DE102008038262B4

DE102008038262B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Vergärung von Biomasse

Info

Publication number: DE102008038262B4
Application number: DE102008038262A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-14
Filing date: 2008-08-14
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2028-08-15
Also published as: DE102008038262A1

Abstract

Verfahren zur Vergärung von Biomasse und Erzeugung von Biogas in einem Fermenter wobei – der Fermenterinhalt mittels mindestens einer Düse beregnet wird, wobei der Düsenstrahl zur Horizontalen in einem Winkel von 1–45° nach oben gerichtet ist, – der Gärrest in fließfähiger Konsistenz aus mindestens einer Öffnung unterhalb des Flüssigkeitsspiegels fliest, – die Zugabe von frischer Biomasse unterhalb des Flüssigkeitsspiegels oder über eine Rohrleitung erfolgt, – zur Beregnung flüssiger Fermenterinhalt aus dem unteren Bereich des Fermenters oder separierter Fermenterinhalt verwendet wird, – die Oberfläche des Fermenterinhalts durchschnittlich weniger als 0,05 m pro Minute in horizontaler Richtung bewegt wird, – keine weitergehende Vermischung, Umwälzung oder gar Homogenisierung der Biomasse durch Rühreinrichtungen oder andere Vorrichtungen zur Vermischung der Biomasse erfolgt, – der Beregnungsstrahl mehr als 50% der Oberfläche des Fermenterinhalts erreicht. – die Steuerung der Beregnung durch Steuerung der Düsenstellung und/oder durch Variation des an...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergärung von vornehmlich fester Biomasse und Erzeugung von Biogas.
Die meisten bekannten Verfahren zur Biogaserzeugung zielen auf die Vereinigung. verschiedenartiger Stoffe zu einem möglichst homogenen flüssigen Gemisch ab. Dazu wird eine Durchmischung nach einer der folgenden Methoden durchgeführt:

1. Umwälzung durch den Betrieb von in den Behältern eingebauten mechanischen Rühr- und Mischeinrichtungen,
2. Umwälzung mittels Verdrängersystem,
3. Umwälzung durch extern angeordnete Pumpen,
4. Umwälzung durch Gaseinpressung in das Gärsubstrat

Der Nachteil dabei ist dass die im Fermenter eingebaute Technik schwer zugänglich ist. Auch ist es schwierig sehr große Fermenter zu rühren. Vor allem wenn feststoffreiche, zur Sedimentation neigende Biomassen verarbeitet werden, ist ein hoher technischer Aufwand sowie meist ein hoher Prozessenergiebedarf erforderlich. Konzepte die versuchen den ganzen Fermenterinhalt mit Rührdüsen zu bewegen und umzuwälzen, anlog zu eingebauten Rührwerken, benötigen viel Pumpenenergie.
Weiter sind Verfahren der Trockenfermentation bekannt bei denen der größtenteils nicht fliesfähige Fermenterinhalt beregnet wird. Das Problem dabei ist der Ein- und Austrag von Biomasse. Entweder muss dazu der Fermenter geöffnet werden oder es sind aufwendige technische Einrichtungen im Fermenter erforderlich.
In der EP 0779920 B1 , US 4334997 A sowie DE 10157347 B4 sind Verfahren beschrieben bei denen eine auf einer Flüssigkeit schwimmende Schicht fermentiert wird. Der Nachteil dabei ist, dass der Gärrest in der schwimmenden Schicht bleibt, so ist der Austrag vor allem bei der Vergärung von strukturierten Feststoffen nicht ohne weitere technische Einrichtungen möglich. Es sind Einrichtungen wie Schnecken oder Stachelwalzen zum Auflösen, Zusammenführen und Austragen durch eine Öffnung nötig. Weiter sind auch bestimmte Behälterformen nötig um eine lineare Bewegung der schwimmenden Schicht zu erreichen. Zur Bewegung der schwimmenden Schicht werden teilweise technische Einrichtungen vorgeschlagen. Das alles hat jedoch den Nachteil von hohem technischem Aufwand in korrosiver Umgebung.
DE 203 12 688 U1 und DE 1 896 775 U (aus dem Jahre 1964) offenbaren Vorrichtungen zur Durchmischung eines Gär- oder Faulbehälters mittels einer Spritzdüse. Durch das Einspritzen wird eine Schwimm- oder Deckschicht aufgebrochen und eine Drehbewegung des Behälterinhalts erreicht.
DE 20 2007 000 387 U1 offenbart einen Feststoffeintragsschacht für Biogasfermentatoren, der es erlaubt Feststoffe unterhalb des Flüssigkeitsspiegels in den Fermenter einzubringen.
DE 20 2007 004 986 U1 offenbart eine Folien-Erdbecken-Biogasanlage, bei welcher der Fermenter mit einem doppelschaligen Tragluftfoliendach ausgeführt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergärung von fester Biomasse und Erzeugung von Biogas anzugeben. Die Vorrichtung soll einen einfachen Aufbau und einem einhergehenden geringen Investitionsaufwand sehr kostengünstig und einfach zu warten sein. Der Betrieb der Vorrichtung und das Verfahren sollen sehr energiesparend sein, und eine hohe Gasausbeute gewährleisten.
Die Erfindung löst diese Probleme auf sehr wirtschaftliche Weise durch die Merkmale des Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs 12. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
Erfindungsgemäß wird im Biogasfermenter kein homogener flüssiger Inhalt angestrebt sondern ein System von mehreren Zonen, wobei wenigstens 50%, bevorzugt 70%, des Fermenterinhaltes in fliesfähiger Form sind. Die Zonen unterscheiden sich durch unterschiedlichen Trockensubstanzgehalt und durch unterschiedliches Milieu (pH-Wert, Redoxpotential, etc) für Mikroorganismen. Zum Stoff- und Wärmeaustausch sowie zur Verhinderung des Austrocknens der Substratoberfläche wird die Substratoberfläche beregnet. Zur Beregnung wird flüssiges Substrat bevorzugt unten aus dem Fermenter entnommen und durch eine Pumpe (gegebenenfalls noch über den Substratwärmetauscher geleitet) über eine oder wenige Düsen auf die Substratoberfläche im Fermenter gespritzt. Dabei ist vorteilhaft einen Großteil der Substratoberfläche zu erreichen. Die Verteilung erfolgt jedoch nicht mit einem Rieselsystem, sondern mittels weniger (vorzugsweise 1 bis 10, besonders bevorzugt 1 bis 4) seitlich auf der Fermenterwand angebrachte Düsen. Der Strahl erreicht dabei vorzugweise mehr als 50% der Oberfläche. Erfindungsgemäß erfolgt keine weitergehende Vermischung, keine Umwälzung oder gar Homogenisierung des Fermenterinhaltes durch Rühreinrichtungen oder andere mechanische Vorrichtungen.
Der Düsenstrahl wird in einem flachen Winkel (1 bis 45°, bevorzugt 1 bis 40°, besonders bevorzugt 2 bis 30°) über die Oberfläche des Fermenterinhalts verteilt, d. h. der Strahl wird nicht direkt in den Fermenterinhalt, sondern im angegebenen Winkel nach oben, gerichtet. Durch die Beregnung wird die Oberfläche zumindest feucht gehalten. Erfindungsgemäß liegt nur in einem Teilbereich des Fermenters eine schwimmende Feststoffschicht vor. Durch entsprechende Beregnung und durch hohen biologischen Abbau, erreicht durch verschiedene Zonen und lange Verweilzeit im Fermenter, wird der Gärrest zu einem zumindest fliesfähigen Schlamm. Dies wird auch bei der Vergärung von feststoffreichen Biomassen mit einem Trockensubstanzgehalt (im Gesamt-Input) von größer 30% erreicht.
Der Gärrest fällt vorteilhaft in fließfähiger Form an. Er kann angepumpt werden oder fließt ohne mechanische Einrichtungen aus dem Behälter. Der Gärrest-Schlamm wird ohne mechanische Einrichtungen durch eine verschließbare Öffnung im unteren Bereich des Fermenters, abgelassen. Eine lange Verweilzeit im Fermenter ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht unwirtschaftlich. Feste Biomassepartikel haben im Fermenter bevorzugt eine mittlere Verweilzeit von über 100 Tagen.
Da keinerlei Einbauten und (abgesehen von den Düsen zu Beregnung und der Einfüllvorrichtung) vor allem keine mechanischen Einrichtungen im Fermenter notwendig sind, bestehen aus verfahrenstechnischer Sicht kaum Anforderungen an Größenbeschränkung der Gärbehälter sowie an die Behälterform und -bauart. Sogar bieten sich im Gegensatz zu den genanten Verfahren auch hohe Behälter an, welche ein günstiges Verhältnis von Oberfläche zum Volumen haben und meist kostengünstiger zu erstellen sind. Besonders bevorzugt sind kostengünstige Folien-Erdbecken. Durch kostengünstige (Erstellung und Betrieb) große Gärbehälter ist eine lange Verweilzeit der Feststoffe im Fermenter wirtschaftlich sinnvoll, weil der Gesamtabbau an organischer Substanz gesteigert wird und der Gärrest fließfähiger und besser zu Handhaben wird.
Die Zugabe und Entnahme von Biomasse erfolgt bevorzugt unterhalb des Flüssigkeitsspiegels im Fermenter. Bevorzugt wird die Biomasse mittels mindestens eines Einschubschachts oder mittels eines Einspülsystems in den Fermenter gebracht, oder die Feststoffe werden vor der Einbringung in den Fermenter angemaischt (in Suspension gebracht), und in den Fermenter gepumpt. Die zum Einspülen oder Anmaischen benötigte Flüssigkeit wird vorzugsweise aus dem unteren Bereich des Fermenters entnommen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Fermenterinhalt nicht vollständig homogenisiert. Die verschiedenen Gärprozesse laufen vielmehr in unterschiedlichen vertikalen Zonen im Fermenter ab, zusätzlich bilden sich horizontale Zonen aus. Im erfindungsgemäßen Verfahren kann man vorteilhaft durch entsprechende Beregnung auch gezielt in diese Zonen eingreifen und die Gärung steuern.
Die Oberfläche des Fermenterinhalts wird durchschnittlich (auf die Zeit und gesamte Oberfläche des Fermenterinhalts bezogen) weniger als 0,05 m pro Minute in horizontaler Richtung bewegt (ausgenommen Spritzer beim Auftreffen des Beregnungsstrahls).
Von der Eintragestelle der frischen Biomasse ausgehend, entstehen im Fermenter vertikale Zonen. Um die Eintragestelle (d. h. im Bereich des Einschubsschachts oder Einspülsystems) entsteht eine Vorrats- und Hydrolysezone (in der kein oder wenig Gas gebildet wird). Indem die Hydrolysezone unterschiedlich stark beregnet wird gelangen entsprechende Mengen an gelösten Stoffen (hauptsächlich organische Säuren) in die Methanisierungszone (in der der größte Teil des Gas gebildet wird) und werden dort zu Biogas umgesetzt. So entsteht ein sehr vorteilhafter Vorratsbunker mit frischer Biomasse im Fermenter, der eine diskontinuierliche Zugabe von frischer Biomasse mit Zeitabständen von bis zu 7 Tagen ermöglicht – bei nahezu gleichmäßiger Biogasproduktion, durch entsprechende Variation der Beregnung. Umgekehrt ist es durch die Steuerung der Beregnung möglich, die Gasproduktion einem ungleichmäßigen Verbrauch anzupassen. Zu diesem Zweck kann die Beregung anhand verschiedener Parameter gesteuert werden. Am einfachsten ist die manuelle oder automatische Steuerung anhand der Gasproduktion, weiter ist eine Steuerung anhand gewisser Stoffe möglich z. B. Wasserstoffgehalt im Biogas, organische Säuren in der Methanisierungszone, etc.
Im ganzen Fermenter kann durch unterschiedliche Beregnungsintensität (Flüssigkeitsmenge und Dauer) die horizontale Schichtung, und damit auch die vertikale Zonierung, des Fermenterinhaltes stark beeinflusst werden.
Es hat sich gezeigt, dass durch die Beregnung des Fermenterinhalts in den genannten flachen Winkeln mit Düsen mit voluminösem Flüssigkeitsstrahl, bei niedrigem Energieaufwand, eine ausreichende Durchmischung in Richtung der Vertikalen erzielt wird. In Verbindung mit der Beweglichkeit der Düsen ist diese Wirkung auch auf große horizontale Ausdehnung des Fermenters möglich.
Bei hoher Beregnungsintensität ist die Schichtung nur schwach ausgeprägt, d. h. der Fermenterinhalt ist horizontal relativ homogen.
Bei niedriger Beregnungsintensität ist je nach eingesetzter Biomasse eine starke Schichtung gegeben.
Welche Beregnungsintensität an welcher Stelle gewählt wird hängt sehr von der eingebrachten Biomasse ab. Bevorzug erfolgt die Beregnung mit einer Intensität zwischen 0,5 und 10 m³ Flüssigkeit pro m² Substratoberfläche und Tag.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unterliegt die eingebrachte Biomasse einer stark unterschiedlichen Verweilzeit im Fermenter. Weitestgehend abgebaute Biomasse wird in gelöster Form oder als Suspension mit feinen Partikeln durch die Beregung im Fermenter nach unten transportiert und verlässt den Fermenter schon nach wenigen Tagen. Schwer abbaubare Biomasse verbleibt als große Partikel bis zu über einem Jahr im Fermenter.
Vorteilhaft werden alle eingebrachten Feststoffe im Fermenter in einer Phase der Gärung zu einer dünnflüssigen Suspension in welcher sich eine Neuordnung und/oder Sedimentation der Feststoffe ergibt. Dazu wird eine weit von der Eintragestelle entfernte Zone im Fermenter, wo die Feststoffe schon großteils abgebaut wurden, intensiv beregnet. So wird die obenliegende Feststoffschicht vollständig zerstört und die Feststoffe sind in Suspension mit der Flüssigkeit. In diesem Zustand können sich die Feststoffe nach unterschiedlicher Dichte neu schichten. Aktive (gasbildende) Partikel befinden sich gehäuft im oberen Bereich des Fermenters (wegen des Auftriebs durch anhaftendes Gas). So wird bei der Entnahme im unteren Bereich fast nur ausgefaultes Substrat ausgetragen und ein hoher Gasertrag bei nur einem Fermenter erreicht.
Bevorzugt werden als Biomasse feuchte Feststoffe (z. B. Mist, Biomüll, Ganzpflanzensilage, etc.) mit einem Trockensubstanzgehalt von 15%–50% eingesetzt. Vorteilhaft kann der Trockensubstanzgehalt über 30% betragen. Durch die Vergärung bildet sich jedoch eine feuchte breiige Masse. Es handelt es sich um eine Nassfermentation.
Vorteilhaft ist dass erfindungsgemäße Verfahren auch zur ausschließlichen Vergärung von feuchten Feststoffen mit einem Trockensubstanzgehalt > 30% ohne die Zugabe von Flüssigkeit oder anderen Hilfs- oder Trägerstoffen geeignet.
Vorteilhaft kann auch grobe feste Biomasse in unzerkleinerter Form in den Fermenter eingebracht werden, (z. B. ganze Pflanzen von Getreide, Mais, Zuckerhirse, etc. oder Biomüll Landschaftspflegemähgut, etc.).
Bevorzugt erfolgt die Zugabe der frischen Biomasse in den Fermenter diskontinuierlich, vorzugsweise maximal einmal am Tag oder in längeren Zeitabständen, bevorzugt bis zu 7 Tagen.
Bevorzugt erfolgt neben der Zugabe der Biomasse keine Zugabe von Flüssigkeit oder anderen Hilfs- oder Trägerstoffen.
Zur Beregnung wird flüssiger Fermenterinhalt aus dem unteren Bereich des Fermenters oder separierter Fermenterinhalt verwendet. Der Beregnungsstrahl wird so eingestellt, dass er mindestens 50%, bevorzugt 65%, besonders bevorzugt mindestens 80% der Oberfläche des Fermenterinhalts erreicht.
Die Steuerung der Beregung erfolgt durch Steuerung der Düsenstellung und/oder durch Variation des an der Düse vorherrschenden Flüssigkeitsdruckes. Ein bevorzugter Druckbereich ist zwischen 0,1 und 5 bar an der Düse.
Die Variation des Druckes an der Düse wird bevorzugt durch eine veränderbare Düsenöffnung, Veränderung des Pumpendruckes und/oder Veränderung der Pumpenfördermenge erreicht.
Zur Beregnung gibt es zwei bevorzugte Vorgehensweisen, entweder wird mit einem möglichst gebündelten Strahl oder Vollstrahl gespritzt (Vorteile: weniger Ammoniak im Biogas, weniger Wärmeverlust zum Dach des Fermenters hin, starker Impuls beim Auftreffen des Strahls) oder es wird mit einem Sprühstrahl gespritzt (Vorteile: keine beweglichen Düsen nötig um nahezu die ganze Substratoberfläche zu erreichen, Auswaschen von Kohlendioxid aus dem Biogas – Reaktion mit der ammoniumhaltigen Fermenterflüssigkeit zu Ammoniumcarbonat).
Vorteilhaft kann durch die Beregnung die Gasproduktion auch nach einem ungleichmäßigen Verbrauch gesteuert werden. Bevorzugt wird die produzierte Biogasmenge, der Wasserstoffgehaltes im Biogas und/oder der Anteil organischer Säuren in der Methanisierungszone bestimmt und in Abhängigkeit dieser Daten die Beregnung eingestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäß verwendete Vorrichtung ermöglichen eine besonders effiziente Biogasproduktion in einer baulich und technisch sehr einfachen Anlage. Das bedeutet eine hohe Sicherheit und Wirtschaftlichkeit.
Durch die unempfindliche Technologie sind viele Stoffe zur Vergärung einsetzbar die bisher kritisch betrachtet wurden z. B. Biomüll, Landschaftspflegeschnitt oder Stroh Das beschriebene Verfahren bietet die Grundlage für die einfache Vorrichtung.
Die erfindungsgemäß verwendete Vorrichtung zur Vergärung von Biomasse und Erzeugung von Biogas enthält mindestens einen Fermenter.
Im Fermenter sind keine Rühreinrichtungen oder andere mechanische Mischeinrichtungen eingebaut, sondern eine oder mehrere Düsen angebracht, die der Beregnung des Fermenterinhalts dienen.
Da keine Rührtechnik in den Fermenter eingebaut wird bietet sich ein Folien-Erdbecken als Behälter ideal an. Das Erdbecken zeichnet sich dadurch aus, dass alle Kräfte vom Erdboden aufgenommen werden, die Auskleidung muss lediglich die Abdichtung gewährleisten. Das ist für diesen Zweck eine kostengünstige und sinnvolle Behälterbauweise – ohne Beschränkungen in der Größe. Dadurch ist es möglich auch große Biogasanlagen mit nur einem Fermenter zu bauen und so eine aufwändige Vernetzung zu sparen.
Es sind Folien-Erdbecken-Biogasanlagen hauptsächlich, als sehr einfache Systeme aus Entwicklungsländern bekannt. Die bei diesem System bisher bekannte einschalige Dachausführung hat jedoch einige Nachteile bezüglich der Witterungsbeständigkeit und der Gasdiffusionsdichtigkeit. Diese Probleme werden durch die vorliegende Erfindung vorteilhaft gelöst.
Die Dachfolien werden sehr einfach, lediglich durch einen entsprechend groß ausgeführten Einbindegraben gehalten und abgedichtet, so dass der Raum zwischen den Dachfolien mit einem Stützluftdruck beaufschlagt werden kann um die Witterungsschutzfolie in Form zu bringen und zu halten. Der Einbindegraben wird mit Kies verfüllt.
Bevorzugt werden, zur Vereinfachung der Herstellung, zwei Folien des Systems am Rand zusammengeschweißt, geklebt oder genäht so dass ein Sack entsteht, welcher zur Montage der weiteren Folien straff aufgeblasen und somit begehbar wird. Dann können die weitern Folien einfach darüber gelegt und im Einbindegraben eingebunden werden.
Der Fermenter enthält bevorzugt einen Einschubschacht zur Einbringung von Biomasse. Ein rechteckiger, gerade verlaufender Schacht welcher geneigt an der Fermenterwand angebracht ist, so dass die dem Fermenter zugewandte Öffnung unterhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt (eingetaucht) damit kein Biogas austreten kann. Die gegenüber bzw. außen liegende Öffnung liegt oberhalb des Flüssigkeitsspiegels so dass keine Flüssigkeit austreten kann. Der Schacht ist weiterhin so konstruiert und angebracht, dass der Feststoff, wie z. B. Gras- o. Maissilage mit einem Radlader (oder ähnliches Gerät) mit dem der Feststoff antransportiert wird, direkt durch den Schacht in den Fermenter gedrückt/geschoben werden kann.
Der Schacht kann eine Neigung von 10–45° zur Horizontalen haben, je nach eingesetztem Radlader und Art des Feststoffes. Die Länge des Schachtes richtet sich danach, wie stark der Flüssigkeitsspiegel im Fermenter der jeweiligen Anlage im Betrieb schwankt. Der Querschnitt des Schachtes soll etwas größer als die Radladerschaufel sein. Also z. B. 3 m breit und 1,3 m hoch.
In bestimmten Fällen kann es sinnvoll sein, den Schacht innen mit beweglichen oder festen Widerhaken auszurüsten damit ein Zurückgehen des hinein gedrückten Feststoffes verhindert wird.
Zur Sicherheit wird der Schacht im Ruhezustand mit einer Klappe abgedeckt, wobei eine Feststoffschicht die immer im Schacht verbleibt, durch die geringere Dichte gegenüber der Flüssigkeit auch einen Abschluss darstellt. Die Klappe kann so ausgeführt werden, dass sie durch das Befahren der Rampe, über einen Mechanismus automatisch öffnet.
Die Kante (6) des Schachtes kann mit einem gummielastischen Stück zum Anfahrschutz versehen werden.
Die Düse oder die Düsen zur Beregnung sind seitlich im Fermenter angebracht und mit einem Rohr- oder Schlauchleitungssystem und einer Pumpe verbunden, durch welche Biomasse aus dem unteren Teil des Fermenters zu den Düsen nach oben gepumpt werden kann.
Die Düsen sind bevorzugt gesteuert beweglich, vorzugsweise durch einen elektrischen oder hydraulischen Antrieb.
Die Beweglichkeit der Düse wird durch ein Schlauchstück oder Gummibalg hinter der Wanddurchführung im Fermenter hergestellt. Das ist eine sehr einfache und sichere Konstruktion da bei Bruch des beweglichen Teils keine Flüssigkeit in die Umwelt gelangt.
Zur Bewegung der Düse von außerhalb des Fermenters, wird eine Betätigungsstange durch eine flexible Manschette nach außen geführt und außen durch einen elektrischen oder hydraulischen Antrieb betätigt.
Die Düsen weisen eine Düsenöffnung mit einem Durchmesser von 40 mm bis 100 mm auf. Die Düsenöffnung kann auch veränderbar sein.
Der Fermenter ist bevorzugt mit 1–4 Düsen ausgerüstet.
Die Pumpe ist bevorzugt Druck- und/oder Volumenvariabel.
Öffnungen im Fermenter und die Düsen sind bevorzugt seitlich im Fermenter angebracht.
Wenn der Fermenter als Folien-Erbecken gebaut wird, sind diese Öffnungen und auch die Düsen bevorzugt in bzw. auf einem festen Segment angeordnet, welches im Wandbereich in das Erdbecken eingearbeitet ist. Das feste Segment wird gasdicht mit der Beckenabdichtungsfolie verbunden.
Dieses feste Segment kann aus Metall, Holz, Kunststoff oder nahezu jedem beliebigen festen Baustoff bestehen. Bevorzugt wird ein Betonwandsegment gewählt.
Der Einschubschacht oder das Einspülsystem zur Einbringung von Biomasse ist bevorzugt ebenfalls in einem festen Segment angeordnet.
Die Beheizung des Fermenters erfolgt bevorzugt über einen externen Wärmetauscher durch welchen zumindest Zeitweise die Beregungsflüssigkeit geführt wird.
Abgesehen von den Düsen (und der Einfüllvorrichtung) wird vorteilhaft keine Technik in den Fermenter eingebaut. Neben dem Fermenter ist bevorzugt ein Technikraum angeordnet, der bevorzugt die Pumpe (Substratpumpe) und weiter bevorzugt einen Substratwärmetauscher enthält. Dieser Technikraum ist bevorzugt mit dem festen Segment der erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung verbunden und kann auch mit dieser eine Einheit bilden.
Der in flüssiger Form anfallende Gärrest kann entweder direkt in einen Tankwagen abgefüllt werden oder wird in einem Gärrestelager gelagert. Das Gärrestelager kann ebenfalls als Folienerdbecken ausgestaltet sein.
Eine Nachgärkammer ist in der erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung nicht notwendig.
Durch das nachfolgende Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert, ohne die Erfindung darauf zu beschränken.
1 zeigt ein Folien-Erdbecken (1) mit einem Gasdichten Foliendach (2), die zusammen mit Betonwandsegmenten (3) den Fermenter bilden. Der Fermenter ist mit einer Düse (4) zur Beregung (11) der Oberfläche (8) des Fermenterinhaltes (9), mit einem Einschubschacht (7) zur Einbringung von fester Biomasse, sowie mit einer Pumpe (5) und einem Leitungssystem (6) ausgerüstet. Der Gärrest wird über die Rohrleitung (12) abgelassen. Das entstehende Biogas wird im Gasraum (10) aufgefangen und zur Verwertung geleitet.
Der Fermenter ist beispielsweise als Folienerdbecken in Form eines Kegelstumpfs mit einem oberen Durchmesser von 40 m und einem unteren Durchmesser von 26 m und einer Höhe von 8 m ausgestaltet. Dieser Fermenter hat einen Inhalt von ca. 6500 m³. In der Seitenwand des Fermenters sind zwei gegenüberliegende Betonelemente eingebaut, auf denen die Düsen angebracht sind. In einem Betonelement ist zusätzlich der Einfüllschacht so angeordnet, dass die Befüllung mit Biomasse unter dem Flüssigkeitsspiegel des Fermenterinhalts erfolgt. Das andere Betonelement bildet unmittelbar die Außenwand eines Versorgungsraumes, in dem die Pumpe, der Wärmetauscher und auch ein Blockheizkraftwerk angeordnet sind. In diesem Betonelement befinden sich auch die Öffnungen zur Ableitung des gebildeten Biogases. Das Biogas kann entweder direkt dem Blockheizkraftwerk zugeleitet werden oder in einem Gasspeicher gesammelt werden. Der in fliesfähiger Konsistenz anfallende Gärrest kann durch eine Öffnung im Boden des Fermenters ohne irgendwelche technische Einrichtungen entweder direkt in einen Tankwagen abgefüllt werden oder wird in einem Gärrestelager gelagert. Das Gärrestelager kann ebenfalls als Folienerdbecken ausgestaltet sein.
Eine Isolierung des Fermenters ist nicht notwendig. Zur Beheizung wird ein externer Wärmetauscher in den Pumpstrom eingebaut, über den die zur Beregnung verwendete Prozessflüssigkeit vorgewärmt wird. Vorgruben und Nachgärkammer sind nicht notwendig.
Die gasdichten Verbindungen zwischen Folienschlauch, Betonelement und Einfüllöffnungen können beispielsweise mit einer Klemmschiene aus Edelstahl hergestellt werden.
In den Fermenter wird beispielsweise Biomasse folgender Zusammensetzung gefüllt:
30% Schweinefestmist, 50% Kleegrassilage, 20% Sudangrassilage (jeweils bezogen auf die Trockenmasse). Der Trockensubstanzgehalt beträgt im Durchschnitt 35%. Alle zwei Tage erfolgt eine Zugabe von 20 Tonnen Trockenmasse.
Die Produktion beträgt im Jahresdurchschnitt ca. 6000 m³ Gas pro Tag mit einem Gehalt von 54% CH₄, 45% CO₂, 20 ppm NH₃. Diese Ausbeute entspricht circa 12000 kWh pro Tag.
2 zeigt eine alternative Ausführung des Fermenters mit 2 Düsen.
3 erläutert näher den Aufbau des Fermenters als Erdbecken. Die Witterungsschutzfolie (2a) wird sehr einfach, lediglich durch einen entsprechend groß ausgeführten Einbindegraben gehalten und abgedichtet, so dass der Raum darunter mit einem Stützluftdruck beaufschlagt werden kann um die Witterungsschutzfolie in Form zu bringen und zu halten. Der Einbindegraben wird mit Kies (20) verfüllt. Vorteilhafterweise wird die untere Dachhaut (Gasmembran) (2b) an die Beckenabdichtungsfolie (1) geschweißt (13) oder geklebt (13) so dass ein Sack entsteht, welcher zur Montage der oberen Dachhaut (Witterungsschutzfolie) straff aufgeblasen und somit begehbar wird. Dann kann die Witterungsschutzfolie einfach darüber gelegt werden, im Einbindegraben eingebunden und dann mit Luft aufgeblasen und dauerhaft in Form gehalten werden.
4 erläutert näher eine bevorzugte Ausgestaltung des Einschubschachts. Dieser ist ein rechteckiger, gerade verlaufender Schacht (14) welcher geneigt an der Fermenterwand (3) angebracht ist, so dass die dem Fermenter zugewandte Öffnung unterhalb des Flüssigkeitsspiegels (8) liegt (eingetaucht) damit kein Biogas austreten kann. Die gegenüber bzw. außen liegende Öffnung liegt oberhalb des Flüssigkeitsspiegels (8) so dass keine Flüssigkeit austreten kann. Der Schacht ist weiterhin so konstruiert und angebracht, dass der Feststoff, wie z. B. Gras- o. Maissilage mit einem Radlader (15) (oder ähnliches Gerät) mit dem der Feststoff antransportiert wird, direkt durch den Schacht (14) in den Fermenter gedrückt/geschoben werden kann. Eine Zugabe von Flüssigkeit zum Feststoff ist dabei nicht nötig.
Der Schacht kann eine Neigung von 10–45° zur Horizontalen haben, je nach eingesetztem Radlader und Art des Feststoffes. Die Länge des Schachtes richtet sich danach, wie stark der Flüssigkeitsspiegel im Fermenter der jeweiligen Anlage im Betrieb schwankt. Der Querschnitt des Schachtes soll etwas größer als die Radladerschaufel (17) sein. Also z. B. 3 m breit und 1,3 m hoch.
In bestimmten Fällen kann es sinnvoll sein, den Schacht innen mit beweglichen oder festen Widerhaken (18) auszurüsten damit ein Zurückgehen des hinein gedrückten Feststoffes verhindert wird.
Zur Sicherheit wird der Schacht im Ruhezustand mit einer Klappe (19) abgedeckt, wobei eine Feststoffschicht die immer im Schacht verbleibt, durch die geringere Dichte gegenüber der Flüssigkeit auch einen Abschluss darstellt. Die Klappe kann so ausgeführt werden, dass sie durch das Befahren der Rampe, über einen Mechanismus automatisch öffnet. Die Kante (16) des Schachtes kann mit einem gummielastischen Stück zum Anfahrschutz versehen werden.

Claims

Verfahren zur Vergärung von Biomasse und Erzeugung von Biogas in einem Fermenter wobei – der Fermenterinhalt mittels mindestens einer Düse beregnet wird, wobei der Düsenstrahl zur Horizontalen in einem Winkel von 1–45° nach oben gerichtet ist, – der Gärrest in fließfähiger Konsistenz aus mindestens einer Öffnung unterhalb des Flüssigkeitsspiegels fliest, – die Zugabe von frischer Biomasse unterhalb des Flüssigkeitsspiegels oder über eine Rohrleitung erfolgt, – zur Beregnung flüssiger Fermenterinhalt aus dem unteren Bereich des Fermenters oder separierter Fermenterinhalt verwendet wird, – die Oberfläche des Fermenterinhalts durchschnittlich weniger als 0,05 m pro Minute in horizontaler Richtung bewegt wird, – keine weitergehende Vermischung, Umwälzung oder gar Homogenisierung der Biomasse durch Rühreinrichtungen oder andere Vorrichtungen zur Vermischung der Biomasse erfolgt, – der Beregnungsstrahl mehr als 50% der Oberfläche des Fermenterinhalts erreicht. – die Steuerung der Beregnung durch Steuerung der Düsenstellung und/oder durch Variation des an der Düse vorherrschenden Flüssigkeitsdruckes erfolgt, – durch gezielte Beregnung die Gasproduktion gesteuert wird, – die Einstellung der Beregnung anhand gemessener Daten der produzierten Biogasmenge, des Wasserstoffgehalts im Biogas und/oder des Anteils organischer Säuren in der Methanisierungszone erfolgt, – die Zugabe der frischen Biomasse in den Fermenter nur einmal am Tag oder in längeren Zeitabständen erfolgt und – sich bei stark diskontinuierlicher Biomassezugabe eine Vorratszone im Fermenter ausbildet und die Beregnung so gesteuert wird, dass gezielt Biomasse von der Vorratszone in die Methanisierungszone gelangt und so eine kontinuierliche Gasproduktion erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beregnung mittels an der Behälterwand angebrachter Düsen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beregnung mit einer bis zu maximal 10 gesteuert beweglichen Düsen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beregnung mittels zu beiden Seiten hin bis zu einem Winkel von 90° schwenkbaren Düsen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Druckes an der Düse durch eine veränderbare Düsenöffnung und/oder Veränderung des Pumpendruckes und/oder Veränderung der Pumpenfördermenge erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beregnungsstrahl mehr als 80% der Oberfläche des Fermenterinhalts erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse in unzerkleinerter Form in den Fermenter eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse mittels mindestens eines Einschubschachts oder mittels eines Einspülsystems in den Fermenter gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffe in Suspension gebracht werden und in den Fermenter gepumpt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine weit von der Eintragsstelle entfernte Zone intensiv beregnet wird, dadurch in dieser Zone die obenliegende Feststoffschicht vollständig zerstört wird, wodurch es zu einer Neuschichtung der somit in Suspension mit der Flüssigkeit vorliegenden Feststoffe nach unterschiedlicher Dichte kommt, wobei ausgefaulte Bestandteile ab- und noch aktiv im Vergärungsprozess befindliche Bestandteile aufsteigen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beregnungsintensität vor der Entnahme von Gärrest reduziert wird, so dass sich eine stärkere horizontale Schichtung und damit eine selektive Verweilzeit der Feststoffe im Fermenter ergeben.
Verwendung einer Vorrichtung zur Vergärung von Biomasse und Erzeugung von Biogas mit mindestens folgenden Bestandteilen: – einem Fermenter, – wobei im Fermenter keine Rühreinrichtungen eingebaut sind, – seitlich im Fermenter eine oder mehre Düsen angebracht sind, deren Düsenstrahl zur Horizontalen in einem Winkel von 1 bis 45° nach oben gerichtet ist und deren Düsenöffnung einen Durchmesser von 40 mm bis 100 mm aufweist, – einem Rohr- oder Schlauchleitungssystem und einer Pumpe, die mit der oder den Düsen verbunden sind, – Öffnungen zur Ableitung des Biogases, – Einrichtung zur Zuführung von frischer Biomasse, – eine verschließbare Öffnung im unteren Bereich des Fermenters zum Ablassen des fließfähigen Gärrestes, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich am Fermenter ein Feststoffeintragsschacht zur Eintragung von fester Biomasse befindet, dieser ist als ein rechteckiger, gerade verlaufender Schacht geneigt an der Fermenterwand angebracht, so dass die dem Fermenter zugewandte Öffnung unterhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt (eingetaucht) und die gegenüber und außen liegende Öffnung oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt, wobei der Schacht weiterhin so konstruiert und angebracht ist, dass der Feststoff mit einem Radlader oder anderem geeigneten Gerät, mit dem der Feststoff antransportiert wird, direkt durch den Schacht in den Fermenter gedrückt werden kann.
Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schacht 10-45° Grad zur Horizontalen geneigt ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schacht im Ruhezustand mit einer Klappe abgedeckt ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe durch das Befahren der Rampe über einen Mechanismus automatisch öffnet.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen gesteuert beweglich sind.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewegung der Düse von außerhalb des Fermenters, eine Betätigungsstange durch eine flexible Manschette nach außen geführt wird.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen eine veränderbare Düsenöffnung aufweisen.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Düsen mit einem elektrischen oder hydraulischen Antrieb erfolgt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe Druck- und/oder Volumenvariabel ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungen zur Ableitung des Biogases und/oder das Leitungssystem seitlich im Fermenter angebracht sind.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermenter als Folien-Erdbecken ausgeführt ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens ein seitlich angebrachtes Betonwandsegment enthält, in dem die Öffnungen zur Ableitung des Biogases, sowie ein Teil des Rohr- oder Schlauchleitungssystems, und auf dem die Düsen angeordnet sind.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermenter mit mindestens doppelschaliger Beckenabdichtung und doppelschaligem Tragluftfoliendach ausgeführt ist und das Foliendach keine Unterkonstruktion zur Montage oder im Betrieb benötigt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragluftfoliendach, ohne Betonfundament, lediglich durch einen umlaufenden Einbindegraben gehalten wird.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Folien zu einem Sack verschweißt, verklebt oder vernäht sind.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Sack zur Montage der darüber liegenden Witterungsschutzfolie, straff aufgeblasen wird und somit begehbar ist.