DE2930256A1

DE2930256A1 - Verfahren und vorrichtung zur direkten herstellung von biogas aus organischen stoffen mit hilfe eines rost-waermetauschers

Info

Publication number: DE2930256A1
Application number: DE19792930256
Authority: DE
Inventors: Hugo Dipl Phys Dr Balster
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-07-26
Filing date: 1979-07-26
Publication date: 1981-02-19

Description

Verfahren.und Vorrichtung zur direkten Herstellung
von Biogas aus organischen Stoffen mit Hilfe eines Rost - Wärmetauschers.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschwelen und/oder Vergasen von ororganischen Stoffen, die in der Natur im wesentlichen durch Trennung von C O 2 in Kohlenstoff und Sauerstoff mit Hilfe der Sonnenenergie ( Photosynthese ) entstanden sind. Dabei können die organischen Stoffe dadurch zur Verfügung stehen, daß sie zuvor dem Menschen in direkter oder indirekter Form gedient haben und nun als Abfall überflüssig geworden sind.
Auf Grund des zur Zeit immer größer werdenden Energieunterangebotes und des in vielen Ländern herrschenden Überangebotes an landwirtschaftlichen Erzeugnissen, sieht die erfidnungsmäßige Idee die Möglichkeit vor, direkt die durch das Pflanzenwachstum auf den Feldern gegebene Sonnenenergieaufnahme für die Energiegewinnung zu nutzen, indem man nach bekannten landwirtschaftlichen Verfahren eine Pflanze mit möglichst hoher Trockenmasse pro Hektar anbaut, und an der Luft so gut wie möglich trocknen läßt und anschließend in der erfindungsmäßigen Vorrichtung verschwelt.
Das erfindungsmäßige Verfahren bietet den Vorteil, daß die heutige wirtschaftliche (insbesondere landwirtschaftliche) Struktur nicht geändert werden muß, bzw. daß die zur Zeit wegen des Überangebotes an landwirtschaftlichen Erzeugnissen nicht voll genutzte Kapazität der Landwirtschaft nun weiter ausgebaut werden kann.
Die Tatsache, daß mit Hilfe des Pflanzenanbaues auf den Feldern 5 - 10 % der jährlichen Sonneneinstrahlung pro Hektar direkt gewonnen und anschließend als Biogas genutzt werden kann, läßt erkennen, daß bei intensiver Nutzung der erfindungsmäßigen Idee ein sehr großer Teil unseres Energiebedarfs gedeckt werden kann.
Bei bekannten Verfahren, die die Umsetzung der pflanzlichen Stoffe in Treibstoffe ermöglichen, ist ein sehr aufwendiger, chemischer Vorgang über die Alkoholgewinnung notwendig.
Während der Energiegehalt der pflanzlichen Stoffe sehr wohl bekannt ist, hat man bis jetzt jedoch diese Energiequelle nicht ausgenutzt, da der aufwendige, chemische Umwandlungsprozeß eine großtechnische Verwertung nicht zuließ.
Für den Verschwelungsprozeß ist es notwendig, das zu verschwelende Material in eine Druck-Zeit-Temperatur-Charakteristik hineinzubringen, die der Zusammensetzung des zu verschwelenden Materials angepaßt ist. Bei der Verwertung von organischen Abfällen wurde schon vielfach auf den Verschwelungsprozeß zurückgegriffen, jedoch meistens ohne durchschlagenden Erfolg, da der notwendige Wärmeaustausch zwischen Gas und Festkörper nur mehr oder weniger unvollständige zustande kam. So wird bei auf diesem Gebiet bekannten Verfahren die Zeit-Temperatur-Charakteristik im Wirbelschichtofen eingestellt, wobei der Wirbelschichtofen in komplizierter Abhängigkeit von den dem Ofen zugeführten Luftmengen arbeitet, wodurch ungünstigerweise Wärmebeaufschlagung, Wärmeübertragung und Erhaltung des Wirbelbettes in Abhängigkeit von der Luftmenge variieren.
Ein in diese Richtung gehendes, bekanntes, kürzlich angemeldetes Verfahren (Patentschrift 2601322) macht deutlich, in welch komplizierter und aufwendiger Form eine Verschwelung im Wirbelschichtofen vor sich geht, da immerwieder der Schwelprozeß durch in dem Verfahren sich laufend ändernde Parameter gestört wird und dementsprechend nachreguliert werden muß.
Die erfindungsmäßige Vorrichtung löst dieses Problem, in dem die Materialbewegung und die zu übertragende Wärmemenge durch den Gasstrom vollständig voneinandergetrennt sind, so daß jede für den Schwelprozeß günstige Druck-Zeit-Temperatur-Charakteristik beliebig eingestellt werden kann.
Die Materialbewegung wird, im Gegensatz zu bekannten Verfahren mit Wirbelschichtöfen, allein von den Rosten bestimmt, die durch ihre Schräglage, Länge und Höhendifferenz die Materialschichtdicke und das Fließverhalten festlegen.
Weitere andere Verfahren, die sich mit der Vergasung von organischen Abfällen beschäftigen, benutzen den Drehofen als Gas-Festkörper-Wärmetauscher.
Varianten, wie z.B. die in dem Patent P 24 32 504.0 angegebenq benutzen mal eine innen und mal eine außen beheizte Trommel. Das Grundproblem, nämlich einen optimalenGas-Festkörper-Wärmeaustausch zu erreichen, wird dort (im Gegensatz zu der erfindungsmäßigen Vorrichtung) nicht gelöst.
Bei der erfindungsmäßigen Vorrichtung ist der Drahtabstand der Roste so zu wählen, daß maximal die Materialmenge durch die Rostschlitze bei stehendem oder vibrierendem Rost hindurchfällt, die pro Zeiteinheit durch den Ofen gehen soll. Der kleinste Drahtabstand kann so gering gewählt werden, daß sich der Rost nicht zu oft verstopft. Die Qualität der zu verwendenden Rostmaterialien soll dem Temperaturbereich und der Aggressivität der im Ofen befindlichen Stoffe angepaßt sein. Bei notwendiger Kühlung kann ein wärmeübertragendes Kühlmedium an den Rost herangeführt werden, z.B. in Form von Luft, die durch eine aus Rohren bestehende Rosthalterung geführt wird.
An Hand der beigefügten Zeichnung kann der Schwelprozeß in der erfindungsmäßigen Vorrichtung folgendermaßen beschrieben werden: Über einen Luftabschluß 1 wird das zu verschwelende Material 2 dem Schwelofen zugeführt. Das Material rutscht nun durch die Schwerkraft und/oder durch einen Schieber bewegt von oben nach unten und erwärmt sich dabei immer mehr. Die sich während des Schwelvorganges bildende Asche3 fällt leichter als das noch zu verschwelende Material durch die Roste und sammelt sich in der untersten Kammer 4 der erfindungsmäßigen Vorrichtung und kann von dort über einen Luftabschluß 5 ausgetragen werden. Der Gasstrom geht den dem Material entgegengesetzten Weg und beginnt mit der Wärmequelle 6 beliebiger Art, wobei die einfachste eine sehr heiße Flamme ist.
Erfindungsgemäß kann die Flammentemperatur der heißen Flamme um vieles höher sein als die Temperatur, die das Material im heißesten Fall haben darf, da nur die Flammentemperatur zusammen mit der Gasgeschwindigkeit die Materialtemperatur bestimmt. Die Gase der heißen Flamme durchströmen die unterste Rostschicht 7 und erhitzen das Material. Die dabei entstehenden Schwelgase steigen nach oben und geben ihre Wärme zusammen mit dem Gas der heißen Flamme an die zweitunterste Rostschicht 8 ab. Dort geschieht das Gleiche wie in der untersten Rostschicht 7. Dieser Prozeß setzt sich stufenweise fort, bis endlich die Rostschicht mit der niedrigsten Schweltemperatur erreicht ist. Die sich noch weiter oben befindlichen Rostschichten dienen nun nur noch dazu, das heiße Schwelgas weiter abzukühlen und das Material vorzuwärmen. Im Fall einer Gastrennung und/ oder Gasreinigung ist es notwendig, daß ein Luftabschluß über einen Luftabschlußschacht 9 und einen Schachtabschluß 10 ein Weiterströmen der Gase im Ofen verhindert und somit das zu reinigende und/ oder zu trennende Gas 11 abgezogen werden kann. Anschließend kann ein Teilstrom der Gase ll und/oder ein anderes Wärmeübertragungsmedium 14, das durch den Wärmetauscher 13 den Wärmeinhalt der Gase 11 übernommen hat, der darüber liegenden Rostschicht 12 zugeführt werden. Wenn dann eine ausreichende Anzahl Rostschichten vom Gas durchströmt worden ist, wird das Gas der weiteren Verwendung zugeführt.
Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele in vielfacher Weise abzuändern, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So z.B. können mehr oder weniger als angegebene Roste sich im Schwelofen befinden oder auch mehrere Schwelöfen verschiedener Größe und Aufgabe hintereinandergekoppelt werden, wenn eine besondere Druck-Zeit-Temperatur-Charakteristik für bestimmte, zu schwelende Materialien erforderlich ist.
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Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren und Vorrichtung zur direkten Herstellung von Biogas aus organischen Stoffen jeglicher Art, insbesondere den Stoffen, die kontinuierlich in der gleichen Zusammensetzung anfallen, wie Klärschlämme, aufbereitete Müllverwertungsprodukte, Stroh, Fruchtschalen oder gesamte Feld-Erntemassen, mit Hilfe eines Rost-Wärmetauschers nach dem Schwel-bzw. Pyrolyseverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß in einem schachtförmigen Kasten das Material über Roste von oben nach unten rutscht und durch eine darunter befindliche Wärmequelle erwärmt wird, so daß das Material während des Abrutschens von oben nach unten langsam auf die zum Verschwelen notwendige Temperatur erhitzt wird und am unteren Austrag der Vorrichtung als Asche ausgetragen wird, wobei das durch den Schwelvorgang erzeugte Gas die Vorrichtung oben verläßt.
2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Schwelofen angeordneten Roste aus parallel angeordneten Drähten bestehen, die auf einer Halterung, z.B. senkrecht dazu angebrachten Flacheisen oder Rohren, aufgebracht sind, z.B. durch Aufschweißen, wobei im Falle einer notwendigen Kühlung, das Kühlmedium durch die Rohre strömt oder die Kälte an die Halterung über Wärmeübertragungsmedien beliebiger Art herangeführt wird, und in einer alternierenden Schräglage in dem Schwelofen angebracht sind, so daß das zu schwelende MateriaL von einem Rost zum anderen rutschen kann.
3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Schräglage bestimmende Winkel entsprechend dem gewünschten Rutschverhalten und der damit zusammenhängenden Materialschichtdicke auf dem Rost geändert werden kann, wobei eine Schräglage von ca. 45 # gebräuchlich ist.
4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schräglage bis zur horizontalen Lage verringert werden kann, wenn das Verhältnis der über den Rost transportierten Teilmenge zu der durch den Rost fallenden Teilmenge gegen Null geht und/oder die von unten durch den Rost strömende Luft den Reibungswiderstand des Materials auf dem Rost verschwindend klein werden läßt.
5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall einer völligen Veraschung des Materials die Asche durch Durchfallen durch den untersten Rost exakt von dem noch zu verschwelenden Material insbesondere durch Vibration des unteren Rostes getrennt werden kann.
6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die durch und/oder über den untersten Rost gelangte und sich anschließend abgesetzte Asche Sauerstoff eingeleitet wird, so daß noch Reste von brennbaren Teilen verbrennen können, wodurch einerseits die Asche mit Energierückgewinnung abgekühlt wird und andererseits die durch die Verbrennung freiwerdende Wärme dem System energiesparend zugeführt werden kann.
7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verringerung der Wärmequelle unter den Rosten und/oder Beschleunigung des Materialtransportes im Schwelofen das Material nach Wunsch dem Ofen teilverschwelt entnommen werden kann.
8. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß das durch Verschwelen entstandene Gas sich dadurch abkühlt, daß es beim Durchströmen der darüberliegenden Materialschichten diese aufwärmt.
9-. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte Verunreinigungen des Gases dadurch vom Gasstrom entfernt werden können, in dem das Gas zwischen 2 übereinanderliegenden Rosten abgezogen wird und gereinigt oberhalb dieser Roste wieder zugegeben wird, oder die Wärmemenge des entnommenen Gases über ein anderes Wärmeträgergas (Frischluft) dem vorzuwärmenden Material zugeführt wird.
10. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Gebiet der Gastrennung und Gasreinigung bekannten Verfahren zur Anwendung kommen.
11. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gektlnzeichnet, daß ein Luftabschlußschacht und/ oder eine Druckregelvorrichtung (Ventilator) dafür sorgen, daß keine entscheidende Luftmenge durch den Luftabschlußschacht und dadurch nicht durch die Gastrennungsanlage gelangt.
12. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 -11, dadurch gekennzeichnet, daß Materialaufgabe und Materialentnahme über Luftschleusen geführt werden, damit keine Falschlufteinbrüche entstehen können.
13. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren und die Vorrichtung auch unter Druck angewandt werden kann.
14. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eigens für die Herstellung des Biogases besondere Pflanzenarten gezüchtet und angebaut werden, die einerseits eine große Qualität und Quantität an Biogas sicherstellen, und die andererseits eine für die Düngung oder andere Zwecke gut verwendbare Asche erzeugen.