专利名称：生物气发生设备的调节的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于从有机的材料中制造生物气(Biogas)的方法以及装置，其中，借助于供应系统(Aufgabesystem)将基质输送到容器处并且在容器中布置至少一个搅拌器。
背景技术：
该方法用于从有机的材料中产生生物气。应用在这种设备中以生产生物气的原料被称为基质。基质包含可通过生物活动(biogen)分解的生物质(Biomasse)(例如粪水、青贮饲料或生物垃圾(Bioabfall))。用于产生生物气而应用的容器也被称为生物反应器(Bioreaktor)或发酵桶。在生物气设备的连续的运行中，连续地将基质输送到容器处并且提取生物气以及发酵残余物(Gkrest)。通过不同类型的微生物使位于容器中的基质转化。该待转化的生物质被称为发酵基质(Gjirsubstrat)。由于微生物引起的(mikrobiell)降解(Abbau)，从发酵基质中产生作为生物气的主要组分的甲烷和二氧化碳。被输送的基质与容器内物质混合。大多借助于供料系统(Fiitterungssystem)通过点状的供应实现基质的输送。用于尽可能高的生物气产出所需的生物质的停留时间(Verweilzeit)决定性地取决于基质与发酵基质的混合。在这样的介质(即，其主要特征为提高的粘度)中，为了混合和/或混匀需要使容器内物质循环(UmWlzung)，这通常利用搅拌器实现。在厌氧生物的生物反应技术的领域中，在多种应用中使用带有大于O. 5的高度与直径的比例的发酵桶。在此，大多利用垂直搅拌器进行混合。在此，搅拌器螺旋桨(Propeller)位于中央的由外部驱动的轴上。驱动轴垂直地布置并且从上伸入容器之内，其中，驱动轴大多平行于容器壁伸延。例如，通过文件DE 199 47 339 Al已知这种发酵桶。与之不同，在根据本发明的用于制造生物气的方法中应用这样的容器形状，即其高度与直径的比例小于O. 5。优选地，容器的直径在16和40米之间。在该容器尺寸中，应用从外部被驱动的位于中央的垂直搅拌器不再是经济的。为了混合容器内物质主要应用布置在容器的边缘区域中且布置在容器中的搅拌器，其产生在容器中的介质的主要水平的流动(zumeist horizontale Stromung) 例如，通过文件 WO 2008/104320 A2 已知这种布置方案。通过文件DE 20 2007 002 835 Ul已知多个搅拌器以用于容器内物质的混匀，其中，两个相叠地布置的搅拌器布置成与单个的搅拌器相对。对于发酵过程的高的效率来说，在发酵液中尽可能均匀的生物质分布被视为必须的。附加地设置填充液位测量装置，利用其探测在容器中的填充高度并且产生相应的填充液位高度测量信号作为高度实际值信号。将填充液位测量信号输送到控制装置，该控制装置在探测到填充高度较小时如此操控用于构造成潜入式马达搅拌设备(Tauchmotorriihrgerjit)的搅拌器的高度调整马达(H5henstellmotor)，即使搅拌器下降并且由此使搅拌器的搅拌叶片进一步完全地浸入。为了产生生物气而应用的发酵基质通常具有结构粘性的(strukturviskose)流动特性。结构粘性意味着，随着剪切速度的增加，发酵基质的动态的粘度减小。由此，粘度不是值而是函数。对于每个引发的(induziert)剪切速率(Scherrate)得到一个从属的粘度。由此，在容器中粘度局部地不同。粘度与局部地存在的剪切速率相关。其原因为在容器中影响流动的局部的速度。通过搅拌器的螺旋桨的运动产生剪切速率。在结构粘性的发酵基质时，在螺旋桨的周围局部的粘度减小。随着与螺旋桨的距离增加，剪切速度减小，并且粘度相应地上升。这导致，螺旋桨主要从螺旋桨附近的区域中吸入发酵基质，在该区域中发酵基质具有小的粘度。由此，产生这样的螺旋桨附近的区域，即在其中仅仅围绕螺旋桨自身输送具有小的体积的带有高的速度的基质。该螺旋桨附近的区域被称为空洞(Kaverne)。如果搅拌器仅仅局部地在空洞中工作，则不以优化的方式进行容器内物质的混匀，因为流动的产生限制在该区域上。所以，这导致相对于生物反应器的实际的容积而言可用的反应器体积减小。结果在较小的可用的反应器体积中产生较少的生物气并且由此也产生较少的可用的甲烷。甲烷份额或甲烷量对生物反应器的经济的运行有影响。
发明内容
本发明的目的为被转化的发酵基质量和所产生的甲烷气体量的最大化。此外，应减小用于生产生物气所需的停留时间和所需的能量需求。根据本发明，该目的通过以下方式实现，即，获取至少一个测量参数的实际值并且将实际值传送到调节单元处，并且在调节单元中储存有理论值，其中，调节单元计算实际值与理论值的偏差并且取决于该偏差改变这样的调整参数，即该调整参数改变搅拌器的功率输入和/或容器内物质的成分和/或容器内物质的流动特性。生物气设备的经济性基本上取决于搅拌器的能量消耗。利用根据本发明的方法使用于设备的最优的运行所需的液压的功率最小化。在调节单元中，获取来自不同的监视过程的传感器的数据。例如，可应用储存程序控制装置(speicherprogrammierbareSteuerung)作为调节单元。根据调节单元的编程，可使用一个或多个测量参数作为用于调节搅拌器的参考变量(FiihrungsgrSfie)。调节单元将测量值与设备特有的理论值相比较。例如，运行特有的(betriebsspezifisch)理论值与容器的大小、搅拌器的类型和搅拌器彼此的布置方案相关。对于每种应用情况确定理论值。调节单元取决于调节偏差改变这样的调整参数，即该调整参数改变搅拌器的功率输入和/或容器内物质的成分和/或容器内物质的流动特性。根据本发明，可由调节单元调节不同的影响过程的装置(Aggregate)。优选地，其中包括搅拌器、发酵桶加热装置、供应系统以及再循环单元。在生物气设备中，产生甲烷是主要目的。在本发明的尤其有利的变型方案中，获取产生的气体流量(GasmengenstiOm)作为测量参数并用作用于调节影响过程的装置的参考变量。为此可使用气体量计量器。如果气体量下降到一定的水平之下，调节单元例如改变搅拌器的功率输入。在生产生物气时，除了甲烷也产生其它气体，例如二氧化碳。目的是，使在产生的气体流中的甲烷份额最大化。因此，在本发明的尤其有利的实施方案中，获取甲烷气体份额作为测量数据，并且用作用于调节影响过程的装置的参考变量。可通过分析设备确定在气体流中的甲烷气份额。为此优选地应用这样的分析设备，即其基于红外线吸收工作。用于调节用于生产生物气的过程的另一变型方案在于，使用处理所产生的甲烷气的机械/装置的功率数据作为测量参数。如果使甲烷气在内燃机中燃烧，则可使用该机械的功率作为用于调节影响过程的装置的参考变量。在连续的运行中，由于气泡附着在发酵基质的结构材料处可形成浮渣层(Schwimmschicht)。该结构材料的悬浮及其在发酵基质的表面上的硬化负面地影响发酵过程。主要可产生不透气的浮渣层，其阻碍或妨碍生物气离开。这导致对在发酵基质中的转 化过程的负面的影响。在本发明的尤其有利的变型方案中，获取在发酵基质上形成的浮渣层的规模(AusmaB)作为测量参数。可通过浮渣层的高度和/或厚度确定浮渣层的规模。调节单元取决于在发酵基质上形成的浮渣层调节影响过程的装置。证实为适宜的是,获取在发酵残余物中的生物气剩余潜能(Biogaspotential)作为测量参数。通过定期地评估连续地或循环地从容器中提取的发酵残余物，确定在发酵基质中已经进行的物质转化。如果确定了生物气剩余潜能，那么由调节单元评估这些测量数据。调节单元取决于测量数据确定用于接通、切断或接入一个或多个搅拌器的时刻。附加地或备选地，也可由调节单元改变搅拌器的运行持续时间。在本发明的尤其优选的实施方案中，通过搅拌器的转速改变搅拌器的功率输入。如果测量参数的实际值与其理论值不同，则调节单元取决于调节偏差改变搅拌器的转速。也可通过以下方式改变通过搅拌器引起的功率输入，即，接入其它搅拌器。该接入提供了附加的功率输入。调节单元也可改变这样的调整参数，即该调整参数改变容器内物质的成分。为此，调节单元可提高或减小被输送的基质的量。另一可能性在于，通过使用酵素改变发酵基质的分解(Aufschluss)。同样借助于粪水和/或再循环物(Rezirkulat)使发酵基质变稀以及通过添加化学的或生物学的作用机理(Wirkmechanism)改变发酵基质的流动特性是可行的。在此，也可仅仅分阶段地(phasenweise)接入一个或多个搅拌器,例如在通过输送再循环物短时地改变基质成分或发酵基质成分时。
从根据图纸对实施例的描述中以及图纸自身中得到本发明的其它特征和优点。其中
图I显示了用于生物气制造的容器的透视的视图，
图2显示了用于生物气制造的设备的调节装置的示意性的图示。
具体实施例方式在图I中示出了用于制造生物气的柱形的容器I。其它容器形状同样是可行的。容器的最大直径与高度的比例小于O. 5。在容器I中定位有两个搅拌器2，搅拌器的螺旋桨3产生在容器I中的发酵基质的主要水平的流动。搅拌器2或其螺旋桨3在容器I之内布置在不同的高度上。根据需要接入(dazuschalten)补充搅拌器11。
图2显示了用于制造生物气所用的方法的示意性地示出的调节单元4。在此，调节单元可为储存程序控制系统(SPS)或其它调节系统。调节单元4具有信号输入区域5和信号输出区域6。在方法的测量中探测的数据的信号引导到信号输入区域5处。在调节单元4中处理来自不同的监视过程的传感器7，8，9，10，15，17和搅拌器2的数据。数据输出区域6与影响过程的设备处于有效连接中。影响过程的设备为搅拌器2，11、发酵加热装置12、供应系统13以及再循环单元14。如此操控这些设备，即可以最大的甲烷产量为目的优化单个的过程参数。可应用以下传感器来进行过程监视至少一个用于粘度测量的传感器7、一个或多个用于流速测量的传感器8、至少一个浮渣层探测器9、气体量计量器(Gasmengenzjihler) 10、用于发酵残余物分析的单元15以及至少一个用于获得发酵基质的流动特性的单元17。 传感器7用于探测粘度。为了确定粘度，也可使用通过搅拌器2获得的测量数据。备选地或补充地，应用独立的流动特性获取单元17也是可行的。在此，可在多个部位处单个地或同时进行流动特性获取。为了避免在重要的过程参数方面在容器I中过于临界的(kritisch)流动特性以及在过程中应用的所有搅拌器2，11处的损坏并且优化搅拌器的能量消耗，获取流动特性是必要的。在气体产量和能量消耗之间进行优化时，在发酵基质中产生的速度非常重要。应用传感器8以用于在容器I中的速度测量。在此，可借助于一个或多个速度获取装置在不同的部位处实现速度。利用探测器9监视浮渣层的形成。由于浮渣层的覆盖不利地影响生物气从发酵基质中的吸出，应避免浮渣层的产生或在产生后尽可能早地破坏浮渣层。为此，例如可接入补充搅拌器11和/或可改变一个或多个主搅拌器2的转速。由此产生使浮渣层散开的流动涡流。由气体量计量器10探测所产生的气体流量。如果气体量下降到一定的水平之下，调节单元4对搅拌器2，11的功率输入进行匹配。发酵的目的为，利用基质的生物气潜能的尽可能大的量。发酵残余物收集在发酵残余物储存器16中。确定发酵残余物中的生物气剩余潜能通过单元15进行，并且为用于调节单元4和用于搅拌器2，11的调节的另一可能的输入参数。可在设备的不同的部位处获得生物气剩余潜能。如果在发酵残余物中超过确定的生物气剩余潜能，调节单元4使影响过程的设备2，11，12，13，14与过程条件相匹配。原则上，在调节单元4中处理所有来自信号输入区域5的数据。以所储存的算法为基础进行数据的处理。该算法执行的任务为，从输入参数中获得用于从中确定的调节参数的值。使用所获得的调节参数，以由信号输出区域6控制影响过程的设备2，11，12，13，14。用于调节不同的调整参数的信号来自信号输出区域6中。由此，例如操控搅拌器2，其中，可调节搅拌器2的转速。在发酵基质的表面处没有运动时，可出现浮渣层的形成。此外，没有运动可导致，待供给的基质或发酵基质仅仅不充分地分布在容器I中。在输送新的基质时或在已经产生浮渣层的情况中，可接入或调节补充搅拌器11。在将新的基质供给到容器I时，加热装置12产生热。通过供应系统13输送该基质。由此，可使供料量与过程参数相匹配。利用基质过度为容器I供料可不利地影响在容器I中的流动特性并且由此不利地影响甲烷产生。如果流动特性负面地变化，则减小供料量和/或改变其它调节参数例如速度或再循环量。在过小的供料量时，没有足够的基质用于形成甲烷。借助于气体量计量器10和/或在发酵残余物中的生物气剩余潜能的分析，识别出该状态并且促使利用基质进行供料。该方法具有循环单元14，利用该循环单元实现对再循环物进行配量(zudosieren)。以这种方式实现更高的基质转化和提高的生物气产出。·
权利要求
1.一种用于从有机的材料中制造生物气的方法，其中，借助于供应系统(13)将基质输送到容器(I)处并且在所述容器(I)中布置有至少一个搅拌器(2)， 其特征在于， 获取至少一个测量参数的实际值并且将该实际值传送到调节单元(4)处，并且在所述调节单元(4)中储存有理论值，其中，所述调节单元(4)计算所述实际值与所述理论值的偏差并且取决于所述偏差改变这样的调整参数，即所述调整参数改变所述搅拌器(2)的功率输入和/或容器内物质的成分和/或容器内物质的流动特性。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，获取产生的气体流量作为测量参数。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，获取甲烷气体份额作为测量数据。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的方法，其特征在于，获取处理甲烷气的机械/装置的功率数据作为测量参数。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的方法，其特征在于，获取形成的浮渣层的规模作为测量参数。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的方法，其特征在于，获取在发酵残余物中的生物气剩余潜能作为测量参数。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述调节单元(4)改变所述搅拌器(2)的转速。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述调节单元(4)接通至少一个附加的搅拌器(11)。
9.根据权利要求I至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述调节单元(4)改变被输送的基质和/或再循环物的量和/或成分，和/或在生物化学方面或在物理方面改变所述发酵基质的流动特性。
10.一种用于从有机的材料中制造生物气的装置，其中，借助于供应系统(13)将基质输送到容器(I)处并且在所述容器(I)中布置有至少一个搅拌器(2)，其特征在于，获取至少一个测量参数的实际值并且将该实际值传送到调节单元(4)处，并且在所述调节单元(4)中储存有理论值，其中，所述调节单元(4)计算所述实际值与所述理论值的偏差并且取决于所述偏差改变这样的调整参数，即所述调整参数改变所述搅拌器(2)的功率输入和/或容器内物质的成分和/或容器内物质的流动特性。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，获取产生的气体流量作为测量参数。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，获取甲烷气体份额作为测量数据。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，其特征在于，获取处理甲烷气的机械/装置的功率数据作为测量参数。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的装置，其特征在于，获取形成的浮渣层的规模作为测量参数。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的装置，其特征在于，获取在发酵残余物中的生物气剩余潜能作为测量参数。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的装置，其特征在于，所述调节单元(4)改变所述搅拌器(2)的转速。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的装置，其特征在于，所述调节单元(4)接通至少一个附加的搅拌器(11)。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的装置，其特征在于，所述调节单元(4)改变被输送的基质和/或再循环物的量和/或成分，和/或在生物化学方面或在物理方面改变所述发酵基质的流动特性。
全文摘要
本发明涉及一种用于从有机的材料中制造生物气的方法以及装置。在此借助于供应系统(13)将基质输送到容器(1)处。在容器(1)中布置至少一个搅拌器(2)。获取至少一个测量参数的实际值并且将其传送到调节单元(4)处。在调节单元(4)中储存有理论值。调节单元(4)计算实际值与理论值的偏差。取决于该偏差改变这样的调整参数，即该调整参数改变搅拌器(2)的功率输入和/或容器内物质的成分和/或容器内物质的流动特性。
文档编号C12M1/107GK102947437SQ201180017310
公开日2013年2月27日 申请日期2011年3月30日 优先权日2010年4月1日
发明者K.罗施塔尔斯基, P.施普林格 申请人:Ksb 股份公司