Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Biogas
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens .
Bei den bekannten Verfahren zur Biogasgewinnung wird üblicherweise ein Faulturm eingesetzt, bei dem eine große Menge an kohlenstoffhaltigem Material in einer Charge verarbeitet wird. Das Material enthält beispielsweise Klärschlamm und Hausmüll . Die gesamte Charge ruht dann unter Luftabschluß und Wärmezufuhr, so daß der Faulungsprozeß einsetzt. Das hierbei entstehende Biogas (im wesentlichen Methan) wird in Gasometern gesammelt. Nach dem Absinken der Biogasproduktion wird die gesamte Charge aus dem Faulturm entnommen und dieser neu beschickt. Die Biogasprodutktion ist bei der Neubeschickung zunächst auf null abgefallen, bis die Produktion durch erneutes Einsetzen des Faulungsprozesses wieder ansteigt. Insgesamt sind durch diesen chargenweisen Betrieb starke Schwankungen der Biogasproduktion unvermeidlich, so daß ein großes
Puffervolumen in Gestalt eines Gasometers vorgehalten __ werden muß .
Aus der DE 3015239 AI ist zum Beispiel ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Hausmull und Klarschlamm bekannt, bei dem der Faulprozeß über den zunächst zu erwartenden Anstieg hinaus gefuhrt wird und dieser kurz nach dem Überschreiten der maximalen Produktionsrate abgebrochen wird. Das auf diese Weise nicht vollständig ausgenutzte Material enthalt noch einen gewissen Kohlenstoffanteil, der dieses Material für die nachfolgende Kompostierung geeignet macht. Diese Nachkompostierung erzeugt wiederum Reaktionswarme, die dem Faulprozeß zugeführt werden kann. Auen bei diesem bekannten Verfahren ist es jedoch unvermeidlich, daß ein chargenweiser Betrieb durchgeführt wird, αer zu der oben erwähnten starken Schwankung der Biogasproduktion fuhrt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Biogaserzeugung zu schaffen, bei der die Produktionsrate bei dem Eintrag von frischem Material nicht auf null absinkt.
Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie von Vorrichtungen m t den Merkmalen des Anspruchs 9 und des Anspruchs 18 gelost.
Weil das Material an einer Eintragstelle auf eine langsam laufende Fordervorrichtung gegeben und am Ende der Fordervorrichtung an einer Austragstelle ausgegeben wird, wobei der Faulungsprozeß zumindest zu einem erheblichen Teil wahrend der Verweildauer des Materials auf der Fordervorrichtung ablauft, kann bei Absinken der Biogasproduktionsrate das verbrauchte Material mit der größten Verweildauer am Ende des Forderers aufgegeben werden, wahrend an der Eintragstelle frisches Material m entsprechender Menge zugeführt wird. Die Zone zwischen
dem verbrauchten und dem frischen Material mit guter __ __ Biogasproduktionsrate wird dabei weiter zur Austragstelle hin verlagert, aber in der Biogasproduktion nicht gestört .
Einen einfachen Eintrag und Austrag erreicht man dadurch, daß das Material durch Luftschleusen m den Innenraum gelangt bzw. aus dem Innenraum entfernt wird. Hierdurch wird zum einen eine unerwünschte Sauerstoffzufuhr zu dem Material vermieden, zum anderen wird auch die Bildung einer explosiven Atmosphäre verhindert.
Vorteilhafte Zeitablaufe ergeben sich, wenn das Material auf der Fordervorrichtung zumindest mehrere Tage, insbesondere i bis 20 Tage und vorzugsweise etwa 14 Tage verbleibt. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Erzeugungsrate des Biogases überwacht wird und der Faulungsprozeß bei Absinken der Erzeugungsrate unter eine bestimmte Rate durch Austrag von Material mit großer Verweilzeit und Eintrag von frischem Material geregelt wird. Die Effizienz der Biogaserzeugung und der Restgehalt an Kohlenstoff in dem ausgetragenen Material wird durch eine solche Regelung besser kontrolliert als durch eine reine Zeitsteuerung.
Ein einfaches Verfahren ergibt sich, wenn bei dem Austrag von Material mit großer Verweilzeit und dem Eintrag von frischem Material jeweils etwa 60% bis 70% des Materials in dem Innenraum verbleibt. So wird jeweils etwa 1/3 des Materials gewechselt, wahrend bei 2/3 des Materials die Biogasproduktion fortschreitet. So ist gewährleistet, daß die Biogasproduktion nicht vollständig auf null abfallt, sondern nur auf etwa 2/3 des erreichbaren Maximalwerts. Von diesem reduzierten Wert aus steigt die Biogasproduktion dann sehr schnell auf den Maximalwert an .
Weiterhin ist von Vorteil, wenn das Material wahrend des_ __ Faulungsprozesses beheizt wird, insbesondere mit der Abwarme einer nachgeschalteten oder parallel arbeitenden Kompostierungsvorrichtung. Die Heizung wird mit besonders guter Effizienz etwa in dem mittleren Drittel des Forderweges vorgesehen. Außerdem ist von Vorteil, wenn das Material wahrend des Faulungsprozesses mehrmals gewendet wird. Hierdurch wird das Material aufgelockert und die Entgasung gefordert.
Die Aufgabe wird außerdem gelost durch eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Weil ein durch eine Bodenwand, eine Dachwand und mehrere Seitenwande begrenzter Innenraum sowie eine Eintragsoffnung und eine Austragsoffnung vorgesehen sind, wobei weiter zur Forderung des Materials von der Eintragsoffnung zu der Austragsof nung drei im wesentlichen in dem Innenraum verlaufende Forderer vorgesehen sind, kann das Material wahrend der Biogasproduktion auf den Forderern ruhen.
Dabei ist für die Biogasproduktion von Vorteil, wenn wenigstens eine dem Innenraum zugeordnete Heizvorrichtung vorgesehen ist, die vorzugsweise mit einer nachgeschalteten oder parallel geschalteten Kompostierungsvorrichtung verbunden ist und deren Abwarme nutzt. Es ist außerdem von Vorteil, wenn dem Innenraum eine Beluftungsvorπchtung zugeordnet ist.
Für eine möglichst ruhende Beförderung des Materials ist es von Vorteil, wenn die Forderer Bandförderer sind. Dabei ist eine Anordnung der Forderer vorteilhaft, bei der das Material jeweils von einem im Forderstrom des Materials stromaufwärts gelegenen Forderer auf den stromabwärts folgenden Forderer abgelegt werden kann. Für
die Fordergeschwindigkeit der Forderer ist mit Vorteile __ _ eine Steuer- oder Regelvorrichtung vorgesehen. Außerdem ist vorteilhaft, wenn ein Temperaturfühler für die Temperatur des Materials zur Verfugung steht.
Die Entgasung des Materials wird gefordert, wenn wenigstens einem Forderer Mittel zum Umlegen des Materials, beispielsweise nach Art einer Pflugschar, zugeordnet sind. Außerdem ist für die Betriebssicherheit von Vorteil, wenn der Eintragsoffnung eine Abscheidevorrichtung zur Abtrennung ferromagnetischer Stoffe zugeordnet ist, die anderenfalls zur Funkenbildung fuhren konnten. Diese Maßnahme dient dem Explosionsschutz .
Eine andere Vorrichtung, die die gestellte Aufgabe lost, weist die Merkmale des Anspruchs 18 auf.
Weil ein rohrformiger oder trommelformiger , ein einen Innenraum umschließender Grundkorper sowie wenigstens eine Eintragsoffnung und eine Austragsoffnung vorgesehen sind, wobei zur Forderung des Materials von der Eintragsoffnung zu der Austragsoffnung der Grundkorper um eine Drehachse drehbar und mit seiner Drehachse gegen die Horizontale geneigt ist, kann die Forderbewegung durch an- und abschalten der Rotation des Grundkorpers nach Art einer Forderschnecke gesteuert werden. Insbesondere ist es hier ebenso möglich, eine bestimmte Menge des Materials an der Austragsoffnung aufzugeben, wahrend die entsprechende Menge frischen Materials nachgefüllt wird.
Von Vorteil ist hierbei, wenn der Grundkorper doppelwandig mit einem mantelformigen Zwischenraum gestaltet ist und wenigstens eine dem Zwischenraum zugeordnete Heizvorrichtung vorgesehen ist. Die Doppelwandigkeit ermöglicht eine gute Warmeisolation des Innenraums gegenüber der Umgebungstemperatur, aber auch
eine indirekte Beheizung des Materials durch Wärmezufuhr^ die unmittelbar in den Zwischenraum geht.
Für eine gute Entgasung ist bei dieser Vorrichtung vorteilhaft, wenn der Innenraum Einbauten als Forderschaufeln und/oder Wendeschaufeln aufweist, die sich entweder mit dem Grundkorper drehen oder die gegenüber dem Grundkorper feststehen. Eine einfache Forderbewegung innerhalb des Grundkorpers ergibt sich, wenn die Eintragsoffnung in Richtung der Gravitation oberhalb der Austragoffnung angeordnet ist.
Zur Regelung einer optimalen Biogaserzeugung ist eine Steuer- oder Regelvorrichtung für die Drehgeschwindigkeit des Grundkorpers vorgesehen. Auch hier ist von Vorteil, wenn ein Temperaturfühler für die Temperatur des Materials vorgesehen ist. Zu Zwecken der Explosionssicherheit ist der Eintragsoffnung eine Abscheidevorrichtung zur Abtrennung ferromagnetischer Stoffe zugeordnet. Nachfolgend wird ein
Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1: Eine erfmdungsgemaße Vorrichtung mit einem rohrformigen Grundkorper;
Figur 2 : die Vorrichtung gemäß Figur 1 in einem Querschnitt von der Seite; sowie
Figur 3: ein Diagramm mit der Biogaserzeugungsrate in Abhängigkeit von der Zeit nach der Erfindung und nach dem Stand der Technik.
In der Figur 1 ist eine erfmdungsgemaße Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens veranschaulicht. Die Vorrichtung umfaßt ein leicht gegen die Horizontale
geneigtes Drehrohr 1, das drehbar auf Lagerbocken 2 __ __ gelagert ist. Der Antrieb des Drehrohrs erfolgt aus einer Antriebseinheit 3 über einen am äußeren Umfang vorgesehenen Antriebskranz 4. Das Drehrohr 1 weist eine im Forderstrom stromaufwärts liegende Luftschleuse 5 für den Mateπalemtrag sowie eine im Forderstrom stromabwärts liegende Luftschleuse 6 für den Mateπalaustrag auf.
Der Materialeintrag erfolgt beispielsweise über ein Forderband 7, das das Material beispielsweise in Form von Klarschlamm oder Hausmull 8 in einen relativ kleinen Vorratsbehalter 9 gibt, von dem aus das Material 8 durch die Luftschleuse 5 in das Drehrohr 1 gelangt.
Im Bereich der ausgangsseitigen Luftschleuse 6 ist eine Austragoffnung 10 mit einem zweiten Bandförderer 11 zum Austrag des verbrauchten Materials vorgesehen, das beispielsweise in der Folge kompostiert werden kann. Außerdem ist eine Gasleitung 12 vorgesehen, durch die das erzeugte Bioas zur weiteren Verwertung, insbesondere zur Energieerzeugung abgeführt werden kann.
Die Figur 2 zeigt das Drehrohr gemäß Figur 1 in einem Querschnitt von der Seite, wobei die Darstellung zur Veranschaulichung schematisch gehalten ist. Das Drehrohr 1 ist doppelwandig mit einer Außenwand 20 und einer Innenwand 21 ausgeführt. Der Luftraum zwischen der Außenwand 20 und der Innenwand 21 dient zur Warmeisolat on des Innenraums. Der Innenraum ist außerdem mit Wendeschaufeln 22 versehen, die m verschiedenen Konfigurationen in dem Innenraum angeordnet sein können. Außerdem ist jede Luftschleuse mit einer drehschiebeartigen Verschlußvorrichtung 23 versehen, die eine unmittelbare und direkte Belüftung des Innenraums verhindert .
In der Praxis arbeitete die Vorrichtung gemäß Figur 1 und __ Figur 2 folgendermaßen: Frischmaterial 8 wird über den Forderer 7 in den Vorratsbehalter 9 gegeben und steht dort an dem verschlossenen Drehschieber 23 an. Durch Drehung des Drehrohres 1 wird der vom Vorratsbehalter kommende Kanal 9 am Bereich des Drehschiebers 23 geöffnet und da Material 8 gelangt m das Drehrohr 1. Dort wird es unter Beheizung des Zwischenraumes zwischen der Außenwand 20 und der Innenwand 21 unter Luftabschluß in den anaeroben Zustand übergehen und die Faulung, die letztlich zur Biogaserzeugung fuhrt, setzt ein. In dieser Phase steigt die Biogaserzeugung an und das Biogas wird über die Abgasleitung 12 aus dem Innenraum herausgeleitet. Eine erneute Drehung des Drehrohres 1 bewirkt einen Transport des in dem Innenraum befindlichen Materials 8 m Richtung der Schwerkraft auf die Austragoffnung 10 zu. Außerdem wird das im Innenraum befindliche Material bei langsamer Drehung des Drehrohres 1 durch die Wendeschaufeln 22 gewendet und damit einerseits homogenisiert und andererseits eine bessere Entgasung ermöglicht. Das zuerst eingetragene Material rutscht also abwärts, wahrend von oben frisches Material nachgeliefert wird. Das ursprünglich eingetragene Material fuhrt die Biogasentwicklung fort, wahrend das frische Material die Biogasentwicklung zunächst aufnimmt. Hierdurch steigt die Produktionsrate weiter an.
Wenn die untere Hälfte des Drehrohres mit Material gefüllt ist, ist das zuerst eingetragene Material bereits im wesentlichen verbraucht und die Gesamtproduktionsrate an Biogas fallt ab. Nun wird bei einer weiteren Drehung des Drehrohres 1 die Austragoffnung geöffnet, so daß ein Teil des Inventars ausgetragen wird, wahrend am Einlaß frisches Material zugeführt wird. Dieser Prozeß wird dann quasikontmuierlich fortgeführt, so daß immer ein
bestimmter Teil des Inventars, der in der __ __
Biogasproduktion nachlaßt, gegen frisches Material ausgetauscht, wahrend das zuvor eingetragene frische Material weiter nach unten wandert.
Bei einer derzeitig bevorzugten Ausfuhrungsform des Verfahrens wird etwa alle 5 Tage ein Drittel des Inventars entnommen und durch Frischmateπal ersetzt, so daß die gesamte Verweildauer des Materials in dem Biogaserzeuger 15 Tage betragt. Wesentlich für die gute Biogaserzeugung bei diesem Verfahren und dieser Vorrichtung ist die relativ geringe Schichthohe, die zu niedrigen hydrostatischen Drucken innerhalb des Materials fuhrt. Außerdem ist der weitgehend ungestörte Faulungsprozeß vorteilhaft, der durch ein sanftes Umlegen und ein langsames Fordern des Materials erreicht wird.
Die Biogasproduktion fallt durch die nur teilweise Entnahme des gaserzeugenden Materials nicht auf null, sondern lediglich auf Werte von etwa 75%, so daß auch nach der Entnahme des verbrauchten Materials eine nur unwesentlich schwächere Gaserzeugung ansteht.
Die Erzeugungsrate von Biogas in Abhängigkeit von der Zeit ist in der Figur 3 veranschaulicht. Ausgenend von einem Zeitpunkt 0 steigt bei dem erfmdungsgemaßen Prozeß die Erzeugungsrate auf einen relativen Wert von 100% innerhalb von etwa 8 Tagen an. Sie fallt dann durch Verbrauch αes Materials zum 10. Tag etwa auf 80% der Maximalleistung ab. Am 10. Tag wird ein Drittel des Materials ausgetragen und durch frisches Material ersetzt, wonach bei dem frischen Material die Gaserzeugung einsetzt und die gesamte Gaserzeugung wieder bis 100% steigt. Wiederum sinkt die Gaserzeugungsrate nach Erreichen des Maximums bis auf etwa 80% ab, so daß erneut das verbrauchte Material entnommen und durch
frisches Material ersetzt wird. Im Rhythmus von etwa 5 __ __ Tagen wird so jeweils ein Drittel des Materials entnommen und die entsprechende Menge an Fπschmaterial zugeführt. Der zeitliche Verlauf der Gasproduktion ist durch die durchgezogene Linie 30 in der Figur 3 veranschaulicht.
Bei der bislang vorgenommenen Methode zur Biogaserzeugung in Faulturmen erreichte man zeitliche Verlaufe der Produktionsraten, wie sie in der gestrichelten Linie 31 dargestellt sind. Die Erzeugungsrate steigt nach dem Eintrag des Materials von null bis auf einen Maximalwert an und fallt dann wieder ab. Zu einem bestimmten Zeitpunkt wird das gesamte verbrauchte Inventar aus dem Faulturm entnommen und durch frisches Material ersetzt, so daß die Biogaserzeugung auf null abfallt und sich von dort aus wieder aufbauen muß . Aus Gründen der einfacheren Darstellbarkeit ist die gestrichelte Linie 31 des Standes der Technik gegenüber der durchgezogenen Linie 30 nach dem erfmdungsgemaßen Verfahren nach unten versetzt. Es ist jedoch ersichtlich, daß die Biogaserzeugung als Integral der dargestellten Funktion bei dem erfmdungsgemaßen Verfahren großer ist. Außerdem ist die Produktionsrate im zeitlichen Mittel konstanter, so daß keine großen Pufferkapazitaten zu einer Vergleichmaßigung der Biogaserzeugung vorgehalten werden müssen. Die erfmdungsgemaßen Vorrichtungen und das erfmdungsgemaße Verfahren haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß quasikontmuierlich relativ kleine Mengen von Material m die Vorrichtung eingetragen werden. Beim Stand der Technik mußte jeweils eine so große Menge an organischem Abfall vorgehalten werden, daß eine gesamte Füllung des jeweiligen Faulturms bereitstand. Die Bevorratung derart großer Mengen von feuchtem, anaeroben Abfall ist jedoch in der Praxis problematisch und wird durch das erfmdungsgemaße Verfahren überflüssig.
Die Anlage gemäß Figur 1 kann etwa einen __ _
Drehrohrdurchmesser von 3 bis 4 m aufweisen, wanrend die Lange des Drehrohrs 10 m oder mehr betragen kann. Der Antrieb des Drehrohrs 1 kann durch hydraulische Antriebsmotoren erfolgen, die m der möglichst explosionsgeschutzt ausgeführten Anlage gegenüber Elektromotoren oder Verbrennungsmotoren vorteilhaft sind. Außerdem können in anderen Ausfuhrungsformen die Eintrags- und Austragsoffnungen durch hydraulische Schieber oder ähnliche Verschlüsse gesteuert werden, wenn die Losung mit Drehschieber unerwünscht ist.
Bei der Steuerung des Verfahrens kann der Austrag des verbrauchten Materials so frühzeitig erfolgen, daß noch ein signifikanter Kohlenstoffanteil vorhanden ist. Mit diesem Kohlenstoffanteil kann dann das ausgetragene Material gegebenenfalls unter Beimischung von Hausmulloder Klarschlammresten m eine Kompostierungsanlage gegeben werden, wo das ausgetragene Material durch aerobe Verrottung hygienisch einwandfrei gemacht wird.
Die aerobe Verrottung liefert dann auch die Abwarme, die zur Beheizung des Drehrohres, die vorzugsweise in der Mitte erfolgt, benotigt wird.