DE102011106772A1

DE102011106772A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Methangas aus organischem Reststoff

Info

Publication number: DE102011106772A1
Application number: DE102011106772A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-01-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Methangas aus Feststoffen und Flüssigkeiten enthaltendem organischen Reststoff mit den Schritten einer Versäuerung des Reststoffes und einer Methanisierung, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass die Versäuerung und die Methanisierung in separaten, einander folgenden Schritten erfolgt, wobei noch vorhandene Feststoffe nach der Versäuerung abgetrennt werden und nur der flüssige Ablauf dem Schritt der Methanisierung zugeführt wird. Die abgetrennten Feststoffe können dabei anschließend einem Schritt der thermisch chemischen Nassoxidation unterzogen werden, wodurch sich insgesamt eine hohe Methangasbeute erreichen lässt. Die Vorrichtung für dieses Verfahren ist entsprechend mit zwei separaten Reaktoren versehen, die eine Feststoffabtrennung zwischengeschaltet haben, der bedarfsweise ein thermisch chemischen Nassoxidationsreaktor nachgeschaltet werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Feststoffe und Flüssigkeiten enthaltendem organischen Reststoff, mit den Schritten einer Versäuerung des Reststoffes und einer Methanisierung sowie eine Vorrichtung für dieses Verfahren.
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas (insbesondere wird hierunter Methangas verstanden) aus organischen Reststoffen sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Unter organischen Reststoffen sind Abfälle aus der Lebensmittelindustrie zu verstehen, wie Hackschnitzel von Zuckerrüben aus der Zuckerproduktion oder auch Klärschlämme, wie sie in kommunalen Kläranlagen anfallen.
Gerade in Kläranlagen werden diese organischen Reststoffe in Faultürmen verwertet, wobei am Ende Biogas anfällt sowie im Wesentlichen feste Abfallstoffe. Es ist dabei bekannt, in zwei einander nachgeschalteten Reaktoren sowohl eine Versäuerung als auch eine Methanisierung durchzuführen.
Diese genannten festen Abfallstoffe enthaften zum Schluss einerseits noch einen gewissen Anteil an organischen Bestandteilen, die nicht für die gewünschte Erzeugung von Biogas umgesetzt wurden. Außerdem haben diese Abfallstoffe den Nachteil, dass sie sowohl Reste an Biogas als auch noch biogaserzeugende Bakterien enthaften. Da Methangas ein hochaktives Treibhausgas ist (es ist 25-mal aktiver als Kohlendioxid), sind diese Reste an Biogas in den Abfallstoffen unerwünscht. Dies gilt auch für die zumindest noch in einer Abklingzeit Biogas produzierenden Methangasbakterien.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine unerwünschte Abgabe von Biogas aus den Abfallstoffen an die Umwelt zu verhindern.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, dass die Versäuerung und die Methansisierung in separaten, einander folgenden Schritten erfolgt, wobei die in dem Reststoff nach der Versäuerung noch vorhandenen Feststoffe abgetrennt werden und nur der flüssige Ablauf dem Schritt der Methanisierung zugeführt wird.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass die im flüssigen Ablauf vorhandene organische Säure von den bei der Methanisierung vorhandenen Methangasbakterien schnell und so gut wie vollständig zu Biogas umgesetzt werden können.
Das Biogas wird üblicherweise in dem für die Methanisierung benötigten Reaktor gesammelt und über entsprechende Leitungen mit Sicherheitseinrichtungen abgeleitet und kann dann aufbereitet als Biomethan in eine (Erd-)Gasleitung eingespeist werden. Das Biogas kann aber auch direkt thermisch genutzt bzw. in einer Brennstoffzelle oder einem Blockheizkraftwerk (BHKW) direkt verstromt werden.
Der wässrige Auslauf der Methanisierung kann im Kreislauf geführt werden und wird dem zu Beginn des Verfahrens zugeführten Reststoff zugesetzt.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt aber insbesondere darin, dass die vor der Methanisierung abgetrennten Feststoffe noch keine Biogasreste oder aber Biogas erzeugende Bakterien enthalten. Damit kann ein unerwünschtes Austreten von Biogas aus diesen Feststoffen in die Umwelt sicher verhindert werden.
Die abgetrennten Feststoffe enthalten bekanntermaßen noch einige Mengen an unzersetztem organischen Material. Um diese Mengen noch für die Biogasproduktion nutzen zu können, wird weiterhin vorgeschlagen, diese noch vorhandenen Mengen an untersetztem organischen Material aufzuschließen und hierfür die Feststoffe einer thermisch chemischen Nassoxidation zu unterziehen. Anschließend wird das derart aufgeschlossene Material dann wieder der Versäuerung zugeführt.
Es ist dabei im Rahmen der Erfindung, in dem Reaktor, in dem die thermisch chemische Nassoxidation durchgeführt wird, durch Zuführen von Sauerstoff und/oder H₂O₂ auch eine Teiloxidation durchzuführen, wodurch die Aufspaltung von organischen Stoffen beschleunigt wird. Durch die daraufhin entstehende Oxidation werden organische Säuren und Alkohole gebildet, die nach der erneuten Versäuerung mit dem flüssigen Ablauf, der bei der wieder nachfolgenden Abtrennung von Feststoffen anfällt, dann dem Schritt der Methanisierung zugeführt werden können.
Die für die thermisch chemische Nassoxidation benötigte Energie kann auch durch das nach der Methanisierung entstehende Biogas geliefert werden, das hierzu innerhalb der Anlage z. B. in einem Kessel verbrannt werden kann.
Die thermisch chemische Nassoxidation findet dabei bei Temperaturen von 110 bis 210°C statt und bei Drücken von 3 bis zu 20 bar.
Aus dem Reaktor für die thermisch chemische Nassoxidation kommendes Material wird wie oben erwähnt in den Reaktor geleitet, in dem die Versäuerung stattfindet. Dort hebt dieses Material die Temperatur an, so dass die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Versäuerung ebenfalls angehoben werden kann.
Es sei noch erwähnt, dass der aus der Methanisierung kommende wässrige Auslauf nur teilweise wieder der Versäuerung zugeführt wird, während ein Teil dieses wässrigen Auslaufes auch zur Abfuhr von anorganischen Salzen der ursprünglich eingesetzten Reststoffe aus dem Prozess ausgeschleust wird.
Aus diesem ausgeschleusten wässrigen Auslauf können dann in diesem enthaltene Wertstoffe wie beispielsweise Phosphat oder Ammonium noch rückgewonnen werden.
Auch bei den abgetrennten Feststoffen können die nicht weiter verwertbaren Bestandteile ausgeschleust werden, um dann abschließend entsorgt zu werden.
Außer mit einem Verfahren der oben beschriebenen Art wird die o. g. Aufgabe auch gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Weiter bevorzugte Ausführungsformen dieser Vorrichtung finden sich dann in den weiteren Unteransprüchen 8–10.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt:
1 das Fließschema eines Verfahrens zur Vergärung biogener Reststoffe
In 1 ist das Fließschema eines Verfahrens dargestellt, mit dem biogene Reststoffe vergärt werden können.
Zunächst werden in einen Aufbereitungsbehälter 1 biogene Reststoffe eingefüllt. Hierzu gehören Reststoffe beispielsweise aus der Zuckerproduktion, wie Hackschnitzel von Zuckerrüben etc., sowie Reststoffe aus Bierbrauereien, aus der Milchverarbeitung oder aus der Lebensmittelindustrie. Diese Reststoffe werden in dem Aufbereitungsbehälter 1 mit Prozesswasser 2 versetzt und dann in einen Versäuerungsreaktor 3 eingeleitet. Dort verweilen diese Reststoffe für eine Verweilzeit von 2 bis 10 Tagen, wobei eine Umsetzung erfolgt von Kohlenwasserstoffen zu organischen Säuren sowie Kohlendioxid. Die Verweilzeit im Versäuerungsreaktor 3 ist abhängig vom einzusetzenden Reststoff und von dessen Teilchengröße.
Das Gemisch 4 aus dem Versäuerungsreaktor 3 wird in eine Feststoffabtrennung 5 eingeleitet, wobei es sich um eine Eindickzentrifuge oder einen Dekanter handeln kann.
Der flüssige Ablauf 6 aus dieser Feststoffabtrennung 5 wird dann in einen Methanreaktor 7 geführt, wo die dort vorhandenen Methanbakterien die in dem flüssigen Ablauf 6 vorhandenen organischen Säuren schnell zu Methangas enthaltendem Biogas umsetzen. Dieses Biogas wird in bekannter Weise insbesondere im Kopf des Methanreaktors 7 gesammelt und über eine entsprechende Biogasleitung 8 abgeführt und kann dann nach Aufbereitung als Biomethan in eine (nicht dargestellte) Erdgasleitung eingespeist werden. Alternativ kann das Methangas auch in einer (ebenfalls nicht dargestellten) Brennstoffzelle oder einem Blockheizkraftwerk (BHKW) direkt verstromt werden.
Der im Methanreaktor 7 am Ende der Reaktion zurückbleibende wässrige Auslauf 9 wird zum Teil wiederum als Prozesswasser 2 im Kreislauf geführt und wieder dem Aufbereitungsbehälter 1 zum Anschlämmen der biogenen Reststoffe zugeführt. Ein kleiner Teil wird aber auch ausgeschleust, um die verbleibenden anorganischen Salze der eingesetzten Reststoffe aus dem Prozess zu entfernen. Aus diesem wässrigen Auslauf 9 können enthaltene Wertstoffe, wie Phosphate oder Ammonium noch rückgewonnen werden.
Während der flüssige Ablauf 6 dem Methanreaktor 7 zugeführt wird, wird das von der Feststoffabtrennung 5 abgetrennte Feststoffmaterial 10 einem thermisch chemischen Nassoxidationsreaktor 11 zugeführt und dort weiter aufgeschlossen und zersetzt. Es ist auch möglich, in demselben Reaktor 11 eine Teiloxidation durchzuführen, um die Spaltung von organisches Stoffen zu beschleunigen. Hierzu werden dem Reaktor 11 zusätzlich Sauerstoff und/oder H₂O₂ als Oxidationsmittel zugeführt. In dem Reaktor entstehen dann organische Säuren und Alkohole.
Die thermisch chemische Nassoxidation in dem Reaktor 11 findet in einem Temperaturbereich von 110 bis 210°C statt. Das derart zersetzte und heiße Medium 12 wird dann wieder dem Versäuerungsreaktor 3 zugeführt und erhöht dort die Temperatur des in diesem befindlichen Materials und verbessert so die Wirkung des Versäuerungsreaktors 3. Überschüssiges Energiepotential wird dabei rückgewonnen und innerhalb der Anlage verwertet.
Die in dem Versäuerungsreaktor 3 entstehende methangasfreie Abluft wird über eine Leitung 14 abgeführt und gegebenenfalls noch über einen Aktivkohlefilter oder Kompostfilter geführt, um eventuell vorhandene Gerüche zu beseitigen.
Es sei noch erwähnt, dass nach der Feststoffabtrennung 5 feste Reststoffe 10 teilweise über eine Ausschleussleitung 13 abgesondert werden, statt der thermisch chemischen Nassoxidation 11 zugeführt zu werden, um dann einer abschließenden Entsorgung zugeführt zu werden. In den hier abgesonderten festen Reststoffen können dabei weniger als 5% organischer Trockensubstanz enthaften sein.
Es hat sich herausgestellt, dass mit einer Vorrichtung der beschriebenen Art somit insgesamt mehr als 95% der organischen Trockensubstanz umgesetzt werden können, so dass eine insgesamt sehr hohe Methangasausbeute zu erreichen ist. Diese erfolgt insbesondere ohne eine unerwünschte Methanemission, da aus dem Verfahren ausgeschleuste Feststoffe dem Verfahren in Bareichen entnommen werden, in denen sie nach nicht mit Methangasbakterien in Berührung gekommen sind, Diese Methangasbakterien werden in dem Verfahren auf den vorhandenen Methanreaktor 7 beschränkt, wo sie letztlich nur mit Flüssigkeiten, nicht aber mit Feststoffen in Kontakt kommen.

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Methangas aus Feststoffen und Flüssigkeiten enthaltendem organischen Reststoff, mit den Schritten einer Versäuerung des Reststoffes und einer Methanisierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Versäuerung und die Methanisierung in separaten, einander folgenden Schritten erfolgt, wobei noch vorhandene Feststoffe nach der Versäuerung abgetrennt werden und nur der flüssige Ablauf dem Schritt der Methanisierung zugeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abgetrennten Feststoffe einer thermisch chemischen Nassoxidation zugeführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Methanisierung zu Biogas und wässrigem Auslauf führt, wobei ein Teil des Auslaufes als Flüssigkeit dem organischen Reststoff zugesetzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Auslaufes zur Entfernung anorganischer Salze ausgeschleust wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ausgeschleusten Auslauf enthaltene Wertstoffe rückgewonnen werden.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der abgetrennten Feststoffe mit weniger als 5% organischer Trockensubstanz aus dem Verfahren abgeführt wird,
Vorrichtung zur Erzeugung von Methangas aus Feststoffen und Flüssigkeiten enthaltendem organischen Reststoff in zwei einander nachgeschalteten Reaktoren, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Reaktor ein Versäuerungsreaktor (3) ist und der zweite ein Methanisierungsreaktor (7) und dass zwischen diesen eine Feststoffabtrennung (5) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffabrennung (5) ein thermisch chemischer Nassoxidationsreaktor (11) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Methanisierungsreaktor (7) über eine Leitung (2) von seinem Auslauf mit einem dem Versäuerungsreaktor (3) vorgeschalteten Aufbereitungsbehälter (1) verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Nassoxidationsreaktor (11) über eine Leitung (12) mit dem Versäuerungsreaktor (3) verbunden ist.