DE10224665A1

DE10224665A1 - Kombinierter anaerober/aerober Fermenter mit hoher Feststoffkonversion, hoher Ausbeute und flüssigem Endprodukt als Rohstoff oder Treibstoff

Info

Publication number: DE10224665A1
Application number: DE10224665A
Authority: DE
Inventors: Erich Rebholz; Christian Koch
Original assignee: DARGO HOLDING AG FUELLINSDORF
Current assignee: DARGO HOLDING AG FUELLINSDORF
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2002-06-03
Publication date: 2003-12-11

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Realisierung der kombinierten anaeroben/aeroben Fermentierung von pastösen Reststoffen zu Synthesegas, um das Gas anschließend in Methanol umzuwandeln. Auf dem Weg der pastösen Masse in dem Vermenter werden dazu die anaeroben Zonen und aeroben Zonen durch Umlenkungen und Eindüsungen in Kombination mit einem begasungsoberflächenschaffenden Rührer realisiert.

Description

Die Erfindung eine Anlage zur Umwandlung von biologischen Reststoffen durch eine fermentatorische Zersetzung in brennbare Gase, vorzugsweise wasserstoffhaltige Gase, durch abwechselnde Vermischung der von oben nach unten wandernden Reststoffe mit CO2 und reinen Sauerstoff in Verrührungsschichten, die durch die Komponenten Umlenkschaufeln von der senkrechten auf die horizontale Vermischung, Rührer, Eindüsung und Umlenkschaufeln von der horizontalen Vermischung auf die senkrechte Wanderung der Stoffe nach unten, gebildet werden. Damit wird eine Erhöhung der Feststoffumwandlung von 40 auf ca. 90% erreicht, die gebildeten Gase sind synthesefähig und die Aufarbeitung kann durch eine Treibstoffsynthese ergänzt werden.
Die Biogaserzeugung ist bekannt durch die anaerobe Fermentation mit Mikroorganismen in Faultürmen unter Bildung von Methan. Dabei nehmen die Mikroorganismen die organische Materie unter Bildung von Methan auf und geben als Stoffwechselprodukte Methan und Kohlendioxid ab. Durch den Luftmangel wird die vollständige Umsetzung zu CO₂ vermieden und vorwiegend Methan gebildet.
Diese Methanbildung und damit die Verringerung der Feststoffsubstanz in den Faultürmen ist aber begrenzt durch die vorhandene abgestorbene Biomasse. Die Mikroorganismen selbst, die am Ende des biologischen Vergasungsprozesses ca. 60% der biologischen Substanz bilden, geben diese nicht wieder ab, da es unter den Mikroorganismen keinen "Kannibalismus" gibt. Der Prozess der Vergasung existiert also nur so lange, wie die freie, nicht in den Mikroorganismen enthaltene Substanz nicht aufgezehrt ist.
Nachteil dieses Verfahrens ist die verbleibende organische Masse in den Mikroorganismen, die nur durch Ausbringen auf die Felder oder einen Verbrennungs- oder Vergasungsprozess weiter verwertet wird. Viel besser wäre eine Umsetzung innerhalb des Prozesses der biologischen Vergasung, da dadurch die Nachschaltung dieser aufwendig und teueren Nachbehandlung vermieden werden könnte.
Diesen Nachteil konnte durch eine überraschende Entdeckung nun überwunden werden. Eine Fermentergruppe an Mikroorganismen, die vorwiegend wasserstoffhaltige Stoffwechselprodukte abgibt und eine optimale Umsetzungsgeschwindigkeit zwischen 35 und 40°C, vorwiegend bei 37°C erreicht, kann verfahrenstechnisch in der Richtung manipuliert werden. Dieses geschieht in erfinderischer Weise durch einen Wechsel der anaeroben in eine aerobe Atmosphäre durch Eindüsen von reinem Sauerstoff. Dieses ist nur wirksam, wenn das in einer Ebene und relativ vollständig geschieht.
Die Realisierung dieser Aufgabenstellung wurde nun überraschenderweise gefunden in der Anordnung eines stehenden Behälters mit mindestens 2 Eindüsungsebenen. Diese Eindüsungsebenen sind erfinderisch wie folgt aufgebaut. Von oben nach unten gesehen werden dabei folgende Komponenten angeordnet,

- ein Umlenkkranz mit gebogenen Blechen, die die von oben nach unten nachrutschende Substanz umlenkt von der senkrechten Bewegung in die mehr horizontale Bewegung,
- die von oben angetriebenen Rührschaufeln, die eine Bewegung der Masse im Kreise bewirkt,
- die Gaseindüsungsleiste, die das eingedüste Gas von dem Mantel bis zur Mitte flächengleichmäßig eindüst und
- schließlich darunter wieder die gebogenen Bleche in der entgegengesetzten Richtung, die den Massenstrom wieder in die beruhigte senkrechte Strömung umleitet.

Diese Komponenten sind dabei mindestens 2 mal angeordnet für die Eindüsung von dem CO₂ für die anaerobe Fermentation weiter oben und die Eindüsung von O₂ für die aerobe Fermentation weiter unten. Dabei wird die Eigenschaften der Mikroorganismen des "Nichtkannibalismus" überlistet, indem die anaeroben Mikroorganismen in der konzentrierten reinen Sauerstoffeindüsung überwiegend abgetötet werden und damit der aerobe Prozess dann wieder in einen anaeroben Prozess übergehen kann. Im Gegensatz zu der reinen anaerobem Biovergasung wird aber so der Umsatz des Feststoffes von 40 auf 90% gesteigert.
Fig. 1 zeigt die Anordnung einer solchen Fermentation bzw. Biovergasung zu Synthesegas mit einem Wasserstoff- und einem Kohlenmonoxidanteil. Mit 1 ist der Behälter bezeichnet. An dem Behälter oben ist die Eingabe 2 des biologischen Reststoffes in Form von Schlachtabfällen, Faulschlamm aus der Kläranlage oder Brauereirückstände. Mit 3 sind die Umlenkschaufeln für den Eindüsungsteil mit CO₂ bezeichnet. Mit 4 ist der Rührer bezeichnet, der die horizontale Vermischung in dem Segment bewerkstelligt. Mit 5 ist die Eindüsung von CO₂ bezeichnet. Mit 6 sind die Umlenkbleche für die Umlenkung in die senkrechte Bewegung der Reststoffe bezeichnet.
Die gleichen Elemente sind auch für die aerobe Eindüsung weiter unten enthalten. Mit 7 sind die Umlenkschaufeln für den Eindüsungsteil mit O₂ bezeichnet. Mit 8 ist der Rührer bezeichnet, der die horizontale Vermischung in dem Segment bewerkstelligt. Mit 9 ist die Eindüsung von O₂ bezeichnet. Mit 10 sind die Umlenkbleche für die Umlenkung in die senkrechte Bewegung der Reststoffe bezeichnet.
Zur Realisierung der optimalen Fermentationstemperatur ist der Behälter mit einer Heizung 11 versehen, die durch einen Warmwasserkessel 12 beheizt wird. Diese Beheizung wird ermöglicht durch die Trocknung und Verbrennung der verbleibenden Feststoffreste von ca. 10% am unteren Ende des Behälters 1 mit dem Austrag 13, dem Trockner 14 und dem Feststoffheizkessel 12 zur Erzeugung von Warmwasser, der mit der Warmwasserleitung 15 die Wärmeabgabe thermostatisch zu dem Behälter 1 mit seiner Heizschlange 16 leitet.
In einem besonderen Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. 1 t/h Schlachtabfälle mit einer Trockensubstanz von 30% werden in einem 20 m³ großen Vermenterbehälter oben eingegeben. Die Trockensubstanz wird in dem Behälter über eine Zeit von 18 Stunden auf 3% abgebaut. Dabei entstehen durch die Eindüsung von 100 m³/h CO₂ und 50 m³/h O₂ eine Synthesegasmenge von 300 m³/h, bestehend aus 40% CO, 50% H₂, 5% CH₄, 3% CO₂ und 5% sonstige Gase, wie Stickstoff, Ammoniak und H₂S.
Nach einer Wäsche verbleiben in dem Reaktionsgas der CO-, der Methan- und der Wasserstoffanteil. Mit dem Wasserdampfanteil der Wäsche wird das Gas in die Zusammensetzung von 2/3 Wasserstoff und 1/3 Kohlenmonoxid in der nachfolgenden Konvertierungsreaktion mit CO₂-Wäsche umgewandelt. Mit dieser Zusammensetzung wird das Gas einer Methanolreaktion zugeleitet. Als zweckmäßige Methanolreaktion dient eine Isothermsynthese mit Heat-pipe-Kühlung für die Reaktion und Konditionierung der eingeleiteten Gase über die von den Heat- pipes abgegebenen Wärme.
Damit entstehen dann aus den 300 m³/h Biogas eine Methanolmenge von 150 l/h. Dieses entspricht dann einem Wirkungsgrad für den Heizwert der Schlachtabfälle von 35%. Die nicht in der Methanolsynthese verwendbaren Anteile des Gases werden dem Temperatursteuerungssystem der Synthese zugeleitet. Dort befindet sich eine Gasverbrennung mit einer katalytischen Gasaufbereitung mit Bypassleitung eines Teiles des Gases, DeNO_x-Katalysatoren und Nachverbrennungskatalysatoren. Die Nachverbrennung geschieht dabei katalytische in den Pellets zwischen den Kühlrippen einer Heat-pipe, die die Wärme auf dem Temperaturniveau der Methanolreaktion von 240°C abgibt. Bezeichnungen zu der Fig. 1 1 Behälter
2 Reststoffeingabe
3 Umlenkbleche in die Horizontale, anaerober Teil
4 Rührer
5 Eindüsung CO₂
6 Umlenkbleche in die Vertikale anaerober Teil
7 Umlenkbleche in die Horizontale aerober Teil
8 Rührer
9 Eindüsung O₂
10 Umlenkbleche in die Vertikale aerober Teil
11 Heizung
12 Warmwasserkessel für Feststoffe
13 Austrag
14 Trockner
15 Warmwasserleitung

Claims

1. Verfahren einer Anlagentechnik zur kombinierten anaeroben und aeroben Vergasung von Biomassen in einem senkrechten Fermenter, dadurch gekennzeichnet, dass eine abwechselnde Eindüsung von CO₂ und O₂ unterhalb von Rührern erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührer beidseitig, also nach oben und unten ergänzt werden durch Umlenkbleche, die die Strömung von oben nach unten gesehen von der senkrechten Bewegung in die waagerechte Bewegung und danach von der waagerechten Bewegung in die senkrechte Bewegung umlenkt

3. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die entstehenden CO- und H₂-enthaltenen Gase in Methanol umgewandelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Methanolsynthese in der Gasaufbereitung entstehenden CO₂-Gas in den Fermenter und die entstehenden anderen Brenngase, wie Methan und Ammoniak in die Heizung für die Synthese geleitet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung der nachfolgenden Synthese durch die Wärmübertragung aus der flammlos katalytischen Verbrennung zwischen den Rippen einer Heat-pipe mit Wärmekontakt in die Gasaufbereitung der Synthesegase erfolgt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der abwechselnd anaeroben und aeroben biologischen Vergasung, dadurch gekennzeichnet, dass diese in einem stehenden Behälter mit mindestens 2 Einbauten, bestehend aus Umlenkblechen, von oben nach unten gesehen, am Ende gebogen, einem Rührer einer Eindüsungsleiste und Umlenkblechen am Anfang gebogen bestehen.