DE4331932C2

DE4331932C2 - Anlage und Verfahren zur Biogaserzeugung

Info

Publication number: DE4331932C2
Application number: DE4331932A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr Bauer; Siegfried Dipl Ing Pueschel
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1992-09-17
Filing date: 1993-09-14
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2013-09-15
Also published as: DE4331932A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Biogaserzeugung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb dieser Anlage.

Aus der DE 31 51 187 C2 ist eine gattungsgemäße Biogasanlage bekannt. Diese weist als Kernstück einen Gärbehälter auf, der durch Zwischenwände in mehrere Zonen unterteilt ist, die von den eingesetzten biologischen Abfallstoffen (z. B. Gemisch aus Belebt- und Vorklärschlamm) durchlaufen werden. Das durch die Faulung entstehende Faulgas (überwiegend CH₄) wird aus dem oberen Teil des Gärbehälters abgezogen, in einer Faulgasreinigung von schwefelhaltigen Bestandteilen (H₂S) befreit, durch Behandlung in einem Kompressionskälteaggregat getrocknet und anschließend in einem Niederdruckspeicher zwischengespeichert. Aus diesem Speicher wird kontinuierlich gereinigtes Faulgas entnommen und in einem Verdichter auf einen hohen Druck (ca. 250 bar) komprimiert und bei Bedarf in einem Hochdruckspeicher gespeichert. Ein Teilstrom des verdichteten Faulgases wird in den Bodenbereich des Gärbehälters eingeleitet und sorgt dort für eine ständige Durchwirbelung der eingefüllten Biomasse, damit die Ausbildung einer für die Faulung hinderlichen Schwimmdecke vermieden wird. Insofern findet eine teilweise Rückführung des Faulgases statt. Ein zweiter Teilstrom des verdichteten Faulgases wird als Betriebsstoff in einen Gasmotor eingeleitet, der nicht nur den Verdichter betreibt, sondern auch mit einem elektrischen Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist. Die Abgase des Gasmotors weisen noch eine Temperatur von etwa 100-150°C auf. Um diese latente Wärme zu nutzen, sind die einzelnen Zonen des Gärbehälters im Bodenbereich mit Röhrenwärmetauschern ausgestattet, in die diese Motorabgase eingeleitet werden können und so die Faulung durch Erwärmung der Biomasse unterstützen. Eine weitere teilweise Nutzung der nach Verlassen der Röhrenwärmetauscher noch verbliebenen Restwärme kann dadurch erfolgen, daß ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen ist, der eine indirekte Erwärmung der dem Gärbehälter frisch zuzuführenden Biomasse gestattet.

Über eine Aufbereitung des den Gärbehälter verlassenden ausgefaulten Schlamms wird in der DE 31 51 187 C2 nichts ausgesagt. Eine Entsorgung von nicht weiter aufbereitetem Schlamm beispielsweise durch Deponierung führt aber zu beträchtlichen Kostenbelastungen. Das den Gasmotor verlassende Abgas wird zwar thermisch im Sinne einer Wärmerückgewinnung vergleichsweise gut genutzt; es finden sich jedoch keine Hinweise auf eine Beseitigung enthaltener Schadstoffe wie insbesondere von Stickoxiden. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist auch darin zu sehen, daß eine erhebliche Menge von bereits entschwefeltem und komprimiertem Biogas in den Gärbehälter zurückgeführt wird und dieselben Behandlungsstufen erneut durchlaufen muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Anlage vorzuschlagen, bei deren Betrieb Reststoffe anfallen, die vergleichsweise leicht zu entsorgen sind, und wobei möglichst viel nutzbare Energie erzeugt werden soll. Außerdem soll ein Verfahren zum Betreiben dieser Anlage angegeben werden.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Anlage durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 4 kennzeichnen deren vorteilhafte Ausführungsformen. Ein erfindungsgemäßes Verfahren hat die Merkmale des Patentanspruchs 5 und ist durch die Merkmale der Unteransprüche 6 und 7 weiter ausgestaltbar.

Anhand des in der einzigen Figur dargestellten exemplarischen Anlagenschemas wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.

Der z. B. aus einem Gemisch von Überschußschlamm (Belebtschlamm) und Vorklärschlamm aus einer nicht dargestellten Kläranlage bestehende Rohschlamm wird in die Rohschlammbegasung gegeben und dort durch direkten Kontakt mit einem warmen Abgas begast und hierdurch erwärmt. Der erwärmte Rohschlamm tritt danach in eine sich unmittelbar anschließende Schlammfaulung ein, in der durch die im Schlamm enthaltene Bakterienmasse Faulgas erzeugt wird, das überwiegend aus CH₄ besteht. Durch kontinuierlichen Abzug einer Schlammabstoßmenge gelangt der ausgefaulte Schlamm danach in eine an sich bekannte Schlammentwässerung, die z. B. als Bandfilter- oder Kammerfilterpresse ausgebildet sein kann, um den Großteil des enthaltenen Wassers, das in die Kläranlage zurückgeführt wird, abzutrennen. Hierdurch tritt eine erhebliche Volumen- und Gewichtsreduzierung der verbleibenden Schlammenge ein. Eine weitere drastische Reduzierung wird erzielt durch Behandlung des restlichen Schlamms in einer Trocknungsanlage, die vorzugsweise als Trommeltrockner ausgebildet ist und mit erwärmter Trocknungsluft betrieben wird. Der auf diese Weise erzeugte getrocknete Faulschlamm beträgt nur noch einen kleinen Bruchteil (je nach Trocknungsgrad z. B. 5 bis 10 Gewichts-%) der ursprünglichen Rohschlammenge und kann daher mit erheblich geringerem Kostenaufwand entsorgt (z. B. deponiert) werden. Die Abnahme der organischen Trockensubstanz in der Schlammfaulung kann etwa 50%, günstigstenfalls bis zu etwa 55% betragen. Insgesamt kann in der Schlammfaulung mit einer Reduzierung der Trockensubstanz um etwa ein Drittel gerechnet werden, so daß beispielsweise bei einem Trockensubstanzgehalt von 60 g/l im Rohschlamm eine Verminderung auf etwa 40 g/l im Faulschlamm zu erwarten ist. Im getrockneten Faulschlamm beträgt der Anteil der Trockensubstanz bei Teiltrocknung in der Regel mehr als 50% und bei Volltrocknung sogar über 80%.

Das in der Schlammfaulung erzeugte Faulgas enthält neben CH₄ beispielsweise auch CO₂ und gewisse Mengen an H₂S oder sonstigen Schwefelverbindungen und ist mit Wasser gesättigt. Vor der Zwischenspeicherung des Faulgases wird daher in bekannter Weise zunächst durch eine Kühlung z. B. in einem Kompressionskälteaggregat eine Wasserabscheidung vorgenommen, um ein trockenes Gas zu erhalten. Danach kann eine Gasreinigung insbesondere zur Entfernung der Schwefelverbindungen zweckmäßig sein. Wie nachfolgend noch gezeigt wird, ist diese Gasreinigung jedoch keineswegs unbedingt erforderlich. Dies wurde in der Darstellung durch eine gestrichelte Rahmung zum Ausdruck gebracht. Unmittelbar hinter der Faulgasspeicherung ist eine Kompressoranlage (z. B. Turboverdichter) zur Faulgasverdichtung vorgesehen. Die Reihenfolge von Faulgasverdichtung und Faulgasspeicherung könnte auch umgekehrt werden, so daß anstelle eines Niederdruck- ein Mitteldruck- oder Hochdruckgasspeicher eingesetzt werden kann. Ebenfalls ist es nicht unbedingt zwingend, wenngleich zweckmäßig, die Faulgasreinigung vor der Faulgasspeicherung vorzunehmen. Zur Verwertung des Faulgases, von dem Teilmengen bei Bedarf auch in andere Prozesse abgegeben werden könnten, sieht die Erfindung vor, vorzugsweise die Gesamtmenge als Betriebsstoff in einer Gasturbine, die mit einem nicht dargestellten Generator gekoppelt ist, zu verbrennen und somit zur Erzeugung von elektrischem Strom zu nutzen. Ein Teil der durch die Gasturbine erzeugten mechanischen Energie kann durch mechanische Kopplung zum Antrieb des Faulgaskompressors benutzt werden; dieser könnte aber auch elektromotorisch angetrieben werden und hierzu einen Teil der elektrischen Energie nutzen. Die übrige erzeugte elektrische Energie wird in ein nicht dargestelltes Stromnetz eingespeist.

Das Abgas der Gasturbine enthält gewisse Mengen an Schadstoffen wie etwa SO₂ (sofern keine Entschwefelung stattgefunden hat) und NO_x, die eine direkte Ableitung in die Umwelt nicht erlauben. Außerdem enthält das Abgas noch latente Wärme, die genutzt werden kann. Die Erfindung sieht in diesem Zusammenhang ein neues Konzept vor. Das Abgas wird nämlich durch eine erste Abgasleitung bei einer Temperatur von über 450°C aus der Gasturbine entnommen und zunächst in einen Wärmetauscher geführt, wo es die Trocknungsluft der Schlammtrocknungsanlage indirekt erwärmt. Wie die Figur zeigt, wird als Schlammtrockner bevorzugt ein Trommeltrockner eingesetzt, dessen Trocknungsluft im Kreislauf geführt wird. Das von der Trocknungsluft aufgenommene Wasser wird dadurch aus dem Kreislauf entfernt, daß ständig ein Teilstrom aus dem Luftkreislauf ausgeschleust wird, während eine entsprechende Menge Frischluft zugeführt wird. Dies ist in der Figur nicht dargestellt worden. Der ausgeschleuste Teilstrom wird zur Wasserabscheidung über einen (nicht dargestellten) Kondensator geführt. Die so getrocknete Abluft kann dann - zur Geruchsbeseitigung vorzugsweise über einen Abluft-Biofilter - in die Atmosphäre abgegeben werden. Selbstverständlich wäre es auch möglich, die getrocknete Abluft als "Frischluft" wieder in den Trommeltrocknerkreislauf zurückzuführen.

Der indirekte Wärmetausch wird in dem Wärmetauscher so geführt, daß das Abgas den Wärmetauscher mit einer Temperatur von etwa noch 150°C durch eine zweite Abgasleitung verläßt. Die Restwärme des Abgases wird benutzt zur Durchführung der eingangs beschriebenen Schlammvorwärmung.

Diese findet erfindungsgemäß durch den direkten Kontakt des Abgases mit dem leicht alkalischen Rohschlamm in der Rohschlammbegasung statt, zu der die zweite Abgasleitung führt. Das hat den großen Vorteil, daß nicht nur der Aufwand für einen entsprechenden Flächenwärmetauscher völlig entfällt, sondern es wird darüber hinaus auch eine Reinigung des Abgases bewirkt, da Schadstoffe wie SO_x und NO_x im Faulschlamm weitgehend gelöst werden. Die durch die Lösung dieser Schadstoffe entstehenden Säuren setzen sich mit den Bestandteilen des Rohschlamms zu Salzen um, die in dem getrockneten Schlamm die erfindungsgemäße Anlage wieder verlassen. Wenn das Abgas den Rohschlamm durchströmt hat, weist es je nach Rohschlammtemperatur (abhängig von der Jahreszeit) lediglich noch eine Temperatur von etwa 10 bis 25°C auf und kann durch eine dritte Abgasleitung, die an den Behälter der Rohschlammbegasung angeschlossen ist, gereinigt und daher gefahrlos in die Umgebung abgegeben werden. Um auch jegliche Geruchsbelästigungen in der Umgebung der Anlage auszuschließen, kann es zweckmäßig sein, ein Abluftfilter, das vorzugsweise als Biofilter ausgebildet ist, in die dritte Abgasleitung einzuschalten.

Durch die Erfindung wird eine weitgehende Nutzung der im Klärschlamm enthaltenen Energie zur Stromerzeugung gewährleistet. Es wird als zu entsorgendes Endprodukt lediglich eine im Vergleich zur eingesetzten Schlammenge geringe Menge an getrocknetem Faulschlamm erzeugt. Zur Trocknung wird nur Abwärme eingesetzt. Die Abwärmemenge wird durch den erfindungsgemäßen Betrieb der Anlage so bemessen, daß sie für die Trocknung ausreicht, ohne daß andersweitige Hilfsenergien eingesetzt werden müssen. Das Abgas der erfindungsgemäß vorgesehenen Gasturbine für die Stromerzeugung wird bei gleichzeitiger Abwärmenutzung auf äußerst einfache Weise von Schadstoffen befreit, so daß der Aufwand für eine vorherige Reinigung des Faulgases unterbleiben kann.

Claims

1. Anlage zur Biogaserzeugung mit einer Schlammbegasung, einer Schlammfaulung, einer Faulgastrocknung, einer Faulgasspeicherung, einer Faulgasverdichtung und einer Verbrennungskraftmaschine, die mit einem elektrischen Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet,

- daß zum Zweck der Behandlung von Klärschlamm in der Anlage die Schlammbegasung als der Schlammfaulung vorgeschaltete Rohschlammbegasung ausgebildet ist,
- daß die Verbrennungskraftmaschine als Gasturbine ausgebildet ist,
- daß hinter der Schlammfaulung eine Schlammentwässerung vorgesehen ist,
- daß der Schlammentwässerung eine Schlammtrocknung nachgeschaltet ist,
- daß ein Wärmetauscher vorgesehen ist für die indirekte Erwärmung der Trocknungsluft der Schlammtrocknung,
- daß eine erste Abgasleitung vorgesehen ist, die von der Abgasseite der Gasturbine zum Heizmediumeingang des Wärmetauschers führt,
- daß eine zweite Abgasleitung vorgesehen ist, die von dem Heizmediumausgang des Wärmetauschers in die Rohschlammbegasung führt, und
- daß eine dritte Abgasleitung vorgesehen ist zur Ableitung des Turbinenabgases aus der Rohschlammbegasung in die Atmosphäre.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die dritte Abgasleitung ein Abluftfilter eingeschaltet ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Gasturbine eine Faulgasreinigung (Entschwefelung) angeordnet ist.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlammtrocknung als Trommeltrockner ausgebildet ist, dessen Trocknungsluft im wesentlichen im Kreislauf geführt wird.

5. Verfahren zum Betrieb einer Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenabgas mit einer Temperatur von mehr als 450°C entnommen und mit etwa dieser Temperatur in den Wärmetauscher eingeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenabgas mit einer Temperatur von etwa 160°C aus dem Wärmetauscher abgezogen und mit dieser Temperatur zur Begasung des Rohschlamms eingesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasspeicherung lediglich im Sinne einer Zwischenspeicherung stattfindet und die Gesamtmenge des erzeugten Biogases in der Gasturbine zur Stromerzeugung verbraucht wird.