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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von
bei der Ethanolproduktion als Abfallprodukt anfallender Fermentationsbrühe in
Biogas.
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Aus
der
EP 1 790 732 A1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwertung von Fermentationsbrühe
bei der Alkoholproduktion bekannt. Gemäß diesem
Verfahren werden unlösliche Anteile durch Zentrifugieren
aus der unbearbeiteten Fermentationsbrühe entfernt. Fein
verteilte Bestandteile werden vom flüssigen Anteil durch
Luftflotation, Zentrifugieren, Vakuumfiltration oder einer Kombination
dieser Verfahren im zweiten Trennschritt getrennt. Eingedickte dichte
Anteile (Dickschlempe) aus beiden dieser Trennschritte haben einen
niedrigen Salzgehalt und werden zu Futter mit hohem Nährwert
weiter verarbeitet. Flüssige Anteile (Dünnschlempe)
aus beiden Trennschritten werden unter kontrollierten Bedingungen
gemischt und angesäuert bis sich ein pH-Wert zwischen 4,8
und 9,2 einstellt. Dann werden sie für einen anaeroben
Faulprozess in einen anaeroben Hochlastbiogasfermenter zusammen
mit Biomasse eingebracht. Die Biomasse besteht aus acetogenen und
methanogenen Bakterien, wobei die anaerobe Faulung bei Temperaturen
zwischen 25°C und 40°C durchgeführt wird.
Die Beladungsraten des mesophilen anaeroben Hochlastfermenters betragen zwischen
3 und 70 kg
oTM/(m
3d).
Die angesammelte Dickschlempe wird entfernt und getrocknet. Vom
Fermenter abgegebenes Biogas wird biologisch entschwefelt, wobei
elementarer Schwefel als Nebenprodukt entsteht. Das Biogas wird
dann energetisch verwertet. Anschließend werden die stickstoffhaltigen
Bestandteile aus den flüssigen Anteilen abgetrennt. Die
flüssigen Anteile werden dann weiter aerob behandelt, wobei
die Feststoffe abgetrennt werden. Nach der Eindickung können
die Feststoffe in der Landwirtschaft als Dünger verwendet
werden. Anfallendes Prozesswasser kann nach einer Aufdestillierung
im weiteren Prozess verwendet werden.
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In
der
US 2007/0141691
A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ethanol-Herstellung
beschrieben. Das Verfahren sieht vor, Fermentationsbrühe über
anaerobe Faulprozesse in Biogas umzuwandeln. Das Biogas wird dann
anstelle von natürlichem Gas bei der Ethanolproduktion
oder zur Stromerzeugung verwendet. Der anaerobe Faulprozess der
gesamten Fermentationsbrühe soll mehr Methan erzeugen können
als natürliches Gas bei der Produktion von Ethanol verbraucht
wird. Die gesamte Fermentationsbrühe, anaerober Faulschlamm
und wieder aufbereitetes Wasser werden mechanisch vermischt, um
ein Flüssigmistgemisch zu erzeugen. Der Flüssigmist
wird von einem Aufbewahrungstank in einem anaeroben Plugflow-Fermenter
bzw. Pfropfenreaktor gebracht. Der Faulschlamm wird in einem Plugflow-Fermenter
mechanisch oder durch Einbringen von Biogas gemischt. Der anaerobe
Plugflow-Fermenter wird durch die Wärme aus der Verbrennung
des Biogases beheizt. Das Biogas wird im Kopf des Plugflow-Fermenters
gesammelt. Das Biogas wird in einen Verbrennungsmotor zur Stromerzeugung
und als Treibstoff für einen Boiler zur Dampferzeugung
verwendet. Der Strom wird zum Betreiben von mechanischen Systemen
bei der Ethanolproduktionseinrichtung und dem anaeroben Faulsystem
verwendet. Der Dampf aus dem Boiler wird zur Produktion von Ethanol
verwendet. Die Abwärme eines Wärmetauschers des
Verbrennungsmotors und das Abgas der Verbrennungsmaschine verwenden
ein Frischwasserkühlsystem. Mit dem Frischwasser wird der
anaerobe Faulbehälter beheizt. Die gemischte Fermentationsbrühe
wird vom Biogasreaktor zu einer Schraubenpresse transportiert, um
die festen von den flüssigen Faulstoffen zu trennen. Die festen
Faulstoffe werden entwässert und als Dünger verwendet.
Aus den flüssigen Faulstoffen wird das Ammonium entfernt.
Eine entstehende Ammoniumlösung wird ebenfalls als Dünger
verwendet. Zusätzlich zur eingesetzten Fermentationsbrühe
sind noch ein Güllestrom und ein Waschwasser strom aus einer Melkanlage
als zusätzliche Einsatzstoffe notwendig. In einem Ausführungsbeispiel
wird der Gesamtstrom von 25 t/h mit einem Separatorablauf gemischt
und in einen Plugflow-Fermenter gegeben. Für eine Verweilzeit
zwischen 15 und 20 Tagen wird ein Reaktorvolumen von 70.250 m
3 benötigt. Daraus ergibt sich eine
Raumbelastung von 2,69 kg/(m
3d). Als Biogasstrom
fallen 12,7 t pro Tag an. Im Biogasreaktor stellt sich eine NH
4-N-Konzentration von 9 g/kg ein. Daraus
ergibt sich eine deutliche Hemmung der Methanbakterien. Ein stabiler
Betrieb des Fermenters ist somit nur mit intensiver Prozessüberwachung
möglich. Die Gärresteseparation wird mit einem
Wirkungsgrad von 75% durchgeführt. Es ergeben sich ein
fester Ablaufstrom von 16,9 t/h (35% des Trockenmasse-Gehalts) und
ein Flüssigstrom von 150,4 t/h (1,3% des Trockenmasse-Gehalts)
von dem 25 t/h wieder als Prozesswasser in den Biogasreaktor zurückgeführt werden.
Dieser Prozesswasserstrom trägt mit einer NH
4-N-Fracht
von 9 g/kg zu der hohen NH
4-N-Konzentration
im Reaktor bei, die sich reaktionsschädigend bzw. reaktionshemmend
auswirkt.
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In
der
US 2006/0194296
A1 ist die Separation von Schlempe mittels einer Zentrifuge
beschrieben. Dabei werden mittels Mikrofiltration und Ultrafiltration
in verschiedene Fraktionen aufgeteilt. Die Fraktionen werden getrocknet
und als „Value added Product" verkauft.
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Aus
der
US 2006/0041153
A1 ist die Abtrennung eines Ölstroms aus eingedampfter
Dünnschlempe beschrieben. Bei diesem Verfahren wird DDGS
(Dried Distiller's Grain with solubles) produziert.
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In
der
US 2005/0153410
A1 ist die Produktion von DDGS beschrieben. Dabei wird
aus Gülle Biogas erzeugt. Weiterhin wird das Biogas verfeuert um
den Wärmebedarf der Bioethanolanlage zu decken.
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In
der
US 5,250,182 ist
die Membranseparation von Dünnschlempe mittels Mikrofiltration,
Ultrafiltration und umgekehrter Osmose beschrieben. Dabei werden
Milchsäure und Glycerin abgetrennt. Das anfallende Wasser
wird auf Prozesswasserqualität aufbereitet und in den Ethanolprozess
zurückgeführt. Die unterschiedlichen Filtrationsschritte
werden mittels Membranen ausgeführt. Bei diesem Verfahren wird
durch die Membranfiltration die Verwendung eines herkömmlichen
Verdampfers bei der Ethanolproduktion überflüssig
gemacht.
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Aus
der
US 5,177,009 geht
ein Verfahren zur Ethanolproduktion und Rückgewinnung von
Nebenprodukten, wie z. B. Glycerin hervor. Hierbei wird die Schlempe
durch Zentrifugieren getrennt. Die Feststoffe werden getrocknet
und zu Futtermittel und DDGS verarbeitet. Aus der Dünnschlempe
werden mittels unterschiedlicher Verfahrensschritte einzelne Bestandteile
herausgelöst.
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Aus
der
US 2,595,827 ist
ein weiteres Verfahren zur Alkoholproduktion bekannt, bei dem die Schlempe
mittels eines Hiebes und einer Zentrifuge in unterschiedliche Bestandteile
aufgeteilt wird.
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In
der
DE 42 13 015 A1 ist
ein Biogasreaktor beschrieben. Im Biogasreaktor sind in unterschiedlichen
Reaktoren durch Trennelemente Reaktorzonen ausgebildet. Die Trennelemente
sind als nach unten geneigte flächige Platten ausgebildet,
die mit der Reaktorwand des Reaktorgehäuses jeweils einen
Gassammelraum bilden. In den Gassammelräumen wird das von
den jeweils darunter liegenden Reaktorzonen aufsteigende Biogas
aufgestaut. Wird über eine Leitung mit Ventil aus dem Gasraum
das gesamte aufgefangene Biogas entnommen, entsteht über
diesem Trennelement eine gasarme Zone, die die Sedimentation von
Biogas fördert. Wird dann das Ventil geschlossen, strömt
Biogas an einer äußeren Überströmkante
des Trennelements in den darüber liegenden Raum der folgenden
Reaktorzone über. Da das ausströmende Biogas einseitig
nur in der einen Raumhälfte aufsteigt, stellt sich eine
die Durchmischung fördernde Zirkulationsströmung
ein. Die Geschwindigkeit der Zirkulationsströmung erhöht
sich mit steigendem Gasvolumenstrom. Durch die Entnahme von unterschiedlichen
Gasstromvolumina und durch Einstellung der Ventile lässt
sich die Zirkulationsströmung derart einstellen, dass einerseits eine
ausreichende Durchmischung erreicht und andererseits das Austragen
von aktiver Biomasse vermieden wird.
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Aus
der
DE 100 05 114
A1 geht ein Verfahren zur Biomasserückhaltung
bei Biogasreaktoren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens hervor. Das Ver fahren ist insbesondere bei aerobem Schlammbettreaktoren
anwendbar. Hierbei ist der Ablauf des Biogasreaktors mit Druck beaufschlagt, so
dass bei erhöhtem Druck eine Sedimentation der Biomasse
erfolgen kann. Die Vorrichtung weist einen Biogasreaktor auf, der über
eine Leitung mit einem Feststoffabscheider verbunden ist, wobei
der Feststoffabscheider ein überstauter Feststoffabscheider ist.
Das Verfahren ist insbesondere auf anaerobe Reaktoren anwendbar.
Bei dem Biogasreaktor handelt es sich um eine turmartige Reaktorkonstruktion,
der Abwasser über eine Leitung am unteren Ende des Biogasreaktors
zugeführt wird und das den Biogasreaktor von unten nach
oben durchströmt, wobei eine Reinigung des Abwassers erfolgt. Über
einen Überlauf am Kopf des Biogasreaktors kann das gereinigte Wasser
dann wieder abfließen. Beim anaeroben Abbau von organischen
Stoffen im Abwasser entsteht hierbei Biogas, das überwiegend
aus Methan und Kohlendioxid besteht. Zu geringen Anteilen können auch
weitere Gase gebildet werden, wie beispielsweise Schwefelwasserstoff
oder Ammoniak. Um eine Gasakkumulation im oberen Bereich des Biogasreaktors
zu vermeiden, sieht der Biogasreaktor noch einzelne Gasauffangvorrichtungen
vor, die gebildetes Biogas abfangen, so dass das Biogas über
Ventile und eine Gassammelleitung abgezogen wird.
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In
der
WO 2007/025739 ist
ein Rührwerk für einen Fermenter beschrieben.
Das Rührwerk weist eine Rührwelle auf, die etwa
senkrecht im Fermenter steht. Hierdurch wird das im Fermenter befindliche Substrat
in horizontalen Ebenen umgewälzt. Dies erlaubt die Einstellung
mehrerer geschichteter Abbauzonen.
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Aus
der
DE 103 21 607
A1 geht ein Verfahren zur Herstellung von Bioethanol hervor.
Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, im Vorfeld das Klebeeiweiß (Glutein)
aus Getreide (z. B. Roggen, Weizen) zu entfernen. In diesem Fall
ist es möglich, einen Dickstofffermenter für eine
hohe Feststoffkonzentration auszubilden.
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Nachteilig
bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist, dass
die Ethanolanlagen nicht effizient und energieautark betrieben werden können
und ein relativ großes Reaktorvolumen benötigen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Ethanolproduktion
zu schaffen, mit welchen derartige Ethanolanlagen effizient betrieben
werden können.
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Die
Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1, des Anspruchs 11 oder des Anspruchs 29 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den entsprechenden Unteransprüchen
angegeben.
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Nach
einem ersten Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung zur Umwandlung
von bei der Ethanolproduktion als Abfallprodukt anfallender Fermentationsbrühe
in Biogas
- – eine Separationseinrichtung
zur Auftrennung der Fermentationsbrühe in eine Dünnfraktion
und eine Dickfraktion, wobei die Dünnfraktion einen kleineren
Trockenmasse-Anteil als die Dickfraktion aufweist,
- – zumindest zwei Biogasreaktoren, wobei der erste Biogasreaktor
zum Vergären der Dünnfraktion ausgebildet ist,
der im folgenden als Dünnstofffermenter bezeichnet wird,
und der zweite Biogasreaktor zum Vergären der Dickfraktion
ausgebildet ist, der im folgenden als Dickstofffermenter bezeichnet
wird, und
- – einen Lagertank zum Sammeln des in den Fermentern
erzeugten Biogases und der Reaktorabläufe.
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Dadurch,
dass die Fermentationsbrühe in eine Dünn- und
eine Dickfraktion aufgetrennt wird, kann die Dünnfraktion
unabhängig von der Dickfraktion vergoren werden. Die Dünnfraktion
enthält einen hohen Anteil an löslichen Feststoffen
und keinen oder einen sehr geringen Anteil an nicht löslichen Feststoffen.
Durch das Vorsehen zweier Reaktoren, die individuell auf ihren Inhalt
abgestimmt sind, kann die Dünnfraktion mit einem hohen
Durchsatz und die Dickfraktion unabhängig davon mit der
notwendigen Verweildauer und entsprechend geringerem Durchsatz umgesetzt
werden. Da die Dünnfraktion schnell in Biogas umgesetzt
wird, genügt ein Reaktor mit sehr kleinem Volumen. Dies
reduziert die zum Temperieren des Reaktors notwendige Energie und macht
das gesamte Verfahren energetisch sehr effizient. Zudem wird im
Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen ein insgesamt
kleineres Reaktorvolumen für den glei chen Durchsatz benötigt.
Weiterhin ist in den Fermentern eine geringere Temperatur ausreichend,
wodurch der energetische Wirkungsgrad weiter steigt.
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Nach
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung
zur Umwandlung von bei der Ethanolproduktion als Abfallprodukt anfallender
Fermentationsbrühe in Biogas
- – einen
Biogasreaktor, zum Vergären der Fermentationsbrühe,
- – einen Lagertank zum Sammeln des im Fermenter erzeugten
Biogases und des Reaktorablaufs,
- – eine Separationseinheit, um Prozesswasser mit wenigen
stickstoffhaltigen Verbindungen und eine Fraktion mit vielen stickstoffhaltige
Verbindungen aus dem Reaktorablauf bereitzustellen, wobei diese
Separationseinheit im folgenden als Stickstoffsenke bezeichnet wird,
und
- – einen Rücklauf von der Separationseinheit
in den Biogasreaktor und/oder in einen Reaktor zur Ethanolfermentation
zurückzuführen, um das Prozesswasser zum Verdünnen
des jeweiligen Reaktorinhalts zu verwenden.
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In
der Stickstoffsenke wird ein stickstoffarmer Prozesswasserstrom
aus dem Reaktorablauf erzeugt. Dadurch ist es möglich,
den stickstoffarmen Prozesswasserstrom in den Biogasreaktor und/oder in
den Reaktor zur Ethanolfermentation zurückzuführen,
um den Reaktorinhalt zu verdünnen ohne dabei den pH-Wert
zu erhöhen. Dies spart zum einen die Kosten für
frisches Prozesswasser und zum anderen wird hierdurch vermieden,
dass zu viel Ammoniak im Reaktor angereichert wird, da Ammoniak
toxisch für die Mikroorganismen im Reaktor ist.. Zudem
kann eine höhere Raumbelastung gegenüber dem Stand der
Technik gefahren werden, da der Biogasreaktor effizienter arbeitet.
Somit kann ein kleineres Reaktorvolumen vorgesehen werden. Dies
reduziert die zum Temperieren des Biogasreaktors notwendige Energie und
macht das gesamte Verfahren energetisch sehr effizient. Im Vergleich
zu herkömmlichen Vorrichtungen wird ein insgesamt kleineres
Reaktorvolumen für den gleichen Durchsatz benötigt.
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Durch
die hohen Beladungsraten, das verringerte Reaktorvolumen ist der
Energiebedarf der erfindungsgemäßen Vorrichtung
so gering, dass die entstehende Biogas menge ausreicht, um den Wärme-
und elektrischen Energiebedarf zur Erzeugung des Biogases und des
Ethanols zu decken.
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Nach
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zur Umwandlung von bei der Ethanolproduktion als Abfallprodukt anfallender
Fermentationsbrühe in Biogas vorgesehen, die eine Separationseinrichtung
zur Auftrennung der Fermentationsbrühe in eine Dünnfraktion
und eine Dickfraktion umfasst, wobei die Dünnfraktion einen kleineren
Trockenmasse-Anteil als die Dickfraktion aufweist. Die Vorrichtung
weist ferner zumindest einen Biogasreaktor auf, um zumindest die
Dünnfraktion zu vergären. Diese Vorrichtung zeichnet
sich dadurch aus, dass die Separationseinrichtung, die vorzugsweise
eine Dekantierzentrifuge ist, einstufig ausgebildet ist, d. h, dass
lediglich ein einziger Trennmechanismus verwendet wird, um die Fermentationsbrühe
in die Dünnfraktion und die Dickfraktion aufzuteilen. Der
Biogasreaktor ist ein Hochlastbiogasreaktor, der von der Dünnfraktion
durchströmt wird, wobei der Strömungsweg im Biogasreaktor
porenfrei ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, dass
die Dünnfraktion auch einen gewissen Anteil an Feststoffen enthält
und auf Dauer zuverlässig im Reaktor vergärt werden
kann.
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Diese
Kombination aus einstufiger Separationseinrichtung und Hochlastbiogasreaktor
mit porenfreiem Strömungsweg ist äußerst
effizient, da mit einer relativ kleinen, kostengünstigen
Anlage ein hoher Durchsatz erzielt wird. Weiterhin ist sie sehr
einfach aufgebaut und kann zuverlässig betrieben werden. Die
Dickfraktion kann in einem weiteren Reaktor vergoren werden. Es
ist jedoch auch möglich, die Dickfraktion auf andere Art
und Weise weiter zu verarbeiten. Insbesondere kann die Dickfraktion
je nach der Zusammensetzung der Fermentationsbrühe ohne weitere
Aufbereitung unmittelbar als Feststoffdünger oder nach
entsprechender Aufbereitung als Feststoffdünger verwendet
werden.
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert.
Die Zeichnung zeigen in:
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1 den
Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine
Massenbilanz eines exemplarischen Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 eine
Ausführungsform eines Dünnstofffermenters, und
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4 einen
Ausschnitt eines Dickstofffermenters mit einem exzentrisch angeordneten
Rührwerk im Querschnitt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine Biogasanlage 25.
Die Biogasanlage 25 wandelt die bei der Ethanolproduktion
in einer Bioethanolanlage 1 als Abfallprodukt anfallende
Fermentationsbrühe in Biogas um. Die Biogasanlage 25 weist
eine Separationseinrichtung 2, einen Dünnstofffermenter 3,
einen Dickstofffermenter 4, einen Lagertank 5,
eine Stickstoffsenke 6, eine Prozesswasserrückführung 7 und eine
Biogasverwertungseinrichtung 8 auf.
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In
der Separationseinrichtung 2 wird die Fermentationsbrühe
aus der Bioethanolanlage 1 in eine Dünnfraktion
und eine Dickfraktion aufgetrennt. Die Dünnfraktion wird
im Dünnstofffermenter 3 vergoren. Die Dickfraktion
wird im Dickstofffermenter 4 vergoren. Die Reaktorabläufe
aus den beiden Fermentern 3, 4 und das darin erzeugte
Biogas werden im Lagertank 5 gesammelt. In der Stickstoffsenke 6 werden die
Reaktorabläufe aufgetrennt. Dabei wird stickstoffarmes
bzw. stickstofffreies Prozesswasser bereitgestellt. Das aufgereinigte
Prozesswasser wird über die Prozesswasserrückführung 7 der
Bioethanolanlage 1 und/oder der Biogasanlage 25 zugeführt.
Das erzeugte Biogas wird in der Biogasverwertungseinrichtung 8 verwertet,
um den Energiebedarf der Bioethanolanlage 1 und der Biogasanlage 25 zu
decken.
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Die
Bioethanolanlage 1 ist über einen Leitungsabschnitt 9.1 mit
der Biogasanlage 25 bzw. mit einem Puffertank 10 der
Biogasanlage 25 verbunden. Der Puffertank ist zur Lagerung
und Vergleichmäßigung der Fermentationsbrühe
ausgebildet.
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Die
aus der Bioethanolanlage 1 stammende Fermentationsbrühe
weist in etwa die folgenden Eigenschaften auf:
- – Temperatur:
ca. 60°C bis 80°C
- – pH-Wert: ca. 3 bis 4,5
- – Verdünnt (Trockenmasse TM 5%–15%)
- – abfiltrierbare Stoffe: ca. 1,5%–5%
- – Stickstoffgehalt: ca. 5%–20% der TM
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Die
Fermentationsbrühe umfasst C5- und C6-Zucker, eine Proteinfraktion
des Inputmaterials, eine Hefebiomasse (thermisch deaktiviert), Pufferrückstände
der eingesetzten Enzymlösungen, unverdaute Faser- und Stärkereste,
geringe Anteile an Ethanol und anderen höheren Alkoholen
und Mineralsalze aus der Hefefermentation.
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Vom
Puffertank 10 führt ein Leitungsabschnitt 9.2 zur
Separationseinrichtung 2 zum Auftrennen der Fermentationsbrühe
in eine Dünnfraktion und eine Dickfraktion.
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Die
Separationseinrichtung 2 ist als Dekantierzentrifuge ausgebildet.
Es kann auch vorgesehen sein die Separationseinrichtung 2 als
Membranfiltrationseinheit, als Trommelfilter oder als Trommelsieb auszubilden.
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Über
einen Leitungsabschnitt 9.3 zum Überführen
der Dünnfraktion ist die Separationseinrichtung 2 mit
einem Dünnfraktionvorratstank 11 verbunden. Ein
Leitungsabschnitt 9.4 zum Einbringen von Schlempekonditionierungsmittel
mündet in den Dünnfraktionvorratstank 11.
Das Schlempekonditionierungsmittel ist ein Gemisch aus NaOH, CaCO3, MgOH, H2O2, KCl und einem Phosphat. Über
einen Leitungsabschnitt 9.5 wird aufgereinigtes Prozesswasser
in den Dünnfraktionvorratstank 11 eingebracht.
Im Dünnfraktionvorratstank 11 vermischt sich die
Dünnfraktion mit dem Schlempekonditionierungsmittel und
dem Prozesswasser.
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Über
einen Leitungsabschnitt 9.6 ist der Dünnfraktionvorratstank 11 mit
dem Dünnstofffermenter 3 verbunden. Über
den Leitungsabschnitt 9.6 gelangt die angereicherte und
verdünnte Dünnfraktion in den Dünnstofffermenter 3.
Der Dünnstofffermenter 3 ist derart ausgebildet,
dass eine gute Durchmischung des Reaktorinhalts und ein ausreichender
Rückhalt aktiver Biomasse erfolgt. Der Dünnstofffermenter 3 ist
als hochbauender Biogasreaktor ausgebildet, bei dem die Grundfläche
im Vergleich zur Höhe des Reaktors sehr gering ist (3).
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Im
Dünnstofffermenter 3 sind in unterschiedlichen
Reaktorhöhen, durch versetzt übereinander angeordnete
Trennelemente 3.1 Reaktorzonen 3.2 ausgebildet.
Die Trennelemente 3.1 sind gegenüberliegend an
einer Reaktorwand 3.3 angeordnet und als nach unten geneigte
flächige Platten ausgebildet. Der Raum unter den Trennelementen 3.1 bildet
mit der Reaktorwand 3.3 jeweils einen Gassammelraum 3.4 aus.
In den Gassammelräumen 3.4 wird das von den jeweils
darunter liegenden Reaktorzonen 3.2 aufsteigende Biogas
aufgestaut. Im oberen Bereich der Gassammelräume 3.4 sind
Ventile 3.5 angeordnet. Über die Ventile 3.5 kann
im Reaktor erzeugtes Biogas entnommen werden. Auf diese Weise entsteht über
den Trennelementen 3.1 eine gasarme Zone, die die Sedimentation
von Biogas fördert. Am radial nach innen weisenden Ende
der Trennelemente 3.1 sind Überströmkanten 3.6 ausgebildet.
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Wird
ein Ventil 3.5 geschlossen, strömt Biogas an der Überströmkante 3.6 des
Trennelementes 3.1 über in den darüber
liegenden Raum der folgenden Reaktorzone 3.2. Da das überströmende
Biogas einseitig nur in der einen Raumhälfte aufsteigt,
stellt sich eine die Durchmischung fördernde Zirkulationsströmung
ein. Die Geschwindigkeit der Zirkulationsströmung erhöht
sich mit steigendem Gasvolumenstrom. Durch die Entnahme von unterschiedlichen Gasstromvolumina
durch Einstellung der Ventile 3.5 lässt sich die
Zirkulationsströmung derart einstellen, dass einerseits
eine ausreichende Durchmischung erreicht und andererseits das Austragen
von aktiver Biomasse vermieden wird.
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Die
Unterteilung des Dünstofffermenters
3 in Reaktorzonen
3.2 und
die hierdurch erzielte Biomasserückhaltung entspricht dem
Reaktor aus der
DE
42 13 015 A1 , auf die vollinhaltlich Bezug genommen wird.
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Am
oberen Endbereich des Dünnstofffermenters 3 ist
ein Leitungsabschnitt 3.7 angeordnet. Über den
Leitungsabschnitt 3.7 ist der Dünnstofffermenter
mit dem oberen Endbereich eines Feststoffabscheiders 3.8 verbunden. Über
einen Leitungsabschnitt 3.9 ist der untere Bereich des
Feststoffabscheiders mit dem unteren Bereich des Dünnstofffermenters 3 verbunden.
Als Feststoffabscheider 3.8 ist insbesondere ein überstauter
Feststoffabscheider vorgesehen. Der Feststoffabscheider 3.8 ist
durch seine gegenüber dem Ablauf des Dünnstofffermenters 3 nach
unten versetze Anordnung überstaut. Im Feststoffabscheider
wird durch den hierdurch erzeugten Druck vermieden, dass Biogas
ausgast. Aktive Biomasse wird aus dem Reaktorablauf entfernt und über
den Leitungsabschnitt 3.9 wieder in den Dünnstofffermenter 3 eingebracht.
Hierdurch wird der Druck im Dünnstofffermenter 3 erhöht.
Durch den Druck geht gebildetes Biogas in Lösung, so dass
eine Sedimentation der Biomasse erfolgen kann und eine Ausschwemmung
der Biomasse über das erzeugte Biogas verhindert wird.
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Die
Ausbildung des Dünnstofffermenters
3 entspricht
der Biomasserückhaltung gemäß der
DE 100 05 114 A1 ,
auf die vollinhaltlich Bezug genommen wird.
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Am
Feststoffabscheider 3.8 ist ein Leitungsabschnitt 9.7 vorgesehen,
der den Feststoffabscheider mit dem Lagertank 5 verbindet.
Der Leitungsabschnitt 9.7 endet in etwa auf Höhe
der Verbindung des Leitungsabschnitts 3.7 zum Dünnstofffermenter, um
den Druck im Leitungsabschnitt 9.7 derart einzustellen,
dass der Reaktorablauf in etwa druckfrei ist.
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Über
einen Leitungsabschnitt 9.8 wird eine mineralische Spurenelementlösung
in den Dünnstofffermenter 3 eingebracht. Der Leitungsabschnitt 9.7 mündet
in den Lagertank 5. Die Ventile 3.5 sind über einen
gemeinsamen Leitungsabschnitt 9.9 mit dem Lagertank 5 verbunden. Über
den Leitungsabschnitt 9.9 wird das im Dünnstofffermenter 3 erzeugte
Biogas in den Lagertank 5 eingebracht.
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Zu
den Spurenelementen der Spurenelementlösung, die auch als
Spurenmetalle oder Mikronährstoffe bezeichnet werden, zählen
Eisen (Fe), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Selen (Se), Wolfram (W), Blei (Pb),
Kupfer (Cu), Cadmium (Cd), Molybdän (Mo), Wolfram (W),
Vanadium (V), Mangan (Mn), Bor (B) und Zink (Zn). Die Spurenelementlösung
umfasst zumindest eines dieser Elemente. Die Zusammensetzung der
Spurenelementlösung und die Menge des jeweiligen Elements
sind abhängig vom verwendeten Substrat und den Mikroorganismen
der jeweiligen Fermentation. Für Biogasverfahren umfasst
die Spurenelementlösung bevorzugt zumindest Molybdän, Selen,
Kobalt und Bor. Letztere Spurenelementlösung ist insbesondere
für Maissub strate vorteilhaft. In Biogasverfahren können
Molybdän, Nickel, Selen und Kobalt in relativ großen
Konzentrationen dem Fermenter zugegeben werden, wodurch die Leistung und
der Wirkungsgrad der Fermentation wesentlich verbessert werden.
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Neben
zumindest einem, bevorzugt mehreren, Spurenelementen umfasst die
Lösung bevorzugt zumindest einen, besonders bevorzugt zwei
oder mehrere Komplexbildner mit unterschiedlichen Komplexbildungskonstanten
bzw. Affinitäten zu den verschiedenen Metallionen. Komplexbildner
sind Verbindungen, die zur Komplexierung und Maskierung von Metallen
geeignet sind. Diese sind auch unter der Bezeichnung "Chelatbildner"
bekannt. Die Komplexbildung entsteht durch eine koordinative Bindung
zwischen dem Metallatom und einem oder mehreren Molekülen
des Komplexbildners, die das Metallatom umschließen. Die
Komplex-Bildungskonstanten der Komplexbildner müssen hoch
genug sein, um unter Berücksichtigung des pH-Wertes sowie
der Dissoziationskonstanten der Komplexbildner und des H2S die jeweiligen Spurenelemente der Lösung
in Gegenwart von Sulfid-Ionen im Fermenter in Lösung zu
halten.
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Es
werden Komplexbildner verwendet die von Mikroorganismen, bevorzugt
anaerobe Bakterien, resorbiert werden, wobei (1) die Spurenelemente in
komplexierter Form über die Zellmembran transportiert und
darauf (2) die Spurenelemente in der Zelle freigesetzt werden. Letzteres
kann durch eine Folgereaktion des Komplexbildners, durch eine Oxidation
oder Reduktion des Spurenelements, durch die pH-Verschiebung beim Überqueren
der Zellwand oder durch den biologischen Abbau des Komplexbildners
erfolgen. Bei einem bakteriellen Verfahren, wie dem Biogasverfahren
erfolgt der Transport des Spurenelements in komplexierter Form über
die bakterielle Zellwand und die Zellmembran in das Cytosol der
Zelle, wo das Spurenelement freigesetzt wird.
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Geeignete
Komplexbildner sind bekannt und zum Teil im Handel erhältlich.
Beispiele für bevorzugte, erfindungsgemäße
Komplexbildner sind: Oxocarbonsäuren, beispielsweise β-Oxocarbonsäuren
wie Acetacetat oder α-Oxocarbonsäuren wie Brenztraubensäure
und deren jeweiligen Salze; Acetylaceton; Orotsäure; einfache
Aminosäuren, beispielsweise Alanin, Valin, Cystin, Phenylalanin,
Asparaginsäure, Glutaminsäure, Leucin, Threonin,
Tryphtophan oder Glycin sowie ortho-, meta- und para-Isomere des
Tyrosins; Dipeptide, Tripeptide; Polymethin-Farbstoffe wie beispielsweise
Catechole (auch bekannt als Catechine); Citronensäure und
deren Salze, iso-Citronesäure und deren Salze; Salizylsäure;
Chelatkomplexbildner wie, beispielsweise Diethylentriaminpentaessigsäure
(DTPA), Hydroxyethylendiamintriessigsäure (HEDTA), Ethylendiamindibernsteinsäure (EDDS),
Ethylendiiminodiessigsäure (EDDA), Ethylendiamtriessigsäure
(EDTA), Nitriltriessigsäure (NTA); Dicarbonsäuren
wie beispielsweise Malonsäure, Weinsäure, Äpfelsäure,
meso-Äpfelsäure oder Oxalsäure und deren
Salze; Hydroxycarbonsäuren wie beispielsweise die Milchsäure
und deren Salze; modifiziertes Cyclodextran; Galakturonsäure; Mercaptoessigsäure
(Thio-Glycolsäure), Mercaptoproprionsäure (Thio-Milchsäure),
Mercaptoäpfelsäure, Thio-Diessigsäure,
Borsäure, phosphorige Säure, Salze der phosphorigen
Säure wie (Hydroxy-)Phosphonate, Phosphorsäure,
Salze der Phosphorsäure wie (Hydroxy-)Phosphate, Oligopeptide
wie die eisenbindenden Siderophore wie Enterochelin, und Zeolithe.
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Eine
solche Spurenelementlösung trägt zu einer weiteren
Steigerung der Effizienz der Biogaserzeugung bei.
-
Die
Separationseinrichtung 2 ist über einen Leitungsabschnitt 9.10 mit
einem Dickfraktionvorratstank 12 verbunden. Vom Leitungsabschnitt 9.4 zweigt
ein Leitungsabschnitt 9.11 ab, über den Schlempekonditionierungsmittel
in den Dickfraktionvorratstank 12 eingebracht wird. Über
einen Leitungsabschnitt 9.12 wird dem Dickfraktionvorratstank Prozesswasser
zugeführt. Über einen Leitungsabschnitt 9.13 gelangt
die verdünnte und angereicherte Dickfraktion in den Dickstofffermenter 4.
-
Der
Dickstofffermenter 4 weist ein Rührwerk 4.1 zum
Durchmischen des Reaktorinhalts auf. Das Rührwerk 4.1 umfasst
eine oder mehrere etwa vertikal angeordnete Rührwellen 4.2 (4).
Am oberen Endbereich der Rührwelle 4.2 ist ein
Antriebsmechanismus 4.3 ausgebildet. Das Rührwerk 4.1 weist mehrere
Paddel 4.4 auf, die jeweils mittels einer Paddelstange 4.5 an
der Rührwelle 4.2 befestigt sind. Der untere Endbereich
der Rührwelle 4.2 wird von einem Zentrierlager 4.6 aufgenommen.
Das Zentrierlager 4.6 ist am Boden des Dickstofffermenters 4 angeordnet.
-
Das
Rührwerk
4.1 entspricht dem Rührwerk aus
der
WO 2007/025739 auf
die diesbezüglich Bezug genommen wird.
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Über
einen mit dem Leitungsabschnitt 9.8 verbundenen Leitungsabschnitt 9.14 wird
eine mineralische Spurenelementlösung in den Dickstofffermenter 4 eingebracht.
Dem Dickstofffermenter wird auch eine der oben beschriebenen Spurenelementlösung
zugeführt. Vorzugsweise wird dem Dickstofffermenter 4 und
dem Dünstofffermenter die gleiche Spurenelementlösung
hinzugegeben.
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Über
einen am oberen Endbereich des Dickstofffermenters 4 angeordneten
Leitungsabschnitt 9.15 strömt das im Dickstofffermenter 4 erzeugte
Biogas in den Lagertank 5.
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Im
unteren Endbereich des Dickstofffermenters 4 ist ein Leitungsabschnitt 9.16 vorgesehen, über den
der Reaktorablauf in den Lagertank 5 eingebracht wird.
-
Im
unteren Bereich des Lagertanks 5 vermischen sich die Reaktorabläufe
aus dem Dünnstofffermenter 3 und dem Dickstofffermenter 4.
Der Kopf des Lagertanks 5 dient als Gasspeicher. Der Lagertank 5 ist
vorzugsweise als Stahl- oder Betonbehälter mit einer Doppelmembran
als Behälterdeckel ausgebildet. Die Doppelmembran kann
auch als Gasspeicher verwendet werden.
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Am
Kopf des Lagertanks 5 ist ein Leitungsabschnitt 9.17 vorgesehen,
der in einen Prozesswassertank 14 mündet.
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Am
Eintritt des Leitungsabschnitts 9.17 in den Prozesswassertank 14 ist
ein Biogasverdichter 13 angeordnet. Mittels des Biogasverdichters 13 wird das
Biogas verdichtet, bevor es in den Prozesswassertank 14 eingedüst
wird. Der Prozesswassertank 14 speist die Leitungsabschnitte 9.5 und 9.12 mit
aufgereinigtem Prozesswasser. Das Verhältnis Durchmesser
zu Höhe des Prozesswassertanks 14 liegt in etwa
zwischen 1 und 10.
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Der
Lagertank 5 ist über einen Leitungsabschnitt 9.18 mit
der Stickstoffsenke 6 verbunden. Die Stickstoffsenke 6 weist
eine Gärresteseparationseinrichtung 16 und eine
Eindickungseinheit 19 zum Abtrennen stickstoffhaltiger
Verbindungen auf.
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Der
Leitungsabschnitt 9.18 mündet in die Gärresteseparationseinrichtung 16.
Die Gärresteseparationseinrichtung 16 ist als
Dekantierzentrifuge ausgebildet. Es kann auch vorgesehen sein, die
Gärresteseparationseinrichtung 16 als Schneckenpresse auszubilden.
Die Gärresteseparationseinrichtung 16 weist eine
Temperaturregelung 16.1 und/oder eine Druckregelung 16.2 auf.
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Über
einen Leitungsabschnitt 9.19 wird ein Trennungshilfsmittel
in die Gärresteseparationseinrichtung 16 eingebracht.
Das Trennungshilfsmittel ist ein kationisches oder anionisches Flockungshilfsmittel
und/oder ein Polymer und/oder CaCO3 und/oder eine
Lauge, bevorzugt NaOH, und/oder Luft und/oder Dampf.
-
In
der Gärresteseparationseinrichtung 16 werden gasförmige
stickstoffhaltige Verbindungen aus den Reaktorabläufen
bzw. dem Gärrest abgetrennt. Der verbleibende Anteil des
Gärrestes wird in eine feste Gärrestefraktion
und eine flüssige Gärrestefraktion in der Gärresteseparationseinrichtung 16 aufgetrennt.
-
Die
feste Fraktion wird als Feststoffdünger verwendet. Die
feste Fraktion wird über einen Leitungsabschnitt 9.20 in
ein Feststoffdüngerlager 17 eingebracht.
-
Die
Gärresteseparationseinrichtung 16 ist über
einen Leitungsabschnitt 9.21 mit einem Flash-Kessel 18 verbunden.
Die flüssige Fraktion aus der Gärresteseparationseinrichtung 16 wird über den
Leitungsabschnitt 9.21 in den Flash-Kessel 18 überführt. Über
einen Leitungsabschnitt 9.22 wird dem Flash-Kessel ein
Austragmittel zugeführt. Im Flash-Kessel 18 wird
aus der flüssigen Fraktion Sauergas ausgetrieben. Das Sauergas
ist z. B. CO2 und/oder H2S.
Dieser Sauergasstrom wird über einen, mit dem Kopf des
Lagertanks verbundenen Leitungsabschnitt 9.23, in den Kopf
des Lagertanks 5 eingebracht, wo er sich mit dem in den
Fermentern 3, 4 erzeugten Biogas vermischt.
-
Über
einen Leitungsabschnitt 9.24 ist der Flash-Kessel 18 mit
einer Eindickungseinheit verbunden. Der verbliebene Anteil der Flüssigfraktion
gelangt über den Leitungsabschnitt 9.24 in die
Eindickungseinheit 19. In den Leitungsabschnitt 9.24 ist ein
Verdichter 20 integriert. In der Eindickungseinheit 19 wird
ein aufgereinigter Prozesswasserstrom von der Flüssigfraktion
abgetrennt. Die Flüssigfraktion wird als Flüssigdünger
verwendet. Der Flüssigdünger wird über
einen Leitungsabschnitt 9.25 in ein Flüssigdüngerlager 21 eingebracht.
-
Über
einen Leitungsabschnitt 9.26 wird der aufgereinigte Prozesswasserstrom
von der Eindickungseinheit 19 in den Prozesswassertank 14 überführt. Über
einen vom Leitungsabschnitt 9.26 abzweigenden Leitungsabschnitt 9.27 wird
ein Teil des aufgereinigten Prozesswassers der Bioethanolanlage 1 zugeführt.
Die Leitungsabschnitte 9.26 und 9.27 bilden die
Prozesswasserrückführung 7.
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Über
einen Leitungsabschnitt 9.28, in den ein zweiter Verdichter 22 integriert
ist, werden die stickstoffhaltigen gasförmigen Verbindungen
aus der Gärresteseparationseinrichtung 16 in den
Leitungsabschnitt 9.25 überführt und
reichern dort den Flüssigdünger an, bevor dieser
in das Flüssigdüngerlager 21 eingebracht
wird.
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Das
in dem Prozesswassertank 14 eingedüste Biogas
wird im Prozesswassertank 14 gereinigt und gekühlt.
Im oberen Bereich des Prozesswassertanks 14 wird das gereinigte
und gekühlte Biogas über einen Leitungsabschnitt 9.29 entnommen
und einer Biogasverwertungseinrichtung 8 zugeführt.
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Die
Biogasverwertungseinrichtung 8 kann ein Blockheizkraftwerk
und/oder ein Brenner und/oder eine Aufreinigungs- und/oder Kompressionsstufe
sein. Die hierbei gewonnene Energie wird dazu verwendet, die vorgeschaltete
Bioethanolanlage 1 sowie die erfindungsgemäße
Vorrichtung 25 möglichst vollständig
energieautark zu betreiben.
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In
den Leitungsabschnitt 9.29 ist eine Entschwefelungseinrichtung 23 integriert.
In die Entschwefelungseinrichtung 23 mündet ein
Leitungsabschnitt 9.30. Über den Leitungsabschnitt 9.30 wird eine
Prozesschemikalie in die Entschwefelungseinrichtung eingebracht,
mit der das gekühlte Biogas vom Schwefelwasserstoff befreit
wird, bevor es der Biogasverwertungseinrichtung 8 zugeführt
wird. Die Prozesschemikalie ist vorzugsweise Wasserstoffperoxid
(H2O2), Sauerstoff
oder Luft.
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Der
abgetrennte Schwefel wird in Schwefelsäure überführt
und wird über einen mit dem Leitungsabschnitt 9.22 verbundenen
Leitungsabschnitt 9.31 in den Leitungsabschnitt 9.22 eingebracht,
wo er zusammen mit dem Austreibmittel dem Flash-Kessel 18 zugeführt
wird.
-
Im
Folgenden wird das Verfahren zur Umwandlung von bei der Ethanolproduktion
als Abfallprodukt anfallender Fermentationsbrühe in Biogas mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand eines
Ausführungsbeispiels erläutert.
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Die
aus der Ethanolproduktion in der Bioethanolanlage 1 sequentiell
bzw. batchweise anfallende Fermentationsbrühe gelangt über
den Leitungsabschnitt 9.1 in den Puffertank 10.
Im Puffertank 10 wird die Fermentationsbrühe vergleichmäßigt
und gespeichert. Die vergleichmäßigte Fermentationsbrühe
gelangt über den Leitungsabschnitt 9.2 aus dem
Puffertank 10 in die Separationseinrichtung 2.
-
In
der Separationseinrichtung 2 wird die Fermentationsbrühe
in eine Dünnfraktion und eine Dickfraktion separiert. Die
Dünnfraktion enthält 0,5% bis 2% abfiltrierbare
Stoffe und einen Trockenmasse-Anteil (TM-Anteil) von 5% bis 12%.
Die Dünnfraktion gelangt über den Leitungsabschnitt 9.3 in
den Dünnfraktionvorratstank 11. Im Dünnfraktionvorratstank 11 wird
die Fermentationsbrühe mit einem über den Leitungsabschnitt 9.4 zugeführten
Schlempekonditionierungsmittel und einem aufgereinigten Prozesswasserstrom
aus dem Prozesswassertank 14, der über den Leitungsabschnitt 9.5 in
den Dünnfraktionvorratstank 11 zugeführt
wird, vermischt. Die angereicherte und verdünnte Fermentationsbrühe
gelangt über den Leitungsabschnitt 9.6 vom Dünnfraktionvorratstank 11 in
den Dünnstofffermenter 3.
-
Die
Zugabemenge an Prozesswasser im Dünnfraktionvorratstank 11 wird
derart eingestellt, dass im anschließenden Dünnstofffermenter 3 eine NH4-N-Konzentration von 8 g/L und/oder eine
abfiltrierbare Stoff-Konzentration von 15 g/L nicht überschritten
wird.
-
Die
Separierung der Fermentationsbrühe in der Separationseinrichtung
2 erfolgt
einstufig und ohne Zugabe von Flockungshilfsmittel. Der hier verwendete
Hochleistungsbioreaktor bzw. Dünststofffermenter
3 kann
einen gewissen Anteil abfiltrierbarer Stoffe verarbeiten. Deshalb
muss die Separierung der Fermentationsbrühe nicht derart
perfekt erfolgen, dass eine vollständige von Feststoffen
freie Dünnfraktion erhalten wird, was notwendig wäre,
wenn als Dünnstofffermenter ein Festbettbiogasreaktor verwendet
werden würde. Bei dem aus der
EP 1 790 732 A1 bekannten
Verfahren wird eine zweistufige Separation unter Hinzugabe von Flockungshilfsmittel ausgeführt.
Hierbei erhält man zwar ein etwas besseres Trennergebnis.
Jedoch sind die Betriebskosten durch die Zugabe von Flockungshilfsmitteln
erheblich größer. Als Hochleistungsbiogasreaktoren
werden meistens Festbettbiogasreaktoren eingesetzt, in denen die
Mikrobiologie in einen Art Filter eingebaut ist, durch den der Reaktorinhalt
hindurchströmen muss. Sollte der Reaktorinhalt noch Feststoffe
beinhalten so würden sich diese Feststoffe im Filter absetzen und
diesen mit der Zeit verstopfen. Der im vorliegenden Ausführungsbeispiel
verwendete Dünnstofffermenter
3 ist porenfrei
ohne einen derartigen Filter ausgebildet, so dass auch ein gewisser
Anteil abfiltrierbarer Stoffe darin verarbeitet werden kann. Die Kombination
aus der einfachen, einstufigen Separationseinrichtung
2 und
dem vorliegenden Dünnstofffermenter
3 ist einerseits
sehr effizient und andererseits sehr einfach und kostengünstig
ausgebildet. Dies stellt einen wesentlichen Fortschritt gegenüber herkömmlichen
vergleichbaren Anlagen dar.
-
Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel wird, gemäß der
in 2 dargestellten Massenbilanz, von einem Fermentationsbrühestrom
von 100 t/h ausgegangen. Die Fermentationsbrühe enthält
in einen TM-Anteil von 10% (10 t/h) und einen Stickstoffanteil (N-Anteil)
vonl 1% (1 t/h).
-
Die
Dünnfraktion enthält mit 80 t/h einen Großteil
des Wassers der Fermentationsbrühe und mit 5 Tonnen organische
Trockenmasse pro Stunde (toTM/h) in etwa
die Hälfte der Feststoffe der Fermentationsbrühe.
Der N-Anteil beträgt in etwa 5 t/h. In den Dünnfraktionvorratstank
wird ein Prozesswasserstrom von in etwa 5 t/h eingebracht. Der Prozesswasserstrom
ist weitgehend stickstofffrei mit einer Konzentration von ≤ 100
mg/L.
-
Die
Vergärungstemperatur im Dünnstofffermenter 3 liegt
zwischen 35°C und 6°C, je nach Temperatur der
Dünnfraktion und der benötigten Zugabemenge an
Prozesswasser. Da die Fermetationsbrühen mit einer Temperatur
von 60°C bis 80°C anfällt, ist eine Temperierung
auf 35°C wegen des erforderlichen Kühlbedarfes
nicht immer vorteilhaft. Es ist zweckmäßiger die
Reaktortemperatur auf eine mittlere Reaktoreinlauftemperatur zu
regeln und sie konstant zu halten. Hierdurch wird nur eine geringe Heiz-/Kühlleistung
erfordert und ein mit dem Dünnstofffermenter 3 in
Kontakt stehender Wärmetauscher kann dementsprechend klein
ausgebildet sein. Über den Leitungsabschnitt 9.8 wird
eine mineralische Spurenelementlösung in den Dünnstofffermenter 3 eingebracht
und mit der Dünnfraktion vermischt.
-
Die
verdünnte und angereicherte Dünnfraktion weist
einen organischen Trockenmasse-Gehalt von in etwa 6% auf. Im Dünnstofffermenter 3 werden die
85 t/h Dünnfraktion mit einer organischen Beladungsrate
von in etwa 10 kg organische Trockenmasse pro Kubikmeter und Tag
(kgoTM/(m3d)) bis
50 kgoTM/(m3d) vergoren.
Dabei werden im Dünnstofffermenter 3 in etwa 4,25
t/h Biogas produziert.
-
Der
Ammonium/Ammoniak-Gehalt (NH4-N-Gehalt)
beträgt maximal 10 g/L. Ein Gehalt von nicht mehr als 6
g/L wird jedoch bevorzugt. Bei dieser Obergrenze ist ein pH-Wert
von etwa 8 zu erwarten. Bei Werten von mehr als 6 g/L bzw. 6 kg/m3 eines Amonium/Ammoniak Gehaltes ist zwar
der Betrieb des Dünnstofffermenters 3 möglich.
Bei kleinen Störungen, z. B. beim kurzzeitigen Ausfall
der Reaktortemperaturregelung, Änderungen des Substrates bei
einem Batch-weisem Betrieb der Anlage, Unterbrechung der Reaktorumwälzung,
etc. kann der Reaktor jedoch schneller versauern. Als Versäuern
bezeichnet man in diesem Fall die Akkumulation von Essig, Propryol
und/oder Buttersäure bei Hemmung der Methanbildner.
-
Bei
einer Raumbelastung von 20 kgoTM/(m3d) beträgt die hydraulische Aufenthaltszeit
im Dünnstofffermenter 2,9 Tage. Das Reaktorvolumen des Dünnstofffermenters 3 beträgt
im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 6000 m3.
-
Der
Reaktorablauf aus dem Dünnstofffermenter 3 gelangt über
einen Leitungsabschnitt 9.7 in den Lagertank 5.
Der Reaktorablauf beträgt in etwa 80,75 t/h mit einem organischen
Trockenmasseanteil (oTM-Anteil) von in etwa 2% (1,6 t/h) und. Im
Reaktorablauf ist nahezu der gesamte Stickstoff der Fermentationsbrühe
enthalten (0,5 t/h).
-
In
Gassammelräumen 3.4 des Dünnstofffermenters 3 wird
das von jeweils darunter angeordneten Reaktorzonen 3.2 aufsteigende
Biogas aufgestaut. Wird über ein Ventil 3.5 aus
einem Gassammelraum 3.4 das gesamte aufgefangene Biogas
entnommen, so entsteht über einem Trennelement 3.1 eine
gasarme Zone, die die Sedimentation von Biogas fördert.
Wird das Ventil 3.5 geschlossen, strömt Biogas über
eine äußere Überströmkante 3.6 des Trennelements 3.1 über
den darüber liegenden Raum der folgenden Reaktorzone 3.2.
Da das überströmende Biogas einseitig nur in der
einen Raumhälfte aufsteigt, stellt sich eine die Durchmischung fördernde
Zirkulationsströmung ein. Die Geschwindigkeit der Zirkulationsströmung
erhöht sich mit steigendem Gasvolumenstrom. Durch die Entnahme
von unterschiedlichen Gasstromvolumina durch Einstellung der Ventile 3.5 lässt
sich die Zirkulationsströmung derart einstellen, dass einerseits
eine ausreichende Durchmischung erreicht und andererseits das Austragen
von aktiver Biomasse vermieden wird. Auf diese Weise erfolgt eine
gute Durchmischung im Dünnstofffermenter 3 und
aktive Biomasse wird ausreichend zurückgehalten.
-
Im
Feststoffabscheider wird der hydrostatische Druck der Wassersäule
im Leitungsabschnitt 9.7 ausgenutzt, um aktive Biomasse
vom Reaktorablauf zu trennen. Durch die damit verbundene Druckerhöhung
im Feststoffabscheider bleibt gelöstes Biogas in Lösung,
so dass eine Sedimentation der Biomasse erfolgen kann. Über
den Leitungsabschnitt 3.9 wird die aktive Biomasse in den
Dünnstofffermenters 3 zurückgeführt.
Auf diese Weise wird ein Auswaschen der methano- und acetogenen
Biomasse trotz der geringen hydraulischen Aufenthaltszeit im Dünnstofffermenter 3 verhindert.
-
Im
Dünnstofffermenter 3 werden 4,25 t/h Biogas produziert.
Das erzeugte Biogas gelangt über einen Leitungsabschnitt 9.9 in
einen Lagertank 5. Die verbleibende Fermentationsbrühe
bzw. der Reaktorablauf (80,75 t/h) wird über den Leitungsabschnitt 9.7 ebenfalls
in den Lagertank 5 eingebracht.
-
Die
in der Separationseinrichtung 2 abgetrennte Dickfraktion
enthält einen oTM-Anteil von 20% bis 35%. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel beträgt der oTM-Anteil in
etwa 25%. Die Konzentration der abfiltrierbaren Stoffe liegt bei
etwa 15% bis 30%. Der N-Anteil beträgt in etwa 5 t/h.
-
Die
Dickfraktion gelangt über den Leitungsabschnitt
9.10 in
den Dickfraktionvorratstank
12. Über einen Leitungsabschnitt
9.12 werden
in etwa 30 t/h Prozesswasser in den Dickfraktionvorratstank geleitet. Über
einen Leitungsabschnitt
9.11 gelangt Schlempekonditionierungsmittel
in den Dickfraktionvorratstank
12. Der TM-Anteil im Dickfraktionvorratstank
12 wird
auf ca. 12% bis 30% eingestellt. Die verdünnte und angereicherte
Dickfraktion gelangt über einen Leitungsabschnitt
9.13 in
den Dickstofffermenter
4. Es wird ein möglichst
höher TM-Anteil bevorzugt, da dann der Dickstofffermenter
4 relativ
klein ausgebildet sein kann und wenig Prozesswasser benötigt
wird. Ein hoher TM-Anteil kann insbesondere bei stickstoffarmer
Dickfraktion eingestellt werden. Bioreaktoren, die mit einer hohen
Feststoffkonzentration betrieben werden können, sind beispielsweise
in der
DE 103 21 607
A1 und der
WO 2007/025739 beschrieben,
auf die hier Bezug genommen wird.
-
Der
Dickfraktionstrom beträgt 20 t/h. Er enthält mit
5 toTM/h genau so viel Trockenmasse wie
der Dünnfraktionstrom. Die Trockenmasse in der Dickfraktion
setzt sich größtenteils aus abfiltrierbaren Stoffen
zusammen, die schwerer abzubauen sind, als die löslichen
Feststoffanteile in der Dünnfraktion. Die Dickfraktion
wird im Dickfraktionvorratstank 12 mit 30 t/h Prozesswasser
versetzt und nur auf einen oTM-Anteil von 10% verdünnt.
Auf diese Weise wird auch die Stickstoffkonzentration in der Dickfraktion von
25 kg/m3 auf 10 kg/m3 verdünnt.
-
In
den Dickstofffermenter werden in etwa 50 t/h verdünnte
Dickfraktion eingebracht. Der Dickstofffermenter 4 wird
bei einer Raumbelastung von 6 kgoTM/(m3d) bis 18 kgoTM/(m3d) betrieben. Über einen Leitungsabschnitt 9.14 wird
dem Dickstofffermenter 4 eine mineralische Spurenelementlösung
zugegeben. Die Vergärungstemperatur im Dickstofffermenter
wird auf einen konstanten Wert zwischen 35°C und 65°C eingestellt.
Die Temperatur ist wie im Dünnstofffermenter 3 abhängig
von der Temperatur der Fraktion und der benötigten Zugabemenge
an Prozesswasser.
-
Im
Dickstofffermenter 4 stellt sich eine oTM-Konzentration
von 4% ein. Die NH4-N-Konzentration beträgt
7 kg/m3. Bei einer Raumbelastung von 6 kgoTM/m3d beträgt
die Aufenthaltszeit in etwa 16,7 Tage. Das Reaktorvolumen des Dickstofffermenters beträgt
im vorliegenden Ausführungsbeispiel in etwa 20.000 m3.
-
Im
Dickstofffermenter 4 werden in etwa 3,75 t/h Biogas erzeugt.
Der Reaktorablauf beträgt in etwa 46,25 t/h, die einen
N-Anteil von in etwa 5 t/h aufweisen.
-
Mit
dem Rührwerk 4.1 wird der Reaktorinhalt des Dickstofffermenters 4 kontinuierlich
rotatorisch umgewälzt. Das bei der Vergärung entstehende
Biogas sammelt sich unterhalb der Decke des Dickstofffermenters 4.
-
Über
den im oberen Bereich des Dickstofffermenters 4 angeschlossenen
Leitungsabschnitt 9.15 gelangt das im Dünnstofffermenter 4 erzeugte
Biogas in den Lagertank 5.
-
Im
Lagertank 5 werden die Reaktorabläufe aus dem
Dünnstofffermenter 3 und dem Dickstofffermenter
vermischt. Es ergibt sich ein Reaktorablauf bzw. ein Gärrest
von in etwa 127 t/h, der einen oTM-Anteil von 3% aufweist. Der N-Anteil
beträgt in etwa 1 t/h.
-
Im
Dünnstofffermenter 3 und im Dickstofffermenter 4 werden
in etwa 8 t/h Biogas erzeugt. Das Biogas wird im Kopfraum des Lagertanks 5 gesammelt
und dort mit Sauergas aus der Stickstoffsenke 6 vermischt.
-
Die
Reaktorabläufe bzw. der Gärrest aus dem Lagertank 5 wird über
den Leitungsabschnitt 9.18 der Gärresteseparationseinrichtung 16 zugeführt.
Zudem wird über den Leitungsabschnitt 9.19 ein
Trennungshilfsmittel in die Gärresteseparationseinrichtung 16 eingebracht.
Durch die Zugabe des Trennungshilfsmittels werden die Trennungseigenschaften
der Gärresteseparationseinheit verbessert. Die bei der
Separation entstehenden stickstoffhaltigen Gase, insbesondere NH3, werden über den Leitungsabschnitt 9.28 abgeführt.
-
Die
Trennung des Gärrests in eine Flüssigfraktion,
eine Festfraktion und Gase in der Gärresteseparationseinrichtung 16 verbessert
sich, je höher die Temperatur, der pH-Wert und je stärker
der Gasstrom aus der Gärresteseparationseinheit 16 sind.
-
Der
abgeführte gasförmige Strom wird m Verdichter 20,
der in den Leitungsabschnitt 9.28 integriert ist, verdichtet. Über
die Leistung des Verdichters 20 und die eingestellten Temperatur
in der Gärresteseparationseinrichtung 16 kann
der Volumenstrom des Gases eingestellt werden. Es kann auch zusätzlich
vorgesehen sein, Luft und/oder Dampf in die Gärresteseparationseinrichtung 16 einzublasen, um
auf diese Weise den Gasstrom einzustellen.
-
Auf
diese Weise erfüllt die als Zentrifuge ausgebildete Gärresteseparationseinrichtung 16 zwei Funktionen,
die Trennung der Feststoffe von der Flüssigkeit und die
Trennung der Flüssigkeit vom Gas. Zur Unterstützung
der Trennung der Feststoffe von der Flüssigkeit werden
vorzugsweise kationische Flockungshilfsmittel zugesetzt, die die
Oberflächenladung des sich bei der Zentrifugation bildenden
Pellets neutralisieren und hierdurch die Trenneigenschaften fest/flüssig
verbessern. Als kationische Flockungshilfsmittel können
Eisen- und Aluminiumsalze, Kalziumkarbonat und/oder Polymere verwendet
werden. Zur Unterstützung der Gas/Flüssigtrennung kann
als Trennungshilfsmittel ein Gasstrom aus Luft oder Wasserdampf
zugeführt werden. Da durch den Verdichter 20 in
der Gärresteseparationseinrichtung 16 der Druck
erniedrigt wird, siedet die in der Gärresteseparationseinrichtung 16 befindliche
Flüssigkeit bereits bei geringen Temperaturen, wodurch
alle gelösten Gase (CO2, H2S, NH3) entgast
werden. In Abhängigkeit vom Verhältnis der gelösten
Gase kann es sinnvoll sein, den pH-Wert zu erhöhen oder
zu erniedrigen. Bei höherem pH-Wert verlagert sich das NH3/NH4 +-Gleichgewicht
in Richtung der flüchtigen NH3-Komponente.
Mit dieser Gärresteseparationseinrichtung 16 können
somit die einzelnen Phasen, fest, flüssig und gasförmig,
sehr effizient voneinander getrennt werden, wobei gleichzeitig das
Austreiben von Ammoniak gezielt einstellbar ist.
-
Im
Stand der Technik gibt es eine Reihe von Versuchen Ammoniak auszutreiben.
Diese konnten jedoch in der Praxis nicht realisiert werden, da sie entweder
zuviel Energie benötigt haben und/oder zuviel Trennungshilfsmittel,
insbesondere NaOH, benötigen, was beides die Verfahrenskosten
erheblich steigert. Von den entsprechenden Verfahren aus dem Stand
der Technik unterscheidet sich das vorliegende Verfahren dadurch,
dass
- 1. große Mengen an Sauergasen
(CO2 H2S) gelöst
sind, die beim Austreiben von Gasen einen Hilfsstrom erzeugen, der
die Austreibung von Ammoniak unterstützt. Dieser Hilfsstrom
ist bereits enthalten und muss nicht zugeführt werden.
- 2. durch das Entfernen der Sauergase der pH-Wert erhöht
wird, wodurch sich das Gleichgewicht in Richtung Ammoniak verschiebt.
- 3. im vorliegenden Verfahren eine größere
Menge an Niedertemperaturabwärme vorliegt, die eine zu geringe
Temperatur zum Beheizen der Reaktoren aufweist. Diese Niedertemperaturabwärme
ist jedoch bestens geeignet, die Gärreste zu Erwärmen
und hierdurch die Austreibung von Ammoniak zu unterstützen.
-
Beim
vorliegenden Verfahren ist es nicht notwendig von außen
Energie zuzuführen. Weiterhin genügen geringe
Mengen an Trennungshilfsmittel (NaOH), um den pH Wert korrekt einzustellen.
-
Der
feste Anteil des Gärrests bzw. die Festfraktion beträgt
in etwa 6,7 t/h und weist einen oTM-Anteil von 25% bis 45% und vorzugsweise
von in etwa 35% auf. Die Festfraktion wird als Feststoffdünger
verwendet. Über einen Leitungsabschnitt 9.29 gelangt
der Feststoffdünger in ein Feststoffdüngerlager 17.
Es fallen in etwa 6,7 t/h Feststoffdünger mit einem N-Anteil
von in etwa 0,18 t/h an.
-
Der
größte Teil des Gärrests, die Flüssigfraktion,
im vorliegenden Ausführungsbeispiel 120,31 t/h, wird über
den Leitungsabschnitt 9.21 in einen Flash-Kessel 18 eingebracht.
Dieser flüssige Strom weist einen organischen TM-Anteil
von 1,0% auf. Der Flash-Kessel 18 ist über eine
Temperaturregelung 16.1 und eine Druckregelung 16.2 tmperatur-
und druckgeregelt. Im Flash-Kessel 18 wird der flüssige Anteil
des Gärrests über einen Leitungsabschnitt 9.22 mit
einem Austreibmittel und verdünnter Schwefelsäure
versehen. Durch diese Ansäuerung erfolgt ein teilweises
Austreiben der gelösten sauren Gase CO2 und
H2S. Über einen Leitungsabschnitt 9.23 werden
die sauren Gase aus dem Flash-Kessel entfernt und in den Kopfraum
des Lagertanks 5 eingebracht, wo sie sich mit dem in den
Fermentern 3, 4 erzeugten Biogas vermischen. Als
Ansäuerungsmittel wird bevorzugt H2SO4 verwendet.
-
Durch
das Hinzufügen des Sauergases zum Biogas wird dieses gemeinsam
mit dem übrigen Biogas im Blockheizkraftwerk verbrannt
und entweicht zum überwiegenden Anteil in Form von CO2 an die Umwelt. Vor dem Verbrennen wird
das Sauergas zusammen mit dem Biogas entschwefelt. Dies wird unten
noch näher erläutert. Alternativ könnte
das Sauergas auch speziell aufbereitet werden. Dies verursacht jedoch
erhebliche Kosten und führt auch zu keinem anderen Ergebnis.
-
Die
Temperatur im Flash-Kessel 18 sollte möglichst
hoch sein, um ein optimales Trennergebnis zu erzielen. Die Zugabe
von Schwefelsäure erfolgt pH-Wert gesteuert. Der pH-Wert
im Flash-Kessel sollte unter 5 abgesenkt werden. Ein weiteres Absenken
des pH-Wertes verbessert die Trennwirkung nicht mehr merklich. Der
Anteil des ausgetriebenen Gases erhöht sich nicht mehr
nennenswert, nur der Säureverbrauch steigt. Wenn der Stofftransport
des gelösten Gases von der flüssige in die gasförmige Phase
limitierend ist, kann die Zugabe eines Enzympräparates
mit Carboanhydrase-Aktivität wie z. B. Carboanhydrase ein
besseres Ausgasungsverhalten bewirken. Das Enzympräparat
verhindert eine lokale CO2-Übersättigung,
die plötzlich spontan ausgasen würde. Aufgereinigte
Carboanhydrase ist zwar sehr teuer, sie fällt jedoch oftmals
bei der Aufreinigung von Proteinen in Abfallfraktionen an, die eine
hohe Carboanhydrase Aktivität besitzen. Vorzugsweise werden
solche Abfallfraktionen dem Flash-Kessel 18 zugeführt.
Es genügt bereits ein geringer Anteil an Carboanhydrase
(z. B. einige μg), um mehrere Kubikmeter übersättigte
CO2-Lösung ins Gleichgewicht zu bringen.
Alternativ können im Flash-Kessel Rührer oder
andere Gasflüssigaustauschorgane installiert sein, um die
Ausgasung zu verbessern. Auf diese Weise ist es möglich,
die Größe des Flash-Kessels zu minimieren.
-
Der
entgaste flüssige Ablauf bzw. die Flüssigfraktion
aus dem Flash-Kessel 18 gelangt über den Leitungsabschnitt 9.24 zu
einer Eindickungseinheit 19. In den Leitungsabschnitt 9.24 ist
ein Verdichter 20 bzw. eine Förder-/Druckerhöhungseinheit
integriert. Auf diese Weise wird die verbliebene Flüssigfraktion
zur Eindickungseinheit 19 gefördert.
-
In
der Eindickungseinheit 19 werden 112,2 t/h aufgereinigtes,
stickstoffarmes Prozesswasser mit einem organischen TM-Anteil von
in etwa 0,1% erzeugt. Über einen Leitungsabschnitt 9.26 gelangen 35
t/h des Prozesswassers in den Prozesswassertank 14, von
wo aus sie über den Leitungsabschnitt 9.12 in
den Dickfraktionvorratstank 12 und über den Leitungsabschnitt 9.5 in
den Dünnfraktionvorratstank zur Stickstoffverdünnung
eingebracht werden. Der Rest gelangt über einen Leitungsabschnitt 9.27 zur Bioethanolanlage 1,
wo er zum Anmaischen verwendet wird.
-
In
der Eindickungseinheit 19 fällt nach dem Abtrennen
des Prozesswassers eine Flüssigfraktion von in etwa 7,65
t/h an, die auf einen TM-Anteil von 10% bis 20% und vorzugsweise
von 15% eingedickt wird. Der Prozesswasserstrom aus der Eindickungseinrichtung 19 weist
einen TM-Anteil von 0% bis 1% auf. Die Flüssigfraktion
wird als Flüssigdünger verwendet und gelangt über
den Leitungsabschnitt 9.25 in das Flüssigdüngerlager 21.
Im Leitungsabschnitt 9.25 wird der Flüssigdünger über
den Leitungsabschnitt 9.28 mit den stickstoffhaltigen Gasen
aus der Gärresteseparationseinrichtung, insbesondere mit Ammoniak
(NH3), angereichert. Auf diese Weise wird der
Nährstoffgehalt des Flüssigdüngers erhöht.
Der erzeugte Flüssigdünger enthält 81%
des der Biogasanlage 25 über die Fermentationsbrühe
zugeführten Stickstoffstromes. Davon sind 90% in Form von
bioverfügbarem Ammonium. Der niedrige pH-Wert des Flüssigdüngers
gewährleistet eine geringe Flüchtigkeit des Ammoniums
bei der Ausbringung des Flüssigdüngers, da das
Dissoziationsgleichgewicht auf die Seite des nicht-flüchtigen
Ammonium-Ions (NH4 +) verschoben
ist.
-
Das
im Dünnstofffermenter 3 und im Dickstofffermenter 4 produzierte
Biogas wird durch den Kopfraum des Lagertanks 5 geführt. Über
den Leitungsabschnitt 9.23 gelangt das Sauergas aus dem Flash-Kessel 18 ebenfalls
in den Kopfraum des Lagertanks 5. Beide Gase werden dort
miteinander vermischt.
-
Über
den Leitungsabschnitt 9.17 gelangt das Biogas zum Biogasverdichter 13.
Im Biogasverdichter 13 wird das Biogas auf z. B. 0,3 bar
verdichtet und in die Flüssigphase des Prozesswassertanks 14 über ein
frei verteiltes Düseneinbringsystem eingebracht. Der mit
dem Biogasverdichter 13 erzeugte Druck entspricht dem Druck,
der durch die im Prozesswassertank 14 vorhandene Wassersäule
ausgeübt wird. Auf diese Weise wird das Biogas getrocknet
und gekühlt. Der trockene Massenstrom beträgt
in etwa 8 t/h. Die Zusammensetzung des trockenen Biogases beträgt ungefähr
60% Methan und 40% Kohlendioxid. Der Prozesswassertank 14 ist
derart ausgebildet, dass die Begasungsrate bevorzugt 0,1 vvm bis
0,2 vvm beträgt (1 vvm = 1 Volumengas pro Volumen Flüssigkeit
in der Minute). Bei der Eingasung von 55°C warmem Biogas
in 20°C warmes Prozesswasser wird eine Reduktion des Wasserdampfanteils
von fast 80% erzielt. Das Prozesswasser erwärmt sich dabei um
ca. 3°C. Der pH-Wert sinkt durch das teilweise Lösen
von CO2 und H2S
im Prozesswasser. Spuren von Ammoniak, die sich noch im Biogas befinden,
lösen sich bei saurem pH-Wert fast komplett im Prozesswasser.
Eine spätere Ammoniakwäsche kann daher entfallen.
-
Das
erkaltete Biogas gelangt über den Leitungsabschnitt 9.29 zu
der Biogasentschwefelungseinrichtung 23. Über
den Leitungsabschnitt 30 wird eine Prozesschemikalie in
die Entschwefelungseinrichtung 23 eingebracht. In der Entschwefelungseinrichtung 23 wird
der Schwefelanteil im Biogas von etwa 5.000 bis 20.000 ppm (parts
per million) auf etwa 100 ppm reduziert. Die Entschwefelung erfolgt über
eine Gegenstrom-H2O2-Zugabe.
Der entstehende Schwefelsäurestrom beträgt 0,42
t/h H2SO4 in wässriger
Lösung. Über den Leitungsabschnitt 9.31 gelangt
der Schwefelsäurestrom zum Leitungsabschnitt 9.22,
wo er sich mit dem Austreibmittel vermischt und dem Flash-Kessel 18 zugeführt
wird.
-
Der
entschwefelte Biogasstrom kann nun energetisch verwertet werden
und gelangt über den Leitungsabschnitt 9.29 zur
Biogasverwertungseinrichtung 8. Dort wird das entschwefelte
Biogas entweder einem Blockheizkraftwerk oder einem Brenner oder einer
Kombination aus beiden zugeführt, um den Energiebedarf
der Bioethanolanlage 1 und/oder der Biogasanlage 25 zu
decken. Es ist auch möglich, das Biogas einer Aufreinigungs-
und Kompressionsstufe zuzuführen und in ein lokales Gasnetz
einzuspeisen.
-
In
einer vereinfachten Ausführungsform kann anstelle des Hochlastbiogasreaktors
ein herkömmlicher Reaktor verwendet werden.
-
Je
nach Bedarf und Anlagengröße können auch
mehrere Dünnstofffermenter und Dickstofffermenter vorgesehen
sein.
-
Die
Biogasanlage kann auch ohne eine Stickstoffsenke ausgebildet sein,
was jedoch keine Rezirkulation des Prozesswassers erlaubt.
-
Dadurch
dass die Fermentationsbrühe in eine Dünn- und
eine Dickfraktion aufgetrennt wird, kann die Dünnfraktion
unabhängig von der Dickfraktion vergoren werden. Die Dünnfraktion
enthält einen hohen Anteil an löslichen Feststoffen
und keinen oder einen sehr geringen Anteil an nicht löslichen Feststoffen.
Durch das Vorsehen zweier Reaktoren, die individuell auf ihren Inhalt
abgestimmt sind, kann die Dünnfraktion mit einem hohen
Durchsatz und die Dickfraktion unabhängig davon mit der
notwendigen Verweildauer und entsprechend geringerem Durchsatz umgesetzt
werden. Da die Dünnfraktion im Hochlastbiogasreaktor sehr
schnell in Biogas umgesetzt wird, genügt ein Reaktor mit
sehr kleinem Volumen. Dies reduziert die zum Temperieren des Reaktors
notwendige Energie und macht das gesamte Verfahren energetisch sehr
effizient. Zudem wird im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen
ein insgesamt kleineres Reaktorvolumen für den gleichen Durchsatz
benötigt. Durch die geringen Reaktorgrößen
verringern sich die Oberflächen und damit der Wärmeverlust.
Zusätzlich ist die benötigte thermische Leistung,
um den Bioreaktor auf eine vorbestimmte Temperatur zu regeln, wesentlich
geringer. Vorzugsweise wird die Temperatur der Reaktoren derart
eingestellt, dass sie knapp oberhalb der Maximaltemperatur des Reaktorzulaufes
liegt. Die Temperatur des Reaktorzulaufes ist im Winter etwas geringer
als im Sommer. Durch Einstellen der Zieltemperatur auf einen Wert
knapp über der maximalen Temperatur des Reaktorzulaufes
kann die Temperatur im Reaktor alleine durch Heizen auf der Zieltemperatur
gehalten werden. Dann ist es nicht notwendig eine Kühleinrichtung
vorzusehen.
-
In
der Stickstoffsenke wird ein stickstoffarmer Prozesswasserstrom
aus dem Reaktorablauf erzeugt. Dadurch ist es möglich den
stickstoffarmen Prozesswasserstrom in den Biogasreaktor zurückzuführen,
um die Fermentationsbrühe zu verdünnen ohne dabei
den pH-Wert der Fermentationsbrühe zu erhöhen.
Dies spart zum einen die Kosten für frisches Prozesswasser
und zum anderen wird hierdurch vermieden, dass zu viel Ammoniak
im Reaktor angereichert wird, da Ammoniak toxisch für die
Mikroorganismen im Reaktor ist. Zudem kann eine höhere Raumbelastung
gegenüber dem Stand der Technik gefahren werden, da der
Biogasreaktor effizienter arbeitet. Somit kann ein kleineres Reaktorvolumen
vorgesehen werden. Dies reduziert die zum Temperieren des Biogasreaktors
notwendige Energie und macht das gesamte Verfahren energetisch sehr
effizient. Im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen wird
ein insgesamt kleineres Reaktorvolumen für den gleichen
Durchsatz benötigt. Ein weitere Vorteil der Prozesswasserrückgewinnung
liegt darin, dass die Menge an zu entsorgendem Abwasser vermindert wird
bzw. die Konzentration des Düngers im Abwasserstrom steigt
und weniger Wasser bewegt werden muss.
-
Durch
die hohen Beladungsraten und den Verzicht auf stark verdünnte
Co-Substrate mit geringer Methanausbeute ist der Wärmebedarf
der Biogasanlage so gering, dass der entstehende Biogasstrom ausreicht,
um den Wärme- und elektrischen Energiebedarf der Biogas-
und der Bioethanolanlage zu decken. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung benötigt für die gleiche Menge an
Fermentationsbrühe gegenüber dem Stand der Technik
lediglich ein weniger als halb so großes Reaktorvolumen.
Durch den Einbau von Stickstoffsenken in der Gärresteseparation und
in der Eindickung wird ein stickstoffarmer Prozesswasserstrom erzeugt.
Die Stickstoffverdünnung mit Prozesswasser in den Fermentern
und die Trennung der abfiltrierbaren Stoffe bewirkt, dass selbst wenn
im Dickstofffermenter eine höhere Raumbelastung gefahren
werden kann als in den nach dem Stand der Technik bekannten Fermentern.
-
Die
in der Beschreibung des Ausführungsbeispiels angegebenen
Zahlenwerte sind in der in 2 angegebenen
tabellarischen Massenbilanz in einer Übersicht dargestellt.
Sie stellen ein mögliches, realistisches Beispiel dar.
In 2 wird FM als Abkürzung für
Fermenter, HRT für Verweildauer, VR für Reaktorvolumen
und BV für Beladung verwendet. Alle Prozentangaben in obiger
Beschreibung der Erfindung sind Gewichts-Prozente. Im Rahmen der
Erfindung ist es jedoch auch möglich, die Vorrichtung größer
oder kleiner zu skalieren, so dass die einzelnen Massen und Ströme
abweichende Werte annehmen können.
-
Die
Erfindung kann folgendermaßen kurz zusammengefasst werden:
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von bei der Ethanolproduktion
als Abfallprodukt anfallender Fermentationsbrühe in Biogas.
Diese Vorrichtung umfasst eine Separationseinrichtung zur Auftrennung
der Fermentationsbrühe in eine Dünnfraktion und
eine Dickfraktion, zumindest einen Biogasreaktor zum Vergären
der Dünnfraktion und/oder der Dickfraktion und einen Lagertank.
-
Nach
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind zwei Biogasreaktoren
vorgesehen, um die Dünnfraktion und die Dickfraktion unabhängig voneinander
zu vergären.
-
Nach
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Stickstoffsenke
dem Lagertank nachgeordnet, um aus dem Reaktorablauf stickstoffarmes
bzw. stickstofffreies Prozesswasser bereit zu stellen, das dann
dem Reaktor und/oder der Bioethanolanlage zugeführt werden
kann.
-
Nach
einem dritten Aspekt zeichnet sich die Erfindung durch eine Kombination
aus einer einstufigen Separationseinrichtung und einem Hochlastbiogasreaktor
mit porenfreiem Störungsweg aus.
-
- 1
- Bioethanolanlage
- 2
- Separationseinrichtung
- 3
- Dünnstofffermenter
- 3.1
- Trennelemente
- 3.2
- Reaktorzone
- 3.3
- Reaktorwand
- 3.4
- Gassammelraum
- 3.5
- Ventil
- 3.6
- Überströmkante
- 3.7
- Leitungsabschnitt
- 3.8
- Feststoffabscheider
- 3.9
- Leitungsabschnitt
- 4
- Dickstofffermenter
- 4.1
- Rührwerk
- 4.2
- Rührwelle
- 4.3
- Antriebsmechanismus
- 4.4
- Paddel
- 4.5
- Paddelstange
- 4.6
- Zentrierlager
- 5
- Lagertank
- 6
- Stickstoffsenke
- 7
- Prozesswasserrückführung
- 8.
- Biogasverwertungseinrichtung
- 9.1
bis 9.31
- Leitungabschnitt
- 10
- Puffertank
- 11
- Dünnfraktion
Vorratstank
- 12
- Dickfraktion
Vorratstank
- 13
- Biogasverdichter
- 14
- Prozesswassertank
- 15
-
- 16
- Gärresteseparationseinrichtung
- 16.1
- Temperaturregelung
- 16.2
- Druckregelung
- 17
- Feststoffdüngerlager
- 18
- Flash-Kessel
- 19
- Eindickungseinheit
- 20
- Verdichter
- 21
- Flüssigdüngerlager
- 22
- Verdichter
- 23
- Entschwefelungseinrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1790732
A1 [0002, 0076]
- - US 2007/0141691 A1 [0003]
- - US 2006/0194296 A1 [0004]
- - US 2006/0041153 A1 [0005]
- - US 2005/0153410 A1 [0006]
- - US 5250182 [0007]
- - US 5177009 [0008]
- - US 2595827 [0009]
- - DE 4213015 A1 [0010, 0040]
- - DE 10005114 A1 [0011, 0042]
- - WO 2007/025739 [0012, 0052, 0088]
- - DE 10321607 A1 [0013, 0088]