WO2002031104A2 - Garagenförmiger biogasfermenter zur methanisierung von biomasse - Google Patents

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Manfred Hoffmann
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    • Y02E50/00Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the present invention relates to a garage-shaped biogas fermenter for methanizing biomass, comprising a floor, walls, a biogas outlet and a charging and emptying opening which can be closed gas-tight by means of a gate.
  • Biomass is decomposed in an anaerobic environment by suitable bacteria with the formation of biogas (especially methane), whereby both one-step processes and two-step processes (hydrolysis step and methanation step) have been proposed (see e.g. DE 19516378 AI and DE 19518234 AI).
  • EP 0934998 A2 discloses a process for the methanation of pourable, stackable or lumpable inoculated biomass, in which a vaccine material is added as a single addition to the biomass arranged in a container and surrounded by an air-impermeable casing (for example film), and the so formed Reaction mass is fermented without further inoculation in the absence of air.
  • a piercing spike is introduced into the biomass through the casing surrounding the biomass, through which the biomass is first aerated for the purpose of pre-rotting, then flooded with a liquid vaccine material and the resulting biogas is drawn off during fermentation.
  • the inoculation material can be added during the production of the bale wrapped with film from biomass; in this case the bale is either actively or passively deaerated after the preliminary rotting, if necessary with the addition of water.
  • DE 4437717 Cl relates to a main fermenter for single and multi-stage processes, which is designed to be variable in volume and is connected to an expansion tank.
  • This main fermenter should alternatively be suitable for creating a homogeneous biomass and for separating gas mixtures.
  • the present invention aims to provide a practical fermenter for the methanation of biomass, which is characterized by a high level of functionality and a high safety standard by a low manufacturing cost and high cost-effectiveness, so that it is particularly suitable for decentralized use.
  • the biogas fermenter according to claim 1 is constructed in a garage-like construction, comprising a floor, walls and a loading and emptying opening which can be closed gas-tight by means of a gate. This allows the fermenter to be set up inexpensively using prefabricated components, in particular prefabricated concrete parts, and because of the possibility of modular construction, different sizes, designed for different throughputs, can be built with the least possible manufacturing effort.
  • the loading and emptying opening is arranged in one of the walls or replaced - with appropriate dimensioning - one of the walls, which is the functional level loading and emptying of the fermenter by the usual groups of people and professions that are suitable for the use of fermentation technology available vehicles (e.g. front loader).
  • the inclination of the bottom of the fermenter due to a slope directed towards the rear wall opposite the loading and unloading opening is particularly important from a safety point of view. This design prevents biomass from migrating towards the gate as a result of the formation of a sliding layer and favored by settlement phenomena, thus creating uncontrollable static loads and accident risks when the gate is opened.
  • the above-described slope of the floor provided according to the present invention does not necessarily have to extend from the loading and emptying opening to the opposite wall. Rather, in order to achieve the decisive effect here, it is sufficient for a predominant surface portion of the bottom of the fermenter to be inclined in the sense outlined from the loading and emptying opening in the direction of the opposite wall.
  • the construction of the fermenter according to the invention discussed here and discussed above favors the construction of structural units comprising several individual fermenters, the individual fermenters being able to be arranged in particular next to one another with common walls.
  • the fermenters according to the present invention are operated in batches and that, as a rule, the biomass to be fermented is produced continuously, it is particularly favorable to divide the total throughput of the plant into several individual fermenters. This is possible using the present invention under economic conditions.
  • a first preferred development of the biogas fermenter according to the invention is characterized in that the bottom, in addition to the gradient from the loading and emptying opening in the direction of the opposite wall, extends to the longitudinal center, which extends from the loading and emptying opening to the rear wall having.
  • a drainage channel can be created in the longitudinal center of the floor, which will be discussed in greater detail below.
  • the bottom of the fermenter has a drainage channel in the area of the rear wall. Like the drainage channel (see above), which may be arranged in the longitudinal center of the floor, this can be connected to a percolate disposal system which is explained in greater detail below.
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  • Such a biofilter can be produced in a particularly cost-effective manner using a plurality of rings placed on top of one another (for example manhole rings made of concrete), a screen-shaped intermediate floor being clamped between two rings.
  • the intermediate floor in question carries the biological filter material (e.g. bark mulch, chopped wood, raw compost). Settlement phenomena of the biological filter material are counteracted, so that the flow resistance through the biofilter does not increase appreciably. This is also an aspect of economy.
  • the biogas fermenter according to the invention preferably has a percolate circulation system which comprises a collecting unit, a storage unit, a pump unit and an application unit.
  • the application unit is arranged above the biomass to be fermented; with it the percolate is sprayed or sprinkled for the correspondingly homogeneous wetting of the biomass.
  • the storage unit can comprise a percolate heater, which allows the percolate to be applied to the biomass at a predetermined temperature. In terms of energy, it is particularly favorable if the percolate heating is operated with waste heat from a combined heat and power plant provided for the utilization of the biogas. From an environmental point of view, it is particularly favorable that the biogas fermenter according to the invention can be operated without waste water if the process is carried out appropriately.
  • the waste heat from the combined heat and power plant can also be used to control the temperature of the fermenter or the biomass to be fermented.
  • the floor O the floor O
  • a heat exchanger assigned to the cogeneration unit 41 is connected, in which the heat transfer medium circulating in the flow channels is heated using the waste heat from the cogeneration unit.

Abstract

Ein garagenförmiger Biogasfermenter (1) zur Methanisierung von Biomasse (9) umfaßt einen Boden (5), Wände (2, 3, 4), einen Biogasaustritt (15) und eine mittels eines Tores (8) gasdicht verschließbare Beschickungs- und Entleerungsöffnung (7). Dabei weist der Boden (5) ein in Richtung auf die rückwärtige, der Beschickungs- und Entleerungsöffnung (7) gegenüberliegende Wand (4) geneigtes Gefälle auf.

Description

Garagenförmiger Biogasfermenter zur Methanisierung von
Biomasse
Die vorliegende Erfindung betrifft einen garagenförmi- gen Biogasfermenter zur Methanisierung von Biomasse, umfassend einen Boden, Wände, einen Biogasaustritt und eine mittels eines Tores gasdicht verschließbare Beschickungs- und Entleerungsöffnung.
Bei der Vergärung von biogenem Material handelt es sich um eine Alternative zu der bereits verbreitet eingesetzten Kompostierung. Dabei wird Biomasse in einem anaeroben Milieu von geeigneten Bakterien unter Bildung von Biogas (insbesondere Methan) zersetzt, wobei sowohl einstufige Verfahren wie auch zweistufige Verfahren (Hydrolysestufe und Methanisierungsstufe) vorgeschlagen wurden (vgl. z.B. DE 19516378 AI und DE 19518234 AI).
Überwiegend ist dabei bisher an Verfahren der Naßfermentation gearbeitet worden, bei denen die Biomasse vor der Vergärung zur Erzeugung eines homogenen pump- und rührfähigen Breis aufbereitet wird. Nachteilig bei derartigen Verfahren ist der mit der Aufbereitung der Biomasse verbundene hohe Aufwand; zudem sind derartige Verfahren der Naßfermentation vergleichsweise störanfällig, insbesondere im Hinblick auf Fremdstoffe. Vor diesem Hintergrund ist in jüngster Zeit zunehmend die Trockenfermentation in das Interesse gerückt .
Aus der EP 0934998 A2 ist ein Verfahren zur Methanisierung von schüttfähigen, stapelbaren oder stückigmachbaren inoculierten Biomassen bekannt, bei dem der in einem Behälter angeordneten, von einer luftundurchlässigen Hülle (z.B. Folie) umgebenen Biomasse ein Impfmaterial als Einmalzugabe zugesetzt und die so gebildete Reaktionsmasse ohne weiteres Nachimpfen unter Luftabschluß vergoren wird. Zur Durchführung dieses Verfahrens wird durch die die Biomasse umgebende Hülle ein Einstechdorn in die Biomasse eingebracht, durch den hindurch die Biomasse zunächst zum Zwecke einer Vorrotte belüftet, anschließend mit einem flüssigen Impfmaterial geflutet und während der Vergärung das entstehende Biogas abgezogen wird. Alternativ kann das Impfmaterial bereits bei der Herstellung des mit Folie umwickelten Preßballens aus Biomasse beigemischt werden; in diesem Falle wird der Ballen nach der Vorrotte entweder aktiv oder passiv entlüftet, gegebenenfalls unter Zugabe von Wasser.
Die DE 4437717 Cl betrifft einen Hauptfermenter für ein- und mehrstufige Prozesse, der volumenveränderlich ausgebildet und mit einem Ausgleichsbehälter verbunden ist. Dieser Hauptfermenter soll alternativ zur Schaffung einer homogenen Biomasse und zur Trennung von Gasgemischen geeignet sein.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen praxisgerechten Fermenter zur Methanisierung von Biomasse bereitzustellen, der sich bei hoher Funktionalität und einem hohen sicherheitstechnischen Standard durch einen geringen Herstellaufwand und eine hohe Wirtschaftlichkeit auszeichnet, so daß er sich insbesondere für den dezentralen Einsatz eignet.
Gelöst wird diese Zielsetzung durch den Biogasfermenter nach Anspruch 1. Demnach sind die nachstehend im einzelnen gewürdigten Merkmale in Kombination miteinander besonders günstig in sicherheitstechnischer und funktionaler Hinsicht sowie im Hinblick auf die Herstel- lungskosten, die Praxistauglichkeit und die Wirtschaftlichkeit. Der erfindungsgemäße Biogasfermenter ist in einer garagenförmigen Bauweise errichtet, umfassend einen Boden, Wände und eine mittels eines Tores gasdicht verschließbare Beschickungs- und Entleerungsöffnung. Dies gestattet die kostengünstige Errichtung des Fermenters unter Verwendung vorgefertigter Bauelemente, insbesondere von Betonfertigteilen, wobei sich aufgrund der Möglichkeit zur Modulbauweise unterschiedliche, auf verschiedene Durchsätze ausgelegte Baugrößen mit geringetmöglichem Herstellaufwand errichten lassen. Die Beschickungs- und Entleerungsδffnung ist dabei in einer der Wände angeordnet bzw. ersetzt - bei entsprechender Dimensionierung - eine der Wände, was die funktionale ebenerdige Beschickung und Entleerung des Fermenters durch übliche, bei zahlreichen für die Anwendung der Vergärungstechnik in Betracht kommenden Personen- und Berufsgruppen verfügbare Fahrzeuge (z. B. Frontlader) ermöglicht. Die Neigung des Bodens des Fermenters durch ein in Richtung auf die rückwärtige, der Beschickungsund Entleerungsöffnung gegenüberliegende Wand gerichtetes Gefälle ist dabei in sicherheitstechnischer Hinsicht besonders bedeutsam. Durch diese Gestaltung wird verhindert, daß Biomasse infolge einer Gleitschichtbil- dung und begünstigt durch Setzungserscheinungen in Richtung auf das Tor wandert und so unbeherrschbare statische Belastungen und Unfallgefahren beim Öffnen des Tores entstehen. In diesem Zusammenhang ist zu bedenken, daß an die Innenflächen des Fermenters im Bereich der Wände und insbesondere des Bodens besondere Anforderungen gestellt werden (z.B. Gasdichtheit und Säurefestigkeit) , die sich mit vertretbarem Aufwand nur durch eine geeignete Beschichtung erfüllen lassen, die jedoch in aller Regel eine die Gleitschichtbildung be- günstigende besonders glatte Oberfläche aufweist. Durch das in Richtung auf die der Beschickung- und Entleerungsöffnung gegenüberliegende Wand gerichtete Gefälle des Bodens wird ein Wandern der vergärenden Biomasse in Richtung auf das Tor hin sicher ausgeschlossen, ohne daß der Boden des Fermenters zum Verhindern des Wan- derns der Biomasse irgendwelche Unebenheiten aufweisen muß. Dies ist nicht nur im Hinblick auf die Funktionalität, sondern auch unter Hygienegesichtspunkten ein bedeutender Vorteil der vorliegenden Erfindung; denn Unebenheiten des Bodens erschweren das vollständige Entleeren des Fermenters und verhindern die regelmäßig erforderliche gründliche Reinigung des Fermenterbodens .
Zur Klarstellung sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß sich das vorstehend erläuterte, gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehene Gefälle des Bodens nicht zwingend von der Beschickungs- und Entleerungsöffnung bis zu der gegenüberliegenden Wand erstrecken muß. Vielmehr genügt, um die hier maßgebliche Wirkung zu erreichen, daß ein überwiegender Flächenanteil des Bodens des Fermenters in dem dargelegten Sinne von der Beschickungs- und Entleerungsöffnung in Richtung auf die gegenüberliegende Wand hin geneigt ist.
Die hier in Rede stehende, vorstehend diskutierte Bauweise des erfindungsgemäßen Fermenters begünstigt die Errichtung von mehrere einzelne Fermenter umfassenden Baueinheiten, wobei die einzelnen Fermenter insbesondere nebeneinander mit gemeinsamen Wänden angeordnet sein können. Gerade vor dem Hintergrund, daß die Fermenter nach der vorliegenden Erfindung chargenweise betrieben werden und daß in aller Regel die zu vergärende Biomasse kontinuierlich anfällt, ist es besonders günstig, den Gesamtdurchsatz der Anlage auf mehrere einzelne Fermenter aufzuteilen. Dies ist in Anwendung der vorliegenden Erfindung unter wirtschaftlichen Bedingungen möglich.
Eine erste bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Biogasfermenters zeichnet sich dadurch aus, daß der Boden zusätzlich zu dem Gefälle von der Beschickungsund Entleerungsöffnung in Richtung auf die gegenüberliegende Wand hin ein zur Längsmitte, welche sich von der Beschickungs- und Entleerungsöffnung zu der rückwärtigen Wand erstreckt, verlaufendes Gefälle aufweist. Dabei kann in der Längsmitte des Bodens insbesondere eine Ablaufrinne angelegt sein, worauf weiter unten in größerem Detail eingegangen werden wird. Diese Gestaltung des Bodens mit einem Gefälle beiderseits der Längsmitte zu dieser hin bringt den Vorteil einer Schubentlastung für die Seitenwände, so daß sich die weiter oben erläuterte Gleitschichtbildung der vergärenden Biomasse insbesondere in Verbindung mit Setzungserscheinungen nicht in einer statischen Belastung der Seitenwände niederschlägt. Die Seitenwände können auf diese Weise mit praxisgerechten und kostengünstigen Wandstärken ausgeführt sein.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Boden des Fermenters im Bereich der rückwärtigen Wand eine Ablaufrinne auf. Diese kann, ebenso wie die gegebenenfalls in der Längsmitte des Bodens angeordnete Ablaufrinne (s.o.) an eine weiter unten in größerem Detail erläuterte Perkolatentsorgung angeschlossen sein. 3 H- Q rt rt Ά X 3 CD tr CD 3 r\ X <. < 11 3 Cd P. 0 11 CO 3 SJ X < X α
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Der erfindungsgemäße Biogasfermenter verfügt bevorzugt über ein Perkolat-Umwälzsystem, welches eine Auffangeinheit, eine Speichereinheit, eine Pumpeinheit und eine Aufbringeinheit umfaßt . Die Aufbringeinheit ist dabei oberhalb der zu vergärenden Biomasse angeordnet; mit ihr wird das Perkolat zur entsprechend homogenen Benetzung der Biomasse verdüst oder verrieselt. Die Speichereinheit kann eine Perkolat-Heizung umfassen, welche gestattet, das Perkolat mit einer vorgegebenen Temperatur auf die Biomasse aufzubringen. Energetisch ist dabei besonders günstig, wenn die Perkolat-Heizung mit Abwärme eines zur Verwertung des Biogases vorgesehenen Blockheizkraftwerks betrieben wird. Unter Umweltgesichtspunkten ist dabei besonders günstig, daß der erfindungsgemäße Biogasfermenter bei geeigneter Verfahrenführung abwasserfrei betrieben werden kann.
Die Abwärme des Blockheizkraftwerks kann im übrigen der Temperierung des Fermenters bzw. der zu vergärenden Biomasse dienen. Hierzu können insbesondere der Boden
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einen dem Blockheizkraftwerk 41 zugeordneten Wärmetauscher angeschlossen, in welchem das in den Strδmungska- nälen zirkulierende Wärmeübertragungsmittel unter Ausnutzung der Abwärme des Blockheizkraftwerks erwärmt wird.

Claims

Ansprüche
1. Garagenförmiger Biogasfermenter (1) zur Methanisierung von Biomasse (9) , umfassend einen Boden (5) , Wände (2,3,4), einen Biogasaustritt (15) und eine mittels eines Tores (8) gasdicht verschließbare Beschickungs- und Entleerungsöffnung (7) , dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (5) ein in Richtung auf die rückwärtige, der Beschickungs- und Entleerungsöffnung (7) gegenüberliegende Wand (4) geneigtes Gefälle aufweist .
2. Biogasfermenter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (5) ein zur Längsmitte, welche sich von der Beschickungs- und Entleerungsöffnung (7) zu der rückwärtigen Wand (4) erstreckt, verlaufendes Gefälle aufweist.
3. Biogasfermenter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Längsmitte eine Ablaufrinne (13) angelegt ist.
4. Biogasfermenter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (5) an der rückwärtigen Wand (4) eine Ablaufrinne (11) aufweist.
5. Biogasfermenter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Biogasaustritt (15) im Bereich der rückwärtigen Wand (4) vorgesehen ist.
6. Biogasfermenter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Biogasaustritt (15) im wesentlichen über die gesamte Breite der rückwärtigen Wand (4) erstreckt .
7. Biogasfermenter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Tores (8) verschließbare Belüftungsöffnungen (19) vorgesehen sind.
8. Biogasfermenter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Biogasaustritt (15) ein Sauggebläse (18) angeschlossen ist.
9. Biogasfermenter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sauggebläse (18) ein Druckspeicher (34) nachgeschaltet ist.
10. Biogasfermenter nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sauggebläse (18) ein Biofilter (35) nachgeschaltet ist.
11. Biogasfermenter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Biofilter (35) ein Gehäuse aus mehreren aufeinander gesetzten Ringen (36) aufweist, zwischen die jeweils ein siebförmiger Zwischenboden (37) eingeklemmt ist.
12. Biogasfermenter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Perkolat-Umwälzsystem, umfassend eine Auf- fangeinheit, eine Speichereinheit (22) , eine Pumpeinheit (21, 23) und eine Aufbringeinheit (25) , vorgesehen ist.
13. Biogasfermenter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinheit (22) eine Perkolat-Heizung umfaßt .
14. Biogasfermenter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einspeisevorrichtung (28) für Cofermente vorgesehen ist, welche eine Einheit zum gleichmäßigen Aufbringen der Cofermente auf die Biomasse (9) umfaßt .
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