PROCESS AND APPARATUS FOR THE PRODUCTION OF BIOGAS FROM A BIOGAS MASS

Abstract: 1. A process of producing biogas from a biomass, such as liquid manure, excrements, butchery waste, and a liquid-containing mixture by an anaerobic decomposition in an alkaline medium in an enclosed space, wherein the layer of settled heavy biomass deposited at the bottom is sucked off and applied to the layer of floating biomass forming at the top, characterized in that the layer of settled biomass is agitated by a liquid jet before the layer of settled biomass is sucked off and said jet consists of liquid that has been sucked from the space above the settled layer.

Description: Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Biogas aus einer Biogasmasse Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus einer Biomasse, wie Gülle, einem Kot, Schlachte reiabfällen oder dergleichen, und eine Flüssigkeit enthaltendem Gemisch, durch anaeroben Abbau in einem alkalischen Medium in einem geschlossenen Raum, bei dem die sich unten ablagernde schwere Biomassesinkschicht abgesaugt und auf die sich oben bildende Biomasseschwimmschicht aufgebracht wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Der Kreislauf des Kohlenstoffs in der Natur ist im wesentlichen gekennzeichnet durch Fixierung des in der Luft enthaltenen Kohlenstoffdioxids in Form von organischen Verbindungen, die in der Pflanze bei der Fotosynthese gebildet werden. Der grösste Teil der erzeugten Biomasse zerfällt in der Rückreaktion an der Luft meist mit Hilfe aerober Bakterien wieder in Kohlenstoffdioxid und Wasser. Unter anaeroben Bedingungen und im neutralen bis schwach alkalischen pH-Bereich ist es jedoch möglich, den Abbau so zu steuern, dass das entstehende Gas überwiegend zu zwei Dritteln aus Methan und zu einem Drittel aus C02 besteht. Daneben werden noch geringe Mengen von H2S und NH3 gebildet. Der Rückstand findet dann Verwendung als hochwertiger Dünger. Während der Verarbeitung der Gülle (im wesentlichen ein Gemisch aus Kot, Harn, Kurzstroh und Wasser) zu Biogas ändert sich je nach fortschreitendem Verarbeitungsverlauf das spezifische Gewicht der Biomasse. Es werden bei der Gasbildung einerseits Feststoffteile der Biomasse durchst k gas ende Bläschen in den oberen Teil eines Biogas- bzw. Faulbehälters transportiert. Diese Feststoffteile setzen sich auf der Biomasse als Schwimmschicht fest. Dadurch wird der Abfluss des Biogases behindert oder sogar gestoppt. Der sich so verändernde Verarbeitungsprozess überhöht die Temperatur in dem Säurereaktor und Biogasbehälter und unterbricht dadurch den Vergasungsprozess. Andererseits sinken andere Teile der Biomasse mit hohem Feststoffgehalt ab. Sie sammeln sich am Boden des Biogasbehälters und bilden dort eine-Sinkschicht. Da sich die entgaste und verflüssigte Gülle gleichfalls im unteren Drittel des Biogasbehälters sammelt, besteht die Gefahr einer Verstopfung des Abflussrohres für die entgaste Gülle in den Endlagerbehälter. Das hat zur Folge, dass die Biogasproduktion nachlässt. Sowohl die Schwimm- als auch die Sinkschicht beeinflussen also die Biogasausbeute beträchtlich. Das macht sich insbesondere bei Durchflussverfahren mit täglich neuer Biomassebeschickung bemerkbar, deren Erwärmung im Reaktorkern stattfindet. Im Reaktorkern schliesslich sammeln sich gleichzeitig je nach Fütterungsart, insbesondere bei Geflügelgülle, am Boden aus Sand und Kalk bestehende Festteile. Diese müssen nach einigen Monaten entleert und ausgewaschen werden, so dass die Anlage während ihrer Säuberung stillgesetzt werden muss. Aus der DE-OS 29 39 169 ist ein Biogasbehälter bekannt, bei welchem im Innern des Faulbehälters ein mit einer Umwälzpumpe versehenes Rohr angeordnet ist, dessen untere Öffnung sich im unteren Teil des Faulbehälters befindet und dessen obere Öffnung eine Spritzdüse aufweist, die auf die Oberfläche der zu vergasenden Biomasse gerichtet ist. Durch Aufspritzen von Biomasse aus dem Bereich der Sinkschicht auf die Schwimmschicht wird diese zum Absinken gebracht. Die bekannte Anlage arbeitet jedoch unbefriedigend, weil die Sinkschicht zu einem Verstopfen der Absaug- und Ableitungsrohre führen kann und weil in regelmässigen Abständen unangenehme Wartungs- und Säuberungsarbeiten erforderlich sind, um die Anlage im betriebsbereiten Zustand zu halten. Aufgabe der Erfindung ist es daher, durch Beseitigung der Schwimm- und Sinkschichten eine intensivere Verarbeitung der Biomasse bei kontinuierlichem und nahezu wartungsfreiem Betrieb der Verarbeitungsanlagen zu erreichen. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, dass die Biomassesinkschicht vor ihrem Absaugen aufgewirbelt wird. Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird eine Verstopfung des zu dem Endlagerbehälter führenden Abflussrohres für die entgaste Gülle vermieden, dessen Einflussöffnung sich in dem unteren Bereich des Faulbehälters befindet. Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird die Bildung dickerer Sinkschichten vermieden, die die Einflussöffnung verstopfen könnten. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird die Schwimmschicht durch eine Sinkschichtpartikel enthaltende Flüssigkeit beschwert, so dass die Schwimmschicht in tiefere Teile des Fall raums gedrückt und dort von anaeroben Bakterien weiter zu Biogas verarbeitet wird. Da die gesamte Biogasmasse einschliesslich der Sinkschichten ständig im Kreislauf geführt wird, wird bei Erhöhung der Biogasproduktion eine Verstopfung des Abflussrohres vermieden. Zweckmässigerweise wird die Biomassesinkschicht durch den Strahl einer Flüssigkeit aufgewirbelt, die oberhalb der Sinkschicht aus dem Faulraum abgesaugt worden ist. Durch diese Art der Verwirbelung bildet sich eine mit Sinkschichtpartikeln angereicherte Flüssigkeit, die abgesaugt und auf die Schwimmschicht aufgespritzt werden kann. Durch diese Art der Verwirbelung wird die Biomassesinkschicht gleichzeitig verdünnt, so dass sie sich besser umwälzen lässt. Zweckmässigerweise wird die Biomassesinkschicht erwärmt, so dass durch den thermischen Auftrieb eine Sinkschichauflockerung unterstützt wird. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in bestimmten Abständen eine sich in dem den Säurereaktor bildenden Steigrohr ablagernde Sinkschicht, die aus verschiedenen Futterarten zugemischten mineralischen Stoffen, wie Kalk, Sand, Mergel oder dergleichen, besteht, aufgewirbelt und zur Entfernung der Feststoffe abgesaugt wird. Durch diese Art der Entfernung der sich in dem Steigrohr ablagernden Sinkschicht wird die in regelmässigen Abständen erforderliche Entleerung und Säuberung der Anlage überflüssig. Nach einer erfinderischen Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die aufgewirbelte Biomassesinkschicht in etwa tangentialer und zur Horizontalen leicht geneigter Richtung auf die Schwimmschicht aufgespritzt wird. Dadurch wird die Schwimmschicht in eine kreisende Bewegung versetzt und sinkt schraubenlinienförmig ab. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, bestehend aus einem Faulbehälter mit Zu- und Ableitungen für die Biomasse sowie mit einer Ableitung für das entstandene Biogas und aus einem in dem Faulbehälter etwa zentral angeordneten, einen Säurereaktor bildenden Steigrohr, in dessen unteren Bereich die Zuleitung für die Biomasse mündet, mit im Faulbehälter und im Steigrohr angeordneten Heizspiralen, die durch Thermostaten steuerbar sind, und mit einem im unteren Bereich des Faulbehälters angeordneten Saugrohr, das an eine Pumpe angeschlossen ist, deren Druckseite mit einem im oberen Bereich des Faulbehälters mündenden Rohr versehen ist, das eine auf die Schwimmschicht gerichtete Spritzdüse aufweist, zeichnet sich erfindungsgemäss dadurch aus, dass der das Steigrohr umgebende Boden des Faulbehälters durch eine schräg verlaufende Platte gebildet ist und dass im tiefsten Bereich der Platte zwei Rohre münden, die durch eine Pumpe miteinander verbunden sind, so dass durch ein Rohr Biomasse angesaugt und durch das andere mit einer Strahldüse versehene Rohr wieder mit zur Verwirbelung der Sinkschicht ausreichender Geschwindigkeit in den Faulbehälter eingeleitet wird. Die schrägstehende Bodenplatte bildet eine Prallplatte für den auftreffenden Strahl, so dass eine gute Verwirbelung der Sinkschicht erreicht wird. Das mit der Spritzdüse versehene Rohr kann ebenfalls tangential gegen die Bodenplatte angestellt sein. Zweckmässigerweise ist das Saugrohr oberhalb der Strahldüse angeordnet und das mit der Strahldüse versehene Rohr ist etwa horizontal auf die schrägstehende Bodenplatte gerichtet. Die Druckseite der Pumpe kann durch ein Ventil unter Sperrung der mit der Strahldüse versehenen Leitung auf die die Biomasse auf die Schwimmschicht spritzende Leitung umschaltbar sein. Die Umschaltung kann auch umgekehrt in der Weise erfolgen, dass die aufgewirbelte und verdünnte Sinkschicht durch die mit der Strahldüse versehene Leitung angesaugt wird. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben worden. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung, in deren einziger Figur ein Längsschnitt durch einen Faulbehälter schematisch dargestellt ist, näher erläutert. Gülle mit einem Feststoffgehalt bis zu 12% wird aus einem nicht dargestellten Vorlagerbehälter von unten durch ein Rohr 1 und das Wegeventil 22 in das den Säurereaktor bildende Steigrohr 2 gepumpt, das im Innern des Faulbehälters 3 angeordnet ist. Das Steigrohr 2 ist so dimensioniert, dass die täglich eingepumpte Güllemenge sich etwa drei Tage in ihm befindet und anschliessend über den oberen Rand des Steigrohrs in den Ringraum des umgebenden Faulbehälters 3 strömt. Während dieser Zeit wird die Gülle mittels einer im Steigrohr 2 angeordneten Heizschlange 4 auf die erforderliche Reaktionstemperatur gebracht. Im Faulbehälter 3 sorgt eine an der Innenwandung angeordnete Heizspirale 5 für den Ersatz der entstehenden Wärmeabstrahlungsverluste, so dass die Temperatur im Faulbehälter immer auf der gewünschten Temperatur gehalten werden kann. In dem Steigrohr bzw. Säurereaktor 2 wird die Gülle in den Zustand versetzt, in dem die Biogasproduktion voll anlaufen kann, wobei gleichzeitig eine teilweise Zersetzung der organischen Stoffe erfolgt. Der pH-Wert der Gülle, der von Haus aus zwischen 7,5 und 8,5 liegt, wird innerhalb des ersten Tages im Säurereaktor durch die Erwärmung und die erste Verarbeitung bis auf einen pH-Wert 5 gesenkt. Durch die im Faulbehälter 3 ablaufende Reaktion wird der pH-Wert nachfolgend auf 6,9 bis 7,1 angehoben. Im Faulbehälter 3 wird bei Temperaturen zwischen 30 bis 560C unter Ausschluss von Sauerstoff die Biomasse in Biogas (2/3 CH4, 1/3 CO2) verwandelt, wobei die Feststoffe weitgehend verarbeitet werden. Hierbei ist es zur gleichmässigen Gaserzeugung wichtig, dass die Temperatur im Innern des Faulbehälters 3 konstantgehalten wird. Dies erfolgt über die Heizspirale 5 und eine Umwälzpumpe, die mittels eines Thermostaten geregelt werden. Bei der Gasproduktion ändert sich das spezifische Gewicht der Biomasse je nach fortschreitendem Verarbeitungsverlauf. Die leichten Feststoffe sammeln sich an der Oberfläche und setzen sich dort als Schwimmschicht fest. Dies hat zur Folge, dass eine unerwünschte Temperaturerhöhung eintritt, wodurch der Vergasungsprozess unterbrochen wird. Andere Teile der Biomasse mit hohem Feststoffgehalt sammeln sich am Boden des Faulbehälters und bilden dort eine Sinkschicht. Da sich die entgaste und verflüssigte Gülle gleichfalls im unteren Drittel des Biobehälters sammelt, besteht die Gefahr einer Verstopfung des Abflussrohres 7 für die entgaste Gülle in den nicht dargestellten Endlagerbehälter. Die Einflussöffnung des Abflussrohres 7 befindet sich im Bereich des unteren Drittels des Biogasbehälters. Eine Verstopfung der Einflussöffnung hätte zur Folge, dass die Biogasproduktion nachlässt. Im Säurereaktor 2 sammeln sich gleichzeitig je nach Fütterungsart, insbesondere bei Geflügelgülle, zugemischte mineralische Stoffe, wie Kalk, Sand, Mergel und dergleichen, am Boden und bilden dort gleichfalls eine Sinkschicht. Der aus dem Faulbehälter 3 und dem Säure reaktor 2 bestehende Biogasbehälter gibt das gebildete Biogas an einen in der Zeichnung nicht dargestellten Gasverbraucher ab. Das Gas wird über die Leitung 8 abgezogen, die mit einem Ventil 9 versehen ist. Die entgaste Gülle sammelt sich aufgrund ihres spezifischen Gewichts im unteren Drittel des Faulbehälters 3 und wird dort durch den überdruck, der durch das Einpumpen der frischen Gülle in den Säurereaktor 2 in dem Faulbehälter 3 entsteht, über das Ableitungsrohr 7 einem nicht dargestellten Lagerbehälter zugeführt und findet von dort Verwendung als hochwertiger Dünger. Der Säurereaktor 2 ist oben offen, so dass die täglich eingepumpte Güllemenge nach drei Tagen durch überlauf in den Ringraum des umgebenden Faulbehälters 3 eintreten kann. Im Faulraum 3 ist eine das Steigrohr 2 umgebende, schräg zu der Basisplatte 12 angeordnete Bodenplatte 14 vorgesehen, die den Boden des Faulbehälters bildet. Diese schräg gestellte Bodenplatte 14 bildet eine Prallplatte und besteht aus Stahl, auf der sich die Sinkschicht mit hohem Biomassetrockenanteil absetzt. Diese Sinkschicht wird mit Hilfe der Hochdruckdüse 11 aufgewirbelt und verdünnt und anschliessend mittels der Umwälzpumpe 15 über eine Steigleitung 16 durch die Spritzdüse 17 auf die Schwimmschicht aufgespritzt, so dass die durch die Sinkschichtpartikel beschwerte Schwimmschicht beschwert und in den unteren Teil des Faulraums absinkt, wo sie von den anaeroben Bakterien weiter zu Biogas verarbeitet wird. Die Spritzdüse 11 ist an dem vorderen Ende eines Rohres 10 angeordnet, das über das Wegeventil 24 mit der Druckseite der Pumpe 15 verbunden ist, deren Saugseite mit dem Rohr 25 verbunden ist, das Biomasse aus dem Faulbehälter 3 oberhalb der Spritzdüse 11 absaugt. Durch das Wegeventil 24 kann wahlweise die durch das Rohr 25 angesaugte Biomasse zur Aufwirbelung und Verdünnung der Sinkschicht durch die Strahldüse 11 wieder in den Faulbehälter eingepumpt oder aber über das Steigrohr 16 und die Spritzdüse 17 auf die Schwimmschicht aufgespritzt werden. Die Strahldüse 11 ist derart auf die schrägstehende Bodenplatte 14 gerichtet, dass die Sinkschicht von dieser abgelöst und aufgewirbelt wird. Normalerweise wird die Gülle durch die Leitung 1, das Wegeventil 23 und die Leitung 27 in den unteren Bereich des Steigrohrs 2 eingeleitet. Zur Aufwirbelung der sich in dem Steigrohr 2 bildenden Sinkschicht kann in der Weise durch das Wegeventil 23 und die Pumpe 22 eine Umwälzung stattfinden, dass die durch das Rohr 27 angesaugte Biomasse über die Pumpe 22 und das Wegeventil 28 durch das Rohr 29 wieder in den unteren Bereich des Steigrohrs 2 eingeleitet wird. Das Rohr 29 ist mit einer Strahldüse 19 versehen. Nachdem die in dem Steigrohr 2 gebildete Sinkschicht aufgewirbelt worden ist, wird das Wegeventil 28 in der Weise umgeschaltet, dass die mit mineralischen Feststoffen angereicherte Sinkschicht durch die Pumpe 26 abgezogen wird. Unter der Bodenplatte 14 ist eine Heizspirale 18 angeordnet. Diese wird durch Wasser auf eine Temperatur von etwa 40"C erwärmt, so dass die sich auf der Bodenplatte 14 bildende Biomassesinkschicht durch thermischen Auftrieb gelockert wird. Der obere Rand des zentralen Steigrohrs 2 liegt dicht unterhalb des Güllespiegels 30. Der nach aussen gerichtete Zweig des Steigrohrs 7 liegt etwa in Höhe des Güllespiegels 30. Der Gasraum 31 oberhalb des Güllespiegels beträgt etwa ein Sechstel des Behältervolumens. Gegenüber der eingeleiteten Gülle weist die entgaste Gülle etwa einen um 50% verringerten Feststoffanteil auf.

Claims: Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Biogas aus einer Biogasmasse Patentansp Y'ÜChe: 1. Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus einer Biomasse, wie Gülle, einem Kot, Schlachtereiabfälle oder dergleichen und Flüssigkeit enthaltendem Gemisch, durch anaeroben Abbau in einem alkalischen Medium in einem geschlossenen Raum, bei dem die sich unten ablagernde schwere Biomasse sinkschicht abgesaugt und auf die sich oben bildende Bio masseschwimmschicht aufgebracht wird, dadurch g e k e n n ze i c h n e t , dass die Biomassesinkschicht vor ihrem Absaugen aufgewirbelt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomassesinkschicht durch den Strahl einer Flüssigkeit aufgewirbelt wird, die oberhalb der Sinkschicht aus dem Raum abgesaugt worden ist. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomassesinkschicht erwärmt wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse vor der Behandlung im neutralen bis alkalischen Medium einer Säuerung unter worfen wird. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in vorherbestimmten Abständen eine sich in dem Säurereaktor bzw. Steigrohr ablagernde Sink schicht aus verschiedenen Futterarten zugemischten mineralischen Stoffen, wie Kalk, Sand, Mergel oder der gleichen, aufgewirbelt und zur Entfernung der Feststoffe abgesaugt wird. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgewirbelte Biomassesinkschicht in etwa tangentialer und zur Horizontalen leicht geneigter Richtung auf die Schwimmschicht aufgespritzt wird. 7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bestehend aus einem Faulbehälter mit Zu- und Ableitungen für die Biomasse sowie mit einer Ableitung für das entstandene Biogas und aus einem in dem Faulbehälter etwa zentral angeordneten, einen Säurereaktor bildenden Steigrohr, in dessen unterem Bereich die Zulei tung für die Biomasse mündet, mit im Faulbehälter und im Steigrohr angeordneten Heizspiralen, die durch Thermostaten steuerbar sind, und mit einem im unteren Bereich des Faulbehälters angeordneten Saugrohr, das an eine Pumpe angeschlossen ist, deren Druckseite mit einem im oberen Bereich des Faulbehälters mündenden Rohr versehen ist, das eine auf die Schwimmschicht gerichtete Spritzdüse aufweist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der das Steigrohr (4) umgebende Boden des Faulbehälters (3) durch eine schräg verlaufende Platte (14) gebildet ist und dass im tiefsten Bereich der Platte (14) zwei Rohre (10, 25) münden, die durch eine Pumpe (15) miteinander verbunden sind, so dass durch ein Rohr Biomasse angesaugt und durch das andere mit einer Strahldüse (11) versehene Rohr wieder mit einer zur Verwirbelung der Sinkschicht ausreichenden Geschwindigkeit in den Faulbehälter (3) ein geleitet wird. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugrohr (25) oberhalb der Strahldüse (11) angeordnet ist und dass das mit der Strahldüse (11) versehene Rohr (10) etwa horizontal auf die schräg stehende Bodenplatte (14) gerichtet ist. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckseite der Pumpe (15) durch ein Ventil (24) unter Sperrung der mit der Strahldüse (11) versehenen Leitung (10) auf die die Biomasse auf die Schwimmschicht spritzende Leitung (16) umschaltbar ist. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Spritzdüse (17) versehene Rohr (16) etwa schraubenlinienförmig tangential mit leichter Neigung zur Schwimmschicht angeordnet ist. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der schräg angeordneten Bodenplatte (14) Heizeinrichtungen (18) angeordnet sind. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Faulbehälter (3) und das Steigrohr (2) zylindrisch ausgebildet sind. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in den unteren Bereich des Steigrohrs (2) ein mit einer Spritzdüse (19) versehenes Rohr (29) mündet, das mit der Pumpe (22) verbunden ist, deren Saug seite über ein Wegeventil (23) unter Sperrung der Zufuhr von Biomasse mit dem in das Steigrohr (2) mündenden Zulei tungsrohr t27) verbindbar ist. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eines der in das Steigrohr ( 2) mün denden Rohre (27, 29) über ein Wegeventil (28) mit einer Saugpumpe (26) verlindbar ist.

Inventors: JENDRIKE, HELMUT
Applicants: OKOTHERM VERTRIEBS-GMBH
Application year: 1982
Main classification: C12M1
IPC codes: C12M1