DE3138452A1 - Vorrichtung fuer die behandlung von biomasse zur methangasgewinnung - Google Patents

Description

• Vorrichtung für die Behandlung von Biomasse zur
• Methangasgewinnung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Behandlung von Biomasse aus allen organischen Stoffen pflanzlicher und tierischer Herkunft sowie deren Stoffwechselprodukte, insbesondere von landwirtschaftlichen Produktionsabfällen, Gülle, Kot, Klärschlamm und Abfällen aus Großküchen und Schlachtereien, zur Gewinnung von Methangas durch anaerobe Fermentation.
• Diese Art der regenerativen Energieerzeugung durch mikrobielle Methanfermentation organischer Abfälle unter luftabschluß in einer Biogasanlage ist eine, bis auf wenige Bereiche, vernachlässigte Energiequelle, die durch wesentliche Vorzüge gekennzeichnet ist: Die Rohstoffe wie Gülle, Not, Klärschlamm, Nahrungsmittelabfälle und Produktionsabfälle aus der Landwirtschaft sind reichlich und leicht verfügbar.
• Die herkömmliche Beseitigung dieser Abfallstoffe stellt oft einen zusätzlichen Aufwand an Arbeit und Kosten dar und belastet die Umwelt, was beim Betreiben einer Biogasanlage entfällt0 Das aus dem Prozeß gewonnene Methangas besitzt einen hohen Heizwert und ist vielseitig in seiner Anwendbarkeit.
• Als nützliches Nebenprodukt entsteht weitgehend hygienisierter, kaum noch übelriechender und in seiner Wirkung noch verbesserter Dünger.
• Der Grund für die trotz vieler Vorteile geringen Nutzung dieser Energiequelle liegt in der umstrittenen Effektivität von Biogasanlagen, was das Verhältnis der realen Energieausbeute zu den Investitions- und Betriebskosten angeht. Diese Investitions- und Betriebskosten widerum ergeben sich aus den Anforderungen der anaeroben Methanfermentation an die Behandlung des Faulgutes durch entsprechende Vorrichtungen, die zu optimalen Prozeßbedingungen führen sollen: So muß bei der Nutzung von verschiedenartigem Faulgut die Möglichkeit des Zerkleinerns von sperrigen oder klumpigen Abfallteilen durch einen Zerhacker gewährleistet sein.
• Es muß ein kontinuierlicher und leicht aber genau dosierbarer Austausch von frischem Einfüllgut und ausgefaultem gut möglich sein.
• Um den Fermentationsprozeß zu beschleunigen muß das Faulgut in dem Faulbehälter beheizt werden.
• Um eine gleichmäßige Temperaturverteilung und Feststoffverteilung, eine ungehemmte Entgasung und die Zerstörung und Entfernung der Schwimmdecke zu erzielen muß die Biomasse umgewälzt und ihre Oberfläche #gerecht werden.
• Um plötzlichen Temperaturschwankungen entgegenzuwirken und um eine gute Heizenergieauswertung zu erzielen, ist für eine wirksame Isolierung des Faulbehälters zu sorgen.
• Gegen eine Schädigung des Grundwassers durch Leckagen des Faulbehälters und gegen Beschädigungen von außen sollte derselbe von einer Schutzwanne umgeben sein.
• Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse Zerhacker, Pumpen, Faulraumheizungen und mechanische Rührwerke oder Kompressoren zu installieren, sowie Meß- und Regeleinrichtungen, die eine optimale Behandlung der Biomasse gewährleisten (Offenlegungsschrift D# 29 39 169 Al; DE 29 44 584 A1 ).
• Es ist ferner bekannt, daß man die Umwälzung, die Schwimmdeckenzerstörung und Ausbringung des ausgefaulten Schlamms bereits ohne zusätzliche Aggregate nur mit Hilfe des entstehenden Gasdruckes als Arbeitsmedium erbringen kann (Offenlegungsschrift DE 29 19 532 A1).
• Es kommt jedoch keine Anlage der bereits genannten Fundstellen ohne eine Faulraumheizung aus, da die optimalen Temperaturbereiche der mesophilen Faulung bei 30-35°O und der thermophilen Faulung bei 55-60°O liegen. Es werden bevorzugt drei Heizsysteme verwendet, die Heißwasser-Kreislaufheizung mit dem Heizkörper im Faulraum, die Schlamm-Umwälzheizung mit Wärmetausch außerhalb des Faulraumes durch Heizspiralen und die Schlamm-Umwälzheizung durch direkte Dampfzugabe#(Offenlegungsschrift DE 29 13 034 Al; DE 30 00 356 Al).
• Doch gerade die zusätzlichen Aggregate und insbesondere die Heizsysteme und die dafür erforderlichen Fremdenergien in Form von Strom, Öl, Stadt- oder Erdgas stellen die Effektivität von Biogasanlagen, speziell die kleiner und mittlerer Größenordnung, wie sie für den Privatverbraucher und die Landwirtschaft interessant wären, in Frage.(die landtechnische zeitschrift "dz", 32. Jahrgang, Heft 2/81, SO 208-211; Bernd Je Kaltwasser "Regenerative Energieerzeugung durch anaerobe Fermentation organischer Abfälle in Biogasanlagen", Bau-Verlag Wiesbaden/Berlin 1980, So70ff)o Ebenso erwies sich in Großanlagen von mehreren hundert Qubikmetern Faulgut die Beheizung nach dem Stand der Technik als schwierig, da sie in Bezug auf Aufbau und Energieverbrauch einen erheblichen Aufwand an Kosten darstellt (Offenlegungsschrift DE 29 40 998 A1)0 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, daß man unter Bewahrung der optimalen Prozeßbedingungen mit einem Minimum an Prozeßenergie für Aggregate und Faulraumheizung auskommt, daß in der Biogasanlage jede Art von organischen Abfallstoffen verarbeitet werden kann und daß eine verbraucherfreundliche Bedienung und Auftengestalung entsteht.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein im Verbrauch sparsames und von der Leistung gut abgestimmtes Antriebsaggregat in Form eines wassergekühlten Verbrennungsmotors drei Hauptfunktionen dient: der Funktion des Zerhackerantriebes, der Funktion des Rührwerkantriebes, in Verbindung mit einem Rechen für die Schwimmdeckenzerstörung und der Funktion der Faulraumheizung, als direkte Abgaswärmeheizung ausgebildet, in Form von Spiralen eines flexiblen, korrosionsbeständigen Netallrohres, die um den Faulbehälter herum, im Luftraum zwischen der Isolationsschicht und der Faulbehälterwand nach unten hin progressiv zunehmend angeordnet sind, daß eine Thermostatschaltung mit einem Temperaturfühler im Faulraum den Impuls zum Starten und Abschalten des Antriebsaggregates gibt und daß, um die benötigte Prozeßenergie, hier in Form von Kraftstoff, noch besser auszuwerten, das Antriebsaggregat zusätzlich noch die Funktion der Brauchwasseraufheizung erfüllt, als Kombination einer direkten Abgaswärmeheizung mit einer Motorabwärmeheizung nach dem Wärmetauscherprinzip.
• Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung soll bei größeren Anlagen mit Biogasüberschuß die Verstromung angewendet werden, derart, daß eine Abgasleitung vom Generator-Motor zum Faulbehälter führt und die Funktion der Faulraumheizung stellt, daß an der Abgasleitung ein Wärmetauscher zur Vorabkühlung angebracht ist, der der Funktion der Brauchwasseraufheizung dient und daß am .iasserkühlsystem des Generator-Motors ein Heizkreislauf als Motorabwärmeheizung angeschlossen ist.
• Des weiteren soll die Erfindung dadurch ausgestaltet, daß eine wirksame Isolationsschicht aus aufgeschäumtem Hartschaum um einen Eisenskelettrahmen den Faulbehälter als Einheit umgibt, daß die Halterungen der Heizspirale vom Hartschaum fixiert werden, daß die Isolationsschicht als geschlossene Dicht-bzw. Schutzwanne dient und ebenso als Transportverpackung bzw. Außengestaltung in der Art einer mobilen, anschlußfertigen Kompaktanlage.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Erfüllung aller zur Behandlung der Biomasse erforderlichen Funktionen mit nur einem Verbrennungsmotor als Antriebsaggregat mit Abwärmenutzungsmöglichkeit, die benötigte Prozeßenergie nur wenige Prozent von der gewonnenen Biogas-Energie ausmacht, daß geringere Investitions-und Betriebskosten anfallen und daß die Bedienung der Anlage wesentlich vereinfacht ist. Ebenso bestehen Vorteile darin, daß durch die Anwendung des Zerhackers åede Art von Faulgut verarbeitet werden kann, daß durch die Abgas- und Motorabwärmenutzung Brauchwasser auf Prozeßtemperatur erwärmt wird und beim Einfüllen des Frischgutes keine Abkühlung der Biomasse erfolgt, was Heizenergie einspart, daß beim Betreiben einer größeren Anlage durch die Verstromung des Biogases und die zusätzliche Nutzung der Generator-Motorabwärme als Wohnraumheizung beispielsweise, ein noch höherer Wirkungsgrad der Biogasanlage erreicht wird und daß durch diesen erhöhten wirkungsgrad und durch die entsprechende erfindungsgemäße Konzeption, was montage, Bedienung, Leck-Schutz und Außengestaltung angeht, auch kleine Anlagen für den Privatverbraucher und Anlagen mittlerer Größe für die Landwirtschaft und Gastronomie rentabel einsetzbar sind, Die Figuren 1 und 2 stellen zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig, 1 einen Vertikalschnitt durch eine kleine bis mittelgroße Anlage und Figo 2 einen Vertikalschnitt durch eine große Anlage mit Biogasverstromung, Die täglich anfallenden organischen Abfälle, wie beispielsweise Stallmist oder Küchenabfälle werden in das Einfüllbecken (19) eingegeben, bis zu einer markierten Füll-Linie, die der errechneten täglichen Faulraumbelastung an Frischgut entspricht und die für verschiedene am häufigsten anfallenden Arten von Faulgut angegeben ist. Das Einfüllen des frischen Faulgutes wird einmal täglich vorgenommen und wird zeitlich so koordiniert, daß es bei laufendem Antriebsaggregat (1) also warmem Motor geschieht. Über ein Getriebe (2) wird nun die Antriebskraft auf den Zerhacker gekuppelt. Gleichzeitig erfolgt über eine Zuleitung die Zugabe des für den richtigen Feststoffgehalt notwendigen Brauchwassers. Dieses wird beim Durchfließen des Heizkreislaufs in Form der Wasserkühlung (12) vom Antriebsaggregat und beim anschließenden Passieren einer Wärmetauscherspirale cit), die direkt um den Anfang der Abgasleitung (6) des Antriebsaggregates gelegt ist, aufgeheizt. Die Zugabe des warmen Brauchwassers erfolgt ebenfalls bis zu einer markierten Füll-Linie, die dem errechneten optimalen Feststoffgehalt von 5#1O,0/c entspricht und die ebenfalls für verschiedene am häufigsten anfallenden Arten von Faulgut angegeben ist. Gleichzeitig wird durch das Messer (20) des Zerhackers das Faulgut zerkleinert und durchgemischt, sodaß eine für den anaeroben Prozeß ideale Konsistenz und Feststoffverteilung entsteht. Durch die Verwendung des von der Abwärme aufgeheizten Brauchwassers zum Anrühren wird erstens eine bessere Ausnutzung der Prozeßenergie gewährleistet, zweitens wird vermieden, daß beim Eintritt des Frischgutes in den Faulraum (7) eine plötzliche Temperatursenkung der Biomasse und somit eine Störung des anaeroben Baulprozesses entsteht und daß drittens keine Prozeßenergie in Form von Heizwärme verloren geht, die nötig wäre, nach dem Temperaturabfall die Biomasse wieder auf die ideale Temperatur von ca. 3300 zu bringen. Der Austausch des so vorbereiteten frischen Faulgutes mit dem ausgefaulen Gut geschieht mittels dem Prinzip kommunizierender Röhren. Öffnet man die Ventile des Ein-(21) und Auslaßrohres (22) so entweicht dieselbe Menge, die auch einfließt. Um weiterhin für ideale Faulbedingungen zu sorgen wird die Biomasse im Faulraum (7) langsam umgewälzt, wodurch ein Absetzen von Featbestandteilen vermieden wird und die Entgasund, sowie der Kontakt zwischen Methanbakterien und Nährstoffen gefördert wird. Dies geschieht mit einem Rührwerk (3) in Form einer Förderschnecke, die die Biomasse in einem Rohr (23) nach oben fördert und so für die Umwälzung sorgt. An der Achse (24) des Rührwerks (3) befindet sich ein Rechen (4) zum Aufreißen der Schwimmdeckenschicht.
• Der Antrieb für das Rührwerk geschieht ebenfalls mittels des einen Antriebsaggregates (1) über eine Kraftübersetzung für die zum Fördern richtige Drehzahl. Der Betriebszyklus des Antriebsaggregates (1) wird über ein Thermostat ( Temperaturfühler (10)) automatisch geregelt. Sinkt die Temperatur der Biomasse unter 3300 wird über eine hermostatschaltung (9) der Anlasser des Antriebsaggregates (1) betätigt. Das Führt werk (3) beginnt zu laufen und die entstehenden Abgase werden durch die Spiralen eines flexiblen Metallrohres (5) geleitet und heizen über den Luftraum zwischen Isolationsschicht (8) und Faulraumwand, in dem auch die Heizspiralen (5) angeordnet sind und zwar derart, daß der Abstand der einzelnen Windungen nach unten hin progressiv abnimmt, das heißt, daß unten die Windungen dichter liegen als oben und somit die durch die Wärmeabgabe nach unten abnehmende Heizeffecienz ausgeglichen wird, die Biomasse auf, bis bei ca 3500 der Impuls zum Abschalten des Antriebsaggregates gegeben wird.
• Vergrößert man die Abschaltdifferenz auf 500, also von 3000 0 auf 35 0, was noch im idealen Temperaturbereich liegt, läuft das Antriebsaggregat (1) entsprechend seltener aber längar Eine wesentliche Rolle dabei spielt die Isolierung durch deren Wirksamkeit die Anzahl der Aufheizintervalle und somit die Prozeßenergie widerum reduziert werden kann. Die Isolationsschicht (8) soll aus einer 10-15cm starken aufgeschäumten Hartschaumschicht bestehen, mit eingeschäumtem Eisenskelettrahmen (17) zur Aussteifung, der in der Faulraumwand des Faulbehälters (7) aus glasfaserverstärktem Kunststoff verankert ist. Weiter soll der Hartschaum die Halterungen (18) der Heizspiralen fixieren, den Faulbehälter (7) völlig umschließen, abdichten und gegen Beschädigungen von außen schützen. Die auf diese Weise fertiggestellte Biogasanlage ist transportfähig und kann durch die Addition mehrerer Anlagen (Fig. 2) der anfallenden Rohstoffmenge angepaßt werden, wobei die Verstromung von Biogas durch einen stationären, wassergekühlten Motor (13) mit Generator (14), der kontinuierlich läuft, vorgenommen wird, wobei nun die entstehende Abgasmenge-und Wärme wesentlich höher ist und der Generatormotor nun die Funktion der Faulraumheizung (5) übernimmt. Das notwendige Brauchwasser kann nun allein durch den ~Wärmetauscher(15) an der Abgasleitung (6) des Generatormotors aufgeheizt werden, wobei dann das Wasserkühlsystem des Generatormotors (16) zum zusätzlichen Betreiben eines Heizkreislaufs für eine Wohnraumheizung beispielsweise genutzt werden kann. Die erfindungsgemäß derart ausgestalteten Biogasanlage kann frei stehen und benötigt keinerlei bauliche Vorbereitungen. Sie kann bei Verwendung eines Zu-und Abluftsystems für das Antriebsaggregat (1) und den Generator-Motor (13) auch in geschlossenen Räumen betrieben werden.
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Claims (1)

1. Vorrichtung für die Behandlung von Biomasse zur Methangasgewinnung P a t e n t a n s p r ü c h~e Vorrichtung für die Behandlung von Biomasse aus allen organischen Stoffen pflanzlicher und tierischer Herkunft sowie deren Stoffwechselprodukte, insbesondere von landwirtschaftlichen Produktionsabfällen, Gülle, Kot, Klärschlamm und Abfällen aus Großküchen und Schlachtereien, zur Gewinnung von Methangas durch anaerobe Fermentation, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1 ein im Verbrauch sparsames und von der Leistung gut abgestimmtes Antriebsaggregat in Form eines wassergekühlten Verbrennungsmotors (1) dient drei Hauptfunktionen: 1,1 der Funktion des Zerhackerantriebes (2), 1,2 der Funktion des Rührwerkantriebes (3), 10201 in Verbindung mit einem Rechen (4) für die Schwimmdeckenzerstörung 1.3 und der Funktion der Faulraumheizung (5), 1 o 301 als direkte Abgaswärmeheizung ausgebildet, 10302 in Form von Spiralen eines flexiblen, korrosionsbeständigen Metallrohres (5), die um den Faulbehälter (7) herum, im Luftraum zwischen der Isolationsschicht (8) und der Faulbehälterwand nach unten hin progressiv zunehmend angeordnet sind, 2 eine Thermostatschaltung (9) mit einem Temperaturfühler (10) im Faulraum gibt den Impuls zum Starten und Abschalten des Motors (1), 3 das Antriebsaggregat (1) dient zusätzlich noch der Funktion der Brauchwasseraufheizung, 3.1 als Kombination einer direkten Abgaswärmeheizung (11) 3.2 mit einer Motorabwärmeheizung (12) nach dem #ärmetauscherprinzip, 4 bei größeren Anlagen mit Biogasverstromung dient ein stationärer, wassergekühlter Verbrennungsmotor (13) als Antrieb für den Generator (14), 4.1 eine Abgasleitung (6) führt vom Motor (13) zum Faulbehälter (7) und stellt die Funktion der Faulraumheizung (5), 4.2 an der Abgasleitung (6) ist ein ärmetauscher (15) zur Vorabkühlung angebracht, der die Funktion der Brauchwasseraufheizung erfüllt, 4.3 am Wasserkühlsystem des Motors (16) ist ein Heizkreislauf als Motorabwärmeheizung angeschlossen, 5 eine wirksame Isolationsschicht (8) aus aufgeschäumtem Hartschaum um einen Eisenskelettrahmen (17) umgibt den Faulbehälter (7) als Einheit, 5.1 die Halterungen (18) der Heizspirale (5) werden vom Hartschaum (8) fixiert, 5.2 die Isolationsschicht (8) dient als geschlossene Dicht- bzw. Schutzwanne, 5.3 und als Transportverpackung bzw. Außengestaltung in der Art einer mobilen, anschlußfertigen Kompaktanlage.

   dabei die Merkmale 4 und 5 den Oberbegriff der Unteransprüche und die übrigen Merkmale den kennzeichnenden Teil bilden.