DE102010006080A1 - Plant, useful for processing biomass and producing biogas, comprises mixing- and crushing device for incorporating solid biomass and fermentation liquid, fermentor for promoting fermentation of biomass mash and phase separation device - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur energetischen Verwertung von nachwachsenden Rohstoffen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Biogasanlage, in welcher bevorzugt Biomasse biochemisch aufbereitet und zur Biogaserzeugung verwendet wird, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Biogasanlage.The invention relates to a system and a method for the energetic utilization of renewable resources. In particular, the invention relates to a biogas plant, in which preferably biomass is processed biochemically and used for biogas production, and a method for operating such a biogas plant.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Als Biomasse werden Bestandteile von organischem Material bezeichnet, welche in einem definierten Ökosystem vorhanden sind, das biochemisch synthetisiert wurde. Derartige Biomasse, in der insbesondere biochemisch gespeicherte Sonnenenergie gebunden ist, kann auch als ein sich selbst erneuernder Energielieferant, d. h. als sogenannte ”nachwachsende Energiequelle” bezeichnet werden.Biomass refers to constituents of organic material that are present in a defined ecosystem that has been biochemically synthesized. Such biomass, in which in particular biochemically stored solar energy is bound, can also be used as a self-renewing energy supplier, i. H. be referred to as a so-called "renewable energy source".
Hierbei sind Pflanzen als sogenannte Primärproduzenten durch die Photosynthese in der Lage, aus für die Energiegewinnung nicht nutzbaren Stoffen (CO2, H2O, Mineralstoffe) unter Energiezufuhr große Mengen von Biomasse aufzubauen, welche nach der Umformung insbesondere in Form von Kohlehydraten zur Verfügung gestellt werden.Here are plants as so-called primary producers by photosynthesis in a position to build up from the non-renewable energy sources (CO 2 , H 2 O, minerals) while supplying energy with large amounts of biomass, which made available in particular in the form of carbohydrates after the transformation become.
Nicht nur in Entwicklungsländern, sondern in steigendem Masse auch in den Industrieländern sind derartige Biomassen in Form von Holz, pflanzlichen Stoffen und Dung zu einer wichtigen Energiequelle geworden.Not only in developing countries, but to an increasing extent also in the industrialized countries, such biomass in the form of wood, vegetable matter and manure have become an important source of energy.
Die Anlagen zur Verwertung von Biomassen werden als Bioreaktor oder auch als Biogasanlage bezeichnet. Sie weisen mindestens einen Behälter, den sogenannten Fermenter, auf, in dem bestimmte Mikroorganismen unter möglichst optimalen Bedingungen in einem Nährmedium kultiviert werden, um entweder die Zellen selbst, Teile von ihnen oder eines ihrer Stoffwechselprodukte, insbesondere das sogenannte Biogas, zu gewinnen und als Energieträger in großem Maße industriell oder in Haushalten nutzbar zu machen.The plants for the utilization of biomass are called bioreactor or biogas plant. They have at least one container, the so-called fermenter, in which certain microorganisms are cultured under optimal conditions in a nutrient medium, either to win the cells themselves, parts of them or one of their metabolites, especially the so-called biogas, and as an energy source to be used industrially or in households to a great extent.
Die vorgenannten, meist mehrstufig aufgebauten Bioreaktoren sind für einen Dauerbetrieb konzipiert und arbeiten kontinuierlich über mehrere Jahre. Derartige Biogaserzeuger weisen oftmals mehrere, stehend angeordnete, meist als zylindrische Hohlkörper ausgebildete Fermenter auf. Diese Fermenter besitzen ein Fassungsvermögen von bis zu mehreren tausend Kubikmetern.The aforementioned, mostly multi-stage bioreactors are designed for continuous operation and work continuously over several years. Such biogas generators often have several, standing arranged, usually designed as a cylindrical hollow body fermenter. These fermenters have a capacity of up to several thousand cubic meters.
Es sind im Wesentlichen drei unterschiedliche Verfahren zur Einbringung von Biomasse in einen Fermenter einer Biogasanlage bekannt. Erstens ist es bekannt, die im Wesentlichen feste Biomasse über Schnecken- oder Pressvorrichtungen direkt aus einem Vorratsbehälter in den Fermenter einzubringen. Damit es zu einer Vergärung im Fermenter kommt, wird oftmals zusätzlich eine Gärflüssigkeit (z. B. Gülle) in den Fermenter gepumpt. Zweitens ist es bekannt, die im Wesentlichen feste Biomasse in einer Mischpumpe mit Gärflüssigkeit zu vermischen und dieses Gemisch dem Fermenter zuzuführen. Derartige Mischpumpen werden beispielsweise von der Firma Vogelsang unter dem Produktnamen ”Quickmix”, von der Firma Börger unter dem Produktnamen ”SSR” und von der Firma Wangen unter dem Produktnamen ”Biomix” vertrieben. In einer Abwandlung dieses Verfahrens ist es drittens bekannt, die feste Biomasse und die Gärflüssigkeit in einer Vorgrube vorzumischen und dieses Gemisch dem Fermenter zuzuführen, beispielsweise ebenfalls mittels einer Pumpe.There are essentially three different methods for introducing biomass into a fermenter of a biogas plant known. First, it is known to introduce the substantially solid biomass via screw or pressing devices directly from a reservoir into the fermenter. In order to ferment it in the fermenter, a fermentation liquid (eg liquid manure) is often pumped into the fermenter. Secondly, it is known to mix the substantially solid biomass in a mixing pump with fermentation liquid and to supply this mixture to the fermenter. Such mixing pumps are marketed, for example, by Vogelsang under the product name "Quickmix", by Börger under the product name "SSR" and by the company Wangen under the product name "Biomix". Third, in a modification of this method, it is known to pre-mix the solid biomass and the fermentation liquid in a pre-pit and to supply this mixture to the fermenter, for example likewise by means of a pump.
Es ist ferner bekannt, bei den vorstehend beschriebenen herkömmlichen Verfahren weitere Verfahrensschritte zur Zerkleinerung der im Wesentlichen festen Biomasse vorzusehen, bevor diese in den Fermenter eingebracht wird, um den Gärprozess zu beschleunigen.It is also known, in the conventional methods described above, to provide further method steps for comminuting the substantially solid biomass before it is introduced into the fermenter in order to accelerate the fermentation process.
Bei den vorstehend beschriebenen Verfahren zur Einbringung der Biomasse in den Fermenter sind große Gärvolumina erforderlich, d. h. es wird ein Fermenter mit einem großen Fassungsvermögen benötigt, da die bei der Vergärung anfallende Flüssigkeit bzw. die hohen Wasseranteile von eingebrachter Gülle aufgrund der notwendigen Einhaltung der Verweilzeit im Fermenter nicht ausgeschleust werden können. Ein großes Fassungsvermögen des Fermenters bedeutet eine größere Oberfläche des Fermenters und somit einen hohen Energieverlust. Mit anderen Worten: die Effizienz der Biogasanlage wird reduziert. Bei herkömmlichen Verfahren, bei denen keine Vorzerkleinerung der Biomasse stattfindet, verstärkt sich dieser nachteilige Effekt dadurch, dass unzerkleinerte Biomassepartikel aufgrund ihrer geringen spezifischen Oberfläche lange Verweilzeiten im Fermenter bedingen. Ferner steigt mit der Zunahme des Fassungsvermögens eines Fermenters die Energiemenge, die dazu benötigt wird, die im Fermenter vergärende Biomasse zu verrühren, was wiederum zu einer Reduzierung der Effizienz der Biogasanlage führt. Schließlich führt auch das bei einigen bekannten Biogasanlagen erforderliche Einbringen von in der Regel kalter Gülle in den Fermenter zu einer Reduzierung der Effizienz solcher Anlagen.In the methods described above for introducing the biomass into the fermenter large fermentation volumes are required, d. H. It is a fermenter with a large capacity required because the resulting liquid in the fermentation or the high water content of introduced manure can not be discharged due to the necessary compliance with the residence time in the fermenter. A large capacity of the fermenter means a larger surface of the fermenter and thus a high energy loss. In other words: the efficiency of the biogas plant is reduced. In conventional processes in which no pre-comminution of the biomass takes place, this disadvantageous effect is intensified by the fact that un-shredded biomass particles cause long residence times in the fermenter due to their low specific surface area. Furthermore, as the capacity of a fermenter increases, the amount of energy needed to agitate the fermenting biomass in the digester increases, which in turn reduces the efficiency of the biogas plant. Finally, the introduction of usually liquid manure into the fermenter, which is required in some known biogas plants, also leads to a reduction in the efficiency of such plants.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine verbessere (insbesondere energetisch effizientere) Anlage zur Vergärung von Biomasse sowie ein solches Verfahren bereitzustellen. Insgesamt sollen die Vorteile der bekannten unterschiedlichen Anlagen zur Vergärung von Biomasse beibehalten werden, ohne dass deren Nachteile in Kauf genommen werden müssen.The present invention is therefore based on the object of providing an improved (in particular more energy-efficient) plant for the fermentation of biomass and to provide such a process. Overall, the advantages of the known different biomass fermentation plants are maintained without their disadvantages having to be accepted.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Diese Aufgabe wird bei durch eine Anlage zur Vergärung von Biomasse gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Vergärung von Biomasse gemäß Anspruch 10 gelöst.This object is achieved by a plant for the fermentation of biomass according to claim 1 and a method for the fermentation of biomass according to
Erfindungsgemäß wird vor dem Einbringen in den Fermenter die im Wesentlichen feste Biomasse, z. B. Maispflanzen, zusammen mit aus dem Fermenter stammender Gärflüssigkeit in einer Misch- und Zerkleinerungsvorrichtung zu einem Biomassebrei verarbeitet. Dabei bewirkt die Misch- und Zerkleinerungsvorrichtung, dass die Zellen der Biomassebestandteile zumindest zum Teil aufgebrochen werden und Zellinhaltsstoffe austreten, was zu einer besseren Vergärung des anschließend in den Fermenter eingebrachten Biomassebreis führt.According to the invention prior to introduction into the fermenter, the substantially solid biomass, z. B. corn plants, processed together with originating from the fermenter fermentation liquor in a mixing and crushing device to a biomass pulp. The mixing and crushing device causes the cells of the biomass components are at least partially broken and leak out cell contents, which leads to a better fermentation of the subsequently introduced into the fermenter biomass pulp.
Eine Phasentrennvorrichtung ist derart mit dem Fermenter verbunden, dass vergorener Biomassebrei aus dem Fermenter der Phasentrennvorrichtung zugeführt werden kann und die Phasentrennvorrichtung den Biomassebrei aus dem Fermenter in eine Feststoffphase und eine Flüssigphase trennen kann. Die von der Phasentrennvorrichtung bereitgestellte Flüssigphase stellt die aus dem Fermenter stammende Gärflüssigkeit dar, mit der weitere Biomasse in der Misch- und Zerkleinerungsvorrichtung zu einem Biomassebrei verarbeitet werden kann, um diesen wiederum dem Fermenter zuzuführen.A phase separation device is connected to the fermenter so that fermented biomass pulp from the fermenter can be fed to the phase separation device and the phase separation device can separate the biomass pulp from the fermentor into a solid phase and a liquid phase. The liquid phase provided by the phase separation device represents the fermentation liquid originating from the fermenter, with which further biomass in the mixing and comminution device can be processed into a biomass pulp, in order to feed it to the fermenter again.
Vorzugsweise wird bei der erfindungsgemäßen Anlage zur Vergärung von Biomasse die im Wesentlichen feste Biomasse zunächst in eine Einspeisungs- und Vorzerkleinerungsvorrichtung eingespeist. Vorzugsweise handelt es sich bei den Einspeisungs- und Vorzerkleinerungsvorrichtung um einen Behälter mit einem Einspeisungstrog und einer Rachenpumpe in Kombination mit einem Schneidsieb, wobei über den Einspeisungstrog in den Behälter eingebrachte Biomasse in die Rachenpumpe fällt und von der Rachenpumpe in Richtung des Lochsiebs befördert und durch dieses hindurch gedrückt wird. Dabei erfolgen vorteilhafter Weise eine Vorzerkleinerung der Biomasse und eine Aussortierung von Fremdkörpern, die Dimensionen aufweisen, die größer als der Durchmesser der Löcher des Lochsiebs sind.Preferably, in the plant according to the invention for the fermentation of biomass, the substantially solid biomass is first fed into a feed and pre-crushing device. Preferably, the feeding and pre-crushing device is a container having a feed trough and a throat pump in combination with a cutting screen, wherein biomass introduced into the container via the feed trough falls into the throat pump and is conveyed by the throat pump in the direction of the perforated screen and therethrough is pushed through. In this case, a pre-shredding of the biomass and a sorting out of foreign bodies, which have dimensions which are larger than the diameter of the holes of the perforated screen, are advantageously carried out.
Stromabwärts des Lochsiebs befindet sich die Misch- und Zerkleinerungsvorrichtung, in welche die vorzerkleinerte Biomasse zusammen mit der von der Phasentrennvorrichtung bereitgestellten Gärflüssigkeit aus dem Fermenter eingebracht wird. Vorzugsweise wird in der Misch- und Zerkleinerungsvorrichtung das Gemisch aus vorzerkleinerter Biomasse und aus dem Fermenter stammender Gärflüssigkeit mittels wenigstens einer rotierenden Messerscheibe vermischt und weiter zerkleinert. Dabei ist die Messerscheibe vorzugsweise derart ausgestaltet, dass die Zerkleinerung so stark ist, dass die Zellen der Pflanzenbestandteile der Biomasse zumindest zum Teil aufgebrochen werden und Zellinhaltsstoffe austreten. Der dabei entstehende Brei aus Biomasse und aus dem Fermenter stammender Gärflüssigkeit ist besonders gut dazu geeignet, im Fermenter vergoren zu werden.Downstream of the perforated screen is the mixing and crushing device, in which the pre-shredded biomass is introduced from the fermenter together with the fermentation liquid provided by the phase separation device. Preferably, in the mixing and crushing device, the mixture of pre-shredded biomass and fermenter liquid originating from the fermenter is mixed by means of at least one rotating cutter disk and further comminuted. In this case, the cutting disc is preferably designed such that the comminution is so strong that the cells of the plant constituents of the biomass are at least partially broken up and cell contents escape. The resulting slurry from biomass and from the fermenter derived fermentation liquid is particularly well suited to be fermented in the fermenter.
Es hat sich in Testversuchen gezeigt, dass je nach Substrat eine Messerumfanggeschwindigkeit zwischen ungefähr 26 und 35 m/s die besten Ergebnisse liefert, und zwar bei einem Durchmesser des Messers von 60 cm. Die Verweilzeit in der Misch- und Zerkleinerungsvorrichtung sollte je nach Faserlänge und dem Feststoffgehalt der Biomasse zwischen 100 und 200 s liegen, vorzugsweise zwischen 120 und 180 s. Bei Testversuchen hat sich ein Fassungsvermögen der Misch- und Zerkleinerungsvorrichtung von 1500 Liter als vorteilhaft erwiesen.It has been shown in test experiments that, depending on the substrate, a knife peripheral speed of between approximately 26 and 35 m / s gives the best results, namely with a diameter of the knife of 60 cm. The residence time in the mixing and comminution device should be between 100 and 200 s, preferably between 120 and 180 s, depending on the fiber length and the solids content of the biomass. In tests, a capacity of the mixing and crushing device of 1500 liters has proved to be advantageous.
Bei der Phasentrennvorrichtung zur Erzeugung von Gärflüssigkeit aus dem Fermenter handelt es sich vorzugsweise um eine Pressschnecke, an die ein Pufferbehälter für die Aufbewahrung der von der Pressschnecke erzeugten Gärflüssigkeit angeschlossen ist. Der von der Phasentrennvorrichtung erzeugte Presskuchen (d. h. die Festphase) kann in einem weiteren Pufferbehälter für eine weitere Verwendung zwischengelagert werden oder entsorgt werden. Alternativ kann der in der Phasentrennvorrichtung anfallende Presskuchen (Festphase) wiederum in den Fermenter eingebracht werden.The phase separation device for producing fermentation liquid from the fermenter is preferably a compression screw, to which a buffer container is connected for the storage of the fermentation liquid produced by the pressing screw. The presscake (i.e., the solid phase) produced by the phase separator may be stored in a further buffer container for further use or disposed of. Alternatively, the obtained in the phase separation device press cake (solid phase) can be introduced into the fermenter again.
Weitere Vorteile der Erfindung und bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus der nachfolgenden gegenständlichen Beschreibung, den Merkmalen der Unteransprüche und der Zeichnung.Further advantages of the invention and preferred embodiments will become apparent from the following objective description, the features of the dependent claims and the drawings.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.A preferred embodiment of the invention is illustrated in the accompanying drawings.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform Detailed Description of a Preferred Embodiment
Die Erfindung soll nun anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert werden.The invention will now be explained in more detail with reference to a preferred embodiment.
Stromabwärts des Lochsiebs
Vorzugsweise wird in der Misch- und Zerkleinerungsvorrichtung
Bei der in
Der in der Misch- und Zerkleinerungsvorrichtung
Beispielsweise mittels einer Pumpe kann vergorener Biomassebrei aus dem Fermenter
Vorzugsweise handelt es sich bei der Phasentrennvorrichtung
Bei Bedarf, wenn beispielsweise weitere Biomasse in die Einspeisungs- und Vorzerkleinerungsvorrichtung
Optional kann zwischen der Phasentrennvorrichtung
Vorteile der erfindungsgemäßen Biogasanlage bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind: ein gesteigerter Biogasertrag pro Tonne Biomasse; eine verbesserte Ausnutzung des gegebenen Fassungsvermögens eines Fermenters; die Möglichkeit, kleinere Fermenter einzusetzen; ein erhöhter Methanertrag (13–19%); der Trockenmassegehalt des Biomassebreis im Fermenter lässt sich über den Anteil der zurückgeführten Festphase beliebig einstellen; die Verweilzeit des Biomassebreis ist nicht mehr von der hydraulischen Verweilzeit im Fermenter abhängig, vielmehr wird diese jetzt durch den maximal möglichen Trockenmassegehalt im Biomassebrei bestimmt und somit, bezogen auf das Gärvolumen, stark erhöht; durch die extrem starke Zerkleinerung in der Misch- und Zerkleinerungsvorrichtung wird der Biomassebrei sehr homogen und ist leicht pump- und rührfähig (Energieersparnis).Advantages of the biogas plant according to the invention or of the process according to the invention are: an increased biogas yield per ton of biomass; an improved utilization of the given capacity of a fermenter; the possibility to use smaller fermenters; increased methane yield (13-19%); the dry matter content of the biomass pulp in the fermenter can be adjusted as desired via the proportion of recycled solid phase; the residence time of the biomass pulp is no longer dependent on the hydraulic residence time in the fermenter, but this is now determined by the maximum possible dry matter content in Biomassebrei and thus, based on the fermentation volume, greatly increased; Due to the extremely high degree of comminution in the mixing and crushing device, the biomass pulp becomes very homogeneous and can easily be pumped and stirred (energy saving).
Die vorstehende gegenständliche Beschreibung der Erfindung dient nur Erläuterungszwecken. Die Erfindung ist keinesfalls auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann von einem Fachmann auf eine ihm zweckmäßig erscheinende Weise an individuelle Betriebsanforderungen angepaßt werden, die möglicherweise von den beschriebenen Betriebsbedingungen abweichen. Ferner wird der Fachmann erkennen, dass die hierin verwendeten Begriffe, wie ”vorne” bzw. ”hinten”, ”oben” bzw. ”unten”, ”außen” bzw. ”innen” und dergleichen, nicht dazu gedacht sind, die Orientierung der dadurch näher gekennzeichneten erfindungsgemäßen Elemente in irgendeiner Weise zu beschränken, sondern lediglich dazu dienen, diese Elemente von einander zu unterscheiden.The foregoing objective description of the invention is for explanatory purposes only. The invention is in no way limited to the embodiment described, but may be adapted by a person skilled in a seemingly appropriate manner to individual operating requirements that may differ from the described operating conditions. Further, those skilled in the art will recognize that the terms used herein, such as "forward," "upper," "lower," "outer," and the like, are not intended to indicate the orientation of the In this way, the elements according to the invention which are specified in greater detail are restricted in any way, but merely serve to distinguish these elements from one another.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Biogasanlagebiogas plant
- 2020
- Einspeisungs- und VorzerkleinerungsvorrichtungInfeed and pre-crushing device
- 2222
- Einspeisungstrogfeed trough
- 2424
- Rachenpumperevenge pump
- 2626
- Lochsiebstrainer
- 3030
- Misch- und ZerkleinerungsvorrichtungMixing and crushing device
- 3131
- Mischbehältermixing tank
- 3232
- Messerscheibediameter disc
- 3333
- Rührwerkagitator
- 3434
- Motorengine
- 3535
- SchwenkeinrichtungPivot means
- 3636
- Zufuhr- bzw. AbfuhranschlussSupply and discharge connection
- 4040
- Fermenterfermenter
- 5050
- Pufferbehälter für BiomassebreiBuffer tank for biomass porridge
- 6060
- PhasentrennvorrichtungPhase separator
- 7070
- Pufferbehälter für FlüssigphaseBuffer tank for liquid phase
- 8080
- Pufferbehälter für FestphaseBuffer tank for solid phase
Claims (10)
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DE (1) | DE102010006080A1 (en) |
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ITTO20130914A1 (en) * | 2013-11-12 | 2014-02-11 | Lucio Sanasi | THERMAL HYDROLISER FOR ORGANIC SUBSTANCE AGENT AT TEMPERATURE, PRESSURE AND AGITATION WITH THE COMBINATION OF THE DISMANTLING OF THE ORGANIC MATERIAL, SUCH AS TO MAKE IT READY FOR FAST BIO-MANAGEMENT. THE ACHIEVEMENT OF TEMPERATURE COMES OPT |
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- 2010-01-28 DE DE102010006080A patent/DE102010006080A1/en not_active Ceased
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R016 | Response to examination communication | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |