DE20203533U1 - Feststoff-Biogasreaktor in wannenförmiger Ausbildung - Google Patents

Description

1.0 Bezeichnung der Erfindung

Feststoff-Biogasreaktor in wannenförmiger Ausbildung

2.0 Kurzcharakteristik

Die Landwirtschaft ist Haupterzeuger von Biomassen als nachwachsender Rohstoff oder als wiederverwendbarer Reststpff aus der Tierproduktion. .'.''.. " -

Die Biomasse fällt außer bei »Tiergüllen und Jauche immer in fester Form mit einem Trockensubstanzgehalt von 20% bis 45%' an. Die Strukturierung dieser Biomassen umfasst den Bereich der Wasserdurchlässigkeit bis zur völligen Undurchlässigkeit.

Landwirtschaftsbetriebe besitzen bereits die zukunftsorientierte Radladertechnik/ Fahrzeugkipptechnik, die sich für die Transport- und Mischprozesse von Feststoffbiomassen sehr gut eignet.

Die Verfahren mit Feststoff-Biogasreaktoren erfolgen bekanntermaßen als kontinuierliche Durchflussverfahren mit Perkolation/ Wasserzusatz zur Dickstoffbildung oder als Batchverfahren mit Perkolation/ Impfmaterialrückführung.

Bei Wasserzusatz zur Dickstoffbildung mit anschließender Wasserabtrennung und stationären Zubringer- und Entnahmeförderern weisen sie einen sehr hohen technischen Aufwand und damit hohe Kosten auf, die einen Einsatz in landwirtschaftlichen Betrieben bei erforderlicher kleiner Anlagen-Dimensionierung ökonomisch in Frage stellen.

Verfahren mit gleicher Technologie, jedoch mit Perkolation zur Impfung mit Bakterien und zur Wärmeergänzung sind bekannt, die jedoch eine Begrenzung der einzusetzenden landwirtschaftlichen Biomassen infolge erforderlicher Stoff-Strukturierung zur Folge haben.

Batch-Verfahren sind in der Reaktorform von Containern, Reaktortunneln und Bodenplatten mit beweglichen Abdeckungen mit Pekolationsflüssigkeit und/ oder mit Zugabe von Impfmaterial aus der vorherigen Charge bekannt.

Vorteilhaft wirkt sich bei diesen Verfahren aus, daß Befüllungs- und Entleerungsprozesse der Reaktoren vorzugsweise durch Radlader vorgenommen werden können.

Nachteilig bei der Containervariante ist die verkehrstechnisch festgeschriebene und damit sehr kleine Reaktorgröße.

Bei der Tunnelvariante erfolgt eine ungenügende Reaktor-.-, raumausnutzung durch den technisch bedingten Schaufelabkippraum bei mobiler Beschickung. Außerdem sind hohe sicherheitstechnische Anforderungen durch die Restgasproduktion während des Chargenwechsels bei dieser Bauform zu erfüllen.

Bei Batch-Verfahren mit mietenförmiger Haufenbildung als Reaktor wird der Reaktoraufwand zwar Minimiert, der Aufwand an Flächenverbrauch infolge geringer Stapelhöhen und die Aufwendungen zur Wäfjnezuführung sowie zur Wärmedämmung siJpd sehr hoch. - - - - -

Einen entscheidenden Nachteil weisen alle vorgenannten Verfahren in Bezug auf den Einsatz von. sehr nährstoffreichen Substraten dadurch auf, daß die Reaktorraumbelastungimit organischer Trockensubstanz überschritten wird und der Prozeß zur Säuerung umkippt. Als Ursachen der ungenügenden Säurepufferung wirken die verfahrenstechnisch bedingten ungenügende Mengen an Flüssigkeitszugaben bei der Dickstoffbereitung oder Perkolation sowie ungenügende Rückführungen von Impfmaterial der in der Regel von über 75% liegenden Menge.

Der erfindungsgemäße Feststoff-Biogasreaktor in wannenförmiger Ausbildung erfüllt zur Beseitigung der vorgenannten Mängel folgende Merkmale:

Herstellungsmöglichkeit als großvolumiger Biogasreaktor in baukastenförmiger Anordnung zur Anpassung an den entsprechenden Standort in einfacher landwirtschaftstypischer und ökonomischer Bauweise,

Gestaltung der Reaktorabdeckung mit Klappe, Hebemechanismus und Gasverschluss zur Gewährleistung der Obenbefüllung für die vollständigen Reaktor-Raumausausnutzung,

Gewährleistung der großvolumigen und schlagartigen Beschickung des Reaktors durch mobile Anhängerkipptechnik,

Gestaltung eines gas- und wasserdichten Torbereiches mit Öffnungsvorrichtung zur Substratentnahme mittels Radlader bei vorheriger Öffnung der Reaktorabdeckung zur Restgasabströmung,

Gewährleistung des Einsatz von Feststoff-Substraten aller Art und Konsistenz insbesondere aus der landwirtschaftlichen Produktion durch Impfmaterialzugabe aus dem vorangegangenen Gärprozeß, insbesondere von Substraten mit kleinem Säurepufferbedarf,

Einsatz von Feststoffen aller Strukturen, insbesondere von Substraten hohen Energieinhalten und demzufolge mit hohem Säurepufferbedarf durch die Zugabe von immer frischen Ablaufsubstrat unter Nutzung der darin befindlichen Wärme und des hochgradigen Gehaltes an methanbildenden Bakterien aus einer am Standort parallelbetrieben Flüssig-Biogasanlage in Form der Sumpfung im Feststoffreaktor,

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3.0 Anwendungsgebiet ' _ -

Die Erfindung eignet sich vorzugsweise für den Einsatz in landwirtschaftlichen Betrieben zur Energieerzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen und wiederverwendbaren Reststoffen der landwirtschaftlichen Produktion. Sie kann als Einzelanwendung mit mind. 2 Reaktoren zur annähernd kontinuierlichen Gaserzeugung mit Verwertung und in Kombination mit Flüssig- . Vergärungsanlagen eingesetzt werden'.

4.0 Bekannte technische Lösungen

Reaktoren zur anaeroben Vergärung von festen Biomassen zur Biogasgewinnung sind bekannt.

Bekannte Verfahren sind diesbezüglich:

ANACOM-Verfahren: Ein kontinuierliches Verfahren mit stationärer Technik zur Feststoffzuführung von oben in den stehenden Reaktor und der Untenentnahme in Verbindung mit Perkolation. Nachteilig wirkt.sich dabei der hohe Aufwand an störanfälliger stationärer Technik sowie der begrenzte Einsatz von gut strukturierten Biomassen im Reaktor infolge der Perkolation aus.

ATF-Verfahren: Ein dem ANACOM-Verfahren verwandtes Verfahren, jedoch mit aerober Vorbehandlung des Substrates zur Prozessenergiereduzierung und unter Zugabe festen Impfungsmaterials, ohne Perkolation. Es gelten die gleichen Aussagen zu den Nachteilen wie bei dem ANACOM-Verfahren, jedoch entfällt der Nachteil der Begrenzung des Struktureinsatzes.

3A-Verfahren: Das Verfahren umfasst die Stufen der aeroben Vorbehandlung, der anaeroben Stufe zur Biogasgewinnung mittels Pekolation und die Stufe der aeroben Nachbehandlung zur Nachkompostierung. Bei diesem Verfahren wird ein hoher Flächenbedarf für die mietenförmigen Schüttungen als Reaktor der einzelnen Stufen erforderlich. Dadurch wird zwangsweise ein hoher Aufwand zur Wärmeeintragung mittels Perkolation und zur Wärmeisolierung erforderlich.

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Die Pekolation gestattet nur den Einsatz gut strukturierter Substrate. Weiterhin wirkt als Nachteil der hohe Emissionsgrad an Geruchsstoffen während der 3. Stufe. Vorteilhaft ist der Einsatz mobiler Radladertechnik für notwendige Förderprozesse.

BAG-Verfahren: Es ist dem 3A-Verfahren ähnlich" in der Stufe der aeroben Vorbehandlung und der anaeroben Stufe zur Biogasgewinnung. Es erfolgt Ijedoch mit beschränkter Impfmaterial-i rückführung, insbesondere mit hochgradiger Zugaben von Festmist mit natürlichem Bestand an methanbildenden Bakterien. Der Reaktorraum wird aus einer Schlauch-Folie gebildet, der. mit Wärmeschutzmatten-überdeckt wird. Ein hoher Flächenbedärf, hohe Aufwendungen an. Heiztechnik und hohe Aufwendungen bei der Herstellung der mobilen Wärmeisolierung wirken als Nachteile. Die kostenintensive Schlauch-Folie kann für den Folgeprozeß nicht wiederverwendet werden. Nachteilig wirkt sich die Beschränkung auf den Substrateinsatz "Festmist" aus. Vorteilhaft ist der Einsatz zur Beschickung und Entnahme mit mobiler Radladertechnik.

KOPOGAS-Verfahren: Bei diesem Verfahren wird das Feststoff-Substrat zerkleinert und mit Flüssigkeit zu dickbreiiger Konsistenz aufgemischt. Dieses wird in einem liegenden Reaktor kontinuierlich mittels Rührtechnik gefördert und nach dem Gasgewinnungsprozeß anschließend mechanisch wieder annähernd auf die Ausgangskonsistenz entwässert.

Nachteilig wirkt sich bei diesem Verfahren der- hohe apparatetechnische Aufwand kostenseitig so aus, daß eine Anwendung in landwirtschaftlichen Betrieben mit relativ kleinen Biomasseaufkommen aus ökonomischer Sicht nicht oder nur in überbetrieblichen Großanlagen realisierbar ist. .

BIOCEL-Verfahren: Dieses Verfahren ist mit dem KOPOGAS-Verfahren etwa identisch mit den gleichen Nachteilen für den landwirtschaftlich-betrieblichen Einsatz.

DRANCO-Verfahren: Das Verfahren arbeitet in technischer Sicht ähnlich dem ANACOM-Verfahren mit den gleichen Nachteilen bezügl. des Einsatzes in landwirtschaftlichen Betrieben.

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GÄRKANAL-Verfahren: Dabei handelt es sich um ein kontinuierliches Verfahren, indem das Substrat in gereihten Käfigen durch eine mit methanbildenden Bakterien geimpfte Sumpfungsflüssigkeit im Reaktor gezogen wird und das Biogas in einer Glocke aufgefangen wird. Ein hoher apparatetechnischer Aufwand erfordert hohe Kosten, die der Rentabilität entgegenstehen. Der Einsatz beschränkt -sich auf gut strukturierte Substrate.-

BIOFERM-Verfahren: In der 1. Stufe erfolgt eine aerobe Vorbehandlung mit einer Temperaturanhebung in den mesophilen Bereich unter Zumlschung von Impfmaterial aus der vorherigen Charge. Mittels Radladertechnik wird das Substrat in' einen tunnelartigen_ Reaktor eingebracht. Die Toröffnung wird gas- und flüssigkeitsdicht verschlossen. Eine Perkolationsanlage sorgt für den Wärmeverlust-Ausgleich und Erneuerung methanbildender Bakterien.

Nachteilig wirkt sich durch die Reaktorgestaltung ein hoher Aufwand an Sicherheitstechnik bei der Entnahme des Substrates mittels Radlader aus, da dabei noch eine Restgasbildung vorhanden ist und das Gas durch die Tunneldecke zurückgehalten wird. Der Einsatz nur gut strukturierter Substrate wirkt einschränkend. Die Reaktorbefüllung kann nur mittels Radlader erfolgen bei der Belassung eines nicht befüllbaren Freiraumes infolge Schaufelkipphöhe zur Tunneldecke.

5.0 Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen Feststoff-Biogasreaktor für den Einsatz in Betrieben der Landwirtschaft zu schaffen,

- der für alle in der landwirtschaftlichen Produktion anfallenden Feststoffstrukturen geeignet ist,

- der sich mit Impfmaterial-Rückführung auf der Basis der in der Landwirtschaft vorhandenen Radlader und Fahrzeugkipptechnik eignet, .

- der sich in Verbindung mit vorhandenen Flüssig-Biogasanlagen zum Einsatz hochenergiereicher Substrate eignet,

der den Bedingungen zur Anpassung an die Betriebsgröße durch Reihbarkeit gerecht wird,

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der in landwirtschaftsüblicher Bauweise mit geringem Kostenaufwand herstellbar ist,

- der eine schlagartige Befüllung durch großvolumige Abkippungen bei der Beschickung erlaubt,

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- der eine .volle Reaktor-Räumausnutzung sicherstellt, ^?

- der keinen Arbeitsaufwand für Nebenprozesse außerhalb von Beschickung und Entnahme erfordert,

- der sicherheitstechnisch insbesondere bei der nachgasenden Substratentnahme keine Gefährdung beinhaltet, ..

- der infolge der geringen Oberfläche nur geringe Wärmeverluste zulässt, .

6.0 Wesen der Erfindung

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß ein Biogasreaktor zur Feststoff-Biogasgewinnung in rechteckiger Wannenform vorzugsweise in Stahlbetonbauweise errichtet wird. Er kann zur Gewährleistung des Beschickuhgs- und Entnahmeprozesses nach örtlichen Geländegegebenheiten teilweise in das Erdreich eingelassen oder mit einer Anschüttung versehen werden.

Die Größe des wannenförmigen Biogasreaktors ist nicht-begrenzt außer in den Mindestmaßen. Er muß in der Länge mind, der betrieblich üblichen Seiten-Kipperlänge zuzüglich Sicherheitsabstand und in Breite und Höhe mind, den Hüllmaßen zuzüglich Sicherheitsabstand der betrieblich üblichen Radladertechnik entsprechen .

Der Reaktor kann reihbar in spiegelbildlicher Anordnung sowie in deren Parallelanordnung und wiederholend in beliebiger Folge entsprechend den betrieblichen Anforderungen an die Gesamtanlagenkapazität errichtet werden.'

Der Wannendeckel wird mit einseitiger Anlenkung gegenüber der Beschickungsseite mittels Hubeinrichtung bei dem Entnahmeprozeß geöffnet, so daß das Restbiogas, welches leichter als Luft ist, aus dem Reaktor entströmen kann. Der zur Substratentnahme eingesetzte Radlader kann in dem zur Umgebung geöffnetem Freiraum sicherheitstechnisch ungehindert arbeiten.

Zur Entnahme ist das stirnseitige Tor zu entriegeln und über eine Stelleinrichtung mit seitlicher oder deckenförmiger Anlenkung zu öffnen. '. " . - ."."..

Bei der Befüllung wird über die Stelleinrichtung das Tor geschlossen und mit einer Arretierung gesichert. Die Gas- und Nasserdichtheit wird mittels eines in einer Halfenschiene gehaltenen umlaufenden Druckschlauches gewährleistet. Ein deckungsgleich umlaufender Drucksteg auf der Tür stellt mit den durch einen' Kompressor geweiteten Druckschlauch die Dichtheit her.

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Die Reaktorbeschickung erfolgt vorzugsweise mit betrieblich immer vorhandener Seitenkipptechnik schlagartig mit großen Volumenströmen. Die Befüllung erfolgt bis zur Reaktoroberkante, bei vollständigen Ausnutzung des Reaktorraumes. Die Abdeck- ' platte wird danach geschlossen. Die Gasdichtheit wird überfeine umlaufende U-Rinne in der Behälterkrone mit Sperrflüssigkeitsfüllung und einem umlaufenden Tauchsteg der Abdeckplatte gewährleistet.

Erforderliche Gassicherheitseinrichtung zum Über- oder Unterdruckausgleich, Gasabführeinrichtungen, Wand- und Bodenheizeinrichtungen, Korrosionsschutzsysteme, Wärmedämmungen, Flüssigkeitszu- und -abführeinrichtungen zum Sumpfungsprozeß sowie Gasanalysetechnik komplettieren in bekannter Form den Reaktor.

7.0 Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung sind dargestellt: -

Figur 1 Feststoff-Biogasreaktor in der Draufsicht,

ohne Darstellung der Verschlußplatte (7),

Figur 2 Querschnitt des Feststoff-Biogasreaktors,

Der Boden (1), die Seitenwände (2) , die Rückwand (3) und das Joch (4) bilden den Grundkörper des Reaktors. Im Boden (1) und in den Seitenwänden (2) ist eine Heizleitung (5) angeordnet. Eine Wärmedämmschicht (18) umgibt diese Bauteile allseitig. In den oberen Stirnkanten der Seitenwände (2), der Rückwand (3) und des Joches (4) ist umlaufend ein U-Profil (6) eingearbeitet, welches die Sperrflüssigkeit aufnimmt. Die wärmegedämmte Verschlussplatte (7) ist mit dem Gelenk (S) an der Außenwand (2), die der Beschickungsseite gegenüberliegt, verbunden und wird mittels Hubvorrichtung (9) zum Entnahmevorgang / Beschickung geöffnet bzw. zur Gasproduktion geschlossen.

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Bei dem Schließvorgang taucht die umlaufende Stegkante (10) der Verschlussplatte (7) in die Sperrflüssigkeit des umlaufenden U-Profils (6) ein.

Das stirnseitige wärmegedämmte Tor (11) ist an den Gelenken (12) an die Seitenwände (2) angeschlagen. Mittels der Hubvorrichtung (13) wird das Tor (11) zum Entnahmevorgang gehoben. Als Tordichtung ist eine umlaufende Halfenschiene (14) mit Druckschlauch (15) an den Stirnseiten der Seitenwände (2), dem Boden (1) und des Joches _(4) angebracht. Nach dem Schließvorgang des Tores (11) legt sich der deckungsgleiche Drucksteg -(16) des Tores (11) auf den Druckschlauch (15) und gewährleistet nach der Herstellung der Öffnungssicherung (17) und Druckin ftbeauf schlagung auf den Druckschlauch (15) die Dichtheit. Der Boden (1) wird mit einem vorzugsweisen Gefälle von 3% in Richtung der Ablaufrinne (19) geneigt. - Die Sicherheitstechnischen und sonstige funktionell erforderlichen Baugruppen werden in üblicher Weise angeordnet und sind nicht dargestellt.

Claims (5)

1. Feststoff-Biogasreaktor dadurch gekennzeichnet, daß auf die mit Gefälle von vorzugsweise 3% zur Ablaufrinne (19) geneigte Bodenplatte (1) in wannenförmiger Anordnung die Seitenwände (2) mit der Rückwand (3) in senkrechter Form errichtet werden und das Joch (4) gegenüber der Seite der Rückwand (3) im oberen Bereich die Seitenwände (2) verbindet.

2. Feststoff-Biogasreaktor nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Tor (11) gegenüber der Rückwand (3) mit den Gelenken (12) und der Hubvorrichtung (13) angeordnet ist.

3. Feststoff-Biogasreaktor nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Tor (11) und den Stirnseiten der Seitenwände (2), des Bodens (1) und des Joches (4) die Halfenschiene (14) mit Druckschlauch (15) und Drucksteg (16) und gemeinsam eine Gas- und Flüssigkeitsdichtung bilden.

4. Feststoff-Biogasreaktor nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlussplatte (7) gegenüber der Beschickungsseite an der Seitenwand (2) angebracht ist und mittels der Hubvorrichtung (13) einseitig angehoben werden kann.

5. Feststoff-Biogasreaktor nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in den Kopfseiten der Seitenwände (2), der Rückwand (3) und des Joches (4) das U-Profil (6) angeordnet ist und mit dem Drucksteg (16) der Verschlussplatte (7) gemeinsam mit einer Sperrflüssigkeit im U-Profil (6) eine Gasdichtung bilden.