АППАРАТ И СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE AND METHOD FOR THERMAL PROCESSING OF ORGANIC MATERIALS

ПЕРЕКРЕСНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Не имеется ссылок на родственные заявки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение, в общем, относится к аппарату и способу термической обработки органических материалов, а более конкретно - к тепловой обработке, дегидратации и/или стерилизации органических отходов всех видов, например органических отходов таких, как птичий помет, навоз, отходы скотобойни, отходы инкубаторов, отходы кожи и мясных туш, отстой очистки сточных вод, отходы производства вакцин, например остатки яиц, биологически загрязненные органические отходы и другие подобные материалы, для преобразования их в стерилизованный продукт, представляющий ценность в качестве удобрения почвы или даже пищевых добавок для животных. Аппарат и способ также поддаются адаптации для дегидратации овощей и растительных веществ.
ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Многочисленные технологические процессы и системы были обеспечены для термической обработки органических веществ и особенно для термической конверсии органических отходов предпочтительно в полезные продукты посредством технологического процесса, включающего в себя дегидратацию, тепловую обработку (варку) и стерилизацию.
Например, отстой, полученные из муниципальной очистки сточных вод, обычно обезвоживают и подвергают какому-либо виду стерилизации, предусматривающему нагрев, если органическое вещество впоследствии должно быть использовано, например, для обогащения почвы. Таким образом, органические материалы могут быть подвергнуты тепловой обработке, и множество установок предусмотрено для этой цели.
Подобные системы используют для термических обработок других органических отходов и материалов.
Однако одним из недостатков стандартных систем является выделение паров и газов, которые переносят с ними пахучие компоненты и часто даже токсичные вещества и которые обычно непосредственно выбрасываются в атмосферу. Стандартные системы также имеют недостаток в том отношении, что они, в общем, являются сложными, требуют много рабочей силы и являются термически неэкономичными.
Кроме того, эти системы, в общем, не адаптированы для нейтрализации и/или стерилизации органических материалов, которые загрязнены бактериями и/или вирусами (в остатках яиц в производстве вакцин) и/или другими болезнетворными микроорганизмами.
Некоторым исключением можно считать аппарат и способ, описанные в патенте US 4230451 А, который может быть принят в качестве ближайшего аналога. Однако и эти решения не дают высокой степени стерилизации органических материалов и энергетически недостаточно эффективны.
Таким образом, существует потребность в аппарате, который бы не имел вышеуказанных недостатков.
ОБЪЕКТЫ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Главными объектами настоящих изобретений являются усовершенствованные аппарат и способ термической обработки органических отходов, в соответствии с которыми могли бы быть исключены недостатки более ранних систем.
Дополнительным объектом настоящего изобретения является обеспечение получения аппарата для термической обработки органических веществ, главным образом органических отходов, который осуществляет полное уничтожение каких-либо запахов, уменьшает требование рабочей силы и является более экономичным, чем более ранние системы, с точки зрения потребления энергии.
Наконец, способ, соответствующий настоящему изобретению, в котором органические материалы, косвенно нагреваемые через посредство горячего воздуха, имеющего температуру, требуемую для их обработки, предусматривает переработку паров и газов, выделяющихся из органических материалов, в контуре горячего воздуха путем принудительной подачи их в контактное взаимодействие с пламенем топки для сжигания органических газов, содержащихся в них.
Таким образом, не только уничтожаются запахи, но переработка выделяющихся паров и газов обеспечивает возможность значительного уменьшения в потреблении калорий.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Эти и другие объекты станут очевидными из описываемого ниже способа, соответствующего настоящему изобретению, термической обработки органических материалов, главным образом органических отходов, который может включать в себя дегидратацию, стерилизацию и тепловую обработку (варку) органических материалов для получения полезных сухих веществ, способ предусматривает перемешивание массы органических отходов в герметичной камере в контактном взаимодействии с теплопроводной стенкой, которую нагревают снаружи газообразными продуктами сгорания в топке, в которую пары, освобождаемые в уплотненной, благодаря органическим материалам, камере, подают для сжигания в пламени топки.
Путем непрерывной переработки всех выделяемых газов и паров из твердых материалов в пламя топки, например, путем смешивания этих паров и газов с поддерживающим горение газом (воздухом) и топливом, может быть осуществлено полное уничтожение этих паров. Кроме того, перерабатываемые газ и пары делают вклад в величину калорий для процесса сжигания и, таким образом, в увеличение экономии топлива аппарата. Наконец, вследствие уничтожения несущих запахи газов или паров благодаря сжиганию, газы, выбрасываемые в окружающую среду, являются, по существу, свободными от пахучих, вредоносных, биологически загрязненных и/или токсичных веществ.
Аппарат, соответствующий настоящему изобретению, предпочтительно содержит удлиненную в горизонтальном направлении ванну с двумя стенками, образованную с полукруглым дном и предусмотренную внутри с перемешивающим и взбалтывающим средством для движения органических материалов против внутренней стенки, которая ограничивает камеру.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения в промежуток между внутренней стенкой и внешней стенкой подают газообразные продукты сгорания из топки, которая может быть открыта предпочтительно в промежуток ниже дна камеры. Внутренняя стенка получена из материала, имеющего высокую теплопроводность, тогда как внешняя стенка выполнена из теплоизоляционного материала.
В соответствии с характерной особенностью настоящего изобретения ванна предусмотрена, по меньшей мере, с одним, а предпочтительно с множеством поддающихся уплотнению отверстий, сообщающихся с камерой для введения органических отходов, предпочтительно в своде ванны, тогда как дополнительное поддающееся уплотнению отверстие образует выпускное отверстие в ее дне и предпочтительно на одном аксиальном конце.
Аппарат также предусмотрен с каналом, сообщающимся с камерой, предпочтительно через свод, и с отверстием в топочной камере.
Взбалтывающее или перемешивающее средство в камере может содержать смеситель, имеющий горизонтальный вал, совпадающий с осью или проходящий параллельно оси ванны и поддающийся вращению в одном направлении для простого смещения органического материала вдоль теплопроводной стенки, тогда как вращение в противоположном направлении побуждает его лопасти, которые могут быть соответственно профилированы, действовать как транспортные рабочие органы и продвигать органический материал по направлению к выпускному отверстию. Однако при изменении формы ванны, конфигурация взбалтывающего средства должна изменяться соответственно.
Естественно, что в камере, вытяжной трубе и/или в других соответствующих местах могут быть предусмотрены датчики, чтобы гарантировать рост и сохранение в ней требуемой температуры.
В то время как топка может работать для обеспечения всасывания, которое стимулирует переработку выделяемых паров и газов, было установлено предпочтительным обеспечение нагнетательного вентилятора или подобного устройства в канале, связывающем камеру с топкой для принудительной подачи в нее освобождаемых паров и газов.
Конфигурация топки, соответствующая наилучшему режиму, известному в настоящее время для реализации настоящего изобретения на практике, включает в себя сходящееся выпускное отверстие, имеющее форму усеченного конуса, которое в его горловине предусмотрено с нагреваемым огнеупорным корпусом, сходящимся внутрь конфигурации усеченного конуса, который ограничивает эту горловину или отверстие. Этот корпус, который нагревается до раскаленного состояния, служит для гарантии того, что ни одно органическое вещества не может пересечь отверстия без сгорания или пиролиза.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления промежуток между двумя стенками, через который газообразные продукты сгорания циркулируют для нагрева содержимого камеры, также предпочтительно предусмотрены с сетью перегородок для обеспечения гарантии эффективного распределения горячих газов вдоль стенки и оптимальной теплопередачи через нее.
Наконец, важной характерной особенностью настоящего изобретения является наличие теплообменника, расположенного вблизи свода ванны. Газообразные продукты сгорания, которые циркулируют через промежуток между внутренней и внешней стенками, дополнительно переносятся к теплообменнику. Свежий воздух, используемый в дегидратации и в сжигании топлива и выделяемых газов и паров, также передается к теплообменнику. Остаточное тепло от газообразных продуктов сгорания затем частично передается к свежему воздуху. Нагретый свежий воздух после этого вводится в ванну и, таким образом, увеличивает эффективность технологического процесса дегидратации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - продольное вертикальное сечение аппарата для нагрева органического вещества в соответствии с настоящим изобретением, сделанное, по существу, вдоль линии 1-1, показанной на фиг.2;
Фиг.2 - поперечное сечение аппарата, иллюстрируемого на фиг.1, сделанное по линии II-II, показанной на фиг.1;
Фиг.3 - увеличенное поперечное сечение, иллюстрирующее деталь топки аппарата, иллюстрируемого на фиг.1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Как следует из сопроводительных чертежей, аппарат 1, соответствующий настоящему изобретению, представляет собой удлиненную в горизонтальном направлении конструкцию 2, которая образована с полуцилиндрическим дном и с парой вертикальных продольных стенок, возвышающихся из этого полуцилиндрического дна, закрытую на ее аксиальных торцах. Корытообразная ванна 2 также закрыта на ее верхней части горизонтальной стенкой 6. Таким образом, ванна, в общем, имеет подковообразное поперечное сечение, сделанное в поперечном направлении относительно горизонтальной оси ванны.
Ванна 2 имеет двойную конструкцию стенки, то есть содержит внутреннюю стенку 3 из материала, который является хорошим проводником тепла, например из металла или металлического сплава меди, стали, нержавеющей стали или алюминия, тогда как внешняя стенка 4 образована из теплоизоляционного материала, например огнеупорного материала, керамики или подобного материала.
Промежуток 5 предусмотрен между двумя стенками 3 и 4 вдоль дна и в продольном направлении торцевых сторон ванны 2 и образует пространство или канал 5 для циркуляции нагретого воздуха, который используют для дегидратации и фактически тепловой обработки органических материалов, принимаемых в ванну 2.
Свод 6 ванны 2 является стенкой, которая герметизирует это пространство и также образована из теплоизоляционного материала.
В ванне 2 предусмотрен смеситель, указанный ссылочным номером 7. Смеситель 7 имеет вал 7а, который проходит параллельно оси или совпадает с осью дна ванны 2 и который, в общем, установлен на торцевой стенке ванны 2. На одной торцевой стенке вал 7а приводится в движение посредством зубчатой передачи или приводного ремня через посредство электродвигателя и редуктора, указанного ссылочным номером 10. Гидравлический ограничитель крутящего момента (не показан) также может быть установлен на валу 7а для предотвращения чрезмерного механического напряжения вала 7а. Другой конец вала 7а предусмотрен с опорным подшипником на противоположной торцевой стенке ванны 2. Вал несет множество радиальных рычагов 7b, которые в аксиальном направлении отстоят друг от друга вдоль вала 7а и которые служат для вращения массы вдоль стенки 3 и перемешивают массу во время технологической операции нагрева.
Первое загрузочное отверстие 8 предусмотрено в своде 6 и герметично закрыто съемной крышкой 9. Первое загрузочное отверстие 8, в общем, используют для твердых или полутвердых материалов отходов. Для жидких или, по меньшей мере, подаваемых с помощью насоса (нагнетаемых) материалов отходов в своде 6 предусмотрено второе загрузочное отверстие 38 в виде гидротехнического затвора 38. Гидротехнический затвор 38 также обеспечивает возможность непосредственной загрузки ванны 2 без какого-либо непосредственного контактного взаимодействия материалов отходов с внешней областью ванны 2. Это особенно важно, если материалы отходов загрязнены бактериями и/или вирусами. Если материалы отходов находятся в контактном взаимодействии с внешней областью ванны, то туман или пыль материалов отходов может быть диспергирована в области, окружающей аппарат 1, эффективно загрязняя область.
Второе загрузочное отверстие 38 также может быть использовано для загрузки ванны 2 водой, когда аппарат 1 находится в режиме предварительного нагрева. Режим предварительного нагрева будет дополнительно описан ниже.
Ванна 2 также предусмотрена с выпускным отверстием 11. Выпускное отверстие сообщается с желобом 23. Выпускное отверстие 11 может быть герметично закрыто съемной заглушкой 12.
Аппарат 1 также предусмотрен с топкой 14, которая имеет камеру 13 сгорания, которая открыта своим сходящейся спереди горловиной в циркуляционную камеру или пространство 5 ниже дна промежутка, ограниченного стенками 3 и 4. К топке 4 подается топливо, которое может быть природным или синтетическим газом, топочным мазутом, подобным другим топливом, посредством соответствующего сопла, распылительной форсунки или распылительной головки. Процесс горения представлен в камере 13 пунктирными линиями. Результат сгорания смеси представляет собой смесь газообразных продуктов сгорания и эти газы циркулируют через пространство 5, ограниченное стенками 3 и 4, нагревая органический материал через посредство теплопроводной стенки 3 в технологическом процессе. Эти горячие газы нагревают, подвергают дегидратации (обезвоживанию) и фактически подвергают тепловой обработке органические материалы, вводимые в ванну 2 через отверстия 8 или 38 для генерирования выделяющихся газов и паров при перемешивании материала посредством смесителя 7.
Внутренняя область ванны 2 соединена с камерой 13 сгорания топки 14 посредством канала 15, который переносит газы и пары, выделяющиеся из органических материалов, к топке 14.
Поскольку в камере 13 сгорания может создаваться давление ниже атмосферного немного выше по технологической цепочке от расширяющихся газов в результате сгорания, например, благодаря эффекту Вентури, это всасывание может быть достаточным для вытягивания газов и паров, освобождаемых из органических материалов под действием обработки, как представлено стрелками 16, через канал 15 и в топку 14. Таким образом, газы и пары, освобождаемые из органических материалов, подаются в пламя топки 14 и сгорают для генерирования, по меньшей мере, существенной части калорий, требуемых для работы аппарата 1. Однако нагнетательный вентилятор 19 может быть также предусмотрен в канале 15, предпочтительно вблизи свода 6 ванны 2, для улучшения циркуляции выделяемых газов и паров из ванны 2 к топке 14.
Таким образом, эта система имеет двойное преимущество в том отношении, что пары и газы, выделяемые из органического материала и которые переносят запахи, фактически полностью уничтожаются посредством сгорания и, помимо всего прочего, газы подаются в топку 14 при их температурах испарения, которые обеспечивают возможность рекуперации калорий.
Более хорошее распределение тепла вдоль внутренней стенки 3 ванны 2 получают путем обеспечения перегородок 18, расположенных в шахматном порядке. Перегородки 18 схематически показаны только на фиг.2. Эти перегородки 18 уменьшают поток газообразных продуктов сгорания в промежутке 5, обеспечивая в соответствии с этим более хорошую передачу тепла между газами и органическими материалами.
Для увеличения процесса дегидратации, извне ванны 2 отбирают свежий воздух посредством насоса 40 и вводят в ванну 2. Однако для получения более эффективного и предпочтительно более быстрого технологического процесса дегидратации, свежий воздух предпочтительно отправляют в теплообменник 42, расположенный вблизи свода 6 ванны 2, перед передачей внутрь ванны 2. Более горячий свежий воздух имеет более высокую способность абсорбировать пары и другие газы, выделяемые из органических материалов. Кроме того, нагретый воздух содействует нагреву органических материалов и, таким образом, ускоряет их дегидратацию.
Тепло из теплообменника 42 приходит из газообразных продуктов сгорания. Теплообменник 42 фактически используют для передачи части тепла, оставшегося в газообразных продуктах сгорания, которые циркулируют в промежутке 5 между стенками 3 и 4, свежему воздуху.
Таким образом, свежий воздух нагнетают извне, передают его в змеевик 45, смежный другому змеевику 47, через который циркулируют газообразные продукты сгорания. Эти змеевики 45 и 47 предпочтительно получают из теплопроводных материалов, например меди. Когда свежий воздух циркулирует в змеевике 45, а газообразные продукты сгорания циркулируют в змеевике 47, часть тепла передается от газообразных продуктов сгорания к свежему воздуху. В конце змеевика 45 нагретый свежий воздух передают внутрь ванны 2 для смешивания с выделяемыми газами и парами, и, таким образом, для ускорения технологического процесса дегидратации. Этот свежий воздух также используют в камере 13 сгорания для сжигания топлива и выделяемых паров и газов.
Кроме того, поскольку змеевик 47 расположен внутри ванны 2, он также передаст часть тепла газообразных продуктов сгорания в окружающий воздух уже внутри ванны 2, дополнительно ускоряя технологический процесс дегидратации.
Таким образом, аппарат 1, соответствующий настоящему изобретению, имеет прямое преимущество, будучи чрезвычайно энергетически эффективным. Благодаря повторному использованию, как можно большего тепла из газообразных продуктов сгорания, представляется возможным ускорить технологический процесс дегидратации или уменьшить потребление топлива.
В конечном счете, конец змеевика 47 соединен с вытяжной трубой 17, через которую газы выбрасываются в атмосферу.
Нагнетательный вентилятор 49 может быть установлен внутри вытяжной трубы 17 для регулирования потока газов в промежутке 5, расположенном между стенками 3 и 4, и предотвращения возникновения какого-либо избыточного давления, которое может повредить оборудование или препятствовать технологическому процессу дегидратации.
Для исключения какого-либо риска недожигания перерабатываемых паров в камере 13 сгорания топки 14, в центре горловины камеры 13 (см. фиг.3), то есть непосредственно перед пламенем горения, размещен огнеупорный корпус 21. Этот корпус, таким образом, поддерживается посредством пламени в раскаленном состоянии. Помимо всего прочего, горловина топки образована в форме усеченного конуса, сходящегося по направлению к отверстию, побуждая в соответствии с этим все газы к прохождению по направлению к огнеупорному корпусу 21 и вдоль огнеупорного корпуса 21. Контактное взаимодействие этих газов с огнеупорным корпусом гарантирует почти полное сгорание или термическое разложение потенциально несгоревших газов.
Кроме того, также установлено, что горловина в форме усеченного конуса камеры 13 создает противодавление, которое содействует более хорошему перемешиванию перерабатываемых паров с пламенем топки 14.
На фиг.3 также показано, что камера 13 сгорания топки 14 может быть предусмотрена с отражателями 22, которые являются эффективными для предотвращения возникновения какого-либо обратного потока газообразных продуктов сгорания, в особенности через канал 15.
Несмотря на огнеупорный корпус 21, еще представляется возможным, чтобы некоторые органические материалы, в частности вирусы и другие болезнетворные микроорганизмы, могли спастись от полного уничтожения в камере 13 сгорания. Для предотвращения просачивания вирусов и других болезнетворных микроорганизмов в атмосферу, аппарат 1, соответствующий настоящему изобретению, предусматривает режим предварительного нагрева. В режиме предварительного нагрева чистую воду или другую нейтральную и, в общем, нетоксичную жидкость вводят внутрь ванны 2 и запускают аппарат 1. Если детектируется, что аппарат 1, а более конкретно внутренняя область ванны 2 и вытяжной трубы 17 достигли заданной температуры (то есть предпочтительно биоцидальной температуры), то внутрь ванны 2 вводят органические отходы. Тепло ванны 2 и вытяжной трубы 17 гарантирует, что ни вирусы, ни другие болезнетворные микроорганизмы не выйдут из аппарата 1, не будучи уничтоженными. Температуру предпочтительно детектируют посредством датчиков 25 и 51 температуры, расположенных соответственно внутри ванны 2 и вытяжной трубы 17.
Если биологически загрязненные отходы были введены в аппарат 1, когда он был холодным, то некоторые вирусы и другие болезнетворные микроорганизмы могут избежать полного уничтожения, поскольку тепла аппарата 1 будет недостаточно для обеспечения биоцидальных свойств. Таким образом, эти вирусы и другие болезнетворные микроорганизмы будут выбрасываться в атмосферу, эффективно загрязняя область, окружающую аппарат 1.
В соответствии с еще одной характерной особенностью настоящего изобретения каждая лопатка или лопасть 7b смесителя 7 образована с латеральной наклонной плоскостью, не видимой на приведенных чертежах, ориентированной по направлению к выпускному отверстию 11 так, чтобы отклонять органические материалы по направлению к отверстию 11, когда смеситель 7 вращается в первом направлении. Однако лопасти 7b не обеспечивают аксиального усилия, если смеситель 7 вращается в противоположном направлении. При их выходе через отверстие 11 органические материалы принимаются в желоб или бункер 23.
Как показано на фиг.1, свободные концы лопастей 7b смесителя могут быть предусмотрены с гибкими элементами, например с цепями 24, для скобления и, таким образом, ограничения адгезии органических материалов к внутренней стенке 3 ванны 2.
Наконец, аппарат 1, иллюстрируемый на фиг.1, предпочтительно предусмотрен, по меньшей мере, с двумя датчиками 25 и 51 температуры, которые соединены с контроллером 26. Контроллер 26 через посредство топливного клапана 28 топливной форсунки 30 может поддерживать требуемую температуру в камере 2 обработки и/или в вытяжной трубе 17. При необходимости в аппарате 1 могут быть также установлены другие датчики (то есть датчики температуры, давления, влажности) и детекторы (в особенности химических продуктов и болезнетворных микроорганизмов).
Очевидно, вышеуказанные характеристики предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, не должны рассматриваться как ограничительные. На самом деле форма ванны, конфигурация смесителя и размещение некоторых элементов могут изменяться. Следовательно, эффективный объем настоящего изобретения будет ограничиваться прилагаемой формулой изобретения.