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1/2 | 2015

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Technik und Management

Technik und Management Energie/Erneuerbare Energien Pflanzliche Großmarktabfälle sowie entsprechende Putz- und Schälreste, aber auch allgemeine Abfälle der Lebensmittelindustrie, fallen in Deutschland in Mengen von mehreren hunderttausend Tonnen jährlich an. Diese Abfallfraktion ist meist störstofffrei. Wenn nicht verfüttert, erfolgt die Verwertung dieser bisher überwiegend durch Kompostierung. Dadurch gehen die Abfälle einer möglichen energetischen Nutzung verloren. Bild 1: Schneidwerk des Mazerators M-Ovas Energieeffiziente Zerkleinerung von Abfällen für den Biogasprozess Michael Frankl, Mikael Tekneyan und Dr. Michael Menner Das BMBF-Verbundprojekt „Eta- Max“ [1] will dagegen den Energiegehalt dieser Abfälle mit maximaler Ausbeute nutzbar machen. Sechs Industriepartner und drei Forschungspartner arbeiten an der vollständig energetischen Nutzung der Rohstoffe, der Kreislaufschließung von Nährstoffen aus dem Gärrest und von CO 2 aus Biogasverbrennung beziehungsweise Biogasfraktionierung sowie insgesamt der Maximierung der energetischen Ausbeute. Neben der Erzielung einer maximalen Energieeffizienz durch optimierte Hochlastvergärung ist die Nutzbarmachung des Methans aus dem Biogas für mobile Anwendungen in Kraftfahrzeugen ein wesentliches Projektziel. Im Rahmen von EtaMax wurde eine modulare Demonstrationsanlage zur optimierten Vergärung von Großmarktabfällen konzipiert und aufgebaut, einschließlich Biogasreinigung/- fraktionierung und Gastankstelle für CNG (Compressed Natural Gas)-Fahrzeuge. Die Demonstrationsanlage mit zwei 3,5 m³ Gärreaktoren hat eine Verarbeitungskapazität von 160 Tonnen Bioabfälle pro Jahr. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Bioabfälle werden circa 20 bis 25 m³ Biogas pro Tag und entsprechend cirka 15 kg Biogas-Methan als CNG-Kraftstoff erzeugt. Gegenstand des hier referierten Teilprojekts [2] ist die Zerkleinerungseinheit für die Bioabfälle als „Modul 1“ der Demonstrationsanlage. Entwicklungsaufgabe/Ziel Entsprechend den Anforderungen der EtaMax-Demonstrationsanlage war eine Zerkleinerungseinheit zu entwickeln, zu testen und im Betrieb der Demonstrationsanlage zu optimieren, die folgende Anforderungen erfüllen sollte: > Problemlose Verarbeitung des gesamten Spektrums der Bioabfälle hinsichtlich Zusammensetzung, Qualität und Größenspektrum, wie diese am Großmarkt tageszufällig anfallen (siehe unter dem Abschnitt „Rohstoffe“). > Apparatetechnisch angepasst an den Pilotmaßstab der Demonstrationsanlage war das reale Größenspektrum der Bioabfälle sicher zu zerkleinern. > Weitgehende Zerkleinerung mit Rohstoffaufschluss, um eine schnelle und vollständige Vergärung zu gewährleisten. > Minimaler Energieverbrauch der Zerkleinerungseinheit als Beitrag zur angestrebten maximalen Energieeffizienz des gesamten EtaMax-Prozesses. > Scaleup-Fähigkeit der Zerkleinerung für die Konzipierung von Großanlagen. Rohstoffe Für die EtaMax-Demonstrationsanlage wurden die Bioabfälle so eingesetzt, wie sie ohne jede Vorsortierung oder Auswahl tageszufällig am Großmarkt zur Verfügung standen. Dementsprechend gab es große Unterschiede in Zusammensetzung und Größenspektrum sowie eine stark saisonal geprägte Variationsbreite. Eine wesentliche Herausforderung bei Konzipierung und laufender Optimierung der Zerkleinerungseinheit war der Umstand, dass einerseits der Mengen- und Leistungsbedarf des Pilotmaßstabs mit einer rechnerischen Zerkleinerungsleistung von nur cirka 42 UmweltMagazin Januar - Februar 2015

Bild 2: Modifizierte Zahnwellen und Einlassöffnung des Doppelwellenzerkleinerers TaskMaster Grafik 1: Isometrische Darstellung der EtaMax-Zerkleinerung 20 kg pro Stunde zu berücksichtigen war, andererseits aber die Bioabfälle in realer Größe und Variationsbreite, also „nicht pilotmaßstabsgerecht“, verarbeitet werden mussten. Ferner sollten möglichst keine Spezialentwicklungen, sondern handelsübliche, kostengünstige und robuste Zerkleinerungsaggregate eingesetzt werden. Die entsprechend relativ großvolumigen und massiven Zerkleinerer sollten aber die Energiebilanz so wenig wie möglich negativ beeinflussen. Wegen des hohen Wassergehalts der Rohstoffe sollte außerdem möglichst wenig/kein Spüloder Vorlagewasser zugegeben werden, um eine weitere Verdünnung der Gärsuspension zu vermeiden. Konzept der zweistufigen Zerkleinerung Grafik 1 verdeutlicht das Prinzip der zweistufigen EtaMax-Zerkleinerung in isometischer Darstellung. Die Versorgung der EtaMax-Zerkleinerungsanlage mit Rohwaren erfolgt mittels eines Gabelstaplers mit Kippmulde, die ein Fassungsvermögen von 750 Liter hat. Ein Trichter aus Edelstahl mit Füllstandsensor des Typs Sensick DS60 nimmt die Bioabfälle auf. Ein leerer Trichter wird somit sicher erkannt und der Doppelwellen(DW-)-Zerkleinerer (Z1) kann daraufhin abgeschaltet und erst dann wieder freigegeben werden, wenn sich wieder Bioabfälle im Trichter befinden. Wegen der im normalen Spektrum der Bioabfälle sehr unterschiedlichen Größen, Härtegrade und Faseranteile, des hohen Wassergehalts sowie eines zwar sehr geringen, aber unvermeidlichen Störstoffanteils wurde für die Zerkleinerung eine Kombination von zwei unterschiedlichen Nasszerkleinerungsgeräten gewählt. Ein Grob-Zerkleinerer (siehe Bild 2) im Form eines DW-Zerkleinerer TaskMaster (gegenläufig, 20 bis 100 U/min), der auch für großvolumige und holzhaltige Bioabfälle geeignet ist, und ein Feinzerkleinerer (siehe Bild 1) in Form eines Mazerator M-Ovas (rotierende Messer auf Schneidsieb, 315 U/min bei 50 Hz) als zweite Stufe. Das Schneidwerk des DW-Zerkleinerers (Z1) ist so ausgeführt, dass durch die gegenläufigen Wellen die pflanzliche Rohware eingezogen und durch die Messer zerkleinert wird. Die Schneidmesser weisen ein spezielles Zahnprofil auf, um auch größere Rohstoffe einziehen zu können. Bei dem in der zweiten Zerkleinerungsstufe verwendeten Mazerator M-Ovas (Z2) handelt es sich um ein horizontal durchströmtes Inlinegerät. Die Strömung wird durch ein diagonal eingebautes Schneidsieb geführt, das aus gehärtetem und geschliffenem Stahl besteht. Drei Messer aus gehärtetem Werkzeugstahl befinden sich mittels einer Befederung in permanentem Kontakt mit dem Schneidsieb. Durch die schnelle Rotation der Messer auf dem Schneidsieb werden alle Feststoffe zerkleinert, die durch die Lochung des Schneidsiebs treten. In der Zerkleinerungsanlage werden Exzenterschneckenpumpen (P1 und P2) des Typs NM053–02SBY verwendet. Diese Verdrängerpumpen zeichnen sich unter anderem durch ein sehr gutes Saugvermögen und Robustheit gegenüber Festkörpern im Volumenstrom aus. Das verwendete iFD-Statorsystem ermöglicht eine Reduzierung der Verluste innerhalb der Pumpe um 15 bis 30 Prozent gegenüber Exzenterschneckenpumpen in traditioneller Bauweise. In dem speziell konstruierten Pufferbehälter wurden der Mazerator (Z2) und der Doppelwellenzerkleinerer (Z1) zu einer Zerkleinerungseinheit verbunden. Längere Leitungen oder Einengungen werden dadurch bei minimiertem Volumen vermieden. Durch die im Pufferbehälter eingebaute Schräge und die optimierte Einströmung der umgepumpten Zerkleinerungssuspension durch die Zirkulationspumpe (P1) wird das grobe Mahlgut ungehindert kontinuierlich zum Mazerator M-Ovas (Z2) bewegt und dort weiter aufgeschlossen. Energetische Bewertung der zweistufigen Zerkleinerung Neben der Gewährleistung einer schnellen und vollständigen Vergärbarkeit durch eine effektive Zerkleinerung der Bioabfälle war ein geringer Energieverbrauch ein weiteres Entwicklungsziel und wesentliches Bewertungskriterium. Die Zerkleinerung an der EtaMax-Demonstrationsanlage erreichte durchschnittlich eine Leistung von 1 t/h Bioabfall mit einer von der Rohstoffzu- UmweltMagazin Januar - Februar 2015 43

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