DD289888A7 - Verfahren und anlage zur substraterwaermung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Substraterwaermung bei Biogasanlagen auf biotechnologischem Wege. Die bei einer aeroben Vorbehandlung der Guelle entstehende biologische Waerme wird in Kombination mit der Abwaerme eines biogasgetriebenen Gasmotors auf die Guelle uebertragen. Ziel der Erfindung ist es, dieses fuer Biogasanlagen wichtige biotechnologische Erwaermungsverfahren betriebssicher und energetisch noch effizienter zu gestalten. Dazu soll aufgabengemaesz die UEbertragung der Motorabwaerme auf das Guellesubstrat geloest werden, der Guelleschaum zerstoert werden, der Fuellstand geregelt werden und die biogene Waerme maximiert werden. Diese Aufgabe wird geloest durch einen um das Druckrohr der Zentrifugalpumpe gelegten Heizmantel, in dem das Motorkuehlwasser stroemt. Die Schaumzerstoerung geschieht durch getrenntes Abfuehren von Guelleschaum und Guellefluessigkeit aus dem Aerobfermenter in einen Entschaeumungsbehaelter, wobei die Guellefluessigkeit im Freistrahl auf die Schaumoberflaeche prallt. Die Fuellstandsregelung erfolgt mittels speziellem Schwimmer als Meszfuehler.{Biogas; Prozeszwaerme; Gaseigenbedarf; Substraterwaermung; Biogasmotor; Schaumzerstoerung; Motorabwaerme; Fuellstandsregelung; Kuehlwasser-Guelle-WUE}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kann in landwirtschaftlichen Biogasanlagen angewendet werden, insbesondere in solchen, die Dünngülle aufbereiten. Sie kann aber auch bei dor aerob/anaeroben Aufbereitung von kommunalen Abwässern genutzt werden. Dabei kann die erfindungsgerncße Substraterwärmung sowohl vor der anaeroben Fermentation angeordnet sein als auch danach z. B. als zusätzliche Verfahrensstufe zur Nitrifizierung/Denitrifizierung des Faulvvassers. Die Erfindung gehört in das Gebiet der technischen Mikrobiologie.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Hauptproblem bei Biogasanlagcn, insbesondere bei solchen für Dünngülle, ist es, die hohe Prozeßenergie zum Aufheizen der Gülle, im folgenden auch Substrat genannt, auf 35°C bereitstellen zu können. Dafür werden je nach TS-Gehalt, spezifischer Gasausbeute und Jahreszeit 30 bis 100% des erzeugten Biogusos bei konventio eilen Erwärmungsverfahren, d. h. über Biogas-Heizkessel/Wärmeübertrager benötigt. Unter anderem in dem 1987 erschienenen Standardwerk „Biogas in der Landwirtschaft", VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, ist das nachgewiesen.

Nach DDR-Anmeldung WP160341 ist dem Biogas-Heizkessel noch eine Sorptions- oder Strahlungswärmepumpe nachgeschaltet. Die im Heizkessel erzeugte Wärme wird auf das Arbeitsmedium der Wärmepumpe übertragen, dieses wiederum erwärmt einen Warmwasserkreislauf und schließlich von dem Warmwasser wird die Prozeßwärme auf das Substrat übertragen. Offensichtliche Nachteile sind der hohe Investitionsaufwand und die Energieverlu ste, die durch die 5malige Wärmeübertragung vom Biogas bis hin zum Substrat entstehen.

Im DDR-WP DD 217786 wird die Prozeßwärme auf biologischem Wege durch aerobe Vorbehandlung des Substrats erzeugt. Nachteilig bei dem Verfahren ist der hohe Elektroenergieaufwand für den Antrieb des Belüftungsaggregates. Als Folge davon ergibt sich nur ein Primärenergie-Ausnutzungsgrad < 1. Außerdem ist das Verfahren für TS-Gehalte unter 2,5% nicht geeignet. Damit ist die Anwendung anaerober Gillleaufbereitungsverfahren unterhalb TS = 2,5% teetisch und energetisch nicht möglich.

Auch im DDR-WP DD 242396 wird durch aerobe Vorbehandlung der Gülle Wärme erzeugt. Jedoch wird diese biologische Wärme in Kombination mit der gesamten Abwärme einer blogaegetrlebenen Brennkraftmaschine auf die Gülle übertragen. Die Brennkraftmaschin«) treibt dabei das Belüftungsaggregat für die aerobe Vorbehandlung direkt an. Es wird ι ι it diesem kombinierten Verfahren ein Primärenergie-Ausnutzungsgrad von η Pr s 2 erreicht und damit gegenüber konventionellen ErwärntUngsverfahren das 3fache an Wärme je eingesetzter Biogasmenge erzeugt. Bei längerer Erprobung einer Anlage nach DD 242396 zeigten sich jedoch noch folgende Mängel, wie sie aus den spezifischen Besonderheiten der Gülle resultieren:

- Verstopfungen, Inkrustierung und ungenügende Leistung am Gülle/Wasser-Wärmeübertrager

- Sedimentation im Fermentationsbehälter und als Folge Verstopfungen auf der Saugseite der Zentrifugalpumpe

- Unkontrollierte Schaumbildung im Fermentationsbohälter und als Folge Überlaufen desselben

- Starke Schwankungen des Sauerstoffverbrauchs und damit der biogenen Wärme und der Gülleaufbereitung.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die vorgenannten Mängel zu beseitigen und dami'. einen störungsfreien und energetisch und ökologisch effizienten Betrieb von Biogasanlagen zu sichern. Gleichzeitig soll der Investitionsaufwand weiter verringert werden. Außerdem sollen mit dem Verfahren der günstige Primärenergienutzungsgrad von η Pr > 200% auch für so extrem niedrige TS-Gehalte der Gülle bis hin zu 1,5% gesichert werden. Damit wird erstmalig die anaerobe Gülloaufbereitung auch für TS < 2,5% technisch und energetisch realisierbar.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die zu lösende technische Aufgabe besteht insgesamt darin, das Verfahren zur Substraterwärmung nach WP DD 242 396 weiterzuentwickeln. Ursache der Mängel von WP CD 242396 sind die spezifischen Besonderheiten des Güllesubstrates im Aerobfermentor. Dieses Substrat stellt ein Gülle-Luft-Gemisch dar, das nur eine Dichte von ρ = u,5...0,8kg/dm³ aufweist. Gravierende Verschlechterungen der Wärmeübergangszahl bis auf '/5 der für Normalgülle ermittelten Werte wurden überraschenderweise festgestellt. Bekannte, für Normalgülle ausgelegte Wärmeübertrager erwiesen sich daher als ungeeignet. Weiterhin ist die unvermeidbar starke Schaumbildung im Aerobfermentor eine Besonderheit, die eine Füllstandsregelung des Aerobfermentors nach bekannten Prinzipien ausschließt, Substratverluste verursacht und den aeroben Prozeß destabilisiert. •Schließlich verursacht die Sedimentationsneigung des Güllesubstrates Verstopfungen auf der Saugseite der Zentrifugalpumpe. Die zu lösende technische Aufgabe besteht somit aus folgenden Teilkomplexen:

- Gülle/Wasser-Wärmeübertrager für Gülle/Luft-Gemische mit gülleseitiger Wärmeübergangszahl α > 1 OOOW/m² · K

- Schaumzerstörung ohne Substratverluste

- Füllstandsregelung ohne Sedimentation

- Maximale und stabile biogene Wärme durch optimale Prozeßparameter für Güllesubstrate mit TS > 1,5%. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die gesamte im Kühlwasser der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine enthaltene Motorabwärme über das Druckrohr der Zentrifugalpumpe auf die Gülle übertragen wird. Dazu ist der Druckrohr über eine Fläche von 0,3 bis 1,2 dm² je kW Gesamtwärmeleistung mit einem Heizmantel umgeben, durch den das Kühlwasser der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine strömt. Diese äußerst geringe wärmeübertragende Oberfläche ist nur deshalb ausreichend für die Übertragung der Motorabwärme auf das Güllesubstrat, weil im Druckrohr der Zentrifugalpumpe außerordentlich hohe rechnerische Reynolds- und Wärmeübergangszahlen vorliegen, se daß trotz der extrem schlechten Wärmeübergangsbedingungen bei dem Gülle/Luft-Gemisch auch hohe reale - Werte erreicht werden. Gleichzeitig verhindert die hohe Turbulenz jegliche Inkrustierung und Verstopfung.

Auf der Kühlwasserseite besitzt der Heizmantel einen schraubenförmig geführten Rechteckkanal, dessen Länge das 5 bis 10fache des Gülleweges vom wärmeübertragenden Teil des Druckrohres beträgt. Der Strömungsquerschnitt de; Rechteckkanals ist 50 bis lOOmal kleiner als der des Druckrohres.

Weitere Merkmale beziehen sich auf die Schaumzerstörung. Dazu werden erfindungsgemäß Schaum und Gülleflüssigkeit auf getrenntem Wege aus dem Aerobfermentor in einen Entschäumungsbehälter geführt. Der Schaum fließt dabei kontinuierlich über einen entsprecht ?nd groß dimensionierten Überlauf im natürlichen Gefälle vom Aerobfermentor in den Entschäumungsbehälter. Die Gülleflüssigkeit wird dagegen diskontinuierlich aus dem Druckrohr der Zentrifugalpumpe über eine Leitung und ein geeignetes Absperrorgan in den Entschäumungsbehälter abgesteuert. Dabei strömt die Gülleflüssigkeit im Freistrahl zentral in den Entschäumungsbehälter und zerstört durch das Aufprallen der Flüssigkeitstropfen auf die Schaumschiclit diese wirkungsvoll. Auch bei extremer Schaumbildung reicht der normale mittlere Volumenstrom, der durch den Aerobfermentor durchgesetzt wird, für diese natürliche Schaumzerstörung aus. Jegliche zusätzliche Einrichtungen und Fremdenergie für die Schaumzerstörung entfallen.

Ein weiteres Merkmal zum Verfahren betrifft die optimalen Prozeßparameter des Aerobfermentors. Erfindungsgemäß wird der Spiegel der Gülleflüssigkeit im Aerobfermentor in einem Mindestabstand von 0,1 H unterhalb des Überlaufes und in einem Abstand von 0,2H bis 1,0H unterhalb des Düsenaustritts des Injektors gehalten. H ist die Füllstandshöhe der Gülleflüssigkeit im Aeroabfermentor. Die Einhaltung dieser Parameter sichert eine bestimmte Mindestschaumschichtdicke und einen ausreichenden Durchmischungseffekt durch eine genügend große, freie Injektorstrahllänge. Es wird so ein Maximum an biogener Wärme erzeugt und im komplexen Zusammenwirken mit dem die diskontinuierliche Absteuerung der Gülleflüssigkeit betreffenden Merkmal die Sedimentation und Verstopfung vermieden.

Die Füllstandsregelung im Aerobfermentor erfolgt durch eine an sich bekannte 2-Punkt-Regelung, wobei als Meßfühler ein Schwimmer verwendet wird, bei dem der Quotient aus Schwimmqrmasso zum Schwimmervolumen 0,2kg/dm³ bis 0,6kg/dm³ beträgt. Damit ist gewährleistet, daß der Schwimmer den Spiegel der in der Dichte variierenden Gülleflüssigkeit und nicht des Schaumes als Regelgröße an die an sich bekannten Meßfühler abgibt.

Einem zusätzlichen Merkmal zufolge, wird über die 2-Punkt-Regelung mindestens 1 mal stündlich die Gülleflüssigkeit vom Abrobfermentor in den Entschäumungsbehälter abgesteuert. So kann die ieweils im Entsc'.äumungsbehälter angewachsene Schaumschicht immer wieder zerstört werden.

Ausführungsbeispiel

In Figur 1 ist ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und Vorrichtung vorgestellt. Die kalte Rohgülle mit einem TS-Gehalt von 2,5%, mit einem Volumenstrom von 3OmVh wird auf der Saugseite der Zentrifugalpumpe 2 zugeführt. Sie wird durch die Zentrifugalpumpe über das Druckrohr 3 im Kreislauf mit einem Volumenstrom von 300OmVh durch den Injektor 14 gefördert, wo ihr Luft beigemischt wird. Dieser beigemischte Aerobluftstrom beträgt 2 500 mVh. Der aus dem Injektor 14 austretende Strahl der Gülleflüssigkeit durchmischt den Aerobfermentor 7. In diesem bildet sich eine Aerobbakterienpopulation, die zur Erwärmung der Gülleflüssigkeit auf biologischem Wege führt. Die Zentrifugalpumpe 2 wird durch einen 14OkW-Biogasmotor angetrieben. Die gesamte Abwärme desselben wird der Gülle zugeführt. Diese vorgenannten Verfahrenselemente und Anlagenkomponenten sind bekannt. Die Anlage erzeugt eine Gesamtwärmeleistung von 90OkW.

Zur Übertragung der im Kühlwasser des Biogasmotors enthaltenen Wärme ist nun erfindungsgemäß das Druckrohr 3 suf einer Fläche von 7 m² mit einem Heizmantel 4 umgeben, durch den das Kühlwasser 16 des Biogasmotors fließt. Bei dieser speziellen Lösung des Gülle/Wasser-Wärmeübertragers werden außerordentlich hohe rechnerische gülleseitige Wärmeübergangszahlen α = 5200W/m² K erreicht. Trotz substratbedin^tem gravierendem Abfall liegen dann die realen Werte mit α,,,ι = 1200W/m² K immer noch sehr gut. Hinzu kommt, daß keine zusätzlichen Pumpen für Gülle und Kühlwasser benötigt werden. Das bei konventionellen separaten Gülle-Wärmeübertragern befürchtete Verstopfen und Inkrustieren ist durch die hohe Turoulenz mit einer Reynoldszahl von 770000 völlig ausgeschlossen.

Das im Aerobfermentor 7 auf 40⁰C erwärmte Güllesubstrat gelangt in den Entschäumungsbehälter 8. Das geschieht erfindungsgemäß so, daß der Gülleschaum 6 durch den Überlauf 9 kontinuierlich vom Aerobfermentor 7 in den Entschäumungsbehälter 8 fließt, während die Gülleflüssigkeit 5 diskontinuierlich durch periodisches Öffnen des elektrohydraulischen Schiebers 17 über die Leitung 10 abgesteuert wird. Die Gülleflüssigkeit prallt im zentralen Freistrahl 11 auf die Schaumoberfläche im Entschäumungsbehälter 8 und zerstört dabei den Gülleschaum. Dieses Verfahren der natürlichen Schaumzerstörung ist wesentlich einfacher und wirkungsvoller als bekannte chemische, mechanische und pneumatische Verfahren.

Die Füllntandshöhe H der Gülleflüssigkeit im Aerobformentor 7 betragt bei dem Beispiel der erfindungsgemäßen Anlage H = 5m. Der Überlauf 9 liegt in 6m Höhe, das heißt in einem Abstand über dem Spiegel 12 der Gülleflüssigkeit von 1 m. Der Abstand des Düsenaustritts 13 des Injektors 14 vom Spiegel 12 beträgt 1,5m. Mit der Einhaltung dieser optimalen Prozeßparameter ist eine ausreichende Durchschlagskraft des Injektorstrahles für einen optimalen Sauerstoffeintrag und damit für einen hohen Primärenergieausnutzungsgrad und für die Vermeidung der Sedimentation im Aerobfermentor 7 gesichert. Zur Einhaltung der Füllstandshöhe H bzw. des Spiegels 12 der Gülleflüssigkeit im Aerobfermentor 7 dient in Verbindung mit einer 2-Punkt-Regelung ein Schwimmer 15, dessen Quotient aus Schwimmermasse und Schwimmervolumen 0,3kg/dm³ beträgt.

Die mit dem Schwimmer korrespondierenden an sich bekannten 2 induktiven Initiatoren 18 haben zueinander einen Abstand von 0,25m und öffnen i'nd schließen so 2mal stündlich den Schieber 17. Bei der beträchtlich variierenden Dichte der Gülleflüssigkeit und der Schaumschicht im Aerobfermentor 7 hat sich nur diese einfache erfindungsgemäße Füllstandsregelung gegenüber bekannten Regelverfahren, wie z. B. über Druckmeßdosen, Überlaufverfahren u.a. als funktionstüchtig erwiesen. Auch Kroportionalregelung versagt, weil die dafür notwendigen Dosierventile beim inhomogenen Medium Gülle verstopfen.

Claims (4)

1. -1- 289 88C Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Si'bstraterwärmung bei Biogasanlagen, bei dem die bei einer aeroben Vorbehandlung e'er Gülle entstehende biologische Wärme in Kombination mit der Abwärme einer biogasgetriebenen Brennkraftmaschine (1) auf die Gülle übertragen wird, wobei die als Belüftungsaggregat für die aerobe Vorbehandlung fungierende Zentrifugalpumpe (2) von der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine angetrieben wird, gekennzeichnet dadurch,

   a) .daß die im Kühlwasser der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine enthaltene Motorabwänne über das Druckrohr (3) der Zentrifugalpumpe (2) auf die Gülle übertragen wird, indem das Druckrohr (3) mit einem Heizmantel (4) umgeben ist, der vom Kühlwasser der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine (1) durchströmt wird,

   b) daß Gülleflussigkeit (5) und Gülleschaum (6) getrennt voneinanderaus dem Aerobfermentor (7) in einen Entschäumungsbehälter (8) geführt wird, indem der Gülleschaum (6) kontinuierlich über den Überlauf (9) vom Aerobfermentor (7) in den Entschäumungsbehälter (8) abfließt, während die Gülleflüssigkeit (5) diskontinuierlich im Freistrahl (11) in den Entschäumungsbehälter (8) abfließt,

   c) daß der Spiegel (12) der Gülleflüssigkeit (5) in einem Mindestabstand von 0,1 · H unterhalb des Überlaufes (0} jnd in einem Abstand von 0,2 · H bis 1,0 · H unterhalb des Düsenaustritts (13) des Injektors (14) gehalten wird, wobei H die Füllstandshöhe der Gülleflüssigkeit (5) ist,

   d) daß die Einhaltung des Spiegels (12) der Gülleflüssigkeit (5) durch eine 2-Punkt-Regelung erfolgt, wobei als Meßfühler ein Schwimmer (15) verwendet wird.
2. 2. Verfahren zur Substraterwärmung bei Biogasanlagen gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens 1 mal stündlich der Abfluß der Gülleflüssigkeit vom Aerobfermentor (7) in den Entschäumungsbehälter (8) erfolgt.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch,

   a) daß der Heizmantel (4) eine wärmeübertragende Fläche zwischen Gülle und Kühlwasser von 0,3 bis 1,2dm² je kW Gesamtwärmeleistung hat, wobei der Heizmantel (4) auf der Kühlwasserseite einen schraubenförmig geführten Rechteckkanal besitzt, dessen Länge das 5- bis 10fache des Gülleweges vom wärmeübertragenen Teil des Druckrohres (3) beträgt und dessen Strömungsquerschnitt 50 bis 10Omal kleiner als der des Druckrohres (3) ist,

   b) daß vom Druckrohr (3) der Zentrifugalpumpe (2) eine Leitung (10) abzweigt, die mit ihrer Ausflußöffnung für den Freistrahl (11) zentral über dem Entschäumungsbehälter (8) endet,

   c) daß beim Schwimmer (15) der Quotient aus Schwimmermasse zu Schwimmervolumen 0,2kg/ dm³ bis 0,6 kg/dm³ beträgt.
4. 4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmer (15) in einem Plastrohr geführt wird, das bis auf den Boden des Aerobfermentors reicht und mit vertikalen Schlitzen versehen ist, wobei das Spiel zwischen Schwimmerund Rohr mindestens 10% des Rohrdurchmessers beträgt.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung