Entwicklung von Rührwerksystemen mit optimalem Mischverhalten in Biogasanlagen und verringertem Energiebedarf mittels numerischer Strömungs­simulation (AD-CFD)

Status

Abgeschlossen

Kurzfassung

Ziel dieses Projektes ist es, das Mischverhalten sowie die Performance von Rührsystemen in Biogasanlagen zu erfassen und mittels CFD-Simulation mathematisch darzustellen. Aus diesen Simulationen können das aktuelle Mischverhalten sowie Rückschlüsse auf optimale Reaktorgeometrien und Positionierung von Rührsystemen, optimale Rührwerkskombinationen und minimierter Energieeinsatz abgeleitet werden.

Im Projekt wurden zwei Biogasanlagen mit unterschiedlichen Rührwerksystemen erfasst. Die rheologische Beschreibung der Fermenterinhalte (das "Gärgut") wurde basierend auf bestehenden Daten verfeinert und präzisiert. In Abhängigkeit von Korngrößenverteilungen (Halmlängen etc.) sowie eingesetzten Substraten wurden die Viskosität sowie das rheologische Verhalten experimentell erfasst.

Durch die Datenaufnahme bei bestehenden Biogasanlagen (Reaktor- und Rührwerksgeometrien) konnte in einem ersten Schritt das aktuelle Mischverhalten dargestellt werden. Dadurch können Hinweise auf die Optimierung der in diesem Projekt beteiligten Biogasanlagen hinsichtlich Mischgüte und Energieeinsatz abgeleitet werden. Die CFD-Modelle wurden durch ein Validierungsverfahren überprüft. Durch punktuelle Zugabe von Bacillus Globigii (BG) werden Rührkessel-Response-Kurven aufgenommen. Das Grundmodell der CFD-Simulation wurde dann soweit modifiziert, dass Aussagen über folgende Fragestellungen getroffen werden konnten:

• Möglichkeiten zur Optimierung des Mischverhalten bei bestehenden Anlagen
• Möglichkeiten zur Optimierung der Rührwerkgeometrie im Fermenter
• die Minimierung des Energieeinsatzes bei bestehenden Rührsystemen durch betriebstechnische Maßnahmen
• Aussagen zur Problematik der Auswahl eines optimalen Rührsystems bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen

Das Projekt war in zehn Arbeitspakete gegliedert, die sich über eine Laufzeit von zwei Jahren erstreckten. Eine grundsätzliche Einteilung dabei waren Arbeitspakete, welche dazu dienten, die im Projekt untersuchten Biogasanlagen (BGA) Strem (Biogas Strem GmbH) und Reidling (R(o)hkraft Ing. Karl Pfiel GmbH) in deren Ist-Zustand zu beschreiben. Weiters wurden Arbeitspakete definiert, in denen die Eigenschaften der Gärsuspension untersucht und beschrieben wurden, vor allem das viskose Verhalten der Gärsuspension. Dazu wurde ein eigenes Makroviskosimeter entwickelt. Die Ergebnisse daraus flossen in die numerischen Simulationen ein. Die Arbeitspakete, welche die numerischen Simulationen beinhalteten, schlossen einphasige Versuche, Verweilzeitdauerrechnungen und Mehrphasensimulationen ein. Um einen günstigeren Betriebspunkt  zu finden, wurden bei den einphasigen Simulationen die Drehzahlen der Rührwerke variiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Im Zuge des Projektes wurden verschiedene Fermenter und Rührwerkstypen simuliert. Der Schwerpunkt dabei lag vor allem auf Einphasensimulationen. Für die Anlagen in Strem und Reidling wurde die Drehzahl variiert um eine Leistungskurve zu ermitteln um so eine optimale Drehzahl für die Rührwerke zu finden. Für die Anlagen in Reidling und Strem sind auch Mehrphasensimulationen implementiert worden um den Einmischprozess studieren zu können. Die Anlagen der Firmen Thöni Industriebetriebe GmbH und AAT Abwasser- und Abfalltechnik GmbH wurden mittels Einphasensimulationen untersucht. Für die Anlagen der Firma Thöni wurde die Position des Propellerrührwerkes verändert. Die Simulationen der AAT-Anlagen untersuchten eine Veränderung der Geometrie des Paddelrührwerkes und eine unterschiedliche Anordnung der Rührwerke.

Die Ergebnisse zeigen, dass es in sämtlichen Anlagen nicht notwendig ist, mit der maximal möglichen Drehzahl zu rühren. Die Leistungskurven von beiden Paddelrührwerkstypen (vertikal und horizontal) zeigen einen exponentiellen Anstieg mit steigender Drehzahl. Allerdings ist ab einer gewissen Drehzahl keine Steigerung der Mischgüte zu erwarten. Das Verwenden von Propellerrührwerken verschlechtert den Energieeintrag, bezogen auf die mittlere Geschwindigkeit im Fermenter, erheblich. Allerdings zeigt sich auch die Tendenz, dass bei einer Anordnung der Propellerrührwerke in Hauptströmungsrichtung die benötigte Leistung um etwa 10 % sinkt. Dies bedeutet, dass Propellerrührwerke nur periodisch eingeschaltet und in Hauptströmungsrichtung angeordnet werden sollen.

Die optimale Anordnung wäre in der Nähe des Eintrags der festen Substrate mit der Förderrichtung hin zu einem eingebauten Paddelrührwerk. So lässt sich der Energieeintrag reduzieren und die Einmischung der neu zugeführten Substrate beschleunigen. Die weitere Vermischung übernehmen die Paddelrührwerke.

Projektleitung

Technische Universität Wien

Autoren

• DI Stefan Pohn, Dr. Michael Harasek
  Technische Universität Wien
• DI Ludek Kamarad, DI Günther Bochmann
  Universität für Bodenkultur

Projektpartner

• Universität für Bodenkultur
• AAT Abwasser- und Abfalltechnik GmbH
• Thöni Industriebetriebe GmbH
• Ing. Karl Pfiel GmbH
• Biogas Strem Errichtungs- und Betriebs GmbH & CO KG.

Ass.Prof.Dipl.-Ing. Dr. Michael Harasek
Technische Universität Wien
Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften
Thermische Verfahrenstechnik - Numerische Strömungssimulation
Getreidemarkt 9/166
A-1060 Wien
Tel.: +43 (1) 58801 166202
Fax: +43 1 58801 15999
E-Mail: michael.harasek@tuwien.ac.at
Web: www.vt.tuwien.ac.at