DE202008008335U1

DE202008008335U1 - Bioreaktor zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse

Info

Publication number: DE202008008335U1
Application number: DE202008008335U
Authority: DE
Original assignee: Bekon Energy Technologies GmbH and Co KG
Current assignee: Bekon Energy Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2018-06-24

Abstract

Bioreaktor zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse, mit:
– einem gasdichten Faulbehälter (42) in den die zu vergärende Biomasse (20) einfüllbar ist, mit einander gegenüberliegenden Seitenwänden (6, 7; 46, 48), die über eine Bodenplatte (4; 44) und eine Deckenwand (5) miteinander verbunden sind, und
– einer Biogasentnahmeeinrichtung, die in und oberhalb der Deckenwand (5) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Biogasentnahmeeinrichtung eine Mehrzahl von Öffnungen in der Deckenwand (5) umfasst, die in der Ebene der Unterseite der Deckenwand (5) durch einen gas- und flüssigkeitsdurchlässigen und für Biomasse undurchlässigen Boden (11) abgedeckt sind, wobei über jeder der Mehrzahl von Öffnungen ein sich von der Deckenwand (5) nach oben erstreckender Dorn angeordnet ist, in dem ein Gasraum gebildet ist, in den ein Biogasentnahmeanschluss mündet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse nach Anspruch 1.
In der Vergangenheit hat sich die Biogastechnik hauptsächlich auf die ”Nassvergärung” von Gülle und/oder Bioabfällen aus dem kommunalen Bereich konzentriert. Anlagen und Vorrichtungen zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse nach dem Nassgärverfahren sind z. B aus Druckschriften AT 408230 B , WO 96/12789 , DE 3228391 A1 , AT 361885 B und DE 19746636 A1 bekannt.
Aus der DE 3228391 A1 ist hierbei ein Faulbehälter in Form eines elastischen Schlauches bekannt, bei dem die Biomasse mittels einer künstlich erzeugten Peristaltik durch den Schlauch befördert werden. Die peristaltische Bewegung wird mittels über den Schlauch gezogene Schlingen, die zusammengezogen werden, mittels über den Schlauch gezogenen Manschetten, die mit Druckluft beaufschlagt werden oder mittels über die Länge des Schlauches verteilte Stempel, die aufeinanderfolgend in den Schlauch hineindrücken, erzeugt.
Aus der DE 19746636 A1 ist Faulbehälter in Form eines Rundsilos bekannt, wobei der eigentliche Faulbehälter im Zentrum des Rundsilos angeordnet und von einem ringförmigen Zwischenbereich umgeben ist.
Aus der AT 361885 B ist ebenfalls ein Faulbehälter in Form eines Rundsilos bekannt, der eine zylindrische Außenwand und eine zylindrische Innenwand umfasst, wodurch ein ringförmiger Transportkanal gebildet wird. Die verflüssigte Biomasse wird zugeführt, durchfließt den Transport und wird wieder entnommen. Zusätzlich ist aus der AT 361885 B bekannt, zwischen der Innen- und der Außenwand eine zylindrische Mittelwand vorzusehen, wodurch ein innerer und ein äußerer Transportkanalring gebildet werden.
Nachwachsende Rohstoffe mit hohen Trockensubstanzgehalten (z. B. Maissilage) oder Festmiste können bei diesen „flüssigen” Verfahren nur in begrenztem Umfang beigemischt werden.
Die so genannte ”Trockenfermentation” erlaubt es, schüttfähige Biomassen aus der Landwirtschaft, aus Bioabfällen und kommunalen Pflegeflächen zu methanisie ren, ohne die Materialien in ein pumpfähiges, flüssiges Substrat zu überführen. Es können Biomassen mit bis zu 50% Trockensubstanzanteil vergoren werden. Dieses Trockenfermentations-Verfahren ist beispielsweise in der EP 0 934 998 beschrieben.
Bei der ”trockenen” Vergärung wird das zu vergärende Material nicht in eine flüssige Phase eingerührt, wie das zum Beispiel bei der Flüssigvergärung von Bioabfällen der Fall ist. Stattdessen wird das in den Fermenter eingebrachte Gärsubstrat ständig feucht gehalten, indem das Perkolat am Fermenterboden abgezogen und über der Biomasse wieder versprüht wird. So werden optimale Lebensbedingungen für die Bakterien erreicht. Bei der Rezirkulation des Perkolats kann zusätzlich die Temperatur reguliert werden, und es besteht die Möglichkeit, Zusatzstoffe für eine Prozessoptimierung zuzugeben.
Aus der WO 02/06439 ist ein Bioreaktor bzw. ein Fermenter in Form einer Fertiggarage bekannt, der nach dem Prinzip der Trockenfermentation im sogenannten Batch-Verfahren betrieben wird. Hierbei wird nach einer Animpfung mit bereits vergorenem Material wird das Gärsubstrat mit Radladern in den Fermenter gefüllt. Der garagenförmig aufgebaute Gärbehälter wird mit einem gasdichten Tor verschlossen. Die Biomasse wird unter Luftabschluss vergoren, dabei erfolgt keine weitere Durchmischung und es wird kein zusätzliches Material zugeführt. Das aus dem Gärgut sickernde Perkolat wird über eine Drainagerinne abgezogen, in einem Tank zwischengespeichert und zur Befeuchtung wieder über dem Gärsubstrat versprüht. Der Gärprozess findet im mesophilen Temperaturbereich bei 35–45°C statt, die Temperierung erfolgt mittels einer Boden- und/oder Wandheizung und durch die Beheizung des Perkolats.
Auch aus DE 3341691 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur anaeroben Behandlung organischer Substanzen mit hohem Feststoffanteil bekannt, bei dem auch Biogas entsteht. Hierbei wird die Biomasse einer Rinne walkenden, peristaltischen Bewegung unterworfen und damit durch den Faulbehälter befördert. Die peristaltische Bewegung wird dadurch erreicht, dass die Ränder der Rinne parallel zueinander eine auf- und abgerichtete Bewegung ausführen. Gleichzeitig werden bei der Auf- und Abbewegung von unten Taschen zur Erzeugung der walkenden Bewegung in die Rinne eingedrückt.
Das entstehende Biogas kann in einem Blockheizkraftwerk zur Gewinnung von Strom und Wärme genutzt werden. Damit immer genug Biogas für das Blockheizkraftwerk zur Verfügung steht, werden in der Trockenfermentationsanlage mehrere Gärbehälter zeitlich versetzt betrieben. Am Ende der Verweilzeit wird der Fermenterraum vollständig entleert und dann neu befüllt. Das vergorene Substrat wird einer Nachkompostierung zugeführt, so dass ein konventionellen Komposten vergleichbarer organischer Dünger entsteht.
Aus der WO 2005/085411 A2 ist eine Biogasanlage mit einer Transporteinrichtung für Biomasse in Bioreaktoren bekannt, bei der am Boden und an den Seitenwänden des Bioreaktors Transportkissen angeordnet sind. Diese Transportkissen sind aufeinander folgend mit einem Fluid beaufschlagbar wodurch eine Wellenbewegung erzeugen wird, um die Biomasse durch den Bioreaktor zu bewegen. Aus der DE 202005019132.9 ist eine ähnliche Biogasanlage bekannt, bei der zusätzlich in der Decke des Bioreaktors Transportkissen vorgesehen sind.
Aus der DE 202005019788 U1 ist ein Biogasreaktor mit einer Niederhaltevorrichtung bekannt, die verhindert, dass in Perkolat aufschwimmende Biomasse die Decke des Bioreaktors berührt und dafür sorgt, dass die Biomasse vollständig in die Biomasse eintaucht. Durch diese Maßnahme wird die Biogasproduktionsrate erhöht. Der Biogasreaktor hat den Nachteil, dass hohe Druckkräfte auf die Niederhaltevorrichtung wirken, was eine aufwendige Befestigung derselben erforderlich macht.
Ausgehend von dem aus der DE 202005019132 U1 ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bioreaktor anzugeben, der eine erhöhte Biogasproduktionsrate ermöglicht und kontinuierlich betrieben werden kann, und bei dem die genannten Druckkräfte verringert sind, so dass eine vereinfachte und kostengünstigere Befestigung der Niederhaltevorrichtung ermöglicht ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Durch einen gas- und flüssigkeitsdurchlässigen und für Biomasse undurchlässigen Boden wird das gesamte Volumen des Faulbehälters in ein darüber liegendes Volumen, das durch eine Mehrzahl von Domen gebildet ist, die zum Teil den (Bio-)Gasraum begrenzen, und ein darunter liegendes Volumen, in der sich die zu fermentierende „Biomasse” befindet, unterteilt.
Insbesondere ist durch diese Struktur der sich im Stand der Technik unterhalb der Deckenwand befindliche Gasraum nach oberhalb dieser und außerhalb des die Biomasse aufnehmenden Hauptteils des Faulbehälters verlagert, und die auf den Boden wirkenden Kräfte sind verringert, da sie teilweise durch die Deckenwand auf genommen werden. Hierdurch wird die Bereitstellung des notwendigen Gasraums und die Abfuhr des Biogases aus dem Faulbehälter kostengünstiger.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 wird die Transportleistung der Transportkissen an der Deckenwand erhöht. Dadurch, dass das Perkolat nur knapp unter die Deckenwand aufgestaut wird, ist die Biomasse nicht vollständig in Perkolat eingetaucht. Der aus dem Perkolat herausragende Teil der Biomasse bietet eine verbesserte Angriffsfläche für die Transportkissen, wodurch die Transportleistung erhöht wird.
Durch das Vorsehen von Transportkissen an der wenigstens teilweise für Biomasse undurchlässigen Deckenwand wird einerseits die Biomasse in Perkolat eingetaucht und andererseits wird verhindert, dass die aufschwimmende Biomasse an der Deckenwand anhaftet und nicht mehr weiter transportiert wird.
Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung zeigt die nachfolgende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen anhand der Zeichnungen: Es zeigt:
1 eine schematische perspektivische Darstellung eines lang gestreckten Bioreaktors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Draufsicht des Bioreaktors der Ausführungsform nach 1;
3 eine schematische Querschnittsansicht der Abdeckung des Faulbehälters, in der die Anordnung der Dome und Transportkissen gemäß der Ausführungsform von 1 dargestellt ist;
4 eine schematische perspektivische Darstellung eines Rundfermenters gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
5 eine Draufsicht des Rundfermenters gemäß der zweiten Ausführungsform nach 4.
1 zeigt schematisch einen langgestreckten, quaderförmigen Bioreaktor 2 mit einer rechteckigen Bodenplatte 4, einer Deckenwand 5, einer rechten Seitenwand 6, einer linken Seitenwand 7, einer Stirnwand 8 und einer Rückwand 9. Die Deckenwand 5 umfasst Öffnungen, die jeweils mit einem als Gitter 11 ausgebildeten Boden überdeckt sind, die für Biogas und Perkolat durchlässig und für feste Biomasse undurchlässig sind. Der Bioreaktor 2 umfasst an einem Ende eine Beladebereich 12 mit einer die Stirnwand 8 durchsetzenden Beladeeinrichtung 13 – angedeutet durch einen Pfeil – und am anderen Ende einen Entladebereich 14 mit einer die Rückwand 9 durchsetzenden Entladeeinrichtung 15 – ebenfalls durch einen Pfeil bezeichnet. Zwischen Beladebereich 12 und Entladebereich 14 ist ein durch die Stirnwand 8, die beiden Seitenwände 6, 7, die Bodenplatte 4, die Deckenwand 5 und die Rückwand 9 begrenzter Transportkanal 16 ausgebildet. Der Transportkanal 16 ist mit einer Transporteinrichtung 18 versehen. Mittels der Beladeeinrichtung 12 wird im Beladebereich 10 frische Biomasse 20 zyklisch oder kontinuierlich zugeführt. Durch die Transporteinrichtung 18 wird die Biomasse 20 zum anderen Ende des Bioreaktors 2 zum Entladebereich 14 befördert. Aus dem Entladebereich 14 wird Biomasse 20 mittels der Entladeeinrichtung 16 zyklisch oder kontinuierlich entnommen.
Die Transporteinrichtung 18 besteht aus einer Mehrzahl von benachbart zueinander im Transportkanal 16 auf der Bodenplatte 4 angeordneten unteren Transportkissen 22-1 bis 22-6 und aus im Abstand zueinander angeordneten oberen Transportkissen 24-1 bis 24-3, die an der Deckenwand 5 unter Aussparung der Gitter 11-i befestigt sind. Zusätzlich umfasst die Transporteinrichtung 18 im Bereich der Stirnwand 8 noch ein Schubkissen 26.
Wie aus den 1 zu ersehen ist, erstrecken sich die einzelnen Transportkissen 22-i und 24-i über die gesamte Breite des Bioreaktors 2 und haben die Form von halben Ovalzylindern. Die Ausdehnung der einzelnen Transportkissen 22-i, 24-i nach oben bzw. nach unten kann durch periodische Zufuhr und Entnahme von Fluid mittels einer nicht dargestellten Fluidsteuereinrichtung periodisch vergrößert und verkleinert werden. Durch die Zufuhr zu und Entnahme von Fluid aus aneinander grenzenden Transportkissen 22-i, 24-i lässt sich eine Wellenbewegung erzeugen, durch die die Biomasse 20 von dem Beladebereich 12 zu dem Entladebereich 14 befördert wird. Hinsichtlich Details wird auf DE 202005019132 U1 verwiesen.
In 1 sind ferner schematisch kaminähnliche Dome 10-i über den Gittern 11-i dargestellt, die jeweils oben mit einer Gashaube (nicht gezeigt) überdeckt sind. In dem Raum (Gasraum 28), der durch die Wandung der Dome 10-i, deren jeweilige Gashaube und die Ebene der Gitter 11-i begrenzt ist, sammelt sich das Biogas, das durch die Fermentierung der unterhalb der Gitter 11-i und der Deckenwand 5 in dem Faulbehälter 42 eingeschlossenen Biomasse 20 erzeugt wird.
2 zeigt eine Draufsicht des Faulbehälters 42. Die beabstandete Anordnung der an der unteren Oberfläche der Deckenwand 5 befestigten oberen Transportkissen 24-i ist durch deren Bezugszeichen gezeigt. Zwischen den einzelnen Transportkissen 24-i sind die Gitter 11-i angeordnet, durch die das erzeugte Biogas in den oben erwähnten Gasraum 28 zwischen den Gittern 11-i, auf Ebene der Deckenwand 5, und den Gashauben gelangen kann. Die Lochgröße in den Gittern 11-i ist so gewählt, dass das erzeugte Biogas diese ohne Druckverlust durchdringen kann und dass aufschwimmende Biomasse 21 – siehe 3. – durch die Gitter 11-i sicher zurückgehalten wird.
Wie aus 3 zu ersehen ist, wird der Perkolatpegel 30 in dem Bioreaktor 2 so geregelt, dass er knapp unter der Deckenwand 5 bzw. den Gittern 11-i liegt. Die oberen Transportkissen 24-i sind so ausgelegt, dass sie in befülltem Zustand in die Biomasse 20 und in das Perkolat eintauchen. Auf diese Weise bietet die aufschwimmende Biomasse 21 eine bessere „Angriffsfläche” für die oberen Transportkissen 24-i.
Die 4 und 5 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung in Form eines Bioreaktors 40 in Rundbauweise mit einem kreiszylindrischen Faulbehälter 42. Der Großfermenter 40 umfasst eine ebene Bodenplatte 44. Von der Bodenplatte 44 erstreckt sich eine kreiszylindrische Außenwand 46 in die Höhe. Die kreiszylindrische Außenwand 46 umschließt eine kreiszylindrische Innenwand 48 mit kleinerem Durchmesser. Durch eine nicht dargestellte Deckenwand (nicht gezeigt) wird der Raum zwischen Außen- und Innenwand 46, 48 geschlossen. Die gasdicht miteinander verbundene Bodenplatte 44, die Außenwand 46, die Innenwand 48 und die Deckenwand bilden den Faulbehälter 42.
Der Faulbehälter 42 wird im Inneren durch eine Trennwand 52 unterteilt. Auf einer Seite der Trennwand 52 ist ein Beladebereich 54 mit einer die Außenwand 46 durchsetzenden Beladeeinrichtung 56 vorgesehen. Auf der anderen Seite der Trennwand 52 ist ein Entladebereich 58 mit einer die Außenwand 46 durchsetzenden Entladeeinrichtung 60 vorgesehen.
Zwischen Beladebereich 54 und Entladebereich 58 ist ein durch die Innenwand 48 und die Außenwand 46 begrenzter ringförmig verlaufender Transportkanal 62 ausgebildet. Im Transportkanal 62 ist eine Transporteinrichtung 64 vorgesehen, die eine Mehrzahl von unteren Transportkissen 66-i umfasst, die auf der Bodenplatte 54 benachbart zueinander angeordnet sind. Wie aus 4 zu ersehen ist, besitzen die unteren Transportkissen 66-i in etwa die Form von Kuchenstücken mit gekappter Spitze, d. h. sie sind im Bereich der Außenwand 46 breiter als im Bereich der Innenwand 48. Die Transporteinrichtung 64 umfasst auch obere Transportkissen 68-i die von der Deckenwand nach unten in die Biomasse hineinragen. Die oberen Transportkissen 68-i weisen ebenfalls die Form von gekappten Tortenstücken auf. Zwischen benachbarten Transportkissen 68-i sind Gitter 70-i in der Deckenwand vorgesehen. Die Darstellung nach 3 gilt auch für die zweite Ausführungsform der Erfindung nach den 4 und 5.

2: Bioreaktor
4: Bodenplatte
5: Deckenwand
6: rechte Seitenwand
7: linke Seitenwand
8: Stirnwand
9: Rückwand
11-i: Gitter
12: Beladebereich
13: Beladeeinrichtung
14: Entladebereich
15: Entladeeinrichtung
16: Transportkanal
18: Transporteinrichtung
20: Biomasse
21: aufschwimmende Biomasse
22-i: untere Transportkissen
24-i: obere Transportkissen
26: Schubkissen
28: Gassammelbereich
30: Perkolatpegel
40: Bioreaktor in Rundbauweise, Rundfermenter
42: Faulbehälter
44: Bodenplatte
46: Außenwand
48: Innenwand
52: Trennwand
54: Beladebereich
56: Beladeeinrichtung
58: Entladebereich
60: Entladeeinrichtung
62: Transportkanal
64: Transporteinrichtung
66-i: untere Transportkissen
68-i: obere Transportkissen
70-i: Gitter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- AT 408230 B [0002]
- WO 96/12789 [0002]
- DE 3228391 A1 [0002, 0003]
- AT 361885 B [0002, 0005, 0005]
- DE 19746636 A1 [0002, 0004]
- EP 0934998 [0007]
- WO 02/06439 [0009]
- DE 3341691 A1 [0010]
- WO 2005/085411 A2 [0012]
- DE 202005019132 [0012]
- DE 202005019788 U1 [0013]
- DE 202005019132 U1 [0014, 0029]

Claims

Bioreaktor zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse, mit: – einem gasdichten Faulbehälter (42) in den die zu vergärende Biomasse (20) einfüllbar ist, mit einander gegenüberliegenden Seitenwänden (6, 7; 46, 48), die über eine Bodenplatte (4; 44) und eine Deckenwand (5) miteinander verbunden sind, und – einer Biogasentnahmeeinrichtung, die in und oberhalb der Deckenwand (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Biogasentnahmeeinrichtung eine Mehrzahl von Öffnungen in der Deckenwand (5) umfasst, die in der Ebene der Unterseite der Deckenwand (5) durch einen gas- und flüssigkeitsdurchlässigen und für Biomasse undurchlässigen Boden (11) abgedeckt sind, wobei über jeder der Mehrzahl von Öffnungen ein sich von der Deckenwand (5) nach oben erstreckender Dorn angeordnet ist, in dem ein Gasraum gebildet ist, in den ein Biogasentnahmeanschluss mündet.
Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner einen Beladebereich (12; 54) mit einer den gasdichten Faulbehälter (42) durchsetzenden Beladeeinrichtung (13; 56) zum kontinuierlichen Zuführen von frischer Biomasse (20, 21) in den Faulbehälter (42) und einem Entladebereich (14; 58) mit einer den gasdichten Faulbehälter (42) durchsetzenden Entladeeinrichtung (15; 58) zum Entnehmen von verbrauchter Biomasse aus dem Faulbehälter (42), umfasst.
Bioreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner eine Mehrzahl von mit Fluid befüllbaren Transportkissen (22, 24; 66, 68), die mit der zu transportierenden Biomasse (20, 21) in Kontakt sind, und die auf der Bodenplatte (4; 44) und/oder den Seitenwänden (6, 7, 8; 46, 48) und/oder der Deckenwand (5) zwischen dem Belade- und dem Entladebereich (12, 14; 54, 58) angeordnet sind, umfasst.
Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner eine Fluidsteuereinrichtung zum sukzessiven Befüllen und Entleeren aufeinander folgender Transportkissen (22, 24; 66, 68) umfasst, wodurch eine Wellenbewegung erzeugbar ist, durch die die Biomasse (22) von dem Beladebereich (12; 54) zu dem Entladebereich (14; 58) bewegt wird.
Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Perkolatfüllstandsregelung, die den Perkolatpegel in dem Faulbehälter (42) auf ein Niveau bis knapp unter die Deckenwand (5) regelt.
Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportkissen (22) auf der Bodenplatte (4; 44) und/oder den Seitenwänden (6, 7; 46, 48) aneinander angrenzend angeordnet sind.
Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Beladeeinrichtung (13; 56) wenigstens ein in Transportrichtung der Biomasse (20, 21) expandierbares mit Fluid befüllbares Schubkissen (26) vorgesehen ist.
Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Domen jeweils oben durch eine Gashaube abgedeckt sind.
Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (11) ein Lochboden oder ein Gitter.
Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faulbehälter (42) kreiszylindrisch ausgebildet ist.