JP2010529403A - 水含有物質を乾燥させるためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

空気の流れを、第１の熱交換器１にて、空気の流れと水含有物質のうちの第１の部分との間の直接接触によって加熱すること、加熱された空気の流れを、第１および第２の空気の流れへと分割すること、第２の空気の流れを加熱ユニット３にて加熱すること、水含有物質のうちの第２の部分を、乾燥ユニット５にて、加熱された第２の空気の流れと上記水含有物質のうちの第２の部分との間の直接接触によって乾燥させること、第２の空気の流れを、第２の熱交換器２０１ａにて、第１の冷却液を使用して、第１の冷却液の温度レベルまで冷却すること、冷却された第２の空気の流れと第１の空気の流れとを、混合ユニットにて混合すること、および混合された空気の流れを、第３の熱交換器２０１ｂにて第２の冷却液によって冷却することによって、水含有物質を空気の流れを使用して乾燥させるための方法および装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、糞尿などの水含有物質を乾燥させるためのシステムおよび方法に関する。

豚糞尿スラリは、集約的な養豚のかなりの水分を含む副産物であり、典型的には固形分が３〜１０％である。平均的な食用豚は、１年につき１立方メートルの糞尿スラリを生み出し、子豚を伴う平均的な雌豚は、５立方メートルである。糞尿スラリの運搬は、主として水の運搬であり、したがって高価につく。

したがって、糞尿スラリ中の水の量を少なくするための費用対効果に優れた方法について、ニーズが存在する。本発明の目的は、最小限のエネルギを使用して糞尿スラリなどの水含有物質を乾燥させるためのシステムおよび方法を提供することにある。さらに、本発明の目的は、（残余の）熱を効率的な方法で回収し、後に再利用するためのシステムおよび方法を提供することにある。

この目的のため、本発明は、空気の流れによって水含有物質を乾燥させるための請求項１に記載のとおりのシステムを提供する。

一実施形態において、本発明は、空気の流れによって水含有物質を乾燥させるための請求項２０に記載のとおりの方法を提供する。

このシステムおよびこの方法は、放出される潜熱（凝縮エネルギ）をプロセス内の他の場所で実質的に同じ温度で水含有物質からの水の気化に使用できるため、高い効率をもたらす。

本システムは、第１の湿式フィルタにおいて比較的低温の余熱が回収されて再使用される「閉じた」熱回路を提供する。余熱を費用対効果に優れた方法で回収および再使用するために、少なくとも１０℃の温度差を、乾燥ユニットから来る第２のレベルまで飽和した第２の空気の流れと、水含有物質の第１の部分との間に維持しなければならない。温度差が小さすぎる場合、回収および再使用がもはや実行できないほどに熱損失が大きくなる。このような温度差を達成するために、乾燥床から来る空気を、可能な限り高い温度レベルで飽和させなければならず、これは、加熱ユニットを使用して限られた量の空気のみを加熱することによってのみ達成することができる。これにより、第２のレベルまで飽和した加熱された空気の流れがもたらされ、結果として、第２の熱交換器において加熱された第１の冷却液がもたらされる。加熱された第１の冷却液は、必要な場合には後に第４の熱交換器において水含有物質の第１の部分を加熱するために使用することができるような温度レベルを有している。これを、後に、第１の湿式フィルタを通過する空気を直接加熱するために使用することができる。

第２の熱交換器から来る冷却された第２の空気の流れは、空気の流れの第１の部分の余熱と同様のある量の余熱を依然として含んでおり、この第１の部分は、例えば、さらに加熱されることなくバイパスを介して中和装置および第２のエアスクラバへと渡される。したがって、これら２つの空気の流れを、いかなる問題もなく混合することができる。この混合された空気の流れと第２の（最も低温の）冷却液との間の温度差は、直接接触によって空気の流れから熱を抽出し、それによって第２の冷却液を加熱するために充分である。その結果、加熱された第２の冷却液が、上述のようにさらに加熱される第１の冷却液になる。その結果、冷却液が可能な限り高い温度に達し、可能な限り多くの余熱が再使用される。

本発明を、あくまでも例として、以下の図面を参照しつつさらに詳しく後述する。図面は、本発明の技術的範囲を限定しようとするものではなく、あくまでも本発明を例示しようとするものにすぎない。

本発明による乾燥システムおよび関連のプロセスの実施形態の概要を、図式的に示している。 図１に図式的に示した乾燥システムにおける空気の流れの概要を、図式的に示している。 図１に図式的に示した乾燥システムにおける無機物の流れの概要を、図式的に示している。 図１に図式的に示した乾燥システムにおけるエネルギの流れの概要を、図式的に示している。 本発明の実施形態において使用することができる１回プレスの装置の概略の断面を示している。 下面が開かれた状態の図５ａからのプレス装置の概略の断面を示している。 本発明の実施形態において使用することができる多段プレス装置の概略の断面を示している。 本発明の実施形態において使用することができる解放装置の概略図を示している。 本発明の実施形態において使用することができる多段の空冷装置の概略の断面を示している。 中和装置および図７ａによる空冷装置としても機能する湿式フィルタの細部の概略図を示している。

以下の説明においては、本発明を、あくまでも例として、糞尿の乾燥に関して説明する。しかしながら、システムおよび方法の両方に関し、説明される実施形態を、浚渫からの廃物、処理場からの泥、あるいは発酵プラントまたは食品加工からの残渣など、他の水含有物質の乾燥にも使用できることを、理解すべきである。

図１が、本発明による乾燥システムおよび関連のプロセスの実施形態の概略図を示している。乾燥システムが、第１の湿式フィルタ１、ラジエタ３、乾燥床５、第２の湿式フィルタ７、第１のエアスクラバ９、および冷却塔１１を備えている。上述の部位のすべてが、第１の湿式フィルタ１からの空気が、線３１を介してラジエタ３へと流れることができ、ラジエタ３から線３３を介して乾燥床５へと流れることができ、乾燥床５から線３５を介して第２の湿式フィルタ７へと流れることができ、第２の湿式フィルタ７から線３７を介して第１のエアスクラバ９へと流れることができ、第１のエアスクラバ９から線３９を介して冷却塔１１へと流れることができるような方法で、互いに接続されている。上述の空気の流れの具体的な態様は、図２を参照して説明される。図１に示した乾燥システムの実施形態は、ジェネレータ１３、中和装置１５、および第２のエアスクラバ１７をさらに備えている。これらの構成要素の機能およびそれらの間の接続は、図２を参照して説明される。

図１に示した乾燥システムの実施形態は、熱交換器１９をさらに備えている。熱交換器１９は、線４１および４３を介して冷却塔１１に、線４５および４７を介して第１の湿式フィルタ１に連通している。乾燥システムにおける熱交換器１９の位置および機能は、図３および４を参照してさらに詳しく説明される。

最後に、図１に示した乾燥システムの実施形態は、分離装置２１、バッファ２３、プレス装置２５、およびスクリーン選別機２７をさらに備えている。これらの構成要素は、乾燥システムにおいて無機物の流れを処理するために使用される。乾燥システムのこれらの構成要素および他の構成要素の間の接続、ならびに種々の部位の機能は、図４を参照してさらに詳しく説明される。

図２は、図１に図式的に示したとおりの乾燥システムにおける空気の流れの概略図である。外気が、ジェネレータ１３によって線５１を介して引き込まれる。さらに、外気を、通気ファン（図示せず）によって乾燥システムのさまざまな位置において引き込むことができる。ジェネレータ１３は、線５３（図１に示されている）を介して供給される燃料を、例えば電気エネルギまたは熱の形態である有用なエネルギへと変換するために、ある量の空気を使用する。好ましくは、ジェネレータ１３は、電気エネルギに加えてある量の余熱も供給する熱電併給（ＣＨＰ）設備である。余熱を、乾燥システムの種々の場所で使用することができる。ジェネレータ１３の代わりにラジエタ３のための供給源として機能することができる他に考えられる熱源は、バイオマス、動物熱、および太陽集熱器である。

さらに、ジェネレータ１３へと供給される外気に加え、ある量の外気が、例えばベンチレータ（図示せず）によって、線５５を介して第１の湿式フィルタ１へと供給され、第１の湿式フィルタ１を通過する。第１の湿式フィルタ１において、空気の流れが、薄くて水っぽい糞尿部分（以下では、低濃度の糞尿部分と称される）に密接に接触させられる。低濃度の糞尿部分という表現のさらに詳しい説明は、図３の説明において提示される。密接な接触の結果として、空気が、低濃度の糞尿部分から水分およびアンモニアなどの揮発成分を吸収し、それらである程度まで飽和した状態になる。大気湿度に対する９５％という飽和の程度、またはそれ以上を、容易に達成することができるが、本発明がこれに限定されるわけではない。さらに、空気が、より高温である糞尿部分によって加熱され、すなわち熱交換器として機能する。

第１の湿式フィルタ１から出る空気を、線５７を介して中和装置１５へと通され、バイパスとして機能する第１の部分と、線３１を介してラジエタ３へと通され、そこから線３３を介して乾燥床５へと通される第２の部分とに分割することができる。バイパス５７の機能は、後で説明する。まず、空気の流れのうちの第２の部分に関係する空気の流れを説明する。ジェネレータ１３から由来する煙道ガスを、ジェネレータ１３と乾燥床５との間に存在する線５９を介して、空気の流れのこの第２の部分へと混ぜることもできる。空気の流れの温度が、ラジエタ３に通されることによって上昇し、煙道ガスが線５９によって追加される場合には、この追加の結果として上昇する。乾燥床５において、空気が、水分およびアンモニアなどの揮発成分を吸収し、それらである程度まで、例えば、８５％またはそれ以上の相対湿度のレベルまで飽和した状態になる。しかしながら、本発明がこれに限定されるわけではない。

空気が乾燥床５を通過する結果として、空気の温度が低下する。乾燥床５から出る空気の一部分を、線６１を介してラジエタ３へと戻して、再び熱を加えることができ、結果として再循環プロセスがもたらされる。乾燥システムを、再循環プロセスを複数回繰り返すことができるような方法で設計することができ、これは、乾燥システムの効率を向上させる。乾燥床５から出る空気のうち、線６１経由の再循環プロセスに導入されない部分は、線３５を介して第２の湿式フィルタ７に通される。第２の湿式フィルタ７において、空気の流れは、空気の流れによって運ばれている固体粒子を取り除くため、および空気の流れを水分で飽和させるために、低濃度の糞尿部分に密接に接触させられる。

その後に、空気の流れは、線３７を介して第１のエアスクラバ９へと供給される。第１のエアスクラバ９において、空気中に存在するアンモニアが、例えば２．０〜２．５の範囲のｐＨを有しており、線６３（図１に示されている）を介して供給することができる強酸性の溶液との密接な接触によって、空気の流れから取り除かれる。線６３を介して供給される酸性の溶液は、硫酸を含むことができる。最後に、空気の流れは、線３９を介して第１のエアスクラバ９から冷却塔１１へと供給される。

バイパス５７を介して第１の湿式フィルタ１から中和装置１５へと通された空気は、中和装置１５において、線９１を介して第１のエアスクラバ１から到来し、線９３を介して第２のエアスクラバ１７から到来する酸性のドレイン水に、密接に接触させられる。この目的は、依然としてドレイン水に酸が存在するならば、その酸を中和することにある。空気の流れに存在するアンモニアの一部も、中和装置１５において収集される。中和装置１５から、空気の流れは、線６５を介して第２のエアスクラバ１７へと供給される。第２のエアスクラバ１７において、空気は、残りのアンモニアを除去するために、第１のエアスクラバ１に関して説明した方法と同様の方法で、例えば２．０〜２．５の範囲のｐＨを有している強酸性の溶液に密接に接触させられる。この強酸性の溶液は、線９４を介して第２のエアスクラバ１７へと供給される。第２のエアスクラバ１７から出る空気は、飽和しており、線６７を介して冷却塔１１へと送られる。

冷却塔１１において、第１のエアスクラバ１から来る飽和した空気が、第２のエアスクラバ１７から来る飽和した空気と混合される。飽和した空気は、線１０７を介して冷却塔１１から取り除かれる。さらに、両方の空気の流れが冷却され、このプロセスにおいて、水の凝縮が形成される。冷却塔１１について考えられる実施形態は、図７ａを参照して説明される。

図３は、図１に図式的に示したとおりの乾燥システムにおける無機物の流れの概略図である。貯蔵タンク（図示せず）から例えば線７１を介して到来する生の糞尿が、分離装置２１において、比較的大量である低濃度の糞尿部分、すなわち固形分が例えば２〜３％である糞尿部分と、比較的少量の高濃度の糞尿部分、すなわち固形分が例えば１５〜３５％である糞尿部分とに分離される。分離装置２１は、選別用湾曲部、ドラム分離器、および遠心分離器から構成されるグループからの１つ以上の構成部品を含むことができる。

低濃度の糞尿部分が、線７３および７５をそれぞれ介して第１の湿式フィルタ１および第２の湿式フィルタ７へと供給される。これらの湿式フィルタ１、７において、低濃度の糞尿部分は、それぞれ外気（第１の湿式フィルタ１）および乾燥床から来る空気（第２の湿式フィルタ７）に密接に接触させられる。この接触の際に、すでに述べたように、低濃度の糞尿部分が、気化によって空気へと水分を失う。その結果、この低濃度の部分が、約１５％の最大固形分まで濃縮される。第１の湿式フィルタ１および第２の湿式フィルタ７によってそれぞれ濃縮された部分は、それぞれ線７７および７８（必要な場合には、合流して線７９となる）を介して第１の湿式フィルタ１および第２の湿式フィルタ７から出る。

次いで、このようにして濃縮された部分を、線７７、７８、７９を介して生の糞尿の貯蔵タンクへと戻すことができ、あるいは図１および図３に示されているように、線７１を介する分離装置２１への生の糞尿の供給へと加えることができる。濃縮された部分の「粘り気のある」性質ゆえに、この濃縮された部分は、新たな生の糞尿と混合されたときに、この生の糞尿に存在する固体粒子に付着する。その結果、分離装置２１によって分離することができる分離可能な高濃度部分がもたらされる。乾燥システムの一実施形態においては、濃縮された部分が、分離装置２１には送られず、線８１を介して分離装置２１から出る高濃度の部分へと直接加えられる（図示はされていない）。しかしながら、この場合には、高濃度の部分の固形分が、意図されるさらなる処理（さらに詳しくは、後述）にとって低すぎる可能性がある。

分離装置２１における分離に続き、高濃度の糞尿部分は、線８１を介してバッファ２３へと通される。バッファ２３において、高濃度の糞尿部分が、線８５を介してスクリーン選別機２７から供給される微細粒子などの微細な糞尿物質と混合され、混合済みの高濃度の糞尿部分がもたらされる。この混合済みの高濃度の糞尿部分が、バッファ２３から線８３を介してプレス装置２５へと送られる。そのようなプレス装置２５について考えられる実施形態は、図５ａ〜５ｃを参照して説明される。

プレス装置２５によって、例えばプレス後の湿った糞尿繊維または棒状の糞尿要素の形態である糞尿要素（「湿潤顆粒」とも称される）を、乾燥床５に積もらせることができる。これは、プレス装置２５と乾燥床５との間の線８７（図３に示されている）によって実行される。乾燥床５において、積もった糞尿要素が、乾燥のための糞尿パッケージを形成する。糞尿パケットの糞尿要素は、少なくとも８５％の固形分まで乾燥させられると、乾燥床５から分離される。これは、好ましくは、図６に関して図示および説明される解放装置によって実行される。解放後の乾いた糞尿要素は、搬送ダクト（図示せず）に行き着き、そこから搬送手段によって線８９を介してスクリーン選別機２７に渡され、その後に貯蔵施設（図示せず）へと渡される。搬送手段は、半開放または閉鎖された管に位置することができるねじジャッキを備えることができる。スクリーン選別機２７は、粗い糞尿物質および微細な糞尿物質を互いに分離するように設計される。スクリーン選別機２７は、微細な物質（例えば、微細な粒子）を分離するための細かい金網を備えている管の形態であってもよい。図３は、スクリーン選別機２７において分離された微細粒子などの微細な物質を、どのようにして線８５を介してバッファ２３に戻し、バッファ２３において分離装置２１から来る高濃度の部分と混合することができるのかを示している。顆粒状の糞尿は、線９７を介してスクリーン選別機２７から排出される。

低濃度の糞尿部分の無機物含有の部分流れ、および高濃度の糞尿部分の無機物含有の部分流れ（どちらも上述した）に加えて、第３の無機物含有の部分流れも、本発明による乾燥システムの実施形態に存在する。この第３の無機物含有の部分流れは、図２を参照して説明した方法で第１のエアスクラバ１および第２のエアスクラバ７によって空気から取り除かれるアンモニアによって形成される。第１のエアスクラバ１および／または第２のエアスクラバについて考えられる実施形態は、図７ｂを参照して詳しく説明される。

図３に示されているように、いわゆるスクラブ処理が、２つのエアスクラバ、すなわち第１のエアスクラバ９および第２のエアスクラバ１７において行われる。形成されるアンモニウム塩の可溶性に実質的に相当する特定の量のアンモニアがエアスクラバ９またはエアスクラバ１７において強酸性の溶液に溶解するや否や、このエアスクラバへの酸性溶液の供給が中止される。次いで、第１のエアスクラバ９および第２のエアスクラバ１７から由来する酸性のドレイン水が、線９１および線９３をそれぞれ介して中和装置１５へと供給される。アンモニアが取り込まれる結果として、強酸性の溶液が中和され、その結果、上記溶液が、比較的短時間で８．５〜９．０というｐＨに達する。図３には示されていない乾燥システムの一実施形態においては、第２の中和装置が、第２の湿式フィルタ７と第１のエアスクラバ９との間に追加で設けられる。

中和装置１５などの別途の中和装置における中和の利点は、第１のエアスクラバ９および／または第２のエアスクラバ１７そのものにおいて、中和を行なう必要がないことにある。これは、第１のエアスクラバ９および第２のエアスクラバ１７の両者を常に低いｐＨに保ち、空気からのアンモニアの９５〜９８％の除去という比較的高い一定の効率を達成可能にする。中和装置１５から到来する水分の多い中和済みの溶液を、排出しても、生の糞尿の貯蔵施設へと戻しても、あるいは図３に示されているように、線７９を介して分離装置２１へと供給される濃縮された糞尿部分の糞尿の流れに、線９５を介して加えてもよい。これは、酸がいかなる腐食も引き起こすことがないという利点を有している。

上述の無機物含有の部分流れの最終結果は、１つの出発製品、すなわち線７１を介して分離装置２１へと供給される生の糞尿と、１つの最終製品、すなわち線９７を介してスクリーン選別機２７から排出される乾燥した糞尿要素または「顆粒の糞尿」の存在である。図３において、生の糞尿が、線７１を介して供給され、顆粒状の糞尿が、線９７を介して排出される。

図４は、図１に図式的に示したとおりの乾燥システムにおけるエネルギの流れの概略図である。ジェネレータ１３が、乾燥プロセスのための熱の供給として機能する。好ましくは、ジェネレータ１３が、線５３を介して供給することができる燃料の燃焼によって、比較的一定の量の余熱を電気に加えて生成するＣＨＰ設備である。上述の燃焼によって、高温の煙道ガスが放出される。さらに、ジェネレータ１３は、水によって冷却される。ジェネレータ１３において熱を吸収した冷却水を、線１０１を介してラジエタ３へと供給することができる。ラジエタ３において、上記冷却水が、自身の吸収した熱を、第１の湿式フィルタ１から線３１を介して到来する比較的低温かつ飽和した空気の流れへと与える。これにより、空気の流れが加熱され、水が冷却される。冷却された水を、再び冷却水として使用するために、線１０３を介してラジエタ３からジェネレータ１３へと戻すことができる。ラジエタ３からの加熱された空気を、線５９を介して乾燥床５へと直接渡される高温の煙道ガスの一部に混ぜることができる。しかしながら、煙道ガスは常にラジエタ３よりも高温であるため、煙道ガスのすべてを、乾燥床５への進入に先立ってラジエタ３からの加熱された空気に混合し、その後に混合後の空気を線３３を介して乾燥床に通すことが好ましい。ジェネレータ１３として機能することができる他に考えられる熱源は、バイオマス、動物熱、および太陽集熱器などといった持続可能な熱源である。

図２を参照して上述したように、線６１（すなわち、再循環回路）を介して乾燥床５から現れる空気の一部分が、ラジエタ３へと戻される。ラジエタ３において、この空気を再び加熱し、高温の煙道ガスを再び注入し、次いで乾燥床５に再び通すことができる。この方法で、空気の流れが飽和した状態において再循環回路がない場合に可能な温度よりも高い温度に達するため、乾燥プロセスの効率を大きく高めることができる。再循環回路を使用し、１０００ｋＷの熱出力で１時間当たり約１０００リットルの水を気化させることが可能であることが明らかになっている。

さらに、乾燥床５から到来し、第２の湿式フィルタ７および第１のエアスクラバ９によって飽和させられた高温の空気から熱を抽出し、その後に抽出した熱を熱交換器１９へと戻すことによって、乾燥プロセスの効率を大きく高めることが可能である。高温かつ飽和した空気の流れから熱を抽出する効果的な方法は、冷却塔１１を使用することである。そのような冷却塔１１について考えられる実施形態が、図７ａを参照して説明される。

上で述べたように、凝縮の水を含む冷却塔１１において加熱された水を、線４１を介して熱交換器１９へと供給することができる。熱交換器１９は、図２および３に関して説明したとおり、低濃度の糞尿部分が、やはり第１の湿式フィルタ１へと供給された外気を加熱するために、線４５を介した再循環プロセスにおいて第１の湿式フィルタ１へと供給される前に加熱されるチューブ熱交換器またはプレート熱交換器であってもよい。熱伝達および気化による冷却に続いて、第１の湿式フィルタ１からの低濃度の糞尿部分を、線４７を介して熱交換器１９へと再び戻すことが可能である。低濃度の糞尿部分を熱交換器１９で加熱し、この加熱された糞尿部分に外気を直接接触させることで、熱がきわめて効果的な方法で伝達される。

熱交換器１９において、冷却塔１１から来る冷却水と凝縮水の混合物が冷却される。この冷却された凝縮水を、線４３および、その後に１０５を介して熱交換器１９から引き出すことができ、その結果として、凝縮水による熱損失が最小限に減らされる。冷却された凝縮水の一部を、線４３を介して冷却塔１１へと排出してもよい。

以下で、図１〜４を参照して説明したとおりの乾燥システムのいくつかの部分について、考えられる実施形態をさらに詳しく説明する。

図５ａは、プレス装置２５の実施形態の概略の断面図を示している。図５ｂは、下面が開放された図５ａからのプレス装置２５の概略の断面図を示している。プレス装置２５は、皿１５３が設けられた貯蔵容器１５１を備えている１回プレスの装置であり、皿１５３を下面において再び閉じることが可能である。この形式の再閉鎖可能な皿１５３を使用することは、必須ではないが、実務においてきわめて有用であることがわかっている。皿は、図５ａ〜５ｃに示されるように、細長くて半円形であってもよい。皿１５３の下面に、全長にわたって好ましくは規則的な間隔で開口１５５が設けられている。細長い歯車１５７が、半円形の皿内に設けられている。歯車１５７は、回転軸を中心にして第１の回転方向（例えば、反時計方向）および第２の回転方向（例えば、時計方向）の両方に自由に回転できるように設計されている。「自由に回転」という表現は、回転の際に皿１５３に触れることがないことを意味する。歯車１５７の回転軸を、電気モータなどの駆動手段によって、当業者にとって周知の方法で駆動することができる。歯車１５７を、例えば最初に反時計方向、次に時計方向など、第１の回転方向および第２の回転方向に交互に回転させることによって、高濃度の糞尿部分を開口１５５を通って押し出すことができる。さらに、このことは、高濃度の糞尿部分に存在する毛などが、歯車１５７の回転方向に整列し、開口１５５を詰まらせる結果を引き起こすことを防止する。それでもなお、歯車１５７が、例えば石などの比較的大きくて硬い物体によって塞がれる場合には、そのような物体を、再閉鎖可能な皿１５３を開くことによって容易に取り除くことができる。図５ａおよび５ｂに示した実施形態においては、保持ナット１５９のおかげで、皿を再び閉じることが可能である。例えば、石を取り除こうとする場合、再閉鎖可能な皿１５３を、図５ｂに示されているように、保持ナット１５９を緩めることによって簡単な方法で開くことができる。石を取り除いた後、再閉鎖可能な皿を、保持ナット１５９を再び締めることによって再び閉じることができる。図示の保持ナット１５９によるボルト／ナットの組み合わせに加えて、当業者であれば気付くであろう皿１５３を再閉鎖可能にする多数の他の方法が存在することを、理解すべきである。

図５ｃが、プレス装置２５の別の実施形態の概略の断面図を示している。プレス装置２５のこの実施形態は、複数プレスの装置に関する。このような複数プレスの装置は、例えば＞３０％など、比較的固形分の多い高濃度の糞尿部分に特に適している。図５ｃに示した複数プレスの装置は、貯蔵容器１５１の下面を閉じる開口１５５を伴う皿１５３内の歯車１５７の上方に、これに平行に延びる２つの細長い歯車１６１、１６３が設けられている。２つの歯車１６１、１６３は、それぞれの回転軸を中心にして反対の回転方向に回転するように設計されている。２つの歯車１６１、１６３を同時に回転させる結果として、プレス装置２５の底部における圧力が高められる。この高い圧力により、再閉鎖可能な皿１５３内の歯車１５７が、高濃度の糞尿部分を、たとえ比較的固形分が多くても、開口１５５を通って押し出すことができる。

図５ａ〜５ｃに示したとおりのプレス装置の一実施形態においては、再閉鎖可能な皿１５３の開口１５５が、環状の開口である。図５ｃに示したとおりのプレス装置２５の実施形態においては、貯蔵容器１５１が、真っ直ぐに延びる壁を有している。当然ながら、そのようなプレス装置が、ちょうど図５ａおよび５ｂに示したプレス装置２５の実施形態のような先細りの壁を有してもよく、その反対も可能である。

種々の実施形態において、プレス装置２５は、車輪が設けられたフレーム（図示せず）に配置される。この車輪付きのフレームによって、プレス装置２５を、乾燥床５を横切って前後に移動させることができる。その結果、プレス済みの湿った糞尿繊維および棒状の糞尿要素を、乾燥床の全体に一様に分布させることができる。一実施形態においては、プレス装置２５が、プレス装置２５が適時にバッファ２３によって満たされるように保証する制御モジュールへと接続される。

図６は、本発明による乾燥プロセスの実施形態において使用することができる解放装置１８１の概略図を示している。上述したように、その目的は、糞尿要素を、乾燥床において少なくとも８５％の固形分まで乾燥したならばすぐに、乾燥床５から取り外すことにある。これは、図６に示したとおりの解放装置１８１によって実行可能である。解放装置１８１を、例えばプレス装置２５の車輪付きのフレームなど、プレス装置２５（図示せず）へと取り付けることができる。解放装置１８１は、ファン状の部材１８５が設けられた１つ以上の回転ロッド１８３を備えている。１つ以上の回転ロッド１８３を、例えば電動モータ１８７によって個別または一緒に駆動することができる。

乾燥床５は、直立した縁と開口が設けられた底板１９１とを有する収集トレイ１８９を備えている。開口により、糞尿要素が、重力によって乾燥床から出ることができる。さらに、開口は、空気の自由な通過を可能にしている。好ましくは、収集トレイ１８９は、好ましくは収集トレイ１８９の直立縁のうちの１つ以上に載せられたプレス装置２５を、好ましくは案内縁が設けられた車輪によって、直立縁上で移動させることができるような方法で設計される。車輪に案内縁が設けられる場合、プレス装置２５を、収集トレイ１８９の直立縁に沿って平行な方式でのみ移動させることが可能である。

解放装置１８１の１つ以上の回転ロッド１８３を、プレス装置２５のフレームから乾燥床５へと下降させることができる。好ましくは、１つ以上のロッド１８３は、下降の際に回転する。ファン状の部材１８５が、糞尿が少なくとも８５％の固形分まで乾燥させられた乾燥床５上の糞尿パケット内の高さ（通常は、乾燥床５の底板に近い）に位置する場合、フレームが上述のとおりの可動フレームであれば、回転しているロッド１８３を乾燥床５の全長にわたって移動させることができる。この方法で乾燥床５を乱すことによって、圧密された乾いた糞尿要素が互いに緩められ、これらの緩められた乾燥糞尿要素が、乾燥床５の底板の穴を通って移動し、乾燥床５の下方に位置する搬送ダクト（図示せず）へと落下し、そこからスクリーン選別機２７を介して搬送手段によって貯蔵施設（図示せず）へと運ばれる。

さらに、糞尿パケットが残存し、すなわち乾いた糞尿要素が、乾燥床の底部で実質的に動かず、湿った糞尿要素は、実質的に乾燥床の上部に位置する。

図７ａは、多段の空冷装置、すなわち冷却塔１１の実施形態の概略の断面を示している。図７ｂは、図７ａからの空冷装置の細部の概略図を示している。一実施形態においては、第１のエアスクラバ９および第２のエアスクラバ１７の少なくとも一方が、この冷却塔に組み込まれている。冷却塔１１に使用される同じ技術的原理を、第１の湿式フィルタ１、第２の湿式フィルタ７、エアスクラバ９、１７、および中和装置１５においても使用することが可能である。

図７ａに示されている冷却塔１１は、パッキン材料からなる第１および第２の層２０１ａ、２０１ｂを備えている。冷却媒体（ここで説明される実施形態では、比較的低温の水である）が、パッキン材料の第２の層２０１ｂの上方に位置するパイプ２０３を介して供給される。パイプに、図７ｂに示されるとおりに噴霧穴を設けることができ、噴霧穴によって、水をパッキン材料の第２の層２０１ｂへと分配することができ、液体の膜として、重力によってパッキン材料の第２の層２０１ｂを通って流すことができる。パッキン材料の第２の層２０１ｂの底部において、水は、重力によってパッキン材料の第１の層２０１ａへと滴り落ち、やはり液体の膜としてパッキン材料の第１の層２０１ａを通って流れる。次いで、水は、パッキン材料の第１の層２０１ａの底部において、収集トレイ２０５へと滴り落ちる。パッキン材料の第１および第２の層２０１ａ、２０１ｂの下方に、異なる温度の空気の流れのための別個の導入口２０７、２０９が設けられている。

この冷却塔１１は、たいていの場合、プロセスからの比較的高温の冷却水を冷却するために、外気を使用することがなく、冷却の一部が気化によって達成される。対照的に、本発明による乾燥システムの実施形態において使用される冷却塔１１は、比較的高温かつ飽和した空気の流れから顕熱および潜熱を抽出するために、比較的低温の水を使用する。この場合、比較的低温の水が、比較的高温の凝縮水で加熱され、比較的高温の凝縮水に混合される。

原理的には他の構成においても使用することができる図７ａからの冷却塔１１が、図１〜４に関して説明した乾燥システムにおいて使用される場合、乾燥床５から第２の湿式フィルタ７を介して到来する空気（図２において線３９によって示されている）が、パッキン材料の第１の層２０１ａの下方の導入口２０７（以下では、第１の導入口２０７と称する）へと供給される。バイパス５７から到来する空気が、中和装置１５および第２のエアスクラバ１７を介して、パッキン材料の第２の層２０１ｂの下方の導入口２０９（以下では、第２の導入口２０９と称する）へと供給される（図２において線６７によって示されている）。第２の導入口２０９へと供給される空気は、比較的低温であり、さらには飽和している。第１の導入口２０７へと供給される空気は、比較的高温であり、やはり飽和している。

水が上述の方法で冷却塔１１に供給され、パッキン材料の２つの層２０１ａ、２０１ｂを通過する場合、パイプ２０３を介して供給される比較的低温の水が、２つの段階で、第１の導入口２０７へと供給される比較的高温の空気の流れの温度にきわめて近付く温度まで加熱される。パッキン材料の第１の層２０１ａが、第２の湿式フィルタ７から来る空気が冷却される熱交換器として機能する。両方の空気の流れが、第１および第２のパッキン材料２０１ａ、２０１ｂの間の空間において互いに混合される。次いで、混合された空気が、パッキン材料の第２の層２０１ｂにおいて冷却され、したがって、パッキン材料の第２の層も熱交換器として機能する。このようにして、きわめて効率的な熱伝達が可能であり、１０００ｋＷの熱出力によって一時間当たり５０００〜６０００リットルの水を気化させることが可能である。

パッキン材料は、好ましくは、比較的大きな内部表面積を有している。適切なパッキン材料は、例えば２Ｈ Ｎｅｔ １５０であってもよい。そのようなパッキン材料は、空気と反対向きに流れ、あるいは空気と交差するように流れる液体の膜を、パッキン材料の全体に分布させる。

図７ａおよび７ｂに示した装置を、エアスクラバ、例えば、第１のエアスクラバ９および／または第２のエアスクラバ１７としても機能するような方法で設計することができる。この場合、１つ以上の噴霧ヘッドを備える１つ以上のパイプ２０３によって分配される液体が、酸性溶液（例えば、硫酸溶液）などのスクラブ液である。この液体は、特に上述のような適切なパッキン材料が使用される場合、空気からアンモニアを除去し、溶存硫酸アンモニウムを形成する。ここで説明されるエアスクラバは、硫酸アンモニウムの溶解度に達するまで空気からアンモニアを除去でき、その後に酸性のスクラブ溶液である液体を排出しなければならない。

冷却塔１１へと供給される飽和した空気は、少量のアンモニアを依然として含んでもよい。必要な場合には、上記アンモニアを、２段階の生物学的フィルタ（硝化／脱窒）または活性炭フィルタを使用して取り除くことができる。冷却塔１１から得ることができる凝縮水は、酢酸、プロピオン酸、酪酸、バレリアン酸、およびイソバレリアン酸、などといった少量の揮発性脂肪酸を含むことができ、これらを生物学的な浄化、活性炭による浄化、またはＲＯなどの分離技法によって取り除くことができる。苛性ソーダまたは他のアルカリを、揮発性脂肪酸の除去のためのアルカリスクラバにおいて、液体／空気接触剤の液体として使用することができる。

種々の熱交換器、すなわち第１の湿式フィルタ１、第２の湿式フィルタ７、パッキン材料の第１の層２０１ａ、パッキン材料の第２の層２０１ｂ、および熱交換器１９を、上記において説明した。本明細書に記載した熱交換器とは別の種類の熱交換器を、使用することが可能である。しかしながら、第１の湿式フィルタ１、第２の湿式フィルタ７、パッキン材料の第１の層２０１ａ、およびパッキン材料の第２の層２０１ｂの位置においては、水含有物質または水（冷却液）のそれぞれと空気との間の直接接触を可能にする開放熱交換器が好ましく使用される一方で、熱交換器１９は、冷却液と水含有物質との間に物理的な分離が存在する閉鎖型である。

好ましくは、図７ａに示されているように、パッキン材料の第１の層２０１ａおよびパッキン材料の第２の層２０１ｂが一体化され、すべての水（または、他の冷却液）が、一体化された第１および第２の空気の流れによって加熱され、次いで第１の空気の流れによってさらに加熱される。

すべての熱交換器は、好ましくは、いわゆる対向流の原理に従って運転され、すなわち熱交換器を通過する比較的高温の流れと比較的低温の流れとが、反対の方向である。

このシステムは、放出される潜熱（凝縮エネルギ）がプロセス内の他の場所で実質的に同じ温度で気化のために使用されるという事実ゆえに、高い効率を達成する。気化と凝縮との間の温度差を、例えば熱交換器を完全に対向流で運転することによって、さらには水含有物質の一部および凝縮水をエネルギの搬送媒体として使用することによって、小さくすることができる。

以上の説明は、本発明について考えられるいくつかの実施形態を説明したにすぎない。本発明の多数の他の実施形態を考え出すことができ、それらがすべて本発明の技術的範囲に包含されることを、容易に理解できるであろう。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲およびその技術的な均等物によってのみ決定される。

Claims (21)

1. 水含有物質を空気の流れによって乾燥させるためのシステムであって、
   前記空気の流れと前記水含有物質のうちの第１の部分との間の直接接触によって、前記空気の流れを加熱し、第１のレベルまで飽和した加熱された空気の流れをもたらす第１の熱交換器（１）と、
   第１のレベルまで飽和した前記加熱された空気の流れを、第１の空気の流れおよび第２の空気の流れへと分割するためのユニットと、
   前記第２の空気の流れを加熱し、加熱された第２の空気の流れをもたらす加熱ユニット（３）と、
   前記水含有物質のうちの第２の部分を、前記加熱された第２の空気の流れと前記水含有物質のうちの前記第２の部分との間の直接接触によって乾燥させ、第２のレベルまで飽和した加熱された第２の空気の流れと、乾燥製品とをもたらす乾燥ユニット（５）と、
   第２のレベルまで飽和した前記加熱された第２の空気の流れを、第１の冷却液を使用して冷却し、基本的に前記第１の冷却液の温度レベルまで冷却され、第２のレベルまで飽和した第２の空気の流れと、加熱された第１の冷却液とをもたらす第２の熱交換器（２０１ａ）と、
   前記第１の冷却液の温度レベルまで冷却され、前記第２のレベルまで飽和した前記第２の空気の流れと、前記第１の空気の流れとを混合し、混合された空気の流れをもたらす混合ユニットと、
   前記混合された空気の流れを、第２の冷却液によって冷却し、第３のレベルまで飽和した冷却済みの混合された空気の流れと、加熱された第２の冷却液とをもたらす第３の熱交換器（２０１ｂ）と
   を備えるシステム。
2. 前記第１の冷却液が、前記加熱された第２の冷却液の少なくとも一部を備えることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１のレベル、前記第２のレベル、および前記第３のレベルが、完全な飽和のレベルに実質的に同一であることを特徴とする、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記加熱された第１の冷却液を受け取り、前記水含有物質のうちの前記第１の部分を前記第１の熱交換器（１）に通される前に加熱する第４の熱交換器（１９）を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記第４の熱交換器（１９）が、閉鎖型であることを特徴とする、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第１の熱交換器（１）、前記第２の熱交換器（２０１ａ）、および第３の熱交換器（２０１ｂ）が、開放型であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記第２の熱交換器（２０１ａ）および第３の熱交換器（２０１ｂ）が、冷却塔に組み込まれ、
   前記第２の熱交換器が、パッキン材料の第１の層（２０１ａ）を備え、
   前記第３の熱交換器が、動作時に前記パッキン材料の第１の層（２０１ａ）の上方に配置されるパッキン材料の第２の層（２０１ｂ）を備え、
   前記混合ユニットが、前記パッキン材料の第１の層（２１０ａ）と第２の層（２１０ｂ）との間の空間を備え、
   前記冷却塔が、前記冷却液を前記パッキン材料の第２の層の上面へと供給するための１つ以上のパイプ（２０３）を備え、
   前記冷却塔が、第２のレベルまで飽和した前記加熱された第２の空気の流れを受け入れるための前記第２の熱交換器（２０１ａ）の下方の第１の開口と、前記第１の空気の流れを前記混合ユニットに受け入れるための第２の開口とを有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
8. すべての熱交換器が、対向流形式であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記加熱ユニット（３）が、煙道ガスを生成するジェネレータ（１３）へと接続され、前記乾燥ユニット（５）が、前記煙道ガスの少なくとも一部分を受け取るように設計されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 再循環ユニットが、前記乾燥床を通過した空気の少なくとも一部分を前記加熱ユニット（３）へと戻すために、前記乾燥ユニット（５）と前記加熱ユニット（３）との間に配置されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記水含有物質を受け取って、前記水含有物質のうちの前記第１の部分を前記水含有物質のうちの前記第２の部分から分離するように設計された分離装置（２１）を備え、前記第２の部分が、固形の物質を前記第１の部分よりも高い濃度で有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記乾燥ユニット（５）と前記第２の熱交換器（２０１ａ）との間に湿式フィルタ（７）
    を備えることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 前記湿式フィルタ（７）と前記第２の熱交換器（２０１ａ）との間に第１のエアスクラバ（９）を備えることを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第１の熱交換器（１）と前記第３の熱交換器（２０１ｂ）との間に第２のエアスクラバ（１７）を備えることを特徴とする、請求項１３に記載のシステム。
15. 動作時に、前記湿式フィルタ（７）から来る空気および前記第１の空気の流れに存在する塩基を中和するために、前記第１のエアスクラバ（９）および前記第２のエアスクラバ（１７）へと酸を供給するように設計されていることを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記第１のエアスクラバ（９）および第２のエアスクラバ（１７）からの酸性のドレイン水を中和するための中和装置（１５）を備えることを特徴とする、請求項１４または１５に記載のシステム。
17. 空気の流れおよび凝縮水のうちの少なくとも１つから１つ以上の脂肪酸を除去するように設計されたフィルタ装置をさらに備える、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のシステム。
18. 前記フィルタ装置が、生物学的フィルタ、活性炭フィルタ、および逆浸透フィルタから構成されるグループからの少なくとも１つのフィルタを含んでいる、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記水含有物質が、糞尿である、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のシステム。
20. 水含有物質を空気の流れによって乾燥させるための方法であって、
    前記空気の流れを、第１の熱交換器（１）において、前記空気の流れと前記水含有物質のうちの第１の部分との間の直接接触によって加熱し、第１のレベルまで飽和した加熱された空気の流れをもたらすステップと、
    第１のレベルまで飽和した前記加熱された空気の流れを、第１の空気の流れおよび第２の空気の流れへと分割するステップと、
    前記第２の空気の流れを加熱ユニット（３）において加熱し、加熱された第２の空気の流れをもたらすステップと、
    前記水含有物質のうちの第２の部分を、乾燥ユニット（５）において、前記加熱された第２の空気の流れと前記水含有物質のうちの前記第２の部分との間の直接接触によって乾燥させ、第２のレベルまで飽和した加熱された第２の空気の流れと、乾燥製品とをもたらすステップと、
    第２のレベルまで飽和した前記加熱された第２の空気の流れを、第２の熱交換器（２０１ａ）において、第１の冷却液を使用して冷却し、基本的に前記第１の冷却液の温度レベルまで冷却され、第２のレベルまで飽和した第２の空気の流れと、加熱された第１の冷却液とをもたらすステップと、
    前記第１の冷却液の温度レベルまで冷却され、前記第２のレベルまで飽和した前記第２の空気の流れと、前記第１の空気の流れとを混合し、混合された空気の流れをもたらすステップと、
    前記混合された空気の流れを、第３の熱交換器（２０１ｂ）において第２の冷却液によって冷却し、第３のレベルまで飽和した冷却済みの混合された空気の流れと、加熱された第２の冷却液とをもたらすステップと
    を備える方法。
21. 第４の熱交換器（１９）が、前記加熱された第１の冷却液を受け取り、前記水含有物質のうちの前記第１の部分を前記第１の熱交換器（１）に通される前に加熱することを特徴とする、請求項２０に記載の方法。

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