DE2711803C2

DE2711803C2 - Vorrichtung zur Wärmegewinnung

Info

Publication number: DE2711803C2
Application number: DE2711803A
Authority: DE
Inventors: Clemens 8872 Burgau Stahl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-03-18
Filing date: 1977-03-18
Publication date: 1983-08-18
Also published as: DE2755863A1; DE2711803A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme von Wärme aus aerob vergärender Biomasse mit einem mit mindestens einem Wärmetauschelement, das sich im wesentlichen in der Vertikalen erstreckt und an

ti eine Zu- bzw. Abflußleitung angeschlossen ist, bestückten Gärraum, der von oben beschickbar und nach unten entleerbar ist

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der US-PS 10 38 375 bekannt. Der den Gärraum bildende Behälter ist dabei mit Bodenabstand oberhalb einer Grube angeordnet und mit einem abnehmbaren Boden versehen.

Eine Anordnung dieser Art erweist sich nur dann als brauchbar, wenn jeweils der gesamte Behälterinhalt

2> entnommen werden soll. Für regelmäßige Entnahme lediglich einer Teilmenge ist die bekannte Anordnung jedoch nicht geebnet. Die bekannte Vorrichtung eignet sich daher lediglich für stationären Betrieb, wobei jeweils die in den Gärraum eingebrachte Füllung vollständig verbraucht werden soll, bevor der Gärraum entleert und die nächste Füllung eingebracht wird. Die hiermit verbundenen Nachteile sind nicht nur in einem sporadisch sich ergebenden hohen Bedarf an Frischbiomasse zu sehen, die normalerweise ohne Zwischenlage-

i' rung gar nicht zu beschaffen ist, sondern auch in den höchst unerwünschten Zwangspausen während des Füllungswechsels und der hieran sich anschließenden Anlaufzeiten. Ganz abgesehen davon ist jedoch zu befürchten, daß die jeweilige Gärraumfüllung im Laufe

•»o der Zeit nicht unbeträchtlichen Sdtzvorgängen unterworfen ist. was zu einer nicht unbeträchtlichen Verdichtung des Gärmaterials und damit infolge Verdrängung von Luft zumindest zu einer starken Schwächung der aeroben Gärung führt. Hinzu kommt.

■ti daß bei der bekannten Anordnung der den Gärraum bildende Behälter praktisch rundum dicht abgeschlossen ist. was den Zutritt von Frischluft unterbindet. Der Behälter ist lediglich mit einer seitlichen Einfüllöffnung und einem im Deckelbereich vorgesehenen Be- bzw.

'<> Entlüftungsfensier versehen, die jedoch nicht ständig geöffnet, sondern vielmehr verschließbar sind und daher nicht für ständigen Luftzutritt gedacht sind Aber auch bei geöffnetem Belüftungsfenster ist hierbei keine ausreichende Belüftung des Gärmaterials gewährleistet.

" da die einseitige Beaufschlagung des Gärmaterials einen Luftzug innerhalb des Materials aufkommen läßt. Die Folge des durch die internen Setzvorgänge und die mangelnde Frischluftzufuhr sich ergebenden Luftmangels ist jedoch eine sehr niedrige Gärtemperatur.

M) Das bei der bekannten Anordnung vorgesehene Wärmetauschelement erstreckt sich zwar im wesentli- ,

, ΛΡ,^ηεη in lotrechter* Richtung, ist jedoch :an ,seitlich ·; auskragenden, gleichzeitig die Zu- bzw. Ablaufleitung ■■ bildenden Rohren gehaltert. Diese seitlich auskragenden Rohre behindern nicht nur einen freien Durchsatz des Gärmaterials in Richtung von oben nach unten, sondern sind infolge der erläuterten Setzvörgänge innerhalb des Gärmaterials auch äußerst starken

mechanischen Belastungen ausgesetzt, die eine starke Dimensionierung und damit höchst aufwendige Konstruktion erfordern.

Aus der DE-OS 25 40 813 ist es bekannt, einen oder mehrere Wärmetauscher zur Aufnahme von Wärme in die Jauche oder den Kompost tierischen Ursprungs einzutauchen. Es bleibt hierbei jedoch offen, ob ein spezieller Gärraum vorgesehen sein oder lediglich eine normale Jauchegrube bzw. ein normaler Komposthaufen, in weiche ozw. welchen die Wärmetaascher eintauchen. Verwendung finden soll. Dasselbe gilt für die Frage des Durchsatzes der Belüftung sowie der Anordnung und Ausbildung der Wärmetauschelemente. Hieraus konnte demnach keine Lehre zur Beseitigung der geschilderten Nachteile bei der gattungsgemäßen Anordnung gemäß US· PS 10 38 375 entnommen werden.

In der DE-OS 25 35 756, die eine Vorrichtung zur Methangaserzeugung zeigt, ist eine ältere Anordnung erwähnt (Seite 6 Absatz 3), die einen von oben beschickbaren und von unten entleerbaren Faulraum aufweist. Hierbei soii es sich jeduch um einen isolierten, beheizten Faulraum handeln. Als Gärraum fur aerob vergärende Biomasse käme eine Anordnung dieser Art daher schon wegen fehlender Belüftung nicht in Frage. Ganz abgesehen davon wäre es auch bei Verwendung des bekannten Faulraums ;»ls Gärraum für aerob vergärende Biomasse infolge Fehlender Wärmetauschelemente nicht möglich, die Gärwärme direkt abzunehmen. Bei der bekannten Anordnung werder zwar Wärmetauschelemente zur Beheizung des Faulraums benötigt. Zur Entnahme von Wärme sind derartige Wärmetauschelemente jedoch ungeeignet, so daß hierfür ungeachtet der hiermit verbundenen Nachteile auf den der US-PS 10 38 375 entnehmbaren Vorschlag hätte zurückgegriffen werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, unter Vermeidung der geschilderten Nachteile bei den bekannten Anordnungen eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art mit einfachen und daher kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, daß ein kontinuierlicher Betrieb mit gleichbleibend hoher Abgabetemperatur und optimaler Materialausnutzung gewährleis:et ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gärraum mit hängend angeordneten Wärmetauschelementen bestückt und als Durchlaufgärraum ausgebildet ist. der an seinem oberen Ende offen ist und an seinem unteren Ende eine von einer regelmäßig in Betrieb setzbaren Entnahmeeinrichtung ausräumbare Entleerkammer aufweist und dessen äußere Begrenzungswand luftdurchlässig ist.

Diese Maßnahmen ermöglichen eine regelmäßige Frischmatenalnachfuhr und Altmaterialentnahme während des laufenden Betriebs. Die hängende Anordnung Wärmetauschelemente stellt dabei sicher, daß dem von oben nach unten wandernden Gärmateria! keine Stützelemente oder dergleichen entgegenstehen, die die Ursache für Stau und Verdichtung sein können. Gleichzeitig ist hierdurch sichergestellt, daß der Stauboden der Entleerkammer frei von Stützaufbauten CtC ist und daher von der Entnahmeeinrichtung sauber abgeräumt werden kann. Infolge des hier_t möglichen Durchlaufbetriebs wird in vorteilhafter Weise auch · einer internen Verdichtung des Gärmaterials durch Setzvorgänge und dergleichen entgegengewirkt. Die im Garniaterial eingeschlossene Luft wird daher nicht ausgepreßt Vielmehr bleibt die Luftaufnahmefähigkeit und Luftdurchlässigkeit aes Gärmaterials weitgehend

erhalten. Es genügt daher bereits eine luftdurchlässige Außenwand, um eine ausreichende Belüftung siicherzustellen, was eine höchst einfache und kostengünstige Ausführung ermöglicht Infolge thermischen Auftriebs ergibt sich dabei gleichzeitig ein ausreichender Luftdurchzug, was nicht nur eine Verstärkung der Wärmeabgabe an die Wärmeübertragungselemente ergibt, sondern gleichzeitig auch den Gärprozeß in dem oben aufliegenden, neu eingebrachten Frischmaterial beschleunigt in Gang bringt, so daß pausenlos. Wärme entnommen werden kann. Gleichzeitig ermöglichen die erfindungsgemäßen Maßnahmen die permanente Einhaltung hoher Gärtemperaturen, was nicht nur eine hohe Wärmeabgabetemperatur ermöglicht, sondern in vorteilhafter Weise gleichzeitig auch zu einer Entseuchung des Gärmaterials führt, das nach erfolgtem Durchsatz durch die Gärkammer als Dünger Verwendung finden kann.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind somit nicht nur in einer Optimierung des Wirkungsgrads einer Anordnung gattungsgemäßer Art zv sehen, sondern auch in einer Qualitätsverbesserung de: als Nebenprodukt anfallenden Düngers. Ein weiterer Vorteil des mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahmen gewährleisteten Durchlaufbetriebs ist darin zu sehen, daß beieits kleine Nachfüllrationen genügen, was in vorteilhafter Weise zum Beispiel bereits bei einer Einzeltierhaltung einen rationellen Einsatz ermöglicht und damit das Einsatzfeld gattungsgemäßer Anordnungen nicht unwesentlich verbreiten kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der übergeordneten Maßnahmen ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteranpsrüchen. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem im Bereich der Entleerkammer angeordneten schrägen Rutschboden.

F i g. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem im Bereich der Entleerkammer ange ,rdneten Drehboden.

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem im Bereich der Entleerkammer angeordneten Schieberund

Fig.4 ein Beispiel für die Verwendung der im Gärraum aufnehmbaren Energie in einer Wärmepumpe.

Der grundsätzliche Aufbau der den F i g. 1 bis 3 zugrunde liegenden Ausführungsbcispiele ist derselbe. Für gleiche Teile finden daher durchlaufend gleiche Bezugszeichen Verwendung.

Mit 1 sind Pfosten, mit 2 Querträger eines portalartigen Traggerüsts bezeichnet. In den dargestellten Au^fiihrungsbeispielen sollen zwei solcher Portale in einander kreuzender Weise vorgesehen sein. An den eiwa lotrecht angnidneten Pfosten 1 si/id in der Draufsicht kreisrund ausgebildete Querträger 3 durch Verschweißen festgelegt. Die Queriräger 3 dienen zur Aufnahme von Längsträgern 4 einer Vielzahl ringsum angeordneter Latte,iroste 5. welche einen siloartigen Gärraum 14 zur Aufnahme von Biomasse begrenzen, die hierin unter Abgabe von Wärme aerob vergären soll. Die die äußere Gärraumbegrerizüng biläesiden. Lattenroste 5 gestatten einen ausreichenden LüftzutritLzu der zu vergärenden Biomasse. Eine weitere Belüftung kann durch hier nicht dargestellte Belüftungsrohre erfolgen, die etwa an den Quer- und Längsträgern 2,3,4 !befestigt seih können.

Im Gärraum 14 sind Wärmetauschelemente angeordnet, die von der sie umgebenden, aerob vergärenden Biomasse Wärme aufnehmen. Im dargestellten Ausfiihrungsbeispiel sind zur Bildung der Wärmetauschelemente ein zentral angeordneter Wasserkessel 6 sowie eine diesen konzentrisch umgebende Rohrspirale 7 vorgesehen. Der Wasserkessel 6 und die Rohrspirale 7 sind mit ihrem oberen Ende hängend an den Querträgern 2 des doppelporlalartigen Gerüsts befestigt.

Die Rohrspirale 7 teilt den Gärraum 14 praktisch in zwei einander konzentrisch umgebende, in vertikaler Richtung sich erstreckende, infolge der hängenden Anordnung von Wasserkessel 6 und Rohrspirale 7 nicht durch Tragteile oder dergleichen unterbrochene und daher durchgehende Ringräume, die durch zwischen den Windungen der Rohrspirale 7 belassene Zwischenräume 8 miteinander verbunden sind. Die Wärmelauschelemente sind in einen Heizkreislauf mit einer Vorlaufleitung 15 und einer Rücklaufleitung 16 einbezogen. Die mit erwärmtem Wasser zu beaufschlagende Vorlaufleitung 15 gehl vom oberen Ende des Wasserkessels 6 ab. Die Rücklaufleitung 16 mündet in die unterste Windung der Rohrspirale 7 ein. deren oberste Windung mittels einer Falleitung 17 mit dem unteren Bereich des Wasserkessels 6 verbunden ist. Die Vor- und Rücklaufleitungen 15 bzw. 16 sind nach oben aus dem Gärraum 14 herausgeführt. Der die Vor- und Rucklaufleitung 15 bzw. 16 umfassende Heizkreislauf kann etwa direkt in eine Brauchwasser- bzw. Heizungsanlage einbezogen sein, oder etwa eine Wärmepumpe mit Primärenergie versorgen, was der Fig.4 zugrunde liegt

Die Anordnung der Warmetauschelemente stellt sicher, daß der Gärraum 14 ais Durchlaufgärraum benutzt werden kann, der im Bereich seines oberen Endes zur Gewahrleistung einer einfachen Beaufschlagung mit Biomasse, etwa Stalldung, offen ist und der nach unten entleert werden kann, was einen kontinuierlichen Betrieb gestattet. Unterhalb des im Bereich seines radial äußeren Rands durch die Lattenroste 5 begrenzten und durch die Rohrspirale 7 in zwei Ringkammern unterteilten, im Querschnitt etwa kreisrunden oder sechs- bzw. achteckigen Gärraums 14 befindet sich eine Entleerkammer 9. in weiche die vergorene Biomasse nach erfolgtem Durchgang durch den Durchlaufgärraum 14 durch natürliche Nachrutschbewegung gelangt. Zur Räumung der Entleerkammer 9 ist eine Entleerhilfeeinrichtung vorgesehen, welche zur Räumung der jeweils zugeordneten Entleerkammer regelmäßig in Betrieb nehmbar ist. Bei dem der Fig. 1 zugrunde liegenden Ausführungsbeispiel ist der Boden der Entleerkammer 9 als schiefe Ebene 10 ausgebildet, die durch eine etwa mit einer Luke versehene Stützwand begrenzt und etwa mittels einer hier nicht näher dargestellten Schnecke oder dergleichen abräumbar ist. weiche das abgeräumte Gut etwa auf eine äußere schräge Ablaufrutsche werfen kann.

Bei der Ausführung gemäß F i g. 2 ist als Entleerhilfeeinrichtung ein um eine etwa zentral angeordnete Achse ' drehbar gelagerter, mit einer hier nicht näher dargestellten Antriebseinrichtung versehener Drehboden 11 vorgesehen, der mit Kratzleisten 13 bestückt sein kann, weiche das mitgenommene Gut durch eine hier nicht näher dargestellte Luke auswerfen. Bei dem der ' F i g. 3 zugrunde liegenden Ausführungsbeispiel ist als Entleerhilfe ein hin- und herschiebbarer Schieber 12 mit schaufeiförmiger Räumleiste 18 vorgesehen, deren

Stirnkanten als Schneiden ausgebildet sein können. Der Schieber 12 ist dabei zweckmäßig als nach unten und nach den Stirnkanten zu offene Schublade ausgebildet, die in einer geeigneten Längsführung geführt sein kann und die in Verschieberichtung zwei nach den äußeren ütirnkantcn hin offene Laden aufweisen kann. In manchen Fällen kann es zur Vermeidung einer Überbeaufschlagung der Entleerkammer 9 zweckmäßig sein, am unteren Ende des Gärraums 14 eine Rückhalteeinrichtung etwa in Form eines in Fig. 2 bei 19 angedeuteten ein- und ausfahrbaren Gitterrosts vorzusehen.

Bei allen vorbeschriebenen Ausführungsarten kann der Gärraum 14 von oben mit Biomasse, /.. B. Frischdung oder zur Beschleunigung des Gärvorgangs mit einem Gemisch aus Frischdung und bereits angereiftem Stalldung oder Kompost beaufschlagt werden. Infolge des ermöglichten Luftzutritts, der durch thermischen Auftrieb noch verstärkt wird, kommt eine aerobe Gärung in Gang, bei der Temperaturen bis etwa 70" auftreten, was nicht nur eine Entseuchung der vergärenden Biomasse bewirkt, sondern gleichzeitig auch eine hohe Energieentnahme ermöglicht. Infolge des durchlaufenden Betriebs und der hängenden Anordnung der Wärmetauschelemente bleibt die lockere Schichtung des von oben in den Gärraum 14 einbringbaren Material weitgehend erhalten, so daß keine den Zutritt von Luft verhindernde Verdichtung in nennenswertem Umfang eintreten kann. Das aus der Entleerkammer 9 entnehmbare Endprodukt ist durch die vergorene Biomasse gebildeter Kompost, der etwa nur noch ein Drittel des Aus^angsvolumens einnimmt und daher in transportsparender Weise als Dünger wieder auf das Feld ausgebracht werden kann.

Das Endprodukt des aeroben Gärprozesses kann, wie bereits angedeutet, direkt als Dünger verwendet werden oder anschließend zur Erzeugung von Biogas einer anaeroben Vergärung unterzogen werden. Das hierbei gewonnene Biogas stellt einen wertvollen Brennstoff dar. der etwa zum Betrieb von Verbrennungsmotoren oder einfach zur weiteren Erwärmung des im Gärraum 14 bereiteten Warmwassers verwendet werden kann. Der anaerobe Gärprozeß kommt erst bei leicht erhöhter Temperatur gut in Gang. Zur Herstellung dieser günstigen Prozeßtemperatur kann einfach ein Teil des durch die Reaktionswärme bei der aeroben Vergärung envärmten Wassers verwendet werden. Der geschlossene Behälter zur Durchführung des anaeroben Gärprozesses kann sich zweckmäßig unterhalb des Gärraums 14 bzw. der diesem zugeordneten Entleerkammer 9 befinden, so daß der durch das herabfallende, aerob vergärte Material bedeckte und damit leicht beheizte Kammerboden gleichzeitig den Deckel des anaeroben Gärraums bildet. Sofern kein anaerober Gärraum vorgesehen ist, kann unterhalb des aeroben Gärraums 14 zur Erhöhung des Speichervermögens ein Wasserkessel vorgesehen sein. Der anaerobe Gärprozeß kann so weit durchgeführt werden, daß ein pumpfähiges Endprodukt entsteht, das ebenfalls als Dünger verwendbar ist.

Das im aeroben Gärraum 14 erwärmte Wärmeträgermedium, etwa Wasser, kann, wie weiter oben bereits angedeutet wurde, infolge der erzielbaren hohen Temperaturen direkt zur Speisung einer Warmwasserversorgung verwendet werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiei soll gleichzeitig oder alternativ hierzu eine Wärmepumpe der in Fig.4 dargestellten Art mit Primärenergie versorgt werden. Hierzu ist ein von dem

die Vor- bzw. Rücklaufteiiung 15 bzw. 16 umfassenden Heizkrcislauf abzweigender Heizkreislauf 26 vorgesch'crii durch den der Verdampfer 27 einer Wärmepumpe mit Primärenergie beaufschlagt wird. Hierzu ist der als Wärmetauscher ausgebildete Verdampfer 27 der Wärmepumpe an den Kreislauf 26 angeschlossen. Der im Verdampfer 27 entstehende Käliemkteldampf wird

mittels eines Kompressors 28 angesaugt und unter weiterer Erwärmung verdichtet. Dem Kompressor 28 ist ein ebenfalls als Wärmetauscher ausgebildeter Kondensator 29 zugeordnet, in welchem der Dampf unter Kondensalion Wärme an einen weiteren zu einem Verbraucher, etwa zu einem Speicher, führenden Kreislauf Wärme abgibt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Aufnahme von Wärme aus aerob vergärender Biomasse mit einem mit mindestens einem Wärmetauschelement, das sich im wesentlichen in der Vertikalen erstreckt und an eine Zu- bzw. Abflußleitung angeschlossen ist, bestückten Gärraum, der von oben beschickbar und nach unten entleerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärraum (14) mit hängend angeordneten Wärmetauschelementen (6, 7) bestückt und als Durchlaufgärraum ausgebildet ist, der an seinem oberen Ende offen ist und an seinem unteren Ende eine von einer regelmäßig in Betrieb setzbaren Entnahmeeinrichtung (10, 11, 12) ausräumbare Entleerkammer (9) aufweist und dessen äußere Begrenzungswand luftdurchlässig ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Begrenzungswand des Gärrau; s (14) als Rost (5) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärraum (14) durch die Wärmetauschelemente (6, 7) in Kammern unterteilt ist, die über Zwischenräume (8) miteinander in Verbindung stehen.

4. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des unteren Endes des Gärraums (14) eine Rückhalteeinrichtung (19) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entleerkammer (9) mit einem hin- bzw. herbewegbaren Schieber ,12) versehen ist, der im Bereich wenigstens einer Stirnkante mit einer Schneide versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (12) als nach unten und nach den Stirnkanten zu offene Schublade ausgebildet ist. die auf einer Längsführung geführt ist.

7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß in der Entlcerkammer (9) ein mit Kraizleisten (13) versehener Drehboden (11) um die Gärraummittellängsachse drehbar angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Entleerkammer (9) als schiefe Ebene (10) ausgebildet und mit einem nach einer Entleeröffnung ausgerichteten, ortsfesten Abstreifer verschen ist, mittels dessen zugeordnet; Entleeröffnungen bedienbar sind.

9. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmetauschelemente im Zentrum des Gärraums (14) ein in Richtung des Gärraums (8) sich erstreckender Wasserkessel (6) und mit Abstand um diesen und von der radial äußeren Gärraumbegrenzung wenigstens ein aus einer Rohrspirale (7) bestehender Hüllkörper angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dic;Quer-7bzWi[Längsftäger,:(2;bzw. 3 bzw. 4) als Belüftungsrohr bzw. Belüftüngsrohrträger ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Entlccrkanimer (9) als Deckel eines hierunter sich befindenden Behälters ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den im Gärraum (14) angeordneten Wärmetauschelementen (6, 7) eine Wärmepumpe (26 bis 29) nachgeordnet ist.