成果報告書詳細
管理番号20110000000014
タイトル平成19年度~平成21年度成果報告書 新エネルギー技術フィールドテスト事業 地域バイオマス熱利用フィールドテスト事業 食品残渣、畜糞等の嫌気性脱窒、乾式メタン二段発酵システムによる溶融亜鉛メッキ用加熱炉へのバイオガス供給事業
公開日2011/4/20
報告書年度2007 - 2009
委託先名株式会社日立エンジニアリング・アンド・サービス 大森工業株式会社
プロジェクト番号P07018
部署名新エネルギー技術開発部
和文要約 メタン発酵プラント商用化における技術課題は発酵残渣処理とアンモニアによるメタン発酵阻害防止技術の開発があげられる。 本事業では2.5t/dの実証プラントを建設し、性能確認と長時間連続運転による信頼性評価を実施した。 1.内容 高濃度の窒素を含む鶏糞を嫌気性アンモニア発酵により窒素をアンモニアに転換した後、発酵鶏糞を乾燥して薬品無添加で脱アンモニアした。脱アンモニア鶏糞はメタン発酵設備でバイオガス化、脱硫後、隣接工場の溶融亜鉛メッキ用加熱炉へ供給して燃料LPGガスを削減した。メタン発酵消化液から分離した固形分は炭化炉設備でガス化燃焼しこの排熱を温水回収して加温エネルギーとして利用した。脱離液は硝化脱窒法による排水処理設備で浄化して放流した。 2.成果 (1)鶏糞のアンモニア発酵は安定して進行しアンモニア転換率は60%~90%で推移した。含水率を指標にして乾燥することでアンモニウム態窒素濃度を管理目標値以下に出来ることがわかった。メタン発酵阻害を抑制できるレベルまでアンモニウム態窒素濃度を低減した脱アンモニア鶏糞をメタン発酵工程に2.5t/d規模で安定して連続供給する手法を確立できた。 (2)実機メタン発酵に先行して小型発酵槽を用いて脱アンモニア鶏糞のメタン発酵特性を把握した。脱アンモニア鶏糞を5ヶ月間投入したがアンモニウム態窒素濃度を管理目標値である3,500mg/L以下に保持することができた。その後アンモニウム態窒素濃度を2ヶ月間で4,000mg/Lを超えるまで上昇させると発酵阻害が発生したが対策により発酵を回復させることができた。これにより復旧対策手順も確認できた。 (3)実機メタン発酵において食品廃棄物単独投入で運転した後に鶏糞を投入して約6.5ヶ月間連続運転した。最終的に鶏糞100%原料では投入量2.7t/dで78日間連続運転した。鶏糞投入開始後のアンモニウム態窒素濃度の上昇はわずかであり、3,400mg/Lを超えないように維持した結果メタン発酵を継続することができた。実証プラント規模で鶏糞のアンモニア転換・脱アンモニアシステムの有効性が確認できた。投入量が定格値2.5t/dのときのバイオガス発生量は156m3/dであった。今回得られた鶏糞のガス発生量は59.6Nm3/t-湿重で豚、牛の排泄物に比べてガス発生倍率が高いことが確認できた。発生したバイオガスは脱硫後、ジャパンガルバー米沢工場に供給したが4,900~5,000m3/月のバイオガスをメッキ炉に供給できる性能を有した。バイオガス累積供給量は約40,600m3であった。 (4)鶏糞混合率の増加に伴い消化液の固液分離性能が低下したが鶏糞の未分解成分の形状が長繊維状でないため固液分離機で捕捉され難くなったことによる。 (5)消化液からの固形分回収率が低いことから炭化炉における自燃時間が短く排熱回収により温水を供給する目的は十分には達成できなかった。ただし炭化物には全窒素3.6%、全リン1.7%など肥料成分が多く含まれていることから炭化物の農地還元による有効利用が期待できる。 (6)排水処理 鶏糞100%フェーズの消化液処理水に対する測定結果はいずれも水質汚濁防止法の基準値以内であった。ただし薬品コストが大きく、従来から指摘されているように消化液の排出を更に低減する課題が残された。 (7)ヒートマスバランス 脱アンモニア工程(乾燥機)の蒸気消費量が計画値を超えた。乾燥機の加温エネルギーが灯油消費量全体の76%を占めるため脱アンモニア法の省エネルギー化が課題として残った。バイオガスの生成量は計画値205Nm3/dに対して156Nm3/dであった。 3.課題 ・エネルギー消費抑制型の鶏糞アンモニア除去方法の開発 ・消化液を循環再利用して排出量を削減する消化液アンモニア除去方法の開発
英文要約Title: On-site field test of biomass heat utilization: Supply of biogas to heating furnace for hot-dipped zinc plating, by two-stage anaerobic denitrification and dry methane fermentation system using organic waste such as food residues and animal manure (FY2007-FY2009) Final Report
(1)Ammonia fermentation proceeds steadily, yielding 60%-90% ammonia conversion rate. By the use of water content as an indicator upon drying, it is found that ammonium nitrogen concentration can be controlled within a target level. Procedure for continuous supply of 2.5 t/d chicken manure pretreated by the ammonia conversion and deammonification has been established, which can suppress the methane fermentation inhibition and also result in a stable fermentation process due to a reduced level of ammonium nitrogen concentration. (2)A small-scale fermenter was used to realize fermentation characteristics of deammonified chicken manure. Regarding ammonium nitrogen concentration of the digestive liquid, even the deammonified chicken manure had been fed in continuously for 5 months; a rise of ammonium nitrogen concentration was suppressed, and so maintained below the controlled target level of 3,500 mg/L. When the ammonium nitrogen concentration exceeds 4,000 mg/L, the inhibition of methane fermentation was confirmed. So the countermeasure against it was evaluated and the recovery procedure was established. (3)In the actual methane fermentation, the operation runs continuously for 6.5 months, starting with a sole input of food waste, then followed by a gradual increase of chicken manure fraction. Eventually, the feedstock becomes 100% chicken manure with 2.7 t/d daily input and the operation continues uninterruptedly for other 78 days. After starting the chicken manure feed, the ammonium nitrogen concentration increases just slightly and is successfully controlled under 3,400 mg/L. So the inhibition of methane fermentation does not occur. The effectiveness of ammonification/deammonification of chicken manure at the pilot scale is thus confirmed. At rate input of 2.5 t/d, the biogas production is 156 Nm3/d. The biogas, after undergoing desulfurization, is conveyed to a adjacent factory. It is successfully used as fuel for the hot-dipped plating furnace with a monthly supply of 4,900-5,000 Nm3. The accumulative supply reaches approximately 40,600 Nm3. (4)Due to low recovery rate of solid fraction from the digestive liquid, the self-sustaining combustion time of the carbonization furnace is short. Consequently, the hot water production by the waste heat recovery is not well succeeded. Nevertheless, it is found that the carbonized char contains high level of plant nutrients such as 3.6% total nitrogen and 1.7% total phosphorus. So its effective use as fertilizer for farmland is expected. (5)Regarding the treatment of wastewater, the measured parameters of treated wastewater during 100% chicken manure input phase are all laid within the reference values stated in Water Pollution Prevention Act. However, the cost of chemical used is high. Therefore, there is still a challenge to further reduce the amount of emission from digestive liquid as pointed out so far. (6)Heat and mass balances:Since heating energy required by the drying machine takes up 76% of the furnace oil consumption, it is hence perceivable that a great challenge is there to improve energy efficiency of the deammonification. (7)Challenges ・Develop a non-energy intensive ammonia removal method for chicken manure. ・Develop an ammonia removal method for digestive liquid to enable its recycle/reuse and so reduce emissions.
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