<Desc/Clms Page number 1>
Die vorliegende Erfindung betnfft einen Biogasreaktor zur Herstellung von Biogas aus organisch belasteten Flüssigkeiten, Insbesondere Gülle, der aus einem Behälter mit einem Im wesentlichen hut- bzw. dachförmigen Einsatz besteht, der das Behältennnere in zwei miteinander in Verbindung stehende Gärräume trennt und in seinem oberen Bereich eine verschliessbare Gasableitung aufweist.
Als organisch belastete Flüssigkeit wird eine Flüssigkeit auf wässenger Basis bezeichnet, in der organische Substanzen gelöst und/oder organische Feststoffe suspendiert sind.
Die Beseitigung biogener Abfalle, wie von bestimmten Abwässern und Abfallprodukten aus der Landwirtschaft, aus der Lebensmittelindustrie, aus dem Inhalt von Biotonnen und dergi., erfolgt derzeit hauptsächlich durch Kompostieren, d h. Verrotten des Materials zu Humus.
Da das Kompostieren ein langsamer, platzaufwendiger Prozess ist, beschäftigt sich die vorliegende Erfindung mit einem anderen Weg zur Beseitigung der Biomasseabfälle, nämlich der Vergärung derselben unter gleichzeitiger Energieerzeugung.
Der Vorschlag, biogene Abfalle durch sogenanntes Ausfaulen in Biogasanlagen zu verwerten, wurde Im Prinzip bereits mehrfach gemacht. Von speziellen Anlagen, die Insbesondere genau auf eine konstante Art von zu verwertenden Abfällen ausgerichtet sind, werden auch bereits positive Ergebnisse gemeldet. In der Regel ist der Erfolg derartiger Methoden jedoch gering, da die praktische Durchführung dieser Gärprozesse In den bekannten Faulgasanlagen verschiedenste Schwlengkelten mit sich bnngt. Vor allem erfolgt in den zu vergärenden Feststoff-Flüssigkeits-Gemischen In der Regel eine Phasentrennung, d. h. Sedimentation und/oder Flotation der Feststoffe, sodass diese Anlagen in kurzer Zelt funktionsuntüchtig werden.
Beim Aufschwimmen der Feststoffe kommt es häufig zur Ausbildung sogenannter Schwimmschichten, die sich verfestigen und harte, verkrustete Aggregate bilden. Andererseits setzen sich Feststoffe, die schwerer als die zu verarbeitende Flüssigkeit sind, als Sedimente auf dem Boden des Behälter ab und verlegen die Abflüsse, bauen sich zu schwer entfernbaren Schichten aufund verhindern wieder einen ordnungsgemässen Betrieb der Anlagen.
Aus der JP-57-1493 A (Sumio) Ist eine Biogasanlage bekannt, in welcher die Gärkammer durch eine horizontale Platte im wesentlichen in zwei übereinander liegende Räume unterteilt wird. Die Platte reicht nicht über den gesamten Behälterquerschnitt, sodass an einer Seite, über welche der Ablauf der ausgegorenen Flüssigkeit erfolgt, eine Verbindung zwischen den belden Räumen gegeben ist. Die hauptsächliche Gärung erfolgt In dem unteren Raum, und das entstehende Gas wird durch eine In der Trennplatte vorgesehene Gasableitung, die durch den oberen Raum hindurchführt, abgezogen. Eine derartige Anordnung bewirkt, dass sich die dann zur Faulung vorliegenden Flüssigkeiten in relativer Ruhe befinden, sodass beim Vorliegen von Feststoffen In denselben, wie z. B.
Stroh und Kot in Gülle oder festen Bioabfällen im Abfallbrei aus der Entsorgung von Biotonnen, ein Aufschwimmen der Feststoffe zur Bildung von Schwimmschichten und zur Unterbrechung des Verfahrens führt.
Eine weitere Japan. Patentveröffentlichung, JP-57-68194 A (Matsushita) betnfft ebenfalls einen Gärbehälter, in welchem durch einen glockenförmigen Einsatz mit zentraler Gasableitung eine Unterteilung in zwei miteinander In Verbindung stehende Räume gegeben ist. Ein Schwimmer, der beim Anstieg des Flüssigkeitsniveaus im Inneren der Glocke die Gasableitung verschliesst, verhindert, dass Schwimmschlamm In das Ableitungsrohr gelangt und dieses verstopft : Auch hier erfolgt die Gasableitung durch die obere Flüssigkeitsschicht hinweg, sodass ein ähnlich ruhiges Verhalten des Behälterinhalts gegeben ISt wie bel der oben genannten Anlage.
Ein weiterer Biogasreaktor ist aus der WO 80/01282 A1 bekannt. Es handelt sich um einen Behälter In
EMI1.1
! iung m zwe ! Gärkanäienicht miteinander In Verbindung.
Bel keinem der bekannten Biogasreaktoren wird Rücksicht auf das Problem der Verhinderung der Bildung von Schwimmschichten und Sedimentationen genommen. Diese treten Immer dann auf, wenn sich die festphasigen Bestandteile in einer praktisch ruhenden Flüssigkeit durch Mangel an Durchmischung an der Oberfläche oder am Grund derselben ansammeln können. Diese Schichten führen zum Versagen des Verfahrens. Der Prozess muss unterbrochen und die Anlage gereinigt werden.
Durch die AT-PS 368 549 wurde ein Verfahren und ein Reaktor zur Erzeugung von Faulgas aus biologischem Abfallmaterial in Form eines Festkörper/Flüssigkeitsgemisches bekannt. Dabei ist als Reaktor ein geneigter, länglicher Behälter vorgesehen, der ein sich über die gesamte Reaktorlänge erstreckendes Rührwerk aufweist und bel welchem-das Festkörper/Flüssigkeitsgemisch unterhalb des Flüssigkeitsspiegels eingebracht und etwa an der höchsten Stelle abgezogen wird.
Durch das Rührwerk wird zwar die oben beschriebene Bildung von Schwimmschichten und Sedimenta-
EMI1.2
<Desc/Clms Page number 2>
notwendig, sodass die auf den erste Blick gute Verwertung von biologischem Abfall einen hohen Energieverbrauch mit sich bringt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Biogasreaktor der eingangs erwähnten Art anzugeben, welcher auf einfache Weise und ohne Energieaufwand eine Bildung von Schwimmschichten und Sedimetation verhindert.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Gasableitung Im obersten Bereich des oberen Gärraumes angeordnet ist, und dass ein im obersten Bereich des unterhalb des Einsatzes liegenden unteren Gärraumes angeordneter Sammelraum für Biogas über ein diskontinuierlich betätigbares Ventil mit dem oberhalb des Einsatzes liegenden oberen Gärraum oder einem mit diesem Gärraum in Verbindung stehenden Flüssigkeitsablaufraum verbindbar ist.
Die Gasentwicklung In dem unter dem Einsatz befindlichen Gärraum des Behälters führt bei geschlossenem Gasableitungsventil zu einer Anreicherung von Gas, das demzufolge unter einem gewissen Druck steht. Die darunter befindliche Flüssigkeit wird in zunehmendem Masse nach unten verdrängt, da der unterhalb des Einsatzes befindliche Gärraum mit dem darüber liegenden Gärraum in Verbindung steht. Auf dem Behälterboden wird sich wahrend dieses Zeitraums Sediment absetzen.
Wird nun das Gasableitungsventil nach einem bestimmten Zeitraum der Gärtätigkeit plötzlich geöffnet, drängt das Gas rasch durch die darüber befindliche Flüssigkeitsschicht und bewirkt einerseits in derselben einen guten Durchmischungseffekt, andererseits strömt Flüssigkeit mit grosser Geschwindigkeit In den unteren Gärraum nach und verursacht dabei ihrerseits ein Aufrühren der Sedimentschicht auf dem Boden
EMI2.1
geöffnet wird, um die beiden gewünschten Misch-und Rühreffekte hervorzurufen. Es ist selbstverständlich, dass dabei der Durchmesser der Gasableitung nicht zu klein sein darf, um den gewünschten Effekt tatsächlich zu erzielen.
Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise der gesamte Faulraum intensiv durchmischt wird und die bei bisherigen Anlagen auftretenden Betriebsstörungen durch Bildung der Schwimmschichten und Sedimentationen vermieden werden können.
Erfindungsgemäss wird also die durch die Biogasbildung enststehende Volumsvergrösserung des unterhalb des Einsatzes befindlichen Gasraums zur Intensiven Mischung der gesamten Flüssigkeitsbeschickung verwendet. Bei der praktischen Verwendung des erfindungsgemässen Biogasreaktors wird dieser so ausgelegt, dass jeweils eine Gasmenge von etwa 0, 5 m3 bis etwa 1 m3 durch die darüber liegende Flüssigkeit ahgeführt wird.
Was nun die bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemässen Biogasreaktors betrifft, so sei als erste eine solche erwähnt, bei welcher der erwähnte hut-bzw. dachförmige Einsatz an einer Seitenwand des Behälters senkrecht zu derselben angesetzt ist. Das von dieser Seitenwand abgewandte Ende des Einsatzes liegt frei und es ist eine Verbindung des oberen Gärraums mit dem unteren Gärraum über einen Spalt zwischen der Wand des Behälters und der unteren Kante des Einsatzes vorgesehen.
Dabei kann der Reaktorbehälter beliebige Form aufweisen. Er kann als stehender Behälter mit ebener Grundfläche oder bevorzugt als liegender Rohrbehälter ausgebildet sein. Im letztgenannten Fall hat es sich als günstig erwiesen, den Reaktorbehälter schräg, vorzugsweise In einem Winkel bis zu 30*, vorzugsweise von etwa 20. zum Boden, aufzustellen, sodass sich eventuelle Sedimente nicht auf der gesamten Bodenfläche, sondern In dem tiefstliegenden Raum ansammeln. Die Form des Einsatzes ist bevorzugt die eines nach unten offenen Rohrsegmentes.
Bel einer derartigen Ausführungsform des erfindungsgemässen Biogasreaktors wurde eine spezielle Konstruktion entwickelt, bel welcher der Einsatz 3 an einer senkrecht zur Längsnchtung und im Abstand von der Stirnfläche des Reaktors in dessen Innerem angeordneten Trennwand angesetzt ist, welche vom Reaktorboden über die Höhe des Einsatzes hinweg bis In Deckennähe reicht, wodurch der Raum des Reaktorbehälters zwischen dieser Stirnwand und der Trennwand einen Ablaufraum für ausgefaulte Flüssigkeit bildet.
Die ausgefaulte Flüssigkeit rinnt dabei über die Oberkante dieser Trennwand in den Flüssigkeitsablaufraum. In diesem ist vorzugsweise ein Wärmetauscher vorgesehen, in dessen Rohren frische, unvergorene Flüssigkeit durch die Wärme der ausgefaulten Flüssigkeit vorgewärmt wird. Wenn nun die Gasableitung des Einsatzes in den Ablaufraum mündet, so kann auch hier eine Durchwirbelung der Flüssigkeit stattfinden, und eine Sedimentbildung aufden Rohren des Wärmetauschers kann erfolgreich verhindert werden.
Günstig ist es dabei, wenn die Trennwand zwischen den Gärräumen und dem Ablaufraum eine Wärmedämmung aufweist.
Die Anschlüsse an den Wärmetauscher bestehen vorzugsweise aus gewebearmierten, flexiblen Schläuchen.
<Desc/Clms Page number 3>
EMI3.1
<Desc/Clms Page number 4>
den oberen Gärkanal. Durch die Öffnung 16 läuft, je nach Füllstand, Faulschlamm ab. Wenn nun entweder durch Zeitsteuerung oder Niveauregelung das Ventil 6 geöffnet wird, entweicht das im Sammelraum 8 unter Druck stehende Biogas 10 (etwa 0, 5 m3 bis 1 m3), wird durch die darüberliegende Flüssigkeitsschicht
EMI4.1
auch der gesamte Faulraum intensiv durchmischt. Die Unterteilung des Faulraumes in einen unteren und einen oberen Gärkanal hat weiters zur Folge, dass trotz intensiver Vermischung des frischen Substrates mit dem Faulschlamm im Bereich des Zulaufes 17 ein günstiges Verweilzeltprofil, d. h. keine Substratkurzschlüsse, erzielt werden.
Der Sedimentabzug erfolgt durch die Öffnung 18.
Auf die in dieser Figur dargestellte galvanische Heizung wird später im Zusammenhang mit Fig. 9 noch genauer eingegangen werden.
Wie in den Ausführungsbeispielen gemäss den Figuren 6 bis 9 ersichtlich, ist ein abgegrenzter Bereich im Faulraum des Reaktors 1, vorzugsweise der Ablaufraum 5, als Wärmetauschraum zur Rückgewinnung von Wärme aus abfliessender, vergorener Gülle und zur Aufwärmung frischer, kalter Gülle (Substrat) vorgesehen. Dieser Wärmetauschraum mit dem Wärmetauscher 19 ist bei Schräganordnung des Reaktors an der oberen Stirnwand des Reaktorbehälters 2 vorgesehen. Der integrierte Wärmetauschraum kann aber auch in jeder anderen beliebigen Biogasanlage eingesetzt werden.
Der Wärmetauscher 19 arbeitet stationär, d. h. der Wärmeübergang findet bei stillstehender Flüssigkeit statt. Der Wärmetauscher 19 besteht aus einer Rohrschlange, die meanderförmig im Wärmetauschraum verlegt ist. Dabei ist zu beachten, dass der gesamte Rohrinhalt, z. B. 200 I, gleich dem Volumen der aussen liegenden Flüssigkeit ist, da nur bei einem Volumsverhältnis von 1 : 1 ein optimaler Wirkungsgrad zu erzielen ist. Auch sollten die Rohre nicht zu dicht aneinander befestigt werden, da sich der Wärmetauscher 19 sonst verstopft. Als Mindestspaltbrelten haben sich 2 cm bewährt.
Wenn das Gasableitungsventil 6'in den Wärmetauschraum mündet, so kann die Gefahr der Verstopfung des Wärmetauschers 19 durch die stossweise Gasfreisetzung und die damit zusammenhängende Durchmischung der darüber liegenden Flüssigkeit vermieden werden. Somit wirkt die diskontinuierliche Öffnung des Gasableitungsventils nicht nur zur Durchmischung des gesamten Faulraums, sondern auch zur Verhinderung der Verstopfung des Wärmetauschers.
Der grosse Vorteil eines innerhalb des Reaktors 1 liegenden Wärmetauschers 19 liegt darin, dass die Gesamtoberfläche des Reaktorbehälters 2 und des Wärmetauschers 19 minimiert wird und dadurch der Wärmeverlust über die Oberfläche insgesamt reduziert wird. Häufig ist die obere Stirnwand des Rektorbehälters als einzige der Witterung ausgesetzt, wenn der Rest der Anlage unterirdisch angeordnet ist Bei dieser Ausführungsform ist die Anordnung des Wärmetauschers in einem Raum direkt anschliessend an die obere Stirnwand besonders vorteilhaft. Es wird bewirkt, dass in diesem hinsichtlich der Wärmeverluste kritischen Bereich eine kühlere Zone geschaffen wird, sodass eine weitere Reduktion der Wärmeverluste möglich ist.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich, kann die Trennwand 4 zwischen Fauiraum und Wärmetauschraum wärmegedämmt sein. Dafür eignet sich z. B. eine 10 cm dicke extrudierte Polystyrolplatte.
Zweckmässigerweise bestehen die Anschlüsse des meanderförmigen Wärmetauschers 19 an den Einund/oder Auslässen aus gewebearmierten Schläuchen. Dadurch ergibt sich eine vorteilhafte und kostengünstige Methode, um Passungsungenauigkeiten zu überbrücken Ausserdem werden mechanische Kräfte, die ihrerseits eventuell Brüche hervorrufen könnten, nicht durch Klemmen, Vibratoren od. dergl. übertragen.
Auch der Wärmetauscher selbst kann aus einem gewebeverstärkten, flexiblen Schlauch bestehen.
Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist es besonders vorteilhaft, dass der Wärmetauscher 19 nur auf z. B. 100 i ausgelegt ist und nicht bis an den Boden der Anlage reicht. Auch eine Distanzierung zur Reaktorwand ist zweckmässig. Die Seitenwände des Reaktors 1 können günstigerweise ebenfalls wärmegedämmt sein.
Hinsichtlich der Dosierung der Fnschgülle - es darf ja nur genau das Volumen eingefördert werden, das in die Rohrschlange passt-hat sich eine Steuerung, die über die Temperaturdifferenz arbeitet, als besonders vorteilhaft erwiesen.
Zu Reinigungszwecken ist es vorteilhaft, wenn oberhalb des Wärmetauschers eine Inspektionsöffnung vorgesehen ist. Die Entsorgung der Anlage bzw. des Reaktors 1, d. h der Ablauf des vergorenen Substrates. erfolgt am besten über einen Syphon, der günstigerweise für Wartungszwecke mit Putzöffnungen versehen sein sollte.
Ein besonderes Merkmal des Reaktors 1 sind die Heizungssysteme desselben. Der Reaktor ist mit drei voneinander unabhängigen Heizsystemen ausgestattet, von denen eine Wannwasserheizung nur als Hllfs- heizung vorgesehen ist. Die eigentliche Wärmeversorgung wird durch die galvanische Heizung erreicht, wie
<Desc/Clms Page number 5>
sie in Fig. 5 dargestellt ist.
Bei der galvanischen Heizung wird die Flüssigkeit oder das organisch belastete Abwasser, welches elektrolytisch leitend ist, direkt von elektrischem Strom, vorzugsweise Wechselstrom, durchflossen und erwärmt sich dabei als elektrischer Widerstand. Die Einleitung des Stromes in den Elektrolyt erfolgt über zwei Elektroden. Der besondere Vorteil der galvanischen Heizung ist darin zu sehen, dass jedes Volumselement des Reaktonnhalts von elektrischem Strom durchflossen und durch den Eigenwiderstand direkt geheizt wird. Es ist also gleichgültig, ob Ablagerungen am Reaktorboden, Schwimmschichten, Bereiche mit dick- oder dünnflüssigem Substrat vorliegen oder nicht, die Heizung funktioniert unabhängig davon, und es gibt keine heissen und/oder kalten Zonen. Auch ist der Wirkungsgrad 100 %, was vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit besonders vorteilhaft ist.
Weiters wird durch den Wechselstrom die Baktenentätigkeit angeregt, was zusätzlich zu einer erhöhten Biogasproduktton führt. Die anzulegende Spannung, die gemeinsam mit dem elektrischen Widerstand des Substrates die Stromstärke bestimmt, ist so zu wählen, dass der maximale Heizbedarf der Anlage durch Dauerbetrieb der Heizung abgedeckt wird. Als Elektroden dienen bevorzugt die Trennwand 4 und das Umlenkblech im Bereich 15 oder die gesamte bzw. ein Teil der
Reaktorrückwand.
Vorteilhafterweise ist der Reaktor 1 mit einer Abgasheizung ausgestattet, wie sie schematisch In Flg. 9 dargestellt ist. Dabei werden die heissen Rauchgase einer Verbrennungskraftmaschine über ein Tauchrohr 21 in die Flüssigkeit geleitet, in welcher sie beim Aufsteigen ihre Wärme abgeben und anschliessend die Anlage über die Öffnung 22 verlassen.
Als Verbrennungskraftmaschine dient vorteilhafterweise ein mit Biogas betriebener Motor, der als Generator zur Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie betrieben wird. Seine Auspuffgase werden direkt in die Flüssigkeit geleitet. Das Gas gibt seine Wärme fast schlagartig an die Flüssigkeit ab und verlässt diese mit Flüssigkeitstemperatur. Es sind nur Eintauchtiefen von maximal 50 cm nötig, um einen vollkommenen Wärmeaustausch zu erzielen. Selbst Gase mit einer Temperatur von 500. C können so Innerhalb von Sekundenbruchteilen auf 10 C bis 20. C abgekühlt werden.
Nach der Darstellung von Fig. 9 ISt die Abgasheizung in den Faulraum integriert, da sich dadurch besonders geringe Wärmeverluste bzw. hohe Wirkungsgrade erzielen lassen. Sie sollte gemeinsam mit dem Gülle-Gülle-Wärmetauscher 19 chargenweise betrieben werden, wobei die dargestellte Systemanordnung besonders zweckmässig ist. Der Abgaswärmetauscher 23 weist dabei den gleichen Inhalt wie der Wärmetauscher 19 auf.
Die Abgasheizung kann aber auch in einem externen Behälter eingebaut sein, wobei allerdings grössere Wärmeverluste auftreten als bei der integrierten Bauweise von Fig. 9. Eine noch vorteilhaftere Anwendung der Abgasheizung ergibt sich, wenn das Abgas zweimal verwendet wird. Dies ist möglich, wenn die Biogasanlage eine vorgeschaltete Güllegrube aufweist. Dabei wird das heisse Motorabgas, wie oben beschneben, im Abgas-Wärmetauscher In der Biogasanlage gekühlt und dieses kühle Rauchgas wird dann zur nochmaligen Verwendung In die Vorgrube geleitet.
Um eine schnelle und preisgünstige Errichtung des Reaktors 1 zu ermöglichen, weist dieser ein spezielles, vorgefertigtes Fundament gemäss Fig. 10 auf, das aus einem Drittelsegment 24 eines Rohres mit aufgeschäumter Wärmedämmung besteht. Bei der Errichtung des Reaktors wird nun so vorgegangen, dass mit einer Baumaschine, vorzugsweise einem Löffelbagger, eine Grube mit etwa 20'Neigung aus dem Erdreich ausgehoben wird. Dabei liegt der vordere untere Punkt des Reaktors 1 am besten 50 cm unter dem Erdniveau und das hintere Ende entsprechend tiefer. Für eine Anlage mit einem Rohrdurchmesser von z. B. 2100 mm wird eine Grube mit einem Durchmesser von ca 2500 mm ausgehoben.
In diese Grube werden die vorgefertigten Fundamentrohrsegmente 24 gelegt Dabei werden die Rohrsegmente 24 derart hintereinander angeordnet. dass sie nahtlos aneinander stossen und ingesamt dieselbe Schräg lage wie der Reaktor 1 aufweisen. Von besonderem Vorteil ist es, wenn In der Wärmedämmung 25 des Rohrsegmentes 24 auch Drainageöffnungen 26 vorgesehen sind. Die hinterste und unterste Fundamentschale bzw. das Rohrsegment 24 wird vorzugsweise so ausgeführt, dass sie bzw. es eine Abschlusswand aufweist, damit der Reaktor 1 nicht vom schräg liegenden Fundament abrutscht.
Für die Wärmedämmung der restlichen Anlage eignet sich ein spezielles Material, das unter dem Markennamen Rekodrain bekannt ist. Dieses Isoliermatenal besteht aus freigeschäumten Polystyrolkügelchen, die mit Bitumen aneinander geklebt sind. Dadurch ergibt sich eine wasser- und dampfdurchlässige Isolation, die - ungleich anderen Isolationen - nicht durch das Wasserdampfdruckgefalle zwischen wärmerem Reaktor und kalter Umgebung (Erdreich) durchfeuchtet wird und dadurch an Wärmeschutz verliert. Das Material Ist Im Handel als Dralnagematenal für Hauskeller gedacht. Der Einsatz zum Wärmeschutz für In das Erdreich versenkte Anlagen ist neu. Als Isolationsschichdicke sind am besten drei Lagen zu 6 cm bis 8 cm zu verwenden.
Der grösste Vorteil von Rekodrain Ist sein Preis. Es kostet ca 1 10 des extrudierten Polystyrols, z. B. Roofmate oder Styrodur
<Desc/Clms Page number 6>
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine modulare Bauweise vorgesehen, bei der die wichtigen Komponenten In Serie gefertigt werden, um dann nur mehr zusammengesteckt zu werden. Das wichtigste Modul ist der Kopf der Anlage mit dem integrierten Wärmetauscher, dem Mischventil und der Abgasheizung. An diesem Kopf können kann, z. B. mit einer ETKA-Kupplung von Eternit, beliebig lange
Reaktoren angeschlossen werden.