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Geschlossener Reaktorkomplex zur Produktion von Bio-Energie aus biogenen Abfallstoffen und Festmist
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Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine geschlossenes, kompaktes Anlagensystem zur aneroben Produktion von Biogas aus biogenen Abfallstoffen und Festmist innerhalb eines Gebäudekomplexes unter Berücksichtigung derzeitiger umwelt- und sicherheitsrelevanter Bestimmungen.
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Stand der Technik
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Bisher bekannte Biogasanlagen der sogenannten Flüssigvergärung bestehen aus Substratlager (offene Fahrsilos), Eintragsvorrichtungen, Vorgruben, Fermenter, Nachgärer, Gärrestelager und BHKW, wobei die vorgenannten Anlagenteile jeweils als selbständige freistehende Komponenten zu bewerten sind, deren Verbindung nach der mechanischen Beschickung durch aussen geführte Transport-/Rohrleitungssysteme erfolgt. Beschickungsanlagen, Rohrleitungssysteme mit Regelarmaturen und Pumpen unterliegen dabei den klimatischen Einflüssen und dem Risiko mechanischer Beschädigung. Mögliche Leckagen (Havarie) in diesen Substrat-Fördereinrichtungen können erhebliche Umweltschäden verursachen.
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Bei herkömmlichen Anlagenkonzepten sind Fermenter, Nachgärer und Gärrestelager als großvolumige Rundbehälter aus Stahlbeton oder Edelstahl mit Aussendämmung und Foliendach ausgeführt. Liegende Rechteck-Fermenter sind zwar ebenfalls Stand der Technik, kommen aber im Verhältnis weniger zum Einsatz.
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Große Behälter Volumina haben u. A. den Nachteil unzureichender Prozesskontrolle als auch höheren Prozess-Wärmeverbrauchs aufgrund großer Außenwandflächen.
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Nur in seltenen Fällen sind derartige Anlagen mit wirksamer Sediment-Räumungstechnik ausgestattet. Die in den Gärsubstraten enthaltenen Sedimente setzen sich in den Fermentern, Nachgärern und Lagerbehältern ab und müssen nach Komplettentleerung der Behälter mit erheblichem Aufwand mechanisch abgebaut und ausgetragen werden. Konsequenz der erforderlichen Behälterausreinigung ist jeweils ein unvermeidlicher längerer Anlagenstillstand verbunden mit erheblichem Produktionsausfall.
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Mögliche Undichtigkeiten an den Foliendachabdichtungen zur Behälterwand nach der-artigen Eingriffen haben häufig unkontrolierbaren Gasschlupf zur Folge. Besondere Probleme bereiten Emissionen von Biogasbestandteilen, welche durch die Membranen der Gasspeicherhauben auf den Gärbehältern und Gärestlägern diffundieren. Diese Quellen weisen abhängig von äußeren Bedingungen abhängige Emissionscharakteristig auf. Gasspeicherhauben stehen unter leichtem Überdruck und können eine Gasdiffusion bezogen auf Methan bis 1 m3/d je m2 Oberfläche verursachen.
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Das Treibhauspotential von Methan ist nach dem IPCC Sachstandsbericht gegenüber CO2 ca. 25 mal so groß!
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Zweck der Erfindung
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Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer leistungsfähigen Bioenergie-Anlage, bei der außer optimaler Substratnutzung, Schutz vor klimatischer und mechanischer Beschädigung der Anlagenteile, eine bestmöglich Prozesskontrolle und -führung, als auch der erforderliche Emissionsschutz in einem Reaktorkomplex gewährleistet werden kann.
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Reaktortypen
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Zwei Reaktor-Typen dienen den unterschiedlichen Anforderungen im Bezug auf die zu produzierenden Gasleistung.
- A.) GMS-alpha-Bio-Reaktor/600 – zur Produktion bis 2.300.000 Nm3/a Rohgas Anlage 1 – Grundriss,
- B.) GMS-alpha-Bio-Reaktor/2.400 – zur Produktion bis 8.200.000 Nm3/a Rohgas Anlage 2 – Grundriss, Anlage 3 – Schnitt
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Beschreibung GMS-alpha-Bio-Reaktor/600 – Komplex
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- A.) Der GMS-alpha-Bio-Reaktor/600 – Komplex besteht aus einem in sich geschlossenen Stahlbeton Gebäude mit recheckigem Grundriss. Er beinhaltet für den eigentlichen biochemischen Prozess je 2 Hydrolysekammern, 2 Fermenter und 2 Nachfermenter die jeweils Wand an Wand räumlich verbunden sind.
Die Kammern haben quadratische Grundrisse mit diagonalem Gefälle zum Pumpenanschluss hin.
In den Kammerwänden sind Heizschlangen zur Substrat-Temparierung eingebaut. Die Außenwandflächen der Reaktorkammern sind wärmegedämmt.
Alle Reaktorkammern sind mit einer Betondecke gasdicht verschlossen. Auf der Decke befinden sich die Antriebe für die jeweiligen Vertikalrührwerke sowie die Revisionsklappen und Gasaustrittsstutzen. Fermenter- und Nachfermenter haben jeweils gleich große Grundflächen, die Grundflächen der Hydrolysekammern entsprechem jeweils ¼ der Fermenter-Grundfläche.
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Die für Verfahren notwendige Anlagen-Pheripherie ist zweckmäßiger Weise zum Schutz klimatischer Einflüsse und optimierter Prozesskontrolle im Reaktorgebäudekomplex integriert.
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Im vorderen Bereich des Baukörpers befindet sich der Substratbunker mit der Dosier-Station sowie die Förderanlage des Frischsubtrates und Hydrolyts. In einem abgeschlossenem Nebenraum ist die Anlagensteuerung installiert. In den Räumlichkeiten im hinteren Bereich des Gebäudes sind die Fördereinrichtungen für des Ferment und die Gärreste installiert. Ausserdem sind in dem Gebaudeteil die Gärrestaufbereitung und das BHKW untergebracht. Zur Vermeidung von Umweltschäden durch Havarie im Bereich der Substratentnahmeeinrichtungen, liegen die entsprechenden Räume unter Flur. (Raum 6 u. 8)
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Funktionsbeschreibung GMS-alpha-Bio-Reaktor/600 – Komplex
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Funktionsbereich 1
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Der Substratbunker wird mit geschlossenen LKW beschickt. Der anliefernde LKW fährt rückwärts durch das geöffnete Tor in den Substratbunker und entläd den Bio-Abfall (Geflügelmist). Nach Ausfahrt wird das Tor automatisch verschlossen. Mittels Radlader wird die Biomasse in den Vorlagecontainer des Feststoffdosierers gefördert.
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Über Dosierschnecke wird die Biomasse in die Mischpumpe gefördert und dort mit Prozesswasser vorgemaischt. Die Weiterleitung erfolgt über einen Zweiwellenzerkleinerer in die Maischekammer.
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Funktionsbereich 2
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In den Maischekammern findert die biochemische Desintegration durch Vorversäuerung und Hydrolyse statt. Das gemaischte, vorversäuerte Substrat wird einschließlich enthaltener Sedimente mit einer Schneckenwellenpumpe vom Kammer-Tiefpunkt portionsweise, getacktet abgezogen und gleichmäßig auf die Fermenter verteilt.
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Funktionsbereich 3
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Die Fermenterkammern sind parallel geschaltet und funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Vorteile der verhältnismäßig kleinen Arbeitsvolumen liegen in der Prozesssteuerung, bei der Wärmeverteilung und Durchmischung. Vor jeder Befüllung wird zur Freimachung die jeweilige Füllmenge einschließlich enthaltener Sedimente mit Drehkolbenpumpen vom Kammer-Tiefpunkt abgezogen und getaktet in kleinen Portionen in die Nach-Fermenter gefördert.
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Funktionsbereich 4 (nur bei GMS-alpha-Bio-Reaktor/2.400)
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Funktionsbereich 5
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Drei Nach-Fermenter dienen zur Verlängerung der hydraulischen Verweilzeit mit Ausnutzung des restlichen Biogaspotentials. Sie sind im Aufbau und der Ausstattung mit den Fermentern identisch. Allerdings sind sie kaskardenartig in Reihe hintereinander geschaltet. Der geregelte Substrattransport von einem in den nächsten Nachfermenter erfolgt durch Drehkolbenpumpen. Vom letzten Nach-Fermenter der Reihe wird das vergorene Produkt zur Fest-/Flüssigtrennung gefördert. Durch koordienierte Misch-/Pump-Intervalle kommt es nicht zum Absetzen der im Fermentat vorhandene Sedimente. Sie werden mit dem Rühr-/Fließstrom aus dem Prozess in die Separationsanlage gefördert und dort aus dem Fluid gefiltert.
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Funktionsbereich 6
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In dem direkt an den Nach-Fermenter grenzenden Raum befindet sich die Separationsanlagen. Ausser der Drehkolbenpumpe zur Beschickung der Trennanlage sind dort eine Schneckenpresse und als Tandem nachgeschaltet eine Feinfilter-Zentrifuge installiert. Der separierte Feststoff wird in die außerhalb des Gebäudes aufgestellte Container oder Trocknungsanlage transportiert.
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Funktionsbereich 7
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Der Transport des Filtrats erfolgt in die vor dem Reaktorgebäude platzierten Strippanlage für die Prozesswasseraufbereitung, deren Nebeneinrichtung in den rückseitigen Rämen. Das aufbereitete Rezyklat wird zurück in die Hydrolysekammer gefördert.
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Funktionsbereich 8
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Ebenfalls rückseitig am Nach-Fermenter neben der Prozesswasseraufbereitung befindet sich der Raum in dem die Blockheizkraftwerke und der Prozess-Dampferzeuger aufgestellt werden. Der erzeugte Strom wird in das öffentliche Netz eingespeist, die Abwärme für die Anlagenbeheizung, Dampferzeugung und Trocknung der festen Gärreste genutzt. Die Steuereinheit ist im danebenliegenden separaten Raum untergebracht.
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Beschreibung GMS-alpha-Bio-Reaktor/2.400 – Komplex
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- B.) Der GMS-alpha-Bio-Reaktor/2.400 – Komplex besteht aus einem in sich geschlossenen Stahlbeton Gebäude mit recheckigem Grundriss. Er beinhaltet für den eigentlichen biochemischen Prozess je 2 Hydrolysekammern, 4 Fermenter und 4 Nachfermenter. Die Hydrolysekammern und Fermenter sind jeweils Wand an Wand räumlich verbunden. Das gleiche gilt auch für die Nachfermenter untereinander. Zwischen den gereihten Fermenter und Nachfermentern befindet sich der Pumpenflur in dem die Ferment-Transportstrecken Witterungsunabhängig untergebracht sind.
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Die Kammern haben quadratische Grundrisse mit diagonalem Gefälle zum Pumpenanschluss hin.
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In den Kammerwänden sind Heizschlangen zur Substrat-Temparierung eingebaut. Die Außenwandflächen der Reaktorkammern sind wärmegedämmt. Alle Reaktorkammern sind mit einer Betondecke gasdicht verschlossen. Auf der Decke befinden sich die Antriebe für die jeweiligen Vertikalrührwerke sowie die Revisionsklappen und Gasaustrittsstutzen. Fermenter- und Nachfermenter haben jeweils gleich große Grundflächen, die Grundflächen der Hydrolysekammern entsprechem jeweils ¼ der Fermenter-Grundfläche.
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Die für Verfahren notwendige Anlagen-Pheripherie ist zweckmäßiger Weise zum Schutz klimatischer Einflüsse und optimierter Prozesskontrolle im Reaktorgebäudekomplex integriert. Im vorderen Bereich des Baukörpers befindet sich der Substratbunker mit der Dosier-Station sowie die Förderanlage des Frischsubtrates und Hydrolyts. In einem abgeschlossenem Nebenraum ist die Anlagensteuerung installiert. In den Räumlichkeiten im hinteren Bereich des Gebäudes sind die Fördereinrichtungen für des Ferment und die Gärreste installiert. Ausserdem sind in dem Gebaudeteil die Gärrestaufbereitung und das BHKW untergebracht.
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Funktionsbeschreibung GMS-alpha-Bio-Reaktor/2.400 – Komplex
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Funktionsbereich 1
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Der Substratbunker wird mit geschlossenen LKW beschickt. Der anliefernde LKW fährt rückwärts durch das geöffnete Tor in den Substratbunker und entläd den Bio-Abfall (Geflügelmist). Nach Ausfahrt wird das Tor automatisch verschlossen. Mittels Radlader wird die Biomasse in den Vorlagecontainer des Feststoffdosierers gefördert. Über Dosierschnecke wird die Biomasse in die Mischpumpe gefördert und dort mit Prozesswasser vorgemaischt. Die Weiterleitung erfolgt über einen Zweiwellenzerkleinerer in die Maischekammer.
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Funktionsbereich 2
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In den Maischekammern findert die biochemische Desintegration durch Vorversäuerung und Hydrolyse statt. Das gemaischte, vorversäuerte Substrat wird einschließlich enthaltener Sedimente mit einer Schneckenwellenpumpe vom Kammer-Tiefpunkt portionsweise, getacktet abgezogen und gleichmäßig auf die Fermenter verteilt.
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Funktionsbereich 3
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Die Fermenterkammern sind parallel geschaltet und funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Vorteile der verhältnismäßig kleinen Arbeitsvolumen liegen in der Prozesssteuerung, bei der Wärmeverteilung und Durchmischung. Vor jeder Befüllung wird zur Freimachung die jeweilige Füllmenge einschließlich enthaltener Sedimente mit Drehkolbenpumpen vom Kammer-Tiefpunkt abgezogen und getaktet in kleinen Portionen in die Nach-Fermenter gefördert.
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Funktionsbereich 4 (nur bei GMS-alpha-Bio-Reaktor/2.400)
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Im abgeschlossenen Installationsgang befindet sich gegen äußere Witterung und Beschädigung geschützt das komplette Substrat-Transportsysten mit Pumpen, Absperrarmaturen und Leitungen. Ebenso die Steuerung für Pumpen, Absperrarmaturen als auch die komplette Prozessüberwachungseinrichtung. Im Boden des Installationsganges sind sicherheitshalber zwei Pumpensümpfe eingebaut. Falls durch Wartungsarbeiten an den Aggregaten oder Fermenter Substrat austritt, wird dieses aus dem Sumpf in den Nach-Fermenter gefördert. Ein Substrataustritt in das Gelände kann somit verhindert werden.
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Funktionsbereich 5
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Drei Nach-Fermenter dienen zur Verlängerung der hydraulischen Verweilzeit mit Ausnutzung des restlichen Biogaspotentials. Sie sind im Aufbau und der Ausstattung mit den Fermentern identisch. Allerdings sind sie kaskardenartig in Reihe hintereinander geschaltet. Der geregelte Substrattransport von einem in den nächsten Nachfermenter erfolgt durch Drehkolbenpumpen. Vom letzten Nach-Fermenter der Reihe wird das vergorene Produkt zur Fest-/Flüssigtrennung gefördert. Durch koordienierte Misch-/Pump-Intervalle kommt es nicht zum Absetzen der im Fermentat vorhandene Sedimente. Sie werden mit dem Rühr-/Fließstrom aus dem Prozess in die Separationsanlage gefördert und dort aus dem Fluid gefiltert.
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Funktionsbereich 6
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In dem direkt an den Nach-Fermenter grenzenden Raum befindet sich die Separationsanlagen. Ausser der Drehkolbenpumpe zur Beschickung der Trennanlage sind dort eine Schneckenpresse und als Tandem nachgeschaltet eine Feinfilter-Zentrifuge installiert. Der separierte Feststoff wird in die außerhalb des Gebäudes aufgestellte Container oder Trocknungsanlage transportiert.
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Funktionsbereich 7
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Der Transport des Filtrats erfolgt in die vor dem Reaktorgebäude platzierten Strippanlage für die Prozesswasseraufbereitung, deren Nebeneinrichtung in den rückseitigen Rämen. Das aufbereitete Rezyklat wird zurück in die Hydrolysekammer gefördert.
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Funktionsbereich 8
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Ebenfalls rückseitig am Nach-Fermenter neben der Prozesswasseraufbereitung befindet sich der Raum in dem die Blockheizkraftwerke und der Prozess-Dampferzeuger aufgestellt werden. Der erzeugte Strom wird in das öffentliche Netz eingespeist, die Abwärme für die Anlagenbeheizung, Dampferzeugung und Trocknung der festen Gärreste genutzt. Die Steuereinheit ist im danebenliegenden separaten Raum untergebracht.
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Funktionsbereich 9
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Aufstellungsraum der Bunker-Abkuftanlage
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Hinweis
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Alle wesentlichen Standorte zur Aufstellung technischer Einrichtungen und deren Steuerung, Reaktoren für den biochemischen Prozess befinden sich innerhalb des Gebäudekomplexes. Ausgenommen sind die gasführenden Leitungen, welche aus Sicherheitsgründen oberhalb des Reaktorgebäudes auf den Fermenterdecken verlegt und zum frei stehenden Druckausgleichsspeicher geführt werden.
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Vorteile der Erfindung
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Vorteile dieser Erfindung sind:
- a) die Kompaktheit des gesamten Anlagensystems und Zusammenfassung innerhalb eines Gebäudekomplexes,
- b) die geschlossene, klimatisierte Lagerung biogener Abfälle direkt an der Eintragseinrichtung zur Vermeidung von Emissionen,
- c) die Aneinanderreihung der Reaktorenkammern mit sehr wenig Aussenwandflächen und der Konsequenz geringen Eigenwärmeverbrauches,
- d) relativ kleine Kammervolumina zur besserern Prozessführung und -kontrolle,
- e) Betondecken über den Reaktorkammern zur freien Aufstellung der Rührwerksantriebe,
- f) innenliegender Installation zur geschützten Aufstellung der Pumpen, Mess- und Regelarmaturen mit kurzen Substrat-Transportwegen.
- g) umwelt- und sicherheitsrelevante Unterbringung der Gärproduktaufbereitung innerhalb des Reaktorkomplexes.
- h) Aufstellung der BHKW im Reaktorgebäude zur Minderung der Schallemissionen,
- i) sichere Gasleitungsführung auf der Reaktordecke mit direktem Zugang über den Druckausgleichsspeicher zum BHKW.
- j) Verarbeitung sämtlicher biogener Substrate einschließlich stickstoffhaltiger Biogener Abfälle, insbessondere auch Geflügelmist mit Sedimenten.
- k) Vermeidung von Methan- und Geruchsemissionen durch Verzicht von Membranabdeckungen der Fermenter
- l) Vermeidung der Sedimentierung durch gekoppelte Misch-/Pumptechnik.
- m) Sicherung gegen Austritt von Gärflüssigkeit in die Umwelt!
