CN102844424A - 用于制造生物气的方法以及装置 - Google Patents

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CN102844424A CN2011800172623A CN201180017262A CN102844424A CN 102844424 A CN102844424 A CN 102844424A CN 2011800172623 A CN2011800172623 A CN 2011800172623A CN 201180017262 A CN201180017262 A CN 201180017262A CN 102844424 A CN102844424 A CN 102844424A
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Abstract

本发明涉及一种用于制造生物气的方法以及装置。从有机的材料中获得生物气。在此，借助于供应系统(13)将基质输送到容器(1)处。在容器(1)中布置至少两个搅拌器(2)。通过驱动器将搅拌器(2)的螺旋桨(3)置于旋转中，并且螺旋桨(3)在容器(1)中产生容器内物质的主要水平的流动。在此，如此选择螺旋桨(3)的螺旋桨直径、螺旋桨几何形状以及位置，即在容器(1)中产生介质的共同的混合区间。根据本发明，探测用于确定在所述混合区间中的介质的平均速度和/或粘度的测量数据。将测量数据继续传送到调节单元(4)处。调节单元(4)改变这样的调整参数，即该调整参数改变引入到混合区间中的搅拌器(2)的功率输入和/或容器内物质的成分和/或流动特性。

Description

用于制造生物气的方法以及装置
技术领域
本发明涉及一种用于从有机的材料中制造生物气(Biogas)的方法以及装置，其中，借助于供应系统(Aufgabesystem)将基质输送到容器处并且在容器中布置至少两个搅拌器，通过驱动器将搅拌器的螺旋桨(Propeller)置于旋转中，其中，螺旋桨在容器中产生容器内物质(Behälterinhalt)的主要水平的流动(zumeist horizontale Strömung)。
背景技术
该方法用于从有机的材料中产生生物气。应用在这种设备中以生产生物气的原料被称为基质。基质包含可通过生物活动(biogen)分解的生物质(Biomasse)(例如粪水、青贮饲料或生物垃圾(Bioabfall))。用于产生生物气而应用的容器也被称为生物反应器(Bioreaktor)或发酵桶。在生物气设备的连续的运行中，连续地将基质输送到容器处并且提取生物气以及发酵残余物(Gärrest)。通过不同类型的微生物使位于容器中的基质转化。该待转化的生物质被称为发酵基质(Gärsubstrat)。由于微生物引起的(mikrobiell)降解(Abbau)，从发酵基质中产生作为生物气的主要组分的甲烷和二氧化碳。
被输送的基质与容器内物质混合。大多借助于供料系统(Fütterungssystem)通过点状的供应实现基质的输送。用于尽可能高的生物气产出所需的生物质的停留时间(Verweilzeit)决定性地取决于基质与发酵基质的混合。在这样的介质(即，其主要特征为提高的粘度)中，为了混合和/或混匀需要使容器内物质循环(Umwälzung)，这通常利用搅拌器实现。
在厌氧生物的生物反应技术的领域中，在多种应用中使用带有大于0.5的高度与直径的比例的发酵桶。在此，大多利用垂直搅拌器进行混合。在此，搅拌器螺旋桨位于中央的由外部驱动的轴上。驱动轴垂直地布置并且从上伸入容器之内，其中，驱动轴大多平行于容器壁伸延。例如，通过文件DE 199 47 339 A1已知这种发酵桶。
与之不同，在根据本发明的用于制造生物气的方法中应用这样的容器形状，即其高度与直径的比例小于0.5。优选地，容器的直径在16和40米之间。在该容器尺寸中，应用从外部被驱动的位于中央的垂直搅拌器不再是经济的。为了混合容器内物质主要应用布置在容器的边缘区域中且布置在容器中的搅拌器，其产生在容器中的介质的主要水平的流动。例如，通过文件WO 2008/104320 A2已知这种布置方案。
通过文件DE 20 2007 002 835 U1已知多个搅拌器以用于容器内物质的混匀，其中，两个相叠地布置的搅拌器布置成与单个的搅拌器相对。对于发酵过程的高的效率来说，在发酵液中尽可能均匀的生物质分布被视为必须的。附加地设置填充液位测量装置，利用其探测在容器中的填充高度并且产生相应的填充液位高度测量信号作为高度实际值信号。将填充液位测量信号输送到控制装置，该控制装置在探测到填充高度较小时如此操控用于构造成潜入式马达搅拌设备(Tauchmotorrührgerät)的搅拌器的高度调整马达(Höhenstellmotor)，即使搅拌器下降并且由此使搅拌器的搅拌叶片进一步完全地浸入。
为了产生生物气而应用的发酵基质通常具有结构粘性的(strukturviskose)流动特性。结构粘性意味着，随着剪切速度的增加，发酵基质的动态的粘度减小。由此，粘度不是值而是函数。对于每个引发的(induziert)剪切速率(Scherrate)得到一个从属的粘度。由此，在容器中粘度局部地不同。粘度与局部地存在的剪切速率相关。其原因为在容器中影响流动的局部的速度。
通过搅拌器的螺旋桨的运动产生剪切速率。在结构粘性的发酵基质时，在螺旋桨的周围局部的粘度减小。随着与螺旋桨的距离增加，剪切速度减小，并且粘度相应地上升。这导致，螺旋桨主要从螺旋桨附近的区域中吸入发酵基质，在该区域中发酵基质具有小的粘度。由此，产生这样的螺旋桨附近的区域，即在其中仅仅围绕螺旋桨自身输送具有小的体积的带有高的速度的基质。该螺旋桨附近的区域被称为空洞(Kaverne)。如果搅拌器仅仅局部地在空洞中工作，则不以优化的方式进行容器内物质的混匀，因为流动的产生限制在该区域上。所以，这导致相对于生物反应器的实际的容积而言可用的反应器体积减小。结果在较小的可用的反应器体积中产生较少的生物气并且由此也产生较少的可用的甲烷。甲烷份额或甲烷量对生物反应器的经济的运行有影响。
发明内容
本发明的目的为被转化的发酵基质量和为此所需的停留时间的最大化以及形成更大的有效的混合区间。另一目的为，提供这样的方法，即在其中多个搅拌器产生混合区间，其中，使为此所需的能量消耗最小化并且优化从混合区间中得到的甲烷产量。
根据本发明，该目的通过以下方式实现，即如此选择螺旋桨的螺旋桨直径、螺旋桨几何形状及位置，即在容器中可产生介质的共同的混合区间，探测用于确定在混合区间中的介质的平均速度和/或粘度的测量数据，并且将测量数据传送到调节单元处，其中，可通过调节单元改变这样的调整参数，即该调整参数改变引入到混合区间中的搅拌器的功率输入(Leistungseintrag)和/或容器内物质的成分。目的为，增大反应体积。
借助于该方法可能的是，在为此所需的能量输入最小化的同时使容器内物质的最优的混合成为可能。在此，第一搅拌器产生搅拌器射流(Rührwerksstrahl)。如此定位第二搅拌器，即其继续传传输(weitertransportieren)第一搅拌器的射流，并且由此自身产生射流。通过有目的地定位搅拌器以及搅拌器相互协调的运行，在单个的搅拌器之间的混合体积增大。根据本发明，为此也由调节单元接通附加的搅拌器运行或者调节单元改变被输送的基质和/或再循环物(Rezirkulat)的量和/或成分。
此外，探测在混合区间中的发酵基质的流动的平均速度和/或在混合区间中的粘度。已证实为尤其有利的是，使用在混合区间中的平均速度作为用于优化的能量输入的标准。在根据本发明的方法中，借助于该参数在能量上优化过程。如果以过小的液压功率使搅拌器运行，则在混合区间中的发酵基质在搅拌器处存在的平均流出速度过小。这导致，混合区间分裂(zerfallen)成无效的单个区间。在这些区间中，平均速度由于高的局部剪切速率而再次提高，这在能量上是不经济的。如果以过高的液压的功率使搅拌器运行，则在混合区间中的平均速度上升超过用于混合区间形成所需的限度，由此或者不适宜地影响能量输入和/或不适宜地影响生物气中的甲烷产量。在这些不适宜的运行条件之间存在优化的速度，根据本发明其用作为用于在容器中的优化的能量引入和材料转化的调节参数。
优化的速度取决于多种因素，例如搅拌器的位置和/或发酵基质的成分。由此，对于每种应用情况得到特定的优化的速度值，在其中，通过引入到共同的混合区间中的搅拌器的优化的功率和推力输入，实现内能的最小化。如此设计搅拌器的定位，即搅拌器以不在局部受到限制的方式工作，而是彼此对应地工作。
在结构粘性的介质中，在速度和粘度之间存在直接的关系。由此，除了速度，备选地或补充地，也可为了在容器内物质的能量上优化的混匀方面必要的液压功率使用与剪切速率相关的粘度。为此，以电的或机械的测量数据为基础直接地或间接地确定一个或多个搅拌器的功率。
可根据奥斯特瓦尔德-迪怀尔(Ostwald-De-Waele)公式(Ansatz)描述在速度和粘度之间的关系。局部的粘度取决于局部地存在的剪切速率。局部的粘度继而与局部的速度相关：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中：
η：动态的粘度，
γ：剪切速率
Figure 273137DEST_PATH_IMAGE002
：速度梯度，
k, m：自由的参数。
在探测用于确定在混合区间中的平均速度和/或粘度的测量数据之后，将测量数据传送到调节单元处。例如，可应用储存程序控制装置(speicherprogrammierbare Steuerung)作为调节单元。
调节单元将测量值与设备特有的理论值相比较。其可为在混合区间中的这样的速度或粘度值，在其中在搅拌器的最小的功率输入时保持共同的混合区间。此外，为了产生甲烷而使用的基质、基质的量和成分、以及基质在发酵桶中的停留时间是重要的。例如，运行特有的(betriebsspezifisch)理论值与容器的大小、搅拌器的类型以及搅拌器彼此的布置方案相关。对于每种应用情况确定该理论值。
在本发明的尤其优选的实施方案中，使用搅拌器的转速作为调整参数。如果速度或粘度与其在功率输入或甲烷产量和/或甲烷气体含量方面的优化值不同，则调节单元改变搅拌器的转速。如果速度过大或粘度过小，则使转速下降。在转速过小或粘度过大时，调节单元提高转速。
也可通过以下方式改变通过搅拌器进行的功率输入，即接入其它搅拌器。该接入提供了附加的功率输入，并且由此可防止共同的混合区间分裂成单个的空洞。
调节单元也可改变这样的调整参数，即其改变容器内物质的成分。为此，调节单元可提高或减小被输送的基质的量。另一可能性在于，通过使用酵素改变发酵基质的分解(Aufschluss)。同样借助于粪水和/或再循环物使发酵基质变稀以及通过添加化学的或生物学的作用机理(Wirkmechanism)改变发酵基质的流动特性是可行的。在此，也可仅仅分阶段地(phasenweise)接入一个或多个搅拌器，例如在通过输送再循环物短时地改变基质成分或发酵基质成分时。
为了确定在混合区间中的平均速度和平均粘度，可应用不同的测量方法。在本发明的尤其有利的变型方案中，由超声波探测器探测在混合区间中的平均速度。这具有的优点为，这涉及无接触的测量方法。在测量局部的速度时，保持不影响介质，因为不将附加的障碍引入流动中。附加的障碍可带来局部剪切速率的变化。出于这一原因，优选地应用无接触的测量方法。
除了速度测量，备选地或附加地，也可探测发酵基质的流动特性。在该方法的尤其有利的变型方案中，通过搅拌器的功率消耗获取用于确定在混合区间中的粘度的测量数据。为此，优选地应用被调节的搅拌器的转速。通过为了测量目的而调节的转速变化，可获得作为转速和由此在搅拌器周围的剪切速率的函数的与粘度相关的功率系数。通过在转速可变时控制搅拌器的功率消耗实现在搅拌器处出现的粘度的测量。通过与相应的水曲线(Wasserkurve)相比较，可获得介质的与剪切应力相关的粘度。目的为借助于评估获取粘度，以用于可确定一个或多个搅拌器的液压的功率。
在另一实施方案中，在运行中探测用于确定浮渣层(Schwimmschicht)及其厚度的测量数据。当气泡附着在颗粒处、其上升并且在表面处连接成连续的层时，形成该浮渣层。这种类型的层可如此程度增长，即气体不再可能从发酵基质中离开。相应地，应阻止该浮渣层的产生，其中，为此接通至少一个附加的搅拌器，其产生消散(auflösen)浮渣层的涡流。通过涡流可阻止颗粒连接成层，从而颗粒可再次被拌入剩余的发酵基质中。
在方法中优选地应用柱形的容器以用于产生生物气。在此，证实为尤其适宜的是，其高度与直径的比例小于0.5。备选地，也可应用环形容器或带有环绕的流动的容器。
附图说明
从根据图纸对实施例的描述中以及图纸自身中得到本发明的其它特征和优点。
其中：
图1显示了带有两个主搅拌器的用于生物气制造的容器的透视的视图，
图2显示了生物气制造的调节装置的示意性的图示，
图3显示了对在容器中利用三个主搅拌器产生的流动的模拟。
具体实施方式
在图1中示出了用于制造生物气的柱形的容器1。其它容器形状同样是可行的。容器的最大直径与高度的比例小于0.5。在容器1中定位有两个搅拌器2，搅拌器的螺旋桨3产生在容器1中的发酵基质的主要水平的流动。搅拌器2或其螺旋桨3在容器1之内布置在不同的高度上。根据需要接入(dazuschalten)补充搅拌器11。
图2显示了用于制造生物气所用的方法的示意性地示出的调节单元4。在此，调节单元可为储存程序控制系统(SPS)或其它调节系统。
调节单元4具有信号输入区域5和信号输出区域6。在方法的测量中探测的数据的信号引导到信号输入区域5处。在调节单元4中处理来自不同的监视过程的传感器7,8,9,10,15,17和搅拌器2的数据。数据输出区域6与影响过程的设备处于有效连接中。影响过程的设备为搅拌器2,11、发酵加热装置12、供应系统13以及再循环单元14。如此操控这些设备，即可以最大的甲烷产量为目的优化单个的过程参数。
可应用以下传感器来进行过程监视：至少一个用于粘度测量的传感器7、一个或多个用于流速测量的传感器8、至少一个浮渣层探测器9、气体量计量器(Gasmengenzähler)10、用于发酵残余物分析的单元15以及至少一个用于获得发酵基质的流动特性的单元17。
生物气设备的经济性主要与搅拌技术或设备的能量消耗相关。该能量消耗尤其与发酵基质的流动特性相关。因此，主要目的之一为，对于运行使用尽可能少的液压的功率。
传感器7用于探测粘度。为了确定粘度，也可使用通过搅拌器2获得的测量数据。备选地或补充地，应用独立的流动特性获取单元17也是可行的。在此，可在多个部位处单个地或同时进行流动特性获取。为了避免在重要的过程参数方面在容器1中过于临界的(kritisch)流动特性以及在过程中应用的所有搅拌器2,11处的损坏并且优化搅拌器的能量消耗，获取流动特性是必要的。在气体产量和能量消耗之间进行优化时，在发酵基质中产生的速度非常重要。
应用传感器8以用于在容器1中的速度测量。在此，可借助于一个或多个速度获取装置在不同的部位处实现速度。
利用探测器9监视浮渣层的形成。由于浮渣层的覆盖不利地影响生物气从发酵基质中的吸出，应避免浮渣层的产生或在产生后尽可能早地破坏浮渣层。为此，例如可接入补充搅拌器11和/或可改变一个或多个主搅拌器2的转速。由此产生使浮渣层消散的流动涡流。
在生物气设备中，产生甲烷是主要目的，因此在该方法中通过气体量计量器10探测所产生的气体流量和/或甲烷流量。如果甲烷量下降到一定的水平之下，调节单元4使影响过程的设备与过程条件相匹配。发酵的目的为，利用基质的生物气潜能(Biogaspotential)的尽可能大的量。
发酵残余物收集在发酵残余物储存器16中。确定发酵残余物中的生物气剩余潜能通过单元15进行，并且为用于调节单元4和用于搅拌器2,11的调节的另一可能的输入参数。可在设备的不同的部位处获得生物气剩余潜能。如果在发酵残余物中超过确定的生物气剩余潜能，调节单元4使影响过程的设备2,11,12,13,14与过程条件相匹配。
原则上，在调节单元4中处理所有来自信号输入区域5的数据。以所储存的算法为基础进行数据的处理。该算法执行的任务为，从输入参数中获得用于从中确定的调节参数的值。使用所获得的调节参数，以由信号输出区域6调节影响过程的设备2,11,12,13,14。
用于调节不同的调整参数的信号来自信号输出区域6中。由此，例如操控搅拌器2，其中，可取决于在混合体积中的平均的速度和/或在混合体积中的粘度调节搅拌器2的转速。如果超过或低于发酵基质的确定的极限速度，则这可不利地影响流动形成并且由此不利地影响过程。此外，在发酵基质的表面处没有运动时，可出现浮渣层的形成。此外，没有运动可导致，待供给的基质或发酵基质仅仅不充分地分布在容器1中。
在输送新的基质时或在已经产生浮渣层的情况中，可接入或调节补充搅拌器11。在将新的基质供给到容器1时，加热装置12产生热。通过供应系统13输送该基质。由此，可使供料量与过程参数相匹配。利用基质过度为容器1供料可不利地影响在容器1中的流动特性并且由此不利地影响甲烷产生。如果流动特性负面地变化，则减小供料量和/或改变其它调节参数例如速度或再循环量。
在过小的供料量时，没有足够的基质用于形成甲烷。借助于气体量计量器10和/或在发酵残余物中的生物气剩余潜能的分析，识别出该状态并且促使利用基质进行供料。该方法具有再循环单元14，其在过于临界的流动特性的情况中例如对再循环物进行配量(zudosieren)。改变发酵基质的流动特性的目的为，使在搅拌器2之间的流动对应性(Strömungskorrespondenz)成为可能。搅拌器的该对应性保证发酵基质的尽可能优化的反应体积。此外，流动特性的改进用于更好地传输(Transport)剪切速度，由此由搅拌器射流形成的发酵基质空洞更大。优化的是这种空洞流入彼此之中，如在图3中以大的空洞显示的那样。这用于改进气体排出。结果改进了生物气和甲烷产量。通过配量酵素、微量元素或其它改变流动特性的物质也可实现改进流动特性。以这种方式，实现更高的基质转化和提高的生物气产出。
在图3中示出了对在容器1中利用三个水平地布置的搅拌器2产生的流动的模拟。每个搅拌器2产生一个流动轨迹(Strombahn)。如此选择搅拌器2的彼此的间距，即在容器1中产生发酵基质的共同的混合区间。如此定位搅拌器2，即继续输送分别由邻近的搅拌器2产生的流动并且由此产生共同的混合区间。通过速度极限值确定混合区间的边界。在表面处通过连续的线18示出该速度极限。

Claims (22)

1. 一种用于从有机的材料中制造生物气的方法，其中，借助于供应系统(13)将基质输送到容器(1)处并且在所述容器(1)中布置至少两个搅拌器(2)，通过驱动器将搅拌器(2)的螺旋桨(3)置于旋转中，其中，所述螺旋桨(3)在所述容器(1)中产生容器内物质的主要水平的流动，
其特征在于，
如此选择所述螺旋桨(3)的螺旋桨直径、螺旋桨几何形状以及位置，即在所述容器(1)中可产生发酵基质的共同的混合区间，探测用于确定在所述混合区间中的发酵基质的平均速度和/或平均粘度的测量数据，并且将所述测量数据传送到调节单元(4)处，其中，可通过所述调节单元(4)改变这样的调整参数，即所述调整参数改变引入到所述混合区间中的搅拌器(2)的功率输入和/或所述容器内物质的成分和/或流动特性。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节单元(4)改变作为调整参数的所述搅拌器(2)中的至少一个的转速。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述调节单元(4)接通至少一个附加的搅拌器(11)。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述调节单元(4)改变被输送的基质和/或再循环物的量和/或成分，和/或在生物化学方面或在物理方面改变所述发酵基质的流动特性。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，由超声波探测器探测在所述混合区间中的平均速度。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，通过一个或多个搅拌器(2)的功率消耗获取用于确定粘度的测量数据。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，通过一个或多个搅拌器(2)的功率消耗获取用于确定流动特性的测量数据。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，基于电的或机械的测量数据间接地或直接地确定一个或多个搅拌器(2)的功率。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，利用粘度计探测用于确定粘度的测量数据。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，探测用于确定浮渣层及其厚度的测量数据。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在出现浮渣层时，接入至少一个附加的搅拌器(11)，其中，所述附加的搅拌器(11)产生消散所述浮渣层的涡流。
12. 根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，应用这样的容器(1)，即其高度与最大直径的比例小于0.5。
13. 一种用于从有机的材料中制造生物气的装置，其中，借助于供应系统(13)将基质输送到容器(1)处并且在所述容器(1)中布置至少两个搅拌器(2)，通过驱动器将搅拌器(2)的螺旋桨(3)置于旋转中，其中，所述螺旋桨(3)在所述容器(1)中产生容器内物质的主要水平的流动，其特征在于，如此选择所述螺旋桨(3)的螺旋桨直径、螺旋桨几何形状以及位置，即在所述容器(1)中可产生发酵基质的共同的混合区间，探测用于确定在所述混合区间中的发酵基质的平均速度和/或平均粘度的测量数据，并且将所述测量数据传送到调节单元(4)处，其中，可通过所述调节单元(4)改变这样的调整参数，即所述调整参数改变引入到所述混合区间中的搅拌器(2)的功率输入和/或所述容器内物质的成分和/或流动特性。
14. 根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述调节单元(4)改变作为调整参数的所述搅拌器(2)中的至少一个的转速。
15. 根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于，所述调节单元(4)接通至少一个附加的搅拌器(11)。
16. 根据权利要求13至15中任一项所述的装置，其特征在于，所述调节单元(4)改变被输送的基质和/或再循环物的量和/或成分，和/或在生物化学方面或在物理方面改变所述发酵基质的流动特性。
17. 根据权利要求13至16中任一项所述的装置，其特征在于，由超声波探测器探测在所述混合区间中的平均速度。
18. 根据权利要求13至17中任一项所述的装置，其特征在于，通过一个或多个搅拌器(2)的功率消耗获取用于确定粘度的测量数据。
19. 根据权利要求13至18中任一项所述的装置，其特征在于，通过一个或多个搅拌器(2)的功率消耗获取用于确定流动特性的测量数据。
20. 根据权利要求13至19中任一项所述的装置，其特征在于，基于电的或机械的测量数据间接地或直接地确定一个或多个搅拌器(2)的功率。
21. 根据权利要求13至20中任一项所述的装置，其特征在于，利用粘度计探测用于确定粘度的测量数据。
22. 根据权利要求13至21中任一项所述的装置，其特征在于，应用这样的容器(1)，即其高度与最大直径的比例小于0.5。
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