CN101531937A - 生物能量系统及设备 - Google Patents

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Abstract

一种生物能量系统(20)，包括收集原始垃圾材料如城市垃圾、家庭垃圾等的垃圾收集站(21)。垃圾以受控方式通过旋转的有机材料蒸煮器(22)输送，以将原始垃圾中所含的有机垃圾材料转化为生物燃料。从蒸煮器(22)排出的处理过的材料通过筛子(28)，以去除任何无机材料，从而留下生物燃料。生物燃料在干燥站(35)干燥，然后输送到锅炉(38)中，以用于燃烧，从而产生能量。

Description

生物能量系统及设备
本申请是申请日为2005年11月2日、申请号为200580037577.9、发明名称为“生物能量系统及设备”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种生物能量系统及设备。
背景技术
例如，在美国专利US 5047349和US 5407809中已经描述了用于将有机垃圾材料如城市垃圾转化成混合肥料的系统和设备。US 5047349中所示的系统以批量处理系统操作，而US 5407809的系统为连续输送过程。这些文献的内容均并入此处作为参考。这些系统中的每一个包括这种类型的蒸煮器，其包括圆柱形滚筒，该圆柱形滚筒在一端具有有机材料入口，并在其另一端具有处理过的材料出口，所述圆柱形滚筒可旋转地安装在支架上，以围绕滚筒的中心轴旋转，以及用于旋转支架上的滚筒的装置，滚筒的旋转轴在滚筒的入口和出口之间向下倾斜，以在入口和出口之间输送材料，多个间隔设置的挡板在入口和出口之间安装在滚筒内，以控制在入口和出口之间通过滚筒的材料的流动，每个挡板具有用于使材料通过的开口。在蒸煮器滚筒内，挡板通常焊接到滚筒侧壁的内表面上。在滚筒中的材料处理期间，在滚筒内产生相对腐蚀的环境。在此腐蚀环境中，焊接可能失效，从而导致挡板与滚筒壁分离。在极端情况下，滚筒侧壁可能破裂。
使用此蒸煮器产生的混合肥料可以用于农业和园艺目的。目前，以此方式处理的城市垃圾的量还相对较小。大量的城市垃圾通常采用就地掩埋的方式处理。这从环境的观点来看是不理想的。然而，如果城市垃圾增长量中的有机物质均如上所述转变为混合肥料，则在一定的市场中，产生的混合肥料量将极大地超过农业和园艺的需要。虽然其可以采用就地掩埋的方法处置，但仍不是解决此问题的理想方法。
本发明旨在克服这些问题。
发明内容
根据本发明，提供了一种生物能量系统，包括：
收集包括有机垃圾材料的原始垃圾材料，
在蒸煮器的入口和出口之间将所述原始垃圾材料以受控方式输送通过有机材料蒸煮器，并在蒸煮器中利用需氧(或好氧)细菌处理原始垃圾材料，以将原始垃圾材料中所含的有机垃圾材料转化为生物燃料，
从蒸煮器的出口排出处理过的材料，
将所述生物燃料与处理过的材料中的无机材料分离。
系统还可以包括利用生产的生物燃料产生能量。
生产的生物燃料可以以任何适当的方式使用，以产生能量或作为矿物燃料的替代品。
在本发明的一实施方式中，系统包括至少部分干燥生物燃料材料，以在利用生物燃料产生能量之前降低生物燃料材料的水分含量。
生物燃料可以以任何适当的方式干燥。例如，可以通过压榨降低生物燃料材料的水分含量。可替换地或此外，水分含量也可以通过使用任何其它形式的干燥系统降低，例如包括热干燥器、流化床干燥器、空气干燥器以及生物干燥。
在另一实施方式中，系统包括筛分或过滤处理过的材料，用于将生物燃料和无机材料(即可生物降解和不可生物降解的材料)分离。
在另一实施方式中，系统包括将无机(不可生物降解)材料选分成可回收垃圾材料和不可回收垃圾材料。
在优选实施方式中，蒸煮器包括在一端具有原始材料入口、而在另一端具有处理过的材料出口的圆柱形滚筒，所述滚筒具有至少一个内部室，用于垃圾材料的处理，所述圆柱形滚筒可旋转地安装在支架上，用于围绕滚筒的中心轴旋转，以及用于围绕滚筒的所述中心轴旋转滚筒的装置。优选在滚筒的入口和出口之间滚筒的旋转轴向下倾斜。然而，在一些情况下，滚筒的旋转轴也可以基本水平布置。
在另一实施方式中，蒸煮器包括可旋转的圆柱形滚筒，至少一个挡板安装在滚筒内，以控制在滚筒的入口和出口之间通过滚筒的材料的流动，所述挡板或每个挡板通过连接装置固定到滚筒上，连接装置从挡板向外延伸穿过滚筒的圆柱形侧壁。
在另一实施方式中，连接装置固定到滚筒的外部。
在本发明的一实施方式中，滚筒具有支撑环，其围绕滚筒的内部或外部延伸，并与滚筒内的每个挡板对齐。
在另一实施方式中，连接装置固定到支撑环上。
在另一实施方式中，连接装置包括多个间隔的杆，每个杆具有内端和外端，所述内端固定到挡板上，而所述外端固定到滚筒上。
在优选实施方式中，每个杆的内端与挡板的正面和背面向内隔开地固定到挡板的外周边缘上。在另一实施方式中，杆的内端位于挡板的边缘处的互补径向槽中。
在另一实施方式中，杆从挡板径向向外延伸穿过滚筒侧壁。
在另一实施方式中，每个杆的外端接合在支撑环中的互补径向安装孔中。
在再一实施方式中，至少在挡板的外边缘与滚筒侧壁会合的区域处涂敷有耐蚀材料。
在优选实施方式中，挡板的每个面涂敷有所述耐蚀材料。
在另一实施方式中，挡板和相关的杆连接器由不锈钢材料制成。
在优选方式中，耐蚀材料为环氧树脂。
在另一实施方式中，每个挡板的一个或两个面被牺牲材料保护。
优选的是，牺牲材料由硬木、塑料或其它抗冲击和耐蚀材料制成。
在另一实施方式中，每个杆的内端和外端通过焊接接头(或焊缝)固定。
在另一实施方式中，每个挡板具有偏心地位于挡板中以用于使材料通过的开口。
通常，所述开口具有椭圆形形状。开口可以如此设置，以便椭圆形开口的短轴或长轴沿挡板的半径布置。
在另一实施方式中，圆柱形滚筒在一端具有原始材料入口，而在其另一端具有处理过的材料出口，所述圆柱形滚筒可旋转地安装在支架上，以围绕滚筒的中心轴旋转，以及用于旋转支架上滚筒的装置，滚筒的旋转轴在滚筒的入口和出口之间向下倾斜，以在入口和出口之间输送材料，多个间隔的挡板在入口和出口之间安装在滚筒内，以控制在入口和出口之间通过滚筒的材料的流动，每个挡板具有用于使材料通过的开口。如果需要，可以在挡板的每个开口处设置门。
在另一实施方式中，用于旋转支架上的滚筒的装置包括围绕滚筒的圆周延伸的环形齿轮、与环形齿轮驱动啮合的互补小齿轮、以及通过减速齿轮箱与小齿轮连接的驱动马达。
在另一实施方式中，用于旋转支架上的滚筒的装置包括围绕滚筒的圆周延伸并固定在其上的轮箍，所述轮箍搁置在一对可旋转地安装在一支撑框架上的间隔轮子上并由其支撑，所述轮子中的至少一个为与相关的驱动马达相连的摩擦驱动轮，所述驱动马达可操作地旋转支撑框架上的摩擦驱动轮，以旋转滚筒。
在另一实施方式中，驱动马达为液压马达。
在再一实施方式中，两个轮箍间隔地安装在滚筒上，每个轮箍具有相关的驱动装置，以旋转轮箍并因此旋转滚筒。
在特别优选的实施方式中，圆柱形滚筒由固定到滚筒的内表面上并沿滚筒的长度延伸的纵向应力杆在内部被保护，每个应力杆从滚筒的内表面向内凸出。理想地，应力杆的高度为大约4至5英寸(100mm-125mm)，厚度为大约1英寸(25mm)，并以大约4至5英寸(100mm-125mm)的距离隔开。当使用滚筒时，形成于这些应力杆之间的通道充满有机材料，从而可以极大地增强冲击吸收能力，并提供加速有机材料发酵过程所需的生物介质。
附图说明
通过以下参照附图并仅仅以示例方式给出的一些实施例的描述，可以更清楚地理解本发明，其中：
图1为根据本发明的生物能量系统的示意图；
图2为该生物能量系统的另一示意图；
图3为根据本发明的蒸煮器的透视图；
图4为该蒸煮器的示意性横截面图；
图5为根据本发明的另一蒸煮器的正视图；
图6为类似于图5的蒸煮器的视图；
图7为沿图6的线VII-VII剖开的端视图；
图8为沿图6的线VIII-VIII剖开的端视图；
图9为沿图6的线IX-IX剖开的剖视图；
图10为沿图6的线X-X剖开的剖视图；
图11为示出了蒸煮器的圆柱形滚筒的一部分的详细剖视图；以及
图12为示出了蒸煮器的滚筒壁的一部分的详细剖视图。
具体实施方式
参照附图，首先参照图1和图2，示出了根据本发明的生物能量系统，其总体上由标号20表示。系统20包括收集原始垃圾材料(或未处理垃圾物料)如城市垃圾、家庭垃圾等的垃圾收集站21。然后，将此原始垃圾材料输送至旋转有机材料蒸煮器22的入口处。原始垃圾材料以受控方式在蒸煮器22的入口23和出口24之间输送通过旋转蒸煮器22，以将原始垃圾材料中所含的有机垃圾材料转化为生物燃料。
旋转有机材料蒸煮器22包括在一端具有原始材料入口23并在其另一端具有处理过的材料出口24的圆柱形滚筒(cylindrical drum)。圆柱形滚筒可旋转地安装在支架上，以围绕滚筒的中心轴旋转。滚筒的旋转轴在滚筒的入口23和出口24之间向下倾斜，以随着滚筒的旋转，在滚筒的入口23和出口24之间逐渐地输送材料。在下文中将更具体地描述适当型式蒸煮器。或者，也可以使用US 5047349和US 5407809中所描述型式的蒸煮器。
图2示出了用于处理垃圾材料的平行设置的三个蒸煮器22。处理过的材料从每个蒸煮器22的出口24排放到传送带26上，传送带26将处理过的材料输送至料斗27，进而输送至筛子28。筛子28将生物燃料与处理过的材料中的无机(不可生物降解)材料分离。清洁后的无机材料被输送到残留物收集仓30，然后被选分(或分拣)成可回收材料31和不可回收材料32，不可回收材料32被运送到填埋场掩埋。
生物燃料材料从筛子28输送到干燥站35，在此通过压榨生物燃料材料和/或其它适宜的干燥方法降低生物燃料材料的水分含量。然后，干燥的生物燃料材料可以用作例如发电锅炉38中的生物燃料，或作为任何矿物燃料的替代品。
如果需要，一部分有机材料可以输送到筛子28的下游，并到达混合肥料仓40，以用于随后的固化，并作为农业或园艺肥料使用。
下面参照图3和4，示出了根据本发明的蒸煮器，其总体上由标号1表示。蒸煮器1具有圆柱形滚筒2，其可旋转地安装，以围绕滚筒2的中心纵轴A旋转。驱动装置(未示出)被设置，以在倾斜位置围绕所述纵轴A旋转滚筒2，从而在滚筒的入口3和出口4之间输送材料，以随着其通过滚筒2进行处理。
多个挡板10在滚筒的入口3和出口4之间间隔地安装在滚筒2内，并将滚筒的内部分成数个处理室，以及控制在入口3和出口4之间通过滚筒2的材料的流动。每个挡板10为圆形，并紧密配合在滚筒2内，挡板10的外周边缘11邻接滚筒2的滚筒侧壁12的内表面。挡板10由不锈钢材料形成，并具有保护性环氧树脂涂层。也可以提供在后面描述的附加冲击保护层。
每个挡板10基本上垂直于滚筒2的纵轴A安装在滚筒2内。挡板10在滚筒2的入口3和出口4之间将滚筒2细分成多个串联布置的处理室。当材料在滚筒2的入口3和出口4之间移动时，每个挡板10中的开孔或孔口14允许材料从一个室到下一个室可控地通过。开孔或孔口14敞开，或者如果需要可以装有门(未示出)，其确保在挡板10之间的区域或室完全隔离。在图4所示的实施例中，孔口14大体上为椭圆形。孔口14偏心地位于挡板10中，孔口14的长轴X大体上沿挡板10的半径(或径向)设置。
每个挡板10通过多个周向隔开的不锈钢杆15固定在滚筒2内，在图4中只示出了其中的一个不锈钢杆。每个杆15从挡板10径向向外延伸通过滚筒侧壁12中的开口，并接合不锈钢外支撑环16，该外支撑环16围绕滚筒2延伸并与相关的挡板10对齐。多个间隔的径向孔设置在环16中，以用于当焊接到挡板10上后接收焊接到环16上的杆15。支撑环16围绕滚筒2紧密配合，并焊接到滚筒2的外部。在另一配置中，支撑环16可以安装在滚筒2的内部，而不是如图所示的外部。
每个挡板10的表面和每个挡板10的外边缘接合滚筒2的侧壁12的区域处涂敷有环氧涂层。适宜的涂层为由福克斯工业(Fox industries)提供的双组分溶剂基环氧涂层FX-470。
在使用中，蒸煮器1缓慢旋转。原始垃圾材料输送到蒸煮器1的入口3，并在入口3和出口4之间输送通过蒸煮器1。在蒸煮器1内，需氧(好氧)细菌将原始垃圾材料中所含的有机垃圾材料(即有机垃圾材料部分)转化成生物燃料。处理过的材料从滚筒2的出口4排出。处理过的材料包括有机/可生物降解材料和无机/不可生物降解材料。这可以通过前述方式分离。
应当指出，由于本发明的挡板安装配置，所有焊接接头(或接缝)均被保护起来，以防止蒸煮器滚筒2内的任何腐蚀环境的侵蚀。此外，支撑环16在每个挡板安装位置处给予滚筒2额外的加强。
参照图5至12，将描述根据本发明的另一蒸煮器，其总体上由标号50表示。蒸煮器50包括圆柱形滚筒52，其可旋转地安装在一对间隔的支撑框架、即前支撑框架53和后支撑框架54上。两个间隔的金属轮箍55围绕滚筒52的圆周延伸。每个轮箍55、56通过一对间隔的轮子57(可在图8和10中最清楚地看出)支撑，轮子57可旋转地安装在支撑框架53、54上。轮子57中的至少一个包括摩擦驱动轮，其与相关的驱动马达59相连，以旋转支撑框架53、54上的摩擦驱动轮57，从而旋转支撑框架53、54上的滚筒52。优选的是，摩擦驱动轮57设置在每个支撑框架53、54上。驱动马达59可方便地为液压马达或电动马达。作为替换，可以提供用于驱动摩擦驱动轮57的任何其它配置。
应当注意的是，滚筒52的中心纵轴A相对于水平方向以大约2.5°的角度倾斜，其中滚筒52围绕所述中心纵轴A旋转。因此，滚筒52在滚筒52的入口端63和出口端64之间向下倾斜。这样，随着滚筒52的旋转，可以使材料在入口端63和出口端64之间通过重力输送通过滚筒52。
从图7中可以看到滚筒52的入口端63的更多细节。环形端板67具有中心圆形入口68。多个安装在滚筒壁的内表面上的铲斗形板69从滚筒壁向内凸出。铲斗形板69将垃圾材料输送到传送箱70中，以输送到滚筒52的内部。
参照图5和9，滚筒52的内部由一对间隔的挡板76、77分成三个室，即第一室72、第二室73和第三室74。如前所述，这些挡板76、77控制在入口63和出口64之间通过滚筒52的材料的流动。
每个挡板76、77基本上垂直于滚筒52的纵轴A安装在滚筒52内。该安装优选以如图4所示的挡板的前述安装方式进行。每个挡板76、77中的孔口78可以允许材料在由挡板76、77分开的相邻室72、73、74之间流通。在此情况下，孔口78具有椭圆形形状，椭圆的短轴Y基本上与挡板76、77或滚筒52的半径重合。从图9中可以看出，孔口78偏离滚筒52的中心设置。
参照图9，滚筒52通过多个间隔的纵向应力杆80从内部被保护，应力杆80从滚筒52的内表面81径向向内凸出。应力杆80固定到内表面81上并沿滚筒52的长度延伸。应力杆80大约4至5英寸(100mm-125mm)高，大约1英寸(25mm)厚，并以大约4至5英寸(100mm-125mm)的间距隔开。当使用滚筒52时，形成于这些应力杆80之间的通道82填充有有机材料，并可以极大地增强吸振能力，并可以提供用于加速有机材料发酵进程所需的生物介质。
优选的是，每个挡板76、77由不锈钢或一些其它抗腐蚀材料制成。此外，挡板76、77的每个面可以被牺牲材料如硬木、塑料或其它抗冲击和耐蚀材料保护。这样可以在滚筒52的操作期间防止损坏挡板76、77。
如图10和11所示，滚筒52的内表面81涂敷有50mm的聚氨酯层84，以保护滚筒侧壁。
参照图8，示出了滚筒52的出口端64。通过撞击件(撞击锤)91操作的多个出料门90安装在滚筒52的端板92上。门90可以通过撞击件91开启和关闭，以控制处理过的材料从滚筒52的排出。
图12示出了轮箍安装位置处的滚筒侧壁的加强情况。
可以理解，本发明提供了一种用于生产可以作为矿物燃料的替代品使用的生物燃料的系统和设备。
可以理解，蒸煮器可以具有一个或多个用于垃圾材料处理的室。在提供多个室的情况下，可以按照如上所述方式将滚筒细分成多个室，或者实际上提供多个滚筒，每个滚筒包括一个室，这些滚筒可以串联设置，材料可以从一个滚筒传送到另一滚筒。
本发明不局限于以上描述的实施例，其可以在结构和细节方面进行变化，这些均不脱离后附权利要求的范围。

Claims (29)

1.一种生物能量系统，包括：
收集包括有机垃圾材料的原始垃圾材料，
在有机材料蒸煮器的入口和出口之间将所述原始垃圾材料以受控方式输送通过所述蒸煮器，并在蒸煮器中利用需氧细菌处理原始垃圾材料，以将原始垃圾材料中所含的有机垃圾材料转化为生物燃料，
从蒸煮器的出口排出处理过的材料，
将所述生物燃料与处理过的材料中的无机材料分离；以及
利用所生产的生物燃料产生能量。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括在利用生物燃料产生能量之前至少部分地干燥生物燃料材料，以降低生物燃料材料的水分含量。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，包括压榨生物燃料材料，以降低生物燃料材料的水分含量。
4.根据前述权利要求中任何一项所述的系统，其特征在于，包括筛分处理过的材料，以将生物燃料与无机材料分离。
5.根据权利要求1-3中任何一项所述的系统，其特征在于，包括将无机材料选分成可回收垃圾材料和不可回收垃圾材料。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，蒸煮器包括在一端具有原始材料入口、并在另一端具有处理过的材料出口的圆柱形滚筒以及用于围绕所述滚筒的中心轴旋转滚筒的装置，所述滚筒具有至少一个内部室，以用于垃圾材料的处理，所述圆柱形滚筒可旋转地安装在支架上，以围绕滚筒的中心轴旋转。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，至少一个挡板安装在滚筒内，以将滚筒的内部分成两个或更多处理室，并控制在滚筒的入口和出口之间流过滚筒的材料的流动，所述挡板或每个挡板通过连接装置固定到滚筒上，所述连接装置从挡板向外延伸穿过滚筒的圆柱形侧壁。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，连接装置固定到滚筒的外部。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，滚筒具有支撑环，其围绕滚筒延伸，并与滚筒内的每个挡板对齐。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，支撑环围绕滚筒的外部延伸。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，支撑环围绕滚筒的内表面延伸。
12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，连接装置固定到支撑环上。
13.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，连接装置包括多个间隔的杆，每个杆具有内端和外端，所述内端固定到挡板上，所述外端固定到滚筒上。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，每个杆的内端与挡板的正面和背面向内隔开地固定到挡板的外周边缘上。
15.根据权利要求13或14所述的系统，其特征在于，杆的内端位于挡板的外边缘处的互补径向槽中。
16.根据权利要求13或14所述的系统，其特征在于，杆从挡板径向向外延伸穿过滚筒侧壁。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，每个杆的外端接合在支撑环中的互补径向安装孔中。
18.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，至少在所述挡板或每个挡板的外边缘与滚筒侧壁会合的区域处涂敷有耐蚀材料。
19.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，挡板的每个面涂敷有所述耐蚀材料。
20.根据权利要求18或19所述的系统，其特征在于，耐蚀材料为环氧树脂。
21.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，至少每个挡板的上游面被牺牲材料保护。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，每个挡板的两个面均被牺牲材料保护。
23.根据权利要求21或22所述的系统，其特征在于，牺牲材料包括硬木、塑料或其它抗冲击和耐蚀材料。
24.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，每个杆的内端和外端通过焊接接头固定。
25.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，多个间隔的挡板在所述入口和所述出口之间安装在滚筒内，以控制在所述入口和所述出口之间通过滚筒的材料的流动，每个挡板具有用于使材料通过的开口。
26.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，每个挡板具有偏心地位于挡板中的用于使材料通过的开口。
27.根据权利要求26所述的系统，其特征在于，所述开口具有椭圆形形状。
28.根据权利要求27所述的系统，其特征在于，椭圆形开口的短轴或长轴沿挡板的半径布置。
29.根据权利要求6-8、13、14、18、19、21、22、24-28中任何一项所述的系统，其特征在于，滚筒的旋转轴在滚筒的入口和出口之间向下倾斜。
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