DE102009002925A1 - Verfahren und Vorrichtung zum gleichzeitigen Rühren und Beheizen von Flüssigfermentern (Heiz-Rührregister) - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum gleichzeitigen Rühren und Beheizen von Flüssigfermentern (Heiz-Rührregister) Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Biogas durch mikrobielle Umsetzung von pumpfähiger Biomasse, umfassend einen Fermenter (1) zur Aufnahme der Biomasse, wobei der Fermenter (1) mindestens eine Vorrichtung zur Durchmischung der im Fermenter (1) enthaltenen Biomasse sowie Mittel zur Temperierung (9) der Biomasse umfasst. Die Vorrichtung zur Durchmischung der im Fermenter (1) enthaltenen Biomasse weist mindestens einen Rührer (3) auf und die Mittel zur Temperierung (9) der Biomasse sind so im durch den Rührer (3) erzeugten Strömungsweg der Biomasse angeordnet, dass zumindest ein Teil der Biomasse die Mittel zur Temperierung (9) durchströmen und umströmen kann. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Biogas durch mikrobielle Umsetzung von Biomasse in einem Fermenter (1), wobei die Biomasse im Fermenter (1) mit einem Rührer (3) umgewälzt wird und mindestens ein Teil der Biomasse beim Umwälzen durch Mittel zur Temperierung (9) geleitet wird, in denen die Biomasse auf eine für die Fermentation erforderliche Temperatur temperiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Biogas durch mikrobielle Umsetzung von pumpfähiger Biomasse, umfassend einen Fermenter zur Aufnahme der Biomasse, wobei der Fermenter mindestens eine Vorrichtung zur Durchmischung der im Fermenter enthaltenen Biomasse sowie Mittel zur Temperierung der Biomasse umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Biogas durch mikrobielle Umsetzung von Biomasse in einem Fermenter.
  • Zur Herstellung von Biogas wird üblicherweise Biomasse in pumpfähiger Konsistenz eingesetzt. Hierzu werden die eingesetzten Substrate, beispielsweise Maissilage oder Grassilage, zerkleinert und mit Wasser zersetzt. Zur mikrobiellen Umsetzung des Substrates zu Biogas ist es notwendig, die Temperatur im Fermenter konstant zu halten. Im mesophilen Betrieb liegt die Temperatur dabei bei circa 35°C. Zur Versorgung der Mikroorganismen mit frischen Nährstoffen ist gleichzeitig eine Umwälzung der im Fermenter enthaltenen Biomasse notwendig.
  • Eine Anlage zur Herstellung von Biogas durch Vergärung von dickflüssigen Medien in einem zylindrischen Behälter zum Vergären des Gärmediums ist zum Beispiel aus DE-A 41 13 000 bekannt. Der Behälter ist durch Trennwände in mehrere Gärkammern unterteilt und die Trennwände sind teilweise doppelwandig ausgebildet, sodass über diese ein Wärmeaustausch stattfinden oder eine Erwärmung des Gärmediums erfolgen kann. Mit einer Reinigungseinrichtung, die bei der Bewegung der Mischkörper im Behälter in axialer Richtung an der Wandung des Wärmetauschers entlang bewegt wird, wird erreicht, dass die Wärmetauscherflächen kontinuierlich von Verunreinigungen gesäubert werden.
  • Aus DE-B 10 2004 027 077 ist ein beheizbares Rührwerk für Fermentationsbehälter bekannt. Mit Hilfe des Rührwerkes wird mechanische und thermische Energie in stehend angeordnete Fermentationsbehälter eingetragen. Das beheizbare Rührwerk umfasst eine beheizbare Rührwelle, an der Rührwelle befestigte Wärmeleitfläche, an den Wärmeleitflächen befestigte Rührblätter, ein flexibles oberes Wellenlager zur Aufnahme von Längendehnung und Biegekräften sowie ein zumindest bei der Montage im Anstellwinkel variables unteres Wellenlager. Die beheizbare Rührwelle ist ein doppelwandiges Rohrsystem, bei der das innere Rohr als eine am Heizungsvorlauf angeschlossene Kunststoffleitung ausgebildet ist und das äußere Rohr ein Metallrohr ist. Nachteil des Rührwerks ist jedoch zum Einen, dass nur die Rührwelle beheizt wird und so nur eine kleine Wärmetauscherfläche zur Verfügung steht, zum Anderen, dass die Einleitung und Ausleitung eines flüssigen Heizmediums in eine rotierende Welle aufwändig und verschleißanfällig ist.
  • Vorrichtungen zur Durchmischung von Fermentationsbehältern, beispielsweise Rührwerke, sind zum Beispiel auch aus DE-U 20 2006 004 982 , EP-A 1 394 246 oder US 4,698,310 bekannt.
  • Eine Fermenterheizung, mit der die Biomasse im Fermenter beheizt werden kann, ist beispielsweise auch in DE-U 203 00 794 beschrieben.
  • Üblicherweise eingesetzte Fermenter weisen derzeit von heißem Wasser durchströmte Rohre auf, die im Allgemeinen als Ringleitung mit einem gewissen Abstand an der Innenwand des Fermenters befestigt sind. Hierbei handelt es sich oft um teure Wellrohre, die infolge ihrer Biegsamkeit nahtlos ohne zu schweißen bei der Fermentermontage verlegt werden.
  • Nachteil der bekannten Fermenter ist jedoch, dass die Heizeinrichtungen, beispielsweise Wärmetauscher außerhalb der Strömungswege der im Fermenter enthaltenen Biomasse sind. Aufgrund der außerhalb der Strömungswege positionierten Wärmetauscher ist eine gleichmäßige Temperierung nicht erzielbar. Zudem ist der Wärmeübergang vergleichsweise schlecht und zur Erzielung der notwendigen Temperaturen müssen hohe Vorlauftemperaturen des Temperiermediums verwendet werden. Die Positionierung der Wärmetauscherrohre entlang der Wandung des Fermenters und das dadurch bedingte Auftreten der höchsten Temperaturen im Fermenter in der Nähe der Wandung führen zu einem hohen Wärmeverlust durch die Fermenterwand. Auch werden aufgrund der hohen notwendigen Vorlauftemperatur die Mikroorganismen im Bereich der Wandung Temperaturen ausgesetzt, die keine optimalen Bedingungen darstellen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Biogas bereitzustellen, in der eine gleichmäßige Durchmischung der Bio masse und eine gleichmäßige Temperierung mit einem verbesserten Wärmeübergang erfolgen.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Biogas durch mikrobielle Umsetzung von pumpfähiger Biomasse, umfassend einen Fermenter zur Aufnahme der Biomasse, wobei der Fermenter mindestens eine Vorrichtung zur Durchmischung der im Fermenter enthaltenen Biomasse sowie Mittel zur Temperierung der Biomasse umfasst. Die Vorrichtung zur Durchmischung der im Fermenter enthaltenen Biomasse weist mindestens einen Rührer auf, und die Mittel zur Temperierung der Biomasse sind so im durch den Rührer erzeugten Strömungsweg der Biomasse angeordnet, dass zumindest ein Teil der Biomasse die Mittel zur Temperierung durchströmen und umströmen kann.
  • Umströmen der Mittel der Temperierung im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass jeweils einzelne Wärmetauscherelemente, im Allgemeinen Rohre, die von einem Temperiermittel durchströmt werden, von der Biomasse umströmt werden. Da der Wärmetauscher im Strömungsweg der Biomasse positioniert ist, strömt die Biomasse dabei durch Kanäle und Öffnungen zwischen den einzelnen Wärmetauscherelementen. Der Wärmetauscher wird vorzugsweise so ausgebildet, dass die Hauptströmungsrichtung der Biomasse durch den Wärmetauscher nicht geändert wird. Eine Umlenkung der Strömung am Wärmetauscher soll nicht erfolgen.
  • Durch den erfindungsgemäßen Fermenter wird Wärme zügig verteilt und ins Innere transportiert. Dies ermöglicht niedrigere Vorlauftemperaturen des Temperiermediums. Dies hat weiterhin den Vorteil, dass die im Fermenter enthaltenen Mikroorganismen auch in der Nähe des Wärmetauschers nicht so hohen Temperaturen ausgesetzt werden, wie in den aus dem Stand der Technik bekannten Fermentern. Auch sind durch die Anordnung der Mittel zur Temperierung die Temperaturen an der Wandung des Fermenters geringer als bei Fermentern gemäß dem Stand der Technik. Hierdurch wird der Wärmeverlust reduziert.
  • Neben der gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Temperierung der Biomasse werden mit dem erfindungsgemäßen Fermenter auch die Investitionskosten für den Bau deutlich reduziert. Dies ist insbesondere auch darauf zurückzuführen, dass keine teuren Wellrohre für die Temperierung verbaut werden müssen.
  • Als Fermenter kann ein beliebiger Rührbehälter oder Tank mit Rühreinrichtung eingesetzt werden. Bevorzugt ist es, wenn die Wandungen des Rührbehälters oder Tanks keine Kanten aufweisen, in denen Totzonen beim Umwälzen der Biomasse entstehen können und in denen sich Biomasse festsetzen kann. Insbesondere bevorzugt sind Behälter oder Tanks mit einem kreisförmigen Querschnitt. Um das Biogas gewinnen zu können, ist der Behälter mit einem Deckel verschlossen. Zur Entnahme des Gases ist im Gasraum im oberen Bereich des Fermenters eine Entnahmeöffnung ausgebildet. Durch die Entnahmeöffnung kann das bei der Fermentation entstandene Biogas abgezogen werden. Als Material für den Tank beziehungsweise Behälter eignet sich jedes beliebige Material, das gegenüber der im Behälter enthaltenen Biomasse inert ist. So eignen sich zum Beispiel Metalle oder Kunststoffe, besonders bevorzugt ist jedoch kunststoffbeschichteter Beton.
  • Der Behälter beziehungsweise Tank, in dem das Biogas hergestellt wird, kann jede beliebige Größe aufweisen. Bevorzugt werden jedoch Behälter mit einem Fassungsvermögen von mehr als 100 m3, mehr bevorzugt von mehr als 200 m3, insbesondere von mehr als 400 m3 eingesetzt, wobei das Fassungsvermögen vorzugsweise bis zu 1000 m3 betragen kann.
  • Die zu Biogas umzusetzende Biomasse wird beispielsweise über Rohrleitungen zugeführt, die in den Behälter beziehungsweise Tank münden. Die Rohrleitungen können dabei zum Beispiel seitlich, vorzugsweise im oberen Bereich des Tanks angeordnet sein. Auch ist es möglich, die umzusetzende Biomasse über den Deckel in den Tank zuzuführen. Die Entnahme der umgesetzten Biomasse erfolgt beispielsweise am Sumpf beziehungsweise im unteren Bereich des Behälters beziehungsweise Tanks. Die Umsetzung der Biomasse kann dabei kontinuierlich oder batchweise erfolgen. Bei einer kontinuierlichen Umsetzung ist es bevorzugt, Biomasse aus dem Behälter umzupumpen und einen Teil der umgepumpten Biomasse aus dem Prozess zu entnehmen und in gleichem Maße frische Biomasse zuzufügen.
  • Die Umsetzung der Biomasse zu Biogas erfolgt in Gegenwart von anaeroben Mikroorganismen.
  • Um die Mikroorganismen, die die Biomasse umsetzen, gleichmäßig mit Nährstoffen zu versorgen, wird die im Tank beziehungsweise Behälter enthaltene Biomasse, der die Mikroorganismen beigefügt sind, umgewälzt. Zum Umwälzen werden geeignete Vorrichtungen zur Durchmischung eingesetzt, die im Allgemeinen mindestens einen Rührer aufweisen. Der Rührer wird über einen geeigneten Antrieb, beispielsweise einen Elektromotor angetrieben. Der Antrieb kann dabei im Behälter oder außerhalb des Behälters angeordnet sein. Wenn der Antrieb im Behälter angeordnet ist, so ist dieser gegenüber der Umgebung gekapselt, damit keine Biomasse in den Antrieb eindringen kann und diesen so beschädigen kann. Bei einer Anordnung außerhalb des Behälters wird über geeignete Kraftübertragungsmittel, beispielsweise Kettentriebe oder beliebige andere dem Fachmann bekannte Getriebe, das vom Antrieb erzeugte Drehmoment an den Rührer übertragen.
  • Um optimale Betriebsbedingungen für die Umsetzung der Biomasse zu Biogas zu erhalten, ist weiterhin eine konstante Temperatur im Behälter beziehungsweise Tank erforderlich. Die konstante Temperatur wird durch geeignete Temperiereinrichtungen, üblicherweise Wärmetauscherrohre, in die Biomasse eingebracht. Erfindungsgemäß sind die Mittel der Temperierung, die vorzugsweise als Heizregister ausgebildet sind, in dem durch den Rührer erzeugten Strömungsweg der Biomasse angeordnet. Durch diese Anordnung werden die Mittel zur Temperierung, beispielsweise Wärmetauscherrohre, direkt von der zu temperierenden Biomasse umströmt. Hierdurch wird der Wärmeübergang erheblich verbessert. Dies hat den weiteren Vorteil, dass aufgrund des erheblich verbesserten Wärmeübergangs die Wärmeübertragungsfläche deutlich verkleinert werden kann.
  • Um die Möglichkeit bereitzustellen, bereits bestehende Fermenter oder Nachgärbehälter nachzurüsten oder auch eine einfachere Montage eines Fermenters vor Ort zu ermöglichen, betrifft die Erfindung auch ein kombiniertes Heiz- und Rührregister zur Temperierung von Biomasse in einem Fermenter, mindestens eine Vorrichtung zur Durchmischung sowie Mittel zur Temperierung umfassend, wobei die Vorrichtung zur Durchmischung mindestens einen Rührer aufweist und die Mittel zur Temperierung so zum Rührer positioniert sind, dass eine vom Rührer erzeugte Strömung die Mittel zur Temperierung zumindest teilweise durchströmen und umströmen kann.
  • Durch die Verwendung des kombinierten Heiz- und Rührregisters ist es weiterhin auch möglich, die Vorrichtung zur Durchmischung oder die Mittel zur Temperierung zu ersetzen oder zu reparieren ohne den Fermenter zu entleeren, indem nämlich das kombinierte Heiz- und Rührregister hierzu aus dem Fermenter entnommen wird. Auch bei Montage des kombinierten Heiz- und Rührregisters in einen bereits bestehenden Fermenter ist eine Entleerung nicht notwendig. Das Heiz- und Rührregister lässt sich auf einfache Weise auch in den bereits befüllten Fermenter einsetzen.
  • In einer Ausführungsform umfassen die Mittel zur Temperierung mindestens ein von einem Temperiermedium durchströmtes Rohr, das von der Biomasse umströmt wird. Das Rohr kann dabei jede beliebige Form annehmen. Wenn das Rohr Krümmungen aufweist, so liegen diese in einer Ausführungsform alle in einer Ebene, da sich das so gebogene Rohr in einer Ebene quer zur Strömungsrichtung der Biomasse positionieren lässt. Das gebogene Rohr kann zum Beispiel schneckenförmig oder mäandernd gebogen sein. Auch ein u-förmiger Verlauf des Rohres ist beispielsweise denkbar. Jedoch kann auch jede beliebige andere Form des Rohres eingesetzt werden. So ist der Wärmetauscher in einer alternativen Ausführungsform beispielsweise als Wendelrohr ausgeführt.
  • Wenn das Rohr u-förmig verläuft, wobei Zulauf und Ablauf auf der gleichen Seite angeordnet sind, so ist es bevorzugt, mehrere solcher Rohre in einer Ebene quer zur Strömungsrichtung der Biomasse zu positionieren, um die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern.
  • Bevorzugt ist es jedoch, wenn als Mittel zur Temperierung ein Heizregister eingesetzt wird, bei dem ein Zulauf und ein Ablauf für das Temperiermedium mit mindestens zwei, bevorzugt mehr als zwei Rohren, die parallel zueinander verlaufen, miteinander verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass das im Rohr strömende Temperiermedium jeweils mit im Wesentlichen gleicher Temperatur in die Rohre einströmt und aufgrund des kürzeren Strömungsweges eine weniger starke Abkühlung des Temperiermediums erfolgt. Die maximale Temperaturdifferenz zwischen Temperiermedium und zu temperierender Biomasse kann so niedriger gehalten werden. Durch die größere Anzahl an Rohren kann auch ein größerer Massestrom durch das Heizregister strömen.
  • Um die Wärmeübertragungsfläche weiter zu vergrößern, um eine optimale Temperierung der Biomasse zu erzielen, ist es weiterhin möglich, mindestens zwei Heizregister hintereinander im Strömungsweg der Biomasse zu positionieren. Die jeweiligen Heizregister werden von der Biomasse umströmt und geben so Wärme an die Biomasse ab. Das die einzelnen Heizregister durchströmende Temperiermedium kann dabei jeweils die gleiche Zulauftemperatur aufweisen oder in jedem Heizregister eine andere. Bevorzugt ist es jedoch, wenn die Zulauftemperatur des Temperiermediums in allen Heizregistern gleich ist.
  • Der Abstand der Mittel zur Temperierung vom Rührer und die Maße der Mittel zur Temperierung quer zur Strömungsrichtung der Biomasse werden so gewählt, dass die Mittel zur Temperierung vollständig von der Biomasse umströmt werden, um so einen idealen Wärmeübergang an die Biomasse zu gewährleisten. Gleichzeitig werden die Maße der Mittel zur Temperierung quer zur Strömungsrichtung der Biomasse so gewählt, dass ein möglichst großer Teil, vorzugsweise mehr als 80 Prozent der durch den Rührer angetriebenen Biomasse, die Mittel zur Temperierung durchströmen beziehungsweise umströmen.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn die vom Rührer in Bewegung gesetzte Biomasse die Mittel zur Temperierung turbulent umströmt. Durch die turbulente Umströmung ist der Wärmeübergang besonders effektiv und die notwendige Wärmeübertragungsfläche kann weiter reduziert werden. Um eine turbulente Durchströmung zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen dem Rührer und den Mitteln zur Temperierung, insbesondere beim Einsatz mehrerer Heizregister zwischen dem Rührer und dem ersten Heizregister, im Bereich von 10 cm bis zu 3 m liegt.
  • Als Rührer kann jeder beliebige, dem Fachmann bekannte Rührer eingesetzt werden. Bevorzugt ist es, wenn Rührer mit einem großen Durchmesser eingesetzt werden, die langsam betrieben werden können. Diese ermöglichen eine gleichmäßige Durchmischung der Biomasse im Behälter. Insbesondere kann mit langsam laufenden Rührern mit großem Durchmesser eine gleichmäßige Durchmischung auch von zähflüssigen Medien erzielt werden, wie sie üblicherweise in Fermenter vorliegt. Geeignete Rührer sind zum Beispiel axialfördernde Rührer verschiedener Bauarten, insbesondere solche mit zwei bis vier Rührerblättern. Besonders bevorzugt ist der Einsatz eines axialfördernden Rührers mit zwei Rührerblättern, wobei die Rührerblätter jeweils gebogen sind. Vorteil eines solchen Rührers ist, dass mit diesem einen großer Schub in der Biomasse erzielt werden kann und so ein guter Transport und eine gute Durchmischung erzielt werden.
  • Neben dem Einsatz von nur einem Rührwerk beziehungsweise Rührer können auch mehrere Rührwerke an unterschiedlichen Positionen im Behälter oder Tank beziehungsweise ein Rührwerk mit mehreren Rührern eingesetzt werden. Wenn mehrere Rührwerke eingesetzt werden, so verteilen sich diese vorzugsweise gleichmäßig im Behälter beziehungsweise Tank. Bei Einsatz mehrerer Rührwerke ist es insbesondere bevorzugt, wenn an jedem Rührer beziehungsweise Rührwerk auch Mittel zur Temperierung der Biomasse positioniert sind.
  • Wenn mehrere Rührer oder Rührwerke eingesetzt werden, so können diese gleicher Bauart oder unterschiedlicher Bauart sein. So ist es zum Beispiel möglich, sowohl schnell laufende als auch langsam laufende Rührer einzusetzen. Bevorzugt ist es jedoch mehrere Rührwerke gleicher Bauart, insbesondere mit langsam laufenden Rührern mit großem Durchmesser, einzusetzen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des kombinierten Heiz- und Rührregisters sind die Mittel zur Durchmischung und die Mittel zur Temperierung in einer gemeinsamen Rahmenkonstruktion montiert. Dies ermöglicht es, die Heiz- und Rührregister als funktionsfertige Module herzustellen und bereits fertig montiert zum Einsatzort zu transportieren. Hier kann das kombinierte Heiz- und Rührregister zum Beispiel mit einem Kran von oben in den Fermenter eingebracht werden. Dies erspart zum Beispiel bei Neuanlagen eine teure Montage direkt vor Ort. Die Konstruktion als kombiniertes Heiz- und Rührregister erlaubt auch eine Bauweise im Baukastensystem mit unterschiedlichen Leistungen. So kann zum Beispiel die Anzahl der Wärmetauscher oder die Größe des eingesetzten Rührers variiert werden.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Biogas durch mikrobielle Umsetzung von Biomasse in einem Fermenter wird die Biomasse im Fermenter mit einem Rührer umgewälzt. Mindestens ein Teil der Biomasse wird beim Umwälzen durch Mittel zum Temperieren geleitet, in denen die Biomasse auf eine für die Fermentation erforderliche Temperatur temperiert wird. Als Mittel zum Temperieren werden insbesondere Heizregister, wie sie vorstehend beschrieben sind, eingesetzt.
  • Neben dem Einsatz im mesophilen Betrieb eignet sich der erfindungsgemäße Fermenter beziehungsweise ein Fermenter mit dem erfindungsgemäßen Heiz- und Rührregister insbesondere auch für den thermophilen Betrieb. Wenn die Fermentation im mesophilen Bereich erfolgt, liegt die Temperatur vorzugsweise im in einem Temperaturbereich von 32 bis 38°C. Bevorzugt erfolgt die Temperierung der Biomasse auf eine Temperatur im Bereich von 34 bis 37°C, beispielsweise 35°C. Bei einem thermophilen Betrieb der Fermenters liegt die Temperatur, auf die die Biomasse temperiert wird, im Allgemeinen im Bereich 45 bis 70°C, vorzugsweise im Bereich von 55 bis 60°C.
  • Aufgrund der schnelleren Verteilung der Wärme und die dadurch mögliche geringere Vorlauftemperatur sowie die Positionierung des Wärmetauschers weiter im Inneren des Fermenters und nicht entlang der Wandung können die Wärmeverluste nach außen an die Umgebung reduziert werden. Dies reduziert auch den Isolationsaufwand bei thermophil betriebenen Fermentern. Die geringere Vorlauftemperatur hat zusätzlich den Vorteil, dass die thermische Belastung der Mikroorganismen im thermophilen Betrieb geringer gehalten werden kann.
  • Die Biomasse, die durch mikrobielle Umsetzung zu Biogas umgesetzt wird, enthält zum Beispiel landwirtschaftliche Rohstoffe, landwirtschaftliche Abfälle und/oder industrielle organische Abfalle. Als landwirtschaftliche Rohstoffe beziehungsweise landwirtschaftliche Abfälle werden zum Beispiel Maissilage, Grassilage, Kleegras oder Gülle eingesetzt. Übliche industrielle organische Abfälle sind beispielsweise Treber oder Schlempe. In Abhängigkeit von der eingesetzten Biomasse enthält das so hergestellte Biogas üblicherweise 45 bis 70 Vol.-% Methan, 25 bis 55 Vol.-% Kohlendioxid, 0 bis 10 Vol.-% Wasserdampf, 0,01 bis 5 Vol.-% Stickstoff, 0,01 bis 2 Vol.-% Sauerstoff, 0 bis 1 Vol.-% Wasserstoff, 0,01 bis 2,5 mg/m3 Ammoniak und 10 bis 30.000 mg/m3 Schwefelwasserstoff. Das den Fermenter verlassende Biogas wird üblicherweise aufbereitet, wobei insbesondere Ammoniak und Schwefelwasserstoff aus dem Biogas entfernt werden. Die Aufbereitung erfolgt dabei durch übliche, dem Fachmann bekannte Verfahren.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Fermenters,
  • 2 einen Rührer mit vorgeschaltetem Heizregister in Seitenansicht,
  • 3 den Rührer und das Heizregister aus 2 in Frontansicht.
  • In 1 ist schematisch ein Fermenter mit Rührer und Mitteln zur Temperierung dargestellt.
  • In einem Fermenter 1 ist ein Rührer 3 positioniert, mit dem im Fermenter 1 enthaltene Biomasse umgerührt werden kann, um so gleichmäßige Bedingungen im gesamten Fermenter 1 zu erhalten. Der Rührer 3 wird durch einen Antrieb 5 angetrieben, der entweder im Fermenter 1 oder außerhalb des Fermenters 1 angeordnet sein kann. Wenn der Antrieb 5 im, Fermenter angeordnet ist, ist dieser vorzugsweise gekapselt, damit keine Biomasse in den Antrieb gelangen kann und diesen so schädigen kann.
  • Zum Umwälzen wird die Biomasse auf einer Seite vom Rührer 3 angezogen und auf der anderen Seite von diesem weggeschoben. Hierdurch wird eine Strömung im Fermenter 1 erzeugt, die durch gestrichelte Pfeile 7 dargestellt ist. Durch die Strömung 7 wird die Biomasse im Fermenter 1 umgewälzt und gleichmäßig durchmischt. Hierdurch wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Fermenter 1 erzielt. Auch für die Umsetzung der Biomasse zu Biogas notwendige Nährstoffe und Mikroorganismen werden so gleichmäßig im Fermenter 1 verteilt. Da die eingesetzte Biomasse im Allgemeinen zähflüssig ist und zudem üblicherweise flüssige und feste Bestandteile enthält, werden zur Umwälzung vorzugsweise langsam laufende Rührer mit vergleichsweise großem Durchmesser eingesetzt. Wie vorstehend beschrieben eignen sich hierzu insbesondere axialfördernde Rührer verschiedener Bauarten, insbesondere solche mit zwei bis vier Rührerblättern, beispielsweise Viscoprop-Rührer oder Isojet-Rührer der EKATO Rühr- und Mischtechnik GmbH oder FLYGT-Banana-Rührer der ITT Water & Wastewater GmbH.
  • Erfindungsgemäß schließen sich an den Rührer 3 in Strömungsrichtung 7 der Biomasse Mittel zur Temperierung 9 an. Mit den Mitteln zur Temperierung 9 wird die Biomasse auf die für die Umsetzung zu Biogas erforderliche Temperatur temperiert, wobei aufgrund des Wärmeübergangs die Temperatur direkt an den Mittel zur Temperierung 9 im Allgemeinen etwas oberhalb der optimalen Temperatur für die Umsetzung liegt. Aufgrund der Strömung der Biomasse wird hierdurch erzielt, dass der Gesamtinhalt des Fermenters 1 möglichst gleichmäßig auf die optimale Temperatur gebracht wird. Als Mittel zur Temperierung 9 werden üblicherweise Wärmeübertrager eingesetzt. Diese können in Form von einem oder mehreren Heizregistern ausgebildet sein. In der hier dargestellten Ausführungsform sind dem Rührer 3 zwei Heizregister nachgeschaltet. Die Mittel zur Temperierung werden von einem Temperiermedium durchströmt, von dem Wärme an die im Fermenter 1 enthaltene Biomasse abgegeben wird. Wenn bei der Umsetzung zu Biogas die Temperatur zu stark ansteigen sollte, wird durch die Mittel zur Temperierung 9 Wärme aus dem Fermenter 1 abgeführt. Als Temperiermedium, das die Mittel zur Temperierung 9 durchströmt, kann jeder beliebige Wärmeträger eingesetzt werden. Vorzugsweise werden flüssige Wärmeträger eingesetzt, insbesondere Wasser oder Thermalöle. Die Eintrittstemperatur des Temperiermediums in die Mittel zur Temperierung 9 liegt vorzugsweise bei mindestens 50 bis maximal 90°C, bevorzugt bei 60°C, die Austrittstemperatur des Temperiermediums bei 40 bis 60°C, bevorzugt bei 45°C. Die Eintrittstemperatur ist dabei jedoch auch abhängig vom Volumenstrom des Temperiermediums. Je größer der Volumenstrom des Temperiermediums ist, umso kleiner kann die Temperaturdifferenz sein.
  • Um die für die Umsetzung gewünschte Konsistenz der Biomasse zu erzielen, wird die eingesetzte Biomasse, beispielsweise landwirtschaftliche Rohstoffe oder Abfalle oder industrielle organische Abfalle, mit Wasser versetzt. Die Menge des eingesetzten Wassers wird dabei so gewählt, dass die gewünschte Konsistenz erzielt wird. Die umzusetzende Biomasse wird dem Fermenter 1 über einen Zulauf 11 zugeführt. Der Zulauf 11 kann dabei an beliebiger Position am Fermenter 1 angeordnet sein. Bevorzugt ist der Zulauf 11 im oberen Bereich des Fermenters 1 angeordnet. Der Zulauf 11 kann auch über einen Deckel, mit dem der Fermenter 1 verschlossen ist, erfolgen. Bereits umgesetzte Biomasse wird über einen Ablauf 13 aus dem Fermenter 1 entnommen. Der Ablauf 13 befindet sich dabei vorzugsweise am Sumpf des Fermenters 1. Auch kann der Ablauf 13 als Seitenablauf im unteren Bereich des Fermenters ausgebildet sein.
  • Wenn der Fermenter 1 kontinuierlich betrieben wird, wird ein Teil des über den Ablauf 13 entnommenen Massestroms umgepumpt und über den Zulauf 11 erneut in den Fermenter 1 zugeführt. Hierzu zweigt aus dem Ablauf 13 eine Leitung 15 ab, die in den Zulauf 11 mündet. In der Leitung 15 ist eine Pumpe 17 aufgenommen, mit der die Biomasse umgepumpt wird.
  • Ein gleichmäßiger Füllstand der Biomasse im Fermenter 1 wird durch Einstellung der zugeführten Menge an Biomasse über den Zulauf 11 und der über den Ablauf 13 entnommenen Biomasse eingestellt. Durch Ausschleusung eines Teils der Biomasse über den Ablauf 13 werden kontinuierliche Bedingungen im Fermenter 1 erhalten. Alternativ ist es jedoch auch möglich, den Fermenter 1 diskontinuierlich zu betreiben, zunächst Biomasse zuzusetzen, diese zu Biogas umzuwandeln und nach der Umwandlung aus dem Fermenter 1 zu entnehmen. In diesem Fall kann auf die Leitung 15, in der die Biomasse umgepumpt wird, verzichtet werden. Auch bei kontinuierlichem Betrieb kann auf die Leitung 15 verzichtet werden. In diesem Fall wird über den Ablauf 13 ein Teil der Biomasse ausgeschleust und über den Zulauf 11 erfolgt die Zugabe frischer Biomasse, wobei die Menge der ausgeschleusten und die Menge der zugeführten Biomasse so aufeinander abgestimmt werden, dass der Füllstand im Fermenter 1 einen minimalen vorgegebenen Füllstand nicht unterschreitet und einen maximalen vorgegebenen Füllstand nicht überschreitet.
  • In den 2 und 3 ist ein Rührer mit vorgeschaltetem Heizregister einmal in Seitenansicht und einmal in Frontansicht dargestellt.
  • Ein Rührer 3, wie er in einem Fermenter 1 eingesetzt werden kann, wird mit einer geeigneten Haltevorrichtung 21 am Behälterboden 23 befestigt. In der in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsform ist der Antrieb 5 direkt mit dem Rührer 3 verbunden und befindet sich somit im Inneren des Behälters. Im Betrieb saugt der Rührer 3 Biomasse an und schiebt diese durch die Mittel zur Temperierung 9. Die Mittel zur Temperierung 9 sind in der hier dargestellten Ausführungsform als Heizregister 25 ausgebildet. Die Befestigung des Heizregisters 25 erfolgt in der hier dargestellten Ausführungsform mit Holmen 27 an der Haltevorrichtung 21, an der auch der Rührer 3 befestigt ist. Dies hat den Vorteil, dass Rührer 3 und Heizregister 25 eine Einheit bilden und gemeinsam im Fermenter 1 eingesetzt werden können. Es ist jedoch auch möglich, Rührer 3 und Heizregister 25 separat im Fermenter 1 zu montieren. Vorteil der Baugruppe, einem kombinierten Heiz- und Rührregister, wie es in 2 dargestellt ist, ist jedoch, dass bei der Montage nicht auf den geeigneten Abstand zwischen Rührer 3 und Heizregister 25 geachtet werden muss, da dieser bereits durch die Verbindung von Rührer 3 und Heizregister 25 eingestellt ist. Neben der Befestigung des Heizregisters 25 mit Holmen 27 an der Haltevorrichtung 21 ist jedoch auch jede beliebige andere Montage des Heizregisters 25 möglich.
  • Neben einem Heizregister 25, wie es hier dargestellt ist, können auch mehrere Heizregister vorgesehen sein. Diese sind dann hintereinander in Strömungsrichtung 7 der Biomasse vor dem Rührer 3 angeordnet.
  • Das Heizregister 25 ist vorzugsweise wie in 3 dargestellt ausgebildet, wobei mehrere Rohre 29 jeweils auf einer Seite mit einem Temperiermediumszulauf 31 und auf der anderen Seite mit einem Temperiermediumsablauf 33 verbunden sind. Die Rohre sind dabei in einer Ebene übereinander angeordnet, wie dies beispielsweise aus 2 in der Seitenansicht zu erkennen ist. Neben der dargestellten Ausführungsform, bei der die Rohre übereinander angeordnet sind, ist jedoch auch jede andere Anordnung der Rohre denkbar. Auch können neben Rohren 29, die von Temperiermedium durchströmt werden, auch beliebige andere Vorrichtungen, die vom Temperiermedium durchströmt werden können, eingesetzt werden, solange diese ausreichende Freiräume aufweisen, durch die die Biomasse durchströmen kann. Neben der dargestellten Ausführungsform, bei der mehrere Rohre 29 jeweils über einen Temperiermediumszulauf 31 und einen Temperiermediumsablauf 33 mit Temperiermedium versorgt werden, ist es auch möglich, beispielsweise übereinander mehrere u-förmige Rohre, die jeweils mit einem Zulauf und einem Ablaufverbunden sind und vom Temperiermedium durchströmt werden, einzusetzen. Auch kann nur ein Rohr, das beispielsweise mäanderförmig ausgebildet ist, eingesetzt werden.
  • Wenn mehrere Heizregister 25 hintereinander eingesetzt werden, so ist es möglich, dass die Rohre, wie sie hier dargestellt, waagerecht verlaufen, auch können die Rohre beispielsweise senkrecht oder in jedem beliebigen anderen Winkel verlaufen. Bei mehreren Heizregistern ist es insbesondere auch möglich, dass die Rohre der einzelnen Heizregister in unterschiedlicher Richtung verlaufen. Bei Einsatz mehrerer Heizregister 25 ist es auch möglich, dass diese entsprechend dem Strömungsverlauf der Biomasse gegeneinander gedreht angeordnet sind. So ist es bei der Positionierung der Heizregister für einen optimalen Wärmeübergang vorteilhaft, wenn die einzelnen Heizregister hintereinander im Strömungsweg der Biomasse positioniert sind. Bei einer Strömung, die zum Beispiel aufgrund von Einbauten oder dem Wandverlauf des Fermenters 1 eine Krümmung beschreibt, folgen die hintereinander angeordneten Heizregister 25 vorteilhafterweise der Krümmung.
  • Der Rührer 3 ist vorzugsweise als axial fordernder Rührer mit zwei bis vier Rührerblättern, wie er beispielsweise in 3 dargestellt ist, ausgeführt. Die Rührerblätter sind dabei gebogen, sodass ein optimaler Schub der Biomasse durch den Rührer erzeugt wird. Dies ermöglicht eine größtmögliche Geschwindigkeit der Biomasse bei langsam laufendem Rührer und so eine optimale Durchmischung.
  • 1
    Fermenter
    3
    Rührer
    5
    Antrieb
    7
    Strömung
    9
    Mittel zur Temperierung
    11
    Zulauf
    13
    Ablauf
    15
    Leitung
    17
    Pumpe
    21
    Haltevorrichtung
    23
    Behälterboden
    25
    Heizregister
    27
    Holm
    29
    Rohr
    31
    Temperiermediumszulauf
    33
    Temperiermediumsablauf
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (16)

  1. Vorrichtung zur Herstellung von Biogas durch mikrobielle Umsetzung von pumpfähiger Biomasse, umfassend einen Fermenter (1) zur Aufnahme der Biomasse, wobei der Fermenter (1) mindestens eine Vorrichtung zur Durchmischung der im Fermenter (1) enthaltenen Biomasse sowie Mittel zur Temperierung (9) der Biomasse umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass jede Vorrichtung zur Durchmischung der im Fermenter (1) enthaltenen Biomasse mindestens einen Rührer (3) aufweist und die Mittel zur Temperierung (9) der Biomasse so im durch den Rührer (3) erzeugten Strömungsweg der Biomasse angeordnet sind, dass zumindest ein Teil der Biomasse die Mittel zur Temperierung (9) durchströmen und umströmen kann.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Temperierung (9) als Heizregister (25) ausgebildet sind und mindestens ein von einem Temperiermedium durchströmtes Rohr (29) umfassen, das von der Biomasse umströmt wird.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Temperierung (9) mehrere quer zur Strömungsrichtung der Biomasse nebeneinander liegende Rohre (29) umfassen, wobei jeweils mindestens zwei Rohre (29) aus einem Temperiermediumszulauf (31) abzweigen und in einen gemeinsamen Temperiermediumsablauf (33) münden.
  4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Heizregister (25) in Strömungsrichtung (7) hintereinander im Strömungsweg der Biomasse angeordnet sind.
  5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Rührer (3) und den Mitteln zur Temperierung (9) im Bereich von 10 cm bis 3 m liegt.
  6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rührer (3) ein langsam laufender axial fördernder Rührer mit zwei bis vier Rührerblättern ist.
  7. Verfahren zur Herstellung von Biogas durch mikrobielle Umsetzung von Biomasse in einem Fermenter (1), wobei die Biomasse im Fermenter (1) mit einem Rührer (3) umgewälzt wird und mindestens ein Teil der Biomasse beim Umwälzen durch Mittel zur Temperierung (9) geleitet wird, in denen die Biomasse auf eine für die Fermentation erforderliche Temperatur temperiert wird.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse landwirtschaftliche Rohstoffe, landwirtschaftliche Abfälle und/oder industrielle organische Abfalle enthält.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die landwirtschaftlichen Rohstoffe bzw. Abfalle Maissilage, Grassilage, Kleegras oder Gülle enthalten.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die industriellen organischen Abfälle Treber oder Schlempe enthalten.
  11. Heiz- und Rührregister zur Temperierung von Biomasse in einem Fermenter, mindestens eine Vorrichtung zur Durchmischung sowie Mittel zur Temperierung (9) umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchmischung mindestens einen Rührer (3) aufweist und die Mittel zur Temperierung (9) so zum Rührer (3) positioniert sind, dass eine vom Rührer (3) erzeugte Strömung die Mittel zur Temperierung (9) zumindest teilweise durchströmen und umströmen kann.
  12. Heiz- und Rührregister gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Temperierung (9) mehrere quer zu der durch den Rührer (3) erzeugten Strömungsrichtung und nebeneinander liegende Rohre (29) umfassen, wobei jeweils mindestens zwei Rohre (29) aus einem Temperiermediumszulauf (31) abzweigen und in einen gemeinsamen Temperiermediumsablauf (33) münden.
  13. Heiz- und Rührregister gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Heizregister (25) in Strömungsrichtung (7) hintereinander im durch den Rührer (3) erzeugten Strömungsweg angeordnet sind.
  14. Heiz- und Rührregister gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch. gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Rührer (3) und den Mitteln zur Temperierung (9) im Bereich von 10 cm bis 3 m liegt.
  15. Heiz- und Rührregister gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Durchmischung und die Mittel zur Temperierung (9) in einer gemeinsamen Rahmenkonstruktion montiert sind.
  16. Heiz- und Rührregister gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rührer (3) ein langsam laufender axial fördernder Rührer mit zwei bis vier Rührerblättern ist.
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