DD242396A1

DD242396A1 - Verfahren zur kombinierten substraterwaermung insbesondere bei biogasanlagen

Info

Publication number: DD242396A1
Application number: DD85282347A
Authority: DD
Inventors: Werner Steinmetz; Johann Franz; Gerd-Rainer Vollmer
Original assignee: Energie & Transportforsch Inst
Priority date: 1985-11-01
Filing date: 1985-11-01
Publication date: 1987-01-28
Also published as: DD242396B1

Abstract

Das "Verfahren zur kombinierten Substraterwaermung insbesondere bei Biogasanlagen" gehoert einerseits in das Gebiet der technischen Mikrobiologie und andererseits in das der Brennkraftmaschinen. Ziel der Erfindung ist es, den bei Biogasanlagen notwendigen Aufwand an Primaerenergie fuer die Erwaermung des Guellesubstrates bedeutend zu senken. Es soll aufgabengemaess die Waerme zur Substraterwaermung mit einem Primaerenergieausnutzungsgrad von mindestens 2 bereitgestellt werden. Diese Aufgabe wird geloest, indem die bei einer aeroben Vorbehandlung der Guelle entstehende Waerme in Kombination mit der gesamten Abwaerme einer biogasgetriebenen Brennkraftmaschine auf die Guelle uebertragen wird. Die biogasgetriebene Brennkraftmaschine treibt dabei das Belueftungsaggregat fuer die aerobe Vorbehandlung direkt an. Der Kuehlkreislauf der Brennkraftmaschine ist ueber Waermeuebertrager mittelbar mit dem Guellekreislauf gekoppelt. Der Abgasstrom der Brennkraftmaschine wird dem zur aeroben Vorbehandlung in die Guelle eingebrachte Luftstrom vorzugsweise beigemischt. Die Erfindung kann in Biogasanlagen aber auch bei der aeroben Aufbereitung von Abwaessern eingesetzt werden. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung ^v

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kann in Biogasanlagen insbesondere in solchen der industriellen Tierproduktion zur Aufheizung des dem Biogasreaktorzugeführten Substrats angewendet werden. Sie kann ferner bei der aeroben Aufbereitung von Abwässern genutzt werden. Auch eine Anwendung in Verbindung mit Niedertemperaturheizsystemen ist denkbar. Die Erfindung gehört einerseits in das Gebiet der technischen Mikrobiologie und andererseits in das der Brennkraftmaschinen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zum effektiven Betrieb von Biogasanlagen muß die zugeführte Gülle, im folgenden auch Substrat genannt, eine bestimmte Temperatur haben. Im sogenannten mesophilen Bereich liegt diese optimale Substrattemperatur bei etwa 35⁰C. Es ist seit mehreren Jahrzehnten bekannt, diese Substrattemperatur durch Aufheizen des Substrats mittels biogasbetriebener Gaskessel zu erreichen. Femer ist die Substraterwärmung durch die Abwärme von Gasmotor/Generator-Aggregaten und auch durch Wärmepumpen bekannt. Diese Lösungen haben den Nachteil, daß sie zur Erwärmung einen zu hohen Anteil an Primärenergie benötigen bzw. im Falle der Wärmepumpen und Generatoraggregat außerdem sehr aufwendig sind.

Es ist auch bekannt, durch aerobe Aufbereitung von Gülle Wärme zu erzeugen. In einer 1984 an der Universität Bonn verteidigten Dissertationsschrift von W. A. Hemmersbach wird z. B. für Schweinegülle ein erzeugbarer spezifischer Wärmestrom von 16 bis 33W/Schweine angegeben.

Da es sich dabei aber um Niedertemperaturwärme handelt, sieht der Autor keine Möglichkeit zur wirtschaftlichen Nutzung dieser Prozeßwärme.

Einen wesentlichen Schrittweiter bei der Nutzung dieser Prozeßwärme geht die DDR-Anmeldung WP 217786 AOL Eine aerobe Vorbehandlung der Gülle wird kombiniert mit einer anaeroben Behandlung in einem Biogasreaktor. Die bei der aeroben Prozeßstufe entstehende Prozeßwärme in Form der erwärmten Gülle wird dahingehend genutzt, daß die sonst bei Biogasanlagen notwendige Fremderwärmung der Gülle zum Teil entfällt. Nachteilig bei dem Verfahren ist der notwendige Aufwand an Elektroenergie für den Antrieb des Belüftungsaggregates. Dadurch ist der Primärenergieaufwand relativ zu der erzeugten Prozeßwärme noch hoch. Außerdem reicht die Prozeßwärme bei diesem Verfahren in der kalten Jahreszeit zur notwendigen Substraterwärmung nicht aus, so daß zusätzliche Fremderwärmung notwendig wird. Schließlich ist das Verfahren hinsichtlich der Temperaturregelung nicht flexibel.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den Aufwand an Pimärenergie in Form von Biogas für die Substraterwärmung bedeutend zu verringern. Dadurch steigt die Menge erzeugten Nettobiogases. Weiterhin soll der Investitionsaufwand verringert werden. Durch beide Ziele wird letztlich der Gesamtaufwand je m³ erzeugten Biogases entscheidend gesenkt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der Substraterwärmung zu schaffen, das mit einem Primärenergie-Ausnutzungsgrad η_ΡΓ > 2 arbeitet. Das heißt, je KWh eingesetzte Primärenergie werden 2KWh Wärme zur Substrataufheizung freigesetzt. Das Verfahren soll ganzjährig ohne zusätzliche Substraterwärmung auskommen, wobei die Regelung der Prozeßwärme entsprechend den Außentemperaturen verlustlos, direkt und flexibel erfolgen soll.

Merkmale der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Belüftungsaggregat für die aerobe Güllevorbehandlung mit einer biogasgetriebenen Brennkraftmaschine verkettet. Wichtigstes Wesensmerkmal ist dabei der direkte mechanische Antrieb des Belüftungsaggregates durch eine biogasgetriebene Brennkraftmaschine. Neben der mechanischen Verkettung ist ein weiteres Merkmal die hydraulische Verkettung des Kühlkreislaufes der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine und des Güllekreislaufes.

In einem speziellen Wärmeübertrager strömt auf dessen Primärseite das Kühlwasser der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine und auf der Sekundärseite die Gülleflüssigkeit, die dabei die Kühlwasserwärme aufnimmt.

Ein weiteres Merkmal ist die pneumatische Verkettung der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine und Belüftungsaggregat dergestalt, daß das Brennkraftmaschinenabgas durch geeignete Mittel der Güllekreislauf zugemischt wird und so im direkten Kontakt seine Enthalpie verlustlos an die Gülle überträgt. Dabei kann das Brennkraftmaschinenabgas bereits vorher in einem speziellen Abgaswärmeübertrager einen Teil seiner Enthalpie an das Kühlwasser und damit indirekt an den Güllekreislauf abgegeben haben. Es kann jedoch mit der erfindungsgemäßen pneumatischen Verkettung auch die gesamte Abgasenthalpie direkt an die Gülle übertragen werden.

Ein weiteres Element der pneumatischen Verkettung besteht in der Kapselung der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine und in der Belüftung dieser Kapsel durch das Belüftungsaggregat und zwar so, daß der Luftstrom bevor er in die Gülle eingebracht wird erst durch die Brennkraftmaschinenkapsel strömt. Dabei nimmt der Luftstrom die Strahlungswärme der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine auf und überträgt auch diese in die Gülle.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung betrifft die Art der Regelung der Gülle- bzw. Substrattemperatur. Diese geschieht durch Veränderung der Drehzahl der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine.

Eine Absenkung der Substrattemperatur unter den Sollwert wird jeweils durch eine Erhöhung der Drehzahl der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine und eine Erhöhung der Substrattemperatur durch eine Verringerung der Drehzahl korrigiert. Diese Temperaturregelung ist sehr einfach und in einem weiten Leistungsbereich flexibel und sensibel. Sie arbeitet verlustlos, weil die erzeugte biologische Wärme und die Abwärme der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine gleichsinnig durch die Drehzahländerung beeinflußt werden. Alle anderen Verfahren der Substraterwärmung verfügen nicht über diese verlustlose Regelung.

Ausführungsbeispiel

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die aus der Tierproduktionsanlage kommende Rohgülle wird in einem Gegenstromwärmeübertrager 1 vorgewärmt. Diese Vorwärmung geschieht in bekannter Weise durch das aus dem Biogasreaktor 2 kommende noch warme ausgefaulte Substrat. Danach erfolgt erfindungsgemäß die eigentliche kombinierte Erwärmung der Gülle. Als Belüftungsaggregat zur aeroben Vorbehandlung der Gülle wird ein sogenanntes Tauchstrahlaggregat verwendet, das aus der Zentrifugalpumpe 3 und dem Injektor 4 besteht. Die Zentrifugalpumpe 3 ist erfindungsgemäß mit einer biogasgetriebenen Brennkraftmaschine 4 mechanisch gekoppelt und wird von dieser mit variabler Drehzahl angetrieben. Die Zentrifugalpumpe 3 fördert bekannterweise einen Güllestrom über den Injektor 4, wo der Gülle der Luftstrom 5 zur aeroben Vorbehandlung zugeführt wird. Erfindungsgemäß wird der Luftstrom 5, bevor er in den Injektor eintritt erst durch die Motorkapsel 6 gesaugt, wo er die Strahlungswärme der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine aufnimmt. Außerdem wird dem Luftstrom 5 der Abgasstrom 7 des Biogasmotors beigemischt.

Dabei ist der Abgasstrom 7 bezüglich seines Massedurchsatzes wesentlich geringer als der Luftstrom 5. Vor dem Zumischen des Abgases in die Injektorluft wird dem Abgas bereits ein Teil seiner Enthalpie in einem nicht näher dargestellten Abgaswärmeübertrager entzogen.

Ein Teilstrom 8 des von der Zentriefugalpumpe 3 geförderten Güllestromes wird erfindungsgemäß im Bypass durch den Wärmeübertrager 9 geleitet. Dieser wird auf seiner Primärseite vom Kühlwasserstrom 10 der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine durchströmt.

Das aerob vorbehandelte und erfindungsgemäß durch kombinierte Aufheizung erwärmte Güllesubstrat 11 fließt in bekannterweise in einen Mischbehälter 12, um dann in den Biogasreaktor 2 gefördert zu werden. Die einfache erfindungsgemäße Regelstrecke zur Einhaltung einer konstanten Substrattemperatur enthält als Meß- bzw. Regelgröße die Substrattemperatur, als Stellgröße die Drehzahl der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine und als Stellglied die Gemischdrosselklappe der biogsgetriebenen Brennkraftmaschine. Sinkt z. B. die Substrattemperatur unter den Sollwert, dann wird die Gemischdrosselklappe mehr geöffnet. Als Folge davon dreht die biogasgetriebene Brennkraftmaschine schneller, die Pumpe 3fördert mehr Gülle durch den Injektor 4, es wird mehr Luft in die Gülle eingetragen und infolgedessen wird die aerob erzeugte Wärme vergrößert. Gleichzeitig erhöht sich aufgrund des geänderten Schnittpunktes der Arbeitskennlinien von Pumpe und Brennkraftmaschine die Motorleistung und damit die Motorabwärme progressiv. Das heißt sowohl die biologische als auch die Summe der Brennkraftmaschinenabwärme ändern sich gleichsinnig entsprechend dem Bedarf.

Es wird ein Primärenergieausnutzungsgrad von η_ΡΓ = 2 erreicht. Das heißt, je 1 KWh der Energie des vom Motor verbrauchten Biogases werden 2KWh Wärmeenergie dem Güllesubstrat zugeführt.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur kombinierten Substraterwärmung, insbesondere bei Biogasanlagen, bei denen die Gülle nacheinander einer aeroben und anaeroben Behandlung unterzogen wird, gekennzeichnet dadurch, daß die bei der aeroben Vorbehandlung entstehende Wärme in Kombination mit der Abwärme einer biogasgetriebenen Brennkraftmaschine (13) auf die Gülle übertragen wird; daß dabei die biogasgetriebene Brennkraftmaschine (13) mechanisch mit dem Belüftungsaggregat (3,4) für die aerobe Güllebehandlung gekoppelt ist; daß dabei der Kühlkreislauf der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine (13) mit dem Güllekreislauf über einen Wärmeübertrager (9) mittelbar gekoppelt ist; daß dabei der zur aeroben Güllebehandlung in die Gülle eingebrachte Luftstrom (5) vorzugsweise über eine die biogasgetriebene Brennkraftmaschine (13) umgebene Motorkapsel (6) gesaugt wird; daß dabei der Abgasstrom (7) der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine (13) dem zur aeroben Güllebehandlung in die Gülle eingebrachten Luftstrom (5) vorzugsweise beigemischt wird; und daß zur Regelung der Substrattemperatur die Drehzahl der biogasgetriebenen Brennkraftmaschine (13) verändert wird.

2. Verfahren zur kombinierten Substraterwärmung bei Biogasanlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Belüftungsaggregat (3,4) für die aerobe Güllebehandlung ein Tauchstrahler verwendet wird und als biogasgetriebene Brennkraftmaschine (13) ein flüssigkeitsgekühlter^Takt-Gas-Ottomotor.