DE102006047828A1

DE102006047828A1 - Kontinuierlicher Trockenfermenter

Info

Publication number: DE102006047828A1
Application number: DE102006047828A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Gödde
Original assignee: BRAUER KATHRIN; Fachhochschule Muenster
Current assignee: BRAUER KATHRIN; Fachhochschule Muenster
Priority date: 2006-10-10
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2008-04-17

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Fermenter für die Erzeugung von Biogas aus fester Biomasse, der ohne Unterbrechung arbeiten kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fermenter für die Erzeugung von Biogas aus fester Biomasse und Perkolat in einem Faulraum, wobei von der Biomasse nur ein Gärrest verbleibt.
Biogas wird in Biogasfermentern im anaeroben Abbauprozess aus organischen Ausgangsstoffen, der Biomasse, gewonnen. Dazu wird mit Mikroorganismen kontaminiertes Wasser im Kreislauf auf Biomasse gesprüht, was den Vergärungsprozess bewirkt. Dieses Wasser wird Perkolat genannt. Das bei der Vergärung entstehende Biogas sammelt sich in dem Behälter, wird abgesaugt und zum Betrieb einer Energiegewinnungsanlage genutzt.
Bei der Biogasgewinnung wird zwischen Nass- und Trockenfermentation unterschieden. Bei der Nassfermentation werden in kurzen Intervallen mittels Pumpen und Dosiereinrichtungen mehrmals täglich kleinere Mengen Biomasse in den Fermenter eingebracht und eine entsprechende Menge Gärreste entnommen. Es ist bekannt, Nassfermenter kontinuierlich zu betreiben, das heißt, dass keine Unterbrechung der Biogaserzeugung zum Wechsel der Biomasse erforderlich ist.
Bei der Trockenfermentation wird Biomasse, die in stapelfähiger Form vorliegt, vergoren. Beispiele für solche Biomassen sind Stroh, Grasschnitt, Mist. Vorteile der Trockenfermentation sind eine höhere Energiedichte je cbm Biomasse als bei Nassfermentation und damit verbunden geringe Betriebskosten.
Trockenfermenter sind üblicherweise als luftdicht verschließbare Gebäude mit großen Toren aufgebaut, durch die mit landwirtschaftlichen Maschinen, wie Frontladertrecker oder Radlader, der Wechsel der Biomasse in dem Faulraum vorgenommen wird. Der gesamte Faulraum wird auf einmal befüllt, luftdicht verschlossen. Wenn die Biomasse nach mehrwöchiger Ausfaulzeit verbraucht ist, ist sie auf einen Gärrest mit einem kleinen Teil ihres Volumens zusammengesunken und der Raum darüber ist mit Biogas gefüllt.
Wenn nun das Gebäude zum Entfernen des Gärrestes geöffnet wird, wird der Faulraum vorher belüftet. Das im Faulraum befindliche Biogas entweicht in die umgebende Atmosphäre. Dies ist sehr umweltschädlich. Auch bedeutet dies ein Verlust an Wirtschaftlichkeit, da der Betrieb zu Biogaserzeugung unterbrochen wird und bei jedem Belüftungsvorgang große Mengen an Biogas verloren gehen.
Außerdem ist das Biogas sehr leicht entzündlich. Beim Belüften des Faulraumes vor dem Öffnen der Tore bildet sich ein explosionsfähiges Gas-Luft-Gemisch, welches zeitweise den gesamten Faulraum ausfüllt und dann in die Umgebung abgegeben wird. Dies stellt ein stark erhöhtes Sicherheitsrisiko dar.
In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 044 353.5 ist ein Trockenfermenter beschrieben, bei dem das Sicherheitsrisiko beim Wechsel der Biomasse beseitigt ist. Dieser Trockenfermenter kann aber nicht kontinuierlich ohne Unterbrechung zum Wechsel der Biomasse betrieben werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Trockenfermenter anzugeben, bei dem das Sicherheitsproblem gelöst ist und der kontinuierlich ohne Unterbrechung zum Wechsel der Biomasse betrieben werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass der Fermenter mit einer Absaugeinrichtung für verdünnten Gärrest und mit Schleusenkammern zur Nachfüllung von fester Biomasse versehen ist.
Ausführungsformen der Erfindung und Verfahren zum Betrieb des Trockenfermenters sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der hier beschriebene Fermenter ist für die Vergärung von stapelfähiger Biomasse im Perkolationsverfahren geeignet. In den Faulraum des Fermenters wird die Biomasse eingebracht und es finden dort der Vergärungsprozess und die Bildung von Biogas statt. Im Faulraum sind oberhalb der Biomasse Düsen angebracht, aus denen das Perkolat auf die Biomasse gesprüht wird. Diese wird damit feucht gehalten und der Vergärungsprozess arbeitet. Das Perkolat wird durch Löcher im Boden wieder aufgefangen und wieder den Düsen zugeführt, so dass es im Kreislauf umgepumpt werden kann. Die entstehenden Biogase werden abgesaugt. Der organische Anteil der Biomasse wird zu ca. 90% abgebaut, zurück bleibt ein Gärrest. Über diesem befindet sich im Faulraum Biogas, das beim Nachfüllen von Biomasse nicht in die Umwelt entweichen darf. Dazu sind Schleusenkammern vorgesehen, über die Biomasse nachgefüllt wird, ohne das Biogas in die Umwelt entweicht. Der Gärrest in dem Faulraum wird verdünnt und kann abgepumpt werden. Auf diese Weise ist ein kontinuierlicher Betrieb des Trockenfermenters möglich.
Die Schleusenkammern sind in einer Ausführungsform mit einem Formkörper versehen, der durch Druck aufgeblasen werden kann und damit die gesamte Schleusenkammer ausfüllt und darin befindliches Biogas über ein Ventil in den Faulraum drückt. Dies erfolgt vor dem erneuten Beladen der Schleusenkammer mit Biomasse, so dass beim Öffnen der äußeren Schleusentür kein Biogas in die Umwelt entweicht. Die äußeren und inneren Türen der Schleusenkammer können diese gasdicht verschließen. Der Formkörper ist vorteilhafterweise ein Foliensack, der aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) hergestellt ist. Dieses Material ist hochdehnbar und für die im Fermenter auftretenden Stoffe unempfindlich. Der Foliensack kann die Schleusenkammer formschlüssig ausfüllen und damit alles darin befindliche Biogas verdrängen. Dazu wird der Foliensack vor dem Öffnen der äußeren Schleusentür mit Luft oder Abgasen aufgeblasen.
In einer anderen Ausführungsform wird die Schleusenkammer mit Perkolat befüllt und damit das in der Schleusenkammer enthaltenen Biogas über ein Ventil in den Faulraum zurückgedrängt. Dies erfolgt vor dem erneuten Beladen der Schleusenkammer mit Biomasse, so dass beim Öffnen der äußeren Schleusentür kein Biogas in die Umwelt entweicht. Auch ist es günstig, beim Befüllen der Schleusenkammer diese mit Perkolat aufzufüllen, so dass die Biomasse nass in den Faulraum fällt. Dies hat den Vorteil, dass der Vergärungsprozess sofort einsetzt und sich die Biomasse besser im Faulraum verteilt.
Die Schleusenkammern sind mit inneren und äußeren Türen verschließbar. Dabei ist es günstig, die innere Tür als Schiebetür auszuführen. Dadurch kann eine Schiebetür für zwei Schleusenkammern wechselzeitig genutzt werden.
Die äußere Tür ist günstigerweise als Hubtür ausgeführt, die Spieße besitzt, die in die Schleusenkammer ragen. Dadurch wird frische Biomasse, die in die Schleusenkammer eingefüllt wurde, beim Verschieben der inneren Schiebetür an seinem Ort gehalten und nicht vor eine Seitenwand gequetscht.
Der nach der Vergärung verbleibende Gärrest muss aus dem Faulraum entfernt werden. Dazu ist es günstig, dass der Boden des Faulraumes ein Gefälle aufweist und der Gärrest durch das Perkolat zu dem unteren Ende des Gefälles geschwemmt wird. Dort ist die Absaugeinrichtung angeordnet, die als gasdichte Schlammpumpe ausgeführt ist, wie sie auch aus Nassfermentern bekannt sind.
Über der Absaugeinrichtung ist günstigerweise ein Sieb angeordnet, dass die feste Biomasse von dem verdünnten Gärrest trennt. Somit kann dieser einfach abgesaugt werden, ohne dass feste Biomasse in die Pumpe gelangt.
Beim Vergärungsprozess kann sich der Gärrest am Boden des Faulraumes so verklumpen, dass er durch das Perkolat zunächst nicht weggeschwemmt wird. Diese Klumpen werden vorteilhafterweise durch aufblasbare Schläuche aufgebrochen, die auf dem Boden in Richtung des Gefälles verlegt sind. Sie bilden dann auch Schwemmgassen, durch die der Gärrest gut zur Absaugeinrichtung geschwemmt wird.
Das Verfahren zur Herstellung von Biogas aus fester Biomasse in einem Fermenter wie vorstehend beschrieben läuft folgendermaßen ab:
Der Faulraum wird über die Schleusen mit Biomasse gefüllt, das Perkolat wird im Kreislauf über die Biomasse gesprüht und damit die feste Biomasse befeuchtet und der Vergärungsprozess in Gang gesetzt.
Das entstehende Biogas wird über eine Absaugleitung aus dem Faulraum abgezogen. Die Biomasse wird vergoren und schrumpft auf den Gärrest zusammen. Durch das Perkolat wird der Gärrest auch verdünnt, es entsteht ein Schlamm. Dieser Schlamm wird vom Boden des Faulraumes abgepumpt. Entsprechend des Verbrauchs der Biomasse durch den Gärprozess und dem Abpumpen des Schlammes wird über die Schleusen Biomasse in den Faulraum nachgefüllt. Auf diese Weise kann der Trockenfermenter kontinuierlich arbeiten.
Es ist vorteilhaft, zumindest Teile des abgepumpten Schlammes zusammen mit der frischen Biomasse dem Fermenter wieder zuzuführen, da der Schlamm sehr viel aktive Mikroorganismen enthält, die den Vergärungsprozess bewirken. Auf diese Weise wird auch die Menge der zu entsorgenden Reste minimiert.
In einer Ausführung des Verfahrens wird zum Nachfüllen der Biomasse die Schleusenkammer zunächst mit dem aufgeblasenen Formkörper ausgefüllt und damit das darin befindliche Biogas durch ein Ventil in den Faulraum verdrängt. Dann kann der Formkörper wieder entspannt und die äußere Schleusentür geöffnet werden. Die neue Biomasse wird in die Schleusenkammer gefüllt und die äußere Schleusentür wieder geschlossen. Durch die innere Schleusentür wird die Biomasse in den Faulraum abgegeben.
In einer anderen Ausführung des Verfahrens wird die Schleusenkammer mit Perkolat aufgefüllt und damit das Biogas aus der Schleusenkammer verdrängt.
Auch kann die nachzufüllende Biomasse mit Perkolat nass gemacht werden, um den Vergärprozess schnell starten zu lassen.
Das Entfernen des Gärrestes wird durch am Boden des Faulraumes befestige aufblasbare Schläuche unterstützt. Der Gärrest kann am Boden verklumpen und wird dann nicht mehr abgesaugt. Um dies zu verhindern, werden in bestimmten Zeitabständen die Schläuche am Boden des Faulraumes für eine vorbestimmte Dauer aufgeblasen und damit verklumpte Gärreste aufgebrochen. Außerdem bilden die aufgeblasenen Schläuche Schwemmgassen, durch die dann der mit Perkolat verdünnte Gärrest zum Ende des Gefälles geschwemmt und dort abgepumpt wird. Das Abschwemmen des Gärrestes wird weiter unterstützt, wenn durch die Düsen im Boden des Faulraumes Perkolat in die Schwemmkanäle gespritzt wird.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren beispielhaft dargestellt.
1 zeigt einen Fermenter im Querschnitt
2 zeigt den gleichen Fermenter mit aufgeblasenen Foliensäcken
3 zeigt eine andere Ausführung der Schleusenkammern
4 zeigt einen perspektivischen Ausschnitt des Bodens mit aufgeblasenen Schläuchen
In 1 ist ein Fermenter 1 mit seinem Gehäuse 2 dargestellt, in dessen Faulraum 4 sich die Biomasse 5 befindet und sich auf dem Boden 21 der Gärrest 15 gesammelt hat. Aus den Düsen 12 an der Decke 7 wird das Perkolat 11 auf die Biomasse 5 gesprüht und über die Bodendüsen 13 wieder dem Vorratsbehälter 10 zugeführt. So läuft das Perkolat im Kreislauf im Fermenter 1 um. Das entstehende Biogas wird über die Öffnung 9 abgesaugt.
Der Boden 21 ist schräg ausgeführt, so dass sich der Gärrest am unteren Ende sammelt und sich dort mit Perkolat zu Schlamm vermischt. Dieser Schlamm wird über die Absaugeleitung 41 und die Schlammpumpe 40 aus dem Faulraum 4 entfernt. Teile des Schlammes werden über die Rückführleitung 42 in eine Schleusenkammer 30 und damit dem Gärprozess wieder zugeführt.
Über dem verdünnten Gärrest 15 ist ein waagerechtes Sieb angeordnet, dass die festen Bestandteile der Biomasse 5 von der Absaugeinrichtung fernhält.
Die Schleusenkammer 30 ist durch eine äußere Tür 31 und eine innere Tür 32 gasdicht verschließbar. Im Inneren der Schleusenkammer 30 befindet sich auch der Foliensack 16, der jetzt nicht aufgeblasen ist und nur wenig Raum einnimmt. Zum Nachfüllen der Biomasse wird die äußere Tür 31 geöffnet, die Schleusenkammer 30 befüllt und die Tür 31 wieder verschlossen. Danach wird die innere Tür 32 geöffnet und die Biomasse 5 gelangt in den Faulraum 4. Die innere Tür 32 wird wieder geschlossen. Jetzt ist die Schleusenkammer mit Biogas aus dem Faulraum 4 gefüllt.
In 2 ist der gleiche Fermenter 1 wie in 1 dargestellt. Nur ist jetzt der Foliensack 16 jetzt zu dem Formkörper 35 aufgeblasen, der den gesamten Inhalt der Schleusenkammer 30 ausfüllt. Das Biogas wurde durch das Ventil 33 in den Faulraum 4 zurückgedrückt. Anschließend kann der Formkörper 35 wieder entspannt und die äußere Tür 31 wieder ohne Gefahr geöffnet werden, um eine neue Befüllung vorzunehmen. Während des Nachfüllvorgangs läuft die Biogas-Produktion ohne Unterbrechung weiter.
3 zeigt eine andere Ausführung von zwei Schleusenkammern 30. Diese sind unten durch die eine innere Schleusentür 32, die als Schiebetür ausgeführt ist, wechselzeitig verschließbar. Die äußeren Türen 31 sind als Hubtüren ausgeführt und können soweit angehoben werden, dass die frische Biomasse nachfüllbar ist. An den äußeren Türen 31 sind Spieße 36 angebracht, die die Frische Biomasse in ihrer Lage halten, wenn die innere Tür 32 verschoben wird.
Über die Perkolatleitung 14 wird die Schleusenkammer 30 bei verschlossener innerer Tür mit Perkolat über die Ventile 37 vollständig aufgefüllt und damit das in der Schleusenkammer 30 befindliche Biogas über das Gasventil 33 in den darunter liegenden Faulraum gedrückt. Dann kann gefahrlos die äußere Tür 31 geöffnet werden, da kein Biogas mehr in der Schleusenkammer vorhanden ist.
Ebenso kann die in der Schleusenkammer befindliche frische Biomasse mit Perkolat nass gemacht werden, bevor es durch Öffnen der inneren Tür 32 in den Faulraum gelangt.
In 4 ist ein perspektivischer Ausschnitt aus dem Boden 21 des Fermenters 1 dargestellt. Auf dem Boden 21 sind die Schläuche 50 angebracht. Sie sind nach unten ausgerichtet. Wenn sie aufgeblasen sind, bildet sich zwischen ihnen der Schwemmkanal 51 und der Gärrest wird nach unten geschwemmt. Dieser Vorgang kann durch ein Einsprühen von Perkolat über die Bodendüsen 13 unterstützt werden.
Durch das Aufblasen der Schläuche 50 wird ein verklumpter Gärrest aufgebrochen und mit dem Perkolat weggeschwemmt.

1: Fermenter
2: Gehäuse
4: Faulraum
5: Biomasse
7: Dach
9: Absaugung Biogas
10: Perkolat-Behälter
11: Perkolat
12: Düse
13: Bodenöffnungen
14: Perkolat-Leitung
15: Gärrest
16: Membransack
21: Boden
30: Schleusenkammer
31: Äußere Tür
32: Innere Tür
33: Gasventil
34: Trichter
35: Formkörper
36: Spieße
37: Perkolatventil
40: Schlammpumpe
41: Absaugleitung Schlamm
42: Schlammrücklauf
43: Sieb
50: Schlauch
51: Schwemmkanal

Claims

Fermenter für die Erzeugung von Biogas aus fester Biomasse und Perkolat in einem Faulraum, wobei von der Biomasse nur ein Gärrest verbleibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermenter (1) mit einer Absaugeinrichtung (40) für verdünnten Gärrest (15) und mit Schleusenkammern (30) zur Nachfüllung von fester Biomasse (5) versehen ist.
Fermenter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schleusenkammer (30) mit einem Formkörper (35) versehen ist, der durch Druck aufgeblasen wird und damit die Schleusenkammer ausfüllt.
Fermenter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper ein Foliensack (16) ist.
Fermenter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Foliensack (16) aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk hergestellt ist.
Fermenter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Foliensack (16) mit Luft oder Abgasen aufgeblasen wird.
Fermenter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleusenkammern (30) zur Verdrängung des Biogases mit Perkolat ausgefüllt werden.
Fermenter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleusenkammern (30) innere Türen (32) besitzen, die als Schiebetüren ausgeführt sind.
Fermenter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleusenkammern (30) äußere Türen (31) besitzen, die als Hubtüren ausgeführt sind und Spieße (36) zum Halten der Biomasse besitzen.
Fermenter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (21) des Faulraumes (4) ein Gefälle aufweist.
Fermenter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugeinrichtung eine gasdichte Schlammpumpe (40) ist, die am unteren Ende des Gefälles angeordnet ist.
Fermenter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass am unteren Ende des Gefälles über der Absaugeinrichtung ein Sieb angeordnet ist.
Fermenter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Boden (21) des Faulraumes aufblasbare Schläuche (50) entlang des Gefälles angeordnet sind, so dass bei aufgeblasenen Schläuchen Schwemmgassen (51) entstehen.
Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus fester Biomasse in einem Fermenter nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Biomasse mit Perkolat im Kreislauf besprüht wird und zu einem Gärrest zerfällt, und das entstehende Biogas aus dem Faulraum abgesaugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gärrest (15) verdünnt und abgepumpt wird und durch Schleusenkammern (30) feste Biomasse in den Faulraum (4) nachgefüllt wird
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Gärrest (15) mit Perkolat (11) verdünnt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der abgepumpte Gärrest dem Fermenter wieder zugeführt wird
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleusenkammer (30) vor dem Öffnen zur Außenwelt mit dem Formkörper (35) ausgefüllt wird und damit das enthaltene Biogas durch ein Gasventil (33) in den Faulraum (4) gedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleusenkammer (30) vor dem Öffnen zur Außenwelt mit Perkolat ausgefüllt wird und damit das enthaltene Biogas durch ein Gasventil (33) in den Faulraum (4) gedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in bestimmten Zeitabständen die Schläuche (50) am Boden (21) des Faulraumes für eine vorbestimmte Dauer aufgeblasen werden und damit verklumpte Gärreste aufgebrochen werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in den durch die aufgeblasenen Schläuche gebildeten Schwemmgassen (51) der verdünnte Gärrest zum Ende des Gefälles geschwemmt und dort abgepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Düsen (13) im Boden des Faulraumes der Gärrest in den Schwemmgassen (51) gespült wird.