DE102010043630A1 - Method for increasing concentration of methane biogas, comprises supplying hydrogen and a liquid hydrolyzate in a methane level to a two-stage biogas process or supplying the hydrogen to a methane reactor above the hydrolyzate - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Anlage und einen Methanreaktor zur Erhöhung der Methankonzentration des Biogases aus Biogasanlagen.The invention relates to a method, a plant and a methane reactor for increasing the methane concentration of the biogas from biogas plants.
Die Gewinnung von Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen, bioverfügbaren Abfällen und sonstigen Einsatzstoffen erfolgt mit Hilfe von Biogasanlagen, in denen Mikroorganismen eine biochemische Umwandlung dieser Stoffe in Biogas, bestehend aus den Hauptkomponenten Methan und Kohlendioxid, vornehmen.The production of biogas from renewable raw materials, bioavailable waste and other input materials is carried out with the help of biogas plants in which microorganisms make a biochemical conversion of these substances into biogas, consisting of the main components methane and carbon dioxide.
Die Umwandlung von biologisch abbaubaren Stoffen (im Folgenden als biogene Stoffe bezeichnet) in Biogas erfolgt über mehrere biochemische Schritte, der Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanogenese.The conversion of biodegradable substances (hereinafter referred to as biogenic substances) into biogas takes place via several biochemical steps, hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis.
In der Hydrolyse werden wasserlösliche Bestandteile aus den biogenen Stoffen herausgelöst sowie durch mehrere Arten extrazellulärer Enzyme nicht wasserlösliche biogene Stoffe in wasserlösliche, in der Regel niedermolekulare, Stoffe zersetzt. Zur Beschleunigung bestimmter Abbauvorgänge können auch sogenannte Fremdenzyme eingesetzt werden. In der folgenden Acidogenese werden die in der Hydrolyse gelösten Stoffe in niedere organische Säuren, wie niedere Fettsäuren und Aminosäuren, umgewandelt. In der Acetogenese werden die organischen Säuren in Essigsäure unter Bildung von CO2 umgewandelt. Die Produkte der Acetogenese werden in der Methanogenese mit Hilfe von methanbildenden Bakterien (im folgenden Methanbildner genannt) zu Methan umgewandelt.In hydrolysis, water-soluble constituents are dissolved out of the biogenic substances and, as a result of several types of extracellular enzymes, non-water-soluble biogenic substances are decomposed into water-soluble, generally low molecular weight, substances. To accelerate certain degradation processes and so-called Fremdenzyme can be used. In the following acidogenesis, the substances dissolved in the hydrolysis are converted into lower organic acids, such as lower fatty acids and amino acids. In acetogenesis, the organic acids are converted to acetic acid to form CO 2 . The products of acetogenesis are converted to methane in methanogenesis with the help of methane-forming bacteria (hereinafter called methanogens).
Diese Prozesse finden in einstufigen Biogasanlagen zeitlich und räumlich nebeneinander statt. In zweistufigen Verfahren werden die Teilschritte Hydrolyse und Acidogenese (erste Stufe) von den Teilschritten Acetogenese und insbesondere Methanogenese (zweite Stufe) apparate- und prozesstechnisch getrennt. Dadurch werden eine bessere Steuerbarkeit und eine höhere Stabilität des Verfahrens erreicht. Im üblichen Sprachgebrauch wird die erste Stufe des zweistufigen Biogasverfahrens häufig nur als Hydrolyse und die zweite Stufe als Methanstufe bezeichnet. Die Hydrolyse findet im sogenannten Hydrolysereaktor statt, die Methanisierung im Methanreaktor. Die die Hydrolyse verlassende wässrige Lösung wird gemeinhin als Hydrolysat bezeichnet. Im Folgenden wird diese vereinfachende Sprachweise ebenfalls genutzt.These processes take place in single-stage biogas plants in temporal and spatial juxtaposition. In two-stage procedures, the sub-steps of hydrolysis and acidogenesis (first stage) of the sub-steps acetogenesis and especially methanogenesis (second stage) are separated apparatus and process technology. As a result, a better controllability and a higher stability of the method are achieved. In common usage, the first stage of the two-stage biogas process is often referred to only as hydrolysis and the second stage as a methane stage. The hydrolysis takes place in the so-called hydrolysis reactor, the methanation in the methane reactor. The aqueous solution leaving the hydrolysis is commonly referred to as hydrolyzate. In the following, this simplistic language is also used.
Im Hydrolysereaktor erfolgt der Abbau der biogenen Stoffe zu niederen organischen Säuren unter Bildung eines Hydrolysegases, welches als Hauptkomponenten Wasserstoff und Kohlendioxid enthält. Die thermischen Bedingungen der Hydrolyse haben hierbei einen erheblichen Einfluss auf die chemische Zusammensetzung des Hydrolysegases. So wird bei thermophilen und hyperthermophilen Bedingungen ein erhöhter Anteil an Wasserstoff im Hydrolysegas festgestellt. Die maximale Bildung von Wasserstoff kann nach 1–3 Tagen beobachtet werden, diese fällt anschließend wieder. Das Hydrolysegas wird üblicherweise aus dem Prozess abgeführt. Eine prozesstechnische Nutzung des Hydrolysegases wird derzeit nicht vorgenommen.In the hydrolysis reactor, the degradation of the biogenic substances to lower organic acids takes place to form a hydrolysis gas which contains hydrogen and carbon dioxide as main components. The thermal conditions of the hydrolysis in this case have a significant influence on the chemical composition of the hydrolysis gas. Thus, in thermophilic and hyperthermophilic conditions, an increased proportion of hydrogen in the hydrolysis gas is detected. The maximum formation of hydrogen can be observed after 1-3 days, this then falls again. The hydrolysis gas is usually removed from the process. A process-technical use of the hydrolysis gas is currently not carried out.
Im Methanreaktor kann die Methanogenese nach gegenwärtigem Stand des Wissens auf zwei Wegen erfolgen, der acetotrophen und der hydrogenotrophen Umwandlung. Bei der acetotrophen Umwandlung wird aus Essigsäure Methan mit Kohlendioxid als Nebenprodukt gebildet. Bei der hydrogenotrophen Umwandlung erfolgt die Bildung von Methan aus Wasserstoff und Kohlendioxid mit Wasser als Nebenprodukt gemäß folgender Formel (1):
Beide Vorgänge laufen in herkömmlichen ein- und mehrstufigen Biogasanlagen ohne bisher steuerbare Bevorzugung parallel ab. Bisher wurde davon ausgegangen, dass der Großteil des entstehenden Methans durch die acetotrophe Umwandlung gebildet wird, und die hydrogenotrophe Umwandlung nur einen geringen Anteil der Methanbildung ausmacht.Both processes take place in conventional single and multi-stage biogas plants without previously controllable preference in parallel. So far, it has been assumed that the majority of the resulting methane is formed by the acetotrophic conversion, and the hydrogenotrophic conversion accounts for only a small proportion of methane formation.
Sowohl die acetotrophe Umwandlung als auch die hydrogenotrophe Umwandlung wird von einer Biozönose aus entsprechenden Mikroorganismen vollzogen, den acetotrophen Methanbildnern beziehungsweise den hydrogenotrophen Methanbildnern. In jüngster Zeit ist gefunden worden, dass in der Methanstufe zweistufiger Anlagen große Populationen und eine hohe Diversität solcher Mikroorganismen vorhanden sind, die die hydrogenotrophe Umwandlung vollziehen.Both the acetotrophic conversion and the hydrogenotrophic conversion are carried out by a biocenosis of corresponding microorganisms, the acetotrophic methanogens or the hydrogenotrophic methanogens. Recently, it has been found that in the methane stage of two-stage plants there are large populations and a high diversity of such microorganisms that undergo the hydrogenotrophic transformation.
Die im entstehenden Biogas enthaltene Konzentration des hauptsächlichen Energieträgers Methan schwankt für einstufige Anlagen, je nach Art des Einsatzstoffes zwischen etwa 45% und 70%. In zwei- und mehrstufigen Anlagen können Methankonzentrationen zwischen 50% und 80% erreicht werden.The concentration of the main energy carrier methane contained in the resulting biogas fluctuates between 45% and 70% for one-stage plants, depending on the type of feedstock. In two- and multi-stage plants, methane concentrations between 50% and 80% can be achieved.
Diese Methankonzentrationen eignen sich ohne nachfolgende Prozessstufen zur Konzentrationserhöhung des Methans für den Betrieb von Gasmotoren oder -turbinen. Für die Einspeisung in das Gasnetz oder für die Verwendung als Kraftstoff sind jedoch je nach geforderter Gasqualität höhere Methankonzentrationen erforderlich.These methane concentrations are suitable without subsequent process steps to increase the concentration of methane for the operation of gas engines or turbines. Depending on the required gas quality, however, higher methane concentrations are required for feeding into the gas network or for use as fuel.
Nach bisherigem Stand der Technik können Methankonzentrationen oberhalb von 80% auf biologischem Wege in technischen Biogasanlagen nicht erzeugt werden. Man verwendet daher verschiedene chemische, physikalische oder physikochemische Verfahren zur gänzlichen oder teilweisen Entfernung des Kohlendioxids bei Minimierung der Methanverluste. Das Kohlendioxid wird dann entweder in die Atmosphäre entlassen oder chemisch gebunden. Dabei kann es zum Verlust („Schlupf”) eines Teils des Methans kommen. Diese Verfahren sind technisch gut eingeführt und haben sich praktisch bewährt, jedoch ist deren Anwendung mit höheren Investitionskosten, einem erheblichen Energiebedarf und gegebenenfalls einem Chemikalienverbrauch verbunden.According to the prior art, methane concentrations above 80% can not be obtained biologically in technical biogas plants be generated. Therefore, various chemical, physical or physicochemical methods are used to remove all or part of the carbon dioxide while minimizing methane losses. The carbon dioxide is then either released into the atmosphere or chemically bound. This can lead to the loss ("slippage") of a part of the methane. These methods are technically well established and have proven to be practical, but their application is associated with higher investment costs, a significant energy consumption and possibly a consumption of chemicals.
Die Optimierung des Prozesses zur Bildung von Biogas mit hohen Methankonzentrationen auf biologischem Weg ist somit auch wirtschaftlich von hohem Belang.The optimization of the process for the formation of biogas with high methane concentrations on biological way is therefore also of high economic importance.
Es sind Vorschläge bekannt, die die hydrogenotrophe bakterielle Umsetzung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus externen Quellen zu Biogas vorsehen. In der Patentschrift
Nach der Patentschrift
In der Patentschrift
Die Patentschrift
Die Patentschrift
Nach wie vor besteht ein hoher Bedarf an Anlagen zur Erzeugung von Biogas mit erhöhter Methanausbeute.There is still a high demand for biogas production plants with increased methane yield.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, einer Anlage und eines Methanreaktors, mit dem die Anreicherung von Methan im Biogas auf biologischem Wege, also im Biogasverfahren selbst, möglich ist, um somit eine weitere Aufreinigung des Biogases zu minimieren.The object of the invention is to provide a process, a plant and a methane reactor, with which the enrichment of methane in the biogas by biological means, ie in the biogas process itself, is possible in order to minimize further purification of the biogas.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Erhöhung der Methankonzentration des Biogases aus Biogasanlagen gelöst, bei dem Wasserstoff und Hydrolysat einer Methanstufe eines zweistufigen Biogasverfahrens zugeleitet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:
- – Wasserstoff wird einem Methanreaktor der Methanstufe oberhalb des Hydrolysats zugeleitet,
- – das Hydrolysat wird unterhalb der Wasserstoffzufuhr aus dem Methanreaktor abgeleitet. So ist der Methanreaktor prozesstechnisch in eine mit Hydrolysat durchströmte Untersäule, die den Teil des Methanreaktors zwischen Einlass und Auslass des Hydrolysats darstellt, und eine Obersäule, die den Teil des Methanreaktors zwischen Gaszuleitung und Gasableitung darstellt, eingeteilt. Die Untersäule des Methanreaktors enthält immobilisierte acetotrophe Methanbildner, durch die aus dem Hydrolysat Biogas gebildet wird. Die Obersäule des Methanreaktors enthält suspendierte und/oder immobilisierte hydrogenotrophe Methanbildner, die Biogas durch Umwandlung von Kohlendioxid und Wasserstoff bilden.
- – Der Wasserstoff wird am unteren Ende der Obersäule feinverteilt zugeführt und strömt durch die Obersäule nach oben.
- – Das in der Untersäule gebildete Biogas wird in die Obersäule geleitet, wodurch das darin enthaltene Kohlendioxid in der Obersäule mit dem dort zugeführten Wasserstoff durch suspendierte und/oder immobilisierte hydrogenotrophe Methanbildner zu Methan umgewandelt wird.
- Hydrogen is fed to a methane reactor of the methane stage above the hydrolyzate,
- - The hydrolyzate is derived below the hydrogen supply from the methane reactor. Thus, the methane reactor is procedurally divided into a hydrolyzate-flowed sub-column, which represents the part of the methane reactor between the inlet and outlet of the hydrolyzate, and a top column, which is the part of the methane reactor between gas supply and gas discharge. The lower column of the methane reactor contains immobilized acetotrophic methanogens, by which biogas is formed from the hydrolyzate. The top column of the methane reactor contains suspended and / or immobilized hydrogenotrophic methanogens which form biogas by conversion of carbon dioxide and hydrogen.
- - The hydrogen is fed finely distributed at the lower end of the upper column and flows up through the upper column.
- - The biogas formed in the sub-column is passed into the upper column, whereby the carbon dioxide contained therein is converted in the upper column with the hydrogen supplied there by suspended and / or immobilized hydrogenotrophic methanogen to methane.
Beim Verfahren zur Erhöhung der Methankonzentration des Biogases aus Biogasanlagen werden Wasserstoff und Hydrolysat einer Methanstufe eines zweistufigen Biogasverfahrens zugeleitet. Bevorzugt wird Wasserstoff in einem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Volumenstrom von mindestens 72 Litern pro Tag zugeführt.In the process for increasing the methane concentration of the biogas from biogas plants, hydrogen and hydrolyzate are fed to a methane stage of a two-stage biogas process. Preferably, hydrogen is supplied in a process according to the invention with a volume flow of at least 72 liters per day.
Unter einem zweistufigen Biogasverfahren wird im Sinne der Erfindung eine apparatetechnisch getrennte Hydrolysestufe, in der die biogenen Einsatzstoffe zunächst hydrolysiert werden, und Methanstufe, in der die Umwandlung des flüssigen Hydrolysats zu Biogas durch Mikroorganismen vorgenommen wird, verstanden.In the context of the invention, a two-stage biogas process is understood to mean an apparatus-specific hydrolysis stage in which the biogenic starting materials are first hydrolyzed, and methane stage, in which the conversion of the liquid hydrolyzate to biogas is carried out by microorganisms.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren werden als biogene Einsatzstoffe Feststoffe, insbesondere nachwachsende Rohstoffe ausgewählt aus Mais, Maissilage, Getreide und seinen Nebenprodukten, Landschaftspflegematerial, Baum- und Strauchschnitt oder biogene Reststoffe, insbesondere Bioabfall aus der Getrenntsammlung und Restabfälle mit hohem Anteil organischen Ursprungs, eingesetzt.In a method according to the invention are used as biogenic feedstocks solids, especially renewable raw materials selected from corn, corn silage, cereals and its by-products, landscape care, tree and shrub or biogenic residues, especially biowaste from the separate collection and residual waste with a high proportion of organic origin.
Erfindungsgemäß umfasst die Methanstufe mindestens einen Methanreaktor. Die Hydrolysatflüssigkeit und der Wasserstoff werden dem Methanreaktor im erfindungsgemäßen Verfahren so zugeführt, dass im Methanreaktor zwei Reaktionszonen ausgebildet werden. Dabei läuft in einer Reaktionszone, der durchströmten Untersäule, bevorzugt die acetotrophe Umwandlung der Bestandteile der Hydrolysatflüssigkeit zu Methan ab. In der anderen Reaktionszone, der Obersäule, durch die der zugeführte Wasserstoff strömt, findet bevorzugt die hydrogenotrophe Umwandlung von Kohlendioxid und Wasserstoff zu Methan statt. Dafür wird der Wasserstoff dem Methanreaktor oberhalb der Hydrolysatflüssigkeit, vorzugsweise unmittelbar oberhalb davon, zugeführt. Wasserstoff wird dabei in reiner Form oder als Bestandteil eines Gasgemischs mit mindestens 2 Vol.-% Wasserstoffanteil zugeführt.According to the invention, the methane stage comprises at least one methane reactor. The hydrolyzate liquid and the hydrogen are fed to the methane reactor in the process according to the invention so that two reaction zones are formed in the methane reactor. In this case, the acetotrophic conversion of the constituents of the hydrolyzate liquid to methane preferably proceeds in a reaction zone, the sub-column through which flows. In the other reaction zone, the top column, through which the supplied hydrogen flows, preferably the hydrogenotrophic conversion of carbon dioxide and hydrogen to methane takes place. For this, the hydrogen is fed to the methane reactor above the hydrolyzate liquid, preferably immediately above it. Hydrogen is supplied in pure form or as part of a gas mixture with at least 2 vol .-% hydrogen content.
Hydrolysatflüssigkeit wird vorzugsweise unterhalb der Zuleitung des Hydrolysats aus dem Methanreaktor abgeführt. Vorzugsweise wird die Hydrolysatflüssigkeit am unteren Ende des Methanreaktors abgeführt. Dadurch ergibt sich eine Strömung des Hydrolysats zwischen der Stelle der Hydrolysatzuleitung und der Stelle der Hydrolysatableitung. Dieser durchströmte Bereich wird hierin auch als Untersäule des Methanreaktors bezeichnet.Hydrolyzate liquid is preferably removed below the feed line of the hydrolyzate from the methane reactor. Preferably, the hydrolyzate liquid is removed at the lower end of the methane reactor. This results in a flow of the hydrolyzate between the location of the Hydrolysatzuleitung and the point of Hydrolyysatableitung. This area through which it flows is also referred to herein as the sub column of the methane reactor.
Die Untersäule des Methanreaktors enthält acetotrophe Methanbildner, die vorzugsweise auf Füllkörpern immobilisiert sind, mit denen der Methanreaktor im Bereich der Untersäule bestückt ist. Die acetotrophen Methanbildner liegen dabei bevorzugt in Form eines Biofilms vor. Darunter wird ein Film verstanden, der außer den Mikroorganismen hauptsächlich Wasser enthält, welches mit Stoffwechselprodukten der Mikroorganismen Hydrogele bildet, so dass der Biofilm eine schleimartige Konsistenz aufweist.The sub-column of the methane reactor contains acetotrophic methanogens, which are preferably immobilized on packing materials with which the methane reactor is equipped in the area of the sub-column. The acetotrophic methanogens are preferably present in the form of a biofilm. This is understood to mean a film which, apart from the microorganisms, mainly contains water, which forms hydrogels with metabolic products of the microorganisms, so that the biofilm has a mucilaginous consistency.
Die acetotrophen Methanbildner bilden im Methanreaktor aus den Bestandteilen der zugeleiteten Hydrolysatflüssigkeit Biogas. Durch die Strömung des Hydrolysats durch die Untersäule werden die im Hydrolysat enthaltenen Ausgangsstoffe der biochemischen Reaktionen zur Oberfläche der Füllkörper und damit zu den Mikroorganismen transportiert.The acetotrophic methanogens form biogas in the methane reactor from the constituents of the hydrolyzate liquid supplied. Due to the flow of the hydrolyzate through the sub-column, the starting materials of the biochemical reactions contained in the hydrolyzate are transported to the surface of the packing and thus to the microorganisms.
Das Hydrolysat wird durch die Untersäule geleitet. Die Strömung wird aufgrund des Höhenunterschieds zwischen Flüssigkeitszuleitung und Flüssigkeitsableitung des Reaktors bewirkt (für den Fall, dass die Flüssigkeitsableitung unterhalb der Zuleitung angeordnet ist) und/oder durch Pumpen der Hydrolysatflüssigkeit durch den Methanreaktor.The hydrolyzate is passed through the sub-column. The flow is due to the difference in height between liquid supply and liquid discharge of the reactor effected (in the case that the liquid discharge is arranged below the supply line) and / or by pumping the hydrolyzate liquid through the methane reactor.
Das im Methanreaktor gebildete Biogas wird am oberen Ende des Reaktors abgeleitet. Der Bereich des Methanreaktors zwischen der Stelle, an der der Wasserstoff eingespeist wird und der Stelle, an der das Biogas abgenommen wird, wird als Obersäule des Methanreaktors bezeichnet. Der Wasserstoff wird am unteren Ende der Obersäule feinverteilt zugeführt und steigt in der Obersäule auf. Das Biogas, welches im unteren Teil des Methanreaktors durch acetotrophe Umwandlung gebildet wird, steigt im Methanreaktor auf und durchströmt ebenfalls die Obersäule. Dadurch strömt der Wasserstoff gemeinsam mit dem in der Untersäule gebildeten Biogas durch die Obersäule.The biogas formed in the methane reactor is discharged at the top of the reactor. The area of the methane reactor between the point at which the hydrogen is fed in and the place where the biogas is taken off is called the top column of the methane reactor. The hydrogen is fed finely distributed at the lower end of the upper column and rises in the upper column. The biogas, which is formed in the lower part of the methane reactor by acetotrophic conversion, rises in the methane reactor and also flows through the top column. As a result, the hydrogen flows through the upper column together with the biogas formed in the sub-column.
Die Obersäule ist, ebenfalls wie die Untersäule, mit Hydrolysat gefüllt. Die in der Obersäule enthaltene Hydrolysatflüssigkeit befindet sich weitestgehend in Ruhe, da die Obersäule ausschließlich von den Gasblasen des aufsteigenden Biogases und dem eingebrachten Wasserstoff durchströmt wird. Eine flüssigkeitsseitige Durchströmung der Obersäule findet nicht statt, da der Teil des Methanreaktors, der die Obersäule bildet, keine Zu- und Ableitungen für Flüssigkeit aufweist. Daher sind in Methanreaktoren, in denen ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt wird, die Flüssigkeitsleitungen unterhalb der Gasleitungen angeordnet, so dass sich die Untersäule im unteren Teil des Methanreaktors und die Obersäule im oberen Teil des Methanreaktors befindet. Die Bedingungen, die in der Obersäule aufgrund der geringen Strömung nur aufgrund des Aufsteigens des Gases vorliegen, fördern vorteilhaft die Ansiedlung hydrogenotropher Methanbildner. Diese sind sehr scherkraftanfällig und finden daher im gering durchströmten Milieu der Obersäule gute Wachstumsbedingungen vor. Da das Wachstum hydrogenotropher Methanbildner sehr langsam verläuft und daher der Nährstoffbedarf nicht hoch ist, reicht die Nährstoffversorgung aus der Untersäule, bewirkt durch die Strömung der aufsteigenden Gasblasen, aus.The upper column is, like the lower column, filled with hydrolyzate. The hydrolyzate contained in the top column is largely at rest, since the top column is traversed exclusively by the gas bubbles of the rising biogas and the introduced hydrogen. A liquid-side flow through the upper column does not take place because the part of the methane reactor, which forms the upper column, has no supply and discharge lines for liquid. Therefore, in methane reactors in which a method according to the invention is carried out, the liquid lines are arranged below the gas lines, so that the sub-column in the lower part of the methane reactor and the upper column is located in the upper part of the methane reactor. The conditions that are present in the upper column due to the low flow only due to the rise of the gas, advantageously promote the settlement of hydrogenotrophic methanogen. These are very shear-prone and therefore find in the low-flow environment of the upper column before good growth conditions. Since the growth of hydrogenotrophic methanogens proceeds very slowly and therefore the nutrient requirement is not high, the nutrient supply from the sub-column, caused by the flow of the rising gas bubbles, sufficient.
In der Obersäule kommen das Kohlendioxid des aufsteigenden Biogases und der Wasserstoff in Kontakt mit den in der Hydrolysatflüssigkeit suspendierten und/oder immobilisierten hydrogenotrophen Methanbildnern, durch deren Metabolismus Methan gebildet wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die hydrogenotrophen Methanbildner in der Obersäule auf Füllkörpern immobilisiert.In the upper column, the carbon dioxide of the rising biogas and the hydrogen come into contact with the hydrogenotrophic methanogens suspended and / or immobilized in the hydrolyzate liquid, through the metabolism of which methane is formed. In a preferred embodiment of the invention, the hydrogenotrophic methanogens are immobilized in the upper column on packing.
In der Untersäule wird durch acetotrophe Methanbildner aus dem Hydrolysat Biogas gebildet, welches als Gasblasen in der Untersäule aufsteigt und auf diese Weise in die Obersäule gelangt. In der Obersäule wird das im Biogas enthaltene Kohlendioxid mit dem zugeführten Wasserstoff durch die in der Obersäule suspendierten und/oder immobilisierten hydrogenotrophen Methanbildner zu Methan umgewandelt.In the sub-column biogas is formed by acetotrophic methanogen from the hydrolyzate, which rises as gas bubbles in the sub-column and thus enters the upper column. In the upper column, the carbon dioxide contained in the biogas is converted with the supplied hydrogen by the suspended in the upper column and / or immobilized hydrogenotrophic methanogen to methane.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, dass Wasserstoff und Kohlendioxid besonders lang in der Obersäule enthalten sind, um eine effektive Umsetzung zu Methan zu gewährleisten. Dies wird vorzugsweise durch geeignete Ausgestaltungen des Methanreaktors sichergestellt, insbesondere durch Einbauten, die die Lauflänge des Gases erhöhen, bevorzugt mäanderförmig angeordnete Umlenkbleche und/oder Drahtgestricke. Alternativ oder in Kombination dazu wird dies durch eine geeignete Wahl der Reaktorhöhe sichergestellt.Preferably, the inventive method is carried out so that hydrogen and carbon dioxide are particularly long contained in the top column to ensure effective conversion to methane. This is preferably ensured by suitable designs of the methane reactor, in particular by internals which increase the run length of the gas, preferably meander-shaped deflecting plates and / or wire knits. Alternatively or in combination, this is ensured by a suitable choice of reactor height.
Besonders bevorzugt wird alternativ oder in Kombination mit den vorgenannten Ausgestaltungen ein Kreislaufbetrieb des Biogases im Methanreaktor im Bereich der Obersäule durchgeführt. Dafür wird das Biogas, welches aus dem Methanreaktor abgeleitet wird, dem Methanreaktor oberhalb der Hydrolysatzufuhr erneut zugeleitet. Ggf. wird dieser Kreislaufbetrieb mindestens einmal wiederholt. Besonders bevorzugt wird das Biogas insgesamt dreimal den Bereich der Obersäule des Methanreaktors geführt. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, eine Methankonzentration im Biogas von mehr als 80 Vol.-% zu erzielen.Particularly preferably, alternatively or in combination with the aforementioned embodiments, a circulation operation of the biogas in the methane reactor in the region of the upper column is carried out. For this purpose, the biogas, which is derived from the methane reactor, fed to the methane reactor above the Hydrolyatsatzufuhr again. Possibly. this cycle operation is repeated at least once. Particularly preferably, the biogas is conducted a total of three times the area of the upper column of the methane reactor. As a result, it is advantageously possible to achieve a methane concentration in the biogas of more than 80% by volume.
Das durch das Verfahren aus dem Methanreaktor abgeführte Biogas enthält je nach biogenem Einsatzstoff noch geringe Mengen an unerwünschten Begleitgasen, insbesondere an Wasserdampf, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Siloxanen oder Stickstoffverbindungen. Diese werden bevorzugt in einem anschließenden Prozess gemäß der Anforderungen der beabsichtigen Verwendung abgetrennt. Ein bevorzugtes Verfahren zur Abtrennung ist die Kondensation des Wasserdampfes und die Entsorgung des Kondensats.Depending on the biogenic feedstock, the biogas discharged by the process from the methane reactor still contains small amounts of undesired accompanying gases, in particular water vapor, hydrogen sulfide, ammonia, siloxanes or nitrogen compounds. These are preferably separated in a subsequent process according to the requirements of the intended use. A preferred method of separation is the condensation of the water vapor and the disposal of the condensate.
Der Wasserstoff, der dem Methanreaktor oberhalb der Hydrolysatflüssigkeit zugeleitet wird, stammt bevorzugt aus einer externen Quelle, aus einem vor- oder nebengelagerten Prozess des Biogasverfahrens oder aus der Methanstufe selbst.The hydrogen which is fed to the methane reactor above the hydrolyzate liquid preferably originates from an external source, from an upstream or downstream process of the biogas process or from the methane stage itself.
Bevorzugte externe Quellen sind Gasreservoirs oder Gasflaschen. Vorzugsweise ist der Wasserstoff in reiner Form in den externen Quellen enthalten.Preferred external sources are gas reservoirs or gas cylinders. Preferably, the hydrogen is contained in pure form in the external sources.
Wasserstoff kann in geringen Mengen (kleiner als 2 Vol.-%) im Methanreaktor aus gelösten Monomeren und Polymeren wie Aminosäuren, Fettsäuren und Zuckern, die in den Methanreaktor eingetragen werden, durch fermentative (acidogene und acetogene) Mikroorganismen gebildet werden. Durch Rückführung des Biogases, welches dem Methanreaktor entnommen wird, in den Methanreaktor oberhalb der Hydrolysatflüssigkeit, kann auf diese Weise auch Wasserstoff, welcher in der Methanstufe des zweistufigen Biogasverfahrens gewonnen wurde, im erfindungsgemäßen Verfahren genutzt werden. Ggf. wird der Wasserstoff aus dem Biogas zuvor abgetrennt oder angereichert,Hydrogen can be produced in small quantities (less than 2% by volume) in the methane reactor from dissolved monomers and polymers such as amino acids, fatty acids and sugars, which are introduced into the methane reactor, by fermentative (acidogenic and acetogenic) microorganisms. By recycling the biogas, which is taken from the methane reactor, into the methane reactor above the hydrolyzate liquid, it is also possible in this way to use hydrogen, which was obtained in the methane stage of the two-stage biogas process, in the process according to the invention. Possibly. is the hydrogen from the biogas previously separated or enriched,
Entstammt der zugeleitete Wasserstoff aus einem vor- oder nebengelagerten Prozess des Biogasverfahrens oder aus der Methanstufe selbst, so liegt dieser als Bestandteil eines Gasgemischs vor. Bei der Zuleitung von Wasserstoff, welcher Bestandteil eines Gasgemischs ist, wird der Wasserstoff zuvor bevorzugt durch Ionenaustausch, Elektrolyse oder biochemische Reaktionen im Gasgemisch angereichert oder von den übrigen Bestandteilen des Gasgemischs abgetrennt. Dadurch werden üblicherweise Wasserstoff-Konzentrationen von 5 bis 80 Vol.-% erreicht, die dem Methanreaktor zugeleitet werden.If the supplied hydrogen comes from a preceding or next stored process of the biogas process or from the methane stage itself, it is present as part of a gas mixture. In the supply of hydrogen, which is part of a gas mixture, the hydrogen is previously preferably enriched by ion exchange, electrolysis or biochemical reactions in the gas mixture or separated from the other components of the gas mixture. As a result, hydrogen concentrations of 5 to 80 vol .-% are usually achieved, which are fed to the methane reactor.
Bevorzugt wird Wasserstoff des in der Hydrolysestufe des Biogasverfahrens gebildeten Hydrolysegases zugeführt. Dabei wird besonders bevorzugt Wasserstoff aus dem Hydrolysegas einer thermophil oder hyperthermophil betriebenen Hydrolyse gewonnen und dem Methanreaktor zugeführt.Preferably, hydrogen is supplied to the hydrolysis gas formed in the hydrolysis step of the biogas process. In this case, hydrogen is particularly preferably recovered from the hydrolysis gas of a thermophilic or hyperthermophilic hydrolysis and supplied to the methane reactor.
In der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Wasserstoff aus dem Hydrolysegas dem Methanreaktor zugeführt wird, wird je nach Wasserstoffbedarf Wasserstoff aus der Hydrolyse des gesamten biogenen Einsatzstoffes oder einer Teilmenge davon gewonnen und anschließend dem Methanreaktor zugeführt. Dabei wird bevorzugt Wasserstoff aus einer mesophil (30–37°C), thermophil (50–55°C) oder hyperthermophil (> 55°C) betriebenen Hydrolyse zugeleitet. Besonders bevorzugt wird Wasserstoff aus einer thermophil oder hyperthermophil betriebenen Hydrolyse zugeleitet.In the embodiment of the method according to the invention, wherein the hydrogen from the Hydrogenysis gas is fed to the methane reactor, hydrogen is obtained from the hydrolysis of the entire biogenic feedstock or a portion thereof depending on the hydrogen demand and then fed to the methane reactor. In this case, hydrogen is preferably fed from a mesophilic (30-37 ° C), thermophilic (50-55 ° C) or hyperthermophilic (> 55 ° C) operated hydrolysis. Hydrogen is more preferably fed from a thermophilic or hyperthermophilic hydrolysis.
Zur Gewinnung von Wasserstoff aus dem Hydrolysegas wird der Anteil der Begleitgase, insbesondere Kohlendioxid, im Hydrolysegas vorzugsweise zunächst durch ein übliches Reinigungsverfahren minimiert. Dabei wird der Anteil von CO2 am Hydrolysegas vorzugsweise durch ein Adsorptions-Desorptions-Verfahren, bevorzugt unter Nutzung der unterschiedlichen Adsorptionseigenschaften von Wasserstoff und Kohlendioxid in Molekularsieben, minimiert.To obtain hydrogen from the hydrolysis gas, the proportion of associated gases, in particular carbon dioxide, in the hydrolysis gas is preferably initially minimized by a customary purification process. In this case, the proportion of CO 2 in the hydrolysis gas is preferably minimized by an adsorption-desorption process, preferably using the different adsorption properties of hydrogen and carbon dioxide in molecular sieves.
Ist der Methananteil des Biogases, welches durch die acetotrophe Umwandlung aus dem Hydrolysat im Bereich der Untersäule des Methanreaktors gebildet wird, bereits hoch und liegt bei vorzugsweise mehr als 60 Vol.-%, so wird bevorzugt auch Kohlendioxid aus dem Hydrolysegas in den Methanreaktor geleitet. Dies wird bewerkstelligt, indem der Anteil an Kohlendioxid in der der Hydrolyse nachgeschalteten Aufreinigung reguliert wird, und ein Anteil von vorzugsweise mind. 3 Vol.-% an Kohlendioxid im Gasgemisch enthalten bleibt und Wasserstoff und Kohlendioxid gemeinsam dem Methanreaktor zugeführt werden. Eine vollständige Entfernung des Kohlendioxids aus dem Hydrolysegas ist technisch praktisch nicht realisierbar, so dass bei erfindungsgemäßen Verfahren, bei denen Wasserstoff aus dem Hydrolysegas dem Methanreaktor zugeführt wird, notwendigerweise auch ein zumindest geringer Anteil Kohlendioxid in den Methanreaktor geleitet wird.If the methane content of the biogas, which is formed by the acetotrophic conversion from the hydrolyzate in the region of the bottom column of the methane reactor, is already high and is preferably more than 60% by volume, carbon dioxide is also preferably passed from the hydrolysis gas into the methane reactor. This is accomplished by controlling the level of carbon dioxide in the hydrolysis downstream purification, and containing at least 3% by volume of carbon dioxide in the gas mixture and hydrogen and carbon dioxide together being fed to the methane reactor. Complete removal of the carbon dioxide from the hydrolysis gas is technically practically unrealizable, so that in processes according to the invention in which hydrogen is fed from the hydrolysis gas to the methane reactor, it is also necessary to pass an at least small amount of carbon dioxide into the methane reactor.
Die Zuleitung des Wasserstoffs in den Methanreaktor erfolgt in feinverteilter Form oberhalb der Zuleitung der Hydrolysatflüssigkeit. Dabei wird der Wasserstoff möglichst nah über der Hydrolysatflüssigkeit zugeleitet, um die Lauflänge des Gases im Methanreaktor zu erhöhen.The supply of hydrogen into the methane reactor takes place in finely divided form above the feed line of the hydrolyzate. The hydrogen is fed as close as possible over the hydrolyzate liquid in order to increase the run length of the gas in the methane reactor.
Der Wasserstoff wird dabei dem Methanreaktor so zugeführt, dass der Wasserstoffanteil im Biogas, welches aus dem Methanreaktor abgeleitet wird minimal ist (maximal 3 Vol.-%). Es wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren maximal so viel Wasserstoff zugeführt, dass die Stoffmenge an Wasserstoff maximal im stöchiometrischen Verhältnis gemäß Formel (1) zur Stoffmenge des verfügbaren Kohlendioxids zugeführt wird. Bevorzugt wird dabei die zugeführte Stoffmenge an Wasserstoff so reguliert, dass Kohlendioxid im stöchiometrischen Überschuss im Methanreaktor vorliegt, um möglichst viel Wasserstoff umzusetzen. Für den Fall, dass der Bedarf an Kohlendioxid nicht vollständig durch die in der Untersäule erzeugte CO2-Menge gedeckt wird, wird daher auch das CO2 aus dem Hydrolysegas für die Reaktion genutzt und gemeinsam mit dem Wasserstoff am unteren Ende der Obersäule feinverteilt zugeführt. Dieses CO2 ist vorteilhaft bereits mit dem H2 in Kontakt, so dass Stoffübergangsprozesse, die bei der Nutzung des CO2- aus der Untersäule notwendig sind, entfallen.The hydrogen is fed to the methane reactor so that the hydrogen content in the biogas, which is derived from the methane reactor is minimal (maximum 3 vol .-%). In a process according to the invention, the maximum amount of hydrogen fed is such that the molar amount of hydrogen is fed at most in the stoichiometric ratio according to formula (1) to the molar amount of available carbon dioxide. In this case, the amount of hydrogen introduced is preferably regulated so that carbon dioxide is present in the stoichiometric excess in the methane reactor in order to convert as much hydrogen as possible. In the event that the demand for carbon dioxide is not completely covered by the amount of CO 2 generated in the sub-column, therefore, the CO 2 from the hydrolysis gas is used for the reaction and fed together with the hydrogen at the lower end of the upper column finely divided. This CO 2 is advantageously already in contact with the H 2 , so that mass transfer processes, which are necessary in the use of CO 2 - from the sub-column, omitted.
Der CO2-Anteil im Hydrolysegas kann dabei mit dem Messwert des H2-Sensors gesteuert werden. Vorzugsweise erfolgt die Regelung über eine Steuerung der Verweilzeit in der CO2-Abscheidung. Der CO2-Anteil aus dem Hydrolysegas wird dabei vorteilhaft dazu genutzt, um eine möglichst hohe Umwandlung von Wasserstoff zu Methan zu erreichen.The CO 2 content in the hydrolysis gas can be controlled with the measured value of the H 2 sensor. The control preferably takes place via a control of the residence time in the CO 2 separation. The CO 2 content from the hydrolysis gas is advantageously used to achieve the highest possible conversion of hydrogen to methane.
Die Erfindung umfasst auch einen Methanreaktor, der zum Einsatz in zweistufigen Biogasverfahren geeignet ist.The invention also includes a methane reactor suitable for use in two-stage biogas processes.
Der erfindungsgemäße Methanreaktor enthält mindestens zwei Flüssigkeitsleitungen, von denen eine die Flüssigkeitszuleitung (hierin auch „Einlass”) und eine die Flüssigkeitsableitung (hierin auch „Auslass”) darstellt. Die Flüssigkeitsleitungen umfassen bevorzugt entsprechende Ventilelemente, die den Flüssigkeitsstrom bei der Flüssigkeitszuleitung in Richtung des Inneren des Methanreaktors und bei der Flüssigkeitsableitung eine Führung der Flüssigkeit aus dem Methanreaktor hinaus zulassen. Weiterhin umfasst der erfindungsgemäße Methanreaktor mindestens zwei Gasleitungen, von denen eine die Gaszuleitung und eine die Gasableitung (hierin auch „Biogasableitung”) darstellt.The methane reactor according to the invention contains at least two liquid lines, one of which represents the liquid feed line (also referred to herein as "inlet") and the liquid discharge line (also referred to herein as "outlet"). The liquid lines preferably comprise corresponding valve elements which permit the liquid flow in the direction of the interior of the methane reactor in the liquid supply line and a guidance of the liquid out of the methane reactor during the liquid discharge. Furthermore, the methane reactor according to the invention comprises at least two gas lines, one of which represents the gas supply line and a gas discharge (also referred to herein as "biogas discharge").
Die Flüssigkeits- und Gasleitungen des Methanreaktors sind am Methanreaktor in vertikaler Richtung wie folgt angeordnet:
- – die Gaszuleitung ist oberhalb der Flüssigkeitszuleitung und der Flüssigkeitsableitung angeordnet,
- – die Flüssigkeitsableitung ist bevorzugt unterhalb der Flüssigkeitszuleitung angeordnet,
- – die Gasableitung ist oberhalb der Gaszuleitung, Flüssigkeitszuleitung und Flüssigkeitsableitung angeordnet, vorzugsweise ist die Gasableitung oberhalb aller am Methanreaktor enthaltenen Leitungen angeordnet.
- The gas supply line is arranged above the liquid supply and the liquid discharge,
- The liquid discharge is preferably arranged below the liquid supply line,
- - The gas discharge is arranged above the gas supply line, liquid supply and liquid discharge, preferably the gas discharge is arranged above all lines contained in the methane reactor.
Bevorzugt ist die Flüssigkeitsableitung am unteren Ende des Methanreaktors angeordnet. Der vertikale Abstand zwischen Flüssigkeitszuleitung und Flüssigkeitsableitung des erfindungsgemäßen Methanreaktors beträgt vorzugsweise weniger als die Hälfte der vertikalen Ausdehnung des Methanreaktors (Gesamthöhe), insbesondere zwischen ½ und 1/8 der Gesamthöhe des Methanreaktors. Bevorzugt ist die Zuleitung als eine Lanze zur feinen Verteilung des wasserstoffhaltigen Gases ausgebildet.The liquid discharge is preferably arranged at the lower end of the methane reactor. The vertical distance between the liquid feed and the liquid discharge of the methane reactor according to the invention is preferably less than half the vertical extent of the methane reactor (total height), in particular between ½ and 1/8 of the total height of the methane reactor. Is preferred the supply line formed as a lance for the fine distribution of the hydrogen-containing gas.
Die Gasableitung ist vorzugsweise am oberen Ende des Methanreaktors angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Leitungen in Bezug auf die vertikale Ausdehnung des Methanreaktors wie folgt angeordnet: die Gasableitung ist im oberen Drittel, die Flüssigkeitsableitung ist im unteren Drittel angeordnet. Die Flüssigkeitszuleitung ist vom unteren Ende des Methanreaktors in vertikaler Richtung bevorzugt maximal in halber Höhe des Methanreaktors angeordnet.The gas discharge is preferably arranged at the upper end of the methane reactor. Particularly preferably, the lines are arranged with respect to the vertical extent of the methane reactor as follows: the gas discharge is in the upper third, the liquid discharge is arranged in the lower third. The liquid feed line is arranged from the lower end of the methane reactor in the vertical direction preferably at most halfway up the methane reactor.
Aufgrund dieser speziellen Anordnung der Leitungen stellen sich bei Betrieb des Methanreaktors bestimmte Reaktionszonen ein, die durch deren Strömungseigenschaften gekennzeichnet sind. Der Bereich zwischen Flüssigkeitszuleitung und Flüssigkeitsableitung ist im Betrieb mit Flüssigkeit durchströmt. Der erfindungsgemäße Methanreaktor ist unterhalb der Gaszuleitung bevorzugt mit Füllkörpern bestückt. Der Bereich des Methanreaktors, der sich unterhalb der Gaszuleitung befindet und die Flüssigkeitsleitungen beinhaltet, wird hierin auch als Untersäule des Methanreaktors bezeichnet. Dabei ist die Flüssigkeitszuleitung bevorzugt im oberen Teil der Untersäule angeordnet, so dass die Flüssigkeitszuleitung unmittelbar unterhalb der Gaszuleitung des Methanreaktors angeordnet ist.Due to this special arrangement of the lines, certain reaction zones set in operation of the methane reactor, which are characterized by their flow characteristics. The area between liquid supply and liquid discharge is traversed during operation with liquid. The methane reactor according to the invention is preferably equipped with packing under the gas supply line. The region of the methane reactor, which is located below the gas feed line and includes the liquid lines, is also referred to herein as the sub column of the methane reactor. In this case, the liquid feed line is preferably arranged in the upper part of the sub-column, so that the liquid feed line is arranged directly below the gas feed line of the methane reactor.
Der Bereich des Methanreaktors, der sich zwischen Gaszuleitung und Gasableitung befindet, ist im Betrieb flüssigkeitsseitig nicht durchströmt. Eine Durchströmung dieses Bereichs wird durch aufsteigendes Gas bewirkt. Dieser Bereich zwischen Gaszuleitung und Gasableitung wird hierin auch als Obersäule des Methanreaktors bezeichnet.The area of the methane reactor, which is located between the gas inlet and the gas outlet, is not flowed through during operation on the liquid side. A flow through this area is caused by rising gas. This area between gas supply and gas discharge is also referred to herein as the upper column of the methane reactor.
Eine anlagentechnische Trennung zwischen den Bereichen der Obersäule und Untersäule des Methanreaktors ist nicht zwingend notwendig. Die beiden Bereiche des Methanreaktors müssen jedoch so ausgestaltet sein, dass sowohl ein Flüssigkeitsaustausch zwischen Obersäule und Untersäule möglich ist, und dass ein Gasübergang zumindest aus der Untersäule in Richtung der Obersäule möglich ist.A plant-technical separation between the areas of the upper column and lower column of the methane reactor is not absolutely necessary. However, the two regions of the methane reactor must be designed so that both an exchange of liquid between the upper column and sub-column is possible, and that a gas transfer is possible at least from the sub-column in the direction of the upper column.
Bevorzugt ist zwischen Flüssigkeitszuleitung und Gaszufuhr des Methanreaktors ein Siebboden angeordnet.Preferably, a sieve bottom is arranged between the liquid feed and the gas feed of the methane reactor.
Im Bereich der Obersäule des erfindungsgemäßen Methanreaktors ist ein Wasserstoffsensor angebracht. Dieser ist vorzugsweise unterhalb der Gasableitung am Methanreaktor angeordnet.In the region of the upper column of the methane reactor according to the invention, a hydrogen sensor is attached. This is preferably arranged below the gas discharge at the methane reactor.
Vorzugsweise ist auch der Bereich der Obersäule des erfindungsgemäßen Methanreaktors mit Einbauten bestückt. Die Einbauten dienen zur Erhöhung der Kontaktfläche und erleichtern den Stoffübergang aus der Flüssigphase in die Gasphase und umgekehrt und bewirken so einen intensiven Kontakt von Wasserstoff und Kohlendioxid der Gasphase des Methanreaktors.Preferably, the region of the upper column of the methane reactor according to the invention is also equipped with internals. The internals serve to increase the contact surface and facilitate the mass transfer from the liquid phase into the gas phase and vice versa, thus causing intensive contact of hydrogen and carbon dioxide in the gas phase of the methane reactor.
Die Gaszufuhr, die zur Zuleitung des Wasserstoffs in den Methanreaktor genutzt wird, ist bevorzugt so ausgestaltet, dass eine Drosselung des Gasstroms möglich ist. Die Gaszufuhr wird dabei vorzugsweise durch den Messwert des Wasserstoffsensors des Methanreaktors reguliert.The gas supply, which is used for supplying the hydrogen in the methane reactor, is preferably designed so that a throttling of the gas stream is possible. The gas supply is preferably regulated by the measured value of the hydrogen sensor of the methane reactor.
Im Bereich der Untersäule ist der erfindungsgemäße Methanreaktor mit Füllkörpern bestückt. Die Füllkörper sind so ausgestaltet, dass sie für eine Immobilisierung von Mikroorganismen geeignet sind.In the area of the sub-column of the methane reactor according to the invention is equipped with packing. The fillers are designed so that they are suitable for immobilization of microorganisms.
Bevorzugt ist die Gasableitung des Methanreaktors mit einer Gaszuleitung verbunden, über die das aus dem Methanreaktor entnommene Biogas dem Reaktor erneut zugeführt wird, so dass das entnommene Biogas im Kreislauf geführt werden kann. Die Gasableitung ist dafür entweder direkt mit der Gaszuleitung, durch die auch der Wasserstoff in den Methanreaktor geleitet wird, verbunden. Alternativ dazu ist die Gasableitung mit einer weiteren Gaszuleitung des Methanreaktors verbunden, welche vorzugsweise ebenfalls oberhalb der Flüssigkeitszufuhr angeordnet ist.Preferably, the gas discharge of the methane reactor is connected to a gas supply line via which the biogas removed from the methane reactor is fed again to the reactor, so that the withdrawn biogas can be recycled. The gas discharge is either directly connected to the gas supply line, through which the hydrogen is also fed into the methane reactor. Alternatively, the gas discharge is connected to a further gas supply line of the methane reactor, which is preferably also located above the liquid supply.
Die Gaszuleitung des Methanreaktors ist bevorzugt mit einer Wasserstoffquelle verbunden. Bevorzugte Wasserstoffquellen sind ausgewählt aus einem externen Gasreservoir, einer Gasleitung, die mit einem Reaktor eines vor- oder nebengelagerten Prozesses verbunden sind, insbesondere eine Gasleitung die mit mindestens einem Hydrolysereaktor verbunden ist oder eine Gasleitung, die über eine Anlage zur Wasserstoffanreicherung mit dem Methanreaktor verbunden ist.The gas feed of the methane reactor is preferably connected to a source of hydrogen. Preferred hydrogen sources are selected from an external gas reservoir, a gas line, which are connected to a reactor of upstream or downstream process, in particular a gas line which is connected to at least one hydrolysis reactor or a gas line which is connected via a plant for hydrogen enrichment with the methane reactor ,
Der Methanreaktor ist bevorzugt im Bereich der Obersäule so gestaltet, dass aufsteigendes Gas eine lange Verweilzeit im Reaktor benötigt, ehe es an der Gasableitung abgeführt wird. Dafür ist der Methanreaktor im Bereich der Obersäule bevorzugt als Rohrreaktor ausgeführt.The methane reactor is preferably designed in the region of the top column so that rising gas requires a long residence time in the reactor before it is discharged at the gas outlet. For the methane reactor in the upper column is preferably designed as a tubular reactor.
Bevorzugt weist der Bereich der Obersäule des erfindungsgemäßen Methanreaktors ein Mindestvolumen von 160 Litern auf. Vorzugsweise umfasst der Bereich der Obersäule des Methanreaktors dabei eine Länge von mindestens 5 Metern. Der erfindungsgemäße Methanreaktor ist bevorzugt so ausgestaltet, dass bei Normalbedingungen (101,325 Pa und 273,15 K) eine Gasbeschickung von mindestens 0,45 m3 Wasserstoff pro Kubikmeter des Flüssigkeitsvolumens im Bereich der Obersäule des Methanreaktors möglich ist.The region of the upper column of the methane reactor according to the invention preferably has a minimum volume of 160 liters. In this case, the region of the top column of the methane reactor preferably has a length of at least 5 meters. The methane reactor according to the invention is preferably designed such that under normal conditions (101.325 Pa and 273.15 K) a gas charge of at least 0.45 m 3 of hydrogen per cubic meter of the liquid volume in the region of the upper column of the methane reactor is possible.
Alternativ oder in Kombination dazu umfasst der erfindungsgemäße Methanreaktor Einbauten im Bereich der Obersäule, die zur Verlängerung des Laufwegs der aufsteigenden Gasblasen dienen. Dazu enthält der erfindungsgemäße Methanreaktor im Bereich der Obersäule vorzugsweise mäanderförmig angeordnete Umlenkbleche und/oder Drahtgestricke. Alternatively or in combination, the methane reactor according to the invention comprises internals in the region of the upper column, which serve to extend the path of the ascending gas bubbles. For this purpose, the methane reactor according to the invention preferably contains meander-shaped deflecting plates and / or wire knits in the region of the upper column.
Ein erfindungsgemäßer Methanreaktor ist bevorzugt ein Bestandteil einer Biogasanlage, die zur Durchführung eines zweistufigen Biogasverfahrens geeignet ist. Daher umfasst die Erfindung auch eine Anlage zur zweistufigen Erzeugung von Biogas (hierin auch vereinfacht „Biogasanlage”), die mindestens einen erfindungsgemäßen Methanreaktor und mindestens einen Hydrolysereaktor enthält. Ferner enthält die erfindungsgemäße Biogasanlage mindestens einen Flüssigkeitsspeicher, der mit der Flüssigkeitsableitung des Methanreaktors verbunden ist.An inventive methane reactor is preferably a component of a biogas plant which is suitable for carrying out a two-stage biogas process. Therefore, the invention also includes a plant for two-stage production of biogas (also simplified herein "biogas plant") containing at least one methane reactor according to the invention and at least one hydrolysis reactor. Furthermore, the biogas plant according to the invention contains at least one liquid store, which is connected to the liquid discharge of the methane reactor.
Hydrolysereaktoren, die in erfindungsgemäßen Biogasanlagen enthalten sind, sind bevorzugt Feststoffperkolatoren, mit denen feste biogene Stoffe durch Berieselung mit einer wässrigen Flüssigkeit abgebaut werden. Grundsätzlich eignen sich als Bestandteil erfindungsgemäßer Biogasanlagen jegliche aus dem Stand der Technik bekannten Hydrolysereaktoren. Ein Hydrolysereaktor, der in einer erfindungsgemäßen Biogasanlage enthalten ist, umfasst eine Flüssigkeitszuleitung, eine Flüssigkeitsableitung sowie eine Gasableitung über die das während der Hydrolyse gebildete Hydrolysegas aus dem Hydrolysereaktor abgeführt wird. Die erfindungsgemäße Biogasanlage enthält bevorzugt mindestens zwei parallel geschaltete Hydrolysereaktoren, die bevorzugt zeitlich versetzt betrieben werden. Dadurch ist vorteilhaft eine kontinuierliche Flüssigkeits- und Gasproduktion in der Hydrolysestufe sichergestellt.Hydrolysis reactors which are contained in biogas plants according to the invention are preferably solid percolators with which solid biogenic substances are degraded by sprinkling with an aqueous liquid. In principle, any hydrolysis reactors known from the prior art are suitable as constituents of biogas plants according to the invention. A hydrolysis reactor, which is contained in a biogas plant according to the invention, comprises a liquid feed, a liquid discharge and a gas discharge via which the hydrolysis gas formed during the hydrolysis is removed from the hydrolysis reactor. The biogas plant according to the invention preferably contains at least two parallel hydrolysis reactors which are preferably operated at different times. This ensures advantageous continuous liquid and gas production in the hydrolysis step.
Hydrolysestufe und Methanstufe der erfindungsgemäßen Biogasanlage sind flüssigkeitsseitig miteinander verbunden. Dabei ist die Anlage so ausgelegt, dass der Flüssigkeitsstrom aus der Hydrolysestufe in die Methanstufe verläuft. Dafür ist die Flüssigkeitsableitung eines Hydrolysereaktors mit der Flüssigkeitszuleitung eines erfindungsgemäßen Methanreaktors verbunden. Bevorzugt ist dabei zwischen Hydrolysereaktor und Methanreaktor ein Flüssigkeitsspeicher angeordnet, der zur Speicherung der Hydrolysatflüssigkeit dient.Hydrolysis stage and methane level of the biogas plant according to the invention are connected to one another on the liquid side. The system is designed so that the liquid flow from the hydrolysis stage runs into the methane stage. For the liquid discharge of a hydrolysis reactor is connected to the liquid feed of a methane reactor according to the invention. In this case, a liquid reservoir is preferably arranged between the hydrolysis reactor and the methane reactor, which serves to store the hydrolyzate liquid.
Vorzugsweise wird aus dem Methanreaktor entweichende Flüssigkeit über den Flüssigkeitsspeicher der Hydrolysestufe zur Berieselung zugeführt.Preferably, liquid escaping from the methane reactor is fed to the sprinkling via the liquid store of the hydrolysis stage.
Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäße Biogasanlage einen Biogasspeicher, der mit der Gasableitung eines erfindungsgemäßen Methanreaktors verbunden ist.Preferably, the biogas plant according to the invention contains a biogas storage, which is connected to the gas discharge of a methane reactor according to the invention.
In einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Biogasanlage ist die Hydrolysestufe auch gasseitig mit der Methanstufe verbunden. Dafür weist ein Hydrolysereaktor eine Gasableitung auf die mit der Gaszuleitung des erfindungsgemäßen Methanreaktors verbunden ist. Über diese Gasleitung wird Wasserstoff aus der Hydrolysestufe in den Methanreaktor geleitet. Da bevorzugt vor der Zuleitung zum Methanreaktor der Anteil an Kohlendioxid im Hydrolysegas minimiert wird, enthält die erfindungsgemäße Biogasanlage dafür vorzugsweise eine Anlage zur CO2-Abscheidung, die zwischen einem Hydrolysereaktor und einem Methanreaktor angeordnet ist und gasseitig über entsprechende Leitungen mit den Reaktoren verbunden ist. Bevorzugt umfasst die Anlage dabei einen Gasspeicher, der zwischen der Anlage zur CO2-Abscheidung und dem Methanreaktor angeordnet ist und gasseitig mit diesen über entsprechende Gasleitungen verbunden ist.In a preferred embodiment of a biogas plant according to the invention, the hydrolysis stage is also connected on the gas side to the methane stage. For this purpose, a hydrolysis reactor has a gas discharge line which is connected to the gas supply line of the methane reactor according to the invention. Hydrogen from the hydrolysis stage is fed into the methane reactor via this gas line. Since preferably the proportion of carbon dioxide in the hydrolysis gas is minimized before the feed line to the methane reactor, the biogas plant according to the invention preferably contains a plant for CO 2 separation, which is arranged between a hydrolysis reactor and a methane reactor and is connected on the gas side via corresponding lines to the reactors. Preferably, the plant comprises a gas storage, which is arranged between the plant for CO 2 capture and the methane reactor and the gas side is connected to these via corresponding gas lines.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Biogasanlage enthält die Biogasanlage eine Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff aus einer externen Quelle, bevorzugt ein Gasreservoir, welches Wasserstoff enthält. Die Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff aus einer externen Quelle ist mit der Gaszufuhr eines erfindungsgemäßen Methanreaktors verbunden.In a further preferred embodiment of a biogas plant according to the invention, the biogas plant contains a plant for the provision of hydrogen from an external source, preferably a gas reservoir containing hydrogen. The plant for providing hydrogen from an external source is connected to the gas supply of a methane reactor according to the invention.
Die erfindungsgemäße Biogasanlage und der erfindungsgemäße Methanreaktor werden wie folgt betrieben:
Vor Inbetriebnahme des Methanreaktors erfolgt zunächst eine Besiedelung der einzelnen Reaktionszonen des Methanreaktors (Ober- und Untersäule) in der sogenannten Einlaufphase. Zur Besiedelung des Methanreaktors wird eine anaerobe Inokulation des Methanreaktors durchgeführt, indem ein flüssiges Inokulum, welches acetotrophe und hydrogenotrophe Methanbildner enthält, in den Methanreaktor eingeleitet wird und an der Flüssigkeitsableitung wieder abgeführt wird. Der Methanreaktor ist nach dem Einleiten des Inokulums mit der Inokulumflüssigkeit gefüllt, welche zwischen Einlass und Auslass durch den Bereich der Untersäule strömt.The biogas plant according to the invention and the methane reactor according to the invention are operated as follows:
Before the methane reactor is put into operation, first a colonization of the individual reaction zones of the methane reactor (upper and lower column) takes place in the so-called run-in phase. To colonize the methane reactor an anaerobic inoculation of the methane reactor is carried out by a liquid inoculum containing acetotrophic and hydrogenotrophic methanogen, is introduced into the methane reactor and is discharged at the liquid discharge again. The methane reactor is filled after introduction of the inoculum with the inoculum liquid which flows between the inlet and outlet through the region of the sub-column.
Dabei bilden sich in Abhängigkeit der in Ober- und Untersäule des Methanreaktors vorgefundenen Lebensbedingungen für die eingetragenen Mikroorganismen die entsprechenden Biozönosen aus. Dabei wird der Bereich der Obersäule aufgrund der geringen Durchströmung überwiegend durch hydrogenotrophe Methanbildner und die durchströmte Untersäule vorwiegend durch acetotrophe Methanbildner besiedelt. Bereits in der Einlaufphase findet eine Gasbildung im Methanreaktor statt. Durch die aufsteigenden Gasblasen, die aus dem Bereich der Untersäule in den Bereich der Obersäule des Methanreaktors gelangen, werden hydrogenotrophe Methanbildner in den Bereich der Obersäule verschleppt. Hydrogenotrophe Methanbildner weisen eine besonders hohe Scherkraftanfälligkeit auf, und immobilisieren daher nur sehr schlecht in der durchströmten Untersäule. Die Obersäule wird durch die aufsteigenden Gasblasen nur sehr schwach durchströmt und bietet daher gute Wachstumsbedingungen für hydrogenotrophe Mikroorganismen. Als Inokulum wird bevorzugt Gülle oder Klärschlamm eingesetzt. Diese Flüssigkeiten enthalten naturgemäß eine diverse Zusammensetzung verschiedener Mikroorganismen.Depending on the living conditions found in the upper and lower columns of the methane reactor, the corresponding biocenoses are formed for the microorganisms introduced. In this case, the region of the upper column is predominantly colonized by acetotrophic methanogens due to the low flow predominantly by hydrogenotrophic methanogen and the sub-column flowed through. Already in the start-up phase, gas formation takes place in the methane reactor. Due to the rising gas bubbles, which reach from the area of the sub-column in the region of the top column of the methane reactor, hydrogenotrophic methanogens are carried to the area of the top column. Hydrogenotrophic methanogens have a particularly high susceptibility to shear, and therefore immobilize only very poorly in the flow-through sub-column. The upper column is only very slightly flowed through by the rising gas bubbles and therefore offers good growth conditions for hydrogenotrophic microorganisms. The inoculum used is preferably manure or sewage sludge. These liquids naturally contain a diverse composition of various microorganisms.
Zum Ende der Einlaufphase hat sich in der Obersäule eine Biozönose mit hydrogenotrophen Methanbildnern und in der Untersäule eine Biozönose mit acetotrophen Methanbildnern, die vorzugsweise in Form eines Biofilms vorliegen, gebildet.At the end of the run-in phase, a biocenosis with hydrogenotrophic methanogens has formed in the upper column and a biocenosis in the lower column with acetotrophic methanogens, which are preferably present in the form of a biofilm.
Während der Einlaufphase erfolgt eine allmähliche Zumischung von Hydrolysatflüssigkeit zum Inokulum, so dass die Mikroorganismen Gelegenheit haben, sich an die geänderten Umgebungsbedingungen mit dem geänderten Nährstoffgehalt, der im Hydrolysat im Unterschied zum Inokulum vorliegt, zu adaptieren.During the run-in phase, a gradual admixing of hydrolyzate liquid to the inoculum occurs, allowing the microorganisms to adapt to the altered environmental conditions with the altered nutrient content present in the hydrolyzate as opposed to the inoculum.
Sobald der Anteil an Inokulum an der dem Methanreaktor zugeführten Flüssigkeit Null ist, wird ausschließlich Hydrolysat in den Methanreaktor geleitet und die Einlaufphase ist beendet. Es erfolgt nun die Betriebsphase, in der aus der Hydrolysatflüssigkeit und zugeführtem Wasserstoff Biogas gebildet wird, welches einen erhöhten Methananteil aufweist. Die Zuleitung von Wasserstoff erfolgt bevorzugt mit Beginn der Inokulation.As soon as the proportion of inoculum at the liquid fed to the methane reactor is zero, exclusively hydrolyzate is passed into the methane reactor and the run-in phase is ended. There now takes place the operating phase in which biogas is formed from the hydrolyzate liquid and supplied hydrogen, which has an increased methane content. The supply of hydrogen is preferably carried out at the beginning of the inoculation.
Ein Hydrolysereaktor wird mit biogenen Stoffen befüllt, die innerhalb des Hydrolysereaktors hydrolysiert werden. De Hydrolyse wird bevorzugt unter thermophilen Bedingungen, also bei Temperaturen von 50–55°C oder bei hyperthermophilen Bedingungen, also bei Temperaturen von mehr als 55°C durchgeführt. Dabei steigt vorteilhaft der Abbaugrad des biogenen Einsatzstoffes und es wird bei der Hydrolyse vermehrt Wasserstoff gebildet, der in Mengen vorliegt, die prozesstechnisch genutzt werden können.A hydrolysis reactor is filled with biogenic substances which are hydrolyzed within the hydrolysis reactor. The hydrolysis is preferably carried out under thermophilic conditions, that is to say at temperatures of 50-55 ° C. or under hyperthermophilic conditions, ie at temperatures of more than 55 ° C. In doing so, the degree of degradation of the biogenic starting material advantageously increases, and hydrogen is increasingly formed during the hydrolysis, which is present in amounts which can be used in process engineering.
Das bei der Hydrolyse gebildete Hydrolysegas verlässt den Hydrolysereaktor über eine Gasleitung. Das flüssige Hydrolysat wird über die Flüssigkeitsableitung möglichst feststofffrei gewonnen. Das Hydrolysat wird ggf. über einen Flüssigkeitsspeicher dem Methanreaktor über dessen Flüssigkeitszuleitung zugeführt. Das Hydrolysat strömt zwischen der Flüssigkeitszuleitung und der Flüssigkeitsableitung durch die Untersäule des Methanreaktors und verlässt den Methanreaktor über die Flüssigkeitsableitung. Die Flüssigkeit, die den Methanreaktor verlässt, wird in einen Flüssigkeitsspeicher geleitet. Von dort wird die Flüssigkeit entweder aus dem Prozess abgeführt oder einem Hydrolysereaktor über dessen Flüssigkeitszuleitung zugeleitet.The hydrolysis gas formed in the hydrolysis leaves the hydrolysis reactor via a gas line. The liquid hydrolyzate is recovered via the liquid discharge as free of solids as possible. The hydrolyzate is optionally fed via a liquid storage the methane reactor via the liquid feed line. The hydrolyzate flows between the liquid feed and the liquid discharge through the bottom of the methane reactor and leaves the methane reactor via the liquid discharge. The liquid leaving the methane reactor is directed to a liquid reservoir. From there, the liquid is either removed from the process or fed to a hydrolysis reactor via its liquid feed line.
Im Methanreaktor durchströmt das Hydrolysat die Untersäule zwischen Flüssigkeitszuleitung und Flüssigkeitsableitung. Die in der Untersäule enthaltenen acetotrophen Methanbildner bilden aus den Bestandteilen des Hydrolysats Biogas, welches Methan und Kohlendioxid enthält. Dieses steigt als Gasblasen nach oben und gelangt dabei zwangsläufig in die Obersäule des Methanreaktors und passiert diese bis es an der Gasableitung des Methanreaktors abgenommen wird.In the methane reactor, the hydrolyzate flows through the sub-column between the liquid feed and the liquid discharge. The acetotrophic methanogens contained in the sub-column form from the components of the hydrolyzate biogas, which contains methane and carbon dioxide. This rises as gas bubbles upwards and inevitably enters the top column of the methane reactor and passes this until it is removed at the gas discharge of the methane reactor.
Durch die Gaszuleitung des Methanreaktors, die oberhalb der Flüssigkeitszuleitung angeordnet ist, wird feinverteilt Wasserstoff zugeführt, welcher in der Obersäule aufsteigt. Die in der Obersäule des Methanreaktors enthaltenen hydrogenotrophen Methanbildner bilden aus eingeleitetem Wasserstoff und dem Kohlendioxid, welches im aufsteigenden Biogas, welches durch die acetotrophe Umwandlung in der Untersäule des Reaktors gebildet wurde, Methan. Dadurch wird vorteilhaft eine Erhöhung der Methankonzentration im Biogas erzielt.Through the gas supply of the methane reactor, which is arranged above the liquid supply, finely divided hydrogen is supplied, which rises in the upper column. The hydrogenotrophic methanogens contained in the top column of the methane reactor form methane from introduced hydrogen and the carbon dioxide, which is formed in the rising biogas, which was formed by the acetotrophic conversion in the lower column of the reactor. This advantageously results in an increase in the methane concentration in the biogas.
Am Wasserstoffsensor, der im Methanreaktor im Bereich der Obersäule (vorzugsweise am oberen Ende der Obersäule) angeordnet ist, wird die Wasserstoffkonzentration im Biogas überwacht. Die Wasserstoffzufuhr in den Methanreaktor wird vorzugsweise aufgrund des Messsignals des Wasserstoffsensors reguliert. Dabei wird der zugeführte Wasserstoffstrom so angepasst, dass bei erhöhter Wasserstoffkonzentration, die am Sensor vorliegt der dem Methanreaktor zugeführte Wasserstoffstrom gedrosselt wird.At the hydrogen sensor, which is located in the methane reactor in the region of the upper column (preferably at the upper end of the upper column), the hydrogen concentration in the biogas is monitored. The hydrogen supply to the methane reactor is preferably regulated on the basis of the measurement signal of the hydrogen sensor. In this case, the supplied hydrogen stream is adjusted so that at elevated hydrogen concentration present at the sensor of the methane reactor supplied hydrogen stream is throttled.
Entstammt der zugeleitete Wasserstoff dem Hydrolysegas der Hydrolysestufe, so wird das Hydrolysegas über die Gasableitung des Hydrolysereaktors entnommen und dem Methanreaktor über dessen Gaszuleitung zugeführt. Die Hydrolyse wird dabei bevorzugt thermophil, bei 50–55°C, oder hyperthermophil, bei mehr als 55°C, durchgeführt. Zur Abscheidung von Kohlendioxid aus dem Hydrolysegas durchläuft dieses vorzugsweise die Anlage zur CO2-Abscheidung, in der Kohlendioxid aus dem Hydrolysegas abgetrennt wird und aus dem Prozess abgeführt wird. Vorzugsweise vollzieht die Anlage zur CO2-Abscheidung ein Adsorptions-Desorptions-Verfahren, insbesondere eine Druckwechseladsorption in Zeolithen oder Molekularsieben.If the supplied hydrogen originates from the hydrolysis gas of the hydrolysis stage, the hydrolysis gas is taken off via the gas discharge of the hydrolysis reactor and fed to the methane reactor via its gas supply line. The hydrolysis is carried out preferably thermophilic, at 50-55 ° C, or hyperthermophilic, at more than 55 ° C. For the separation of carbon dioxide from the hydrolysis gas, this preferably passes through the plant for CO 2 separation, in which carbon dioxide is separated from the hydrolysis gas and removed from the process. Preferably, the plant for CO 2 capture performs an adsorption-desorption process, in particular a pressure swing adsorption in zeolites or molecular sieves.
Der angereicherte Wasserstoff wird aus der Anlage zur CO2-Abscheidung über die Gaszuleitung des Methanreaktors dem Methanreaktor zugeführt. Da der Wasserstoff bevorzugt in der ersten Phase der Hydrolyse entsteht, wird dieser vorzugsweise über einen Gasspeicher in den Methanreaktor überführt oder ggf. zunächst darin gespeichert.The enriched hydrogen is fed from the plant for CO 2 separation via the gas feed of the methane reactor to the methane reactor. Since the hydrogen is preferably formed in the first phase of the hydrolysis, this is preferably over transferred a gas storage in the methane reactor or possibly initially stored therein.
Beim Betrieb mehrerer Hydrolysereaktoren werden diese bevorzugt parallel betrieben und zu unterschiedlichen Zeiten mit biogenen Stoffen beschickt. Auf diese Weise ist eine kontinuierliche Produktion von Hydrolysat und Hydrolysegas sichergestellt.When operating several hydrolysis reactors, these are preferably operated in parallel and charged with biogenic substances at different times. In this way, a continuous production of hydrolyzate and hydrolysis gas is ensured.
Der dem Methanreaktor zugeführte Wasserstoff steigt im Methanreaktor auf und passiert dabei die Obersäule, wo der zugeführte Wasserstoff und das im Methanreaktor enthaltene Kohlendioxid durch die hydrogenotrophen Methanbildner in der Obersäule des Methanreaktors zu Methan umgewandelt werden.The hydrogen supplied to the methane reactor rises in the methane reactor and passes through the top column, where the supplied hydrogen and the carbon dioxide contained in the methane reactor are converted to methane by the hydrogenotrophic methanogens in the top column of the methane reactor.
Um eine zusätzliche Anreicherung von Methan im Biogas zu erzielen, wird in einer Ausgestaltung zusätzlich zum Wasserstoff des Hydrolysegases auch Kohlendioxid des Hydrolysegases in den Methanreaktor geleitet. Eine Steuerung des Kohlendioxidanteils wird durch eine Reduktion der Verweilzeit des Hydrolysegases in der Anlage zur CO2-Abscheidung oder durch die geeignete Wahl des Druckniveaus in diesem Apparat umgesetzt.In order to achieve an additional accumulation of methane in the biogas, in one embodiment, in addition to the hydrogen of the hydrolysis gas and carbon dioxide of the hydrolysis gas is passed into the methane reactor. A control of the carbon dioxide content is implemented by a reduction of the residence time of the hydrolysis gas in the plant for CO 2 separation or by the appropriate choice of the pressure level in this apparatus.
Das mit Methan angereicherte Biogas steigt in der Obersäule des Methanreaktors auf und wird aus dem Methanreaktor über die Gasableitung abgeführt.The methane-enriched biogas rises in the upper column of the methane reactor and is discharged from the methane reactor via the gas discharge.
Durch die bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Methanreaktors wird die Verweilzeit des aufsteigenden Gases im Bereich der Obersäule des Methanreaktors erhöht, was eine Erhöhung des Methananteils im Biogas fördert.Due to the preferred embodiments of the methane reactor according to the invention, the residence time of the rising gas in the region of the upper column of the methane reactor is increased, which promotes an increase in the methane content in the biogas.
Durch die Biogasableitung am oberen Ende der Obersäule entweicht das Biogas, welches vorzugsweise in einen Biogasspeicher geleitet wird.Due to the biogas discharge at the upper end of the upper column escapes the biogas, which is preferably passed into a biogas storage.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das Kohlendioxid, das bei der acetotrophen Methanbildung als Nebenprodukt entsteht, als Kohlenstoffquelle für die Bildung des Methans bei einer hydrogenotrophen Umwandlung herangezogen wird. In herkömmlichen Verfahren wird das Kohlendioxid aus dem Biogas zumeist entfernt und in die Atmosphäre abgegeben. Gerade durch die in einem erfindungsgemäßen Verfahren geförderte Umsetzung des in der acetotrophen Umwandlung gebildeten Kohlendioxids zu Methan wird vorteilhaft eine Anreicherung von Methan im Biogas und damit eine erhöhte Methankonzentration erreicht. Die biologische Anreicherung erfolgt dabei in einer baulich und prozesstechnisch abgeschlossenen Einheit zur Minimierung des apparatetechnischen Aufwands und der benötigten Betriebsmittel (insbesondere der Energie) im Vergleich zum Stand der Technik.The advantage of the method according to the invention is that the carbon dioxide, which is formed as by-product in the acetotrophic methane formation, is used as a carbon source for the formation of methane in a hydrogenotrophic conversion. In conventional processes, the carbon dioxide from the biogas is usually removed and released into the atmosphere. Especially promoted in a method according to the invention reaction of the carbon dioxide formed in the acetotrophic conversion to methane, an enrichment of methane in the biogas and thus an increased methane concentration is advantageously achieved. The biological enrichment is carried out in a structurally and process-technically complete unit for minimizing the apparatus-technical effort and the required equipment (especially the energy) in comparison to the prior art.
Durch die Minimierung des CO2-Anteils des Hydrolysegases wird in der Methanstufe bei der hydrogenotrophen Umwandlung insbesondere das CO2 des Biogases, welches durch die acetotrophe Methanbildung entsteht, umgewandelt. Dies führt vorteilhaft zu einer Anreicherung des Methans im Biogas.By minimizing the CO 2 content of the hydrolysis gas, in particular the CO 2 of the biogas, which is formed by the acetotrophic formation of methane, is converted in the methane stage in the hydrogenotrophic conversion. This leads advantageously to an enrichment of methane in the biogas.
Ein weiterer Vorteil der Zuleitung von Wasserstoff aus dem Hydrolysegas in einem Methanreaktor liegt darin, dass der prozesstechnische und Investitionsaufwand zur Abtrennung von Kohlendioxid aus dem Biogas in einem solchen Verfahren geringer ist, als bei Verfahren, bei denen der Methananteil im Biogas erst in einem nachgelagerten Prozess nach der Ableitung des Biogases aus dem Methanreaktor erfolgt. Der Volumenstrom des Hydrolysegases ist wesentlich geringer als der Volumenstrom des Biogases einer Biogasanlage. Deshalb ist die bautechnische Ausführung des Verfahrens zur Kohlendioxidabtrennung aus dem Hydrolysegas kleiner und demzufolge mit wesentlich geringeren Investitions- und Betriebskosten verbunden, als eine nachgeschaltete Anlage zur Kohlendioxidabtrennung aus dem Biogas.Another advantage of the supply of hydrogen from the hydrolysis in a methane reactor is that the process engineering and investment costs for the separation of carbon dioxide from the biogas is lower in such a method, as in processes in which the methane content in the biogas only in a downstream process after the biogas has been discharged from the methane reactor. The volume flow of the hydrolysis gas is substantially lower than the volume flow of the biogas of a biogas plant. Therefore, the structural design of the process for carbon dioxide removal from the hydrolysis gas is smaller and therefore associated with significantly lower investment and operating costs, as a downstream system for carbon dioxide removal from the biogas.
Anhand beigefügter Darstellungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigenWith reference to accompanying drawings embodiments of the invention will be explained in more detail. Show
Kreislaufführung des Biogases Recycling of biogas
Ausführungsbeispiel 1: Anlage mit vertikaler UntersäuleEmbodiment 1: Plant with vertical sub-column
Die in
Der Methanreaktor (
Die Anlage wird wie folgt betrieben:
In der in der Einlaufphase findet eine anaerobe Inokulation des Methanreaktors (
In the start-up phase, an anaerobic inoculation of the methane reactor (
Im Hydrolysereaktor (
In der Untersäule (
Das Hydrolysegas wird aus dem Hydrolysereaktor (
Das im Bereich der Untersäule (
In der Obersäule (
Das Biogas mit dem erhöhten Methananteil entweicht am oberen Ende der Obersäule (
Ausführungsbeispiel 2: Anlage mit horizontaler UntersäuleEmbodiment 2: Plant with horizontal sub-column
Anhand beigefügter
Die in
Der Methanreaktor (
Die Anlage wird wie folgt betrieben:
In der in der Einlaufphase findet eine anaerobe Inokulation des Methanreaktors (
In the start-up phase, an anaerobic inoculation of the methane reactor (
Im Hydrolysereaktor (
In der Untersäule (
Das Hydrolysegas wird aus dem Hydrolysereaktor (
Das im Bereich der Untersäule (
In der Obersäule (
Das Biogas mit dem erhöhten Methananteil entweicht am oberen Ende der Obersäule (
Ausführungsbeispiel 3: Anlage mit direkter WasserstoffeinspeisungEmbodiment 3: Plant with Direct Hydrogen Supply
Anhand beigefügter
Die in
Der Methanreaktor (
Die Anlage wird wie folgt betrieben:
In der in der Einlaufphase findet eine anaerobe Inokulation des Methanreaktors (
In the start-up phase, an anaerobic inoculation of the methane reactor (
Im Hydrolysereaktor (
In der Untersäule (
Das Hydrolysegas wird aus dem Hydrolysereaktor (
Wasserstoff aus der externen Wasserstoffquelle (
Das im Bereich der Untersäule (
In der Obersäule (
Das Biogas mit dem erhöhten Methananteil entweicht am oberen Ende der Obersäule (
Ausführungsbeispiel 4: Anlage mit vertikaler UntersäuleEmbodiment 4: Plant with vertical sub-column
Die in
Der Methanreaktor (
Die Anlage wird wie folgt betrieben:
In der in der Einlaufphase findet eine anaerobe Inokulation des Methanreaktors (
In the start-up phase, an anaerobic inoculation of the methane reactor (
Im Hydrolysereaktor (
In der Untersäule (
Das Hydrolysegas wird aus dem Hydrolysereaktor (
Das im Bereich der Untersäule (
In der Obersäule (
Das Biogas mit dem erhöhten Methananteil wird dem Methanreaktor (
Ausführungsbeispiel 5: Anlage mit horizontaler UntersäuleEmbodiment 5: Plant with horizontal sub-column
Anhand beigefügter
Die in
Der Methanreaktor (
Die Anlage wird wie folgt betrieben:
In der in der Einlaufphase findet eine anaerobe Inokulation des Methanreaktors (
In the start-up phase, an anaerobic inoculation of the methane reactor (
Im Hydrolysereaktor (
In der Untersäule (
Das Hydrolysegas wird aus dem Hydrolysereaktor (
Das im Bereich der Untersäule (
In der Obersäule (
Das Biogas mit dem erhöhten Methananteil wird dem Methanreaktor (
Ausführungsbeispiel 6: Anlage mit direkter WasserstoffeinspeisungEmbodiment 6: Plant with Direct Hydrogen Supply
Anhand beigefügter
Die in
Der Methanreaktor (
Die Anlage wird wie folgt betrieben:
In der in der Einlaufphase findet eine anaerobe Inokulation des Methanreaktors (
In the start-up phase, an anaerobic inoculation of the methane reactor (
Im Hydrolysereaktor (
In der Untersäule (
Das Hydrolysegas wird aus dem Hydrolysereaktor (
Wasserstoff aus der externen Wasserstoffquelle (
Das im Bereich der Untersäule (
In der Obersäule (
Das Biogas mit dem erhöhten Methananteil wird dem Methanreaktor (
Nach dreimaliger Rückführung des Biogases über die Gasleitung (
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- (1)(1)
- Hydrolysereaktorhydrolysis reactor
- (2)(2)
- Anlage zur Entfernung des CO2 Plant for the removal of CO 2
- (3)(3)
- Methanreaktormethane reactor
- (31)(31)
- Obersäuleupper column
- (32)(32)
- Untersäulepillar
- (33)(33)
- Einlassinlet
- (34)(34)
- Auslassoutlet
- (35)(35)
- Gaszufuhrgas supply
- (36)(36)
- H2-SensorH 2 sensor
- (37)(37)
- Biogasableitungbiogas deriving
- (38)(38)
- Gasleitunggas pipe
- (4)(4)
- RücklaufwassertankReturn water tank
- (5)(5)
- Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff aus einer externen QuellePlant for the supply of hydrogen from an external source
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- US 4696746 B1 [0018] US 4696746 B1 [0018]
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