WO2023275377A1 - Verfahren zum trocknen von vorzugsweise biogenen reststoffen und bioreaktor zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum trocknen von vorzugsweise biogenen reststoffen und bioreaktor zur durchführung des verfahrens Download PDF

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drying medium
balls
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drying
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Udo Comes
Karl Markgraf
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Mutec Markgraf Gmbh
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    • F26B2200/12—Manure

Definitions

  • the invention relates to a method for drying preferably biogenic residues with the supply of a drying medium.
  • the invention also relates to a bioreactor for carrying out the method.
  • Biogenic residues offer several potentials, in particular nutrients, energy, phosphorus and metals, which are often underused by the current process chains. Biogenic residues are often only disposed of and not recycled.
  • biogenic residues are often in a chemically unstable and aqueous form and are not worth transporting over long distances. Examples include liquid manure and fermentation residues.
  • the energetic potential of biogenic residues is the energy chemically bound in the complex organic molecules, which can be used as a biomass fuel to directly replace fossil fuels.
  • Metals can be contained in the solids in different concentrations and combinations. Some metals are rare elements found only in small concentrations in the earth's crust. This includes, for example, cobalt, which is required in battery production for electromobility, so that the raw material is currently in high demand.
  • the invention is based on the object of specifying a method with which, in particular, biogenic residues are processed in order to existing potential, especially nutrients, energy, phosphorus, metals and water as recyclable materials. Furthermore, the invention is based on the object of creating a bioreactor with which the method can be carried out.
  • the process is characterized by the following steps: a) filling biogenic residues with a liquid portion into a bioreactor, b) drying the residues to a dry mass, c) grinding the dry mass, d) removing the dry mass.
  • the dry mass can be further dried.
  • the method has the following steps: a) Filling the residues having a liquid portion into a bioreactor filled with (preferably dry) balls and having a mixer and mixing the balls and the residues by operating the mixer at least intermittently during the filling and /or after filling, so that films of the residues form on the surfaces of the spheres, b) drying the films of residues to form crusts of dry matter with a residual water content on the surfaces of the spheres by feeding a drying medium into the bioreactor, which Flows around balls, with at least part-time operation of the mixer, c) grinding and further drying of the dry matter by at least part-time operation of the mixer with abrasion of powdery dry matter from the balls, d) removal of the powdery dry matter from the bioreactor.
  • the result of the process is a very dry and very finely divided powdery dry mass (hereinafter also simply referred to as powder), which can be used in a variety of ways depending on the starting material (the residue).
  • the powder can be used in particular as a substitute fuel for fossil fuels, in particular wherever a combustion process using fossil fuels, in particular coal, is currently taking place.
  • An example represents the cement industry when burning clinker. In this way, fossil CC> 2 emissions can be effectively reduced.
  • the dry mass can be used as a nutrient-rich fertilizer in agriculture in the form of dry flour, in particular by mixing chemically unstable manure or fermentation residues with particularly dry biogenic residues, whereby the nutrients of the residue are used.
  • the process allows the phosphorus contained in the residue to be recovered and, in particular, also to be used as fertilizer.
  • metals can be extracted from the residues in order to be used as raw materials in the production processes of goods.
  • the water discharged from the reactor with the drying medium by the process can be used later by being treated as industrial or drinking water.
  • seawater two recyclable materials are produced simultaneously: salt as dry matter and water by separating the water from the drying medium with subsequent processing into drinking or process water.
  • residue is understood broadly within the scope of the invention and includes in particular, but not exclusively, biogenic residues.
  • Biogenic residues are organic waste and waste water, agricultural and forestry by-products and biogenic production residues.
  • residue for the description of the starting materials of this process includes all heterogeneous mixtures of substances with organic components. These are i.a. Sewage sludge (primary sludge, secondary sludge, tertiary sludge, digested sludge) and also liquid manure, fermentation residues, pond or river sludge, seawater and algae as well as other residues from marine plants and animals, as well as other organic mixtures of substances, secondary raw materials and industrial sludge.
  • the dry mass can be further dried.
  • the process comprises two stages, the first stage also being referred to as the “wet” stage and the second stage being referred to as the “dry” stage referred to as.
  • the films of residues are essentially dried with the formation of crusts on the surfaces of the spheres with at least intermittent operation of the mixer, which also causes the powder to be separated from the spheres.
  • the grinding and further drying of the powdery dry matter already separated from the spheres is carried out by operating the mixer through the grinding action of the spheres and discharging the powdery dry matter from the bioreactor.
  • the "dry” stage which includes further drying and grinding, can be carried out as an independent process and in addition to the first stage.
  • the drying medium is a drying fluid, in particular a gaseous fluid.
  • warm, unsaturated air and/or unsaturated, superheated steam are preferably used as gaseous drying fluids.
  • the application of the principle of steam drying using superheated water vapor also leads to a significant increase in the efficiency of heat transfer and thus time savings compared to using warm, unsaturated air as a drying medium.
  • the principle of steam drying using superheated steam at atmospheric pressure is known per se.
  • the drying process is accompanied by the evaporation of liquid, especially water (moisture).
  • the evaporation of liquids is defined as a phase change from the liquid to the gaseous phase and thus the conversion of the liquid into vapor.
  • steam is a real gas that can be discharged from the reactor space, which in the present case takes place through the drying medium.
  • evaporation is a generic term that very generally describes the phase transition from the liquid to the gas phase and thus includes evaporation below the boiling point and boiling above the boiling point of a liquid.
  • Water vapor can be part of a gas mixture.
  • the water vapor in the atmosphere is part of the gas mixture of humid air.
  • Humid air is a mixture of dry air and water. Compared to other mixtures of ideal gases, humid air has the special feature that water vapor cannot be mixed with dry air in any desired quantity.
  • the amount of water vapor that can be contained in the air is such that the partial pressure of the water vapor (partial pressure) has reached the saturation pressure. If the partial pressure of water vapor is less than the saturation pressure, then the air is unsaturated. Steam with a temperature higher than the saturation temperature is unsaturated, superheated steam. On the one hand, water vapor in the unsaturated moist air below the boiling point is superheated vapor. On the other hand, a vapor can appear completely isolated and fill a space alone, especially if the vapor is kept above the boiling temperature.
  • the energy can be introduced by convection (in the present inventive case using the drying medium) and/or conduction (via hot contact surfaces, e.g. heated outer walls of the bioreactor according to the invention) and/or by radiant heat (e.g. through transparent outer walls of one described later). bioreactor according to the invention).
  • the supplied biogenic residues can preferably be heated before the supply (maximum up to the boiling point).
  • the intensity and combination of the various heat transfer processes depend on the material properties of the biogenic residue to be dried and the desired drying result, which also includes disinfection/sanitization.
  • heat transfer by convection is used with the aid of the drying medium.
  • thermo and the pressure can be additionally varied for optimal process control and product quality, since these parameters directly influence the drying process.
  • the boiling temperature is a dependent function of the set pressure level. Temperatures above 0° C. up to 250° C. and positive (overpressure) or negative (negative pressure) pressure differences of 0-4 bar in relation to atmospheric pressure are preferably set.
  • the spheres can be made of any material as long as it has sufficient water absorbency in terms of hygroscopicity and/or capillarity and strength having.
  • the balls are preferably made of wood and in particular beech wood.
  • the spheres can be made of another material that has properties similar to wood, particularly in terms of moisture management and strength. For example, wood-plastic composites come into question.
  • the diameter of the balls is preferably between 5 mm and 50 mm, particularly preferably between 15 mm and 30 mm.
  • these can be dried before filling or feeding in the residual material. This can be done in particular by feeding the drying medium, in particular warm, unsaturated air and/or unsaturated, superheated steam, into the reactor.
  • a mixing process can be carried out while the residues are being filled in. At least one mixing process is preferably carried out after filling. As a result, the residues are completely mixed with the balls at least once.
  • the mixing process or processes continue until uniform thin films of the residues have formed on the surfaces of the balls.
  • liquid can also be applied to the surfaces of the balls when filling the residues.
  • the liquid can be introduced in particular by spraying in the liquid in the form of a spray mist.
  • the liquid can be water or another (biogenic) residue with a higher moisture content. This means that drier and wetter residues that are fed in at the same time can be fixed to the surfaces of the balls as thin biofilms.
  • liquid manure or fermentation residues are used as further (biogenic) residues with higher moisture contents.
  • a nutrient-rich fertilizer mixture can be produced as dry flour and thus as dry stabilizer using the process presented here.
  • Additional liquid is preferably introduced when the moisture content of the residue used falls below a lower threshold.
  • the liquid supplied can be enriched with an iron salt in order to precipitate free phosphates in the residue as iron phosphate.
  • the liquid can contain lime (calcium carbonate CaCCh) and can be added, for example, in the form of milk of lime and evenly distributed on the spherical surfaces.
  • lime calcium carbonate CaCCh
  • lime can also be fed into the bioreactor as a solid, in particular in the form of a free-flowing powder.
  • the addition of lime increases the pH value of the biofilms that form on the spherical surfaces, which enables a targeted reduction in the temperature level, which is necessary for the phase transition of nitrogen, which is mostly available in the form of ammonium in the biogenic residues, from the liquid to the gaseous phase is required.
  • gaseous discharge of ammonia can be specifically influenced with the help of the drying medium.
  • the gaseous nitrogen that is discharged as a result can then be processed further and thus separated as a nutrient.
  • This can preferably be done with an acid scrubber using sulfuric acid (H2SO4) so that ammonium sulphate solution can be produced.
  • the warm, unsaturated air is preferably introduced into the bioreactor at a temperature of up to 85°C.
  • the introduced air then flows around the spheres, with the films adhering to the sphere surfaces releasing moisture into the air.
  • the saturated air is discharged from the bioreactor again.
  • the water contained in the saturated air can be used for other purposes.
  • the unsaturated, superheated steam is introduced into the bioreactor in particular at a temperature of 110° C. to 300° C., preferably 110° C. to 250° C.
  • the set process parameters can be varied with regard to pressure and temperature, taking into account the limit values for the gas phase, which are derived from the vapor pressure curve.
  • the water vapor is preferably introduced into the bioreactor at atmospheric pressure.
  • the superheated steam then flows around the balls.
  • the residues absorb the heat convectively.
  • the films adhering to the surfaces of the spheres, which have a liquid content evaporate moisture, which the superheated steam absorbs as a real gas.
  • the moisture removed from the biogenic residues thus becomes excess steam, which can be extracted again from the Bioreactor is derived.
  • the water contained in the discharged excess steam can be used for other purposes.
  • crusts form on the surfaces of the balls, which consist of dry matter with a residual water content. Due to the mixing processes, the crusts are finely ground (rubbed off) from the surfaces of the spheres and will settle as a powder (powdery dry matter) with a residual water content at the bottom of the bioreactor.
  • the drying medium is preferably supplied via a plurality of drying medium inlets arranged at different heights of the bioreactor, in particular a drying medium inlet arranged in the lower third of the bioreactor, a drying medium inlet arranged in the middle filling level area, a drying medium inlet arranged above a maximum filling level and a drying medium inlet arranged in the bottom area .
  • the drying medium supply in the lower area of the bioreactor in particular from the drying medium inlet arranged in the lower third of the bioreactor and the drying medium inlet arranged in the bottom area, can be reduced or switched off. The result of this is that the drying medium no longer flows through the powdery dry mass accumulating in the floor area. This prevents the highly flammable powder from being whirled up and discharged with the exhaust air or excess steam. This measure therefore serves not only to retain the powder in the reactor, but also to protect against explosion.
  • the powder at the bottom of the bioreactor is preferably dried indirectly, with the drying medium not flowing through it directly (“aeration”).
  • the indirect drying can take place via the surfaces of the balls, in particular by sorption and additional capillary suction forces, which are located in the powder mixture in the bottom area of the bioreactor and are preferably drier than the powder surrounding them.
  • the drying medium can flow around the balls located above the powder during grinding and be dried in the process.
  • the drying medium is supplied via the drying medium inlet arranged in the central filling level area and the drying medium inlet arranged above the maximum filling level drying medium inlet, while there is no drying medium supply from the other drying medium inlets.
  • the reduction in size of the individual particles in the form of agglomerates is determined and limited, among other things, by the water molecules, which act as adhesive liquid bridges between the particles. By removing the water molecules, the particles can be increasingly isolated down to the single-digit pm range.
  • Indirect drying via the surfaces/boundaries of the spheres also preferably allows powder to be dried cold, in that fully dried spheres are mixed into a powder bed, with the temperatures of the spheres and the powder not exhibiting any large temperature differences.
  • a drying result with indirect drying, a complete drying of powder with a dry residue content of up to 98% can be achieved.
  • the spheres and powder are preferably mixed intermittently.
  • the mixing processes grind the powder through the friction on the surfaces of the balls.
  • the residence time of the biogenic residues in the bioreactor can be set for a predetermined period of time, which is based on the respective legally valid specifications for hygienization.
  • a bioreactor set up for carrying out the method according to the invention has the following features: a housing with at least one base and a preferably closed peripheral wall, a mixer which is preferably mounted rotatably about a vertical axis on the base and is arranged within the housing at least a drying medium inlet arranged in the central region or in the middle in the peripheral wall of the housing, based on a height of the housing or on a maximum filling level (Hiu ax ) of the housing, at least one drying medium outlet, a filling of the bioreactor from a large number of balls, with an initial fill level (Hstart), at least one feed line for residues, and at least one discharge device for removing the dried residues.
  • Hiu ax maximum filling level
  • Another desiccant inlet can be located in the bottom or in the peripheral wall.
  • a cumulative arrangement in the base and in the peripheral wall can also be provided.
  • a plurality of drying medium inlets can be provided in the peripheral wall and also in the base in order to ensure an adequate supply of drying medium.
  • the bioreactor can comprise a plurality of drying medium inlets, in particular a drying medium inlet arranged in the lower third of the bioreactor in the peripheral wall, the drying medium inlet arranged in the middle filling level area in the peripheral wall, a drying medium inlet arranged above the maximum filling level in the peripheral wall or a cover and/or one drying medium inlet arranged in the floor.
  • the drying medium can be fed in and distributed in a punctiform manner and/or via distributor plates which each have a large number of holes and extend over at least part of the reactor cross section. This means that drying medium can be supplied and distributed over defined areas.
  • the housing can preferably be covered by a cover.
  • the residues are preferably supplied and the drying medium is removed through the cover, in which corresponding openings are provided.
  • the drying medium can be discharged and the residues can be fed in through the lateral peripheral wall above the maximum fill level by providing appropriate openings.
  • the residues can also alternatively be fed into the lateral peripheral wall below the surface of the maximum filling level, preferably with a screw. In itself, it is irrelevant from where or at which point the biogenic residues are fed into the bioreactor.
  • the mixer is preferably a vertical screw.
  • the vertical screw can preferably be conical or cylindrical.
  • On the snail coils or Screw blades (segmented screw) can preferably also have at least one knife and a scraper bar attached to the start of the screw.
  • the mixer is preferably mounted on the bottom of the housing.
  • the housing is preferably of cylindrical or conical design.
  • the housing is preferably thermally insulated in order to be able to keep the temperature in the bioreactor constant during the drying process.
  • the exhaust air or excess steam can be removed from a closed bioreactor by internal pressure or by applying a negative pressure.
  • the applied temperatures can be varied by varying the applied pressures. In the case of a negative pressure, the temperature can be lowered and in the case of an overpressure, the temperature can be increased.
  • the construction of the bioreactor is to be designed with a lid according to the selected pressure conditions.
  • the aim of the first process step is the even distribution of the supplied (biogenic) residues on the surfaces of the spheres in the form of thin films with a layer thickness of preferably a few millimeters.
  • the residues are preferably fed into the bioreactor above the bead bed.
  • the balls are preferably made of wood, in particular beech wood. Alternatively, other moisture-regulating substances that have sufficient strength on the surfaces can also be used.
  • the diameter of the spheres can preferably be between 5 and 50 mm. For example, around 73,000 balls with an average diameter of 25 mm are used per cubic meter of volume used in the bioreactor. The sum of the spherical surfaces per cubic meter is 144 m 2 (square meters).
  • spherical bodies are preferably used for carrying out the method.
  • preferably round or oval shaped bodies can also be used.
  • the residues are preferably fed in while the mixer is operated at least intermittently in order to bring about a mixing process of the balls and residues.
  • the mixing process should preferably last several minutes so that an even film can form on all balls.
  • the mixing process takes place in the bioreactor, preferably by means of a vertical screw.
  • the supplied residues can have different material properties and particle sizes.
  • a supplied mixture can consist of liquid, wet, moist, sticky, solid, crumbly and powdery fractions at the same time.
  • the size of the solid particles supplied can also vary in a range from 1 ⁇ m in a suspension to several centimeters as solid lumps.
  • water is preferably filled into the bioreactor in order to pre-slurry or slurry the dry fractions. This can preferably be done by a spray mist above the balls and during the mixing process.
  • a further special feature of the supplied residues can be the phosphorus they contain.
  • the availability in the form of iron phosphate or another paramagnetic metal phosphate in the residues is desirable, which allows magnetic separation of substances, in particular by means of a magnetic effective separator (absorber).
  • the phosphate contained in the (biogenic) residue is present in the form of a non-magnetic metal salt or as dissolved phosphate
  • water that has been enriched with a suitable iron salt can be fed to the bioreactor.
  • the supply is preferably in the form of a spray above the balls during the mixing process during the supply of residues.
  • the supplied aqueous iron salt solution is evenly mixed into the films by the mixing process and then, in the presence of phosphate dissolved in the aqueous films, leads to a precipitation of phosphate as iron phosphate within a few minutes.
  • One form of stabilization is the conversion to the state of a dry stabilizer. Due to the lack of water, the transport of nutrients is prevented for the mostly heterotrophic bacteria, which very quickly begin to break down the organic components, and thus the biological breakdown of the easily degradable organic substances is effectively stopped.
  • the balls are preferably dried before filling.
  • water is drawn from the wet film via capillary attraction forces across the sphere interfaces from the outside in into the drier cell cavities of the spheres as free water.
  • the film is dried by removing moisture from the inside and is stabilized by the dry rigidity that accompanies it.
  • the hygroscopic property of the balls allows the humidity to be adapted to the prevailing external conditions.
  • the associated ability to store moisture enables very aqueous suspensions to be fed into the bioreactor, the water content of which can be absorbed up to the saturation limit of the balls.
  • the biogenic residues which are present in the form of wet films on the balls, are dried by supplying a drying medium, preferably at a temperature above room temperature to 85 °C using warm, unsaturated air as the drying medium and preferably at a temperature above 110 °C C when using unsaturated, superheated steam as a drying medium.
  • the drying medium is preferably supplied at a number of points which are arranged at different heights of the bioreactor.
  • the drying medium is preferably supplied from the bottom of the reactor, from its Circumferential wall, specifically in the area of the balls at the height of the powder accumulation and in the area of the balls above the powder accumulation and above the ball bed.
  • the aqueous surfaces of the films dry in this phase primarily by releasing water as water vapor into the unsaturated warm air flowing around them, and water is thus discharged from the bioreactor as water vapor via the more saturated exhaust air.
  • the aqueous surfaces of the films dry in this phase mainly by releasing water as water vapor in the form of a real gas into the unsaturated, superheated water vapor flowing around them, and water is thus discharged from the bioreactor as excess vapor.
  • the preferred mechanical intermixing of the spheres leads to an increase in the wet surfaces, in that the wet films transfer moisture to drier films and, after mixing, are again formed into homogeneous wet biofilms.
  • the dry crusts should preferably increase the diameter of the balls by 5% up to 10%. This increases the volume used in the reactor by up to 33%.
  • the filling density of the spherical matrix is around 60%, so that a free volume (air volume when using warm, unsaturated air as drying medium and steam volume when using unsaturated, superheated steam as drying medium) of around 40% remains.
  • the mixing processes lead to the trickling substances being ground into a micro-fine powder.
  • the particle size is less than 100 ⁇ m and preferably less than 60 ⁇ m. Individual particles are ground down to the single-digit pm range.
  • the dry mass is further dried.
  • the type of drying changes.
  • the powder is no longer dried directly via the drying medium, but indirectly via the capillary suction forces and sorption on the dry boundary surfaces of the spheres.
  • the water in the powder is therefore transported via the boundary surfaces of the spheres by sorption and capillary forces of attraction from the outside inwards into the cell cavities of the spheres and is bound there.
  • the part of the balls not covered by powder which is above the layer of powder deposited on the ground, continues to be dried by the drying medium, when using warm, unsaturated air as the drying medium by the warm and unsaturated air flow, and when using unsaturated, superheated steam as the drying medium dried by the superheated and unsaturated steam flow.
  • a subsequent mixing process mixes very dry balls from the upper area into the powder in the lower area of the bioreactor.
  • the balls that are in the powder and that have previously been enriched with water from the powder are mixed from the powder into the upper part of the bioreactor and thus above the powder layer into the balls located there.
  • the final dry residue content of the powder should preferably be between 90% and 98% by weight, i.e. have a moisture content of at most 10% by weight and up to 2% by weight.
  • the grinding process is preferably carried out until the balls are essentially free of dry matter, i.e. the crusts are largely removed.
  • the powder can preferably be carried out of the reactor pneumatically with the drying medium, in particular by suction air or negative pressure with the aid of cyclones. Heavier contaminants can be easily separated in the flow of the drying medium, especially in the air flow, using the air separation process.
  • the powder can be discharged via a discharge device comprising lateral openings or openings in the bottom area of the reactor.
  • a sieve device in particular a perforated plate or a grid or bars, can preferably be arranged in front of the openings in order to hold back at least the balls and optionally coarser components of the dry matter.
  • a device for selectively opening and closing the discharge device can also be arranged in front of the screening device on the inside of the housing.
  • the discharged dry matter can now be subjected to further quality assurance.
  • This preferably includes the process for separating phosphorus, in particular in the form of iron phosphate.
  • externally supplied dry matter can also be integrated into the phosphorus separation process.
  • Iron phosphate is paramagnetic and is present in particular in particle sizes from 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the dry mass In order to enable separation from the hygroscopic bulk material in powder form, the dry mass must preferably be comminuted to a maximum size of 100 ⁇ m with a simultaneously high dry residue content of more than 90% up to 98%.
  • These two parameters are essential to achieve free-flowing pourability and to avoid clumping in the powder.
  • clumping has a direct impact on the degree of purity of the separated iron phosphate particles, since foreign matter adheres with increasing clumping.
  • the grinding of the dry mass for the purpose of separating off the phosphate can be carried out in a mill or generally in a comminution unit.
  • the device should enable the particles to be reduced to a grain size of ⁇ 100 ⁇ m.
  • a purely mechanical comminution of the particles is limited by the residual moisture in the dry matter.
  • the comminution can be carried out to the be inhibited in the single-digit pm range.
  • a further preferred alternative process control is then the supply or return of the externally supplied or discharged and preferably comminuted dry matter in the process phase (c) grinding and drying the dry matter until the necessary dry residue content is reached, which means that comminution is preferably in the single-digit ⁇ m range allows.
  • drying and grinding of externally supplied or discharged and preferably pulverulent dry mass can preferably take place or be continued in a second, separate mixer as an independent process.
  • magnetic metal compounds in particular iron phosphate
  • a magnetic separator in that the iron phosphate particles are attracted by the magnetic field and settle directly on the magnet or on a plate in front of it.
  • the by-product iron phosphate is separated from the main product of the powdered dry matter.
  • the magnetic separation can be done in different ways.
  • a baffle plate in the drop section can lead to nebulization of the dry mass, from which the fine iron phosphate particles are then magnetically separated.
  • a tubular magnet can be used for free-fall applications, as is also used in the pharmaceutical industry for separating weakly magnetized particles.
  • a drum magnet, an overbelt magnet or other magnet systems can be used for separation.
  • the magnet is advantageously an electromagnet, which particularly preferably magnetizes the housing wall of a storage container. With such an embodiment, it may already be sufficient to fill the powder from above into the storage container in free fall, so that it swirls on the baffle plate. The iron phosphate particles then settle on the housing wall.
  • FIG. 0 shows the schematic representation of an unfilled bioreactor according to an embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows the schematic representation of the bioreactor from FIG
  • FIG. 2 shows the schematic representation of the bioreactor from FIG .
  • FIG. 3 shows the schematic representation of the bioreactor from FIG.
  • FIG. 4 shows the schematic representation of the bioreactor from FIG.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a plant for separating a magnetic, phosphorus-containing compound, in particular iron phosphate, in a state with excited magnets;
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the system from FIG. 5 with deactivated magnets.
  • the bioreactor 0 is a thermal dryer which, in the exemplary embodiment shown in FIG. 0, consists of a housing 1 which is open at the top and which is conical and essentially consists of a closed peripheral wall 1.2 and a base 1.1.
  • the schematic representation does not show that the housing 1 of the bioreactor 0 can be thermally insulated in order to be able to keep the temperature inside the bioreactor 0 as constant as possible.
  • a preferably conical screw 2 is rotatably driven about the vertical axis A.
  • the screw 2 has at least one turn 2.1.
  • the snail 2 is shown shortened here. Their axial length preferably extends up to the maximum fill level H max in order to enable the quickest and most rapid mixing possible.
  • the drying medium which is preferably ambient air and/or unsaturated, superheated steam, which is fed into the interior of the bioreactor 0, which allows the drying of the biogenic Residues 4 is used.
  • the supply line 6 is in the lower third, the supply line 6.1 in the middle and one further supply line 6.2 above the bead bed (see FIG. 1).
  • the supply line 6.3 is located in the floor 1.1.
  • the ambient air can preferably be heated to a temperature in the range from 20 °C to 85 °C.
  • unsaturated, superheated steam can preferably be heated to a temperature in the range from 110 °C to 250 °C.
  • balls here wooden balls 3, which are preferably made of beech wood with a diameter of preferably 5-50 mm as bulk material, are inserted via the upper opening shown in Figure 0 into the bioreactor 0 to filled to a level of Hstan.
  • the bioreactor 0 can be closed with a cover 1.3, which is shown in FIG.
  • the structure of the bioreactor 0 shown in FIG. 1 corresponds to that of the bioreactor 0 according to FIG.
  • the supply lines for biogenic residues 4 and water 5 and the discharge line for the exiting drying medium 7 lead through the cover 1.3.
  • the wooden balls 3 are preferably dried in order to create a high potential in the wooden balls 3 for absorbing moisture.
  • the drying medium is preferably supplied via all supply lines 6, 6.1, 6.2 and 6.3 in order to introduce heat into the bioreactor 0 for drying.
  • the drying medium is warm, unsaturated air and/or unsaturated, superheated steam.
  • the supply of warm air and/or steam via the feed line 6.3 serves as a leakage medium (leakage air and/or leakage steam) for discharging the saturated air and/or the excess steam from the lower part of the bioreactor 0, which and/or which previously flows through the spherical matrix Has.
  • the exhaust air and/or the steam is discharged via the discharge line 7 in the cover 1.3.
  • a slight negative pressure is preferably set in the bioreactor 0 by the air streams and/or steam streams.
  • the aeration and deaeration and/or the steam supply and steam removal preferably take place continuously.
  • the specific design of the air supply and/or the steam supply with regard to the duration, the volume flow and the temperature with regard to the individual air supply lines and/or steam supply lines 6, 6.1, 6.2 and 6.3 is variable with the aim of obtaining optimal conditions for the drying process.
  • the vertically arranged screw 2 is put into operation in rotation and, preferably at the same time, the biogenic residues 4 are fed in via the feed line in the cover 1.3.
  • the mixing process leads to the biogenic residues 4 being mixed with the wooden balls 3 and preferably lasts several minutes.
  • the mixing process ends with largely homogeneously formed biofilms on the surfaces of the wooden balls 3.
  • water 5 is preferably fed into the bioreactor 0 via a feed line in the cover 1.3 during the mixing process.
  • the dry fractions of the biogenic residues 4 are thus slurried and slurried.
  • the biogenic residues 4 enriched with water 5 then successively form biofilms on the surfaces of the wooden balls 3 during the mixing process.
  • a suitable magnetic reagent is added, which converts the phosphorus into a magnetic compound.
  • an iron salt is added to the water 5 during the mixing process, so that phosphates dissolved therewith are spontaneously precipitated as iron phosphate in the wet biofilms.
  • the bioreactor 0 shown in FIG. 2 shows the state after the successful formation of biofilms on the surfaces of the wooden balls 3.
  • the fill level in the bioreactor 0 rises to H wet due to the biofilms.
  • the wet biofilm is dried.
  • the drying takes place by supplying warm air and/or unsaturated, superheated water vapor into the spherical matrix via the surfaces of the biofilms, preferably continuously via all air supply lines and/or steam supply lines 6, 6.1, 6.2 and 6.3.
  • the air saturated with water vapor and/or the excess steam is discharged via the exhaust air line and/or the steam discharge line 7 in the cover 1.3.
  • the operation of the auger 2 is preferably intermittent.
  • the auger 2 is preferably stopped for about 3-60 minutes, particularly preferably 30-60 minutes, and then started to rotate for preferably 10-30 seconds each time.
  • the intervals chosen are directly dependent on the heat energy fed into the bioreactor for drying.
  • unsaturated, superheated steam is supplied as a drying medium, a quasi-continuous operation of the mixer.
  • the biofilms on the surfaces of the wooden balls 3 are homogenized by the mechanical friction process, so that the moisture in the biofilms is distributed largely evenly on all ball surfaces and the effective surface area for evaporation is thus optimized.
  • the aim of the drying process is the formation of solid, dry crusts 4.1 of solids on the surfaces of the wooden balls 3.
  • the crusts should increase the diameter of the wooden balls 3 preferably in the range from 5% to 10%. This reference value enables the calculation of the mass of solids to be fed preferably and thus also the fresh mass of biogenic residues.
  • the biogenic residues are preferably fed in in several partial portions.
  • each additional partial portion of biogenic residues 4 is preferably supplied after the biofilms on the wooden balls 3 have partially dried, which have formed as a result of the biogenic residues 4 being supplied.
  • the biofilms are dried so that solid, dry crusts form on the surfaces of the wooden balls 3 .
  • FIG. 3 shows the bioreactor 0 filled with wooden balls 3 on which solid, dry crusts 4.1 have formed. The filling level has dropped slightly and results in
  • the bottom ventilation and/or the steam supply line 6.3 and the lower lateral ventilation and/or steam supply line 6 are now switched off in order to prevent increasingly settled powder 4.2 from being stirred up in the bottom area of the bioreactor 0.
  • the aeration and/or supply of steam takes place through the ball matrix, preferably continuously with supplied warm air and/or supplied unsaturated, superheated steam via the air line and/or steam supply line 6.1.
  • leakage air and/or leakage steam is preferably fed in via the air inlet line and/or steam inlet line 6.2 and the exhaust air and/or the excess steam is continuously discharged via the outlet air line and/or steam outlet line 7.
  • the operation of the auger 2 is also preferably intermittent.
  • the screw 2 is preferably stopped for around 3 to 60 minutes, particularly preferably 30 to 60 minutes, and then started to rotate for preferably 10 to 30 seconds.
  • the dry crusts 4.1 on the surfaces of the wooden balls 3 are successively removed by friction as a result of the mechanical friction process.
  • the coarse and partially fine powder particles 4.2 already in the bioreactor are ground into a fine powder by friction between the surfaces of the wooden balls 3, which has a grain size of less than 100 ⁇ m.
  • the process of separating the powder particles is supported by drying the powder in addition to the grinding process. Since the initially dry particles lose their low residual moisture content and thus become powder-dry, a gradual separation of particles that were previously adhesively bonded with water is made possible.
  • the powder drying process takes place indirectly via the surfaces of the wooden balls 3 by capillary suction forces, which compensate for small moisture differences between the powder particles and the surfaces of the wooden balls 3 .
  • drier and wetter wooden balls 3 are intermittently exchanged between the upper area of the bioreactor 0 and the powder 4.2. This allows the powder 4.2 to be dried with a dry residue content of up to 98% by weight and thus a water content of around 2% by weight.
  • FIG. 4 shows the bioreactor 0 filled with wooden balls 3, the surfaces of which have been freed from solids, and powder 4.2 on the bottom 1.1 of the bioreactor.
  • the level has dropped slightly to a level Hp UiVer .
  • the powder 4.2 can now be drawn off via the discharge device 8.
  • the powder 4.2 can be discharged in any desired manner.
  • the fine powder with a diameter ⁇ 100 ⁇ m there is often a proportion of up to around 15% of the total weight of larger particles.
  • This is dry matter in the form of spherical particles or other forms known as free-flowing substances are also discharged via the discharge unit 8.
  • the size of the discharged solid particles depends on the selected discharge device and can range from 1 mm to several centimetres.
  • the powder 4.2 of the dry matter 4.1 is often present as a heterogeneous mixture of particles with small diameters and coarser components with a diameter >100 ⁇ m.
  • the powdery dry mass 4.2 including the coarser components is therefore advantageously discharged pneumatically by suction air and/or vacuum and the coarser components are then separated from the air flow and/or extracted gas flow (steam flow) with the aid of cyclones.
  • an air classifying baffle may be used in the air flow and/or gas flow.
  • a perforated plate is preferably provided as a sieve in front of the discharge opening in the peripheral wall 1.2 of the bioreactor 0. In this way, the maximum size of the particles discharged from the container can be determined and the wooden balls 3 can thus be held back.
  • the perforated perforated plate is preferably protected from the rotating balls by a cover on the inside of the peripheral wall 1.2 of the bioreactor 0. If the holes are not covered, the holes will be clogged with liquid from the supplied biogenic residues and then harden. An opening is then only possible mechanically with a drill or a chisel. This procedure also applies analogously to other discharge devices, which therefore preferably have to be protected by a cover to the interior of the bioreactor.
  • the reactor 0 described above can be part of the plant according to the invention for separating the magnetic, phosphorus-containing compound 4.3 from the dry matter 4.1.
  • the dry matter 4.1 thus obtained in the reactor 0 in the form of a powder 4.2 is then fed to a separation device for magnetic separation of the magnetic, phosphorus-containing compound.
  • This separation device is described in the following FIGS. 5 and 6 by way of example.
  • FIG. 5 shows such a separator for separating magnetic particles, in particular iron phosphate.
  • the separator comprises an optional comminution unit 20, a hopper 21, a fall housing (down pipe) 22 with an angled baffle plate 23 and a magnetic device 24 and a storage container 26, which can be arranged in a housing, not shown.
  • the dry mass 4.1 obtained from the reactor 0 is fed to the separator in the form of powder 4.2, which also contains the magnetic, phosphorus-containing compound 4.3.
  • the powder is 4.2 in the optional crushing unit 20 for homogeneous mechanical grinding to powder 4.2. This makes sense if the coarser dry matter particles with a diameter > 100 ⁇ m have not been separated from the powder 4.2 beforehand or if the dry matter 4.1 is obtained from a process other than bioreactor 0, in which a sufficiently small particle size was not obtained.
  • the comminution unit 20 can have a mechanical grinder, for example a cone grinder or a disc grinder or the like.
  • the entire mass which is now largely homogeneous as a fine powder 4.2, falls through the funnel 21 below and then in free fall into the downpipe 22 and hits the angled impact plate 23 there the baffle plate 23 swirls the powder 4.2 into a powder cloud and then continues to fall in free fall along the inner drop pipe wall.
  • the magnetic device 24 is arranged from the outside, preferably in the form of electromagnets. When energized appropriately, the electromagnets generate a magnetic field 25 which acts in the interior of the downpipe.
  • magnetic metal compounds of the phosphorus 4.3 for example iron phosphate, are magnetically attracted to the downpipe wall from the inside and are thus removed from the remaining non-magnetic powder 4.2.
  • the powder 4.2 freed from magnetic metal compounds 4.3 continues to fall in free fall into the storage container 26 located below the downpipe 22 and settles there in the floor area.
  • An alternative process can be that the substances discharged from the bioreactor 0 are treated separately.
  • the coarse dry matter particles with a diameter >100 ⁇ m can be ground up with the crushing unit 20 and then separated magnetically from the iron phosphate in the magnetic separator.
  • the fine portion of powder 4.2 with a diameter of ⁇ 100 ⁇ m can be fed directly to the magnetic separator and separated magnetically from the iron phosphate.
  • Figure 6 shows the separator as previously described in Figure 5, but the storage container 26 has been set aside and the storage container 27 is now located under the downpipe 22 to accommodate the separated magnetic, phosphorus-containing compound (e.g. iron phosphate particles) 4.3 is the magnetic field 25 generating electromagnet 24 has been turned off, so that the magnetic Metal compounds 4.3 fall in free fall into the storage container 27 and settle there in the bottom area.
  • the magnetic, phosphorus-containing compound (for example iron phosphate particles) 4.3 and the remaining dry mass 4.1 are received and collected separately from one another in the storage containers 27 and 26, respectively.
  • Storage tank 27 Storage tank 30.1 Housing wall A axis

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Bioreaktor zum Trocknen von vorzugsweise biogenen Reststoffen zu einer Trockenmasse. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: a) Einfüllen der einen Flüssigkeitsanteil aufweisenden Reststoffe (4) in einen mit Kugeln (3) gefüllten und einen Mischer (2) aufweisenden Bioreaktor (0) und Mischen der Kugeln (3) und der Reststoffe (4) durch zumindest zeitweises Betreiben des Mischers (2) während des Einfüllens und/oder nach dem Einfüllen, sodass sich Filme aus den Reststoffen (4) auf den Oberflächen der Kugeln (3) ausbilden, b) Trocknen der Filme von Reststoffen (4) unter Ausbilden von Krusten aus Trockenmasse (4.1) mit einem Restwassergehalt auf den Oberflächen der Kugeln (3) durch Zuführen eines Trocknungsmediums in den Bioreaktor (0), welches die Kugeln (3) umströmt, unter zumindest zeitweisem Betreiben des Mischers (2), c) Mahlen und weiteres Trocknen der Trockenmasse (4.1) durch zumindest zeitweises Betreiben des Mischers (2) unter Abrieb pulverförmiger Trockenmasse (4.2) von den Kugeln (3), d) Abführen der pulverförmigen Trockenmasse (4.2) aus dem Bioreaktor (0).

Description

Verfahren zum Trocknen von vorzugsweise biogenen Reststoffen und Bioreaktor zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trocknen von vorzugsweise biogenen Reststoffen unter Zufuhr eines Trocknungsmediums. Die Erfindung betrifft ferner einen Bioreaktor zur Durchführung des Verfahrens.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Biogene Reststoffe bieten mehrere Potenziale, insbesondere Nährstoffe, Energie, Phosphor und Metalle, die durch die aktuellen Prozessketten häufig unzureichend genutzt werden. Oftmals werden biogene Reststoffe nur entsorgt und nicht verwertet.
Die Nährstoffe, die sich in biogenen Reststoffen befinden, liegen häufig in einer chemisch instabilen und wässrigen Form vor und sind für größere Entfernungen nicht transportwürdig. Als Beispiele sind Gülle und Gärreste zu nennen.
Das energetische Potenzial biogener Reststoffe ist die in den komplexen organischen Molekülen chemisch gebundene Energie, die als Biomassebrennstoff für den direkten Ersatz fossiler Brennstoffe eingesetzt werden kann.
Ein weiteres Potenzial ist Phosphor, ein essenzieller Rohstoff, der weder ersetzbar noch erneuerbar ist. Daher werden aktuell verschiedene Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus biogenen Reststoffen mit einem Phosphoranteil entwickelt.
Metalle können in unterschiedlichen Konzentrationen und Kombinationen in den Feststoffen enthalten sein. Einige Metalle sind seltene Elemente, die nur in geringen Konzentrationen in der Erdkruste enthalten sind. Hierzu zählt zum Beispiel Cobalt, was bei der Batterieproduktion für die Elektromobilität benötigt wird, so dass der Rohstoff derzeit stark nachgefragt wird.
Schließlich stellt das in Form von Feuchtigkeit in den Reststoffen gebundene Wasser ein wertvolles Gut als Trink- oder Brauchwasser dar.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem insbesondere biogene Reststoffe aufbereitet werden, um die in den Reststoffen vorhandenen Potenziale, insbesondere Nährstoffe, Energie, Phosphor, Metalle und Wasser als Wertstoffe nutzen zu können. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Bioreaktor zu schaffen, mit dem das Verfahren durchgeführt werden kann.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Zur Problemlösung zeichnet sich das Verfahren durch folgende Schritte aus: a) Einfüllen biogener Reststoffe mit einem Flüssigkeitsanteil in einen Bioreaktor, b) T rocknen der Reststoffe zu einer T rockenmasse, c) Mahlen der Trockenmasse, d) Abführen der Trockenmasse.
Während des Mahlens in Schritt c) kann die Trockenmasse weiter getrocknet werden.
Gemäß einer spezifischeren Beschreibung weist das Verfahren folgende Schritte aus: a) Einfüllen der einen Flüssigkeitsanteil aufweisenden Reststoffe in einen mit (vorzugsweise trockenen) Kugeln gefüllten und einen Mischer aufweisenden Bioreaktor und Mischen der Kugeln und der Reststoffe durch zumindest zeitweises Betreiben des Mischers während des Einfüllens und/oder nach dem Einfüllen, sodass sich Filme aus den Reststoffen auf den Oberflächen der Kugeln ausbilden, b) Trocknen der Filme von Reststoffen unter Ausbilden von Krusten aus Trockenmasse mit einem Restwassergehalt auf den Oberflächen der Kugeln durch Zuführen eines Trocknungsmediums in den Bioreaktor, welches die Kugeln umströmt, unter zumindest zeitweisem Betreiben des Mischers, c) Mahlen und weiteres Trocknen der Trockenmasse durch zumindest zeitweises Betreiben des Mischers unter Abrieb pulverförmiger Trockenmasse von den Kugeln, d) Abführen der pulverförmigen Trockenmasse aus dem Bioreaktor.
Das Ergebnis des Verfahrens ist sehr trockene und sehr feinteilige pulverförmige Trockenmasse (nachfolgend auch einfach als Pulver bezeichnet), die abhängig von dem Ausgangsmaterial (dem Reststoff) vielfältig genutzt werden kann.
So kann das Pulver insbesondere als Ersatzbrennstoff für fossile Energieträger eingesetzt werden, insbesondere überall dort, wo derzeit ein Verbrennungsprozess unter Einsatz von fossilen Brennstoffen, insbesondere Kohle, erfolgt. Ein Beispiel stellt die Zementindustrie beim Brennen von Klinkern dar. Auf diese Weise kann der fossile CC>2-Ausstoß wirksam reduziert werden kann.
Ferner kann die Trockenmasse insbesondere durch gezielte Mischung von chemisch instabiler Gülle oder Gärresten mit besonders trockenen biogenen Reststoffen, als nährstoffreicher Dünger in der Landwirtschaft in Form von Trockenmehl eingesetzt werden, wodurch die Nährstoffe des Reststoffs genutzt werden.
Des Weiteren ist ein konzentrierter Austrag von Stickstoff über die Gasphase möglich, was die isolierte Rückgewinnung von Stickstoff über einen Säurewäscher ermöglicht.
Zudem erlaubt das Verfahren, in dem Reststoff enthaltenen Phosphor zurückzugewinnen und insbesondere ebenfalls als Dünger zu nutzen.
Ergänzend hierzu können Metalle aus den Reststoffen extrahiert werden, um als Rohstoffe in Produktionsprozessen von Gütern genutzt werden zu können.
Schließlich kann das durch das Verfahren mit dem Trocknungsmedium aus dem Reaktor ausgetragene Wasser einer nachträglichen Nutzung, durch eine Aufbereitung als Nutz- oder Trinkwasser, zugeführt werden. Durch die Trocknung von Meerwasser werden damit simultan zwei Wertstoffe erzeugt: Salz als Trockenmasse und Wasser über die Separation des Wassers aus dem Trocknungsmedium mit anschließender Aufbereitung zu Trink- oder Brauchwasser.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können somit sämtliche der einleitend beschriebenen Potenziale genutzt werden.
Der Begriff Reststoff wird im Rahmen der Erfindung breit verstanden und umfasst insbesondere, aber nicht ausschließlich, biogene Reststoffe. Biogene Reststoffe sind organische Abfälle und Abwässer, land- und forstwirtschaftliche Nebenprodukte und biogene Produktionsreste. Darüber umfasst der Begriff Reststoff für die Beschreibung der Ausgangsstoffe dieses Verfahrens alle heterogenen Stoffgemische mit organischen Anteilen. Dies sind u. a. Klärschlamm (Primärschlamm, Sekundärschlamm, Tertiärschlamm, Faulschlamm) und darüber hinaus auch Gülle, Gärreste, Teich- oder Flussschlamm, Meerwasser und Algen sowie sonstige Reststoffe von Meerespflanzen und -tieren, als auch sonstige organische Stoffgemische, Sekundärrohstoffe und Industrieschlämme.
Während des Mahlens im Schritt c) kann die Trockenmasse weiter getrocknet werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfasst das Verfahren zwei Stufen, wobei die erste Stufe auch als „nasse“ Stufe bezeichnet wird und die zweite Stufe als „trockene“ Stufe bezeichnet wird. Dabei erfolgt während der „nassen“ Stufe im Wesentlichen das Trocknen der Filme von Reststoffen unter dem Ausbilden der Krusten auf den Oberflächen der Kugeln unter zumindest zeitweisem Betreiben des Mischers, wodurch auch die Abtrennung des Pulvers von den Kugeln herbeigeführt wird. Während der „trockenen“ Stufe erfolgt das Mahlen und weitere Trocknen der pulverförmigen, bereits von den Kugeln getrennten Trockenmasse durch Betreiben des Mischers durch die Mahlwirkung von den Kugeln und das Abführen der pulverförmigen Trockenmasse aus dem Bioreaktor. Die „trockene“ Stufe, die die weiteren Trocknung und Mahlung umfasst, kann hierdurch als selbstständiger Prozess durchgeführt werden und ergänzend zu der ersten Stufe erfolgen.
In bevorzugter Ausführung der Erfindung ist das Trocknungsmedium ein Trocknungsfluid, insbesondere ein gasförmiges Fluid. Als gasförmige Trocknungsfluide kommt im Rahmen der Erfindung vorzugsweise warme, ungesättigte Luft und/oder ungesättigter, überhitzter Wasserdampf zum Einsatz. Die Anwendung des Prinzips des Dampftrocknens unter Verwendung überhitzten Wasserdampfs führt zudem zu einer erheblichen Steigerung der Effizienz der Wärmeübertragung und damit einem Zeitersparnis gegenüber der Verwendung warmer, ungesättigter Luft als Trocknungsmedium. Das Prinzip des Dampftrocknens unter Verwendung überhitzten Wasserdampfs bei Atmosphärendruck ist an sich bekannt.
Der Trocknungsvorgang geht mit der Verdampfung von Flüssigkeit, insbesondere von Wasser (Feuchtigkeit) einher. Die Verdampfung von Flüssigkeiten wird dadurch definiert, dass ein Phasenwechsel von der flüssigen in die gasförmige Phase und somit die Umwandlung der Flüssigkeit in Dampf erfolgt. Dampf ist in thermodynamischer Hinsicht ein reales Gas, das aus dem Reaktorraum ausgetragen werden kann, was im vorliegendem Fall durch das Trocknungsmedium, erfolgt. Der Begriff der Verdampfung ist ein Oberbegriff, der ganz allgemein den Phasenübergang von der Flüssigkeit zur Gasphase beschreibt und damit das Verdunsten unterhalb des Siedepunktes und das Sieden oberhalb des Siedepunktes einer Flüssigkeit umfasst.
Wasserdampf kann Bestandteil einer Gasmischung sein. So ist der Wasserdampf in der Atmosphäre ein Bestandteil der Gasmischung feuchte Luft. Feuchte Luft ist ein Gemisch aus trockener Luft und Wasser. Gegenüber anderen Mischungen idealer Gase hat feuchte Luft die Besonderheit, dass Wasserdampf nicht in beliebigen Mengen mit trockener Luft gemischt werden kann. In der Luft kann nur eine solche Wasserdampfmenge enthalten sein, bis der Teildruck des Wasserdampfes (Partialdruck) den Sättigungsdruck erreicht hat. Ist der Partialdruck des Wasserdampfes kleiner als der Sättigungsdruck, dann ist die Luft ungesättigt. Dampf mit einer höheren Temperatur als der Sättigungstemperatur ist ungesättigter, überhitzter Dampf. So ist zum einen Wasserdampf in der ungesättigten feuchten Luft, unterhalb der Siedetemperatur, überhitzter Dampf. Zum anderen kann ein Dampf vollkommen isoliert auftreten und einen Raum allein ausfüllen, insbesondere wenn der Dampf oberhalb der Siedetemperatur gehalten wird.
Damit eine Flüssigkeit in Dampf übergeht, muss man ihr Verdampfungswärme (thermische Energie) zuführen, weil mit der Verdampfung u. a. eine erhebliche Volumenzunahme verbunden ist. So beträgt die Volumenzunahme bei der Verdampfung von Wasser bei einem Druck von 1 bar mehr als das 1600fache. Betrachtet man eine isobare Verdampfung, so ist die Verdampfungswärme eine Verdampfungsenthalpie. Die benötigte Energiezufuhr für den Übergang von 1 kg Wasser zu Wasserdampf bei Atmosphärendruck (1013,25 hPa) und 100 °C beträgt 2257 kJ.
Der Energieeintrag kann erfolgen durch Konvektion (im vorliegenden erfindungsgemäßen Fall mithilfe des Trocknungsmediums) und/oder Konduktion (über heiße Kontaktflächen, z. B. beheizte Außenwände des erfindungsgemäßen Bioreaktors) und/oder durch Strahlungswärme (z. B. durch transparente Außenwände eines später beschriebenen erfindungsgemäßen Bioreaktors).
Darüber hinaus können vorzugsweise die zugeführten biogenen Reststoffe vor der Zuführung erwärmt werden (maximal bis zur Siedetemperatur).
Die Intensität und Kombination der verschiedenen Verfahren zur Wärmeübertragung richten sich nach den Stoffeigenschaften des zu trocknenden biogenen Reststoffs und dem gewünschten Trocknungsergebnis, was auch die Desinfektion/Hygienisierung umfasst. Vorzugsweise wird die Wärmeübertragung durch Konvektion mit Hilfe des Trocknungsmediums verwendet.
Ergänzend hierzu können bevorzugt weitere Prozessparameter, insbesondere die Temperatur und der Druck (Unterdruck/Vakuum, Überdruck) für eine optimale Prozessführung und Produktqualität ergänzend variiert werden, da diese Parameter die Trocknung direkt mit beeinflussen. So ist die Siedetemperatur eine abhängige Funktion des eingestellten Druckniveaus. Vorzugsweise werden Temperaturen über 0 °C bis zu 250 °C und positive (Überdruck) oder negative (Unterdrück) Druckdifferenzen von 0 - 4 bar mit Bezug auf den Atmosphärendruck eingestellt.
Die Kugeln können aus einem beliebigen Material bestehen, solange es eine ausreichende Wasseraufnahmefähigkeit in Form von Hygroskopie und/oder Kapillarität und Festigkeit aufweist. Die Kugeln bestehen bevorzugt aus Holz und insbesondere aus Buchenholz. Alternativ können die Kugeln aus einem anderen Material bestehen, das ähnliche Eigenschaften wie Holz aufweist, insbesondere hinsichtlich Feuchtigkeitsregulierung und Festigkeit. Beispielsweise kommen Holzwerkstoff-Kunststoff-Komposite in Frage.
Der Durchmesser der Kugeln liegt vorzugsweise zwischen 5 mm und 50 mm insbesondere vorzugsweise zwischen 15 mm und 30 mm.
Um einen zusätzlichen Feuchtigkeitsentzug des sich an den Oberflächen ansiedelnden Reststofffilms (nachfolgend auch als Biofilm bezeichnet) durch Sorption und ergänzende Kapillarkräfte in die Kugeln zu erreichen, können diese vor dem Einfüllen bzw. Zuführen der Reststoffe getrocknet werden. Dies kann insbesondere durch Zuführen des Trocknungsmediums, insbesondere von warmer ungesättigter Luft und/oder ungesättigtem, überhitztem Wasserdampf, in den Reaktor erfolgen.
Während des Einfüllens der Reststoffe kann ein Mischvorgang durchgeführt werden. Bevorzugt wird mindestens ein Mischvorgang nach dem Einfüllen durchgeführt. Dadurch werden die Reststoffe mit den Kugeln mindestens einmal vollständig durchmischt.
Der Mischvorgang oder die Mischvorgänge dauern so lange an, bis sich gleichmäßige dünne Filme der Reststoffe auf den Oberflächen der Kugeln ausgebildet haben.
Um vergleichsweise trockene Reststoffe an den Oberflächen der Kugeln zu fixieren und die Filme auf den Oberflächen der Kugeln auszubilden, kann beim Einfüllen der Reststoffe zusätzlich Flüssigkeit auf die Oberflächen der Kugeln aufgebracht werden. Auf diese Weise werden die trockenen Reststoffe an- oder aufgeschlämmt und haften stabil an den Kugeloberflächen an. Das Einbringen von Flüssigkeit kann insbesondere durch Einsprühen der Flüssigkeit in Form eines Sprühnebels erfolgen. Die Flüssigkeit kann Wasser oder auch ein weiterer (biogener) Reststoff mit höherem Feuchtigkeitsgehalt sein. Damit können gleichzeitig zugeführte trockenere und feuchtere Reststoffe an den Oberflächen der Kugeln als dünne Biofilme fixiert werden.
Gemäß einer Ausgestaltung werden als weitere (biogene) Reststoffe mit höheren Feuchtigkeitsgehalten Gülle oder Gärreste verwendet. Durch eine gezielte Mischung von chemisch instabiler Gülle oder Gärresten mit sehr trockenen, vorzugsweise biogenen Reststoffen, kann ein nährstoffreiches Düngergemisch mit dem hier vorgestellten Verfahren als Trockenmehl und damit als Trockenstabilat produziert werden.
Das Einbringen zusätzlicher Flüssigkeit erfolgt vorzugsweise dann, wenn der Feuchtigkeitsgehalt des eingesetzten Reststoffs eine untere Schwelle unterschreitet. Die zugeführte Flüssigkeit kann mit einem Eisensalz angereichert werden, um freie Phosphate in dem Reststoff als Eisenphosphat zu fällen.
Des Weiteren kann die Flüssigkeit Kalk (Calciumcarbonat CaCCh) enthalten, und beispielsweise in Form von Kalkmilch zugeführt und auf den Kugeloberflächen gleichmäßig verteilt werden.
Alternativ kann eine Zufuhr von Kalk in den Bioreaktor auch als Feststoff, insbesondere in Form eines rieselfähigen Pulvers, erfolgen. Durch die Kalkzufuhr erhöht sich der pH-Wert der sich ausbildenden Biofilme auf den Kugeloberflächen, was eine gezielte Absenkung des Temperaturniveaus ermöglicht, das für den Phasenübergang von Stickstoff, der zumeist in Form von Ammonium in den biogenen Reststoffen verfügbar ist, von der flüssigen in die gasförmige Phase benötigt wird.
Damit kann der gasförmige Austrag von Ammoniak (NH3) mit Hilfe des Trocknungsmediums gezielt beeinflusst werden. Der dadurch gasförmig ausgetragene Stickstoff kann dann einer weiteren Verarbeitung zugeführt und somit als Nährstoff separiert werden. Dies kann vorzugsweise durch einen Säurewäscher unter Einsatz von Schwefelsäure (H2SO4) erfolgen, so dass Ammoniumsulfat-Lösung hergestellt werden kann.
Im Fall der Trocknung unter Einsatz von warmer, ungesättigter Luft als Trocknungsmedium wird die warme, ungesättigte Luft vorzugsweise mit einer Temperatur bis 85 °C in den Bioreaktor eingeleitet. Die Kugeln werden dann von der eingeleiteten Luft umströmt, wobei die an den Kugeloberflächen anhaftenden Filme Feuchtigkeit an die Luft abgeben. Die gesättigte Luft wird wieder aus dem Bioreaktor abgeleitet. Optional kann das in der gesättigten Luft enthaltene Wasser einer weiteren Nutzung zugeführt werden.
Für die Trocknung unter Einsatz von ungesättigtem, überhitzten Wasserdampf als Trocknungsmedium wird der ungesättigte, überhitzte Wasserdampf insbesondere mit einer Temperatur von 110 °C bis 300 °C, vorzugsweise von 110 °C bis 250 °C, in den Bioreaktor eingeleitet. Dabei können die eingestellten Prozessparameter hinsichtlich Druck und Temperatur unter Beachtung der Grenzwerte für die Gasphase, die sich aus der Dampfdruckkurve ableiten, variiert werden. Vorzugsweise wird der Wasserdampf bei Atmosphärendruck in den Bioreaktor eingeleitet. Die Kugeln werden dann von dem überhitztem Wasserdampf umströmt. Die Reststoffe nehmen hierbei die Wärme konvektiv auf. Die an den Kugeloberflächen anhaftenden Filme, die einen Flüssigkeitsanteil aufweisen, verdampfen Feuchtigkeit, die der Heißdampf als reales Gas aufnimmt. Die aus den biogenen Reststoffen ausgetragene Feuchtigkeit wird damit zu Überschussdampf, der wieder aus dem Bioreaktor abgeleitet wird. Optional kann das im ausgetragenen Überschussdampf enthaltene Wasser einer weiteren Nutzung zugeführt werden.
Durch die Trocknung bilden sich Krusten an den Oberflächen der Kugeln aus, die aus Trockenmasse mit einem Restwassergehalt bestehen. Durch die Mischvorgänge werden die Krusten von den Oberflächen der Kugeln fein abgemahlen (abgerieben) und werden sich als Pulver (pulverförmige Trockenmasse) mit einem Restwassergehalt am Boden des Bioreaktors absetzen.
Vorzugsweise erfolgt während des Trocknens die Zufuhr des Trocknungsmediums über mehrere, in unterschiedlichen Höhen des Bioreaktors angeordnete Trocknungsmediumeinlässe, insbesondere einen im unteren Drittel des Bioreaktors angeordneten Trocknungsmediumeinlass, einen im mittleren Füllstandsbereich angeordneten Trocknungsmediumeinlass, einen oberhalb eines maximalen Füllstands angeordneten Trocknungsmediumeinlass und einen im Bodenbereich angeordneten Trocknungsmediumeinlass. Dabei kann bei beginnender Krustenbildung auf den Oberflächen der Kugeln die Trocknungsmediumzufuhr im unteren Bereich des Bioreaktors, insbesondere aus dem im unteren Drittel des Bioreaktors angeordneten Trocknungsmediumeinlass und dem im Bodenbereich angeordneten Trocknungsmediumeinlass, reduziert oder abgestellt werden. Hierdurch wird erreicht, dass die sich im Bodenbereich ansammelnde pulverförmige Trockenmasse nicht länger von dem Trocknungsmedium durchströmt wird. Somit wird ein Aufwirbeln und Austragen des hochentzündlichen Pulvers mit der Abluft bzw. dem Überschussdampf verhindert. Diese Maßnahme dient daher nicht nur dem Rückhalt des Pulvers in dem Reaktor, sondern auch als Explosionsschutz.
Das Pulver am Boden des Bioreaktors wird vorzugsweise indirekt getrocknet, wobei keine direkte Durchströmung mit dem Trocknungsmedium („Durchlüftung“) erfolgt. Die indirekte Trocknung kann über die Oberflächen der Kugeln, insbesondere durch Sorption und ergänzende kapillare Saugkräfte, erfolgen, die sich im Pulvergemisch im Bodenbereich des Bioreaktors befinden und vorzugsweise trockener sind als das sie umgebende Pulver.
Ohne das Pulver im Bodenbereich des Bioreaktors aufzuwirbeln, können während des Mahlens die über dem Pulver befindlichen Kugeln mit dem Trocknungsmedium umströmt und dabei getrocknet werden. Hierzu erfolgt insbesondere die Zufuhr des Trocknungsmediums über den im mittleren Füllstandsbereich angeordneten Trocknungsmediumeinlass und den oberhalb des maximalen Füllstands angeordneten Trocknungsmediumeinlass, während keine Zufuhr des Trocknungsmediums über die anderen Trocknungsmediumeinlässe erfolgt.
Durch den sorptiven Entzug von Wassermolekülen in Kombination mit dem Mahlen des Pulvers werden Agglomerate aufgebrochen und Partikel des Mahlguts sukzessive verkleinert.
Die Größenreduzierung der einzelnen Partikel in Form von Agglomeraten wird unter anderem durch die Wassermoleküle, die als Flüssigkeitsbrücken zwischen den Partikeln haftend wirksam sind, bestimmt und begrenzt. Durch den Entzug der Wassermoleküle kann eine zunehmende Vereinzelung der Partikel bis in den einstelligen pm-Bereich erfolgen.
Durch eine indirekte Trocknung über die Oberflächen/Grenzflächen der Kugeln, ist zudem bevorzugt eine kalte Trocknung von Pulver möglich, indem voll getrocknete Kugeln in ein Pulverbett eingemischt werden, wobei die Temperaturen der Kugeln und des Pulvers keine großen Temperaturdifferenzen aufweisen. Als Trocknungsergebnis kann mit der indirekten Trocknung eine Volltrocknung von Pulver mit einem Trockenrückstandsgehalt von bis zu 98 % erzielt werden.
Die Kugeln und das Pulver werden vorzugsweise intervallweise gemischt. Durch die Mischvorgänge wird das Pulver über die Reibung an den Oberflächen der Kugeln gemahlen.
Zur thermischen Hygienisierung der (biogenen) Reststoffe kann die Aufenthaltszeit der biogenen Reststoffe im Bioreaktor für einen vorbestimmten Zeitraum eingestellt werden, der sich an den jeweiligen rechtsgültigen Vorgaben für die Hygienisierung orientiert.
Ein Bioreaktor, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, weist folgende Merkmale auf: ein Gehäuse, mit zumindest einem Boden und einer vorzugsweise geschlossenen Umfangswandung, einen vorzugsweise am Boden um eine vertikale Achse drehbar gelagerten Mischer, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, mindestens einen bezogen auf eine Höhe des Gehäuses oder auf einen maximalen Füllstand (Hiuax) des Gehäuses im mittleren Bereich oder in der Mitte in der Umfangswandung des Gehäuses angeordneten Trocknungsmediumeinlass, mindestens einen Trocknungsmediumauslass, eine Füllung des Bioreaktors aus einer Vielzahl von Kugeln, mit einem Anfangsfüllstand (Hstart), mindestens eine Zuführleitung für Reststoffe, und mindestens eine Austragseinrichtung zur Abführung der getrockneten Reststoffe.
Ein weiterer Trocknungsmediumeinlass kann im Boden oder in der Umfangswandung angeordnet sein. Auch kann eine kumulative Anordnung im Boden und in der Umfangswandung vorgesehen sein.
In der Umfangswandung und auch im Boden können eine Mehrzahl von Trocknungsmediumeinlässen vorgesehen sein, um eine ausreichende Trocknungsmediumzufuhr zu gewährleisten. Insbesondere kann der Bioreaktor eine Mehrzahl von Trocknungsmediumeinlässen umfassen, insbesondere einen im unteren Drittel des Bioreaktors in der Umfangswandung angeordneten Trocknungsmediumeinlass, den im mittleren Füllstandsbereich in der Umfangswandung angeordneten Trocknungsmediumeinlass, einen oberhalb des maximalen Füllstands in der Umfangswandung oder einem Deckel angeordneten Trocknungsmediumeinlass und/oder einen im Boden angeordneten Trocknungsmediumeinlass.
Die Zuführung und -Verteilung des Trocknungsmediums kann jeweils punktuell und/oder über Verteilerplatten erfolgen, die jeweils eine Vielzahl von Löchern aufweisen und sich über zumindest eines Teils des Reaktorquerschnitts erstrecken. Damit kann über definierte Flächen Trocknungsmedium zugeführt und verteilt werden.
Vorzugsweise kann das Gehäuse von einem Deckel abgedeckt sein. In diesem Fall erfolgt vorzugsweise die Zufuhr der Reststoffe und die Abfuhr von dem Trocknungsmedium durch den Deckel hindurch, in dem entsprechende Öffnungen vorgesehen sind. Alternativ können die Abfuhr von Trocknungsmedium und die Zufuhr der Reststoffe auch durch die seitliche Umfangswandung oberhalb des maximalen Füllstandes erfolgen, indem entsprechende Öffnungen vorgesehen sind.
Unabhängig von der Ausgestaltung des Bioreaktors, mit oder ohne Deckel, kann die Zufuhr der Reststoffe auch alternativ in der seitlichen Umfangswandung unterhalb der Oberfläche des maximalen Füllstandes, vorzugsweise mit einer Schnecke, erfolgen. An sich ist es unerheblich, von wo bzw. an welcher Stelle die biogenen Reststoffe dem Bioreaktor zugeführt werden.
Der Mischer ist vorzugsweise eine Vertikalschnecke. Die Vertikalschnecke kann vorzugsweise konisch oder zylindrisch ausgebildet sein. An den Schneckenwindungen oder Schneckenflügeln (segmentierte Schnecke) können vorzugsweise zusätzlich noch mindestens ein Messer sowie eine Schürfleiste am Schneckenanfang angebracht sein. Der Mischer ist vorzugsweise am Boden des Gehäuses gelagert.
Das Gehäuse ist vorzugsweise zylindrisch oder konisch ausgebildet.
Vorzugsweise ist das Gehäuse thermisch isoliert, um die Temperatur im Bioreaktor während des Trocknungsprozesses konstant halten zu können.
Die Abfuhr der Abluft bzw. des Überschussdampfes aus einem geschlossenen Bioreaktor kann durch Innendruck oder durch Anlegen eines Unterdrucks erfolgen. Durch die Variation der anliegenden Drücke können die angewandten Temperaturen variiert werden. Bei einem Unterdrück kann die Temperatur gesenkt und bei einem Überdruck die Temperatur erhöht werden. Die Bauweise des Bioreaktors ist den gewählten Druckverhältnissen entsprechend mit Deckel zu gestalten.
Nachfolgend werden die einzelnen Verfahrensstufen genauer erläutert.
(a) Einfüllen von Reststoffen mit einem Flüssigkeitsanteil
Ziel des ersten Verfahrensschrittes ist die gleichmäßige Verteilung der zugeführten (biogenen) Reststoffe auf den Oberflächen der Kugeln in Form dünner Filme mit einer Schichtdicke von vorzugsweise wenigen Millimetern.
Hierzu werden die Reststoffe dem Bioreaktor vorzugsweise oberhalb des Kugelbetts zugeführt.
Die Kugeln bestehen bevorzugt aus Holz, insbesondere aus Buchenholz. Alternativ können auch andere feuchtigkeitsregulierende Stoffe, die eine hinreichende Festigkeit an den Oberflächen aufweisen, verwendet werden. Der Durchmesser der Kugeln kann vorzugsweise zwischen 5 und 50 mm betragen. Pro Kubikmeter genutztes Volumen des Bioreaktors werden beispielsweise rund 73.000 Kugeln mit einem mittleren Durchmesser von 25 mm verwendet. Die Summe der Kugeloberflächen je Kubikmeter ergibt sich damit zu 144 m2 (Quadratmetern).
Aus geometrischer Sicht für die Durchführung des Verfahrens vorzugsweise kugelförmige Körper verwendet. Alternativ können auch vorzugsweise rund oder oval geformte Körper Einsatz finden. Die Zuführung der Reststoffe erfolgt vorzugsweise während der Mischer zumindest zeitweise betrieben wird, um einen Mischvorgang der Kugeln und Reststoffe zu bewirken. Der Mischvorgang sollte vorzugsweise mehrere Minuten andauern, damit sich ein gleichmäßiger Film auf allen Kugeln ausbilden kann. Der Mischvorgang erfolgt im Bioreaktor vorzugsweise durch eine Vertikalschnecke.
Die zugeführten Reststoffe können unterschiedliche Stoffeigenschaften und Partikelgrößen aufweisen. So kann eine zugeführte Mischung gleichzeitig aus flüssigen, nassen, feuchten, klebrigen, festen, krümeligen und pulverigen Fraktionen bestehen. Die Größe der zugeführten Feststoff-Partikel können ebenfalls in einem Bereich von 1 pm in einer Suspension bis hin zu mehreren Zentimetern als Feststoff- Klumpen schwanken.
Wenn Reststoffe mit trockenen Fraktionen, die einen Wassergehalt < 70 % aufweisen, zugeführt werden, wird vorzugsweise Wasser in den Bioreaktor eingefüllt, um die trockenen Fraktionen an- oder aufzuschlämmen. Dies kann vorzugsweise durch einen Sprühnebel oberhalb der Kugeln und während des Mischvorganges erfolgen.
Eine weitere Besonderheit der zugeführten insbesondere biogenen Reststoffe kann in enthaltenem Phosphor bestehen. Für den Fall, dass Phosphor separiert werden soll, um einen Brennstoff, der um Phosphor abgereichert wurde, zu erhalten, ist die Verfügbarkeit in Form von Eisenphosphat oder einem anderen paramagnetischen Metallphosphat in den Reststoffen wünschenswert, die eine magnetische Stoffabtrennung ermöglichen, insbesondere mittels eines magnetisch wirksamen Abscheiders (Absorbers).
Für den Fall, dass das in dem (biogenen) Reststoff enthaltene Phosphat in Form eines nicht magnetischen Metallsalzes oder als gelöstes Phosphat vorliegt, kann dem Bioreaktor Wasser, das mit einem geeigneten Eisensalz angereichert wurde, zugeführt werden. Die Zuführung erfolgt vorzugsweise in Form eines Sprühnebels oberhalb der Kugeln während des Mischvorgangs während der Zuführung von Reststoffen. Die zugeführte wässrige Eisensalzlösung wird durch den Mischvorgang gleichmäßig in die Filme eingemischt und führt dann, in Gegenwart von in den wässrigen Filmen gelöstem Phosphat, in wenigen Minuten zu einer Fällung von Phosphat als Eisenphosphat.
Für die Nutzung der biogenen Reststoffe als Dünger ist die Herstellung von Eisenphosphaten zu vermeiden, da hiermit die Aufnahme von Phosphor durch die Pflanzen fast vollständig gehemmt wird. Aus diesem Grund kann das Eisenphosphat von der erzeugten pulverförmigen Trockenmasse magnetisch separiert und einer anschließenden Aufbereitung zugeführt werden. Eine weitere Differenzierung hinsichtlich der zugeführten biogenen Reststoffe ist der Grad der chemischen Instabilität des organischen Anteils. Dieser leicht abbaubare Anteil an organischen Stoffen, bestehend aus energiereichen komplexen organischen Fett- und Eiweißmolekülen, sollte vorzugsweise schnell in eine stabile Form überführt werden, um die chemisch gebundene Energie zu erhalten und Gerüche zu minimieren.
Eine Form der Stabilisierung ist die Überführung in den Zustand eines Trockenstabilats. Durch das fehlende Wasser wird für die zumeist heterotrophen Bakterien, die einen Abbau der organischen Bestandteile sehr schnell beginnen, der Transport von Nährstoffen unterbunden und damit der biologische Abbau der leicht abbaubaren organischen Stoffe wirksam gestoppt.
Daher werden die Kugeln vor der Befüllung vorzugsweise getrocknet. Wenn der nasse Film auf den Oberflächen der Kugeln verteilt wird, wird über die Grenzflächen der Kugeln Wasser aus dem nässeren Film über kapillare Anziehungskräfte von außen nach innen in die trockeneren Zellhohlräume der Kugeln als freies Wasser gezogen. Durch den Feuchtigkeitsentzug nach innen wird der Film getrocknet und durch die damit einhergehende Trockenstarre stabilisiert.
Grundsätzlich ermöglicht die hygroskopische Eigenschaft der Kugeln eine Anpassung der Feuchtigkeit an die äußeren herrschenden Bedingungen. Die damit verbundene Fähigkeit zur Speicherung von Feuchtigkeit ermöglicht den Eintrag von sehr wässrigen Suspensionen in den Bioreaktor, deren Wassergehalt bis zur Sättigungsgrenze der Kugeln aufgesogen werden kann.
Als Ergebnis dieses Verfahrensschrittes sind alle Kugeln, die sich in dem Bioreaktor befinden, mit einem dünnen Film bedeckt.
(b) Trocknen der Reststoffe zu einer Trockenmasse
Die Trocknung der biogenen Reststoffe, die in Form nasser Filme auf den Kugeln vorliegen, erfolgt durch Zufuhr eines Trocknungsmediums, vorzugsweise mit einer Temperatur oberhalb von Raumtemperatur bis 85 °C bei Einsatz von warmer ungesättigter Luft als Trocknungsmedium und vorzugsweise mit einer Temperatur oberhalb von 110 °C bei Einsatz von ungesättigtem, überhitztem Wasserdampf als Trocknungsmedium. Das Trocknungsmedium wird vorzugsweise an mehreren Stellen, die auf unterschiedlichen Höhen des Bioreaktors angeordnet sind, zugeführt. Dabei erfolgt die Trocknungsmediumzufuhr bevorzugt vom Boden des Reaktors, von seiner Umfangswandung und zwar im Bereich der Kugeln auf Höhe der Pulveransammlung und im Bereich der Kugeln oberhalb der Pulveransammlung, sowie oberhalb des Kugelbetts.
Bei Einsatz von warmer ungesättigter Luft als Trocknungsmedium trocknen die wässrigen Oberflächen der Filme in dieser Phase vorwiegend, indem sie Wasser als Wasserdampf in die sie umströmende ungesättigte warme Luft abgeben und damit Wasser als Wasserdampf über die höher gesättigte Abluft aus dem Bioreaktor ausgetragen wird.
Bei Einsatz von ungesättigtem, überhitztem Wasserdampf als Trocknungsmedium trocknen die wässrigen Oberflächen der Filme in dieser Phase vorwiegend, indem sie Wasser als Wasserdampf in Form eines realen Gases in den sie umströmenden ungesättigten, überhitzten Wasserdampf abgeben und damit Wasser als Überschussdampf aus dem Bioreaktor ausgetragen wird.
Die bevorzugte mechanische Durchmischung der Kugeln führt dabei zu einer Vergrößerung der nassen Oberflächen, indem die nassen Filme Feuchtigkeit auf trockenere Filme übertragen und nach der Mischung wieder zu homogenen nassen Biofilmen ausgebildet werden.
Wenn keine frischen Reststoffe zugeführt werden, trocknen die nassen Filme aus und es entsteht Trockenmasse in Form trockener Krusten (Trockenmasse mit Restfeuchtigkeit) an den Oberflächen der Holzkugeln.
Die trockenen Krusten sollten vorzugsweise den Durchmesser der Kugeln um 5 % bis zu 10 % vergrößern. Damit erhöht sich das genutzte Volumen im Reaktor um bis zu 33 %. Die Fülldichte der Kugelmatrix beträgt rund 60 %, so dass ein freies Volumen (Luftvolumen bei Einsatz von warmer ungesättigter Luft als Trocknungsmedium und Dampfvolumen bei Einsatz von ungesättigtem, überhitztem Wasserdampf als Trocknungsmedium) von rund 40 % verbleibt.
Bei einsetzender Krustenbildung bzw. beim Übergang der feuchten Filme zu oberflächlich trockenen Krusten, spätestens aber nach vollständiger Krustenbildung wird die Trocknungsmediumzufuhr in den unteren Bereich des Reaktors reduziert oder unterbrochen, sodass die Trocknungsmediumzufuhr im Wesentlichen nur noch im Bereich der Kugeln oberhalb der sich nun im unteren Reaktorbereich ansammelnden pulverförmigen Trockenmasse erfolgt.
(c) Mahlen und Trocknen der Trockenmasse Die an den Oberflächen der Holzkugeln anhaftende Trockenmasse wird durch Mischvorgänge als Rieselstoff durch Reibung abgerieben bzw. abgemahlen. Die Rieselstoffe setzen sich zum größten Teil am Boden des Bioreaktors ab.
Die Mischvorgänge führen bei fortschreitender Verfügbarkeit freier Rieselstoffe zu einer Zermahlung der Rieselstoffe zu mikrofeinem Pulver. Die Partikelgröße beträgt im Ergebnis weniger als 100 pm und bevorzugt weniger als 60 pm. Einzelne Partikel werden bis in den einstelligen pm-Bereich zermahlen.
Mit Übergang von der nassen Phase in die trockene Pulverphase wird die Trockenmasse weiter getrocknet. Jedoch ändert sich die Art der T rocknung. Das Pulver wird nicht mehr direkt über das Trocknungsmedium, sondern indirekt über die kapillaren Saugkräfte und Sorption an den trockenen Grenzflächen der Kugeln getrocknet. Das Wasser im Pulver wird daher über die Grenzflächen der Kugeln durch Sorption und kapillare Anziehungskräfte von außen nach innen in die Zellhohlräume der Kugeln transportiert und dort gebunden.
Hierzu wird der nicht von Pulver umhüllte Teil der Kugeln, die sich oberhalb der am Boden abgesetzten Pulverschicht befinden, weiterhin durch das Trocknungsmedium, bei Einsatz von warmer ungesättigter Luft als Trocknungsmedium durch den warmen und ungesättigten Luftstrom und bei Einsatz von ungesättigtem, überhitztem Wasserdampf als Trocknungsmedium durch den überhitzten und ungesättigten Dampfstrom, getrocknet. Durch einen anschließenden Mischvorgang werden sehr trockene Kugeln aus dem oberen Bereich in das Pulver im unteren Bereich des Bioreaktors gemischt. Zudem werden die Kugeln, die sich im Pulver befinden und die sich zuvor mit Wasser aus dem Pulver angereichert haben, aus dem Pulver in den oberen Teil des Bioreaktors und damit oberhalb der Pulverschicht in die dort befindlichen Kugeln gemischt.
Durch die weitergehende Trocknung wird dem Pulver Wasser entzogen, was dann die weitere Zermahlung des Pulvers ermöglicht, weil das als Bindemittel fungierende Wasser zunehmend entzogen wird. Der finale Trockenrückstandsgehalt des Pulvers sollte vorzugsweise zwischen 90 Gew.-% und 98 Gew.-% liegen, d.h. einen Feuchtigkeitsanteil von höchstens 10 Gew.-% bis zu 2 Gew.% aufweisen.
Der Mahlprozess wird vorzugsweise solange durchgeführt, bis die Kugeln im Wesentlichen frei von Trockenmasse sind, d.h. weitestgehend von den Krusten befreit sind.
Dann wird die Trocknungsmediumzufuhr vollständig unterbrochen und das Betreiben des Mischers eingestellt. Der Trocknungsmediumaustrag erfolgt weiter auf reduziertem Niveau, um einen kontinuierlichen Unterdrück zu erhalten. (d) Abführen der Trockenmasse
Das Pulver kann vorzugsweise pneumatisch mit dem Trocknungsmedium insbesondere durch Saugluft bzw. Unterdrück mit Hilfe von Zyklonen aus dem Reaktor getragen werden. Schwerere Störstoffe lassen sich im Strom des Trocknungsmediums, insbesondere im Luftstrom, durch den Prozess der Windsichtung leicht abtrennen.
Alternativ kann das Pulver über eine Austragseinrichtung umfassend seitliche Öffnungen oder Öffnungen im Bodenbereich des Reaktors ausgetragen werden. Vorzugsweise kann vor den Öffnungen eine Siebeinrichtung, insbesondere ein Lochblech oder ein Gitter oder Stäbe, angeordnet sein, um zumindest die Kugeln und optional gröbere Bestandteile der Trockenmasse zurückzuhalten. Vor der Siebeinrichtung auf der Innenseite des Gehäuses kann ferner eine Vorrichtung zur wahlweisen Öffnung und Schließung der Austragseinrichtung angeordnet sein.
Die ausgetragene Trockenmasse kann nun einerweiteren Qualitätssicherung unterzogen werden. Diese umfasst vorzugsweise den Prozess zur Separation von Phosphor, insbesondere in Form von Eisenphosphat. Zudem kann damit auch extern zugeführte Trockenmasse in den Prozess der Phosphorseparation integriert werden.
Eisenphosphat ist paramagnetisch und liegt insbesondere in Partikelgrößen von 5 pm bis 50 pm vor. Um eine Abtrennung aus dem hygroskopischen Schüttgut in Pulverform zu ermöglichen, bedarf es vorzugsweise der Zerkleinerung der Trockenmasse auf eine maximale Größe von 100 pm bei gleichzeitig hohem Trockenrückstandsgehalt von mehr als 90 % bis zu 98 %. Diese beiden Parameter sind wesentlich, um eine freifließende Rieselfähigkeit zu erreichen und eine Verklumpung im Pulver zu vermeiden. Bei der Einstellung der Parameter gibt es fließende Übergänge und demzufolge graduelle Unterschiede hinsichtlich des Abscheidegrades in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke. Zudem hat eine Verklumpung direkte Auswirkungen auf den Reinheitsgrad der separierten Eisenphosphat-Partikel, da mit zunehmender Verklumpung Fremdstoffe anhaften.
Das Mahlen der Trockenmasse zum Zwecke der Phosphatabtrennung kann in einer Mühle, oder allgemein in einer Zerkleinerungseinheit, erfolgen. Die Vorrichtung sollte eine Verkleinerung der Partikel zu einer Korngröße < 100 pm ermöglichen.
Eine rein mechanische Zerkleinerung der Partikel wird durch die Restfeuchtigkeit in der Trockenmasse begrenzt. Für den Fall einer zu hohen Restfeuchtigkeit in der extern zugeführten oder ausgetragenen Trockenmasse kann daher die Zerkleinerung bis in den einstelligen pm-Bereich gehemmt sein. Eine weitere bevorzugte alternative Prozessführung ist dann die Zu- oder Rückführung der extern zugeführten oder ausgetragenen und vorzugsweise zerkleinerten Trockenmasse in die Prozessphase (c) Mahlen und Trocknen der Trockenmasse bis der notwendige Trockenrückstandsgehalt erreicht ist, der eine Zerkleinerung bis in den vorzugsweise einstelligen pm-Bereich ermöglicht.
Alternativ kann die Trocknung und das Mahlen extern zugeführter oder ausgetragener und vorzugsweise pulverförmiger Trockenmasse bevorzugt in einem zweiten, separaten Mischer als eigenständiger Prozess erfolgen oder fortgeführt werden.
Während des Abfüllprozesses der Trockenmasse können magnetische Metallverbindungen, insbesondere Eisenphosphat, in einer Fallstrecke durch einen Magnetabscheider von der pulverförmigen Trockenmasse abgetrennt werden, indem die Eisenphosphat-Partikel vom Magnetfeld angezogen werden und sich direkt auf dem Magneten oder auf einer davor befindlichen Platte absetzen. Als Ergebnis wird damit das Nebenprodukt Eisenphosphat vom Hauptprodukt der pulverförmigen Trockenmasse abgetrennt.
Die magnetische Separation kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Zum einen kann in der Fallstrecke ein Prallblech zur Vernebelung der Trockenmasse führen, aus der dann die feinen Eisenphosphat-Partikel magnetisch getrennt werden. Zum anderen kann ein Rohr-Magnet für Freifallanwendungen genutzt werden, wie er auch in der pharmazeutischen Industrie für die Separation schwach magnetisierter Partikel eingesetzt wird. Des Weiteren können ein Trommelmagnet, ein Überbandmagnet oder andere Magnetsysteme zur Abtrennung eingesetzt werden.
Der Magnet ist vorteilhafterweise ein Elektromagnet, der insbesondere vorzugsweise die Gehäusewand eines Speicherbehälters magnetisiert. Bei einer solchen Ausgestaltung ist es unter Umständen bereits ausreichend, das Pulver von oben in den Speicherbehälter im freien Fall einzufüllen, sodass sich dieser auf der Prallplatte verwirbelt. Die Eisenphosphat- Partikel setzen sich dann an der Gehäusewand ab.
Anhand von Zeichnungen soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für das erweiterte Verfahren unter Verwendung biogener Reststoffe mit einem Flüssigkeitsanteil als Ausgangsstoffe näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 0 die schematische Darstellung eines nicht gefüllten Bioreaktors gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung; Figur 1 die schematische Darstellung des Bioreaktors aus Figur 0 mit eingefüllten
Kugeln, die an der Oberfläche sauber (unbenetzt) sind, mit einer Füllhöhe
Hstart,
Figur 2 die schematische Darstellung des Bioreaktors aus Figur 0 mit eingefüllten Kugeln, die an der Oberfläche Biofilme ausgebildet haben, mit einer maximalen Füllhöhe HNaSS;
Figur 3 die schematische Darstellung des Bioreaktors aus Figur 0 mit eingefüllten
Kugeln, die an der Oberfläche Krusten ausgebildet haben, mit einer mittleren Füllhöhe HTr0cken;
Figur 4 die schematische Darstellung des Bioreaktors aus Figur 0 mit eingefüllten
Kugeln, die an der Oberfläche wieder sauber sind, und mit sich am Boden des Behälters abgesetztem Pulver, mit einer minimalen Füllhöhe HpUiVer;
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Abtrennung einer magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung, insbesondere von Eisenphosphat, in einem Zustand mit erregten Magneten; und
Figur 6 eine schematische Darstellung der Anlage aus Figur 5 mit deaktivierten Magneten.
Der Bioreaktor 0 ist ein Thermotrockner, der in dem in Figur 0 gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem nach oben offenen Gehäuse 1 besteht, das konisch ausgebildet ist und im Wesentlichen aus einer geschlossenen Umfangswandung 1.2 und einem Boden 1.1 besteht.
In der schematischen Darstellung ist nicht gezeigt, dass das Gehäuse 1 des Bioreaktors 0 thermisch isoliert sein kann, um die Temperatur im Inneren des Bioreaktors 0 möglichst konstant halten zu können.
Im Boden 1.1 ist um die vertikale Achse A eine vorzugsweise konische Schnecke 2 drehbar angetrieben gelagert. Die Schnecke 2 weist mindestens eine Windung 2.1 auf. Die Schnecke 2 ist hier verkürzt dargestellt. Vorzugsweise reicht ihre axiale Länge bis an die maximale Füllhöhe Hmax, um eine möglichst schnelle und rasche Durchmischung zu ermöglichen.
Im Boden 1.1 und in der Umfangswandung 1.2 sind Zuleitungen 6, 6.1 , 6.2 und 6.3 für das Trocknungsmedium, das vorzugweise Umgebungsluft und/oder ungesättigter, überhitzter Wasserdampf ist, vorgesehen, das in das Innere des Bioreaktors 0 geleitet wird, was der Trocknung der biogenen Reststoffe 4 dient. Bezogen auf die maximale Füllhöhe Hmax des Gehäuses 1 liegt die Zuleitung 6 im unteren Drittel, die Zuleitung 6.1 in der Mitte und eine weitere Zuleitung 6.2 oberhalb des Kugelbetts (s. Figur 1). Die Zuleitung 6.3 befindet sich im Boden 1.1. Bei Einsatz von warmer ungesättigter Luft als Trocknungsmedium kann die Umgebungsluft vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von 20 “Celsius bis zu 85 “Celsius angewärmt werden. Bei Einsatz von ungesättigtem, überhitztem Wasserdampf als Trocknungsmedium kann der ungesättigte, überhitzte Dampf vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von 110 “Celsius bis zu 250 “Celsius angewärmt werden.
Bevor der Betrieb zur Trocknung biogener Reststoffe beginnen kann, wird eine Vielzahl von Kugeln, hier Holzkugeln 3, die vorzugsweise aus Buchenholz mit einem Durchmesser von vorzugsweise 5 - 50 mm als Schüttgut vorliegen, über die in Figur 0 gezeigte obere Öffnung in den Bioreaktor 0 bis zu einer Füllhöhe von Hstan eingefüllt.
Sobald die Holzkugeln 3 in den Bioreaktor 0 eingefüllt sind, kann der Bioreaktor 0 mit einem Deckel 1.3 verschlossen werden, was in Figur 1 dargestellt wird.
Der in Figur 1 dargestellte Bioreaktor 0 entspricht in seinem Aufbau dem Bioreaktor 0 nach Figur 0, das Gehäuse 1 ist nun jedoch von einem Deckel 1.3 verschlossen und der Bioreaktor 0 ist mit Holzkugeln 3 gefüllt. Durch den Deckel 1.3 führen die Zuleitungen für biogene Reststoffe 4 und Wasser 5 und die Abführleitung für das austretende Trocknungsmedium 7.
Bevor biogene Reststoffe 4 in den Bioreaktor 0 eingefüllt werden, werden die Holzkugeln 3 vorzugsweise getrocknet, um damit ein hohes Potenzial in den Holzkugeln 3 zur Aufnahme von Feuchtigkeit zu schaffen.
Vorzugsweise über alle Zuleitungen 6, 6.1, 6.2 und 6.3 wird das Trocknungsmedium zugeführt, um in den Bioreaktor 0 Wärme zur Trocknung einzutragen. Vorzugsweise ist das Trocknungsmedium warme ungesättigte Luft und/oder ungesättigter, überhitzter Wasserdampf. Die Zuführung warmer Luft und/oder von Dampf über die Zuleitung 6.3 dient als Leckmedium (Leckluft und/oder Leckdampf) zum Austrag der gesättigten Luft und/oder des Überschussdampfes aus dem unteren Teil des Bioreaktors 0, die und/oder der zuvor die Kugelmatrix durchströmt hat. Die Abluft und/oder der Dampfaustrag erfolgt über die Abführleitung 7 im Deckel 1.3. Durch die Luftströme und/oder Dampfströme wird vorzugsweise ein leichter Unterdrück im Bioreaktor 0 eingestellt. Die Be- und Entlüftung und/oder die Dampfzuführung und Dampfabführung erfolgen vorzugsweise kontinuierlich.
Die spezifische Ausgestaltung der Luftzuführung und/oder der Dampfzuführung hinsichtlich der Dauer, des Volumenstroms und der Temperatur mit Bezug auf die einzelnen Luftzuleitungen und/oder Dampfzuleitungen 6, 6.1, 6.2 und 6.3 erfolgt variabel mit dem Ziel, optimale Bedingungen für den Trocknungsprozess zu erhalten. Danach wird die vertikal angeordnete Schnecke 2 drehend in Betrieb genommen und vorzugsweise zeitgleich die biogenen Reststoffe 4 über die Zuleitung im Deckel 1.3 zugeführt. Der Mischprozess führt zur Durchmischung der eingefüllten biogenen Reststoffe 4 mit den Holzkugeln 3 und dauert vorzugsweise mehrere Minuten. Der Mischprozess endet mit weitgehend homogen ausgebildeten Biofilmen an den Oberflächen der Holzkugeln 3.
Für den Fall, dass die zugeführten biogenen Reststoffe 4 zu trocken sind und eine Ausbildung von Biofilmen somit gehemmt wird und daher nicht ausreichend erfolgt, wird vorzugsweise Wasser 5 in den Bioreaktor 0 über eine Zuleitung im Deckel 1.3 während des Mischprozesses zugeführt. Damit werden die trockenen Fraktionen der biogenen Reststoffe 4 an- und aufgeschlämmt. Die mit Wasser 5 angereicherten biogenen Reststoffe 4 bilden dann sukzessive Biofilme an den Oberflächen der Holzkugeln 3 während des Mischvorgangs aus.
Wenn in den zugeführten biogenen Reststoffen noch Phosphor in Form gelöster Phosphate oder dergleichen oder in Form nicht magnetischer Verbindungen verfügbar sind, die nach dem Trocknungsprozess abgetrennt werden sollen, erfolgt eine Zumischung von einem geeigneten magnetischen Reagenz, das den Phosphor in eine magnetische Verbindung überführt. Beispielsweise wird während des Mischprozesses ein Eisensalz in das Wasser 5 gegeben, so dass damit gelöste Phosphate in den nassen Biofilmen spontan als Eisenphosphat gefällt werden.
Der in Figur 2 dargestellte Bioreaktor 0 zeigt den Zustand nach erfolgreicher Ausbildung von Biofilmen auf den Oberflächen der Holzkugeln 3. Durch die Biofilme steigt der Füllstand im Bioreaktor 0 auf HNass.
Im weiteren Prozess wird der nasse Biofilm getrocknet. Wie zuvor beschrieben, erfolgt die Trocknung durch Zuführung warmer Luft und/oder von ungesättigtem, überhitztem Wasserdampf in die Kugelmatrix über die Oberflächen der Biofilme vorzugsweise kontinuierlich über alle Luftzuleitungen und/oder Dampfzuleitungen 6, 6.1, 6.2 und 6.3. Die mit Wasserdampf gesättigte Luft und/oder der Überschussdampf wird über die Abluftleitung und/oder die Dampfableitung 7 im Deckel 1.3 abgeführt.
Der Betrieb der Schnecke 2 erfolgt vorzugsweise in Intervallen. Hierzu wird die Schnecke 2 jeweils vorzugsweise rund 3 - 60 Minuten, besonders bevorzugt 30 - 60 Minuten stillgesetzt und danach vorzugsweise jeweils 10 - 30 Sekunden drehend in Betrieb genommen. Die gewählten Intervalle sind direkt von der in den Bioreaktor zugeführten Wärmeenergie für die Trocknung abhängig. Für den Fall, das ungesättigter, überhitzter Wasserdampf als Trocknungsmedium zugeführt wird, kann vorzugsweise ein quasi kontinuierlicher Betrieb des Mischers erfolgen. Durch den mechanischen Reibungsprozess werden die Biofilme auf den Oberflächen der Holzkugeln 3 homogenisiert, so dass die Feuchtigkeit der Biofilme auf allen Kugeloberflächen weitgehend gleichmäßig verteilt und somit die wirksame Fläche zur Verdunstung optimiert wird.
Ziel des Trocknungsprozesses ist die Ausbildung von festen, trockenen Krusten 4.1 aus Feststoffen an den Oberflächen der Holzkugeln 3. Die Krusten sollten dabei den Durchmesser der Holzkugeln 3 vorzugsweise im Bereich von 5 % bis zu 10 % vergrößern. Dieser Richtwert ermöglicht die Kalkulation der vorzugsweise zuzuführenden Feststoffmasse und damit auch der Frischmasse an biogenen Reststoffen.
Die Zuführung der biogenen Reststoffe erfolgt vorzugsweise in mehreren Teilportionen. Hierbei erfolgt die Zuführung jeder weiteren Teilportion biogener Reststoffe 4 vorzugsweise nach erfolgter Teil-Trocknung der Biofilme auf den Holzkugeln 3, die sich durch die Zuführung biogener Reststoffe 4 gebildet haben.
Wenn die Zuführung biogener Reststoffe 4 abgeschlossen ist, erfolgt die Trocknung der Biofilme, so dass sich feste, trockene Krusten an den Oberflächen der Holzkugeln 3 ausbilden.
Figur 3 zeigt den Bioreaktor 0, gefüllt mit Holzkugeln 3, auf denen sich feste, trockene Krusten 4.1 ausgebildet haben. Der Füllstand ist leicht abgesunken und ergibt sich zu
H Trocken.
Für den weiteren Trocknungsprozess werden nun die Bodenbelüftung und/oder die Dampfzuleitung 6.3 und die untere seitliche Belüftung und/oder Dampfzuleitung 6 abgestellt, um eine Aufwirbelung von zunehmend abgesetztem Pulver 4.2 im Bodenbereich des Bioreaktors 0 zu vermeiden. Die Belüftung und/oder Dampfzuführung erfolgt durch die Kugelmatrix vorzugsweise kontinuierlich mit zugeführter warmer Luft und/oder zugeführtem ungesättigtem, überhitztem Wasserdampf über die Luftleitung und/oder Dampfzuleitung 6.1. Zusätzlich wird vorzugsweise Leckluft und/oder Leckdampf über die Zuluftleitung und/oder Dampfzuleitung 6.2 zugeführt und die Abluft und/oder der Überschussdampf über die Abluftleitung und/oder Dampfableitung 7 kontinuierlich abgeführt.
Der Betrieb der Schnecke 2 erfolgt weiterhin vorzugsweise in Intervallen. Hierzu wird die Schnecke 2 jeweils vorzugsweise rund 3 - 60 Minuten, besonders bevorzugt 30 - 60 Minuten stillgesetzt und danach vorzugsweise jeweils 10 - 30 Sekunden drehend in Betrieb genommen. Durch den mechanischen Reibungsprozess werden die trockenen Krusten 4.1 auf den Oberflächen der Holzkugeln 3 durch Reibung sukzessive abgetragen. Größtenteils erfolgt der Abrieb direkt in Form von groben und feinen Pulverpartikeln 4.2, die sich weitestgehend im Bodenbereich des Bioreaktors absetzen. Die bereits im Bioreaktor befindlichen groben und teilweise feinen Pulverpartikel 4.2 werden durch Reibung zwischen den Oberflächen der Holzkugeln 3 zu feinem Pulver gemahlen, das eine Korngröße unter 100 pm aufweist.
Der Trennungsprozess der Pulverpartikel wird zusätzlich zum Mahlprozess durch die Trocknung des Pulvers unterstützt. Da die zunächst trockenen Partikel ihre geringe Restfeuchte verlieren und somit pulvertrocken werden, wird eine sukzessive Trennung von Partikeln ermöglicht, die zuvor durch Wasser adhäsiv verbunden wurden.
Der Prozess der Pulvertrocknung erfolgt indirekt über die Oberflächen der Holzkugeln 3 durch kapillare Saugkräfte, die geringe Feuchtigkeitsunterschiede zwischen den Pulverpartikeln und den Oberflächen der Holzkugeln 3 ausgleichen.
Wenn Holzkugeln 3, die zuvor im oberen Bereich des Bioreaktors 0 getrocknet wurden, durch den intervallweise durchgeführten Mischprozess in den im Bodenbereich 1.1 des Bioreaktors 0 befindlichen Pulver 4.2 gelangen, erfolgt eine indirekte Trocknung der Pulverpartikel 4.2 durch Sorption und kapillare Saugkräfte zum Ausgleich der Feuchtigkeitsunterschiede an den Grenzflächen der trockeneren Oberflächen der Holzkugeln 3 und den feuchteren Oberflächen der Pulverpartikel 4.2.
Wenn Holzkugeln 3, die zuvor im Pulver 4.2 Feuchtigkeit aufgenommen haben, in den oberen Bereich des Bioreaktors 0 gelangen, erfolgt die direkte Trocknung der Holzkugeln 3 durch die warme Luft und/oder den ungesättigten, überhitzten Wasserdampf.
Durch den intervallweisen Mischprozess werden trockenere und feuchtere Holzkugeln 3 zwischen dem oberen Bereich des Bioreaktors 0 und dem Pulver 4.2 intervallweise ausgetauscht. Dies ermöglich eine Trocknung des Pulvers 4.2 bis zu 98 Gew.-% Trockenrückstandsgehalt und damit einem Wassergehalt von rund 2 Gew.-%.
Figur 4 zeigt den Bioreaktor 0 gefüllt mit Holzkugeln 3, deren Oberflächen von Feststoffen befreit sind, und Pulver 4.2 am Boden 1.1 des Bioreaktors. Die Füllhöhe ist leicht auf einen Füllstand HpUiVer abgesunken.
Das Pulver 4.2 kann nun über die Austragvorrichtung 8 abgezogen werden. Grundsätzlich kann der Austrag des Pulvers 4.2 auf beliebige Weise erfolgen.
Zusätzlich zum feinen Pulver mit einem Durchmesser < 100 pm entsteht oftmals auch ein Anteil von bis zu rund 15 % des Gesamtgewichts an größeren Partikeln. Dies ist Trockenmasse in Form von sphärischen Partikeln oder sonstigen Formen, die als rieselfähige Stoffe ebenfalls über die Austragseinheit 8 ausgetragen werden. Die Größe der ausgetragenen Feststoffpartikel ist abhängig von der gewählten Austragsvorrichtung und kann von 1 mm bis hin zu mehreren Zentimetern betragen. Somit liegt das Pulver 4.2 der Trockenmasse 4.1 häufig als eine heterogene Mischung aus Partikeln mit kleinen Durchmessern und gröberen Bestandteilen mit einem Durchmesser > 100 pm vor.
Vorteilhafterweise wird daher die pulverförmige Trockenmasse 4.2 inklusive der gröberen Bestandteile pneumatisch durch Saugluft und/oder Unterdrück ausgetragen und dann die gröberen Bestandteile mit Hilfe von Zyklonen vom Luftstrom und/oder abgesaugtem Gasstrom (Dampfstrom) getrennt. Zur Trennung der zwei Fraktionen kann im Luftstrom und/oder Gasstrom ein Prallblech zur Windsichtung verwendet werden.
Vorzugsweise ist vor der Austragsöffnung, in der Umfangswandung 1.2 des Bioreaktors 0, ein perforiertes Lochblech als Sieb vorgesehen. Damit lässt sich die maximale Größe der aus dem Behälter ausgetragenen Partikel festlegen und so die Holzkugeln 3 zurückhalten. Das perforierte Lochblech wird vorzugsweise von der Innenseite der Umfangswandung 1.2 des Bioreaktors 0 durch eine Abdeckung vor den umlaufenden Kugeln geschützt. Werden die Löcher nicht verdeckt, werden die Löcher durch die zugeführten biogenen Reststoffe mit einem Flüssigkeitsanteil zugesetzt und härten dann aus. Eine Öffnung ist dann nur noch mechanisch mit einem Bohrer oder einem Meißel möglich. Diese Vorgehensweise gilt analog auch für andere Austragseinrichtungen, die somit vorzugsweise durch eine Abdeckung zum Innenraum des Bioreaktors geschützt werden müssen.
Der vorstehend beschriebene Reaktor 0 kann Teil der erfindungsgemäßen Anlage zum Abtrennen der magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung 4.3 aus der Trockenmasse 4.1. sein und verkörpert die Mahlvorrichtung zum Mahlen der Trockenmasse 4.1 zu einem Pulver 4.2. Die so in dem Reaktor 0 erhaltene Trockenmasse 4.1 in Form eines Pulvers 4.2 wird anschließend einer Trennungseinrichtung zur magnetischen Abtrennung der magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung zugeführt. Diese Trennungseinrichtung wird in den folgenden Figuren 5 und 6 beispielhaft beschrieben.
Figur 5 zeigt einen solchen Separator zur Abtrennung magnetischer Partikel, insbesondere Eisenphosphat. Der Separator umfasst eine optionale Zerkleinerungseinheit 20, einen Trichter 21, ein Fallgehäuse (Fallrohr) 22 mit einer gewinkelten Prallplatte 23 und eine Magneteinrichtung 24 sowie einen Speicherbehälter 26, die in einem nicht dargestellten Gehäuse angeordnet sein können.
Dem Separator werden die aus dem Reaktor 0 erhaltene Trockenmasse 4.1 in Form von Pulver 4.2, das auch die magnetische, phosphorhaltige Verbindung 4.3 enthält, zugeführt. Insbesondere wird das Pulver 4.2 in die optionale Zerkleinerungseinheit 20 zum homogenen mechanischen Zermahlen zu Pulver 4.2. Dies ist sinnvoll, wenn zuvor die gröberen Trockenmasse-Partikel mit einem Durchmesser > 100 pm nicht von dem Pulver 4.2 abgetrennt wurden oder wenn die Trockenmasse 4.1 aus einem anderen Prozess als dem Bioreaktor 0 bezogen wird, in dem keine ausreichend geringe Partikelgröße erhalten wurde. Die Zerkleinerungseinheit 20 kann ein mechanisches Mahlwerk, beispielsweise ein Kegelmahlwerk oder ein Scheibenmahlwerk oder dergleichen aufweisen.
Nach dem Zermahlen in der Zerkleinerungseinheit 20 fällt die gesamte Masse, die nun weitestgehend homogen als feines Pulver 4.2 vorliegt, durch den darunter befindlichen Trichter 21 und danach im freien Fall in das Fallrohr 22 und trifft dort auf die gewinkelte Prallplatte 23. Durch den Aufprall auf die Prallplatte 23 wird das Pulver 4.2 zu einer Pulverwolke verwirbelt und fällt dann weiter im freien Fall entlang der innenliegenden Fallrohwand. In der Mitte des Fallrohrs 22 ist von außen die Magneteinrichtung 24, vorzugsweise in Form von Elektromagneten angeordnet. Die Elektromagnete erzeugen bei entsprechender Bestromung ein Magnetfeld 25, das in dem Innenbereich des Fallrohrs wirkt. Durch das wirksame Magnetfeld 25 werden magnetische Metallverbindungen des Phosphors 4.3, beispielsweise Eisenphosphat, an die Fallrohrwand von innen magnetisch angezogen und somit aus dem nicht-magnetischen restlichen Pulver 4.2 entfernt. Das von magnetischen Metallverbindungen 4.3 befreite Pulver 4.2 fällt weiter im freien Fall in den unterhalb des Fallrohrs 22 befindlichen Speicherbehälter 26 und setzt sich dort im Bodenbereich ab.
Eine alternative Prozessführung kann darin bestehen, dass die aus dem Bioreaktor 0 ausgetragenen Stoffe, separat behandelt werden. Die groben Trockenmasse-Partikel mit einem Durchmesser > 100 pm können mit der Zerkleinerungseinheit 20 zermahlen und dann in dem Magnetabscheider magnetisch vom Eisenphosphat getrennt werden. Der feine Anteil aus Pulver 4.2 mit einem Durchmesser < 100 pm kann direkt dem Magnetabscheider zugeführt und magnetisch vom Eisenphosphat getrennt werden.
Es versteht sich, dass bei einer ausreichend kleiner Partikelgröße der Trockenmasse auf einen (zusätzlichen) Zerkleinerungsvorgang bzw. die Zerkleinerungseinheit 20 verzichtet werden kann.
Figur 6 zeigt den Separator wie zuvor in Figur 5 beschrieben, jedoch ist der Speicherbehälter 26 zur Seite gestellt worden und der Speicherbehälter 27 befindet sich nun zur Aufnahme der abgetrennten magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung (beispielsweise Eisenphosphat-Partikel) 4.3 unter dem Fallrohr 22. Des Weiteren ist der das Magnetfeld 25 erzeugende Elektromagnet 24 abgeschaltet worden, so dass die magnetischen Metallverbindungen 4.3 im freien Fall in den Speicherbehälter 27 fallen und sich dort im Bodenbereich absetzen. Somit werden die magnetische, phosphorhaltige Verbindung (beispielsweise Eisenphosphat-Partikel) 4.3 und die restliche Trockenmasse 4.1 getrennt voneinander in den Speicherbehältern 27 bzw. 26 erhalten und aufgefangen.
Bezugszeichenliste
0 Bioreaktor
1 Gehäuse
1.1 Boden
1.2 Umfangswandung
1.3 Deckel
2 Mischer / Schnecke
2.1 Flügel
3 Holzkugel
4 Biogener Reststoff
4.1 Trockenmasse
4.2 pulverförmige T rockenmasse / Pulver
4.3 Eisenphosphat-Partikel
5 Wassereinlass / Zuleitung / Zuführleitung
6 Trocknungsmediumeinlass / Lufteinlass und/oder Dampfeinlass / Zuleitung /
Zuführleitung
6.1 T rocknungsmediumeinlass / Lufteinlass und/oder Dampfeinlass / Zuleitung / Zuführleitung
6.2 Trocknungsmediumeinlass / Lufteinlass und/oder Dampfeinlass / Zuleitung /
Zuführleitung
6.3 Trocknungsmediumeinlass / Lufteinlass und/oder Dampfeinlass / Zuleitung /
Zuführleitung
7 T rocknungsmediumauslass / Abführleitung / Abluft und/oder Dampfableitung
8 Austragseinrichtung
10 Oberfläche
20 Gehäuse mit Zerkleinerungseinheit
21 Konischer T richter
22 Fallrohr mit konischen Endstücken
23 Gewinkelte Prallplatte zum Vernebeln
24 Magneteinrichtung / Elektromagnet 25 Magnetfeld
26 Speicherbehälter 27 Speicherbehälter 30.1 Gehäusewand A Achse
HiWax Füllhöhe
H Start Füllhöhe HNass Füllhöhe
H Trocken Füllhöhe H Pulver Füllhöhe

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Trocknen von vorzugsweise biogenen Reststoffen zu einer Trockenmasse mit folgenden Schritten: a) Einfüllen der einen Flüssigkeitsanteil aufweisenden Reststoffe (4) in einen mit Kugeln (3) gefüllten und einen Mischer (2) aufweisenden Bioreaktor (0) und Mischen der Kugeln (3) und der Reststoffe (4) durch zumindest zeitweises Betreiben des Mischers (2) während des Einfüllens und/oder nach dem Einfüllen, sodass sich Filme aus den Reststoffen (4) auf den Oberflächen der Kugeln (3) ausbilden, b) Trocknen der Filme von Reststoffen (4) unter Ausbilden von Krusten aus Trockenmasse (4.1) mit einem Restwassergehalt auf den Oberflächen der Kugeln (3) durch Zuführen eines Trocknungsmediums in den Bioreaktor (0), welches die Kugeln (3) umströmt, unter zumindest zeitweisem Betreiben des Mischers (2), c) Mahlen und weiteres Trocknen der Trockenmasse (4.1) durch zumindest zeitweises Betreiben des Mischers (2) unter Abrieb pulverförmiger Trockenmasse (4.2) von den Kugeln (3), d) Abführen der pulverförmigen Trockenmasse (4.2) aus dem Bioreaktor (0).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Trocknungsmedium ein Trocknungsfluid ist, das insbesondere warme, ungesättigte Luft und/oder ungesättigter, überhitzter Wasserdampf ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kugeln (3) eine Wasseraufnahmefähigkeit aufweisen, insbesondere aus Holz, vorzugsweise aus Buchenholz, bestehen.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kugeln (3) vor der Zuführung der Reststoffe (4) getrocknet werden, insbesondere durch Zufuhr des Trocknungsmediums in den Bioreaktor (0).
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Einfüllen der Reststoffe (4) zusätzlich Flüssigkeit (5), insbesondere Wasser oder ein weiterer Reststoff mit höherem Feuchtigkeitsgehalt, auf die Oberflächen der Kugeln (3) zugeführt wird, insbesondere eingesprüht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zugeführte Flüssigkeit (5) ein Eisensalz und/oder Kalk enthält.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei während des Einfüllens der Reststoffe (4) und/oder während des Trocknens und/oder während des Mahlens der Mischvorgang intervallweise erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei während der Zufuhr des Trocknungsmediums Feuchtigkeit als Wasserdampf mit dem Trocknungsmedium, insbesondere als höher gesättigte Luft und/oder als Überschussdampf, abgeleitet wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei während des Mahlens die Krusten aus Trockenmasse (4.1) von den Oberflächen der Kugeln (3) abgemahlen werden und sich als pulverförmige Trockenmasse (4.2) mit einem Restwassergehalt am Boden (1.1) des Bioreaktors (0) absetzen.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei während des Mahlens die pulverförmige Trockenmasse (4.2) am Boden (1.1) des Bioreaktors (0) über die Oberflächen der Kugeln (3), die sich in der pulverförmigen Trockenmasse (4.2) im Bodenbereich des Bioreaktors (0) befinden, getrocknet wird und keine direkte Durchströmung durch die pulverförmige Trockenmasse (4.2) mit dem Trocknungsmedium erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei während des T rocknens die Zufuhr des Trocknungsmediums über mehrere, in unterschiedlichen Höhen des Bioreaktors (0) angeordnete Trocknungsmediumeinlässe (6, 6.1, 6.2, 6.3) erfolgt, insbesondere einen im unteren Drittel des Bioreaktors (0) angeordneten Trocknungsmediumeinlass (6), einen im mittleren Füllstandsbereich angeordneten Trocknungsmediumeinlass (6.1), einen oberhalb eines maximalen Füllstands (Hiuax) angeordneten Trocknungsmediumeinlass (6.2) und einen im Bodenbereich angeordneten Trocknungsmediumeinlass (6.3).
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei bei beginnender Krustenbildung auf den Oberflächen der Kugeln (3) die Trocknungsmediumzufuhr im unteren Bereich des Bioreaktors (0), insbesondere aus dem im unteren Drittel des Bioreaktors (0) angeordneten Trocknungsmediumeinlass (6) und dem im Bodenbereich angeordneten Trocknungsmediumeinlass (6.3), reduziert oder abgestellt wird.
13. Bioreaktor (0), eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend:
• ein Gehäuse (1), mit zumindest einem Boden (1.1) und einer Umfangswandung
(1 -2),
• einen um die vertikale Achse (A) drehbar gelagerten Mischer (2), der innerhalb des Gehäuses (1) angeordnet ist,
• mindestens einen bezogen auf eine Höhe des Gehäuses (1) oder auf einen maximalen Füllstand (Hiuax) im mittleren Bereich in der Umfangswandung (1.2) des Gehäuses (1) angeordneten Trocknungsmediumeinlass (6.1),
• mindestens einen Trocknungsmediumauslass (7),
• eine Füllung des Bioreaktors (0) aus einer Vielzahl von Kugeln (3), mit einem Anfangsfüllstand (Hstan),
• mindestens eine Zuführleitung für Reststoffe (4), und
• mindestens eine Austragseinrichtung (8) zur Abführung getrockneter Reststoffe.
14. Bioreaktor (0) nach Anspruch 13, ferner umfassend einen Deckel (1.3), der eine obere Öffnung des Bioreaktors (0) verschließt.
15. Bioreaktor (0) nach Anspruch 13 oder 14, ferner umfassend eine Mehrzahl von Trocknungsmediumeinlässen (6, 6.1, 6.2, 6.3), insbesondere einen im unteren Drittel des Bioreaktors (0) in der Umfangswandung (1.2) angeordneten Trocknungsmediumeinlass (6), den im mittleren Füllstandsbereich in der Umfangswandung (1.2) angeordneten Trocknungsmediumeinlass (6.1), einen oberhalb des maximalen Füllstands (Hiuax) in der Umfangswandung (1.2) oder im Deckel (1.3) angeordneten Trocknungsmediumeinlass (6.2) und/oder einen im Boden (1.1) angeordneten Trocknungsmediumeinlass (6.3).
16. Bioreaktor nach den Ansprüchen 13 bis 15, wobei eine Zuführleitung (5) für
Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, oberhalb des maximalen Füllstands (HM3C) angeordnet ist.
17. Bioreaktor (0) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei in dem Gehäuse (1) vor der
Austragseinrichtung (8) eine Siebeinrichtung, insbesondere ein Lochblech oder ein Gitter oder Stäbe, angeordnet ist.
18. Bioreaktor (0) nach Anspruch 17, wobei vor der Siebeinrichtung zur Innenseite des Gehäuses (1) eine Vorrichtung zur wahlweisen Öffnung und Schließung der
Austragseinrichtung (8) angeordnet ist.
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US4999930A (en) * 1988-05-21 1991-03-19 Kabushiki Kaisha Hikoma Seisakusho Raw sewage drying apparatus
JP2001324269A (ja) * 2000-05-17 2001-11-22 Mitsubishi Kakoki Kaisha Ltd 伝熱式竪型乾燥装置
WO2008095685A2 (de) * 2007-02-06 2008-08-14 Enthal Haustechnik Gmbh Vorrichtung und verfahren zum trocknen von gärresten

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