WO2007143970A1 - Drucksicherung für fermentationsbehälter - Google Patents

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WO2007143970A1
WO2007143970A1 PCT/DE2007/001018 DE2007001018W WO2007143970A1 WO 2007143970 A1 WO2007143970 A1 WO 2007143970A1 DE 2007001018 W DE2007001018 W DE 2007001018W WO 2007143970 A1 WO2007143970 A1 WO 2007143970A1
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WO
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fermenter
pressure relief
built
pressure
wall
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Application number
PCT/DE2007/001018
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Wolf
Original Assignee
Schmack Biogas Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Schmack Biogas Ag filed Critical Schmack Biogas Ag
Publication of WO2007143970A1 publication Critical patent/WO2007143970A1/de

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/40—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of pressure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a pressure relief for fermentation tank.
  • Biogas plants produce methane through a microbial decomposition process of organic substances.
  • the biogas is produced in a multi-stage process
  • Microorganisms i. in the absence of air.
  • the type of organism strains is essentially determined by the specific process parameters such as temperature,
  • Organic material has a high molecular structure from a chemical point of view, which is degraded in the individual process steps of a biogas plant by metabolic activity of the microorganisms to low molecular weight building blocks.
  • biogas which consists essentially of methane and carbon dioxide
  • inorganic constituents are usually strong lignin inconvenience, woody materials and cellulosic substances.
  • Inorganic constituents are minerals in the form of sand and stones, but also crystallized salts.
  • the reactors are usually thermally insulated and equipped with a heater (external heat exchangers, heating coils on the inner wall, heated agitators or underfloor heating).
  • Both mesophilic and thermophilic microorganisms can be used for the abovementioned microbial degradation processes.
  • the degradation processes take place in the case of mesophilic microorganisms at temperatures between 20 and 40 0 C and in the case of thermophilic microorganisms at a temperature of about 55 ° C from.
  • biomass such as manure, grass clippings, other agricultural residues and renewable raw materials produced biogas is collected in the fermenter, in the post-fermenter and / or in an external gas storage.
  • Fermenter, secondary fermenter and / or external gas storage are often equipped with an elastic roof (membrane).
  • fermenter is understood to mean not only fermentors per se, but any type of large-volume container in which biogas is produced by microbial degradation processes and the biogas formed is collected ,
  • pressure fuses are attached to the outer wall of the fermenter. This often leads to the problem that the contained in the pressure fuse sealing water freezes and the pressure relief thus loses its functionality.
  • a glycol-water mixture is usually used, the melting point is well below 0 0 C.
  • the invention as characterized in the claims, is based on the object to provide a fermenter for biogas production with a pressure relief, which avoids the disadvantages of the prior art.
  • the present invention provides a digester for biogas production with a pressure relief.
  • the pressure relief according to the invention is in thermal contact with the fermenter interior.
  • the present invention is based on the idea that the freezing of the fermenter pressure protection, that is, for example, the freezing of the barrier liquid in the pressure relief can be prevented by a suitable placement of the pressure relief on the fermenter. That is, as in accordance with the invention provided, the pressure relief in thermal contact with the fermenter interior, prevail at the site of pressure relief at any time substantially present in the fermenter interior temperatures. Since the microbial conversion of biomass to biogas in the rain! at temperatures between 20 and 55 0 C, but in any case takes place at temperatures well above 0 0 C, a freezing of the barrier fluid of the pressure relief is excluded. Even with a longer standstill of the system of up to 3 days, the temperature in the fermenter interior sinks only very slowly, whereby a freeze of the pressure relief is prevented even in a complete failure of the biogas plant.
  • the inventively provided thermal contact between the pressure relief and the fermenter interior is prepared by the pressure relief is housed in the fermenter wall.
  • the inventively provided thermal contact between the pressure relief and the fermenter interior is prepared by the pressure fuse is housed in the fermenter interior.
  • a negative pressure can arise in the fermenter, in particular, when the combined heat and power plant integrated into the biogas plant extracts more gas from the fermenter than is produced there.
  • Combined heat and power plants are usually equipped with a vacuum switch, but this can fail. Due to the associated with a negative pressure in the fermenter drastic consequences such as the collapse of the entire roof construction of the fermenter, the expiry of the fermenter content and the entry of oxygen into the fermenter with the formation of highly explosive gas mixtures, is an additional mechanical protection against negative pressure at each fermenter.
  • An overpressure in the fermenter can occur if the cogeneration plant extracts less gas from the fermenter than is produced in it or if there is a malfunction of the combined heat and power plant.
  • Combined heat and power plants are usually equipped with an overpressure switch, which automatically starts the combined heat and power plant at overpressure, but this can fail as well as the vacuum switch.
  • Fermenters that are equipped with a gas storage foil can cause the foil to burst if overpressure occurs. Fermenters with a solid roof can suffer such severe damage that the contents of the fermenter run out or the fermenter completely collapses.
  • the pressure assurance is a pressure protection against both negative pressure and overpressure. This provides a mechanical protection of the fermenter against overpressure as well as against negative pressure.
  • the operation of the pressure siphon is based on the principle of pressure and back pressure.
  • the floating plate counteracts the gas pressure in the fermenter with its weight. About the weights mounted on the float plate, the release pressure can be adjusted. If the internal pressure of the fermenter reaches a preset value of, for example, 2 mbar (corresponding to 2 cm water column), the float plate is moved upwards. As a result, biogas can flow unhindered through a tube open to the fermenter interior, through the pressure relief device and then through a tube that is open to the outside from the fermenter.
  • the float plate dives into the barrier liquid with three support feet in advance. If a negative pressure of, for example, 2.5 mbar occurs in the fermenter, then the barrier liquid is displaced into the fermenter by the comparatively higher atmospheric pressure. As a result, air can flow from the environment into the fermenter through the outwardly open tube. It adjusts in this way again a pressure balance between the fermenter interior and the environment.
  • the pressure relief is housed in a built-in wardrobe.
  • a built-in cupboard Through the use of a built-in cupboard, a trouble-free and cost-effective installation of the pressure relief in the fermenter is possible.
  • the built-in closet can be equipped with all intended elements, regardless of the construction of the fermenter, in particular with the pressure relief.
  • the built-in cabinet After completion of the fermenter, the built-in cabinet can be installed at a suitable location in the wall of the fermenter or in the fermenter interior.
  • the fermenter wall is provided with a recess of standard size during the construction of the fermenter, into which the built-in closet then only fits precisely needs to be used.
  • the installation of the pressure relief in the built-in cabinet can be done in advance.
  • the external dimensions of the built-in cupboard are, for example, around 105 cm x 65 cm x 25 cm, whereby the depth of the built-in cupboard of approximately 25 cm corresponds approximately to the thickness of the fermenter wall.
  • the built-in cabinet can also project out of the fermenter wall towards the interior of the fermenter.
  • the built-in cabinet with the pressure relief is housed in a recess of the fermenter wall which is open toward the fermenter interior.
  • a niche in the fermenter wall provides a secure and easy-to-access location for pressure relief.
  • the pressure relief device must have a direct connection to the outside atmosphere.
  • the built-in closet has much larger external dimensions than the pressure relief itself. The built-in closet can therefore be accommodated in a fermenter interior open towards the recess of the fermenter wall, at the same time a much smaller opening to the outside atmosphere is provided in the fermenter wall, thereby ensuring the operability of the pressure relief becomes.
  • the built-in cabinet replaces a part of the fermenter wall.
  • a wall of the built-in cabinet is visible as part of the outer wall of the fermenter.
  • the pipe of the pressure relief (the "discharge line") through which biogas flows from the fermenter into the environment in the overpressure case and ambient air flows into the fermenter in the negative pressure case, can be pre-assembled in a simple manner. Since the back wall of the built-in closet forms the outer wall of the fermenter, this rear wall need only be provided with a standardized opening through which the inlet / outlet of the pressure relief is performed.
  • the built-in closet with the pressure safety device is placed in the fermenter wall close to the upper edge of the fermenter.
  • the built-in cupboard must be located in the area of the fermenter which is filled with the biogas formed and must not be overflowed by the substrate become.
  • the "Safety Rules for Agricultural Biogas Plants” specify structural limit values for the mouth of the biogas blow-off line.
  • the mouth of the discharge line must be at least 3 m above the ground and at least 1 m above the roof or container edge. Since the other end of the discharge line opens into the pressure relief, it is advisable to place the built-in closet with the pressure relief in the vicinity of the upper edge of the fermenter. '
  • a gas pressure sensor is additionally mounted in the built-in cabinet.
  • An additional gas pressure sensor with pressure display allows recording of the pressure development over time in the fermenter interior as well as a visual check of the pressure conditions, which enables an earlier reaction to malfunctions.
  • a removal opening for samples of the fermenter content is additionally provided in the wall of the built-in cabinet. This makes it possible to take samples of the fermenter content without having to enter the fermenter interior.
  • two viewing windows are provided in the walls of the built-in cabinet.
  • the viewing windows allow observation of the fermenter substrate without having to enter the fermenter interior.
  • a sight glass is provided on the pressure relief.
  • the liquid level of the sealing liquid of the pressure relief is visible.
  • the barrier liquid can be filled to the extent that the level rises to the top of the sight glass.
  • superfluous barrier liquid can flow through the fermenter interior towards the open pipe pressure relief in the fermenter. Maintenance work such. As the control and Nachbehe ⁇ len the pressure relief can be easily performed from a pedestal. This also applies to sampling via the integrated removal opening as well as for cleaning work on the gas pressure sensor.
  • Each fermenter has a pedestal on the outside as standard at the same position.
  • the pressure relief is provided with two removable blind flanges for cleaning and adjustment purposes.
  • the built-in wardrobe is made of stainless steel, whereby a sufficient corrosion resistance and thus life of the cabinet is guaranteed.
  • the present invention also includes the use of a pressure relief device for installation in the interior of a fermenter for biogas production, the use of a pressure relief device for installation in the wall of a fermenter for biogas production and the use of a pressure relief device for installation in a built-in closet, wherein the built-in wardrobe in the interior or in the wall of a fermenter for biogas production is arranged.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a typical ' agricultural biogas plant
  • Fig. 2a is a schematic representation of a pressure relief
  • Fig. 2b is a schematic representation of the pressure fuse of Figure 2a at Overpressure in the fermenter
  • Fig. 2c is a schematic representation of the pressure fuse of Figure 2a at negative pressure in the fermenter.
  • Fig. 3 shows a section through a fermenter wall with accommodated in a closet pressure relief.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a typical agricultural biogas plant.
  • methanogenic bacteria is in the fermenter 1 and 2 Nachgärer biomass such.
  • manure grass clippings and other agricultural residues are converted into biogas.
  • This is collected in the post-fermenter (with elastic roof 3) and introduced into the finest bubbles in a PBR 4.
  • PBR 4 in this are biogas-tolerant, photosynthesis-driving microorganisms.
  • the carbon dioxide dissolves in the aqueous system and is converted by the microorganisms by means of light into oxygen and biomass. Minor components in the gas such. B. ammonia and hydrogen sulfide dissolve in the aqueous system and are metabolized as trace constituents of the microorganisms. Further required by the microorganisms and not provided by the gas trace elements must be added separately. Methane hardly dissolves and is not degraded by the organisms.
  • the undissolved gases are separated by a gas-liquid separator 5 from the liquid in the PBR.
  • the purified gas thus treated is passed into a second elastic hood 6 on the post-fermenter.
  • a built-in cabinet is embedded with a pressure relief. Part of the waste heat generated during use in the CHP 7 can be conducted into a special sheathing 8 to maintain the temperature in the PBR.
  • the biomass produced in the PBR is fermented back to biogas in the fermenter.
  • FIG. 2a shows a schematic representation of a pressure safety device 10.
  • a float divider 11 is mounted, which dips into a liquid 12 for sealing.
  • the float plate 11 counteracts with its weight force the gas pressure in the fermenter.
  • the pressure relief 10 has a sight glass 16 and a refill tube 17. Through the sight glass 16, the liquid level of the barrier liquid 12 is visible. About the refill tube 17, the barrier liquid 12 can be filled to the extent that the level rises to the top of the sight glass 16. Possibly superfluous barrier liquid 12 can flow through the pipe 18 in the fermenter.
  • FIG. 2b shows a schematic representation of a pressure safety device in the presence of an overpressure in the fermenter. If the internal pressure of the fermenter reaches a preset value of, for example, 2 mbar (corresponding to 2 cm water column), the float plate 11 is moved upwards. This allows the biogas from the fermenter interior through the tube 18 and the outwardly open tube 14 flow unhindered out of the fermenter.
  • a preset value of, for example, 2 mbar corresponding to 2 cm water column
  • FIG. 2c shows a schematic representation of a pressure siphon in the presence of a negative pressure in the fermenter.
  • the float plate 11 dives with three support feet 15 ahead in the barrier liquid 12 a. If a negative pressure of, for example, 2.5 mbar occurs in the fermenter, the barrier liquid 12 is displaced into the fermenter by the comparatively higher atmospheric pressure. Through the connection to an outwardly open pipe 14 can flow from the outside air into the fermenter. It adjusts in this way again a pressure balance between the fermenter interior and the environment.
  • FIG. 3 shows a section through a fermenter wall 19 with a pressure fuse 10 accommodated in the built-in cabinet 9.
  • the built-in cabinet protrudes toward the fermenter interior out of the fermenter wall 19.
  • the built-in wardrobe 9 is additionally fastened to the fermenter wall 19 via the plates 20 fixedly connected to the built-in cabinet.

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Abstract

Beschrieben wird ein Fermenter für die Biogasherstellung mit einer Drucksicherung (10). Die Drucksicherung (10) steht in thermischen Kontakt mit dem Fermenterinnenraum.

Description

Drucksicherung für Fermentationsbehälter
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Drucksicherung für Fermentationsbehälter.
Stand der Technik
Biogasanlagen erzeugen Methan durch einen mikrobiellen Abbauprozess von organischen Substanzen. Das Biogas entsteht dabei in einem mehrstufigen
Prozess, der Vergärung oder Faulung durch die Aktivität von anaeroben
Mikroorganismen, d.h. unter Ausschluss von Luft. Die Art der Organismenstämme wird im Wesentlichen durch die spezifischen Prozessparameter wie Temperatur,
Substrat, pH-Wert, etc. determiniert. Dadurch wird eine Anpassung der Mikroorganismen an das jeweilige Substrat erreicht, die es ermöglicht, eine Vielzahl organischer Materialien durch Fermentation abzubauen.
Organisches Material besitzt aus chemischer Sicht einen hochmolekularen Aufbau, der in den einzelnen Verfahrensschritten einer Biogasanlage durch Stoffwechseltätigkeit der Mikroorganismen zu niedermolekularen Bausteinen abgebaut wird. Neben Biogas, das im Wesentlichen aus Methan und Kohlendioxid besteht, verbleibt in der Prozesskette als Fermentationsrückstand eine Mischung aus Wasser, nicht abgebautem organischem Material und anorganischen Bestandteilen. Nicht abgebaut werden in der Regel stark ligninhaltige, holzige Materialien und cellulosereiche Stoffe. Anorganische Bestandteile sind Minerale in Form von Sand und Steinen, aber auch kristallisierte Salze.
Zentrale Bauteile einer Biogasanlage sind die Fermentationsbehälter (Fermentoren, Reaktoren, Nachgärer), in denen die primären biologischen Prozesse ablaufen. Als Werkstoffe zum Bau der Fermentoren werden üblicherweise Beton oder Stahlplatten (emailliert, beschichtet oder aus Edelstahl) eingesetzt.
Die in einer Biogasanlage ablaufenden mikrobiellen Abbauprozesse sind stark von der Fermentertemperatur abhängig. Aus diesem Grund werden die Reaktoren meist thermisch isoliert und mit einer Heizung (externe Wärmetauscher, Heizwendeln an der Innenwand, beheizte Rührwerke oder Fußbodenheizung) ausgestattet.
Für die genannten mikrobiellen Abbauprozesse können sowohl mesophile wie auch thermophile Mikroorganismen eingesetzt werden. Die Abbauprozesse laufen im Fall mesophiler Mikroorganismen bei Temperaturen zwischen 20 und 400C und im Fall thermophiler Mikroorganismen bei einer Temperatur von rund 55°C ab.
Das durch Bakterien im Fermenter bzw. in einem eventuell vorhandenen Nachgärer aus Biomasse wie z. B. Gülle, Grasschnitt, sonstige landwirtschaftliche Reststoffe und nachwachsende Rohstoffe hergestellte Biogas wird im Fermenter, im Nachgärer und/oder in einem externen Gasspeicher gesammelt. Fermenter, Nachgärer und/oder externer Gasspeicher sind dazu oft mit einem elastischen Dach (Membran) ausgestattet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff „Fermenter" nicht nur Fermentoren an sich verstanden, sondern jede Art von großvolumigem Behälter, in dem Biogas durch mikrobielle Abbauprozesse produziert und das gebildete Biogas gesammelt wird. Neben den Fermentern handelt es sich dabei insbesondere um Nachgärer.
Üblicherweise werden Drucksicherungen an der Außenwand des Fermenters angebracht. Dabei kommt es häufig zu dem Problem, dass das in der Drucksicherung enthaltene Sperrwasser einfriert und die Drucksicherung damit ihre Funktionsfähigkeit verliert. Als Abhilfe wird üblicherweise eine Glykol- Wassermischung verwendet, deren Schmelzpunkt deutlich unter 00C liegt.
Allerdings bietet auch diese Maßnahme keine endgültige Sicherheit, da es aufgrund von in die Drucksicherung kondensierendem Wasser zu einer Verdünnung der Wasser/Glykol-Mischung kommt, wodurch der Schmelzpunkt steigt und es wieder zu einem Einfrieren der Flüssigkeit kommen kann.
Als weitere Maßnahme zur Verhinderung des Einfrierens werden elektrische Heizbänder um die Drucksicherung gewickelt und die Vorrichtung permanent geheizt. Bei einem Stromausfall setzt allerdings diese Heizung aus und es kann wiederum zu einem Einfrieren der Drucksicherung kommen.
Aus dem geschilderten Stand der Technik geht hervor, dass die Drucksicherung von Fermentern und anderen Sammelbehältern für Biogas gegenwärtig unbefriedigend gelöst ist.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Fermenter für die Biogasherstellung mit einer Drucksicherung bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Fermenter mit Drucksicherung gemäß unabhängigem Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Fermenter für die Biogasherstellung mit einer Drucksicherung zur Verfügung. Die Drucksicherung steht erfindungsgemäß in thermischen Kontakt mit dem Fermenterinnenraum.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zu Grunde, dass das Einfrieren der Fermenterdrucksicherung, also beispielsweise das Einfrieren der Sperrflüssigkeit in der Drucksicherung durch eine geeignete Platzierung der Drucksicherung an dem Fermenter verhindert werden kann. Steht nämlich, wie erfindungsgemäß vorgesehen, die Drucksicherung in thermischen Kontakt mit dem Fermenterinnenraum, so herrschen am Ort der Drucksicherung zu jeder Zeit im Wesentlichen die im Fermenterinnenraum vorliegenden Temperaturen. Da die mikrobielle Umsetzung von Biomasse zu Biogas in der Rege! bei Temperaturen zwischen 20 und 550C, in jedem Fall aber bei Temperaturen deutlich über 00C stattfindet, ist ein Einfrieren der Sperrflüssigkeit der Drucksicherung ausgeschlossen. Selbst bei einem längeren Stillstand der Anlage von bis zu 3 Tagen sinkt die Temperatur im Fermenterinnenraum nur sehr langsam, wodurch ein Einfrieren der Drucksicherung auch bei einem kompletten Ausfall der Biogasanlage verhindert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der erfindungsgemäß vorgesehene thermisch Kontakt zwischen der Drucksicherung und dem Fermenterinnenraum dadurch hergestellt, dass die Drucksicherung in der Fermenterwand untergebracht ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der erfindungsgemäß vorgesehene thermische Kontakt zwischen der Drucksicherung und dem Fermenterinnenraum dadurch hergestellt, dass die Drucksicherung im Fermenterinnenraum untergebracht ist.
Durch die permanente Temperierung der Drucksicherung auf die Temperatur des Fermenterinnenraums erübrigt sich auch die Verwendung von teuren Frostschutzmitteln als Sperrflüssigkeit.
In einem Fermenter kann es aufgrund von Betriebsstörungen sowohl zum Aufbau eines Unterdrucks wie auch zum Entstehen eines Überdrucks kommen. Eine besondere Vorsorge muss daher sowohl auf eine Über- wie auch auf eine Unterdrucksicherung des Fermenters verwandt werden.
Ein Unterdruck kann in dem Fermenter insbesondere dann entstehen, wenn das in die Biogasanlage integrierte Blockheizkraftwerk mehr Gas aus dem Fermenter abzieht als dort produziert wird. Blockheizkraftwerke sind zwar üblicherweise mit einem Unterdruckschalter ausgestattet, welcher aber versagen kann. Aufgrund der mit einem Unterdruck im Fermenter verbundenen drastischen Folgen wie beispielsweise dem Zusammenbruch der kompletten Dachkonstruktion des Fermenters, dem Auslaufen des Fermenterinhalts und dem Eintritt von Sauerstoff in den Fermenter mit Bildung hochexplosiver Gasgemische, ist eine zusätzliche mechanische Sicherung gegen Unterdruck an jedem Fermenter.
Zu einem Überdruck im Fermenter kann es kommen, wenn das Blockheizkraftwerk weniger Gas aus dem Fermenter abzieht, als in diesem produziert wird oder wenn eine Betriebsstörung des Blockheizkraftwerks vorliegt. Blockheizkraftwerke sind zwar üblicherweise mit einem Überdruckschalter ausgestattet, der das Blockheizkraftwerk bei Überdruck automatisch startet, dieser kann aber ebenso versagen wie der Unterdruckschalter. Bei Fermentern, die mit einer Gasspeicherfolie ausgestattet sind, kann es bei Überdruck zu einem Platzen der Folie kommen. Bei Fermentern mit festem Dach kann es zu so starken Schäden kommen, dass der Fermenterinhalt ausläuft oder der Fermenter vollständig zusammenbricht.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich daher bei der Drucksicherung um eine Drucksicherung sowohl gegen Unterdruck wie auch gegen Überdruck. Dadurch wird eine mechanische Sicherung des Fermenters gegen Über- wie auch gegen Unterdruck bereit gestellt.
Ist in der vorliegenden Anmeldung nachfolgend von einer Drucksicherung die Rede, so ist darunter eine Sicherung sowohl gegen Unterdruck wie auch gegen Überdruck zu verstehen. Unter dem Begriff „Drucksicherung" werden also nachfolgend eine Sicherung gegen Unterdrück und eine Sicherung gegen Überdruck zusammengefasst.
Als Drucksicherung wird ein an sich aus dem Stand der Technik bekannter Drucksiphon verwendet. In der Drucksicherung ist ein Schwimmerteller montiert, der zur Abdichtung in eine Flüssigkeit eintaucht. Dadurch wird der Gasraum der Anlage (Fermenter) gegenüber der Atmosphäre abgeschlossen. Die Flüssigkeitsvorlage (Sperrflüssigkeit) bildet einen Drucksiphon. Bei der beschriebenen Art von Drucksicherung handelt es sich also um eine nach dem „Tauchglockenprinzip" arbeitende Drucksicherung. Ein Fermenter für die Biogasherstellung mit einer in thermischen Kontakt mit dem Fermenterinnenraum stehenden, nach dem Tauchglockenprinzip arbeitenden Drucksicherung stellt daher eine besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Die Arbeitsweise des Drucksiphons beruht auf dem Prinzip von Druck und Gegendruck. Der Schwimmerteller wirkt mit seiner Gewichtskraft dem Gasdruck im Fermenter entgegen. Über auf dem Schwimmerteller montierte Gewichte kann der Auslösedruck eingestellt werden. Erreicht der Innendruck des Fermenters einen voreingestellten Wert von beispielsweise 2 mbar (entsprechend 2 cm Wassersäule), so wird der Schwimmerteller nach oben bewegt. Dadurch kann Biogas ungehindert durch ein zum Fermenterinnenraum hin offenes Rohr, durch die Drucksicherung und dann durch ein nach außen offenes Rohr aus dem Fermenter ausströmen.
Der Schwimmerteller taucht mit drei Stützfüßen voraus in die Sperrflüssigkeit ein. Stellt sich im Fermenter ein Unterdruck von beispielsweise 2,5 mbar ein, so wird die Sperrflüssigkeit durch den vergleichsweise höheren Atmosphärendruck in den Fermenter verdrängt. Dadurch kann durch das nach außen offene Rohr Luft von aus der Umgebung in den Fermenter einströmen. Es stellt sich auf diese Weise wieder ein Druckgleichgewicht zwischen dem Fermenterinnenraum und der Umgebung ein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Drucksicherung in einem Einbauschrank untergebracht. Durch die Verwendung eines Einbauschranks ist ein problemloser und kostengünstiger Einbau der Drucksicherung in den Fermenter möglich. Der Einbauschrank kann unabhängig von der Errichtung des Fermenters mit allen vorgesehenen Elementen ausgerüstet werden, insbesondere mit der Drucksicherung. Nach Fertigstellung des Fermenters kann der Einbauschrank an einer geeigneten Stelle in der Wandung des Fermenters oder im Fermenterinnenraum angebracht werden.
Soll der Einbauschrank in der Fermenterwand untergebracht werden, so wird die Fermenterwand bei der Errichtung des Fermenters mit einer Aussparung in Normgröße versehen, in die der Einbauschrank dann nur noch passgenau eingesetzt zu werden braucht. Die Montage der Drucksicherung in den Einbauschrank kann vorab erfolgen. Die Außenmaße des Einbauschranks betragen beispielsweise rund 105 cm x 65 cm x 25 cm, wobei die Tiefe des Einbauschranks von rund 25 cm ungefähr der Dicke der Fermenterwand entspricht. Der Einbauschrank kann aber auch zum Fermenterinnenraum hin aus der Fermenterwand vorspringen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Einbauschrank mit der Drucksicherung in einer zum Fermenterinnenraum hin offenen Aussparung der Fermenterwand untergebracht. Eine Nische in der Fermenterwand stellt einen sicheren und leicht zugänglichen Anbringungsort für die Drucksicherung dar. Zur Funktionsfähigkeit der Drucksicherung ist es erforderlich, dass die Drucksicherung eine direkte Verbindung zur Außenatmosphäre aufweist. Der Einbauschrank weist aber wesentlich größere Außenabmessungen auf als die Drucksicherung selbst. Der Einbauschrank kann daher in einer zum Fermenterinnenraum hin offenen Aussparung der Fermenterwand untergebracht werden, wobei gleichzeitig eine wesentlich kleinere Öffnung zur Außenatmosphäre in der Fermenterwand vorgesehen ist, wodurch die Funktionsfähigkeit der Drucksicherung sicher gestellt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ersetzt der Einbauschrank einen Teil der Fermenterwand. In diesem Fall ist eine Wand des Einbauschranks als Teil der Außenwandung des Fermenters sichtbar. In dieser Ausführungsform kann das Rohr der Drucksicherung (die "Abblasleitung"), durch das im Überdruckfall Biogas aus dem Fermenter in die Umgebung strömt und im Unterdruckfall Umgebungsluft in den Fermenter einströmt, in einfacher Weise vormontiert werden. Da die Rückwand des Einbauschranks die äußere Wandung des Fermenters bildet, braucht diese Rückwand nur mit einer genormten Öffnung versehen werden, durch die das Ein-/Ausströmrohr der Drucksicherung geführt wird.
Der Einbauschrank mit der Drucksicherung wird in der Nähe der Oberkante des Fermenters in die Fermenterwand eingebracht. Zum einen muss sich der Einbauschrank selbstverständlich in dem Bereich des Fermenters befinden, der von dem gebildeten Biogas gefüllt ist und darf nicht von dem Substrat überströmt werden. Zum anderen geben die "Sicherheitsregeln für landwirtschaftliche Biogasanlagen" bauliche Grenzwerte für die Mündung der Abblasleitung des Biogases vor. Die Mündung der Abblasleitung muss nämlich mindestens 3 m über dem Boden und mindestens 1 m über dem Dach bzw. dem Behälterrand münden. Da das andere Ende der Abblasleitung in der Drucksicherung mündet, bietet es sich an, den Einbauschrank mit der Drucksicherung in der Nähe der Oberkante des Fermenters zu platzieren. '
Bevorzugt ist in dem Einbauschrank zusätzlich ein Gasdrucksensor angebracht. Ein zusätzlicher Gasdrucksensor mit Druckanzeige erlaubt zum einen die Aufzeichnung der Druckentwicklung mit der Zeit im Fermenterinnenraum und zum anderen eine visuelle Überprüfung der Druckverhältnisse, wodurch ein früheres Reagieren auf Betriebsstörungen ermöglicht wird. Durch das Anbringen des Gasdrucksensors im Einbauschrank ist der Drucksensor geschützt und leicht zugänglich montiert.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, gemäß der in der Wandung des Einbauschranks zusätzlich eine Entnahmeöffnung für Proben des Fermenterinhalts vorgesehen ist. Dadurch wird es möglich Proben des Fermenterinhalts zu entnehmen, ohne dazu den Fermenterinnenraum betreten zu müssen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind in den Wandungen des Einbauschranks zwei Sichtfenster vorgesehen. Die Sichtfenster ermöglichen eine Beobachtung des Fermentersubstrats, ohne den Fermenterinnenraum betreten zu müssen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist an der Drucksicherung ein Schauglas vorgesehen. Durch das Schauglas ist der Flüssigkeitsstand der Sperrflüssigkeit der Drucksicherung sichtbar. Über ein Nachfüllrohr kann die Sperrflüssigkeit soweit aufgefüllt werden, dass der Füllstand bis zum oberen Rand des Schauglases steigt. Eventuell überflüssige Sperrflüssigkeit kann durch das zum Fermenterinnenraum hin offene Rohr der Drucksicherung in den Fermenter abfließen. Wartungsarbeiten wie z. B. das Kontrollieren und Nachbefüϊlen der Drucksicherung können bequem von einem Podest aus durchgeführt werden. Dies gilt auch für Probeentnahmen über die integrierte Entnahmeöffnung wie auch für Reinigungsarbeiten am Gasdrucksensor. Jeder Fermenter weist an seiner Außenseite standardmäßig ein Podest an der immer gleichen Position auf.
Die Drucksicherung ist zu Reinigungs- und Justagezwecken mit zwei demontierbaren Blindflanschen versehen.
Bevorzugt ist der Einbauschrank aus Edelstahl gefertigt, wodurch eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit und damit Lebensdauer des Schranks gewährleistet ist.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Verwendung einer Drucksicherung zum Einbau in den Innenraum eines Fermenters für die Biogasherstellung, die Verwendung einer Drucksicherung zum Einbau in die Wandung eines Fermenters für die Biogasherstellung sowie die Verwendung einer Drucksicherung zum Einbau in einen Einbauschrank, wobei der Einbauschrank im Innenraum oder in der Wandung eines Fermenters für die Biogasherstellung angeordnet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zur Illustration der Erfindung und zur Verdeutlichung ihrer Vorzüge werden nachfolgend Ausführungsbeispiele angegeben. Diese Ausführungsbeispiele sollen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es versteht sich von selbst, dass diese Angaben die Erfindung nicht beschränken sollen. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer typischen ' landwirtschaftlichen Biogasanlage;
Fig. 2a eine schematische Darstellung einer Drucksicherung;
Fig. 2b eine schematische Darstellung der Drucksicherung der Figur 2a bei Überdruck im Fermenter;
Fig. 2c eine schematische Darstellung der Drucksicherung der Figur 2a bei Unterdruck im Fermenter;
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Fermenterwand mit in einem Einbauschrank untergebrachter Drucksicherung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer typischen landwirtschaftlichen Biogasanlage. Durch methanogene Bakterien wird im Fermenter 1 und Nachgärer 2 Biomasse wie z. B. Gülle, Grasschnitt und sonstige landwirtschaftliche Reststoffe in Biogas umgewandelt. Dieses wird im Nachgärer (mit elastischem Dach 3) gesammelt und in feinsten Blasen in einen PBR 4 eingeleitet. In diesem befinden sich Biogas-tolerante, Fotosynthese treibende Mikroorganismen.
Das Kohlendioxid löst sich in dem wässrigen System und wird durch die Mikroorganismen mittels Licht in Sauerstoff und Biomasse umgewandelt. Nebenbestandteile im Gas wie z. B. Ammoniak und Schwefelwasserstoff lösen sich im wässrigen System und werden als Spurenbestandteile von den Mikroorganismen verstoffwechselt. Weitere von den Mikroorganismen benötigte und nicht durch das Gas bereitgestellte Spurenelemente müssen separat zudosiert werden. Methan löst sich kaum und wird durch die Organismen nicht abgebaut.
Die nicht gelösten Gase (vor allem Methan und Sauerstoff) werden durch einen Gas-Flüssigkeits-Separator 5 von der Flüssigkeit im PBR getrennt. Das so aufbereitete Reingas wird in eine zweite elastische Haube 6 auf dem Nachgärer geleitet. In die Wandung des Nachgärers 2 ist ein Einbauschrank mit einer Drucksicherung eingelassen. Ein Teil der bei der Nutzung im BHKW 7 entstehenden Abwärme kann zur Aufrechterhaltung der Temperatur im PBR in eine spezielle Ummantelung 8 geleitet werden. Die im PBR erzeugte Biomasse wird im Fermenter wieder zu Biogas vergärt.
Die Figur 2a zeigt eine schematische Darstellung einer Drucksicherung 10. In der Drucksicherung 10 ist ein Schwimmerteiler 11 montiert, der zur Abdichtung in eine Flüssigkeit 12 eintaucht. Dadurch wird der Gasraum der Anlage (Fermenter) gegenüber der Atmosphäre abgeschlossen. Der Schwimmerteller 11 wirkt mit seiner Gewichtskraft dem Gasdruck im Fermenter entgegen. Über auf dem Schwimmerteller 11 montierte Gewichte 13 kann der Auslösedruck eingestellt werden. Die Drucksicherung 10 weist ein Schauglas 16 und ein Nachfüllrohr 17 auf. Durch das Schauglas 16 ist der Flüssigkeitsstand der Sperrflüssigkeit 12 sichtbar. Über das Nachfüllrohr 17 kann die Sperrflüssigkeit 12 soweit aufgefüllt werden, dass der Füllstand bis zum oberen Rand des Schauglases 16 steigt. Eventuell überflüssige Sperrflüssigkeit 12 kann durch das Rohr 18 in den Fermenter abfließen.
Die Figur 2b zeigt eine schematische Darstellung einer Drucksicherung bei Vorliegen eines Überdrucks im Fermenter. Erreicht der Innendruck des Fermenters einen voreingestellten Wert von beispielsweise 2 mbar (entsprechend 2 cm Wassersäule), so wird der Schwimmerteller 11 nach oben bewegt. Dadurch kann das Biogas aus dem Fermenterinnenraum durch das Rohr 18 und das nach außen offene Rohr 14 ungehindert aus dem Fermenter ausströmen.
Die Figur 2c zeigt eine schematische Darstellung eines Drucksiphons bei Vorliegen eines Unterdrucks im Fermenter. Der Schwimmerteller 11 taucht mit drei Stützfüßen 15 voraus in die Sperrflüssigkeit 12 ein. Stellt sich im Fermenter ein Unterdruck von beispielsweise 2,5 mbar ein, so wird die Sperrflüssigkeit 12 durch den vergleichsweise höheren Atrnosphärendruck in den Fermenter verdrängt. Durch die Verbindung zu einem nach außen offenen Rohr 14 kann von außen Luft in den Fermenter einströmen. Es stellt sich auf diese Weise wieder ein Druckgleichgewicht zwischen dem Fermenterinnenraum und der Umgebung ein. Die Figur 3 zeigt einen Schnitt durch eine Fermenterwand 19 mit einer in dem Einbauschrank 9 untergebrachten Drucksicherung 10. Durch das nach außen offene Rohr 14 kann im Falle eines Ünterdrucks im Fermenter von außen Luft in den Fermenter einströmen. Im Falle eines Überdrucks im Fermenter kann Biogas aus dem Fermenter durch das Rohr 18 und das nach außen offene Rohr 14 ausströmen. In der gezeigten Ausführungsform springt der Einbauschrank zum Fermenterinnenraum hin aus der Fermenterwand 19 vor. Der Einbauschrank 9 ist zusätzlich über die fest mit dem Einbauschrank verbundenen Platten 20 an der Fermenterwand 19 befestigt.
Bezugszeichenliste
1 Fermenter
Nachgärer
3 elastisches Dach
4 Fotobioreaktor
5 Gas-Flüssigkeits-Separator
6 elastische Haube
7 Blockheizkraftwerk
8 Ummantelung
9 Einbauschrank
10 Drucksicherung
11 Schwimmerteller
12 Sperrflüssigkeit
13 Gewichte
14 nach außen offenes Rohr
15 Füße des Schwimmertellers
16 Schauglas
17 Nachfüllrohr
18 Rohr zum Fermenterinnenraum
19 Fermenterwand
20 Befestigungsplatten

Claims

Patentansprüche
1. Fermenter für die Biogasherstellung mit einer Drucksicherung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksicherung (10) in thermischen Kontakt mit dem
Fermenterinnenraum steht.
2. Fermenter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksicherung (10) in der Fermenterwand untergebracht ist.
3. Fermenter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksicherung (10) im Fermenterinnenraum untergebracht ist.
4. Fermenter nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Drucksicherung (10) eine Sperrflüssigkeit (12) enthalten ist.
5. Fermenter nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Drucksicherung (10) um eine Drucksicherung sowohl gegen Unterdruck wie auch gegen Überdruck handelt.
6. Fermenter nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksicherung (10) in einem Einbauschrank (9) untergebracht ist.
7. Fermenter nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einbauschrank (9) in einer zum Fermenterinnenraum hin offenen Aussparung der Fermenterwand (19) untergebracht ist.
8. Fermenter nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einbauschrank (9) einen Teil der Fermenterwand (19) ersetzt.
9. Fermenter nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Einbauschrank (9) zusätzlich ein Gasdrucksensor angebracht ist.
10. Fermenter nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wandung des Einbauschranks (9) zusätzlich eine Entnahmeöffnung für Proben des Fermenterinhalts vorgesehen ist.
11. Fermenter nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Wandungen des Einbauschranks (9) zwei
Sichtfenster vorgesehen sind.
12. Fermenter nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Einbauschrank (9) aus Edelstahl gefertigt ist.
13. Fermenter nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Drucksicherung (10) ein Schauglas (16) vorgesehen ist.
14. Fermenter nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksicherung (10) ein Nachfüllrohr (17) zum Nachfüllen der Sperrflüssigkeit (12) aufweist.
15. Fermenter nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksicherung (10) ein zum Fermenterinnenraum hin offenes Rohr (18) aufweist, durch das überschüssige Sperrflüssigkeit in den Fermenter ablaufen kann.
16. Verwendung einer Drucksicherung (10) zum Einbau in den Innenraum eines Fermenters für die Biogasherstellung.
17. Verwendung einer Drucksicherung (10) zum Einbau in die Wandung eines Fermenters für die Biogasherstellung.
8. Verwendung einer Drucksicherung (10) zum Einbau in einen Einbauschrank (9), wobei der Einbauschrank im Innenraum oder in der Wandung eines Fermenters für die Biogasherstellung angeordnet ist.
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