DE3151187A1 - Biogas-anlage - Google Patents

Biogas-anlage

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DE3151187A1 DE19813151187 DE3151187A DE3151187A1 DE 3151187 A1 DE3151187 A1 DE 3151187A1 DE 19813151187 DE19813151187 DE 19813151187 DE 3151187 A DE3151187 A DE 3151187A DE 3151187 A1 DE3151187 A1 DE 3151187A1
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Description

  • Biogas-Anlage Die Erfindung betrifft eine Biogas-Anlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Kohlenwasserstoffgas, CH4-Methan, kurz als "Biogas" bezeichnet, ist aus organischen Abfällen gewinnbar. Die Technologie der Erzeugung von Biogas basiert auf der anaeroben Fermentation, d.h. der Fermentation unter Ausschluß von Sauerstoff. Hierzu verwendet man gewöhnlich einen als liegenden zylindrischen Behälter ausgebildeten Gärbehälter, in den die organischen Abfälle zusammen mit Frischwasser auf der einen Seite eingeführt werden, während die ausfermentierte Biomasse und Biogas auf der anderen Seite abgezogen werden. Der Gärbehälter kann dabei in mehrere Kammern mit unterschiedlichen Temperaturzonen aufgeteilt sein. Zur Verhinderung einer Schwimmdecke auf der Biomasse innerhalb des Gärbehälters, welche Schwimmdecke den Austritt neugebildeten Biogases aus der Biomasse behindern würde, wird mittels mechanischer Mittel wie Rührwerken, Umwälzpumpen, Wasserstrahldüsen eine ständige Umwälzung der Biomasse be- wirkt Dieses mechanische Umwälzen kostet Energie, beschleunigt die Wärmeabgabe nach draußen und macht die gesamte Anlage störanfälligO Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Biogas-Anlage als zuverlässige, energieautonome Lebenszelle zu schafen, die auf der Basis des ökologischen Kreislaufes organische Materie ohne Umweltbelastung umsetzt, Großkraftwerke entlastet, fossile Energieträger substituiert und somit energieimportedämpfend wirkt Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Biogas-Anlage gelöst, wie sie durch den Anspruch 1 gekennzeichnet ist Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben Das in dem Gärbehälter erzeugte Biogas erfährt neben seiner energetischen Verwertung mittels eines Gasmotors oder Gasbrenners eine weitere Nutzung, indem es durch einen von dem Gasmotor angetriebenen Verdichter zum Gärbehälter zurückgeleitet und dort am Boden des Gärbehälters in die Biomasse eingeleitet wird Die durch eigenen Auftrieb aufsteigenden Gasblasen verhindern permanent eine erhöhte Substanzkonzentration (Schwimmdecke) an der Oberfläche des Flüssigkeitspegels.
  • Damit ist gewährleistet, daß neu entstehendes Biogas ungehindert aus dem Flüssigkeitsbereich der Biomasse in den Gasraum austreten kann Zusätzliche mechanische Rühr- oder Umwälzmittel können damit entfallen Die im Gasmotor anfallende Abwärme wird zur Schaffung optimaler thermischer Bedingungen für den Methan bildenden Prozeß innerhalb des Gärbehälters herangezogen Wie gesagt, treibt der Gasmotor einen Verdichter zur Rückführung von Biogas in den Gärbehälter an. Fällt genügend Biogas an, so kann dieser Verdichter, hochverdichtend bis etwa 250 bar, Biogas in Behälter einspei- chern, welches Biogas dann bei Bedarf als Betriebskraftstoff für den Nutz- und Individualverkehr dienen kann. Weiterhin kann der Gasmotor einen Stromgenerator, einen Drucklufkompressor und/oder einen Kältemittelkompressor für eine Wärmepumpenanlage antreiben.
  • Die aus dem Gärbehälter abgezogene, ausfermentierte Biomasse wird, nachdem ihre Restwärme zweckmäßig durch Wärmetausch in die Frischwasserzufuhr abgegeben worden ist, einem Preßvorgang unterzogen, um einerseits trockene Düngesubstanz und andererseits Wasser zu ergeugen, welch letzteres wieder als Frischwasser der Eintragseite des Gärbehälters zurückgeführt werden kann.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme beigefügter Zeichnung näher erläutert, in welcher Zeichnung eine erfindungsgemäße Biogas-Anlage schematisch dargestellt ist.
  • Der Gärbehälter 1 oder Reaktor ist als liegender zylindrischer Behälter ausgebildet. Der Eintrag organischer Abfälle, d h. der Biomasse, erfolgt über eine Eintrags leitung 2 nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren unter Zuhilfenahme einer Spezialpumpe 3, die neben der Förderfunktion zusätzlich noch die Zerkleinerung der einzutragenden Masse übernimmt. Die Feinheit der Masse läßt sich mit der Pumpe individuell anpassen, wobei eine Feinheit < 0,5 mm gewährleistet werden kann. Grobe Materialien wie Reiser, Feinholz und Holzspäne werden von einem der Pumpe vorgeschalteten (nicht dargestellten) Mahlwerk, handelsüblicher Bauart, aufbereitet. Die Förderleistung der Eintrag-Pumpe 3 beschränkt sich auf die Überwindung der Reibungsverluste in der Eintrags leitung und der Strömungswiderstände innerhalb des Gärbehälters 1.
  • Zur Minimierung des Prozeßenergieaufwandes wird der gesamte Gärbehälter 1 oder Reaktor durch ein Wärme- dämm-Material 4, zOBo auf Polyurethanbasis, ummantelt, welches Wärmedämm°Material bei einer Schichtdicke von etwa 32 mm die Wärmeabgabe des Reaktors stark herabsetzt Das WärmedEmm Material ist außerdem diffusionsdichtg schwer entflammbar und verwitterungsfest.
  • Durch die Konzeption des Reaktors, der ohne Masseumwälzung auskommt, wird die Strömungsgeschwindigkeit an der Innenwandung des Gärbehälters < 10 x 106 m/sec gehalten Daraus resultiert ein geringer innerer Wärmeübergang Der Gärraum innerhalb des Gärbehälters 1 ist mittels Doppeltrennzungen 5s 6 in mehrere Zonen, im dargestellten Fall drei Zonen, aufgeteilt. Die Doppeltrennzungen sind aus doppelwandigen Leichtmetallplatten mit Innenausschäumung zum Zwecke der thermischen Trennung der Zonen hergestellt Zwischen den Doppelzungen kann Biomasse von der einen Zone in die andere Zone übertreten Der Mehrzonenreaktor bietet, bedingt durch seine optimale thermische Trennung, den Methan bildenden Bakterien in unterschiedlichen Temperaturzonen die erforderlichen gewünschten Lebensbedingungen. Die Methanbildung kann dadurch das gesamte Spektrum vom mesophilen bis zum thermophilen Bereich abdecken Die Anzahl der Temperaturzonen kann von 1 an beliebig gewählt werden Vor der Beschreibung der Reaktorbeheizung wird nachfolgend die Sammlung und Verwertung des Biogases erläutern Das durch anaerobe Fermentation gewonnene Biogas> CH4-Methan,wird im oberen Viertel jeder Reaktorzone gesammelt. Von dort wird das Gas einer vorderen Zone durch eine Leitung 7 zum Boden einer nachfolgenden Zone geführt und in die Biomasse eingeleitet. Die den gasbil denden Prozeß behindernde Schwimmdecke wird durch die aufsteigenden Gasblasen verhindert, ohne daß zusätzliche mechanische Mittel benötigt werden.
  • Nachdem das Gas die einzelnen Temperaturzonen durchströmt hat, wird es aus dem dem Austrag 8 am nächsten liegenden Zonenteil nach einer Gasreinigung und einer Entwässerung in einen Niederdruck-Pufferspeicher 9 abgeleitet.
  • Die Gasreinigung erfolgt bei 10, wo die schwefelhaltigen Bestandteile wie Schwefelwasserstoffe und Schwefelsauerstoffverbindungen im Reduktionsverfahren dadurch gebunden bzw. aus dem gewonnenen Gas gelöst werden, indem sie durch ein Fe-Hydroxid-Bett geführt werden. Nach Durchströmen des genannten Bettes liegt Schwefel als flüssige oder kristalline Substanz vor.
  • Die in Abständen erforderliche Regeneration des Fe-Hydroxid-Bettes erfolgt durch Zuführen von Sauerstoff.
  • Der im gewonnenen Gas enthaltene Wasserdampfanteil wird in einem Kompressionskälteaggregat 11 durch Kühlen des Gases unter den Taupunkt bis auf einen minimalen Rest von höchstens 5 % relative Feuchte (bei Umgebungstemperatur) ausgeschieden.
  • Der Niederdruck-Pufferspeicher 9 dient dazu, die Einschalthäufigkeit der nachfolgend beschriebenen Gasverdichter-Anlage zu reduzieren.
  • Das gereinigte und getrocknete Gas wird aus dem Niederdruck-Pufferspeicher 9 einerseits einem Gasmotor 12 und andererseits einem von dem Gasmotor angetriebenen Verdichter 13 zugeführt. Der Verdichter 13 verdichtet das Gas bis auf 250 bar, um es bei entsprechend kleinem Volumen in Behältern 14 zu speichern. Über ein Entspannungsventil 15 wird gleichzeitig Biogas zum Boden der ersten Zone des Gärbehälters 1 zurückgeführt und in die Biomasse eingeleitet, um aufgrund der aufsteigen- den Gasblasen wie bereits geschilderts die Bildung einer Schwimmdecke zu verhindern Für die Schaffung der optimalen thermischen Bedingungen für den Methan bildenden Prozeß innerhalb der einzelnen Zonen des Gärbehälters 1 wird die Abwärme des Gasmotors 12 verwendet. Die Motorabgase, die im Temperaturbereich zwischen 100 bis 150 Grad Celsius anfallen und ansonsten Verlustenergie sind werden mittels eines in den Boden des Gärbehälters 1 integrierten Röhren systems 16 den verschiedenen Temperaturzonen zugeführt. Die grundsätzliche Temperatursteuerung der Zonen erfolgt durch die Größe der jeweiligen Wärmetauscherfläche. Die Feinabstimmung erfolgt über Abgas-Drosselklappen 17, die als Zwei-Punkt-Regler den Abgasstrom regulieren.
  • Den Behälterheizflächen ist ein Abgas-Wasser-Wärmetauscher 18 nachgeschaltet, der die in den Motorabgasen enthaltene Restenergiemenge wahlweise dem Masseeintrag oder, wie hier dargestellt, der Frischwasserzuführung 19 überträgt Das am-Austrag 8 in der ausfermentierten Biomasse enthaltene Restenergiepotential wird ebenfalls mittels eines Wärmetauschers zum Teil zurückgewonnen. Die Energie wird hier über den Wärmetauscher 18 der Frischwasserzuführung 19 zugeführt.
  • Die ausfermentierte Biomasse kann als biologischer Dünger genutzt werden. Um die Düngesubstanz in marktgerechte Form zu bringen, wird eine Trennung in zweistufiger Ausführung vorgenommen.
  • Die erste Stufe umfaßt einen mechanischen Trennvorgang mittels einer Filterkammerpresse 20. Die beim Preß- und Filtervorgang freiwerdende Wassermenge wird über einen rückspülbaren Feinfilter 21 geführt und als Frischwasser wieder in den Fermentationsprozeß einge- bracht.
  • Als zweite Stufe wird der Presse 20 eine Trocknungseinheit 22 nachgeschaltet, die über einen gasbeheizten Rost die Trockensubstanzanteile von der Restfeuchte trennt. Die Restfeuchte geht bei 23 als Abgas-Wasserdampfgemisch ab. Dieses Abgas-Dampfgemisch wird über einen (nicht dargestellten) Wärmetauscher den diversen Wärmeverbrauchern zum Großteil wieder zugeführt.
  • Um ein Nachgären oder die Bildung von möglicherweise gesundheitsschädlichen und umweltbelastenden Keimen zu verhindern, wird im Austragsystem eine (nicht dargestellte) Entkeimungsstufe auf UV-Basis eingebaut.
  • Der pH-Wert innerhalb der Zonen des Gärbehälters 1 wird über eine pH-Wert-Uberwachungseinrichtung 24 kontrolliert und über eine pH-Wert-Dosierungsanlage 25 im alkalischen Bereich gehalten. Zur Neutralisation kann beispielsweise Natronlauge zugegeben oder vorübergehend der Frischmasseeintrag reduziert werden.
  • Zwecks Umsetzung des im Gärbehälter 1 erzeugten Biogases in leicht verteilbare und möglichst vielfältig nutzbare Edelenergie wird mittels des Gasmotors 12 zusätzlich ein Synchrongenerator 26 zur Erzeugung elektrischen Stroms von 380/220 V - 50 Hz angetrieben. Der zwangsläufig bei der Verstromung vorhandene schlechte Nutzungsgrad der eingesetzten Primärenergie wird dadurch auf einen hohen Gesamtnutzungsgrad gebracht, daß die bei der Stromerzeugung anfallende thermische Energie mit optimalem Wirkungsgrad zurückgewonnen wird.
  • Der Gasmotor 12 kann weiterhin einen (nicht dargestellten) Druckluftkompressor und/oder einen Kältemittelkompressor 27 einer Wärmepumpenanlage 28 antreiben.
  • Eine Thyristorsteuerung ermöglicht, bei höchstem Wirkungsgrad und gleitender Motordrehzahl, konstante oder gleitende Arbeitsabgabe aller angeschlossenen Maschinen einzeln oder gleichzeitig Durch den oberen Bereich des Gärbehälters 1 erstreckt sich eine mit der Frischwasserzufuhr 19 verbundene Sprühflutanlage 29, mit deren Hilfe der Gärbehälter geflutet -werden kanng um im Störungsfall die Gasproduktion zu stoppen Leerseite

Claims (7)

  1. Patentansprüche 10 Biogas=Anlage mit einem Gärbehälter mit einer Eintragseite für organische Abfälle und einer Friscbwasserzufuhr sowie mit einer Austragseite für ausfermentierte Biomasse und einem Biogasabzug, dadurch g e k e n n z e 1 c h n e t , daß von dem Gärbehälter (1) abgezogenes Biogas einerseits einem Gasmotor (12) zur Verbrennung zugeführt wird und andererseits durch einen von dem Gasmotor angetriebenen Verdichter (13) zum Gärbehälter (1) zurückgeleitet und dort am Boden des Gärbehälters in die Biomasse eingeleitet wird, und daß die Abwärme des Gasmotors (12) zwecks Schaffung der notwendigen thermischen Bedingungen fur den Fermentationsprozeß dem Gärbehälter rückgeführt wird
  2. 2 Biogas-Anlage nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß überschüssiges Biogas hochdruckverdichtet in Behältern (14) gespeichert wird
  3. 3. Biogas-Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h ne t, daß der Gasmotor (12), durch Thyristor oder dergleichen gesteuert, einen Stromgenerator (26), einen Druckluftkompressor und/oder einen Kältemittelkompressor (27) einer Wärmepumpenanlage (28) antreibt.
  4. 4. Biogas-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Gärbehälter (1) thermisch isoliert ist und mittels thermisch isolierender, einen Verbindungsweg offenlassender Doppelzungen (5,6) und durch unterschiedliche Aufheizung mittels rückgeführter Motorabwärme in mehrere Temperaturzonen aufgeteilt ist, wobei die Eintragseite (2) für organische Abfälle, di& Frischwasserzufuhr (19) und die Biogaseinleitung der ersten Zone zugeordnet sind und die Austragseite (8) für ausfermentierte Biomasse und der Biogasabzug der letzten Zone zugeordnet sind, und in einer vorderen Zone über der Biomasse angesammeltes Biogas am Boden der nachfolgenden Zone in die Biomasse eingeleitet wird.
  5. 5. Biogas-Anlage nach Anspruch 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß jeder Gärbehälterzone eine pH-Wert-Uberwachungseinrichtung (24) mit Dosierungsanlage (25) zur Konstanthaltung des pH-Wertes zugeordnet ist.
  6. 6. Biogas-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Austragseite des Gärbehälters eine Filterkammerpresse (20) oder dergleichen zugeordnet ist, welche die ausgetragene, ausfermentierte Biomasse in Düngesubstanz und Wasser trennt, welch letzteres als Frischwasser zur Eintragseite des Gärbehälters zurückgeführt wird.
  7. 7 Biogas Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß dem Gärbehälter (1) eine mit der Frischwasserzufuhr (19) verbundene Sprühflutanlage (29) zur Beendigung der Gasproduktion im Störungsfall zugeordnet ist
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