Eindampfung von ausgefaulten Gärsubstraten
Das ausgefaulte Substrat wird aus der Biogasanlage in der Regel mit einem TS-Gehalt von 5 % ausgetragen, was einem Wassergehalt von ca. 95% entspricht. Dieser Wasseranteil setzt sich zu ca. 60% aus den zugeführten Abfällen und zu ca. 30% aus zur Konditionierung notwendigem Mischwasser zusammen. Damit die am Ende des Verarbeitungsprozesses entstehende Menge an Düngesubstrat minimiert werden kann (Reduzierung der Lager- und Transportaufwendungen), muss mindestens der Mischwasseranteil abgetrennt und rezirkuliert werden.
Hierzu bieten sich unter anderem Verfahren zu mechanischen Fest/Flüssigtrennung an. Diese haben allerdings den Nachteil, dass im Wasser gelöste Stoffe wie zum Beispiel Salz nur zum Teil abgetrennt werden. Außerdem wird für diesen Prozess elektrische Energie verbraucht, die dem Stromverkauf entzogen wird.
Alternativ wird hier ein Verfahren zur thermischen Fest/Flüssigtrennung mit mehrstufiger Vakuumeindampfanlage vorgestellt. Dieses System nutzt die vorhandene Abwärme des Biogas-BHKW als Antriebsenergie.
Entsprechend des Verhältnisses von zu verdampfender Wassermenge zur verfügbaren Energie wird die Anlage mehrstufig ausgeführt, dass heißt die Wärme wird in einer Temperatur und Dampfdruckkaskade mehrfach genutzt.
Die weiteren in einer Biogasanlage zu realisierenden Prozesse wie Heizung des Reaktorsystems und ggf. Hygienisierung der Substrate sind ebenfalls möglich.
Die Beheizung der Reaktoren und des Vorversäuerungstanks erfolgt mit der Abwärme der letzten Eindampferstufe. Hier stehen Brüden mit über 50°C zu Verfügung.

Die Erwärmung der Substrate in der Eindampfung, je nach Betriebsweise auf 80-90°C, ermöglicht eine Hygienisierung im Rahmen dieses Prozesses. Der Bau separater Hygienisiersysteme, wie allgemein üblich, kann damit vollständig entfallen.
 
Für Anlagenkonfigurationen, bei denen eine Vollaufbereitung des Gärsubstrates gefordert wird, erfolgt eine Eindampfung bis zu einem TS-Gehalt von 30%. Der Dickstoff wird in einer Wirbelschichttrochnungsanlage zu Granulat getrocknet. Das anfallende Kondensat wir in einer Umkehrosmoseanlage gereinigt und in einer biologischen Nachreinigung so aufbereitet, dass es den Direkteinleiterbestimmungen entspricht.

Das gesamte Eindampfanlage umfasst folgende Teilsysteme:
 
Entgasungs- und Ansäuerungssystem
Die der Eindampfung zugeführten Substrate müssen entgast werden, da anderenfalls flüchtige Anteile während der Eindampfung entstehen und zu störenden Schaumbil-dungen führen. Diese behindern die hydraulische Zirkulation und können durch Ein-strömen in den Kondensatraum die Kondensatqualität erheblich beeinträchtigen.
Die Entgasung erfolgt durch Lufteinblasung über Membranbelüftungssysteme im Nachgärlager. Hier wird das System der Biogasentschwefelung im Nassgaslager für diesen Prozess mitverwendet.
Freiwerdendes Kohlendioxid mischt sich im Gasraum mit Biogas und wird zum BHKW abgeleitet. Außerdem kommt es zu einer Nitrifikation, dabei wird flüchtiger Stickstoff demobilisiert und verbleibt bei der Eindampfung im Substrat.
Während dieses Prozesses säuert das Substrat auf, der pH-Wert fällt auf ca. 5-6.
 
Vakuumeindampfanlage
Die Eindampfung wird im Vakuum betrieben. Hierbei wird der Effekt genutzt, dass Wasser unter Vakuum bei Temperaturen <100°C verdampft. Beispielsweise verdampft das Substrat in der letzten Stufe je nach Betriebsweise bei ca. 55-60°C. Der Dampfdruck liegt hierbei zwischen 150-200mbar Absolutdruck.
Die einzelnen Stufen der Eindampfanlage sind als Zwangsumlaufverdampfer ausgeführt. Sie bestehen jeweils aus Rohrbündelwärmetauschern, Entspanner und Zirkulationspumpe.
Die erste Stufe wird mit Heißwasser aus Motor- und Abgasabwärme des BHKW be-heizt. Das Substrat wird in den Wärmetauschern unter leichtem Überdruck erwärmt, strömt dann in den Entspanner und verdampft unter Verbrauch der zugeführten Wärme. Der entstehende Brüdendampf wird als Heizmedium in die Wärmetauscher der nächsten Stufe geleitet, kondensiert dort unter Wärmeabgabe und wird dem Kondensattank zugeführt. Der Brüdendampf der letzten Stufe wird im Kondensator verflüssigt.
Der Substratstrom erfolgt von der letzten zur ersten Stufe im Gegenstrom zur Energie. Damit entfällt die separate Vorerwärmung auf die Betriebstemperatur der ersten Stufe. Außerdem kann bei steigendem Trockensubstanzgehalt und damit steigender Viskosi-tät des Substrates durch Temperaturerhöhung der Druckverlust und dafür notwendige Pumpenleistung minimiert werden.
Da bei Wärmetauschern Verschmutzungsgefahr durch die Faulsubstrate besteht, wer-den je Stufe mindestens zwei Wärmetauscher montiert. Damit ist eine Reinigung im laufenden Betrieb (mit reduzierter Leistung) möglich, um Stillstandszeiten zu vermeiden. Die Häufigkeit der Reinigung ist substratspezifisch.
Die Regelung der Eindampfanlage beschränkt sich auf die Temperatureinstellung der Heißwasserheizung der ersten Stufe und Füllstandregelungen in den Entspannern aller Stufen.
 
Hygienisierungsstufe
Die Substrate sind aufgrund der dem Biogassystem vorgeschalteten Verarbeitungsstufen (Zerkleinerung und Suspendierung), dem Ansäuerungs- und Vergärungsprozess in der Biogasanlage und der Eindickung durch die Eindampfanlage vollständig homogenisiert und temperiert. Dabei sind Substrattemperaturen je nach Betriebsweise von bis zu 90°C möglich.
Damit kann die Hygienisierungsstufe sehr kompakt und kostengünstig ausgeführt werden. Dem Substrataustrag aus der ersten Stufe der Eindampfanlage werden zwei isolierte Speichertanks nachgeschaltet, die jeweils die Kapazität der erforderlichen auf den Anlagendurchsatz bezogenen Hygienisierungszeit haben. Die beiden Tanks werden im Wechselbetrieb geschaltet, dass heißt während der Speicherung des Substrates zur Hygienisierung in einem Tank wird im anderen der Substratstrom aus der Eindampfung gespeichert. Nach der Entleerung des ersten Tank wird umgeschaltet. Zirkulations- und Pumpsysteme sowie zusätzliche Erwärmungseinrichtungen sind nicht erforderlich. Eine Temperaturüberwachung kontrollierten den vorschriftsmäßigen Prozess. Fehlchargen während der Startphase können problemlos wieder zurückgeführt und nacherwärmt werden.
 
Pheriphere Systeme
Zusätzlich zu den beschriebenen Anlagenteilen sind folgende Aggregate für den Betrieb der Eindampfanlage erforderlich:

Rückkühler zum Abführen der Niedertemperaturabwärme hier kommen je nach Auslegungsfall Trockenkühler oder Nasskühlturm zum Einsatz. Der Kühler kann bei Stillstand der Eindampfanlage für die Ableitung der Motorabwärme des BHKW verwendet werden.

Eine Vakuumpumpe realisiert das erforderliche Vakuum in der Eindampfanlage und leitet während der Verdampfung entstehende Inertgase ab.