている。
The
吸気管30は、バイオガスエンジン2の燃焼室20へ空気を導入するための管である。吸気管30の上流側は、外部(外気)に開放されている。吸気管30の下流側は、シリンダヘッド13の吸気ポート21に接続されている。なお、バイオガスエンジン2が複数のシリンダーブロック11を有する場合、吸気管30は、下流側が分岐する分岐多岐管として形成され、その分岐末端が、各シリンダヘッド13の吸気ポート21に接続される。
The
吸気管30には、図示しないコンプレッサが介装されていてもよい。コンプレッサ(図示せず)は、空気を外部から吸入するための装置である。コンプレッサ(図示せず)は、図示しないが、制御ユニット7(後述)に接続されており、任意に作動可能とされている。
The
ガス排出部16は、燃焼室20において生じる排ガス(バイオガスの燃焼ガス)を、燃焼室20から排出するユニットである。ガス排出部16は、排気管31を備えている。
The
排気管31は、バイオガスエンジン2の燃焼室20から排ガスを外部へ排出するための管である。排気管31の上流側は、シリンダヘッド13の排気ポート22に接続されている。排気管31の下流側は、外部(外気)に開放されている。なお、バイオガスエンジン2が複数のシリンダーブロック11を有する場合、排気管31は、上流側が分岐する分岐多岐管として形成され、その分岐末端が、各シリンダヘッド13の排気ポート22に接続される。
The
また、バイオガスエンジン2は、点火プラグ29を備えている。点火プラグ29は、バイオガスおよび空気の混合気に点火するための電気部品である。点火プラグ29としては、例えば、スパーククラブおよびグロークラブが挙げられる。点火プラグ29は、燃焼室20に臨むように設けられている。また、点火プラグ29は、制御ユニット7に接続されており、任意に作動可能とされている(図1太破線参照)。
The
バイオガスエンジン2は、冷媒(後述)を供給可能な冷媒供給口35と、冷媒(後述)を排出可能な冷媒排出口36とを備えている。これにより、バイオガスエンジン2は、冷媒(後述)により冷却可能とされている。
The
バイオガス発生部3は、有機性廃棄物をメタン発酵させ、バイオガスを発生させるために備えられている。より具体的には、バイオガス発生部3は、発酵槽32と、バイオガス輸送管33と、バイオガス貯留槽34とを備えている。
The
発酵槽32は、有機性廃棄物をメタン発酵させるための槽である。発酵槽32は、耐熱耐圧容器からなる。発酵槽32には、有機性廃棄物をメタン発酵可能な微生物が、格納されている。
The
発酵槽32は、熱媒(後述)を供給可能な熱媒供給口37と、熱媒(後述)を排出可能な熱媒排出口38とを備えている。これにより、発酵槽32は、熱媒(後述)により加熱可能とされている。
The
バイオガス輸送管33は、バイオガスを発酵槽32からバイオガス貯留槽34に輸送するための管である。バイオガス輸送管33の一方側端部は、発酵槽32に接続されている。また、バイオガス輸送管33の他方側端部は、バイオガス貯留槽34に接続されている。また、図示しないが、バイオガス輸送管33の流れ方向途中には、ポンプおよび弁が介在されている。そして、ポンプの駆動および弁の開閉により、バイオガスを発酵槽32からバイオガス貯留槽34に輸送可能とされている。
The
また、図示しないが、バイオガス輸送管33の流れ方向途中には、バイオガスを任意の方法で前処理するための処理装置が介在されている。処理装置としては、脱硫装置および脱シロキサン装置が挙げられる。
Although not shown, a treatment device for pretreating the biogas by any method is interposed midway in the flow direction of the
バイオガス貯留槽34は、バイオガスを貯留する貯留タンクである。バイオガス貯留槽34は、耐熱耐圧容器からなる。バイオガス貯留槽34は、バイオガス輸送管33の他方側端部が接続されている。これにより、発酵槽32で生成したバイオガスが、バイオガス貯留槽34に輸送され、貯留される。また、バイオガス貯留槽34は、バイオガス供給管18に接続されている。これにより、バイオガス貯留槽34内のバイオガスが、任意のタイミングで、バイオガスエンジン2の燃焼室20に供給可能とされている。
The
冷媒循環ライン4は、冷媒循環管41と、ラジエータ42と、冷媒循環ポンプ43とを備えている。
The refrigerant circulation line 4 includes a
冷媒循環管41は、内部を冷媒が循環する管である。冷媒としては、例えば、水、LLC(エチレングリコール水溶液)またはオイルが挙げられる。冷媒循環管41の一端部は、バイオガスエンジン2の冷媒供給口35に接続されている。冷媒循環管41の他端部は、バイオガスエンジン2の冷媒排出口36に接続されている。
The
ラジエータ42は、冷媒循環管41の流れ方向途中に介在されている。これにより、ラジエータ42は、バイオガスエンジン2との熱交換により温度上昇した比較的高温の冷媒を、熱交換により冷却可能としている。なお、冷却された冷媒は、冷媒循環管41を循環し、再度、バイオガスエンジン2に供給される。
The
冷媒循環ポンプ43は、ラジエータ42よりも下流側、かつ、熱交換器6よりも上流側において、冷媒循環管41に介在されている。冷媒循環ポンプ43としては、公知の送液ポンプが挙げられる。送液ポンプとしては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプ、ピストンポンプおよびダイヤフラムポンプが挙げられる。送液ポンプは、バイオガスエンジン2の内部に格納されていてもよい。
The
そして、冷媒循環ライン4は、バイオガスエンジン2を冷却可能としている(図1一点鎖線参照)。より具体的には、冷媒循環ライン4は、比較的低温の冷媒を、バイオガスエンジン2の冷媒供給口35から供給可能としている(図1細矢印C1参照)。供給された冷媒は、バイオガスエンジン2と熱交換し、バイオガスエンジン2が冷却される。なお、冷媒は、熱交換により比較的高温になり、冷媒排出口36から排出され、熱交換器6(後述)に供給される(図1太矢印H1参照)。
The refrigerant circulation line 4 is capable of cooling the biogas engine 2 (see dashed line in Figure 1). More specifically, the refrigerant circulation line 4 is capable of supplying a relatively low-temperature refrigerant from the
熱媒循環ライン5は、熱媒循環管51と、熱媒循環ポンプ52とを備えている。
The heat medium circulation line 5 includes a heat
熱媒循環管51は、内部を熱媒が循環する管である。熱媒としては、例えば、水、LLC(エチレングリコール水溶液)またはオイルが挙げられる。熱媒循環管51の一端部は、発酵槽32の熱媒供給口37に接続されている。熱媒循環管51の他端部は、発酵槽32の熱媒排出口38に接続されている。
The heat
熱媒循環ポンプ52は、熱媒循環管51に介在されている。熱媒循環ポンプ52としては、公知の送液ポンプが挙げられる。
The heat
そして、熱媒循環ライン5は、発酵槽32を、加熱可能としている。より具体的には、熱媒循環ライン5は、比較的高温の熱媒を、発酵槽32の熱媒供給口37から供給可能としている(図1太矢印H2参照)。供給された熱媒は、発酵槽32と熱交換し、発酵槽32が加熱される。なお、熱媒は、熱交換により比較的低温になり、熱媒排出口38から排出される(図1細矢印C2参照)。
The heat medium circulation line 5 is capable of heating the
熱交換器6は、公知の熱交換器である。熱交換器6は、冷媒循環ライン4および熱媒循環ライン5の間で熱交換するために、備えられている。より具体的には、熱交換器6は、ラジエータ42よりも上流側かつ冷媒循環ポンプ43よりも下流側において、冷媒循環管41に介在されている。つまり、熱交換器6には、バイオガスエンジン2で熱交換した比較的高温の冷媒が供給可能とされている。また、熱交換器6は、熱媒循環ポンプ52の下流側、かつ、発酵槽32の上流側において、熱媒循環管51に介在されている。つまり、熱交換器6には、発酵槽32で熱交換した比較的低温の熱媒が供給可能とされている。
The heat exchanger 6 is a known heat exchanger. The heat exchanger 6 is provided to exchange heat between the refrigerant circulation line 4 and the heat medium circulation line 5. More specifically, the heat exchanger 6 is interposed in the
温度センサ8は、発酵槽32の温度を検知するためのセンサである。温度センサ8としては、例えば、赤外放射温度計および熱電対温度計が挙げられる。温度センサ8の配置は、特に制限されないが、例えば、温度センサ8のセンサ部分が、発酵槽32の内部に配置されている。これにより、温度センサ8は、発酵槽32の内部温度を検知可能とされている。また、温度センサ8は、制御ユニット7(後述)に電気的に接続されている(図1太破線参照)。これにより、温度センサ8により検知された発酵槽32の内部温度が、制御ユニット7(後述)に入力可能とされている。
The temperature sensor 8 is a sensor for detecting the temperature of the
制御ユニット7は、バイオガスエンジンシステム1における電気的な制御を実行するコントロールユニットである。制御ユニット7は、CPU、ROMおよびRAMを備えている。制御ユニット7は、バイオガスエンジン2の点火プラグ29に電気的に接続されている(図1太破線参照)。これにより、制御ユニット7は、バイオガスエンジン2における点火のタイミングを、任意に制御可能としている。
The control unit 7 is a control unit that executes electrical control in the
また、制御ユニット7は、温度センサ8に電気的に接続されている(図1太破線参照)。これにより、温度センサ8により検知される発酵槽32の温度が、制御ユニット7に電気信号として入力可能とされている。また、制御ユニット7は、冷媒循環ポンプ43および熱媒循環ポンプ52に電気的に接続されている(図1太破線参照)。これにより、制御ユニット7は、冷媒循環ポンプ43および熱媒循環ポンプ52の作動および停止を、制御可能としている。また、制御ユニット7は、冷媒循環ポンプ43の制御により、冷媒循環ライン4を循環する冷媒の流量を、任意に制御可能としている。また、制御ユニット7は、熱媒循環ポンプ52の制御により、熱媒循環ライン5を循環する熱媒の流量を、任意に制御可能としている。
The control unit 7 is also electrically connected to the temperature sensor 8 (see the thick dashed line in FIG. 1). This allows the temperature of the
そして、制御ユニット7は、詳しくは後述するように、温度センサ8により検知される発酵槽32の温度に応じて、バイオガスエンジン2および冷媒循環ポンプ52の作動を制御することにより、バイオガスエンジンシステム1の運転モードを、保温運転モード(後述)と加熱運転モード(後述)とに切り替え可能としている。
The control unit 7 controls the operation of the
2.バイオガスエンジンシステムの駆動
バイオガスエンジンシステム1では、バイオガス発生部3において、バイオガスが発生する。より具体的には、発酵槽32に、有機性廃棄物(例えば、生ごみ、下水、家畜排泄物および食品廃棄物)が投入され、発酵槽32において、有機性廃棄物がメタン発酵する。その結果、メタンガスを主成分とするバイオガスが生じる。バイオガスは、必要に応じて前処理(脱硫処理および脱シロキサン処理)され、バイオガス輸送管33を介して、バイオガス貯留槽34に輸送される。
2. Operation of the Biogas Engine System In the
そして、バイオガスが、バイオガスエンジン2に供給されることにより、吸気行程、圧縮行程、爆発行程および排気行程が順次実施される。
Then, the biogas is supplied to the
より具体的には、バイオガスエンジン2では、吸気弁24が吸気を開始し、吸気ポート21が開状態とされることにより、空気が吸気管30を通過して、燃焼室20に供給される(吸気行程)。
More specifically, in the
その後、吸気弁24が作動され、シリンダヘッド13の吸気ポート21が閉状態とされ、各シリンダーブロック11中を昇降運動(上昇)するピストン12によって、空気が圧縮される(圧縮行程)。
Then, the
そして、ピストン12の上昇時において、バイオガス貯留槽34中のバイオガスが、バイオガス供給管18およびバイオガス供給弁19を介して、燃焼室20に供給される。これにより、空気およびバイオガスの混合気が、圧縮される。そして、圧縮された混合気は、所定のタイミング(すなわち、空気圧縮率が所定値に至ったタイミング)で点火プラグ29により点火され、爆発する(爆発行程)。
When the
その結果、バイオガスが燃焼され、燃焼室20内に、水蒸気および排ガスが生じる。
As a result, the biogas is combusted, producing water vapor and exhaust gases within the
その後、排気弁25が作動され、排気ポート22が開状態とされることにより、燃焼室20内の水蒸気および排ガスが、排気管31を通過して、外部に排出される(排気行程)。
Then, the
そして、発電装置100(図1破線参照)では、上記のバイオガスエンジン2の運動エネルギーが使用され、磁石またはコイルが回転する。これにより、電力が生じる。
Then, in the power generation device 100 (see dashed line in Figure 1), the kinetic energy of the
3.発酵槽の保温および加熱
上記のように、バイオガスエンジンシステム1では、発酵槽32において、有機性廃棄物がメタン発酵し、バイオガスを発生させる。そして、バイオガスが、バイオガスエンジン2において、空気と混合され、燃焼する。
As described above, in the
一方、バイオガスエンジン1において、バイオガスの発生では、比較的高温であることが要求される。そのため、発酵槽32の内部温度が比較的低温(例えば、40℃未満)である場合には、発酵槽32の内部温度が比較的高温(例えば、40℃以上)である場合に比べて、メタン発酵の効率が低下する。
On the other hand, in the
そこで、上記バイオガスエンジンシステム1では、バイオガスエンジンシステム1の運転モードを、保温運転モード(後述)と加熱運転モード(後述)とに切り替えて、バイオガスエンジン2の熱エネルギーにより、発酵槽32を保温または加熱し、バイオガスの発生効率を向上させる。
Therefore, in the
より具体的には、バイオガスエンジンシステム1では、まず、発酵槽32の温度が、温度センサ8により検知され、制御ユニット7に入力される。そして、制御ユニット7では、発酵槽32の温度が、所定値未満であるか、または、所定値以上であるかが判断される。温度の所定値は、例えば、40℃である。
More specifically, in the
そして、発酵槽32の温度が、所定値(例えば、40℃)以上である場合には、制御ユニット7は、バイオガスエンジンシステム1を保温運転モードで運転する。保温運転モードでは、制御ユニット7は、バイオガスエンジン2を所定のタイミングで点火させ、かつ、冷媒循環ライン4に所定の流量で冷媒を循環させる。
When the temperature of the
すなわち、保温運転モードでは、制御ユニット7は、まず、バイオガスエンジン2を所定のタイミングで点火させる。点火のタイミングは、通常、バイオガスエンジン2の出力が最大となるタイミングであり、例えば、ピストン12が上死点に至ったタイミングである。また、制御ユニット7は、冷媒循環ポンプ43を作動させ、所定の流量の冷媒を、冷媒循環ライン4に循環させる。冷媒の流量は、例えば、25~50L/minである。
That is, in the insulation operation mode, the control unit 7 first ignites the
これにより、駆動中のバイオガスエンジン2の冷媒供給口35に、比較的低温の冷媒が供給され、バイオガスエンジン2と熱交換する。その結果、バイオガスエンジン2は冷却される。一方、冷媒は温度上昇し、バイオガスエンジン2の冷媒排出口36から排出され、熱交換器6に供給される。
As a result, a relatively low-temperature refrigerant is supplied to the
また、保温運転モードでは、制御ユニット7は、熱媒循環ポンプ52を作動させ、所定の流量の熱媒を、熱媒循環ライン5に循環させる。熱媒の流量は、例えば、30~100L/minである。
In addition, in the heat retention operation mode, the control unit 7 operates the heat
これにより、比較的高温の熱媒が、発酵槽32の熱媒供給口37に供給され、発酵槽32と熱交換する。その結果、発酵槽32が加熱され、効率よく有機性廃棄物がメタン発酵される。一方、熱媒は温度低下し、発酵槽32の熱媒排出口38から排出され、熱交換器6に供給される。
As a result, the relatively high-temperature heat medium is supplied to the heat
そして、熱交換器6では、バイオガスエンジン2から排出された比較的高温の冷媒と、発酵槽32から排出された比較的低温の熱媒とが、熱交換する。その結果、比較的高温の冷媒が温度低下し、比較的低温の熱媒が温度上昇する。換言すれば、バイオガスエンジン2において発生した熱エネルギーは、冷媒によって回収され、その後、熱媒に熱移動する。
Then, in the heat exchanger 6, the relatively high-temperature refrigerant discharged from the
そして、温度上昇した熱媒は、熱媒循環ポンプ52の駆動により、熱媒循環管51を還流する。その結果、比較的高温の熱媒が、再度、発酵槽32に供給される。すなわち、バイオガスエンジン2で発生する熱により、有機性廃棄物が、比較的高温(例えば、40~80℃)に保温される。その結果、エネルギー効率よく、バイオガスを発生させることができる。
Then, the heat medium with the increased temperature is circulated through the heat
一方、温度低下した冷媒は、冷媒循環ポンプ43の駆動により、冷媒循環管41を還流する。その結果、比較的低温の冷媒が、再度、バイオガスエンジン2に供給される。その結果、冷媒によって、再度、バイオガスエンジン2が冷却される。
Meanwhile, the refrigerant whose temperature has been reduced is circulated through the
これに対して、発酵槽32の温度が所定値(例えば、40℃)未満である場合には、制御ユニット7は、バイオガスエンジンシステム1を加熱運転モードで運転する。加熱運転モードでは、制御ユニット7は、バイオガスエンジン2における点火のタイミングを、上記保温運転モードにおける所定のタイミングよりも遅らせ、および/または、冷媒循環ライン4の冷媒の流量を増加させる。
In contrast, when the temperature of the
例えば、加熱運転モードでは、制御ユニット7は、バイオガスエンジン2における点火のタイミングを、上記保温運転モードにおける所定のタイミングよりも遅らせる。つまり、加熱運転モードでは、バイオガスエンジン2は、遅角で点火される。
For example, in the heating operation mode, the control unit 7 delays the timing of ignition in the
バイオガスエンジン2では、バイオガスおよび空気の混合気に点火するタイミングに応じて、バイオガスエンジン2の内部温度および排ガス温度が異なる。そして、バイオガスに点火するタイミングが、保温運転モードにおけるタイミングよりも遅い場合、バイオガスエンジン2の内部温度および排ガス温度が、比較的高温になる。加熱運転モードにおける点火のタイミングは、例えば、ピストン12が上死点に至り、所定時間(例えば、クランク角において5~15°)が経過した後である。
In the
つまり、バイオガスエンジン2が遅角で点火されると、バイオガスエンジン2の内部温度および排ガスの温度が、上記保温運転モードに対して上昇する。
In other words, when the
そのため、加熱運転モードにおける冷媒循環ライン4の冷媒は、保温運転モードの冷媒に比べて、より多くの熱エネルギーを、バイオガスエンジン2から回収できる。そして、冷媒の熱エネルギーは、熱交換器6において、熱媒循環ライン5を循環する熱媒に移される。つまり、加熱運転モードにおける熱媒の温度は、保温運転モードにおける熱媒の温度よりも、高くなる。そして、加熱運転モードでは、より高温の熱媒によって、発酵槽32が加熱される。
Therefore, the refrigerant in the refrigerant circulation line 4 in the heating operation mode can recover more thermal energy from the
また、例えば、加熱運転モードでは、制御ユニット7は、冷媒循環ポンプ43を作動させ、冷媒循環ライン4を循環する冷媒の流量を、保温運転モードの冷媒の流量よりも増加させる。加熱運転モードにおける冷媒の流量は、保温運転モードの冷媒の流量を超過し、例えば、50~100L/minである。また、加熱運転モードにおける冷媒の流量は、保温運転モードの冷媒の流量に対して、例えば、150%~200%である。
For example, in the heating operation mode, the control unit 7 operates the
これにより、冷媒循環ライン4によるバイオガスエンジン2の冷却効率が上昇する。換言すれば、加熱運転モードにおける冷媒循環ライン4の冷媒は、保温運転モードの冷媒に比べて、より多くの熱エネルギーを、バイオガスエンジン2から回収できる。そして、冷媒の熱エネルギーは、熱交換器6において、熱媒循環ライン5を循環する熱媒に移される。つまり、加熱運転モードにおける熱媒の温度は、保温運転モードにおける熱媒の温度よりも、高くなる。そして、加熱運転モードでは、より高温の熱媒によって、発酵槽32が加熱される。その結果、バイオガスの発生量を増加させることができる。
This increases the cooling efficiency of the
そして、制御ユニット7は、上記の加熱運転モードを、発酵槽32の温度が所定値(例えば、40℃)以上になるまで繰り返す。発酵槽32の温度が所定値(例えば、40℃)以上になると、制御ユニット7は、バイオガスエンジンシステム1の運転モードを、保温運転モードに切り替える。
Then, the control unit 7 repeats the above heating operation mode until the temperature of the
4.作用・効果
このようなバイオガスエンジンシステム1では、発酵槽32の温度が所定値以上である場合に、制御ユニット7は、保温運転モードとして、バイオガスエンジン2を所定のタイミングで点火させ、かつ、冷媒循環ライン4に所定の流量で冷媒を循環させる。また、発酵槽32の温度が所定値未満である場合に、制御ユニット7は、加熱運転モードとして、バイオガスエンジン2における点火のタイミングを、保温運転モードにおけるタイミングよりも遅らせ、および、冷媒循環ライン4の冷媒の流量を増加させる。
4. Function and Effects In such a
これにより、上記のバイオガスエンジンシステム1では、発酵槽32の温度が所定値以上の場合には、発酵槽32を保温し、バイオガスエンジン2単体の高い熱効率を維持しつつ、バイオガス発生量を維持させることができる。また、上記のバイオガスエンジンシステム1では、発酵槽32の温度が所定値未満である場合にのみ、発酵槽32を加熱できる。この場合、バイオガスエンジン2単体の熱効率は低下するが、バイオガスの発生量を増加させることができるため、出力低下を抑制でき、出力を維持できる。そのため、上記のバイオガスエンジンシステム1は、システム全体のエネルギー効率に優れる。
As a result, in the
5.変形例
上記した実施形態では、熱交換器6において、バイオガスエンジン2から排出された比較的高温の冷媒と、発酵槽32から排出された比較的低温の熱媒とを、熱交換して、バイオガスエンジン2において発生した熱エネルギーを回収しているが、バイオガスエンジンシステム1では、バイオガスエンジン2において発生した熱エネルギーを、排ガスから回収することもできる。
In the above-described embodiment, the heat exchanger 6 performs heat exchange between the relatively high-temperature refrigerant discharged from the
図2において、バイオガスエンジンシステム1は、上記の構成に加えて、排熱回収ライン9を備えている。
In FIG. 2, in addition to the above configuration, the
排熱回収ライン9は、排熱回収管81および排熱交換器82を備えている。
The exhaust heat recovery line 9 is equipped with an exhaust
排熱回収管81は、内部を熱媒が循環する管である。熱媒としては、例えば、水、LLC(エチレングリコール水溶液)またはオイルが挙げられる。排熱回収管81の一端部は、熱媒循環管51の、熱交換器6の下流側かつ発酵槽32の上流側に、接続されている。排熱回収管81の他端部は、熱交換器6の上流側かつ発酵槽32の下流側において、熱媒循環ポンプ52に接続されている。
The exhaust
熱媒循環ポンプ52は、三方ポンプである。つまり、熱媒循環ポンプ52は、発酵槽32から排出された比較的低温の熱媒を、熱媒循環管51を介して熱交換器6に供給可能とし、さらに、排熱回収管81を介して排熱交換器82に供給可能としている。
The heat
排熱交換器82は、公知の熱交換器である。排熱交換器82は、排気管31および排熱回収管81の間で熱交換するために、備えられている。より具体的には、排熱交換器82は、排熱回収管81に介在されている。つまり、排熱交換器82には、発酵槽32で熱交換した比較的低温の熱媒が供給可能とされている。また、排熱交換器82は、排気管31に介在されている。つまり、排熱交換器82には、バイオガスエンジン2で発生した排ガスが供給可能とされている。
The
このようなバイオガスエンジンシステム1では、発酵槽32から排出された比較的低温の熱媒が、熱媒循環ポンプ52を介して、熱媒循環管51と排熱回収管81とに供給される。そして、排熱回収管81に供給された熱媒は、排熱交換器82に供給される(図1矢印C3参照)。一方、バイオガスエンジン2で発生した比較的高温の排ガスが、排気管31を介して、排熱交換器82に供給される。これにより、比較的低温の熱媒と、比較的高温の排ガスが、排熱交換器82において熱交換する。
In this
その結果、排ガスは冷却され、外気に排出される。一方、熱媒は温度上昇し、排熱交換器82から排出される(図1矢印H3参照)。そして、熱媒は、熱媒循環管51において、熱交換器6から排出された比較的高温の熱媒と合流し、発酵槽32に供給される(図1矢印H2参照)。そのため、上記のバイオガスエンジンシステム1によれば、保温運転モードにおいて、より効率よく、発酵槽32を保温できる。
As a result, the exhaust gas is cooled and discharged to the outside air. Meanwhile, the temperature of the heat transfer medium rises and is discharged from the exhaust heat exchanger 82 (see arrow H3 in Figure 1). The heat transfer medium then merges with the relatively high-temperature heat transfer medium discharged from the heat exchanger 6 in the heat transfer
また、加熱運転モードにおいて、バイオガスエンジン2を遅角で点火すると、排ガスの温度が、保温運転モードにおける排ガスの温度よりも高くなる。そのため、加熱運転モードにおける排熱回収管81の熱媒は、保温運転モードの熱媒に比べて、より多くの熱エネルギーを、バイオガスエンジン2から回収できる。
In addition, when the
また、加熱運転モードにおいて、例えば、排熱回収管81を循環する熱媒の流量を、保温運転モードにおける熱媒の流量よりも増加させると、排熱交換器における熱交換効率が上昇する。つまり、加熱運転モードにおける排熱回収管81の熱媒は、保温運転モードの熱媒に比べて、より多くの熱エネルギーを、バイオガスエンジン2から回収できる。
In addition, in the heating operation mode, for example, if the flow rate of the heat medium circulating through the exhaust
このような実施形態によれば、バイオガスエンジン2の排ガスの熱エネルギーを回収して、その熱エネルギーによって発酵槽32を加熱することができるため、エネルギー効率のさらなる向上を図ることができる。
In this embodiment, the thermal energy of the exhaust gas from the
なお、加熱運転モードでは、バイオガスエンジン2における点火のタイミングを、所定のタイミングよりも遅らせ、かつ、冷媒循環ライン4の冷媒の流量を増加させてもよい。また、バイオガスエンジン2における点火のタイミングを、所定のタイミングよりも遅らせて、冷媒循環ライン4の冷媒の流量を増加させなくともよい。また、冷媒循環ライン4の冷媒の流量を増加させて、バイオガスエンジン2における点火のタイミングを遅らせなくともよい。
In the heating operation mode, the timing of ignition in the
1 バイオガスエンジンシステム
2 バイオガスエンジン
3 バイオガス発生部
4 冷媒循環ライン
5 熱媒循環ライン
6 熱交換器
7 制御ユニット
8 温度センサ
1
Claims (1)
有機性廃棄物を発酵させ、バイオガスを発生させるバイオガス発生部と、
前記バイオガスエンジンを冷媒により冷却するための冷媒循環ラインと、
前記バイオガス発生部を熱媒により加熱するための熱媒循環ラインと、
前記冷媒循環ラインおよび前記熱媒循環ラインの間で熱交換する熱交換器と、
前記バイオガス発生部の温度を検知する温度センサと、
前記温度センサにより検知される前記バイオガス発生部の温度に応じて、前記バイオガスエンジンおよび前記冷媒循環ラインの作動を制御する制御ユニットとを備え、
前記制御ユニットは、
前記温度センサにより検知される前記バイオガス発生部の温度が所定値以上である場合に、前記バイオガスエンジンを所定のタイミングで点火させ、かつ、前記冷媒循環ラインに所定の流量で冷媒を循環させる保温運転モードと、
前記温度センサにより検知される前記バイオガス発生部の温度が所定値未満である場合に、前記バイオガスエンジンにおける点火のタイミングを、前記所定のタイミングよりも遅らせ、および/または、前記冷媒循環ラインの冷媒の流量を増加させる加熱運転モードと
を、切り替え可能としている、バイオガスエンジンシステム。
A biogas engine that burns biogas;
a biogas generating unit that ferments organic waste to generate biogas;
A refrigerant circulation line for cooling the biogas engine with a refrigerant;
A heat medium circulation line for heating the biogas generation section with a heat medium;
a heat exchanger for exchanging heat between the refrigerant circulation line and the heat medium circulation line;
A temperature sensor that detects the temperature of the biogas generation unit;
a control unit that controls the operation of the biogas engine and the refrigerant circulation line in response to the temperature of the biogas generation unit detected by the temperature sensor,
The control unit
a heat retention operation mode in which, when the temperature of the biogas generation unit detected by the temperature sensor is equal to or higher than a predetermined value, the biogas engine is ignited at a predetermined timing and a refrigerant is circulated through the refrigerant circulation line at a predetermined flow rate;
When the temperature of the biogas generation section detected by the temperature sensor is below a predetermined value, the timing of ignition in the biogas engine is delayed from the predetermined timing and/or the flow rate of refrigerant in the refrigerant circulation line is increased.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020207532A JP7478089B2 (en) | 2020-12-15 | 2020-12-15 | Biogas Engine System |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020207532A JP7478089B2 (en) | 2020-12-15 | 2020-12-15 | Biogas Engine System |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022094574A JP2022094574A (en) | 2022-06-27 |
JP7478089B2 true JP7478089B2 (en) | 2024-05-02 |
Family
ID=82162681
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020207532A Active JP7478089B2 (en) | 2020-12-15 | 2020-12-15 | Biogas Engine System |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7478089B2 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011226443A (en) | 2010-04-22 | 2011-11-10 | Denso Corp | Waste heat controlling device for engine |
JP2020146602A (en) | 2019-03-11 | 2020-09-17 | アイシン精機株式会社 | Balloon-type fermenter and a biogas power generation system equipped with the balloon-type fermenter |
-
2020
- 2020-12-15 JP JP2020207532A patent/JP7478089B2/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011226443A (en) | 2010-04-22 | 2011-11-10 | Denso Corp | Waste heat controlling device for engine |
JP2020146602A (en) | 2019-03-11 | 2020-09-17 | アイシン精機株式会社 | Balloon-type fermenter and a biogas power generation system equipped with the balloon-type fermenter |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2022094574A (en) | 2022-06-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5339632A (en) | Method and apparatus for increasing the efficiency of internal combustion engines | |
US6834503B2 (en) | Method for the operation of a steam thermal engine, in particular as a vehicle power unit | |
KR20080112362A (en) | Piston steam engine having internal flash vapourisation of a working medium | |
JP2018003682A (en) | Engine with exhaust heat recovery function | |
US8414288B2 (en) | Combustion system and method | |
US5035115A (en) | Energy conserving engine | |
JP2006299978A (en) | Heat engine | |
CN103620167A (en) | Waste heat recovery installation | |
JP7478089B2 (en) | Biogas Engine System | |
CN103726950B (en) | Double-loop waste heat recovery system of two-stroke internal combustion engine | |
JP7477441B2 (en) | Biogas Engine System | |
JP2023103406A (en) | Exhaust gas recirculation system and ship provided with the same | |
JP3640411B2 (en) | Waste heat recovery system | |
CN211819739U (en) | EGR valve with heating water cavity | |
CN204729190U (en) | LNG motor vaporizer and LNG motor | |
JP2012002191A (en) | Hybrid engine using the same cylinder | |
US11920513B2 (en) | Mono-block reciprocating piston composite ICE/ORC power plant | |
RU157594U1 (en) | TRIGGER INSTALLATION | |
WO2024139139A1 (en) | Engine, engine control method, and vehicle | |
JP2023175435A (en) | biogas engine system | |
RU2266426C1 (en) | Gas internal combustion engine evaporator heating device | |
RU2021119400A (en) | METHOD FOR PROVIDING INCREASED EXHAUST TEMPERATURE AND REDUCED EMISSIONS DURING ENGINE PARTIAL LOAD AND DEVICE FOR IMPLEMENTING THE METHOD | |
RU3300U1 (en) | INTERNAL COMBUSTION ENGINE | |
RU46049U1 (en) | ENERGY INSTALLATION | |
CN110645050A (en) | Pressure storage type engine and acting method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20231101 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20240327 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240402 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240419 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7478089 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |