DE102014100849B4

DE102014100849B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas

Info

Publication number: DE102014100849B4
Application number: DE102014100849.9A
Authority: DE
Inventors: Jan Mumme; Toufiqur Mohammad Reza
Original assignee: Leibniz Institut fuer Agrartechnik und Biooekonomie eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Agrartechnik und Biooekonomie eV
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2024-01-11
Anticipated expiration: 2034-01-25
Also published as: DE102014100849A1

Abstract

Verfahren, zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse in einem Biogasreaktor, wobei mana) Biomasse in einen Biogasreaktor einbringt, der Fermentationsflüssigkeit aufweist, wobei der Biogasreaktor mit Mitteln ausgestattet ist, welche die Zufuhr und Entnahme von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen gestatten,b) magnetisierbare Kohlepartikel hinzufügt undc) die Biogaserzeugung durchführt, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Kohlepartikel eine kohlenstoffhaltige Phase und eine anorganische magnetisierbare Phase aufweisen, wobei ein Bestandteil der kohlenstoffhaltigen Phase elementarer Kohlenstoff ist, und die magnetisierbaren Partikel aus magnetisierbarer HTC-Biokohle bestehen, die aus Gärresten und magnetisierbaren Metallen oder Metallverbindungen mittels hydrothermaler Karbonisierung erhalten wurde.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas, bei welchem man die Methanisierung der Biomasse in Anwesenheit von magnetisierbaren Partikeln durchführt, wobei die magnetisierbaren Partikel magnetisierbare Kohlepartikel sind, die eine kohlenstoffhaltige Phase und eine anorganische magnetisierbare Phase aufweisen, wobei ein Bestandteil oder alleiniger Bestandteil der kohlenstoffhaltigen Phase elementarer Kohlenstoff ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der vorliegenden Beschreibung der Erfindung wird der Begriff „magnetisierbar“ derart verstanden, dass die erfindungsgemäß verwendeten magnetisierbaren Kohlepartikel in einem magnetischen Zustand vorliegen oder in einen magnetischen Zustand überführbar sind. Der magnetische Zustand kann jedweder bekannter Natur sein wie Ferromagnetismus, Ferrimagnetismus, Antiferromagnetismus, Paramagnetismus, Diamagnetismus. Auch jedwede Art der Erzeugung des magnetischen Zustands wie Erwärmung oder elektrische Felder sind erfindungsgemäß von dem Begriff umfasst.
Im Stand der Technik sind bereits Verfahren zur Erzeugung von Biogas bekannt, bei welchen man in einem Reaktor Biomasse in einer Fermentationsflüssigkeit methanisiert.
EP 0 209 790 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Füllstoffe enthaltenden, Polymer-gebundenen Trägermassen, die nach diesem Verfahren erhaltenen Trägermassen und ihre Verwendung. Das Verfahren beinhaltet das Vermischen von A) Schaumstoffgranulaten und/oder von fossilen Lignozellulosepulvern und/oder von Kohlepulvern und gegebenenfalls weiteren Füllstoffen mit B) wäßrigen Polymerdispersionen, gegebenenfalls unter Zusatz von C) Wasser und gegebenenfalls D) weiteren Hilfs- und Zusatzmitteln und anschließende Koagulation der Polymerdispersion, die nach diesem Verfahren erhaltenen Polymer-gebundenen Trägermassen und ihre Verwendung als Träger für Biomassen bei der Abwasserreinigung, bei der biologischen Fermentation in Biokonversionsprozessen, als Pflanzenwachstumssubstrat oder als Adsorbentien für fein dispergierte Stoffe und/oder Rohöl.
Aus der US 4 981 593 A ist ein Abwasserbehandlungsverfahren bekannt, in welchem physikalisch-chemische Klärung unter Verwendung feiner Materialien oder Tonpartikel mit anaerober Vergärung eines konzentrierten Abwassers kombiniert wird. Die Teilchen sind vorzugsweise Magnetit. Das Abwasser wird mit Magnetit, der eine hydroxylierte Oberflächenschicht besitzt, in Tanks gemischt, in denen Säure, anorganisches Flockungsmittel und Polyelektrolyt bei Bedarf zugesetzt werden können. Das organische Material im Abwasser wird während des Mischkontakts auf den Partikeln adsorbiert, und ein geklärter, flüssiger Ablauf wird von den beladenen Partikeln in einem Klärbecken abgetrennt. Das organische Material kann von den Partikeln vor oder nach der Behandlung in einer anaeroben Vergärungsanordnung getrennt werden. Die Partikel werden bevorzugt in einem Zwei-Stufen-Waschsystem gereinigt und regeneriert.
WO 02/069351 A1 offenbart eine Zusammensetzung und ein Verfahren zur Bildung von aktiviertem Kohlenstoff mit magnetischen Eigenschaften zur magnetischen Trennung der Aktivkohle von einer zu behandelnden Flüssigkeit. Hierbei wird eine Lösung einer ferromagnetischen Vorstufe innig mit einer porösen Kohlenstoffvorstufe gemischt oder auf dieser absorbiert, oder mit einer Lösung oder einer schmelzbaren Kohlenstoffvorstufe gemischt, um eine im Wesentlichen homogene Mischung oder Lösung zu bilden, die, wenn sie getrocknet und pyrolysiert wird, aktivierte Kohlenstoffpartikel bildet, wobei magnetisches Material gleichmäßig in dem gesamten aktivierten Kohlenstoffmaterial dispergiert ist. Die aktivierten Kohlenstoffteilchen können von feiner Teilchengrösse sein, sogar pulverförmig sein und dennoch magnetische Eigenschaften beibehalten, die für die magnetische Trennung ausreichend sind. In einem besonderen Aspekt der Erfindung wird ein Kohlenstoffvorläufer aus weichem Holz in einer Lösung eines Eisensalzes getränkt, getrocknet, pyrolisiert und aktiviert.
Die WO 2011/018 505 A2 löst das Problem, die unterschiedlichen Stoff- und Energieströme des Biogasprozesses so zu behandeln und miteinander zu verknüpfen, dass die ökonomische Effizienz der Biogasanlage steigt. Offenbart werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Biogas und Biokohle, die Verwendung der Biokohle zur Effizienzsteigerung der Biogasanlage sowie die Aufbereitung der Biokohle zu einem mineralstoffangereicherten Bodenhilfsstoff, geträgerten Mineraldünger oder einem Kultursubstrat. Weiterhin wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von mit Mineralsoffen angereicherten Kohlepartikeln sowie die Verwendung der mit Mineralstoffen angereicherten Kohle offenbart. Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung von mit Mineralstoffen angereicherten Kohlepartikeln, wobei man Kohlepartikel mit Mineralstoffen aus einer Biogasanlage belädt. Die mit Mineralstoffen beladene Kohle dient zur Verwendung als Bodenverbesserungsmittel oder zur Einbringung von Kohlepartikeln in landwirtschaftlich genutzte Böden zu Düngungszwecken.
Weiterhin ist aus DE 10 2005 024 886 B3 ein Verfahren bekannt, bei welchem magnetische Partikel in einem Biogasreaktor verwendet werden. Die magnetischen Partikel dienen dabei der Immobilisierung von mikrobieller Biomasse. DE 10 2005 024 886 B3 offenbart, dass die Immobilisierung der mikrobiellen Biomasse durch Aufnahme von feinen Magnetpartikeln in die mikrobielle Substanz und durch Ausbildung von Biofilmen auf größeren magnetischen Partikeln erfolgt.
Die in dem Patent offenbarten Partikel umfassen jedoch keine kohlenstoffhaltige Phase, die elementaren Kohlenstoff umfasst. Die magnetischen Partikel wirken nicht als Prozesshilfsstoff zur Aufnahme von Störstoffen bei der Biogaserzeugung.
Nachteilig an dieser Lösung des Standes der Technik ist, dass die Magnetisierung der vorhandenen mikrobiellen Substanz in Biogasanlagen das Vorhandensein mikrobieller Aggregate, wie Flocken oder Pellets erfordert. Diese bilden sich aber nur unter bestimmten Voraussetzungen. Zudem ist der Grad der Magnetisierung relativ gering, so dass eine Abscheidung nur aus relativ geringviskosen Medien möglich ist. Weiterhin ist die Materialdichte der offenbarten magnetischen Materialien mit 5-6 g/ml recht hoch und führt tendenziell zum Absinken der Partikel auf den Boden des Biogasreaktors. Darüber hinaus wirken die Partikel nicht als Prozesshilfsstoff zur Absorption von Störstoffen aus dem Biogasreaktor.
Aus der WO 2012/020121 A1 ist ein Verfahren bekannt, in dem ein Verbundmaterial aus geschäumtem Glas und magnetisierbarem Material in Partikelform als Mikroorganismenträger in Biogasanlagen eingesetzt wird. Nachteilig ist, dass das Herauslösen alkalischer Glasbestandteile im Biogasreaktor die mikrobielle Aktivität und Besiedelung behindert. Weiterhin bestehen ein hoher Aufwand und hohe Kosten für die Herstellung der offenbarten magnetisierbaren Glaspartikel. Darüber hinaus wirken diese Partikel nicht als Prozesshilfsstoff zur Absorption von Störstoffen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 19. Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse in einem Biogasreaktor, wobei man a) Biomasse in einen Biogasreaktor einbringt, der Fermentationsflüssigkeit aufweist, wobei der Biogasreaktor mit Mitteln ausgestattet ist, welche die Zufuhr und Entnahme von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen gestatten, b) magnetisierbare Partikel hinzufügt, c) die Biogaserzeugung durchführt, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Kohlepartikel eine kohlenstoffhaltige Phase und eine anorganische magnetisierbare Phase aufweisen, wobei ein Bestandteil oder alleiniger Bestandteil der kohlenstoffhaltigen Phase elementarer Kohlenstoff ist.
Insbesondere bevorzugt ist ein Verfahren, bei welchem man nach Schritt c) in einem Schritt d) die magnetisierbaren Kohlepartikel separiert, wobei das Separieren der magnetisierbaren Kohlepartikel ein lokales Umverteilen der magnetisierbaren Kohlepartikel in der Fermentationsflüssigkeit oder ein teilweises oder vollständiges Entnehmen der magnetisierbaren Kohlepartikel aus der Fermentationsflüssigkeit beinhaltet.
Erfindungsgemäß sind die magnetisierbaren Kohlepartikel ausgewählt sind aus magnetisierbaren biogenen Kohleprodukten und erfindungsgemäß ist das biogene Kohleprodukt magnetisierbare HTC-Biokohle.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei welchem das lokale Umverteilen der magnetisierbaren Kohlepartikel eine Reduzierung der Konzentration der magnetisierbaren Kohlepartikel im Bereich der Mittel zur Entnahme von Flüssigkeiten oder Feststoffen beinhaltet.
Vorteilhaft ist ein Verfahren, bei welchem man das Separieren mittels mindestens eines Magnetseparators durchführt.
Insbesondere vorteilhaft ist ein Verfahren, bei welchem man das Separieren mittels mindestens einer Kaskade von Magnetseparatoren durchführt.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist ein Verfahren, bei welchem man den Schritt d) des Separierens durchführt, indem man die Fermentationsflüssigkeit mehrmals durch denselben Magnetseparator zirkuliert.
Weiterhin bevorzugt ist ein Verfahren, bei welchem die Magnetseparatoren Dauermagneten aufweisen.
Vorteilhaft ist insbesondere ein Verfahren, bei welchem man mindestens einen Stabmagnetseparator verwendet.
Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren, bei welchem man nach dem Entnehmen von magnetisierbaren Kohlepartikeln wieder Schritt b) durchführt und magnetisierbare Partikel hinzufügt.
Weiterhin offenbart ist ein Verfahren, bei welchem das biogene Kohleprodukt ausgewählt ist aus magnetisierbarer biogener Pyrolyse-Biokohleoder einer Mischung aus magnetisierbarer biogener Pyrolyse-Biokohle und magnetisierbarer HTC-Biokohle.
Offenbart ist ein Verfahren, bei welchem die magnetisierbaren Kohlepartikel ausgewählt sind aus magnetisierbaren Kohleprodukten mit einer Materialdichte von größer als 1 g/ml oder kleiner als 1 g/ml oder einer Mischung davon.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, bei welchem die magnetisierbaren Kohlepartikel eine spezifische Oberfläche zwischen 5 und 50 m²/g besitzen.
Vorteilhaft ist ein Verfahren, bei welchem die magnetisierbaren Kohlepartikel eine Teilchengröße zwischen 0,005 mm und 1 mm besitzen.
Bevorzugt ist auch ein Verfahren, bei welchem die magnetisierbaren Kohlepartikel einen Kohlenstoffgehalt von 15 und 80 % besitzen.
Weiterhin bevorzugt ist ein Verfahren, bei welchem die magnetisierbaren Kohlepartikel eine magnetische Suszeptibilität zwischen 5 × 10^-7 m³/kg und 5 × 10^-5 m³/kg besitzen.
Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren, bei dem die magnetisierbaren Kohlepartikel an ihrer Oberfläche einen pH-Wert zwischen 6 und 8 besitzen. Erfindungsgemäß bevorzugt ist ein Verfahren, bei welchem die magnetisierbaren Kohlepartikel eine Materialdichte zwischen 0,5 g/ml und 3 g/ml besitzen.
Insbesondere vorteilhaft ist ein Verfahren, bei welchem die magnetisierbaren Kohlepartikel in einer Menge in den Biogasreaktor eingefüllt werden, dass die Konzentration der magnetisierbaren Kohlepartikel in der Fermentationsflüssigkeit zwischen 0,1 und 5 Volumen-% beträgt.
Offenbart wird auch ein Verfahren, bei dem man in den Biogasreaktor Zusatzstoffe hinzufügt, ausgewählt aus Enzymen, Mikroorganismen, methanogenen Bakterien und/oder Spurenelementen.
Vorteilhaft ist auch ein Verfahren, bei welchem man Gärreste aus dem Biogasreaktor entnimmt, aus diesen Gärresten durch Karbonisierung magnetisierbare Kohlepartikel erzeugt, bei der Karbonisierung entstehende Gase in die Fermentationsflüssigkeit einleitet und die erhaltenen magnetisierbaren Partikel in Schritt b) des Verfahrens verwendet.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Biogasreaktor 1, mindestens einem Magnetseparator 6, mindestens einer Flüssigkeitsleitung 7, welche aus dem Biogasreaktor 1 durch den mindestens einen Magnetseparator 6 und zurück in den Biogasreaktor 1 führt.
Insbesondere bevorzugt ist eine Vorrichtung, welche mehr als einen Magnetseparator 6 aufweist, wobei die Magnetseparatoren 6 als Kaskade hintereinander angeordnet sind.
Weiterhin bevorzugt ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher der Biogasreaktor 1 mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von magnetisierbaren Kohlepartikeln koppelbar ist, wobei die Kopplung mindestens eine Gasleitung und mindestens eine Flüssigkeitsleitung zwischen der Vorrichtung zur Erzeugung der Biokohle und dem Biogasreaktor aufweist.
Die erfindungsgemäße Verwendung magnetisierbarer Kohlepartikel als Prozesshilfsstoff bewirkt, dass chemische und biochemische Reaktions- und Separationsprozesse effizienter ablaufen, als unter Verwendung bekannter Prozesshilfsstoffe. Durch die Magnetisierbarkeit der Partikel können diese in den zu behandelnden Medien gezielt bewegt werden. Weiterhin erleichtert die Magnetisierbarkeit der Partikel deren Zurückhalten und Separation. Weiterhin kann die magnetisierbare Kohle innerhalb von Reaktionsgemischen leicht detektiert und damit lokalisiert werden. Dadurch ergeben sich insgesamt eine Reihe energetischer und ökonomischer Vorteile.
Die magnetisierbaren Kohlepartikel dienen bei ihrer Verwendung in Biogasanlagen nicht nur zur Immobilisierung von Mikroorganismen im Fermenter, sondern auch zur Adsorption von Störstoffen wie Ammonium aus der Fermentationsflüssigkeit. Sie können darüber hinaus auch zur Reinigung des erzeugten Biogases von Kontaminationen wie Schwefelwasserstoff verwendet werden. Üblicherweise wird im Stand der Technik mehr als eine Vorrichtung zur Produktion und Reinigung des Biogases und zur Absorption von Störstoffen verwendet. Dies führt im Stand der Technik zu einer großen Abfallproduktion und dementsprechend hohen Kosten, was durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden wird.
Nachfolgend wird die Erfindung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Figuren
Es zeigen

1 den schematischen Ablauf eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur magnetischen Separierung der magnetisierbaren Kohlepartikel;
2 den schematischen Ablauf eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung einer Kaskade von Magnetseparatoren;
3 den schematischen Ablauf eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit mehrfacher Durchströmung des Magnetseparators und
4 den Verfahrensablauf in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit integrierter Produktion von magnetisierbaren Kohlepartikeln.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
In den Figuren werden neben den Komponenten der Vorrichtung und den schematisch dargestellten Materialien auch bestimmten Verfahrensschritten Bezugszeichen zugeordnet.
1 zeigt den schematischen Ablauf eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem Biogasreaktor 1 wird Biomasse 2 zu Biogas 5 umgesetzt. Erfindungsgemäß enthält die Fermentationsflüssigkeit 4 magnetisierbare Kohlepartikel 3. Die magnetisierbaren Kohlepartikel 3 dienen hierbei als Prozesshilfsmittel, welches Störstoffe absorbieren kann und/oder als Aufwuchsträger für Mikroorganismen dienen kann.
Die magnetisierbaren Kohlepartikel 3 werden zu Beginn des Verfahrens in den Biogasreaktor 1 eingefüllt und anschließend im System gehalten. Bei der Entnahme von Fermentationsflüssigkeit 4 oder Biomasse wie Gärresten oder deren Mischung aus dem Biogasreaktor 1 können magnetisierbare Kohlepartikel 3 ausgetragen werden. Sofern die magnetisierbaren Kohlepartikel 3 nicht dauerhaft aus dem System abgeführt werden sollen, müssen sie von den abgeführten Medien Biomasse und Fermentationsflüssigkeit separiert werden.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist für das Separieren der magnetisierbaren Kohlepartikel 3 ein Magnetseparator 6 vorgesehen. Aus dem System abzuführende Fermentationsflüssigkeit 4, gegebenenfalls mit Feststoffen wie Gärresten, wird durch den Magnetseparator 6 geführt. Im Magnetseparator 6 werden die magnetisierbaren Kohlepartikel 3 abgeschieden. Die durch das Durchlaufen des Magnetseparators 6 von magnetisierbaren Kohlepartikeln 3 befreite Fermentationsflüssigkeit 4 kann aus dem Biogasreaktor 1 abgeführt werden. Mittels des Magnetseparators werden die magnetisierbaren Kohlepartikel 3 zurückgehalten und gesammelt.
Soll die Fermentationsflüssigkeit 4 von Gärresten 8 befreit werden, erfolgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Trennung von Fermentationsflüssigkeit 4 und Gärrest 8 nach dem Durchtritt durch den Magnetseparator 6. Die vom Gärrest befreite Fermentationsflüssigkeit 4 kann in den Biogasreaktor 1 zurückgeführt werden.
Die mittels des Magnetseparators 6 abgeschiedenen magnetisierbaren Kohlepartikel 3 können wieder in den Biogasreaktor 1 eingebracht werden.
Verluste an magnetisierbaren Kohlepartikeln 3, die durch Austragen aus dem System entstehen, weil die magnetisierbaren Kohlepartikel nicht vollständig vom Magnetseparator 6 zurückgehalten werden, diesen also ohne Abscheidung passieren, können bei Bedarf durch Zufuhr von magnetisierbaren Kohlepartikeln 3 in den Biogasreaktor 1 ausgeglichen werden. Um den Abscheidungsgrad der magnetisierbaren Kohlepartikel 3 zu erhöhen, wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel statt nur eines Separators eine Kaskade von Magnetseparatoren verwendet. Dies ist in 2 gezeigt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die zu separierende Fermentationsflüssigkeit 4 mehrmals im Kreislauf 20 durch denselben Magnetseparator geführt, was in 3 gezeigt ist.
Eine weitere Steigerung des Abscheidungsgrads wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung durch eine Kombination aus Kreislaufführung und Kaskadenabscheidung bewirkt.
Die magnetisierbaren Kohlepartikel 3 können beispielsweise basierend auf bekannten Verfahren der Herstellung von Biokohle erzeugt werden. Verfahren zur Herstellung von Biokohle aus Biomasse sind im Stand der Technik bekannt, wobei die Biomasse entweder pyrolysiert oder mittels hydrothermaler Karbonisierung (HTC) in Biokohle überführt wird. Biomassen lassen sich sowohl mittels Pyrolyse als auch mittels hydrothermaler Karbonisierung zu soweit magnetisierbaren Kohlepartikeln wandeln, dass diese deutlich von Dauermagneten angezogen werden.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas 1 offenbart, in welcher die Herstellung von magnetisierbarer Kohle an den Biogasreaktor gekoppelt ist. Dadurch, dass die Herstellung der als kohlenstoffhaltige Phase dienenden Biokohle gekoppelt an die Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas erfolgt, entsteht nicht nur eine örtliche Nähe sondern auch die Möglichkeit, die Verfahrensdurchführung zu koppeln.
Aufgrund der Kopplung werden erfindungsgemäß Gärreste, die im Biogasreaktor entstehen, in derselben Anlage weiterverarbeitet und die Nebenprodukte bei der Herstellung der magnetisierbaren Kohlepartikel als Ausgangsstoffe für die Erzeugung von Biogas verwendet. Dies wird in 4 gezeigt, wo dargestellt ist wie die magnetisierbaren Kohlepartikel in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt und verwendet werden.
So wird basierend auf den Gärresten 8 der Fermentation magnetisierbare Biokohle erzeugt. Bei festen Gärresten wird bevorzugt zunächst eine Fest-Flüssig-Trennung 9 des Gärrestes 8 in einen festen Gärrest 10 und einen flüssigen Gärrest 16 durchgeführt. Anschließend wird der feste Gärrest 10 durch thermochemische Behandlung 11 in ein biogenes Kohleprodukt überführt. Die hierzu geeigneten Verfahren wie Pyrolyse, Vergasung und hydrothermale Karbonisierung (HTC) sind im Stand der Technik bekannt.
In Abhängigkeit vom eingesetzten Verfahren der thermochemischen Behandlung kann es zweckdienlich sein, den Gärrest über eine mechanische Entwässerung hinaus thermisch zu trocknen. Dies gilt für die Durchführung einer Pyrolyse oder einer Vergasung, während die hydrothermale Karbonisierung auch mit wasserreichen Biomassen durchgeführt werden kann.
Da davon auszugehen ist, dass der natürliche Gehalt an magnetisierbaren Substanzen im Gärrest nur in wenigen Fällen ausreicht (z. B. Gärreste aus Klärschlamm), werden erfindungsgemäß in Abhängigkeit von der benötigten Menge magnetisierbarer Substanzen, dem Gärrest magnetisierbare Metalle oder Metallverbindungen wie Eisenoxide 12 zugemischt. Hierbei werden beispielsweise magnetisierbare Eisenoxide verwendet, die ausgewählt sind aus Magnetit, Hämatit und Ferriten wie Mangan-Zink-Ferriten oder Nickel-Zink-Ferriten.
Um die Herstellung der magnetisierbaren Kohlenstoffpartikel kostengünstiger zu gestalten, können anstelle der Verwendung von hochwertigen reinen Eisenoxiden, Stoffgemische verwendet werden, die diese Eisenoxide im ausreichend Maße enthalten. Hierzu gehören Aschen und Schlacken aus Kohlekraftwerken wie Braunkohleflugasche, sowie Klärschlämme.
Die auf diese Weise hergestellten magnetisierbaren Kohlepartikel 3 werden in den Biogasreaktor 1 eingegeben. Die im Prozess der thermochemischen Karbonisierung gebildeten flüssigen und gasförmigen Nebenprodukte 14 wie Pyrolysegas, Abwasser und Kondensat können aufwandsarm im Biogasreaktor 1 behandelt und in Bezug auf die organischen Inhaltsstoffe, CO und H₂ zu Biogas 5 umgesetzt werden.
Ist im Biogasreaktor 1 eine ausreichende Konzentration an magnetisierbaren Partikeln erreicht, können überschüssige magnetisierbare Partikel anderweitig verwendet oder im System selbst eingesetzt werden.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden magnetisierbare Kohlepartikel als Adsorptionsmittel 15 zur Reinigung des flüssigen Gärrests 16 in einem Behälter 17 verwendet, in welchem mineralische Verbindungen wie Ammoniumverbindungen an die Kohle gebunden werden. Hierdurch entsteht zum einen eine nährstoffreiche Kohle 18 mit hohem Wert als Dünger und zum anderen eine um mineralische Verbindungen entlastete Flüssigphase 19.
Als Biogasreaktoren können alle im Stand der Technik bekannten Reaktoren wie zum Beispiel Rührkesselreaktoren oder Schlaufenreaktoren verwendet werden.
Überschüssige Fermentationsflüssigkeit wird bevorzugt an den Positionen und zu den Zeiten aus dem Biogasreaktor entnommen, die die geringste Konzentration an magnetisierbaren Kohlepartikeln erwarten lassen.
In Abhängigkeit der Partikeldichte erfolgt die Entnahme der Fermentationsflüssigkeit aus dem Fermenter daher vorzugsweise bei einer Dichte der magnetisierbaren Kohle von über 1 g/ml aus dem oberen Bereich des Biogasreaktors und bei einer Dichte unter 1 g/ml aus dem unteren Bereich des Reaktors. Bei einer Dichte der magnetisierbaren Kohle im Bereich von 1 g/ml oder der Verwendung von unterschiedlichen Partikeln mit Dichten von unter und oberhalb 1 g/ml erfolgt sie Entnahme der Fermentationsflüssigkeit bevorzugt aus dem mittleren Bereich des Biogasreaktors.
Zur Unterstützung der spontanen Separation im Biogasreaktor ist es hilfreich, vor der Entnahme der Fermentationsflüssigkeit eine gewisse Zeit die Durchmischung auszusetzen. Zudem kann es hilfreich sein, die Konzentration an magnetisierbaren Kohlepartikeln in der entnommenen Fermentationsflüssigkeit kontinuierlich zu messen. Wird ein Grenzwert überschritten, so kann die Abführung der Fermentationsflüssigkeit unterbrochen oder an einer anderen Entnahmestelle des Fermenters fortgesetzt werden.
Die Abtrennung der magnetisierbaren Kohlepartikel erfolgt bevorzugt mittels Magnetseparatoren. Aufgrund des vergleichsweise geringen Energiebedarfs sind solche Separatoren bevorzugt, die statt mit Elektromagneten mit Dauermagneten ausgestattet sind.
Bei der Auswahl eines Magnetseparators werden solche Magnetseparatoren bevorzugt im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet, die einen kontinuierlichen Durchfluss der Fermentationsflüssigkeit gestatten. Weiterhin sind Magnetseparatoren bevorzugt, bei welchen die Magnete nicht in Kontakt mit der Fermentationsflüssigkeit kommen. Darüber hinaus sollte der Magnetseparator ermöglichen, dass ein Kontakt zwischen Fermentationsflüssigkeit und Umgebungsluft verhindert wird.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist es, dass die Fermentationsflüssigkeit während der Durchführung der Separation möglichst wenig abkühlt. Auch ist es bevorzugt, dass das zu separierende Medium und die abgeschiedenen Partikel während der Separation keiner großen mechanischen Belastung ausgesetzt werden.
Bevorzugt ist es weiterhin, dass ein sinkender Abscheidegrad der magnetisierbaren Kohlepartikel während der Separation erfasst wird. Dies geschieht beispielsweise indirekt über die Messung des Druckverlustes im Separator, wobei ein Anstieg auf eine zunehmende bzw. vollständige Beladung des Magnetseparators hinweist, oder direkt durch Erfassung der magnetischen Eigenschaften der Fermentationsflüssigkeit nach der Separation. Bevorzugt bei der Separation von magnetisierbaren Partikeln aus der Fermentationslösung ist auch die Verwendung von automatisch abreinigenden Stabmagneten.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden bevorzugt magnetisierbare Kohlepartikel verwendet, die eine massebezogene magnetische Suszeptibilität zwischen 5 × 10^-7 und 5 × 10^-5 m³/kg und insbesondere bevorzugt von mindestens 1 × 10^-6 m³/kg besitzen. Es können jedoch auch Partikel mit größerer oder geringerer magnetischer Suszeptibilität verwendet werden. Je höher die magnetische Suszeptibilität ist, umso besser können die magnetisierbaren Kohlepartikel aus der Fermentationsflüssigkeit abgeschieden werden.
Bevorzugt besitzen die erfindungsgemäß verwendeten magnetisierbaren Kohlepartikel eine geringe magnetische Remanenz, wodurch die Gefahr des Verklumpens im Biogasreaktor vermieden wird. Weiterhin werden bevorzugt magnetisierbare Kohlepartikel verwendet, welche eine Oberfläche zwischen 5 und 50 m²/g besitzen. Je größer die Oberfläche ist, umso mehr Besiedelungsfläche steht für die Ausbildung des Biofilms zur Verfügung.
Die Materialdichte der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten magnetisierbaren Kohle beträgt bevorzugt zwischen 0,5 und 3 g/ml. Da sich die Sink- und Aufstiegsgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit mit der Partikelgröße überproportional erhöht, wird bei größeren Partikeln bevorzugt magnetisierbare Kohle mit einer Materialdichte im Bereich von 1 g/ml verwendet. Dadurch wird ein dauerhaftes Absinken bzw. Aufschwimmen in der Fermentationsflüssigkeit vermieden.
Weiterhin bevorzugt ist die Verwendung einer magnetisierbaren Kohle, welche mit abbaubaren Bestandteilen versetzt ist, die als Nahrungsquelle für Mikroorganismen dienen können.
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schritte a) und b) gleichzeitig durchgeführt, indem die Biomasse und die magnetisierbare Kohle zeitgleich in den Behälter eingebracht werden. Eine vorhergehende Wässerung organischer Feststoffe, die in trockenem Zustand zum Aufschwimmen auf der Fermentationsflüssigkeit neigen, ist erfindungsgemäß bevorzugt.
Bezugszeichenliste

1: Biogasreaktor
2: Biomasse
3: magnetisierbare Kohle
4: Fermentationsflüssigkeit
5: Biogas
6: Magnetseparator
7: Leitung
8: Gärreste
9: Fest-Flüssig-Trennung
10: fester Gärrest
11: Ort der thermochemischen Behandlung
12: Zumischung magnetisierbare Eisenoxide
14: Nebenprodukte der Karbonisierung
15: Ort der Adsorptionsmittelbehandlung
16: flüssiger Gärrest
17: Behälter
18: nährstoffreiche Kohle
19: Flüssigphase
20: Kreislaufführung

Claims

Verfahren, zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse in einem Biogasreaktor, wobei man a) Biomasse in einen Biogasreaktor einbringt, der Fermentationsflüssigkeit aufweist, wobei der Biogasreaktor mit Mitteln ausgestattet ist, welche die Zufuhr und Entnahme von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen gestatten, b) magnetisierbare Kohlepartikel hinzufügt und c) die Biogaserzeugung durchführt, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Kohlepartikel eine kohlenstoffhaltige Phase und eine anorganische magnetisierbare Phase aufweisen, wobei ein Bestandteil der kohlenstoffhaltigen Phase elementarer Kohlenstoff ist, und die magnetisierbaren Partikel aus magnetisierbarer HTC-Biokohle bestehen, die aus Gärresten und magnetisierbaren Metallen oder Metallverbindungen mittels hydrothermaler Karbonisierung erhalten wurde.
Verfahren, gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man nach Schritt c) in einem Schritt d) die magnetisierbaren Kohlepartikel separiert, wobei das Separieren der magnetisierbaren Kohlepartikel ein lokales Umverteilen der magnetisierbaren Kohlepartikel in der Fermentationsflüssigkeit oder ein teilweises oder vollständiges Entnehmen der magnetisierbaren Kohlepartikel aus der Fermentationsflüssigkeit beinhaltet.
Verfahren, gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das lokale Umverteilen der magnetisierbaren Kohlepartikel eine Reduzierung der Konzentration der magnetisierbaren Kohlepartikel im Bereich der Mittel zur Entnahme von Flüssigkeiten oder Feststoffen beinhaltet.
Verfahren, gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man das Separieren mittels mindestens eines Magnetseparators durchführt.
Verfahren, gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man das Separieren mittels mindestens einer Kaskade von Magnetseparatoren durchführt.
Verfahren, gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man den Schritt d) des Separierens durchführt, indem man die Fermentationsflüssigkeit mehrmals durch denselben Magnetseparator zirkuliert.
Verfahren, gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetseparatoren Dauermagneten aufweisen.
Verfahren, gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens einen Stabmagnetseparator verwendet.
Verfahren, gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man nach dem Entnehmen von magnetisierbaren Kohlepartikeln wieder Schritt b) durchführt und magnetisierbare Partikel hinzufügt.
Verfahren, gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Kohlepartikel eine spezifische Oberfläche zwischen 5 und 50 m²/g besitzen.
Verfahren, gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Kohlepartikel eine Teilchengröße zwischen 0,005 mm und 1 mm besitzen.
Verfahren, gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Kohlepartikel einen Kohlenstoffgehalt von 15 und 80 % besitzen.
Verfahren, gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Kohlepartikel eine magnetische Suszeptibilität zwischen 5 × 10^-7 m³/kg und 5 × 10^-5 m³/kg besitzen.
Verfahren, gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Kohlepartikel an ihrer Oberfläche einen pH-Wert zwischen 6 und 8 besitzen.
Verfahren, gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Kohlepartikel eine Materialdichte zwischen 0,5 g/ml und 3 g/ml besitzen.
Verfahren, gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Kohlepartikel in einer Menge in den Biogasreaktor eingefüllt werden, dass die Konzentration der magnetisierbaren Kohlepartikel in der Fermentationsflüssigkeit zwischen 0,1 und 5 Volumen-% beträgt.
Verfahren, gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man Gärreste aus dem Biogasreaktor entnimmt, aus diesen Gärresten durch Karbonisierung magnetisierbare Kohlepartikel erzeugt, bei der Karbonisierung entstehende Gase in die Fermentationsflüssigkeit einleitet und die erhaltenen magnetisierbaren Partikel in Schritt b) des Verfahrens verwendet.
Vorrichtung, zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, mit einem Biogasreaktor (1), mindestens einem Magnetseparator (6), mindestens einer Flüssigkeitsleitung (7), welche aus dem Biogasreaktor (1) durch den mindestens einen Magnetseparator (6) und zurück in den Biogasreaktor (1) führt, dadurch gekennzeichnet, dass der Biogasreaktor (1) mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von magnetisierbaren Kohlepartikeln koppelbar ist, wobei die Kopplung mindestens eine Gasleitung und mindestens eine Flüssigkeitsleitung zwischen der Vorrichtung zur Erzeugung der Biokohle und dem Biogasreaktor aufweist.
Vorrichtung, gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass diese mehr als einen Magnetseparator (6) aufweist, wobei die Magnetseparatoren (6) als Kaskade hintereinander angeordnet sind.