-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchmischung eines Gärsubstrates in einem Fermenter einer Biogasanlage, bei dem im Zuge einer Substratumwälzung ein in den Gasraum des Fermenters gepumpter Substratstrom gleichmäßig auf die Oberfläche des Gärsubstrates verteilt wird.
-
Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
-
Verfahren der eingangs genannten Art sind dem Fachmann bekannt und dienen dazu, im Zuge der Substratumwälzung den Inhalt in einem Fermenter einer Biogasanlage, d.h. das Gärsubstrat, zu durchmischen. Hierzu wird an der Fermenterunterseite Substrat entnommen und das entnommene Substrat als Substratstrom mittels einer Umwälzpumpe in den Kopfbereich des Fermenters gepumpt, um schließlich zumeist über einen Prallteller auf der Oberfläche des Gärsubstrates gleichmäßig verteilt zu werden. Bekannte Vorteile des Verfahrens sind der relativ geringe Energieaufwand sowie die einfache Wartung.
-
Voraussetzung für die Durchführung des Verfahrens ist es, dass die gesamte Oberfläche des Gärsubstrates mit frischem Substrat aus der Umwälzung benetzt wird, d.h. der in den Kopfbereich des Fermenters gepumpte Substratstrom muss gleichmäßig auf der Oberfläche des Gärsubstrates verteilt werden, damit die Oberfläche feucht bleibt. Andernfalls können sich Schwimmdecken bilden, die einerseits dazu führen können, dass sich das Gärsubstratvolumen im oberen Bereich des Fermenters vergrößert, was eine Verstopfung von Leitungen in dem Fermenter zur Folge haben kann, und andererseits der Abbau des Gärsubstrates verringert wird, da unbenetztes Material biologisch schlecht zugänglich ist.
-
Infolgedessen wurden vermehrt Anstrengungen unternommen, Techniken für eine effektive Benetzungsoberfläche zu entwickeln. Als ein probates Instrumentarium hat sich die Verteilung des Substratstromes auf mehrere Rohre erwiesen, die parallel derart positioniert sind, dass nahezu die gesamte Substratoberfläche benetzt wird. Als Alternative hat sich auch ein Prallteller erwiesen, der zwischen der Oberfläche des Gärsubstrates und der Steigumwälzleitung positioniert ist und auf den der Substratstrom geleitet wird. Das auf den Prallteller gelangte Substrat nimmt dabei die Gestalt von Wasserstrahlen eines Springbrunnens an, so dass Benetzungsradien erzeugt werden.
-
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich insbesondere bei größeren Oberflächen die gleichmäßige Benetzung schwierig gestaltet.
-
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass auch bei größeren Oberflächen von Gärsubstraten in einem Fermenter die gesamte Oberfläche gleichmäßig benetzt werden kann.
-
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Die Erfindung sieht vor, dass die Geschwindigkeit, mit der der Substratstrom in den Gasraum des Fermenters gepumpt wird, variiert wird.
-
Die grundlegende Idee der Erfindung ist es, durch Variation der Geschwindigkeit des Substratstromes auch die Aufprallkraft des Substrates beispielsweise auf einen gegebenen Prallteller zu erhöhen. Unterschiedliche Aufprallkräfte haben wiederum zur Folge, dass unterschiedliche Benetzungsradien auf der Oberfläche des Gärsubstrates erzeugt werden. Hieraus resultiert wiederum, dass entweder der Außenbereich oder der mittlere Bereich bzw. Innenbereich der Substratoberfläche eine stärkere Benetzung erfahren.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist zudem die effektive Verhinderung von Schwimmdecken und somit ideale biologische Abbaubedingungen für das eingesetzte Gärsubstrat. Auch können schwimmschichtanfällige Einsatzstoffe vorteilhafterweise in einer Biogasanlage Verwendung finden.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Geschwindigkeit frequenzgesteuert wird. Vorzugsweise kann dabei durch Variation der Geschwindigkeit der Umwälzpumpe, beispielsweise mittels eines Frequenzumrichters, die Geschwindigkeit des Substratstromes variiert werden. Der Frequenzumrichter ist zweckmäßigerweise direkt mit der Umwälzpumpe verbunden.
-
Eine praktikable Variante der Erfindung sieht vor, dass das Substrat auf einen in dem Gasraum befindlichen Prallteller gepumpt wird. Denkbar ist aber auch, dass andere Vorrichtungen als ein Prallteller Verwendung finden.
-
Schließlich sieht die Erfindung auch eine Biogasanlage zur Durchführung des Verfahrens vor, wobei die Anlage neben einer Umwälzleitung auch eine Umwälzpumpe aufweist, der ein Geschwindigkeitsregler zugeordnet ist. Als eine praktikable Variante der Erfindung ist hier vorgesehen, dass es sich bei dem Geschwindigkeitsregler um einen Frequenzumrichter handelt.
-
Im Weiteren wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung:
-
1 das Verfahren gemäß der Erfindung und
-
2 Benetzungsradien auf einer Gärsubstratoberfläche in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Substratstromes.
-
1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren, das in dem Biogasreaktor 1 abläuft.
-
Eine wesentliche Komponente des Biogasreaktors 1 ist der Fermenter 2. Der Fermenter 2 ist mit dem Gärsubstrat 6 gefüllt. Oberhalb der Gärsubstratoberfläche 7 befindet sich der Gasraum 8, der Bestandteil des Fermenters 2 ist. Der Fermenter 2 wird von der Wand 3 begrenzt. Oberseitig wird der Gasraum 8 bzw. der Fermenter 2 von dem Kopfbereich 5 begrenzt, der ein horizontales Bauteil ist und gleichzeitig den Biogasreaktor 1 nach oben abschließt. Unterseitig wird der Fermenter 2 von einem Boden 4 begrenzt.
-
Unterhalb des Bodens 4, d.h. im Fußbereich des Biogasreaktors 1, befindet sich der Reaktorraum 9, in dem verfahrenstechnische Vorrichtungen, wie Stoffschieber 10, 11, 12, 13, 14 und die Umwälzpumpe 15 untergebracht sind.
-
Das in dem Gasraum 8 produzierte Biogas wird an einem Gasdom 16 im Kopfbereich 5 entnommen und über eine Gasleitung 17 abgeführt. Der Gasfluss kann mittels des Schiebers 18, der oberhalb des Gasdoms 16 angeordnet ist, unterbrochen werden. Nicht abführbares Biogas kann über die Überdrucksicherung 14a, die sich zwischen dem Gasdom 16 und dem Schieber 18 befindet, aus dem Gasraum 8 entweichen. Die Gasleitung 17 verläuft entlang der Wand 3 durch den Boden 4 in den Reaktorraum 9. Innerhalb des Reaktorraumes 9 zweigt die Gasleitung 17 ab und verläuft durch die Wand 3 nach außen.
-
Zur Fütterung des Biogasreaktors 1 mit sogenannten Kosubstraten wird dem Biogasreaktor 1 ein Teil des Gärsubstrates 6 über die Saugleitung 22 entnommen. Mit Hilfe der in dem Reaktorraum 9 zwischen den Schiebern 10, 11, 12, 13, 14 angeordneten Pumpe 15 wird ein Teil des Substrates 6 über die Leitung 24 zur Substratmischpumpe 25 gepumpt. Die Substratmischpumpe 25 vermischt das Kosubstrat aus dem Behälter 26 mit dem aus dem Biogasreaktor 1 entnommenen Substrat und drückt dieses über die Leitung 27 in den Vorreaktorbehälter 28, der in Form eines Rohres vorliegt und sich entlang der Wand 3 zum Kopfbereich 5 des Fermenters 2 hin erstreckt. Das in dem Vorreaktorbehälter 28 befindliche Substrat/Kosubstratgemisch wird nach oben herausgedrückt und gelangt so in den Fermenter 2.
-
Dem Biogasreaktor 1 ist ein Endlager 29 zugeordnet, das über die Leitung 30 mit der Saugleitung 22 verbunden ist. Gärsubstrat 6 aus dem Fermenter 2 kann so über die Pumpe 15 und die Saugleitung 22 dem Fermenter 2 entnommen und über die Leitung 30 ins Endlager 29 gepumpt werden. Hierdurch kann eine Entleerung des Fermenters 2 bis zu einem Minimalfüllstand vollzogen werden, wenn ein kritischer Wert überschritten wird. Der Füllstand wird dabei mit Hilfe des hydrostatischen Drucks sowie über einen Überfüllsensor und einen Sensor bestimmt, der den Minimalfüllstand darstellt.
-
Der Biogasreaktor 1 weist eine Heizvorrichtung 31 auf, die innerhalb des Fermenters 2 angeordnet ist und der Steigumwälzleitung 19 zugeordnet ist.
-
Parallel zur Gasleitung 17 in dem Gasraum 8 und in dem Fermenter 2 verläuft die Steigumwälzleitung 19. Der Steigumwälzleitung 19 schließt sich die Saugleitung 22 an, die wiederum mit einer Leitung 21 verbunden ist, an der die Vorgrube 20 angeschlossen ist.
-
Das Verfahren beginnt damit, dass Substrat als Substratstrom 32 aus der Vorgrube 20 über die Leitung 21, den Schieber 13, die Pumpe 15 sowie die Saugleitung 22 und den Schieber 10 in die Steigumwälzleitung 19 geführt und in den Kopfbereich 5, d.h. in den Gasraum 8 des Biogasreaktors 1 gepumpt wird. Die Steigumwälzleitung 19 mündet unterhalb des Kopfbereiches 5 in den Prallteller 23, so dass der Substratstrom 32 auf das Gärsubstrat 6 gleichmäßig verteilt wird.
-
In erfindungswesentlicher Weise wird dabei die Geschwindigkeit, mit der der Substratstrom 32 in den Gasraum 8 des Fermenters 2 gepumpt wird, variiert. Hierzu wird mit Hilfe des Pumpengeschwindigkeitsreglers 33 in Gestalt des Frequenzumrichters, der der Umwälzpumpe 15 zugeordnet ist, die Geschwindigkeit der Pumpe 15 variiiert.
-
Der Substratstrom 32 kommt aus der Steigumwälzleitung 19 somit mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und trifft auf den Prallteller 23, um danach geteilt sowie für kurze Zeit nach oben befördert zu werden und gewissermaßen in Gestalt von Wasserstrahlen eines Springbrunnens auf die Oberfläche 7 des Gärsubstrates 6 zu treffen. Auf der Oberfläche 7 des Gärsubstrates 6 bildet dabei der aufgeteilte Substratstrom 32 einen kreisförmigen Streifen 35.
-
Je nach Geschwindigkeit, mit der der Substratstrom 32 auf den Prallteller 2 trifft, bildet sich der kreisförmige Streifen 35 im Innenbereich, im mittleren Bereich oder im Außenbereich der Oberfläche 7 des Gärsubstrates 6 aus.
-
Wird die Umwälzpumpe 15 mit einer minimalen Frequenz über den Pumpengeschwindigkeitsregler 33 angesteuert, ergibt sich eine minimale Geschwindigkeit des Substratstromes 32. Auch wird der Substratvolumenstrom minimal. Die Folge ist eine geringe Aufprallkraft des Substratstromes 32 auf den Prallteller 23, woraus ein geringer Benetzungsradius resultiert. Wie aus 2a hervorgeht, wird dann lediglich der Innenbereich der Oberfläche 7 des Gärsubstrates benetzt.
-
Wird dagegen die Ansteuerungsfrequenz der Umwälzpumpe 15 erhöht, so entsteht eine höhere Aufprallkraft des Substratstromes 32 auf dem Prallteller 23, so dass sich der Benetzungsradius erhöht. Wie 2a verdeutlicht, wird dadurch der mittlere Bereich der Oberfläche 7 des Gärsubstrates benetzt.
-
Schließlich führt eine maximale Ansteuerungsfrequenz der Umwälzpumpe 15 zu einem maximalen Substratvolumenstrom sowie zu einer maximalen Geschwindigkeit des Substratstromes 32 und somit auch zu einer maximalen Aufprallkraft auf den Prallteller 23. Hieraus resultiert wiederum ein maximaler Benetzungsradius auf der Oberfläche 7 des Gärsubstrates 6. Wie aus 2 hervorgeht, bildet sich hierdurch der kreisförmige Streifen 35 im Außenbereich der Oberfläche 7 des Gärsubstrates 6 aus, so dass nur der äußere Bereich der Oberfläche 7 des Gärsubstrates 6 benetzt wird.
-
Mittels einer periodischen Ansteuerung der Umwälzpumpe 15 durch den Frequenzumrichter, wodurch variierende Geschwindigkeiten des Substratstromes 32 resultieren, kann also die gesamte Oberfläche 7 des Gärsubstrates 6 benetzt werden.
-
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten möglich, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Biogasreaktor
- 2
- Fermenter
- 3
- Wand
- 3a
- Isolierung
- 4
- Boden
- 5
- Kopfbereich
- 6
- Gärsubstrat
- 7
- Gärsubstratoberfläche
- 8
- Gasraum
- 9
- Reaktorraum
- 10, 11, 12, 13, 14
- Stoffschieber
- 14a
- Überdrucksicherung
- 15
- Pumpe
- 16
- Gasdom
- 17
- Gasleitung
- 18
- Schieber
- 19
- Steigumwälzleitung
- 20
- Vorgrube
- 21, 24, 27, 30
- Leitung
- 22
- Saugleitung
- 23
- Prallteller
- 25
- Substratmischpumpe
- 26
- Behälter
- 28
- Vorreaktorbehälter
- 29
- Endlager
- 31
- Heizvorrichtung
- 32
- Substratstrom
- 33
- Pumpengeschwindigkeitsregler
- 34
- Heizwasserrücklaufleitung
- 35
- Streifen
