CN101375122A - 用于防止危险空气污染排放物和用于有效干燥/脱水处理的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于将高含水量原料干燥或脱水成干燥的或低含水量原料的系统、装置和方法。该装置系统包括燃气轮发电机单元(优选的热源),干燥容器和处理单元,其中燃气轮机和干燥容器之间的连接部基本上将所有燃气轮机排气引导到干燥容器中,并且基本上防止了将空气引入到干燥容器中,其中处理单元使来自干燥容器的干燥原料形成粒状、球状、薄片或最终产品的其他期望形式。本发明的系统、装置和方法可防止排放危险空气污染,包括VOC、来自生产设备和上面处理的高含水量原料相结合或该生产设备独立的排放物。
Description
技术领域
本发明涉及用于在生产过程中经济地将水从原材料或中间产品中去除和/或用于经济地控制或防止危险空气污染的方法、系统和设备,该危险空气污染包括VOC、工业生产过程和运行装置中的排放物。
背景技术
用于食品、纸张、药品的工业处理设备以及涉及使用和去除大量水的其他生产设备一直都需要更有效和更经济的设备和方法来从原料流和/或中间产品流中去除水。增大的燃料成本总是更为迫切地需要更有效和更低成本的水去除技术和脱水技术。
产生危险空气污染(HAP)的工业生产和处理设备一直需要更为有效且更加经济的设备和方法来控制和防止这种排放物进入大气,该危险空气污染包括挥发性有机化合物(VOC)。联邦、州和省环境保护机构(EPA)在消除或减小危险空气污染排放物的工业性作业方面日益增大的调节压力更加迫切需要改进的且更加经济的危险空气污染排放物控制技术。
现有技术的系统不能满意地解决在工业生产操作中产生的危险空气污染排放物的问题。这种排放物的源头是生产过程本身和在生产过程中产生的材料。这些排放物中的一些穿过洗涤器或转化器以包含或改变危险空气污染的含量,但是一些排放物通常且频繁地排出或排放到大气,并且由于因VOC、温室效应气体和其中包含的其他成分导致的大气污染而不合乎环境的要求。
已经解决上面问题的现有技术的实例包括Goozner的美国专利5,866,752和Staples的美国专利6,944,967,在此将上述专利的公开内容全文引入作为参考。
从上面可以明白,基本上还存在未满足的要求,即需要合乎环境要求的和在经济上可接受的用于控制和防止危险空气污染排放物的技术,以及需要经济地从高含水量处理流中去除水的技术。本发明旨在满足一些或者所有这些要求的方法、装置、系统和产品。
发明内容
本发明提供了用于控制和包含危险空气污染排放物的经济且简单的方法、系统和装置,该排放物包括来自各种工业性作业的VOC排放物。
在一个方面,本发明提供一种用于控制来自生产设备的危险空气污染排放物的方法,包括使危险空气污染排放物进入燃气轮机的燃烧进气口,该燃气轮机优选是燃气轮发电机。
在另一个方面,本发明提供一种用于控制来自生产设备的危险空气污染排放物的装置,包括燃气轮机,优选是燃气轮发电机,以及在危险空气污染排放设备和燃气轮机之间的连接部,该燃气轮机将至少一部分危险空气污染排放物,优选地将全部危险空气污染排放物引导到燃气轮机的燃烧进气口中。
在另一个方面,本发明提供一种改进现有的生产设备的方法,该生产设备包括燃气轮机或燃气轮发电机,并具有危险空气污染排放物,该方法包括将危险空气污染排放物的源连接到燃气轮机的燃烧进气口,以将至少一部分危险空气污染排放物,优选地将全部危险空气污染排放物引导到燃气轮机的燃烧进气口中。
在另一个方面,本发明提供经济且简单的方法、系统和装置,它们可用于去除水、脱水和/或以热的方式对含水的至少一种原料优选是至少一种高含水量原料进行转化。
在另一个方面,本发明提供一种用于从高含水量原料去除水的方法,包括使原料和来自燃气轮机优选地是来自燃气轮发电机的排气接触。优选地,该接触是在基本上将外部空气从接触步骤排除的条件下进行的,从而提供最好的经济性和防止原材料在除水过程中被氧化。
在另一个方面,本发明提供一种用于干燥和/或转化高含水量原料的装置,包括和干燥容器组合在一起的燃气轮机,该干燥容器适于接收高含水量原料,并通过一连接部从燃气轮机接收排气;其中燃气轮机和干燥容器之间的连接部优选地适于基本上防止将空气引入干燥容器,和优选地通过使排气和高含水量原料直接接触,使干燥容器适于这种干燥和/或转化高含水量原料。
在另一个方面,本发明提供一种用于处理高含水量原料的便携系统,包括至少一个便携的干燥单元,其适于干燥或热处理高含水量原料以产生干燥的或改变了的原料;和至少一个便携的处理单元,其适于将来自干燥单元的干燥的或改变了的原料转化成具有适合于常规处理和输送的形式的产品,优选地提供这样一种便携系统,其中干燥单元包括燃气轮机优选的是燃气轮发电机,和干燥容器。此外,本发明可选择地提供这样一种便携系统,其中燃气轮机和干燥容器通过一部件连接,该部件使燃气轮机的排气进入干燥容器并基本上防止空气进入干燥容器。
在另一个方面,本发明提供上面的便携系统,包括安装在台架上的第一单元,其具有适于产生电力的燃气轮发电机;和安装在台架上的第二单元,其具有适于连接到燃气轮机以接收燃气轮机排气的干燥容器,可防止将空气引入干燥容器。可选择地,提供安装在台架上的第三单元,其包括处理单元。优选地,本发明的便携系统包括安装在轨道上的、安装在卡车上的或安装在半拖车上的单元。在另一个方面,本发明提供一种便携系统,包括燃气轮机和干燥容器,和可选择的处理单元,该处理单元配置和定尺寸为单独安装在台架或安装在卡车上的装置。另一个可选择的方面包括一个或多个用于便携单元的外壳,主要用于运行噪声的衰减和气候条件防护。
在另一个方面,本发明提供一种用于控制和消除来自生产设备的危险空气污染排放物的系统,包括具有燃烧进气口的燃气轮机和具有危险空气污染排放物的设备,其中燃烧进气口适于接收来自该设备的至少一部分危险空气污染排放物,优选地基本上接收所有的危险空气污染排放物。可选择地燃气轮机包括燃气轮发电机,并且可选择地包括干燥容器,该干燥容器适于接收燃气轮机的排气,以及接收和热处理高含水量原料。在一个可替换的方面,本发明提供的所述系统用于处理通过往复式发动机的燃烧进气口的危险空气污染排放物,其中可选择地该系统包括发电机,并且可选择地包括适于接收发动机排气的干燥容器。在另一个可替换的方面,可以将危险空气污染排放物引导到气体燃烧器、油燃烧器或其它燃烧器的燃烧进气口,该燃烧器用于执行根据本发明的上述方面的干燥、脱水和/或原料转化。
在另一个方面,本发明提供一种用于处理高含水量原料的装置,包括具有燃烧进气口的燃气轮机和具有连接部和入口的干燥容器,该进气口适于接收来自生产设备的危险空气污染排放物进而产生高含水量原料,该连接部适于接收来自燃气轮机的排气,该入口用于接收高含水量原料。可选择地,燃烧进气口适于连接到设备通风系统,由此燃烧进气口基本上可接收所有来自该设备的危险空气污染排放物。附加地,在这方面,干燥容器和燃气轮机排气口之间的连接部适于基本上防止将空气引入干燥容器。
通过这里公开的内容,上述方面和其他方面对本领域技术人员来说将是显而易见的。
附图说明
图1是一种使用根据本发明的方法和设备处理高含水量原料的方法的示意图;
图2是根据本发明其形式为便携式安装在台架上的输送单元的处理单元的平面图;
图3是根据本发明其形式为另一种结构的便携式安装在台架上的输送单元的处理单元的平面图;
图4A和图4B分别是安装在半拖车卡车上的本发明的系统配置的平面图和正视图;
图5是使用本发明的系统来防止危险空气污染排放物和其他气体进入大气的方法的示意图。
具体实施方式
本发明针对因来自工业性作业的危险空气污染排放物而导致的日益加剧的环境污染问题提供了一种经济、有效和简单的解决方案。到目前为止所提供的现有的方法和系统既不能充分有效地控制这些排放物,且在经济上对较小的和较大的工业性作业来说不是切实可行的。许多现有系统还存在其它问题,包括运行不经济、不能净化和防止空气污染(或者实际上在工艺操作中导致了附加的或者其它环境问题)。
本发明以一种方法、装置和系统的形式提供了一项高度有效且经济的技术,上述方法、装置和系统用于(a)处理高含水量原料并用于(b)减小或消除不希望有的危险空气污染排放物。当将本发明的方法、装置和系统在单个生产设备中使用来处理高含水量原料和控制危险空气污染排放物时,可以实现本发明最高的效率和经济利益,当在一个设备中或对于一个设备使用本发明的方法、装置和系统来处理高含水量原料和控制第二附近或邻近设备中的或来自该设备的危险空气污染排放物时,可以实现类似的利益。并且,本发明可以为使用上述的(a)或(b)或两者的设备提供了相当大的利益。
这里使用的术语“高含水量原料”表示并包括工业生产中的过程流(processstream),其可以是原材料流、中间产品流或需要去除水以便进一步处理或形成最终产品的半成品流,可选择地其包括有机原料、或者可选择地包括无机原料或其混合物。本发明为从过程流去除水提供了有效的方法和系统和/或提供加热以用热的方式使产品流转化或反应成转化了的或反应了的产品(在成批或持续操作中)。本发明的用途包括在造纸过程中从过程流中去除水、干燥和处理连续的过程流和/或纸堆(batches),生产碎料板、纸板、干式墙板、绿板(green board)等等,马铃薯加工,人类食品生产,如生产燕麦片、玉米片、玉米糖浆、玉米粉、玉米淀粉、马铃薯泥、糖、牛奶、奶粉、干酪、酱油、番茄酱、果酱和凝胶剂、速溶咖啡、浓缩果汁和其它在使用时要再水化的脱水产品、啤酒和其它发酵和/或蒸馏的产品、点心以及其它消费品,如宠物食、药品、化妆品、化学药品和其它生产设备。显然,可以使用本发明的系统和方法在没有转化或反应的情况下通过脱水处理原料,在没有脱水的情况下通过转化或反应处理原料,或者通过这两种方法的任何组合或比例组合处理原料。本发明的系统和装置还特别适于安装在单个设备中,以便为了去除水而截断过程流。在2005年7月18日提交的、共同申请人审查中的美国专利申请案序列号11/184,738和序列号11/184,739中公开了将本发明的上述方面用于处理废料、肥料和城市污水,在此将上述专利的公开内容全文引入作为参考。
本发明提供了简化且经济有效的方法来生产液体、膏、浆或包括具有高含水量原料的固体内容的固体产品(包括中间过程流或中间产品),这些产品被脱水到期望的含水量水平和/或如所期望地以物理的和/或化学的方式被转化、反应或改变。本发明还可以回收和再循环从原料中去除的水,该水可用作工业用水或用于其他工业用途,以及本发明可以回收和再循环在处理中产生的所有固体(细屑或其他),使得除了适合于商业用途的期望产品,本发明不会产生或导致较大的固体产品。通过这里公开的内容,本领域技术人员很容易选择和修改本发明的方法、装置和系统,以处理或加工特定的原料,进而产生特定的期望固体、液体、膏或浆产品。
根据本发明,为接触高含水量原料而提供热气体的最有效的方式是来自燃气轮机的排气,优选来自燃气轮发电机。根据本发明的系统,可从当地可获得的常规燃料源如管道天然气向燃气轮机供应燃料。优选地可以将燃气轮发电机产生的电力用在生产设备或其他附近操作的内部作为动力源,或者通过本发明中所用的方法在动力和热回收的用途组合中在内部使用,或者可以出售给当地的电力公司作为收入。
本发明的方法和装置的优选特征是,燃气轮机和从燃气轮机接收排气的高含水量原料的干燥容器连接在一起,使得基本上或者完全防止将外部空气引入干燥容器,该干燥容器优选接收直接来自燃气轮机的排气。优选的是,为了最有效的运行,使100%的燃气轮机排气进入干燥容器,优选地不对换热器、消音器或其他设备进行任何干涉,以使干燥容器从燃气轮机排气接收最多的热。还认识到的是,干燥容器运行不需要的来自燃气轮机的过量排气可以被转向进而提供在生产设备的其他方面或在其他附近操作中所需的热。还优选的是,为了使消耗的每单位燃料产生最高的热,排气由燃气轮机中常规的且有效的燃烧比形成,使得排气包含最少或有限量的游离氧,基本上没有未燃烧的燃料、没有明显的火焰,以及使得达到最佳的排气温度(EGT)。如果需要,就本发明的方法和系统来说,对于在最高温度和最高热输入的峰值EGT操作,可以使燃烧按化学计量比。这里提到的排气中不存在过剩氧量、防止外部空气引入干燥容器、在该温度下不存在明火和操作可防止高含水量原料在干燥容器中被明显氧化,并且为了最终产品的密封使高含水量原料保持最高的营养价值,当干燥容器输出干的、可氧化原料时,可防止对设备的火灾损失危险和在干燥容器中提供远离爆燃的操作安全。排气中不存在过剩燃料可防止排气成为碳氢化合物的源,在本发明的操作中该碳氢化合物必须在被排放到大气之前从蒸汽流出物中除去。在本发明的其他优选操作中,期望地是或者必须的是以可控的量或比率引入空气或氧气,从而在干燥容器中提供高含水量原料的期望氧化或化学转化。
为了在本发明中的使用,优选的是高含水量原料具有按水的重量计至少30%的水分含量,优选地是至少50%,更加优选地是至少70%,以便最佳地利用本发明的经济利益。然而,在一些操作中,原料的含水量可以高至90%、95%或者甚至98%。此外,原料可以是其中溶解了所有固体的溶液,其中在本发明的方法和系统中当水从原料蒸发时溶解的固体将被析出。本发明能够有效且经济地处理这种高含水量原料,从而不仅以最终产品的形式回收含固量,而且能够回收过程水,使该过程水再循环和再利用。在优选的方面,通过一定量的天然气燃料的燃烧,燃气轮发电机提供使用或者出售的电力以及处理原料的热量,此外在干燥容器中产生的过剩气流能够在下游、上游或者在其它附近的操作中使用,例如用于预热高含水量原料,工业用热等等,从而提供附加的运行燃料效率,因此,本发明能够有效且经济地对高含水量原料进行处理和脱水。如这里所公开的,本发明适于不仅包含和处理水和固体,而且还可以包含和处理在生产操作中产生的气体。在一些情况下,因为经济运行的原因,期望的是,在本发明的系统中处理原料之前,将部分水从高含水量原料中以机械的方式分离,例如通过离心机、过滤器或压机。这种分离的水可如上所述地再循环使用。
这里使用的术语“燃气轮机”表示和包括具有增压涡轮级、燃烧区和排气涡轮级的任何涡轮发动机,该排气涡轮级能够产生至少500℉的排气温度,优选的是至少大约700℉,更加优选的是至少大约900℉,最优选的是超过大约1000℉。燃气轮机由于其高效率的运行和高的热量输出而在本发明中用作优选的热源。燃气轮发电机由于可通过发电机产生能量而在本发明中进一步地被优选使用,该能量可利用或出售以提高本发明系统操作的经济情况。由于使用和/或出售所产生电力的便利性,典型地发电机可以是电能发电机。然而,发电机可以是期望的任何其它类型的能量发生器,如液压泵或动力装置,该动力装置能够驱动泵上的液压马达、螺旋钻、传送装置和本发明系统中的其它类型的设备或在其它附近操作中的设备。热需求和系统经济性将确定是使用燃气轮机还是燃气轮发电机。如果期望从一定的较小尺寸的燃气轮机获得较高的排气温度和较高的热输出,则期望的是使用燃气轮机代替同样尺寸的燃气轮发电机。和燃气轮机相比,燃气轮发电机在吸收能量的过程中使排气进一步膨胀和冷却来驱动发电机,其中在燃气轮机中该能量包含在较高温度的气体中,该气体可在本发明的干燥容器中使用。在本发明的实施中,当获得较小的(可装车)高温单元比获得电力或由燃气轮机导致的其它能量生产的收入流或经济利益在经济上更为重要时,这就是一个选择。
可以从任何可获得的源向本发明中使用的燃气轮机或燃气轮发电机供应燃料,所述源具有用于特定燃气轮机和根据本发明设计的处理设备的任何合适的燃料。优选的和常用的燃料是低硫天然气、柴油、煤油和喷气燃料,由于燃气轮机设计成以这类良好品质的燃料最有效率地运行,以及由于其共同的可获得性,特别是在偏远的农业操作中,在这些地方常常最有效地布置了本发明的单元。然而,可用于向燃气轮机供应的其它燃料包括甲烷、丙烷、丁烷、氢、沼气和生物液体燃料(如甲烷、油、柴油和乙醇)。由于本发明的系统不会产生生物燃料,因此在本发明中使用的燃气轮机的燃料必须是在利用本发明的本地可获得的。如果在本地不能获得燃料,那么可以根据需要将燃料如柴油装车运输过去。
本发明中所用的在商业上可获得的燃气轮机和燃气轮发电机的实例包括(额定兆瓦(MW)输出是近似的):
-标准状态额定输出为3.9MW的劳斯莱斯艾利森燃气涡轮发动机501-KB5,-KB5S或-KB7
-额定输出为7.0MW的欧洲龙卷风燃气轮机
-额定输出为9.4MW的太阳火星90和额定输出为10.7MW的太阳火星100
-额定输出为5.5MW的太阳Tarus60和额定输出为7.5MW的太阳Tarus70
对于2.5公吨/小时(2500公斤/小时)的标定固体产品输出能力,根据为整个系统设计的保温和热回收效率,可以使用容量为大约4MW的燃气轮发电机。对于小型单个半拖车或卡车系统,各单元可按比例缩小。对于更小的产品输出系统,如0.3公吨/小时的产品输出,可以根据系统效率和所需的热输入范围使用小型燃气轮机,如太阳土星0.8MW、太阳Spartan0.2MW、或Capstone0.5MW或0.3MW的发电机。对于大型的工业生产装置,其中不会将本发明的系统在生产装置之间移动,燃气轮发电机可以是适合于永久安装在生产装置中的任何大容量发生器,如10MW、20MW或40MW的单元,或者更大。应该认识到,根据本发明的系统还可以设计成利用来自往复式发动机如汽油或柴油发电机的排气热量。
本发明中所用的干燥容器可以是任何类型或结构,该干燥容器适于干燥可获得的高含水量原料,和适于在不允许大量外部空气进入干燥容器的干燥室的情况下接收燃气轮机的排气和接收高含水量原料,并且排气和高含水量原料在干燥室中相接触。对本发明来说燃气轮机排气口连接到干燥容器的设计目的是防止任何明显的外部空气进入干燥容器,进而帮助防止高含水量原料被明显氧化。如前面所描述的,优选的是保持在这类高含水量原料中存在的有机物质、含碳成分和/或营养价值,从而防止着火和提供安全操作。如在本发明中所使用的,优选和期望的是,涡轮可以按常规的燃料-燃烧空气比操作,以便为干燥容器产生最有效的排气温度(EGT),和产生进入干燥容器的气体,其中该气体包含最少量的游离氧。本领域技术人员从本发明的公开内容可以认识到,可以使用不同于燃气轮机的热气体的备用源,并将其连接到干燥容器,如使用来自常规油燃烧器或气体燃烧器和往复式发动机的排气,如果它们是按照常规的燃烧比条件操作以使排气中的游离氧最少,或者为了没有游离氧而按照化学计量比操作,以及如果它们以这样一种方式连接到干燥容器,使得可以防止明显的外部空气进入干燥容器,进而防止原料被明显氧化。当然,可选择地这种热气体的备用源和附加源可以连接到根据本发明的干燥容器,并用于补充燃气轮机的排气输出,从而如果需要在启动、停机或冲击负载状态或在燃气轮机离线作为备用时为干燥容器提供附加的热输入容量。
应该认识到,在本发明的一些操作中,并没有排除所有的外部空气和不能完全防止高含水量原料的氧化,主要是因为存在于高含水量原料中和其带入的空气,该空气溶解在高含水量原料中存在的水分中,另一个原因是在没有采用燃料和空气的化学计量比的期间可能存在于涡轮排气中的过剩氧量。此外,在一些情况下,当进行热处理和转化并分解或转化该原料时,可能从存在于高含水量原料的有机原料或其他原料产生或释放出氧。因此,这里使用的术语“防止引入空气”、“没有被明显氧化”等等可在上面的操作内容中使用,并用于表示,不是为了排除作为高含水量原料的一部分而进入系统的空气或氧气或在热转化处理中产生的排气,以及不是为了防止因随着高含水量原料进入系统的空气而发生氧化。然而,这种程度的氧化在本发明的范围、内容和实施中不被认为是明显的,或者不被认为是这里所使用术语的含义。类似地,这里使用的“没有被明显地热分解”表示,至多一小部分的高含水量原料被热分解,例如在美国专利6,039,774中的那样。热解产物在本发明的过程和产品中通常是不期望的,本发明的方法和装置可操作成实现对高含水量原料的期望干燥和将各种高含水量原料成分期望地转化成期望的最终产品。在下文中,对于本领域技术人员来说显而易见的是,为了处理特定的高含水量原料进而获得期望的结果和使期望的最终产品最多,本发明的一些应用包括控制排气温度、在干燥容器中的接触时间和/或停留时间,在干燥容器中的固相和气相的含水量,以及其他变化。在本发明的其他应用中,如果利用本发明的系统获得的最终产品的特性需要氧化或热分解原料,则温度、接触时间和本发明的其他操作参数适于实现期望水平或程度的氧化或热分解。
对于经济效率来说排除外部空气也是优选的,因为加热过剩的外部空气和加热高含水量原料会降低处理效率。在一些情况下,当对于本发明的优选操作来说高含水量原料的含水量非常低或者过于干燥时,可以将水添加到原料、涡轮排气口、涡轮进气口中,或添加到干燥容器中,以便为了有效的操作使干燥容器中的水分含量升高到一定的水平,以及从干燥容器产生具有期望含水量的固体原料。
应该认识到,干燥容器的操作通常是干燥或减小高含水量原料中的水分,但是也可以实现高温加热高含水量原料进而转化某些成分,以及实现原料中的化学或热变化进而在最终产品中提供期望的含量和特性。正如所描述的,本发明的一个方面是在没有被外部空气有效氧化的情况下转化高含水量原料中的各个成分。尽管高含水量原料中的成分范围可以较宽地发生变化,但是常规地处理特定高含水量原料的领域的技术人员应该理解,如何有效地利用本发明进而改进处理该原料的生产过程的经济性。
在本发明中可以使用的干燥容器的类型例如包括:
-具有或不具有内部刮刀、搅动板和/或搅拌器的滚筒
-具有或不具有内部刮刀、搅动板和/或搅拌器的静止的“放射形”滚筒式干燥机
-具有或不具有内部刮刀、搅动板和/或搅拌器的三级步进式干燥筒或滚筒干燥机系统
-具有或不具有蒸汽管和具有或不具有刮刀和/或搅动板和/或搅拌器的滚筒干燥机系统
-涡流干燥机或湍流增强器系统
-具有或不具有刮刀和/或搅动板和/或搅拌器的输送带式干燥机系统
-具有或不具有刮刀和/或搅动板和/或搅拌器的间接或直接接触式干燥机系统
-托盘式干燥机
-流化床干燥机
-蒸发器系统
-烘箱
在本发明中可以使用的在商业上可获得的干燥容器的实例包括:
-Scott AST干燥机TM系统
-Simon干燥机有限公司-滚筒干燥机
-Wyssmont涡流干燥机系统
-Duske工程有限公司
-能源无限干燥系统
-Onix公司的脱水系统
-国际技术系统公司的直接或间接干燥机系统
-脉冲干燥系统公司
-MEC公司的干燥机系统
Duske等人的美国专利号5,746,006和Luker的美国专利5,570,517和6,367,163公开了适于和本发明一起使用的干燥容器的其它实例,在此将上述专利的公开内容全文引入作为参考。
如上所述“干燥容器”不必总是通过在本发明的系统中从高含水量原料去除水分而主要用作干燥器。干燥容器还可以用作处理/转化/改变容器或炉,其中高含水量原料被加热充分的时间达到足够的温度,从而产生如这里所公开的期望的最终原料和产品。此外,干燥容器不必使燃气轮机排气或其他热源和高含水量原料直接接触,而是间接加热高含水量原料,以达到根据本发明的期望的干燥和/或热处理/转化/改变。干燥容器具有合适的材料,以防止或减小侵蚀、腐蚀或过度磨损。应该认识到,本发明的系统适于在特定的装置或操作中以不同的配置执行各种功能。例如,可以串联地操作两个干燥容器,其中在第一干燥容器中干燥高含水量原料,然后在第二干燥容器中热处理来自第一干燥容器的输出物,以实现期望的化学或物理的转化或改变。在这种布置中,排气可以从在两个干燥容器之间分支的单个燃气轮机排气口供给,或者由两个独立的燃气轮机供给。从该实例可以看出,本发明的方法、装置和系统适于操作串联或并联的各个装置元件,以在本发明的教导下执行期望的各种处理功能,从而实现本发明的有效且经济的操作。
适用于本发明的干燥容器的另一个方面是,干燥容器优选地还可以用作燃气轮机或提供热排气的其他发动机的消音器。众所周知,燃气轮机(主要是喷气式发动机)会对周围环境产生非常高的噪声冲击。用于发电或其它目的的静止燃气轮机通常需要按照本地、州和联邦规定安装消音器,以将燃气轮机的排气噪声抑制到可接受的水平。这种消音器具有经济上的成本缺点,并且在燃气轮机排气口上形成背压,这会降低燃气轮机的运行效率。本发明提供的一个优点是,由于优选地燃气轮机排气口和干燥容器之间的连接部对外部空气是封闭的,因此干燥容器可有效地用作燃气轮机的消音器。这至少是干燥容器的内部结构构造的部分结果,该干燥容器和高含水量原料相组合作用,该组合可有效地吸收和抑制燃气轮机的排气噪声。这也是由于干燥容器的下游端对大气是封闭的,因为在来自干燥容器的气流和废气被排到大气中之前,已将其收集起来,以便在封闭系统的下游处理中用于冷凝、净化、再循环和热回收。对本领域技术人员来说显而易见的是,在方法和装置系统的不同位置处排出的能力期望地可以调节启动、停机、翻转或原料可变性,但是通常其可作为仅具有最终产品输出和纯净气体排出的封闭系统操作。可选择地燃气轮机排气口可部分地或暂时完全地转向其它下游单元,同时旁通干燥容器,以便当需要时可在其它处理单元中补充热或用于启动、停机或翻转。
本发明的另一个方面是,气流和废气通过合适的风扇、风机等等从干燥容器的排气端排出,以在干燥容器的上游入口处提供减压,由此减小燃气轮机排气口上的背压。这样可以增大涡轮的运行效率,并且由于燃气轮机排气口和干燥容器之间的连接部对外部空气是封闭的而能够实现上述目的。应该理解,商业系统的设计包括出口或者甚至是通过T形或其它结构连接到位于燃气轮机排气口和干燥容器之间的连接部的常规消音器,以便在启动、停机或翻转操作过程中使用,但是对于如上所述的本发明的方法和装置来说在正常的操作配置中不使用。为了实现本发明最佳的运行效率,优选的是燃气轮机排气口和干燥容器入口之间的连接部没有阻断部,以便在使燃气轮机和干燥容器之间的热损失和能量损失最小的情况下将排气输送给干燥容器。此外,应该认识到,为了高含水量原料的干燥、热转化、化学改变和其它处理所需要的最佳效率或经济性,优选地控制燃气轮发电机的操作,这对于电力生产来说可能不是最佳的或最好的燃气轮机的运行状态。电力生产是系统的成本收入流,但是本发明操作的总体经济性在一定的燃气轮机运行状态下可能更好,该运行状态对于有效的干燥容器操作有利于最佳的排气热输出,有利于在下游生产具有期望特性的产品,不利于电力生产。对于本发明的特定装置来说,这种运行状态的确定在这里的教导下对本领域技术人员来说是显而易见的。在2005年7月19日提交的、序列号为No.11/185,433的共同申请人审查中的美国专利申请案中公开了这种类型的燃气轮机控制系统,在此将该专利的公开内容全文引入作为参考。
本发明提供的另一个优点是,在没有足够的外部空气存在的情况下,来自燃气轮机排气和高含水量原料在干燥容器的限制空间内接触。通过吸收或将NOX和SOX成分复合到高含水量原料中,其中在处理成粒状、球状或颗粒状或其它形状后,这些成分保持为吸收、复合或固定在离开干燥容器的干燥的或已处理的原料和产品中,由此燃气轮机排气中的NOX和SOX排放物,在某种程度上还有CO和CO2排放物可大体上被减少,在一些情况下可减少到零。这样做的优点是,可以降低或消除进入大气中的NOX和SOX(和CO/CO2)排放物,并将氮、硫和碳成分添加到利用本发明的方法和装置生产的产品的营养价值中。
在本发明的公开内容的教导下,干燥容器的运行状态和程序对本领域技术人员来说是显而易见的。根据高含水量原料中的水分和其他内容,以及根据从干燥容器输出的期望的产品状态,进入干燥容器的典型燃气轮机排气温度的范围是大约500℉至大约1,500℉。在具有较小发动机的较小系统中,入口排气温度可以低至大约300℉或大约350℉。优选的范围是从大约600℉至大约1200℉,更加优选的是入口温度是至少大约650℉,最优选的是至少大约700℉。进入干燥容器的气体的温度和流量部分地取决于高含水量原料的含水量和其他特性。显然,更高的含水量通常需要更高的入口气体温度以减小含水量。可以相信的是,在高含水量原料和高温气体接触时,可以在本发明的系统中实现附加的效率。当水分脱离高含水量原料时,这种接触有时会导致瞬间形成过热蒸汽,然后该过热蒸汽加热和驱使水分脱离相邻的高含水量原料。可以相信的是,根据本发明这种机构能够将高含水量原料快速干燥到较低的含水量,使得高含水量原料在干燥容器中的剩余停留时间有助于对其进行期望的热处理/转化/改变或“热炼”。一些高含水量原料可能需要较低的温度和较长的停留时间,以实现所需的转化或“热炼”,进而产生具有自结合或其他期望特性的产品。离开干燥容器的原料温度的典型范围是从大约150℉至大约450℉,优选地介于大约200℉和大约350℉之间。在一些操作中,干燥容器的原料排出温度应该是至少大约175℉,优选地是至少大约200℉。
正如这里所使用的,术语“转化的原料”用来参考和表示根据本发明通过将高含水量原料的含水量从现有水平减小到较低的水平和/或实现这里所提到的化学改变和转化而在干燥容器中产生的干燥的高含水量原料。可以认为“转化的原料”是一个中间产品,其适合于进一步处理成适合消费者、商业或工业使用的最终产品。典型地,来自干燥容器的转化的原料可通过研磨进行处理而形成粉末或粉状物,接着通过使该粉末或粉状物成为粒状、球状或颗粒状而形成薄片或其它形状的最终产品,该最终产品适合于常规的加工、包装和/或运输。还可以研磨转化的原料或者使其变成粉末和成为浆或其它液体或可泵送的产品,该产品可根据需要再循环或使用。当地的经济情况将会影响确定最终用途是由从干燥容器产生的原料构成还是从本发明的系统产生的最终产品构成,以及来自干燥容器的原料是否进行进一步的处理。
正如这里所使用的术语“粒状”、“粒化”等类似用语表示由本发明产生的任何粒状的原料或产品,包括用常规的机械粉碎法或装置产生的常规的颗粒、粉末、灰尘、碎屑等类似物,该机械粉碎法或装置包括挤压或粉碎前面形成的球状物或颗粒物。术语“球状物”、“造球”等类似用语表示由本发明产生的任何球形的原料或产品,包括圆柱形、子弹形、球形或其它形状,典型地它们是通过常规的造球方法和装置制得的,例如通过挤压浆或膏和将挤压物裁剪、切断或折断形成期望的尺寸。术语“颗粒物”、“颗粒化”等类似用语表示由本发明产生的任何颗粒状的原料或产品,其可通过常规的造球方法和装置制得,例如包括喷淋塔处理、冷冻干燥处理等等。术语“薄片”、“碎片”等类似用语表示诸如玉米片、土豆片等等的任何形式的产品。其它形式的食品(人、宠物或动物)包括常规的糖、有形产品、类似星星的产品等等。
挤压造球机是优选的处理单元中的一个,该处理单元可以和本发明连接或作为本发明的一部分,因为它可以利用在干燥容器中产生的原料的自结合特性,和能够在一定的温度和压力条件下操作,这样可提供或进一步有助于原料的“热炼”,从而使本发明的产品具有基本的和/或增强的自结合特性。在典型的操作中,研磨来自干燥容器的原料,并将来自研磨单元的粉末或粉状物和气流或水充分混合,例如来自干燥容器的气流或冷凝的水蒸气,以形成可在高压和高温下挤出的原料,进而形成球状或其它形状。在挤压造球机中达到的加热和温度可以来自加热的螺旋、模具或滚筒,或者来自高压压缩的能量。在任何一种情况下,都在处理中将可挤出原料加热到高温。可以相信,对于一些高含水量原料来说,挤压造球机中的高温和高压可进一步“热炼”或转化原料中的某些成分,从而提供或有助于所获得的成球化的、粒化的或颗粒化的产品具有附加的或增强的自结合特性。根据采用的挤压装置,这种挤压造球机的典型运行状态是可挤出原料的含水量按重量计达到大约20%或者更高。挤压机的温度和压力和通常在常规的挤压装置中所用的相同。显然,根据被处理的高含水量原料和成品的期望特性,可以采用其它运行状态。干燥产生的球状物,以便使含水量降低到适合产品存储的水平,例如按重量计大约10%。如这里所公开的,在这一点上可以将在该方法中去除的水分再循环,供本发明系统的其它步骤和处理使用。
典型地,高含水量原料的含水量按重量计介于大约50%和大约90%之间,优选地按重量计介于大约60%和大约80%之间,最优选地按重量计介于大约65%和大约75%之间。(如这里所使用的,按重量计的百分比是所讨论的成分在所提到的混合物总重量的百分比)。在本发明中可以处理具有较低含水量的高含水量原料,例如低至按重量计大约40%,或者甚至是按重量计30%。优选的高含水量原料的含水量为按重量计至少大约50%,更加优选的是至少大约60%,最优选的是按重量计至少大约70%。当高含水量原料具有该范围中较高的含水量时,可以实现的处理优点是,基本上可即时地在干燥容器的入口产生气流或过热气流,其中1,000℉的排气在大气压力或者负压下和高含水量原料接触。这样产生的气流和过热气流有助于干燥、热炼、转化相邻的或附近的和下游的高含水量原料的颗粒,从而提高了处理效率。对于本发明的方法和装置的操作来说,优选的是,高含水量原料可以被混合和调和到成批的原料或同一批原料的不同部分(顶部,底部,内部,外部等等),以提供均匀的高含水量原料的特性。该优选的准备能够从干燥容器产生更加均匀的原料,并简化处理操作的控制。典型地,高含水量原料的温度可以是外界温度,即在大约30℉至大约100℉,但是可以低于30℉,只要任何冻结块不会干涉原料准备或干燥容器和原料供给装置的操作。高含水量原料可以在生产设备或处理单元的任何温度指示下使用,该温度指示可能是高温。如果高含水量原料处于高温或者在引入干燥容器前被预热,通常可以改进本发明系统的经济性。如果利用了这种原料预热,该预热可以以任何期望的方式进行,如换热器、太阳能加热、加热的传送带或螺旋钻或在台架或原料准备区中加热的混凝土板,以及可以利用从本发明的方法和系统回收和再循环的热进行原料预热。
燃气轮机的排气和高含水量原料的接触时间由几个变量确定,包括原料的含水量,干燥容器输出原料的期望含水量,期望的化学改变/转化,进入干燥容器的排气体积和温度以及其他因素。可以调整接触时间,以便提供期望的干燥,还可将高含水量原料的固体颗粒物提升到足够高的温度,从而当期望转化时将原料中存在的成分充分转化,和/或当期望时产生自结合的产品。颗粒物所达到的实际温度对确定自结合的期望水平或其它期望特性不是重要的,只要达到了所述成分破坏和转化的期望水平。期望的接触时间可以变化,和通过原料和排气的通过量进行调节。从排气到原料的传热,也就是原料所被加热到的温度大体上是排气和原料的质量比的函数。具有燃气轮发电机的干燥容器操作的一个实例是劳斯莱斯艾利森501-KB5型发电机(额定输出为3.9MW),该发电机在1,000℉具有大约122,000磅/小时的排气输出,并被连接到由美国明尼苏达州新布拉格的斯科特设备公司制造的、型号为AST 8424的旋转管式干燥器,该干燥器的内部容积为大约26立方米(m3)。高含水量原料是小粒径的原料,其含水量按重量计为大约70%,温度为大约65℉,并以大约6,500千克/小时即大约10立方米/小时(大约16,200磅/小时)的速率供给到干燥容器,从而使固体在干燥容器中的平均或标定停留时间为大约10至大约18分钟,排气和高含水量原料的重量比为大约7.5。干燥容器的输出为大约200℉。排气和原料的重量比通常介于大约15:1和大约1:1之间,优选地介于大约10:1和大约3:1之间,更加优选地介于大约8:1和大约4:1之间。热需求需要至少大约20:1的比率,或者至少大约25:1,或者更高,在这种情况下原料是具有极高含水量的冷原料,以及排气没有处于较高或最高的温度。根据期望的结果和各个系统的设计以及经济顾虑,通过干燥容器的排气流和高含水量原料流可以是顺流、逆流、单级、多级等等。
干燥容器的输出包括蒸汽、水蒸气、被干燥和/或热处理和转化成期望形式的燃气轮机的燃烧气体和固体。典型的气体和/或固体在干燥容器出口的温度范围通常从大约200℉至大约350℉,但是为了经济、产品质量和/或处理效率的原因,可以选择和/或期望更低的或更高的温度。出口温度可以从至少大约110℉到至少大约500℉,优选地是至少大约180℉,更加优选地是至少大约200℉。通常期望的是,通常离开干燥容器的固体原料的含水量按重量计介于大约10%和大约15%之间,但是可以按重量计在大约5%至大约25%之间改变。此外,出于相同的原因,可以选择和/或期望更低或更高的含水量的干燥容器输出固体。离开干燥容器的气流、水蒸气和燃烧气体通常的路线为换热器(用于回收过程热,该过程热可在下游用于粒化、造球操作或者在上游用于原料或燃气轮机进口空气预热)、冷凝器(用于回收生产用水,供上游或下游使用,用于农业应用或用于处置)、洗涤器、过滤器或旋流器(用于回收气体或液体中带入的固体,和使气体和液体符合环境排放的要求)和其他常规的处理装置。
干燥容器的固体输出在这里指的是转化的原料,其通常是通过研磨、粒化、造球、颗粒化、刨片或其他处理,以产生最终进料、燃料、再循环或以期望形式适于包装或散装分配、运输和使用的其他产品。在本发明中使用的研磨、粒化、颗粒化或刨片装置是常规的且熟知的,这是由于干燥容器的输出包括使其经过上述处理的固体和蒸汽成分。无论产品是什么形式,本发明的方法、系统和装置可合乎环境地和经济有效地处理高含水量原料,在环境责任和提供在商业上有用的产品的情况下去除它们,以及在城市下水道或填埋场中减少排放。本发明能够用于从高含水量原料生产各种产品和原料,但是优选的原料和产品是没有明显不期望的成分残余物,该成分残余物在干燥容器或其他操作中的加热、化学改变和/或干燥处理中没有被转化或破坏。本发明产生的产品和原料优选地是有用的供料、燃料、可再循环的或其他产品,但是本发明还可以用于产生减小体积的固体以便在填埋场处置,其优点是可提供具有较低水平或没有有害成分的固体,以从填埋场滤出到表面或地下水中。
本发明生产的产品和原料是有用的,包括和其他原料、产品或化学药品的混合,这对需要特殊属性或特征的特定最终用途来说是期望的。可以在处理的合适位置添加和混合其他原料和添加剂:和高含水量原料混合,添加到干燥容器,在任何位置添加到生产用水中,添加到离开干燥容器的原料,作为任何研磨、粒化、造球、颗粒化或其他处理的一部分添加或者仅仅和最终产品混合或者在装袋或包装或在使用位置混入。例如,尽管通常最终产品相对地没有气味,但是可以将最终产品和其他原料混合,该其他原料或者可以提供令人愉快的气味,或者提供食品加工工业中所熟知的期望香料。
本发明的系统包括一些配置,其能够用来减小和在一些操作中基本上消除排入有害气味气氛的排放物和来自生产设备的温室效应气体,在此将这些排放物称为“危险空气污染”(HAP)排放物。由于生产操作附近的人口面积的压力增大,生产操作受联邦和州机构颁布的增多的条例管制。该条例涉及空气质量的两个方面。第一方面是危险空气污染排放物中的有害气味,其包含硫醇和许多其它具有厌恶气味的有机化合物,这些都是居住区所讨厌的。第二方面是对空气质量有害的挥发性有机化合物(VOC)和温室效应气体(GHG)排放物,该第二方面也许有害或者也许不是有害的。温室效应气体包括CO2、CH4和N2O,通常指的是对大气具有和CO2同等作用的气体。甲烷(通常从生产设备中释放)具有大约23的CO2换算系数(如USDOE所使用的),它表示释放到大气中的1千克CH4相当于释放23千克的CO2。(有些资源的换算系数为大约21。)CH4是在许多生物转化操作中产生的温室效应气体,同时还会产生CO2和NOx气体。特别期望的是防止NOx释放到大气中,因为据估计其具有大约310的CO2换算系数。乙醇是一种在许多设备中产生的挥发性有机化合物,所述设备包括乙醇工厂(制造乙醇用于汽油的燃料添加剂),葡萄酒酿造厂,蒸馏室,面包房,和利用发酵过程的其他生物材料制造。如这里所公开的,本发明可用于基本上消除危险空气污染排放物释放到大气中,它可单独地包含和处理危险空气污染排放物,或者优选地和处理高含水量原料相结合来生产产品。
本发明的系统特别地可用于基本上消除来自生产设备的危险空气污染排放物的排放。在本发明的基本系统中,利用燃气轮机来控制在生产设备中产生的危险空气污染排放物,燃气轮机燃烧空气进气口连接到产生或排出危险空气污染排放物的生产设备,使得该危险空气污染排放物被引导到燃气轮机进气口中,其中通常将执行一个和可选择的两个处理。首先,排放气体和一般的燃气轮机燃料供给一起燃烧,由此将CH4转化成H2O和CO2,同时将硫醇和其他有害的或刺激性化合物转化成H2O、COx、NOx和SOx。其次,当可选择的干燥容器连接到燃气轮机排气口时,来自燃气轮机的排气和高含水量原料接触,其中当高含水量原料被干燥和/或热处理进而形成转化的原料或形成最终产品时,NOx和SOx以及在某种程度上COx气体被吸收到高含水量原料中或者和高含水量原料复合在一起。本发明的该方面可防止危险空气污染排放物进入大气。
通过安装燃气轮机优选地是燃气轮发电机,一个便携的或固定的装置,以及将设备中的至少一些优选地是全部危险空气污染排放物的源连接到燃气轮机燃烧进气口,现有的生产设备能够直接快速地和有效地利用本发明来控制危险空气污染排放物。由新鲜空气入口和排气出口包围和通风的装置,由于至少一部分和优选地是全部通风排气能够被引导到燃气轮机燃烧进气口,因此特别是通过加热和空气调节来进行气候控制的那些装置附加地能够受益于本发明,其中该通风空气中含有危险空气污染排放物。此外,装置可以被经济地包围(例如通过帆布墙),和通过强制通风(具有或不具有气候控制)进行换气,以基本上收集来自生产过程的所有危险空气污染排放物,并将通风空气引导到燃气轮机燃烧进气口。当然,还优选的是,如这里所公开的,通过在装置中的合适的过程流或生产步骤设置燃气轮发电机和用于脱水和去除水的干燥容器,该装置将具有本发明的全部经济利益和优点。
在利用本发明的该方面时,应该认识到,优选地可以操作成使得所有危险空气污染排放物的源和/或从生产设备排出的通风空气被供给到燃气轮机进气口,以防止将危险空气污染排放物释放到大气中。燃气轮机需要的任何其余燃烧空气可通过常规的空气过滤器来自周围空气,但是还优选的是,危险空气污染排放物的源和装置的通风空气也经过燃气轮机进气口过滤器,以防止燃气轮机组件被带入的灰尘或其它微粒损坏或侵蚀。将空气过滤器中收集到的固体供给到干燥容器或系统中的其它处理单元,以将其结合到利用本发明的系统生产的最终产品中。尽管排气中的甲烷或其它可氧化的气体通常不构成本发明系统的燃料需求的较大部分,但是也可以燃烧上述气体来产生热并且不将其释放到大气中。这样,燃烧的每千克排气可减小按等同重量计的外部燃气轮机的燃料需求。应该认识到,本发明提供的主要环境利益之一是转化了危险空气污染排放物成分,包括诸如甲烷、乙醇、甲基乙基hetone等的VOC,这些成分对大气非常有害,对CO2以及对于大气具有最小影响的其它化合物也非常有害。此外,当利用本发明的除水和脱水处理和装置来使用本发明的优选方面时,使燃气轮机排气和高含水量原料相接触将吸收或“净化”至少一部分NOx、SOx、COx以及通过从燃气轮机燃烧排气中的危险空气污染排放物转化得到的其它化合物,使这些化合物保持在去除了水的或得到的气流中,该气流包含原料中的固体,由此防止这些得到的化合物被释放到大气中。总之,本发明的这些方面可以操作成使得基本上所有的危险空气污染排放物都被消除,正如本领域技术人员可以从下面的公开内容所明白的那样。
此外可以认识到,尽管上面的描述在术语上使用了燃气轮机,但是,在该系统中,无论使用哪种热源,都可利用本发明的该方面而控制危险空气污染排放物。无论热源是燃气轮机、燃气轮发电机、往复式燃气或柴油发动机或者甚至是常规的油燃烧器或气体燃烧器(如图1中的107),都可以将生产设备排出的通风空气和/或危险空气污染排放物流引导到燃烧进气口,使得危险空气污染排放物燃烧,优选地使燃烧气体和高含水量原料接触。
关于进一步公开和示出的本发明的方法、系统和装置,可以参考图1的示意性流程图。在示出的示例性方法中,燃气轮发电机单元100包括燃气轮机101和发电机102。燃气轮机具有进气口过滤器104和燃料供给103。如果需要,可以设置可选择的旁通的排气消音器106用于启动、停机或翻转操作,燃气轮机在这些操作过程中运行,但是不将排气引导到干燥容器中。然而,干燥容器200可在本发明系统的正常操作中用作消音器。可替换地,代替消音器106,可以将干燥容器周围的排气旁路(参见图5中的908)引导到任何合适的下游单元,如分离器208和/或分离器600,上述下游单元可提供临时的消音器功能。这种布置消除了单独的消音器的成本和该单独的消音器所需的空间,这对便携的安装在卡车上的系统来说是一个重要的考虑因数。燃气轮机101的排气口通过连接管105连接到干燥容器200。为了启动或停机或其它原因,特别是当干燥容器200中不存在排气或高含水量原料时,在干燥容器200的连接管105中或在其它位置设置可选择的进气口(未示出),用于吹洗干燥容器或系统。然而,当存在排气和高含水量原料时,关闭和不使用任何进气口,以大体上防止将空气引入干燥容器,和防止在干燥容器200中处理的原料被有效氧化。可以设置可选择的燃烧器107,用于为干燥容器提供辅助热源和燃烧气体,该辅助热源和燃烧气体可从连接管105或其它位置输入。可选择的热源在启动、停机、过程翻转、燃气轮机运转中断期间是有用的,或者可用于在遇到峰值负荷或异常高含水量原料时保持期望的产量。
典型地通过机械装置如泵、螺旋钻或适合于特定原料的任何装置将高含水量原料引入系统。在该说明和实例中,前端装料器201将固态的高含水量原料放入摆动分离器、混合装置、切碎装置202。进一步混合原料并在螺旋运输机203、204中分离外部物体,然后通过215将其供给到干燥容器200。还可以在通过装料器201将原料装入该系统之前对原料进行预混合或调整,例如在被组合和混合的存储堆料中。在其它操作中,可以直接通过入口215将液态或浆状的或不包含需要去除的外部物体的高含水量原料供给到干燥容器200中。
干燥容器200的输出通过导管205、206输送到分离器208,在此将固体和气体分离。气体经过209和风机210由211排放到大气或者由212排放到其它下游处理单元。风机210可以操作成降低分离器208和干燥容器200中的压力,这将降低水在干燥容器中的沸点,降低燃气轮机排气口上的背压,以及提高燃气轮机的输出和效率。可替换地,当期望对高含水量原料进行更高温度的处理、转化或“热炼”时,风机210可以操作成在干燥容器中保持增大的压力。干燥容器200的输出可以穿过可选择的换热器207,以回收过程热,该过程热可在下游使用或预热高含水量原料或燃气轮机的进口空气。分离器208的固态输出物通过导管、输送装置或螺旋钻301以及可选择的混合装置和调节装置302、303输送到球磨机或锤磨机300。此外,来自再循环回路305的再循环的固体,如碎屑,可以通过304混合到303中,由此组合地供给到球磨机或锤磨机300。在系统中的各个位置产生的碎屑和偏离规格的原料可通过回路305收集和再循环,然后在任何期望的位置处再次引入产品处理系统进行进一步的处理,如通过304引入研磨单元300,通过404引入造球单元400,或者甚至引入高含水量原料准备部202、203、204或其他位置。本发明的系统的一个重要性能是通过再循环回路305使所有碎屑或偏离规格的固体完全再循环,使得它们最后被结合到最终产品中。这样,本发明的系统可以将高含水量原料固体(除了石头和不可处理的其他外部物体)100%地转化成最终产品,不会产生例如在填埋场中必须进行处置的固体废液。
当需要时可以使用球磨机或锤磨机300产生小的均匀粒度的、短纤维长度的原料,即“粉状物”,其适合于在造球机单元400中处理,以提供对干燥产品通常所用的常规处理、包装和存储来说具有足够硬度、机械强度和稳定性的产品。球磨机或锤磨机300的输出通过分离器310,蒸汽由此离开并通过315被输送到分离器600,通过再循环回路305使固体再循环,以及通过风机601和排出口602排出蒸汽。分离器310取出适于通过再循环回路305进行再循环的碎屑或原料,并将粉状物输送到混合装置311。然后通过312将粉状物输送到分离器401,接着通过408将其引导到造球机400,或者通过409a和409b保持在缓冲仓402中,以便和其他原料、来自404的再循环原料、或添加剂相混合,或者在处理启动、停机或翻转的时候保持。将粉状物从缓冲仓402输送经过混合装置403,然后通过417直接输送到造球机单元400或者通过412输送到混合装置311,用于在期望时和新的粉状物相混合。
使来自造球机400的球状物通过换热器、蒸汽去除装置405,并由此通过406和414直接输送到成品净化装置407和415,并通过416a、416b、501和503输送到成品装运或储料仓500,或者通过413和缓冲仓410输送到粉碎或粒化装置411,然后输送到成品净化装置407和415。通过501、503或通过储料仓500将成品装入卡车502运到市场上。可以使在最终的净化单元415中分离出来的碎屑和偏离规格的产品再循环,以便通过再循环回路305进行再处理。粉碎或粒化装置411将球状物转化成较小的颗粒或粒度,其具有基本上与球状物相同的硬度、机械强度和稳定性。可以通过常规的螺旋钻、升降机、传送带、气动管传送机等类似装置在本发明的处理装置之间输送固体,只要其适合于原料和环境顾虑。显然,该系统可以设计和配置成从干燥容器200产生原料或产品(可以打包直接使用),从研磨单元300产生粉状物或粒状产品(可以装袋供以后处理或直接使用),从415产生球状产品或块状产品。
从下表可以看到根据本发明的系统操作的一个实例。该实例使用了劳斯莱斯艾利森501-KB5(额定输出为3.9MW)型燃气轮发电机和斯科特设备公司的AST 8424型干燥器来处理形式为已处理过的浆或膏的高含水量原料,以产生含蛋白质源的宠物食产品。
用于额定为2.5公吨/小时的完成的产品的系统尺寸的实例
图2示出了本发明的系统的一种配置,该系统的形式为安装在导轨上的、安装在卡车上的或安装在有轨车上的装置,该装置可输送到期望的生产操作场所并在此操作,其中高含水量原料可按天或周期的基准以及按临时或固定的基准获得。第一单元700包括燃气轮机101和发电机102。第二单元701包括干燥容器200和分离器208。干燥容器200具有高含水量原料入口215,并且在静止和在运转过程中通过连接管105连接到燃气轮机排气口。第三单元702包括特定操作所需的处理装置,如球磨机和造球机。通过501将产品输出输送到存储单元500或卡车502,以便运到市场。可选择的装置还包括为了不同市场用于对成品进行装袋和其他包装的单元。
图3示出了如同图2的相同装置,但是该装置定位于不同配置的操作位置。显然,本发明的便携式安装在转向架上的装置适于不同的位置,该位置可能在可利用的空间上受限。
图4A和图4B分别是本发明的系统的另一种便携式配置的平面图和正视图,其中所有的操作单元安装在单独的半拖车卡车800a和800b上。燃气轮机单元100的排气口通过连接管105连接到干燥容器200。干燥容器200具有高含水量原料入口215,并通过导管206连接到分离器208。分离器208通过导管209连接到蒸汽/空气净化分离器600,分离器600通过出口602通到大气。分离器208的底部出口通过导管301连接到研磨单元300。研磨单元300的出口通过导管312连接到造球机单元400,该造球机单元通过导管414连接到产品净化装置415。净化装置415具有产品出口416。未在图2、3和4中示出的是可选择的每个安装在导轨或卡车上的单元的外壳,其可封闭整个单元用于气象防护和噪声衰减。
图5是本发明的一些可选择系统的示意性处理流程图。生产设备900包括涉及高含水量原料的操作部901和用于处理和/或通风用途的新鲜空气入口902。气流903是危险空气污染排放物和/或通风空气,该通风空气被作为燃烧空气供给904的一部分通过空气过滤器104供给到燃气轮机101。高含水量原料操作部901可以布置在同一个装置外壳内,或者是单独的储罐或被封闭的其它区域,使得原料释放的任何危险空气污染蒸汽都和设备的危险空气污染排放物一起被容纳和输送到燃气轮机101和/或通风进气口903,以便和常规的燃气轮机燃料103如当地可获得的天然气一起燃烧。本发明的这种配置能够防止将在设备中来自所有生产操作的危险空气污染排放物释放到大气中。这样就不仅能够在商业使用本发明获得降低了温室效应气体排放物的空气质量好评,而且还提供了一种生产操作的方式,该方式可为附近住宅区的人们所接受,因为所有的危险空气污染排放物都包含在系统内,并在排到大气中之前被转化成无害的或非刺激性的成分。
燃气轮发电机101/102产生电力905,该电力可出售给当地的电力公司906或通过907分配到本发明的系统中的生产操作或处理单元供使用。通过一些生产操作可发现,通过903封闭敞开的生产设备以及安装和操作通风以包含和处理所有危险空气污染排放物的成本可以至少部分地,如果不够充分,通过使用电力905操作通风系统来补偿。例如,由于政府条例,可行的是或者在一些情况下有必要的是,用可充气的帐篷覆盖通常为敞开的生产操作,该帐篷类似于网球场所用的帐篷,以便为了包含和收集来自该操作的所有危险空气污染排放物提供经济的系统,因此根据本发明这些气体可通过903进行处理。每次工业操作的经济情况、燃料成本、电力的出售价格/购买价格和装置的资本成本将确定电力是在生产操作内部使用,还是出售给电力公司,在本发明的系统中使用,或者在其它附近的操作中使用或其任何组合。
燃气轮机101的排气通过连接管105穿过干燥容器200,该连接管可防止外部空气进入干燥器。如这里所公开的,该系统操作成使得高含水量原料的氧化在干燥容器200以及在系统的其它地方最小,并大体上被避免。干燥容器200还可以用作燃气轮机的消音器。可以提供可选择的旁路908,因此排气可被输送到下游装置,如分离器/冷凝器208,用于在干燥容器离线时抑制燃气轮机排气口的噪声,以及在该临时操作过程中在将排气释放到大气之前净化排气。该旁路消除了设置单独消音器的成本,从而当干燥容器离线时满足对燃气轮机的噪声限制,该旁路还为便携的或安装在卡车上的单元提供了更为紧凑的设计。
将高含水量原料215和来自连接管105的排气以及从可替换的或辅助性热源107提供的任何辅助热一起供给到干燥容器200。高含水量原料优选直接来自设备900的901中的高含水量原料,因此该原料是新鲜的并且很少或者还没有被生物转化。或者在系统中也可以使用设置其它高含水量原料的源910,如堆放的原料或来自其它操作的原料,该原料和来自邻近设备的原料相结合或混合。尽管这里示出了本发明的干燥容器的一个实施例,但是本领域技术人员将明白,根据利用本发明的生产设备的需要和配置,可以使用本发明的其它配置和操作设计。例如,纸张、纸板或干式墙板需要从浆、垫料中去除水或者层压在运送带上,而不是层压在干燥容器本身的内部。在这种操作中,来自燃气轮机的排气可以通过合适的导管引导,以和运送带上的原料(这里是给料)直接接触,从而如这里所公开的,获得对原料的期望除水、脱水和/或转化。实际上,为了描述本发明的目的,在这种配置中,围绕运送带和燃气轮机排气在运送带上接触原料的区域的整个外壳就变成了“干燥容器”。
干燥容器200的输出通过205输送到分离器/冷凝器,该分离器/冷凝器设计成分离固体912以在下游进一步处理,还设计成冷凝水蒸气作为回收水913和净化排到大气的气体914。回收的水可以在下游用作生产用水,并使其再循环供生产设备使用,用于准备或调节高含水量原料,回收的水还可以用作工业生产用水或其它用途。通常通过研磨、造球、粒化、装袋等方式进一步处理来自分离单元208的固体输出912。然而,固体912也可以用作中间产品,以形成其它类型的产品。例如,干燥的原料可以打包、形成一定的形状的可泵送的浆,或者可以单独使用或和用于焚烧的其它原料相组合,以利用原料的燃料值。
在每个下游操作中,水蒸气可以回收和再循环到分离器/冷凝器208中以供再使用。显然,根据特定生产操作的处理需要和经济情况,本发明的系统适于各种配置和各种设计。本领域技术人员从这里公开的内容将明白,可以将未在图5中示出的各种常规的热回收和再循环方面设计到本发明系统的商业装置中,即通过使用普通的工艺学设计技巧,包括如图1所示的碎屑再循环305,为了各种热回收和预热应用而使用气体/蒸汽流914,在系统中的各个期望位置引入粘合剂、添加剂和混合原料,例如通过喷水来冷却燃烧空气904和/或设备的危险空气污染排放物903以提高燃气轮机的效率和功率输出,以机械的方式预处理原料以使含水量极高的原料脱水,等等。
正如本领域技术人员所明白的,可以将多个燃气轮机、具有相同或不同类型和尺寸的其他发动机和/或燃烧器组合在一起,在单个装置中形成具有相同或不同类型和尺寸的多干燥容器。这样不仅可以提供增大的原料处理能力,而且为处理不同的原料负荷和为在不停止运行的情况下进行设备维护提供操作上的灵活性。
尽管已经示出和描述了本发明的各个实施例,但是这些实施例仅仅是为了说明的目的,在本发明的设想中和在随后的权利要求的范围内,可以进行各种改变和变化。
Claims (15)
1.一种用于在生产设备中处理高含水量原料的方法,包括:
操作燃气轮机产生排气;
使排气和高含水量原料接触一段足够的接触时间,以产生其含水量低于原料的干燥原料;以及
将在生产设备中产生的危险空气污染排放物引导到燃气轮机的燃烧进气口。
2.如权利要求1所述的方法,其中燃气轮机包括燃气轮发电机。
3.一种用于控制来自生产设备的危险空气污染排放物的方法,包括:
操作燃气轮机;和
将在生产设备中产生的危险空气污染排放物引导到燃气轮机的燃烧进气口。
4.如权利要求3所述的方法,其中燃气轮机包括燃气轮发电机。
5.一种用于在生产设备中处理高含水量原料的装置,包括:
燃气轮机;和
干燥容器,其适于通过连接部接收来自燃气轮机的排气,并适于接收高含水量原料;
其中燃气轮机和干燥容器之间的连接部适于基本上防止将空气引入到干燥容器中。
6.如权利要求5所述的装置,其中燃气轮机包括燃气轮发电机。
7.如权利要求5所述的装置,包括用于将在生产设备中产生的危险空气污染排放物引导到燃气轮机的燃烧进气口的连接部。
8.如权利要求7所述的装置,其中燃气轮机包括燃气轮发电机。
9.如权利要求5所述的装置,该装置易于从一个生产设备移动到另一个。
10.一种用加热的方法进行处理的高含水量原料,其包含NOx、SOx或COx成分,上述成分是在没有使高含水量原料明显氧化的情况下,通过使废料原料和燃气轮机排气在有限空间中接触,而被吸收或合成的。
11.如权利要求10所述的用热的方法进行处理的原料,该原料为适合于常规处理、输送或使用的粒状、球状或颗粒状。
12.用于处理来自生产设备的危险空气污染排放物的装置,包括:
具有燃烧进气口的燃气轮机;和
在危险空气污染排放设备和燃气轮机燃烧进气口之间用于将至少一部分危险空气污染排放物接收到燃气轮机进气口的连接部。
13.如权利要求12所述的装置,其中燃气轮机包括燃气轮发电机。
14.如权利要求12所述的装置,包括设备通风排气口和燃气轮机燃烧进气口之间的连接部。
15.如权利要求14所述的装置,其中燃气轮机包括燃气轮发电机。
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