DD297051A5 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR THE CARBON DIOXIDE SUPPLY OF GEWAECHSHAEUSERN BY MEANS OF NATURAL GAS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Kohlendioxidversorgung von Gewaechshaeusern. Sie wird in Gartenbaubetrieben und in der Bioindustrie angewandt. Bei dem erfindungsgemaeszen Verfahren wird der ueberwiegende Teil des Erdgases mikrobiell schadstofflos zu Kohlendioxid unter Bildung von verwertbarer Biomasse oxydiert und der Rest verbrannt und das Gemisch dem Gewaechshaus als Pflanzenduenger zugefuehrt. Es wird eine moegliche Anordnung dazu angegeben.{Gewaechshaus; Duengung; Kohlendioxid; Mikroorganismen; Bioprozesz; Methan; Sauerstoff; Erdgas; PHB; Abgas; Verbrennung; Brennkammer}The invention relates to a method and an arrangement for the carbon dioxide supply of greenhouses. It is used in horticulture and organic industries. In the method according to the invention, the predominant part of the natural gas is microbially oxidized without harmful substances to form carbon dioxide with the formation of usable biomass and the remainder is burned and the mixture is fed to the greenhouse as a plant dwarf. A possible arrangement will be indicated. {Gewaechshaus; Fertilization; carbon dioxide; microorganisms; Bioprozesz; Methane; Oxygen; Natural gas; PHB; exhaust gas; Combustion; combustion chamber}
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schadstoffarmen Versorgung von Gewächshäusern mit Kohlendioxid aus der Oxydation von Erdgas. Gleichzeitig werden Produkte der biotechnologischen Industrie nutzbar gemacht. Die erfindungsgemäße Lösung wird in Gartenbaubetrieben und in der Bioindustrie eingesetzt.The invention relates to a method for low-emission supply of greenhouses with carbon dioxide from the oxidation of natural gas. At the same time, products of the biotechnological industry are made usable. The solution according to the invention is used in horticultural businesses and in the bio-industry.
Es ist bekannt, Pflanzenkulturen in Gewächshäusern zur Ertragssteigerung mit CO2 zu versorgen, indem man ihnen Abgase der Verbrennung von Erdgas zuführt. Die Verbrennung kann innerhalb und außerhalb des Gewächshauses erfolgen. Im ersteren Falle werden spezielle Brenner eingesetzt, im letzteren z.B. Heizkessel. Die bekannten Verfahren sind sauber und leicht zu handhaben. Nachteilig daran sind aber mehrere Faktoren: Erstens entstehen bei der Verbrennung neben dem erwünschten CO2 auch immer mehr oder weniger Schadstoffe, vor allem NOx und CO. Mit dem Abgas werden ferner immer Reste an unverbranntem Methan aus dem Erdgas eingetragen, wodurch es zu Beeinträchtigungen des Pflanzenwachstums kommt. Die Einschaltung von Reinigungsverfahren für die Abgase verbietet sich aus wirtschaftlichen Gründen. Niedrige Brenntemperaturen, wie sie zur Vermeidung von NOx üblich sind, bieten die erhöhte Gefahr unverbrannter Anteile von Methan. Zum zweiten ist es von Nachteil, daß die im Erdgas enthaltene Energie nur zum geringsten Teil genutzt werden kann. Denn der Bedarf an CO2 tritt besonders in Zeiten hoher Sonneneinstrahlung auf, in denen eine Zufuhr von Wärme, wie sie bei der Verbrennung entsteht, nicht nötig ist. Die energetischen Wirkungsgrade der Erdgasdüngung von Gewächshäusern liegen daher im Jahresmittel bei weniger als 30%. Bei der Anwendung von Abgasen von Heizkesseln ergibt sich das Problem, daß in Perioden ohne Heizbedarf auch kein CO2 zur Verfügung steht.It is known to provide crops in greenhouses with CO 2 for yield enhancement by supplying exhaust gases to the combustion of natural gas. The incineration can take place inside and outside the greenhouse. In the former case, special burners are used, in the latter example, boilers. The known methods are clean and easy to handle. However, several factors are disadvantageous: Firstly, incineration produces more or less pollutants, in particular NO x and CO, in addition to the desired CO 2 . Furthermore, residues of unburned methane from the natural gas are always added to the waste gas, which results in impaired plant growth. The involvement of cleaning processes for the exhaust gases is prohibited for economic reasons. Low firing temperatures, which are common for preventing NO x , increase the risk of unburned methane. Secondly, it is disadvantageous that the energy contained in natural gas can be used only to the least extent. For the need for CO 2 occurs especially in times of high solar radiation, in which a supply of heat, such as is produced during combustion, is not necessary. The energy efficiencies of natural gas fertilization of greenhouses are therefore less than 30% as an annual average. When using exhaust gases from boilers there is the problem that in periods without heating demand and no CO 2 is available.
Drittens wird bei der rein chemischen Verbrennung zwar der Kohlenstoffträger weitestgehend wunschgemäß zu CO2 umgewandelt. Doch gehen dabei die im Rohstoff vorgeprägten stofflichen Strukturen, insbesondere die Kohlenstoff'/Wasserstoff-Bindung des Methans, verloren, was sich wirtschaftlich und ressourcenmäßig nachteilig auswirkt.Third, in purely chemical combustion, the carbon carrier is largely converted to CO 2 as desired. However, the material structures predestined in the raw material, in particular the carbon / hydrogen bond of methane, are lost, which has a disadvantageous economic and resource-related effect.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist es, ein gleichzeitig pflanzenphysiologisch sehr wirkungsvolles und energiesparendes Verfahren zur CCVDüngung von Gewächshauskulturen mittels Oxydationsprodukten von Erdgas zu schaffen, das sich wirtschaftlich betreiben läßt und die CH-Bindung des Erdgases weitgehend wahrt.The aim of the invention is to provide a plant-physiologically very effective and energy-saving method for CCV fertilization of greenhouse cultures by means of oxidation products of natural gas, which can be operated economically and largely preserves the CH bond of the natural gas.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Oxydationsprozeß auszuwählen, bei dem pflanzenschädigende Abprodukte nicht entstehen können, und diesen mit dem Verbrennungsprozeß so zu kombinieren, daß eine weitgehende stoffliche Ausnutzung des Rohstoffs bei minimalem Entstehen von Abprodukten und Abwärme eintritt.The object of the invention is to select an oxidation process in which plant-damaging waste products can not arise, and to combine this with the combustion process so that a substantial material utilization of the raw material occurs with minimal production of waste products and waste heat.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß methanverwertende Mikroorganismen aerob auf der Basis von Erdgas mit einem Methangehalt von mindestens 15 VoL-% als einziger Kohlenstoffquelle, in Gegenwart von Sauerstoff, bei einem Mischungsverhältnis von Methan und Sauerstoff von 0,33:1 bis 1,5:1 kultiviert werden und daß das gasförmige Abprodukt in einer Brennkammer, gegebenenfalls unter Zugabe von weiterem Sauerstoff und/oder von weiterem Erdgas, verbrannt und anschließend dem Gewächshaus direkt oder nach Zwischenlagerung zugeführt wird.According to the invention the object is achieved in that methane-utilizing microorganisms aerobic on the basis of natural gas with a methane content of at least 15% by volume as the sole carbon source, in the presence of oxygen, with a mixing ratio of methane and oxygen of 0.33: 1 to 1, 5: 1 are cultivated and that the gaseous waste product in a combustion chamber, optionally with the addition of further oxygen and / or other natural gas, burned and then fed to the greenhouse directly or after intermediate storage.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einer Anordnung durchgeführt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zuerst das Erdgas einem Behälter zugeführt wird, der die biologisch aktive Kultur eines aeroben, methanverwertenden Mikroorganismus in einer Nährlösung enthält und dem Sauerstoff zugeführt wird, und daß anschließend das gasförmige Abprodukt dem Behälter ganz oder teilweise entnommen und mit oder ohne Rückführung in das die biologisch aktive Kultur enthaltende Behältnis einer oder mehreren Brennkammern zugeführt und dort mit oder ohne Zufuhr von weiterem Sauerstoff oder/und weiterem Erdgas verbrannt und anschließend dem Gewächshaus ganz oder teilweise, gegebenenfalls nach Zwischenlagerung und/oder Konditionierung, zugeführt wird. Durch die biologisch aktive Kultur wird in einem Bioprozeß eine schadstoff lose Oxydation des Methananteils des eingesetzten Rohstoffes unter Bildung von Wasser, Kohlendioxid und mikrobieller Biomasse, gegebenenfalls auch weiterer Wertstoffe oder wasserlöslicher Stoffwechselprodukte, bewirkt. Dabei verbleibt ein sehr geringer Rest von unverwertetem Methan, dessen Konzentration im Restgas durch die Prozeßbedingungen der biologischen Reaktion eingestellt ist. Dieser Rest wird in einer nachfolgenden Verbrennung chemisch zu Kohlendioxid umgesetzt. Dabei können die bei solchen Verbrennungen zu erwartenden weiteren Reaktionsprodukte zwar auch entstehen, z. B. NOx, und es können weitere Reste an Methan verbleiben. Doch ist garantiert, daß die im resultierenden Düngegas vorliegenden Konzentrationen unzuträglicher Komponenten weit unterhalb der bei alleiniger chemischer Verbrennung auftretenden liegen. Günstigerweise soll das Verhältnis der durch biologische und durch chemische Verbrennung verwerteten Methanmengen größer als 2:1 sein. Bei den üblicherweise auftretenden Konzentrationen von unverbrauchtem Methan im Bereich von 0,01 % sinkt die Düngegasbelastung durch Methan infolge Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufwerte unterhalb 0,003%.The inventive method is carried out in an arrangement which is characterized in that first the natural gas is fed to a container containing the biologically active culture of an aerobic, methane-utilizing microorganism in a nutrient solution and the oxygen is supplied, and then that the gaseous waste product Removed container wholly or partially and fed with or without recycling in the container containing the biologically active culture of one or more combustors and burned there with or without supply of additional oxygen and / or further natural gas and then the greenhouse in whole or in part, optionally after intermediate storage and / or conditioning, is supplied. Due to the biologically active culture a pollutant-free oxidation of the methane content of the raw material used in a bioprocess to form water, carbon dioxide and microbial biomass, possibly also other valuable substances or water-soluble metabolites, causes. This leaves a very small amount of unused methane, whose concentration in the residual gas is adjusted by the process conditions of the biological reaction. This residue is chemically converted to carbon dioxide in a subsequent combustion. The expected during such burns further reaction products may also arise, z. B. NO x , and it may remain more residues of methane. However, it is guaranteed that the present in the resulting fertilizer gas concentrations of harmful components are far below that occurring with sole chemical combustion. Conveniently, the ratio of recycled by biological and chemical combustion methane levels should be greater than 2: 1. In the normally occurring concentrations of unused methane in the range of 0.01%, the fertilizer gas load by methane decreases as a result of application of the process according to the invention below 0.003%.
Wie die Bilanzen erweisen, sinkt durch die Bildung der Bioprodukte naturgemäß der aus der Masseneinheit des Rohstoffs Methan zu gewinnende Betrag an Kohlendioxid, was scheinbar zu Nachteilen führt. Dem steht nicht nur entgegen, daß mit der Biomasse und den weiteren Wertstoffen Produkte erzeugt werden, die dem gartenbaulichen Produkt wertmäßig je Produkteinheit ebenbürtig sind. Vielmehr garantiert die geringere Wärmefreisetzung, daß das erzeugte CO2 dem Gewächshaus auch in Zeiten intensiver Sonneneinstrahlung zugeführt werden kann, ohne daß Verluste durch Ablüften etc. auftreten, die sonst unumgänglich sind. So ermöglicht das Verfahren, mit weniger CO2 zu gleichen oder besseren Resultaten zu kommen, und gleichzeitig erwächst aus dem Bioprozeß ein zusätzlicher Gewinn.As the balance sheets show, the formation of organic products naturally reduces the amount of carbon dioxide to be extracted from the mass unit of the raw material methane, which seems to lead to disadvantages. This is not only contrary to the fact that the biomass and the other recyclables products are produced, which are worth the horticultural product in terms of value per unit of product. Rather, the lower heat release guarantees that the generated CO 2 can be supplied to the greenhouse even in times of intense sunlight, without losses due to venting, etc. occur, which are otherwise unavoidable. Thus, the process makes it possible to achieve the same or better results with less CO2, and at the same time, an additional profit arises from the bioprocess.
Für eine sehr wirkungsvolle Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll das Erdgas Forderungen erfüllen, wie sie auch für den Betrieb der direkten Verbrennung verbindlich sind. Insbesondere bedarf es kein Quecksilber und keine Schwefelverbindungen enthalten. Der Methangehalt soll über 15Vol.-% liegen. Für sonst wenig geeignete sogenannte Schwachgase mit Methangehalten von 15 bis 40Vol.-% bieten sich dadurch Einsatzchancen, da sie von vornherein eine prozeßtechnisch günstige Gaszusammensetzung außerhalb des explosiblen Bereiches gewährleisten. Als Sauerstoffquelle ist in diesem Fall Luft vorzuziehen. Es kommen aber generell auch reiner Sauerstoff und weiterhin sauerstoffhaltige Gasgemische wie Abprodukte industrieller Prozesse oder der Landwirtschaft in Frage. Im Gartenbaubetrieb bietet sich besonders die Nutzung von Gewächshausatmosphäre an, da auf diese Weise eine Rezirkulation des CO2 aus dem Gewächshaus kostensparend verwirklicht wird.For a very effective application of the method according to the invention, the natural gas should meet requirements, as they are also binding for the operation of direct combustion. In particular, it does not require mercury and does not contain sulfur compounds. The methane content should be above 15% by volume. For otherwise unsuitable so-called weak gases with methane contents of 15 to 40Vol .-% offer opportunities for use, since they ensure from the outset a process technology favorable gas composition outside the explosive range. As the source of oxygen in this case air is preferable. In general, however, pure oxygen and oxygen-containing gas mixtures, such as waste products of industrial processes or agriculture, come into question. In horticulture especially the use of greenhouse atmosphere offers, since in this way a recirculation of CO 2 from the greenhouse is realized cost-saving.
Erfindungswesentlich ist, daß das Mischungsverhältnis von Methan und Sauerstoff für den biotechnologischen Prozeß im Bereich von 0,33:1 bis 1,5:1 gehalten wird. Dadurch ist gewährleistet, daß die Reaktionsbedingungen des Bioprozesses optimal gestaltet sind und keine explosiven Gemische entstehen können. Gegenüber der reinen Verbrennung ist damit der Sauerstoffverbrauch um mindestens 25% reduziert, was sich kostenmäßig günstig auswirkt. Als biologische Kultur kann jede methanverwertende Kultur verwendet werden. Wirtschaftlich günstig ist es, wenn Kulturen eingesetzt werden, deren Zellsubstanz für Futterzwecke oder zur Gewinnung von Zellinhaltsstoffen verwendet werden kann. Anwendbar sind auch methanverwertende Kulturen zur Produktion von Industriechemikalien, wie z. B. von PHB, oder Kulturen, die pflanzenphysiologisch aktive wasserlösliche Substanzen ausscheiden. Letztere lassen sich im Gewächshaus zur Ertragssteigerung einsetzen. Als Reaktionsbehältnisse können beliebige in der Biotechnologie verwendete Reaktoren eingesetzt werden. Für die Erzeugung von Futterbiomasse empfiehlt sich der Einsatz von Tauchstrahlreaktoren. Die Größe der Reaktoren, bezogen auf die zu begasende Anbaufläche des Gewächshauses, ist günstigerweise im Bereich von 1 bis 6 Liter Inhalt je Quadratmeter festzulegen. Als bevorzugter spezifischer Einsatz von Erdgas hat sich je nach Methananteil des Erdgases ein Bereich von 8 bis 50 Liter Erdgas je Quadratmeter Gewächshausfläche und Stunde herausgestellt.Essential to the invention is that the mixing ratio of methane and oxygen for the biotechnological process in the range of 0.33: 1 to 1.5: 1 is maintained. This ensures that the reaction conditions of the bioprocess are optimally designed and no explosive mixtures can arise. Compared with pure combustion, the oxygen consumption is reduced by at least 25%, which has a favorable cost effect. As a biological culture, any methane-utilizing culture can be used. It is economically advantageous when cultures are used whose cell substance can be used for animal feed or for the extraction of cell ingredients. Also applicable are methane-utilizing crops for the production of industrial chemicals, such. B. PHB, or cultures excrete plant physiologically active water-soluble substances. The latter can be used in the greenhouse to increase yields. Reaction containers can be any of the reactors used in biotechnology. For the production of feed biomass, the use of submersible jet reactors is recommended. The size of the reactors, based on the greenhouse cultivation area to be fumigated, is desirably set in the range of 1 to 6 liters per square meter. As a preferred specific use of natural gas, depending on the methane content of natural gas, a range of 8 to 50 liters of natural gas per square meter of greenhouse area and hour has been found.
Die Methankonzentration des Abgases aus dem biologischen Prozeß soll nicht kleiner als 3 Vol.-% sein. Damit ist gewährleistet, daß die Triebkraft des biologischen Prozesses groß genug ist, um wirtschaftlich tragbare Produktaktivitäten hinsichtlich der Biomasseproduktion zu erreichen. Diese soll Werte von 2 bis 10kg Biomassetrockensubstanz pro kg Reaktorinhalt und Stunde betragen. Die gewählte Methan-Abgaskonzentration bietet andererseits die Gewähr, daß die nachfolgende chemischeThe methane concentration of the exhaust gas from the biological process should not be less than 3 vol .-%. This ensures that the driving force of the biological process is large enough to achieve economically viable product activities in terms of biomass production. This should be values of 2 to 10 kg biomass dry matter per kg of reactor contents per hour. On the other hand, the selected methane exhaust gas concentration ensures that the following chemical
Verbrennung des Restgases zu CO2 weitgehend unter Vermeidung der ΝΟκ-Bildung abläuft. Denn diese Verbindung entsteht insbesondere bei hoher Temperatur des Brennraumes. Bei der gewählten Restkonzentration ist aber die Inertgasmenge ausreichend groß, um das Gas zu kühlen.Combustion of the residual gas to CO 2 largely proceeds while avoiding the ΝΟκ formation. Because this connection arises especially at high temperature of the combustion chamber. At the selected residual concentration but the amount of inert gas is sufficiently large to cool the gas.
Die Brennkammer für die Verbrennung des Restgases kann innerhalb oder außerhalb des zu begasenden Gewächshauses angeordnet und beispielsweise als Gaserzeuger, Wärmekessel, Turbolader oder Kraftmaschine ausgebildet sein. Ihr können neben dem biologisch vorbehandelten Gas auch weitere Gasmengen zugeführt werden, um den CO2-Bedarf des Gewächshauses zu decken. Gleichzeitig kann weiterer Sauerstoff zugegeben werden. Das Verbrennungsprodukt kann dem Gewächshaus direkt oder nach Zwischenlagerung sowie Konditionierung zugeführt werden. Die Brennkammer kann durch die Abwärme des Bioprozesses, gegebenenfalls unter Anwendung temperatursteigernder Apparate, wie Wärmepumpen, geheizt werden.The combustion chamber for the combustion of the residual gas can be arranged inside or outside the greenhouse to be fumigated and designed, for example, as a gas generator, heat boiler, turbocharger or engine. In addition to the biologically pretreated gas, it can also be supplied with additional gas quantities in order to cover the greenhouse's CO 2 requirement. At the same time, additional oxygen can be added. The combustion product can be supplied to the greenhouse directly or after intermediate storage and conditioning. The combustion chamber can be heated by the waste heat of the bioprocess, if necessary using temperature-increasing apparatus, such as heat pumps.
Ausführungsbeispielembodiment
In einem Gartenbaubetrieb ist eine Gewächshausfläche von 3590 m2 mit CO2 zu versorgen. Der CO2-Bedarf beträgt stündlich 10g/m2, entsprechend 35,9 kg/h. Zur Verfügung steht ein schwefel- und quecksilberfreies Erdgas mit einem Methangehalt von 40%. Stündlich werden davon 72,5m3 verwertet. Sie werden einem Tauchstrahlreaktor von 10 m3 zugeführt, gleichzeitig 197,5m3/h Luft als Sauerstoffträger. Das Mischungsverhältnis von CH4 zu O2 stellt sich auf 0,7:1 ein. Damit sind optimale Stoffübergangs- und Reaktionsbedingungen gewährleistet.In a market garden greenhouse an area of 3590 m 2 with CO 2 is to be supplied. The CO 2 requirement is hourly 10g / m 2, corresponding to 35.9 kg / h. Available is a sulfur and mercury-free natural gas with a methane content of 40%. Every hour 72.5m 3 are used. They are fed to a submersible jet reactor of 10 m 3 , at the same time 197.5 m 3 / h of air as an oxygen carrier. The mixing ratio of CH 4 to O 2 is 0.7: 1. This ensures optimal mass transfer and reaction conditions.
In dem Reaktor werden methanverwertende Mikroorganismen mit der Kennzeichnung Stamm ZIMETB502 kultiviert. Die Nährlösung enthält für 1 kg BTS-Zuwachs folgende Komponenten:In the reactor methane-utilizing microorganisms labeled strain ZIMETB502 are cultured. The nutrient solution contains the following components for 1 kg BTS growth:
540gNH3(25%) 1,833g MnSO4 ♦ 4H2O540gNH 3 (25%) 1,833g MnSO 4 ♦ 4H 2 O
51,3 g H3PO4 (75%) 0,036g CoSO4 ♦ 7H2O51.3 g H 3 PO 4 (75%) 0.036 g CoSO 4 ♦ 7H 2 O
35g KH2PO4 0,109g NiSO4 · 7H2O35 g KH 2 PO 4 0.109 g NiSO 4 .7H 2 O
25g MgSO4 * 7H2O 0,077g CrCI3 * 6H2O25 g MgSO 4 .7H 2 O 0.077 g CrCl 3 .6H 2 O
0,786g CuSO4 ♦ 5H2O 0,186g AI2(SO4)3 * 18H2O0.766 g CuSO 4 ♦ 5H 2 O 0.186 g Al 2 (SO 4 ) 3 * 18H 2 O
1,201 g FeCI2 * 4H2O 0,883g CaCNO3I2 * 4H2O1.201 g of FeCl 2 * 4H 2 O 0.883 g of CaCNO 3 I 2 * 4H 2 O.
0,322 g ZnCI2 1,286 g H3BO3 0.322 g ZnCl 2 1.286 g H 3 BO 3
0,041g Na2MoO4* 2 H2O0.041g Na 2 MoO 4 .2H 2 O
Der pH-Wert beträgt 5,7, die Temperatur 38°C, die Verweilzeit liegt bei 6 h. Stündlich entstehen 12 kg Biomasse und 21,6kg CO2.The pH is 5.7, the temperature 38 ° C, the residence time is 6 h. Every hour, 12 kg of biomass and 21.6 kg of CO 2 are produced .
Das Abgas hat folgende Zusammensetzung:The exhaust gas has the following composition:
Sauerstoff 6,06%, Methan 3,91 %, Kohlendioxid 5,89%, Stickstoff 84,14%.Oxygen 6.06%, methane 3.91%, carbon dioxide 5.89%, nitrogen 84.14%.
Aus der Nachverbrennung des Abgases entstehen noch weiter 14,3 kg CO2 pro Stunde. Das Verhältnis des im Bioprozeß umgesetzten Methans zum direkt verbrannten Methan beträgt 3:1.From the afterburning of the exhaust gas still produces 14.3 kg of CO 2 per hour. The ratio of methane converted in the bioprocess to directly burned methane is 3: 1.
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