DE8321993U1 - Vorrichtung zur gewinnung von biogas - Google Patents

Description

Patentanwalt Eichelbaum · _φΜΙchapletraße.Α.· D-j435O .Recklinghausen 2 Wk 646/83 "··. j j.· j S .\"\,'\25. Juli 1983

S Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Biogas durch anaerobe Fermentation von Frischgülle in einem anaeroben Behandlungsraum unter Zufuhr von Wärmemengen, wobei das entstehende Biogas daraus abgelassen wird*

Ein derartiges Verfahren ist nach dem 'System Darmstadt' bekannt (s, Helmut lyser "Biogas - eine Studie über die Aktualität der Biogasgewinnung", ÖKO-Buchversand Gut Kressenbrunnen» D - 3523 Grebenstein)* Der anaerobe Behandlungsraum ist mit einer Schleuse zum Füllen und Entnehmen der Gülle ausgerüstet* Die Schleuse wird durch eine Tauchwand gebildet» die das Eindringen von Luft und das Entweichen von Gas verhindert. Der anaerobe Behandlungsraum wird so angelegt, daß sich die Einzelschleuse im Stall befindet. Diese Anlage arbeitet kontinuierlich. Die Frischgülle wird täglich eingefüllt und ein Rührwerk täglich zwei- oder dreimal von einem Motor in Bewegung gesetzt. Die letzten Arme des Rührwerkes befördern Teile der Schwimmdecke unter die Tauchwand, so daß sie in der Entnahmeschleuse wieder aufschwimmen. Das Biogas sammelt sich in einem Dom auf der obersten Stelle des im Erdreich angeordneten anaeroben Behandlungsraumes. Die Zufuhr

der zur Fermentation er tor der liehen Wärmemengen erfolgt 30

Patentanwalt Eichelbaum · MichaeJeiraJte 4 _t.pr4350,*eokHpghausen 2 Wk 646/83 . ·".: j - j : :' · :'26v'?Juli 1983

mittels einer Niederdruck-Dampf-Heizungsanlage und ist sehr kostenintensiv. Andererseits ist die Erzielung eines bestimmten Temperaturbereiches der Frieehgülle zur anaeroben Fermentation unbedingt erforderlich.

Dabei werden grundsätzlich zwei Temperaturbereiche (um 33⁰C bzw« 54⁰C) mit Höchstwerten für die Stoff-Umsatzleistung genannt. Die Unstetigkeit im Punktioneverlauf wird auf einen Wechsel des fiakterienetammee von mesophilen zu thermophüen Organismen zurückge führt. Nach neueren Erkenntnissen besteht eine solche tJnstetigkeit jedoch nicht, das heißt die Bedingungen für die Gasgewinnung werden mit steigender Temperatur bis in den Bereich um 54⁰C verbessert (s. U« LoIl "Persönliche Mitteilungen, 1978")* Unterhalb einer

Temperatur von 5O⁰C kommt die mikröbielle Aktivität

nahezu zum Erliegen« Auf Temperaturschwankungen, insbesondere auf plötzlichen Temperaturabfall, reagieren die Organismen sehr empfindlich mit geringerer Stoffwechselleistung und Reproduktionsrate* Dabei ist nter dem Begriff "Frischgülle" solche Jauche zu verstehen,

die noch nicht aerob oder anaerob behandelt worden ist. Zur Aufheizung von derartiger Frischgülle auf die erforderlichen Temperaturbereiche von 33°C bzw. 54°C ist Wärmeenergie erforderlich. Eine derartige Aufheizung mit herkömmlichen Brennstoffen, wie Öl, Gas, Kohle oder Koks, hat sich im Verhältnis zum Ergebnis als völlig unwirtschaftlich herausgestellt.

Auch eine Wärmerückgewinnung mittels einer Wärmepumpe ist mit einem zu hohen Investitionsaufwand und 2Q mit erheblichen regeltechnischen Problemen verknüpft,

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Patentanwalt Eichelbaum · MichaeJstraBe 4.» D«435O.fteekfinghaiisert 2 Wk 646/83 ,;: ! . \ \ .·* . .··. Zf. Juli 1983

und daher zur Zeit gleichfalls nicht wirtschaftlich durchführbar. Auch eine Übertragung der Restwärme im Ablauf einer bereits fermentierten Gülle mittels einer Wärmepumpe, die eine Zwischenspeicherung der warmen Ablaufflüssigkeit in einem besonders gutisolierten Behälter erfordert, ist gleichfalls äußerst investitionsaufwendig und kann wirtschaftlich nicht durchgeführt werden, da am Kondensator und am Verdampfer der Wärmepumpe keine zur Regelung erforderlichen kon- i stanten Bedingungen erfüllt werden können (s. Seiten bis 45 der KTBL-Schrift 229).

Dabei werden grundsätzlich zwei Verfahren unterschieden:

Beim anaeroben Verfahren erfolgt der biologische Abbau organischer Stoffe unter Luftabschluß durch anaerobe Bakterien. Dieser biologische Abbau hochpoly- >

merer organischer Verbindungen wie Saccharide, Stärke, Cellulose, Pektinstoffe, Lignin und Aminosäuren erfolgt durch enzymatisehe Aufspaltung. Wasserlöslich-organische Verbindungen können von den Mikro-Organismen resorbiert werden und dienen ihrem Bau- und Betriebsstoffwechsel. Die enzymatisehen Aufspaltungen erfolgen in der Regel im Verlauf bekannter Gärungen, wobei als gasförmige Stoffwechselprodukte Kohlendioxyd und Methan in einem Gemisch von 60 % zu 40 % Volumenanteilen entstehen, das man als Biogas bezeichnet. Um diesen biologischen Abbau jedoch in Gang zu bringen, ist entweder ein mesophiler Temperaturbereich von 33 C oder ein thermophiler

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Temperaturbereich von 54 C erforderlich.

QQ Beim aeroben Verfahren entstehen keine Fäulnis-

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produkte. Diese Prozesse verlaufen geruchlos oder geruchs· arm, jedoch muß der Luftsauerstoff auf mechanischem Wege eingetrieben werden. Durch das Schaffen großer Oberflächen (Flüssigmisttropfen in Luft oder Luf tbläschen in Flüssigmist) kann der Sauerstoff in den Flüssigmist diffundieren und auf diese Weise dem Aufbau sauerstoffliebender Bakterien-Populationen dienen. Durch den mikrobiellen Abbau der organischen Substanzen wird Energie für den Betriebs- und Bau-Stoffwechsel gewonnen. Aus diesem Betriebsstoffwechsel entsteht neben den Endprodukten der enzymatischen Oxidation auch freie Bildungswärme. Mit aeroben Verfahren wird zumeist das Ziel verfolgt, die belästigende, dem Flüssigmist eigene Geruchsemission, die als Folge von Fäulnisvorgangen durch anaerobe Mikroorganismen auftritt, zu verhindern. Dabei werden je nach Temperaturbereich der Fermentation Kalt-, Warm- oder Heiß-Fermentation unterschieden. Kaltverfahren arbeiten mit Substrat-Temperaturen bis ca. 20⁰C₁ wohingegen die Grenze zwischen Warm- und Heißverfahren von THAER und GRABBE (1976) bei ca. 40°C gezogen wird (s. KTBL-Schrift 224, Seite 20 und 21h

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit denen bei relativ geringem Investitionsaufwand zur anaeroben Fermentation von Frischgülle der dazu erforderliche Behandlungsraum wirtschaftlich zumindest bis zum mesophilen Temperaturbereich von 33⁰C

3Q ohne nennenswerten Energieaufwand aufgeheizt werden kann

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- und zugleich die fermentierte Gülle von belästigenden Geruchsemissionen befreit wird.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem eingangs genannten Gattungsbegriff erfindungsgeraäß dadurch gelöst, daß die zur anaeroban Fermentation erforderlichen Wärmemengen durch aerobe Behandlung von Gülle in einem gegen die Atmosphäre offenen Behandlungsraum, der einem regelbaren Luftstrom ausgesetzt wird, gewonnen und kontinuierlich auf den anaeroben Behandlungsraum übertragen werden.

Auf diese Weise wird die bei der aeroben Zersetzung organischer Stoffe freiwerdende Wärmemenge, tferen Temperaturniveau bei günstigen Bedingungen 70⁰C erreichen kann, zum Ingangsetzen und zur Aufrechterhaltung der anaeroben Fermentation ausgenutzt. Dabei erfolgt die Regelung des aeroben Prozesses und damit auch indirekt der anaeroben Fermentation durch einen nach Menge und Temperatur regelbaren Luftstrom in den anaeroben Behandlungsraum. Die Wärmeübertragung vom aeroben auf den anaeroben Behandlungsraum kann sowohl mit dem besonders vorteilhaften direkten Wärmeübergang als auch mit einer indirekten Wärmeübertragung erfolgen, die jedoch wiederum einen höheren Investitionsaufwand in Form zweier zusätzlicher Wärmeübertrager und einen höheren regeltechnischen Aufwand erfordert.

Zur Erhöhung der Fermentation und damit zur Erhöhung der Wärmemengenproduktion und der Biogasmenge werden die Güllemengen sowohl im aeroben als auch im anaeroben Behandlungsraum getrennt voneinander bewegt und vermischt. Die Bewegung und Vermischung der Gülle

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— wird im anaeroben Behandlungsraum durch Umpumpen mittels überquellender, laminarer Strömung vom Boden des Behandlungsraumes bis in die Nähe des jeweiligen Gülleniveaus durchgeführt, während die Bewegung und Vermischung der Gülle im aeroben Behandlungsraum von einem mechanischen Rührwerk durchgeführt wird, welches unabhängig von der Niveauhöhe des jeweiligen Güllepegels eine Wirbelsenke gleichmäßiger Tiefe erzeug;.. Durch den infolge der Wirbelsenke entstehenden Unterdruck i_m aeroben Behandlungsraum wird aus der Außenatmosphäre Luft angesaugt, die bis zu ihrem Eintritt in den aeroben Behandlungsraum von der aerob behandelten Gülle vorgewärmt wird. Eine weitere Regelung kann durch eine Drosselung des Luftstromes, z.B. mittels noch zu erläuternder Drosselklappen, erfolgen.

Im stationären Zustand der Wärmeübertragung wird eine Teilmenge der aerob behandelten Güllemenge au& dem betreffenden Behandlungsraum abgelassen und eine etwa gleich große anaerob behandelte Güllemenge aus dem anaeroben Behandlungsraum in den aeroben Behandlungsraum übergeleitet und diese Güllemenge im anaeroben Behandlungsraum durch Zufuhr von Frischgülle ersetzt. Durch diese Verfahrensweise wird die Frischgülle im stationären Betriebszustand zunächst einer anaeroben und dann einer aeroben Fermentation unter· zogen, so daß die abgelassene Güllemenge nach ihrer aeroben Behandlung nahezu geruchsfrei ist und hinsiehtlieh schädlicher Emissionen problemlos nachgelagert und auf landwirtschaftliche Flächen ausgetragen werden kann.

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Der stationäre Zustand der Wärmeübertragung ist je nach Gülleart und Güllemenge nach etwa 10 bis 15 Tagen erreicht, wobei sich dann ein Temperaturniveau im meeophllen Bereich zwischen 3O⁰C und 35⁰C eingestellt hat. Zwar ist grundsätzlich auch die Erzielung eines thermophilen Bereiches möglich, jedoch steigt dann auch, insbesondere im Winterbetrieb, die Temperaturdifferenz und damit die Wärmemengenverluste zur Außenatmosphäre, was sieh insbesondere im Winter betrieb nachteilig bemerkbar macht« Außerdem erfordert eine Fermentation im mesophilen Bereich zwischen 3O⁰C und 35⁰C eine geringere Zufuhr von Luft aus der Außenatmosphäre und damit aueh eine geringere Leistung des mechanischen Rührwerkes«

Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird im Sommerbetrieb eine verstärkte aerobe und eine verminderte anaerobe Behandlung der Frischgülle durchgeführt, wohingegen im Winterbetrieb eine verstärkte anaerobe Behandlung der Frischgülle hei entweder gleich starker aerober oder bei geringfügig geringerer aerober Behandlung der Frischgülle durchgeführt werden kann. Auf diese Weise wird eine "Biogas·» Schaukel" geschaffen und damit das Gesamtverfahren äußerst elastisch gestaltet. Denn Biogas ist bislang nur sehr schwer und unter relativ hohem Investitionsaufwand lagerfähig. Durch die vorbeschriebene Verfahrensweise kann im Sommerbetrieb eine verstärkte aerobe und eine verminderte anaerobe Fermentation der Frischgülle durchgeführt werden, wodurch die Biogasproduktion

3Q gesenkt, jedoch gleichzeitig das erforderliche Maß zur

Patentanwalt Eichelbaum · MIchaeJstraße 4...D-^35Q-F\©cktinghausen 2 Wk 646/83 V: \\ \ ί'25.·*falk 1983

Gewinnung von nahezu geruchsfreier Gülle erzielt werden kann.

Im Winterbetrieb jedoch, wenn zur Beheizung verstärkte Mengen an Biogas erforderlich sind, kann ent- sprechend eine verstärkte anaerobe Behandlung der Frischgülle durchgeführt werden. Die hierzu erforderlichen Wärmemengen liefern eine entweder gleich starke aerobe, geringfügig geringere aerobe oder eine noch stärkere aerobe Behandlung der Frischgülle. Dadurch werden dem nach Menge und Temperaturhöhe regelbaren Luftstrom in dem aeroben Behandlungsraum noch vier weitere Regelungsmöglichkeiten nach Art einer "Biogas-Schaukel" zur Lieferung höherer oder geringerer Reproduktionsraten an Biogas eröffnet.

Eine bekannte Vorrichtung zur Durchführung des

Verfahrens nach dem 'System Darmstadt¹ weist einen mit Frischgülle gefüllten, luftdichten Behälter als atiaeroben. Behandlungsraum auf, der mit einem Wärmeübertrager sowie mit einem Nachlagerbehälter verbunden 1st und der eine Einrichtung zur Vermischung der Gülle enthalt. Die Eiflirichtung zur Vermischung der Gülle besteht aus einem den horizontal angeordneten anaeröben Behandlungsraum durchsetzenden Rührwerk.

In Weiterbildung der Erfindung ist eine besonders

vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens dadurch gekennzeichnet, daß der luftdichte Behälter zur anaeroben Fermentation konzentrisch einen gegen die Atmosphäre offenen Behälter als aeroben Behandlungsraum zur anaeroben Fermentation

on umgreift und der Wärmeübertrager von einer gemeinsamen

Patentanwalt Eichelbaum · Mi<*a£l&rg0o 4,. p^SO.fleeW taghausen 2 Wk 646/83 ,'Π j.j j fY^li 1983

Trennwand zwischen luftdichtem und offenen Behälter gebildet ist.

Zur Gewährleistung eines hohen Wärmeüberganges kann die Trennwand nicht nur glatt, sondern auch gewellt

S zylindrisch ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft wird die zylindrisch ausgebildete Trennwand auf beiden mit Gülle in Kontakt befindlichen Selten mit Turbulenz« erzeugern aus vorspringenden, glatten Stäben von guter Wärmeleitfähigkeit versehen*

Zur Sicherstellung einer aeroben Behandlung mit hohem Wirkungsgrad und leicht regelbarer Luftmenge weist der offene Behälter mehrere zu seiner Längsachse parallel verlaufende Höhren auf, die mit ihrem einen Ende flüssigkeitsdicht durch den Behälterboden

IfS zur Außenatmosphäre geführt sind und mit ihrem anderen Ende oberhalb des größtmöglichen Güllepegels im Behälter offen enden. Dabei sind die Röhren mit etwa gleichem radialem Abstand von der Längsachse des offenen Behälters sowie untereinander angeordnet.

Das Behälterdach ist mit in die Gülle eintauchenden Schwimmkörpern und mit einem zylindrischen Mantel versehen, der teleskopierend beweglich zur zylindrischen Behälterwand angeordnet ist. Xn der Mitte des Behälterdaches ist ein Motor mit einem Rührwerk angeordnet, welches in Verbindung mit dem auf der Gülle schwimmenden Behälterdach eine konstante Eintauchtiefe gewährleistet. Auf diese Weise kann die Luft strommenge und die Temperatur der Luftstrommenge durch Drosselklappen am Eintritt der Röhren in den offenen Behälter in Verbindung mit einer einstellbaren Drehzahl des

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Rührwerkes geregelt werden. Dabei bleibt die Effektivität des Einrühreffektes der Luft an der Oberfläche der Gülle aufgrund der konstanten Eintauchtiefe des Rührwerkes gleichfalls konstant, soweit dessen Dreh-

S zahl nicht geändert wird.

Zur Steigerung der Biogasausbeute weist der kreisringzylindrisch ausgebildete} luftdichte Behälter zur anaeroben Fermentation in der Nähe seines Behälterbodens mehrere symmetrisch angeordnete Ansaugtrichter und in der Nähe seines größtmöglichen Güllepegels während des Betriebes mehrere Austrittsdiffusoren für eine überquellende laminare Strömung auf, die über getrennte konzentrisch umlaufende Ringleitungen sowie über von Ventilen absperrbare Verbindungsleitungen und über eine

Umwälzpumpe miteinander verbunden sind und einen Um*

Wälzkreislauf bilden. Dieser Umwälzkreislauf kann sowohl eine Umschichtung der in der Nähe des Behälterbodens befindlichen Bestandteile an die Oberfläche und durch entsprechende Umkehrung der öffnung und der Schließung von Ventilen auch eine sich bildende Schwimmdecke an der Oberfläche zerreißen und zum Behälterboden führen. Durch diese Umwälzung kann die anaerobe Fermentation beschleunigt und zugleich auch aufgrund der sich dadurch ergebenden Strömungsbewegungen an der wärmeübertragenden Trennwand zwischen beiden Behältern die Wärmeübertragung gesteigert werden.

Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der offene und der geschlossene Behälter mit sämtlichen Ventilen, Pumpen und Über-

OQ wachungsorganen als mobile Rompakteinheit mit sämtlichen

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erforderlichen Anschlüssen ausgeführt, wobei die beiden Behälter gegenüber ihrer Umgebung mit einer hohen Wärmedämmung und einem geringen Wärmedurchgangswert k<0,4 kcal/m η gd. versehen sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der

Erfindung sind aus den Ansprüchen ersichtlich. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben.

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem luftdichten Behälter 2 zur anaeroben Fermentation, der konzentrisch einen gegen die Atmosphäre offenen Behälter 3 als aeroben Behandlungsraum zur aeroben Fermentation umgreift, wobei die Trennwand 4 zwischen den beiden Behältern und 3 den Wärmeübertrager bildet. Der offene Behälter kann grundsätzlich mit einem strichpunktiert angedeuteten ortsfesten Dach 5 oder in besonders vorteilhafter Weise mit einem auf Schwimmkörpern 7 kontinuierlich höhenverstellbaren Dach 6 versehen werden. Bei der letztgenannten Ausführungsform kann das Dach 6, welches mit einem zylindrischen Mantel 8 versehen ist, teleskopierend je nach dem Stand der Gülle 9 mehr oder weniger weit aus- oder eingefahren werden. In der Mitte des Behälterdaches 6 ist ein Motor 10 mit einem Rührwerk 11 angeordnet, welches in Ver bindung mit dem auf der Gülle 9 schwimmenden Behälter dach 6 eine konstante Eintauchtiefe T aufweist.

Der offene Behälter 3 ist außerdem mit mehreren, zu seiner Längsachse 12 parallel verlaufenden Röhren versehen, die mit ihrem einen Ende 13* luftdicht durch den Behälterboden 3* und mit ihrem anderen Ende 13"

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oberhalb des größtmöglichen Güllepegels II im Behälter 3 offen enden. Der Minimalpegel der Gülle 9 ist mit I bezeichnet.

Die Röhren 13, deren Zahl je nach Behältergröße sechs bis zwölf betragen kann, sind in etwa gleichem radialen Abstand von der Längsachse 12 des offener» Behälters 3 sowie untereinander ,angeordnet. An ihrem offenen, durch den Behälterboden 3¹ geführten Ende 13' weisen die Röhren angedeutete Drosselklappen 14 zur Luftmengenregelung auf.

Die gemeinsame Trennwand 4 zwischen beiden Behältern 2 und 3 wird auf ihrer Seite 4¹ von der anaerob zu behandelnden Gülle 9' und auf der anderen Seite 4" von der aerob zu behandelnden Gülle 9 benetzt. Diese Trennwand 4 kann entweder wie dargestellt glatt und zylindrisch ausgebildet sein oder zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsflächen eine gewellt zylindrische Oberfläche aufweisen. Und schließlich kann die zylindrisch ausgebildete Trennwand 4 auf beiden mit Gülle 9', in Kontakt befindlichen Seiten 4¹, 4" mit Turbulenzerzeugern 15 aus vorspringenden, glatten Stäben von guter Wärmeleitfähigkeit versehen sein, die in einem derartigen Abstand voneinander sowie mit einer derartigen, möglichst spitzen Form versehen sind, daß an ihnen keine festen Bestandteile der Gülle 9', 9 anbackenvzid damit die Wärmeübertragungsfähigkeit vermindern können.

Der kreisringzylindrisch ausgebildete, luftdichte Behälter 2 weist in der Nähe seines Behälterbodens 2' mehrere, z.B. zwölf, symmetrisch angeordnete Ansaugtrichter 16 und in der Nähe seines größtmöglichen

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Güllepegels, z.B. in der Nähe seines Güllepegels II, mehrere Austrittsdiffusoren 17 für eine überquellende, laminare Strömung auf, die über konzentrisch umlaufende Ringleitungen 18, 19 sowie über die Verbindungsleitungen 20, 21, 22, 23 24 sowie über eine Umwälzpumpe 25 miteinander verbunden sind. Die einzelnen vorgenannten Leitungen sind durch Ventile 26, 27, 28, wahlweise absperrbar, so daß der gemeinsam mit den Kreisringleitungen 18, 19 gebildete Umwälzkreislauf, der summarisch mit der Bezugsziffer 31 versehen ist, durch entsprechendes Öffnen und Schließen der Ventile in seiner Strömungsrichtung umgekehrt werden kann. In der zeichnerischen Darstellung wird die Gülle 9' in dem Um^älzkreislauf 31 über die Ansaugtrichter 16 über die R-ngleitung 18 die Leitung 23 mit dem Ventil von der Pumpe 25 angesaugt und sodann über die Leitungen 21 und 20 und das geöffnete Ventil 27 in die Kreisringleitung 19 gedrückt, wovon sie zu den einzelnen Austrittsdiffusoren 17 in Form einer vorzugsweise überquellenden, laminaren Strömung in den Behälter 2 gedrückt wird. Während dieses Strömungsablaufes sind die Ventile 26 und 28 geschlossen. Wenn sich in der Nähe des größtmöglichen Güllepegels II im Behälter 2 eine Schwimmdecke gebildet hat, kann der vorgenannte Umwälzkreislauf 31 in seiner Strömungsrichtung auch umgekehrt werden. Dies geschieht dadurch, daß die Ventile 20 und 23 geschlossen und die Ventile 26 und 28 geöffnet werden. Dann wird von der Pumpe über die Trichter 17 die Gülle 9* angesaugt, und gelangt sodann über die Kreisringlei-

gQ tung 19 zum Ventil 26 und die Leitung 22 zur Pumpe

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und wird von dort über das Ventil 28 und die Leitung 24 in die Kreisringleitung 18 gedrückt, von wo die Gülle 9* über die vormals als Ansaugtrichter wirkenden Trichter 16 ausgestoßen wird. Der erstbeschriebene Vorgang ist mit den Pfeilen in der Nähe der Ansaugtrichter 16 und der Austrittsdiffusoren 17 gekennzeichnet. Beim zweitbeschriebenen Vorgang kehrt sich der Richtungssinn der Pfeile uu.

In dem Dach 5 bzw. 6 sind schließbare Einstiegluken 29 für erforderliche Reparatur- und Wartungsarbeiten im offenen Behälter 3 angeordnet.

Die Böden 2', 3¹ der beiden Behälter 2, 3 sind über zwei durch Ventile 32, 33 absperrbare Leitungen 34, 35 miteinander verbunden, die wiederum über eine gemeinsame, gleichfalls von einem Ventil 36 absperrbare Lei tung 37 und über eine Förderpumpe 38 mit einem Vorratsbehälter 39 für die Frischgülle 9" und über eine weitere, gleichfalls von einem weiteren Absperrventil 40 absperrbare Leitung 41 mit einem Nachlagerbehälter 42 für die fermentierte Gülle 9^MI verbunden sind. Ferner ist der Umwälzkreislauf 31 über die Leitung 43 und über den Leitungsknotenpunkt 44 über das vorbeschriebene Ventil 40 und die Leitung 41 mit dem Nachlagerbehälter 42 und über die Leitung 37 und das Ventil 26 .ait dem Vorratsbehälter 39 für die Frischgülle 9" verbunden. Vom Boden 2* und von der

Decke 2" des geschlossenen Behälters 2 führt in der linken Hälfte der zeichnerischen Darstellung je eine Leitung 45, 46, die über die Ventile 47, 48 absperrbar sind, zu einem transparenten bzw. transluzenten Behälter 49 als Niveau' α überwachung, wobei die höher gelegene Leitung 46

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über ein Entlüftungsventil 50 mit einem Überlauf 51 verbunden ist. Entsprechend ist der Behälter 3 über die Leitung 45* mit einer separaten Niveauüberwachung 49' und einem Überlauf 51 verbunden. Außerdem führt

S von dar Decke 2" dee geschlossenen Behälters 2 eine von einem Absperrventil 52 absperrbare Entnahmeleitung 53 zu einem nichtdargeetellten Aufnahmebehälter für das Biogas.

Der geschlossene und der offene Behälter 2, 3 sind im vorliegenden Fall mit eämtllehen Ventilen und Pumpen 25, 38 und Überwachungsorganen 49, 50, 51 und den nichtdargeetellten Thermometern bzw. Thermofühlern als mobile Kompakteinheit 1 mit sämtlichen erforderlichen Anschlußleitungen 37, 41, 50, 53 ausgeführt. Die beiden Behälter 2, 3 sind in ihrer atmosphärischen Umgebung mit einer hohen strichpunktiert angedeuteten Wärmedämmung 54 versehen, wodurch insbesondere im Winterbetrieb der Wärmeübertragungsvorgang vom Behälter 3 auf den behälter 2 ebenso wie die Biogaserzeugung und die Beschleunigung des anaeroben und aeroben Prozesses begünstigt wird.

Vom Nachlagerbehälter 42 kann die fermentierte Gülle über die Leitung 55 und die Pumpe 56 in einen verfaföbaren GÜilebehälter 5? gepumpt und von dort nahezu geruchsfrei auf die zu düngenden landwirtschaftlichen Flächen ausgetragen werden.

Mit der vorbeschriebenen Vorrichtung wird das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt durchgeführt: Vor Inbetriebnahme der Anlage muß diese befüllt

3Q werden. Zur Befüllung werden die Ventile 33, 40 sowie

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26, 27, 28 und 30 geschlossen. Die Pumpe 25 bleibt ausgeschaltet. Sodann werden die Ventile 32 und 36 geöffnet und die Pumpe 38 angeschaltet. Dadurch gelangt aus dem Vorratsbehälter 39 Frischgülle 9" über die Leitungen 37 und 34 in den Behälter 2* Durch öffnen der Ventile 48 und 50 bei geschlossenem Ventil 52 wird die Gülle bit unter die Behälterdecke 2" gedrückt. Dadurch erfolgt eine vollkommene Entlüftung des Behälters 2. Sobald am Überlauf 51 Gülle über* ■10 läuft, wird die Pumpe 38 abgeschaltet und die Ventile 36) 48 und 50 geschlossen. Sodann wird das Ventil 33 geöffnet und unter dem statischen Druck der Gülle 9" in dem Behälter 2 fließt diese über das Ventil 32, über die Leitung 34, das Ventil 33 und die Leitung 35 in .jg den Behälter 3, bis beispielsweise sieh in beiden Behältern 2, 3 das Güileniveau I einstellt. Diese» Vorgang wird soweit wiederholt, bis vorteilhaft der Güliepegei IX erreicht ist. Es ist jedoch je nach anfallender Güllemenge und nach jahreszeitlichem Bedarf 2Q an Biogas möglich, einen Güliepegei zwischen dem beiden Stufen I und 11 einzustellen* Entsprechend dein Gülte* pegel taucht das Dach 6 mit dem Rührwerk 11 in stets gleichbleibender Tiefe T ein· Nach dem Füllvorgang werden die Ventile 32 und 33 geschlossen. Sodann wird

der Motor 10 eingeschaltet und das Rührwerk 11 erzeugt 25

die dargestellte Wirbelsenke, in deren Zentrum ein Unterdruck entsteht, wodurch über die Röhren 13 aus der Außenatmosphäre entsprechend den eingezeichneten Pfeilen atmosphärische Außenluft angesaugt wird. Nunmehr beginnt sich die Gülle 9 aufgrund der einsetzenden

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Fermentation zu erwärmen. Dadurch wird auch die durch die Röhren 13 strömende Luft vorgewärmt. Je nach Gülleart und einströmender Luftmenge, die zudem über die Drehzahl des Motors 10 und die Luftdrosselklappen14 S regelbar ist, stellt sieh innerhalb von 10 bis 15 Tagen in beiden Behältern 2, 3 eine Betriebstemperatur zwischen 3O⁰C und 35⁰C ein« Zugleich wird im Umwälzkrelsiauf 31 durch die Pumpe 25 in beiden möglichen Riehtungen die Gülle 9' im geschlossenen Be- hälter 2 umgewälzt. Bei Erreichen eines stationären Wärmeübertragungszustandes und bei einem Temperatur* niveau von etwa 33⁰C wird über die Luftzufuhr, das heißt über die Drosselklappen 14 in Verbindung und/oder über eine veränderliche Drehzahl des Motors 10 die Betriebstemperatur derart reguliert» daß die vorgenannte, optimale Temperatur möglichst konstant gehalten wird« Bei dieser optimalen Temperatur beginnt im Behälter die Biogasbildung. Die Biogasbildung ist das Start« Zeichen für den eigentlichen« kontinuierlichen Auf be reitungsbetrieb der Gülle. Dabei wird dem geschlossenen Behälter 2 täglich die sogenannte Tagesleistung an Frischgülle 9" zugeführt und zuvor die gleiche Menge anaerob behandelter Gülle aus dem Behälter 2 in den Behälter 3 übergeleitet, der wiederum zuvor eine ent sprechende Menge an aerob behandelter Gülle 9 in den Nachlagerbehälter 42 als aerob behandelte Gülle 9'" abgegeben hat.

Das Nachfüllen, Überleiten und Ablassen der unterschiedlichen Güllearten geschieht jeweils unmittel bar nach Umwälzvorgängen in beiden Behältern 2, 3, um

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eine möglichst aufgerührte, homogene und pumpfähige Gülle für den jeweiligen Strömungsablauf zu erhalten.

Diese einzelnen Verfahrensphasen werden wie folgt durchgeführt!

Ablassen? Nach dem Abschalten des Rührwerkes 11 und der Umwälzpumpe 25 werden die Ventile 27 und 30 geschlossen, hingegen die Ventile 33 und 20 geöffnet, Dadurch kann die Tagesdurchsatzmenge aus dem offenen Behälter 3 unter seiner Schwerkraft über die Leitung 35, das Ventil 33 und 40 und die Leitung 41 in den Nachlagerbehälter 42 als aerob behandelte Gülle 9^MI abfließen. Diese abfließende Menge kann über die Niveauanzeige 49* - ähnlich der Niveauanzeige 49 - für den geschlossenen Behälter 2 verfolgt werden« Nach dem Ablassen der Tagesdurchsatzmenge wird das Ventil 40 geschlossen.

Umfüllen: Zu diesem Zweck wird das Ventil 32 geöffnet* Dadurch wird der geschlossene Behälter 2 mit dem offenen Behälter 3 nach der Art kommunizierender Gefäße verbunden. Aufgrund der statischen Höhendifferenz der Gülle im Behälter 2 zum Behälter 3 und/oder aufgrund des Überdruckes des Biogases im Behälter 2 (das Ventil 52 bleibt ebenso wie die Entnahmeleitung 53 geschlossen) wird eine Tagesdurchsatzmenge anaerob behandelter Gülle 9¹ über das Ventil 32, die Leitung 34, das Ventil 33 und die Leitung 35 in den offenen Behälter 3 umgefüllt, bis im Behälter 3 etwa der Güllepegel II erreicht ist. Sodann wird das Ventil 33 geschlossen.
3Q Nachfüllen; Zum Nachfüllen der Tagesdurchsatzmenge

Patentanwalt Eichelbaum . Michaelstpoßp·*. P*4390S RetWjWdfiausen 2 ^ «W» /\ \j \SSJM

\j · \j \2SSJM 1983

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des geschlossenen Behälters 2 wird bei offenem Ventil 32 zusätzlich noch das Ventil 36 geöffnet und sodann die Pumpe 38 eingeschaltet. Dadurch strömt Frischgülle 9" über die Leitung 37, das Ventil 36, die Leitung 34 und das Ventil 32 in den Behälter 2 bis zum maximalen Güllepegel II ein. Sodann wird die Pumpe 38 abgeschaltet und zugleich die Ventile 36 und 32 geschlossen.

Umwälzen: Hiernach wird durch Einschalten der Pumpe 25 und Öffnen der entsprechenden Ventile 27 und 30 der Umwälzkreislauf im geschlossenen Behälter 2 | wieder eingeschaltet und zugleich durch Einschalten I des Motors 10 und damit des Rührwerkes 11 auch die 'f aerobe Behandlung der Gülle 9 wieder aufgenommen.

Durch das Aufnehmen des Umwälzkreislaufes 31 im Behälter 2 und des Rühreffektes im Behälter 3 werden die darin enthaltenen Güllemengen zu jeweils homogenen ) Güllegemischen umgewälzt. i

Entnahme des Biogases; Die Entnahme des Biogases j erfolgt in jedem Fall über die Leitung 53 in Verbin- I dung mit dem Ventil 52. Dies geschieht vorteilhaft j nach dem Umfüllen der Tagesdurchsatzmenge aus dem Behälter 2 in den Behälter 3, da hiernach der Überdruck des Biogases nicht mehr benötigt wird. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die Biogasmenge erst während des Nachfüllens des Behälters 2 mit Frischgülle 9" über die Leitung 53 und das Ventil 52 entweichen zu lassen, da mit dem dadurch entstehenden überdruck | Strömungsverluste in der Leitung 53 bis hin zum Ver- 1

2Q brauch des Biogases kompensiert und entsprechend §j

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Patentanwalt Eichelbäum · MIi	4iaet3tra8e,4 . Dr4350.f	teädiRofiausen 2 ί ,
Wk 646/83 I	• t » § · · • · · t * j_ • · · · t ι OE • · · · · t *Ji
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problemlos in einen dem Ventil 52 nachgeschalteten Speicher geleitet werden körnten. In jedem Fall sollte das Biogas nach dem Nachfüllvorgang nicht mehr im geschlossenen Behälter 2 vorhanden sein, da es sonst aufgrund seines höheren Partialdruckes die Bildung neuen Biogases hemmt.

Die Größe der neuen Vorrichtung 1 wird von der jeweils erforderlichen, von ihr täglich aufzunehmenden Tagesdurchsatzmenge an Frischgülle 9" bestimmt und dementsprechend groß bzw. klein ausgelegt.

Außer der vorbeschriebenen Luftmengenregelung im aeroben Behandlungsraum 3 ist mit dieser neuen Vorrichtung auch in Abhängigkeit von den jahreszeitlichen Temperaturschwankungen und erforderlichen Biogasmengen eine Gülle-Mengenregelung möglich. So kann beispielsweise im Sommabetrieb, wenn aufgrund des Fortfalls der Wohnraum- und Stallbeheizung weniger Biogas erforderlich ist, der Güllepegel im aeroben Behandlungsraum 3 höher als der Güllepegel im anaeroben Behandlungsraum 2 sein, so daß aus dem Vorratsbehälter 39 eine verstärkte Menge an Frischgülle 9" direkt in den aeroben Behandlungsraum 3 eingeleitet wird und nur eine geringere Menge an Frischgülle 9" in den anaeroben Behandlungsraum 2 übergeleitet wird.

Umgekehrt kann im Winterbetrieb eine verstärkte anaerobe Behandlung der Frischgülle 9" bei entweder noch stärkerer, gleich starker oder bei geringerer aerober Behandlung der bereits anaerob behandelten Gülle 9' und/oder der Frischgülle 9^M erfolgen. Da-

QQ durch wird aufgrund der unterschiedlichen Güllepegel

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Patenteiwaft Efchelbauro . MitfiaelstraBe4 . Efc4föß Retfltagjiausen 2 Ία

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in den Behältern 2 und 3 einerseits eine den jahreszeitlichen Bedarfsschwankungen angepaßte'biogas-Schaukel" und andererseits eine diesen jahreszeitlichen Schwankungen gleichfalls angepaßte "Gülle-Schaukel¹* geschaffen. Dero mit den unterschiedlichen Güllepegeln in beiden Behältern 2 und 3 wird automatisch auch die optimale Wärmeübertragungsfläche an der Trennwand 4 vergrößert bzw. verkleinert. Aufgrund dieser bei ein und derselben Vorrichtung 1 möglichen, vielfältigen, unterschiedlichen sowie ohne Mehraufwand durchzuführenden Regelungen wird ein äußerst elastisches Verfahren bei entsprechend elastischer Betriebsweise gewährleistet. Bei einer Parallelschaltung von zwei und mehreren Vorrichtungen 1 können einerseits beliebige Kapazitätserweiterungen und andererseits eine noch größere elastische Verfahrensweise sichergestellt werden. Dabei versteht es sich ferner, daß die hier jeweils dargestellten Einzelventile auch durch Mehrwegeventile ersetzt werden können. So können beispielsweise die vier Einzelventile 26, 27, 28, 30 durch ein einziges Vierwegeventil ersetzt werden. Ferner können die Ventile 32 und 33 einerseits und die Ventile 36 und 40 andererseits ebenso wie die Ventile 48 und 50 durch Dreiwegeventile ersetzt werden.

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Patentanwalt Eichelbaum * Michaelstraße 4· O^^SS&fteelgyngfjausen Wk 646/83 "IJ ff ,! : .«25./&Ü} 1983

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"Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Biogas"

Stückliste:

Vorrichtung	1	31	9"	9 ···
Behälter	2
Behälterboden	2·
Behälterdecke	2"	411
Trennwand	4	6
Seite von Trennwand 4	4'
Dach	5
Schwimmkörper	7	91
zylindrischer Mantel	8
Gülle	9
Motor	10
Rührwerk	11
Eintauchtiefe	T
Längsachse	12	13"
Röhren	13	II
Ende v. Röhren 13	13'
Güllepegel	I
Drosselklappen	14
Turbulenzerzeuger	15

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Patentanwalt Eichelbaum · MtchaelatraBe 4 · D-4350 Reckllnobaueen Wk 646/83 .*.: j .· j /25-"JuIL 1983

Ansaugtrichter	16	19	22	23	24	34
Aufltritfcsdiffueoren	17	21	41	43	45	451
Ringleitung	18	37	55
Leitungen	20	53	56
Pumpe	35	38	28	30	32	33
Ventile	46	2'	47	48	50	52
Einstiegluke	25	40
Itowälzkreislauf	26
Vorratsbehälter	36
Nachlägerbehälter	29
Leitungsknotenpunkt	31
NiveauüberwäGhung	39
Überlauf	42	49'
Warmedämmuti ρ	44	51'
	49
verfahrbarer Güllebehälter	51
54
57

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Claims (10)

r Patentanwalt Eichelbaum · MfchaeJstra&e 4^D-,4350 Recklfnghausen 2 J -X- "Vorrichfcttng zur Gewinnung von Biogas" Schutzansprüche :

1. Verrichtung zur Gewinnung von Biogas durch anaerobe Fermentation von Frischgülle mit einem mit Frischgülle gefüllten, luftdichten Behälter als anaeroben Behandlungsraum, der einen gegen die Atmosphäre offenen Behälter als aeroben Behandlungsraum umgreift, wobei deren gemeinsame Trennwand einen Wärmeübertrager zwischen beiden Behältern bildet, die miteinander durch absperrbare Leitungen zum Transport der Gülle von einem zum anderen Behälter miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Behälter (2, 3) konzentrisch zueinander angeordnet und zylindrisch ausgebildet sind und der offene Behälter (3) zur aeroben Fermentation mehrere zu seiner Längsachse (12) parallel verlaufende Röhren (13) aufweist, die mit ihrem einen Ende (13*) flüssigkeitsdicht durch den Behälterboden (3¹) über regelbare Drosselklappen (14) zur Außenatmosphäre geführt sind und mit ihrem anderen Ende (13") oberhalb des größtmöglichen Güllepegels II im Behälter (3) offen enden, der mit einem

_- Behälterdach (6) versehen ist.

Patentanwalt Efghelbaum · Michaelstraße 4 · D-4350 Recklinghausen 2 f £

Wk 646/83 .* ·' 8 ^{! t#:} * I"*"

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (13) mit etwa gleichem radialen Abstand von der Längsachse (12) des offenen Behälters (3) sowie zueinander angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrisch ausgebildete Trennwand (4) auf beiden mit Gülle (9¹, 9) in Kontakt befindlichen Seiten (4¹, 4") mit Turbulenzerzeugern (15) aus vorspringenden, glatten Stäben von guter Wärmeleitfähigkeit versehen ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3,

f dadurch gekennzeichnet,

|_f daß das Behälterdach (6) mit in die Gülle (9) ein-

f tauchenden Schwimmkörpern (7) versehen und mit

|, einem zylindrischen Mantel (8) te leskopierend

beweglich zur zylindrischen Behälterwand (14) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e kennzeichnet, daß in der Mitte des Behälterdaches (5, 6) ein Motor (10) mit einem Rührwerk (11) angeordnet ist, welches in Verbindung mit dem auf der Gülle (9) schwimmenden Behälterdach (6) eine konstante Eintauchtiefe (T) aufweist.

30

Patentanwalt Eichelbaum ■ MlchaalstnaBe 4.« ,0*4350. Recklinghausen

Wk 646/83

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6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k β τι η ζ β lehnet , daß die Böden (2*, 3') beider Behälter (2, 3) über zwei dusch Ventile (32,33) absperrbare Leitungen (34, 35) miteinander verbunden sind«

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e - kennzeichnet, daß der kreiszylin- drisch ausgebildete, luftdichte Behälter (2) in der Nähe seines Behälterbodens (2*) mehrere symmetrisch angeordnete Ansaugtrichter (16) und in der Nähe seines größtmöglichen <3üllepegels (II) mehrere

Austrittsdiffusören (17) für eine überquellende

Strömung aufweist, die über getrennte, konzentrisch umlaufende Singleitungen (18, 19) sowie über von Ventilen (26, 27, 28, 30) absperrbare Verbindungen leitungen (22, 21, 24, 23) und über eine Utnwälz pumpe (25) miteinander verbunden sind und einen Ümwäl2kreisiauf (31) bilden«

30

Patentanwalt Eichelbaum · Michaelstraße 4_<: D.-4360, Pqcklinghausen 2 G 83 21 993.5 ' .^:* .^: * : i^!..i * !^Oj-Sept. 1984

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß von der tiefsten und der höchsten Stelle (2¹, 2^MI) des geschlossenen Behälters (2) Je eine über je ein Ventil (47, 48)

abspervbare Leitung (45, 46) zu einem transparenten bzw. translucent en Behälter (49) als Nivisauübe«- wachung führt, wobei die höher gelegene Leitung (46) über ein Entlüftungsventil (SGO mit einem Überlauf ■ΙΟ (51) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daü am höchstgelegenen

Ig Teil (2ⁿ) des geschlossenen Behälters (2) eine von einem Absperrventil (52) absperrbare Intnahmeleitung

(53) für das Biogas angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge«

kennzeichnet , daß der geschlossene und der offene Behälter (2, 3) mit sämtlichen Ventilen, Pumpen (25, 38) 'und Überwaehungsorganen (49) als mobile Kompakteinheit mit sämtlichen erforderlichen Anschlüssen (37* 41, 51, 53) ausgeführt und 25

gegenüber ihrer Umgebung mit einer hohen Wärmedämmung

(54) mit einem geringen Wärmedurchgangswert k«=0,4 kcal/m^hgd versehen sind.

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