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Patent Searching and Data


Title:
BIOREACTOR FOR METHANIZATION OF BIOMASS HAVING A HIGH SOLIDS FRACTION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2007/096392
Kind Code:
A1
Abstract:
A bioreactor having improved gas yield is specified, in which the necessary residence time of the biomass in the rotting vessel (2) is decreased. On fermentation of dry, that is to say non-pumpable, biomass, owing to the moisture present in the biomass, percolating juices, what is termed percolate, are formed and are taken off via a drainage system (22) and, if appropriate, is recirculated from the top onto the biomass to be fermented. It has now turned out that the biogas yield is significantly increased, in the region between 10% and 40%, when the resultant percolate is not taken off immediately via the drainage system, but is backed up in the rotting vessel up to a certain level. This is achieved in terms of the device in such a manner that the rotting vessel is designed so as to be liquid-tight, that is to say even the flap (14) for charging and unloading the rotting vessel has to be made in a liquid-tight manner, and also must be constructed in a correspondingly stable manner in order to withstand the resultant liquid pressure. By means of the combination of the existing percolate drainage system with a percolate control unit (30) it is possible to set the liquid level of the percolate in the biomass to be fermented and to control it in such a manner that the biogas production rate or the biogas yield is maximal.

Inventors:
LUTZ PETER (DE)
Application Number:
PCT/EP2007/051686
Publication Date:
August 30, 2007
Filing Date:
February 21, 2007
Export Citation:
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Assignee:
BEKON ENERGY TECHNOLOGIES GMBH (DE)
LUTZ PETER (DE)
International Classes:
C12M1/107
Foreign References:
DE3719564A11988-12-29
DE4444462A11996-06-20
DE20121701U12003-03-13
FR2502174A11982-09-24
Attorney, Agent or Firm:
WINTER BRANDL FÜRNISS HÜBNER RÖSS KAISER POLTE - PARTNERSCHAFT (Freising, DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Bioreaktor zur Methanisierung von Biomasse (4) mit hohem Feststoffanteil, mit einem gasdicht verschließbaren Faulbehälter (2), einer Biogasableitung (18), einer Be- und Entnahmeöffnung (14) zum Befüllen und entleeren des Faulbehälters mit Biomasse (4), und einer Sickersaft- bzw. Perkolat-Drainageeinrichtung (22) im Boden (6) und/oder den Wänden (8, 9, 12) des Faulbehälters (2) , dadurch gekennzeichnet, dass der Faulbehälter flüssigkeitsdicht ausgebildet ist, und dass die Perkolat-Drainageeinrichtung (22) mit einer Perkolat-Steuereinrichtung (30) verbunden ist, um den Flüssigkeitspegel (28) des Perkolats in dem Faulbehälter (2) zu regeln.

2. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Perkolat-Steuereinrichtung (30) umfasst:

- einen Perkolatspeicher (34), der über eine Perkolat-Ableitung (32) mit der Perkolat-Drainageeinrichtung (22) verbunden ist, - ein in der Perkolat-Ableitung (32) angeordnetes Ventil (36), und

- einen Füllstandssensor (40) zur Erfassung des Perkolat-Flüssigkeitspegels (28) in dem Faulbehälter (2) .

3. Bioreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Perkolat-Steuereinrichtung (30) eine in der Perkolat-Ableitung (32) angeordnete Perkolat-Pumpe (38) umfasst.

4. Bioreaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstandssensor eine Drucksensor (40) ist, der in der Perkolat-Ableitung (32) oder im Faulbehälter (2) angeordnet ist.

5. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Perkolat-Steuer- einrichtung (30) eine Perkolat-Rückleitung (48) umfasst, die den Perkolatspeicher (34) mit dem oberen Bereich des Faulbehälters (2) verbindet.

6. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Be- und Entnahmeöffnung (14) eine vorzugsweise hydraulisch betätig- bare Klappe ist, die ebenerdig den Faulbehälter (2) verschließt .

7. Bioreaktor nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Rückhaltevorrichtung, die in Befüllrichtung hinter der Klappe (14) derart in dem Faulbehälter (2) angeordnet ist, das eingefüllte Biomasse (4) sich wenigstens teilweise an der Rückhaltevorrichtung abstützt .

8. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Perkolatspeicher (34) Füllkörper eingebracht sind, an denen sich Biogas erzeugende Mikroorganismen anlagern können und dass der Perkolatspeicher (34) eine Biogasentnahmeleitung umfasst.

9. Bioreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllkörper im Perkolatspeicher (34) ein Festbett aus Biomasse mit hohem Feststoffanteil ausgebildet sind.

10. Biogaserzeugungsvorrichtung mit einer Mehrzahl von Bioreaktoren (2-i) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem gemeinsamen Perkolatspeicher

(34) .

11. Biogaserzeugungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der einzelnen Bioreaktoren (2-i) über Perkolat-Verbindungsleitungen untereinander verbunden sind.

Description:

BESCHRE IBUNG

Bioreaktor zur Methanisierung von Biomasse mit hohem Feststoffanteil

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor zur Methanisierung von Biomasse mit hohem Feststoffanteil nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Der Begriff „Biomasse mit hohem Feststoffanteil" ist als Gegensatz zu flüssiger, pumpbarer Biomasse, wie sie in Nassgärverfahren eingesetzt wird, zu verstehen. „Biomasse mit hohem Feststoffanteil" ist daher als nicht- pumpbare Biomasse zu verstehen.

Ein Bioreaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der EP 1 301 583 Bl bekannt, auf deren Offenbarung zur Vermeidung unnötiger Wiederholung vollinhaltlich Bezug genommen und deren Offenbarungsgehalt aus- drücklich in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird.

Dieser bekannten Bioreaktor umfasst einen Faulbehälter nach Art einer Fertiggarage, der mittels einer Klappe gasdicht verschlossen wird. Die Beladung mit unvergorener Biomasse und die Entladung der vergorenen Restbiomasse kann mittels eines Radladers erfolgen. Da sich die Biomasse während des Vergärungsprozesses setzt, drückt die Biomasse gegen die Klappe. Die Klappe muss deshalb entsprechend massiv ausgeführt sein und muss andererseits zur ausreichenden Abdichtung des Faulbehälters auch präzise schließen. Eine solche zugleich feste und präzise bewegliche Klappe ist teuer. Zugleich besteht die Gefahr, dass die Klappe bei hoher Beladung mit Biomasse nicht mehr präzise schließt und abdichtet. Um dieses Problem zu lösen schlägt die DE 202005014176.3 ein Rückhaltesystem hinter der Klappe vor, das ver-

hindert, dass die sich setzende Biomasse gegen die Klappe druckt .

In DE 102 57 849 Al ist ein Garagen-Fermenter beschrieben, bei dem durch einen Siebboden die Biomasse von unten mit Biogas belüftet wird. Dieser Siebboden fungiert somit auch als Drainageeinrichtung für das Perkolat, welches wie bei uns auch umgepumpt wird. Eine Regelung des Füllstands wird jedoch nicht erwähnt.

Die DE 101 29 718 Al beschreibt einen vertikalen Fermenter zur Methanisierung von hauslichem Biomull mit kontinuierlicher Beschickung und Entnahme mittels Schneckenförderer durch separate Offnungen. Das Perkolat wird über einen Siebboden abgetrennt und umgepumpt, dessen Füllstand aber nicht geregelt.

Die DE 44 44 462 Al betrifft ebenfalls einen vertikalen Fermenter, bei dem die Biomasse oben diskontinuierlich und gasdicht eingefüllt wird, wahrend der Fermentation nach unten absinkt und dort diskontinuierlich und gasdicht entnommen wird. Es wird eine gesteuerte Sickerwasserkreislauffuhrung verwendet, um die oben gebildeten organischen Sauren in den unteren Bereich des Reaktors zu transportieren, wo das Vergaren stattfindet. Der Feststoffanteil des biogenen Materials wird mit 30% bis 55% angegeben.

In der DE 201 21 701 Ul wird ein zweistufiges System mit zwei Reaktoren beschrieben. Im ersten Reaktor wird in einem Nassverfahren die Biomasse schwimmend in einer

Behandlungsflussigkeit, welche anaerobe Bakterien enthalt, gehalten und so von einer Zugabeoffnung zu einer

Entnahmeoffnung transportiert. Die Behandlungsflussigkeit wird durch Kreislauffuhrung auf die Biomasse geregnet.

Die Behandlungsflussigkeit wird in einen zweiten Reaktor

übertragen und dort vergoren. Es entsteht jedoch in beiden Reaktoren Biogas. Als Alternative zum Nassverfahren kann im ersten Reaktor auch Biomasse mit hohem Feststoffanteil behandelt werden. In diesem Fall wird Biogas hauptsächlich im zweiten Reaktor erzeugt. Eine Regelung des Füllstandes für die Behandlungsflüssigkeit wird nicht erwähnt.

Die EP 0 803 568 Al beschreibt eine Biogasanlage zum Vergären von Biomasse mit einem Feststoffanteil von etwa

25% Trockensubstanz. Die Anlage besteht aus mehreren

Reaktoren die untereinander so verbunden sind, dass aus den Reaktoren entnommenes Material gezielt anderen

Reaktoren zugeführt werden kann, um die Prozessführung in jedem Reaktor individuell und optimal zu gestalten.

Obwohl die Gasausbeute aus der Biomasse und die notwendige Verweildauer der Biomasse in vielen Fällen ausreichend ist, wäre eine höhere Gasausbeute bzw. eine geringere Verweilzeit der Biomasse in dem Faulbehälter wünschenswert .

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den aus der EP 1 301 583 Bl bekannten Bioreaktor dahingehend zu verbessern, dass die Gasausbeute erhöht und die notwendige Verweildauer der Biomasse in dem Faulbehälter verringert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Bioreaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet.

Beim Vergären von trockener, d.h. nicht pumpfähiger Biomasse, entstehen aufgrund der in der Biomasse ent- haltenen Feuchtigkeit Sickersäfte, sogenanntes Perkolat, das über eine Drainageeinrichtung abgezogen und ggfs.

wieder von oben auf die zu vergärende Biomasse zurückgeführt wird. Es hat sich nun herausgestellt, dass die Biogasausbeute wesentlich erhöht wird - im Bereich zwischen 10% und 40% -, wenn das entstehende Perkolat nicht sofort über die Drainageeinrichtung abgezogen, sondern in den Faulbehälter bis zu einem bestimmten Pegel aufgestaut wird. Dies wird vorrichtungstechnisch dadurch erreicht, dass der Faulbehälter flüssigkeitsdicht ausgelegt ist, d.h. auch die Klappe zum Be- und Entladen des Faulbehälters muss flüssigkeitsdicht ausgeführt werden und auch entsprechend stabil ausgestaltet sein, um dem entstehenden Flüssigkeitsdruck Stand zu halten. Durch die Verbindung der vorhandenen Perkolat-Drainageeinrichtung mit einer Perkolat-Steuereinrichtung ist es möglich, den Flüssigkeitspegel des Perkolats in der vergärenden Biomasse so einzustellen und zu regeln, dass die Biogaserzeugungsrate oder die Biogasausbeute maximal wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 2 umfasst die Perkolat-Steuereinrichtung eine Perkolatspeicher der über eine Perkolat-Ableitung mit der Perkolat-Drainageeinrichtung verbunden ist. In der Perkolat-Ableitung ist ein Ventil angeordnet, mittels dem das sich in dem Faulbehälter bildende Perkolat zu der gewünschten Höhe aufgestaut werden kann. Die Höhe des Perkolatpegels wird hierbei so eingestellt, dass die Gasausbeute maximal wird. Die Ableitung des Perkolats in den Perkolatspeicher erfolgt mittels Schwerkraft.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 ist in der Perkolat-Ableitung eine Perkolat-Pumpe angeordnet, um die Ableitung des Perkolats in den Perkolatspeicher von der Schwerkraft unabhängig zu ermöglichen. Hierbei kann die Perkolat-Pumpe auch zugleich die Funktion des Ventils übernehmen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 handelt es sich bei dem Füllstandssensor um einen einfachen Drucksensor, der in der Perkolat- Ableitung im Bereich des Bodens des Faulbehälters angeordnet ist. Derartige Drucksensoren sind sehr preisgünstig und gegenüber dem chemisch agressiven Perkolat widerstandsfähig.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 5 umfasst die Perkolat-Steuer- einrichtung auch eine Perkolat-Rückleitung, um in an sich bekannter Weise Perkolat aus dem Perkolatspeicher wieder in dem Faulbehälter zurückzuführen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 8 sind in den Perkolatspeicher Füllkörper eingebracht, in denen sich Biogas erzeugende Mikroorganismen besonders gut anlagern können. Auf einfache Weise wird dies gemäß Anspruch 9 dadurch erreicht, dass in den Perkolatspeicher ein Festbett aus Biomasse mit hohem Feststoffanteil eingegeben wird. Auf diese Weise dient auch der Perkolatspeicher selbst als Bioreaktor und es kann aus dem Perkolatspeicher Biogas abgezogen werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugen Ausgestaltung — Anspruch 10 - lassen sich eine Mehrzahl der erfindungsgemäßen Bioreaktoren zusammenschalten, um eine Biogas- erzeugungsvorrichtung bereitzustellen. Die Mehrzahl der Bioreaktoren umfasst dann einen gemeinsamen Perkolatspeicher .

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 11 sind hierbei die einzelnen Bioreaktoren zusätzlich über Perkolat-Verbindungsleitungen untereinan-

der verbunden. Hierdurch läßt sich beispielsweise der gleiche Flüssigkeitspegel in den einzelnen Bioreaktoren einstellen .

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der

Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen.

Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Bioreaktors;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Bioreaktors nach Fig. 1 quer zur Be- und Entladerichtung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der

Bodenplatte des Bioreaktors aus Fig. 1 bzw. 2;

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung des

Bioreaktors nach den Figuren 1 bis 3; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Biogaserzeugungsvorrichtung mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Bioreaktoren .

Die Figuren 1 bis 4 zeigen eine beispielhafte Aus- führungsform Bioreaktor bzw. Biogasreaktor 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Bioreaktor umfasst einen quaderförmigen Faulbehälter 2, der mit Biomasse 4 gefüllt ist. Der Faulbehälter 2 besteht nach Art einer Fertiggarage aus Stahlbeton und umfasst sechs plane Wand- elemente, nämlich eine Bodenplatte 6, zwei Seitenwände 8 und 9, eine Deckplatte 10, eine Rückwand 12 und eine

offene Vorderseite 13, die durch eine gasdichte Klappe 14 verschließbar ist.

Die Klappe 14 ist mittels einer Hydraulik 16 betatig- bar. Bei offener Klappe 14 lasst sich der Faulbehälter 2 auf einfache Weise befullen bzw. die Restbiomasse daraus entfernen. über eine Biogasableitung 18 wird das in dem Faulbehälter 2 erzeugte Biogas abgeführt. In der Bodenplatte 6 des Faulbehälters 2 und teilweise auch in den Seitenwanden 8 und 9 kann eine Heizeinrichtung 20 — siehe Fig. 3 - nach Art einer Fußbodenheizung vorgesehen sein, mittels der die in dem Faulbehälter 2 befindliche Biomasse 4 entsprechend temperiert werden kann. Hinsichtlich Details wird hierzu auf die entsprechenden Ausfuhrungen in der EP 1 301 583 Bl verwiesen.

Ebenfalls in der Bodenplatte 6 integriert ist eine Sickersaft-Drainageeinrichtung 22, die durch eine leichte Neigung der Bodenplatte 6 in Richtung Klappe 14 und durch eine im vorderen Bereich des Faulbehälters hinter der

Klappe 14 angeordneten Rinne 24 realisiert ist. Die Rinne 24 verlauft quer zur Längs- oder Be- und Entladerichtung des Faulbehälters 2 und wird durch ein Loch- oder Schlitzblech 26 abgedeckt. In der beispielhaften Aus- fuhrungsform ist lediglich eine Rinne 24 dargestellt. Alternativ können mehrere solcher Rinnen vorgesehen werden, die ebenfalls quer oder in Längsrichtung angeordnet sein können.

Die Hohe des Perkolatpegels 28 wird mittels einer Perkolat-Steuereinrichtung 30 geregelt bzw. gesteuert. Die Perkolat-Steuereinrichtung 30 umfasst eine Sickersaft- bzw. Perkolat-Ableitung 32 mittels der das sich in der Rinne 24 sammelnde Perkolat in einen Perkolatspeicher 34 abgeleitet wird. Die Perkolat-Ableitung 32 ist mittels eines Ventils 36 abschließbar, so dass das sich in dem

Faulbehälter 2 sammelnde Perkolat bis zu einem gewünschten Pegel 28 aufgestaut werden kann. In der Perkolat- Ableitung 32 ist eine Perkolat-Pumpe 38 angeordnet, um das Perkolat unabhängig von der Schwerkraft in den Perkolatspeicher 34 befordern zu können.

über einen Fullstandssensor in Form eines Drucksensors 40 wird die Hohe des Perkolatpegels 28 in dem Faulbehälter 2 ermittelt. Der Drucksensor 40 ist in der Perkolat-Ableitung 32 vor dem Ventil 36 angeordnet. Der Drucksensor 40, das Ventil 36 und die Perkolat-Pumpe 38 sind über Steuerleitungen 42 mit einer Steuereinheit 44 verbunden. über zusatzliche Steuerleitungen 46 können der Steuereinheit 44 weitere Prozessparameter, wie z. B. die Gasproduktionsrate, der Gasdruck im Inneren des Faulbehälters etc. zugeführt werden. Auf diese Weise kann mittels der Steuereinheit 44 der Perkolatpegel 28 so eingestellt werden, dass die Gasproduktionsrate auf einem maximalen Wert gehalten wird.

In Fig. 1, die nur eine schematische Darstellung einer Ausfuhrungsform der Erfindung zeigt, ist der Perkolat-Speicher 34 unter dem Faulbehälter angeordnet. Da in der Perkolat-Ableitung 32 eine Perkolat-Pumpe 38 vorgesehen ist, kann der Perkolat-Speicher 34 auch auf gleicher Hohe mit dem Faulbehälter 2 angeordnet werden.

In Fig. 4 ist das Ventil 36 in Abflussrichtung vor der Perkolat-Pumpe 38 angeordnet. Alternativ kann das Ventil 36 auch nach der Perkolat-Pumpe 38 angeordnet werden. In diesem Fall kann auch der Drucksensor 40 im Pumpensumpf der Perkolat-Pumpe 38 angeordnet werden. Bei entsprechender Ausgestaltung der Perkolat-Pumpe 38 kann diese auch die Funktion des Ventils 36 übernehmen, d. h. im Stillstand schließt die Perkolat-Pumpe 36 die

Perkolat-Ableitung 32 ab, so dass das Perkolat im Faulbehälter aufgestaut werden kann.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Biogaserzeugungsvor- richtung die fünf Bioreaktoren bzw. Faulbehälter 2-1 bis 2-5 gemäß den Figuren 1 bis 4 umfasst. Die fünf Faulbehälter 2-1 bis 2-5 sind über fünf Perkolat-Ableitungen 32-1 bis 32-5 mit einem gemeinsamen Perkolatspeicher 34 verbunden. In jeder Perkolat-Ableitung 32-i ist eine Perkolat-Pumpe 38-i angeordnet, die auch die Funktion des Ventils 36 der Ausfuhrungsform nach den Figuren 1 bis 4 übernimmt. In dem Pumpensumpf der einzelnen Perkolat- Pumpen 38-i ist jeweils ein Drucksensor 40-i zur Ermittlung des Perkolatpegels in dem jeweiligen Faul- behalter 2-i angeordnet. über eine Perkolat-Ruckleitung 48 mit einer Perkolat-Ruckfuhrpumpe 50 kann Perkolat aus dem gemeinsamen Perkolatspeicher 34 in die jeweiligen Faulbehälter 2-i zuruckbefordert werden. über eine Steuereinheit 44 lasst sich der Perkolatpegel 28 steuern und regeln. Die Steuereinheit 44 ist mit den Drucksensoren 40-1 bis 40-5 verbunden und schaltet die Perkolat-Pumpen 38-1 bis 38-5 und die Perkolat-Ruckfuhrpumpe 50. Die zugehörigen Steuerleitungen verlaufen entsprechend den Fig. 4 sind jedoch in Fig. 5 aus Gründen der übersichtlichkeit nicht dargestellt.

Zusatzlich können auch die Faulbehälter 2-i untereinander mit Perkolatleitungen verbunden sein (nicht dargestellt) .

Bezugszeichenliste :

1 Bioreaktor 2 Faulbehälter 4 Biomasse

6 Bodenplatte

8 Seitenwand

9 Seitenwand

10 Deckplatte 12 Rückwand

13 offenen Vorderseite

14 Be- und Entladeklappe 16 Hydraulik

18 Biogasableitung 20 Heizeinrichtung

22 Sickersaft- bzw. Perkolat-Drainageeinrichtung

24 Rinne

26 Loch- oder Schlitzblech

28 Pegel des Perkolats im Faulbehälter 30 Perkolat-Steuereinrichtung

32 Perkolat-Ableitung

34 Perkolatspeicher

36 Ventil

38 Perkolat-Pumpe 40 Drucksensor

42 Steuerleitungen

44 Steuereinheit

46 zusätzliche Steuerleitungen

2-i Faulbehälter

32-i Perkolat-Ableitung

38-i Perkolat-Pumpe

48 Perkolat-Rückleitung

50 Perkolat-Rückführpumpe