DE10221505A1

DE10221505A1 - Verfahren zur Vergärung von biogenen Substraten und zur Phasentrennung des anfallenden Gärrückstandes

Info

Publication number: DE10221505A1
Application number: DE2002121505
Authority: DE
Inventors: Ralf Kaden
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2003-11-27

Abstract

Die Aufgabe besteht darin, verhältnismäßig große Mengenströme mit möglichst geringem Gebrauchsenergieeinsatz zu behandeln. Weiterhin sollen kleine Mengenströme mit hoher Konzentration an düngewirksamen Stoffen und große Mengenströme mit möglichst geringen Konzentrationen an düngewirksamen Stoffen erreicht werden. DOLLAR A Das Verfahren erfolgt durch Kopplung der Verfahrensschritte Fermentation, Destillation und Kondensation, wobei die im Prozeß der Fermentation entstehenden Biogase zur Gebrauchsenergiegewinnung mittels Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen energetisch verwertet werden, wobei die eingesetzten Gärsubstrate in einer ersten Fermentationsstufe mesophil im Temperaturbereich bis zu 40 DEG C und in einer daran direkt anschließenden Fermentationsstufe im Temperaturbereich von etwa 60 DEG C thermophil behandelt werden, in einer weiteren Behandlungsstufe der entgaste Gärrückstand mit einer Prozeßtemperatur von etwa 60 DEG C einem vakuumfesten Prozeßbehälter geregelt zugeführt und einer Entspannungsdestillation unterzogen wird, die gewonnenen Destillate einer Kondensationsstufe zugeführt werden, deren Wärmetauscherflächen gekühlt werden und die Prozeßwärme für die Fermentationsstufe aus dem Wärmepumpenbetrieb gewonnen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergärung von biogenen Substraten, vorzugsweise von tierischen Exkrementen und zur Phasentrennung des anfallenden Gärrückstandes durch Kopplung der Verfahrensschritte Fermentation, Destillation und Kondensation, wobei die im Prozeß der Fermentation entstehenden Biogase zur Gebrauchsenergiegewinnung mittels Kraft-Wärme- Kopplungsanlagen energetisch verwertet werden. Derartige technische Lösungen werden bei der stofflichen und energetischen Nutzung der regenerativen Rohstoff und Energiequelle Biomasse, vorzugsweise bei der Veredelung der tierischen Exkremente als sogenannte Wirtschaftsdünger in der Landwirtschaft benötigt.
Für das Trennen der wäßrigen Phase von der nährstoffhaltigen Phase der in Fermentationsanlagen anfallenden Gärrückstände ist aus verschiedenen Gründen eine Zielstellung, die zu verschiedenen technischen Lösungen geführt hat. Bevorzugt werden solche Lösungen aus logistischen Gründen beim Umgang mit dem Potential düngewirksamer Stoffe oder zur Gewinnung von Prozeßwässern aus den wäßrigen Gärrückständen eingesetzt.
Aus diesen Bemühungen resultierten technische Lösungen für ein- und mehrstufige Vakuumdestillationsanlagen, die teilweise mit einem sehr geringen Wärmeenergieeinsatz arbeiten.
Strenggenommen handelt es sich bei den betreffenden Lösungen um die Destillation von Flüssigkeitsgemischen, da zumindest mehrere Phasen mit unterschiedlichen Siedetemperaturen in den jeweiligen Gärrückständen enthalten sind.
Eine technische Lösung dieser Art wird in der DE 44 10 405 C1 beschrieben. Das dort bekannt gemachte Verfahren zum Trennen eines Gemisches aus Flüssigkeiten und Substanzen mit jeweils unterschiedlichen Siedetemperaturen sieht eine wenigstens zweistufige Vakuumverdampfung vor, wobei jede dieser Stufen mit unterschiedlichen Drücken und Temperaturen betrieben wird.
In Abhängigkeit von der Temperatur des zu trennenden Gemischs wird hierbei der Druck im ersten Verdampungsgefäß so eingestellt, daß alle Bestandteile des Gemisches mit einer Siedetemperatur unterhalb der ersten Siedetemperatur beim Einsprühen verdampfen.
Die nicht verdampften übrigen Bestandteile des Gemisches mit einer Siedetemperatur oberhalb der ersten Siedetemperatur werden in eine zweites Verdampfungsgefäß befördert, wobei der Druck im zweiten Verdampfungsgefäß in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur der Bestandteile des Gemisches so eingestellt wird, daß alle Bestandteile des Gemisches mit einer zweiten Siedetemperatur verdampfen und die Bestandteile mit höherer Siedetemperatur als die zweite Siedetemperatur im zweiten Verdampfungsgefäß gesammelt werden. Die jeweiligen Destillate aus den Verdampfungsgefäßen können separat abgeführt und kondensiert werden. Bei höheren Ansprüchen läßt sich das Verfahren auch auf eine größere Zahl von Verdampfungsstufen erweitern. Die Nachteile des bekannten Standes der Technik bestehen im erforderlich hohen apparatetechnischen Aufwand auf der einen Seite und in den hohen Kosten für das Bereitstellen der in den Verdampfungsstufen benötigten Wärmeenergie und in den Kondensationsstufen benötigten Kälteenergie.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb im Schaffen einer technischen Lösung, mit deren Hilfe die Mängel des bekannten Standes der Technik überwunden werden. Insbesondere geht es um eine einfache technische Lösung, die dazu geeignet ist, verhältnismäßig große Mengenströme, wie sie beider Behandlung von sogenannten Wirtschaftsdüngern in Tierproduktionsstätten anfallen, mit einfachen technischen Mitteln und mit möglichst geringem Gebrauchsenergieeinsatz zu behandeln. Angestrebt werden außerdem im Ergebnis solcher Lösungen einerseits kleine Mengenströme mit möglichst hoher Konzentration an düngewirksamen Stoffen und andererseits große Mengenströme mit möglichst geringen Konzentrationen an düngewirksamen Stoffen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beschrieben. Danach sieht ein Verfahren für die Vergärung von biogenen Substraten und zur Phasentrennung der anfallenden Gärrückstände das Koppeln der Verfahrensschritte Fermentieren, Destillieren und Kondensieren sowie das energetische Verwerten der im Prozeß der Fermentation entstehenden Biogase zur Gebrauchsenergiegewinnung mittels Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen vor.
Dabei ist vorgesehen, die eingestezten wässrigen Gärsubstrate in einer ersten Fermentationsstufe mesophil im Temperaturbereich bis zu 40°C und in einer daran direkt anschließenden zweiten Fermentationsstufe thermophil im Temperaturbereich von etwa 60°C zu behandeln. In einer weiteren Behandlungsstufe soll der entgaste Gärrückstand bei einer Prozeßtemperatur von etwa 60°C einem vakuumfesten Prozeßbehälter geregelt zugeführt und dabei einer Entspannungsdestillation unterzogen werden. Die in der weiteren Behandlungsstufe gewonnenen Destillate werden einer Kondensationsstufe zugeführt, deren Wärmetauscherflächen dadurch gekühlt werden, daß ihnen fühlbare Wärme durch Wärmepumpen entzogen wird. Die beim Wärmepumpenbetrieb gewonnene Nutzwärme wird den Fermentationsstufen als Prozeßwärme zugeführt.
Mit der vorgesehenen zweistufigen Fermentation wird einerseits ein weitgehender Abbau der im eingesetzten Gärsubstrat enthaltenden organischen Substanz erreicht und andererseits der überwiegende Teil der in den Gärsubstraten enthaltenen organischen Stickstoffverbindungen in wasserlösliche und damit pflanzenverfügbare Stickstoffverbindungen umgewandelt. Auf diese Weise steht nach Abschluß der thermophilen Gärsubstratbehandlung ein weitgehend entgastes Gärrückstandsgemisch zur Verfügung, das jedoch über deutlich höhere gelöste Ammoniak- und Ammoniumanteile verfügt als die eingestezten Gärsubstrate. Zur Vermeidung von unerwünschten Ammoniakentbindungen in einem Verdampfungsprozeß ist deshalb das Verdampfen der wäßrigen Anteile des Gärrückstandes vorgesehen, ohne zuvor die Medientemperatur des Gärrückstandes weiter zu erhöhen.
Die vorgeschlagene technische Lösung trägt damit der Beobachtung Rechnung, nach der bekannter Maßen aus fermentierten biogenen Substraten mit der Erhöhung der Temperatur und/oder des pH-Wertes Anteile des gelösten Ammoniaks entbunden werden.
Die technische Lösung vermeidet sowohl die Temperaturerhöhung als auch die Erhöhung des pH-Wertes, in dem der anfallende Gärrückstand aus der thermophilen Behandlungsstufe unmittelbar einer Entspannungsdestillation unterzogen wird. Das Zusammenwirken von Fermentieren, Destillieren und Kondensieren in einem Verfahrensverbund erlaubt es nun, vorteilhafterweise die den Destillaten beim Kondensieren entzogene Wärmeenergie für das Aufheizen der Gärsubstrate im Fermentationsprozeß nutzbar zu machen. Das vorgesehene Einsetzen von Wärmepumpen läßt es zu, diese Technik mit außerordentlich hohen Arbeitszahlen zu betreiben und den erforderlichen Elektroenergieeinsatz auf ein Minimum zu beschränken.
Bekanntermaßen honorieren die regionalen Energieversorger den durchgehenden Wärmepumpenbetrieb für private und gewerbliche Tarifkunden mit Vorzugstarifen, die kaum über den aktuellen spezifischen Brennstoffpreisen liegen.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung werden die im Kondensator anfallenden Kondensate als verregnungsfähige Nährstofflösung und/oder als Brauchwasser verwertet und/oder zur Gewinnung von Reinwasser und Nährstoffkonzentraten nachbehandelt.
In einer weiteren Variante ist vorgesehen, die Entspannungsdestillation bei einem absoluten Druck von weniger als 0,15 bar vorzunehmen. Bei einem solchen Vakuum wird beim verfügbaren Temperaturniveau des zu behandelnden Gärrückstandes die Siedetemperatur des Wassers bereits deutlich überschritten. Es ist möglich, die Nachbehandlung der Kondensate durch Auswaschen der enthaltenen Stickstoffverbindungen und/oder durch membrantechnische Trennverfahren vorzunehmen. Dabei lassen sich kanal- oder in Oberflächengewässer einleitfähige Reinwässer und nährstoffreiche Konzentrate gewinnen.
Eine weitere Verfahrensvariante sieht vor, die fühlbare Wärme der Destillate durch den der Kondensationsstufe zusammenwirkenden Wärmepumpenbetrieb vor oder beim Fermentationsprozeß auf das eingesetzte Gärsubstrat zu übertragen. Auf diese Weise kann die üblicherweise aus der Vorort-Verwertung des anfallenden Biogases resultierende Abwärme für andere Zwecke genutzt oder auf die Vorort-Verwertung des Biogases ganz verzichtet werden.
Es ist auch vorgesehen, in der weiteren Behandlungsstufe dem vakuumfesten Prozeßbehälter für die Entspannungsdestillation in geregelter Weise ein feststoff- und nährstoffreiches Düngersubstrat zu entnehmen. In Abhängigkeit von einem durchgängigen oder chargenweisen Betrieb der Entspannungsdestillation läßt sich dieses Düngersubstrat mit unterschiedlich großen Trockensubstanzgehalten im Bereich zwischen 15% und 80% gewinnen. Verglichen mit den Trockensubstanzgehalten der Gärrückstände im Bereich von 2,5% bis 5% wird damit deutlich, in welchem Umfang Einsparungen bei der Handhabung des in den Gärrückständen verfügbaren Potentials an Düngestoffen erschlossen werden können.
Aus energetischen Gründen kann es vorteilhaft sein, zur Deckung des thermischen Prozeßenergiebedarfs auch die fühlbare Wärme des anfallenden Düngersubstrates aus der Destillationsstufe mittels des Wärmepumpenbetriebs zu gewinnen und der Nutzung im Prozeß zugänglich zu machen.
Zur Deckung des thermischen Prozeßenergiebedarfs können auch Anteile der bei der energetischen Verwertung des Biogases aus den Fermentationsstufen mittels Blockheizkrafttechnik anfallenden Abwärme genutzt werden.
Die Vorteile der Erfindung bestehen zusammengefaßt in der nun verfügbaren Möglichkeit, den Wärmeenergieinhalt des Gärrückstandes aus einer thermophilen Fermentation unmittelbar für die Phasentrennung in einer nachgeschalteten Entspannungsdestillationsanlage zu nutzen. Im Allgemeinen sind bevorzugte Anwendungsgebiete für Fermentationsanlagen Tierproduktionsstätten mit verhältnismäßig großen Mengenströmen an Flüssigmist, die als biogene Einsatzstoffe in besonderer Weise dem Fermentationsprozeß zugänglich sind. Solche Anwender haben im allgemeinen enge Beziehungen zu Pflanzenproduzenten, die bekanntermaßen ein Interesse an hochwertigen organischen Düngestoffen mit möglichst hoher Nährstoffkonzentration besitzen. Hier liegen die besonderen Einsatzgebiete der geschaffenen technischen Lösung, die sich nicht nur durch einfache Handhabung sondern auch durch die sinnvolle Mehrfachnutzung der eingesetzten Gebrauchsenergie auszeichnet.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
In der beigefügten Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Zusammenwirkens der einzelnen Verfahrenskomponenten.

Ausführungsbeispiel

Gemäß der Fig. 1 wird Gülle mit Trockensubstanzgehalten von im Mittel 6,5% in einem Stapelbehälter gesammelt und zwischengelagert. Die mittlere Temperatur des Materials in diesem Behälter beträgt 15°C. In regelmäßigen Dosierzyklen wird die homogenisierte Gülle einem ersten Fermenter zugeführt.
Dieser Fermenter dient der Hydrolysierung und der Methanisierung des biogenen Gärsubstrates unter Luftabschluß mit Hilfe von im mesophilen Bereich tätigen Kulturen. Dazu wird der Behälterinhalt mit Hilfe von Wärmetauscherflächen auf eine Temperatur von 40°C erwärmt. Die den Wärmetauscherflächen zugeführte Wärme erfolgt mittels Warmwasser mit einer mittleren Temperatur von 80°C. Nach einer mittleren Aufenthaltszeit von 15 Tagen wird das Gärsubstrat in einen weiteren Fermenter überführt, in dem bei einer mittleren Prozeßtemperatur von 60°C im thermophilen Bereich tätige Kulturen im Einsatz sind und den Abbau der organischen Inhaltsstoffe des Gärsubstrates fortsetzen. Die in beiden Fermentern anfallenden Biogasmengen werden zur energetischen Verwertung einem Blockheizkraftwerk zugeführt. Die fermentierten Gärrückstände weisen einen Trockensubstanzgehalt von im Mittel 2,2% auf. Sie werden in regelmäßigen Dosierzyklen einem vakuumfesten Prozeßbehälter mit einer Medientemperatur von 60°C zugeführt. Das im Prozeßbehälter mittels Vakuumpumpe erzeugt absolute Druckniveau liegt bei 0,15 bar. Hierbei kommt es ohne weitere Energiezufuhr zum Sieden der wäßrigen Phase des Gärrückstands und zum Anfall von Destillaten, die im Wesentlichen aus Wasserdampf und in geringem Umfang auch aus weiteren Inhaltsstoffen des Gärrückstandes bestehen. Im Zuge des Austriebs der Destillate kommt es zu einem Anreichern der organischen und anorganischen Trockensubstanz im Prozeßbehälter. Diese trockensubstanzreiche Substanz mit einem mittleren Feststoffgehalt von 22% wird über einen Feststoffaustrag, der aus einer Förderschnecke und einer Zellenradschleuse besteht, dem Prozeßbehälter entnommen. Die Destillate gelangen vom Prozeßbehälter direkt in einen vakuumfesten Kondensator, der mit den erforderlichen Wärmetauscherflächen ausgestattet ist. Über diese Wärmetauscherflächen werden dem System über eine gekoppelte Wärmepumpenanlage Wärmemengen wenigstens im Umfang der Verdampfungswärme der eingetragenen Destillate entzogen. Die Wärmepumpe fungiert für den Kondensator als Kühlmittelbereitsteller, in dem den Wärmetauscherflächen Kühlwasser mit einer Temperatur von weniger als 30°C zugeführt wird. Mit Hilfe der Wärmepumpe wird gleichzeitig ein Warmwasser mit einer mittleren Temperatur von 80°C gewonnen und den Fermentern zugeführt. Aus dem Kondensator, der gleichzeitig als Kondensatsammelbehälter ausgeführt ist, werden regelmäßig zur weiteren Verwertung Kondensatmengen entnommen.

Claims

1. Verfahren zur Vergärung von biogenen Substraten und zur Phasentrennung anfallenden Gärrückstandes durch Kopplung der Verfahrensschritte Fermentation, Destillation und Kondensation, wobei die im Prozeß der Fermentation entstehenden Biogase zur Gebrauchsenergiegewinnung mittels Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen energetisch verwertet werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die eingesetzten Gärsubstrate in einer ersten Fermentationsstufe mesophil im Temperaturbereich bis zu 40°C und in einer daran direkt anschließenden Fermentationsstufe im Temperaturbereich von etwa 60°C thermophil behandelt werden,
daß in einer weiteren Behandlungsstufe der entgaste Gärrückstand mit einer Prozeßtemperatur von etwa 60°C einem vakuumfesten Prozeßbehälter geregelt zugeführt und einer Entspannungdestillation unterzogen wird,
daß die in der weiteren Behandlungsstufe gewonnenen Destillate einer Kondensationsstufe zugeführt werden, deren Wärmetauscherflächen mittels Wärmepumpenbetrieb gekühlt werden und
daß die Prozeßwärme für die Fermentationsstufe aus dem Wärmepumpenbetrieb gewonnen wird.

2. Verfahren zur Vergärung von biogenen Substraten und zur Phasentrennung anfallenden Gärrückstandes nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kondensator anfallenden Kondensate als verregnungsfähige Nährstofflösung und/oder als Brauchwasser verwertet und/oder zur Gewinnung von Reinwasser und Nährstoffkonzentraten nachbehandelt werden.

3. Verfahren zur Vergärung von biogenen Substraten und zur Phasentrennung anfallenden Gärrückstandes nach einen der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsdestillation bei einem absoluten Druck von weniger als 0,15 bar vorgenommen wird.

4. Verfahren zur Vergärung von biogenen Substraten und zur Phasentrennung anfallenden Gärrückstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachbehandlung der Kondensate durch Auswaschen der enthaltenen Stickstoffverbindungen und/oder durch membrantechnische Trennverfahren vorgenommen wird.

5. Verfahren zur Vergärung von biogenen Substraten und zur Phasentrennung anfallenden Gärrückstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die fühlbare Wärme der Destillate durch den mit der Kondensationsstufe zusammenwirkenden Wärmepumpenbetrieb auf das Gärsubstrat in der Fermentationsstufe übertragen wird.

6. Verfahren zur Vergärung von biogenen Substraten und zur Phasentrennung anfallenden Gärrückstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der weiteren Behandlungsstufe dem vakuumfesten Prozeßbehälter für die Entspannungsdestillation geregelt ein feststoff und nährstoffreiches Düngersubstrat entnommen wird.

7. Verfahren zur Vergärung von biogenen Substraten und zur Phasentrennung anfallenden Gärrückstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Deckung des thermischen Prozeßenergiebedarfs neben der mittels Wärmepumpenbetrieb der Kondensationsstufe entzogenen Nutzwärme auch die fühlbare Wärme des anfallenden Düngersubstrates genutzt wird.

8. Verfahren zur Vergärung von biogenen Substraten und zur Phasentrennung anfallenden Gärrückstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Deckung des thermischen Prozeßenergiebedarfs neben der mittels Wärmepumpenbetrieb der Kondensationsstufe entzogenen Nutzwärme auch die bei der energetischen Verwertung des Biogases aus den Fermentationsstufen im Blockheizkraftwerk anfallende Abwärme genutzt wird.