DE3042883A1 - Biomass conversion to methane and manure - in two reactors in series with specified different temp. levels - Google Patents
Biomass conversion to methane and manure - in two reactors in series with specified different temp. levelsInfo
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Abstract
Description
BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Methangas aus Biomasse durch Einbringen einer konditionierten Biomasse in eine erste Behandlungskammer sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. The invention relates to a method for producing methane gas from biomass by introducing a conditioned biomass into a first treatment chamber and a device for carrying out the method.
Es sind bereits einige Verfahren und Vorrichtungen zur Gewinnung von Biogas aus Biomasse bekannt, bei denen eine konditionierte Biomasse in eine Behandlungskammer oder einen Reaktor eingebracht wird, wobei bei gleichzeitiger Gasgewinnung die Umwandlung des Einsatzmaterials zu natürlichem Pflanzendünger angestrebt wird. There are already some methods and devices for extraction of biogas from biomass known, in which a conditioned biomass in a Treatment chamber or reactor is introduced, with simultaneous Gas extraction aims to convert the input material into natural plant fertilizer will.
Diese Ziele werden jedoch von den bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen nur bedingt ereicht, sei es, da die biplogisch-chemischen Bedingungen des Stoffwechselprozesses der Bakterien nicht ausreichend berücksichtigt werden, oder sei es, weil der wesentliche Einfluß mechanisch-konstruktiver Merkmale auf die Optimierung der Gasausbeute pro Zeit übersehen wurde. These goals are, however, of the previously known methods and Devices only reached to a limited extent, be it because of the bi-logical-chemical conditions the metabolic process of the bacteria is not sufficiently taken into account, or be it because the main influence of mechanical-constructional features the optimization of the gas yield per time was overlooked.
Die Grundlagenforschung der Mikrobiologie der vergangenen Jahrzehnte führte zu dem Ergebnis, daß in jedem gesunden lebendigen Organismus mehrere einander konkurrierende Komponenten vorhanden sein müsse. Dies nachzuweisen war verhältnismäßig einfach. Die Problematik begann jedoch dann damit, solche Umweltbedingungen zu simulieren, die gezielt eine der gewünschten Komponenten in ihrer Entwicklung unterstützen und damit gleichzeitig unerwünschte Vorgänge zu eleminicMren. Basic research in microbiology over the past few decades led to the result that in every healthy living organism there are several competing components must be present. To prove this was proportionate simple. However, the problem then began with simulating such environmental conditions, that specifically support one of the desired components in their development and thereby eliminating undesired processes at the same time.
Ein Umsetzen dieser Erkenntnisse im Labormaßstab gelang ohne größere Schwierigkeiten und bewies ihre Richtigkeit.Implementation of these findings on a laboratory scale succeeded without major ones Difficulties and proved their correctness.
Übertragen auf unsere Verhältnisse bis hin zur großtechnischen Lösung bedeutet, daß die optimale Erzeugung von Energie aus Biomasse keineswegs dann gegeben ist, wenn die dazu erforderlichen Vorrichtungen und Aggregate so ausgebildet sind, daß diese so schnell wie irgendmöglich unter Ausschluß von jeder Berührung mit Sauerstoff (in der Luft) in den luftdichten Fermenter (Faulturm, Reaktor, Kammer usw.) kommt. Das Gegenteil ist der Fall. Transferred to our circumstances up to the large-scale solution means that the optimal generation of energy from biomass is by no means given is if the devices and units required for this are designed in such a way that that this as quickly as possible, excluding any contact with oxygen (in the air) in the airtight fermenter (digestion tower, reactor, chamber etc.) comes. The opposite is the case.
Nämlich die erste Phase (aus den Laborversuchen ist bekannt, daß der mikrobielle Abbau der organischen Substanzen, sprich Biomasse in mehreren hintereinander und miteinander reagierenden Stufen erfolgt) zum Aufschluß (Spaltung) der mehr oder weniger kompakten Kohlenwasserstoffverbindungen führt über die Tätigkeit der aeroben Bakterienstämme, wobei gleichzeitig Enzyme gebildet werden, die den Stoffwechsel der .anaeroben Stämme wesentlich aktivieren. Für diese Phase wurde bereits der Ausdruck "die säurebildende Phase" geprägt. Namely the first phase (from laboratory tests it is known that the microbial degradation of organic substances, i.e. biomass in several consecutive ways and mutually reacting stages takes place) for digestion (cleavage) of the more or less compact hydrocarbon compounds leads to aerobic activity Strains of bacteria, which at the same time produce enzymes that stimulate the metabolism of the anaerobic tribes. For this phase the expression "the acid-forming phase" coined.
Da es jedoch außerordnetlich schwierig und kostspielig ist, diese Vorgänge einwandfrei wissenschaftlich durch entsprechende Messungen zu beweisen, befinden wir uns hier noch in einem Stadium der Vermutungen. However, since it is extraordinarily difficult and expensive, this To scientifically prove processes flawlessly by means of appropriate measurements, we are still in a state of conjecture here.
Allerdings scheint diese Hypothese ihre Bestätigung darin zu finden, daß die Ergebnisse in der Gasausbeute bezogen auf die Einheit der OTS (organischer Substanz) eines gut arbeitenden biologischen Klärwerkes mit angeschlossener Ausfaulung doppelt so hoch sind wie die Ergebnisse der z. Zt. However, this hypothesis seems to be confirmed by that the results in the gas yield based on the unit of the OTS (organic Substance) of a well-functioning biological sewage treatment plant with connected digestion are twice as high as the results of z. Currently
im Versuchsstadium befindlichen landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Nach den bekannten Veröffentlichungen von Herrn Prof. Dr. Baader, Braunschweig und deren Dr. Dohne, KBTL, Darmstadt, Biogas in Theorie und Praxis" und Herrn Dipl.-Ing.agricultural biogas plants in the experimental stage. According to the well-known publications by Prof. Dr. Baader, Braunschweig and whose Dr. Dohne, KBTL, Darmstadt, biogas in theory and practice "and Dipl.-Ing.
Perwanger, tandtechnik Weihenstephan, erzeugt eine sogenannte Großvieheinheit mit ca. 500 kg Lebendgewicht am Tage 5 kg TS (Trockensubstanz) oder umgerechnet ca. 3,5 kg OTS (organische Trockensubstanz) ca. einen Kubikmeter Biogas, der in seiner Wärmeleistung in etwa gleichzusetzen ist mit der Verbrennungswärme von 0,6 l Heizöl. Der Anmelder kann jedoch im Gegensatz-hierzu beweisen, daß die gleiche Menge an organischer Substanz nach einer aeroben Vorbehandlung im Belebtschlammbecken mindestens die doppelte Menge an Biogas erbringt.Perwanger, tandtechnik Weihenstephan, produces what is known as a livestock unit with approx. 500 kg live weight during the day 5 kg TS (dry matter) or converted approx. 3.5 kg OTS (organic dry matter) approx. one cubic meter of biogas, which is in its heat output is roughly equivalent to the heat of combustion of 0.6 l heating oil. On the contrary, the applicant can prove that the same Amount of organic matter after aerobic pre-treatment in the activated sludge tank produces at least twice the amount of biogas.
Beim Bau von Biogasanlagen wurden bisher diese Fakten überhaupt nicht berücksichtigt. In the construction of biogas plants, these facts have so far not been used at all considered.
Das 3-S-Zweikammersystem versucht daher, die bislang bekannten Phasen der Aufspaltung von hochmolekularen Kohlenwasserstoffverbindungen technologisch so umzusetzen, daß ein allseitig verwendbares praktikables Verfahren entsteht. The 3-S two-chamber system therefore tries to use the previously known phases the splitting of high molecular weight hydrocarbon compounds technologically to be implemented in such a way that a universally usable, practicable process is created.
1. Phase: In der Konditionierungsgrube werden unterstützt durch mechanische Umwälzungen und Zerkleinerungen bei einer vorhandenen gezielten Luftzufuhr die aeroben Bakterienstämme angeregt, ihre Vermehrung und den damit bedingten Stoffwechsel zu aktivieren und durchzuführen. Mit diesem Prozeß wird die Säurebildung gefördert und die Aufspaltung der hochmolekularen Kohlenwasserstoffverbindungen erleichtert.1st phase: In the conditioning pit are supported by mechanical Circulations and crushing with an existing targeted air supply the aerobic Bacterial strains are stimulated to multiply and the associated metabolism activate and perform. This process promotes acid formation and facilitates the decomposition of the high molecular weight hydrocarbon compounds.
2. Phase: Der eingeleitete Prozeß wird in der ersten Kammer durch eine Erwärmung auf 550C fortgeführt. Diese Kammer wird jedoch-schon luftdicht hergestellt, weil hier die optimalsten Bedingungen für die Vermehrung und den Stoffwechsel der Methanbakterien gegeben sein müssen.2nd phase: The initiated process is carried out in the first chamber heating to 550C continued. However, this chamber is already made airtight, because here the most optimal conditions for the reproduction and metabolism of the Methane bacteria must be given.
3. Phase: Die Masse der methanerzeugenden Bakterienstämme gedeiht allerdings nach bekannten Laborversuchen bei einer Temperatur von 35C unter totalem Luftabschluß. In der zweiten Kammer werden diese Verhältnisse aufrechterhalten und gewährleisten damit die effektivste Umsetzung von hochmolekularen Kohlenwasserstoffverbindungen in Methans und biologischen Dung.3rd phase: The bulk of the methane-producing bacterial strains thrives however, after known laboratory tests at a temperature of 35C below total Air exclusion. In the second chamber these relationships are maintained and thus ensure the most effective conversion of high molecular weight hydrocarbon compounds in methane and organic manure.
Erfindungsgemß werden aufgabengemäße Lösungen tlnd Vorteile durch die Verfahren und Vorrichtungen gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 erzielt. According to the invention, solutions and advantages according to the problem are provided by the methods and devices according to claims 1-11 achieved.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren 1 bis 3 erläutert. The invention is explained with reference to the following FIGS.
Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung: Fig. 2 ist ein schematischer Längsschnitt durch die Kammer 2 der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1; Fig. 3 ist ein schematischer Qu-rschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 2.Fig. 1 is a schematic cross section through an inventive Device: Fig. 2 is a schematic longitudinal section through the chamber 2 of the invention Device according to FIG. 1; Fig. 3 is a schematic cross-section through the device according to FIG. 2.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezug auf die Figuren n erEutert. The following is the method of the invention and an embodiment of the device according to the invention with reference to the figures n.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäß Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, daß im wesentlichen die zuvor beschriebenen Erkenntnisse in zwei Kammern Anwen-. The method according to the invention and the device according to the invention are characterized by the fact that essentially the findings described above Applicable in two chambers.
dung finden; in die erste Kammer 1 wird das in an sich bekannter Weise konditionierte aerob behandelte Einsatzprodukt aus Biomasse eingebracht, mittels einer Tauchschnedepumpe 3 homogenisiert und in zeitlichen Intervallen-umgewälzt und durch Rückführung über einen Wärmeaustauscher 5 durch Heißwasser auf 550o erhitzt. Bei dieser Temperatur wird in Kammer 1 die beschriebene Säurebildung (Aufspaltung) forciert und durch Einwirkung thermophiler Methanbakterien bereits Biogas produziert, das durch eine mit der Kammer 1 verbundene Gasleitung abgezogen und gespeichert wird.find dung; in the first chamber 1 this is done in a manner known per se conditioned aerobically treated feed product introduced from biomass, by means of a submersible snow pump 3 homogenized and circulated at time intervals and heated by recirculation through a heat exchanger 5 by hot water to 550o. At this temperature, the described acid formation (splitting) takes place in chamber 1 accelerated and already produced biogas through the action of thermophilic methane bacteria, which is withdrawn through a gas line connected to the chamber 1 and stored will.
In einer zweiten Kammer 2, dem eigentlichen Reaktor, wird das Einsatzprodukt aus Kammer 2.bei einer sorgfältig geregel--ten Prozeßtemperatur von 35 0C gehalten, wobei bei dieser Temperatur der Stoffwechselprozeß der Bakterien in bekannter Weise optimal verläuft. Die Steuerung der Einhaltung der Temperatur erfolgt derart, daß bei Temperaturahfall durch Abkühlung ein Teil des Produktes in Kammer 2 durch die Pumpe 4 durch den Wärmeaustauscher 5 unter Erwärmung solange in die Klammer 2 rückgeführt wirdr bis die SoLLtemperatur inder Kammer wieder erreicht ist. The feedstock is in a second chamber 2, the actual reactor from chamber 2 kept at a carefully controlled process temperature of 35 ° C, at this temperature the metabolic process of the bacteria in a known manner runs optimally. The control of the maintenance of the temperature takes place in such a way that at Temperaturahfall by cooling a part of the product in chamber 2 through the pump 4 returned to the clamp 2 by the heat exchanger 5 while being heated until the target temperature in the chamber is reached again.
Gleichzeitig kann durch entsprechende Leitungen und darin befindlichen Schiebern und Ventilen das durch die Pumpe 4 aus der Kammer 2 geförderte Produkt durch oder um den Wärmeaustauscher 5 herum und in die Kammer 2 rückgeführt werden, wobei dann in diese Leitung eine andere Leitung einmündet, durch die mittels der Pumpe 3 das in Kammer 1 auf 55 0C erhitzte Frischsubstrat in definierter Menge über einen definierten Zeitraum solange zugespeist wird, bis die Solltemperatur in der Kammer 2 wieder eingestellt ist (sogenanntes By-Pass-System). At the same time, through appropriate lines and located therein Slide and valves the product conveyed out of the chamber 2 by the pump 4 be returned through or around the heat exchanger 5 and into the chamber 2, another line then opens into this line through which by means of the Pump 3 over the fresh substrate heated to 55 ° C. in chamber 1 in a defined amount a defined period of time is fed in until the target temperature in the Chamber 2 is set again (so-called by-pass system).
Die diesbezügliche technische- Ausführung der Regelung durch Verwendung von Temperaturfühlern, Ventilen und eELn.+r entsprechend angepaßten Steuerelektronik ist an sich bekanllt und für den Fachmann ohne weiteres durchführbar. The relevant technical implementation of the regulation through use of temperature sensors, valves and eELn. + r appropriately adapted control electronics is known per se and can easily be carried out by a person skilled in the art.
Eine wesentliche Beeinträchtigung der Gasbildung in Kammer 2 liegt in der Ausbildung einer Schwimmschicht auf dem Substrat in Kammer 2, die vor allem aus schwerer aufschließbaren organischen Substanzen besteht. Zum Abzuy dieser Schwimmdecke ist im oberen Bereich der Kammer 2 eine Uberlauf- oder Abflußrinne 7 entlang zumindestens eines Teiles der inneren Wand der Kammer 2 vorgesehen, in die durch das entsprechend ausgebildete Rührwerk 8, 9 die Schwimmdecke kontinuierlich oder diskontinuierlich geführt und durch einen Uberlauf in die Kammer 1 rückgeleitet-werden kann. There is a significant impairment of gas formation in chamber 2 in the formation of a floating layer on the substrate in chamber 2, mainly consists of organic substances that are difficult to digest. Abzuy this floating blanket is in the upper region of the chamber 2 an overflow or drainage channel 7 along at least a part of the inner wall of the chamber 2 is provided, into which the corresponding trained agitator 8, 9 the floating cover continuously or discontinuously out and can be returned to chamber 1 through an overflow.
Im oberen Bereich der Kammer 2 ist ein Rührwerk 8, 9 angeordnet, das kontinuierlich oder diskontinuierlich beispielsweise durch einen Elektromotor oder mit Hand betrieben werden kann. Dieses Rührwerk ist derart ausgelegt, daß sich im unteren Drittel oder Viertel des Volumens der Kammer 2 eine Ruhezone ausbilden kann, in der das entgaste Produkt absinkt. In the upper area of the chamber 2 an agitator 8, 9 is arranged, continuously or discontinuously, for example by means of an electric motor or can be operated by hand. This agitator is designed so that Form a quiet zone in the lower third or fourth of the volume of the chamber 2 in which the degassed product sinks.
In diese Ruheschicht ragt ein Rohr hinein, durch das das entgaste Produkt, das mit oder ohne Wasserentzug einen aus- gezeichneten Pflanzendünger ergibt, abgezogen werden kann.A pipe protrudes into this resting layer through which the degassed Product that, with or without dehydration, has an exceptional drawn Plant fertilizer results, can be deducted.
Vorzugsweise ist dieses Rohr als kommunizierendes Rohrsystem ausgebildet, so daß bei Zufuhr von Frischsubstrat etwa in gleicher Menge ausgefaultes Substrat abgezogen wird.This pipe is preferably designed as a communicating pipe system, so that when fresh substrate is supplied, roughly the same amount of rotten substrate is deducted.
Das Rührwerk weist eine waagerecht gelagerte Welle 8 0 auf, auf der um 90 und in bestimmtem Abstand zueinander versetzte Rührarme 9 angeordnet sind, wobei diese Rührarme mit der Achse der Rührwelle 8 einen Winkel von 450 bilden. Dieser Winkel hat sich aufgrund zahlreicher Versuche als optimal erwiesen, wobei diese Winkelstellung gleichzeitig die Förderung der Schwimmdecke in die Ablaufrinne 7 unterstützt. The agitator has a horizontally mounted shaft 8 0 on which are arranged at 90 and at a certain distance from each other staggered agitator arms 9, these stirring arms forming an angle of 450 with the axis of the stirring shaft 8. This angle has proven to be optimal on the basis of numerous tests, with this angular position simultaneously promotes the floating cover in the drainage channel 7 supported.
Vorzugsweise sind diese Rührarme 9 in Form von mehrkantigen oder runden Hohlträgern ausgebildet, in die das Substrat während des Rührvorganges eintreten kann. Dimensionsmäßig sind die Rührarme derart ausgebildet, daß sie nicht tiefer als bis zu.zwei Drittel oder bis drei Viertel der Gesamttiefe der Kammer 2 eintauchen. Auf diese Weise kann sich eine Ruhephase im unteren Bereich der Kammer 2 ausbilden, die etwa ein Drittel bis ein Viertel des unteren Kammervolumens einnimmt. These stirring arms 9 are preferably in the form of polygonal or formed round hollow beams into which the substrate enter during the stirring process can. In terms of dimensions, the agitator arms are designed in such a way that they are not deeper Submerge more than two thirds or three quarters of the total depth of chamber 2. In this way, a resting phase can develop in the lower area of chamber 2, which takes up about a third to a quarter of the lower chamber volume.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Rührarme 9 längenmäßig derart dimensioniert sind, daß der senkrechte Abstand von den freien Enden der Rührarme 9 zur Rührwelle 8 größer als der Abstand von der Rührwelle 8 zur überlaufkante der Überlaufrinne 7 ist. Hierdurch wird durch die herausragenden Enden der Rührarme 9 die Schwimmschicht zerteilt, so daß sich der ungehinderte Gasdurchtritt ergibt; darüber hinaus tritt das in den hohlen Rührarmen 9 aufgenommene Substrat aus und wird von oben auf die Schwimmschicht geschleudert; schließlich wird die Schwimmschicht in Richtung der Ablaufrinne 7, die oberhalb der Rührwelle 8 angeordnet ist, gefordert. It is particularly advantageous if the length of the agitator arms 9 is of this type are dimensioned that the vertical distance from the free ends of the agitator arms 9 to the agitator shaft 8 greater than the distance from the agitator shaft 8 to the overflow edge of the Overflow channel 7 is. This is due to the protruding ends of the agitator arms 9 divides the floating layer so that the unimpeded passage of gas results; in addition, the substrate received in the hollow stirring arms 9 exits and is thrown from above onto the floating layer; eventually becomes the floating layer in the direction of the drainage channel 7, which is arranged above the agitator shaft 8, is required.
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