DE102007048137A1

DE102007048137A1 - Verfahren und Aufbereitung von organischen Materialien für Biogasanlagen

Info

Publication number: DE102007048137A1
Application number: DE102007048137A
Authority: DE
Inventors: Helmut Diddens
Original assignee: Wilhelm Niemann & Co GmbH
Current assignee: Wilhelm Niemann & Co GmbH
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2027-10-06
Also published as: DE102007048137B4; DE102007048137C5

Abstract

Verfahren zur Aufbereitung von organischen Materialien für Biogasanlagen mit einem Fermenter, umfassend die Schritte: - Füllen von organischem Material in einen Mischbehälter, das für einen Fermenter vorgesehen ist, - Zerkleinern und Mischen des organischen Materials, mit ausreichend Flüssigkeit, so dass ein pumpfähiges Substrat entsteht; - Abpumpen des Substrats in den Fermenter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von organischen Materialen zur optimalen Ausnutzung von Rohstoffen in Biogasanlagen.
Gebiet der Erfindung:
Bei der Biogasherstellung werden verschiedene Rohstoffe, z. B. Bioabfall, Gülle, Klärschlamm, Fette oder Pflanzen in einen luftdicht verschlossenen Fermenter eingebracht. Dort entsteht durch anaerobe Gär- oder Fäulnisprozesse das Biogas, das je nach Ausgangsstoff aus 40–75% Methan, 25–55% Kohlendioxid, bis zu 10% Wasserdampf sowie darüber hinaus aus geringen Anteilen Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Ammoniak und Schwefelwasserstoff besteht.
Derzeit wird Biogas vor allem zur dezentralen gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung in Blockheizkraftwerken genutzt (Kraft-Wärme-Kopplung). Dazu wird das Gasgemisch getrocknet(der Wasseranteil im Biogas wird reduziert), durch Einblasen einer kleinen Menge Frischluft entschwefelt und dann einem Verbrennungsmotor zugeführt, der einen Generator antreibt. Der so produzierte Strom wird ins Netz eingespeist. Die im Abgas und Motorkühlwasser enthaltene Wärme wird in Wärmeüberträgern zurückgewonnen. Ein Teil der Wärme wird benötigt, die Fermenter zu beheizen.
Die in Frage kommenden Bakterienstämme, die die Biomasse abbauen, arbeiten am besten in einem Temperaturbereich von entweder 37 (mesophil) oder 55°C (thermophil). Überschüssige Wärme des Motors kann zur Beheizung von Gebäuden oder zum Trocknen der Ernte (Getreide) verwendet werden. Besonders effektiv arbeitet die Anlage, wenn die überschüssige Wärme ganzjährig genutzt wird.
In mehreren Projekten wird inzwischen das Biogas aufbereitet und ins Erdgasnetz eingespeist. Damit werden Biogasanlagen auch an Standorten ohne Wärmeabnehmer sinnvoll. Aufbereitetes Biogas kann ebenso als Treibstoff für gasbetriebene Fahrzeuge eingesetzt werden.
Die vergorenen Rohstoffe werden als landwirtschaftliche Düngemittel verwendet. Sie sind chemisch weit weniger aggressiv als Rohgülle, die Stickstoffverfügbarkeit ist besser und der Geruch weniger intensiv.
Bei den bisher bekannten Systemen werden die organischen Materialien, die in der Regel aus nachwachsenden Rohstoffen wie z. B. Mais, anderen Pflanzen oder dergleichen bestehen, mittels einer Dosierschnecke dem Fermenter zugeführt (siehe auch 1). Das dem Fermenter so zugeführte Substrat wird dann mit der bereits eingebrachten, bzw. vorhandenen Flüssigkeit (z. B. Gülle oder Rezirkulat) vermischt. Im Fermenter werden diese Substrate durch Bakterien zersetzt und in Biogas umgewandelt.
Überblick über die Erfindung:
Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung der Leistung eines Fermenters.
Gelöst wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung und einem Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Um den Prozess des Fermentierens zu beschleunigen bzw. zu optimieren, wurde ein neues Verfahren zur Aufbereitung der Rohstoffe entwickelt.
Durch den Einsatz einer schnell laufenden Hochleistungs-Dispergiermaschine in Verbindung mit einer speziellen Messerscheibe wird das organische Material (gehäckselter Mais oder anderes Getreide etc.) in einer Flüssigkeit z. B. Rezirkulat, Gülle oder Wasser soweit zerkleinert, dass ein homogenes Substrat (Mus) entsteht. Eine solche Dispergiermaschine, die normalerweise für das Mischen von Farben oder anderen pastösen Massen genutzt wird, weist eine (im Einzelfall können es auch mehrere sein) senkrecht stehende Welle auf, die am oberen Ende angetrieben wird und am unteren Ende mit einem Mischwerkzeug versehen ist (siehe 2). Das Mischwerkzeug kann für das Mischen scheibenförmig aufgebaut sein und an seinen Enden senkrecht stehende bzw. in einem Winkel nach oben und unten gerichtete Leitbleche aufweisen. Für das Zerkleinern des organischen Materials hingegen weist die rotierende Scheibe vorzugsweise Schneiden/Messer an ihren Enden auf.
Für das Mischen des organischen Materials wird in einen Mischbehälter zunächst die Flüssigkeit und danach, bei rotierender Messerscheibe, das organische Material zugegeben. Durch das mit hoher Drehzahl zentrisch im Behälter angeordnete Rührorgan wird das gesamte Mischgut permanent umgewälzt.
Das durch die rotierende Messerscheibe stark beschleunigte Material wird an der Wandung des Behälters geteilt. Der untere Teil des Mischgutes läuft am Boden des Behälters zurück zur Mitte und steigt dort wieder auf, wo es erneut von der Messerscheibe beschleunigt wird. Der obere Teil des Mischgutes steigt an der Behälterwand hoch und läuft dann zurück zur Zahnscheibe. Es bildet sich eine sichtbare Trombe. Dieses Fließbild wird auch als „Doughnut-Effekt" bezeichnet.
Die Messerscheibe zerkleinert die groben Teile (z. B. gehäckselter Mais) innerhalb kürzester Zeit (3–5 Minuten). Es entsteht eine homogene, pumpfähige Masse.
Durch das Zerkleinern wird die Substratoberfläche vergrößert, sodass den Bakterien mehr „Angriffsfläche" geboten wird. Dieses bedeutet neben verkürzten Verweilzeiten schneller verfügbares Biogas.
Da bei dem beschriebenen Verfahren auch die Struktur (Lignin) der Substrate zerkleinert wird, bekommen die Bakterien zusätzlichen Nährstoff. Dieses hat eine höhere Gasausbeute zur Folge.
Als weiterer Vorteil ist zu bewerten, dass sich durch die Zugabe des „gemusten" Substrates im Fermenter keine „Schwimmschichten" bilden und sich somit die Rührzeiten drastisch reduzieren lassen.
Bei der Zugabe von nicht zerkleinerten Substraten ist ein wiederholtes, intensives Rühren zur Verhinderung von „Schwimmschichten" erforderlich.
Diese Aufbereitungsart erlaubt die Beschickung der Fermenter mit Pumpen, sodass auch größere Entfernungen zwischen KREIS-DISSOLVER^® bzw. Mischer und Fermenter problemlos möglich sind. Beim Verpumpen des musartigen Substrates ist kein nennenswerter Verschleiß in den Pumpen zu erwarten. Bei der herkömmlichen Beschickung mittels Förderschnecke hingegen sind nur kurze Wege möglich. Die Förderschnecke unterliegt einem hohen Verschleiß.
Durch das vorstehend beschriebene Verfahren ist somit bei einem Einsatz gleicher Rohstoffmengen eine höhere Gasausbeute in kürzerer Zeit gewährleistet.
Des Weiteren kann entweder das Investitionsvolumen verringert werden, da nur noch ein kleinerer Fermenter benötigt wird, oder es kann bei bereits bestehenden Anlagen mehr Energie bei gleichem Rohstoffeinsatz erzeugt werden.
Figurenbeschreibung:
Im Folgenden werden die Figuren beschrieben auf die sich die Beschreibung der Ausführungsformen bezieht. Die Figuren und die entsprechenden Ausführungsformen sollen keine Beschränkung der Erfindung darstellen. Sie dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung:
Es zeigt
1 den Aufbau einer Biogasanlage nach dem Stand der Technik;
2 den schematischen Fluss in einer Biogasanlage mit einem erfindungsgemäßen Mischer;
3a, die Draufsicht auf ein Schneid/Rührwerkzeug 3b eine Schnitt/Seitenansicht auf eine Rühr/Schneidscheibe für den Mischer;
4a, die Draufsicht eines Schneid-/Rührwerkzeuges (ohne aufgesetzte Messer);
4b, eine Schnitt-/Seitenansicht des Schneid-/Rührwerkzeuges (ohne auswechselbare Messer).
Beschreibung der Ausführungsformen:
In einem Versuch mit einem KREIS-DISSOLVER^®/Mischer mit Schneidwerkzeug wurden zur Substrataufbereitung zunächst pro Stunde 4 Mischungen mit jeweils ca. 150 kg gehäckseltem Mais und 400 kg Rezirkulat hergestellt und in den Fermenter gepumpt.
Aufgrund der verbesserten Biogasentwicklung musste bereits nach einigen Tagen die Substratzugabe reduziert werden.
Bereits nach einer kurzen Testphase ist sicher, dass durch das neue Verfahren eine schnellere Verfügbarkeit des Biogases und eine höhere Gasausbeute gewährleistet sind.
Aus 2 wird deutlich, dass aus einem Vorratsbehälter mit nachwachsenden Rohstoffen, über ein Förderband oder eine Schnecke Rohstoffe in einen Misch/Zerkleinerungsbehälter befördert werden. Der Mischer mit seinem Schneid/Mischwerkzeug zerkleinert und mischt die Rohstoffe mit einer Flüssigkeit, wie Rezirkulat, Wasser, Gülle oder ähnlichem. Das Substrat ist durch das Mischen/Zerkleinern pumpfähig und kann in den Fermenter eingebracht werden. Je nach Bedarf und Art der Rohstoffe können alle oder nur ein Teil der Rohstoffe, die in den Fermenter gepumpt werden, zerkleinert werden.
Auch ist es denkbar, dass in den Nachgärer ein Teil des zerkleinerten Substrats gepumpt wird.
Das Gas aus dem Fermenter und dem Nachgärer wird danach einem Generator/Blockheizkraftwerk zugeführt.
Die Reste aus dem Endlager werden gepresst und die ausgepresste Flüssigkeit wird als Rezirkulat genutzt.
Die 3a und 3b sowie 4a und 4b zeigen die erfindungsgemäßen Mischwerkzeuge, die am unteren Ende der Rührwelle horizontal befestigt werden und sich somit parallel zum Boden des Mischbehälters drehen. Das Schneid-Mischwerkzeug weist in der Mitte eine Bohrung zur Aufnahme der Welle und zu deren Befestigung auf. Das Schneid-Mischwerkzeug weist umlaufend Messerklingen bzw. -schneiden auf. Diese Messerklingen sind vorzugsweise austauschbar. Auch sind sie umlaufend an regelmäßig auftretenden Vorsprüngen befestigt, so dass sie einerseits eine Mischbewegung innerhalb des Mischbehälters verursachen und andererseits mit dem Rohstoff in Verbindung treten können, um diesen zu zerkleinern. Zwischen den Vorsprüngen sind sich ins Innere des Schneid-Mischwerkzeugs erstreckende, bogenförmige Aussparungen angeordnet, deren bogenförmiger Verlauf sich von der Hinterkante einer ersten Messerklinge/-schneide zur Vorderkante einer folgenden zweiten Messerklinge/-schneide erstreckt. Der Bogen ist dabei so ausgebildet, dass der Radius zu Beginn stärker ausfällt, um dann schwächer zu werden. Hierdurch ist ein ziehender Schnitt gewährleistet und ein sauberes Abstreifen der langfaserigen Anteile an Zähnen und Klingen sichergestellt. Durch die Form der „Zähne" mit den am äußeren Umfang befestigten Messerklingen bzw. -schneiden ist eine schnelle Zerkleinerung der organischen Materialien möglich.
Ferner sind die Messer und ggfs ebenfalls die Vorsprünge auf denen die Messer befestigt sind, abwechselnd in einem vorgegebenen Winkel nach oben hoch bzw. nach unten heruntergestellt (3b/4b).
Durch diese Anordnung wird im wesentlichen sowohl eine Mischbewegung innerhalb des Behälters erreicht als auch eine vorgegebene Zerkleinerung ermöglicht, da die Schnittgröße maximal dem Abstand der Messerspitzen zweier einander folgenden Messer entspricht. Die Messerklingen werden vorzugsweise durch Schrauben am Schneid-Mischwerkzeug (auch Zahnscheibe genannt) bzw. dessen Körper befestigt. Die Aufnahmen für die Messer sind an den Vorsprüngen ausgebildet. Um einen Neigungswinkel der Messer zu erreichen, sind vorzugsweise die Aufnahmen schon in dem entsprechenden Neigungswinkel angeordnet, so dass die Messer plan ausgebildet sein können. Die oberflächengehärteten Messerklingen sind durch Schraubverbindungen leicht auswechselbar. In einer verbesserten Ausführungsform sind die Schrauben, die die Messer befestigen durch ein Ablenkblech geschützt, so dass eine Abnutzung vermieden wird.
Das wechselseitige Abkanten der Zähne und die hohe Umfangsgeschwindigkeit (25–30 m/s) bewirken eine permanente Umwälzung (Doughnut-Effekt) des gesamten Behälterinhaltes. Hierbei erfolgt die Produktzerkleinerung an den Messerklingen.
Die auf Zeichnung 4a und 4b dargestellte Messerscheibe ist aus einem Stück gefertigt. Um eine entsprechende Schneidwirkung zu erzielen, werden in Drehrichtung an den bogenförmigen Zähnen Schneiden angeschliffen. Die Messerscheibe wird aus einem verschleißfesten Material, wie z. B. Welldox 900 oder dergleichen, gefertigt. Durch die einteilige Bauform kann ein Ausreißen/Abreißen der Schneiden vermieden werden.

Claims

Verfahren zur Aufbereitung von organischen Materialien für Biogasanlagen mit einem Fermenter umfassend die Schritte: – Füllen von organischem Material in einen Mischbehälter, das für einen Fermenter vorgesehen ist; – Zerkleinern und Mischen des organischen Materials im Mischbehälter, mit ausreichend Flüssigkeit, so dass ein pumpfähiges Substrat entsteht; – Abpumpen des Substrats in den Fermenter.
Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei beim Zerkleinern und Mischen des organischen Materials ein Rührgerät eingesetzt wird, das einen Antrieb aufweist, der mindestens eine Welle antreibt, wobei am Ende der Welle ein scheibenförmiges Mischwerkzeug angeordnet ist, und wobei die Welle mit dem Mischwerkzeug im Mischbehälter rotiert.
Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Mischwerkzeug mit Messern versehen ist, die radial am Rand des Mischwerkzeugs angeordnet sind.
Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Mischwerkzeug radial am Rand angeordnete Vorsprünge oder Zähne aufweist, die mit Messern/Schneiden versehen sind.
Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kante des Mischwerkzeugs zwischen den Vorsprüngen oder Zähnen bogenförmig ausgebildet ist, so dass die Schneiden der Messer/Schneiden jeweils in Verlängerung der Kanten angeordnet sind, so dass ein ziehender Schnitt gewährleistet ist und ein sauberes Abstreifen des organischen Materials.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schneiden der Messer wechselseitig nach oben und unten angestellt sind.
Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vorsprünge und Zähne integral auf dem Mischwerkzeug ausgebildet sind und die Messer auf den Vorsprüngen lösbar befestigt sind oder wobei die Messer integral einteilig in das Mischwerkzeug integriert sind.
Vorrichtung zur Aufbereitung von organischen Materialien für Biogasanlagen, das in einem Mischbehälter gelagert ist, wobei die Biogasanlage mit einem Fermenter arbeiten, umfassend: – mindestens eine Welle, die sich vertikal in den Mischbehälter erstreckt und die von einem Antrieb rotiert wird; – ein Mischwerkzeug, das an der Welle befestigt ist, und dessen Randbereiche und/oder Oberflächenbereiche so ausgebildet sind, dass sowohl die Funktion des Mischens als auch des Kleinschneidens des organischen Materials in der Form erfolgt, dass ein homogenes pumpfähiges Mus entsteht, das in den Fermenter pumpbar ist.
Die Vorrichtung nach dem vorhergehenden Vorrichtungsanspruch, wobei am Ende der Welle ein scheibenförmiges Mischwerkzeug angeordnet ist, und wobei die Welle mit dem Mischwerkzeug im Mischbehälter rotiert.
Die Vorrichtung nach dem vorhergehenden Vorrichtungsanspruch, wobei das Mischwerkzeug mit Messern/Schneiden versehen ist, die radial am Rand des Mischwerkzeugs angeordnet sind.
Die Vorrichtung nach dem vorhergehenden Vorrichtungsanspruch, wobei das Mischwerkzeug radial am Rand angeordnete Vorsprünge oder Zähne aufweist, die mit Messern/Schneiden versehen sind.
Die Vorrichtung nach dem vorhergehenden Vorrichtungsanspruch, wobei die Kante des Mischwerkzeugs zwischen den Vorsprüngen oder Zähnen bogenförmig ausgebildet ist, so dass die Schneiden der Messer jeweils in Verlängerung der Kanten angeordnet sind, so dass ein ziehender Schnitt gewährleistet ist und ein sauberes Abstreifen des organischen Materials.
Die Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, wobei die Schneiden der Messer wechselseitig nach oben und unten angestellt sind.
Die Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vorsprünge und Zähne integral im Mischwerkzeug ausgebildet sind oder die Messer auf den Vorsprüngen lösbar befestigt sind.
Rühr und Schneidwerkzeug zur Befestigung an einer durch einen Mischer angetriebenen Welle zur Aufbereitung von organischen Materialien für Biogasanlagen, die mit einem Fermenter arbeiten, umfassend: – einen scheibenförmigen Grundkörper, der an der Welle befestigbar ist; – mindestens ein Messer, das radial am Rand des Grundkörpers angeordnet ist, so dass sowohl die Funktion des Mischens als auch des Kleinschneidens des organischen Materials in der Form erfolgt, dass ein homogenes pumpfähiges Mus entsteht.
Das Rühr und Schneidwerkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, umfassend radial am Rand angeordnete Vorsprünge oder Zähne, die mit Messern/Schneiden versehen sind.
Das Rühr und Schneidwerkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kante des Mischwerkzeugs zwischen den Vorsprüngen oder Zähnen bogenförmig ausgebildet ist, so dass die Schneiden der Messer/Schneiden jeweils in Verlängerung der Kanten angeordnet sind, so dass ein ziehender Schnitt gewährleistet ist und ein sauberes Abstreifen des organischen Materials.
Das Rühr und Schneidwerkzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden drei Ansprüche, wobei die Schneiden der Messer/Schneiden wechselseitig nach oben und unten in einem definierbaren Winkel angestellt sind.
Das Rühr und Schneidwerkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vorsprünge und Zähne integral auf dem Mischwerkzeug ausgebildet sind und die Messer auf den Vorsprüngen austauschbar befestigt sind oder die Messer einteilig integral durch Schmieden und/oder Schleifen ausgebildet sind.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche zur Aufbereitung von organischen Materialien für Biogasanlagen, die mit einem Fermenter arbeiten.
Die Verwendung eines Rühr und Schneidwerkzeuges nach einem oder mehreren der vorhergehenden Rühr und Schneidwerkzeugansprüche zur Aufbereitung von organischen Materialien für Biogasanlagen, die mit einem Fermenter arbeiten.