Automatik-Zentrifuge N4 zur Gülle- und Gärrestseparierung
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- Emilia Breiner
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1 Spaleck Oberflächentechnik GmbH Automatik-Zentrifuge N4 zur Gülle- und Gärrestseparierung Abscheidegrad/Energiebedarf DLG-Prüfbericht 5853 F Technische Daten (Herstellerangaben) Hersteller und Anmelder Spaleck Oberflächentechnik GmbH Schlavenhorst 117 D Bocholt Telefon: Telefax: info@spaleck.biz Aufbereitungsleistung 2,0 bis 2,4 m³/h Vorratstank für flüssige Fraktion 500 l optional: Zwischenpuffer 500 bis 2000 l Feststoffentleerung automatisch Steuerung SPS Anschlusswert 15 kw Hauptabmessungen Breite 3500 mm Tiefe 2700 mm Höhe 2200 mm Eigenmasse (ohne Schneckenförderer) 1990 kg DLG e.v. Testzentrum Technik und Betriebsmittel Vertrieb WLV-Service GmbH, Schorlemerstraße 15, D Münster Telefon: , Telefax: info@wlv-service.de, Internet: DLG-Prüfbericht 5853 F Seite 1 von 10
2 Kurzbeschreibung Verfahren automatisch arbeitende Einrichtung zum mechanischen Trennen von Gärresten aus vergorener Biomasse (Biogasgülle) sowie von Rinder- und Schweine gülle; die Trennwirkung erfolgt ausschließlich durch Zentrifugieren in chargenweiser Betriebsweise; Arbeitsweise zum Befüllen wird das Substrat von einer Drehkolbenpumpe in die sich drehende Trommel gefördert, die Feststoffe setzen sich infolge der wirkenden Zentrifugalkraft an der Trommelwand ab, die dünne Fraktion kann ständig frei ablaufen, nach Ablauf der eingestellten Zykluszeit fährt ein Schälmesser in die Trommel ein und schält den Feststoff heraus, dieser wird von einem Schneckenförderer weiter gefördert, zur Weiterförderung sind separate Förderer erforderlich Aufbau kompakte Einheit bestehend aus: Antrieb mit Trommellagerung, Substratzuführung, Ausschälvorrichtung, Abführsystem und Austrageschneckenförderern, mit direkt zugeordneter Steuer- und Bedieneinheit; mit variabler Einstellung der Arbeitszykluszeit zur Anpassung an wechselnde Substrateigenschaften; kann wahlweise als mobile Einheit aufgebaut oder stationär betrieben werden. Bild 1: Funktionsprinzip der Nährstoffzentrifuge N4 (Beim Testmodell war anstelle des Auffangbehälters ein Schneckenförderer installiert.) DLG-Prüfbericht 5853 F Seite 2 von 10
3 Beurteilung kurzgefasst Testkriterium Testergebnis Bewertung Abscheidegrad Masse Biogasgülle: 20 % k. B. Schweinegülle: 17 % k. B. Trockenmasse Biogasgülle: 47 % Schweinegülle: 59 % + Gesamt-Phosphor Biogasgülle: 54 % Schweinegülle 66 % + Gesamt-Stickstoff Biogasgülle: 25 % + Schweinegülle: 25 % + spezifischer Energiebedarf* BG-/Schweinegülle: 2,8 kwh/m³ * innerhalb des erreichbaren Durchsatzbereiches von 1,1 bis 2,4 m³/h Zulauf Abkürzungen: k.b. = keine Bewertung; BG = Biogas Prüfbedingungen und -durchführung Der DLG-FokusTest Abscheidegrad/Energiebedarf der Nährstoffzentrifuge N4 wurde unter Praxisbedingungen mit Biogas- und Schweinegülle durchgeführt. Im Zeitraum von September bis Dezember 2008 erfolgten dazu mehrere Messeinsätze auf Landwirtschaftsbetrieben in Westfalen und Tabelle 1: Prüfbedingungen im Emsland (Tabelle 1). Die Substrate 1 bis 4 wurden an einem Standort im Rahmen eines Versuchsaufbaues untersucht. Dabei wurden die Substrate 2 und 3 von benachbarten Betrieben mit Gülletankfahrzeugen angeliefert. Je Messung wurden jeweils 12 Arbeitszyklen gefahren. Bei den weiteren Messeinsätzen (Substrat 5 bis 7) erfolgten die Untersuchungen während des normalen Praxiseinsatzes der Zentrifuge. Hierbei konnten längere Messzeiten (> 6 h) je Substrat gefahren werden. Je Messeinsatz erfolgen hier ins 5 Messungen mit jeweils 10 Arbeitszyklen. Lfd. Nr. Substratzusammensetzung eingesetztes Substrat Art Vers.- TM kennz. 1 Biogasgülle 2 Biogasgülle 3 Schweinegülle 4 Schweinegülle 5 Schweinegülle Produktionsbereich Zuführ-/Fütterungstechnologie BG-I 7,1 % Biogasanlage Pumptechnik gequetschter Körner-Mais und Schweine gülle BG-II 7,3 % Biogasanlage Grobfutterdosiertechnik SG-I 9,8 % Schweinemast Fütterung mit Rohrbreiautomat Silomais mit geringem Körnermaisanteil Ferkelaufzuchtfutter II, Alleinfutt.-mittel bis 35 kg Alleinfuttermittel für Mastschweine: ab 35/95 kg SG-II 3,8 % Schweinemast Flüssigfütterung Futtermischung aus Nebenprodukten der Lebensmittelindustrie, ohne Getreideanteil SG-III 4,7 % Schweinemast Fütterung mit Rohrbreiautomat Vormastfutter bis 12 Wochen, Alleinfuttermittel für Mastschweine: ab 35/60 kg Bemerkung angeliefertes Substrat, angeliefertes Substrat, TM-Gehalt hoch TM-Gehalt gering Dauermessung, N- und P-reduzierte Fütterung 6 Schweinegülle 7 Schweinegülle SG-IV 5,0 % Schweinemast Flüssigfütterung Eigenmischung aus Gerste, Weizen und CCM SG-V 7,7 % Schweinemast Fütterung mit Rohrbreiautomat Alleinfuttermittel für Mastschweine: ab 35/75 kg Dauermessung Dauermessung DLG-Prüfbericht 5853 F Seite 3 von 10
4 Messdurchführung Bei den Messeinsätzen wurden folgende Daten erfasst: Volumenstrom des Zu- und Ablaufes, Masse des abgetrennten Feststoffes und der Energieverbrauch. Zudem erfolgte eine Probenahme im Zu- und Ablaufstrom sowie vom abgetrennten Feststoff. Die gewonnenen Proben wurden von der LUFA NRW hinsichtlich Trockenmasse- und Nährstoffgehalt analysiert. Verfahrensablauf Von dem zu separierenden Substrat war zuvor die Dünnphase abgesaugt worden. Anschließend wurde das Substrat aufgerührt und von der Zentrifuge über eine Schlauchleitung aus der Vorgrube angesaugt. Zur Fremdkörperabscheidung war ein Auffangtank mit Siebkorb zwischengeschaltet. Nach der Separation wurde die flüssige Fraktion (Ab lauf) in einen Lagerbehälter gepumpt und die feste Fraktion (Feststoff) über zwei Schneckenförderer auf einem Transportanhänger gefördert. Die Nährstoffzentrifuge inklusive die dazugehörige Steuereinheit war auf einem Transportanhänger montiert (Bild 2). Datenerfassung Die Volumenströme wurden mit magnetisch-induktiven Volumenstrommessern ermittelt. Auf Basis der Volumenstrommesswerte und im Labor ermittelter Dichtewerte wurden die Massendaten der Güllen bestimmt. Da die Volumenstromwerte der flüssigen Fraktion oft durch Schaumbildung beeinflusst wurden, erfolgte die Massenbilanzierung auf der Basis von Zulauf- und Feststoffwert. Aufgrund des Verfahrensablaufes erfolgte ein Nährstoffbilanzabgleich auf Basis der Probenwerte von flüssiger und fester Fraktion. Der Energiebedarf sämtlicher Verbraucher (Zentrifuge mit Zubehör, zwei Schneckenförderer und Prozesssteuerung) wurde bei den Substraten 1 bis 4 durch separate Kilowattstundenzählern erfasst. Bei den weiteren Messungen wurden die Daten der Prozesssteuerung genutzt. Bewertung Die Bewertung der Ergebnisse erfolgte auf Basis des Standes der Technik. Insbesondere zur Aufstellung der Bewertungsmaßstäbe wurden u. a. folgende Literaturquellen herangezogen: [1] Landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlamm, Gülle, und anderen Düngern unter Berücksichtigung des Umweltund Verbraucherschutzes, BMU/BMVEL Wissenschaftliche Anhörung, 2001, veröffentlicht in KTBL-Schrift 404, herausgegeben von: Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL) [2] Verwertung von Wirtschafts- und Sekundärrohstoffdüngern in der Landwirtschaft Nutzen und Risiken KTBL-Tagung, 2006, veröffentlicht in KTBL-Schrift 444, herausgegeben von: Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL) [3] Untersuchungen zu den stoff lichen Umsetzungen bei der aerob-thermophilen Belüftung und Einsatz des Verfahrens zur Nährstoff abtrennung aus Schweinegülle, Hahne, 2001, Dissertation Definition Abscheidegrad (nach [3]) y [%] = Abscheidegrad c Zulauf m Zulauf c Ablauf m Ablauf c [%, kg/t] = Konzentration Fest- bzw. Nährstoff y = 100 c Zulauf m Zulauf m [kg, t] = Masse Fest- bzw. Nährstoff Bild 2: Technikaufbau beim Separieren an einem Schweinemaststall (Zentrifuge mit Schneckenförderer und Anhänger zur Aufnahme des Feststoffes) DLG-Prüfbericht 5853 F Seite 4 von 10
5 Prüfergebnisse Die Nährstoffzentrifuge N4 stellt eine einstufige Anlage zur mechanischen Separierung von Gärresten aus vergorener Biomasse (Biogasgülle) sowie von Rinder- und Schweine gülle dar. Der Test erfolgte ausschließlich mit Biogas- und Schweine gülle. Die Zentrifuge arbeitet im Chargenbetrieb. Nach dem Eintritt des Rohsubstrates in die Zentrifuge wird dieses beschleunigt und infolge der Zentrifugalkraft findet eine Fest- Flüssig-Trennung statt. Dabei setzt sich die feste Phase an der Zentrifugenwand ab und wird nach Ende des Trennprozesses ausgeschält. Sämtliche Arbeitsschritte laufen automatisch ab; eine Fernüberwachung ist bei unbeaufsichtigtem Betrieb zu empfehlen. In Abhängigkeit von den Eigenschaften (Struktur, TM-Gehalt) des Rohsubstrates sollte die Arbeitszykluszeit angepasst werden. Damit lässt sich erreichen, dass jeweils annähernd der maximal mögliche Durchsatz für einen verstopfungsfreien Dauerbetrieb ge fahren werden kann. Beim Test betrug die Zeitdauer je Arbeitszyklus zwischen 7 und 14 min. Aufgrund der hohen Substratabhängigkeit erfordert diese Einstellung Erfahrung vom Bediener. Biogasgülle BG-I Schweinegülle SG-I TM, Ablauf [kg/t] TM, Zulauf [kg/t] Bild 3: Trockenmasse-Konzentrationsminderung zwischen Zulauf und Ablauf (flüssige Fraktion). Je flacher der Anstieg der Ausgleichsgeraden, umso höher ist die Trennschärfe und damit die Konzentrationsminderung. Abscheidegrad BG-I BG-II SG-I SG-II SG-III SG-IV SG-V Linear (Trockenmasse) Der Abscheidegrad wurde für die Parameter Masse, Trockenmasse und Nährstoffe ermittelt. Dabei wurden die für Düngebilanzen hauptsächlich maßgebenden Nährstoffe Phosphat und Gesamt- Stickstoff schwerpunktmäßig behandelt, weil es besonders für Betriebe in viehstarken Regionen sehr bedeutsam ist, dass diese Nährstofffrachten reduziert werden können. Biogasgülle BG-II Schweinegülle SG-II y = -0,4845x + 6,1252 R 2 = 0,6768 Mit der Nährstoffzentrifuge werden mittlere bis hohe Masse- und Trocken masseabtrennwerte erreicht (Tabelle 2 und 3). Der Abscheidegrad ist vom Gehalt und von der Struktur der Trockenmasse abhängig. Mit ansteigendem TM-Gehalt nimmt die Trennschärfe zu (Bild 3). Die hohe Strukturabhängigkeit wurde bei der Separation von Schweinegülle SG-II deutlich. Diese Gülle war aufgrund der eingesetzten Futterstoffe (Nebenprodukte der Lebensmittelindustrie, ohne Getreideanteil) extrem strukturarm (Bild 4). Dadurch hatte der abgetrennte Feststoff dieser Gülle eine pastös, klumpige und klebrige Konsistenz. Aus diesem Grunde wurde diese Gülle als nicht repräsentativ eingestuft und bei der Mittelwertbildung zur Bewertung nach den DLG-Bewertungsmaßstäben nicht berücksichtigt. Demgegenüber war die Feststoffstruktur bei allen weiteren eingesetzten Substraten von fein bis grobfaserig und bei Schweinegülle zudem körnig. Bild 4: Beispiele Konsistenz der abgetrennten Feststoffe DLG-Prüfbericht 5853 F Seite 5 von 10
6 Nutzungshinweis für die Tabellen 3 bis 5: Die Konzentrationsangabe in [kg/t] bei Trockenmasse, P ges und N ges ergibt bei der Division durch 10 den Wert in [%]. Bei der Trockenmasse entspricht dieser Wert nach der Umrechnung dem bekannterem TM-Gehalt in [%]. Tabelle 2: Masseabscheidung Vers.- Masseverteilung Masseanteil Abscheidegrad mittl. abgetrennte kenn. Zulauf Ablauf Feststoff Ablauf Feststoff Masse je Zyklus [t] [t] [t] [%] [%] [kg/t] [%] [kg] BG-I 4,63 4,10 0, ,5 BG-I* 4,50 4,00 0, ,2 BG-II 1,78 1,27 0, ,3 BG-II* 1,70 1,21 0, ,9 Mittelwert Biogasgülle: 20 SG-I 2,53 1,95 0, ,0 SG-II 7,00 6,78 0, ,0 SG-III 13,37 11,89 1, SG-IV 15,37 13,30 2, keine Messung SG-V 10,78 8,71 2, Mittelwert Schweinegülle (ohne SG-II ): 17 * Zusatzmessung, ohne Probenahme für Nährstoffanalyse Tabelle 3: Trockenmasseabscheidung Vers.- TM-Konzentration TM-Masseverteilung TM-Anteil Abscheidekenn. Zulauf Ablauf Feststoff Zulauf Ablauf Feststoff Ablauf Feststoff grad [kg/t] [kg/t] [kg/t] [kg] [kg] [kg] [%] [%] [%] BG-I 71,1 46, BG-II 72,6 50, Mittelwert Biogasgülle: 47 Bewertung: SG-I 98,3 51, SG-II 38,3 32, SG-III 47,3 22, SG-IV 50,1 22, SG-V 77,1 39, Mittelwert Schweinegülle (ohne SG-II ): 59 Bewertung: + DLG-Bewertungsmaßstab für den Abscheidegrad [%] Trockenmasse: > 65 (++), 50 bis 65 (+), 35 bis 50 ( = Standard), 20 bis 35 ( ), < 20 ( ) Die Ergebnisse zur Abscheidung sämtlicher untersuchter Nährstoffe sind im Bild 5 dargestellt. Bis auf die Nährstoffe Gesamt-Stickstoff und Kalium werden überwiegend Abscheidegrade von > 40 % erreicht. Es ist weiterhin zu erkennen, dass im Abscheideniveau zwischen Biogas- und Schweinegülle keine deutlichen Unterschiede auftreten. Auffällig ist wiederum die aus strukturarmer Fütterung stammende Schweinegülle SG-II. Bis auf den Phosphatwert stellt der Abscheidegrad dieser Gülle bei allen anderen Nährstoffen das jeweilige Minimum dar. Die Nährstoffzentrifuge erreicht bei der Abscheidung der Hauptnährstoffe Gesamt-Stickstoff und Gesamt-Phosphor höhere Abscheidewerte als der gegenwärtige Standard (s. Tabelle 4 und 5) bei mechanischen Trennverfahren. Bei der Separation von Schweinegülle liegen die Abscheidegrade in einem res pektablen Bereich von 57 bis 74 % (Tabelle 5). Das Niveau bei der Abscheidung von Gesamt-Stickstoff liegt überwiegend ebenfalls in einem hohen Bereich mit Werten zwischen 20 und 30 % (Tabelle 4). DLG-Prüfbericht 5853 F Seite 6 von 10
7 80 Abscheidegrad [%] BG-I BG-II SG-I SG-II SG-III SG-IV SG-V 10 0 Stickstoff (N) Phosphor (P2O5) Kalium (K2O) Magnesium (MgO) Nährstoff Calcium (CaO) Schwefel (S) Kupfer (Cu) Bild 5: Abscheidegrad bei Nährstoffen (Biogasgülle schraffiert dargestellt) Tabelle 4: Nährstoffabscheidung Gesamt-Stickstoff, N ges Vers.- N ges -Konzentration N ges -Masseverteilung N ges -Anteil Abscheidekenn. Zulauf Ablauf Feststoff Zulauf Ablauf Feststoff Ablauf Feststoff grad [kg/t] [kg/t] [kg/t] [kg] [kg] [kg] [%] [%] [%] BG-I 7,4 7,0 10,4 34,3 28,8 5, BG-II 5,4 5,0 6,3 9,5 6,3 3, Mittelwert Biogasgülle: 25 Bewertung: + SG-I 7,4 6,9 9,1 18,6 13,3 5, SG-II 5,6 5,3 11,8 38,9 36,2 2, SG-III 4,6 4,0 9,0 61,2 47,8 13, SG-IV 6,0 5,3 10,4 91,9 70,5 21, SG-V 6,3 5,6 9,0 67,4 48,7 18, Mittelwert Schweinegülle (ohne SG-II ): 25 Bewertung: + DLG-Bewertungsmaßstab für den Abscheidegrad [%] Gesamt-Stickstoff: > 30 (++), 24 bis 30 (+), 18 bis 24 ( = Standard), 12 bis 24 ( ), < 12 ( ) Tabelle 5: Nährstoffabscheidung Gesamt-Phosphor, P ges Vers.- P ges -Konzentration P ges -Masseverteilung P ges -Anteil Abscheidekenn. Zulauf Ablauf Feststoff Zulauf Ablauf Feststoff Ablauf Feststoff grad [kg/t] [kg/t] [kg/t] [kg] [kg] [kg] [%] [%] [%] BG-I 2,9 1,8 11,6 13,4 7,2 6, BG-II 2,4 1,3 5,3 4,3 1,6 2, Mittelwert Biogasgülle: 54 Bewertung: SG-I 5,3 3,0 13,3 13,5 5,8 7, SG-II 1,4 0,7 24,5 10,0 4,4 5, SG-III 2,6 0,9 16,8 35,1 10,1 24, SG-IV 2,7 0,8 15,2 42,1 10,9 31, SG-V 2,5 1,1 8,3 27,1 9,8 17, Mittelwert Schweinegülle (ohne SG-II ): 66 Bewertung: + DLG-Bewertungsmaßstab für den Abscheidegrad [%] Gesamt-Phosphor: > 75 (++), 55 bis 75 (+), 35 bis 55 ( = Standard), 15 bis 35 ( ), < 15 ( ) DLG-Prüfbericht 5853 F Seite 7 von 10
8 Zusammenfassung Abscheidegrad Die Nährstoffzentrifuge N4 kann dem Bereich der mechanischen Trennsysteme für Gülle und Gärreste, wie Siebtrommelpressen, Pressschneckenseparatoren und Dekantierzentrifugen, zugeordnet werden. Sie erreicht bei den Abscheidegraden mindestens Standardniveau bzw. ist besser (Übersicht 1). Besonders bei Schwei- negülle sind die Abscheidegrade besser als der Standard. Energiebedarf Der Energiebedarf der Nährstoffzentrifuge N4 entspricht mit Werten von 1,8 bis 4,0 kwh je m³ Substrat dem Standard (Tabelle 6). Dabei wurden Durchsatzwerte von 1,1 bis 2,4 m³ je Betriebsstunde gemessen. Durchsatz und Energieverbrauch hängen hauptsächlich von den Subs trateigenschaften und hier maßgeblich vom TM-Gehalt ab. Der Durchsatz verringert sich und der Energieverbrauch nimmt mit steigendem TM-Gehalt zu (Bild 6). Gegenüber vergleichbaren mechanischen Trennverfahren mit Durchsätzen von ca. 5 bis 10 m³/h liegt der mit der Nährstoffzentrifuge erreichbare Durchsatzbereich deutlich niedriger. Übersicht 1: Abscheidegrade Parameter Biogasgülle Schweinegülle Abscheidegrad Bewertung Abscheidegrad Bewertung Masse 20 % k. B. 17 % k. B. Trockenmasse 47 % 59 % + Gesamt-Stickstoff, N ges 25 % + 25 % + Gesamt-Phosphor, P ges 54 % 66 % + k. B. = keine Bewertung Tabelle 6: Energiebedarf und Durchsatz Vers.- kenn. Zeit je TM- Messung 24-h Energieverbrauch spezifischer Arbeitszyklus Gehalt Zeit Menge Durchsatz Durchsatz Energiebedarf [min] [%] [h] [m³] [m³/h] [m³] [kwh] [kwh/h] [kwh/m³] BG-I 10,0 7,1 2,0 4,4 2,2 53 9,3 4,6 2,1 BG-I* 10,0 7,1 2,0 4,3 2,2 52 9,3 4,7 2,2 BG-II 7,0 7,3 1,4 1,7 1,2 29 6,5 4,7 3,8 BG-II* 7,4 7,3 1,5 1,6 1,1 27 6,5 4,4 4,0 SG-I 6,9 9,8 1,4 2,4 1,7 42 6,8 4,9 2,8 SG-II 14,4 3,8 2,9 6,8 2, ,6 4,4 1,8 SG-III 7,6 4,7 6,3 13,0 2, ,0 5,2 2,5 SG-IV 8,8 5,0 7,3 14,9 2, ,0 5,5 2,7 SG-V 7,6 7,7 6,4 10,3 1, ,0 4,7 2,9 Mittelwert: 2,8 Bewertung: * Zusatzmessung, ohne Probenahme für Nährstoffanalyse DLG-Bewertungsmaßstab für den Energiebedarf [kwh/m³]: < 0,5 (++), 0,5 bis 2,5 (+), 2,5 bis 4,5 ( ), 4,5 bis 6,5 ( ), > 6,5 ( ) 3,0 5,0 Durchsatz [m³/h] 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 y = -0,125x + 2,6634 R 2 = 0,2614 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 TM-Gehalt [%] spez. Energieverbrauch [kwh/m³] 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 y = -0,1652x + 1,6742 R 2 = 0,1628 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 TM-Gehalt [%] Bild 6: Energiebedarf Bild 7: Durchsatz DLG-Prüfbericht 5853 F Seite 8 von 10
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10 Prüfung Der FokusTest Abscheidegrad/ Energiebedarf der vorgestellten Nährstoffzentrifuge N4 erfolgte in Form einer technischen Überprüfung und Beurteilung unter Praxisbedingungen. Andere Kriterien wurden nicht geprüft. Prüfungsdurchführung DLG e.v., Testzentrum Technik und Betriebsmittel, Max-Eyth-Weg 1, D Groß-Umstadt Projektleiter Dipl.-Ing. W. Huschke Technik, Sicherheit, Qualität Dipl.-Ing. W. Gramatte ENTAM European Network for Testing of Agricultural Machines, ist der Zusammenschluss der europäischen Prüfstellen. Ziel von ENTAM ist die europaweite Verbreitung von Prüfergebnissen für Landwirte, Landtechnikhändler und Hersteller. Mehr Informationen zum Netzwerk erhalten Sie unter oder unter der -Adresse: Februar 2009 DLG DLG e.v. Testzentrum Technik und Betriebsmittel Max-Eyth-Weg 1, D Groß-Umstadt, Telefon: , Fax: Internet: Download aller DLG-Prüfberichte kostenlos unter: DLG-Prüfbericht 5853 F Seite 10 von 10
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