DE102007024947A1

DE102007024947A1 - Biogasfermenter mit separatem Rührwerk

Info

Publication number: DE102007024947A1
Application number: DE102007024947A
Authority: DE
Inventors: Armin Dr. Stirl
Original assignee: STIRL ANLAGENTECHNIK GmbH
Current assignee: STIRL ANLAGENBAU GMBH, DE
Priority date: 2007-05-30
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2008-12-04
Also published as: DE202007018465U1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuartigen Biogasfermenter mit verbessertem, insbesondere axialem, Rührwerk zur Umwälzung der Biomasse im Faulraum zur Nutzung in Biogas-Produktionsprozessen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuartigen Biogasfermenter mit verbessertem Rührwerk zur Umwälzung der Biomasse im Faulraum zur Nutzung in Biogas-Produktionsprozessen.
In den letzten Jahrzehnten ist weltweit der Bedarf an Formen der Energiegewinnung gestiegen, die eine Alternative zu Kernkraft und der Verwendung fossiler Brennstoffe bilden. Eine dieser Alternativen ist die Gewinnung von Biogas aus Wasser- und lignocellulosehaltiger Biomasse (feuchter Biomasse). Als Rohstoff können beispielsweise Energiegräser, Silagen aus Mais, Gras- oder Getreidepflanzen, aber auch Stroh oder Dung dienen. Dieses Biogas wird dann in Strom umgewandelt oder zur Wärmegewinnung eingesetzt. Gerade diese Nutzung nachwachsender Rohstoffe bzw. von Nebenprodukten aus der Landwirtschaft bietet damit interessante wirtschaftliche Möglichkeiten für den ländlichen Raum. Darüber hinaus hat die Erzeugung erneuerbarer Energien (Biogas) klimarelevante Bedeutung.
Es sind im Laufe der letzten Jahre verschiedene Vorschläge zur Verbesserung der Biogasproduktion vorgeschlagen worden. Bezüglich der Biogasfermentoren, in den der gegebenenfalls letzte Schritt der Biogasproduktion, die Vergärung der Biomasse, statttfindet, hat sich ein weitverbreiteter Standard entwickelt. In diesen üblicherweise senrechtstehenden und runden Biogasfermentern wird die für den Vergärungsprozess vorteilhafte Umwälzung der Biomasse im Faulraum genannten Abschnitt des Biogasfermenters mit Hilfe von üblichwerweise zwei gegenüberliegenden Rührwerken vorgenommen, die im allgemeinen auch tangential zueinander und zum Querschnitt des Faulraums ausgerichtet sind. Diese Anordnung der Rührwerke innerhalb des Faulraums hat jedoch entscheidende Nachteile. So ist es zum einen notwendig, bei einem Defekt oder einer Störung des Rührwerks den kompletten Faulraum zu entleeren, bzw. diesen zu öffnen. Angesichts der Tatsache, dass dies aufgrund der Natur, der teilweise erheblichen Inhomogenität und der Zähigkeit der im Faulraum befindlichen Biomasse zum einen nicht selten ist und zum anderen aufgrund der z. T. erheblichen Volumina der handelsüblichen Biogas fermentoren ein Entleeren ein bedeutender logisitischer Aufwand ist, bedeutet dies einen erheblichen Nachteil für die handelsüblichen Biogasfermenter. Darüberhinaus ragen die Rührwerke auch naturgemäß deutllich in den Faulraum hinein, so dass diese Rührwerkseinbauten ein klares Strömungshindernis bei der Umwälzung der Biomasse im Faulraum darstellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Biogasfermenter zur Verfügung zu stellen, der die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Biogasfermenter, welcher die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 abgeleitet.
Der erfindungsgemäße Biogasfermenter zeigt eine Reihe von Vorteilen gegenüber den bisher angebotenen Lösungen. So führt die Verlagerung der oder des Rührwerks in den Bereich außerhalb des Faulraums dazu, dass bei einem Defekt des Rüherwerks dieser einfach, insbesondere ohne Entllerung des Fermenters/Faulraums und sogar ohne Öffnung des Faulraum/Fermentersystems behoben werden kann.
Abbildungen:
1) zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung (Stehender Biogasfermenter), in der schematisch die räumliche Anordnung des Rührwerks im Verhältnis zum Biogasfermenter und dem Faulraum zu erkennen ist.
2) zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung (Liegender Biogasfermenter), in der schematisch die räumliche Anordnung des Rührwerks im Verhältnis zum Biogasfermenter und dem Faulraum zu erkennen ist, wobei der Biogasfermenter sowohl einen runden wie einen eckigen Querschnitt haben kann.
Die Nummerierung der Elemente in den Ansprüchen entspricht der Nummerierung 1) und 2).
3) zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als stehender Biogasfermenter, in der die einzelnen Bauelemente auf der Abbildung erläutert, mögliche bevorzugte Ausführungsformen der Bauelemente benannt und Beispiele für die Wahl der Dimensionsverhältnisse genannt sind. Insbesondere ist dies ein konkretes an 1 orientiertes Beispiel.
4) zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als liegender Biogasfermenter, in der die einzelnen Bauelemente auf der Abbildung erläutert, mögliche bevorzugte Ausführungsformen der Bauelemente benannt und Beispiele für die Wahl der Dimensionsverhältnisse genannt sind. Insbesondere ist dies ein konkretes an 2 orientiertes Beispiel, wobei der Biogasfermenter sowohl einen runden wie einen eckigen Querschnitt haben kann.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtuung anhand der 1 näher erläutert. Die 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Beschreibung zu 1) (offene Pfeile bedeuten Strömungsrichtungen)
Ein, mit Ausnahme der Rührwerksanordnung und gegebenenfalls der Substrat-Zuführung, handelsüblicher Biogasfermenter mit einer üblicherweise mehrschichtigen (isolierten) Wandung ist unterteilt in einen Faulraum (F) und einen Gasspeicherraum (G). Das Substrat – diverse Biomassen, wie mit Dung versetztes Stroh – befindet sich im Faulraum (F) und ist dort einem anaeroben Vergärungsprozess (enzymatisch oder mit Mikroorganismen oder beidem) unterworfen, in dessen Verlauf sich Biogas bildet, welches sich im Gasspeicherraum (G) sammelt und von dort über eine Entnahmevorrichtung (8) einer weiteren Verwendung, wie der Stromgewinnung und Ähnlichem zugeführt wird. Neue – gegebenenfalls vorbehandelte – Biomasse wird über eine Stoffzuführungsvorrichtung (7) entweder direkt oder über ein Umwälzungsrohr (2a) dem Faulraum (F) zugeführt. Um einen möglichst effektiven Vergärungsprozess zu gewährleisten und auch die Ansammlung von Biogas im Gasspeicherraum zu erleichtern, muss die im Faulraum befindliche Biomasse umgewälzt werden. Dazu wird Biomase aus dem Faulraum über die Ansaugöffnungen (4a) und (4b) in Umwälzungsrohre (2a) und (2b) eingesaugt und durch Rührwerke (1a) und (1b), hier vorzugsweise Axialrührwerke, insbesondere Slalomrührwerke, über eine Austrittsöffnung (5a) und (5b) und gebenenenfalls über – gegebenenfalls konische – Strömungsrohre (3a) und (3b) wieder zurück in den Faulraum (F) gepumpt. Dabei sind die Strömungsrohre (3a) und (3b) vorzugsweise koordiniert zueinander tangential angeordnet – mit einem Tangential-Winkel 0° bis 60° –, um auch eine horizontale Bewegung der Biomasse im Faulraum (F) zu erreichen. Die Umwälzungsrohre (2a) und (2b) haben dabei einen Durchmesser von 200 bis 1000 mm. Die Rührwerke (1a) und (1b) sind dabei mit ebenfalls ausserhalb des Faulraums (F) liegenden Motoren (6a) und (6b) – vorzugsweise Tauchmotoren – verbunden und werden von diesen angetrieben. Die bevorzugte Leistung des Rührwerks in der Bewegung der Biomasse liegt zwischen 100 und 50.000 m³/h. Zur Regelung der Zu- und Abflüsse in und aus den Umwälzungsrohren (2a) und (2b) und damit der Umwälzung der Biomasse im Faulraum dienen Regelschieber (10), die auch zum Einsatz kommen, wenn das Rührwerk gewartet, repariert oder ausgetauscht wird.
Der Abstand zwischen der Oberfläche der Biomasse im Faulraum und dem Boden des Faulraums (9) – der Flüssigkeitsspiegel – ist in der Zeichnung mit „c" gekennzeichnet. Der Abstand zwischen dem Flüssigkeitsspiegel und dem oberen Ende der Ansaugöffnung (4a) ist in der Zeichnung mit „a" gekennzeichnet. Der Abstand zwischen dem Flüssigkeitsspiegel und dem oberen Ende der Ansaugöffnung (4b) ist in der Zeichnung mit „b" gekennzeichnet. Der Durchmesser des Faulraums ist in der Zeichnung mit „d" gekennzeichnet. Der Abstand zwischen dem dem Boden des Faulraums (F) und dem unteren Ende der Austrittsöffnung (5a) oder (5b) ist in der Zeichnung mit „e" gekennzeichnet. Bevorzugt ist das Verhältnis c:d = 1:1 bis 2:1. Weiter bevorzugt beträgt „a" von 0 bis 500 mm. Weiter bevorzugt beträgt „b" von 0.3 x „c" bis 0.7 x „c". Die bevorzugte Temperatur im Faulraum (F) hängt von der Auswahl der verwendeten Mikroorganismen ab und beträgt 55°C bei thermophilen, bzw. 35–40°C bei mesophilen Mikroorganismen.
Die erfindungsgemäße Vorichtung – insbesondere in den bevorzugten Ausführungsformen – führt zu erheblichen Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik:

• Wie oben bereits ausgeführt, führt die Verlagerung der Rührwerke (1a) und (1b) in den Bereich außerhalb des Faulraums (F) dazu, dass bei einem Defekt des Rüherwerks dieser einfach, insbesondere ohne Entllerung des Fermenters/Faulraums und sogar ohne Öffnung des Faulraum/Fermentersystems behoben werden kann. Insbesondere müssen zur Zugänglichmachung bei einem De fekt, beispielsweise im Rührwerk (1a), nur die entsprechenden Regelschieber (10) geschlossen werden und dann das relevativ geringe Volumen an Biomasse im Umwälzungsrohr (2a) entsorgt werden.
• Bei dem hier bevorzugten Einsatz eines Axial, insbesondere Slalom-Rührwerkes als Rührwerk (1a) und/oder (1b), die sich in der erfindungsgemäßen Vorrichtung problemlos verwirklichen lassen, treten zwei weitere Vorteile hinzu: o zum einen führt der Einsatz eines Axial-, insbesondere Slalom-Rührwerks zu einem erheblich verringerten Energieaufwand, o zum anderen trägt das Axial, insbesondere Slalom-Rührwerk – wie in einem evt. geringeren Maße auch andere Rührwerke – erheblich zur Zerstörung und Zerkleinerung eventueller Schwimm-Massen, Schlammschichten oder -teile in der Biomasse bei.
• Bei einem ebenfalls bevorzugten Einsatz konischer Strömungsrohre (3a) und (3b) wird durch die konische Ausgestaltung der Strömungsrohre (3a) und (3b) eine erhebliche Beschleunigung der in (5a) und (5b) rückgeführten Biomasse in den Faulraum (F) erreicht, was letztlich zu einer Verbesserung der Umwälzung führt.

Beschreibung zu 2) (offene Pfeile bedeuten Strömungsrichtungen)
Nachfolgend wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtuung anhand der 2 näher erläutert. Die 2 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Ein, mit Ausnahme der Rührwerksanordnung und gegebenenfalls der Substrat-Zuführung, handelsüblicher liegend-angeordneter Biogasfermenter mit einer üblicherweise mehrschichtigen (isolierten) Wandung ist unterteilt in einen Faulraum (F) und einen Gasspeicherraum (G). Das Substrat – diverse Biomassen, wie mit Dung versetztes Stroh – befindet sich im Faulraum (F) und ist dort einem anaeroben Vergärungsprozess (enzymatisch oder mit Mikroorganismen oder beidem) unterworfen, in dessen Verlauf sich Biogas bildet, welches sich im Gasspeicherraum (G) sammelt und von dort über eine Entnahmevorrichtung (8) einer weiteren Verwendung, wie der Stromgewinnung und Ähnlichem zugeführt wird. Neue – gegebenenfalls vorbehandelte – Biomasse wird über eine Stoffzuführungsvorrichtung (7) entweder direkt oder über ein Umwälzungsrohr (2a) dem Faulraum (F) zugeführt. Um einen möglichst effektiven Vergärungsprozess zu gewährleisten und auch die Ansammlung von Biogas im Gasspeicherraum zu erleichtern, muss die im Faulraum befindliche Biomasse umgewälzt werden. Dazu wird Biomase aus dem Faulraum über Ansaugöffnungen (4a), (4b) und (4c) in Umwälzungsrohre (2a), (2b), 2c) und (2d) eingesaugt und durch Rührwerke (1a), (1b) und (1c), hier vorzugsweise Axialrührwerke, insbesondere Slalomrührwerke, über Austrittsöffnungen (5a), (5b), (5c) und (5d) und gebenenenfalls über – gegebenenfalls konische – Strömungsrohre (3a), (3b), (3c) und (3d) wieder zurück in den Faulraum (F) gepumpt. Dabei sind die Strömungsrohre (3a) und (3d) und (3b) und (3c) vorzugsweise koordiniert zueinander tangential angeordnet – mit einem Tangential-Winkel 0° bis 60° –, um weitere Bewegung der Biomasse im Faulraum (F) zu erreichen. Die Strömungsrohre (3a), (3b), (3c) und (3d) haben einen Durchmesser von 200 bis 800 mm. Die Umwälzungsrohre (2a), (2b), (2c) und (2d) haben einen Durchmesser von 200 bis 1000 mm. Die Rührwerke (1a), (1b) und (1c), insbesondere Axial-Rührwerke, sind mit ebenfalls ausserhalb des Faulraums (F) liegenden Motoren (6a), (6b) und (6c) – vorzugsweise Tauchmotoren – verbunden und werden von diesen angetrieben. Die bevorzugte Leistung des Rührwerks in der Bewegung der Biomasse liegt zwischen 100 und 50.000 m³/h. Zur Regelung der Zu- und Abflüsse in und aus den Umwälzungsrohren (2a), (2b), (2c) und (2d) und damit der Umwälzung der Biomasse im Faulraum dienen Regelschieber (10). Die Biomasse kann, wenn nötig über einen Abfluß (11) aus dem Faulraum entfernt werden.
Der Abstand zwischen der Oberfläche der Biomasse im Faulraum und dem Boden des Faulraums (9) – der Flüssigkeitsspiegel – ist in der Zeichnung mit „c" gekennzeichnet. Der Abstand zwischen dem Flüssigkeitsspiegel und dem oberen Ende der Ansaugöffnung (4a) ist in der Zeichnung mit „a" gekennzeichnet. Der Abstand zwischen dem Flüssigkeitsspiegel und dem oberen Ende der Ansaugöffnung (4b) ist in der Zeichnung mit „b" gekennzeichnet. Die Länge des Faulraums ist in der Zeichnung mit „d" gekennzeichnet. Der Abstand zwischen dem Boden des Faulraums (F) und dem unteren Ende der Austrittsöffnung (5a) oder (5b) ist in der Zeichnung mit „e" gekennzeichnet. Der Abstand zwischen der Seitwand (12) des Faulraums (F) und der Austrittsöffnung (5b) ist in der Zeichnung mit „f" gekennzeichnet. Der Abstand zwischen der Seitwand (12) des Faulraums (F) und der Austrittsöffnung (5c) ist in der Zeichnung mit „g" gekennzeichnet. Bevorzugt ist das Verhältnis c:d = 1:1 bis 1:10, vorzugsweise 1:2 bis 1:5. Weiter bevorzugt beträgt „a" von 0 bis 500 mm. Weiter bevorzugt beträgt „f" von 0.3 x „c" bis 0.8 x „d". Weiter bevorzugt beträgt „g" von 0.3 x „c" bis 0.7 x „d". Die bevorzugte Temperatur im Faulraum (F) hängt von der Auswahl der verwendeten Mikroorganismen ab und beträgt 55°C bei thermophilen, bzw. 35–40°C bei mesophilen Mikroorganismen.
Die erfindungsgemäße Vorichtung – insbesondere in den bevorzugten Ausführungsformen – führt zu erheblichen Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik:

• Wie oben bereits ausgeführt, führt die Verlagerung der Rührwerke (1a), (1b) und (1c) in den Bereich außerhalb des Faulraums (F) dazu, dass bei einem Defekt des Rüherwerks dieser einfach, insbesondere ohne Entllerung des Fermenters/Faulraums und sogar ohne Öffnung des Faulraum/Fermentersystems behoben werden kann. Insbesondere müssen zur Zugänglichmachung bei einem Defekt, beispielsweise im Rührwerk (1a), nur die entsprechenden Regelschieber (10) geschlossen werden und dann das relevativ geringe Volumen an Biomasse im Umwälzungsrohr (2a) entsorgt werden.
• Bei dem hier bevorzugten Einsatz eines Axial-, insbesondere eines Slalom-Rührwerkes als Rührwerk (1a), (1b) und/oder (1c), die sich in der erfindungsgemäßen Vorrichtung problemlos verwirklichen lassen, treten zwei weitere Vorteile hinzu: o zum einen führt der Einsatz eines Axial-, insbesondere eines Slalom-Rührwerks zu einem erheblich verringerten Energieaufwand, o zum anderen trägt das Axial-, insbesondere Slalom-Rührwerk – wie in einem evt. geringeren Maße auch andere Rührwerke – erheblich zur Zerstörung und Zerkleinerung eventueller Schwimm-Massen, Schlammschichten oder -teile in der Biomasse bei.
• Bei einem ebenfalls bevorzugten Einsatz konischer Strömungsrohre (3a) und (3d), bzw. (3b) und (3c) wird durch die konische Ausgestaltung der Strömungsrohre (3a) und (3d), bzw. (3b) und (3c) eine erhebliche Beschleunigung der in (5a), (5b), (5c) und (5d) rückgeführten Biomasse in den Faulraum (F) erreicht, was letztlich zu einer Verbesserung der Umwälzung führt.

Claims

Biogasfermenter zur Gewinnung von Biogas oder Bioethanol aus Wasser- und lignocellulosehaltiger Biomasse, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rührwerk (1a) zur Umwälzung des Faulrauminhalts außerhalb des Faulraums (F) liegt.
Biogasfermenter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei axiale Rührwerke (1a) und (1b) oder drei axiale Rührwerke (1a), (1b) und (1c) zur Umwälzung des Faulrauminhalts außerhalb des Faulraums (F) liegen.
Biogasfermenter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Rührwerk(e) (1a) oder (1b) oder (1a), (1b) oder (1c) als Axialrührwerke, insbesondere ald Slalomrührwerk(e) ausgeführt ist/sind.
Biogasfermenter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung der Biomasse in den Faulraum (F) aus dem/den Umwälzungsrohr(en) (2a) oder (2b) oder (2a), (2b) oder (2c) oder (2a), (2b), (2c) oder (2d) nach Passieren des oder der Rührwerks/e (1a) oder (1b) oder (1a), (1b) oder (1c) über (ein) konische(s) Strömungsrohr(e) (3a) oder (3b) oder (3a), (3b), oder (3c) oder (3a), (3b), (3c) oder (3d) erfolgt und/oder das oder die Strömungsrohr(e) (3a) oder (3b) oder (3a), (3b) oder (3c) oder (3a), (3b), (3c) oder (3d) einen tangentialen Anstellwinkel von 0 bis 60° aufweisen.
Biogasfermenter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Umwälzungsrohr(e) (2a) oder (2b) oder (2a), (2b) oder (2c) oder (2a), (2b), (2c) oder (2d) einen Durchmesser zwischen 200 und 1000 mm aufweisen.
Biogasfermenter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (5a) und (5b) oder (5b) und (5c) einander exakt gegenüberliegen (180°).
Biogasfermenter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus dem Abstand zwischen der Oberfläche der Biomasse im Faulraum und dem Boden des Faulraums (9) – dem Flüssigkeitsspiegel – „c" und dem Durchmesser des Faulraums „d" 1:1 bis 2:1 beträgt oder 1:1 bis 1:10 beträgt.
Biogasfermenter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des oberen Randes der Ansaugöffnung (4a) „a" und der Oberfläche der Biomasse im Faulraum – dem Flüssigkeitsspiegel – 0 bis 500 mm beträgt.
Biogasfermenter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des oberen Randes der Austrittsöffnung (5c) „g" und des Seitenrands (12) des Faulraums (F) das 0,3- bis 0,7-fache des Durchmessers des Bodens (9) des Faulraums (F) „d" beträgt; oder dass der Abstand des oberen Randes der Austrittsöffnung (5b) „f" und des Seitenrands (12) des Faulraums (F) das 0,3 bis 0,8-fache des Durchmessers des Bodens (9) des Faulraums (F) „d" beträgt.
Biogasfermenter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des der Ansaugöffnung (4b) „b" und der Oberfläche der Biomasse im Faulraum – dem Flüssigkeitsspiegel – 0,3-mal bis 0,7- mal den Abstand zwischen der Oberfläche der Biomasse im Faulraum und dem Boden des Faulraums (9) „c" beträgt.
Biogasfermenter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffzufuhr (7) über ein Ansaugrohr (2a) erfolgt.