Statische Mischer in der Biogasproduktion

Der immer größere werdende Hunger nach Energie und die immer knapper werdenden Rohstoffe zwingen unsere Gesellschaft zum Umdenken. Hierbei sind sehr viele neue Ansatzpunkte zur Energiegewinnung entstanden, welche auch zum großen Teil durch das EEG (erneuerbare Energien Gesetz) gefördert werden. Einer davon ist die Erzeugung von Biogas mittels Fermentation von Biomasse. Unter Biomasse versteht man Stoffgemische, die in Lebewesen gebunden und / oder von ihnen erzeugt werden.

Biomasse besteht vor allem aus lebenden oder toten Lebewesen, die wiederum aus einer Vielzahl verschiedener Verbindungen bestehen. Der größte Teil sind die Kohlehydrate (Zucker), Fette, Proteine und Enzyme. Man unterscheidet die Biomasse im Wesentlichen in drei Hauptgruppen:

 

  1. nach dem Wassergehalt (nasse oder trockene Biomasse)
  2. nach der Herkunft: (pflanzlich, tierisch oder durch Mikroorganismen)
  3. nach der „Lebendigkeit“: Lebende Biomasse (Die Biomasse befindet sich in lebenden Organismen) oder tote Biomasse (Die Biomasse befindet sich in toten, abgestorbenen Organismen)

 

Grundsätzlich lässt sich aus fast jeder Biomasse auch Biogas herstellen. Meistens werden aber aufgrund der Verfügbarkeit oder anderer vorteilhaften Bedingungen folgende Stoffe eingesetzt:

  • Vergärbare biomassehaltige Reststoffe wie Klärschlämme, Bioabfall aus der „grünen Tonne“ oder Speisereste und Abfälle
  • Exkremente von Tieren (Gülle / Mist) etc.
  • Bisher ungenutzte Pflanzenteile, Pflanzenreste oder Zwischenfrüchte
  • Gezielt angebaute Energiepflanzen wie z. B. Raps, Mais oder ähnliche, sogenannte nachwachsende Rohstoffe.

 

Die verschiedenen Ausgangsmaterialien ergeben unterschiedliche Biogaserträge und je nach ihrer Zusammensetzung ein Gas mit variablem Methangehalt. Ein Großteil der genannten Rohstoffe – insbesondere Wirtschaftsdünger, Pflanzenreste und Energiepflanzen – fällt in der Landwirtschaft an, daher stellt dieser Wirtschaftszweig das größte Potenzial für die Produktion von Biogas. Bis auf Energiepflanzen handelt es sich dabei um prinzipiell kostenlose Ausgangsstoffe (abgesehen von Transport- und sonstigen Nebenkosten). Biogas entsteht durch den natürlichen mikrobiellen Abbau organischer Stoffe unter anoxischen (sauerstofffreien) Bedingungen. Dabei setzen Mikroorganismen die enthaltenen Kohlehydrate, Eiweiße und Fette in die Hauptprodukte Methan und Kohlenstoffdioxid um. Eine wesentliche Grundvoraussetzung für ein effizientes Arbeiten einer Biogasanlage und ein damit einhergehender großer Wirkungsgrad sind die optimalen Randbedingungen, welche für den Prozess des mikrobiellen Abbaus nötig sind.

 

Man unterscheidet im Wesentlichen zwei Verfahren, die Trocken- und die Nassvergärung. In den meisten Fällen wird das Verfahren der Nassvergärung angewendet, da man hier fließfähiges Substrat vorliegen hat, welches sich mittels Spezialpumpen leichter verarbeiten und aufbereiten lässt.

 

Es stellen sich bei der Biogasproduktion mittels Nassvergärung folgende drei Hauptprobleme dar, die einen wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Anlage haben und bei welchem ein Einsatz von Spezialmischern aus dem Bereich der statischen Mischtechnik mit speziell für diesen Bereich entwickelten Mischelementen sinnvoll ist.

 

Problem 1:

Das Substrat welches in großen Mengen und unaufbereitet in ungleichen Mengenverhältnissen angeliefert wird, muss aufbereitet und nach Möglichkeit homogen in den „Reaktor“ eingebracht werden. Hierbei kommen so genannte dynamischer „Schneckenmischer“ und Exzenterschneckenpumpen zum Einsatz, welche speziell für den Einsatz von hochviskosen Stoffen mit großem Festkörperanteil entwickelt wurden. Diese Pumpen leisten eine enorme Arbeit und mischen das Vorprodukt schon ordentlich durch, allerdings können sie das Substrat nicht homogenisieren, da der Förderstrom und die Mischarbeit von der Beschickung abhängt. Hier ist der Einsatz eines statischen Mischers mit einer großen Nennweite und speziellen Wendelelementen sinnvoll, da er relativ wenig Druckverluste aufweist und es fast keine Verstopfungsneigung zeigt. Im Gegenzug kann er aber das von der Pumpe ausgebrachte Substrat um einen wesentlich höheren Grad der Homogenität vermischen. Hinzu kommt, dass diese Mischer verhältnismäßig kostengünstig und vor allem nahezu wartungsfrei sind, da es keine beweglichen Bauteile gibt.

 

Problem 2:

Das Substrat muss vor der Einbringung in den „Reaktor“ auf eine sog. Prozesstemperatur vorgewärmt werden. Diese liegt bei den meisten Biogasanlagen bei ca. 35°C und wird mittels Röhrenwärmetauschern über große Rohrstrecken im Gegenstromprinzip durchgeführt. Hierbei wird normales Wasser von der Abwärme des vom Biogas angetriebenen Blockheizkraftwerks aufgeheizt und im Gegenstromverfahren in den Röhrenwärmetauscher eingebracht welcher im Wärmetauschprinzip das Substrat aufheizt und sich selber abkühlt. Nachteil hierbei ist, dass ein Teil der Wärmeenergie von der Biogasanlage selbst wieder verbraucht wird und somit den Wirkungsgrad negativ beeinflusst. Desweiteren sind  lange Strecken erforderlich um die gewünschten 35° zu erreichen, da das teilweise hochviskose Substrat durch Rohrleitungen mit großem Querschnitt gefördert werden muss und hierbei der Wärmeübertrag gering ist. Auch hierbei kann der Einsatz von speziellen Wärmetauschmischelementen für eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades sorgen, indem diese Mischketten in die Substratleitung eingesetzt werden und somit für eine stetige Umwälzung und Durchmischung des Substrates sorgen. Dadurch wird ein wesentlich höherer Wärmeübertragungswert erreicht, der Wärmetauscher kann wesentlich kürzer gebaut werden und das Substrat wird schneller aufgeheizt.

 

Problem 3:

Das durch die Fermentation entstandene Biogas ist noch mit vielen schädlichen Verunreinigungen und Zusätzen versehen, welche zum Teil hochgiftig, umweltschädlich oder aber schädigend für die nachfolgenden Anlagenteile sind. Hier ist zum Einen der Schwefelwasserstoff zu nennen, welcher in großen Mengen in landwirtschaftlichen Biogasanlagen durch die in der Gülle enthaltenen Nitrate anfällt. Aber auch andere schädigende Stoffe müssen aus dem Biogas entfernt werden. Hierbei werden die verschiedensten chemischen Prozesse angewendet bei welchen ebenfalls der Einsatz eines statischen Mischers äußerst sinnvoll ist. Durch die speziellen Gasmischelemente wird das Gas in der Strömung wesentlich besser vermischt und kann entsprechend schneller trocknen, sowie mit den teilweise eingebrachten Zusatzstoffen zur Aufbereitung besser und homogener vermischt werden. Bei der Einspeisung ins Erdgasnetz muss zusätzlich noch eine Durchmischung mit Erdgas und evtl. Geruchsstoffen erfolgen, was sich ebenfalls am besten mit statischen Mischern durchführen lässt.

 

Zusammenfassend kann man festhalten, das der Einsatz von statischen Mischer erstrebenswert ist und dem Anwender viele Vorteile bringt.

 

Hinzu kommt, dass sich statische Mischer relativ einfach aus fast allen Sonderwerkstoffen herstellen lassen und somit hinsichtlich der Korrosions- oder Temperaturbeständigkeit wesentlich besser einzusetzen sind als dynamische Mischer oder sonstige angetriebene Anlagen. Durch unser eigens entwickeltes Wendelverfahren sind wir als einziger Hersteller in der Lage, Wendelelemente in großen Nennweiten herzustellen. Wendelelemente sind die wirtschaftlichsten Mischelemente, da sie relativ günstig und aus nahezu jedem Werkstoff hergestellt werden können, geringe Druckverluste und Reibungsverluste haben, schonend mit dem Produkt umgehen, eine gutes Mischergebnis liefern und wenig Verstopfungsneigung haben. Hinzu kommt, dass man das Steigungsverhältnis dem Medium anpassen kann und somit für jeden Anwendungsfall das optimale Mischelement einsetzen kann.

 

Ferner wurde bei uns ein Spezialverfahren entwickelt, mit welchem es uns möglich ist Wendelmischelementen aus sehr teuren Sonderwerkstoffen wie z. Bsp. Tantal, Platin oder ähnlichem herzustellen und dabei die eigentlich zum Wendeln erforderliche Mindestblechstärke stark zu unterschreiten. Hierdurch können die Kosten bei sehr teuren Sonderwerkstoffen extrem reduziert werden was zu weiteren Vorteilen beim Anwender führt.

 

Für den Einsatz bei hochviskosen Medien oder Medien mit hohem Festkörper- oder Faseranteil wie es in Biogasanlagen der Fall ist, werden unsere Wendelelemente mit einer speziellen Anströmgeometrie versehen, welche ein Aufstauen von Faser- oder Feststoffen vor den Mischelementen verhindert.

 

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