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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hygienisierung von pumpfähiger Biomasse für die Verwendung bei der Erzeugung von Biogas.
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Für die Erzeugung von Biogas wird bekannterweise Biomasse aus unterschiedlichsten Herkunftsstellen vergoren und derartige Biomasse ist insbesondere unter seuchenhygienischen Aspekten zu hygienisieren, um einer unerwünschten Ausbreitung von Krankheiten o. ä. entgegenzuwirken.
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Diesbezüglich wird in der EU-Richtlinie 1774/2002 für derartig zu hygienisierende Stoffe eine Behandlung vorgeschrieben, bei der diese chargen- oder batchweise für mindestens eine Stunde auf Temperaturen von mehr als 70°C gehalten werden. Nur derartig vorbehandelte Biomasse darf für die anschließende Gärung zur Gewinnung von Biogas verwandt werden.
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Es wird in diesem Zusammenhang als nachteilig empfunden, dass die batch- oder chargenweise Erwärmung auf die genannten Temperatur bereits erhebliche Zeit in Anspruch nimmt, so dass von dem Zeitpunkt, von dem begonnen wird, eine Charge zu befüllen, bis zum Ende der genannten mind. 60-minütigen Haltedauer ein erheblich längerer Zeitraum vergeht, als nur die genannten 60 Minuten. Insbesondere muss bis zum Beginn der Haltedauer außerdem eine Durcherwärmung der gesamten Charge auf mindestens 70°C gewährleistet sein. Daraus ergibt sich, dass ein erheblicher insbesondere auch behältermäßiger Aufwand betrieben werden muss, um bei dem chargenweisen Betrieb die beispielsweise in kommunalen Anlagen anfallenden Mengen kontinuierlich bzw. quasi-kontinuierlich verarbeiten zu können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Hygienisierung von pumpfähiger Biomasse anzugeben, bei dem die Biomasse auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird, das schneller und damit insbesondere auch im Hinblick auf die vorzusehenden Lagervolumen mit geringerem Aufwand betreibbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die pumpfähige Biomasse mit Dampf vermischt wird, der zuvor auf eine Geschwindigkeit beschleunigt wurde, die über seiner Schallgeschwindigkeit liegt, und dass dann in dem sich ergebenden Gemisch in einem Verdichtungsstoß der Dampf kondensiert und das Gemisch auf eine Geschwindigkeit gebremst wird, die unterhalb der Schallgeschwindigkeit des Gemisches liegt.
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Durch die Vermischung des mit Überschall strömenden Dampfes mit der pumpfähigen Biomasse wird zunächst eine besonders gleichmäßige Verteilung des Dampfes innerhalb der Mischung bewirkt. Der Erfindung liegt dabei die besondere Erkenntnis zugrunde, dass die Vermischung von mit Überschallgeschwindigkeit strömendem Dampf mit der pumpfähigen Biomasse eine extrem homogene Mischung ergibt.
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Hierfür wird zum einen der hohe Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem Dampf, der Überschallgeschwindigkeit hat, und der pumpfähigen Biomasse, die eine demgegenüber vernachlässigbare Geschwindigkeit aufweist, verantwortlich gemacht. Hinzu kommt aber auch, dass sich die Schallgeschwindigkeit eines 2-Phasen-Gemisches – wie es bei dem Dampf-Biomassen-Gemisch vorliegt – über dessen prozentuale Zusammensetzung verändert, aber nicht linear. Das heißt, die Schallgeschwindigkeit ist bei 100% Dampf anders als bei 100% Flüssigkeit und ändert sich in Abhängigkeit des Verhältnisses von Dampf zu Flüssigkeit. Dabei ist die Schallgeschwindigkeit sowohl bei 100% Dampf als auch bei 100% Flüssigkeit höher als bei Vorliegen eines Gemisches. Damit strömt letztlich sowohl der für das Mischen zugeführte Dampf mit einer Geschwindigkeit, die größer ist als die (für Dampf spezifische) Schallgeschwindigkeit, als auch das entstehende Gemisch, dessen Geschwindigkeit ebenfalls höher ist als die (für das Gemisch spezifische) Schallgeschwindigkeit. Obwohl also die absolute Geschwindigkeit des Gemisches erheblich niedriger ist als die absolute Geschwindigkeit des Dampfes, strömen beide erfindungsgemäß jeweils mit (allerdings spezifischen, unterschiedlichen) Überschallgeschwindigkeiten.
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Durch die anschließende Kondensation des Dampfes innerhalb der 2-Phasenströmung in einem Verdichtungsstoß wird einerseits die dabei frei werdende Kondensationswärme dann auf den Biomassenanteil des Gemisches übertragen, wodurch dieser in kürzester Zeit auf die gemäß den Hygienisierungsvorschriften benötigte Temperatur von über 70°C gebracht wird.
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Andererseits ergibt sich dabei aber aufgrund des in einem Verdichtungsstoß lokal eng begrenzten Überganges von der Überschallströmung auf die Unterschallstörung bei gleichzeitigem Übergang von einer Zwei-Phasenströmung zu einer Ein-Phasenströmung an dieser Stelle kontinuierlich eine erhebliche lokale Druckerhöhung. Hierdurch wird der weitere Vorteil erreicht, dass hier auf die einzelnen Partikel der Biomasse hohe Scherkräfte wirken, die zu deren Aufbrechen, Zerkleinerung und Zerfaserung führen.
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Eine derart aufgebrochene, zerkleinerte und zerfaserte Biomasse verspricht insbesondere eine höhere Ausbeute an Biogas in der anschließenden Vergärung.
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Aufgrund dieses Druckstoßes ist außerdem sogar davon auszugehen, dass die Mikroorganismen, die bei der bekannten Hygienisierung abgetötet werden sollen, bereits zum großen Teil – wenn nicht sogar vollständig – quasi mechanisch zerstört werden.
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Unabhängig davon ist es dennoch möglich, das wie oben beschrieben abgebremste Gemisch in einem Tank zwischenzulagern, bevor es zur Weiterverarbeitung in der Vergärungsanlage gepumpt wird.
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Es ist dabei im Rahmen der Erfindung, die Temperatur in dem Tank auf einem Wert von > 70°C zu halten, um den gesetzlichen Forderungen buchstabengetreu Folge zu leisten. Alternative Haltetemperaturen sind dann insbesondere auch 95°C/100°C/105°C/110°C.
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Die Erfindung hat dann gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Erwärmung der Biomasse in einem erheblich kürzeren Zeitraum möglich ist und aufgrund der beschriebenen Desintegration der Biomasse auch die Durcherhitzung vollständig gewährleistet ist.
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Unter diesen Gesichtspunkten ist es sichergestellt, dass die Zwischenlagerungen in den Tanks auch wirklich nur etwa eine Stunde dauert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die pumpfähige Biomasse vor der Vermischung mit dem Dampf auf eine Teilchengröße von ca. 8 mm vorzugsweise auf eine Teilchengröße von ca. 5 mm zerkleinert. Hierzu werden handelsübliche Mazeratoren verwandt. Bei einer Größe der Partikel in dem genannten Bereich ist die Zerfaserung der Teilchen durch den oben genannten Verdichtungsstoß gewährleistet.
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Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die pumpfähige Biomasse vor der Vermischung mit dem Dampf in einem Wärmetauscher vorerwärmt auf eine Temperatur von ca. 60°C.
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Dies hat zum einen den Vorteil, dass Wärme, die der Biomasse, die zur Vergärung fließt, entnommen wird, in dem Verfahren weiter genutzt werden kann. Zum anderen ist damit auch zu erreichen, dass die Temperatur des wie oben beschrieben auf Unterschallgeschwindigkeit gebremsten Gemisches entsprechend höher ist. Damit kann dann insbesondere auf die oben angesprochene Zwischenlagerung des Gemisches in einem Tank verzichtet werden, da die höhere Temperatur eine Sterilisation bewirkt und durch ein Lagern des erwärmten Biomassegemisches bei einer Pasteurisierungstemperatur von 70°C die gewünschte Hygienisierung nicht mehr zu verbessern ist. In diesem Fall kann das Verfahren auch kontinuierlich betrieben werden und die Biomasse muss nicht batch- oder chargenweise behandelt werden. Dies bringt weitere erhebliche apparative Einsparungen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt
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1 die Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der 1 erkennt man die Prinzipskizze einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Biomasse, die in einer Bio-Gas-Erzeugungsanlage verarbeitet werden soll, wird zunächst in einen Lagertank 1 angeliefert. Dieser Tank hat ein Volumen, das groß genug ist für ca. 40 Tonnen entsprechender Biomasse. Bei dieser Biomasse handelt es sich beispielsweise um Essensreste, Schlachtabfälle o. ä.
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Durch eine Leitung 2, die durch ein Ventil 3 geöffnet werden kann, fließt entsprechende Biomasse durch eine Pumpe 4 bewegt zu einem Mazerator 5, wo sie auf eine Partikelgröße von < ca. 5 mm zerkleinert wird.
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Die derart vorbearbeitete Biomasse wird dann über ein Durchflussmessgerät 6 in einen Wärmetauscher 7 geleitet und vorgewärmt. Hierzu fließt dem Wärmetauscher 7 über einen Heißwasserzulauf 8 heißes Wasser zu, das über einen Rücklauf 9 zurückgeführt wird.
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Das Wasser im Wasservorlauf 8 hat eine Temperatur von insbesondere 70°C oder bei anderen Anwendungen auch 80°C. Damit wird in dem Wärmetauscher 7 die durchlaufende Biomasse im Gegenstrom von einer Temperatur von ca. 15°C auf eine Temperatur von 60°C oder auch 70°C erwärmt.
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Die derart vorgewärmte Biomasse wird dann in einen Injektor 10 eingeführt. In diesem wird von einem Dampferzeuger 11 über eine Dampfleitung 12 Dampf zugeführt.
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Der Dampf kann einen Druck zwischen 0,1 bar und 5 bar haben, insbesondere von etwa 3 bar und eine Temperatur von 100°C–160°C, vorzugsweise von ca. 140°C.
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Der Dampf wird zunächst auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, was in bekannter Weise über eine Laval-Düse erfolgt, und dann mit der erwärmten Biomasse vermischt.
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Das Verhältnis von Masse an Dampf zu Masse an Biomasse sollte dabei vorzugsweise im Bereich von 0,1:100 bis 20:100, insbesondere bei etwa 2:100 liegen.
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Da die Durchmischung von Dampf und Biomasse in einem Bereich geschieht, in dem der Dampf mit einer Überschallgeschwindigkeit strömt, wird ein sehr homogenes 2-Phasen-Gemisch erreicht.
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Das derart erzeugte 2-Phasen-Dampf-Biomassen-Gemisch wird danach über eine Mischstrecke innerhalb des Injektors geführt, bei der der Dampf seine Energie an die ihn umgebende Biomasse abgibt, wobei insbesondere auch die dabei entstehende Kondensationswärme ebenfalls in den Biomasse-Anteil des Gemisches überführt wird und dessen Temperatur deutlich erhöht.
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Insbesondere wird sichergestellt, dass bei der abschließenden Kondensation des Dampfes ein Verdichtungs- bzw. Druckstoß auftritt, denn die dabei entstehende Druckerhöhung führt zu einem Zerplatzen der in dem Biomasse-Anteil des Gemisches vorhandenen Teilchen.
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Der Druckstoß kann dabei über konstruktive Elemente wie eine konvergente Düse oder durch eine entsprechende Drosselung des abströmenden Mediums bewirkt und bzgl. seines Entstehungsortes beeinflusst werden. Auch eine gezielte Zugabe von weiterer Flüssigkeit (insbesondere von vorverarbeiteter Biomasse) zur Bewirkung des Druckstoßes ist möglich.
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An der Stelle des Druckstoßes geht damit das Zwei-Phasen-Gemisch in eine Ein-Phasen-Strömung über, die dann abschließend im Injektor z. B. in einem Diffusor auf eine Unterschallgeschwindigkeit abgebremst wird.
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Die Biomasse, die jetzt also eine sehr hohe Temperatur hat und nur noch aus kleinsten Teilchen besteht, wird dann durch Leitung 13 zu einem von mehreren Warm-Lagertanks 14 geleitet.
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Diese Warm-Lagertanks 14 werden über einen Heizwasservorlauf 15, der Wasser mit Temperatur von ca. 70°C in einen Heizmantel 16 des Warm-Lagertanks 14 leitet, auf einer Temperatur von ca. 70°C gehalten, um die in dem Tank befindliche Masse buchstabengetreu gemäß den geltenden Regelungen bei einer Temperatur von 70°C zu lagern.
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Nach einer Stunde Lagerzeit wird die Biomasse abschließend über eine Absaugpumpe 17 zum weiteren Vergären in einen Faulturm 18 geleitet.
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Der hier beschriebene Prozess kann insgesamt über eine Steuerung 19 überwacht und geregelt werden.
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Der guten Ordnung halber sei noch darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Leitungen mit nicht einzeln bezeichneten Ventilen versehen sind.
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Außerdem ist beispielsweise eine Reinigungsleitung 20 vorgesehen oder auch eine Rückkopplungsleitung 21. Letztere wird beispielsweise genutzt, um beim Anfahren der hier beschriebenen Anlage im Injektor 10 noch nicht auf die gewünschte Temperatur erwärmte Biomasse in den Tank 1 zurückzuführen. Diese Rückkoppelungsleitung 21 kann nach Abschluss der Anfahrphase geschlossen werden.
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Es ist auch möglich, auf die Tanks 14 zu verzichten und über die Leitung 13 die dort vorhandene Biomasse direkt in den Faulturm zu leiten, wenn in der Biomasse eine ausreichende Hygienisierung bereits sichergestellt ist. Von dieser kann beispielsweise ausgegangen werden, wenn die Temperatur am Austritt des Injektors 10 bei einer für eine Sterilisation üblichen Temperatur liegt, die erheblich höher liegt als die gemäß den Vorschriften für die Hygienisierung vorgesehenen Temperaturen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- EU-Richtlinie 1774/2002 [0003]
