TWI669162B - 多功能之排泄物與垃圾處理器及其關聯方法 - Google Patents

多功能之排泄物與垃圾處理器及其關聯方法 Download PDF

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Abstract

此技術之至少一個態樣提供一種自給式處理設施，該設施經配置以將有機、較高水含量廢棄物(諸如排泄物淤渣及垃圾)轉化成電力，同時亦產生並收集飲用水。

Description

多功能之排泄物與垃圾處理器及其關聯方法
本技術針對多功能之排泄物及垃圾處理系統、設備及關聯方法。
世界上許多地區利用開放衛生系統來處置人廢棄物及其他垃圾，而其他地區利用不令人滿意的腐敗系統或其他系統將未淨化污水排放至排水明溝或地表水。此等不良衛生條件在此等地區造成顯著健康問題。具有不充足衛生系統之許多此等地區還需要解決保持飲用水清潔的問題，從而進一步增加潛在健康問題。此等地區通常具有可用於產生電力的有限資源，或產生電力之成本極其昂貴。因此，需要保持廢棄物不進入環境的足夠衛生系統，以便提供並保持能夠獲取清潔飲用水，並且產生廉價電力。
本技術提供以克服先前技術所經歷之缺點並且提供額外益處之方式來處理廢棄物，同時產生電力及飲用水的多功能系統。此技術之至少一個態樣提供一種自給式處理設施，該設施經配置以將有機、較高水含量廢棄物，諸如排泄物淤渣及垃圾轉化成電力，同時亦產生並收集飲用水。
10‧‧‧系統
12‧‧‧淤渣
14‧‧‧淤渣乾燥器總成
16‧‧‧水處理系統
18‧‧‧燃燒器
20‧‧‧鍋爐
21‧‧‧一次水迴路
22‧‧‧動力裝置
24‧‧‧凝結器
25‧‧‧發電機
26‧‧‧蒸汽機
28‧‧‧發電機
30‧‧‧淤渣容納及輸送系統
32‧‧‧容納槽
34‧‧‧淤渣饋入總成
36‧‧‧出口
38‧‧‧運送機
40‧‧‧入口
42‧‧‧殼體
44‧‧‧淤渣載體
46‧‧‧中空螺運器
47‧‧‧驅動電機
48‧‧‧蒸汽入口
50‧‧‧傳遞外殼
52‧‧‧淤渣轉移螺運器
54‧‧‧乾燥燃料出口
56‧‧‧料斗
62‧‧‧一次水管線
64‧‧‧加強肋
66‧‧‧蒸氣出口
70‧‧‧淤渣乾燥器總成
72‧‧‧凹槽
74‧‧‧螺運器
76‧‧‧凹槽主體
78‧‧‧彎曲蒸汽管
80‧‧‧歧管
82‧‧‧返回歧管
84‧‧‧中心軸
86‧‧‧彎曲蒸汽管
90‧‧‧螺運器
92‧‧‧驅動電機
94‧‧‧中心軸
96‧‧‧指狀管
98‧‧‧支援腹板
100‧‧‧蒸汽過濾系統
104‧‧‧凝結器
108‧‧‧儲存槽
110‧‧‧加熱盤管
112‧‧‧乾燥燃料運送機
114‧‧‧乾燥燃料供給螺運器總成
115‧‧‧潮濕燃料饋出螺運器
116‧‧‧流化床
118‧‧‧輔助乾燥燃料料斗
120‧‧‧饋入螺運器
122‧‧‧燃燒室
126‧‧‧排灰倉
128‧‧‧排放螺運器
130‧‧‧配風柵
138‧‧‧列管燃燒器總成
140‧‧‧配風管
142‧‧‧進氣口
144‧‧‧歧管
146‧‧‧泡罩空氣噴嘴
148‧‧‧助燃風機
150‧‧‧加熱器
158‧‧‧排氣路徑
160‧‧‧一次水路徑
162‧‧‧蒸發器
164‧‧‧一級過熱器
166‧‧‧二級過熱器
168‧‧‧一級節熱器
170‧‧‧二級節熱器
172‧‧‧節熱器外殼
174‧‧‧排氣出口
176‧‧‧多級旋風分離器總成
178‧‧‧排氣豎道
180‧‧‧風機
182‧‧‧灰分收集區域
184‧‧‧灰分螺運器
190‧‧‧散熱器
192‧‧‧水調節器
194‧‧‧給水槽
196‧‧‧給水泵
198‧‧‧水入口
199‧‧‧蒸汽鼓筒
200‧‧‧第一級乾燥器總成
202‧‧‧外部管
204‧‧‧刮鏟圓盤
205‧‧‧連接桿
206‧‧‧孔
208‧‧‧蒸汽管
209‧‧‧軸承
210‧‧‧歧管部分
210a‧‧‧入口歧管
210b‧‧‧出口歧管
211‧‧‧淤渣入口
212‧‧‧傳動軸
213‧‧‧致動器
214‧‧‧螺運器總成
215‧‧‧淤渣出口
216‧‧‧回收端口
218‧‧‧淤渣蒸氣出口導管
220‧‧‧第二級乾燥器總成
222‧‧‧鍋爐總成
224‧‧‧過熱器
226‧‧‧節熱器
228‧‧‧蒸發器
232‧‧‧水冷壁
240‧‧‧鍋爐
241‧‧‧外殼
242‧‧‧框架結構
244‧‧‧導軌或滑塊
300‧‧‧頭總成
301‧‧‧頭部
302‧‧‧蒸汽入口
304‧‧‧閥系
306‧‧‧提動閥
306a‧‧‧進氣閥
306b‧‧‧排氣閥
308‧‧‧搖臂
308a‧‧‧搖臂
310‧‧‧凸輪軸
312‧‧‧凸輪
312a‧‧‧進氣凸輪
314‧‧‧葉片
316‧‧‧過渡區域
318‧‧‧凸輪隨動件
319‧‧‧閥頭
320‧‧‧軸承
321‧‧‧閥座
322‧‧‧樞銷
324‧‧‧套圈
326‧‧‧軸桿
328‧‧‧彈簧
本技術之許多態樣可參照以下附圖來更好地瞭解。在附圖中之組件不一定按比例繪製。替代地，重點在於清楚地說明本技術之原則。為了便於參考，在整個本揭示案中，相同參考數字可用於識別相同或至少總體上相似或類似組件或特徵。
圖1係根據本技術之實施例之多功能廢棄物處理系統之組件之示意性流程圖說明。
圖2係圖1之多功能廢棄物處理系統之立體圖。
圖3係根據此技術之態樣之淤渣容納及輸送系統之立體圖。
圖4係淤渣容納及輸送系統之實施例之饋入總成之立體圖。
圖5係展示為自圖2之總成移除之淤渣乾燥器總成之立體圖。
圖6係連接至圖4之饋入總成之運送機總成的淤渣乾燥器總成之末端部分之放大部分立體圖。
圖7係在圖5之淤渣乾燥器總成中處理期間淤渣流之示意性立體圖。
圖8係淤渣乾燥器總成之部分立體圖，該總成具有在含有淤渣流之蒸汽加熱凹槽中可旋轉定位的蒸汽加熱螺運器。
圖9係展示為與圖8之螺運器分離的凹槽之放大立體圖。
圖10係展示為與圖8之凹槽分離的螺運器之放大立體圖。
圖11係另一個實施例之淤渣乾燥器總成之部分立體圖，該總成具有在含有淤渣流之蒸汽加熱凹槽中可旋轉定位的蒸汽加熱螺運器構件。
圖12係展示為與圖11之凹槽分離的蒸汽加熱螺運器之放大立體圖。
圖13A及13B係根據本技術之實施例之高壓、第一級淤渣乾燥器總成之立體圖。
圖14係根據本技術之實施例之二級淤渣乾燥器系統之示意性流程圖。
圖15係圖1之廢棄物處理系統之飲用水處理系統之示意性流程圖。
圖16係圖1之廢棄物處理系統的另一個實施例之飲用水處理系統之示意性流程圖。
圖17係連接至圖5之淤渣乾燥器總成之乾燥燃料倉總成之立體圖。
圖18係展示為自淤渣乾燥器總成移除之圖17乾燥燃料倉總成之放大、部分透明立體圖。
圖19係連接至圖1系統中之流化床燃燒器的圖18乾燥燃料倉總成之示意性側面正視圖。
圖20係圖19流化床燃燒器之燃燒室及排放倉之部分剖視立體圖。
圖21係展示為自圖20燃燒室移除之燃燒空氣壓縮機及列管燃燒器總成之放大立體圖。
圖22係展示為自圖20燃燒室移除之配風柵之放大立體圖。
圖23係圖1乾燥燃料燃燒器及鍋爐系統之放大、部分剖視、立體圖，其展示經由鍋爐之加熱排氣路徑。
圖24係展示為自圖23乾燥燃料燃燒器移除之節熱器外殼及多級旋風分離器總成之放大部分立體圖。
圖25係展示為自圖23乾燥燃料燃燒器總成移除之節熱器外殼及灰分螺運器之放大部分立體圖。
圖26係圖23乾燥燃料燃燒器及鍋爐總成之放大、部分剖視、立體圖，其展示經由鍋爐之一次水路徑。
圖27係替代實施例之鍋爐之管道組件之部分剖視立體圖。
圖28係根據另一個實施例之流化床燃燒器及鍋爐之立體圖，其中模組化鍋爐組件展示於開放、暴露位置中。
圖29係圖28流化床燃燒器及鍋爐之立體圖，其中模組化鍋爐組件 展示於裝填、操作位置中。
圖30係展示為自移除圖1系統之具有蒸汽機及發電機之動力裝置總成之立體圖。
圖31係根據此技術之實施例之具有凸輪軸、凸輪、搖臂及閥系之蒸汽機之頭總成的部分剖視、放大頂部立體圖。
圖32係具有進氣凸輪、進氣及排氣閥及關聯搖臂之圖31蒸汽機之頭總成之放大部分橫截面、立體圖。
圖33係大致上沿著圖31之線33-33截取之蒸汽機之頭總成之放大橫截面。
附錄A包括關於當前技術之態樣之額外資訊及計算。
本揭示案描述根據某些本技術之實施例之經配置以產生電力及飲用水之多功能廢棄物處理系統。此技術之若干具體細節在以下說明書及圖1-33中闡明以提供本技術之某些實施例之全面瞭解。然而，熟習此項技術者理解本技術可具有額外實施例並且此技術之其他實施例可在沒有以下描述之若干具體特徵的情況下實施。
圖1係多功能廢棄物處理系統10之組件之示意性流程圖說明，並且圖2係根據本技術之實施例之廢棄物處理系統10之立體圖。如以下更詳細論述，系統10經配置以接收並處理潮濕廢棄物淤渣12之流，並且產生乾燥、固體燃料材料、電力及飲用水。系統10之一或多個實施例在本文中結合處理廢棄物來論述並說明，該廢棄物包含含有水及排泄物物質及/或其他垃圾，如有機廢棄物的潮濕淤渣。然而，系統10可經配置以處理其他潮濕廢棄物之流。在一實施例中，系統經配置以處理潮濕淤渣，該淤渣含有水基液體之混合物及多達大約50%總固體，該等固體可與水分離並且乾燥以提供可燃固體燃料材料。在一些組 態中，系統10可與具有多達大約15%總固體之潮濕淤渣一起使用，並且在其他實施例中，系統10經配置以與具有大約20%-50%總固體之淤渣一起使用。其他實施例之系統10可經配置以與淤渣內之其他範圍之總固體一起使用。
淤渣12流經淤渣乾燥器總成14，該總成將來自淤渣之水蒸發以產生蒸汽，以使得固體材料充分乾燥以提供可燃固體燃料材料。出於本說明書之目的，自淤渣蒸發之蒸汽被稱為淤渣蒸氣。所釋放淤渣蒸氣非常熱歷時足夠持續時間，以使得淤渣蒸氣無菌(即，不含病原體)。系統10將無菌淤渣蒸氣包含於水處理系統16中並將其凝結以提供清潔飲用水。系統10亦在燃燒器，如流化床燃燒器18中燃燒乾燥固體燃料材料。在一些實施例中，若有必要，可添加其他乾燥燃料，如煤炭、木材顆粒、垃圾或其他有機材料以向燃燒器18提供額外燃料。所說明實施例之系統10經配置以每天連續地產生多達大約150kW(大約200hp)之電力並且處理大約8500kg或8.5m3排泄物淤渣及1100kg垃圾或更多。
來自燃燒器18中之燃料燃燒之熱量用於加熱將大致上閉合一次水迴路21中之水加壓的鍋爐20，以產生蒸汽供產生電力之蒸汽驅動動力裝置22使用。一次水迴路21中之水被稱為一次水，其可為一次蒸汽或一次液態水，取決於一次水迴路中之位置。自包括蒸汽機26及發電機25之動力裝置22排出之一次蒸汽藉由燃料乾燥器總成14用作熱源，然後一次蒸汽流經凝結器24並且轉化回到一次液態水並且泵送回到鍋爐20。來自動力裝置22之電力之一部分為系統10之電氣組件提供動力，並且其餘電力可提供至電力網或另外本地使用，如為外部電氣物品提供動力。
所說明實施例之處理系統10係自給式系統，大致上不需要外部電力、水或排水來處理潮濕淤渣及產生電力及飲用水。在一實施例中，所示出系統10可經配置以佔據具有大約15m x 3m之覆蓋區的體積，其對應於典型集裝箱，以使得系統10可為可運輸的。因此，系統10完全適合於在廣泛範圍之地理 區域中使用，如可能具有不足夠污水系統，並且可受益於電力及清潔、新鮮飲用水之額外來源的不發達城市區域。所說明實施例之系統10之組件在以下更詳細論述。
淤渣容納及輸送系統
圖3展示之所說明實施例之系統10包括淤渣容納及輸送系統30。淤渣容納及輸送系統30具有接收大致上未淨化、潮濕淤渣之容納槽32。容納槽32可設定大小以保持選定體積之潮濕淤渣以便在需要補充容納槽32之前供系統10連續操作好幾天。舉例而言，在所說明之實施例中，容納槽32被設計成容納大約30m3之潮濕淤渣，其提供大約三天操作，其中系統10每天可處理大約9-10m3淤渣。容納槽32之頂部可設置於接近地面處以允許淤渣輸送車輛容易地將淤渣12倒空至槽中。容納罐32之底部可朝向連接至淤渣饋入總成34之出口傾斜。在一實施例中，饋入總成34可包括完全或部分封閉運送機38，如螺運器或帶式運送機，其將來自容納槽32之潮濕淤渣運輸至淤渣乾燥器總成14之入口40。
圖4係實施例之淤渣饋入總成34之立體圖，其中容納槽32包括具有出口36之牽引鏈箱形鋪料器，該出口將潮濕淤渣沉積於運送機38上。運送機38相對於地面以選定角度向上延伸並且連接至與入口40相鄰之淤渣乾燥器總成14。在所說明之實施例中，運送機38相對於地面以大約30°角度向上傾斜，但是在其他實施例中可使用其他角度。
淤渣乾燥器總成
圖5係展示為自圖2之總成移除之淤渣乾燥器總成14之立體圖。將自淤渣容納及輸送系統30(圖3)運輸之潮濕淤渣饋送至淤渣乾燥器總成14之淤渣入口40。如圖6所見，連接至淤渣饋入總成34之運送機38之末端之淤渣轉移螺運器52將潮濕淤渣饋送至乾燥器總成之入口40中。淤渣流至淤渣乾燥器總成14中大致上是連續的。圖6係包括入口40之淤渣乾燥器總成14之末端部分之放大、 部分立體圖。除了接收潮濕淤渣以外，淤渣乾燥器總成14亦接收自動力裝置22蒸汽機26(圖1)排出之一次蒸汽。在大約207kPa(大約30psia)下離開蒸汽機26之排出一次蒸汽流至一或多個管狀殼體42中，該等殼體中之每一者含有管狀淤渣載體44。來自排出一次蒸汽之熱量將淤渣載體44中之淤渣汽化，從而將來自淤渣之水蒸發(以產生淤渣蒸氣)，其將淤渣乾燥以提供固體燃料材料。
所說明實施例之淤渣乾燥器總成14包括兩個封閉較大直徑管，該等管分別形成殼體42，該殼體容納形成中空淤渣載體44之較小直徑管。每個淤渣載體44含有可旋轉、中空螺運器46，並且淤渣載體44經由入口40接收淤渣以使得淤渣至少部分地圍繞中空螺運器46。在所說明之實施例中，每一個殼體42包括蒸汽入口48，該入口接收來自蒸汽機26(圖1)之排出一次蒸汽以使得高溫一次蒸汽流至殼體之內部區域中並且圍繞淤渣載體44，從而加熱淤渣載體44中之淤渣。因此，一次蒸汽在仍然能夠將熱量傳遞至淤渣時實體上與淤渣隔離，從而汽化淤渣同時冷卻一次蒸汽。另外，進入淤渣乾燥器總成14之一次蒸汽之一部分流至中空螺運器46之內部區域以便亦加熱穿過螺運器46之淤渣。在所說明之實施例中，每一個中空螺運器46連接至驅動電機47，該電機使螺運器46在淤渣載體44內旋轉並且在淤渣乾燥時使潮濕淤渣連續軸向移動穿過淤渣載體44。在一實施例中，每一個驅動電機47係藉由獨立變頻驅動器控制之專用、五馬力、逆變器負載、三相電機。其他實施例可使用其他驅動電機。
兩個淤渣載體44在其末端藉由傳遞外殼50來互連，該等傳遞外殼分別具有穿過其中之淤渣通道，允許淤渣在一個方向上軸向流動穿過一個淤渣載體44，穿過傳遞外殼50中之淤渣通道，並且在另一個方向上軸向穿過另一個淤渣載體44。
圖7係自入口40之淤渣乾燥器總成中之淤渣流之示意性立體圖。當淤渣循環穿過淤渣載體44時，淤渣中之水汽化掉。當來自淤渣之固體燃料材 料充分乾燥時，其經由在淤渣載體44及對應殼體42之側面中形成之一或多個乾燥燃料出口54離開淤渣乾燥器總成14。乾燥燃料出口54在淤渣載體44與殼體42之間密封以便保持淤渣材料與一次蒸汽隔離。在所說明之實施例中，乾燥燃料出口54係長方形開口，但是乾燥燃料出口可具有其他形狀(即，正方形、圓形、橢圓形等)及尺寸。
在操作中，當額外潮濕淤渣藉由轉移螺運器52(圖6)輸送至淤渣載體44時，淤渣乾燥器總成14內之淤渣位準增加。移動穿過淤渣載體44之淤渣內之固體通常在其到達乾燥燃料出口54時已充分乾燥，並且充分乾燥固體燃料材料自乾燥燃料出口54溢出並且進入以下論述之乾燥燃料料斗56(圖2)中。為了確保經由旋轉中空螺運器46移動穿過淤渣載體44之淤渣保持鬆散，適當量之乾燥淤渣再循環回到與入口40相鄰之乾燥系統開始處。一些淤渣可在移動至乾燥燃料料斗56(圖2)中之前再循環穿過淤渣總成多次。
乾燥淤渣之此再循環亦防止淤渣達到被稱為「黏性」相之條件，其中淤渣水分含量為每公斤乾燥物質約0.3523kg H2O或25%至75%之乾燥固體。不同於在淤渣顯示流體樣性質之「潮濕」或「糊狀物」區域中，在「黏性相」中，淤渣與淤渣載體44之熱壁之間之接觸顯著減少，從而消極地影響蒸發速率。當淤渣乾燥超過「黏性」相到達「顆粒」相時，乾燥淤渣愈來愈保持與淤渣載體44之熱壁之均勻接觸，允許蒸發速率返回到其初始值。除了降低熱傳遞效率以外，「黏性」區域中之材料展現相當大抗切強度，以使得淤渣材料更可能黏附至旋轉螺運器46而非藉由其運送。一些乾燥淤渣材料之再循環有助於確保淤渣乾燥器總成之內含物總是保持在「顆粒」區域內或附近，從而避免「黏性」區域。
在圖5示出之所說明之實施例中，淤渣乾燥器總成14之同心管狀設計非常耐久。然而，乾燥燃料出口54穿透加壓管狀殼體42之側壁，此情況可 減弱管狀結構。因此，一或多個加強肋64連接至殼體42圍繞乾燥燃料出口54以幫助保持結構完整性並且防止管狀結構在乾燥器總成內之一次蒸汽之熱及壓力下塑性變形。
除了將乾燥固體燃料材料自淤渣載體44移除以外，自淤渣釋放之淤渣蒸氣經由與每一個淤渣載體44之內部區域連通之蒸氣出口66自淤渣乾燥器總成14移除。淤渣蒸氣自蒸氣出口66經由管道流至以下更詳細論述之水處理系統16(圖1)。在所說明之實施例中，至少一個蒸氣出口66提供於淤渣乾燥器總成之每一個末端，但是出口可定位於其他位置。
當來自一次蒸汽之熱量傳遞至淤渣時，一次蒸汽冷卻，以使得淤渣乾燥器總成14充當凝結器，其中一次蒸汽在殼體42內凝結成一次液態水。凝結物保持與淤渣隔離並且藉由凝結物虹吸管總成自殼體42移除，該總成提取一次液態水並且將其引導至一或多個一次水管線62，該等管線將一次液態水自淤渣乾燥器總成14沿著一次水迴路21(圖1)載運走。在圖2示出之所說明之實施例中，淤渣乾燥器總成14安裝於系統10中以使得殼體42及淤渣載體44相對於水平線傾斜，如大約1度傾角，以促進藉由虹吸管總成來提取一次水。然後，所提取一次液態水沿著一次水迴路21循環回來以便藉由鍋爐20及蒸汽機26使用，然後再次作為蒸汽回到淤渣乾燥總成14。
圖8係淤渣乾燥器總成70之另一個實施例之部分立體圖，其包括多個旋轉及固定壓力容器，該等容器藉由大約100psig及328℉之排出一次蒸汽來加熱以便混合並且乾燥淤渣。所示出乾燥器總成70具有閉合、密封凹槽72，該凹槽含有可旋轉螺運器74，該螺運器將淤渣沿著凹槽72朝向凹槽72之一個末端之出口軸向移動。凹槽72經由一個末端之入口來接收潮濕淤渣之流以使得螺運器74之至少一部分在淤渣內。出於清晰展示凹槽72內之組件之目的，凹槽72在圖8中在不展示蓋子或末端的情況下示出。將蓋子及末端密封至凹槽主體76以便 在乾燥過程期間完全包含淤渣及所釋放淤渣蒸氣。在一實施例中，液壓操作之蓋子允許完全及容易地接近淤渣乾燥器總成70之所有內部組件，以及密封凹槽72內之所有蒸氣、煙霧及氣體。相應地，將來自凹槽72中之頂空之淤渣蒸氣及揮發物捕獲並重新處理以便純化(即，水蒸汽)及/或重新燃燒(即，氣體及/或揮發物)。
圖9係展示為螺運器74被移除的蒸汽加熱凹槽72之放大立體圖。凹槽72含有藉由細長歧管80互連之多個固定的間隔開彎曲蒸汽管78，該等歧管接收來自蒸汽機26(圖1)之高溫排出一次蒸汽並且將一次蒸汽均勻地分佈至彎曲蒸汽管78。因此，當淤渣在入口附近進入凹槽72並且經由螺運器74沿著凹槽72移動時，淤渣在彎曲蒸汽管78之至少一部分上移動，從而汽化並乾燥淤渣。到淤渣到達凹槽主體76末端之出口時，淤渣充分乾燥。另外，一次蒸汽在彎曲蒸汽管78內凝結，並且凝結物收集於連接至一次水迴路21之返回歧管82中。
圖10係展示為與凹槽72分離的蒸汽加熱、加壓螺運器74之放大立體圖。螺運器74具有接收排出一次蒸汽之中空中心軸84。螺運器74亦具有多個彎曲蒸汽管86，其與內部中心軸84連通並且以螺旋方式自中心軸84徑向延伸。因此，彎曲蒸汽管86接收來自中心軸84之一次蒸汽。
螺運器74經配置以在凹槽72內旋轉以使得彎曲蒸汽管86穿過凹槽72中之蒸汽管78之間之空間。螺運器之彎曲蒸汽管86可相對於中心軸84稍微傾斜以便充當推進構件，該等構件接合淤渣並且推動淤渣在彎曲蒸汽管78上軸向穿過凹槽，從而加熱並汽化淤渣。中心軸84及彎曲蒸汽管86中的熱的一次蒸汽亦加熱淤渣，導致一次蒸汽在螺運器74內凝結。螺運器之中心軸84之一個末端具有凝結物出口，其將凝結物自螺運器引導出來並且作為一次液態水沿著一次水迴路21(圖8)引導。在所說明之實施例中，旋轉螺運器74提供混合作用，該作用提供自動調平效應，導致淤渣自凹槽72之一個末端移動至另一個末端。 螺運器74亦將乾燥固體燃料材料自乾燥燃料出口定量送出。在至少一個實施例中，一或多個乾燥燃料螺運器可連接至凹槽72與乾燥燃料出口相鄰以便將乾燥固體燃料材料載運至乾燥燃料料斗56。
圖11及12係與以上結合圖8論述之淤渣乾燥器總成70大致上類似的淤渣乾燥器總成70之另一個實施例之立體圖，其具有具備凹槽主體76、彎曲蒸汽管78及軸向延伸歧管80之凹槽72。因此，具有彎曲蒸汽管78及歧管80之凹槽72界定藉由一次蒸汽加熱之固定壓力容器。在此替代實施例中，螺運器90可旋轉地定位於凹槽72內並且藉由驅動電機92驅動。
螺運器90具有大致上中空中心軸94，其連接至自中心軸94徑向伸出之多個中空、筆直指狀管96。指狀管96中之每一者包括支援腹板98，其固定至中心軸94以便在螺運器90旋轉並且蒸汽加熱指狀管96移動穿過淤渣並且將乾燥淤渣朝向乾燥燃料出口緩慢軸向移動時為相應指狀管96提供附加強度及剛度。在一實施例中，支援腹板98亦可相對於中心軸之縱軸傾斜，並且支援腹板98可接合淤渣之一部分以促進混合且/或逐漸地將乾燥淤渣沿著凹槽72之長度移動。
出於實例之目的，螺運器90之中心軸94係剛性、24吋直徑管，其可操作地連接至圍繞管沿著其長度分佈之大約140個突出5吋指狀管96。指狀管96向內部延伸至蒸汽填充中心軸94中以確保在操作期間在一次蒸汽凝結後之適當凝結物移除。指狀管96及關聯支援腹板98中之每一者經配置以在驅動電機之全部轉矩全部施加至指狀管96中之單一管之末端時適應該轉矩之力，同時保持實際材料應力低於螺運器之設計壓力及溫度，如大約多達100psig及328℉下之材料容許應力。在一實施例中，指狀管96以一定組態沿著中心軸94之長度以總體上螺旋佈置模式定向，該組態使得沒有兩個指狀管96最初在確切相同時刻接合淤渣材料，從而在螺運器之整個旋轉中均勻地分佈衝擊負載。另外，相鄰平坦 指狀管組藉由大約45°旋轉偏置以便在乾燥過程期間促進淤渣流動穿過凹槽72。
如上所述，在凹槽72內產生之淤渣蒸氣經由蒸氣出口提取。在一實施例中，蒸氣出口與淤渣在乾燥過程期間朝向其移動之凹槽末端蓋板相鄰定位。自凹槽72移除之淤渣蒸氣流至淤渣蒸氣在其中清潔並收集之水處理系統16中，如以下更詳細論述。
在一實施例中，其中系統10用於處理非常潮濕淤渣(例如，具有大約15%固體材料或更小之固體含量之淤渣)。系統10利用包括高壓第一級乾燥器總成200及低壓第二級乾燥器總成220之二級淤渣乾燥器系統來乾燥潮濕淤渣。圖13A及13B係根據本技術之實施例之高壓第一級乾燥器總成200之立體圖。第一級乾燥器總成200包括細長、較大直徑外部管202，該管含有在結構上藉由一或多個連接桿205彼此互連之多個間隔開、軸向對準刮鏟圓盤204。出於此討論清楚之目的，外部管202在圖13A及13B中總體上展示為透明的以避免檢視內部組件模糊。
每個刮鏟圓盤204具有與其他刮鏟圓盤204中之孔206軸向對準之多個孔206。多個蒸汽管208大致上沿著外部管202之長度並且穿過刮鏟圓盤204中之對準孔206延伸。刮鏟圓盤204亦包括接合外部管之內表面之軸承209。外部管202之末端連接至與蒸汽管208之內部連通的歧管部分210。歧管部分210之一者(即，入口歧管210a)具有蒸汽入口212，其連接至一次水迴路並且經配置以接收自蒸汽機26(圖1)排出之高溫一次蒸汽。一次蒸汽自入口歧管210a流至外部管202內之蒸汽管208。
外部管202具有淤渣入口211，其引導非常潮濕淤渣流至管之內部區域中以使得潮濕淤渣直接接合高溫蒸汽管208。在結構上互連之刮鏟圓盤204連接至往復傳動軸212，該軸可密封地貫穿入口歧管210a並且連接至致動器213，如液壓缸。致動器213可操作以推動及拉動傳動軸212，從而將刮鏟圓盤204 作為一個單元在外部管202內及穿過潮濕淤渣軸向來回地移動。蒸汽管208中之高溫一次蒸汽使淤渣中之水汽化以產生淤渣蒸汽，從而降低淤渣之水含量。
狹長螺運器總成214可密封地貫穿入口歧管210a並且進入外部管之內部區域以便與淤渣接合。隨著淤渣歸因於水蒸發而變稠，螺運器總成214有助於移動稠化淤渣穿過外部管202到達與乾燥器總成200入口211相反之外部管202末端之淤渣出口215。然後，所提取稠化淤渣穿過節流閥220以降低壓力並且被引導至第二級乾燥器總成220(圖14)，以下更詳細論述。
當蒸汽管208中之一次蒸汽加熱並汽化潮濕淤渣時，一次蒸汽凝結並且所得一次液態水自蒸汽管208流至出口歧管210b中之收集區域中。一次液態水經由一次水出口自收集區域流出並且進入耦接至散熱器190(以下論述)之導管中，該散熱器將一次水迴路21中之液態水冷卻。自淤渣釋放之淤渣蒸氣在乾燥過程期間加熱並保持在高溫下，導致在外部管202中時將淤渣蒸氣殺菌。如圖14所見，淤渣蒸氣經由回收端口216自外部管202提取並且進入淤渣蒸氣出口導管218，該導管將淤渣蒸氣載運至水處理系統16。然後，淤渣蒸氣經由旋風分離器、一或多個預過濾器(~25微米過濾器)及一或多個精細過濾器(~1微米)過濾。然後，過濾、殺菌淤渣蒸氣被引導至第二級乾燥器總成220。
在所說明之實施例中，第二級乾燥器總成220大致上與圖8-10或圖11-12之淤渣乾燥器總成相同，除了傳送至凹槽72中之彎曲蒸汽管78及旋轉螺運器74或90中之高溫蒸汽係來自第一級乾燥器總成200(圖13)之過濾、殺菌淤渣蒸氣，而非來自蒸汽機之高溫一次蒸汽以外。在此實施例中，來自第一級乾燥器總成200之過濾、殺菌淤渣蒸氣之熱量用於乾燥第二級乾燥器總成220中之排泄物淤渣。因此，此二級淤渣乾燥器系統允許用大致上相同量之一次水來處理兩倍的淤渣。
在加熱、加壓淤渣蒸氣流經曲線管78及/或螺運器74/90之後，淤 渣蒸氣凝結。自返回歧管82及螺運器之中空中心軸84提取之所得凝結物流至水處理系統16。另外，第二級乾燥器總成220內之乾燥過程將乾燥排泄物淤渣中之水汽化，並且此淤渣蒸氣離開乾燥器總成70之凹槽72並且流至水處理系統16(圖15)中。
水處理系統
圖15係水處理系統16之示意性流程圖。淤渣蒸氣流至包括旋風分離器之蒸汽過濾系統100中，該旋流除塵器將蒸汽與可存在於淤渣蒸氣中之其他微粒分離。然後，分離淤渣蒸汽穿過一或多個預過濾器，如大孔過濾器(即，25微米過濾器)，然後穿過精細蒸汽過濾器(即，1微米過濾器)。然後，過濾淤渣蒸汽流至凝結器104，其將淤渣蒸汽凝結並且收集所得無菌液態水。雖然過濾淤渣蒸汽及所得凝結水可包括一些雜質，但是過濾蒸汽及凝結液態水是不含病原體的，因為淤渣蒸氣暴露於很高溫度足夠長時間以殺滅淤渣蒸氣中之任何病原體。
然後，無菌水藉由通氣過程，然後漂白過程，然後經由選定純化過濾器，如一或多個木炭過濾器之過濾過程來純化。然後，純化、清潔、飲用水收集於清潔水儲存槽108中，清潔水可自其中施配。
圖16a係與使用二級乾燥器總成之實施例有關之水處理系統16之示意性流程圖。在此實施例中，來自第一級乾燥器總成200之高壓淤渣蒸氣流經水處理系統16並且如以上論述來過濾，然後用於第二乾燥器級總成220中。將來自第二乾燥器級總成220中之此淤渣蒸氣之凝結物收集並且穿過水處理系統16，其中該凝結物經由如以上論述之通氣、漂白及過濾過程來純化。來自第二級乾燥器總成220的進入水處理系統16之淤渣蒸氣亦過濾(即，使用旋風分離器、預過濾器及精細過濾器)、凝結並且將所得凝結物純化並且收集於儲存槽108中。
乾燥固體燃料處置系統
現在回到乾燥固體燃料材料，當其離開如以上論述之淤渣乾燥器總成14/70/200/220時，乾燥固體燃料材料進入乾燥燃料料斗56。圖17係連接至淤渣乾燥器總成14與加強肋64相鄰之乾燥燃料料斗56之立體圖。圖18係展示為自淤渣乾燥器總成14移除之乾燥燃料料斗56之放大、部分透明立體圖。所說明實施例之乾燥燃料料斗56包括料倉，其經由開放頂端側來接收乾燥固體燃料材料。加熱盤管110連接至料倉側並且加熱料倉以確保沒有來自任何來源之凝結液態水進入乾燥固體燃料材料。來自加熱盤管110之熱量亦可進一步驅動固體燃料材料。在一實施例中，燃料料倉加熱盤管110可為蒸汽盤管，其接收藉由淤渣乾燥器總成14(圖17)所產生的淤渣蒸氣之一部分，以使得料倉之內含物預加熱至大約120℃(240℉)以上。
萬一水或水分以某種方式進入料斗56並且浸泡乾燥固體燃料材料，或若乾燥燃料固體材料太潮濕以致於不能有效地燃燒，則需要清空料斗56。因此，料斗56包括潮濕燃料饋出螺運器115，其將潮濕燃料引導回到潮濕淤渣容納槽32(圖1)。
如圖18及19所見，所說明實施例之料斗56包括耦接至料斗倉之底部的乾燥燃料運送機112。運送機112連接至燃料饋入螺運器總成114，該總成將乾燥固體燃料材料載運至燃燒器18之燃燒室或流化床116(圖19)，其中乾燥固體燃料材料在懸浮砂粒中燃燒。在所說明之實施例中，饋入螺運器114將在流化床116上方大約12cm(4.5in.)處並且在與自助燃風機接收之燃燒空氣流大約相同高度處乾燥固體燃料材料饋送至流化床燃燒器18，以下更詳細論述。雖然所說明實施例利用乾燥燃料供給螺運器總成114，但是需要使用其他燃料輸送系統，包括重力饋送系統，或其他疼痛系統以將固體燃料材料提供至燃燒器中。
在一實施例中，廢棄物處理系統10(圖1)可包括輔助乾燥燃料 料斗118(圖1)，其含有輔助燃料，如煤炭、木材顆粒、有機垃圾或若需要可在流化床燃燒器18中與乾燥固體燃料材料一起燃燒之其他合適乾燥燃料。輔助乾燥燃料料斗118亦包括饋入螺運器120(圖19)，其連接至燃燒器18以便將輔助燃料輸送至流化床116供燃燒。饋入螺運器120亦可用於將砂、石灰石，或其他選定床材料添加至燃燒器18之流化床116。
燃燒器總成
如圖19示出，流化床燃燒器18連接至鍋爐20之下部以便燃燒乾燥固體燃料材料並且加熱鍋爐20。所說明實施例之燃燒器18具有燃燒室122，其容納流化床116及關聯傳熱設備。圖20係燃燒室122之部分剖視立體圖，該燃燒室藉由排放螺運器128連接至排灰倉126。圖22係展示為自燃燒室122移除之配風柵130之放大立體圖。示出配風柵130經配置以以均勻及穩定方式使床116流態化，並且其將一次燃燒空氣供應至燃燒器總成18內之燃燒過程。示出流化床116包含砂，但是可使用石灰石或其他合適材料，或其混合物。配風柵130經配置以操作長時間而沒有翹曲、阻礙或堵塞。配風柵130亦以一定方式整合至燃燒室122中，該方式允許其容易地及快速地更換或修復以便將燃燒器18及關聯系統10之任何停歇時間減少到最低限度。
配風柵130包括具有進氣口142之隔離配風管140及在進氣口142下游連接至配風管140的多個噴射器類型空氣歧管144。歧管144係並聯的並且彼此相當接近地間隔開以允許灰分及小砂粒容易地落入歧管144之間以便藉由排放螺運器128移除至排放倉126(圖20)。然而，間隔開歧管144防止燒結塊及較大未燃燒材料落下排放螺運器入口中。每個歧管144連接至以柵格形式分佈之多個泡罩空氣噴嘴146。泡罩空氣噴嘴146提供床116上方之自由空間部分中之平滑及均勻配風以便在燃燒室中均勻流化。
在圖21示出之所說明之實施例中，配風柵130連接至列管燃燒器 總成138，該總成可根據需要啟動以將傳入燃燒/流化空氣預熱，如在流化床116(圖20)之最初啟動及升溫期間。列管燃燒器總成138包括接收來自助燃風機148之空氣流的套罩加熱器150。加熱器150連接至配風管140之進氣口142(圖22)以便經由配風柵130(圖20)將燃燒空氣提供至流化床116。所說明實施例之助燃風機148提供多達750ft3/min之近似流動速率下之空氣，其壓縮至大約50in.H2O。加熱器150可以天然氣、丙烷、丁烷或其他合適燃料操作以便在需要時將燃燒空氣預熱。一旦燃燒器18升溫至接近操作溫度，則不再需要列管燃燒器總成138，並且助燃風機148將未加熱空氣提供至流化床116以便與固體燃料材料一起燃燒。
鍋爐
燃燒器總成18定位於鍋爐20內，並且在燃燒乾燥固體燃料材料後所產生的熱量提供熱排氣流之連續流，該連續流沿著排氣路徑158(圖23)流經鍋爐20並且將總體上在相反方向上沿著一次水路徑160(圖24)流經鍋爐20之一次液態水之連續流汽化以產生高壓蒸汽，該蒸汽為蒸汽機26(圖1)提供動力。鍋爐20及其組件結合排氣路徑158(圖23)然後結合一次水路徑160來論述。
圖23係乾燥燃料燃燒器18及鍋爐20之放大、部分剖視、立體圖，其展示穿過鍋爐之熱排氣路徑158。鍋爐20之下部包括至少部分地嵌入並且直接定位於流化床116上方的蒸發器162。因此，燃燒流化床116中之固體燃料材料所產生的高溫熱量在蒸發器162周圍流動並且將其有效地加熱。排氣路徑158自蒸發器162向上流動，經過連接至蒸發器162之一級過熱器164，然後經過連接至一級過熱器164之二級過熱器166。排氣路徑158自二級過熱器166流經一級節熱器168然後經過二級節熱器170。當沿著排氣路徑158流動之熱排氣依序將熱量傳遞蒸發器162、一級過熱器164、二級過熱器166、一級節熱器168及二級節熱器170中之每一者時，該熱排氣冷卻。二級節熱器170包含於節熱器外殼172中並且連 接至排氣出口174。當排氣到達並且流經二級節熱器170時，排氣僅將低級熱量傳遞至二級節熱器170，然後離開排氣出口174。
圖24係節熱器外殼172及連接至排氣出口174之多級旋風分離器總成176之放大部分立體圖。排氣進入多級旋風分離器總成176並且流經一或多個習知旋風分離器以自排氣流移除任何剩餘灰分或微粒，從而提供離開多級旋風分離器總成176之清潔排氣。排氣亦可鼓泡穿過化學處理過的水柱以便在釋放至大氣之前移除任何額外污染物。大致上無微粒之排氣離開多級旋風分離器總成176並且流經向大氣敞開之排氣豎道178。在所說明之實施例中，抽風機180定位於多級旋風分離器總成176與排氣豎道178之間並且經配置以促進排氣沿著整個排氣路徑158流動並且離開排氣豎道178。在所說明之實施例中，風機180能夠以大約775scfm之流動速率拉動大約8吋H2O真空，但是其他實施例可使用其他風機或排氣抽吸系統來控制沿著排氣路徑158之排氣之流動及速率。
圖25係節熱器外殼172之放大部分立體圖，其具有外殼底部之灰分收集區域182及連接至灰分收集區域182之灰分螺運器184。在排氣進入節熱器外殼172時，排氣已經大致上冷卻，並且可與排氣一起流動之任何較重灰分顆粒落入並且收集於灰分收集區域182中。灰分螺運器184經配置以載運將所收集的灰分離開節熱器外殼172並且進入收集倉或其他收集系統(未展示)中。
鍋爐之前的一次水迴路
現在轉向一次水路徑160，一次水流以液相進入鍋爐20。如以上結合淤渣乾燥器總成14論述，來自蒸汽機26之一次水流在淤渣乾燥器總成中凝結至液相。在圖1示出之所說明之實施例中，來自淤渣乾燥器總成14之一次液態水流可穿過散熱器190以便在一次液態水繼續沿著一次水迴路21前進之前幫助冷卻一次液態水。
當一次水(有時被稱為「給水」)以蒸汽/蒸氣及液相移動穿過一 次水迴路21時，可損失一些一次水。舉例而言，一些一次水可由於在蒸汽機26中蒸汽噴放而損失，其中蒸汽沿著蒸汽機中之汽缸壁越過活塞而噴放。另外，一些一次水可自系統10移除並且在系統10中之最低點處丟棄以移除可自一次水中沉澱之任何已用化學品或礦物質，被稱為沖放。根據水質及系統10，沖放可佔一次水之總流量之多達大約5%。因此，補充水可經由定位於散熱器190下游之水調節器192來添加至一次水迴路21。
水調節器192亦可將化學品或添加劑添加至液相中之一次水。在一些實施例中，化學品及/或添加劑添加至引入一次水迴路21中之補充水。舉例而言，在進入一次水迴路之前，補充水可經由化學添加劑軟化以減少鍋爐20中之管之結垢。化學添加劑亦可用於最大限度地減少雜質及銹蝕產物，其可消極地影響加熱效率或可潛在地縮短一次水藉以在一次水迴路21中流動之管道之操作壽命。另外，在將補充水添加至一次水迴路21之前，水調節器192可用於處理可為硬質公用水之輸入水。
一次水自水調節器192流出並且收集於給水槽194中，然後將一次液態水引入鍋爐20中。給水槽194可包括液位開關以使得在一次液態水返回之後，系統具有量測並添加合適數量之補充水及化學品以考慮到一次水迴路21中之任何損失的方法。藉由將一次液態水泵送至鍋爐20中之給水泵196自給水槽194抽取一次液態水。
鍋爐中之一次水路徑
現在回到鍋爐20，圖26係展示穿過鍋爐20之一次水路徑160之放大、部分剖視、立體圖。自給水泵196(圖1)接收之一次液態水作為冷加壓水經由與二級節熱器170相鄰之水入口198引入鍋爐20。來自泵196之冷一次水被加壓至大約4130kPa(600psia)，並且其流經二級節熱器170，其在鍋爐20內之排氣路徑158(圖23)之最冷部分處藉由排氣來加熱。在所說明之實施例中，二級 節熱器170將一次液態水加熱至其飽和點，其在4.135MPa下大約為525K。
一次水自二級節熱器170流經一級節熱器168，其中一次水加熱至其沸點。一次水自一級節熱器168作為蒸汽流出並且進入蒸汽鼓筒199，其中將乾燥、飽和蒸汽自任何飽和液體中分離。蒸汽鼓筒199中之任何飽和液體返回並且重新引入蒸發器162中。乾燥一次蒸汽自蒸汽鼓筒199流出並且依序穿過二級及一級過熱器166及164。一次蒸汽作為高溫、過熱蒸汽離開一級過熱器164，其自鍋爐20流出，沿著一次水路徑160之下游部分流至蒸汽機26。
雖然圖23及26示出之鍋爐20包括兩個過熱器164/166及兩個節熱器168/170，其他實施例之鍋爐20可包括僅一個過熱器及/或僅一個節熱器。舉例而言，圖27係替代實施例之鍋爐總成222之管道組件之部分剖視立體圖，其包括耦接至蒸發器228及蒸汽鼓筒199之僅一個過熱器224及一個節熱器226。在此替代實施例中，蒸汽鼓筒199連接至在蒸發器228之相對側面上形成水冷壁232的多個垂直管，其有助於屏蔽蒸發器、流化床116及燃燒室122，以保持水冷壁之間之熱量，並且有助於加熱流經水冷壁232之飽和水。因此，使用水冷壁232有助於消除或降低鍋爐內所需要之耐熱材料之量。
圖28及29係根據另一個實施例之鍋爐240之立體圖。鍋爐240具有類似於圖27之組件佈置，其中一個過熱器224及一個節熱器226定位在蒸發器228旁邊，允許流化床116上方蒸發器部分內之顯著更多自由空間。此實施例亦包括自蒸汽鼓筒199延伸之水冷壁232。另外，鍋爐240具有外殼241，並且過熱器224、節熱器226及蒸發器228分別安裝於可移動地承載於連接至外殼241之一或多個導軌或滑塊244上之框架結構242上。
每個框架結構242及其相應鍋爐組件(即，過熱器224、節熱器226及/或蒸發器228)可作為一個單元相對於外殼241以與抽屜運動類似的可平移方式來在開放、暴露位置(圖28)與閉合、操作位置(圖29)之間移動。任何或 所有過熱器224、節熱器226及/或蒸發器228可以模組化方式移動至開放、暴露位置，例如用於在系統10(圖1)不運行時進行維護或更換。在鍋爐組件可移動至開放、暴露位置之前，界定一次水路徑160之一些互連管道可能需要斷開。過熱器224、節熱器226及/或蒸發器228可向後滑動至外殼241中並且到達閉合操作位置，並且將互連管道重新連接。此模組化方法可極大地降低系統10之潛在停歇時間以及進行鍋爐240之定期維護之成本。
在另一實施例中，鍋爐20可為具有中心燃燒室及流化床之同心鍋爐。總體上圓柱形蒸發器與燃燒室同軸佈置，並且過熱器及節熱器同心徑向安置於蒸發器外部。其他實施例可利用具有其他組態及/或組件及/或組件佈置之鍋爐。
動力裝置
圖30係具有藉由蒸汽機26驅動之發電機28之動力裝置總成22之立體圖。在所說明之實施例中，發電機28係具有多達大約150kW(200hp)之操作輸出之175kW感應發電機。自發電機28產生之電力用於為任何寄生負載，包括鼓風機、所有泵、轉動螺運器之電機等提供動力。過量電力可可用於本地使用或提供至選定電力網。
驅動發電機28之蒸汽機26接收來自鍋爐20(圖1)之過熱一次蒸汽，並且一次蒸汽在蒸汽機中膨脹至大約207kPa(~30psia)。蒸汽機係具有頭總成300之多缸往復式活塞蒸汽機，該頭總成經配置以使用多達大約480℃(900℉)之溫度之熱蒸汽並且在較高壓力，如大約4130KPa(600psia)下操作長持續時間。在所說明之實施例中，蒸汽機26係六缸蒸汽機，但是可使用其他引擎，如V-8往復式活塞蒸汽機。
圖31係自機體移除之蒸汽機頭部301之部分剖視放大頂部立體圖。所示出頭總成300包括由鋼製成並且包括每一個汽缸之蒸汽入口302的頭部 301。蒸汽入口總體上定位於汽缸頭之頂部。頭總成300包括具有提動閥306之閥系304及每一個汽缸之關聯搖臂308。凸輪軸310具有用於進氣及排氣提動閥306a及306b中之每一者的多個精確成型凸輪312。對於蒸汽機26之具體操作參數，凸輪軸310及關聯凸輪312之旋轉控制進氣及排氣閥306a及306b之打開及閉合。
蒸汽機26之往復蒸汽循環由在蒸汽機之活塞在其汽缸內之兩個衝程內發生的四個不同事件組成。開始於上止點(TDC)，汽缸之進氣閥306a打開並且過熱蒸汽、高壓蒸汽(自鍋爐接收)流經蒸汽入口302並且進入汽缸，同時活塞向下朝向下止點(BDC)移動。在蒸汽之指定截止體積下，進氣閥306a閉合並且活塞完成至BDC之動力衝程。在BDC處，排氣閥306b打開，並且當活塞向上朝向TDC移動時，排氣衝程開始。在TDC之前之特定時間，排氣閥306b閉合因此汽缸壓力上升接近鍋爐壓力。在進氣閥306a打開時，此舉最大限度地減少節流損失。
當所說明實施例之蒸汽機26使用基於大約4130kPa(600psia)之鍋爐壓力的蒸汽來操作時，進氣及排氣閥306a及306b必須經由精確凸輪輪廓及閥系佈置來小心地控制以便針對給定鍋爐壓力及蒸汽機轉矩極限來最大化蒸汽機之效率及動力。在所說明之實施例中，在大約4130kPa(600psia)之鍋爐壓力下，每一個汽缸之截止比率(即，截止體積與汽缸總體積之比率)大約是11%。因此，進氣閥306a必須打開恰好足夠長時間以便用高壓一次蒸汽填充11%汽缸。對於具有大約9.8之壓縮比之蒸汽機，蒸汽機26(圖30)經配置以提供大約17.7cc之餘隙容積而非大約70cc之典型、習知餘隙容積。17.7cc之此餘隙容積提供28°曲軸旋轉以達成11%之所需截止比率。因為凸輪軸310旋轉比曲軸快一倍，凸輪軸310及凸輪312必須在14°轉內打開並閉合每一個進氣閥306a。此快速動作藉由凸輪輪廓及進氣閥306a組態來控制。
圖31及32係頭總成300之放大橫截面視圖，其展示進氣凸輪 312a、進氣閥306a及關聯搖臂308a。鑒於所說明實施例之蒸汽機之截止比率僅為11%，每一個進氣凸輪312a之凸輪輪廓包括極小葉片314，其經配置以快速並精確地樞轉相應搖臂308a來打開並閉合關聯進氣閥306a。此小葉片形狀必須在凸輪輪廓上具有相當陡峭過渡區域316，其產生凸輪隨動件318必須隨動之大致上中凹、小半徑曲線。在所說明之實施例中，凸輪隨動件318係藉由相應進氣凸輪312a上方之搖臂308a內之一對軸承320可旋轉承載之滾動凸輪隨動件。滾動凸輪隨動件318及軸承320在搖臂308a中之此佈置允許在蒸汽機26操作期間凸輪隨動件318處置慣性負載。
如圖33示出，當進氣閥306a閉合時，其閥頭319可密封地設定於頭部301中之閥座321頂部，並且蒸汽入口302在進氣閥306a上方(即，閥頭頂部)遞送一次蒸汽。閥系304係配置成具有垂直地定位於其相應凸輪312上方的凸輪隨動件318，並且凸輪隨動件318與搖臂之樞銷322間隔開。另外，搖臂308之遠端定位在螺紋連接至進氣閥之軸桿326之頂部的套圈324下方並且接合該套圈之底部表面。當進氣凸輪312a旋轉並且凸輪隨動件318接合小葉片314時，搖臂308向上圍繞樞銷322樞轉並且將進氣閥306a向上拉動以提升閥頭319遠離閥座321，從而暫時地打開進氣閥306a。因此，進氣閥306a係牽引提動閥。當凸輪之葉片314經過凸輪隨動件318時，進氣閥306a快速地閉合。不同於進氣閥306a，排氣閥306b不需要此快速、響應操作並且可為推出提動閥。
所示出汽缸頭組態使得熱、高壓蒸汽在汽缸頭之頂部，並且入口閥306a需要在與高壓蒸汽相同側，否則入口閥306a將藉由蒸汽壓力打開。當入口閥之位置在頭部之頂上在蒸汽入口302下方時，高壓蒸汽保持進氣閥306a閉合。在所說明之實施例中，進氣閥306a連接至彈簧328，其提供額外力以幫助提升並打開進氣閥以便在活塞自TDC移動時使蒸汽進入汽缸直到達成截止體積(~11%)為止。
所說明實施例之蒸汽機26之組態亦提供在操作期間蒸汽機之改良溫度控制，尤其在較高RPMs(即，~1850)下歷時很長時間。不同於使用蒸汽壓力交替地施加至活塞之任一側並且在活塞之任一側排出之雙動式汽缸的習知蒸汽機，所說明實施例之蒸汽機26具有單動式汽缸。為了避免尤其在較低操作溫度(即，起動期間)蒸汽在活塞周圍漏泄，當前蒸汽機26利用在蒸汽機中與散熱器及加熱器一起建立之液體冷卻劑來控制蒸汽機之溫度。當蒸汽機26起動並且仍未升溫時，加熱器保持蒸汽機之汽缸完全高於水之沸點溫度，因此蒸汽不凝結。因為高壓蒸汽較熱，所以一旦蒸汽機運行，溫度控制系統處於冷卻模式中。因此，溫度控制系統仔細地控制蒸汽機溫度並且防止蒸汽機26變得太熱，從而破壞油，並且防止變得太冷(即，低於大約160℉)，其中曲軸箱中之油及經由漏泄而通過活塞之任何水將混合並形成將不可能分離之乳液。
控制
所說明實施例之排泄物淤渣廢棄物處理系統10亦包括多個自動、整合、電腦化控制，該等控制互連並組配來在正常操作期間將操作者之管理減少到僅最低限度的情況下控制整個系統10。設備及過程之控制及監測主要經由中央可程式邏輯控制器(PLC)來實現，該控制器收集來自感測器之輸入並且設定輸出控制裝置，如閥門及電機之位準。PLC亦經配置以控制在啟動期間所使用之發電機系統及丙烷燃燒器之專門控制的操作。PLC亦經配置以將整個系統劃分成可管理的子系統，如清潔水/蒸汽、燃燒、燃料處置及電力產生。提供控制輸入來在所需程度上將子系統彼此分離。子系統可進一步劃分成控制迴路以提供個別輸出之設定點。
清潔水/蒸汽子系統經配置以將恆定溫度及壓力下之蒸汽提供至動力裝置22，並且將熱量(呈蒸汽形式)提供至淤渣乾燥器總成14以產生充分乾燥固體燃料。控制迴路用於調節進入系統之補充水之數量、進入蒸發器之凝 結物數量、繞過蒸汽機之蒸汽之量，及施加淤渣乾燥總成之熱量。清潔水/蒸汽系統亦經配置以監測並處理進入系統之任何外部水，如自來水，並且控制穿過沖放系統之鍋爐水之總溶解固體含量。
燃燒子系統經配置以提供足夠熱量來保存清潔水/蒸汽系統產生正確量及溫度之蒸汽。提供控制迴路，其調節穿過流化床之空氣流，在啟動期間操作丙烷燃燒器，並且控制燃燒室中之空氣壓力。此系統亦監測燃燒排放及排氣處置及維護任務，如移除及流化床材料更換。
燃料處置子系統經配置以將正確數量之乾燥燃料提供至燃燒過程並且處置自乾燥過程產生之廢水。控制迴路用於提供正確數量之潮濕燃料，調節淤渣乾燥器總成中之固體燃料材料之停留時間，將乾燥固體燃料材料定量供應至燃燒器，並且處置水凝結及處理過程。
電力產生子系統經配置以將可利用之電力提供至電力網。此子系統具有控制迴路，其調節電能輸出並且經由調整蒸汽機節流閥來調節蒸汽機速度及轉矩。控制子系統及低級別迴路可整合至較高級別控制器中來處置啟動及停機序列並且適當地處置緊急及警報情況。
自前述，應認識到本發明之具體實施例在本文中出於說明之目的來加以描述，但是可產生各種修改而不偏離本發明。另外，在具體實施例或實例之情境下描述之本發明之態樣可在其他實施例中組合或消除。雖然與本發明之某些實施例關聯之優勢已經在彼等實施例之情境下加以描述，但是其他實施例亦可展現此等優勢。另外，並非所有實施例為了屬□本發明範圍一定必需展現此等優勢。因此，除了如附加申請專利範圍中以外，本發明不受到限制。

Claims (24)

  1. 一種用於產生電力及飲用水之排泄物廢棄物處理系統，其包含：一蒸汽驅動之發電系統，其包含互連的一鍋爐總成、一蒸汽機及一凝結器並具有一一次水迴路，其將一次水載運穿過該鍋爐總成、蒸汽機總成及凝結器，其中該蒸汽機總成之操作產生電力；一排泄物淤渣系統，其接收自該蒸汽機總成產生之電力之至少一部分，該排泄物淤渣系統包含一淤渣乾燥器總成及一淤渣輸送系統，該淤渣輸送系統經配置以將濕排泄物淤渣輸送至該淤渣乾燥器總成，其中該凝結器接合至該淤渣乾燥器總成且經配置以將第一熱量輸送至該濕排泄物淤渣以蒸發來自該濕排泄物淤渣的第一淤渣水並乾燥該排泄物淤渣中之固體燃料材料；一水收集系統，其連接至該淤渣乾燥器總成且經配置以接收並凝結蒸發的第一淤渣水，以便於一收集部分中收集為清潔之液態水；及一燃燒器系統，其連接至該排泄物淤渣系統及該發電系統之該鍋爐，該燃燒器系統包含一燃燒器，該燃燒器配置以燃燒來自該排泄物淤渣系統之該乾燥固體燃料材料並將熱量提供至該鍋爐總成中之一次水迴路，其中該鍋爐總成將蒸汽提供至該蒸汽機。
  2. 如申請專利範圍第1項之排泄物廢棄物處理系統，其中該淤渣乾燥器總成係一二級乾燥器，其具有依序的第一及第二乾燥器級，其中該第一乾燥器級自該淤渣產生蒸發的淤渣水，且該第二乾燥器級使用來自該第一乾燥器級之蒸發的淤渣水來乾燥該淤渣。
  3. 如申請專利範圍第1項之排泄物廢棄物處理系統，其中該淤渣乾燥器總成包含依序的第一及第二乾燥器級，其中該第一乾燥器級接收來自該淤渣輸送系統之一連續之排泄物淤渣流並將部分乾燥稠化之一連續之排泄物淤渣流提供至該第二乾燥器級，且該第二乾燥器級將乾燥固體燃料材料提供至該燃燒器，且其中將來自所述第一及第二乾燥器級之水提供至該水收集系統。
  4. 如申請專利範圍第1項之排泄物廢棄物處理系統，其中所述淤渣乾燥器具有位於一外殼內的可旋轉推進總成，所述可旋轉推進總成建構成在所述排泄物淤渣被乾燥時使該排泄物淤渣軸向地移動通過該外殼。
  5. 如申請專利範圍第1項之排泄物廢棄物處理系統，其中該燃燒器系統係一流化床燃燒器總成。
  6. 如申請專利範圍第1項之排泄物廢棄物處理系統，其中該蒸汽驅動之發電系統、該排泄物淤渣系統、該水收集系統以及該燃燒器系統安裝於一框架上並可作為一個單元與該框架一起運輸。
  7. 如申請專利範圍第1項之排泄物廢棄物處理系統，其中該蒸汽驅動之發電系統係一單動式、液體冷卻蒸汽機。
  8. 如申請專利範圍第1項之排泄物廢棄物處理系統，其中所述排泄物淤渣系統包括可旋轉的加熱螺運器，其接合該排泄物淤渣，將該排泄物淤渣推進通過該排泄物淤渣系統，並將至少一部分的該第一熱量輸送至該排泄物淤渣。
  9. 一種用於產生電力及淨水之多功能濕廢棄物處理系統，其包含：一淤渣乾燥器總成，其具有一廢棄物路徑，該廢棄物路徑具有一淤渣入口，該淤渣入口經配置以接收包含水與固體廢棄物材料之一混合物之一濕淤渣，該淤渣乾燥器總成具有一乾燥部分，該乾燥部分經配置以乾燥該淤渣並將至少一部分水與該固體廢棄物材料分離以提供乾燥固體燃料，該淤渣乾燥器總成具有一第一水出口、一乾燥廢棄物出口以及一凝結器部分，該凝結器部分具有一流體路徑，該流體路徑與該廢棄物路徑分離並具有一流體入口及一第一流體出口；一淨水收集系統，其接合至該第一水出口並且建構成收集從淤渣分離出的水；一乾燥廢棄物燃燒器總成，其接合至該淤渣乾燥器總成的該乾燥廢棄物出口，該乾燥廢棄物燃燒器總成具有一燃燒部分，該燃燒部分接收來自該乾燥廢棄物出口的固體燃料並且燃燒該固體燃料且產生熱，並且該乾燥廢棄物燃燒器總成具有一鍋爐，該鍋爐藉由來自該燃燒部分燃燒該固體燃料的熱被加熱，該鍋爐具有一第一水入口和一第一蒸汽出口；一蒸汽驅動發電機，其接合至該鍋爐的該第一蒸汽出口且建構成產生電力，該發電機具有與該凝結器部分的該流體入口連接的一第二流體出口；以及一水泵，具有連接到該凝結器部分的該流體出口的一第二水入口，其中該水泵連接到該第一水入口，並且其中該鍋爐建構成將進入該鍋爐的一水流轉換成一蒸汽流以便為該蒸汽驅動發電機提供動力。
  10. 如申請專利範圍第9項之系統，其中該淤渣乾燥器總成的乾燥部分包括在該廢棄物路徑中的一蒸汽加熱的螺運器，並且該蒸汽加熱的螺運器被建構成在乾燥過程期間移動和加熱該淤渣。
  11. 如申請專利範圍第9項之系統，其中該廢棄物乾燥器總成係一多段乾燥器，該多段乾燥器具有依序的第一及第二乾燥器段，其分別耦接至該凝結器部分且分別經配置以藉由使用來自該蒸汽驅動發電機之排汽之熱量將來自該淤渣之水蒸發以乾燥該淤渣。
  12. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該第一乾燥器段由該淤渣分離之水來產生第一乾燥器水，且該第二乾燥器段具有一第一水載體部分，該第一水載體部分耦接至該第一乾燥器段且經配置以將該第一乾燥器水載運至該第二乾燥器段中的淤渣附近並且與該淤渣隔離，且該第二乾燥器段具有一第二水載體部分，該第二水載體部分與該第一水載體部分分離且經配置以將來自該蒸汽驅動發電機之該排汽載運至該淤渣附近，其中來自所述第一及第二水載體部分之熱量乾燥在其中移動之該淤渣。
  13. 如申請專利範圍第9項之系統，其中該廢棄物乾燥器總成經配置以在該凝結器部分中接收來自該蒸汽驅動發電機之排汽，該乾燥部分具有：一第一乾燥器段，該第一乾燥器段連接至該淤渣入口且具有一第一加熱器部分，該第一加熱器部分耦接至該凝結器且經配置以用來自該排汽之熱量使來自該淤渣之水的一第一部分蒸發；及一第二乾燥器段，該第二乾燥器段串聯連接至該第一乾燥器段且經配置以用來自該排汽之熱量使自該第一乾燥器段接收之稠化淤渣之水的一第二部分蒸發。
  14. 一種多功能濕有機淤渣處理系統，其包含：一淤渣乾燥器總成，其具有一淤渣入口，該淤渣入口經配置以接收包含水與有機廢棄物材料之一混合物之一淤渣，該淤渣乾燥器總成具有一乾燥部分，該乾燥部分具有外殼和在外殼中的淤渣推進總成，其中該淤渣推進總成可旋轉，以使得濕淤渣沿著一廢棄物路徑在外殼內移動，該淤渣乾燥器總成具有一加熱部分，該加熱部分與該廢棄物路徑相鄰並且建構成乾燥該淤渣並且將至少一部分水從固體廢棄物材料熱分離以提供乾燥固體燃料，該淤渣乾燥器總成具有一第一蒸汽入口和一第一蒸汽出口以及一乾燥廢棄物出口；一燃燒器總成，所述燃燒器總成連接至該淤渣乾燥器總成的該乾燥廢棄物出口，該燃燒器總成具有一燃燒部分，該燃燒部分從該乾燥廢棄物出口接收該固體燃料並且燃燒該固體燃料以產生熱量，並且該燃燒器總成具有一鍋爐，該鍋爐藉由來自燃燒該固體燃料的熱量加熱，且該鍋爐具有一第一水入口和第二蒸汽出口；一蒸汽驅動發電機，其與該鍋爐的該第二蒸汽出口連接並且建構成產生電力，該發電機具有一水出口，該水出口連接到該淤渣乾燥器總成的該第一蒸汽入口，其中來自該發電機的蒸汽進入該第一蒸汽入口，保持與廢氣物路徑中的淤渣分離，並且蒸發在該乾燥部分中移動的淤渣中的水；以及一水泵，具有連接到該蒸汽驅動發電機的該水出口的一第二水入口，其中該水泵連接到該第一水入口，並且該鍋爐建構成將進入該鍋爐的一水流轉換成一蒸汽流以便為該蒸汽驅動發電機提供動力。
  15. 如申請專利範圍第14項之系統，其進一步包含連接在該淤渣乾燥器總成和該鍋爐之間的凝結器，其中該凝結器建構成從該淤渣乾燥器總成接收蒸汽並向該鍋爐提供液態水。
  16. 如申請專利範圍第14項之系統，其進一步包含一淨水收集系統，該淨水收集系統連接到該第一蒸汽出口並且建構成收集從該濕淤渣熱分離的水。
  17. 如申請專利範圍第14項之系統，其中該淤渣推進總成是在該廢棄物路徑中的蒸汽加熱的螺運器，並且該蒸汽加熱的螺運器被建構成在乾燥過程期間移動和加熱該淤渣。
  18. 如申請專利範圍第14項之系統，其中該廢棄物乾燥器總成係一多段乾燥器，該多段乾燥器具有依序的第一及第二乾燥器段，其分別建構成通過利用來自所述蒸汽驅動發電機的排汽的熱量蒸發來自該淤渣的水來乾燥該淤渣。
  19. 如申請專利範圍第18項之系統，其中該第一乾燥器段由該淤渣分離之水來產生第一乾燥器水，且該第二乾燥器段具有一第一水載體部分，該第一水載體部分耦接至該第一乾燥器段且經配置以將該第一乾燥器水載運至該第二乾燥器段中的淤渣附近並且與該淤渣隔離，且該第二乾燥器段具有一第二水載體部分，該第二水載體部分與該第一水載體部分分離且經配置以將來自該蒸汽驅動發電機之該排汽載運至該淤渣附近，其中來自所述第一及第二水載體部分之熱量乾燥在其中移動之該淤渣。
  20. 一種用於產生淨水的淤渣處理系統，其包含：一淤渣乾燥器總成，該淤渣乾燥器總成具有一乾燥器外殼，該乾燥器外殼具有一淤渣入口，該淤渣入口建構成沿著一廢棄物路徑接收一淤渣流，該淤渣包含水和固體廢棄物材料的混合物，該淤渣乾燥器總成具有一加熱器系統，該加熱器系統連接到該乾燥器外殼並且具有與該廢棄物路徑相鄰並與該廢棄物路徑隔離的一蒸汽路徑，該加熱器系統建構成加熱該乾燥器外殼中的該淤渣，並且將蒸汽與該固體廢棄物材料熱分離以提供乾燥廢棄物材料，該乾燥器外殼具有一蒸汽出口和一固體燃料出口，該加熱器系統具有一蒸汽入口和一水出口；以及一蒸汽收集總成，其連接到該乾燥器外殼的蒸汽出口以接收從固體廢棄物材料熱分離的蒸汽，並且該蒸汽收集總成連接到該加熱器系統的蒸汽入口，並且被建構成將蒸汽從該乾燥器外殼引導進入該加熱器中以加熱沿該乾燥器外殼中的廢棄物路徑移動的淤渣；以及一水收集系統，其連接到該加熱器系統的該水出口並且建構成將汽相和/或液相的水從加熱器系統帶走。
  21. 如申請專利範圍第20項之淤渣處理系統，其中該淤渣乾燥器總成係一二級乾燥器，其具有依序的第一及第二乾燥器級，其中該加熱器系統包括形成為該第一乾燥器級的一部分的一第一加熱器和形成為該第二乾燥器級的一部分的一第二加熱器，其中該第一乾燥器級加熱該淤渣以向該第二乾燥器級提供稠化淤渣，其中該第二乾燥器級加熱該稠化淤渣以形成乾燥廢棄物材料，其中該第一乾燥器級包括該蒸汽出口，並且其中該第二加熱器包括該蒸汽入口，該第二加熱器接收來自蒸氣收集組件的蒸汽並使用該蒸汽將提供至該第二乾燥器級的淤渣加熱。
  22. 如申請專利範圍第21項之淤渣處理系統，其進一步包含：一燃燒器總成，該燃燒器總成連接到該乾燥器外殼的該固體燃料出口並且建構成接收來自該第二乾燥器級的乾燥廢棄物材料，該燃燒器總成具有一燃燒器，其建構成接收和燃燒該乾燥固體廢棄物材料，且該燃燒器具有一鍋爐，該鍋爐建構成從該燃燒器接收熱量；一個一次水迴路，其將一次水輸送到該鍋爐，該鍋爐加熱該一次水以形成蒸汽，其中該鍋爐包括一第一蒸汽出口；以及一動力裝置，其包含一蒸汽機和由該蒸汽機驅動的一發電機，該蒸汽機連接到該第一蒸汽出口以接收來自該第一蒸汽出口的蒸汽，該發電機建構成產生電力，該第一加熱器具有一流體路徑，該流體路徑具有一蒸汽入口和一流體出口，該蒸汽驅動發電機使用蒸汽入口將蒸汽排入該流體路徑，其中來自該流體路徑中的排汽的熱量使得淤渣中的水沸騰以形成稠化淤渣，其中該流體路徑中的蒸汽凝結成液體，並且其中該鍋爐通過該流體出口接收該液體，且該鍋爐建構成將液態水轉化成蒸汽以便為該發電機提供動力。
  23. 如申請專利範圍第20項之淤渣處理系統，其中該淤渣乾燥器總成包括一淤渣推進總成，所述淤渣推進總成可旋轉地定位在該乾燥器外殼中並且在乾燥過程期間沿著該廢棄物路徑移動該淤渣。
  24. 如申請專利範圍第20項之淤渣處理系統，其中，該淤渣推進系統是在該廢棄物路徑中的一蒸汽加熱的螺運器，並且建構成在乾燥過程期間加熱沿著該廢棄物路徑移動的淤渣。
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