DE9310503U1 - Einrichtung für die Beheizung des Zulaufs und die Verbesserung der Leistung anaerober Anlagen - Google Patents
Einrichtung für die Beheizung des Zulaufs und die Verbesserung der Leistung anaerober AnlagenInfo
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Description
EINRICHTUNG FÜR DIE BEHEIZUNG DES ZULAUFS UND DIE VERBSSSSRUNG DER LEISTUNG ANAEROBER ANLAGEN
Die erforderliche thermische Energie für den Betrieb von anaeroben
Anlagen zur Behandlung organisch konzentrierter 'Industrieabwässer
ist durch die Verbrennung des Biogases- ein Gemisch von 54- 80 Vol.% Methan, 20- 45 Vol.% Kohlendioxid, 0,1-5 VoI.%
Schwefelwasserstoff und 0- 10 VoI- % Wasserstoff- in folgenden
Einrichtungen erzeugt:
- In Warmwasserkessel (Energieträger Wasser, T ^ 65°C)
- In Heißwasserkessel (Energieträger Wasser, T > 65°C)
- In Niederdruckdampfkessel (Energieträger Dampf, P < 0,5 bar
bei T= 1100C)
- In Hochdruckdampfkessel bei T > 1100C)
(Energieträger Dampf, P > 0,5 bar
- In Gas- Motoren, wobei die Beheizung des Zulaufs der anaeroben Anlage durch die Wärmerückgewinnung des Motorkühlungswassers
und/oder der Auspuffgase erfolgt.
Die in der oben genannten Einrichtungen erzeugte Wärme wird dem Zulauf der anaeroben Anlage mittels Wärmeaustauscher bzw. durch
Austauschflächen übertragen.
Ausnahmen sind der direkt eingeleiteten Dampf mittels Dampfinjektoren
in die Flüssigkeit und die Verwertung der thermischen Energie der Verbrennungsgase der Kessel.
Die Nachteile der beschriebenen Energieerzeugung die dem Stand der Technik entsprechen, werden im folgenden erörtert.
Die Temperatur des Wärmeträgers (Warm- oder Heißwasser) muß so ausgewählt werden, daß sowohl der Kessel als auch der Wärmeaustauscher
einen sicheren Betrieb gewährleisten.
Der Schwefelwasserstoff und dessen Vebrennungsprodukt Schwefeldioxid
(SO2) wirken korrosiv und mindern damit die Lebenserwartung
des Kessels. Bevor man teuere Entschwefelungsanlagen in die Biogaslinie einsetzt, wird versucht den Schwefelwasserstoff
und Schwefeldioxid möglichst weitgehend mit den Verbrennungsgasen zu vertreiben. Das heißt letztendlich, daß die Temperatur
des Wärmeträgers der zurück zum Kessel geführt wird, desto höher sein muß desto mehr Schwefelwasserstoff das Biogas enthält.
Wird jedoch die Temperatur im Zulauf des Wärmeaustauschers dementsprechend hoch, so bilden sich in den Wärmeaustauscher
Inkrustationen, die den Wärmeübergang negativ beeinflussen oder den Wärmeaustauscher sogar verstopfen können infolge eines höheren
Feststoff- Gehalts des Abwassers.
Seite 2, GBM 2- HE/93
Um die Korrosion im Kessel und Inkrustationen im Wärmeaustauscher
kompromißlos zu vermeiden, wird ein zusätzlicher Warmwasserkreislauf
dem Hauptkreislauf (Kessel-Wärmeaustauscher)
zugeschaltet, Mittels eines Mischventils, wird der Ablauf des Wärmeaustauschers mit dem Ablauf des Kessels gemischt.
Dabei ist zu erwähnen, daß für die H2S- Korrosionsvermeidung zusätzliche
Energie verbraucht wird und, daß das Reinwasser für die Versorgung des Kessels i.d.R. aufbereitet werden muß.
Während des Betriebs o.g. thermischer Anlagen werden, vom Fall
zu Fall, sog. Korrosionsinhibitoren zugegeben oder Chemikalien die Ablagerungen (Kesselstein) auflösen, zudosiert.
All diese Maßnahmen verursachen selbstverständlich erhöhte
Betriebskosten für den Kessel und Wärmeaustauscher.
Bei direkter Dampfbeheizung kann nicht vermieden werden, daß der
zu erwärmende Zulauf des Methanreaktoren durch ziemlich große Wassermengen verdünnt wird, die durch die Kondensation des
Dampfes entstehen.
Dies kann ein besonderer Nachteil, und zwar für weniger belasteten
organische Abwässer sein, z.B. die eine CSB- Konzentration < 1000 mg/1 nachweisen, wofür anaerobe Prozesse nicht mehr geeignet
sind. Desweiteren, erfolgt ein ständiger Wasserverlust in den Kreislauf des Kessels, der ergänzt werden muß. Dabei
erfordert diese Beheizungsweise ein enthärtetes, ja sogar im Fall von Hochdruckdampfkessel, ein entsalztes Wasser.
Die Beheizung des Zulaufs mittels Verbrennungsgase des evtl. im Produktionsbetrieb vorhandenen Kessels, erfordert i.d.R. teuere
Einrichtungen für die Gasreinigung und für den Transport zur Abwasserreinigungsanlage und zurück zum Kessel (Schornstein).
Gasmotoren werden nur dann verwendet, wenn eine weitgehende Verwertung der Biogasüberschußmenge erwünscht wird. Das heißt,
daß man die thermische Energie des Biogases zunächst in mechanische und danach in elektrische Energie umwandelt
(Blockheizkraftwerke, BHKW- Anlagen). Deren Einsatz ist i.d.R.
der kommunale Bereich der Schlammfaulung.
Im normalen Zustand des Kessels beträgt dessen thermischen
Wirkungsgrad etwa 75- 80%. Das heißt, daß 1 m3 n Biogas (60 Vol.%
CH4 und ca. 40 Vol.% CO2), mit einem unteren Heizwert, Hu= 5.400
kcal/m^n nur noch 4.050 bis 4.320 kcal je m^n übertragen kann.
Der Rest von 20 bis 25% sind Wärmeverluste die bereits von dem Kessel verursacht sind. Hinzu rechnet man mit zusätzlichen
Wärmeverluste in Wärmeaustauscher, Ventilen, Armaturen, Rezirkulationspumpen,
Verrohrung und dergleichen.
Die Energiebilanz einer anaeroben Anlage, wobei nur der Methanreaktor
gegenüber Wärmeverluste durch die Mantelflächen mit Wärmedämmung versehen ist, ist z.B. durch die folgende Werte
gekennzei chnet:
Biogasproduktion (Brutto- Energie) 100%.
Seite 3, GBM 2- HE/93
Davon benötigt man i.d.R. für die Beheizung des Zulaufs der anaeroben Anlage ca. 36% , für die ges. Wärmeverluste durch
die Mantelfläche des Methanreaktoren ca. 5%. Der Rest von etwa 59% entspricht der sog. Biogasüberschußproduktion
{Netto- Energie). Die Bilanz berücksichtigt die Temperaturen der klimatischen Bedingungen des deutschen Raumes
bei einer Aufheizung des Zulaufs von min. 150C (Winterbetrieb)
auf 37"C bzw. für den Betrieb in mesophilen Bereich der Methanfaulung (T= 35- 400C).
Die Netto- Energie als Biogasüberschuß, kann man einer Verwertung außerhalb der anaeroben Anlage unterwerfen.
In zahlreichen Applikationen- die eben das Hauptthema des Gebrauchsmusters
darstellen- ist jedoch eine Verwertung der Netto-Energie nicht möglich oder nicht erwünscht bzw. zusätzliche Investitionen
für die wärmeerzeugenden Anlagen werden abgelehnt. Dies ist der Fall von Betriebskläranlagen wobei die sog. Indirekt-
Einleiter, die das Abwasser in eine kommunale Kläranlage entsorgen, eine Vorreinigung, um die Abwasserabgabegebühren zu
senken, bezweken.
Aus der technischen Sicht bleibt übrig, daß man die Ketto-Energie
(Biogasüberschußmenge) entsorgt werden muß. So wird das Biogas kontinuierlich jedoch nutzlos i.d.R. in Abfackelungsanlagen
verfeuert (Treibhauseffekt).
Der mikrobielle Abbau organischer Stoffe bis zum Biogas und anderen
Abbauprodukten erfolgt in einem umfassenden Prozeß und ist die symbiotische Stoffwechselleistung von mindestens drei Bakteriengruppen.
Fakultativ anaerobe Bakterien leisten die hydrolitische Spaltung. Die Organismen sind in bezug auf die
Substrate variabel und auch im extrem saueren Bereich und gegen geringen C^- Kontakt unempfindlich.
Die ersten Abbauschritte sind besonders für schwer abbaubare Stoffe, die fast in allen organischen Abwässern zu finden sind,
den limitierende Schritt für den ges. Prozeßablauf darstellen.
Die Vorgänge verlaufen nach dem folgenden Schema:
Polymere Substrate (Kohlehydrate, Fette, Eiweiß)
Jr HYDROLISE- PHASE Bruchstücke und gelöste Polymere
VERSÄUERUNGS- PHASE [H2 + CO23 [organische Säuren Essigsäure Alkohole]
j, Acetogene- Phase
Essigsäure (Acetat)
V Methanogene-Phase
[CH4] [CH4 + CO2]
Seite 4, GBM 2- HE/93
Infolgedessen wurden verschiedene Vorbehändlungsmethoden, um
insbesondere die Hydrolise großer "unlöslicher Moleküle die in Monomeren umgewandelt werden, zu beschleunigen, und zwar:
- Die chemische Vorbehandlung mit Säuren oder Laugen, während 1 Stunde bei pH= 1 und bzw. pH= 13. Die alkalische Vorbehandlung
beschleunigte die Hydrolyse um 30%.
- Die thermische Vorbehandlung während 1 Stunde bei 1QQ°C unter
atmosphärischen Druck. Die Hydrolise wurde um 80% beschleunigt.
- Eine kombinierte alkalisch- thermische Vorbehandlung während 1 Stunde bei pH= 13 und T= 1000C. Die Hydrolise erreichte die
doppelte Geschwindigkeit.
Die oben durchgeführten Vorbehandlungen bezogen sich auf Gülle, die wie bekannt ist, eine sehr umfangreiche Zusammensetzung von
schwer abbaubare Stoffe nachweisen kann.
Man beobachtet dabei, eine Intensivierung des ges. Prozesses
z.B. von etwa 30%, um welchen Betrag die Faulzeit bei technischen Faulanlagen verkürzt bzw. die Gasausbeute erhöht werden
könnte.
Es ist jedoch fraglich, ob man infolge einer Kosten- Nutzen-Analyse
die o.a. Vorbehandlungen u.a. aus Kostengründen allgemein einzusetzen wären, wobei selbstverständlich sowohl Chemikalien
als auch zusätzliche Energie benötigt werden.
Des Gebrauchsmusters lag die Aufgabe zugrunde eine Beheizung des Zulaufs von anaeroben Anlagen "und gleichzeitig die Verbesserung
deren Leistung ohne die beschriebenen Mängel zu schaffen.
Die anaerobe Anlage soll folgende Merkmale erfüllen:
- Die Anwendung der ges. Biogasproduktion innerhalb der Abwasserreinigung,
so daß sowohl die thermischen Anlagen für die Beheizung des Zulaufs als auch die einzelnen Anlagen der
Abwasserbehandlung ein Verfahren darstellen, eben dann, wenn eine Verwertung der Netto- Energie nicht möglich ist. Ebenso,
die Vermeidung einer nutzlosen kontinuierlichen Abfackelung der Biogasüberschußmenge (Netto- Energieproduktion).
- Die Verbesserung der thermischen Wirkungsgrade bei der Verbrennungung
des Biogases für die Beheizung des Zulaufs der Anlage
- Die Verbilligung des ges. Verfahrens in bezug auf die Investitions-und Betriebskosten der thermischen Anlagen für die
Beheizung des Zulaufs
- Je nach erzeugte Biogasmenge und Temperatur des anfallenden Abwassers, die Beschleunigung des limitierenden Schritts in
anaerobe Prozesse bzw. der Hydrolyse schwer abbaubarer ungelösten
Substrate (liquefaction) durch eine unaufwendige thermischchemische Vorbehandlung.
Seite 5, GBM 2- HE/93
Die erfindungsgemäße Lösungen besitzen die im Kennzeichen der
Gebrauchsmustersansprüche genannten Merkmale.
Die Beheizung des Zulaufs erfolgt durch das Einsprudeln der Verbrennungsprodukte
des Biogases das in einem Tauchbrenner verbrannt wurde.
Die heißen Verbrennungsgase treten aus einem unten offenen Tauchrohr unterhalb des Wasserspiegels und werden direkt mit dem
im Tauchbrennerbecken befindlichen Abwasser in Kontakt gebracht.
Mittels eines Mammutrohrs wird die Mischung des Beckeninhalts gewährleistet.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfinderischen Lösung endet
das Tauchrohr des Tauchbrenners in einem Verteilersystem als gelochte
Rohre ausgebildet und in der Nähe des Tauchbrennerbeckenbodens ausgelegt ist.
Diese Einrichtung hat den Vorteil, daß eine gleichmäßige Verteilung
der Verbrennungsgase statt findet.
Beim feinblasigen Aufsteigen kühlen sich die Abgase auf eine Temperatur ab, die nur wenige 0C über der, der Flüssigkeit liegt
und ermöglichen damit eine nahezu vollkommene Wärmeausnutzung.
Da der Wärmeübergang nicht über Wärmeaustauschflächen erfolgt,
sind Anlagen dieser Art besonders für die thermische Behandlung verschmutzter Flüssigkeiten geeignet.
Bei einem angenommenen mittleren Blasendurchmesser von Φ 6 mm
ergibt sich eine Austauschoberfläche von rd. 1.000 m2/m3 Abgas.
Durch den intensiven Wärme- und Stoffaustausch entspricht die
Taupunkttemperatur der entweichenden Verbrennungsgasen nahezu dem Partialdruck der Flüssigkeit bei der jeweiligen Betriebstemperatur
.
Dies hat zur Folge, daß bei Äbwassertemperaturen unterhalb des feuerungstechnischen Taupunktes der Rauchgase (etwa 590C bei
Methangas, ca. 54°C bei handelsüblichem Propangas und i.V. ca.
50°C bei Heizöl EL), aus der Verbrennung entstandenes Wasser kondensiert.
Bei Temperaturen bis 600C für Methangas ist also der
Wirkungsgrad bei diesem Heizverfahren höher als 100% auf den unteren Heizwert (Hu) des Biogases bezogen.
Oberhalb der Taupunkttemperatur der Rauchgase entsteht Wasserverdunstung und somit eine Äufkonzentrierung des zu behandelnden
Abwassers.
Dieser Vorgang findet zwischen 600C und 70°C statt.
Bei dem Endwert von ca. 900C wäre die ges. Gasbrennwertleistung
allein zur Verdampfung des Abwassers erforderlich.
Seite 6, GBM 2- HE/93
Die Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Temperatur, wie oben
beschrieben, ist in dem nachfolgenden Diagramm auf Methangas bezogen,
dargestellt.
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Einsprudeln von Verbrennungsprodukte (Direktbeheizung, mftteis Tauchbrenner)
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80
Unter 600C hat die Verbrennungsluftmenge keinen besonderen Einfluß
auf den Wirkungsgrad der Wärmeübetragung.
Gerade diese Temperaturen sind für die Beheizung des Zulaufs und die Verbesserung der Leistung einer anaeroben Anlage mittels
Tauchbrenner interessant.
Die Höhe des Tauchbrennerbeckens spielt bei der in der Praxis verwendeten Beckentiefen, ebenso, eine untergeordnete Rolle: die
sprudelden Rauchgase verlassen das Becken i.d.R. mit der Flüssigkeitstemperatur .
Gegenüber anderen Verfahren der Zulaufsbeheizung, wobei eine indirekte
Wärmeübertragung über Heisflächen erfolgt, erfordern Tauchbrenner einen minimalen Materialeinsatz mit dem Ergebnis
geringer Investitionskosten.
Ein Vergleich zwischen den oben beschriebenen klassischen Verfahren
der Zulaufsbeheizung und mittels Tauchbrenner ist in der folgenden 1. Tabelle dargestellt.
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Seite 7, GBM 2- HE/93
1- Tabelle für die Beurteilung der Investitionskosten
Art der Beheizung Benötigte Hauptan1agenkomponente
Warm- und Heißwasserkessel Kessel + Schornstein + Mehr zweck (*) brenner + Luftventilator oder
Gebläse + Rezirkulationspumpe +
Mischventil + Wärmeaustauscher + Verrohrung + MSR- Technik
Niederdruckdampfkessel mit Dampfinjektor (*)
- Hochdruckdampfkessel Wasseraufbereitungsanlage{Enthärtung)
+ Kessel + Schornstein + Mehrzweckbrenner + Luftventilator
oder Gebläse + Förderpumpe + Dampfinjektor + Verrohrung + MSR- Technik
nicht berücksichtigt
- Blockheizkraftwerk (BHKW) nicht berücksichtigt
- Variante 1
- Variante 2 Tauchbrenner + Mammut rohr + Luftgebläse + Rauchfangrohr +.
evtl. Tropfenabscheider +Wärmeaustauscher
mit Wärmerückgewinnung, Temperatursenkung vor dem Methanreaktor + Wärmeisolierung des
Tauchbrennergefäßes + MSR-Technik
Tauchbrenner + Verteilerrohre Luftgebläse + Rauchfangrohr + evtl.Tropfenabscheider + Wärmeasutauscher
mit Wärmerückgewinnung, Temperatursenkung vor dem Methanreaktor + Wärmeisolierung des
Tauchbrennerbeckens + MSR-Technik
(*)= Die Verrohrung, Föredreinrichtungen, RohrIsolierungen inkl.
Armaturen und dergleichen, Kessel > Abwasserreinigungsanlage
und zurück wurden nicht berücksichtigt, da verschiedene Transportlängen
des Energieträgers möglich sind.
Die wichtigsten Daten für die Beurteilung des Betriebs eines Tauchbrenners sind in der folgenden 2. Tabelle- auf Methangas
bezogen- aufgelistet.
Seite 8, GBM 2- HE/93
2- Tabelle- Kenndaten für den Betrieb eines Tauchbrenners
| Parameter | O2 | Einheit | 12 | Wert |
| - Molekulargewicht | N2 | ig) | 9 | 16,03 |
| - Spez. Gewicht | °2 | kg/m3 n | 0,715 | |
| - Heizwert, Hu | N2 | kcal/kg | .587 | |
| - deto | CO2 | ■3 kcal /ia n |
.000 | |
| - Verbrennungsluft (&lgr; = 1,0) |
H2O | |||
| CO2 | kgO2/kgCH4 | 4,00 | ||
| H2O | kgN2/kgCH4 | &Sgr;= | 13,24 | |
| m3 n/m3 nCH4 | 2,00 | |||
| m3 n/m3 nCH4 | 7,52 | |||
| - Verbrennungs- produkte 1 |
kgCO2/kgCH4 | 9,52 2,75 |
||
| I | kgH2O/kgCH4 | &Sgr; = | 2,25 | |
| m3 n/m3 nCH4 | 1,00 | |||
| m3 n/m3 nCH4 | 2,00 | |||
| 3,00 | ||||
Da die Tauchverbrennung mit Wärmeabgaben im Sprudelverfahren
vorwiegend seinen Vorteil in dem intensiven Kontakt zwischen den Verbrennungsprodukten und den zu erwärmenden Flüssigkeiten
findet, begünstigt dieses Verfahren ebenfalls den chemischen Austausch.
Jedes Rauchgasteilprodukt (insbesondere CO2) löst sich bis
zur Sättigung in Abwasser.
zur Sättigung in Abwasser.
Seite 9, GBM 2- HE/93
Durch das Einleiten der CC^- haltigen Verbrennungsgase inkl.
des CO2 aus Biogas in Abwasser kann das Abwasser angesäuert oder
neutralisiert werden. So werden alkalische Abwasser, wie z.B.
aus der Textil- oder Getränkeindustrie neutralisiert und weiterhin angesäuert.
Aufgrund der ziemlich geringen Löslichkeit von CO2 ist eine
Übersäuerung nicht möglich. So stellt sich i.d.R. einen pH-Wert von etwa 3,0 bis 5,0 ein.
Wird ein Versäuerungsreaktor - der auch die Aufgabe eines Misch-
und Ausgleichsbeckens übernimmt bzw. die Ausgleichung der
Ganglinie des Zulaufs- dem Methanreaktor vorgeschaltet und auf den Misch- und Ausgleichsbecken insofern verzichtet, so werden
die biologische Äbbauprozesse der Versäuerungsphase durch die beschleunigte Einstellung der o.a. pH- Werte weitgehend unterstützt
(s. dazu auch die folgende 3. Tabelle).
Die Stickoxide sind nur als Spurenelementen zu finden und wandeln sich bei niedrigeren Mengen in salpetrigen und Salpetersäure
um. Sauerstoff ist bei normalen Arbeitsbedingungen kaum vorhanden.
Ein Biogas enthält ca. 20- 45 Vol.% Kohlendioxid. Der Überschuß,
nicht gelöst, oder durch chemischen Reaktionen gebunden (H2CO3 oder HCO3~), weicht mit den Verbrennungsgasen aus.
Die nachträgliche pH- Abstimmung auf neutrale Werte, vor dem Methanreaktor, erfordert einen niedrigeren Verbrauch an Neutralisationschemikalien,
infolge der ausgezeichneten Pufferkapazität des Abwassers, nach der Behandlung mit Verbrennungsgasen des Tauchbrenners
Für die Entsorgung der Verbrennunsgase aus dem Tauchbrennerbecken - hauptsächlich Kohlendioxid und Wasser - stehen
folgende Möglichkeiten zur Verfugung:
- Über den Biofilter, der die verschmutzte Luft der ges.Anlage
behandelt. Der Wassergehalt der Verbrennungsgagse ergänzt den Wasserbedarf des dem Biofilters vorgeschalteten Befeuchters.
Das Biofilterverfahren, empfiehlt sich für volumenmäßig hohen und konzentrationsmäßig geringen Abluftströmen (z.B. geringe
Schwefeldioxidkonzentration), als eine billige Alternative.Z.B.
Biofilter nach VDI- Richtlinie (Entwurf) 3477 .
- Nach Entfeuchtung mittels Tropfenabscheider oder Kondenstopf,
die Ableitung der Verbrennungsgase in die Luft, ähnlich einer Abfackelung, jedoch evtl. mit Abwärmenutzung der Verbrennungsgase,
um die ges. Energiebilanz des Systems, wenn erforder lich bzw. bei niedrigen Temperaturen des Zulaufs, zu verbessern.
- Mit Verbrennungsgasen eines im Betrieb vorhandenen Kessels. Eine Energierückgewinnung ist auch in diesem Fall möglich.
Die 3. Tabelle stellt die wichtigsten Verfahrenskoraponenten
einer anaeroben Anlage dar.
Seite 10, GBM 2- HE/93
3- Tabelle, Verfahrenskomponente einer anaeroben Anlage
| Verfahrenskomponente | Zweck des Einsatzes |
| Pumpensumpf | Gewährleistung des einwand freien Betriebs der Förder- pumpen zur Anlage |
| Feinrechen- Feinsiebe (*) |
Feststoffeliminierung im Be reich 30- 0,5 mm |
| Misch- und Ausgleichsbecken | Ausgleich der Ganglinie des Abwassers- Verweilzeit i.d.R. » 1 Std. Mechanische Mischeinrichtung |
| Dosierstation + Statischer (on line) Mischer |
Nährstoffzugabe (N, P), wenn erforderlich |
| VerSäuerungsreaktor mit oder ohne vorgeschalteter Wärme austauscher - |
Hydrolise- und Versauerungs- phase. |
| Neutralisationsstation + Statischer (on line) Mischer |
pH- Wertabstimmung vor dem Methanreaktor |
| Wärmeaustauscher | Temperaturerhöhung auf min, 350C vor dem Methanreaktor |
| Methanreaktor in verschie dene Ausführungen |
Abbau organischer Stoffe bis zur Endprodukte, CH^, CO2 usw. |
| Biogaslinie inkl. Abfacke- lungsanlage als Sicher heitseinrichtung |
Transport, Entfeuchtung und Gewährleistung von Sicherheitsmaßnahmen für die Beheizung des Zulaufs und evtl. Verwertung |
| Biofilter mit Befeuchtugs- einrichtung |
Reinigung der verschmutzten Abluft in verschiedenen Ver fahr enskomponenten |
| Nachbelüftungsbecken | Abstoppen anaerober Prozesse Entfernung von Geruchsstoffen Sauerstoffeintrag |
| Biomassespeicher und Schiammentwässerungs- einrichtungen |
Schlammstapellung und Entsor gung |
(*)= Evtl.auch andere Einrichtungen wie z.B. Vorklärbecken,
Flotationsanlagen, öl- oder Fettabscheider usw.
Seite 11, GBM 2- HE/93
Das Gebrauchsmuster wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Äusführungsbeispiele im Zusammenhang mit den belügenden
Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
Fig.l Einen Tauchbrenner mit Mammutrohr und Tauchbrennergefäß
Fig.2 Einen Tauchbrenner mit Verteilersystem der Verbrennungsgase
und Tauchbrennerbecken
Dem Stand der Technik betreffende Zeichnungen. Es zeigen:
Fig.3 Beheizung des Zulaufs mittels Warmwasserkessel und
Wärmeaustauscher
Fig.4 Beheizung des Zulaufs mittels Miderdruckdampfkessei
und Dampfinjektor
Eine in Figur 1 dargestellte Einrichtung für die Direktbeheizung des Zulaufs erfolgt in Misch- und Ausgleichsbecken bzw. in
Brennergefäß (4). Der zu beheizende Zulauf gelangt im Brennergefäß (4) durch das Einlaßrohr (9) und kommt unmittelbar mit den
heißen Verbrennungsgasen des Tauchbrenners (1) in Kontakt. Die Verbrennungsgase- durch die Verfeuerung des Biogases als Endprodukt
der Methanisierung- sind im Brennkammer (2) unter Luftüberüberschuß
bei X max.= 1,20 erzeugt.
Die Verbrennungsluft wird mittels eines Drehkolbengebläses oder Ventilators in die Brennkammer (2) eingepreßt die durch das
Eilaßstutzen (8) mit Verbrennungsluft versogt ist. Die
Brennkammer (2) befindet sich oberhalb des Wasserspiegels bzw. es handelt sich um eine ungeflutete Brennkammer die auf dem
Deckel des Brennergefäßes (4) mit Wärmeisolierung versehen oder unterirdisch inkl.Wärmeisolierung aufgestellt ist, um die erwünschte
Innentemperatur aufrecht, bei minimalen Wärmeverluste, zu erhalten. Die unterirdische Aufstellung des Brennergefäßes
(4) ermöglicht dessen vollen Integrierung in eine typisch platzsparende anaerobe Anlage.
Eine Beanspruchung des Werkstoffes der Brennkammer (2) durch Überhitzung, wird durch Luft, die aus einer Abzweigung des
Einlaßstutzen (8), die die Brennkammer (2) umströmt, vermieden.
Die Brennkammer (4) ist so ausgebildet, daß sie durch ein verlängertes
Tauchrohr (5) in die zu erwärmende Flüssigkeit eindringt.
Am unteren Ende ist das Tauchrohr (5) mit Austrittsöffnungen (7) versehen, wodurch die heiße Verbrennungsase in die Flüssigkeit
durchströmen.
Seite 12, GBM 2- HE/93
Je nach Betriebstemperatur des Tauchbreners (1), und zwar unterhalb
des Taupunktes des Biogases, kondensiert mehr oder weniger Wasserdampf der Verbrennungsgase. Diese verlassen den Tauchbernnergefäß
(4) durch das Auslaßrohr (3). Die Entfeuchtung der Verbrennungsgase erfolgt entweder in einem Kondestopf oder in
einem Tropfenabscheider, wobei die erste Einrichtung ist dann bevorzugt, wenn eine Verdünnung des Brennergefäßes, durch eine
unvollständige Entfeuchtung des Biogases in der Biogaslinie der Anlage, innerhalb unerwünschten Grenzen erfolgt.
Die Entsorgung der Verbrennungsgase, mit oder ohne Energierückgewinnung
über einen Wärmeaustauscher, erfolgt direkt in die umgebende Luft oder durch die auf Seite 9 vorgeschlagene Lösungen
.
Eine Luftverschmutzung ist i.d.R. ausgeschlossen. Enthält jedoch das Biogas sehr hohe Mengen an Schwefelwasserstoff, wie dies der
Fall z.B. bei der Behandlung fett- und sulfathaltigen Abwässern
der Speisefettraffinerien ist, so sind bereits in der Biogaslinie
des Methanreaktoren Entschwefelungsanlagen eizusetzen.
Die Misch- und Ausgleichsbecken der anaeroben Analgen sind
i.d.R. für Verweilzeiten die weit über 1. Stunde liegen, ausgelegt. Das heißt, daß die vorgeschlagene thermisch- chemische
Vorbehandlung des Zulaufs, um die Hydrolyse- und Versäuerungsphase
der ungelösten Stoffe dadurch zu beschleunigen, als Nebeneffekt der direkten Beheizung, statt finden kann.
Der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung erreicht Werte von mindestens
100% vom unteren Heizwert (Hu) des Biogases.
In einer weiteren AusgestalItung der vorgeschlagenen direkt Beheizung
des Zulaufs gem. Figur 2, ist das Tauchrohr (5) durch Verteilerrohre (11, 11') ergänzt.
Im Gegensatz dazu, wie aus der Figur 2 zu entnehmen ist, erfolgt eine gleichmäßige Eintragung der heißen Verbrennungsgase in die
Flüssigkeit. Die Verteilerrohre sind in beiden Richtungen (11)
und (II1) gegenüber des Tauchrohres (5) eingeordnet und decken
bei möglichst verschiedenen Belegungsdichten (lfm Rohr/m2 Boden) den Beckenboden ab. Desweiteren, ist das Verteilersystem mit
wahlweise verschiedenen Dichten der Äustrittsöffnungen (7) versehen
.
Um die Verteilung der Verbrennungsgase und die Beanspruchung des
Werkstoffes der Verteilerrohre (11, 11') zu mindern, ist anstatt
von Edelstahl gelochte Rohre, keramische, hitzebeständige Rohre mög1i chst, anzuwenden.
Die AusgestalItung der erfinderischen Lösung für die Beheizung
des Zulaufs einer anaeroben Anlage gem. Figur 2, ist für mittelmäßige und größere Misch- und Ausgleichsbecken vorgeschlagen.
Ebenso, für die Direktbeheizung von Versäerungsreaktoren, wenn der anaerober Abbau deren Einsatz erfordert.
Seite 13, GBM 2- HE/93
Gegenüber der Beheizung des Zulaufs nach dem Stand der Technik, übernimmt die Direktbeheizung mittels Tauchbrenner die folgenden
vielseitigen Aufgaben, die in einem Verfahrensschrittschritt erfolgen, und zwar:
Die Wärmeübertragung bei höchstmöglichen thermischen Wirkungsgrade
Die Ausgleichung der Ganglinie des Abwassers ohne zusätzliche mechanische Rührwerke
Die thermisch- chemischen Vorbehandlung bzw. die Beschleunigung des limitierenden Schritts, die Hydrolise großer Moleküle
ohne zusätzliche Chemikalien oder thermische Energie
Die anaerobe Abwasserreinigungsanlage trägt sich von selbst, sie benötigt keine aufwendige und kostspielige thermische Einrichtungen
die i.d.R. nur im Betrieb für Produktionszwecken vorhanden sind, oder aber zusätzliche Investitionen erfordern.
Die Figur 3 stellt die Beheizung des Zualufs einer anaeroben Anlage
nach dem Stand der Technik dar. Sie berücksichtigt die Beheizung
mit Wärmeträger Warmwasser bei T2= 650C.
Der Zulauf (9) ist in den Misch- und Ausgleichsbecken (12) der
anaeroben Anlage befördert. Nach der Ausgleichung und Mischung des Abwassers wird der Zulauf (9) einer Aufheizung auf etwa 35
bis 400C in dem Wärmeaustauscher (17) unterworfen. Der Energieträger,
Warmwasser verläßt den Wärmeaustauscher (17) bei einer Temperatur von T3= 550C. Diese Temperatur muß vorhanden sein,
um sowohl Korrosionserscheinungen im Kessel (13) als auch Inkrustationen im Wärmeaustauscher (17) vermieden zu werden.
Die Abstimmung der o.a. Temperatur erfolgt durch den vorgeschalteten
Heißwasserkreislauf der den Mischventil (15) und die Beförderungspumpe
(16) beinhaltet. So wird die Temperatur T^ auf 75°C erhöht, mit dem Zweck Korrosionsvermeidung und die Temperatur
T1= 85°C auf T2= 65"C gesenkt, um Inkrustationen im
Wärmeaustauscher (17) zu unterbinden.
Das Biogas (8) wird i.d.R. in den Mehrzweckbrenner (18) z.B.
sowohl für die Verfeurung von Heizöl als auch Biogas ausgelegt verwertet, jedoch im Fall eines Ausfalls der Biogasproduktion
bzw. Betriebsstörung in der Abwasserreinigungsanlage, wird der Betrieb des Heißwasserkessels (15) weiterhin gewährleistet.
Der aufgeheizte Ablauf (10) des Wärmeaustauschers (17) ist der Abwasserreinigungsanlage zugeführt bzw. dem Methanreaktor.
Seite 14, GBM 2- HE/93
Die Verbrennungsgase verlassen den Heißwasserkessel durch den
Schornstein (14) und werden in die umgebende Luft abgeleitet.
In einer weiteren AusgestalItung der dem Stand der Technik entsprechenden
Beispiel ist in Figur 4 dargestellt.
Es handelt sich, um die Beheizung des Zulaufs (19) mittels Niederdruckdampf (P
< 0,5 bar) und Dampfinjektor (22).
Der Zulauf (9) der Abwasserreinigungsanlage ist in den Misch-und Ausgleichsbecken (12) befördert, wo die Ausgleichung der Abwasserganglinie
mittels eines mechanischen Rührwerks (23) bei den erforderlichen Verweilzeiten statt findet und danach einer
direkten Beheizung durch Dampfinjektion in den Dampfinjektor
(22) unterworfen ist.
Der Dampfverbrauch ist durch die zu erhitzende Flüssigkeitsmenge (9), deren Anfangstemperatur, die Wärmeverluste an die Umgebung
und insbesondere durch die Heizdauer, bestimmt. Die Menge des Abwassers wird entsprechend vergrößert was eine ergänzende
Frischwassermenge erforderlich macht. Da es, um die Erzeugung
von Dampf die Rede ist, wird das Frischwasser (19) in eine Enthärtungsanlage (20) behandelt. Der Dampfinjektor (22) ist
gegenüber Wärmeverlusten und Geräuschpegel zu isolieren.
Anaerobe Abwasserreinigungsanlagen, die durch den Einsatz von leistungsfähigen Reaktoren gekennzeichnet sind, wie die UASB-Festbett-
und TeiIfestbettreaktoren, erfordern eine bestimmte nicht weitgehend abweichende Schmutzfracht (Kg CSB/d). Eine
Verdünnung des Zulaufs (19) unter bestimmten Grenzen ist nicht erwünscht. Dabei ist, bei der Beheizung mittels Dampfdirekteinleitung
mit einer kontinuierlichen Ergänzung der Frischwassermenge
zu rechnen, die- wie oben erwähnt- in eine ziemlich aufwendige Aufbereitungsanlage (20) zu behandeln ist.
Bei größeren Zulaufmengen (9) erfordert die ges. Beheizungsanlage mit Dampfkessel (21) und Dampfinjektor (22) hohe Investitions-
und Betriebskosten.
Claims (17)
1. Misch- und Ausgleichsbecken (4) einer anaeroben Anlage die insbesondere organisch konzentrierte Abwässer behandelt, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beheizung des Zulaufs (9) der anaeroben Anlage in dem Misch- und Ausgleichsbecken (4) durch die
Eintragung der heißen Verbrennungsgase des zumindest eines Tauchbrenners (1) ohne Austauschflächen direkt in das zu
erwärmende Abwasser erfolgt und, daß die Verbrennungsgase durch die Verfeuerung des in der anaeroben Anlage erzeugten Biogases
entstehen und, daß der Misch- und Ausgleichsbecken (4) gegenüber Wärmeverluste durch dessen Mantelflächen in die unmittelbare
Umgebung, mit Wärmedämmung versehen ist.
2.Misch- und Ausgleichsbecken (4) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mischung bzw. die Ausgleichung der
Ganglinie des ankommenden Zulaufs (9) durch die Bildung einer Wässerwalze erfolgt, die von oben nach unten innerhalb des
Misch- und Ausgleichsbeckens (4) verläuft, mittels eines Mammutrohrs (6) erzeugt wird und dem Tauchbrennerrohr (5)
konzentrisch in einem gewissen Abstand eingeordnet ist und, daß das Tauchbrennerohr (5) mit Austrittsöffnungen (7) am unteren
Ende für die Durchströmung der Verbrennungsgase versehen ist, wobei wahlweise die Austrittsöffnungen (7) peripher dem
Tauchbrennerrohr (5) eingeordnet sind und/oder das verschlossene Ende des Tauchbrennerrohres (5), als gewölbte Endplatte ausgebiIdet,
durchlochen.
3. Misch- und Ausgleichsbecken (4) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die direkte Einleitung der
Verbrennungsgase eine spezifische Mischleistung von etwa Beckeninhalt gewährleistet und, daß die Austrittsöffnungen (7)
Durchmesser zwischen 2 und 10 mm betragen und, daß der Abstand des Mammutrohrs (6) zum Tauchbrennerrohr (5) dementsprechend
angepaßt ist.
4. Misch- und Ausgleichsbecken (4) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchbrenner {!) sowohl auf die
Abdeckung des Misch- und Ausgleichsbeckens (4) aufgestellt ist so, daß das Tauchbrennerrohr (5) senkrecht gegenüber der
Abdeckung des Misch- und Ausgleichsbeckens (4) eingeordnet ist, als auch seitlich durch die Mantelfläche in den Misch-und
Ausgleichsbecken (4) eindringt und, daß diese Einbauart so erfolgt, daß das Tauchbrennerrohr (5) entweder unter einem
rechten oder einem flachen Winkel gegenüber der Mantelfläche steht.
Seite 2, Ansprüche- GBM 2- HE/93
5- Misch- und Ausgleichsbecken (4) nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchbrenner (1) mit einer ungefluteten Brennkammer (2) versehen ist.
6. Misch- und Ausgleichsbecken (4) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der Brennkammer (2)
mittels eines Teils der erforderlichen Verbrennungsluft, die das Einlaßrohr (8) durchströmt gekühlt wird und, daß die Kühlungsluft
als Verbrennungsluft wiederverwendet wird und, daß
dabei die Leistung des Verbrennungsprozesses um mindestens 20% erhöht wird, so daß man in der Lage ist auch minderwertige Biogase
bzw. mit unteren Heizwerten von höchstens 2500 kcal/Hi^n
noch zu verbrennen.
7. Misch- und Ausgleichsbecken (4) nach Anspruch 1, 3, 4, 5 und
6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintragung der Verbrennungsgase des Tauchbrenners (1) in die Flüssigkeit als Sprudelverfahren
erfolgt, wofür das Tauchbrennerrohr (5) am unteren Ende in der Nähe des Bodens des Misch- und Ausgleichsbeckens (4) mit
Verteilerrohre (11, 11*) beidseitig gegenüber der Tauchbrennerrohrachse
star verbunden ist.
8. Misch- und Ausgleichsbecken (4) nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Belegung des Tauchbrennerbeckenbodens
wahlweise durch die Anzahl der Verteilerrohre
(11, 11') und/oder die Anzahl der Äustrittsöffnungen (7), einen
breiten Bereich für die Verteilung von verschiedenen Mangen von Verbrennungsgasen abdecken kann.
9. Misch- und Ausgleichsbecken (4) nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 5,
7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerrohre (11, 11') keramische, hitzebeständige Rohre sind und, daß die
kleinste Pore größer als 300 Mikron ist.
10. Misch- und Ausgleichsbecken (4) nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchbrenner (1) in einem Temperaturbereich
von 20 bis 65°C für die Beheizung des Zulaufs (9) eingesetzt wird, wobei der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung,
auf den unterern Heizwert des Biogases bezogen, mindestens 90% beträgt.
Seite 3, Ansprüche- GBM 2- HE/93
11. Misch- und Ausgleichsbecken (4) nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchbrenner (1) bei einem &lgr; Wert
zwischen 0,80 und 1,50 für die tatsächlich benötigte Vebrennungsluft für die Verfeuerung von verschiedenen Biogase in
bezug auf ihre Zusammensetzungr betrieben ist.
12. Misch- und Ausgleichsbecken (4) nach Anspruch 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß durch dessen Einsatz in einer anaeroben
Anlage benötigt diese keinen zusätzlichen Energiebedarf für die Beheizung des Zulaufs (9) auf eine Temperatur die den
sicheren Betrieb der anaeroben Anlage im mesophilen Bereich der Methanfaulung gewährleistet und daß, keine zusätzliche thermische
Anlagen wie z.B. Kessel oder Gas- Motoren einzusetzen sind, es sei denn, die anaerobe Anlage trägt sich von selbst und
benötigt keine fremde Energieerzeuger.
13. Misch- und Ausgleichsbecken (4) nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydrolise schwer abbaubarer
Stoffe, wie z.B. Hemicellulosen, Eiweiß, Fette und dergleichen,
bereits in dem Misch- und Ausgleichsbecken (4) statt findet oder mindestens weitgehend eingeleitet ist, infolge der direkten
Eintragung der Verbrennungsgase des Tauchbrenners (1) und, daß die gesamte Biogasproduktion innerhalb der anaeroben Anlage
benützt wird, und zwar derart, daß eine kontinuierliche
Abfackelung des Biogasüberschusses bzw. der Netto-Energieproduktion,
wenn keine sinnvollere Energierückgewinnung in fremde energieerzeugenden Anlagen möglich oder erwünscht ist,
sich erübrigt.
14. Misch- und Ausgleichsbecken (4) nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß für die Durchführung oder Einleitung der Hydrolise schwer abbaubarer Stoffe, keine Chemikalien, deren
Aufbereitung- und Dosierstation erforderlich sind.
15. Misch- und Ausgleichsbecken (4) nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei max. Temperaturen des Zulaufs
(9) von 60 bis 65°C und eine Verweilzeit im Misch- und Ausgleichsbecken
(4) von mindestens eine Stunde, die Hydrolise schwer abbaubarer Stoffe wie Kohlehydrate, Fette, Eiweiß und
dergleichen, um mindestens 50% beschleunigt wird.
Seite 4, Ansprüche- GBM 2- HE/93
16. Misch- und Ausgleichsbecken (4) nach Anspruch 13 und 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die direkte Einleitung der Verbrennungsgase des Tauchbrenners (1), vorwiegend Kohlendioxid, keine
Übersäuerung des Zulaufs (9) verursacht, im Gegenteil gewinnt das Abwasser an Pufferkapizität und, daß infolgedessen eine
Chemikaiieneinsparung für die pH-Wertabstimmung vor dem
Methanreaktor auf etwa neutrale pH- Werte von ca. 7,0 bis 8,0, um mindestens 20% ermöglicht, im Vergleich zu klassische Beheizungsverfahren
des Zulaufs (9), die für die Wärmeübertragung beheizte Flächen bzw. Wärmeaustauscher einsetzen.
17. Misch- und Ausgleichsbecken (4) als Versäuerungsreaktor in der anaeroben Anlage integriert bzw. dem Methanreaktor vorgeschaltet,
nach Anspruch 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung des Zulaufs (9) und die Beschleunigung der Hydro-Use
schwer abbaubarer Stoffe in den Versäuerungsreaktor statt finden, infolge der Eintragung von heißen Verbrennungsgasen des
zumindest eines Tauchbrenners (1) ohne Austauschflächen direkt
in das zu erwärmende Abawsser erfolgt und, daß der Versäuerungsreaktor gegenüber Wärmeverluste durch dessen Mantelflächen in
die unmittelbare Umgebung, mit Wärmedämmung versehen ist.
Hierzu 2 Seiten Zeichnungen
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE9310503U DE9310503U1 (de) | 1993-07-14 | 1993-07-14 | Einrichtung für die Beheizung des Zulaufs und die Verbesserung der Leistung anaerober Anlagen |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE9310503U DE9310503U1 (de) | 1993-07-14 | 1993-07-14 | Einrichtung für die Beheizung des Zulaufs und die Verbesserung der Leistung anaerober Anlagen |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE9310503U1 true DE9310503U1 (de) | 1994-02-17 |
Family
ID=6895577
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE9310503U Expired - Lifetime DE9310503U1 (de) | 1993-07-14 | 1993-07-14 | Einrichtung für die Beheizung des Zulaufs und die Verbesserung der Leistung anaerober Anlagen |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE9310503U1 (de) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0908685A3 (de) * | 1997-10-09 | 2001-05-09 | GIWATEC Gesellschaft zur Entwicklung innovativer wärmeerzeugungs- und unwelttechnischer Verfahren mbH | Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit |
| EP1736445A1 (de) * | 2005-06-24 | 2006-12-27 | Biothane Systems International B.V. | Anaerobe Behandlung von beheiztem Abwasser |
-
1993
- 1993-07-14 DE DE9310503U patent/DE9310503U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0908685A3 (de) * | 1997-10-09 | 2001-05-09 | GIWATEC Gesellschaft zur Entwicklung innovativer wärmeerzeugungs- und unwelttechnischer Verfahren mbH | Vorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit |
| EP1736445A1 (de) * | 2005-06-24 | 2006-12-27 | Biothane Systems International B.V. | Anaerobe Behandlung von beheiztem Abwasser |
| WO2006137735A1 (en) * | 2005-06-24 | 2006-12-28 | Biothane Systems International B.V. | Anaerobic purification of heated waste water |
| US7914675B2 (en) | 2005-06-24 | 2011-03-29 | Biothane Systems International B.V. | Anaerobic purification of heated waste water |
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