DE102008053820A1 - Device for temperature regulation in a wet-fermentation biogas plant, comprises a fermenter and a cogeneration unit having a heat exchanger, where the cogeneration unit and the fermenter are connected over a heating circuit - Google Patents

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Abstract

The device comprises a fermenter (1) and a cogeneration unit having a heat exchanger, where the cogeneration unit and the fermenter are connected over a heating circuit. The exhaust air path of the cogeneration unit has an additional heat exchanger and the heating circuit contains a switching valve, which enables that a heating medium e.g. water is conducted either in a normal operation (heating operation) over the cogeneration unit or in a cooling operation over the heat exchanger in the exhaust air path of the cogeneration unit. The device comprises a fermenter (1) and a cogeneration unit having a heat exchanger, where the cogeneration unit and the fermenter are connected over a heating circuit. The exhaust air path of the cogeneration unit has an additional heat exchanger and the heating circuit contains a switching valve, which enables that a heating medium e.g. water is conducted either in a normal operation (heating operation) over the cogeneration unit or in a cooling operation over the heat exchanger in the exhaust air path of the cogeneration unit. A motorically controlled three-way switching valve serves as switching valve. The heat exchanger in the exhaust air path of the cogeneration unit is hydraulically fastened at a heating circuit-fermenter-biogas plant hydraulically over pipelines, where the heat exchanger is a lamella-heat exchanger. An independent claim is included for a method for temperature regulation in biogas plant.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturregelung in Biogasanlagen, insbesondere für Nass-Fermenter-Biogasanlagen.The The invention relates to a method and device for temperature control in biogas plants, in particular for Wet fermenter biogas plants.

In Biogasanlagen wird durch den biologischen Abbau aus organischen Stoffen (Biomasse), unter Ausschluss von Luft Biogas erzeugt, welches in angeschlossenen Blockheiz-kraftwerken (BHKW) zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt wird. Die Biomasse (Holz, Energiepflanzen, organische Reststoffe wie z. B. Biomüll, Gülle, Stroh) wird in einem luftdichten Reaktor (Fermenter) eingebracht. Hier entsteht in einem anaeroben, mikro-biologischen Faulungsprozess Biogas, das je nach Ausgangsstoff aus 40–75% Methan, 20–55% Kohlendioxid, bis zu 10% Wasserdampf sowie darüber hinaus aus geringen Anteilen Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Ammoniak und Schwefelwasserstoff besteht. Das produzierte Biogas wird dem BHKW zugeführt, in welchem es in einem Verbrennungsprozess effizient durch maschinelle Aggregate in elektrische und thermische Energie umgewandelt wird.In Biogas plants become by biological degradation from organic Substances (biomass), produced in the absence of air biogas, which in connected combined heat and power plants (CHP) for electricity and heat generation is being used. The biomass (wood, energy crops, organic residues such as B. organic waste, Slurry, Straw) is introduced in an airtight reactor (fermenter). Here arises in an anaerobic, micro-biological digestion process Biogas, which, depending on the starting material, consists of 40-75% methane, 20-55% carbon dioxide, up to 10% water vapor and above addition of small amounts of nitrogen, oxygen, hydrogen, Ammonia and hydrogen sulphide. The produced biogas is fed to the CHP, in which it is efficient in a combustion process by machine Aggregates is converted into electrical and thermal energy.

In Anlagen zur Biogasgewinnung im mesophilen Bereich (etwa 22–42°C) kommt es bei starker Sonneneinstrahlung und sommerlichen Außentemperaturen zu einem nicht gewollten Temperaturanstieg im Gärsubstrat. Dabei besteht die Gefahr, dass die im mesophilen Bereich tätigen Bakterien abgetötet werden, was sich negativ auf den Gärprozess und die Gasentwicklung auswirkt.In Plants for biogas production in the mesophilic range (about 22-42 ° C) comes in strong sunlight and summery outside temperatures to an unwanted increase in temperature in the fermentation substrate. There is the Risk of killing the mesophilic bacteria, which negatively affects the fermentation process and gas evolution.

Bei der Auswertung der Gärsubstrattemperaturen von Fermenter in verschiedenen Anlagen und der metrologischen Wetterdaten in den zurückliegenden Jahren ist aufgefallen, das in den Sommermonaten mit zunehmender Tendenz Heißwetterperioden auftraten, in denen es zu den oben geschilderten Problemen kommt.at the evaluation of the fermentation substrate temperatures of fermenters in different plants and the metrological weather data in the past Years have been noticed that increase with the summer months Tendency of hot weather periods occurred in which it comes to the problems described above.

Um dieser Gefahr entgegen zu wirken, sind die Anlagenbetreiber gezwungen, durch unterschiedliche aufwendige Maßnahmen (z. B. Wärmetauscher mit Luftkühlung) die Fermentertemperatur abzusenken. Es entstehen zusätzliche materielle Aufwendungen für die Installation und den Betrieb von zusätzlichen Anlagenkomponenten zur Kühlung.Around To counteract this danger, the plant operators are forced to by different elaborate measures (eg heat exchangers with Air cooling) lower the fermenter temperature. There are additional ones material expenses for the installation and operation of additional plant components for cooling.

So erfolgt in der bisherigen Praxis eine Absenkung der Gärtemperatur über Zugabe von zusätzlichem „kühlem” Inputmaterial. Dadurch erfolgte eine Vermischung und damit eine Absenkung der Gärtemperatur. Die Zugabe von zusätzlichem Inputmaterial hat viele Nachteile. Zu einem ist Sie nicht regelbar, die Menge ist nur theoretisch bestimmbar und kann erst nach Ausführung praktisch geprüft werden. Zum anderen ist jeder zusätzlicher, für den eigentlichen Gärprozess nicht notwendiger direkter Eingriff, ein Störfaktor, der den ganzen Prozess negativ beeinflusst. Nicht zuletzt entstehen durch die manuelle Ausführung der zusätzlichen Arbeiten auch zusätzliche Kosten.So takes place in the previous practice, a lowering of the fermentation temperature via addition additional "cool" input material. This resulted in a mixing and thus a lowering of the fermentation temperature. The addition of additional Input material has many disadvantages. For one you can not control that Quantity is only theoretically determinable and can only be practical after execution checked become. On the other hand, everyone is additional, for the actual fermentation process unnecessary direct intervention, a disruptive factor affecting the whole process negatively influenced. Not least caused by the manual execution of the additional Work also additional Costs.

Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, neue Wege zur Senkung der Gärtemperatur zu finden.The The object of the invention was to find new ways to reduce the fermentation temperature to find.

Die Aufgabe wurde gemäß den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. Es wurde für den Lastfall „Sommer” eine Lösung entwickelt, die mit einem geringen Aufwand an Investitions- und Betriebskosten umsetzbar ist.The Task was performed according to the characteristics of claims solved. It was for developed the solution "summer" a solution, with a low investment and operating cost is feasible.

Der Erfindung beruht auf folgender grundlegender Idee:
Für die Verbrennungsluftversorgung sowie Kühlung des Blockheizkraftwerk (BHKW)-Aggregats werden im Anlagenbetrieb kontinuierlich größere Luftmengen benötigt. Die sich dabei bildende Ablufttemperatur liegt geringfügig über der örtlichen Außentemperatur. Da sich die Außentemperatur in den Nachtstunden in der Regel abkühlt, kommt es zu einer Absenkung der Außentemperatur auf einen Mittelwert kleiner 20°C. Das vorhandene Temperaturgefälle zwischen Ablufttemperatur BHKW (Basis Auslegung ta 25°C) und Gärsubstrattemperatur Fermenter (tfl > 40°C) zu nutzen, ist der Grundgedanke unserer Neuentwicklung. Mit anderen Worten, der Grundgedanke der Erfindung ist die Ausnutzung, des in der Zu- oder Abluft von BHKW-Aggregaten vorhandenen thermischen Energiepotentials, zur Kühlung der Gärsubstrat-Temperatur zu nutzen.The invention is based on the following basic idea:
For the combustion air supply and cooling of the combined heat and power plant (CHP) aggregate continuously larger amounts of air are required in plant operation. The resulting exhaust air temperature is slightly above the local outside temperature. As the outside temperature generally cools down during the night, the outside temperature drops to an average of less than 20 ° C. Using the existing temperature gradient between the exhaust air temperature CHP (base design t a 25 ° C) and fermentation substrate temperature fermenter (t fl > 40 ° C) is the basic idea of our new development. In other words, the basic idea of the invention is the utilization of the available in the supply or exhaust air of CHP units thermal energy potential to use for cooling the fermentation substrate temperature.

Die Umsetzung dieser Idee ist mit einem verhältnismäßig geringen technischen Aufwand realisierbar. In den Abluftweg des BHKW-Modules wird zusätzlich ein Wärmetauscher installiert. Er wird über Rohrleitungen hydraulisch an den Heizkreis Behälterheizung Biogasanlage angebunden. Zur Umschaltung zwischen dem standardmäßigen Heizbetrieb und der neu zusätzlich eingebundenen Kühlung, wird unterhalb der Heizkreispumpe ein motorisch angesteuertes Dreiwege-Umschaltventil in den Heizungskreis eingebaut. Im Heizbetrieb wird das Heizmedium über den Wärmetauscher BHKW gefahren, bei Aktivierung Kühlung erfolgt eine hydraulische Umschaltung zum Kühlregister im Abluftvolumenstrom.The Implementation of this idea is with a relatively small technical effort realizable. In the exhaust air path of the CHP module is additionally a heat exchangers Installed. He is using piping hydraulically to the heating circuit tank heating Connected biogas plant. For switching between the standard heating mode and the new addition integrated cooling, is below the heating circuit pump, a motor-driven three-way switching valve installed in the heating circuit. In heating mode, the heating medium via the heat exchangers CHP driven, when activated cooling There is a hydraulic changeover to the cooling register in the exhaust air volume flow.

Bei Anstieg der Behälterinnentemperatur über einen vorgegebenen Sollwert (z. Bsp. 41°C) erfolgt über die vorhandene Steuerung, bei einer definierten Sollwert Temperatur Abluft BHKW, die Kühlung. Das Dreiwege-Umschaltventil schaltet die hydraulische Verbindung zwischen Heizkreis Behälterheizung Fermenter und Kühlregister Abluftstrom BHKW frei. Die im Heizkreis vorhandene Pumpe fördert das „Kühlwasser”, welche die Wärme aus dem Behälter aufnimmt und über den Wärmetauscher im Abluftvolumenstrom wieder abgibt. Das vorhandene Temperaturgefälle im Wärmetauscher gewährleistet eine Absenkung der „Kühlwassertemperatur”. Die Kühlwassertemperatur liegt wieder unterhalb der Substrattemperatur Fermenter und kann somit Wärme aus dem Fermenter aufnehmen und damit die Innentemperatur im Fermenter absenken/kühlen. Diese Kühlschaltung wird solange aktiviert, bis die gewünschte Solltemperatur Gärsubstrat erreicht wird.If the tank internal temperature rises above a specified setpoint (eg 41 ° C), cooling is provided by the existing controller, with a defined setpoint temperature of exhaust air CHP. The three-way change-over valve switches off the hydraulic connection between heating circuit tank heater fermenter and cooling coil exhaust air flow CHP. The existing in the heating circuit pump promotes the "cooling water", which receives the heat from the container and the heat exchanger in the Returns exhaust air volume flow again. The existing temperature gradient in the heat exchanger ensures a reduction of the "cooling water temperature". The cooling water temperature is again below the substrate temperature fermenter and thus can absorb heat from the fermenter and thus lower the internal temperature in the fermenter / cool. This cooling circuit is activated until the desired set temperature fermentation substrate is reached.

Der Vorteil dieser neuen Technologie liegt zu einem in dem geringen notwendigen zusätzlichen Investitionsaufwand und zum anderen in den sehr niedrigen zusätzlichen Betriebskosten. Für den Betrieb Kühlung ist lediglich die Antriebsenergie der Pumpe zusätzlich erforderlich.Of the Advantage of this new technology is one in the low necessary additional Investment and on the other hand in the very low additional Operating cost. For the operation cooling only the drive energy of the pump is additionally required.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Nachrüstbarkeit in bestehende Biogasanlagen. Die zusätzlichen Komponenten Wärmetauscher Abluft, Umschaltventil und Rohrtechnik sind ohne aufwendige Umbauarbeiten in eine vorhandene Anlage nachrüstbar.One Another advantage is the retrofittability in existing biogas plants. The additional Components heat exchanger Exhaust air, diverter valve and pipe technology are without complex alterations Can be retrofitted into an existing system.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für Nass-Fermenter-Biogasanlagen.The Invention is particularly suitable for wet fermenter biogas plants.

Die Erfindung soll anhand des folgenden Beispiels näher erläutert werden, ohne sie auf dieses Beispiel zu begrenzen.The Invention will be explained in more detail with reference to the following example without her to limit this example.

Ausführungsbeispiel:Embodiment:

Die Funktionsweise der Kühlung soll anhand der Figuren kurz erklärt werden. Der in 1 skizzierte Aufbau der Kühlung besteht im Wesentlichen aus dem Fermenter [1] mit Rohrregister [1a] als biologischer Reaktor, in welchem unter Ausschluss von Luft der anaerobe Fäulnisprozess zur Erzeugung von Biogas stattfindet und dem BHKW Container [2] als Standort für das Blockheizkraftwerk zur Umwandlung von Biogas in elektrische und thermische Energie, mit den hier dargestellten Bauteilen Motor – Umschaltventil [2a], Wärmetauscher (Kühlregister) [2b], Abluftventilator [2c], Heizverteiler [2d] und Heizkreispumpe [2e].The mode of operation of the cooling will be explained briefly with reference to the figures. The in 1 sketched structure of the cooling consists essentially of the fermenter [ 1 ] with pipe register [ 1a ] as a biological reactor in which the anaerobic decomposition process for the production of biogas takes place under exclusion of air and the CHP container [ 2 ] as a site for the combined heat and power plant for the conversion of biogas into electrical and thermal energy, with the components shown here engine - changeover valve [ 2a ], Heat exchanger (cooling register) [ 2 B ], Exhaust fan [ 2c ], Heating distributor [ 2d ] and heating circuit pump [ 2e ].

Überschreitet die Gärtemperatur [TF] im Fermenter [1] den vorgegebenen Sollwert (siehe 2 mit Erläuterung), wird in Abhängigkeit von der Außentemperatur durch die Steuerung das Motor-Umschaltventil [2a] auf den Lastfall „Kühlen” umgeschaltet. Das Wärmeträgermedium wird nun über das „Kühlregister” [2b] geführt. Das Kühlregister [2b] ist ein Lamellen-Wärmetauscher, welcher im Abluftweg des BHKW-Containers [2] installiert ist.If the fermentation temperature [TF] in the fermenter exceeds 1 ] the specified setpoint (see 2 with explanation), depending on the outside temperature by the control, the engine change-over valve [ 2a ] switched to the load case "cooling". The heat transfer medium is now transferred via the "cooling register" [ 2 B ] guided. The cooling register [ 2 B ] is a finned heat exchanger, which is located in the exhaust path of the CHP container [ 2 ] is installed.

Der BHKW Container hat einen Zu- und einen Abluftanschluss. Diese versorgen zu einem das BHKW-Modul mit Verbrennungsluft und sorgen zum anderen für eine ausreichende Kühlung im des BHKW-Aggregates.Of the CHP container has an inlet and an exhaust connection. These supply to one the CHP module with combustion air and worry to the other for one adequate cooling in the CHP unit.

Bei einer Außentemperatur von ca. 20°C (zur Kühlung sollten vorwiegend die Nachstunden genutzt werden, Festlegung einer Soll-Außentemperatur empfehlenswert), erwärmt sich im BHKW-Container [2] durch Wärmeabstrahlung des BHKW-Aggregates die Zuluft [TL,BHKW] auf z. B. 25°C (siehe 3 mit Erläuterung). Diese Luft wird durch den Abluftventilator [2c] über den Wärmetauscher [2b] wieder nach außen ins freie gefördert. Dabei kühlt die Luft das höhere Temperaturniveau des Wärmeträgermediums ab, es findet ein Wärmeübergang vom Wärmeträgermedium Wasser an die Abluft BHKW statt. Der Wärmetauscher ist so dimensioniert, dass die Wärmeträgertemperatur um ein ΔT von ca. 20 K abgesenkt wird.At an outside temperature of approx. 20 ° C (for cooling purposes, the extra hours should be used, setting a target outside temperature is recommended), it heats up in the CHP container [ 2 ] by heat radiation of the CHP unit, the supply air [TL, CHP] on z. B. 25 ° C (see 3 with explanation). This air is removed by the exhaust fan [ 2c ] over the heat exchanger [ 2 B ] again promoted to the outside. The air cools the higher temperature level of the heat transfer medium, there is a heat transfer from the heat transfer medium water to the exhaust air CHP instead. The heat exchanger is dimensioned such that the heat carrier temperature is lowered by a ΔT of approx. 20K.

Das gekühlte Wärmeträgermedium wird über den Heizungsverteiler [2d] mit der vorhandenen Umwälzpumpe [2e] in das Rohrregister [1a] Fermenter [1] gefördert und kühlt (Wärmeüber-gang vom Gärsubstrat auf das Wärmeträgermedium) das Gärsubstrat ab, die Gärtemperatur [TF] wird abgesenkt.The cooled heat transfer medium is supplied via the heating distributor [ 2d ] with the existing circulating pump [ 2e ] in the pipe register [ 1a ] Fermenter [ 1 ] and cools (heat transfer from the fermentation substrate to the heat transfer medium) from the fermentation substrate, the fermentation temperature [TF] is lowered.

Dieser beschriebene Kühlprozess wird steuerungstechnisch überwacht und so lange ausgeführt, bis die vorgegebene Solltemperatur erreicht wird.This described cooling process is monitored by control technology and run until that the predetermined target temperature is reached.

Bei Unterschreitung der Solltemperatur erfolgt die Umschaltung auf Heizbetrieb.at If the setpoint temperature is not reached, the system switches to heating mode.

2 zeigt die Aufzeichnung der Gärsubstrat-Temperatur Fermenter 2007 einer BGA in Mildenitz/Mecklenburg-Vorpommern. 2 shows the recording of fermentation substrate temperature fermenter 2007 of a BGA in Mildenitz / Mecklenburg-Vorpommern.

In der 2 sind Aufzeichnungen der Gärsubstrat-Temperaturen in einer BGA im Jahr 2007 dokumentiert. Hier ist erkennbar, dass in den Monaten April–August 2007 die Gärsubstrat-Temperatur oberhalb des mesophilen Temperaturbereiches (36–42°C) sich befindet. In dieser Zeit wurde durch den Anlagebetreiber, durch zusätzliche Eingabe von Gülle versucht, diesen Temperaturanstieg entgegen zu wirken. Der Erfolg dieser zusätzlichen Aufwendungen ist nur geringfügig ersichtlich, die Gärtemperatur befindet sich im genannten Zeitraum immer in einem kritischen Bereich.In the 2 records of fermentation substrate temperatures in a BGA are documented in 2007. Here it can be seen that in the months April-August 2007, the fermentation substrate temperature above the mesophilic temperature range (36-42 ° C) is located. During this time, the plant operator tried to counteract this temperature increase by adding manure. The success of these additional expenses is only marginally apparent, the fermentation temperature is always within a critical range in the said period.

3 zeigt die Aufzeichnung der Außen- und BHKW-Innentemperatur einer BGA in Mildenitz/Mecklenburg-Vorpommern. 3 shows the recording of the external and internal CHP temperature of a BGA in Mildenitz / Mecklenburg-Vorpommern.

In der 3 sind Aufzeichnungen der Außen- und BHKW-Innentemperatur in einer BGA im Jahr 2007 dokumentiert. An Hand den Aufzeichnungen ist erkennbar, dass die BHKW-Innentemperatur sich in einem Bereich von ca. 25°C bewegt.In the 3 records of external and internal CHP temperature are documented in a BGA in 2007. Based on the records, it can be seen that the CHP internal temperature is within a range of approximately 25 ° C.

Claims (8)

Vorrichtung zur Temperatur-Regelung in Biogasanlagen, die mindestens einen Fermenter sowie ein Blockheizkraftwerk (BHKW) mit Wärmetauscher umfassen, wobei das BHKW und die Fermenter über einen Heizkreis verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Abluftweg des BHKW zusätzlich einen Wärmetauscher aufweist und der Heizkreis ein Umschaltventil enthält, welches ermöglicht, dass ein Heizmedium entweder im Normalbetrieb (Heizbetrieb) über das BHKW oder im Kühlbetrieb über den Wärmetauscher im Abluftweg des BHKW geleitet wird.Device for temperature control in biogas plants, comprising at least one fermenter and a combined heat and power plant (CHP) with heat exchanger, wherein the CHP and the fermenter are connected via a heating circuit, characterized in that the exhaust path of the CHP additionally comprises a heat exchanger and the heating circuit Switching valve contains, which allows a heating medium either in normal operation (heating mode) via the CHP or in cooling mode via the heat exchanger in the exhaust path of the CHP is passed. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher im Abluftweg des BHKW hydraulisch über Rohrleitungen hydraulisch an den Heizkreis Fermenter-Biogasanlage angebunden ist.Device according to claim 1, characterized in that that the heat exchanger hydraulically via pipelines in the exhaust air path of the CHP connected to the heating circuit fermenter biogas plant. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Lamellen-Wärmetauscher istDevice according to Claim 1 or 2, characterized that the heat exchanger a finned heat exchanger is Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Umschaltventil ein motorisch angesteuertes Dreiwege-Umschaltventil dient.Device according to claim 1, characterized in that that as a changeover valve, a motor-driven three-way switching valve serves. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Heizmedium Wasser eingesetzt wird.Device according to one of claims 1, characterized in that that water is used as the heating medium. Verfahren Temperatur-Regelung in Biogasanlagen mittels der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Messen sowohl der Temperatur im Fermenter (Behälterinnentemperatur) als auch der Temperatur des Heizmediums, wobei das Heizmedium im Heizbetrieb mit dem BHKW verbunden ist – bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur im Fermenter wird das Umschaltventil betätigt, so dass das Heizmedium mittels einer Pumpe über den zusätzlichen Kühlregister (Wärmetauscher im Abluftstrom des BHKW) geleitet wird – bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur des Heizmediums wird wiederum das Umschaltventil betätigt, so dass der Fermenter wieder über den Heizkreislauf mit dem mit dem BHKW im Heizbetrieb verbunden ist.Method Temperature control in biogas plants by means of the device according to a the claims 1 to 4, characterized by the following steps: - Measure up both the temperature in the fermenter (container internal temperature) and the temperature of the heating medium, wherein the heating medium in the heating mode connected to the CHP - when exceeding a certain Temperature in the fermenter, the switching valve is actuated, so that the heating medium by means of a pump on the additional cooling coil (heat exchanger in the exhaust air stream of the CHP) is passed - when falling below one certain temperature of the heating medium, in turn, the switching valve is actuated, so that the fermenter is over again the heating circuit with that connected to the CHP in heating mode is. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 oder des Verfahren gemäß Anspruch 5 zur Kühlung der Gärtemperatur in Nass-Fermenter-Biogasanlagen.Use of the device according to one of claims 1 to 4 or the method according to claim 5 for cooling the fermentation temperature in wet fermenter biogas plants. Verwendung des in der Zu- oder Abluft von BHKW-Aggregaten vorhandenen thermischen Energiepotentials, zur Kühlung der Gärsubstrat-Temperatur in Biogasanlagen.Use of in the supply or exhaust air of CHP units existing thermal energy potential, for cooling the fermentation substrate temperature in biogas plants.
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