CN118043590A - 利用旋转产生的热能焚烧物质的方法和设备 - Google Patents

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CN118043590A CN202280066596.8A CN202280066596A CN118043590A CN 118043590 A CN118043590 A CN 118043590A CN 202280066596 A CN202280066596 A CN 202280066596A CN 118043590 A CN118043590 A CN 118043590A
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rotor
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T·欧尼
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Coolbrook Oy
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Abstract

提供了一种通过焚烧来处置有害和/或有毒物质的方法，该方法包括通过至少一个旋转设备(100)产生加热的流体介质，该旋转设备包括：壳体，其具有至少一个入口和至少一个出口；转子，其包括在安装到转子轴上的转子毂的圆周上布置的至少一排转子叶片；以及定子，其至少在所述至少一排转子叶片的上游被配置为固定叶片的组件。在所述方法中，借助于流体介质流分别通过所述固定导向叶片和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在壳体内在入口与出口之间形成的流动路径被引导的流体介质流。所述方法还包括：将所述至少一个旋转设备(100)集成到焚烧过程设施(1000)中，该焚烧过程设施被配置成焚烧设施，并且还被配置成通过在基本上等于或超过500摄氏度(℃)的温度下焚烧来进行与有害和/或有毒物质的处置相关的一个或多个焚烧过程(101)；以及将一定量的输入能量(E1)传导到集成在所述焚烧过程设施(1000)中的所述至少一个旋转设备(100)，所述输入能量(E1)包括电能。还提供了一种旋转设备(100)及其相关用途。

Description

利用旋转产生的热能焚烧物质的方法和设备
技术领域
本发明总体上涉及用于将热能(热量)输入到流体中的***和方法。具体而言，本发明涉及一种用于在与通过在高温和极高温度下进行焚烧来处置有害和/或有毒物质相关的工业过程中优化能效并减少温室气体和颗粒排放的工具和方法。
背景技术
工业界和政府一直在努力寻找用于实现显著减少温室气体(GHG)排放的技术。挥发性有机化合物(VOC)和有害空气污染物(HAP)向大气中的排放是一个重大环境问题，因为其中一些物质具有光化学臭氧产生潜力(POCP)、臭氧消耗潜力(ODP)、全球变暖潜力(GWP)、毒性、致癌性和局地臭味损害的可能性。挥发性有机化合物不受控制地向大气中排放会导致它们成为温室气体。因此，防止挥发性有机化合物的排放被认为是关键工业过程的运转所面临的最重要问题之一。
几乎任何工业设施都会产生废气，包括但不限于：炼油和石化产品生产、天然气处理、沼气处理、化学处理、食品和饮料加工、采矿、油漆/喷雾剂生产、制药行业和医疗设备制造、以及土壤和地下水修复。在这些工业中，焚烧可用于处置废料流和/或进行空气质量管理。
焚烧是处置包括工业气流、各种液体、固体以及它们的混合物在内的几乎所有废物的最著名方法之一。通常将来自工业空气流的气态污染物(例如VOC和HAP)在热焚烧炉中销毁，该热焚烧炉也被称为热氧化器。这些污染物通常基于烃，并且可能由有机化合物的复杂混合物组成。有时，污染物除了包含氢和碳以外，还可能包含各种含硫(S)和含氮(N)的化合物。在被通过热燃烧销毁时，它们被化学氧化从而形成二氧化碳和水。这种包含碳、氢、氧以及在某些情况下还包含氮和硫的有机化合物的混合物的燃烧可以通过由方程式1A和1B表示的总放热反应来描述：
热氧化器的废气除了包含二氧化碳和水之外，还可能包含氮氧化物、酸性气体、痕量金属和其它有害空气污染物，这些物质是从存在于废物中的化合物的燃烧或辅助燃料的燃烧产生的。在焚烧炉/氧化器后设置用于去除这些化合物的洗涤器或类似设备能够提供一种经济有效且对环境有益的途径来控制废料流；但是，这大大增加了焚烧***的安装和运行成本。
热氧化器的主要类型包括直接火焰/直接燃烧型热氧化器(后燃器)、催化型热氧化器(CTO)、蓄热型热氧化器(RTO)和回热型氧化器。在设计有效的热氧化器时要考虑的因素包括氧化器内部(燃烧室中)的温度、停留时间和湍流。温度必须高到足以点燃废气中的有机化合物。根据待燃烧的废物的性质，热氧化器在590-1200℃的温度范围内运行。停留时间(废气流在燃烧室中花费的时间)必须足以使燃烧反应发生，根据废气的类型，停留时间通常是0.2-1秒。湍流又限定将氧气与废气混合以实现后者的完全燃烧所需的燃烧空气的适当流量。
常规的热氧化器***如图1C所示。废气在被设置为燃烧室的焚烧炉101中燃烧，在该燃烧室中，火焰由辅助燃料(Qaf)、废气和在必要时添加的补充空气(Qa)的组合维持(在最简单的直接燃烧型***中)。通常，废气流中的全部有机物(挥发性有机化合物和其他物质)的燃烧所释放的能量不足以将其自身温度提高到期望水平。在这些情况下，必须添加辅助燃料(例如天然气)来提高温度(参见图1C中的Qaf)。符号“Q”表示在过程中产生的和/或向过程中输入的热能(热量)。在废气通过火焰时，废气被从其入口温度(Qwi)加热到其点火温度(后者取决于废物的性质)。废气预热器102和热量回收装置104(在此被配置成二次能量回收热交换器)是布置在焚烧设施中的能量回收装置。在某些情况下，热量回收装置不是焚烧炉/燃烧室的一部分(燃烧室被定义为(废)物质点火和燃烧的腔室)；但是，许多工业热氧化器具有至少一个集成到焚烧炉中的预热器(102)来预热废气。第一热交换器102的入口和出口处的废气(烟道气)被相应地表示为fi和fo。
废水焚烧是在使用空气氧化有机和无机废水污染物的同时在通常接近大气压的压力下和730℃至1200℃的温度范围内加热和/或蒸发含水部分的过程。焚烧是处理来自多化学产品工厂的废水的一种有效途径，这些废水带有各种有毒废水流，不能将这些有毒废水流送到常规的废水处理厂。废水可能源自工业或市政部门或任何其它来源。
除了接收固体废物作为原料之外，固体废物焚烧炉的运行方式与气态废物氧化器类似。在焚烧时，固体废物材料被转化为灰烬、烟道气和热量。灰烬主要由废物的无机成分形成，并且可能以由烟道气携带的固体团块或颗粒的形式存在。在将烟道气排入大气之前，必须清除其中的气体和颗粒污染物。固体废物焚烧炉的不同设计得到了认可，所有设计都利用热能来燃烧(固体)废物并销毁VOC和HAP。这些设计包括炉排式焚烧炉(固定或移动式)、回转窑、多炉膛焚烧炉、流化床焚烧炉、受控空气焚烧炉和过量空气焚烧炉。
焚烧炉和氧化器可以是小型预制模块化设计，也可以是必须现场建造的大型装置。其中的一些大型装置(尤其是用于燃烧城市废物的大型装置)包括可以用于生产蒸汽和/或发电的热量回收***。因此，直接火焰型焚烧炉可能包括回热式热交换器或回热***，该***以循环模式运行以实现高能量回收。已知的催化型焚烧炉***包括固定床(填充床或整料)***和流化床***，这两种***都能实现能量回收。
焚烧过程的电气化一直被视为减少排放的解决方案。电气化的障碍之一是实现在焚烧过程中所需的高温。举例来说，典型地用于销毁气体污染物(例如VOC)的热焚烧炉在590-650摄氏度(℃)的温度范围内运行，大多数有机化合物在该温度范围内着火。危险气体废物焚烧炉在980-1200℃的较高温度范围内运行。由于入口废气温度(参见图1C的Qwi)通常比燃烧所需的温度低得多，因此必须向焚烧炉提供附加的热能来预热废气并保持燃烧条件稳定。但是，在废物燃烧过程中释放的能量通常不足以将过程温度保持在所需水平。在这些情况下，通常通过将空气和燃料(例如天然气)连续输送到焚烧炉中来提供附加热量(分别参见图1C的Qa和Qaf)。燃烧缺氧的有机废气还需要向焚烧炉中供应附加的空气和燃料，源自化工厂(例如来自过程排气管线)的含VOC的工业废气就是这种情况。另一方面，在工业除臭***中处理的大多数含VOC的气体是空气中的可燃气体的稀释混合物；因此，它们的氧含量超过燃烧废弃有机物和辅助燃料所需的氧含量，但是它们的热值较低。虽然与(非催化)热氧化器相比催化***的工作温度较低，然而催化***也需要利用辅助燃料。但是，当使用化石燃料在焚烧炉中销毁挥发性有机化合物或其它废物时，挥发性有机化合物中的碳和化石燃料中的碳都会导致二氧化碳排放。热氧化器也是氮氧化合物(NOx)排放源之一。在尽量减少氮氧化合物排放时，低工作温度和均匀的温度分布是需要考虑的重要因素。
高温过程要求和遵守严格的环境法规的需要在所用的技术和能源方面给焚烧设施造成了沉重负担。虽然电力在一些高温工业过程中得到了应用，但是现有的焚烧技术和当前的经济状况还不足以这样做。
已经提出了若干个用于加热目的的旋转解决方案。因此，美国专利11,098,725B2(Sanger等人)公开了一种流体动力加热器泵装置，该装置可操作以选择性地产生加热流体和/或加压流体的料流。所提到的流体动力加热器泵被设计成结合在机动车辆冷却***中，以提供用于加热车辆车厢的热量，并提供其它能力，例如车窗除冰和发动机冷却。所公开的装置还能够提供用于冷却发动机的加压流体的料流。所公开的技术基于摩擦；并且，由于待加热的流体是液体，因此所提出的设计不适合涉及气体动力学的极端湍流的状况。
美国专利7,614,367B1(Frick)公开了一种通过将旋转动能转化为热量来无焰加热、浓缩或蒸发流体的***和方法。该***被配置用于流体加热，可以包括旋转动能产生器、旋转加热装置和主热交换器，这些装置都闭环流体连通。所述旋转加热装置可以是水力制动马力计。该文献公开了该***在海上钻井或生产平台中用于加热水的用途。但是，所提出的***不适合加热气态介质，也不能在高温和极高温度下使用(由于液体稳定性、蒸汽压等原因)。
此外，已知有一些旋转涡轮机型的装置实施烃(蒸汽)裂化过程，并且旨在最大限度地增加诸如乙烯和丙烯等目标产物的产量。
在此方面，考虑到以高效和环境友好的方式解决与流体物质的高温度相关的挑战，仍然需要在与高效加热***的设计和制造相关的技术领域中进行革新，尤其是那些适合于与高温和极高温度相关应用的技术。
发明内容
本发明的目的是解决或至少减轻至少一些由相关技术的限制和缺点引起的问题。一个或更多个目的是通过在本文中说明的用于产生加热的流体介质的方法、在本文中限定的旋转设备和相关用途的多种实施方案实现的。
在一个方面中，一种通过焚烧来处置物质(例如有害和/或有毒的物质或废物)的方法包括通过集成到焚烧设施中的至少一个旋转设备产生加热的流体介质。
根据一个实施方案，通过焚烧来处置物质的方法包括通过被集成到焚烧设施中的至少一个旋转设备来产生加热的流体介质，该方法提高了能效或减少了温室气体和颗粒排放，或既提高了能效又减少了温室气体和颗粒排放。
在一个实施方案中，通过焚烧来处置物质的方法包括通过被集成到焚烧设施中的至少一个旋转设备来产生加热的流体介质，所述至少一个旋转设备包括：壳体，其具有至少一个入口和至少一个出口；转子，其包括在安装到转子轴上的转子毂的圆周上布置的至少一排转子叶片；以及多个固定叶片，其至少在所述至少一排转子叶片的上游被布置成组件，其中，借助于流体介质流分别通过所述固定叶片和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在壳体内在入口与出口之间形成的流动路径被引导的所述流体介质流，由此产生加热的流体介质流，所述方法还包括：将一定量的输入能量传导到被集成到所述焚烧设施中的所述至少一个旋转设备中，该输入能量包括电能；将由所述至少一个旋转设备产生的加热的流体介质流供应到所述焚烧设施中；以及操作所述至少一个旋转设备和所述焚烧设施以在基本上等于或超过大约500摄氏度(℃)的温度进行一个或多个焚烧过程。
在另一个方面中，提供了一种在与焚烧相关的一个或多个过程期间将热能输入到流体介质中的方法。
在一个实施方案中，所述方法包括将热能输入到与在焚烧设施中的焚烧相关的一个或多个过程中，所述方法包括通过被集成到焚烧设施中的至少一个旋转设备产生加热的流体介质，所述至少一个旋转设备包括：壳体，其具有至少一个入口和至少一个出口；转子，其包括在安装到转子轴上的转子毂的圆周上布置的至少一排转子叶片；以及多个固定叶片，其至少在所述至少一排转子叶片的上游被布置成组件，所述方法还包括：将所述至少一个旋转设备集成到所述焚烧设施中，所述焚烧设施被配置成在基本上等于或超过大约500摄氏度(℃)的温度下进行与焚烧相关的一个或多个过程；将一定量的输入能量传导到被集成到所述焚烧设施中的所述至少一个旋转设备中，所述输入能量包括电能；以及操作被集成到所述焚烧设施中的所述至少一个旋转设备，以使得借助于流体介质流分别通过所述固定叶片和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在壳体内在入口与出口之间形成的流动路径被引导的流体介质流，从而产生加热的流体介质流。
在一个实施方案中，所述方法包括操作所述至少一个旋转设备，所述旋转设备可操作地连接至所述焚烧设施内的至少一个焚烧装置，所述至少一个焚烧装置被配置成在基本上等于或超过大约500摄氏度(℃)的温度下进行一个或多个焚烧过程。在实施方案中，在所述方法中，由所述至少一个旋转设备产生或在所述至少一个旋转设备中产生的加热的流体介质被供应到所述焚烧设施内的至少一个焚烧装置中。在实施方案中，所述至少一个焚烧装置包括下列装置或由下列装置组成：焚烧炉、熔炉、烘炉、窑炉、燃烧器、加热器、干燥器、锅炉、输送装置、反应器、或它们的任何组合。
如本文所用的“焚烧炉”指固体、半固体、液体或气体可燃废物在其中被点燃和燃烧的装置。在本文中所用的“熔炉”指这样的装置，作为燃烧和/或焚烧过程的一部分在该装置中产生或增加热量。“燃烧器”在本文中与安装在焚烧炉燃烧室中的设备相关联地使用，以点燃待燃烧的材料和/或混合辅助燃料气体和/或空气。如本文中所用的“燃烧器”是焚烧炉或熔炉的一部分。
在一个实施方案中，所述方法包括通过至少一个旋转设备产生被加热到基本上等于或超过大约500摄氏度(℃)的温度、或基本上等于或超过大约1200℃的温度、或基本上等于或超过大约1500℃的温度的流体介质。
在一个实施方案中，所述方法包括调节穿过所述旋转设备传播的所述流体介质流的速度和/或压力，以产生生成所述加热的流体介质流的条件。
在实施方案中，在所述方法中，所述加热的流体介质是由至少一个旋转设备产生的，所述旋转设备包括沿着所述转子轴按顺序地布置的两排或更多排转子叶片。
在一个实施方案中，在所述方法中，所述加热的流体介质由至少一个旋转设备产生，所述旋转设备还包括布置在所述至少一排转子叶片的下游的扩散器区域，所述方法还包括操作被集成到所述焚烧设施中的所述至少一个旋转设备，以使得借助于流体介质流按顺序分别通过所述固定导向叶片、所述至少一排转子叶片和所述扩散器区域时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在壳体内在入口与出口之间形成的流动路径被引导的流体介质流，从而产生加热的流体介质流。所述扩散器区域可以配有或没有固定叶片。
在实施方案中，在所述方法中，通过调节被传导到被集成到所述焚烧设施中的所述至少一个旋转设备中的输入能量的量来控制向穿过所述旋转设备传播的所述流体介质流增加的热能的量。
在实施方案中，所述方法还包括在所述至少一个旋转设备的下游布置附加的加热设备，并将反应性化合物或反应性化合物的混合物引入到穿过所述附加的加热设备传播的所述流体介质流中，由此通过一个或多个放热反应向所述流体介质流中增加所述一定量的热能。在实施方案中，在所述方法中，将所述反应性化合物或反应性化合物的混合物引入到被预热到预定温度的所述流体介质流中。在实施方案中，在所述方法中，将所述反应性化合物或反应性化合物的混合物引入到被预热到基本上等于或超过大约1500℃的温度的所述流体介质流中。在实施方案中，在所述方法中，将所述流体介质流预热到所述预定温度是在所述旋转设备中实施的。
在一个实施方案中，所述方法还包括通过被集成到所述焚烧设施中的至少两个旋转设备产生所述加热的流体介质，其中所述至少两个旋转设备并联或串联连接。在实施方案中，所述方法包括通过至少两个按顺序连接的旋转设备产生所述加热的流体介质，其中所述流体介质流在序列中的至少第一旋转设备中被预热到预定温度，并且其中通过向穿过所述序列中的第二旋转设备传播的所述被预热的流体介质流输入附加量的热能，所述流体介质流在至少第二旋转设备中被进一步加热。在实施方案中，在所述序列中的所述至少第一旋转设备中，所述流体介质流被预热到基本上等于或超过大约1500℃的温度。在实施方案中，在所述方法中，通过将所述反应性化合物或反应性化合物的混合物引入到穿过所述序列中的所述至少第二旋转设备传播的所述流体介质流中而将所述附加量的热能增加到所述流体介质流中。在实施方案中，所述方法包括将所述反应性化合物或反应性化合物的混合物引入到所述焚烧过程中。
在一个实施方案中，在所述方法中，进入所述旋转设备的所述流体介质基本上是气态介质。
在一个实施方案中，所述方法包括在所述旋转设备中产生所述加热的流体介质。在实施方案中，在所述方法中，在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质是有害和/或有毒的气体。在实施方案中，在所述方法中，在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质是包含下列物质中的任何一种的气体：挥发性有机化合物(VOC)、有害空气污染物(HAP)、有气味的气体、或它们的任何组合。在实施方案中，在所述至少一个旋转设备中产生的加热的流体介质包括源自任何工业设施的废气或由源自任何工业设施的废气组成，包括但不限于：炼油和石化产品生产、天然气处理、沼气处理、化学处理、食品和饮料加工、采矿、油漆/喷雾剂生产、制药行业和医疗废物及设备制造、土壤和地下水修复、或它们的任何组合。在实施方案中，在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质包括惰性气体，例如氮气(N2)或空气。在一些配置中，在所述旋转设备中产生的加热的流体介质包括下列物质中的任何一种：空气、蒸汽(H2O)、氮气(N2)、氢气(H2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、或它们的任何组合。
在实施方案中，在所述方法中，在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质是从所述焚烧设施中的焚烧过程期间产生的废气中回收的再循环气体。
在实施方案中，所述方法还包括在所述旋转设备外部产生加热的流体介质(例如气体、蒸气、液体以及它们的混合物)和/或加热的固体物质，这是通过在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质与绕过所述旋转设备的上述物质中的任何一种之间的热传递过程进行的。在实施方案中，在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质(例如气体)被用作供应到所述焚烧装置/过程中的固体材料的燃烧介质。
在实施方案中，在所述方法中，由所述至少一个旋转设备产生或在所述至少一个旋转设备中产生的所述加热的流体介质还被供应到所述焚烧设施内的至少一个焚烧装置中，所述至少一个焚烧装置包括下列装置或由下列装置组成：焚烧炉、熔炉、烘炉、窑炉、燃烧器、加热器、干燥器、锅炉、输送装置、反应器、或它们的组合。
在实施方案中，所述方法还包括增大穿过所述旋转设备传播的所述流体介质流中的压力。
在实施方案中，在所述方法中，作为输入能量被传导到集成在所述焚烧设施中的所述至少一个旋转设备中的电能的量在大约5％至100％范围内。在实施方案中，在所述方法中，作为输入能量被传导到集成在所述焚烧设施中的所述至少一个旋转设备中的电能的量可以从可再生能源或不同能源的组合获得，任选地，可再生能源的组合。在实施方案中，在所述方法中，通过将所述至少一个旋转设备与至少一个非电能操作的加热器装置一起集成到所述焚烧设施中，利用所述至少一个旋转设备来平衡电能的量的变化，例如过量供应和不足，任选地，所述电能是可再生电能。
在另一个方面中，提供了一种焚烧设施，所述焚烧设施包括至少一个被配置成产生加热的流体介质的旋转设备和至少一个被配置成进行与焚烧相关的一个或多个过程的焚烧装置。
在一个实施方案中，在所述焚烧设施中，所述至少一个旋转设备包括：壳体，其具有至少一个入口和至少一个出口；转子，其包括在安装到转子轴上的转子毂的圆周上布置的至少一排转子叶片；以及多个固定叶片，其至少在所述至少一排转子叶片的上游被布置成组件，其中所述至少一个旋转设备被配置成在操作时，使得借助于流体介质流分别通过所述固定叶片和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在壳体内在入口与出口之间形成的流动路径被引导的流体介质流，由此产生加热的流体介质流，并且其中所述至少一个旋转设备被配置成接收一定量的输入能量以产生加热的流体介质，该输入能量包括电能，以将热能输入到至少一个操作装置中，所述操作装置被配置成在基本上等于或超过大约500摄氏度(℃)的温度下进行一个或多个焚烧过程。
在实施方案中，在所述焚烧设施中，所述至少一个旋转设备连接到至少一个焚烧装置，所述焚烧装置包括下列装置或由下列装置组成：焚烧炉、熔炉、烘炉、窑炉、燃烧器、加热器、干燥器、输送装置、反应器、或它们的组合。
在实施方案中，在焚烧生产设施中，所述至少一个旋转设备包括沿着所述转子轴按顺序地布置的两排或更多排转子叶片。在一个实施方案中，在所述至少一排转子叶片上游被布置成组件的固定叶片被配置为固定导向叶片。在一个实施方案中，所述至少一个旋转设备还包括被布置在所述至少一排转子叶片的下游的扩散器区域。所述扩散器区域可以配有或没有固定扩散器叶片。在一些配置中，可以将叶片扩散器实施为在所述至少一排转子叶片的下游被布置为组件的多个固定叶片。
在一个实施方案中，在所述焚烧设施内提供的所述至少一个旋转设备还被配置成增大穿过其传播的流体流中的压力。
在一些配置中，在所述焚烧设施内提供的所述至少一个旋转设备被配置成实现在所述入口与所述出口之间沿着按照下列轨迹中的任何一种形成的流动路径流动的流体流：在基本上环形的壳体内形成的基本上螺旋形的轨迹；在基本上管状的壳体内形成的基本上螺旋形的轨迹；以及沿着由卷成左右方向的涡环的两个螺旋的形式的流体介质流形成的流动路径的基本上径向的轨迹。
在一个实施方案中，所述焚烧设施包括被布置成组件并且并联或串联连接的至少两个旋转设备。
在实施方案中，所述焚烧设施被配置成通过热氧化过程来实施废气的焚烧。
在另一个方面中，提供了一种组件，该组件包括至少两个根据一些前述方面所述的旋转设备，所述旋转设备是并联或串联连接的。
在另一个方面中，提供了一种装置，该装置包括至少一个根据一些前述方面所述的旋转设备，所述至少一个旋转设备连接到所述焚烧设施中的至少一个焚烧装置。
在另一个方面中，提供了一种焚烧设施，该焚烧设施被配置成通过根据一些前述方面和实施方案所述的方法实施焚烧过程；并且该焚烧设施包括至少一个根据一些前述方面所述的旋转设备。在另一个方面中，提供了一种焚烧设施，该焚烧设施被配置成通过根据一些前述方面和实施方案所述的方法实施用于通过焚烧来处置有害和/或有毒物质的一个或多个过程。在一个方面中，提供了根据一些前述方面和实施方案所述的方法和/或设施在通过焚烧处置有害和/或有毒物质中的用途。
取决于本发明的每个特定实施方案，由于多种原因，本发明具有实用性。
总体来说，实施方案提供了电驱动的旋转流体加热器，其提供用于焚烧过程的高温流体(例如气体)，而不是燃料燃烧器。所提出的方法能够将热能输入到所述耗热设施中，例如在高温和极高温度下运行的焚烧设施中使用的熔炉，所述温度例如是通常超过500℃的温度。本发明提供了一种用于将流体物质加热到大约500℃至大约1500℃范围内以及超过大约2000℃的温度(即，用于各种废物的焚烧/燃烧的温度)的设备和方法。
各种物质在焚烧炉中的燃烧通常采用对热能和热消耗有很高需求的设施，例如燃料燃烧器。所述耗热设施用于将流体加热至焚烧过程所需的温度。在此提出的本发明能够使用旋转设备替代常规的耗热设施，例如燃料燃烧器。在所述方法中，用旋转设备替代火焰加热器的优点至少包括：
-支持电加热；
-消除或至少显著地减少源自燃料的温室气体(例如NO、CO2、CO、NOX)、其它有害成分(例如HCl、H2S、SO2,和重金属)、颗粒排放和烟尘排放；
-减小加热器的体积：与常规的过程加热器或热交换器的体积相比，所述旋转设备的体积可以至少小一个数量级；
-降低投资成本；
-提高在使用易燃、危险流体/气体的情况下的安全性；
-能够处理大量气体；
-没有压降；
-所述旋转(加热器)设备也能够用于气体压缩(鼓风机功能)；
-气体直接加热与温差无关。旋转设备中的温升可以在大约10℃至1700℃或更高数值的范围内；
-任选地通过优化热交换器中的温差能够在流体的间接加热中使用所述旋转设备；
-能够至少部分地回收利用热过程气体，从而改善和简化热量回收并提高能效；
-能够通过添加反应性化学物质进一步提高待加热的气体的温度，所述反应性化学物质通过放热反应进一步提高气体温度，例如提高至2000℃或更高。
在实施方案中，所述旋转设备可以用于替代焚烧过程中的常规燃料燃烧加热器或燃烧器。传统上，这种热量主要是通过燃烧化石燃料产生的，而这导致大量二氧化碳排放。用木材或其它生物基材料替代化石燃料具有严重的资源限制和其它严重的环境影响，例如在可持续土地利用方面。随着可再生电力的成本效率的提高，即，随着风能和太阳能的快速发展，有可能使用由可再生电力驱动的旋转设备替代化石燃料燃烧，从而显著减少温室气体排放。所述旋转设备允许将流体电加热至高达1700℃或更高的温度。使用目前的电加热应用很难或不可能达到这样的温度。
所述旋转设备可以用于直接加热过程气体(废气)、惰性气体、空气或任何其它气体，或用于间接加热过程流体(液体、蒸气、气体、蒸气/液体混合物等)。所述旋转设备可以用于直接加热从燃烧(废)物质产生的废气中回收的再循环气体，例如焚烧中的固体和/或液体。在所述旋转设备中产生的加热的流体可用于加热气体、蒸气、液体和固体物质中的任何一种。所述旋转设备可以至少部分地替代在传统上用固体、液体或气体化石燃料或在某些情况下用生物基燃料燃烧或加热的多种类型的熔炉、加热器、窑炉、气化器和反应器，包括在焚烧中使用的焚烧炉装置或燃烧炉，或者可以与它们组合(例如作为预加热器)。这样的用具包括但不限于：焚烧炉、燃烧器、(燃烧)炉、烘炉、加热器、干燥器、输送装置、反应器、以及它们的组合。加热的气体可能是易燃的、反应性的或惰性的，并且可以被再循环至旋转设备。除了加热之外，所述旋转设备可以作为组合的鼓风机和加热器，从而允许增加压力和再循环气体。
加热的流体(例如气体)可用于各种应用中。加热的物体可以是固体物质、液体或气体，该气体还参与若干个反应或被用作加热介质。因此，热气体可以用于加热焚化厂等设施中的固体材料。
通过将所述旋转设备整合到焚烧设施中，完全或部分地消除了向燃烧过程中引入辅助燃料的需要。这自然能够减少废气排放。因此，在替代火焰加热器时，本发明能够减少温室气体(一氧化碳、二氧化碳、氮氧化合物)和颗粒排放。通过使用所述旋转设备，能够具有用于过程的闭合或半闭合加热回路，并且能够通过减少烟道气中的热损失来提高过程的能效。在常规的加热器中，烟道气只能被部分地回收利用。
此外，本方案能够在间接加热中改善热交换器中的温差优化。
集成到所述焚烧设施中的所述旋转设备还提供高湍流，从而实现了废气的完美混合。也可以向旋转设备中注入补充氧气(空气)或辅助燃气。在所述旋转设备中被加热的所述流体介质的温度分布是均匀的，即，不会出现使用常规燃烧器时遇到的温度峰值。均匀的温度分布允许显著减少氮氧化合物和一氧化碳/二氧化碳排放物的形成。
本发明还实现了灵活地使用电能，例如能够从可再生资源获得的电能。可再生能源的生产每天甚至每小时都在变化。本发明允许通过将在此公开的所述旋转设备与常规的以燃料工作(燃烧燃料)的燃烧器集成以向所述焚烧过程提供热量来平衡可再生能源发电。
与传统的化石燃料燃烧炉相比，本发明还能够降低现场投资成本。
术语“气化”在此用于表示物质被通过任何可能的方式转化为气体形式。
表述“若干个”在此指从一(1)开始的任何正整数，例如一、二或三。表述“多个”在此指从二(2)开始的任何正整数，例如二、三或四。术语“第一”和“第二”在此仅用于将一个元件与另一个元件区分开来，而不表示任何特定的顺序或重要性，除非另有明确说明。
通过考虑详细说明和附图，本发明的不同实施方案将变得明显。
附图说明
图1A和1B是表示被配置成实施本发明的实施方案的方法的焚烧设施的布局(在1000处)的框图。图1C示出了常规的焚烧***。
图2A-2D示出了本发明的实施方案的制氢设施内的一个或更多个旋转设备100的示例性布局。
图3是本发明的实施方案的设施和方法的示意图。
具体实施方式
在此参照附图公开本发明的详细实施方案。
图1A和1B是表示被配置成实施本发明的实施方案的方法的焚烧设施的布局(在1000处)的框图。图1A是气态或液态进料焚烧的示例性布局，图1B是任选地与含氧废气结合的固态或液态进料焚烧的示例性布局。图2A-2D和图3说明了本发明的实施方案的设备和方法。附图和相关实例仅用于示例性目的，并非意图将本发明概念的适用性限制于在本公开中明确呈现的布局。以虚线示出的框图部分是任选的。
过程设施1000是被配置成在基本上等于或超过500摄氏度(℃)的温度下进行一个或更多个焚烧过程101的设施。在本公开中，术语“焚烧”和“氧化”通常指废物中的有机物质的热处理。术语“焚烧”通常用于描述诸如危险废物、医疗废物、市政废物或污水废物等固体和液体废物的燃烧过程。就包含挥发性有机化合物(VOC)、有机有害空气污染物(HAP)和/或有气味的气体的气态废料流而言，术语“焚烧”和“氧化”以及“焚烧炉”和“氧化器”在本公开中可以互换使用，并且通常包括热和/或催化氧化器。
设施1000可以表示为工业设备、工厂或包含被设计用于进行物质的焚烧(尤其是废物的焚烧)的设备的任何工业***。设施1000可以被配置用于通过焚烧处置从外部工业设施收集的物质。设施1000可以被配置用于焚烧有害和/或有毒物质。附加地或替代地，设施1000可以被配置用于焚烧废物和/或所谓的有气味的化合物(主要是通常源自硫酸盐法制浆(kraft pulping)过程的气体中所包含的含硫化合物)。在某些情况下，焚烧可以通过热和/或催化氧化过程进行。
在实施方案中，设施1000被配置成在500-1700℃范围内的温度下进行所述工业焚烧过程。在实施方案中，设施1000被配置成进行工业焚烧过程，该过程开始于基本上在大约800-900℃或更高数值的范围内的温度。
在实施方案中，设施1000被配置成在基本上等于或超过1000℃的温度下进行所述工业焚烧过程。在实施方案中，设施1000被配置成进行开始于基本上在大约1100-1200℃或更高数值的范围内的温度的工业焚烧过程。在实施方案中，所述设施被配置成在基本上等于或超过1200℃的温度进行所述工业焚烧过程。在实施方案中，所述设施被配置成在大约1300-1700℃范围内的温度进行所述工业焚烧过程。在实施方案中，所述设施被配置成在基本上等于或超过1500℃的温度进行所述工业焚烧过程。在实施方案中，所述设施被配置成在基本上等于或超过1700℃的温度进行所述工业焚烧过程。应指出的是，不排除设施1000在低于500℃的温度和高于1700℃(例如高达约2000℃)的温度进行至少一部分工业焚烧过程。
除非另外明确指出，否则进一步的说明使用如图1A和1B中所示的附图标记。与焚烧相关的过程和被配置成在设施1000内进行所述过程并被称为焚烧过程装置/用具的相应操作装置共同由附图标记101表示。设施1000可以包括被配置成进行与焚烧相关的相同或不同过程的若干个操作装置101。在实施方案中，操作装置101包括至少一个被配置成进行与焚烧相关的过程的装置或由至少一个被配置成进行与焚烧相关的过程的装置组成。在实施方案中，装置101是被配置成进行废料流的焚烧的热焚烧炉/热氧化器。焚烧装置101可以采用任何可能的配置，包括但不限于直燃型热氧化器、催化型热氧化器、蓄热型热氧化器和回热型氧化器。在实施方案中，装置101包括任何适当类型的燃烧炉/燃烧室或由任何适当类型的燃烧炉/燃烧室组成。在附加的或替代的实施方案中，操作装置101可以包括窑炉、反应器、熔炉或任何其它耗热装置，或由这些装置组成，这些装置被配置成接收废气和/或任何有害/有毒气体作为产热中使用的辅助燃料。焚烧过程中材料的燃烧通常具有高热能需求和消耗，并且，在常规的方案中，会产生大量向大气中排放的工业排放物，例如二氧化碳。本公开提供了一种用于将热能输入到具有高热能需求的焚烧过程101的方法和设备，由此能够显著提高所述过程中的能效和/或减少向大气中释放的空气污染物的量。布局1000(图1)示意性地示出了这些改进的设施和方法。
在实施方案中，所述方法包括借助于旋转加热器装置100产生加热的流体介质，该旋转加热器装置100包括至少一个旋转设备或由至少一个旋转设备组成，该设备在下文中被称为设备100。为了清楚起见，所述旋转加热器装置在本公开中由与旋转设备相同的附图标记100表示。所述旋转加热器装置优选集成到过程设施1000中。在一个实施方案中，所述加热的流体介质由所述至少一个旋转设备产生；但是，也可以串联或并联地使用多个旋转设备。
可以将旋转设备100设置为独立设备，或者设置为串联(顺序)或并联布置的若干个设备。一个或更多个设备可以连接至公共操作装置101，例如焚烧装置。连接可以是直接连接，或者可以通过若干个热交换器连接。
操作装置101被设置为一个或更多个焚烧炉、燃烧炉、或适于实施与物质的焚烧相关的过程的其它设施。在一些配置中，在装置100中被加热的流体(例如气体)的热能被用于实施装置101中的过程。在这种情况下，在装置100中被加热的流体(例如废气)至少部分地形成装置101的过程流体。在某些其它配置中，在装置100中被加热的流体将其热能传递给在窑炉、反应器、熔炉或任何其它耗热装置(在此以附图标记101表示)中使用的过程流体，以间接地向所述过程提供反应热。在直接加热的情况下，在装置100中被加热的流体不同于在操作装置/过程101中使用的过程流体。例如，在旋转设备100中产生的流体介质(例如空气或氮气)的热能可以完全或部分地替代由适于处置废气和/或任何有害/有毒气体的工业窑炉或熔炉(101)中的燃料燃烧器产生的热能。出于本发明的目的，术语“过程流体”、“过程料流”或“过程流体流”用于表示气体、液体、蒸气、固体(包括粒状、颗粒状或粉末状材料)中的任何一种或它们的混合物。在涉及所述间接加热的配置中，可以利用所谓的“热交换器”型配置将增加到旋转设备100中的流体中的热能传递至操作装置/过程101，在本文中，所述“热交换器”型配置表示为任何现有的火焰加热器、熔炉或反应器或任何常规的热交换器装置，其中所有这些装置都被视为装置101。
适于焚烧的过程装置/设施101通常是一个或更多个焚烧炉、氧化器和/或燃烧炉。在一些配置中，若干个旋转设备单元可以连接至多个过程设施101。可以设想不同的配置，例如连接至n个装置(例如熔炉)的n+x个旋转设备，其中n等于或大于零(0)，x等于或大于一(1)。因此，在一些配置中，设施1000(尤其是旋转加热器装置100)可以包括一个、两个、三个或四个并联的旋转设备单元，这些旋转设备单元连接至公用的耗热装置，例如熔炉；不排除超过四(4)个的旋转设备数量。当将若干个旋转设备并联连接至公用的耗热装置时，所述设备100中的一个或更多个可以具有不同类型的驱动引擎，例如，由电动机驱动的反应器可以与由蒸汽轮机、燃气轮机和/或燃气发动机驱动的反应器组合。
在一个实施方案中，一定量的输入能量E1被传导到作为(旋转)加热器装置集成到过程设备1000中的至少一个旋转设备100中。输入能量E1优选包括电能。在实施方案中，作为输入能量被传导到集成在耗热过程设施中的所述至少一个旋转设备中的电能的量在大约5％至大约100％的范围内，优选在大约50％至大约100％的范围内。因此，作为输入能量被传导到集成在耗热过程设施中的所述至少一个旋转设备中的电能的量可以构成下列百分数中的任何一个：5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％和100％(来自总能量输入)、或者介于上述的点之间的任何中间值。
电能可以从外部源或内部源提供。实际上，提供到所述设备中的电输入能量E1可以用电功率来定义，电功率被定义为每单位时间的能量转移率(以瓦特为单位测量)。
在图1A和1B的设施布局中实施的本发明的一些实施方案的细节如下所述。对于图1A和1B，为组成成员使用以下名称。料流：1.进料；2.预热的进料或进料混合物；3.借助于旋转设备100加热的进料；4.离开焚烧过程101的热流体介质(流出物)；5.被引导到净化过程的流体介质；6.废气流(燃烧产物，例如氧化的废气)；7.被引导到热量回收过程的进料流；8.来自热量回收的热流体流；9.将在焚烧过程101中被热流体介质加热/燃烧的过程料流(通常为固体或液体废物)；10.固体残渣/灰烬。工段(装置)：100.旋转加热器装置(旋转设备)；101.焚烧过程/装置；102.预热器装置；104.热量回收装置；105.净化装置。
旋转设备100被配置成接收进料流1，该进料流1在下文中被称为进料1。总体来说，进料1可以包括作为纯组分或组分混合物提供的任何流体或由任何流体组成，例如液体或气体或它们的组合。在实施方案中，进料1是将被通过焚烧处理的气态物质，例如废气(VOC、HAP、有气味的气体等)(图1A)。可以用空气或其它惰性气体稀释废气。附加地或替代地，气态进料1可以包含惰性气体，例如空气(图1B)。总体来说，进料流1可以包含惰性气体(例如氮气)、反应性气体(例如氧气)、可燃气体(例如烃)、或任何其它气体(例如空气)或(水)蒸汽。
优选地，进料1基本上以气态形式进入设备100。对进料进行预热或将液态或基本上液态的进料转化为气态形式可以在任选的预热器装置102中进行，该预热器装置102被配置成(预)加热器设备或一组设备。在预热器装置102中，最初以气态形式提供的进料流(例如一种或更多种过程气体)可以被进一步加热(例如过热)。在预热器装置102中，如果进料1还不是气体形式，那么可以将其蒸发，并且任选地过热。
预热器装置102可以是被配置成向流体物质提供热量的任何常规装置/***。在一些配置中，预热器装置102可以是火焰加热器(即，使用热燃烧气体(烟道气)来提高流体进料(例如流过布置在加热器内的盘管的过程流体)的温度的直燃式热交换器)。附加地或替代地，可以将预热器装置102配置成利用可以从所述焚烧设施中的其它装置获得的能量(例如通过从来自热量回收过程的热料流13提取热能)。因此，可以将预热器装置102配置成利用其它蒸汽流以及电力和/或废热流(未示出)。
根据操作过程101和相关设备(在这个实施方案中是(废)物质的焚烧)，用于借助于旋转加热器装置(设备100)产生加热的流体介质的进料流1可以包括新鲜进料，即，来自任何工业设施的废气和/或再循环流。因此，进料1可以由新鲜进料、再循环(流体)流以及它们的混合物中的任何一种组成。除了进料1之外，代表(预)加热进料的料流2可以包括所有再循环料流，例如来自热量回收段104(参见图1A和1B的料流8)和/或来自净化段105(未示出)的料流。
在旋转加热器装置/旋转设备100中，温度升高到焚烧过程101所需的水平或旋转设备所达到的最高水平。在由旋转设备100实现的温升不足以用于工业焚烧过程的情况下和/或例如在流体已经将其热量传递给所述过程之后需要使流体的温度再次升高的情况下，可以通过在旋转加热器装置100(100A)的下游布置附加的加热器装置(100B、103)来实现进一步的温度升高，所述附加的加热器装置(100B、103)进一步被称为“辅助”加热器；参见对图2B的说明。每个附加的加热器装置包括按照以下说明实施的附加加热装置或由该附加加热装置组成。
在本文中所述的通过焚烧处置(废)物质的过程中，主要的热量消耗源是可燃原料的加热。通过在选定的流入料流与流出料流之间提供热量回收，通常能够提高所述过程的能效。热量回收段在图1A和1B中以附图标记104示出。从包含燃烧产物的流出料流4中回收的热量以及可能已经存在于装置101中或被增加到装置101的流入料流中的任何惰性化合物可用于预热进入的废料流1、辅助空气(未示出)或这两者。附加地或替代地，在装置104中回收的热量还可以用于加热再循环流(参见料流8)。
热量回收可以通过收集离开过程装置101的气体并将这些气体再循环到预热器装置102和/或旋转设备100来布置。热量回收装置104可以表示为至少一个热交换器装置。可以使用基于任何适当技术的热交换器。如果热量在其它地方被消耗，或者因安全或任何其它原因而不能回收热量，那么热量回收对于加热进料气体可能是任选的。应注意的是，热交换器装置也可以用作预热器装置102。
在设施布局1000中，可以将热量回收装置104布置在预热器102之前和/或之后。在后一种配置中，热量回收装置104被布置成从来***烧炉101的热流出物(料流4)中回收热量，该热量可以被进一步用于加热进料流1(例如废气进料流)和再循环流8。另一方面，当热量回收装置104被布置在预热器102之前时，进料1首先被引导至装置104(作为料流7)，然后被作为料流8返回预热器102。在这种情况下，装置104作为第一预热器。
可以将离开焚烧过程装置101的燃烧气体进一步引导至净化装置105(任选地绕过热量回收装置104)，并且在净化之后将其返回至热量回收装置(未示出)。净化装置105被配置成对从焚烧过程101排出的料流进行净化和分离。可以将装置105配置成去除作为料流4、5从焚烧装置101中排出的废气中所包含的杂质和/或有害化合物(图1A、1B)。在某些情况下，净化装置105可以是洗涤器。
净化装置105还可以适于净化从所述焚烧装置排出的废气(例如二氧化碳)，以实现进一步的碳捕获。因此，被作为料流6(图1A、1B)从所述焚烧设施中排出的废气还可以用于碳捕获(未示出)。净化废气的适当方法例如包括变压吸附(PSA)、蒸馏、吸收、以及这些方法的任何组合。
从焚烧101排出的废气可能包含氮氧化物、酸性气体、卤素、痕量金属(例如砷、铍、镉、铬、镍和汞)以及由废物中存在的化合物的燃烧或补充燃料的燃烧产生的其它有害空气污染物(例如二噁英和呋喃)。举例来说，可以利用还原剂来控制氮氧化物的形成，该还原剂例如是基于氨和尿素的洗涤剂(scrubbers)。可以利用机械收集器、湿式洗涤器、织物过滤器和静电除尘器来控制微粒，包括微量金属。可以与微粒物质控制装置相结合地使用喷雾干燥器、水喷雾器或通过注入碳来控制二噁英和呋喃的形成。
为了去除由含有卤化化合物和含硫化合物的废料流的焚烧导致的排放物中所含的氯化氢、二氧化硫和其它酸性气体，可以将净化装置105配置为酸性气体去除***，例如湿式洗涤器。
附加地或替代地，可以将净化装置105配置为次级热量回收装置。图3示出了净化装置105被按照适于进行热量回收的热交换器配置设置的配置。
在实施方案中，进行焚烧过程101所需的加热的流体介质由至少一个旋转设备100产生。因此，被集成到所述焚烧设施中的所述至少一个旋转设备100可以完全或部分地替代焚烧装置101和/或焚烧设施1000中的燃料燃烧器。
在一个实施方案中，所述加热的流体介质在旋转设备100中产生，其中一定量的热能被直接添加到穿过所述设备传播的流体介质中。这种配置可适用于废气和废液的焚烧或热氧化(图1A)。图1A的配置利用气态物质作为进料1，例如VOC、HAP和/或能够在焚烧装置101中发生燃烧的任何其它可燃气体。一些非挥发性有机化合物可以包括丙酮、甲烷和氯甲烷。
挥发性有机化合物(VOC)通常被定义为在废气中发现的任何非固体有机化合物，无论其挥发性如何。术语VOC涵盖多种物质，包括被以气相形式释放到空气中的所有有机化合物，无论是烃还是取代烃。HAP通常被定义为气态有毒化合物，这些化合物是已知的致癌物质，并且可能会对健康造成其它严重影响。HAP包括二噁英/呋喃、氯化氢、硫化氢、氯甲烷等。
所谓的“有气味的气体”是源自纸浆和造纸行业的气体，例如源自硫酸盐制浆过程(从木材生物质材料中以化学方式去除木质素)。在制浆期间，会形成大量低分子量和挥发性化合物，例如含硫化合物以及甲醇、乙醇、丙酮和萜烯。在纸浆和造纸行业中，通常在石灰窑中燃烧有气味的气体。
因此，在所述旋转设备中产生的加热的流体介质是废(进料)气，该废(进料)气可以任选地被稀释(参见图1A的料流1-3)。料流4、5表示从焚烧装置/过程101排出的废气和任选的颗粒物质，也称为热流体介质或热流出物。在直接加热中，料流1-5可以被称为工作或过程流体。
图1B示出了一种布局，其中可以将在旋转设备100中产生的所述加热的流体介质进一步用作载体以将热能传递至被配置成实施或调节与(废)物质的焚烧相关的一个或多个过程(101)的操作单元101。这种配置可适合于固体物质的焚烧。在某些情况下，可以采用配置1B将固体物质的焚烧与含氧废气进料的焚烧相结合。
在图1B的布局中，进料流1可以表示为空气或含氧废气。可以在旋转设备100中对进料1加热，并进一步将其用于将由所述旋转设备产生的热量输送到适于进行焚烧过程101的燃烧炉。将在焚烧炉101中燃烧的废料流在图1B中用附图标记9表示。料流9可以表示为任何固体或液体废物(市政、医院或医疗废物、受污染的土壤、废水等)。不排除使用任何介质作为料流9，例如气体、蒸气、液体、固体、以及它们的混合物。
在此方面，加热的介质(例如由过程101利用的流体或固体流)的产生可以通过在旋转设备中产生的加热的流体介质与由过程101利用的适当的(废)介质之间的热传递过程在旋转设备外部进行，从而绕过旋转设备。因此，在本文中，绕过旋转设备100的废料流9可以被称为过程料流，而通过旋转加热器100到达焚烧炉101的料流1-3可以被称为“传热介质”，该传热介质将热能输入到焚烧过程101中。还应注意的是，在实践中，从旋转设备100到达焚烧炉101的热流出物3作为燃烧介质，以燃烧包含在废料流9中的物质。在固体废物9在燃烧室/焚烧炉101中被燃烧的情况下，料流10代表从该过程中抽取的固体残渣/灰分。
在某些情况下，固体废物的焚烧可以与被引导通过旋转设备100的废气的燃烧相结合。在这种情况下，在旋转设备100中被加热的含氧废气被用作传热介质，用于将热量输入到固体废料流9的焚烧过程中。
在图1A和1B的配置中，可以用旋转设备100改装现有的焚烧炉101。
根据实施方案，被配置成用于产生待供应到焚烧设施中的加热的流体介质的旋转设备100包括转子和壳体，所述转子包括在安装到转子轴上的转子毂或转子盘的圆周上布置成至少一排的多个转子叶片，所述壳体具有至少一个入口和至少一个出口，所述转子被封闭在所述壳体内。在设备100中，借助于流体介质流在旋转设备壳体内的入口与出口之间传播期间，通过至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在壳体内的入口与出口之间形成的流动路径被引导的流体介质流，从而产生加热的流体介质流。
旋转设备100的实施方案总体上可以遵循第7,232,937号美国专利(Bushuev)、第9,494,038号美国专利(Bushuev)和第9,234,140号美国专利(等人)中的旋转反应器设备的公开内容、以及第10,744,480号美国专利(Xu和Rosic)中的径向反应器设备的公开内容，这些文献的全部内容通过引用并入本文。可以利用能够被配置成采用本发明的实施方案的方法的任何其它实施方案。
在上面引用的专利文献中，旋转涡轮机型的设备被设计为用于处理烃类、尤其是用于蒸汽裂化的反应器。这些应用的总体要求是：气体的快速加热、高温、短停留时间和平推流(一种意味着无轴向混合的流动模型)。这些要求导致了涡轮机型反应器在较小的体积内具有多个加热级的设计。
本公开基于以下观察结果：旋转设备(包括但不限于上文中提到的那些旋转设备)可以是电驱动的，并且用作加热器以产生加热的流体介质，而该加热的流体介质又被供应至与焚烧有害和/或有毒物质或废物相关的一个或多个过程等过程101。通过将旋转设备加热器装置集成到一个或多个焚烧过程中，能够显著减少温室气体和颗粒排放。举例来说，所述旋转设备可以在(下文所述的)各种应用中替代燃烧燃料的燃烧器。所述温度范围可以从大约1000℃(使用上述的反应器装置通常可以达到)扩展到至少大约1700℃，并且进一步达到2500℃。由于没有空气动力学障碍，因此构造能够达到这些高温的旋转设备是可能的。
因此，被集成到本发明的实施方案的焚烧设施中并配置成产生用于本发明的实施方案的方法的加热的流体介质的旋转设备100包括沿着水平(纵向)轴线布置的转子轴，至少一个转子装置被安装到该转子轴上。所述转子装置包括多个转子(工作)叶片，这些叶片布置在转子毂或转子盘的圆周上，并且共同构成转子叶栅。因此，旋转设备100包括多个转子(工作)叶片，这些叶片在被安装到转子轴上的转子毂或转子盘的圆周上布置成至少一排，并形成基本上环形的转子叶片组件或转子叶栅。
在实施方案中，所述设备还包括多个固定叶片，这些固定叶片至少在所述至少一排转子叶片的上游被布置成组件。在这个配置中，所述旋转设备在操作时使得借助于流体介质流分别通过所述固定叶片和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在壳体内的入口与出口之间形成的流动路径被引导的所述流体介质流，由此产生加热的流体介质流。
在一些实施方案中，可以将所述多个固定叶片布置成固定叶栅(定子)，该固定叶栅在所述至少一排转子叶片的上游被设置为基本上环形的组件。可以将在所述至少一排转子叶片的上游被布置成组件的所述固定叶片设置为固定导向叶片，例如(入口)导向叶片(IGV)，并且根据其围绕中心轴的轮廓、尺寸和布置将其配置成将所述流体流沿着预定方向引导到转子中，从而控制并在某些情况下最大限度地提高针对转子的功输入(work input)能力。
所述旋转设备可以配有按顺序地布置在转子轴上/沿着转子轴布置的两排或更多排基本上环形的转子叶片(叶栅)。在这些排转子叶片按顺序布置的情况下，可以将所述固定导向叶片安装在序列中的第一排转子叶片的上游、每排转子叶片的上游、或任何选定的一排转子叶片的上游。
在实施方案中，旋转设备100还包括布置在所述至少一排转子叶片(转子叶栅)的下游的扩散器区域。在这种情况下，所述旋转设备在操作时使得借助于流体介质流依次通过所述固定导向叶片、所述至少一排转子叶片和所述扩散器区域时发生的一系列能量转换，而将一定量的热能赋予沿着在壳体内的入口与出口之间形成的流动路径被引导的流体介质流，由此产生加热的流体介质流。所述扩散器区域可以配有或没有固定扩散器叶片。在一些配置中，在所述至少一个转子叶栅下游的所述扩散器区域中布置有带叶片或无叶片的扩散器。在一些配置中，可以将所述扩散器实施为被布置成扩散器叶栅的多个固定(定子)叶片，该扩散器叶栅在所述转子的下游被设置为基本上环形的组件。
所述转子、所述固定导向叶片和所述扩散器区域被封闭在形成在所述壳体中的内部通道(导管)内。
在例如在Xu和Rosic的第10,744,480号美国专利中所述的一些配置中，可以省略扩散器(装置)的设置，并且所述扩散器区域可以由位于转子下游的导管的基本上无叶片的部分(所谓的无叶片空间)表示，并且根据其几何形状和/或尺寸参数被配置成扩散来自转子的高速流体流。
所述导管的无叶片部分的设置对于上述旋转设备100的所有配置都是通用的。根据配置，所述无叶片部分(无叶片空间)被布置在转子叶片的下游(参见Xu和Rosic的第10,744,480号美国专利)或扩散器叶栅的下游(参见Bushuev的第9,494,038号美国专利和等人的第9,234,140号美国专利)。在例如由/>等人说明的一些配置中，各排旋转和固定叶片在壳体内的内部通道中布置为使得在布置在转子叶片下游的固定扩散器叶片的出口与布置在随后的转子叶栅装置的转子叶片上游的固定导向叶片的入口之间产生一个或多个无叶片部分。
术语“上游”和“下游”在此指在整个设备中的流体流动方向上(从入口到出口)，结构部分或部件相对于预定部分或部件(在此指转子)的空间和/或功能布置。
总体来说，带有工作叶栅的转子可以位于成排工作叶片的一侧或两侧被布置成基本上环形的组件(称为叶栅)的所述多排固定(定子)叶片之间。可以设想包括在转子轴上/沿着转子轴串联(按顺序)布置的两排或更多排转子叶片/转子叶栅并且在它们之间有或没有固定叶片的配置。在所述多排转子叶片之间没有固定叶片的情况下，穿过所述导管传播的流体介质的速度在每个后续排中增加。在这种情况下，多个固定叶片可在所述序列中的第一个转子叶栅的上游布置成组件(作为固定导向叶片)，并在最后一个转子叶栅的下游布置成组件(作为固定扩散器叶片)。
被封闭在任选地设有固定扩散器叶片组件(扩散器区域)的壳体内的成排转子叶片(转子叶栅)和转子叶片下游导管的一部分可以被视为最小过程级(以下被称为级)，该最小过程级被配置成调节完整的能量转换循环。因此，在所述流体介质流离开转子叶片并在导管中朝着下一排转子叶片传播或者沿着在基本上环形的壳体内形成的基本上螺旋形的轨迹进入同一排转子叶片时，由至少一排旋转叶片向流体介质流增加的动能的量足以将流体介质的温度升高到预定值。所述导管(其围住转子的***)优选被成形为在流体流在导管中传播时，使得流体流减速并将动能耗散为流体介质的内能，并且一定量的热能被增加到所述流体介质流中。
布置在所述至少一排转子叶片的上游的所述一排或多排固定导向叶片在能量转换循环期间在成排旋转叶片(叶栅)的入口处准备所需的流动条件。
在一些配置中，所述过程级由固定导向叶片(在转子叶片的上游)、成排转子叶片和布置在所述转子叶片的下游的扩散器区域的组件构成，该扩散器区域被设置为任选地设有扩散器叶片的导管的基本上无叶片的部分。在能量转换循环期间，通过所述流体介质流以受控方式分别相继通过所述固定导向叶片、至少一排转子叶片和扩散器区域传播，所述转子轴的机械能被转换成动能并进一步转换成流体的内能，随后流体温度升高。当所述流体介质流离开所述转子叶片并在所述导管内通过所述扩散器区域时，由转子的旋转叶片向所述流体介质流增加的动能的量足以将所述流体介质的温度升高到预定值，于是所述流减速并将动能耗散为所述流体介质的内能，并且一定量的热能被增加到所述流体介质流。在成排转子叶片中，流动加速，所述轴和旋转叶片的机械能被传递到流体流。在每排转子叶片的至少一部分中，流动能够达到超音速流动状态。在所述扩散器区域中，来自转子的高速流体流随着显著的熵增而扩散，由此该流将动能耗散为所述流体物质的内能，从而将热能提供给所述流体。如果扩散器上游的流动是超音速的，那么所述流体流的动能通过多重冲击和粘性混合及耗散***被转化为所述流体的内能。所述流体内能的增加导致流体温度升高。所述能量转换功能例如可以由位于转子叶片下游的导管的无叶片部分执行(参见Xu和Rosic的第10,744,480号美国专利)和/或由扩散叶片组件执行(参见等人的第9,234,140号美国专利)。
可以将旋转设备100配置成多级或单级方案。可以设想多级配置包括与一个或多个公用扩散器区域(无叶片或有叶片)交替布置的若干个转子装置(例如在转子轴上/沿着转子轴按顺序布置的1-5排转子叶片)。
在等人的第9,234,140号美国专利中概述的示例性配置中，可以基本上将旋转设备100实现为环面形状，其中所述导管在子午面内的横截面形成环形轮廓。所述设备包括被布置在固定导向叶片(喷嘴叶片)与固定扩散叶片之间的转子装置。所述级形成为具有多排固定喷嘴叶片、转子叶片和扩散叶片，所述流体流以连续方式沿着按照基本上螺旋的轨迹建立的流动路径穿过这些叶片传播。在这种配置中，流体流穿过旋转的转子叶栅并循环若干次，同时在所述设备内的入口与出口之间传播。在Bushuev的第9,494,038号美国专利中说明了类似的环形配置。
在等人的第9,234,140号美国专利中概述的另一种示例性配置中，可以将旋转设备100配置为基本上管状的轴流型涡轮机。在这种配置中，所述设备包括加长的(细长的)转子毂，多个转子叶片被沿着该转子毂布置成若干个连续排。所述转子封装在所述壳体内，所述壳体的内表面设有固定(定子)叶片和扩散器叶片，定子、转子和扩散器叶栅的叶片沿着转子毂在纵向上交替排列(沿着转子轴的长度，从入口到出口)。转子叶栅的叶片在纵向上在沿着转子的某个位置分别与相邻的成对固定导向(喷嘴)叶片和扩散叶片形成所述的级。
在所述的配置中，在后续的级之间具有无叶片空间。
在Xu和Rosie的第10,744,480号美国专利中概述的另一种示例性配置中，可以将旋转设备100配置为大致遵循离心式压缩机或离心泵的设计的径流型涡轮机。术语“离心”意味着装置内的流体流动是径向的；因此，在本公开中，所述设备可以被称为“径流型设备”。所述设备包括安装到细长轴上的若干个转子装置，其中在每个转子装置之前有固定导向叶片。以能够进行能量转换的方式成形的导管无叶片部分(例如U形弯曲部或S形弯曲部)位于转子装置之后。此外，配置可以包括布置在转子的下游的单独的扩散器装置(有叶片或无叶片)。
在上述的所有配置中，旋转设备100以相似的方式执行在本文中公开的方法。在操作时，被传导到集成到焚烧设施中的至少一个旋转设备中的输入能量被转换成转子的机械能。调节所述旋转设备中的条件以产生特定的流速条件，在该流速条件下，如以上所说明的，当所述流体介质流按照上述方式离开所述至少一排转子叶片并穿过所述导管和/或穿过所述扩散器区域从而进入下一排转子叶片或同一排转子叶片时，由所述转子的旋转叶片向所述流体介质流增加的动能的量足以将所述流体介质的温度升高到预定值。所述一排或多排转子叶片的前面可以有固定导向叶片。因此，所述可调节条件包括至少调节在旋转设备壳体内的入口与出口之间传播的流体介质的流量。调节流量可以包括调节与设备操作相关的参数，例如温度、质量流速、压力等。附加地或替代地，可以通过修改在所述壳体内形成的导管的形状来调节流动条件。
在一些示例性配置中，可以将所述旋转设备配置成沿着按照下列轨迹中的任何一个轨迹建立的流动路径在其入口与出口之间实施流体流动：在基本上环形的壳体内形成的基本上螺旋形的轨迹，如Bushuev的第9,494,038号美国专利和等人的第9,234,140号美国专利中的任何一个中所述；在基本上管状的壳体内形成的基本上螺旋形的轨迹，如/>等人的第9,234,140号美国专利中所述；基本上径向的轨迹，如Xu和Rosic的第10,744,480号美国专利中所述；以及沿着由卷成左右方向的涡环的两个螺旋的形式的流体介质流建立的流动路径流动，如Bushuev的第7,232,937号美国专利中所述。所述旋转设备的空气动力学设计可以变化。
所述旋转设备利用驱动引擎。在优选实施方案中，所述设备利用电能作为输入能量，因此是由电动机驱动的。为了本发明的目的，可以使用任何适当类型的电动机(即，能够将能量从电源传递到机械负载的装置)。在此不说明布置在电动机驱动轴与转子轴之间的适当联轴器以及各种用具，例如功率转换器、控制器等。此外，所述设备可以由燃气轮机或蒸汽轮机等或任何其它适当的驱动装置直接驱动。在涉及若干个旋转设备100并联连接至公用过程装置101(例如熔炉)的布局中，所述设备中的一个或更多个可以利用不同类型的驱动引擎，例如，由电动机驱动的设备可以与由蒸汽轮机、燃气轮机和/或燃气发动机驱动的设备组合。
可以通过向用于推动所述旋转设备的旋转轴的电动机供应电流而向所述旋转设备供应电力(定义为每单位时间的能量转移率)。可以从(与旋转加热器装置/设备100和/或焚烧过程设施1000相关的)一个或多个外部源向所述旋转设备供应电力。附加地或替代地，可以在设施1000内部产生电能。
一个或多个外部源包括为可持续能源生产提供的各种支持设施。因此，可以从利用至少一种可再生能源的发电***或利用不同可再生能源的发电***的组合来提供电力。外部可再生能源可以提供为太阳能、风能和/或水能。因此，电力可以从下列装置中的至少一个被接收到所述过程中：光伏发电***、风力发电***和水力发电***。在一些示例性实例中，可以提供核电设备作为外部电源。核电设备通常被认为是零排放的。术语“核电设备”应被解释为使用传统的核能，附加地或替代地，还使用聚变能。
可以由发电设备提供电力，该发电设备利用涡轮机作为动能源来驱动发电机。在某些情况下，可以从至少一个燃气轮机(GT)提供驱动所述至少一个设备100的电力，该燃气轮机例如被设置为单独的装置，或者被设置在热电联产设施和/或联合循环发电设施内。因此，可以从下列装置中的至少一个提供电力：联合循环发电设施，例如联合循环燃气轮机发电厂(CCGT)、和/或被配置用于通过热电联产(CHP)与热量回收利用相结合的发电的热电联产设施。在一些实例中，CHP设备可以是燃烧生物质的设备，以在所述过程中增加可再生能源的份额。附加地或替代地，供电可以从火花点火发动机(例如燃气发动机)和/或压缩发动机(例如柴油发动机)实现，这些发动机任选地作为发动机发电设备的一部分提供。更进一步，任何被配置成从煤、石油、天然气、汽油等化石原料产生电能(通常利用蒸汽轮机来调节)的常规发电设备都可用于产生电能，以作为旋转设备100的输入能量。此外，氢也可用作可再生能源，例如使用燃料电池将其重新转化为电能。
可以设想被实现为外部和内部电源的上述电力源的任何组合。来自低排放替代(外部)源的所输入的电力能够提高所述焚烧过程设施的能效。
将输入能量(包括电力)传导到所述旋转设备的驱动引擎中还可以伴随有将来自动力涡轮机的机械轴功率传导到其中，例如，任选地利用设施1000中的其它位置或所述设施外部产生的热能进行。轴功率被定义为从一个旋转元件传递至另一个旋转元件的机械功率，并被计算为轴的扭矩和转速之和。机械功率被定义为每单位时间内的功或能量(单位为瓦特)。
例如，在实践中，可以将来自电动机和动力涡轮机的轴功率分开，使得其中任何一个都能够提供全部轴功率或部分轴功率。
图2A-2D示出了旋转设备100(表示焚烧设施1000内的一个或多个旋转加热器装置)相对于预热器装置102、辅助升温器段103和热量回收装置104的示例性布局。以下叙述用于组成成员：100、100A、100B-旋转加热器装置(旋转设备)；101-焚烧装置/过程；102-预热器装置；103-附加的加热装置(辅助加热器)。
图2A示意性地示出了旋转设备100的基本实施方案，该旋转设备100被配置成将热量输入到被引导通过旋转设备100中的流体介质流(进料流1)中。离开设备100的加热料流分别用附图标记2表示。在基本实施方案中，旋转设备100的转子***被以空气动力学方式配置成使得一定体积的流体沿着在设备100的壳体的入口与出口之间形成的流动路径传播的同时被加热到预定温度(所谓的“单程”实施方式)。设备100能够在一个级中实现在大约10℃至大约120℃范围内、并且在一些配置中高达大约500℃的温升(ΔT)。因此，在多级实施方案的情况下，在“单程”实施方式中，能够将流体加热到1000℃(在10级设备中，每级的温升为100℃)。由于流体介质通过设备级所花费的停留时间在几分之一秒的量级，例如大约0.01-1.0毫秒，因此在基本配置中已经能够实现快速且高效的加热。可以根据需要优化温升。
图2B示出了涉及所谓的辅助加热的基本概念。辅助加热是一种加热流体介质(例如过程气体)的任选方法，例如在超出单机加热器设备100的能力时。
辅助温度提升(temperature boost)可以被视为热辅助加热、化学辅助加热或这两者。在第一种配置(a)(也被称为“热辅助加热”)中，在“主”旋转加热器设备(在图2B、2C和2D中被标示为100A)的下游布置有附加的旋转加热器设备(在图2B、2C和2D中被标示为100B)。在本公开中，设备100A、100B一般被认为是旋转加热器装置100。因此，通过提供至少两个按顺序连接的旋转设备100A、100B，能够实现加热的流体介质的产生，其中所述流体介质流(参见进料流1)在序列的至少第一旋转设备(100A)中被加热至预定温度，该旋转设备在此被称为主加热器，并且其中通过向在第一旋转设备100A中被“预热”并穿过所述序列中的至少第二旋转设备100B传播的流体介质流(参见料流3)输入附加量的热能，所述流体介质流(参见料流2)在第二旋转设备100B中被进一步加热。因此，设备100B被称为辅助加热器。设备100A、100B可以是相同的，并且在尺寸或内部设计方面有所不同。在主加热器100A之后可以布置由两个或更多个辅助设备(例如100B)构成的辅助设备序列。可以将辅助设备并联或串联布置，或者以允许优化其转速和空气动力学的任何组合布置。
在附加或替代的第二配置中(也被称为“化学辅助加热”)，被标示为103(图1、2B)的附加加热设备适于将反应组分5(例如可燃燃料)接收到穿过其传播的流体介质流中，以在将所述流体介质流引导至焚烧过程101之前通过放热反应提供热量。在这种配置中，可以通过将一种或更多种反应性化学物质5引入(例如通过注射引入)到被引导通过附加加热器装置/加热设备103的流体介质流中来实现辅助升温。应注意的是，图2B的料流5与图1所示的料流8对应。
基于反应性化学物质的辅助加热器装置103可以位于热辅助加热器装置100、100B之后(图2B)，或者直接位于主加热器100、100A之后(图1)。反应性化学物质(反应物)5可以包括燃烧气体，例如氢气、烃、氨气、氧气、空气、其它气体和/或任何其它适当的反应性化合物，任选地包括催化剂。在装置103中，由于放热反应，流体流可以被加热到通常无法通过不涉及化学介导加热的单个旋转设备达到的水平(参见料流4)。例如，可以将燃料气体(例如氢气)引入到含氧过程气体(例如空气)中。在升高的温度下，氢气和氧气发生放热反应从而产生水分子(氢燃烧)。
可以将燃料气体与空气(或富集的氧气)一起通过燃烧器注入到辅助加热器装置103中，以升高气体的温度。如果加热的气体含有可燃气体，并且有可能消耗这些气体来进行加热，那么只能添加空气和/或氧气。过程气体可能包含氢气、氨气、一氧化碳、燃料气体(甲烷、丙烷等)，这些气体能够燃烧从而产生热量。如果可行的话，也可以注入其它反应性气体来产生热量。
可以将适于进行化学辅助加热的附加加热器103配置为在其中发生放热反应的一段管道或腔室和/或其可以包括至少一个旋转设备100，该旋转设备100被布置成接收反应性化合物以容纳放热反应从而产生附加的热能。因此，辅助加热段103可以包括至少一个旋转设备100。任选地，可以将所述反应性化学物质直接注入到耗热过程101中(未示出)。附加地或替代地，可以在相应地修改的单个设备100、103中实施反应性化学物质介导的辅助升温。
在涉及辅助加热的布置中，在第一旋转设备(100A)中被预热到预定温度的流体介质流的温度可以在随后的加热器装置(100B，103)中进一步升高到最大极限值。举例来说，在主加热器(100A)中被预热到大约1700℃的流体介质流的温度可以在随后的加热器装置(100B、103)中进一步升高到最高2500℃或更高。
所提及的构思可以单独使用或组合使用，使得反应性化学物质5能够被引入到并联或串联(按顺序)连接的设备100中的任何一个中。提供辅助加热器是任选的。
在附加或替代的配置中，预热和附加加热可以在同一个设备100中实施(未示出)。这可以在多级配置中实现，该多级配置包括与公用扩散器区域(无叶片或有叶片)交替排列的若干个转子装置(例如在转子轴上/沿着转子轴按顺序布置的1-5排转子叶片)。
在将所述至少两个旋转设备(例如100A、100B)和任选的设备103(在设备103被实施为旋转设备100的情况下)并联或串联连接时，可以形成旋转设备组件(例如参见图2B-2D)。被实施为“主”加热器100A或“辅助”加热器100B、103的旋转设备100之间的连接可以是机械的和/或功能性的。功能性(例如就可实现的热量输入而言)连接可以在至少两个单独的、物理集成或非集成的独立设备单元之间相关联时建立。在后一种情况下，所述至少两个旋转设备之间的关联可以通过若干个辅助装置(未示出)来建立。在一些配置中，所述组件包括至少两个彼此镜像地连接的设备，由此所述至少两个设备通过它们的中心(转子)轴至少功能性地连接。可以将这种镜像配置进一步定义为具有至少两个机械地串联(按顺序)连接的旋转设备100，而功能性连接可以被视为并联连接(以阵列方式连接)。在某些情况下，可以将前述的“镜像”布置进一步修改为包括至少两个入口和基本上位于该布置结构的中心的公用排气(排放)模块。
可以将旋转设备(参见图2B的100A，100B，103)组装在同一个(转子)轴上。每个旋转设备可以任选地设有单独的驱动装置(电动机)，这允许所述设备的独立优化。在使用两个或更多个独立的旋转设备时，可以根据操作温度和压力优化建造成本(材料等)。
附加地或替代地，所述组件内的至少一个旋转设备可以被设计成增大流体流的压力。因此，所述组件中的至少一个旋转设备可以分配有组合的加热器和鼓风机功能。适于作为鼓风机的设备100为流体在焚烧炉101中循环提供必要的升压。因此，装置100可以替代常规的燃料焚烧炉中所必需的独立的鼓风机/***风扇。
附加地或替代地，可以将含有反应性或惰性气体的料流进料至旋转设备100(未示出)或所述设备的下游的任何设备(例如进料到焚烧装置101中)。
图2C示出了旋转加热器设备100A和任选的100B用于间接过程加热的用途。旋转设备100(100A、100B)可用于过程装置101中的流体的间接加热，其中热量在两种非混合流体之间传递，就像在热交换器型配置中一样。因此，能够在可行的热交换器装置101中使流体(例如气体或液体)在旋转设备100中被加热的流体的作用下蒸发(汽化)或过热。配置成适用于基本上气态的物质的处置过程的过程装置101可以表示为任何(现有的)火焰加热器、焚烧炉、熔炉、反应器或任何常规的热交换器装置。可以根据最佳热传递的需要来选择所述“热交换器”配置(101)的类型。可以选择最适合于加热和安全的加热气体(参见料流1-3)(例如蒸汽、氮气、空气)。在旋转设备100A、100B中被加热的气体可以接近大气压力，或者可以提高压力以改善热传递。在设备100中被加热的传热介质3(参见离开100B的料流3)被引导至过程装置101，在该处，热量被从料流3传递至“冷”过程料流6，以产生“热”过程料流7。料流4分别表示流出的传热介质。当不能在装置100中加热过程气体6(例如待处理的废气)时(例如当料流6是含氧气体，其还包含对旋转设备100的内表面潜在有害的有毒化合物和/或颗粒时)，在该情况下涉及过程气体6的间接加热的配置是可行的。在这种情况下，传热流体/气体(料流1、2和3)在旋转设备100中被加热，并被进一步供应到操作装置101中以将热能传递给过程气体(含氧废气6)。由于装置101中的热传递，包含在过程气体6中的有毒化合物被燃烧。因此，料流7表示不含有毒/有害物质的热气流。
图2C的过程料流6和7可以被视为通常分别与图1B的料流9和10对应，除了在图1B的布局中固体废物9能够在燃烧室101中被直接燃烧之外，其中所述旋转设备的热流出物(图1B和2C的料流3)作为燃烧介质。
图2D示出了具有预热器102和从焚烧过程101(未示出)再循环的再循环过程流体(料流4)的旋转加热器设备100A。预热器可以是电驱动型、燃烧型、内燃机型、燃气轮机型等，或者可以是用于从过程中的任何高温流中回收多余热量的热交换器。预热器102的设置是任选的。该构思还可以包括位于设备100A的下游的任选的辅助加热器100B。可以利用热辅助加热或化学辅助加热。料流1’表示送至预热器102的(进料)流体。所述流体进一步穿过旋转设备100A、100B传播，进料在旋转设备100A、100B中被加热，并且被送至所述焚烧过程(料流3)。旋转设备100A、100B中的任何一个都可以配有流体再循环装置(参见图2D的料流4)。可以设想旋转设备和流体再循环装置的任何组合。通过由所述至少一个旋转设备使所述流体介质流再循环，能够实现再循环。
在一些配置中，旋转设备100可以利用从常规的火焰加热器排出的低氧含量的烟道气。在这种情况下，从所述火焰加热器排出的热烟气与再循环气体(图2D的料流4)混合，以用于在旋转加热器100、100A中加热。在所述情况下使用的烟道气中的氧含量优选低于可燃限值，以提供安全加热。
图3(实施例1)示出了从包括至少一个旋转设备100和至少一个热氧化器101的设施布局1000的任何工业装置或工厂排放的废气的热氧化过程，其中旋转设备100替代热氧化器101的火焰加热器。
实施例1旨在销毁废气中的大约99％的烃，例如苯和氯甲烷。主要氧化产物是二氧化碳、水和氯化氢。废气性质在表1中示出。
表1.使用旋转设备替代火焰加热器在焚烧设施1000中燃烧废气。
预热器入口废气流量 50000立方米/小时
预热器入口废气温度 38℃
组成
苯，ppmv 1000
氯甲烷，ppmv 1000
空气 余量
销毁和去除效率(DRE)，％ 99
图3的焚烧设施1000利用了在旋转设备100中直接加热废气的构思。该设施包括旋转设备100、焚烧装置/热氧化器101、热量回收装置104(还用作预热器(102))、以及用于去除酸性气体(例如氯化氢)的废气净化装置105。净化装置105可以被配置为次级热交换器。废气进料流1被通过预热器(102、104)引导至旋转设备100。在预热器102、104中，废气流2的温度从大约38℃上升到大约718℃。实施例1在预热器102、104中利用82％(11.4MW)的部分热量回收。在热交换器配置中，预热器102、104中的部分能量回收被定义为从进入预热器102、104的废气中实际回收的能量的量除以在废气接近热交换器的可用最低温度的情况下能够回收能量的最大量。
为了达到99％的销毁效率，燃烧室中的温度必须为大约871℃(1600℉)，停留时间为大约1秒。在这个实例中，为了将废气温度(料流3)提高到大约759℃，由旋转设备输入到焚烧过程中的热能的量为0.724MW。为了达到所需的燃烧温度水平(871℃)，从燃烧废气(苯和氯甲烷)获得其余的能量。料流5和6是被导入和导出净化装置105的焚烧产物气流。
在实施例1中，旋转设备100通过产生待输入到焚烧过程101中的大约0.724MW的热能来高效地替代燃料燃烧器。相应地减少了二氧化碳的排放。还减少了氮氧化物(NOx)的排放，因为在没有燃料驱动的燃烧器的情况下，不存在增加NOx形成的峰值温度。热氧化器的上游的旋转设备的使用通过达到最佳湍流水平而进一步允许提高燃烧过程的速率和效率。
对于本领域技术人员来说很清楚的是，随着技术的进步，可以按各种方式实施和组合本发明的基本思想。因此，本发明及其实施方案不限于上述示例，相反，它们通常可以在所附权利要求的范围内变化。

Claims (41)

1.一种用于通过焚烧来处置物质的方法，包括通过被集成到焚烧设施中的至少一个旋转设备来产生加热的流体介质，所述至少一个旋转设备包括：
壳体，其具有至少一个入口和至少一个出口，
转子，其包括在安装到转子轴上的转子毂的圆周上布置的至少一排转子叶片，以及
多个固定叶片，其至少在所述至少一排转子叶片的上游被布置为组件，
其中，借助于流体介质流分别通过所述固定叶片和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在壳体内在入口与出口之间形成的流动路径被引导的所述流体介质流，由此产生加热的流体介质流，
所述方法还包括：
-将一定量的输入能量传导到集成到所述焚烧设施中的所述至少一个旋转设备中，所述输入能量包括电能，
-将由所述至少一个旋转设备产生的加热的流体介质流供应到所述焚烧生产设施中，以及
-操作所述至少一个旋转设备和所述焚烧设施，以在基本上等于或超过大约500摄氏度(℃)的温度下进行一个或多个焚烧过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述焚烧设施中，所述至少一个旋转设备连接到至少一个焚烧装置，所述焚烧装置被配置成在基本上等于或超过大约500摄氏度(℃)的温度下进行一个或多个焚烧过程。
3.根据权利要求1或2中的任何一项所述的方法，包括将由所述至少一个旋转设备产生的加热的流体介质流供应到所述焚烧设施内的至少一个焚烧装置中。
4.根据任何一项前述权利要求所述的方法，其中至少一个焚烧装置包括下列装置或由下列装置组成：焚烧炉、熔炉、烘炉、窑炉、燃烧器、加热器、干燥器、输送装置、反应器、或它们的组合。
5.根据权利要求1所述的方法，包括通过至少一个旋转设备产生被加热到基本上等于或超过大约500摄氏度(℃)的温度、优选被加热到基本上等于或超过大约1200℃的温度、更优选被加热到基本上等于或超过大约1500℃的温度的所述流体介质。
6.根据任何一项前述权利要求所述的方法，包括调节穿过所述旋转设备传播的所述流体介质流的速度和/或压力，以产生生成所述加热的流体介质流的条件。
7.根据任何一项前述权利要求所述的方法，其中所述加热的流体介质是由所述至少一个旋转设备产生的，所述旋转设备包括沿着所述转子轴按顺序地布置的两排或更多排转子叶片。
8.根据任何一项前述权利要求所述的方法，其中所述加热的流体介质由所述至少一个旋转设备产生，所述旋转设备还包括在所述至少一排转子叶片的下游布置的扩散器区域，所述方法包括操作被集成到所述焚烧设施中的所述至少一个旋转设备，以使得借助于流体介质流按顺序分别通过所述固定叶片、所述转子叶片和所述扩散器区域时发生的一系列能量转换将一定量的热能赋予沿着在壳体内在入口与出口之间形成的流动路径被引导的所述流体介质流，从而产生加热的流体介质流。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述旋转设备中，所述扩散器区域配有或没有固定扩散器叶片。
10.根据任何一项前述权利要求所述的方法，其中通过调节被传导到集成在所述焚烧设施中的所述至少一个旋转设备中的输入能量的量来控制向穿过所述旋转设备传播的所述流体介质流增加的热能的量。
11.根据任何一项前述权利要求所述的方法，还包括在所述至少一个旋转设备的下游布置附加的加热设备，并将反应性化合物或反应性化合物的混合物引入到穿过所述附加的加热设备传播的所述流体介质流中，由此通过一个或多个放热反应向所述流体介质流中增加一定量的热能。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将所述反应性化合物或反应性化合物的混合物引入到被预热到预定温度的所述流体介质流中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中将所述反应性化合物或反应性化合物的混合物引入到被预热到基本上等于或超过大约1500℃的温度的所述流体介质流中。
14.根据权利要求11-13中的任何一项所述的方法，其中将所述流体介质流预热到所述预定温度是在所述旋转设备中实施的。
15.根据任何一项前述权利要求所述的方法，包括通过被集成到所述焚烧设施中的至少两个旋转设备来产生所述加热的流体介质，其中所述至少两个旋转设备并联或串联连接。
16.根据权利要求15所述的方法，包括通过至少两个顺序连接的旋转设备产生所述加热的流体介质，其中所述流体介质流在序列中的至少第一旋转设备中被预热到预定温度，并且其中通过向穿过所述序列中的第二旋转设备传播的被预热的流体介质流输入附加量的热能，所述流体介质流在至少第二旋转设备中被进一步加热。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述序列中的所述至少第一旋转设备中，所述流体介质流被预热到基本上等于或超过大约1500℃的温度。
18.根据前述权利要求16或17中的任何一项所述的方法，其中通过将所述反应性化合物或反应性化合物的混合物引入到穿过所述序列中的所述至少第二旋转设备传播的所述流体介质流中，从而将所述附加量的热能增加到所述流体介质流中。
19.根据任何一项前述权利要求所述的方法，包括将所述反应性化合物或反应性化合物的混合物引入到所述焚烧过程中。
20.根据任何一项前述权利要求所述的方法，其中进入所述旋转设备的所述流体介质是基本上气态的介质。
21.根据任何一项前述权利要求所述的方法，包括在所述旋转设备中产生所述加热的流体介质。
22.根据权利要求21所述的方法，其中在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质是有害和/或有毒的气体。
23.根据权利要求21或22中的任何一项所述的方法，其中在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质是包含下列物质中的任何一种的气体：挥发性有机化合物(VOC)、有害空气污染物(HAP)、有气味的气体、或它们的任何组合。
24.根据权利要求21所述的方法，其中在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质包括下列物质中的任何一种：空气、蒸汽(H2O)、氮气(N2)、氢气(H2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、或它们的任何组合。
25.根据权利要求21所述的方法，其中在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质是从所述焚烧设施中的焚烧过程期间产生的废气中回收的再循环气体。
26.根据任何一项前述权利要求所述的方法，还包括在所述旋转设备外部产生加热的流体介质例如气体、蒸气、液体以及它们的混合物，和/或加热的固体物质，这是通过在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质与绕过所述旋转设备的上述物质中的任何一种之间的热传递过程进行的。
27.根据任何一项前述权利要求所述的方法，还包括增大穿过所述旋转设备传播的所述流体介质流中的压力。
28.根据任何一项前述权利要求所述的方法，其中作为输入能量被传导到集成在所述焚烧设施中的至少一个旋转设备中的电能的量在大约5％至100％范围内。
29.根据任何一项前述权利要求所述的方法，其中作为输入能量被传导到集成在所述焚烧设施中的至少一个旋转设备中的电能的量能够从可再生能源或不同能源的组合获得，任选地，是可再生能源的组合。
30.根据任何一项前述权利要求所述的方法，其中通过将所述至少一个旋转设备与至少一个非电能操作的加热器装置一起集成到所述焚烧设施中，利用所述至少一个旋转设备来平衡电能的量的变化，例如过量供应和不足，任选地，所述电能是可再生电能。
31.根据任何一项前述权利要求所述的方法，其中所述焚烧设施的能效得到提高，和/或其中所述焚烧设施中的温室气体和颗粒排放减少。
32.一种焚烧设施，包括至少一个被配置成产生加热的流体介质的旋转设备和至少一个被配置成进行与焚烧相关的一个或多个过程的焚烧装置，所述至少一个旋转设备包括：
壳体，其具有至少一个入口和至少一个出口，
转子，其包括在安装到转子轴上的转子毂的圆周上布置的至少一排转子叶片，以及
多个固定叶片，其布置为至少在所述至少一排转子叶片的上游的组件，
其中所述至少一个旋转设备被配置成在操作时，使得借助于流体介质流分别通过所述固定叶片和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在壳体内在入口与出口之间形成的流动路径被引导的所述流体介质流，由此产生加热的流体介质流，并且
其中所述至少一个旋转设备被配置成接收一定量的输入能量并且产生加热的流体介质，所述输入能量包括电能，以将热能输入到至少一个焚烧装置中，所述焚烧装置被配置成在基本上等于或超过大约500摄氏度(℃)的温度进行一个或多个焚烧过程。
33.根据权利要求32所述的焚烧设施，其中所述至少一个焚烧装置包括下列装置或由下列装置组成：焚烧炉、熔炉、烘炉、窑炉、燃烧器、加热器、干燥器、输送装置、反应器、或它们的组合。
34.根据权利要求32所述的焚烧设施，其中所述至少一个旋转设备包括沿着所述转子轴按顺序布置的两排或更多排转子叶片。
35.根据权利要求32所述的焚烧设施，其中所述至少一个旋转设备还包括布置在所述至少一排转子叶片下游的扩散器区域。
36.根据权利要求32所述的焚烧设施，其中所述旋转设备包括配有或没有固定扩散器叶片的扩散器区域。
37.根据权利要求32所述的焚烧设施，其中所述至少一个旋转设备还被配置成增大穿过其中传播的所述流体流中的压力。
38.根据前述权利要求32-37中的任何一项所述的焚烧设施，其中至少两个旋转设备被布置成组件并且并联或串联连接。
39.根据前述权利要求32-38中的任何一项所述的焚烧设施，其中所述焚烧设施被配置成通过热氧化过程实施废气的焚烧。
40.一种焚烧设施，其被配置成通过权利要求1-31中的任何一项所限定的方法实施通过焚烧来处置有害和/或有毒物质的一个或多个过程。
41.根据权利要求1-31中所限定的方法和/或权利要求32-38中所限定的设施用于通过焚烧来处置有害和/或有毒物质的用途。
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