EP0055753A1 - Vorrichtung zur anaeroben vergärung organischer feststoffe zum zwecke der gewinnung eines brennbaren gases - Google Patents

Vorrichtung zur anaeroben vergärung organischer feststoffe zum zwecke der gewinnung eines brennbaren gases

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EP0055753A1
EP0055753A1 EP81902045A EP81902045A EP0055753A1 EP 0055753 A1 EP0055753 A1 EP 0055753A1 EP 81902045 A EP81902045 A EP 81902045A EP 81902045 A EP81902045 A EP 81902045A EP 0055753 A1 EP0055753 A1 EP 0055753A1
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EP
European Patent Office
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gas
fermentation
gas space
space
fermentation chamber
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP81902045A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Widmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FROSSARD Pierre
Original Assignee
FROSSARD Pierre
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Filing date
Publication date
Application filed by FROSSARD Pierre filed Critical FROSSARD Pierre
Publication of EP0055753A1 publication Critical patent/EP0055753A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
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    • Y10S210/00—Liquid purification or separation
    • Y10S210/09—Floating cover

Definitions

  • the present invention relates to a device for carrying out the anaerobic fermentation of organic solids for the purpose of obtaining a combustible gas.
  • Plants that release an inflammable gas by means of anaerobic fermentation of organic solids which mainly consists of approx. 65% CH4 and 35% CO2, can make a significant contribution to energy savings.
  • BIOGAS systems are used almost without exception in agriculture or Animal husbandry area is that the animal excrement rich in degradable organic dry matter is a free waste product, the removal of which is often associated with considerable difficulties today.
  • livestock farms can easily heat energy by installing a BIOGAS system and by inserting a gas-gas engine Electricity generator also become self-sufficient in terms of electrical energy.
  • a desirable side effect is the almost complete odorlessness of the substrate running out of the BIOGAS system after the anaerobic fermentation, the fertilizer value of which is slightly increased by the anaerobic treatment.
  • BIOGAS terms only installations are basically used that carry out the anaerobic fermentation process for the purpose of extracting a combustible gas.
  • plants for the anaerobic fermentation of sewage sludge from municipal or industrial sewage treatment plants in which the fermentation serves as a cleaning stage of the sewage treatment plant, the anaerobic degradation process, respectively.
  • the fermentation of the organic dry matter is reduced to the period necessary for an optimal yield of combustible gas.
  • the large containers necessary for the operation of these conventional fermentation systems with their long residence times are already in Tierhal as structures unthinkable.
  • the proofing rooms of municipal or industrial wastewater treatment plants are usually loaded with dry matter loads of approx. 3%, based on the total proofing volume.
  • the fermentation systems in these plants are considered to be hydraulically and mechanically overloaded with a dry matter content of more than 4%, based on the total volume of the fermentation room.
  • Animal excrement from intensive livestock farming contains between 6% and 14% dry matter per liter, depending on the animal species and the method of housing.
  • Dilution with water is out of the question, because it reduces the dry matter content per liter of liquid, but at the same time the total volume increases depending on the degree of dilution, which in turn would result in a volumetric enlargement of the fermentation chamber.
  • BIOGAS The fermentation room of a BIOGAS system must therefore be created in its process and machine technology in such a way that dry matter loads of max. 14%, based on the total proofing volume, can be pushed through and kept in motion.
  • BIOGAS systems for anaerobic fermentation of animal excrement have been built and put into operation in Europe and the United States. Their construction and mechanical equipment are closely based on the fermentation systems used in municipal wastewater treatment technology. With a few exceptions prove these BIOGAS systems as procedural failures, since the pumps or agitators used are not able to control the fermentation chamber content with a dry matter content of only 7-9%. keep moving, resp. to overturn.
  • BIOGAS systems To illustrate the problem, the construction and process technology currently used for BIOGAS systems will be briefly described here.
  • Elevator tanks made of concrete, steel or plastic with generally flat bottoms are used almost without exception as proofing room, which are provided with external insulation to avoid process heat losses.
  • the process temperature usually + 36oC, is maintained by heat exchangers installed in the fermentation rooms. Hot water serves as the heat transfer medium.
  • the systems are designed according to the displacement principle with a liquid seal (siphon). This means that the amount of biomass that is fed to the fermentation room every day displaces the same amount of fermented biomass from the fermentation chamber via the liquid seal.
  • the biomass stays in the fermentation room between 12 and 20 days.
  • the fermentation rooms are fed with pumps with fresh biomass, with which the fermentation chamber contents are periodically circulated by means of reversing.
  • a mechanical floating decak destroyer in the form of a half-immersed is usually used Bell screw installed centrally in the tank ceiling. In this way, the floating substances are to be mixed into the biomass.
  • the combustible gas that collects between the tank top and the liquid level is piped into a wet or dry gas storage tank.
  • BIOGAS systems built in the recent past have often failed due to the shape of the fermentation rooms.
  • most of the bottoms of the fermentation rooms of BIOGAS systems are designed flat and the circulation pump draws the sediments from the tank to the side just above the bottom. Consequently, only the sediments are carried in the immediate vicinity of the suction port of the pump and the remaining sink mass builds up more and more and solidifies, so that after a short time that
  • the gas formation in the fermentation room of a BIOGAS plant is, if the plant works and is operating properly, constant over 24 hours. As a rule, the gas is supplied to the consumer during the day and night production must be stored. Wet and dry gas storage with an operating pressure of approx. 200 mm water column are suitable for gas storage. This type of gas storage forms voluminous structures and, apart from high investment costs, can hardly be used for space reasons. The space between the surface of the biomass and the gas room ceiling can barely absorb 5% of the daily gas production in the tower construction technology used today.
  • BIOGAS plants can provide a reasonable economic benefit for the substitution of liquid fossil fuels if these plants can be mass-produced cost-effectively with the simplest, reliable construction and minimal mechanical effort.
  • the aim of the present invention is to make agricultural holdings with livestock farming or other holdings to which anaerobically fermentable biomass is available largely energy-efficient and independent of energy market constraints.
  • the present invention therefore aims to provide a plant for the anaerobic fermentation of dry organic matter for the purpose of extracting a combustible gas with special consideration of economic aspects.
  • the main goals that are strived for are:
  • the fermentation room and gas room of the plant should form one unit.
  • the proofing space and gas space should be the same in their volume within the unit.
  • the fermentation room should be designed in an ideal hydraulic form.
  • the fermentation room should be able to absorb a high concentration of organic dry matter and break it down anaerobically ".
  • the biomass in the fermentation chamber must be able to be mixed 100% at intervals with the highest concentration of dry matter.
  • the process temperature of the biomass in the fermentation room must be kept between + 10 and 36oC at any desired temperature level.
  • the system should be able to work both continuously and in batch mode.
  • the system should be made of a material that is flexible and foldable, acid and gas resistant and of high tensile strength. 11. The installation of the system should also not be possible by specialists.
  • the system should be reliable, low-maintenance and have a long service life.
  • Fig. 1 is a vertical section through the, serving as the fermentation and gas space container in the form of a geometric hollow sphere with all pro cess technical installations and superstructures, shown in the pressure operating state of the gas space.
  • Fig. 2 is a vertical section through the, serving as proofing and gas space container in the form of a geometric hollow sphere with all reategh African internals and structures, shown in the depressurized operating state of the gas space.
  • FIGS. 1 and 2 A device according to the invention, which enables the anaerobic fermentation process to be carried out, can be seen purely schematically from FIGS. 1 and 2.
  • the fermentation chamber 1 and the gas chamber 2 form a unit in the form of a geometrical hollow sphere 3 made of flexible and foldable material, as represented, for example, by PVC film or rubberized textile fabric.
  • the fermentation chamber 1 is embedded in a fixed, pressure-resistant earth pit 4 in the shape of a hemisphere and girded with a shaping ring wall 6, preferably made of local or prefabricated concrete parts, up to the height of the ball equator 5.
  • the ring wall 6 also serves as a support 7 for the support frame 8, preferably made of steel profiles, to which the flexible and foldable covering 3 of the gas space 2 forming a hemisphere is attached.
  • the support structure 8 also serves as a support structure for a protective cover 9, which is separated from the gas space covering 3 by an air-conducting annular gap 10.
  • the envelope of the gas space is perforated over its highest latitude and through this perforation 11 a shaft pipe 12 is guided into the interior of the hollow sphere 3 through the gas space 2 and into the fermentation space 1.
  • the shaft pipe 12 is held in a fixed position in the hollow center by the support structure 8.
  • the filling pipe 13, with which the fermentation chamber 1 is charged with material to be fermented, and the gas extraction pipe 14, through which the gas accumulated in the gas chamber 2 is drawn off, are installed in the shaft pipe 12.
  • the shaft pipe 12 has a plurality of openings 15 on the line of the spherical equator 5. Above the openings 15, the shaft pipe 12 is closed against the gas space 2 by a gas-tight bulkhead 16. Through the gas-tight bulkhead 16, the drive shaft 17 is guided through a stuffing box seal 18 of a screw pump 19, which is arranged below the openings 15 and dips into the material bed 20 of the fermentation chamber 1.
  • the part of the shaft pipe 12 which dips into the material bed 20 of the fermentation chamber 1 is surrounded by a double jacket 21 and hot water circulates in the annular gap 22 between them.
  • the casing 3 of the fermentation chamber 1 is perforated and the perforation 23 opens into a sewer pipe 24 guided outside the hollow sphere, the outlet opening 25 of which lies at the level of the spherical equator.
  • the envelope 3 of the gas space 2 is weighted several times from the outside with weights 26, such as sandbags.
  • the device in the form of a hollow sphere 3, which contains the fermentation chamber 1 and the gas chamber 2, e.g. have the following dimensions:
  • the treatment and composition of the biomass to be fermented anaerobically is such a device for carrying out the anaerobic fermentation to obtain a combustible gas.
  • This should contain the highest possible amount of degradable organic dry matter and the total dry matter should have a water content of not less than 85%, ie it should still be pumpable.
  • the biomass is fed into the fermentation chamber part of the spherical container by a pump until the filling has reached the height of the spherical equator, excess biomass being automatically displaced out of the container via the overflow channel outside the container.
  • the outflow of the overflow channel lies on one level with the spherical equator and thus acts as the filling limit of the fermentation chamber.
  • the temperature of the biomass is increased to + 36 ° C. and the temperature is maintained in that the part of the shaft pipe which is guided centrally in the fermentation chamber and is immersed in the biomass is designed as a heat exchanger.
  • the biomass By reversing the direction of rotation of the screw pump, the biomass can also be moved up and down through the heat exchanger, which prevents sediment from settling on the bottom of the fermentation chamber.
  • the flammable gas with a specific weight of 0.823 in relation to air released by the anaerobic fermentation of the biomass collects under the folded, artificially weighted envelope of the gas space by sandbags.
  • the gas pressure to be precisely defined by means of the weighting of the gas space envelope slowly increases and the folded gas space envelope begins to inflate into a hemisphere until the operating pressure predetermined by the weighting is reached.
  • the operating pressure within the gas space is maintained by means of a so-called water reservoir or water column, through which excess gas can escape into the atmosphere after the operating pressure has been reached.
  • gas is removed from the gas space by a consumer, when the atmospheric pressure has reached the inside of the gas space, the weighted envelope and the gas begin to fold, while the flow remains constant pressure to squeeze out of the gas space.
  • the casing begins to fill with gas again.
  • fermented biomass is simultaneously displaced from the fermentation chamber through the overflow pipe.
  • the entire hollow spherical container is surrounded with a heat insulation layer and the gas space is additionally covered with a weather protection cover.
  • the device described here for carrying out the anaerobic fermentation differs substantially in its choice of material and design from other devices known today for carrying out this known process.
  • the fundamental innovations concern both the choice of a flexible and foldable material and the choice of the geometric shape of a hollow sphere, which also serves as a fermentation tank and gas storage.
  • Containers is used and gas storage containers made of this material in a hollow sphere or cylinder shape are known per se, their combination to the inventive device and the Zwecak to be achieved with it is fundamentally new.

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Description

Vorrichtung zur Ausführung der anaeroben Vergärung organischer Feststoffe zum Zwecke der Gewinnung eines brennbaren Gases.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausführung der anaeroben Vergärung organischer Feststoffe zum Zwecke der Gewinnung eines brennbaren Gases.
Die zunehmende Verknappung des Rohöls auf dem Weltmarkt und die damit in der jüngsten Vergangenheit verbundenen massiven Preissteigerungen für leichtes Heizöl, sowie die Ankündung der Mineralölgesellschaften, dass ein Ende des Preisauftriebes in absehbarer Zeit nicht zu erwarten sei und in Zukunft Engpässe in der Versorgung nicht ausge schlössen werden könnten, erfordern neben einschneidenden Sparmassnahmen dringend die Erschliessung alternativer Energiequellen.
Einen wesentlichen Beitrag zur Energieeinsparung können Anlagen leisten, die mittels anaerober Vergärung organischer Feststoffe ein brennbares Gas, das sich in der Hauptsache aus ca. 65 % CH4 und 35 % CO2 zusammensetzt, freisetzen.
Anlagen zur Gaserzeugung durch anaerobe Vergärung von organischen Feststoffen sind allgemein weltweit unter der Bezeichnung BIOGAS-Anlagen seit 1920 bekannt und werden seither in zahlreichen Veröffentlichungen eingehend abgehandelt und beschrieben.
In Anbetracht der weltweiten Verknappung und der damit einhergehenden unaufhaltsamen Verteuerung flüssiger fos siler Brennstoffe wird der Erzeugung brennbaren Gases durch anaerobe Vergärung hauptsächlich tierischer Exkremente zur Substitution von vorwiegend Heizöl wieder grösste Aufmerksamkeit geschenkt.
Der Grund, dass BIOGAS-Anlagen fast ausnahmslos im Landwirtschafts-, resp. Tierhaltungsbereich eingesetzt werden, liegt darin, dass die an abbaubarer organischer Trockensubstanz reichen tierischen Exkremente ein kostenloses Abfallprodukt darstellen, deren Beseitigung heute oft mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden ist.
Die betriebswirtschaftliche Notwendigkeit zur Rationalisierung der Nutztierproduktion in den vergangenen zwanzig Jahren und die damit verbundenen neuen Stallbaumethoden mit ihren Voll- oder Teilspaitböden sowie anderen voilmechanisierten Kot-Räumanlagen, bringen es mit sich, dass die Exkremente aus Nutztier-Intensivhaltungen in von Fremdstoffen, wie langhaimiges Stroh oder Heu, freier, meist dickflüssiger Form in grossen Mengen anfallen. Dadurch werden für die Tierhaitungsbetriebe erhebliche Kotlagerkapazitäten notwendig, da die Exkremente zu Düngezwecken nur während der Vorkultivati-cnspericde auf die Nutzflächen ausgebracht werden können. Die zum Betreiben einer BIOGAS-Anlage notwendige anaerob vergärbare organische Trockensubstanz ist also in Landwirtschaftsbetrieben mit Nutztierhaltung ganzjährig in ausreichender Menge verfügbar.
Je nach Tierbesatz, bzw. der verfügbaren Menge an organischer Trockensubstanz können Nutztierhaltungsbetriebe durch den Einbau einer BIOGAS-Anlage mühelos heizenergieund durch Einfügen eines mit Gas-Otto-Motor betriebenen Stromerzeugers auch elektroenergieautark werden.
Als erwünschter Nebeneffekt kann die fast völlige Ge ruchslosigkeit des nach der anaeroben Vergärung aus der BIOGAS-Anlage ablaufenden Substrates gelten, dessen Dün gerwert durch die anaerobe Behandlung leicht erhöht wird.
Als BIOGAS-Anlagen werden im Sprachgebrauch grundsätzlich nur Installationen bezeichnet, die den anaeroben Gärpro zess zum Zwecke der Gewinnung eines brennbaren Gases durchführen. Im Gegensatz zu Anlagen zur anaeroben Ver gärung von Abwasserschlämmen aus kommunalen oder industriellen Kläranlagen, in welchen die Vergärung als Reinigungsstufe der Kläranlage dient, wird in BIOGAS-Anlagen der anaerobe Abbauprozess, resp. die Vergärung der organischen Trockenmasse auf den Zeitraum verkürzt, der zu einer optimalen Ausbeute an brennbarem Gas notwendig ist.
Die Verfahrens- und Bautechnik der in kommunalen oder industriellen Kläranlagen verwendeten Gärtürme zur anaeroben Vergärung des Abwasserschlammes, der in der Regel ca. 2-3 % abbaubare Trockensubstanz enthält, ist hinlänglieh bekannt und braucht hier nicht näher erörtert zu werden.
Diese konventionellen anaeroben Gärsysteme weisen bei Aufenthaltszeiten des Abwasserschlammes zwischen 30-60 Tagen im Gärraum eine relativ niedrige Umsatzrate - die auch als Schlammarbeit in kg abgebauten BSB oder organische
Trockensubstanz = kg/oTS/d = Tag bezeichnet werden kannauf. Die für den Betrieb dieser konventionellen Gärsysteme notwendigen Grossbehälter mit ihren langen Aufenthaltszeiten sind allein schon als Bauwerke in Tierhal tungsbetrieben undenkbar.
Die Gärräume kommunaler oder industrieller Abwasserreinigungsanlagen werden in der Regel mit Trockensubstanzfrächten von ca. 3 %., bezogen auf das gesamte Gärraumvolumen, beschickt. Die Gärsysteme in diesen Anlagen gelten bereits bei einem Trockenstoffgehalt von über 4 % , auf das Gesamtvolumen des Gärraumes bezogen, als hydraulisch und mechanisch überbelastet.
Tierische Exkremente aus Intensivtierhaltungen enthalten, je nach Tierart und Aufstallungsmethode, zwischen 6 % und 14 % Trockensubstanz pro Liter.
Ein Verdünnen mit Wasser kann nicht in Frage kommen, weil damit zwar die Trockenstofffrächt pro Liter Flüssigkeit verringert wird, gleichzeitig aber das Gesamtvolumen je nach Verdünnungsgrad ansteigt, was wiederum eine volumetrische Vergrösserung des Gärraumes nach sich ziehen würde.
Der Gärraum einer BIOGAS-Anlage muss also in seiner Verfahrens- und Maschinentechnik in einer Weise angelegt werden, dass Trockenstofffrächten von max. 14 %, bezogen auf das gesamte Gärraumvolumen, durchgesetzt und in Bewegung gehalten werden können.
In den vergangenen zwei Jahren wurden in Europa und in USA eine Reihe von BIOGAS-Anlagen zur anaeroben Vergärung tierischer Exkremente gebaut und in Betrieb genommen, die sich in ihrer Bauart und mechanischen Ausrüstung eng an die in der .kommunalen Klärwerkstechnik verwendeten Gärsysteme anlehnen. Mit wenigen Ausnahmen erweisen sich diese BIOGAS-Anlagen als verfahrenstechnische Fehlschläge, da die eingesetzten Pumpen oder Rührwerke nicht in der Lage sind, den Gärrauminhalt bei einem Trockenstoffgehalt von auch nur 7-9 %. in Bewegung zu halten, resp. umzuwäl zen.
Zur Veranschaulichung der Problematik soll an dieser Stelle kurz die heute übliche Bauweise und angewendete Verfahrenstechnik für BIOGAS-Anlagen beschrieben werden.
Als Gärraum werden fast ausnahmslos Hochbehälter aus Be ton, Stahl oder Kunststoff mit in der Regel flachen Böden eingesetzt, die zur Vermeidung von Prozesswärmeverlusten mit einer Aussenisolation versehen sind. Die Prozesstemperatur von in der Regel +36ºC wird durch in die Gärräume eingebaute Wärmetauscher aufrechterhalten. Als Wärmeträger dient Warmwasser. Die Anlagen sind nach dem Verdrängungsprinzip mit Flüssigkeitsverschluss (Syphon) konstruiert. D.h., die Menge an Biomasse, die dem Gärraum täglich zugeführt wird, verdrängt über den Flüssigkeitsverschluss die gleiche Menge vergorene Biomasse aus dem Gärraum.
Die Aufenthaltszeit der Biomasse im Gärraum beträgt je nach Anlagenkonzept und gewünschtem Abbaugrad durch anaerobe Vergärung zwischen 12 und 20 Tage. Die Gärräume werden durch Pumpen mit frischer Biomasse beschickt, mit denen durch Umschiebern auch der Gärrauminhalt periodisch umgewälzt wird. Zur Vermeidung von Schwimmdecken, die sich durch spezifisch leichte Stoffe wie unverdaute Futterreste oder Getreidespelzen auf dem Flüssigkeitsspiegel im Gärraum bilden, wird zumeist ein mechanischer Schwimmdecakenzerstörer in Form einer halbeingetauchten Glockenschraube zentrisch in die Behälterdecke eingebaut. Auf diese Weise sollen die Schwimmstoffe in die Biomasse eingemischt werden. Das sich zwischen Behälterdecke und Flüssigkeitsspiegel ansammelnde brennbare Gas wird durch eine Rohrleitung in einen Nass- oder TrockengasSpeicher geleitet.
Vielfach scheitern die in der jüngsten Vergangenheit erbauten BIOGAS-Anlagen an der Formgebung der Gärräume. Wie bereits erwähnt, werden die meisten Böden der Gärräume von BIOGAS-Anlagen flach ausgebildet und die Umwälzpumpe zieht die Sinkstoffe knapp über dem Boden seitlich aus dem Behälter ab. Folglich werden nur die Sinkstoffe in unmittelbarer Nähe des Saugstutzens der Pumpe mitgeführt und die übrige Sinkmasse baut sich mehr und mehr auf und verfestigt sich, so dass bereits nach kurzer Zeit das
Gärraumvolumen erheblich vermindert wird und die Gasproduktion stark absinkt. Einzelne Konstrukteure bemühen sich, diesem Problem dadurch zu begegnen, indem sie. in die Gärräume knapp über den Boden laufende Rührwerke einbauen. Diese Rührwerkseinrichtungen schaffen zwar Abhilfe, setzen aber gleichzeitig den Gärraumabmessungen enge Grenzen. Wie auch bei konventionellen GärSystemen von Abwasserreinigungsanlagen, sollte aber auch der Boden des BIOGAS-Gärraumes als Konus mit min. 45º Anzug ausgebildet werden. Die Umwälzpumpe sollte nach Möglichkeit so angeordnet sein, dass die sich im Konus ansammelnden Sinkstoffe zentrisch aus dem Konus abgezogen und auf der Höhe des Flüssigkeitsspiegels dem Behälter wieder zugeführt werden.
Die Gasbildung im Gärraum einer BIOGAS-Anlage ist, falls die Anlage ordnungsgemäss funktioniert und betrieben wird, über 24 h täglich konstant. In der Regel wird das Gas während des Tages dem Verbraucher zugeführt und die Nachtproduktion muss bevorratet werden. Zur Gasspeicherung bieten sich Nass- und Trockengasspeicher mit einem Be triebsdruck von ca. 200 mm Wassersäule an. Diese Art Gasspeicher bilden voluminöse Bauwerke und können, abgesehen von hohen Investitionskosten, meist aus Platzgründen kaum eingesetzt werden. Der sich zwischen der Oberfläche der Biomasse und der Gasraumdecke befindende Freiraum kann bei der heute angewendeten Turmbautechnik kaum 5 % der täglichen Gasproduktion aufnehmen.
BIOGAS-Anlagen können in der Zukunft zur Substitution von flüssigen fossilen Brennstoffen einen angemessenen volkswirtschaftlichen Nutzen erbringen, wenn es gelingt, diese Anlagen bei einfachster betriebssicherer Bauweise und minimalem mechanischem Aufwand kostengünstig in Serie herzustellen.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Landwirtschaftsbetriebe mit Nutztierhaltung oder andere Betriebe, denen anaerob vergärbare Biomasse zur Verfügung steht, weitgehend energisau-cark und unabhängig von Energiemarktzwängen zu machen.
Die vorliegende Erfindung bezweckt daher die Schaffung einer Anlage zur anaeroben Vergärung von organischer Trokkenmasse zum Zwecke der Gewinnung eines brennbaren Gases unter besonderer Berücksichtigung ökonomischer Aspekte. Die wesentlichsten Ziele, die angestrebt werden, sind:
1. Gärraum und Gasraum der Anlage sollen eine Einheit bilden. 2. Gärraum und Gasraum sollen innerhalb der Einheit in ihrem Raumvolumen gleich sein.
3. Der Gärraum soll in einer idealen hydraulischen Form ausgebildet sein.
4. Der Gärraum soll eine hohe Konzentration an organischem Trockenstoff aufnehmen und anaerob abbauen" können.
5. Die Biomasse im Gärraum muss sich bei höchster Trockenstoffkonzentration in Intervallen 100%-ig durchmischen lassen.
6. Die Bildung von Schwimmdecken auf dem Flüssig keitsspiegel des Gärraumes muss verhindert werden.
7. Die Prozesstemperatur der Biomasse im Gärraum mu ss zwischen + 10 und 36ºC auf jeder gewünschten Temperaturstufe gehalten werden können.
8. Die Anlage soll sowohl im Durchlauf als auch im Chargenbetrieb arbeiten können.
9. Die Betriebskosten, resp. der Verbrauch an elek trischer Energie soll niedrig sein.
10. Die Anlage soll aus einem Material gefertigt sein, das flexibel und faltbar, säure- und gasfest sowie von hoher Reissfestigkeit ist. 11. Die Montage der Anlage soll auch durch nicht Fachleute erfolgen können.
12. Die Anlage soll bei einfachster Bauweise betriebssicher und wartungsarm sein sowie eine hohe Lebensdauer aufweisen.
Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch den, als Gärraum und Gasraum dienenden Behälter in Form einer geometrischen Hohlkugel mit allen prozesstech nischen Ein- und Aufbauten, dargestellt im Ueber druck-Betriebs zustand des Gasraumes.
Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch den, als Gärraum und Gasraum dienenden Behälter in Form einer geometrischen Hohlkugel mit allen prozesstegh nischen Ein- und Aufbauten, dargestellt im drucklosen Betriebszustand des Gasraumes.
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung, welche die Durchführung des anaeroben Gärprozesses ermöglicht, ist rein schematisch aus Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich.
Der Gärraum 1 und der Gasraum 2 bilden eine Einheit in der Form einer geometrischen Hohlkugel 3 aus flexiblem und faltbarem Werkstoff, wie ihn beispielsweise PVC-Folie oder gummiertes Textilgewebe darstellen. Der Gärraum 1 wird in eine befestigte, druckfeste Erdgrube 4 in der Form einer Halbkugel eingebettet und mit einem formgebenden Ringwall 6, vorzugsweise aus Ortsoder Fertigbetonteilen, bis zur Höhe des Kugeläquators 5 umgürtet.
Der Ringwall 6 dient gleichzeitig als Auflager 7 für das, vorzugsweise aus Stahlprofilen gefertigte Stützgerüst 8, an dem die flexible und faltbare Umhüllung 3 des, eine Halbkugel bildenden Gasraumes 2 befestigt ist.
Das Stützgerüst 8 dient gleichzeitig als Trägerkonstruktion für eine Schutzhülle 9 , die durch einen luftführenden Ringspalt 10 von der Gasraumumhüllung 3 getrennt ist.
Die Umhüllung des Gasraumes ist über ihrem höchsten Breitengrad perforiert und durch diese Perforation 11 wird ein Schachtrohr 12 ins Innere der Hohlkugel 3 durch den Gasraum 2 hindurch bis in den Gärraum 1 geführt.
Das Schachtrohr 12 wird durch die Stützkonstruktion 8 in einer fixen Position im Hchlkugeizentrum gehalten.
In das Schachtrohr 12 eingebaut sind das Befüllungsrohr 13 , mit dem der Gärraum 1 mit zu vergärendem Material beschickt wird und das Gasentnahmerohr 14, durch welches das sich im Gasraum 2 angesammelte Gas abgezogen wird.
Auf der Linie des Kugeläquators 5 weist das Schachtrohr 12 mehrere Durchbrüche 15 auf. Oberhalb der Durchbrüche 15 ist das Schachtrohr 12 gegen den Gasraum 2 durch ein gasdichtes Schott 16 verschlossen. Durch das gasdichte Schott 16 wird die Antriebswelle 17 durch eine Stopfbüchsendichtung 18 einer Schraubenpumpe 19 geführt, die unterhalb der Durchbrüche 15 angeordnet ist und in die Materialschüttung 20 des Gärraumes 1 ein taucht.
Der Teil des Schachtrohres 12, der in die Materialschüttung 20 des Gärraumes 1 eintaucht, ist mit einem doppelten Mantel 21 umgeben und im dazwischenliegenden Ringspalt 22 zirkuliert heisses Wasser.
Unter dem untersten Breitengrad ist die Umhüllung 3 des Gärraumes 1 perforiert und die Perforation 23 mündet in ein ausserhalb der Hohlkugel geführtes Kanalrohr 24, dessen Ausflussδffnung 25 auf der Höhe des Kugeläquators liegt.
Die Umhüllung 3 des Gasraumes 2 ist von aussen mit Gewichten 26, wie beispielsweise Sandsäcken, mehrfach beschwert.
Die Vorrichtung. in der Form einer Hohlkugel 3, die den Gärraum 1 und den Gasraum 2 enthält, kann z.B. folgende Dimensionen aufweisen:
Durchmesser: 6,0 m (D)
Gesamtvolumen: 113,0 m3 (V)
Gärraumvolumen: 56,5 m3 (V)
Gasraumvolumen: 56,5 m3 (V)
Sie kann wie folgt betrieben werden:
Eine wesentliche Voraussetzung für das einwandfreie Funk tionieren einer derartigen Vorrichtung zur Ausführung der anaeroben Vergärung zur Gewinnung eines brennbaren Gases ist die Aufbereitung und Zusammensetzung der anaerob zu vergärenden Biomasse. Diese soll einen möglichst hohen Gehalt an abbaubarer organischer Trockensubstanz enthalten und der gesamte Trockenstoff sollte einen Wassergehalt von nicht unter 85 % aufweisen, also noch pumpfähig sein.
Die Biomasse wird durch eine Pumpe solange dem Gärraumteil des Kugelbehälters zugeführt bis die Füllung die Höhe des Kugeläquators erreicht hat, wobei überschüssige Biomasse über den ausserhalb des Behälters geführten Ueberlaufkanal automatisch aus dem Behälter verdrängt wird. Der Ausfluss des Ueberlaufkanals liegt auf einer Ebene mit dem Kugeläquator und wirkt dadurch als Füllgrenze des Gärraumes.
Zur optimalen Durchführung der anaeroben Vergärung der Biomasse muss diese im Gärraum auf + 36 ºC erwärmt werden. Diese Prozesstemperatur muss durchgehend aufrechterhalten werden.
Bei der vorliegenden erfindungsgemässen Vorrichtung wird die Temperaturerhöhung der Biomasse auf + 36 ºC sowie die Temperaturerhaltung dadurch erreicht, dass der Teil des Schachtrohres, der zentrisch im Gärraum geführt wird und in die Biomasse eintaucht als Wärmetauscher ausgebildet ist.
Durch die grossflächigen Durchbrüche in der Schachtrohrwandung, in Höhe des gleichzeitig den Kugeläquator bildenden Spiegels der Biomasse, wird mittels einer, im Wärmetauscherteil des Schachtrohres eingebauten Schrau benpumpe die Biomasse von oben nach unten durch den Wärmetauscher bewegt und so die Wärme des als Wärmeträger dienenden Heisswassers auf die Biomasse übertragen.
Durch die Rotation der Schraubenpumpe werden auch an die Oberfläche der Biomasse auftreibende Schwimmstoffe immer wieder durch das Schachtrohr in die Biomasse eingesogen.
Durch Reversieren der Drehrichtung der Schraubenpumpe kann die Biomasse auch von unten nach oben durch den Wärmetauscher bewegt werden, was das Absetzen von Sinkstoffen am Gärraumboden verhindert.
Das durch die anaerobe Vergärung der Biomasse freigesetzte brennbare Gas mit einem spezifischen Gewicht von 0,823 im Verhältnis zu Luft sammelt sich unter der zusammengefalteten, durch Sandsäcke künstlich beschwerten Umhüllung des Gasraumes. Mit zunehmender Gasmenge steigt der, mittels der Gewichtung der Gasraumumhüllung genau zu de finierende Gasdruck langsam an und beginnt die zusammengefaltete Gasraumhülle zu einer Halbkugel aufzublähen bis der, durch die Gewichtung vorausbestimmte Betriebsdruck erreicht ist.
Der Betriebsdruck innerhalb des Gasraumes wird mittels einer sogenannten Wasservorlage oder Wassersäule aufrechterhalten, durch die nach erreichtem Betriebsdruck überschüssiges Gas in die Atmosphäre entweichen kann.
Wird durch einen Verbraucher Gas aus dem Gasraum entnommen, beginnt sich bei erreichtem atmosphärischem Gleichdruck im Inneren des Gasraumes die gewichtete Umhüllung zusammenzufalten und das Gas, bei gleichbleibendem Fliess druck, aus dem Gasraum auszupressen.
Ist der Gasbedarf des Verbrauchers gedeckt, beginnt sich die Umhüllung wieder mit Gas zu füllen.
Wird dem Gärraum in genau zu definierenden zeitlichen Abständen frische, unvergorene Biomasse zugeführt, so wird gleichzeitig durch das Ueberlaufrohr vergorene Biomasse aus dem Gärraum verdrängt.
Zur Verhinderung von WärmeVerlusten wird der gesamte Hohlkugelbehälter mit einer Wärmedämmschicht umgeben und der Gasraum zusätzlich mit einer Wetterschutzhülle überspannt.
Die hier beschriebene Vorrichtung zur Durchführung der anaeroben Vergärung unterscheidet sich in ihrer Materialwahl und Bauform wesentlich von anderen heute bekannten Vorrichtungen zur Durchführung dieses bekannten Prozesses.
Die grundsätzlichen Neuerungen betre-ffen sowohl die Wahl eines flexiblen und faltbaren Werkstoffes als auch, die Wahl der geometrischen Form einer Hohlkugel, die gleichzeitig als Gärbehälter und Gasspeicher dient.
Obwohl flexibles und faltbares Material zur an sich bekannten Auskleidung von Becken oder zur Erstellung von
Behältern verwendet wird und auch Gasspeicherbehälter aus diesem Material in Hohlkugel- oder Zylinderform an sich bekannt sind, ist deren Kombination zu der erfindungsgemässen Vorrichtung so wie der mit ihr zu erreichende Zwecak grundsätzlich neu.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur anaeroben Vergärung organischer
Feststoffe zum Zwecke der Gewinnung eines brennbaren Gases, dadurch gekennzeichnet, dass der Gärraum (1) und der Gasraum. (2) eine Einheit in der Form einer geometrischen Hohlkugel (3) oder eines Hohlzylinders mit halbkugelförmigem Boden oder mit einem flachen Boden und einer halbkugelförmigen Decke aus flexiblem und faltbarem Werkstoff bilden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Hohlkugel das zu vergärende Material so lange eingebracht wird, bis die Höhe der Materialschüttung der Höhe des Kugeläquators entspricht, wobei im nicht mit Material, bedeckten Raum der Hohlkugel das, durch den anaeroben Abbau der organischen Feststoffe frei werdende, brennbare Gas aufgefangen wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gärraum bis zur Höhe der Materialaufschüttung in einem, der Bauform des Gärraumes angepassten druckfesten Auflager eingebettet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasraum an seinem höchsten Breitengrad an einem Gerüst befestigt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über den Gasraum, durch einen luftführenden Ringspalt von diesem getrennt, eine Schutzhülle gespannt ist, welche vorzugsweise aus einem wärmedämmenden flexiblen und faltbaren Werkstoff besteht.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung des Gasraumes von aussen künstlich beschwert ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch das sich sammelnde Gas im Gasraum ein genau zu definierender üeber druck hergestellt wird, der durch eine Wassersäule aufrechterhalten wird, wobei das Gas durch Oeffnen eines Verschlusses durch das Zusammenfalten der künstlich beschwerten Gasraumumhüllung aus dem Gasraum evakuierbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gärraum über seinem höchsten Breitengrad perforiert ist und dass durch die Perforation ein vertikales Schachtrohr in das Innere der Hohlkugel geführt ist, welches in die Materialschüttung eintaucht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem. Teil des Schachtrohres, der den Gasraum durchquert, eine Rohrleitung zur Materialbeschickung des Gärraumes und/oder eine Rohrleitung zur Gasentnahme aus dem Gasraum geführt ist, wobei vorzugsweise das Schachtrohr an seinem Umfang auf der Ebene des Kugeläquators mehrfach perforiert ist und sich über der Perforation des Schachtrohres in diesem ein gasdichtes Schott befindet.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 , dadurch gekennzeichnet, dass durch das gasdichte Schott über eine Abdichtung die Antriebswelle einer Schraubenpumpe geführt ist, wobei sich vorzugsweise die Schraubenpumpe in dem Teil des Schachtrohres, der in die Materialschüttung eintaucht, befindet.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des Schachtrohres, der in die Materialschüttung eintaucht, eine doppelte Wandung besitzt, in deren Ringspalt heisses Wasser zirkuliert, das seinen Wärmeinhalt an die Materialschüttung abgibt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gärraum unter seinem untersten Breitengrad eine Perforation aufweist, die in einen, ausserhalb des Gärraumes geführten materialführenden Kanal mündet, dessen Ausfiuss öffnung auf der Ebene des Hohlkugeläquators liegt.
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