WO2008099227A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von biogas aus biomasse - Google Patents

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WO2008099227A1
WO2008099227A1 PCT/IB2007/000393 IB2007000393W WO2008099227A1 WO 2008099227 A1 WO2008099227 A1 WO 2008099227A1 IB 2007000393 W IB2007000393 W IB 2007000393W WO 2008099227 A1 WO2008099227 A1 WO 2008099227A1
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biomass
chamber
fermenter
gas
biogas
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PCT/IB2007/000393
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Volker HÜFNER
Manfred Greger
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Ingenieurgemeischaft Luxemburg Sarl
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    • C12M29/24—Recirculation of gas
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    • C12M41/40—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of pressure
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for generating biogas from biomass.
  • the method according to EP 0 192 900 Bl works with a biogas injection on the ground for mixing and degassing of biomass.
  • the biomass circulates in a vertical fermenter from the input to the discharge a vertical, not completely closed at the bottom partition. This process ideally forms an upflow and outflow of the fermentation material around the dividing wall. This requires a certain viscosity of the biomass. Due to the partition wall not closed at the bottom, there is the possibility that for certain, in particular liquid fractions, a short-circuit current may develop in the horizontal direction at the bottom around the partition wall. Furthermore, there is a risk that a forming floating layer during operation can not be removed from the fermenter, as entry and discharge are installed near the bottom of the fermenter.
  • Another method according to EP 0074290 also uses the biogas injection at the fermenter bottom.
  • a partition permeable to the floor divides the fermenter into two sections. The input and output of biomass via a siphon.
  • the illustrated method consumes little energy to achieve various advantageous and illustrated effect.
  • Liquid soil layers are specifically prevented by a closed bottom partition to a short circuit current to discharge.
  • the formation of one or more wells rich in bacteria liquid soil layer is selectively retained in the fermenter, whereby a steady inoculation of newly fed unggorene material is possible.
  • the method dispenses with susceptible moving internals such as mechanical agitators in the aggressive environment within the reactor.
  • the method is extremely flexible with regard to the variety of usable raw materials.
  • the fermentation of energy plants and fibrous Chabestanteüen is possible energy-efficiently with the illustrated method.
  • the method can be regarded as dry fermentation, since the biomass is fermented without external liquid such as liquid manure or water and since the dry matter content of the biomass in the fermenter can be higher than the limit for Rülirrich of wet processes of about 15%.
  • the installation of partitions is approximated to the reaction-technically favorable plug flow.
  • Fig. 1 embodiment of a fermenter with three chambers
  • FIG. 2 Operating status "Decreased biomass level in chamber 1" of a fermenter with three chambers.
  • FIG. 5 exemplary embodiment with reference to a fermenter with five chambers
  • the fermenter is divided into 3, 5, 7 or more consecutively arranged chambers by the incorporation of vertical partitions.
  • the partitions differ in two types.
  • the one type 1 as partition 1 (5) is gas-tight and separates the first chamber from the fermenter cover down from the second chamber, the third chamber of the fourth, the fifth chamber of the sixth, etc. and protrudes to a certain depth into the biomass level.
  • the biomass can continue to flow to the next chamber at the lower partition.
  • the other type 2 as partition 2 (13) is impermeable to liquids and separates the biomass of the second chamber from the bottom up of the third, the fourth chamber of the fifth, the sixth chamber of the seventh, etc. to a certain height.
  • the biomass can continue to flow to the next chamber at the partition wall that is open at the top.
  • partition wall 1 (5) arise two gas chambers, gas chamber 1 (4) via chamber 1 (7) and gas chamber 2 (10) via chamber 2 (6) together with chamber 3 (12).
  • partition 2 (13) arise in the lower part of the bottom upwardly closed trough for chamber 1 (7) together with chamber 2 (6) and another trough for chamber 3 (12).
  • the fermenter forms a kind of flow tube in which forms a plug flow of the material.
  • the loading of the previously inoculated with Digestat biomass in the fermenter (11) takes place in the first chamber 1 (7) in the upper region of the fermenter on the entry (2) and the removal of the biomass from the fermenter (11) via the Discharge 2 (16) or Discharge 1 (14) in the last chamber 3 (12) in the lower area.
  • the entry (2) is carried out gas-tight, so that no air can penetrate into the fermenter (11) and also no biogas can escape via the entry into the atmosphere.
  • Discharge 1 (14) and Discharge 2 (16) are designed as sluices or valves, so that only specifically fermented biomass can be withdrawn as digestate from the last chamber 3 (12).
  • the feeding of the fermenter (11) is carried out continuously or quasi-continuously, in which the biomass is filled continuously or in the cycle and the obtainedgorene digestion is equally deducted.
  • the process requires no admixture of external liquid such as liquid manure or water.
  • external liquid such as liquid manure or water.
  • biomass such as plant silage
  • fermented digestate which has a neutral to slightly alkaline pH •.
  • Chamber 1 (7) and chamber 2 (6) are due to the bottom open partition 1 (5) hydrostatically equate with a U-tube. Due to the surface load of the newly added biomass, a metered addition of biomass via the entry (2) results in a hydrostatic compensation, so that the biomass levels (19) compensate each other. However, this is only possible if valve 1 (1) and valve 2 (9) of the gas outlet bore (20) are open. If, for example, valve 2 (9) were closed, an overpressure would arise in the gas space 2 (10) hydrostatic balancing of biomass levels (19) would counteract.
  • the displacement of biomass from chamber 1 (7) in chamber 2 (6) can be additionally enforced by generating gas pressure in the gas space 1 (4).
  • gas space 1 (4) accumulates by the injection of biogas at the bottom of the fermenter chamber 1 (7) and simultaneously closed valve 1 (1) biogas, the biomass from chamber 1 (7) proportional to the resulting gas pressure in chamber 2 (6 ) shifts (Fig. 2).
  • valve 2 (9) and valve 3 (8) must be open.
  • the removal of biomass via the effluent 1 (14) or effluent 2 (16) can be done under higher hydrostatic pressure and thus greater thrust effect.
  • the aim of the above measures is to support the mass flow from the entry (2) to the discharge (14, 16), since the dry matter content of the biomass is increased in the reactor and this behaves approximately like a viscous liquid.
  • the newly added material must first migrate through this tub, which in particular in the chamber 2 (6) by the buoyancy of the fibrous substances conveyed by the flotation effect of Biogas injection on the fermenter bottom of the chamber 2 (6), pushed back up and over the overflow to the chamber 3 (12) preferably reach the discharge.
  • the tub preferably remains a liquid soil layer containing many bacteria and so constantly provides an inoculation of the biomass in chamber 1 (7) and chamber 2 (6).
  • gas pressure can also be generated in gas space 2 (10) by injecting biogas into the fermenter bottom of chamber 2 (6) or chamber 3 (12) and simultaneously closed valve 2 (9). With valve 1 (1) and valve 3 (8) open, the biomass level in chamber 2 (6) and chamber 3 (12) decreases and the biomass level in chamber 1 (7) increases proportionally.
  • biomass level (19) in chamber 3 (12) Due to the low compressibility of liquids remains the biomass level (19) in chamber 3 (12) even with increasing gas pressure in the gas space 2 (10) constant as soon as the biomass level reaches the top of the partition wall 2 (13) and no more biomass Chamber 3 (12) in chamber 2 (6) can flow.
  • the biomass level in chamber 2 (6) can continue to decrease proportionally to the gas pressure in the gas space 2 (10), which further increases the biomass level in chamber 1 (7).
  • the pressure drop of the biomass from the bottom of the chamber 3 (12) and the biomass level of the chamber 1 (7) is proportional to the height difference of the biomass level of the chamber 3 (12) to the biomass level of the chamber 2 (6).
  • a baffle (22), preferably in the shape of an elongated triangle, is installed at an angle of greater than 90 ° to the horizontal biomass level on the gas-tight partition 1 (5) to provide deflection of the biomass in chamber 2 (Fig ) with up-flow characteristics. As soon as the biomass level is above the guide plate (22), the likewise deflected biogas provides an additional horizontal thrust action in the direction of the chamber 3 (12).
  • a sieve (15) e.g. a perforated screen are installed. This sieve (15) has the task, the more liquid components of the
  • biomass in chamber 3 (12) from the more fibrous components of biomass of chamber 3 (12).
  • the more liquid part should be pumped back for inoculation purposes as previously described.
  • a rapid clogging of the screen is prevented by the biogas injection (18) on the fermenter bottom of the chamber 3 (12) and the associated flushing effect.
  • discharge 1 (14) biomass with more fibrous components can be discharged from the fermenter, from the discharge 2 (16) more liquid components of the biomass in chamber 3 (12) can be discharged.
  • Liquid digestate can be used to inject it together with biogas in the fermenter bottom. In this way, on the one hand, the turbulence and mixing of the biomass can be promoted. On the other hand, an additional inoculation of the biomass can be achieved via the digestate injection.
  • the negative pressure can be used as a process principle for promoting the degassing of the biomass, which is subject to the negative pressure.
  • Each tub • has an outlet (21) at the bottom, in order to be able to discharge these heavy materials from the fermenter.
  • Chamber 3 (12) can also be dimensioned according to need so that it can serve as an intermediate storage for digestate. It is advantageous here that the material does not have to be pumped energy-consuming into other containers and the heat losses are reduced by minimizing the container outer surfaces. In principle, the chamber 3 (12) with correspondingly large dimensions also for the provision of digestate before
  • chamber 3 (12) initially be largely empty.
  • Chamber 3 (12) can be filled again via the pressure build-up in gas space 1 (4) and the possible biomass displacement over the upper edge of dividing wall 2 (13) (FIG. 4).
  • a temporary batch operation of the fermenter (11) is possible.
  • openings may be provided in the transition region of chamber 1 (7) and chamber 2 (6) on the side walls or in the bottom through which, for example, vibrating means such as a vibrator for loosening the biomass can be inserted.
  • the biomass is operated as in a PfropfenstiOm first in chamber 1 in the outflow, in chamber 2 in the upflow and in chamber 3 again in the outflow.
  • any number of combinations of upflow and downflow can intervene, so that fermenters with 5, 7, 9, etc. chambers can be produced.
  • Fig. 5 shows the embodiment of a Fe ⁇ nenters with 5 chambers. The principles of action remain identical to those described above. However, the technical control and equipment costs increased.

Abstract

Die dargestellte Erfindung betrifft einen besonders an die Fermentation von Energiepflanzen angepassten Fermenter ohne mechanische Rührwerke zur Erzeugung von Biogas. Durch den Einbau von Trennwänden wird die natürlich sich entwickelnde Schichtenbildung im Rahmen des organischen Abbaus nutzbringend in den Prozess integriert. Durch vertikale Trennwände entstehen innerhalb eines Fermenters mehrere Kammern, Gasräume und Wannen. Die Eindüsung von Biogas am Fermenterboden wird für die vertikale Durchmischung der Biomasse, für den Transport der Biomasse im Fermenter, für die Erzeugung von Über- und Unterdruck in der Biomasse und für das Umpumpen von Digestat vom Prozessende zum Prozessanfang eingesetzt. Das Verfahren verbraucht deshalb vergleichsweise wenig Energie. Die Biomasse kann ohne externe Flüssigkeit wie Gülle oder Wasser vergärt werden. Das Verfahren kann mit Trockensubstanzgehalten im Fermenter oberhalb und unterhalb der Grenze für die Rührfähigkeit bei ca. 15 Prozent arbeiten. Das Verfahren ist deshalb äußerst flexibel im Hinblick auf die Vielfalt der einsetzbaren Rohstoffe.

Description

Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse.
[0002] Verfahren zur anaeroben Vergärung von Biomasse haben sich historisch aus der Behandlung von Reststoffen wie Abwasser, Abfall oder Gülle entwickelt. Vielfältige Techniken und Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse sind in der Praxis und in der Literatur sowohl aus der Abwassertechnik, der Abfallwirtschaft und aus der Landwirtschaft bekannt. Neben Batchverfahren mit Perkolationsprinzip, z.B. so genannte Garagenfermenter sind kontinuierlich betriebene Verfahren bekannt. Eine Übersicht über den Stand der Technik gibt, die Handreichung Biogasgewinnung und Nutzung, Institut für Energetik und Umwelt, Deutsche Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft, Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft, Gülzow 2005, herausgegeben von der Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe, Gülzow, (www.fnr.de).
[0003] Vielfach werden insbesondere im Bereich der Landwirtschaft voll durchmischte kontinuierlich betriebene Fermenter, so genannte Nassverfahren eingesetzt, bei der die Biomasse über ein Rührwerk gemischt und entgast wird. Oftmals sind zwei Fermenter in Serie geschaltet, wobei im zweiten Fermenter eine Nachgärung erfolgt. Auch die Eindüsung von Biogas am Behälterboden wird eingesetzt, um für eine Verwirbelung und Vermischung des Fermenterinhaltes zu sorgen. Nachteile dieser Nassververfahren sind die Ausbildung von Sink- und Schwimmschichten beim Einsatz von Pflanzen oder Pflanzensilagen, der vorzeitige Austrag von teils unvergorenem Material aus dem Fermenter und der hohe Energieeinsatz für die Rührtechnik. Weiterhin sind Verschleißerscheinungen an den Rührwerken bekannt. Die Trockenmassegehalte der Biomasse im Fermeriter dürfen zudem einen Wert von ca. 15% nicht überschreiten, damit die Biomasse rührfähig bleibt, so dass die zuführbare Mengen an Pflanzen oder Pflanzensilage limitiert ist.
[0004] Vorwiegend aus der Abfallwirtschaft sind weitere, so genannte kontinuierlich betriebene trockene Vergärungsverfahren mit Pfropfstromcharakteristik bekannt. In der Veröffentlichung „Trockenfermentation -Evaluierung des Forschungs- und Entwicklungsbedarfs" im Rahmen der Schriftenreihe „Gülzower Gespräche", herausgegeben von der deutschen „Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V." im Jahr 2004 ist der Stand der Technik zur Trockenfermentation beschrieben. Teilweise kommen mechanische Rührwerke zum Einsatz, deren Aufgabe es unter anderem ist, eine natürlich sich ausbildende Sink-Schwimmtrennung einzelner Biomassebestandteile im Rahmen des Abbaus der organischen Masse zu verhindern.
[0005] Das Verfahren gemäß EP 0 192 900 Bl arbeitet mit einer Biogaseindüsung am Boden zum Mischen und Entgasen von Biomasse. Die Biomasse umfließt in einem vertikalen Fermenter von der Eingabe zum Austrag eine vertikale, auch am Boden nicht komplett geschlossene Trennwand. Dieses Verfahren bildet in idealer Ausprägung ein Auf- and Abstrom des Gärmaterials um die Trennwand aus. Dazu ist eine gewisse Viskosität der Biomasse erforderlich. Aufgrund der am Boden nicht geschlossenen Trennwand besteht die Möglichkeit, dass sich für bestimmte, insbesondere flüssige Fraktionen ein Kurschlussstrom in horizontaler Richtung am Boden um die Trennwand entwickeln kann. Ferner besteht die Gefahr, dass eine sich ausbildende Schwimmschicht bei laufendem Betrieb nicht mehr aus dem Fermenter entfernt werden kann, da Eintrag und Austrag nahe am Fermenterboden installiert sind.
[0006] Ein weiteres Verfahren gemäß EP 0074290 nutzt ebenfalls die Biogaseindüsung am Fermenterboden. Eine am Boden durchlässige Trennwand teilt den Fermenter in zwei Bereiche. Der Ein- und Austrag der Biomasse erfolgt über jeweils einen Siphon.
[0007] Aufgrund der zunehmenden Wichtigkeit von Klima - und Ressourcenschutz und entsprechenden Fördermechanismen gewinnt die Fermentation von so genannten Energiepflanzen, d.h. Pflanzen, Pflanzenteüe und Pflanzensilagen zunehmend an Bedeutung. Ziel ist zunehmend weniger die Behandlung von Reststoffen als vielmehr die Erzeugung von erneuerbarer Energie in Form von Biogas. Dieser neue Rohstoff Energiepflanze stellt neue
Anforderungen an die Verfahrenstechnik. Insbesondere sind drei große Problematiken zu lösen. Bei der Fermentation von Energiepflanzen ist die Schichtenbildung besonders intensiv, da im Laufe des Abbaus der Biomasse eine starke Trennung in mehr flüssigen und mehr zum Aufschwimmen neigenden faserigen Fraktionen auftritt. Ferner gilt es eine Versäuerung der Biomasse im Fermenter und eine damit einhergehende Inhibierung der an der Fermentation beteiligten Bakterien zu verhindern. Schließlich gewinnt die Minimierung des Eigenverbrauchs an Energie eine zunehmende Bedeutung bei Anlagen, deren Verfahrensziel die Erzeugung von Energie ist. [0008] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zur Grunde, ein besonders angepasstes, effektives und flexibles Verfahren im Hinblick auf die vorzugsweise eingesetzten Rohstoffe Energiepflanzen zu entwickeln bei gleichzeitiger Minimierung der eingesetzten Primärenergie für die erforderlichen Aggregate. Zur Lösung der Aufgabe wurde ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 entwickelt.
[0009] Durch die Nutzung der Biogaseindüsung am Fermenterboden für verschiedene Zwecke wie für den Transport der Biomasse, für die Erzeugung von Über- und Unterdruck und für das Umpumpen von Digestat verbraucht das dargestellte Verfahren wenig Energie, um verschiedene vorteilhafte und dargestellte Effekt zu erzielen.
[0010] Schwimmschichten stellen für das dargestellte Verfahren keine Problematik dar. Im Gegensatz dazu wird in einer Fermenterkammer mit Aufstrom-Charakteristik die Tendenz zum Aufschwimmen von faserigen Stoffen dazu genutzt, um diese nach einer vorgegebenen Verweilzeit gezielt aus dem Prozess auszuschleusen.
[0011] Flüssige Bodenschichten werden durch eine unten geschlossene Trennwand gezielt an einem Kurzschlussstrom zum Austrag gehindert. Durch die Ausbildung einer oder mehrerer Wannen wird die an Bakterien reiche flüssige Bodenschicht gezielt im Fermenter zurückgehalten, wodurch eine stetige Animpfung von neu zugeführtem unvergorenem Material möglich ist.
[0012] Das Verfahren verzichtet auf anfällige bewegliche Einbauten wie mechanische Rührwerke im aggressiven Milieu innerhalb des Reaktors.
[0013] Das Verfahren ist äußerst flexibel im Hinblick auf die Vielfalt der einsetzbaren Rohstoffe. Insbesondere die Fermentation von Energiepflanzen und von faserigen Pflanzenbestanteüen ist mit dem dargestellten Verfahren energieeffizient möglich.
[0014] Das Verfahren kann als Trockenfermentation betrachtet werden, da die Biomasse ohne externe Flüssigkeit wie Gülle oder Wasser vergärt wird und da der Trockensubstanzgehalt der Biomasse im Fermenter höher als die Grenze für Rülirfähigkeit von nassen Verfahren von ca. 15% liegen kann. Durch den Einbau von Trennwänden wird sich an die reaktionstechnisch günstige Pfropfenstrom-Fahrweise angenähert. [0015] Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausfuhrungsbeispiele sowie anhand der beigefugten Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 Ausführungsbeispiel anhand eines Fermenters mit drei Kammern
Fig. 2 Betriebzustand „Erniedrigter Biomassepegel in Kammer 1" eines Fermenters mit drei Kammern .
Fig. 3 Betriebzustand „Erniedrigter Biomassepegel in Kammer 2" eines Fermenters mit drei Kammern
Fig. 4 Betriebzustand „Leerfahren von Kammer 3" eines Fermenters mit 3 Kammern
Fig. 5 Ausfuhrungsbeispiel anhand eines Fermenters mit fünf Kammern
[0016] Der Fermenter wird in 3, 5, 7 oder mehr hintereinander angeordneten Kammern durch den Einbau von vertikalen Trennwänden unterteilt. Die Trennwände unterscheiden sich in zwei Typen. Der eine Typ 1 wie Trennwand 1 (5) wird gasdicht ausgeführt und trennt die erste Kammer von der Fermenterdecke abwärts von der zweiten Kammer, die dritte Kammer von der vierten, die fünfte Kammer von der sechsten, usw. und ragt bis zu einer bestimmten Tiefe in die Biomassepegel hinein. An der unten offenen Trennwand kann die Biomasse zur nächsten Kammer weiter fließen.
[0017] Der andere Typ 2 wie Trennwand 2 (13) ist undurchlässig für Flüssigkeiten und trennt die Biomasse der zweiten Kammer vom Boden aufwärts von der dritten, die vierte Kammer von der fünften, die sechste Kammer von der siebten , usw. bis zu einer bestimmten Höhe. An der oben offenen Trennwand kann die Biomasse zur nächsten Kammer weiter fließen.
[0018] Durch die Trennwände entstehen voneinander getrennte Gasräume und Wannen für die Biomasse. [0019] Am Beispiel eines Fermenters mit drei Kammern (Fig. 1) soll das Wirkprinzip der Trennwäride in Verbindung mit der Eindüsung von Biogas am Fermenterboden dargestellt werden
[0020] Durch Trennwand 1 (5) entstehen zwei Gasräume, Gasraum 1 (4) über Kammer 1 (7) und Gasraum 2 (10) über Kammer 2 (6) zusammen mit Kammer 3 (12). Durch Trennwand 2 (13) entstehen eine im unteren Bereich vom Boden aufwärts geschlossene Wanne für Kammer 1 (7) zusammen mit Kammer 2 (6) und eine weitere Wanne für Kammer 3 (12). Insgesamt bildet der Fermenter eine Art Strömungsrohr, in dem sich ein Pfropfenstrom des Materials ausbildet.
[0021] Die Beschickung der zuvor mit Digestat angeimpften Biomasse in den Fermenter (11) erfolgt in der ersten Kammer 1 (7) im oberen Bereich des Fermenters über den Eintrag (2) und dem Abziehen der Biomasse aus dem Fermenter (11) über den Austrag 2 (16) oder Austrag 1 (14) in der letzten Kammer 3(12) im unteren Bereich. Der Eintrag (2) wird gasdicht ausgeführt, so dass keine Luft in den Fermenter (11) eindringen und auch kein Biogas über den Eintrag in die Atmosphäre entweichen kann. Austrag 1 (14) und Austrag 2 (16) werden als Schleuse oder Ventil ausgeführt, so dass nur gezielt vergorene Biomasse als Digestat aus der letzten Kammer 3 (12) abgezogen werden kann. Die Beschickung des Fermenters (11) erfolgt kontinuierlich oder quasikontinuierlich, in dem die Biomasse ständig oder im Zyklus eingefüllt und das ausgegorene Digestat gleichermaßen abgezogen wird.
[0022] Zur Aufrechterhaltung des Pfropfenstroms erfordert das Verfahren keine Zumischung von externer Flüssigkeit wie Gülle oder Wasser. Die in der Regel stückige Biomasse wie Pflanzensilage wird lediglich mit vergorenem Digestat angeimpft, welches einen neutralen bis •leicht alkalischen pH- Wert aufweist. Durch den Verzicht auf externe Flüssigkeit und durch einen höheren Trockensubstanzgehalt der Biomasse im Fermenter können die Massenströme reduziert und der Energieverbrauch zum Mischen und Umwälzen der Biomasse minimiert werden. '
[0023] Kammer 1 (7) und Kammer 2 (6) sind aufgrund der unten offenen Trennwand 1 (5) hydrostatisch mit einem U-Rohr gleichzusetzen. Aufgrund der Flächenlast der neu zudosierten Biomasse erfolgt beim Zudosieren von Biomasse über den Eintrag (2) ein hydrostatischer Ausgleich, so dass sich die Biomassepegel (19) ausgleichen. Dies ist jedoch nur möglich, wenn Ventil 1 (1) und Ventil 2 (9) der GasauslassveiTohrung (20) geöffnet sind. Wäre beispielsweise Ventil 2 (9) geschlossen, würde im Gasraum 2 (10) ein Überdruck entstehen, der einem hydrostatischen Ausgleich der Biomassepegel (19) entgegen wirken würde.
[0024] Das Verschieben von Biomasse aus Kammer 1 (7) in Kammer 2 (6) kann durch Erzeugung von Gasdruck im Gasraum 1 (4) zusätzlich erzwungen werden. In Gasraum 1 (4) sammelt sich durch die Eindüsung von Biogas am Fermenterboden der Kammer 1 (7) und gleichzeitig geschlossenen Ventil 1 (1) Biogas an, das die Biomasse aus Kammer 1 (7) proportional zum entstehenden Gasdruck in Kammer 2 (6) verschiebt (Fig. 2). Hierzu müssen Ventil 2 (9) und Ventil 3 (8) geöffnet sein. In diesem Stadium kann das Abziehen von Biomasse über den Austrag 1 (14) oder Austrag 2 (16) unter höherem hydrostatischen Druck und damit größerer Schub Wirkung erfolgen.
[0025] Ist ein gewünschter niedrigerer Biomassepegel in Kammer 1 (7) und höherer Biomassepegel in Kammer 2 (6) erreicht, kann durch Schließen von Ventil 2 (9) und Öffnen von Ventil 1 (1) und offenem Ventil 3 (8) der Biomassepegel für eine gewünschte Zeit auf diesem Pegel gehalten werden. Ein Rückfließen der Biomasse aus Kammer 2 (6) in Kammer 1 (7) mittels hydrostatischen Ausgleichs wird durch einen sich ausbildenden Unterdrück im Gasraum 2 (10) verhindert. In diesem Stadium kann das Zudosieren von Biomasse am Eintrag (2) in einen niedrigeren Biomassepegel in Kammer 1 (7) erfolgen (Fig. 3).
[0026] Ziel der vorgenannten Maßnahmen ist es, den Massenfluss vom Eintrag (2) bis zum Austrag (14, 16) zu unterstützen, da der Trockensubstanzgehalt der Biomasse im Reaktor erhöht ist und sich diese annäherungsweise wie eine viskose Flüssigkeit verhält.
[0027] Erfahrungsgemäß bilden Energiepflanzen oder deren Silagen bei der Fermentation starke Sink- und Schwimmschichten, die in den vorherrschenden Fermentertypen dazu fuhren können, dass sich am Boden eine sehr flüssige und mobile Bodenschicht und eine relative immobile Schwimmschicht ausbilden. Eine gewünschte Durchmischung beider Schichten zur besseren Biogasproduktion muss aufwendig mittels mechanischem Rühren erreicht werden. Weiterhin kann es dazu fuhren, dass vor allem die mobile Bodenschicht schnell und nach verhältnismäßig verkürzter Verweilzeit im Fermenter ausgetragen wird, während die immobile Schwimmschicht verhältnismäßig lange im Fermenter verweilt. [0028] Der Fermenter gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 bildet in den ersten beiden Kammern (7, 6) eine Wanne aus. Darin sammelt sich erfahrungsgemäß die flüssige Bodenschicht, ohne Abfließen zu können. Das neu zudosierte Material, muss zunächst durch diese Wanne hindurchwandern, wobei diese insbesondere in der Kammer 2 (6) durch den Auftrieb der faserigen Stoffe, befördert durch die Flotationswirkung der Biogaseindüsung am Fermenterboden der Kammer 2 (6), wieder nach oben geschoben und über den Überlauf zum Kammer 3 (12) bevorzugt zum Austrag gelangen. In der Wanne bleibt vorzugsweise eine flüssige Bodenschicht zurück, die viele Bakterien enthält und so ständig für eine Animpfung der Biomasse in Kammer 1 (7) und Kammer 2 (6) sorgt. Somit wird ein Effekt erzielt, den herkömmliche Verfahren mit einem Umpumpen von Biomasse von unten nach oben bei der Nassfermentation erzielen.
[0029] Wie in Gasraum 1 (4) lässt sich auch in Gasraum 2 (10) durch Eindüsen von Biogas im Fermenterboden von Kammer 2 (6) oder Kammer 3 (12) und gleichzeitig geschlossenem Ventil 2 (9) ein Gasdruck erzeugen. Bei geöffnetem Ventil 1 (1) und Ventil 3 (8) sinkt der Biomassepegel in Kammer 2 (6) und Kammer 3 (12) und der Biomassepegel in Kammer 1 (7) steigt proportional.
[0030] Aufgrund der geringen Kompressibilität von Flüssigkeiten bleibt der Biomassepegel (19) in Kammer 3 (12) auch bei zunehmendem Gasdruck in Gasraum 2 (10) konstant, sobald die Biomassepegel die Oberkante der Trennwand 2 (13) erreicht und keine Biomasse mehr von Kammer 3 (12) in Kammer 2 (6) fließen kann. Der Biomassepegel in Kammer 2 (6) kann sich proportional zum Gasdruck im Gasraum 2 (10) weiter senken, wodurch sich der Biomassepegel in Kammer 1 (7) weiter erhöht.
[0031] Ist ein gewünschter höherer Biomassepegel in Kammer 1 (7) erreicht, kann durch Schließen von Ventil 1 (1) und Öffnen von Ventil 2 (9) und offenem Ventil 3 (8) der Biomassepegel für eine gewünschte Zeit auf diesem Pegel gehalten werden. Ein Rückfließen der Biomasse aus Kammer 1 (7) in Kammer 2 (6) mittels hydrostatischen Ausgleichs wird durch einen sich ausbildenden Unterdruck im Gasraum 1 (4) verhindert. In diesem Stadium kann durch Öffnen von Ventil (4 (17) bereits vergorene Biomasse aus dem Bodenbereich der Kammer 3 (12) in den Bereich oberhalb des sich eingestellten Biomassepegels der Kammer 1 (7) über ein Rückflussrohr (3) umgepumpt werden. Dies ist dadurch möglich, dass auf die Biomasse im Bodenbereich der Kammer 3 (12) der Gasüberdruck aus Gasraum 2 (10) und zusätzlich der hydrostatische Druck der darüber liegenden Biomasse wirkt. Das Druckgefalle der Biomasse vom Bodenbereich der Kammer 3 (12) und vom Biomassepegel der Kammer 1 (7) ist proportional zum Höhenunterschied des Biomassepegels der Kammer 3 (12) zum Biomassepegel der Kammer 2 (6). Durch die Nutzung des vorgenannten Effektes muss keine Energie zusätzlich zur sowieso erforderlichen Biogaseinsdüsung (18) am Fermenterboden in Kammer 2 (6) oder Kammer 3 (12) aufgewandt werden, um Digestat vom Ende des Prozesses zum Anfang des Prozesses zu transportieren. Das so zurück gepumpte Digestat wird beispielsweise für Animpfzwecke genutzt. Der beschrieben Pumpeffekt kann aber auch für das Pumpen von Digestat zu anderen Punkten innerhalb des Fermenters (11) oder außerhalb eingesetzt werden.
[0032] Eine Leitplatte (22), vorzugsweise in der Form eines lang gezogenen Dreiecks, wird mit einem Winkel von größer als 90° zum horizontalen Biomassepegel an der gasdichten Trennwand 1 (5) installiert, um eine Umlenkung der Biomasse in Kammer 2 (7) mit Aufstrom-Charakteristik zu unterstützen. Sobald der Biomassepegel über der Leitplatte (22) liegt, sorgt das ebenfalls umgelenkte Biogas für eine zusätzliche horizontale Schubwirkung in Richtung Kammer 3 (12).
[0033] Zwischen Trennwand 2 (13) und Außenwand des Fermenter (11) kann in Kammer 3 (12) auf einer Höhe zwischen Austrag 1 (14) und Austrag 2 (16) ein Sieb (15), z.B. ein Lochsieb eingebaut werden. Dieses Sieb (15) hat die Aufgabe, die mehr flüssigen Bestandteile der
Biomasse in Kammer 3 (12) von den mehr faserigen Bestandteilen der Biomasse der Kammer 3 (12) zu trennen. Der mehr flüssige Teil soll zum Beispiel für Animpfzwecke wie zuvor beschrieben zurückgepumpt werden. Ein schnelles Zusetzen des Siebes wird durch die Biogaseindüsung (18) am Fermenterboden der Kammer 3 (12) und dem damit verbundenen Spüleffekt verhindert. Über Austrag 1 (14) kann Biomasse mit mehr faserigen Bestandteilen aus dem Fermenter ausgeschleust werden, aus dem Austrag 2 (16) können mehr flüssige Bestandteile der Biomasse in Kammer 3 (12) ausgeschleust werden.
[0034] Flüssiges Digestat kann eingesetzt werden, um es zusammen mit Biogas in den Fermenterboden einzudüsen. Hierdurch kann einerseits die Verwirbelung und Durchmischung der Biomasse befördert werden. Andererseits kann über die Digestateindüsung eine zusätzliche Animpfung der Biomasse erreicht werden.
[0035] In den zwei Gasräumen (4, 10) lassen sich Unterdrücke erzeugen, in dem zunächst ein höherer Biomassepegel in einer Kammer erzeugt wird und daraufhin das Gasauslassventil dieser W
.9.
Kammer geschlossen und das des korrespondierenden Gasraums geöffnet wird. Der Unterdruck kann als Verfahrensprinzip zur Förderung der Entgasung der Biomasse eingesetzt werden, die dem Unterdruck unterliegt.
[0036] Zum Austrag von Schwerstoffen, die über mineralische Verunreinigungen der Rohstoffe in den Prozess eingeschleust werden, weist der Fermenterboden eine Neigung auf. Jede Wanne • besitzt am Tiefpunkt einen Auslass (21), um diese Schwerstoffe aus dem Fermenter ausschleusen zu können. .
[0037] Kammer 3 (12) kann je nach Bedarf auch so dimensioniert werden, dass es als Zwischenlager für Digestat dienen kann. Vorteilhaft ist hier, dass das Material nicht energieaufwendig in andere Behälter umgepumpt werden muss und die Wärmeverluste durch Minimierung der Behälteraußenflächen reduziert werden. Prinzipiell kann die Kammer 3 (12) bei entsprechend großer Dimensionierung auch zur Vorhaltung von Digestat vor der
Weiterverwendung zum Beispiel als Dünger eingesetzt werden. Dazu kann die Kammer 3 (12) zunächst weitestgehend leer gefahren werden. Über den Druckaufbau in Gasraum 1 (4) und die damit mögliche Biomasseverschiebung über die Oberkante der Trennwand 2 (13) kann Kammer 3 (12) wieder befüllt werden (Fig. 4). Dadurch wird ein vorübergehender Batch-Betrieb des Fermenters (11) möglich.
[0038] Verschiedene weitere Betriebszustände sind durch die Variation der Biomassepegel und der Gasdrücke in den Gasräumen möglich, deren umfassende Beschreibung hier zu weitgehend wäre.
[0039] Zur Vermeidung von Stopfungen können im Übergangsbereich von Kammer 1 (7) und Kammer 2 (6) an den Seitenwänden oder im Boden Öffnungen vorgesehen werden, durch die zum, Beispiel vibrierende Einrichtungen wie ein Rüttler zur Auflockerung der Biomasse eingeschoben werden können. .
[0040] Insgesamt wird die Biomasse wie in einem PfropfenstiOm zunächst in Kammer 1 im Abstrom, in Kammer 2 im Aufstrom und in Kammer 3 wieder im Abstrom betrieben. Prinzipiell lassen sich beliebig viele Kombinationen aus Auf- und Abstrom dazwischenschalten, so dass sich Fermenter mit 5, 7, 9 usw. Kammern herstellen lassen. Fig. 5 zeigt die Ausführung eines Feπnenters mit 5 Kammern. Die Wirkprinzipien bleiben identisch zu den zuvor beschriebenen. Jedoch erhöht sich der regeltechnische und apparative Aufwand.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse in einem Biogasfermenter, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermenter eine Kombination von
Kammern, von Wannen, von Gasräumen und von der Eindüsung von Biogas in den Bodenbereich darstellt, wobei der Fermenter eine Unterteilung in mindestens drei hintereinander angeordneten Kammern aufweist, die durch den Einbau von mindestens zwei Typen von teilgeschlossenen und vorzugsweise vertikalen Trennwänden gebildet werden, von denen mindestens eine gasdichte Trennwand (Typ 1) den Gasraum der ersten Kammer von der Fermenterdecke abwärts vom Gasraum der nachfolgenden Kammer trennt und bis zu einer bestimmten Tiefe in den Biomassepegel hineinragt und mindestens einer weiteren flüssigkeitsdichten Trennwand (Typ 2) , die die Biomasse der letzten Kammer vom Fermenterboden aufwärts bis zu einer bestimmten Höhe von der Biomasse der vorhergehenden Kammer trennt und bei dem der Eintrag der Biomasse in den Fermenter in der ersten Kammer im oberen Bereich und der Austräg der Biomasse aus dem Fermenter in der am entferntest gelegenen letzten Kammer im unteren Bereich erfolgt, so dass ein Abstrom der Biomasse in der ersten Kammer hervorgerufen wird, dem ein Aufstrom der Biomasse in der folgenden Kammer folgt, dem weitere Abfolgen von Abstrom und Aufstrom, hervorgerufen durch abwechselnde Anordnung von
Trennwandtyp 1 und Trennwandtyp 2, folgen können bis der Austrag an mindestens einer ' Stelle im unteren Bereich der letzten Kammer erfolgt und die letzte Kammer wieder im Abstrom betrieben wird, und bei dem die Durchmischung der Biomasse und die Unterstützung der Entgasung des im Rahmen der Vergärung entstandenen Biogases aus der Biomasse durch Eindüsung von Biogas oder einem Gemisch aus Biogas und Digestat am Fermenterboden erfolgt, welche zusätzlich unterschiedliche Gasdrücke in den zwei oder mehreren Gasräumen über der Biomasse durch Schließen und Öffnen von Gasauslassventilen hervorrufen kann, wodurch unterschiedliche Biomassepegel innerhalb der einzelnen Fermenterkammern hervorgerufen werden können.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Gasdrucks im jeweiligen Gasraum durch die Menge der Biogaseindüsung am Fermenterboden der jeweiligen Kammer und über das Öffnen oder Schließen von mindestens einem Regelventil in der Gasauslassverrohrung der Gaskammer und durch ein Regelventil nach dem Zusammenfluss der Gasströme erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
Unterdruck in der Biomasse der verschiedenen Kammern erzeugt wird, in dem unterschiedliche Biomassepegel in den Kammern mittels Erhöhung des Gasdrucks in der hydrostatisch korrespondieren Kammer erzeugt werden und darauf hin die
Gasauslassventile der hydrostatisch korrespondierenden Kammer mit dem höheren Biomassepegel geschlossen werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Sieb in die letzte Kammer zur Separierung der vergorenen Biomasse in eine flüssigere Fraktion und eine Fraktion mit höheren Gehalten an Faserstoffen eingebaut wird, dessen Reinigung und Öffnen verstopfter Löcher durch Eindüsen von Biogas im Bodenbereich des Fermenters erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine hydrostatische Verbindung zwischen der letzten Kammer und der ersten Kammer, vorzugsweise mittels Rohr und Regelventil installiert wird, um ein Umpumpen von Biomasse aus dem unteren Bereich der letzten Kammer zum oberen Bereich der ersten Kammer durch Erzeugung eines Druckgefälles mittels Gasüberdruck im Gasraum der • letzten Kammer und gleichzeitig wirkendem hydrostatischen Druck der Biomasse in der letzten Kammer möglich ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass durch jede flüssigkeitsdichte Trennwand (Typ 2) zur Trennung der Biomasse Wannen entstehen, die jede eine geringe Neigung des Fermenterbodens zu einem Auslass hin aufweisen und dieser Auslass zur Ausschleusung von Steinen und ähnlichem dient.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Fluss der Biomasse vom Eintrag zum Austrag dadurch unterstützt werden kann, indem der Biomassepegel der letzten Kammer durch Gasüberdruck im vorhergehenden
Gasraum bei offenem Gasauslassventil über der letzten Kammer' erhöht wird und in diesem Zustand ein oder mehrere Austräge geöffnet werden, wodurch vergorene Biomasse aus dem Fermenter ausgetragen wird und sich nach Druckausgleich in den beiden letzten Gasräumen ein niedrigerer Biomassepegel in den darunter liegenden Fermenterkammern einstellt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Leitplatte, vorzugsweise in Form eines Dreiecks, mit einem Winkel größer als 90° zum horizontalen Biomassepegel an einer gasdichten Trennwand (Typ 1) installiert wird, um eine Umlenkung der Biomasse aus einer Kammer mit Aufstrom-Charakteristik in die darauffolgende Kammer zu bewirken. '
9. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Fermenter (11) eine Unterteilung in drei hintereinander angeordneten Kammern (6, 7, 12) aufweist, die durch den Einbau von zwei teilgeschlossenen vorzugsweise vertikalen Trennwänden (5, 13) gebildet werden, von denen eine gasdichte Trennwand (5) vom Typ 1 den Gasraum (4) der ersten Kammern 1 (7) von der Fermenterdecke abwärts vom Gasraum (10) der nachfolgenden Kammer 2 (6) trennt und bis zu einer bestimmten Tiefe in die Biomassepegel hineinragt und einer weiteren flüssigkeitsdichten Trennwand (13)vom Typ 2, die die Biomasse der letzten Kammer 3 (6) vom Boden aufwärts bis zu einer bestimmten Höhe von der Biomasse der vorhergehenden Kammer 2 (12) trennt, und bei dem der Eintrag (2) der Biomasse in den Fermenter (11) in der ersten Kammer (7) und der Austrag der Biomasse aus dem Fermenter (11) in der letzten Kammer 3 (12) erfolgt, so dass ein Abstrom der Biomasse in der ersten Kammer hervorgerufen wird, dem ein Aufstrom der Biomasse in der zweiten Kammer folgt bis der Austrag der Biomasse an mindestens einer Stelle im unteren Bereich der letzten Kammer erfolgt und die letzte Kammer 3 (12) wieder im Abstrom betrieben wird, und bei dem die Durchmischung der
Biomasse, die Unterstützung der Entgasung des im Rahmen der Vergärung entstandenen Biogases aus der Biomasse durch Biogaseindüsung (18) oder einem Gemisch aus Biogas und Digestat am Fermenterboden erfolgt, welche zusätzlich unterschiedliche Gasdrücke in den zwei Gasräumen (4, 10) darüber durch Schließen der Gasauslassventile hervorrufen kann, wodurch unterschiedliche Biomassepegel innerhalb der einzelnen
Fermenterkammern hervorgerufen werden können.
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