DE20104931U1 - Anlage zur Erzeugung von Biogas unter Verwendung von in der Agrarproduktion gewonnenen Feststoffen - Google Patents

Description

Anmelder:

Hans-Hermann JACOBS
llhorn 1

D-29643 Neuenkirchen, DE

Vertreter: Patentanwälte

Walther ■ Walther & Hinz
Heimradstr. 2
34130 Kassel, DE

Kassel, den 21. März 2001 Anwaltsakte 21113 Aktenzeichen N. N.

Anlage zur Erzeugung von Biogas unter Verwendung von in der Agrarproduktion gewonnenen Feststoffen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Biogas unter Verwendung von in der Agrarproduktion gewonnenen Feststoffen, mit einem ein Gärmedium aufnehmenden Gärbehälter und mit einem die zur Vergärung vorgesehenen Feststoffe aufnehmenden Vorratsbehälter.

Bei der Erzeugung von Biogas (unter anderem Methan) werden biologische Abfälle wie beispielsweise Gülle, Altfette, Bioabfälle, Essensreste oder dergleichen in einem Gärbehälter vergoren. Das dabei entstehende Biogas wird anschließend in einem Verbrennungsmotor, vorzugsweise einem auf Schwachgas umgerüsteten Dieselmotor, verbrannt und über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt. Die dabei entstehende Abwärme des Motors wird dabei, wenn überhaupt, nur extensiv genutzt.

Bei der aus der DE-OS 29 24 387 bekannten Biogasanlage befindet sich im Gärbehälter (auch Fermenter genannt) ein Gärmedium, mittels dem das später zu verbrennende Biogas erzeugt wird. Dabei füllt das Gärmedium den Gärbehälter nur teilweise, denn auf dem Gärmedium befindet sich eine Schwimmdecke und oberhalb der Schwimmdecke muss ein Raum zur Aufnahme des Biogases verbleiben. Da die zur Vergärung benötigten Ausgangsstoffe wie beispielsweise Gülle, Altfette, Speiseabfälle oder andere gärbare Flüssigkeiten nicht unbegrenzt zur Verfügung stehen, werden zunehmend Feststoffe, wie beispielsweise Mais, Rüben, Obst, Gemüse, Getreide, Stallmist oder andere in der Agrarproduktion gewonnene Feststoffe eingesetzt. Diese Agrar-Feststoffe können kostengünstig auf stillgelegten und/oder kontaminierten Agrarflächen angebaut werden, um so einen kostengünstigen.Rohstoff zu erhalten oder es wird der ohnehin vorhandene Stallmist verarbeitet. Diese unbegrenzt nachwachsenden Rohstoffe und/oder der Stallmist werden in einer Vorgrube verflüssigt, um sie dann dem Gärbehälter zuzuführen. Auch ist es möglich, die zur Vergährung vorgesehenen Feststoffe direkt in den Gärbehälter einzugeben, jedoch muss hierbei auf eine vergleichsweise genaue Dosierung geachtet werden. Aus diesem Grunde muss das Bedienpersonal eine vorbestimmte Menge der Feststoffe innerhalb bestimmter Zeitintervalle aus einem Vorratsbehälter in Gärbehälter transportieren. Dies ist nicht nur sehr arbeitsintensiv, sondern erfordert auch ein permanent anwesendes Bedienpersonal.

Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Anlage zur Erzeugung von Biogas unter Verwendung von kostengünstig zu erzeugenden oder zu erhaltenden Agrar-Feststoffen zu schaffen, die eine personalsparende Beschickung des Gärbehälters mit schüttbaren Agrarprodukten ermöglicht.

Als technische Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Anlage sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Eine nach dieser technischen Lehre ausgebildete Anlage hat den Vorteil, dass die Beschickungsvorrichtung eine vorher eingestellte Menge der Feststoffe genau kontrolliert und selbsttätig, d. h. ohne Zutun des Bedienpersonals in den Gärbehälter einbringt. Folglich muss das Bedienpersonal lediglich dafür Sorge tragen, dass im Vorratsbehälter genügend Feststoffe zur Verfügung stehen. Dabei ist es möglich, den Vorratsbehälter so zu dimensionieren, dass ein für mehrere Tage ausreichender Vorrat eingefüllt werden kann. Hierdurch kann beispielsweise am Wochenende auf Bedienpersonal verzichtet werden.

Die Einbindung des Preßrohres in den Gärbehälter unterhalb der Schwimmdecke hat den Vorteil, dass durch das Preßrohr keine im Gärbehälter befindlichen Gase austreten können, da die Mündung des Preßrohres vollständig vom Gärmedium abgedeckt wird.

Mittels der Preßvorrichtung werden die schüttbaren Agrarprodukte verdichtet und in das Preßrohr eingedrückt. Hierdurch bilden die verdichtenden Feststoffe eine Art Pfropfen und verhindern, dass Gase und/oder üble Gerüche aus dem Gärbehälter ins Freie dringen. Dieser Effekt wird dadurch noch weiter verstärkt, dass das Aufnahmerohr der Preßvorrichtung einen größeren Druchmesser, als das Preßrohr selbst

aufweist. Hierdurch muss dieser Pfropfen beim Austritt des Aufnahmerohres und bei dem Eintritt in das Preßrohr nochmals verdichtet werden, so dass der Pfropfen noch weniger Gase und/oder Gerüche durchlässt.

Die Anordnung der Preßvorrichtung höher als das Gärmedium hat den Vorteil, dass kein Gärmedium über das Preßrohr und die Preßvorrichtung aus dem Gärbehälter austreten kann.

Durch die Anordnung eines Schubbodens im Vorratsbehälter kann eine vorbestimmte Menge Feststoffe zuverlässig und gleichmäßig ausgetragen werden. Durch die Anbringung eines entsprechenden Schiebers über der Austragsöffnung des Vorratsbehälters kann die ins Freie gelangende Menge der Feststoffe reguliert werden.

Eine zwischen dem Vorratsbehälter und der Preßvorrichtung vorgesehen Schubstange hat den Vorteil, dass hierdurch ein präziserer und weniger Verlust aufweisender Transport der Feststoffe vom Vorratsbehälter in die Preßvorrichtung erreicht wird, da die Schubstange die auftretenden Feststoffe gleich portioniert und kontrolliert in die Preßvorrichtung transportiert.

Das Erwärmen der Agrarprodukte außerhalb des Gärbehälters hat den Vorteil, dass vorzeitig ein Teilaufschluß der langkettigen Kohlen-Stoffverbindungen erfolgt. Hierdurch wird der Gärprozess beschleunigt und es wird eine vollständigere Vergärung ermöglicht, was zu einer um bis zu 15% höheren Biogasausbeute führt. Insbesondere wird hierdurch der CH₄ Anteil des Biogases erhöht, was auch zu einer verbesserten Produktqualität führt. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Feststoffe auf ca.

70° C zu erwärmen.

ft· ··

Werden die derart erwärmten Feststoffe im erwärmten Zustand in den Gärbehälter eingebracht, so braucht dieser entsprechend weniger aufgeheizt zu werden, was zu einer Einsparung von Wärmeenergie führt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zur Erwärmung der Feststoffe die in der Regel im Überfluß vorhandene Abwärme der Biogas-Verbrennungsmotoren verwendet werden kann, so dass keine zusätzlichen Energiekosten anfallen.

Ein weiterer Vorteil der vorzeitigen Erwärmung der Feststoffe besteht darin, dass hierdurch eine Hygienisierung und/oder eine Pasteurisierung der Agrarprodukte erfolgt, so dass die in den Gärbehälter eingebrachten Agrarprodukte hygienisch einwandfrei sind. Hierdurch wird eine Verunreinigung des Gärmediums mit unerwünschten Bakterien vermieden.

Die Anbringung einer Sprüheinrichtung im Preßrohr hat den Vorteil, dass an dieser Stelle ein flüssiges Gleitmittel in das Preßrohr eingebracht werden kann, um den Reibungswiderstand des unter Druck stehenden Pfropfens aus Feststoffen zu reduzieren, so dass die Feststoffe unter Vermeidung einer Verstopfung durch das Preßrohr transportiert werden können. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen als Gleitmittel Wasser einzusetzen, unter anderem da die Feststoffe spätestens im Gärbehälter ohnehin mit Wasser versetzt werden müssen.

Die Anbringung im Knick einer Krümmung des Preßrohres hat den Vorteil, dass hierbei das Gleitmittel an einem Ort des größten Widerstandes eingebracht werden kann, was zu einer sehr effektiven Schmierung der verdichteten Feststoffe führt, insbesondere wenn die Sprühvorrichtung am Aussenradius des Preßrohres angebracht ist.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Anlage ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung und den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander verwendet werden. Die erwähnten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter. Es zeigen:

Fig. T eine schematische dargestellte Seitenansicht einer ersten erfindungsgemäßen Anlage;

Fig. 2 eine schematische dargestellte Draufsicht einer zweiten erfindungsgemäßen Anlage;

Fig. 3 eine teilweise Frontansicht auf die Anlage gemäß Fig. 2; Fig. 4 eine geschnitten dargestellte Seitenansicht eines Preßrohres mit Sprühvorrichtung;

Fig. 5 das Preßrohr mit Sprühvorrichtung gemäß Fig. 4, geschnitten entlang Linie V - V in Fig. 4.

Die in Figur 1 dargestellte erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Biogasanlage umfasst einen teilweise mit Gärmedium 10 gefüllten Fermenter oder Gärbehälter 12, wobei auf dem Gärmedium 10 eine schwimmende Schwimmdecke 14 ausgebildet ist. Auf dem Gärmedium 10 schwimmt weiterhin ein schwimmendes Rührwerk 16, welches die Oberfläche des Gärmediums 10 regelmäßig umrührt.

Weiterhin umfasst diese erste Biogasanlage eine Beschickungsvorrichtung 18 und einen Vorratsbehälter 20, wobei die Beschickungsvorrichtung 18 ein unterhalb der Schwimmdecke 14 in den Gärbehälter 12 mündendes Preßrohr 22 umfasst, an dessen anderem Ende sich ein Aufnahmerohr 24 anschließt. In diesem Aufnahmerohr 24 befindet sich eine Öffnung 26 zur Aufnahme der in der Agrarproduktion gewonnenen Feststoffe, hier des

Maises, und ein Preßkolben 28. Durch die Öffnung 26 gelangt eine vorbestimmte Menge der Feststoffe (des Maises) in das Aufnahmerohr 24, in dem diese dann durch den Preßkolben 28 zusammengepreßt werden. Mit der Zeit verdichten sich die Feststoffe derart, dass quasi ein Pfropfen entsteht, so dass aus dem Gärbehälter 12 keine Gase oder Gerüche ins Freie gelangen können. Dieser Pfropfen gelangt vom etwas weiteren Aufnahmerohr 24 in das schmalere Preßrohr 22, so dass sich die Feststoffe hier weiter verdichten und einen noch dichteren Pfropfen bilden. Dabei ist die Preßvorrichtung mit dem Aufnahmerohr 24 und dem Preßkolben 28 höher

&iacgr;&ogr; als das Gärmedium 10 angeordnet, damit das Gärmedium 10 nicht über das Preßrohr 22 aus dem Gärbehälter 12 herausfließen kann. Gleichzeitig ist aber auch die Mündung des Preßrohres 22 unterhalb der Schwimmdecke 14 angeordnet, damit keine etwaig im Gärbehälter 12 vorhandenen Gase durch das Preßrohr 22 ins Freie gelangen können. Hierdurch entsteht ein Sauerstoffabschluss.

Im Vorratsbehälter 20 ist eine größere Menge Mais, Gräser, Stallmist oder andere in der Agrarproduktion gewonnene Feststoffe gelagert, so dass die Biogasanlage hiermit mehrere Tage oder gar Wochen betrieben werden kann. Dabei wird der Mais oder die anderen Feststoffe durch eine Klappe 30 in den Vorratsbehälter 20 eingefüllt und dort gelagert. Unter den Feststoffen ist ein sogenannter Schubboden 32 vorgesehen, auf dessen Oberseite eine Vielzahl von im Querschnitt dreieckförmigen Mitnehmern angebracht ist. Dieser Schubboden 32 ragt in eine im Vorratsbehälter 20 vorgesehene Austragsöffnung 36 hinein und kann zur Austragsöffnung 36 hin und von dieser weg bewegt werden. Während diesen Hin und Her Bewegungen gleiten die Mitnehmer 34 mit ihrer flachen Seite unter den Feststoffen hinweg und nehmen eine gewisse Menge dieser mit ihren steilen Seiten während der nächsten Bewegung nach vorne mit. Hierdurch wird eine gewisse Menge der Feststoffe ausgetragen. Dabei kann die auszutragende Menge durch einen am Vorratsbehälter 20 angebrachten,

vertikal verfahrbaren Schieber 38 reguliert werden. Die aus der Austragsöffnung 36 heraustretenden Feststoffe fallen dann direkt durch die Öffnung 26 in das Aufnahmerohr 24 und werden dort durch den Preßkolben 28 verdichtet. In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform ist auf dem Aufnahmerohr 24 ein Trichter vorgesehen, so dass die Feststoffe zuverlässig und verlustfrei in die Preßvorrrichtung eingeleitet werden.

Um das Preßrohr 22 herum ist ein rohrförmiger Heizmantel 44 vorgesehen, der das Preßrohr 22 zumindest in einem Teilabschnitt umhüllt, um die darin

&iacgr;&ogr; befindlichen Feststoffe auf ca. 70° C zu erwärmen. Hierdurch werden in den Feststoffen die langkettigen Kohlenstoffverbindungen teilweise vorzeitig aufgeschlossen und hygienisiert, was unter anderem zu einer höheren Gasausbeute führt. Dieser Heizmantel 44 wird mit vom Verbrennungsmotor 46 erwärmten Abwasser gespeist, wobei das Abwasser zwischen Heizmantel 44 und Preßrohr 22 fließt. Das System arbeitet in Zeitintervallen, das heißt, der Preßrohrinhalt wird ähnlich einem Chargenbetrieb zweistündlich gefüllt, erhitzt und dann durch die nächste Charge herausgedrückt. Dieses System ist somit gleichzeitig ein Feststoffhygienisierungs-(bzw. -pasteurisierungs-) System.

Die in den Figuren 2 und 3 dargestellte zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Biogasanlage entspricht in wesentlichen Teilen der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform, jedoch ist in dieser zweiten Ausführungsform zwischen dem Vorratsbehälter 20 und dem Aufnahmerohr der Preßvorrichtung eine sogenannte Schubstange 40 zwischengeschaltet und es fehlt der Heizmantel. An dieser Schubstange 40 ist eine Vielzahl von in eine Richtung wegdrehbaren Mitnehmern 42 vorgesehen, die die aus der AustragsÖffnung 36 herausfallenden Feststoffe in kleineren Portionen aufnehmen und über die Öffnung 26 ins Aufnahmerohr 24 transportieren.

Dabei ist oberhalb der Schubstange 40 eine Reißwelle 42 angeordnet, mit der die zum Vorratsbehälter 20 heraustretenden Feststoffe aufgelockert

werden, so dass eine die Öffnung 26 des Aufnahmerohres 24 verstopfende KJumpenbildung vermieden wird.

In den Figuren 4 und 5 ist ein alternatives Preßrohr 60 dargestellt, dessen Verlauf zwei 45 ° Krümmungen 62 und 64 aufweist. Im Außenbereich dieser Krümmungen 62, 64 sind je drei Sprühvorrichtungen 66 angebracht, mittels derer Wasser in das Preßrohr 60 eingesprüht werden kann. Dabei sind die Sprühvorrichtungen 66 im Bereich der Krümmung 62 in Vorschubrichtung hintereinander angeordnet, während die Sprühvorrichtungen 66 im Bereich der Krümmung 64 nebeneinander angeordnet sind. Die Sprühvorrichtungen 66 sind in der Krümmung 64 genau im Knick angeordnet, weil dort die größte Gefahr einer Verstopfung herrscht.

Mit der Sprühvorrichtung 66 wird bei Bedarf, beispielsweise bei einer Verstopfung des Preßrohres 60, eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, ins Innere des Preßrohres 60 eingesptüht. Diese Flüssigkeit weicht den Pfropfen aus Feststoffen in diesem Bereich partiell auf und/oder dient als Gleitmittel zwischen der Außenwand des Preßrohres und dem Pfropfen aus Feststoffen.

In allen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Biogasanlage erfolgt die Beschickung des Gärbehälters wie folgt:

Zunächst einmal wird eine größere Menge an Mais, Gras, Stallmist oder andere zur Vergärung vorgesehene Agrar-Feststoffe, beispielsweise mittels eines Schaufelladers, Traktors oder Kippladers, in den Vorratsbehälter 20 eingefüllt. Aus diesem Vorratsbehälter 20 wird unter Zuhilfenahme des sich vor- und zurückbewegenden Schubbodens 32 regelmäßig eine kleinere Menge dieser Feststoffe durch die Austragsöffnung 36 aus dem Vorratsbehälter 20 heraus transportiert. Dabei kann die heraus zu transportierende Menge über den vertikalen Schieber 38 eingestellt werden. Die ausgetrage-

nen Feststoffe gelangen dann über die Schubstange 40 oder direkt in das Aufnahmerohr 24 und werden dort: durch den Preßkolben 28 zusammengepreßt und verdichtet. Durch nachfolgende Feststoffe werden die zuerst in das Aufnahmerohr 24 gelangten Feststoffe weiter verdichtet und ins Preßrohr vorgeschoben. Da das Preßrohr 22 einen kleineren Durchmesser als das Aufnahmerohr 24 aufweist, werden die Agrarprodukte hier weiter verdichtet, so dass der Austritt von Gasen, Gerüchen oder dergleichen aus dem Gärbehälter verhindert wird. Mit der Zeit werden die Feststoffe weiter vorangetrieben und gelangen dann über das Preßrohr 22 in den Gärbehälter

12. Hierbei kann die zu transportierende Menge Feststoffe so eingestellt werden, dass immer eine zur Gärung ausreichende Menge nachgeliefert wird. In dem Preßrohr 22 werden die Feststoffe auf ca. 70° C erwärmt und gelangen mit dieser Temperatur in den Gärbehälter, in dem die endgültige Vergärung erfolgt.

11

Bezugszeicheniiste:

10	Gärmedium
12	Gärbehälter
14	Schwimmdecke
16	Rührwerk
18	Beschickungsvorrichtung
20	Vorratsbehälter
22	Preßrohr
24	Aufnahmerohr
26	Öffnung
28	Preßkolben
30	Klappe
32	Schubboden
34	Mitnehmer
36	Austragsöffnung
38	Schieber
40	Schubstange
42	Reißwelle
44	Heizschlange
46	Verbrennungsmotor
60	Preßrohr
62	Krümmung
64	Krümmung
66	Sprühvorrichtung

Claims (15)

1. Anlage zur Erzeugung von Biogas unter Verwendung von in der Agrarproduktion gewonnenen Feststoffen, mit einem ein Gärmedium (10) aufnehmenden Gärbehälter (12) und mit einem die zur Vergärung vorgesehenen Feststoffe aufnehmenden Vorratsbehälter (20) gekennzeichnet durch eine die Feststoffe selbstätig in den Gärbehälter (12) einbringende Beschickungsvorrichtung (18).

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschickungsvorrichtung (18) eine Preßvorrichtung und ein Preßrohr (22) umfaßt, wobei dass Preßrohr (22) in den Gärbehälter (12) mündet.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Preßrohr (22) unterhalb einer Schwimmdecke (14) des Gärmediums (10) in den Gärbehälter (12) mündet.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Preßvorrichtung ein Aufnahmerohr (24) und einen Preßkolben (28) aufweist, wobei das Aufnahmerohr (24) in das Preßrohr (22) übergeht.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Aufnahmerohres (24) größer als der Durchmesser des Preßrohres (22) ausgebildet ist.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Preßvorrichtung höher als das Gärmedium (10) angeordnet ist.

7. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Austragung der Feststoffe im Vorratsbehälter (20) ein Schubboden (32) vorgesehen ist.

8. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schubboden (32) die Feststoffe durch eine in einer Wandung des Vorratsbehälters (20) befindliche Austragsöffnung (36) austrägt, wobei an der Austragsöffnung (36) ein vertikal verfahrbarer Schieber (38) angebracht ist.

9. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Beschickungsvorrichtung (18) weiterhin eine Schubstange (40) umfasst, mit der die aus einer Austragsöffnung (36) des Vorratsbehälters (20) austretenden Feststoffe in die Preßvorrichtung gebracht werden.

10. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das an der Beschickungsvorrichtung (18), insbesondere am Preßrohr (22) eine Heizungvorrichtung zur Erwärmung der schüttbaren Agrarprodukte angebracht ist.

11. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Preßrohr (60) wenigstens eine Sprühvorrichtung (66) zum Einbringen einer Flüssigkeit in das Preßrohr (60) vorgesehen ist.

12. Anlage nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtung (66) genau im Knick einer Krümmung (62, 64) des Preßrohres (60) angeordnet ist.

13. Anlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtung (66) im Bereich des Aussenradius der Krümmung (62, 64) des Preßrohres (60) angeordnet ist.

14. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass über den Umfang des Preßrohres (60) verteilt mehrere Sprühvorrichtungen (66) angeordnet sind.

15. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Krümmung (62) des Preßrohres (60) in Flußrichtung verteilt mehrere Sprühvorrichtungen (66) hintereinander angeordnet sind.