热加工装置及热加工方法与流程

本发明涉及热加工装置及热加工方法，特别是热加工固体物料，更具体地涉及烘干、烘焙和热解含碳物料，如生物质、固体废物和化石燃料。

背景技术：

1、许多物理和化学过程都是放热或内热过程，下文统称为热加工，包括加热和冷却，其中需要供热或除热。

2、现有技术为物料供热或除热的手段包括：

3、(a)通过接触或混合的直接手段，例如使热烟气流或冷空气流通过待热加工的固体物料床；且/或

4、(b)通过热传递的间接手段，例如来自其他来源(如导热油)的热量通过热交换器传递到物料。

5、直接手段虽有许多优点，但在许多实际应用中会受到限制，原因是许多过程无法通过让固体物料接触或暴露于空气或其他介质来完成。例如，通过热烟气流干燥城市固体废物可能会传播病原体并向环境中排放有异味的化合物；可燃固体与热空气接触可能引起爆炸；通过吹冷空气冷却热固体产品可能会氧化该产品；空气中的氧气可能与固体物料发生反应；热解等过程需要在空气供应不足的情况下进行。在这些类型的应用中，最好是通过间接手段(例如热交换器)间接供热或除热。

6、通过传热来热加工固体物料的经济性很大程度上取决于建造较大的传热表面积。本技术人早期pct国际专利公布wo2015089556公开了一种碳质物料热解装置，其容器具有更大的传热表面积，该专利申请全部内容通过引用归并本文。然而，该专利申请公开的装置需要高能耗型搅拌器来连续搅拌待热加工的固体物料并将固体物料从固定容器的入口转移到出口。搅拌作用是固体颗粒运动中产生湍流的必要条件，而湍流对于提高固体颗粒传热速率又至关重要。除了能耗高之外，搅拌器还会加剧待加工固体物料与反应器壁之间的摩擦，从而对设备使用寿命产生负面影响。此外，需要高能耗型泵在足够高线速下泵送热交换介质，特别是液体，以获得流体湍流来提高传热速率。

7、现有技术中许多使用回转窑等设备的热加工工艺中，盛放待加工固体物料的容器需要具有厚壁，才能有足够的强度来承受待加工固体物料的重量。然而，厚壁却往往会减慢通过壁面的传热速率。由于传热系数相对较低，容器尺寸通常需要很大，才能提供足够的加工/停留时间来提供或移除热加工过程所需的热量。大容器尺寸又需要增加容器壁厚。厚壁结构和大型容器都会增加固定资产投入和运营成本。

8、有鉴于此，需要提供一项或多项特征有所改进的用于热加工固体物料并生产热加工产品的装置。另外，还需要提供一项或多项特征有所改进的用于热加工固体物料并生产热加工产品的方法。

9、本说明书中任何有关文献、设备、行为或认知的论述都是用来阐述本发明上下文，而不应视为承认任何材料在本技术权利要求的优先权日或更早日期构成了现有技术基础或相关技术常识的一部分。

技术实现思路

1、本发明第一方面提供了一种用于热加工固体物料来生产热加工产品的装置，该装置包括：

2、内容器，包括用于将固体物料提供给由内容器壁限定的内部空间中的入口以及用于移除内容器内产生的热加工产品的出口，所述内部空间限定内容器的入口与出口之间的第一通路；和

3、外容器，在所述内容器与所述外容器之间装有热交换介质，所述外容器包括用于将所述热交换介质提供给所述外容器中的入口以及用于从所述外容器内移除热交换介质的出口，所述内容器壁和外容器壁在外容器的所述入口与所述出口之间限定第二通路，所述内容器的构形使其至少部分地浸没于所述热交换介质中，所述第一通路和所述第二通路彼此在传热意义上接邻，以便相互间通过所述内容器壁进行传热，其中，所述内容器的构形使其为绕旋转轴线旋转来增强所述内容器壁与所述热交换介质之间的相对运动，增强固体物料的颗粒在所述内容器内相对于彼此以及相对于所述内容器壁的运动，使固体物料和热加工产品沿着第一通路流向所述内容器的所述出口；且其中，所述内容器壁垂直于所述内容器旋转时的施转轴线的最短距离沿旋转轴线长度变化，以增加通过所述的内容器壁的传热表面积。

4、所述装置的安装定位，使所述内容器在使用旋转时的所述旋转轴线与地平面之间形成一定倾斜角度。所述倾斜角度的选择，可调节所述内容器内正被热加工的固体物料沿着所述第一通路的传输速率。

5、所述热交换介质可以包括对所述内容器施加浮力的液体。

6、所述热交换介质可以包括对所述内容器施加浮力的加压流体。加压流体可以包括超临界流体。

7、所述外容器中所盛所述热交换介质的量可控制为使得所述热交换介质对所述内容器施加的浮力不大于所述内容器及其所盛所述固体物料的总重量。

8、所述内容器壁的布置，使得所述内容器壁到所述内容器旋转时的所述旋转轴线的最短距离沿着所述旋转轴线长度周期性变化。某一实施例中，所述内容器壁包括多个内突结构将所述内容器的所述内部空间分成一系列互连的腔室，所述内突结构沿着所述内容器的长度彼此间隔开。

9、每个内突结构可径向内伸并可包括互成锐角的第一环形壁面和第二环形壁面，所述第一壁面与所述第二壁面会聚限定所述内容器的内半径。所述锐角可以是45度以下，例如1度至5度之间或甚至1度至3度之间。

10、由于所述内突结构的第一环形壁面与第二环形壁面之间的锐角，可以在所述内容器的外部提供一系列径向向内缩窄的环形间隙。

11、多个挡板可附接至所述外容器并朝向所述内容器突出，其中至少一些挡板定位成与内容器的外部的环形间隙对准，所述挡板的构形使其引导所述热交换介质流入所述间隙。

12、所述外容器可具有半圆柱体状的下段和长方体状的上段。

13、所述装置还可以包括一个或多个滚筒和/或轴承，它们安装在所述内容器与所述外容器之间以支持所述内容器相对于所述外容器的旋转。

14、所述内容器的所述入口和所述出口部可署于所述内容器的相对两端处。

15、所述外容器的所述入口可部署于所述外容器的下面部分，并包括入口歧管，经由多个子入口将所述热交换介质沿着所述外容器长度分流进入所述外容器。

16、所述外容器的所述出口可部署于所述外容器的上面部分，并包括出口歧管，用于使所述热交换介质沿着所述外容器的长度经由多个子出口离开所述外容器。

17、所述装置可设置有碾磨介质，包括多个自由活动的碾磨介质体以碾压和磨碎所述旋转内容器内的所述固体物料。

18、所述装置的构型可使所述内容器内的峰值温度可控制在适合烘干所述固体物料的范围内。

19、所述装置的构型可使所述内容器内的峰值温度可控制在适合烘焙所述固体物料的范围内。

20、所述装置也的构型可使所述内容器内的峰值温度可控制在适合热解所述固体物料的范围内。

21、所述固体物料可以是如下任何一种或多种含碳物料：生物质、化石燃料和城市固体废物。

22、某一具体实施例中，所述内容器的所述内部空间由壁限定，例如两个或两个以上壁。此外，第二通路可以由所述内容器壁和外容器壁(例如所述外容器的入口与出口之间的两个或两个以上壁)限定。

23、本发明第二方面提供了一种用于热加工固体物料来生产热加工产品的装置，该装置包括：

24、内容器，包括用于将固体物料提供给至少一个内容器壁限定的内部空间中的入口以及用于移除内容器内产生的热加工产物的出口，所述内部空间限定所述内容器的入口与出口之间的第一通路；以及

25、外容器，在所述内容器与所述外容器之间装有热交换介质，所述外容器包括用于将所述热交换介质提供到所述外容器中的入口以及用于从所述外容器内移除所述热交换介质的出口，至少所述内容器的一个壁和至少所述外容器的一个壁在所述外容器的所述入口与所述出口之间限定第二通路，所述内容器的构形使其至少部分地浸没于所述热交换介质中，所述第一通路和所述第二通路彼此在传热意义上接邻，以便相互间通过所述内容器的至少一个内容器壁进行传热，其中，所述内容器的构形使其绕旋转轴线旋转来增强所述内容器的至少一个壁与所述热交换介质之间的相对运动，增强固体物料的颗粒在所述内容器内相对于彼此以及相对于所述内容器的至少一个壁的运动，使固体物料和热加工产品沿着所述第一通路流向所述内容器的出口；且其中，至少所述内容器的一个壁垂直于所述内容器旋转时的所述旋转轴线的最短距离沿所述旋转轴线的长度变化，以增加所述内容器的至少一个壁的传热表面积。

26、本发明第三方面提供了一种热加工固体物料来生产热加工产品的方法，该方法包括以下步骤：

27、将固体物料喂送到绕旋转轴线旋转的内容器中，其中，从所述内容器壁到所述内容器的所述旋转轴线的最短距离沿着所述旋转轴线长度变化；

28、将热交换介质喂送到外容器中，其中，所述内容器至少部分地浸没于所述外容器内的所述热交换介质中，以便所述热交换介质对所述内容器施加浮力，同时所述固体物料与所述热交换介质之间通过所述内容器壁发生热交换，以生产热加工产品；

29、将所述热加工产品从所述内容器的所述出口移除。

30、某一实施例中，所述内容器壁包括多个内突结构将所述内容器的内部空间分成一系列互连的腔室，所述内突结构沿着所述内容器的长度彼此间隔开。

31、某一实施例中，所述热交换介质包括液体或加压流体以增加所述浮力的力度。

32、某一具体实施例中，调节所述热交换介质的量以使浮力总和不大于所述内容器及其所盛所述固体物质的总重量。

33、本发明第四方面提供了一种热加工固体物料来生产热加工产品的方法，该方法包括以下步骤：

34、将固体物料喂送到绕旋转轴线旋转的内容器中，其中，从所述的内容器至少一个壁到所述内容器的所述旋转轴线的最短距离沿着所述旋转轴线长度变化；

35、将热交换介质喂送到外容器中，其中，所述内容器至少部分地浸没于所述外容器内的所述热交换介质中，以便所述热交换介质对所述内容器施加浮力，同时所述固体物料与所述热交换介质之间通过所述内容器的至少一个壁发生热交换，以生产所述热加工产品；

36、将所述热加工产品从所述内容器的所述出口移除。

37、本发明实施例有利地不再需要连续搅拌和转动固体物料的搅拌器。此外，利用浮力使旋转中的内容器悬浮会有利地降低装置的能量需求。此外，旋转的容器浸没入热交换介质会在内容器壁与热交换介质之间产生相对高速远动，实现了高传热速率。内容器旋转使固体物料在内容器内翻滚，促进了固体物料颗粒相对于彼此以及相对于容器壁(即热交换表面)的相对运动，这又会改善内容器壁与待加工固体物料之间的热传递。

38、热传递涉及至少两种物料，将热量从高温物料传递到低温物料。上述内容虽专注于热加工固体物料来引起固体物料的物理和/或化学变化，本领域技术人员应会理解上文公开的方法和装置可用于加工流体，即利用固体作为热交换介质使流体发生所需的物理和/或化学变化，仍不超出本发明的保护范围。