DD242396B1

DD242396B1 - PROCESS FOR SUBSTRATE ADVANCEMENT IN BIOGAS PLANTS

Info

Publication number: DD242396B1
Application number: DD85282347A
Authority: DD
Inventors: Werner Steinmetz; Johann Franz; Gerd-Rainer Vollmer
Original assignee: Energie & Transportforsch Inst
Priority date: 1985-11-01
Filing date: 1985-11-01
Publication date: 1988-09-21
Also published as: DD242396A1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

Die Erfindung kann in Biogasanlagen, insbesondere in solchen der industriellen Tierproduktion, zur Aufheizung des dem Biogasreaktor zugeführten Substrats angewendet werden. Sie kann ferner bei der aeroben Aufbereitung von Abwässern genutzt werden. Auch eine Anwendung in Verbindung mit Niedertemperaturheizsystemen ist denkbar. Die Erfindung gehört einerseits in das Gebiet der technischen Mikrobiologie und andererseits in das der Brennkraftmaschinen.The invention can be used in biogas plants, especially in those of industrial animal production, for heating the biogas reactor supplied substrate. It can also be used in the aerobic treatment of wastewater. An application in conjunction with low temperature heating systems is conceivable. The invention belongs, on the one hand, to the field of technical microbiology and, on the other hand, to that of internal combustion engines.

Characteristic of the known technical solutions

Zum effektiven Betrieb von Biogasanlagen muß die zugeführte Gülle, im folgenden auch Substrat genannt, eine bestimmte Temperatur haben. Im sogenannten mesophilen Bereich liegt diese optimale Substrattemperatur bei etwa 35⁰C. Es ist seit mehreren Jahrzehnten bekannt, diese Substrattemperatur durch Aufheizen des Substrats mittels biogasgetriebener Gaskessel zu erreichen. Ferner ist die Substraterwärmung durch die Abwärme von Gasmotor/Generator-Aggregaten und auch durch Wärmepumpen bekannt. Diese Lösungen haben den Nachteil, daß sie zur Erwärmung einen zu hohen Anteil an Primärenergie benötigen bzw. im Falle der Wärmepumpen und Generatoraggregate außerdem sehr aufwendig sind.For the effective operation of biogas plants, the supplied liquid manure, also referred to below as the substrate, must have a specific temperature. In the so-called mesophilic range, this optimum substrate temperature is at about 35 ⁰ C. It is known for several decades to achieve this substrate temperature by heating the substrate by means of biogas driven gas boiler. Furthermore, the substrate heating by the waste heat of gas engine / generator units and also by heat pumps is known. These solutions have the disadvantage that they require an excessive amount of primary energy to heat or in the case of heat pumps and generator sets are also very expensive.

Auch in kommunalen Kläranlagen müssen die organischen Abwasserschiämme mit hohem Energieaufwand erwärmt werden. Nach DDR-Anmeldung WP 160341 geschieht das durch Verbrennen von Faulgas in bekannten Heizkesseln. Die dabei gewonnene Wärme wird über Wärmeübertrager auf das Arbeitsmedium einer Sorptions- oder Strahlungswärmepumpe übertragen. Das Arbeitsmedium, d. h. ein Kältemittel, erwärmt über einen weiteren Wärmeübertrager einen Warmwasserkreislauf. Von diesem wiederum wird die Wärme über einen speziellen Wärmeübertrager auf das zu klärende Abwasser übertragen. Nachteilig sind sowohl der hohe Investitionsaufwand als auch die hohe Energie- und Exergieverluste infolge der 5maligen Wärmeübertragung auf dem Wege von verbranntem Biogas bis hin zum aufzuheizenden Abwasser. Es ist auch bekannt, durch aerobe Aufbereitung von Gülle Wärme zu erzeugen. In einer 1984 an der Universität Bonn verteidigten Dissertationsschrift von W. A. Hemmersbach wird z. B. für Schweinegülle ein erzeugbarer spezifischer Wärmestrom von 16 bis 33 W/Schwein angegeben. Da es sich dabei aber um Niedertemperaturwärme handelt, sieht der Autor keine Möglichkeit zur wirtschaftlichen Nutzung dieser Prozeßwärme.Even in municipal sewage treatment plants, the organic sewage sludge must be heated with a high energy input. According to GDR application WP 160341, this is done by burning digester gas in known boilers. The heat gained is transferred via heat exchangers to the working medium of a sorption or radiant heat pump. The working medium, d. H. a refrigerant, heated via another heat exchanger, a hot water circuit. From this in turn, the heat is transferred via a special heat exchanger to the wastewater to be clarified. Disadvantages are both the high capital expenditure and the high energy and Exergieverluste due to the 5maligen heat transfer on the way of burnt biogas up to the heated wastewater. It is also known to generate heat by aerobic treatment of manure. In a 1984 defended at the University of Bonn dissertation by W. A. Hemmersbach z. B. for pig manure a specific heat flux of 16 to 33 W / pig can be generated. However, since this is low-temperature heat, the author sees no possibility for economic use of this process heat.

Einen wesentlichen Schritt weiter bei der Nutzung dieser Prozeßwärme geht die Patentschrift DD 217786A1. Eine aerobe Vorbehandlung der Gülle wird kombiniert mit einer anaeroben Behandlung in einem Biogasreaktor. Die bei der aeroben Prozeßstufe entstehende Prozeßwärme in Form der erwärmten Gülle wird dahingehend genutzt, daß die sonst bei Biogasanlagen notwendige Fremderwärmung der Gülle zum Teil entfällt. Nachteilig bei dem Verfahren ist der notwendige Aufwand an Elektroenergie für den Antrieb des Belüftungsaggregates. Dadurch ist der Primärenergieaufwand relativ zu der erzeugten Prozeßwärme noch hoch. Außerdem reicht die Prozeßwärme bei diesem Verfahren in der kalten Jahreszeit zur notwendigen Substraterwärmung nicht aus, so daß zusätzliche Fremderwärmung notwendig wird. Schließlich ist das Verfahren hinsichtlich der Temperaturregelung nicht flexibel.A significant step further in the use of this process heat is the patent DD 217786A1. An aerobic pre-treatment of manure is combined with an anaerobic treatment in a biogas reactor. The resulting in the aerobic process stage process heat in the form of heated liquid manure is used to the effect that the otherwise necessary in biogas plants foreign heating of the manure is partially eliminated. A disadvantage of the method is the necessary amount of electrical energy for the drive of the ventilation unit. As a result, the primary energy consumption is still high relative to the generated process heat. In addition, the process heat is not sufficient in this process in the cold season to the necessary substrate heating, so that additional foreign heating is necessary. Finally, the method is not flexible in terms of temperature control.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, den Aufwand an Primärenergie in Form von Biogas für die Substraterwärmung bedeutend zu verringern, dadurch steigt die Menge erzeugten Nettobiogases. Weiterhin soll der Investitionsaufwand verringert werden. Durch beide Ziele wird letztlich der Gesamtaufwand je m³ erzeugten Biogases entscheidend gesenkt.The aim of the invention is to significantly reduce the cost of primary energy in the form of biogas for substrate heating, thereby increasing the amount of net biogas produced. Furthermore, the investment costs should be reduced. Both goals ultimately reduce the total cost per m ^{3 of} biogas produced.

-2- 242 396 Darlegung des Wesens der Erfindung-2- 242 396 Explanation of the nature of the invention

Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird.The technical problem which is solved by the invention.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der Substraterwärmung zu schaffen, das mit einem Primärenergie-Ausnutzungsgrad r)p_r > 2 arbeitet. Das heißt, je KWh eingesetzte Primärenergie werden 2KWh Wärme zur Substrataufheizung freigesetzt. Das Verfahren soll ganzjährig ohne zusätzliche Substraterwärmung auskommen, wobei die Regelung der Prozeßwärme entsprechend den Außentemperaturen verlustlos, direkt und flexibel erfolgen soll.The invention has for its object to provide a method of substrate heating, which works with a primary energy utilization rate r) p _r > 2. This means that 2KWh of heat is released to heat the substrate per KWh of primary energy used. The process should be year-round without additional substrate heating manage, the regulation of the process heat according to the outside temperatures should be lossless, direct and flexible.

Features of the invention

Erfindungsgemäß wird ein Belüftungsaggregat für die aerobe Güllevorbehandlung mit einer biogasgetriebenen Brennkraftmaschine verkettet. Dabei wird als wichtigstes Merkmal die bei der aeroben Güllebehandlung entstehende biologische Wärme in Kombination mit der Abwärme der Brennkraftmaschine auf die Gülle übertragen.According to the invention, a ventilation unit for the aerobic slurry pretreatment is linked with a biogas-driven internal combustion engine. The most important feature is the biological heat generated during the aerobic manure treatment in combination with the waste heat of the internal combustion engine transferred to the liquid manure.

Weiteres Wesensmerkmal ist der direkte mechanische Antrieb des Belüftungsaggregates durch eine biogasgetriebene Brennkraftmaschine.Another essential feature is the direct mechanical drive of the ventilation unit by a biogas-powered internal combustion engine.

Neben der mechanischen Verkettung ist ein weiteres Merkmal die hydraulische Verkettung des Kühlkreislaufes der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine und des Güllekreislaufes. In einem speziellen Wärmeübertrager strömt auf dessen Primärseite das Kühlwasser der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine und auf der Sekundärseite die Gülleflüssigkeit, die dabei die Kühlwasserwärme aufnimmt.In addition to the mechanical interlinking, another feature is the hydraulic linking of the cooling circuit of the biogas-driven internal combustion engine and the slurry circuit. In a special heat exchanger flows on the primary side of the cooling water biogas driven engine and on the secondary side of the liquid manure, which absorbs the cooling water heat.

Ein weiteres Merkmal ist die pneumatische Verkettung der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine und des Belüftungsaggregates dergestalt, daß das Brennkraftmaschinenabgas dem zur aeroben Güllebehandlung in die Gülle eingebrachten Luftstrom beigemischt wird und so im direkten Kontakt seine Enthalpie verlustlos an die Gülle überträgt. Dabei kann das Brennkraftmaschinenabgas bereits vorher in einem speziellen Abgaswärmeübertrager einen Teil seiner Enthalpie an das Kühlwasser und damit indirekt an den Güllekreislauf abgegeben haben. Es kann jedoch mit der erfindungsgemäßen pneumatischen Verkettung auch die gesamte Abgasenthalpie direkt an die Gülle übertragen werden.Another feature is the pneumatic linking of the biogas engine and the ventilation unit in such a way that the engine exhaust gas is added to the introduced for aerobic manure treatment in the slurry air flow and transmits his enthalpy lossless in direct contact with the manure. In this case, the engine exhaust gas may have previously delivered in a special exhaust gas heat exchanger part of its enthalpy to the cooling water and thus indirectly to the slurry cycle. However, it is also possible for the entire exhaust enthalpy to be transferred directly to the manure with the pneumatic linking according to the invention.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung betrifft die Regelung der Gülle- bzw. Substrattemperatur. Diese erfolgt durch Veränderung der Drehzahl der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine. Eine Absenkung der Substrattemperatur unter den Sollwert wird jeweils durch eine Erhöhung der Drehzahl der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine und eine Erhöhung der Substrattemperatur durch Drehzahlverringerung korrigiert.Another feature of the invention relates to the control of the slurry or substrate temperature. This is done by changing the speed of the biogas engine. Lowering the substrate temperature below the setpoint is corrected by increasing the speed of the biogas engine and increasing the substrate temperature by reducing the speed.

Sowohl die erzeugte biologische Wärme als auch die Abwärme der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine werden gleichsinnig durch die Drehzahländerung beeinflußt.Both the biological heat generated and the waste heat of the biogas-powered internal combustion engine are influenced in the same direction by the speed change.

Die vorgenannten Merkmale erfahren in ihrer erfinderischen Kombination eine funktioneile Verschmelzung dergestalt, daß die sonst für stationäre Motoranlagen obligaten Teilsysteme der Motorkühlung der Abgasanlage und der Leistungsregelung völlig entfallen oder sich bedeutend reduzieren. Das führt zu einem neuen Verfahren der Erzeugung von Niedertemperaturwärme mit einem bedeutend verringerten Investitionsaufwand und vor allem mit einem bisher nicht erreichten Primärenergieausnutzungsgrad von η_ΡΓ > 2.The aforementioned features experienced in their inventive combination a functional merger such that the otherwise obligatory for stationary engine systems subsystems of the engine cooling the exhaust system and the power control completely eliminated or significantly reduced. This leads to a new method of producing low-temperature heat with a significantly reduced capital expenditure and above all with a previously not achieved primary energy _efficiency of η _ΡΓ > 2.

embodiment

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Die aus der Tierproduktionsanlage kommende Rohgülle wird in einem Gegenstromwärmeübertrager 1 vorgewärmt. Diese Vorwärmung geschieht in bekannter Weise durch das aus dem Biogasreaktor 2 kommende noch warme ausgefaulte Substrat. Danach erfolgt erfindungsgemäß die eigentliche kombinierte Erwärmung der Gülle, Als Belüftungsaggregat zur aeroben Vorbehandlung der Gülle wird ein sogenanntes Tauchstrahlaggregat verwendet, das aus der Zentrifugalpumpe 3 und dem Injektor 4 besteht. Als Brennkraftmaschine wird ein 4-Takt-Biogas-Ottomotor 13 eingesetzt. Die Zentrifugalpumpe 3 ist erfindungsgemäß mit dem Biogasmotor 13 mechanisch gekoppelt und wird von diesem mit variabler Drehzahl angetrieben. Die Zentrifugalpumpe 3 fördert bekannterweise einen Güllestrom über den Injektor 4, wo der Gülle der Luftstrom 5 zur aeroben Vorbehandlung zugeführt wird. Vorteilhafterweise wird der Luftstrom 5, bevor er in den Injektor eintritt, erst durch die Motorkapsel 6 gesaugt, wo er die Strahlungswärme des Biogasmotors aufnimmt. Erfindungsgemäß wird dem Luftstrom 5 der Abgasstrom 7 des Biogasmotors beigemischt. Dabei ist der Abgasstrom 7 bezüglich seines Massedurchsatzes wesentlich geringer als der Luftstrom 5. Durch die Abkühlung des Abgases auf eine Mischtemperatur, die weit unterhalb des Taupunktes liegt, wird die gesamte Abgaswärme einschließlich der Kondensationswärme verlustlos und ohne zusätzlichen energetischen Aufwand für eventuelle Gebläse in die Gülle eingebracht.FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the method according to the invention. The crude manure coming from the animal production plant is preheated in a countercurrent heat exchanger 1. This preheating is done in a known manner by coming from the biogas reactor 2 still warm digested substrate. Thereafter, according to the invention, the actual combined heating of the manure, As a ventilation unit for aerobic pretreatment of manure, a so-called immersion jet unit is used, which consists of the centrifugal pump 3 and the injector 4. As internal combustion engine, a 4-stroke biogas gasoline engine 13 is used. The centrifugal pump 3 is according to the invention mechanically coupled to the biogas engine 13 and is driven by this variable speed. The centrifugal pump 3 is known to promote a slurry flow through the injector 4, where the slurry of the air stream 5 is fed to the aerobic pretreatment. Advantageously, the air stream 5, before it enters the injector, first sucked through the engine capsule 6, where it receives the radiant heat of the Biogas engine. According to the invention, the air stream 5 is admixed with the exhaust gas stream 7 of the biogas engine. By cooling the exhaust gas to a mixing temperature which is well below the dew point, the entire exhaust heat including the heat of condensation is lossless and without additional energy costs for any blower in the manure brought in.

Ein Teilstrom 8 des von der Pumpe 3 geförderten Güllestromes wird erfindungsgemäß im bypaß durch den Wärmeübertrager 9 geleitet. Dieser wird auf seiner Primärseite vom Kühlwasserstrom 10 des Biogasmotors durchströmt. Der Verzicht auf ein konventionelles Motorkühlsystem mit Wabenkühler und Ventilator oder auch Wasser/Wasser-Wärmeübertrager mit entsprechenden Pumpen und Regelsystemen ist erfindungsgemäß beabsichtigt. Durch die direkte mechanische Kopplung von Zentrifugalpumpe 3 und Biogasmotor 13 wird je nach Motordrehzahl bzw. Motorleistung auch die jeweils erforderliche Kühlleistung durch den unterschiedlichen Güllestrom an jedem Betriebspunkt abgesichert. Das geschieht ohne zusätzlichen energetischen Aufwand für die bei bekannten Lösungen notwendigen Pumpen, Gebläse und Regelsysteme. Das durch Kombination aus Aerobwärme und Motorabwärme erfindungsgemäß erwärmte Güllesubstrat 11 fließt in bekannter Weise in einen Mischbehälter 12, und dann in den Biogasreaktor 2 gefördert zu werden.A partial flow 8 of the funded by the pump 3 slurry flow is passed according to the invention in by-pass through the heat exchanger 9. This is flowed through on its primary side by the cooling water flow 10 of the biogas engine. The waiver of a conventional engine cooling system with honeycomb radiator and fan or water / water heat exchanger with corresponding pumps and control systems is intended according to the invention. Due to the direct mechanical coupling of centrifugal pump 3 and biogas engine 13, depending on the engine speed or engine power, the respectively required cooling capacity is ensured by the different slurry flow at each operating point. This is done without additional energy expenditure for necessary in known solutions pumps, fans and control systems. The Güllesubstrat 11 heated by the combination of aerobic heat and engine heat according to the invention flows in a known manner in a mixing vessel 12, and then to be promoted in the biogas reactor 2.

Die einfache erfindungsgemäße Regelstrecke zur Einhaltung einer konstanten Substrattemperatur enthält als Meß- bzwThe simple control system according to the invention for maintaining a constant substrate temperature contains as measuring or

Regelgröße die Substrattemperatur, als Stellgröße die Drehzahl des Biogasmotors und als Stellglied die Gemischdrosselklappe des Biogasmotors. Sinkt z. B. die Substrattemperatur unter den Sollwert, dann wird die Gemischdrosselklappe mehr geöffnet. Als Folge davon dreht der Motor schneller, die Pumpe 3 fördert mehr Gülle durch den Injektor 4, es wird mehr Luft in die Gülle eingetragen, und infolgedessen wird die aerob erzeugte Wärme vergrößert. Gleichzeitig erhöht sich aufgrund des geänderten Schnittpunktes der Arbeitskennlinien von Pumpe und Motor die Motorleistung und damit die Motorabwärme progressiv. Das heißt sowohl biologische als auch die Summe der Motorabwärme ändern sich gleichsinnig entsprechend dem Bedarf Controlled variable, the substrate temperature, as a manipulated variable, the speed of the Biogas engine and as an actuator, the mixture throttle of the Biogas engine. Sinks z. For example, if the substrate temperature is below the setpoint, the mixture choke will open more. As a result, the engine rotates faster, the pump 3 delivers more slurry through the injector 4, more air is introduced into the slurry, and as a result, the aerogenerated heat is increased. At the same time, due to the changed point of intersection of the operating characteristics of the pump and the engine, the engine output and thus the engine waste heat increases progressively. That is, both biological and the sum of the engine waste heat change in the same direction according to need

Durch die Kombination und die funktioneile Verschmelzung der dargestellten erfinderischen Elemente wird mit dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ein Primärenergieausnutzungsgrad von η_ΡΓ > 2 erreicht. Das heißt, je 1 kWh der Energie des vom Biogasmotor verbrauchten Biogases werden mehr als 2 kWh Wärmeenergie dem Güllesubstrat zugeführt.Due to the combination and the functional fusion of the illustrated inventive elements, a primary energy _efficiency of η _ΡΓ > 2 is achieved with the _exemplary embodiment according to FIG. That is, each 1 kWh of the energy of the biogas consumed by the biogas engine more than 2 kWh of heat energy supplied to the Güllesubstrat.

Claims

1. Method for substrate heating in biogas plants, in which the liquid manure is successively subjected to an aerobic and anaerobic treatment, characterized by

a) that the resulting in the aerobic slurry heat treatment in combination with the waste heat of a biogas-powered internal combustion engine (13) is transferred to the manure

b) that the aeration unit (3, 4) for the aerobic manure treatment is mechanically coupled to the biogas-driven internal combustion engine (13) and driven by it,

c) that the cooling circuit of the biogas-driven internal combustion engine (13) is coupled to the slurry circuit via a heat exchanger (9).

2. A method for substrate heating in biogas plants according to claim 1, characterized in that a control of the substrate temperature is effected by changing the rotational speed of the biogas-driven internal combustion engine.

3. A method for substrate heating in biogas plants according to claim 1, characterized in that the exhaust gas stream (7) of the biogas-driven internal combustion engine (13) is preferably added to the introduced for aerobic slurry treatment in the manure air flow.