AT509051A4 - Verfahren zur gewinnung von methanhaltigem biogas aus biomasse - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Gewinnung von methanhaltigem Biogas aus Biomasse beschrieben, die durch eine Hydrolyse und eine Versäuerung aufgeschlossen und einer Methanogenese unterworfen wird, wobei der durch eine Hydrolyse aufgeschlossenen Biomasse während der Versäuerung Kohlendioxid zugeführt wird. Um einfache Verfahrensbedingungen bei einer gesteigerten Produktivität zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass der Biomasse während der Versäuerung Kohlendioxid in Form von Verbrennungsgasen zugeführt wird.

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von methanhaltigem Biogas aus Biomasse, die durch eine Hydrolyse und eine Versäuerung aufgeschlossen und einer Methanogenese unterworfen wird, wobei der durch eine Hydrolyse aufgeschlossenen Biomasse während der Versäuerung Kohlendioxid zugeführt wird.

Bei der biogenen Gewinnung von methanhaltigem Biogas aus Biomasse wird zunächst die zerkleinerte Biomasse, die komplexe Verbindungen, wie Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette aufweist, durch eine Hydrolyse in einfachere organische Verbindungen, z. B. Zucker, Aminosäuren und Fettsäuren, mit Hilfe bakterieller Enzyme zerlegt. In der anschließenden Versäuerungsphase werden diese Zwischenprodukte durch eine Acidogenese zu niederen Fettsäuren, Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff umgesetzt, bevor in einer Acetogenese die niederen Fettsäuren zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid abgebaut werden. In der Methanogenese erfolgt dann die Bildung von Methan aus den während der Versäuerung erhaltenen Produkten. Diese Reaktionen laufen nebeneinander bzw. hintereinander unabhängig davon ab, ob das Verfahren ein- oder mehrstufig durchgeführt wird. In jedem Fall ergibt sich das Problem, dass einerseits die Versäuerung rascher als die Methanogenese erfolgt und anderseits die methanogenen Bakterien empfindlich auf jede Übersäuerung reagieren, sodass ohne zusätzliche Maßnahmen die Methanogenese im Wesentlichen die zuführbare Menge an Biomasse und damit die Produktivität der Biogaserzeugung bestimmt. -2-

Um diese Abhängigkeit zu durchbrechen, wurde bereits vorgeschlagen (AT 507 861 A1), der Biomasse während der Versäuerung Kohlendioxid zuzuführen, das vorteilhaft aus dem gewonnenen Biogas abgetrennt und der Biomasse nach der Hydrolyse zugeführt wird. Durch das Zufuhren von Kohlendioxid während der Versäuerung der durch eine Hydrolyse aufgeschlossenen Biomasse kann der Kohlendioxidbedarf der methanogenen Bakterien, die Wasserstoff und Kohlendioxid unmittelbar zu Methan und Wasser umsetzen, auch bei höheren Wasserstoffkonzentrationen gedeckt werden, sodass die energetisch ungünstigere Methanbildung durch die Spaltung von Essigsäure in Methan und Kohlendioxid zurückgedrängt wird. Wegen des durch die Kohlendioxidzufuhr erreichbaren höheren Wasserstoffverbrauchs sinkt die Konzentration der Wasserstoffionen, wodurch der pH-Wert steigt und für die Methano-genese vorteilhafte Bedingungen eingehalten werden können. Nachteilig ist allerdings der mit der Abtrennung des Kohlendioxids vom gewonnen Biogas verbundene Aufwand, der insbesondere bei Kleinanlagen zur biogenen Erzeugung von Biogas ins Gewicht fällt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung von methanhaltigem Biogas aus Biomasse der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass mit einem vergleichsweise geringen Aufwand die Raumbelastung der Reaktoren insbesondere von Kleinanlagen vergrößert und damit die Produktivität gesteigert werden kann.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Biomasse während der Versäuerung Kohlendioxid in Form von Verbrennungsgasen zugeführt wird.

Verbrennungsgase, die vielfach als ungenützte Abgase zur Verfügung stehen, enthalten neben Kohlendioxid vor allem Stickstoff aus der Verbrennungsluft. Durch das Einleiten von Verbrennungsgasen in die durch die Hydrolyse aufgeschlossene Biomasse und das damit verbundene teilweise Lösen des Stickstoffs wird das Verhältnis der Partialdrücke im Sinne einer Verringerung des Partialdrucks des Wasserstoffs verändert, was bei einem Wasserstoffüberschuss zu einem Austreiben von * * • · • · t * f * - 3-

Wasserstoff aus der wässrigen Lösung mit der Wirkung führt, dass die Konzentration der Wasserstoffionen sinkt und davon abhängig der pH-Wert steigt. Abgesehen davon wird durch das Kohlendioxid in den Verbrennungsgasen die unmittelbare Umsetzung von Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methan durch die methanogenen Bakterien unterstützt, sodass die Summe dieser Wirkungen einen hohen Versäuerungsgrad der aufgeschlossenen Biomasse ermöglicht, ohne die Methanogenese zu hemmen, weil einerseits die höhere Wasserstoffkonzentration durch das in den Verbrennungsgasen enthaltene Kohlendioxid zur Methangewinnung genützt und anderseits ein Wasserstoffüberschuss mit Hilfe des Stickstoffanteils der Verbrennungsgase ausgetrieben wird. Dies bedeutet nicht nur eine höhere Raumbelastung der eingesetzten Reaktoren und damit eine Verbesserung der Produktivität, sondern bringt auch die Möglichkeit mit sich, aus minderwertigeren Materialien, wie Zellulose, Lignin u. dgl., wirtschaftlich Biogas durch eine biogene Synthese zu gewinnen.

Da Verbrennungsgase Schadstoffe und einen Anteil an Restsauerstoff enthalten können, ergeben sich besonders vorteilhafte Verfahrensbedingungen, wenn die Verbrennungsgase vor der Zuführung zur Biomasse durch Gärreste aus der Meth-naogenese geleitet werden. Aufgrund der Einleitung der Verbrennungsgase in die Gärreste aus der Methanogenese können toxische Abgaskomponenten an die Gärreste gebunden und potentiell freier Sauerstoff gebunden werden, sodass die Verbrennungsgase nach der Durchleitung durch diese Gärreste im Wesentlichen nur mehr Stickstoff und Kohlendioxid enthalten.

Anhand der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von methanhaltigem Biogas aus Biomasse näher beschrieben, und zwar wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in einem schematischen Blockschaltbild gezeigt.

Die anfallende Biomasse, bei landwirtschaftlichen Betrieben im Allgemeinen Stallmist, Gülle und Pflanzenreste, wird einer Misch- und Zerkleinerungseinrichtung 1 zugeführt, die mit einem Rührwerk 2 und einer Schneidmühle 3 versehen ist. Die der Zerkleinerungseinrichtung 1 aufgegebene, mit Wasser versetzte Biomasse wird • ·· ·· * · * · * » * * * · ♦ * Μ « #4 · * ** · ·*«· · ·«« *»· ·♦*· · · « « · -4-mit Hilfe einer Förderschnecke 4 in einen Hydrolysebehälter 5 gefördert, in dem langkettige Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette enzymatisch in kurzkettige wasserlösliche Bruchstücke, wie Einfachzucker, Glycerin sowie Fettsäuren und Aminosäuren zerlegt werden. Das während der Hydrolyse freigesetzte Kohlendioxid wird aus dem Hydrolysebehälter 5 über eine Ableitung 6 abgezogen. Das hydrolytisch aufgespaltene Substrat wird dann über eine Förderleitung 7 in einen Reaktor 8 für die Versäuerung gefördert, um die monomeren Zwischenprodukte der Hydrolyse durch eine Acidogenese und eine Acetogenese in niedere Fettsäuren und dann zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid umzusetzen. Die Versäuerung erfolgt unter Zufuhr von Verbrennungsgasen, die über eine Verteilereinrichtung 9 im Bodenbereich des Reaktors 8 zugeführt werden und das Substrat feinperlig durchsetzen. Für die eigentliche Methanumsetzung sind zwei weitere Reaktoren 10 und 11 an den Reaktor 8 angeschlossen, wobei das versauerte Gut aus dem Reaktor 8 über eine Beschickungsleitung 12 mit Hilfe einer Dickstoffpumpe in den Reaktor 10 gefördert wird, der mesophil betrieben wird. Vom Reaktor 10 gelangt das Gärgut über die Beschickungsleitung 13 zum thermophil gefahrenen Reaktor 11, der wiederum über eine Rückführleitung 14 mit dem mesophil betriebenen Reaktor 10 verbunden ist. Die Gärreste aus dem Reaktor 11 werden in einen Sammelbehälter 15 ausgetragen und können dann in herkömmlicher Weise einer Weiterverwendung zugeführt werden. Das bei der Methanogenese in den Reaktoren 10 und 11 gewonnene Methan wird zusammen mit dem gebildeten Kohlendioxid über eine Biogasleitung 16 abgezogen und über eine Entschwefelungseinrichtung 17 geführt, bevor ein Brenner 18 einer Gasturbine 19, die beispielsweise einen Generator 20 antreibt, mit dem Biogas als Brennstoff versorgt wird. Die Verbrennungsluft für den Brenner 18 wird über einen Verdichter 21 angesaugt, der auf einer gemeinsamen Welle mit der Gasturbine 19 sitzt. Die Verbrennungsgase werden aus der Gasturbine 19 über eine Abgasleitung 22 abgezogen, wobei ein Teilstrom dieser Verbrennungsgase über eine Verteilereinrichtung 23 in den Sammelbehälter 15 für die Gärreste aus dem Reaktor 11 eingeleitet wird, um dann aus dem Sammelbehälter 15 übereine Förderleitung 24 an die Verteilereinrichtung 9 des Reaktors 8 für die Versäuerung geleitet zu werden. * ·* ·· « · «· · * * * *4 · « · Μ · ι « * * ** 4 *44« · «ff Mf 4«·* · I · * * -5-

Durch die Einleitung der Verbrennungsgase der Gasturbine 19 in den Sammelbehälter 15 für die Gärreste aus dem Reaktor 11 werden toxische Abgaskomponenten an die Gärreste gebunden und freier Sauerstoff verbraucht, sodass die dem Reaktor 8 für die Versäuerung zugeleiteten Verbrennungsgase im Wesentlichen nur mehr aus Kohlendioxid und Stickstoff bestehen. Der Kohlendioxidgehalt der Verbrennungsgase führt zu einer vermehrten direkten Umsetzung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu Methan, wobei die energetisch ungünstigere Methangewinnung über eine Acetatbildung zurückgedrängt wird. Der hohe Stickstoffanteil der Verbrennungsgase bedingt aufgrund der Löslichkeit des Stickstoffs im Substrat und damit der Verschiebung des Verhältnisses der Partialdrücke ein Austreiben von überschüssigem Wasserstoff. Das sich oberhalb des Substrats im Reaktor 8 sammelnde Stickstoff-Wasserstoffgemisch wird über eine Ableitung 25 abgezogen und kann bei einem entsprechend hohen Heizwert dem Biogas zum Betreiben der Gasturbine 19 zugemischt werden. Eine Reaktion des Stickstoffs mit dem Wasserstoff zu Ammoniak oder Hydrazin ist wegen der vorliegenden energetischen Verhältnisse ausgeschlossen.

Da trotz der Zufuhr von Verbrennungsgasen in den Reaktor 8 die Methanogenese in den Reaktoren 10 und 11 langsamer als die Hydrolyse und die Versäuerung abläuft, werden die Reaktoren 10 und 11 für die Methanogenese mit einem entsprechend größeren Volumen als das des Hydrolysebehälters 5 und des Reaktors 8 für die Versäuerung ausgebildet, sodass nach einer ausreichenden Anlaufzeit ein im Wesentlichen gleichmäßiger, von der Beschickung des Hydrolysebehälters 5 bestimmter Durchsatz an Biomasse gegeben ist. Die Methanogenese könnte in Abhängigkeit von der Temperatur sowohl mesophil als auch thermophil geführt werden. Zur Steigerung der Produktionsmenge und Erhöhung der Stabilität empfiehlt es sich jedoch, zwei wechselweise miteinander verbundene Reaktoren 10 und 11 vorzusehen, wie dies im dargestellten Ausführungsbeispiel angedeutet ist. In diesem Fall wird der Reaktor 10 mesophil und der andere Reaktor 11 thermophil gefahren, um die höhere Vergärungsleistung im thermophilen Bereich nützen zu können. Die wechselseitige Verbindung der Reaktoren 10, 11 über die Förderleitung 13 und die ψ * · • » 6 Rückleitung 14 bietet außerdem die Möglichkeit die gegenüber jeder Veränderung empfindliche Methanogenese zu stabilisieren, indem das Substrat zwischen den beiden Reaktoren zum Teil ausgetauscht wird. Die hiefür erforderlichen Steuerungseinrichtungen sind wie die übrigen notwendigen Förder- und Steuereinrichtungen aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt.

Das durch die Methanogenese gewonnene Biogas wird üblicherweise zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine genützt, im Ausführungsbeispiel eine Gasturbine 19, deren Verbrennungsgase dem Reaktor 8 für die Versäuerung zur Produktionssteigerung zum Teil rückgeführt werden. Anstelle der Gasturbine 19 könnte aber auch ein Verbrennungsmotor betrieben werden, dessen Verbrennungsgase dann der Versäuerungsstufe zugeführt werden. Es ist aber selbstverständlich auch möglich, Verbrennungsgase aus einem anderen Verbrennungsvorgang, beispielsweise einer Kesselfeuerung zu diesem Zweck einzusetzen.

Claims (3)

1. • · • · • ·« * « t ♦ · » ·♦* Patentanwälte Dipl.-Ing. Helmut Hübscher Dipl.-Ing. Karl Winfried Helimich Spittelwiese 7, A 4020 Linz (37 531)11 Patentansprüche: 1. Verfahren zur Gewinnung von methanhaltigem Biogas aus Biomasse, die durch eine Hydrolyse und eine Versäuerung aufgeschlossen und einer Methanoge-nese unterworfen wird, wobei der durch eine Hydrolyse aufgeschlossenen Biomasse während der Versäuerung Kohlendioxid zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Biomasse während der Versäuerung Kohlendioxid in Form von Verbrennungsgasen zugeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsgase vor der Zuführung zur Biomasse durch Gärreste aus der Methanogene-se geleitet werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des durch die Methanogenese gewonnenen Biogases eine Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, deren Verbrennungsgase der Biomasse während der Versäuerung zugeführt werden. Linz, am 15. September 2010 LITHOS Industrial Minerals GmbH durct