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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung
von organischen Bio-Reststoffen, insbesondere aus kommunalen und/oder
gewerblichen Reststoffen, einschließlich roher und/oder
gekochter Speisereste, landwirtschaftlicher Reststoffe, insbesondere
Tierexkremente und/oder pflanzliche Stoffe, aber auch von gezielt
für den Prozess angebaute pflanzliche Stoffe, bei dem diese
Stoffe zumindest teilweise einem Anaerob-Reaktor zugeführt
werden und das durch Vergärung entstandene Biogas dabei
abgezogen wird und der verbleibende Gärrest einer weiteren
Nutzung zugeführt wird.
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Im
Stand der Technik ist es zum Abbau fester und flüssiger
organischer Biomasse bekannt, ein Rohgemenge – ggf. mit
vorgeschalteter mechanischen Behandlung (bsp. Sandfang) – zu
versauern und einer Fermentation, d. h. einer Vergärung
zur Biogasgenerierung zuzuführen. Bei dieser sog. Methanisierung
fallt neben der Produktion des eigentlichen Biogases auch ein Reststoffanteil
als Gärrest an, der als Kompost ausgetragen oder als Düngerzusatz weiterverarbeitet
werden kann. Dieser Reststoffanteil weist ca. 6–7% Trockensubstanz
(TS) auf. Ein solches Abbau-Verfahren ist insgesamt für
Gülle, Maissilage, Getreide oder Molke oder ähnliche
Stoffe anwendbar. Allerdings eignet sich nicht jede Ausgangs-Biomasse
gleichermaßen zur Fermentation. Häufig tritt das
Problem auf, dass nicht fermentierbare Rückstände übrig
bleiben, die entsorgt oder gesondert verwertet werden müssen.
Unzureichend fermentierbar sind insbesondere Rückstände,
die Lignin oder Ähnliches enthalten. Diese Rückstände
werden oft zu Dünger weiterverarbeitet.
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Im
Allgemeinen wird ein organischer Reststoff, der einen Mindestgehalt
von ≥3% an Stickstoff oder Phosphor oder Kalium bezogen
auf den Anteil an Trockensubstanz (TS) aufweist, als "Dünger"
definiert. Bei der Verarbeitung des oben erwähnten Gärrestes
zu einem Düngerrohstoff kann der Gärrest nachfolgend
einer mechanischen Aufbereitung mit einer Trennung zur Eindickung
in zwei Teilströmen weitergeführt werden. Während
der erste Teilstrom einer Trocknung zur Produktion eines trockenen
sog. Fußdüngers mit einem Trockensubstanzanteil
von um die 85% (TS) unterzogen wird, durchläuft der zweite
Teilstrom des nach der Verpressung verbleibenden Flüssiganteils
eine Eindampfung zur Produktion eines sog. Kopfdüngers
mit einem Trockensubstanzanteil von ca. 15%. Beide Rohstoffe können, wenn
diese hinsichtlich ihrer Nährstoffe hochwertig sind, landwirtschaftlich
verwertet werden – der Fußdünger bevorzugt
im Herbst, um die im Wachstum befindliche Pflanze über
den Winter zu bringen, und der Kopfdünger bevorzugt im
Frühjahr. Obwohl der anfallende Gärrest insbesondere
bei größeren Anlagen von ≥1 MW wegen
seiner Menge ein Entsorgungs-Problem darstellt, ist das landwirtschaftliche Ausbringen
desselben ungeachtet seiner Zusammensetzung der herkömmliche
Weg zu seiner Verwendung: Obgleich der aus der Eindampfung des Gärrestes
stammende nasse Kopfdünger in der Regel einen ca. 6 prozentigen
Mindestgehalt an Stickstoff aufweist, mangelt es demgegenüber
dem aus der Trocknung des Gärrestes stammenden trockenen
Fußdünger i. d. R. an einem 3%tigen Mindestgehalt.
Natürlich ist der Anteil dieser drei Düngerbestandteile
Stickstoff, Kalium und Phosphat von der Zusammensetzung des Gärreste-Rohstoffes
abhängig, und auch davon, wie gut dieser Gärrest
beispielsweise Ammoniak mit dem darin enthaltenen Stickstoff zu
binden vermag.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art anzugeben, das/die eine verbesserte Behandlung organischer
Reststoffe zur Erzeugung eines verwertbaren Stoffes, z. B. eines
Energieträgers, aber auch eines verwertbaren Stoffes in
Form von Dünger als Energieträger ermöglicht.
Das Verfahren ist dabei darauf abgestellt, den Energiekreislauf
betreffend die Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe (NaWaRo) zu
optimieren.
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Diese
Aufgabe wird grundlegend durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren
gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens
gehen aus den nachgeordneten Unteransprüchen hervor. Die
erfindunggemäße Vorrichtung geht aus Anspruch 22
hervor. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung
sind in den darauf bezogenen Unteransprüchen genannt.
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Kerngedanke
der Erfindung ist es damit, den bei der Generierung von Biogas aus
organischen Reststoffen anfallenden Gärrest in verbesserter
Weise energetisch zu verwerten, indem der aus der Eindickung resultierende
Gärreste-Kuchen und der aus der Eindickung stammende Flüssigstrom
wieder zusammengeführt werden, nachdem der Flüssigstrom einer
Behandlung unterzogen wurde, die aus dem Flüssigstrom ein
Konzentrat und ein Kondensat abscheiden lässt. Während
das Kondensat fastvollständig aus Wasser besteht, sind
die im Flüssigstrom vorhandenen anderen Bestandteile im
Konzentrat konzentriert. Mit diesem so gewonnenen Konzentrat kann
dann der Gärreste-Kuchen wieder angereichert und einer
weiteren Trocknung unterzogen werden. Im Ergebnis daraus werden
demnach alle im Gärrest vorhandenen Bestandteile vom Gärrest-Wasseranteil
separiert, und diese Bestandteile dann konzentriert, sodass eine
Verwertung des so gewonnenen Fußdünger-Konzentrates
eine bessere Ausbeute bei der weiteren Verwertung liefert. Das bedeutet,
dass die Erfindung eine optimale Verwertung von dem bei der Biogasgenerierung
anfallenden Gärrest schafft, indem dieser – wo
nötig – durch die von der Biogasgenerierung und
ihrer Stromerzeugung zur Verfügung gestellte Energie aufgewertet
wird. Unter dem Begriff "Aufwertung" ist dabei sowohl eine Anreicherung
mit Zusatzstoffen zu verstehen, wie auch jede andere Verarbeitung,
z. B. Trocknung. Mithilfe des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist ein ökologisches und damit nachhaltiges
Verfahren zur Verwertung von beispielsweise Lignin-haltiger Biomasse
aufgezeigt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform wird zur Trocknung die aus
der Verwertung des Biogases entstehende Abwärme genutzt.
Soll das System absolut autark betrieben werden, so bestimmt die
zur Verfügung stehende Abwärme den Gehalt des
Wasseranteils der aus Fußdünger und überführtem
Konzentrat geschaffenen Fußdüngermischung. Steht
mit anderen Worten ausreichend Wärme zur Verfügung,
kann das gesamte gewonnene Konzentrat dem eingedickten Kuchen zugemischt
und nachfolgend das Gemisch getrocknet werden. Als vorteilhaft hat
sich gezeigt, das Konzentrat dem Fußdünger während
seiner Trocknung zuzuführen (Wird an späterer
Stelle noch in Verbindung mit einem Bandtrockner erläutert).
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform wird die Behandlung zur Abscheidung
eines Konzentrates und eines Kondensates aus dem Flüssigstrom mittels
Eindampfung vorgenommen. Alternativ ist es ebenso möglich
diese Abscheidung mittels Ultrafiltration mit Umkehrosmose vorzusehen.
Hierbei entspricht das gewonnene Retentat dem mit den Bestandteilen
des Gärrestes angereicherten Konzentrat.
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Vorteilhaft
wird der Massenstrom an in den Fußdünger überführtes
Konzentrat zumindest so gewählt, dass das angereicherte
Trockenprodukt, i. e. der Fußdünger nach seiner
Trocknung einen Mindestgehalt von 3% an Stickstoff und/oder Kalium und/oder
Phosphor bzw. Verbindungen hieraus aufweist. Damit gilt das gewonnene
Produkt als organischer Dünger.
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Im
folgenden wird nun das Grundschema des erfindungsgemäßen
Verfahrens anhand eines Basiskreislaufs beschrieben, der die alleinige
Produktion von organischem Dünger betrifft:
Beim Basiskreislauf
der Erfindung erfolgt die Umwandlung von qualitativ minderwertiger
Biomasse in organischen Dünger für die Landwirtschaft,
indem anfallende überschüssige Stickstoff-, Kalium-,
oder Phosphatanteile aus der Gärrest-Verarbeitung dem minderwertigeren
Düngerstrom wieder beigemischt werden, d. h. in der Praxis
meist dem Fußdünger – und zwar vorteilhafterweise
in dem Maße, in dem aus der Abwärme des Biogas-Heizkraftwerks
die dazu erforderliche Energie zur Verfügung gestellt wird.
In der Praxis erfolgt der Energieübertrag der BHKW-Abwärme
auf die Trocknung bzw. Eindampfung dabei in der Regel über
Wärmetauscher, mittels denen die Abwärme auf die
Eindampfer bzw. Trockner abgegeben wird. Um obige Energieforderung
zu erfüllen, wird der Massenanteil des dem Fußdünger
bei seiner Trocknung zuzuführenden nassen Kopfdüngers
durch den aus der Abwärme des BHKWs zur Verfügung
stehenden Energiebetrag wieder mitbestimmt. Dies bedeutet, dass
der Anteil an übertragenem, nährststoffreicheren
Kopfdünger zum ursprünglich minderwertigeren,
weil unter 3% an Kalium oder Phosphat oder Stickstoff aufweisenden
Fußdünger umso höher ausfallen kann,
je höher der Energiebetrag aus der Abwärme des
BHKWs ist, um den angereicherten Fußdünger noch
ausreichend trocknen zu können. Aufgrund der zur Verfügung
stehenden Abwärme-Energie werden die Parameter a) Eindampfungsmaß,
b) Trocknungsmaß und c) Massenstrom an überführtem Kopfdünger
zu wählen sein, derart, dass der aus der Verarbeitung resultierende
Fußdünger zumindest einen Mindestgehalt von 3%
an Stickstoff oder Kalium oder Phosphat aufweist. Versuche haben
gezeigt, dass eine Aufwertung des Fußdüngers zu
einem organischen Dünger ohne Zugabe von Dünger
"von außen" unter Verwendung eines sog. Nassfermenters zur
Biogasgenerierung möglich ist, bei der ein überschüssiger
Energiebetrag in der Abwärme des mit dem Biogas betriebenen
Bioheizkraftwerks zum Betrieb der Trocknung und Eindampfung gegeben
ist, derart, dass aus dieser überschüssigen Energie
ein Massentransfer von Kopfdünger zum Fußdünger
im Größenbereich von 20% des insgesamt produzierten Kopfdüngers
realisierbar ist.
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Die
Bestandteile des Gärreste-Rohstoffes unterliegen einer
Mengenschwankung, womit auch die verfahrenstechnischen Eigenschaften
des Gärreste-Rohstoffes variieren können. Dies
beeinflusst die Abtrennbarkeit der Feststoffe, was wiederum die Leistung
der Trocknung und der Eindampfung und schließlich die Menge
des daraus produzierten Konzentrats beeinflusst. Während
bei einer maximalen Eindampfung des Gärrestes die Konzentratmenge an
produziertem Fußdünger am niedrigsten ist, steigt analog
die abzufahrende Konzentratmenge bei Erhöhung des Trockensubstanz-Anteils
nach der Eindickung.
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Um
die Produktion an organischem Dünger kontinuierlich aufrecht
erhalten zu können, wird dem Gärreste-Rohstoff
nach dessen Eindickung gemäß einer vorteilhaften
Ausführungsform eine Säure, beispielsweise H2SO4 zugeführt,
um den an sich flüchtigen Anteil von Stickstoffverbindungen,
wie beispielsweise Ammoniak in dem Gärrest binden zu können. Aufgrund
dieser Bindung erhöht sich der Stickstoffanteil in den
behandelten Teilströmen i. d. R. in beiden Teilströmen,
d. h. in der Produktion des trockenen Fußdüngers
und in der Produktion des nassen Kopfdüngers. Darüber
hinaus hat die Bindung dieser Stickstoffverbindungen in dem Gärrest
den Vorteil, dass keine Gerüche aus dem Gärrest
entweichen, wie das beispielsweise beim Ausgasen von Ammoniak aus
dem Gärrest der Fall wäre.
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In
vorteilhafter Weise erfolgt entsprechend der Erfindung diese Zugabe
an Schwefelsäure nachfolgend der Eindickung des Gärreste-Rohstoffes
in den daraus resultierenden Gärreste-Kuchen hinein, da
dadurch eine Schaumbildung unterbunden wird. Auch ist eine Flotation,
d. h. Aufschwemmung vermieden, da die Feststoffe im Presskuchen
vorliegen. Sollte die Zugabe der Säure in den Flüssiganteil
des Gärrestes zu einer Schaumbildung führen, können Schaumhemmer
eingesetzt bzw. mechanischen Mitteln zur Schaumhemmung vorgesehen
sein. Intensive Versuche haben ferner gezeigt, dass die Verweilzeit
und die Temperatur des Gärrestes eine wichtige Rolle bei
der Schaumhemmung spielen. Aus diesem Grund sind Verweilzeitbehälter
zwischengeschaltet und/oder kann eine Vorerhitzung des Gärrestes
vorgenommen werden. Schließlich ist eine Wärmeisolierung
für das Konzentrat vorgesehen, um die Temperatur mit geringem
Energieaufwand halten und somit möglichst hohe Trockensubstanzen
fahren zu können.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst die
mechanische Aufbereitung neben der oben erwähnten Eindickung
mittels Presse oder Dekanter ferner eine Siebung/Feinsiebung mittels
beispielsweise einem Schwingsieb des aus der Eindickung kommenden
Flüssiganteils, um Feinfasern herauszufiltern, die sich
bei der Eindampfung des Kopfdüngers in den Eindampfern
bzw. bei der Ultrafiltration/Umkehrosmose festsetzen könnten.
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Als
vorteilhaft wird es angesehen, das anfallende Gärrest-Zwischenprodukt
aus der anaeroben Methanisierung in einem Gärreste-Speicher
zur Pufferung der Kapazitätsauslastung der Gärreste-Verarbeitung
zwischenzulagern.
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Hinsichtlich
einer Ruhelagerung ist es überdies von Vorteil, das Substrat
vor der Versäuerung im Falle von Maissilage oder anderen
Silagen bzw. fasrigen Stoffen für mindestens 0,5 h ruhen
und damit reifen zu lassen, um Lufteinschlüsse im Substrat
loszuwerden. Dies hat neben dem Vorteil einer Unterbindung von Schwimmschichten
im Anaerobreaktor auch für die Verarbeitung des Gärrestes
den Vorteil, dass der Amonifizierungsprozess (NH4-Bildung
aus NH3) und die Versäuerung problemlos
ablaufen. Mit anderen Worten kann die pH-Wert-Verschiebung bei der
Zugabe der Säure in den Gärrest zuverlässiger und
berechenbarer durchgeführt werden.
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Bei
der Zumischung des anteilig geregelten Massenstroms von Kopfdünger
in den Fußdünger wird es entsprechend durchgeführter
Versuche als sehr vorteilhaft erachtet, eine Bandtrocknungsanlage zu
verwenden, bei der der Kopfdünger in den bereits teilweise
getrockneten Fußdünger "aufgeregnet" wird. Am
Ende der Bandtrocknungsanlage läuft dann die fertige Mischung
aus Kopf- und Fußdünger aus. Dieses aus der Trocknungsanlage
stammende Endprodukt hat einen Trockensubstanzgehalt von ca. 80%.
Aufgrund der Zugabe des mit Stickstoff, Kalium oder Phosphat "reicheren"
Kopfdüngers weist das der Trocknungsanlage zu entnehmende
Endprodukt einen Mindestgehalt von 3% zumindest eines dieser Stoffe
auf, d. h. es handelt sich um einen Dünger, der obendrein
auch noch rein organisch ist. Die Anreicherung des trockenen Fußdüngers
zu einem vollwertigen organischen Dünger hat gegenüber
einem direkten Austrag der Gülle aufs Feld den Vorteil
einer erheblich geringeren Geruchsbelästigung. Ferner reduzieren
sich jegliche Transportkosten aufgrund des geringeren Gewichts eines
trockenen Düngers gegenüber dem Gärrest-Substrat
als Dünger.
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Als
Fermenter für die Biogasgenerierung kann ein Nassfermenter
eingesetzt werden, wobei dieser zur Sicherstellung eines funktionsfähigen
Betriebes einen Mindestgehalt an Wasser benötigt, oder anders
ausgedrückt ein Maximalwert an Trockensubstanz nicht überschritten
werden darf, wobei je nach Rohware ca. 10–13% Trockenmasse üblich
sind. Um zu gewährleisten, dass dieser Wasserbedarf nicht unterschritten
wird, kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung das aus der Eindampfung des Kopfdüngers bzw.
aus der Trocknung des Fußdüngers gewonnene Kondensat
rückgeführt werden. Diese Rückführung
kann direkt in die Anmaischung zudosiert oder alternativ in die
Zulaufleitung des Fermenters zudosiert werden. Wenn es Kondensate
sind, die Schaum oder sehr viel verdampfbare Stoffe enthalten, kann
eine Umkehrosmose eingesetzt werden, um die Anmaischung aber vor
allem die Versäuerung und die Fermentation nicht unnötig
z. B. mit Feststoffen und/oder Salzen zu belasten.
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Ungeachtet
des Energieaufwandes zur dosierten Rückführung
des Kondensates in den Fermenter ist zu betonen, dass die Rückführung
des Kondensats in die Anmaischung im Vergleich zum Zuführen
von systemfremden Frischwasser wesentlich energiesparender ist,
da das Kondensat bereits eine erhöhte Temperatur hat (ca.
55°C) hat, mit der die Temperatur der Rohware angehoben
wird. Auch ist die so gestaltete Verwendung des Kondensats wegen
seiner möglichen Verschmutzung bei jeglicher Form der "Ableitung"
eine elegante und wirtschaftliche Lösung.
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Gegenüber
einem Nassfermenter kann auch ein Trockenfermenter verwendet werden.
In dem Trockenfermenter ist eine Methanisierung und Biogasgewinnung
mit einem erhöhten Anteil an zugeführter Trockensubstanz
möglich, da auf die Zulieferung von Wasser aus beispielsweise
dem Kondensat, das bei der Eindampfung bzw. der Trocknung gewonnen wird,
weitgehend verzichtet werden kann. Aufgrund der geringeren erforderlichen
Energie bei der Verwendung eines Trockenfermenters für
die Eindampfung und Trocknung des Gärrestes, steigt der
Anteil an überführtem Kopfdünger in den
Fußdünger demgemäß auf 50% und
mehr. Mit anderen Worten können die nach der mechanischen
Aufbereitung entstehenden Zweigströme aus Fußdünger
einerseits und Kopfdünger andererseits wieder weitgehend
zusammengeführt werden.
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Neben
der Verwendung des aus der Trocknung stammenden Fußdüngers
als landwirtschaftlich hochwertiger Dünger kann auch eine
Verwertung des Fußdüngers in Form einer Vergasung
zur Produktion eines energetisch wertvollen Gases vorgesehen werden.
Die Vergasung wird im Rahmen mit der Beschreibung eines "Zweitkreislaufs"
der Erfindung nachfolgend erläutert.
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Dem
obigen Basiskreislauf zur Aufwertung von minderwertigerer Biomasse
zu organischem Dünger ist gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ein zusätzlicher
Zweitkreislauf nachgeschaltet, der im Folgenden beschrieben wird – das
oben Gesagte in Bezug auf den Basiskreislauf gilt für den
Zweitkreislauf jedoch analog:
Dem erfindungsgemäßen
Zweitkreislauf nach wird der trockene Fußdüngeranteil
in einer nachgeschalteten Pelletierung mittels Pelletierpresse zu
Pellets verpresst. Alternativ kann ein Extruder eingesetzt sein.
Dieser Zweitkreislauf ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der
produzierte organische Dünger einen als Dünger
nicht verwertbaren Überschuss aufweist. Erfindungsgemäß wird
demnach der gewonnene organische Dünger erneut als verwertbarer Rohstoff
aufgewertet, indem anstelle des ursprünglichen Energieträgers
Dünger ein neuer Energieträger in Form von weiterverarbeitbaren
Pellets gewonnen wird. Die hier für die Pelletierung erforderliche
Energie kann aus der aus dem Bioheizkraftwerk gewonnenen Energie
entnommen werden. Um der Energieforderung nun wiederum Rechnung
zu tragen, dass die Aufwertung des ursprünglichen Gärrestes mit
aus der Verwertung des Biogases erzeugten Energie zu erfolgen hat,
ist es zweckdienlich, bei der nachgeschalteten Pelletierung einen
Trockenfermenter zur Biogasgenerierung vorzusehen:
Aus der
Pelletierung selbst oder dem Trockengut des Trockners folgt also
die Produktion eines neuen Energieträgers, der nachfolgend
gemäß dem sog. Zweitkreislauf der Erfindung verbrannt
und/oder vergast werden kann. Diese Weiterverarbeitung des Trockengutes
findet vorteilhafterweise unmittelbar nachfolgend dem Trocknungs-
bzw. Pelletierungsprozess, d. h. in unmittelbarer Nähe
der Biogasanlage statt, um die daraus gewonnene Energie in das Stromnetz
des Bioheizkraftwerkes mit einspeisen zu können oder das
bei der Vergasung gewonnene Gas dem Biogas zumischen zu können.
Alternativ ist es jedoch ebenso denkbar, die nachgeschaltete Verbrennung
bzw. Vergasung dezentral vorzusehen, um z. B. die gewonnenen Pellets
dem Handel mit Holzpellets zuzuführen, bzw. in solche einzumischen.
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Zum
Zweck der Energiegewinnung kann der Pellet-Verbrennung eine Dampfturbine
zwischengeschaltet sein, die ihrerseits einen Generator betreibt, der
dann die gewonnene elektrische Energie in das Stromnetz des BHKW's
abgibt. Analog hierzu ist bei der Vergasung der Pellets bzw. des
Trockengutes des Trockners eine Gasturbine oder eine Kolbenmaschine
zwischengeschaltet, die gleichermaßen über einen
Generatorbetrieb elektrische Energie in das Stromnetz des Basis-BHKW's
abgibt. Die bei der Verbrennung bzw. Vergasung anfallenden Reststoffe,
d. h. einerseits Asche (Verbrennung) und Kohle (Vergasung) können
wiederum als Dünger zum Einsatz kommen. Im günstigsten
Fall ist für die Vergasung ein Multivergaser vorgesehen,
der mit unterschiedlichen Materialien zur Vergasung gespeist werden
kann. So kann die Anlage auch an schwankende Rohstoffernten angepasst
werden, indem zum Beispiel wegen Trockenheit eine niedrig anfallende
Maisernte durch Zugabe von Holz zumindest teilweise kompensiert wird
und damit eine Energieversorgung gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß ist
nun eine weitere vorteilhafte Ausführungsform vorgesehen,
die unter dem Begriff "Totalkreislauf" im Folgenden beschrieben wird – das
oben in Bezug auf den Basiskreislauf Gesagte gilt für den
Totalkreislauf jedoch analog:
Gemäß dieser
Ausführungsform liegt der Schwerpunkt bei der Verwertung
des aus dem organischen Dünger gewonnenen Trockenguts in
einer Vergasung. Das hieraus gewonnene Gas wird nun erfindungsgemäß dem
Biogas zugemischt, sodass aus dieser Mischung im Bioheizkraftwerk
elektrische Energie gewonnen wird. Aufgrund dieser Maßnahme kann
die Energiebilanz in Richtung einer höheren Energieausbeute
verschoben werden, u. a. auch da der Wirkungsgrad "ε" bei
einer Energiegewinnung aus dem Biogas/Gasgemisch im BHKW höher
liegt, als jeweils der Wirkungsgrad bei Einzelverwertung, weil sich
die Gase günstig ergänzen, worauf Messungen hinweisen.
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Für
den "Totalkreislauf" gilt dabei äquivalent zum "Zweitkreislauf
eine Verwendung eines gemeinsamen Trockners für den Kuchen
des Gärrestes wie für das Konzentrat aus der Eindampfung
als vorteilhaft. So lässt sich der Massenstrom an überführtem Kopfdünger
in den Fußdünger gleichermaßen – wie oben
zum Ausführungsbeispiel des "Zweitkreislaufs" beschrieben – erhöhen,
und zwar bis zu 100%. So wird vor allem auch zusätzlich
elektrische Energie gewonnen, sodass vom gleichen Land bzw. seiner Nawarrowerte
ca. 35% mehr elektrische Energie gewonnen werden kann, was angesichts
der zu erwartenden Rohwarenverknappung entscheidend ist.
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Das
bei der Vergasung produzierte Gas weist noch Bestandteile auf, die
für eine weitere Verwertung des Gases schädlich
sind, wie zum Beispiel vornehmlich Stickstoffverbindungen, die beim
Verwertungsprozess des Gases zu NOx und
Verbindungen daraus führen. Zum Eliminieren dieser Schadstoffanteile
wird das Gas gereinigt, und zwar indem es vorteilhaft zumindest
teilweise durch den beim Eindicken anfallenden Flüssiganteil
des Gärrestes geleitet wird. Ein anderer Teilstrom des
Gases kann zu dessen Reinigung auch durch das Konzentrat oder Kondensat
geleitet werden. Versuche haben hier gezeigt, dass die für
die Verwertung des Gases schädlichen Bestandteile abgeschieden
werden. Das gereinigte Gas kann dann entweder mittels Gasturbine
oder Kolbenmotor einer Stromerzeugung zugeführt werden
oder es wird vorteilhaft dem bei der Fermentierung gewonnenen Gas
zugemischt.
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Da
die Stickstoffanteile des bei der Vergasung des Fußdüngers
oder der Pellets gewonnenen Gases durch den Abscheidungsvorgang
wieder zurückgeführt werden in den Flüssiganteil
des Gärrestes bzw. in das Konzentrat aus der Eindampfung,
ist letzteres mit ebengenau diesen abgeschiedenen Bestandteilen
wieder angereichert, womit es zur Aufwertung minderwertigen Düngers
zu organischem Dünger zweckdienlich herangezogen werden
kann. Wird das Gas durch das Kondensat geleitet, kann dieses ebenso
direkt dem Düngerstrom zugemischt werden.
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In
einer Variante des Verfahrens kann das bei der Vergasung entstandene
Gas auch durch Einleiten durch das bei der Eindampfung entstehende Kondensat – zumindest
zeitweise – gereinigt werden. Diese Maßnahme ist
dann sinnvoll, wenn der Massenstrom von Kopfdünger zu Fußdünger
annähernd 100% beträgt und gleichzeitig der gewonnene
Fußdünger zumindest für eine bestimmte
Zeitdauer ausschließlich einer Vergasung zuzuführen
ist. Durch die Waschung des Gases im Kondensat sind die für
die weitere Verwertung des Gases schädlichen Bestandteile
endgültig herausgefiltert und werden nicht "im Kreis gefahren",
wie beim Konzentrat, das wieder im überführten
Mengenstrom zum Fußdünger getrocknet und dann
einer Vergasung unterzogen wird.
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Mit
anderen Worten ist mit der Erfindung im Rahmen der Verwertung des
Fußdüngers mittels Vergasung eine zweistufige
Gaserzeugung aus Biogas-Fermentation und optimierter Vergasung des Gärrestes
geschaffen, welche Gaserzeugung aus zwei voneinander unabhängigen
Gasströmen besteht. Damit schafft die Erfindung eine Maximierung an
Energieausbeute bei gleichzeitiger Aufkonzentration der zur Verwertung
beziehbaren Wertstoffe aus dem ursprünglichen Ausgangs-Substrat.
Diese Kombination erhöht die Flexibilität des
Verfahrens je nach Bedarf nach mehr Energie oder mehr Dünger.
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Zu
guter Letzt wird angemerkt, dass der aus der Vergasung kommende
Reststoff ebenso mit Kopfdünger oder dem zur Reinigung
eingesetzten Kondensatteilstrom angereichert werden kann, womit
das entstehende Produkt wiederum die Anforderungen an einen organischen
Dünger erfüllt, sodass der Reststoff aus der Vergasung
gleichsam landwirtschaftlich ausgetragen werden kann.
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Im
Folgenden wird nun ein jeweiliges Ausführungsbeispiel unter
Bezugnahme auf die Zeichnung für das Grundverfahren der
Erfindung sowie den Basiskreislauf, den Zweitkreislauf und den Totalkreislauf
beschrieben.
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In
den Zeichnungen zeigen
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1 das
erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem
Basiskreislauf;
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2 das
erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem
sog. Zweitkreislauf;
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3 das
erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem
sog. Totalkreislauf;
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Die
in den Figuren dargestellten Ströme bedeuten:
- ––––––––––– Stoffstrom
- --------- Gas
- ........... Wärmeenergie
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Gemäß dem
schematischen Fließbild von
1 wird Maissilage,
Getreide und/oder Gülle oder Ähnliches an einer
Annahme (I) mit Hygienisierung der Gülle angeliefert. Nachfolgend
wird dieser biologische Ausgangsstoff in einer Aufbereitung mit
Dosierung, Rückführung (II) und i. d. R. auch
Vorversäuerung weiterverarbeitet. Die Vorversäuerung
dient hierbei dazu, komplexe Kohlenstoffverbindungen aufzuschließen,
da die Fermentationsbakterien der nachfolgenden Fermentierung (III)
nur einfache Kohlenstoffverbindungen bevorzugt abbauen. Üblicherweise
muss in der Vorversäuerung ein pH-Wert von 6,0 oder darunter
erreicht werden. Die Aufenthaltsdauer des belasteten Eingangs-Substrats
in der Vorversäuerung hängt von der Aufschlussdauer
der einzelnen Bestandteile ab. So erfordern beispielsweise Pressreste
wie feste Schalenstücke eine höhere Aufenthaltsdauer
im Vergleich zu organisch belastetem Fluid. Bei unterschiedlichen
Aufenthaltsdauern ist daher ein Rückhaltesystem für
schwieriger aufzuschließende Bestandteile gemäß der
Patentanmeldung
EP 1 419 995 des
Anmelders zweckdienlich. Würde man auch die noch ungenügend
vorversäuerten festen Stoffe zuführen, würden
diese durch Nachversäuerung im Hauptfermenter den Methanbildungsprozess
stören.
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Ferner
ist es vorteilhaft, das Ausgangssubstrat insbesondere Mais- oder
andere Silagen in der Anmaischung ggf. leicht gerührt ruhen
zu lassen, so dass Luft austreten kann. Dies hat den Vorteil, dass die
Bildung von Schwimmschichten in der nachfolgenden Fermentierung
(III) verhindert wird und eine bei der Verarbeitung des Gärrestes
anfallende NH4-Bildung optimiert ablaufen
kann (wurde an voriger Stelle erläutert). Die Annahme (I)
und/oder die Aufbereitung (II) können auch einen Sandfang
umfassen.
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Ist
das resultierende Rohgemisch oder Rohsubstrat ausreichend vorversäuert,
wird es in die Fermentierung (III) überführt,
ohne dass dabei die Gefahr besteht, dass in dem Anaerobfermenter
noch eine weitere Versäuerung erfolgt. Dies wäre
für den Fermentationsprozess aufgrund einer Schädigung der
Methanbakterien wegen des zu niedrigen pH-Wertes nachteilig. In
dem Verfahrensschritt der Fermentation werden in dem Anaerob-Reaktor
mit Hilfe acetogener Bakterien und Methanbakterien die Zwischenprodukte
aus der Hydrolyse wie z. B. Essigsäure, im Wesentlichen
zu Methan und Kohlendioxid abgebaut. Diese Gasmischung wird in einer
Verstromung (IV) eines Bio-Heizkraftwerkes (BHKW) zu Energiegewinnung
elektrischer Energie verwertet.
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Aus
der Fermentierung (III) entsteht ferner ein Gärrest, der
in einen Gärrestespeicher (V) geleitet wird. Dieser Gärrestespeicher
schafft ein Puffervolumen für die nachfolgende mechanische
Eindickung (VI), so dass ein kontinuierlicher Zulauf für
die in der mechanischen Eindickung umfassten Pressen erfolgen kann.
Alternativ kann eine Eindickung ebenso auch mittels Dekanter erfolgen,
bei dem eine Trennung von Fest- zu Flüssiganteilen im Schwerefeld
erfolgt. Der Trockensubstanzanteil (TS) des Gärrestes im
Gärrestespeicher beträgt ca. 5 bis 7%. Die Temperatur
in dem Gärrestespeicher beträgt ca. 34°C.
Wie erwähnt, wird der Gärrest aus dem Speicher
mechanischen Pressen zur Eindickung desselben zugeführt.
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Aus
der mechanischen Eindickung (VI) folgen zwei Teilströme,
nämlich zum Einen der eingedickte Kuchen mit einem erhöhten
Trockensubstanzgehalt von ca. 25%, welcher Teilstrom als Fußdünger bezeichnet
wird, und zum Anderen der aus der Verpressung gewonnene Flüssiganteil
mit einem geringeren Trockensubstanzanteil von ca. 3%, der im Folgenden
als Kopfdünger bezeichnet wird. Eine Schaumhemmung in diesen
Strömen kann wie zuvor beschrieben erfolgen. Der Kopfdünger
wird nachfolgend in Schwingsieben gefiltert, um Feinstfasern, die sich
bei der darauf folgenden Eindampfung bzw. Umkehrosmose mit Ultrafiltration
festsetzen könnten, zu filtern. Bei der Siebung des Kopfdüngers
fällt dann ein Feststoffanteil als Konzentrat mit einem
Trockensubstanzanteil von ca. 10% an.
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Beiden
Teilströmen, d. h. dem eingedickten Kuchen und dem flüssigen
Kopfdünger werden insbesondere wegen der nachfolgenden
Eindampfung des Kopfdüngers bzw. einer optionalen Trocknung des
Presskuchens eine Säure – z. B. Schwefelsäure – zugegeben,
um Stickstoffanteile, die sich in dem Gärrest in Form von
Ammoniak (NH4) befinden, binden zu können;
es erfolgt eine pH-Wertverschiebung in saures Milieu, angepasst
an die Temperaturverhältnisse, i. d. R. ≤ pH 6.
Die pH-Schiebung erzeugt eine Schaumbildung im Flüssigteil,
wobei eine Schaumhemmung in diesen Strömen wie zuvor beschrieben
erfolgen kann. Im Kuchen bildet sich erfindungsgemäß kein
Schaum.
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Nachfolgend
wird der aus der Eindickung kommende Flüssiganteil einer
Vakuum-Eindampfung unterzogen. Hierbei entstehen ein wässriges
Kondensat und ein Konzentrat mit ca. 15 bis 18% Trockensubstanz.
Beim Eindampfen wird der Kopfdünger-Strom zunächst
von einer ursprünglichen Temperatur von 29°C auf
ca. 63°C vorgewärmt. Die nachfolgende Eindampfung
erfolgt in mehreren Stufen vorteilhaft unter Nutzung der Abwärme
des BHKW's.
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Mit
Blick auf den Teilstrom des eingedickten Kuchens wird dieser einer
Trocknung (VII) unterzogen. Die Trocknung erfolgt beispielsweise
in einem Bandtrockner, bei dem der eingedickte Presskuchen auf horizontal übereinander
liegenden Bändern befördert wird, so dass der
Kuchen vom obersten Band beginnend nach Durchlauf desselben auf
das darunter liegende Band fällt und in diesem "Zick-Zack-Verfahren"
nach unten auf das letzte Band befördert wird. Vorteilhafterweise
umfasst ein derartiger Bandtrockner ca. fünf bis sieben, übereinander
liegende Bänder. Zur Trocknung des Fußdüngers
in diesem Bandtrockner ist ein Wärmetauscher vorgesehen,
mit dem die aus dem Bioheizkraftwerk resultierende Abwärme
hierfür übertragen wird. Die Abwärmetemperatur
des Energieträgers des BHKW's beträgt ca. 145°C
beim Eintritt in den Bandtrockner, die auf eine Temperatur von ca.
120°C am Ausgang absinkt. Die Trocknung des Presskuchens
erfolgt damit ausschließlich aus der vom BHKW zur Verfügung
stehenden Abwärme-Energie. Das aus dem Luftkühler der
Trocknung anfallende Kondensat wird in einem Puffer gespeichert
und nachfolgend beispielsweise zur Anmaischung in den Fermenter
zurückgeführt. Der aus der Trocknung kommende
getrocknete Kuchen wird ungeachtet seiner Bestandteile und Zusammensetzung
sowie auch irrespektive seiner Zweckbestimmung als Fußdünger
bezeichnet.
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Während
der Kopfdünger einen Stickstoffgehalt von ca. 6% aufweist,
liegt der Stickstoffgehalt des trockenen Fußdüngers
i. d. R. unter 3%. Um nun den Fußdünger zu einem
vollwertigen Dünger, d. h. reinen organischen Dünger
aufzuwerten, wird ein Teil des Kopfdünger-Konzentrates
in einem geregelten Massenstrom dem Fußdünger
in die Bandtrocknungsanlage zugeführt. Dieser geregelte
Massenstrom ist u. a. von der vom BHKW zur Verfügung stehenden
Energie abhängig, wenn das Verfahren energetisch autark
ablaufen soll. Denn die zur Verfügung stehende Abwärme
wird zur Trocknung verwendet, womit demnach der Abwärmebetrag
die trockenbare Masse mitbestimmt und demnach auch den Nassanteil,
der dem Fußdünger noch zugefügt werden
kann. Insofern kann in diesem Fall der Massenstrom ca. 20% des insgesamt
produzierten Kopfdüngers betragen, so dass im Ergebnis
durch Zusammenführen der beiden Teilströme, d.
h. Kopfdünger einerseits und Fußdünger
andererseits ein hochwertiger organischer Dünger in Festform
produziert wird, dessen Anteil an Stickstoff oberhalb einer 3%-Grenze
liegt. Die Überführung von Kopfdünger
in den Fußdünger kann neben dem aufgezeigten Beispiel
zur Stickstoffanreicherung des Fußdüngers ebenso
den Kalium oder Phospatanteil betreffen.
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2 zeigt
nun schematisch den sog. Zweitkreislauf im Aufbau zu dem oben erläuterten
Basiskreislauf. Gemäß dem Zweitkreislauf wird
das aus der Trocknung (VII) stammende Substrat weiterverarbeitet,
d. h. einer Pelletierung (IX) unterzogen und/oder einer nachfolgenden
Vergasung (XI) bzw. Verbrennung (X) zugeführt. Als Vorrichtung
zum Verdichten des Trockengutes kann eine Pelletiervorrichtung oder
ein Extruder eingesetzt werden.
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Dieses
aus der Trocknung stammende Substrat hat einen Trockensubstanzanteil
von durchschnittlich ca. 80%. Die aus der Pelletierung (IX) stammenden
verpressten Pellets mit ca. 85% Trockensubstanz werden einer Verbrennung
und/oder einer Vergasung zugeführt, um mittels einer Brennstoffzelle,
eines Verbrennungskessels, eines Kolbenmotors oder einer Gasturbine
elektrische Energie zu gewinnen, die in die Verstromung (IV) des
BHKW's eingespeist wird. Die mengenmäßige Aufwertung des
aus der Trocknung stammenden Trockensubstrats mit Hilfe eines Teils
aus der Eindampfung stammenden Kopfdüngers oder Kondensat-Teilstroms führt
damit zu einer weiteren energetisch optimierten Prozessführung
bei der Verwertung von aus der Fermentierung stammenden Reststoffen.
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3 veranschaulicht
schematisch das Prinzip des sog. "Totalkreislaufs", der eine Weiterführung
des Zweitkreislaufs gemäß 2 oder eine Weiterführung
des Basiskreislaufs gemäß 1 bedeutet.
Gemäß dem Totalkreislauf wird das aus der Vergasung
(XI) der Trockensubstanz stammende Gas mit dem aus der Fermentierung
stammenden Gas vermischt und gemeinsam der Verstromung (IV) des
Bioheizkraftwerkes zugeführt.
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In
vorteilhafter Weise wird das aus der Vergasung der Trockensubstanz
stammende Gas zur Reinigung durch den Gärrest im Gärrestespeicher (V)
geführt. Alternativ kann das Gas zu dessen Reinigung auch
durch das Konzentrat des Kopfdünger aus der Eindampfung
oder durch das Kondensat bzw. einen Teilstrom hieraus geführt
werden. Mit anderen Worten wird das aus der Vergasung gewonnene
Gas energetisch und ökologisch veredelt, wenn es durch beispielsweise
den Flüssiganteil des bei der Eindickung des Gärrestes
entstandenen Nassstrom geführt. Gleichermaßen
wird dieser Flüssiganteil mit Nährstoffen angereichert,
die zwar für die Verwertung des Gases unvorteilhaft sind,
doch stellt die Reinigung des Gases auch für den Flüssiganteil
eine echte qualitative Aufwertung dar, da dieser mit Stoffen angereichert
wird, sodass er als organischer Dünger landwirtschaftlich
genutzt werden kann. Eine Durchleitung des Gases durch das Kondensat
sollte allerdings nur dann anvisiert werden, wenn das Kondensat
beispielsweise als Wasser zum Anmaischen der Silage beim Eingang
in den Fermenter nicht mehr benötigt wird. Die positiv
beladenen Ströme können auch dem organischen Restdünger
(nicht dargestellt) zugegeben werden. Sollte das Kondensat noch Nährstoffe
oder andere Stoffe (z. B: Salze) enthalten, wird eine Umkehrosmose
eingesetzt, um die Anmaischung und die Folgestufen nicht zu belasten.
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Mittels
der Überführung des aus der Vergasung der Trockensubstanz
stammenden Gases sind die "Produktionskosten" der Anlage (IV) optimiert, und
der Energieertrag ist aufgrund des höheren Wirkungsgrades
bei der Mischgasverwertung erhöht. Während der
Wirkungsgrad einer Gasturbine bei der Vergasung der aus der Trocknung
(VII) stammenden Trockensubstanz ca. 20% beträgt, kann
der Wirkungsgrad ε bei der Verwertung des Gasgemisches aus
der Fermentierung und der Vergasung bis zum 44% betragen. Insgesamt
liegt nun aber auch eine totale Verwertung der mit dem Gärrest
anfallenden Trockensubstanzen vor, da mit der vollständigen
Verstromung in (IV) soviel Verlustwärme anfällt,
dass sämtlicher nach der Eindampfung (VIII) anfallender Dünger
bzw. Wertstoff zur Trocknung (VII) geführt werden kann.
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Mit
den obigen Kreislaufmodellen, dem Basiskreislauf, dem Zweitkreislauf
und dem Totalkreislauf mit optimierter Vergasung ist eine Flexibilität
des Gesamtsystems geschaffen, die eine Wahl des gewünschten
Endproduktes bzw. der gewünschten Endenergie, d. h. rein
organischer Dünger, Energie in Form von Gärrest
oder Pellets oder elektrische Energie zulässt. Diese Flexibilität
erlaubt auch eine optimale Anpassung der gesamten verfahrenstechnischen
Anlage auf die zur Verfügung stehenden Ausgangsstoffe.
Sollte gegebenenfalls eine zur Speisung der Anlage vorgesehene Maisernte
nicht ausreichend ausfallen, so kann die Anlage aufgrund der mehrspurigen
Verfahrensmöglichkeiten mit anderen Stoffen, z. B. mit
Grünschnitt oder Holz zur Vergasung in dem Multivergaser
gefahren werden. Mit der Anpassung an Schwankungen der Rohware und
des Energiebedarfs liegt gleichsam auch eine Anpassung der Anlage
an unterschiedliche Standortbedürfnisse vor. Mit anderen
Worten ist durch die geschaffene Flexibilität des Verfahrens
eine oben beschriebene Anlage an jedem beliebigen geographischen
Standort zweckdienlich einsetzbar.
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In
allen beschriebenen Fällen sind den Trockner(VII)- und
Eindampfer(VIII)-Systemen eine Kühleinheit und eine Heizeinheit
zugeordnete – nicht dargestellt –, um rein z.
B. als Regeleinheit die schwankenden Energieanforderungen beim Anfahren
auszugleichen, sowie um Leistungsveränderungen u. a. mit
dem momentan anfallenden Engerieangebot aus dem BHKW in Einklang
zu bringen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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