专利名称：用来干燥并加热处理材料的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种方法和设备，其能将废弃的肥料和污水经济地转换成新的肥料产品(其优选为经认证的有机肥料)以及土壤增效产品，其含有很高的有机物质(优选为经认证的有机质)，以便用于农艺、庭院的草坪和花园以及回收。
背景技术：
动物集中养殖的数目和规模以及其它农业加工如牛、猪、禽、麋鹿以及其它比赛用动物、山羊、小羊、鱼、牛奶、奶酪、蛋以及其它用动物加工出的食品的加工操作的数目和规模现正稳步增加并将继续增加。这一点对于其它用来生产毛、皮和其它纤维产品的绵羊、貂、羊驼及其它动物的养殖来说也是如此。在一个地点圈养大量动物的主要优点是综合的操作具有规模经济，从而能降低单位产品的操作成本并提高收益。然而，虽然集中限制式的动物养殖的数目和规模已发展了多年，但对这些场所出来的废肥进行处理的技术却没有什么改变。废肥主要是保存在氧化塘中或者是堆肥的肥堆中，然后再送到远离这些场所的地点，随后通过少量处理或者是不加处理而直接用于农作物生长的田地里。因此，在将原始的或经过少量处理的废肥直接用于土地里时就有环保的和卫生的问题，这包括雨水将污染物冲到地表水中和地下水中，以及由于生物转化或分解的作用而使温室气体排放到大气中。因此，废肥的处理是一个重要的环保问题。
鸡蛋的生产在最近几年里增长显著。现在有许多蛋生产场所都最少拥有一百砀只下蛋的母鸡，生产者都面临着这样一个事实，即蛋的生产和加工规模越大越集中越能提高竞争环境下的经济性。大部分生产场所是通过废肥的堆肥来对他们的废弃肥料进行处理的，但这种处理的废肥的方法存在明显的环保问题。
来自牛奶场、养殖场、养猪场的动物废肥的重量含水量通常超过70％，这就使我们很难对这种废肥进行经济地处理。去掉水分减少体积来进行填埋处理在成本和环保性上太差。运送到农田以便直接处理并用在农作物上的成本和环保性也不好，因为在使用过程中会释放出有毒气体并且废肥中存在有污染物、病菌和草籽。
生物转化，其通常用于市政污水和牲畜粪便的处理，是指通过有机物质的细菌分解来将有机材料(如有机废料)转化或分解成有用的产品(如可用的饲料或燃料)。生物转化包括好氧消化和厌氧消化。大型的动物养殖的操作人员都构造有氧化塘和承装池以便承装废肥，使这些废料在用于农田之前进行生物消化处理。然而，这些氧化塘会产生严重的地下水和地表水污染。此外，它们还需要大面积的土地，并且对有毒气体和温室气体或污染性气体的排放也没有控制。尽管沼气利用能够将来自氧化塘的气体收集起来作为燃料用于发电，但这种操作只能收集一部分气体，低效地生产出很少量的电力，并且仍存在有氧化塘污泥需要处理的问题。
现有的文献是通过消化、焚化、体积减少和/或分解的方式来解决上述问题的，这些文献例如包括Finham的美国专利文献US5535528，Dickinsion等人的US5685153，McMullen等人的US6039774，Strohmeyer的US6125633和US6173608，Bouchala的US6171499，Kartchner的US6524632，Dvork的US6613562，Sower的US6682578，Bonde等人的美国专利申请2004/0025715。
在动物养殖和污水处理中的另一个问题是空气污染，这包括温室气体如甲烷和CO2的排放以及有毒气体的排放。随着居住区的扩展，许多居住区已扩展到与动物养殖相邻的土地上，居民对有毒气体的投诉不断升级。除了来自废肥和废肥生物转化过程产生的有毒气体和空气污染性温室气体之外，大量的有毒气体和温室气体直接产生于动物的肠胃、嗝气和反刍。除了对直接来自于废肥以及废肥分解所产生的有毒气体和温室气体进行控制之外，我们知道还需要对动物自身排出的有毒气体和温室气体进行控制并防止它们释放到大气中。
在农作物的生产方面人们越来越重视采用经过认证的有机作物生产工艺和材料。加拿大、澳大利亚、美国和欧盟以及其它国家的政府制定了许多标准来使食品在质量上构成“有机的”或者是“有机生产的”食品，并且现在还有多个著名的认证组织和政府部门按照适当的标准来对生产“有机产品”的农场和市场进行认证。由此，“有机认证”标签和概念经过演变是指经过认证组织认证满足相应部门标准的产品或生产过程；以及所采用生产方法满足有机产品生产方法部门标准的产品或生产过程。“有机认证”基本上意味着在生长和生产过程中基本没有人工化合物，这包括允许使用的杀虫剂、除草剂和肥料。因此，有机农场在补充和再建土壤中的营养和有机物质的过程中有一个严重的问题，有效的有机材料不易获得。
当前有机农场使用的是堆肥的废肥和其它材料，但堆肥材料的营养价值很低并具有活的病菌和草籽，这些东西对农场的运行都是有害的。此外，堆肥操作自身也会引起明显的空气和地下水污染的问题。现在所开发出来的用来生产有机认证肥料产品的技术已经不能满足人们的需要，因其在产品质量、有效性、环保性或经济性上存在问题不能提供一种价格合理的产品。现有的涉及有机或有机认证肥料产品生产的文献例如包括Inoue的美国专利文献US5354349，Connell的US6461399，Dinel的US6517600和US6645267，Stamper等人的美国专利申请2003/0038078，Logan等人的2003/0089151和2003/0136165以及Branson的2003/0111410。
显然，从上可知现在还没有一种在环境保护上和经济上令人接受的技术方案来处置废肥和污水，从而控制动物养殖中所产生的有毒气体和温室气体。并且现在还没有一种成本高效的有机肥料和土壤增强剂产品，其能得到现有的有机认证食品生产标准的认证用于食品的生产。本发明旨在提供一种方法、装置、系统和产品以便满足上述的某些或所有需要。
发明内容
本发明提供一种经济并且简单的方法、系统和装置，其用来将粪肥给料转换成肥料和土壤增效剂产品。本发明进一步提供一种经济并且简单的方法、系统和装置，其用来控制并容纳动物养殖中产生的有毒的、有味的气体以及温室气体。
本发明的一个方面是提供一种由粪肥给料生产有机肥料产品的方法，其包括使燃气涡轮发生器工作从而产生电力和排气；使该排气与重量含湿量至少约为30％的粪肥给料在一干燥容器中进行接触，其接触时间应充分从而在粪肥给料不出现明显氧化的条件下足以生产一重量含湿量小于约20％的干燥肥料；对该肥料进行处理并做成粒状、球状或颗粒的肥料产品形式以便用作农作物生长中所用的常规干肥。
本发明的另一方面提供一种由粪肥给料来生产一肥料的方法，其包括使燃气涡轮发生器工作从而产生电力和温度超过1000的排气；使该温度超过1000的排气与重量含湿量至少约为30％的粪肥给料在一干燥容器中进行接触，其接触时间应充分并足以在粪肥给料不出现明显氧化的条件下生产出一重量含湿量小于20％的干燥肥料；作为选择，该方法还可进一步包括以下操作将该干燥肥料粒化、球化或颗粒化从而生产了一种肥料产品，其适于作为农作物生长中所用的常规干肥。
本发明的另一方面是提供一种干燥和/或转换粪肥给料从而生产出一种肥料和/或土壤增效剂的装置，其包括一个与一干燥容器组合使用的燃气涡轮，该干燥容器适用于接收粪肥给料并能通过一个连接装置接收来自燃气涡轮的排气；其中燃气涡轮和干燥容器之间的连接装置基本能防止空气被引入到干燥容器中，并且作为选择还能使该干燥容器适于通过排气与粪肥给料的直接接触来干燥和/或转换粪肥给料。
本发明的另一方面是提供一种加工粪肥给料从而生产出一种肥料产品的可移动系统，其包括至少一个可移动的干燥单元，该干燥单元适于干燥一粪肥给料从而产生一肥料；以及至少一个可移动的加工单元，其适于将来自干燥单元的肥料转换成一种在形式上适于作为农作物生长所用常规肥料的肥料产品。作为选择，本发明可进一步提供这样的一种可移动系统，其中的干燥单元包括一个燃气涡轮和一个干燥容器。此外，本发明还可提供这样的一种可移动系统，其中的燃气涡轮和干燥容器通过一种结构连接起来，该结构适于将燃气涡轮的排气送到干燥容器，并能防止空气被引入到燃气涡轮的排气中。
本发明的另一方面是提供上述的可移动系统，其包括一第一滑装单元，其包括适于产生电力的燃气涡轮发生器；以及一第二滑装单元，其包括干燥容器，该干燥容器适于连接到燃气涡轮上从而接收燃气涡轮的排气并且基本上能防止空气被引入到该干燥容器中。作为选择，还可包括一第三滑装单元，其包括有加工单元。本发明的可移动系统优选包括火车装载单元、卡车装载单元或半拖车装载单元。本发明的另一方面提供的可移动系统包括燃气涡轮和干燥容器，再加上可选择的加工单元，其结构和尺寸应适于单体的滑装或卡车的装载。本发明的另一方面是包括有一个或多个用于可移动单元的封闭腔，其主要是用来隔音。
本发明的另一方面是提供一种有机肥料，其包括一粪肥给料，该给料在足够高的温度下在不出现明显氧化的条件下热处理足够的时间从而将粪肥给料中几乎所有的不好成分都破坏成或转换成无害的形式，这些不好的成分包括不好的有机体、微生物、害虫、抗生素、激素、锯天牛或病毒。该有机肥料中所包含的每一种未被破坏或转换的不好成分优选少于可检测出的量级。作为选择，其进一步将该肥料做成一种在形式上适于作为农作物生长所用常规肥料的肥料产品。本发明进一步提供这样的一种肥料或产品，其包括热处理过的粪肥给料，该给料包含有NOx、SOx或COx，这些物质是粪肥给料与燃气涡轮排气在一有限空间中接触时在粪肥给料没有出现明显氧化的条件下吸收或合成的。根据粪肥给料中营养成分含量和有机物质含量的不同，本发明的这个方面同样可用来提供一种具有同样特性的有机物质含量很高的土壤增效剂产品。
本发明的另一方面提供一种肥料或产品，其包括一种在足够高温度下在不出现明显氧化的条件下热处理后的粪肥给料，其中热处理的时间应足以形成一种适于用作农作物生长所需常规肥料的自缠结肥料或产品。
本发明的另一方面是提供一种方法，其用生物转化后的粪肥给料生产出一种土壤增效剂产品，其包括使燃气涡轮发生器工作从而产生电力和排气；使该排气与重量含湿量至少约为30％的粪肥给料在一干燥容器中进行接触，其接触时间应充分从而在粪肥给料不出现明显氧化的条件下足以生产一重量含湿量小于约20％的干燥的土壤调节剂；作为选择，对该土壤调节剂进行加工并做成粒状、球状或颗粒的土壤调节剂产品形式以便以常规的干法加到土壤中。
本发明的另一方面是提供一种系统，其用来对粪肥给料所产生的动物气体和有毒或有味气体或燃气进行处理，其包括一燃气涡轮，其具有一燃烧空气入口；以及一动物包壳，其具有从其排出的通风空气；其中的燃烧空气入口适于接收上述动物包壳排出的至少一部分通风空气，作为优选是全部通风空气。该燃气涡轮作为选择可包括一燃气涡轮发生器，并且作为选择还能包括一干燥容器，该干燥容器适于接收燃气涡轮的排气还能接收并热处理该粪肥给料。本发明的另一方面是使所述系统通过一往复式发动机的燃烧空气入口来处理动物气体以及有毒或有味的气体或燃气，其中的发动机作为选择可包括一发电机，并且作为选择还可包括一个适于接收发动机排气的干燥容器。
本发明另一方面是提供一种用来处理粪肥给料的装置，其包括一燃气涡轮，其具有一燃烧空气入口，该入口适于接收来自动物包壳的通风空气；一干燥容器，其具有一连接装置，该连接装置适于接收来自燃气涡轮的排气并具有一个入口以便接收粪肥给料。作为选择，该燃烧空气入口可连接到动物包壳的通风系统上，由此该燃烧空气入口基本上能够接收动物包壳排出的所有通风空气。此外，干燥容器和燃气涡轮排气之间的连接装置基本上能够防止空气被引入到干燥容器中。
本领域技术人员通过下面的内容能够更好地理解上述各个方面以及其它的方面。
图1是采用本发明方法和设备来处理粪肥给料时的示意性工艺流程图；图2是本发明加工单元在采用可移动的滑装式卡车装载单元形式时的平面图；图3是本发明加工单元在采用可移动的滑装式卡车装载单元形式时的另一种结构配置的平面图；图4A和4B分别是本系统在安装到半拖车上时其结构配置的平面图和立面图；图5是采用本发明系统来防止动物气体和温室气体排放到大气时的工艺示意图。
具体实施例方式
本发明提供一种经济、高效并且简单的解决方案来解决由牲畜加工所产生的废肥和气体以及由城市产生的污水所引起的日益严竣的环境污染问题。现有的方法和系统要么是不能充分有效地将这些废肥和气体转换成安全环保的形式，要么是在经济性上无法适用于小型和大型商业操作。现有的许多系统还存在有其它的问题，这包括操作不经济，不能净化以及不能防止空气污染(或者是在操作中会产生其它的环保问题)。
现有的系统及其低效性例如包括下面的方面。消化工艺，无论是好氧的还是厌氧的均存在速度低效率低的缺点，并且所产生的残渣通常必须在垃圾填埋场或新扩土地上进行处理。设计上用来产生通常为甲烷的沼气燃料的消化和堆肥系统不能经济有效地生产出燃料并且其操作成本也很高，这是因为燃料的产生速率不够，热值不高，不能形成经济的操作。并且该燃料属于“脏”燃料，因为其燃烧时会产生不环保的排放物，并且由于其含量不断变化，因此很难实现高效地燃烧。杂质及燃料值的变化及含量的不稳定性甚至有可能会因其侵蚀性或不控的燃烧状态而导致某些系统如燃气涡轮和往复式发动机的损坏。沼气的生产会产生废弃的污泥，其在用环保的方式进行处理时成本很高。设计上用来产生肥料或土壤调节剂产品的消化及堆肥系统存在以下缺点，即所产生的产品会含有生物杂质或化学杂质，这些物质不适于或禁止在农田里使用，特别是有机认证的使用。并且这种产品如果用作肥料其营养价值也太低。
采用加热及化学处理的处理系统效率都很低并且它们不能有效地生产出安全的最终产品。这些系统包括有pH调节及化学添加剂，其通常与加热一起来帮助杀灭其中的生物体。某些热处理系统采用加压(以便高温蒸煮)、微波加热、辐射以及其它的附加处理，这些处理只能增加操作的成本并降低产品的质量或环保的净利。在许多情况下，处理的复杂性以及操作步骤的组合还会给所采用的资源和所产生的副产品带来更为负面的环境影响，而其在整个处理上所带来的环保收益却很少。许多系统还会产生其它的副产品，这些副产品在其操作中会被污染或者是产生间接的环境污染。涉及焚化、部分焚化、气化或高温分解的系统同样存在低效及有效性差的缺点，这是因为焚化会产生其它的排放物，其必须包含在系统中才能防止附加的空气污染。还有，尽管焚化系统所产生的产品可能经充分的消毒，但该产品有可能含有焚化所产生的其它不好的副产品，由此使该产品不适用于某此肥料，因此需要在填埋场进行进一步处理。还有，焚化系统有可能会存在其它潜在的不可控的或瞬间的冒火危险，这一危险至少会损坏处理设备，糟糕的话会出现安全问题。
现有的系统不能很好地解决动物养殖过程中以及市政污水处理过程所产生的有毒气体和温室气体的问题。这些气体均来自于动物本身、动物所产生的废肥和粪便以及废肥、污水和粪便的生物转化或降解过程。这些气体通常都通到或排到大气，但也有可能会因其有毒的气味而影响到附近居民，并因其中所含温室气体特别是甲烷所引起的大气污染而带来环保问题。
本发明提供一种新的方法、装置和系统，其用来将粪肥给料转换成有用的环保的材料和产品，该材料和产品在优选方面中可做成适用于有机认证农业的形式。如这里所公开的那样，本发明提供的技术能够减少或消除动物养殖过程中所产生的温室气体对环境的不利影响，同时本发明的技术相对于现有的工艺和系统还能减少或消除粪肥给料对环境的不利影响。本发明的一个主要优点在于，在本发明对大部分粪肥给料进行加工的过程中，所有的废料固体均可保留在该方法和系统中，并做成最终产品的一个部分，而该最终产品可用作肥料或土壤增效剂产品。因此，本发明完全消除了剩余残渣或其它固体物在填埋场处理或通过土地扩展处理的必要性。从给料中去除掉的水分优选回收并循环到废料源那里或其它设备那里以便再利用。这一点使本发明具有很好的环保性和经济节水性。
术语“粪肥给料”在这里是指，包括动物排泄的废物如屎和/或尿，其包括但不限于人(市政污水或污泥)、牛(肉牛、奶牛、水牛、小牛等)、马、绵羊、猪、家禽(肉鸡、火鸡、驼鸟、鸽子等)、山羊、貂、兽、养畜场、厩、赛马场、斗牛场、集市、养殖场、拍卖场、动物园、水生动物(鱼、虾等)、麋鹿(及其它野生动物)、骆驼、羊驼、以及其它的操作及污水源或粪源，以及它们的混合物。这里所用的粪肥给料还包括除农业操作中正常情况下存在的其它材料之外的如下物质如麦杆、草垫(其通常为纸屑、木片等)、头发、皮、昆虫、啮齿动物等，并且不管这种物质与其它材料的比重是多低或低高。这里所用的粪肥给料还包括原始状态的物质、任何一种与其它材料制备好的混合物，如其它的生物物质(固体废物、绿肥)、添加剂、工艺助剂、骨粉、鱼粉等，还包括新鲜的物质，通过堆肥、消化完全生物转变的物质等，或者是处于两者之间的物质。显然，当其它的成分如骨粉等被加到粪肥给料中并与之混合或包含在其中用于本发明的加工时，这类添加的成分也像粪肥给料一样受益于上述不利成分如锯天牛等的热破坏或转换。由此，最好是将被污染的材料如含有杀虫剂的麦杆、含有锯天牛的骨粉等与被加工的粪肥混合，这样这些污染物就会在粪肥给料根据本发明进行加工的过程中被转换或破坏。如下面所述，该给料可包括现有粪肥氧化塘和/或肥堆中的物质从而清除并将其消除。本发明可用来处理其它类型的废物和废流，这一点可参见同一申请人于2004年7月19提出的美国专利申请10/894030中，这里该申请以引用的方式全文本申请。
本发明相对于现有技术提供一种简单并且经济高效的替代方案，其优选提供一种100％可用作肥料和/或土壤增效剂的产品，其能将粪肥给料固体物100％地转换成有用的产品，并能消除现有技术所不能解决的各种粪肥给料处理之后如堆肥并生产沼气之后残留固体物的处理问题。在本发明的一个优选方面中，所产生的肥料是一种可被有机认证食品生产商使用的有机肥料，其不会危害这些生产商经过有机认证的产品状态。根据本发明，由粪肥给料生产的产品中其营养价值可最大化，条件是避免或者是将粪肥给料的消化、焚化和氧化降到最少。
在本发明中，粪肥给料的高温处理优选通过粪肥给料与高温气体如＞1000的高温气体的直接接触来进行，从而将粪肥给料中存在的所有不好成分如生物体、微生物(其包括转基因生物体、细菌、病原体和其它微生物)、种籽、杀虫剂、抗生素、激素、锯天牛和病毒基本都破坏掉或转换成无害的形式，特别是在这种热处理在粪肥给料没有明显氧化、焚化和高温分解的条件下进行足够的时间时更是如此。在没有明显氧化和/或高温分解“蒸煮”或其它变化的条件下在足够高的温度下处理足够长的时间能够将粪肥给料转换或变换成一种自缠结产品，由此就能在不加入粘结剂或其它凝结剂的条件下做成传统的丸状、颗粒状、球状或其它形式，其具有足够的物理硬度和强度从而能做成常规的形状和大小，并用在常规的干肥使用设备和操作中。
本发明还能将粪肥给料中去掉的水分回收并再利用，该水可用作牲畜用水、灌溉或者是其它工业用途，同时本发明还能回收并再利用流程中产生的所有固体物(细末或其它形式)。在本发明的实际使用中，除了所需的肥料和/或适用于市场使用的土壤增效剂之外，本发明不会形成显量的固体产物。本发明提供的水的回收非常有利于环保和节水。例如，本发明的一个用来加工4000头奶牛粪便的操作单元每年大约能回收7百万加仑的水到奶牛场重新利用，这取决于原粪肥给料的含水量和其它操作条件。
根据本发明，提供高温气体与粪肥给料进行接触的最有效的方式就是燃气涡轮的排气，其优选为燃气涡轮发电机的排气。在本发明的系统中，燃气涡轮的燃料可以是当地可买到的常规燃料，这是因为在本发明的操作中没有生物转化过程并且粪肥给料也不会产生的沼气，同时还因为常规燃料能使燃气涡轮的操作更为高效、可靠和可控。燃气涡轮发电机所产生的电力优选卖给当地的电网从而用作本发明操作的一项收入，当然该电力也可用作本发明系统工作所使用的内部电力，或者是作为附近其它系统工作的替代电源，其也可是本发明方法所回收热电的综合利用。在本发明操作中最为高效并且优选的方案就是把所产生的电力卖给当地电网。这样能使本发明方法和设备的操作能够按照更为高效和有效的方式来处理粪肥给料从而生产出所需质量和数量的肥料或土壤增效剂，而不必去关心或限制于电力输出所必须达到的最低水平。
本发明方法和装置的一个重要特征是燃气涡轮和接收燃气涡轮排气的粪肥给料干燥容器被连接起来了，由此能基本避免外界空气被引入到干燥容器中，并且干燥容器优选为直接接收来自燃气涡轮的排气。作为优选，燃气涡轮100％的排气都送到干燥容器中，并且为了更为高效地工作，其优选不穿过任何热交换器、消音器或其它设备，从而能使干燥容器最大限度地接收来自燃气涡轮排气的热量。但是，需要注意的是可将干燥容器不需要的过量排气分出从而给本发明系统的其它操作步骤或者是附近的其它操作提供所需的热量。还有，该排气优选来自于燃气涡轮常规的高效燃烧比，这样该排气就只含有最少量或有限量的自由氧，并且基本没有未燃烧的燃料，没有明火，能达到最佳排气温度(EGT)，单位燃料所产生的热量最大。燃烧可在本发明方法输入温度和热量最大的情况下在操作处于峰值EGT的化学计量比率下进行。排气中没有过量的氧气，外界空气不能引入干燥容器，没有明火并且操作在这里设定的温度下进行，这些都能大大地防止粪肥给料在干燥容器中被氧化的情况出现，从而使粪肥给料中的营养价值最大限度地保留在最终产品中，并且能够防止火焰对设备的损坏，同时提供一种安全的干燥容器中没有闪火的操作。排气中没有过量的燃料就能防止排气中含有碳氢化合物，而该碳氢化合物必须在蒸气排放物排放到大气之前从本发明的操作中去掉。
在本发明方法和装置的操作中，当粪肥给料优选为尽可能的新鲜，并且含湿量高。换句话说，这种粪肥给料在进行本发明的加工之前应该尽可能少地或者是没有出现堆肥、消化或者是其它生物转换过程。这样在最终的肥料和土壤增效剂中就会含有最高的营养价值和有机物质。该优选方面都能通过本发明系统的优选设计来实现，该优选设计是工艺单元之间以滑装形式或适于卡车运输的其它形式安装起来的模块化设计。这种设计能使本发明的整个系统具有合适的尺寸并能布置在养牛场、养鸡场、养猪场的现场，这种设计还能使这种操作和设备的粪肥给料在生产之后能被立即加工出来。适用于这种操作的优选系统具有更好的经济性和环保性，因为其消除了将粪肥给料或废弃污泥运送到远处以便进行加工或处理所带来的成本和环保影响。粪肥给料不需从一处运送到另一处还使厂房之间具有生物安全性的好处，即其消除了有害或不好植物和动物疾病的传播和扩散。这种设计还能使客户或散工的粪肥给料能够使车载单元轻松地从粪肥给料集放的一个地点移到另一个地点方进行加工，从而使本发明设备系统的投资利用率达到最大。这种可移动性还能使本发明的设备被完全利用，本发明设备可按比例缩放到合适的尺寸以便高效、经济地工作，这样其就能用在一部分时候用在某一特定区域中的各个不同养牛场、养猪场等，其中的区域并不需要在某一地方永久地安装本发明的设备，或者是不能经济安装本发明设备。本发明的系统还能缩放到合适的尺寸以便用于单个的养殖场，从而全天运行并连续地处理该地点生产出来的粪肥给料，这样在养殖场工作的任何时间里，该粪肥给料的堆放或者是过量的粪肥给料都是最少的。同样，本发明的系统在大小上还能安装在办公楼、医院、宾馆等地从而截取并处理这里产生的原始污水，进而减少市政污水处理设备的负担。随着许多市政污水处理设备达到满负荷并且城市面临巨大的投资压力来建造新的设备或扩建设备，本发明在经济性上提供了一种吸引人的方案，其通过在大型加工设备现场对废弃物流进行处理从而生产出有用的产品并减缓市政污水系统的负荷。本发明的系统也适用于对办公楼、医院、宾馆等地产生的原始污水进行卫生处理从而在现场产生肥料产品，由此进一步地缓减了市政污水系统的负担。本发明系统的这个方面特别适用于偏远的、通常没有市政污水处理设备渡假村，从而对来自渡假村的污水进行处理，进而生产出一肥料产品并消除污泥处理的问题。
本发明中所使用的粪肥给料优选具有很高的含湿量，如至少为30％重量的水，其优选为至少50％，更为优选的是至少为70％。含水量高有助于对该原料进行机械处理通过搅拌混合使其均匀并准备好进一步使用。该粪肥给料通常由搅龙、前端装载器、背铲、传送带等来移动，特别是在对牛、禽的操作中更是如此。然而，在某些场合中，粪肥给料有可能制备成一种可泵送的浆状物，此时该粪肥给料的含水量有可能会高到90％、95％甚至98％。在本发明之前，这种粪肥给料不可能得到经济地处理，其只是简单地放在池塘中或氧化塘中，由此会产生空气污染、气味及环保的问题。本发明可用来经济高效地加工这种含水量很高的粪肥给料，从而不仅能将粪肥成分回收成高营养的肥料，还能将工艺用水也回收回来，该工艺用水去掉了病原体等的污染，并可回收用作厩的清洗，牲畜的饮用水，或者是农田灌溉用水。本发明能够经济高效地处理含水量很高的粪肥给料的原因是干燥容器所产生的过量蒸气可用在下游、上游或者是附近其它的操作中，如厩的清洗，粪肥给料的预热，或者是温室的加热等。本发明除了能将含水量很高的粪肥给料承装在一个开放的水池之外，还能将该废料装在一个封闭空间或罐子中，这样就消除了空气污染、恶臭和环保等与开放池塘有关的问题。本发明如这里所公开的那样不仅能用来处理水和固体物，还能用来处理产生的气体。注意，本发明优选为粪肥给料尽可能地新鲜，即经历的生物转化如堆肥或消化尽可能地少。在某些情况下，如果肥料在处理之前必须被承装起来或保存起来，那么最好是在原料地或存放地冷却该粪肥给料，这一点参见Claesen的EP0677237，从而在粪肥根据本发明加工成肥料之前将生物转化降到最低。将生物转变降到最低，特别通过本发明的中间处理，其带或不带冷却，将生物转变降到最低的好处是减少了在毒或有害气体排放到大气中，其经济上的好处是消除或降低了农业操作中对气味控制或对排放物控制设备的需要。在某些情况下，出于经济上的原因，最好是在本发明系统对该粪肥进行加工之前，例如通过离心方法将部分水分从含水量很高的粪肥中分离出来。如此分离开出来的水分可回收再利用，如用来清洗地板，或者是用于其它工艺用水。
我们知道，原始的粪肥给料通常都含有其它材料如稻草、细线、电线、水泥、石块、黄麻或塑料带等。只要这些材料的含量不是异常的高，那么这些材料可作为本发明粪肥给料的一个部分进行处理而不会有什么不好的影响。然而，正常情况下优选方案是分离出这些材料，特别是石块、电线等材料，因为它们有可能会破坏干燥容器或下游的加工设备。否则，在准备该粪肥给料时最好是通过切割、研磨或其它方式将这些东西如细线、塑料带等粉碎成细末，从而在不明显干扰本发明方法和装置正常操作以及肥料产品最终使用的条件下将它们加工成最终的肥料产品。需要注意的是，那些稳定的或者是可生物降解的材料可在不存在不好影响的条件下包含在肥料产品中，这一点特别适用于如果将这些材料从粪肥给料中去除，其操作很不经济的情况，或者是在本发明的加工过程中去除这些材料不经济的情况。通过磨、切、砍、压等方式来制备粪肥给料不仅能提高给料加工的均匀性，还有助于将其它的材料如稻草、木片、养殖场废料等加入到给料中。此外，该粪肥给料的准备还可包括冲洗的步骤，该操作可用在非常干的粪肥鸡粪中，从而去掉最终肥料中或土壤增效剂产品中不需要的过量盐分。
尽管粪肥给料优选是没有经历或几乎没有经过堆肥、消化等生物转变过程，但显然本发明同样适用于干燥和处理完全生物转化(堆肥或消化从而耗尽)的粪肥给料从而生产出一种有用的材料或产品。这种材料或产品的肥料营养价值可能很少，但该材料或产品仍可用作土壤调节剂。这里所用的术语“生物转化后的粪肥给料”是指一种给料，其中大部分的营养素已通过堆肥、消化等转化了，从而使给料更适于生产土壤调节剂或土壤增效剂产品，而不是用来生产肥料产品。显然，可用于本发明中的粪肥给料包括这样的材料，其中实际的动物粪便(屎和/或尿)只是粪肥给料的一小部分，其余部分则是其它的材料如麦杆、草垫等。例如，在某些养鸡操作中，纸屑可用作做巢/做窝材料，其频繁更换从而使这种操作下的粪肥给料的重量百分比可低到大约10％到30％的粪便，以及大约50％到80％的其它材料，剩下的是10％到20％的水。即使是这种粪肥给料，其也能由本发明加工生产出一种土壤增效剂和/或肥料产品。
这里所用的术语“燃气涡轮”是指任何一种具有涡轮压缩级、燃烧区以及排气涡轮级的涡轮发电机，其中的排气涡轮级能够产生温度至少为500，优选至少为700，更为优选的是900，最为优选的是超过1000的排气。燃气涡轮是本发明的优选热源，这是因为其运行效率高并且热输出也很高。该燃气涡轮发生器优选用在本发明中的另一个原因是发生器会产生能量，该能量可被利用或卖掉从而提高本发明系统运行的经济性。该发生器通常是一种发电机，因为其生成电力的使用和/或买卖非常方便。然而，该发生器也可是所需的其它类型的能量发生器，如能够驱动本发明系统中泵、搅龙、传送带和其它类型设备上或者是附近其它设备上液压电机的液压泵或动力单元。这种热需求以及系统的经济性决定了是否采用燃气涡轮或燃气涡轮发生器。如果需要从一台更小的燃气涡轮获得更高的排气温度和更高的输出热，那么最好使用燃气涡轮而不是小尺寸的燃气涡轮发生器。与燃气涡轮相比，燃气涡轮发生器使排气进一步吸收能量膨胀并冷却从而驱动发生器，其中在燃气涡轮中能量是含在高温气体中的，该高温气体可用在本发明的干燥容器中。在本发明的经济性更为重要时，这一点是可选的，由此可选择一个小型(车载)的高温单元而不是选择形成一个获利气流或者是选择由燃气涡轮发电或产能带来经济利益。
用在本发明中的燃气涡轮或燃气涡轮发生器可利用任何一种合适的燃料来给本发明特定的工作设备和燃气涡轮提供燃料。优选并且常规的燃料是脱硫的天然气、柴油、煤油以及航空燃油，因为燃气涡轮在设计上如果采用这些种类的高质量燃料时能够运行得更为高效，并且这些燃料非常普通且容易买到，特别是在本发明单元最频繁使用的地点即偏远的农村更是如此。然而，其它的燃料也可用于燃气涡轮中，这包括甲烷、丙烷、丁烷、氢、沼气以及生物液态燃料(如甲烷、油、柴油和煤油)。由于本发明的系统并不产生生物燃料，因此本发明所用燃气涡轮的燃料必须能够在本发明使用的现场获得。如果燃料不能在当地获得，那么可用卡车将像柴油这样的燃料运送到所需的现场。
本发明燃气涡轮和燃气涡轮发生器可在市场上买到，其例如包括下面的几个例子(其中的额定输出(MW)是近似值)-Rolls Royce Gas Turbine Engines Allison 501-KB5，-KB5S或-KB7，其标准条件下的额定输出为3.9MW或5.0MW
-European Gas Turbines Tornado，其额定输出为7.0MW-Solar Mars 90，其额定输出为9.4MW；Solar Mars 100，其额定输出为10.7MW-Solar Tarus 60，其额定输出为5.5MW；Solar Tarus 70，其额定输出为7.5MW当额定产品输出容量为2.5砘/小时(2500kg/hr)时，可采用大小约为4MW的燃气涡轮发生器，其取决于整个系统设计的绝热性能和热回收效率。对于小型的单体半拖车或卡车系统来说，该单元可按比例缩小。对于产品输出量更小的系统来说，例如对于产品输出量为0.3公砘/小时的系统来说，可根据系统的效率和所需输入热量的范围而选用小型的燃气涡轮如Solar Saturn 0.8MW、Solar Spartan 0.2MW或Capstone 0.5MW，或者是0.3MW的发生器。我们知道本发明的系统还可在设计上利用往复式发动机如汽油机或柴油机排气的热量。这些小型的系统可用在临时地点上，如斗牛场上以便提供电力，清洁新旧的粪肥并生产出一种肥料产品。
本发明这里采用的干燥容器可以是任易一种类型或结构，只要其适于干燥所能得到的粪肥给料并适于接收燃气涡轮的排气和粪肥给料，同时还能防止显量的外界空气进入干燥容器的干燥腔即可，其中的排气在干燥容器这里与粪肥给料接触。在本发明的设计上，燃气涡轮的排气与干燥容器连接的目的在于防止显量的外界空气进入到干燥容器中，从而防止粪肥给料出现明显的氧化。如前所述，这样做能够将粪肥给料中的有机物质、含碳物质和/或营养价值均保留下来，由此来防止起火并提供安全的操作。正如本发明这里所使用的那样，我们优选涡轮按照常规的燃料/空气比进行运行，从而为干燥容器提供最有效的排气温度(EGT)，并且使所生成的进入干燥容器的气体含有最少量的自由氧。本领域技术人员基于本发明所公开的内容都知道除了燃气涡轮之外，还可用其它的热气源连接到干燥容器上，如常规的油燃烧器或气燃烧器和往复式发动机所产生的排气，条件是它们按照常规的燃烧比工作从而使自由氧达到最少，或者是按照化学当量比工作从而使排气中没有自由氧，这些热源与干燥容器连接的形式必须能够防止显量的外界空气进入到干燥容器中从而防止给料出现明显的氧化。当然，也可选择将这种替代的附加的热气源连接到本发明的干燥容器上并用来增补燃气涡轮输出的排气，从而在需要时给干燥容器提供额外的热输入容量，以备启动阶段、关机阶段、脉冲负载时期或者是燃气涡轮下线的备用阶段时使用。
我们知道，在本发明的操作中，不是所有的外界空气都能被排除出去，并且粪肥给料的氧化也不可能被完全防止，这主要是因为粪肥给料中存在并夹带有空气，粪肥给料的水分中溶解有空气，并且涡轮排气中也可能会因燃料和空气没有达到化学当量比而存在有多余的氧气。此外，在某些情况下，粪肥给料中的有机或其它材料也有可能会在热处理、转换以及分解时产生或释放出氧。因此，这里所用的术语“防止空气的引入”或“没有明显的氧化”等在上文中是指空气或氧作为粪肥给料或排气的一部分进入到系统中或者是在热变换过程中产生出来的情况并非刻意去排除，当空气随着粪肥给料一起进入到系统中的情况并非刻意排除时就有可能出现氧化。然而，这样的氧化在本发明的范围、内容和实现过程中或者是这里所用术语含义中并不属于明显氧化的范围。同样，这里所用的术语“没有明显的高温分解”是指粪肥给料中最多只有很少的一部分被高温分解，这一点参见美国专利文献US6039774。高温分解的产物在本发明的方法和产品是不好的，同时本发明的方法和设备在操作上使粪肥给料达到所需的干燥并且使各种粪肥给料成分如杀虫剂、锯天牛、有机体、种子等达到所需的转换和破坏，但在操作上还需避免明显的氧化，优选为避免明显的高温分解，或者是至少将氧化和高温分解减到最低。显然，本领域技术人员基于上面的内容在本发明的某些应用场合下能够对排气的温度、干燥容器内的接触时间和/或滞留时间、干燥容器中固体物和蒸气的含湿量以及其它的变量进行控制从而对一种特定的粪肥给料进行加工进而达到所需的结果并使最终产品中的营养价值达到最大。
干燥的或者是含湿量低的粪肥给料在颗粒之间的空隙中有可能会比湿的或者是含湿量高的粪肥给料夹带更多的空气，并且将这些夹带的空气在粪肥给料引入到干燥容器之前从干燥的粪肥给料中排除掉在正常情况下有可能并不经济。然而，为了与本发明的其它操作相一致，优选采用含湿量高、空气含量低的粪肥给料，并且还优选将水加到干燥的粪肥给料中从而在粪肥给料进入到本发明的系统进行加工之前将空气排除出去。作为优选，将引入到干燥容器中的空气和氧降到最低能够防止粪肥中的营养成分以及给料中的其它成分如稻草、灰等被明显氧化，如果干燥容器中存在有过量的空气或氧则有可能出现火情或安全风险。
将外界空气排除出去对经济性也是优选的，因为在加热粪肥给料的同时加热过量的空气或外界的空气会降低处理的效率。在某些情况下当粪肥给料的含湿量很低时或者说对本发明的优选操作来说非常干时，需要向给料、涡轮排气、涡轮进气或干燥容器加入水分从而将干燥容器中的含湿量提高到一个适于高效运行并能使干燥容器出来的固体材料具有所需含湿量和所需自缠结性能的水平。向干燥的粪肥给料加入水分然后再混合、揉捏或挤压，如按行混合并用辊子挤压，也能用来在粪肥给料被送入干燥容器之前将空气从给料中排出。在粪肥给料非常干燥时，也可在给料进入干燥容器之前出于工艺考虑而加入水分。
我们知道干燥容器的操作在正常情况下是用来干燥粪肥给料，但其也可用来高温加热粪肥给料从而将不需要的成分转换或破坏，并使给料出现化学或热变性从而使最终的产品具有所需的粘结性和颗粒硬度。如此可见，本发明的一个重要方面是在粪肥给料没有被外界空气明显氧化的情况下将粪肥给料中的各种成分进行热转变。由于各种粪肥给料的成分非常多变，因此我们并不清楚在各种热转变中到底会发生什么样的化学反应，申请人也不希望束缚于这方面的理论和构思。然而，通过已有的观察以及下面这些观察的理解能够使本领域技术人员更为有效并高效地实施本发明。
首先是不好成分如有机体、化学物质等的热转变和破坏，这一点正如本发明其它地方所论述的那样。第二点是粪肥给料中有机物质(动物粪便、麦杆、草垫等)在化学或物理上出现的热转变。这种热转变能使其本身自缠结，并且能够在不加入粘结剂或类似材料的情况下将热处理或热转变后的给料做成具有很高物理强度的球、细粒或颗粒状。尽管常规的用来形成球形、细粒化或颗粒化的粘结剂也可用在本发明中，但本发明优选的是在一定的热处理温度下操作一定的滞留时间从而生产出一种在不加入粘结剂的情况下能够自缠结并成球/细粒化/颗粒化的材料。我们相信从一定程度上讲当给料中的有机物质在化学上改性和/或热转变时，这一转变类似于“烧熟”，其将分子团、纤维素、淀粉、碳水化合物等转换成在最终产品中可用作粘结剂的材料。其提供的粘结性能够使最终形成的产品具有一定的颗粒强度以及自由流动的抗结团性和不易碎的性质，这一点使之非常适用于常规的干燥肥料的处理和应用设备。那些所含动物粪便比例范围从很高到很低的粪肥给料均可转变成自缠结材料，其在不加入其它粘结剂的情况下能够形成强度很好的球状、细粒状或颗粒状产品。当然，如果需要也可加入额外的粘结剂以提高本发明最终产品的强度。此外，生产出来的某些营养价值低但有机物质高并可用作土壤调节剂或土壤增效剂的材料同样可经加工生产出可用的球状、细粒状或颗粒状产品。第三是我们知道在加工一种含湿量很低的粪肥给料的某此情况下，实际上有可能不会有什么明显的干燥，即进入干燥容器的给料的含湿量与离开干燥容器的肥料或土壤增效剂的含湿量实际上相同，此时该干燥容器实质上用作一个烤炉。此时，最主要的加工就是至少使给料中的一部分有机物质受到热处理或转变和/或化学改性(“烧熟”)从而使所生产出来的材料具有足够自缠结性从而使最终的球状、颗粒状、细粒状产品具有一定粘结性、结块性、硬度、抗结团性、不易碎性、无粉尘性、自由流动性和湿度误差范围。再有，如果需要，可选择将粘结剂加入从而提高最终产品的强度。
可用于本发明的干燥容器的类型例如可以是带或不带内刮刀、搅拌板和/或叶的旋转汽包，带或不带内刮刀、搅拌板和/或叶的静止型“放射状”汽包干燥器，以及本领域公知的其它干燥容器。市场上可获得的那些适用于或者是可用于本发明的干燥容器例如包括Scott AST DryerTMSystems，Simon Dryer Ltd.-Drum干燥器，Wyssmont Turbo Dryer系统和Duske Engineering Co.，Inc.的干燥器。适用于或者是可用于本发明的干燥容器例如还公开在Duske等人的美国专利US5746006以及Luker的US5570517和US6367163，其公开的内容在这里以引用的方式并入本申请。
如上所述，“干燥容器”在本发明的系统中并不必自始至终都主要用作干燥器来将湿汽从粪肥给料去掉。该干燥容器还可用作热处理/转变/改性容器或者是烤炉，在该容器或烤炉中粪肥给料被加热到足够高的温度并加热足够的时间从而如这里所述的那样生产出所需的最终材料和产品。此外，该干燥容器并不需要使涡轮排气或其它热源与粪肥给料直接接触，其也能用来间接地加热粪肥给料从而实现本发明所需的干燥和/或热处理/转变/改性。在直接或间接加热时，该系统在控制上应能使粪肥给料中没有明显的氧化和明确的高温分解。
适用于本发明的干燥容器的另一方面是该干燥容器还优选用作燃气涡轮的消音器或者是其它用来提供热排气的发动机的消音器。我们知道，燃气涡轮(主要是指喷气飞机发动机)，会对周围环境带来强烈的噪音污染。当地的、国家的和联邦的法规通常都要求用于发电或其它目的的固定式燃气涡轮安装有消音器从而将燃气涡轮排气的噪音降到可接受的水平。消音器的缺点是在经济上其会使成本增高并且会在燃气涡轮的排气上形成背压，而背压会降低燃气涡轮工作的效率。本发明的一个优点是，由于燃气涡轮排气和干燥容器之间的连接优选封闭于外界的空气，因此该干燥容器能有效地用作燃气涡轮的消音器。这是干燥容器与含湿量很高的粪肥给料组合起来工作时其内部结构所带来的至少一部分结果，这种组合形式能有效地吸收并抑制燃气涡轮排气的噪音。这一点也是因为干燥器的下游端封闭于大气，干燥容器的蒸气和出口废气被收集起来以便冷凝、净化、再循环并且在其排到大气之前在一封闭系统下游的加工中进行热回收的结果。显然，本领域技术人员都知道本发明方法和设备系统中各个点的通气容量最好都能满足启动、关机、失常或者是给料发生变化时的需要，但其在正常情况下作为一种闭路系统工作，只有最终的产品输出以及洁净的排气排出。作为选择，该涡轮排气可部分或者是暂时全部地转移到其它的下游单元，其从干燥容器旁通过去，在需要时增补其它过程单元或者是启动、关机或失常时所需的热量。
本发明的另一个优点是蒸气和废气通过一个合适的风扇、通风扇等从干燥容器的排气端抽出从而使干燥容器上游入口的压力降低，进而降低涡轮排气的背压。这样可以提高燃气涡轮的运行效率，其之所以能够降低背压是因为燃气涡轮排气和干燥容器之间的连接并不开口于外界空气。显然，本系统商品在设计上可包括一个通风管甚至是一个常规的消音器，其通过一个T型接头或其它的结构连接到燃气涡轮排气和干燥容器之间的连接管道上以便在启动、关机或者是失常时使用，但如上所述这种设计并不适用于本发明方法和装置的正常运行结构中。为了使本发明的运行效率达到最佳，燃气涡轮排气和干燥容器入口之间的连接管道优选没有任何阻挡，由此使排气在燃气涡轮和干燥容器之间以最小的热损失及能量损失输送到干燥容器。从这里所公开的内容我们还知道，燃气涡轮发电器的运行优选控制到使粪肥给料的干燥、热转变、化学变性及所需的其它加工处理达到最佳的效率或经济性，当然这有可能并不是燃气涡轮发电所需的最佳或最好状态。发电是本发明系统的一项成本回收流，但本发明整体运行的经济性在燃气涡轮按照下述条件运行时可能会更好，即燃气涡轮的运行有利于达到最佳的排气热输出，而不是有利于发电，其中最佳的排气热输出是指对干燥容器的运行效率是最佳并且能使下游生产的产品具有所需属性。显然，本领域技术人员基于这里的教导都能确定出本发明特定布置条件下所对应的这种运行条件。这种燃气涡轮控制系统公开在2004年7月19日提出的、同一申请人的未授权美国专利申请10/894875中，这里其公开的内容以引用的方式全文并入到本申请。
本发明的另一个优点源自于燃气涡轮排气与粪肥给料在干燥容器的有限空间在没有显量的外界空气的条件下的接触。燃气涡轮排气中的排放物NOX和SOX以及某种程度上的排放物CO和CO2均得到明显地降低，在有些情况下其甚至降低到零，这里因为NOX和SOX被吸收或混合到粪肥给料中，并在这里其始终被吸收、混合或结合到干燥容器排出的干燥后的或处理过的肥料中以及被加工成细粒、小球、颗粒或其它形状的产品中。由此得到两个优点NOX和SOX(以及CO和CO2)到大气的排放量得到降低或者是消除，同时氮、硫和碳被加到本发明方法和装置所生产肥料的营养价值中。
显然，本领域技术人员基于本发明这里所公开的内容都知道干燥容器的运行条件和操作步骤。进入到干燥容器的涡轮排气的温度通常大约在500到1500的范围内，这取决于粪肥给料的含湿量和粪肥给料中其它成分的含量以及干燥容器所输出肥料或土壤增效剂所需的条件。在带有小型发动机的小型系统中，入口的排气温度可低到大约300或350。优选的范围大约为600到1200，更为优选的入口温度是至少约为650，最为优选的是至少约为700。进入到干燥容器的燃气的温度和流量部分取决于粪肥给料的含湿量和粪肥给料的其它性质。含湿量越高显然通常需要温度更高的进口燃气才能降低所含的湿量。显然，本发明的系统在含湿量很高的粪肥给料与高温燃气接触时能够获得额外的效率。这种接触有时在瞬间能够使湿气在离开粪肥给料时形成过热蒸气，然后该过热蒸气再加热并将湿气从附近的粪肥给料中排出。我们相信这种机理能够使粪肥给料快速干燥到含湿量很低的状态，由此粪肥给料在干燥容器中的滞留时间有助于实现本发明所需的热处理/转变/改性或“烧熟”。某些粪肥给料有可能需要较低温度以及更长的滞留时间来实现所需的转变或“烧熟”从而生产出具有自缠结性质或这里讨论的所需其它属性的产品，特别是在为了满足“有机”标准时。肥料或土壤增效剂离开干燥容器时的温度通常大约在150到450的范围内，其优选在200到350的范围内。在某些操作中，肥料或土壤增效剂在干燥容器出口的温度至少应约为175，其优选至少为200。
本发明材料和产品的自缠结性是本发明的一个重要的优选方面。尽管本发明可选用常规的粘接剂和添加剂来使所需形状和形式的细粒、小球或颗粒具有所需的物理强度，但本发明通常优选的是通过对粪肥给料烧制和转变条件的控制来生产出自缠结产品。这些运行条件取决于粪肥给料的含湿量以及粪肥给料中能够转变成具有缠结特性的有机物质的含量。尽管本发明并不能按照或者束缚于某一特定的理论，但显然淀粉、蛋白质、碳氢化合物和糖均能转变成能用作粘结剂的麸质材料，并且油质和配体类成分会聚合从而用作粘结剂。在任何一种情况下，这些操作条件均包括排气的温度、粪肥给料与排气之间的接触时间、粪肥给料固体物在干燥容器中处于高温状态下的滞留时间。这些条件将用来确定固体物需要升高的温度以及固体物在高温下需要滞留的时间。该温度对特定的某一段固体物来说有可能不是一个恒定的温度，而是一个温度曲线，其经过一段时间上升到最大温度，然后再经一段时间降下来，如果干燥容器的输出在出口处被淬火那么其也有可能是快速降温。使产品具有最佳自缠结性能的最佳条件可根据这里的内容并针对特定的粪肥给料确定出来。
这里所用的术语“肥料材料”是指干燥后的粪肥给料，根据本发明其是粪肥给料在干燥容器中通过将含湿量从现有的水平降低到一个更低的水平和/或完成这里所提到化学改性和转变而得到。“肥料材料”可被看成是一种中间产品，其可用来进一步加工成一种适用于消费者、市场或工业使用的最终肥料产品。从干燥容器出来的肥料材料通常会经研磨从而形成一种粉末或粗粉，接着再将这些粉末或粗粉经细粒化、球化或颗粒化从而生产出最终适用于农作物生长中干燥处理的肥料产品或土壤增效剂产品。肥料材料还可经研磨或者是经其它的粉末方式做成一种浆状或其它液态或能够泵送的产品，该产品可以湿态用在土壤里或农作物生长中，或者是加压喷洒于山岭或悬壁的除虫或播种操作中，如液压覆盖、液压播种和液压植苗，或者是可用来包覆种子以便用于上述用途，或用于条播机或飞机播种。同样，作为选择，干燥容器生产出来的材料可经加工形成一种类似于天然泥块的产品，但其比天然泥块的有机物质含量更高(20％、30％、40％、50％或60％或更高)而含湿量更低。在粪肥给料部分或完全生物转化的情况下，干燥容器所生产的材料仍可做成泥块形产品，其可用作土壤增效剂产品。即使该产品的营养价值可能并不高，但如上所述其有机物质含量却很高。干燥容器的原料输出，无论其是新鲜的还是经过生物转化的，均能做成最终的肥料或土壤增效剂产品，其经打包或装带做成所需的适于各种农用或景区使用的形式。例如，其可做成长“蛇”形棍形，其类似于草蛇辊，用来在建筑工地中防止腐蚀。由本发明制成的这种辊子能像草辊一起有效地控制腐蚀，但由于其与麦草相比具有更高的营养和/或有机物质，因此这种辊子有利于现场蔬菜的提前生长并生得更好，从而在这些辊子消失不再有效时也能防止腐蚀。来自干燥容器的材料还可与粘结剂如融化的尿素混合从而形成一种适于农业使用的产品。这里所用的“肥料材料”和“肥料产品”是指植物可用营养价值高的材料和产品(其通常由新鲜的粪肥给料制得)。同时，“土壤增效剂材料”和“土壤增效剂产品”则用来指植物可用营养价值低的材料和产品(其通常由生物转化后的粪肥给料或者是粪便含量低并且其它成分含量高的给料如麦草、做窝材料等制得)，但其也指有机物质高的材料，这种材料有利于做成土壤调节剂、土壤增效剂或土壤增补剂。如这里其它所述的那样，我们知道这些材料和产品可与其它材料或化学物质混合起来。值得注意的是，本发明系统所生产的产品尽管优选用作肥料和土壤增效剂，但也可用作燃料来产热或电力。当地的经济状态会对干燥设备出来的材料的最终用途或者是本发明系统所生产出来的产品产生影响。
这里所用的术语“细粒”和“细粒化”等均用来指本发明所生产的任易一种细粒形式的材料或产品，其包括常规的细粒、粉末、细末、碎屑等，其通过常规细粒化方法和设备得到，这包括挤压或粉碎前面已形成的小球或颗粒。术语“小球”和“球化”等是指本发明所生产的任易一种球形的材料或产品，其包括柱体、弹形、球形或其它的形状，其通常由常规的球化方法和设备得到，如挤出一浆体或糊体并切割、剁碎或者是将挤出物破碎成所需的大小。术语“颗粒”和“颗粒化”等是指本发明所生产的任易一种颗粒状的材料或产品，其可通过常规的颗粒化方法和设备来制成，这包括喷塔法、冷冻干燥法等。
挤压成丸机是一种优选的适用于本发明的处理单元，这是因为其优点是干燥容器生产的材料具有自缠结性能，同时其能在有助于材料进一步“烧熟”的温度和压力条件下工作，从而使本发明的产品具有基本的和/或更好的自缠结性能。在通常的操作中，研磨单元出来的粉末或粗粉可与水蒸气或水进行混合，例如与来自干燥容器的水蒸气或冷凝水进行混合，由此形成的材料能够在高压和高温下挤压形成小球或其它的形状。挤压成丸机中的温度可来自于被加热的螺杆、型模或气包，也可来自于高压挤压的能量。无论哪一种情况，挤压材料均被加热到工艺过程的一个很高温度上。显然，对于某些粪肥给料来说，挤压成丸机中的高温和高压可进一步“烧熟”或转变材料中的特定成分从而提供或有助于所形成的球化的、细粒化的或颗粒化的产品具有附加的或增强的自缠结性能。这种挤压成丸机的通常运行条件是一种重量含湿量大约高到20％或更高的可挤压材料，这取决于所采用的挤压设备。挤压机的温度和压力是常规挤压设备正常使用的温度和压力。显然也可根据所加工的粪肥给料和所形成产品所需的性能而采用其它的操作条件。生产出的小球经干燥可将含湿量降低到一个适于产品稳定保存的水平，如大约10％的重量含湿量。如这里所述的那样，在本方法这里所去掉的湿分可经回收从而用在本发明系统的其它步骤和处理过程中。
粪肥给料的重量含湿量通常大约在50％到90％之间，优选约在60％到80％之间，更为优选的是约在65％到75％之间。(这里所用的重量百分比是指相关成分占所述混合物总重量的百分数)。尽管本发明也能对含湿量较低的粪肥给料如重量含湿量大约低至40％甚至30％的粪肥给料进行处理，但粪肥给料的重量含湿量优选至少约为50％，更为优选的是至少约为60％，最为优选的是至少约为70％。当粪肥给料具有该范围中的高含湿量时，1000的排气才能在干燥容器中与该高含湿量的粪肥给料在大气压下或者是低于大气压的压力下接触并在干燥容器的入口迅即产生水蒸气或过热蒸气从而达到这种加工的优点。由此产生的水蒸气或过热蒸气有助于相邻的或附近的以及下游的粪肥给料颗粒的干燥、烧熟和转变，这一点能提高这种处理的效率。本发明的方法和装置优选按如下方式操作不同批的或者是同一批不同部分(顶部、底部、内部、外部等)的粪肥给料经掺杂混合从而形成均匀的粪肥给料。如此优选的准备过程能够使干燥容器生产出更为均匀的材料，并简化过程的控制。粪肥给料的温度通常为环境温度，即大约在30到100的范围内，但也有可能会低于30，其条件是冰冻的团块不会影响给料的准备或者是干燥容器和给料进送设备的工作。尽管该粪肥给料优选处于低温状态下从而减少或防止在经本发明的加工之前营养成分分解或生物转化，但为了加工的经济性和生产能力，最好在粪肥给料引入到干燥容器之前对其进行预热。如果采用预热，该预热优选是在粪肥给料即将用在本发明之前进行，这样就能将堆肥和生物转变保持在最低。如果对给料进行预热，那么其可按所需的方式进行，如通过热交换器、太阳能加热、加热了的传送带或搅龙或者是运送和给料制备区域中的加热了的混凝土板。
涡轮排气和粪肥给料之间的接触时间由多种变量来确定，这些变量包括给料的含湿量、干燥容器输出材料所需的含湿量、所需达到的化学变性/转变、进入干燥容器的排气的体积和温度以及其它的因素。对接触时间进行调节不仅能够实现所需的干燥，而且还能将粪肥给料固体物的颗粒提升到足够高的温度从而在需要下述的破坏或转变时将给料中的不好成分如有机体、微生物、种籽、杀虫剂、抗生素、激素、锯天牛、病毒等完全破坏或转变成无害的形式，并且在需要时生产出一种自缠结的产品。颗粒所达到的实际温度并不重要，只要所述成分的破坏和转变能够达到所需的水平，自缠结或所需的其它性能能够达到所需水平即可。所需的接触时间可由干燥容器的体积和尺寸以及给料和排气的通过体积来改变和调节。从排气传给给料的热量以及给料被加热的温度主要是排气与给料之间质量比的函数。与一台燃气涡轮发电机一起工作的干燥容器例如可以是排气输出在1000时大约为122000磅/小时的Rolls Royce Allison 501-KB5发电机(其额定输出为3.9MW)，其连接到美国Minnesota州New Prague的Scott Equipment Company生产的一台旋转型管式干燥器model AST8424上，后者的内腔体积大约为26立方米(m3)。该粪肥给料是一种新鲜的养牛场粪肥，其重量含湿量大约为70％，并在大约65的温度下以6500kg/小时(即大约10m3/小时或者是16200磅/小时)的流量送到干燥容器中，从而使固体物在干燥容器中的平均或额定滞留时间大约在10到18分钟，同时排气与粪肥给料的重量比大约为7.5。干燥容器的输出大约在200。排气与给料之间的重量比通常大约在15∶1到1∶1之间，其优选约在10∶1到3∶1之间，更为优选的是约在8∶1到4∶1之间。当给料很冷且含湿量很高同时排气又不处于高温或最大温度时，热需求可能会要求该比值至少约为20∶1，或者是至少为25∶1，甚至更高。流过干燥器的排气流和粪肥给料流可以是顺流、逆流、单级、多级等，这取决于所需的结果、各类系统的设计以及经济性的考虑。
干燥容器的输出包括蒸气、水蒸汽、燃烧气体以及经干燥和/或热处理并转变成所需形式的固体物。这些气体和/或固体物在干燥器出口的温度通常大约在200到350之间，但出于经济性原因或者是产品质量和/或过程效率的考虑，更低或更高的温度也有可能会选择和/或是所需的。该出口温度至少大约在110到500，优选至少为180，更为优选的是至少为200。一般来讲，离开干燥容器的固体材料的重量含湿量通常大约在10％到15％之间，但该范围也可在约5％到约25％之间。再有，出于同样的考虑，干燥容器输出的固体物有可能会选择更低或更高的含湿量。离开干燥容器的蒸气、水蒸汽和燃烧气体正常情况下会流过热交换器(以便回收过程热量并将其用在下游的颗粒化或球化操作中或者是用在上游的给料或涡轮进气的预热中)、冷凝器(其用来回收过程水分并将其用于上下游需要的地方，或者是其它农用或处置需要)、洗涤器、过滤器或悬风器(其用来回收气体或液体中夹带的固体物并使该气体和液体适于环保排放)以及其它常规的工艺设备。
从干燥容器输出的固体物，在这里其被称为肥料或土壤增效材料，通常需要进行研磨、细粒化、球化、颗粒化或其它的加工等进一步的处理从而生产出最终的肥料或土壤增效剂产品，这些产品在形状上应适于包装或大量的配送。本发明所用的这些研磨、细粒化、球化或颗粒化设备和操作都是一些常规公知的设备和操作，因为干燥容器输出所包括的固体物和蒸汽本身就适于这种加工处理。当干燥容器固体输出物以原始形式用于农作物而不再进一步加工成粉末、细粒、球体或颗粒形式时，其在这里可被称为肥料或土壤增效剂产品。而当粪肥给料属于下面这种类型时，干燥容器的固体输出物在这里则被称为土壤调节剂材料或产品，该粪肥给料生产出的材料在用作肥料时其营养价值太低，但其可用作具有高含量有机物质的土壤增效剂或调节剂，这一点类似于泥块产品，其也可以是肥料和有机物质土壤增效剂产品的组合产品。无论该产品是什么形式，本发明的方法、系统和设备均能环保地、经济有效地处理粪肥给料从而将它们变成环保的材料并使最终的产品能够提高土壤的状态，土壤中流失的碳或其它有利于环保的应用，同时这样还能消除填埋场的处理。
本发明可用来将粪肥给料生产出各种产品和材料，但优选的产品和材料是那些其中没有显量不好成分的产品和材料，其中的不好成分已在干燥容器或其它操作的加热处理、化学改性处理和/或干燥处理中被转变或破坏。本发明生产出来的产品和材料优选为可用的肥料和土壤增效剂产品，但本发明也可用来生产体积减小了的固体物以便其在填埋场进行处理，其优点是这些固体物中只有少量有害物质或没有有害物质会从填埋场渗透到地表水或地下水中。
本发明的产品和材料可包括并用作和其它材料、产品或化学物质混合的混合物，这一点特别适用于需要特定性能或特性的特定用途。所述的其它材料和添加剂可在工艺过程的合适地方加入并混合，如与粪肥给料进行混合；加到干燥容器中；加到任何一个地方的工艺用水中；加到干燥容器出口的材料中；作为研磨、细粒化或球化处理的一部分加入；或者是简单地与最终产品混合或者是在装袋、包装之前或使用时混入。例如，该肥料和土壤增效剂产品，尽管其通常无味，但也可与其它具有香味或者是能将不好气味盖住的材料混合。这些材料既可是人工合成的(芳香剂)也可是天然的，但优选是天然材料。其中天然的有机材料可包括鼠尾草、薄荷、茴香、大蒜、迷迭香、松木、柑橘及类似的不会影响有机输入认证的材料。其它用来混入的材料可包括铁、矿物质、碳、沸石、珍珠岩、化工肥料(尿素、硝酸铵等)、杀虫剂及其它适于将该肥料或土壤增效剂产品用于专门用途的材料。尽管经认证的有机产品是本发明最为优选的产品，但本发明的产品也可包括任何一种常规的NPK肥料混合物或任何一种常规形式的混合物，这包括扩展释放形式。例如，本发明的肥料产品可包括所加入的除草剂(用于通常的“除草和除料”产品)以及其它有机或化学的添加剂，其中的化学添加剂可以是符合有机认证的，也可不是。显然在本领域中肥料产品最好具有所需的细粒或颗粒大小以及所需的硬度和干态完整性，但其在农用时又能很容易调制并能通过灌溉或雨水进行处理。这一点，例如可参见摩尔的美国专利US4997469和Elrod等人的US5676729，其公开的内容在这里以引用的方式全文并入本申请。
在某些情况下，产品获得有机认证的条件是其中的人造成分，包括转基因有机体、化学肥料以及其它非有机材料等在最终产品中的重量通常低于5％，在其它情况下对于“天然”标签的产品来说，其重量则低于30％。另一方面，引入到有机肥料以及有机土壤增效剂产品中的东西可以含有基本上检测不出来的其它材料，即不好的成分，如不需要的有机体和微生物(包括转基因生物)、病原体、活的种子、杀虫剂(包括杀昆虫剂、除草剂、除海藻剂、毒鼠剂等)、抗生素、激素、锯天牛或病毒。然而，在其它情况下如果产品符合有机认证的标准，即使在最终的产品中可检测出不需要的成分但只要其低于一特定的水平即可。这里所用的“微生物”包括细菌、原生动物、真菌和藻类。然而，我们知道不是所有的微生物都不希望出现在肥料中或土壤增效剂产品中，即使是在经认证的有机产品也是这样，但有的微生物是不需要的，其需要被破坏掉、灭活、杀死或者是通过本发明的热处理转换成无害的形式，如致病菌。由于各个有机产品部门所设定的标准多少都有点不同，并周期性地变化，因此这里不可能详细描述。然而，值得注意的是，当本发明的系统选择好所生产的产品时，本发明方法的操作条件能够在很大的范围内变化和选择，从而使所需的转换和净化能够满足所适用的标准并生产出能获得有机认证的产品。
本发明的系统所包括的结构能够用来减少并且在某些操作上基本上能消除有害气体及温室气体从动物养殖操作中和市政污水设备排放到大气中。如上所述，动物粪便的生物转变之外，温室气体(特别是甲烷)和有毒气体的一个重要来源是动物自身肠胃消化所产生的气体，动物打嗝释放出来的气体，肠胃气胀的排放气体以及动物排出屎尿所释放出来的气体，这些气体在这里均被称为“动物气体”。由于动物养殖场附近人居面积压力的不断增加，联邦和州不断提高动物养殖的规章标准。这些规章涉及空气质量的两个方面。第一是动物气体和生物转化排放物中的有害气体，其含有硫醇以及其它许多存在异味并令社区居民反感的有机化合物。第二是对空气质量有害的温室气体排放物。这些温室气体包括CO2，CH4、N2O，它们通常以对大气的二氧化碳当量影响值的形式出现。甲烷的CO2当量系数大约为23(按USDOE使用的情况)，其意味着释放到大气1公斤的CH4相当于释放23公斤的CO2。(某些数据给出该当量系数为21。)在美国能源/能源信息管理部于2003年10月发布的报告#EOE/EIA-0573(2002)中(其可从www.eia.doe.gov/oiaf/1605/ggrpt/获得)，其估计2002年在农业操作中有8百万MT的CH4(相当于183百万MT的CO2)释放到大气中，这大约是美国所有CH4排放物的30％，其它的来源包括填埋场和市政污水处理。在农业的CH4排放物中，有94％来自于牲畜操作，这其中有67％(大约5百万MT)来自于肠胃运动(动物气体)，并且33％(大约3百万MT)来自于牲畜粪便的分解。尽管CH4是粪肥生物转变过程中所产生的主要温室气体，但该过程中也会产生CO2和NOx。人们特别希望能够防止NOx释放到大气中，这是因为其CO2当量系数大约为310。如这里所公开的那样，本发明可通过以下措施基本消除动物气体释放到大气中并基本消除动物养殖操作中分解产生温室气体排放物容纳并加工动物气体；处理粪肥给料从而防止粪肥给料的分解或生物转换；以及/或容纳并加工粪肥给料在加工之前分解或生物转变所产生的排放物。
本发明的系统特别能用来基本消除动物气体排放物以及现有特定的动物养殖操作中动物气体的异味。其它的动物养殖操作可根据这里公开的内容轻易做出修改从而用本发明的系统来减少或消除动物气体以及相关的异味释放到敞开的大气中。在本发明的基本系统中，燃气涡轮的排气连接到干燥容器上。为了控制动物养殖操作中所产生的动物气体，燃气涡轮的空气入口连接到动物篷的通风系统上，由此从动物篷排出的通风空气就被导入燃气涡轮的空气入口，这里正常情况下会出现两种过程。第一，动物气体与常规的燃气涡轮燃料一起燃烧，从而将CH4转换成H2O和CO2，同时将硫醇和其它有毒或酸性化合物转换成H2O、COX、NOX和SOX。第二，使燃气涡轮的排气与粪肥给料接触，这里NOx和SOX以及一定程度的COX在粪肥给料被干燥和/或转换成肥料或土壤增效剂材料的同时被吸收到粪肥给料中并与之混合，并且其优选形成一种自缠结的肥料或土壤增效剂产品。本发明的这一方面能够防止动物气体进入到大气中。
现有的那些能够直接有效利用本发明以控制动物气体的动物饲养操作是那些正常情况下完全封闭仅通过新风入口和排气出口进行通风的操作，特别是那些能通过加热和空调来控制热平衡的操作。这些热平衡的动物饲养操作通常是养鸡和养猪，当然有些奶牛、小牛、肉牛和其它动物的操作因当地的气候太热或太冷也是封闭起来并带有环境控制。这些设备的排气被导到燃气涡轮的燃烧空气入口。其它具有自由围栏或敞口篷结构的动物饲养操作可利用本发明的优点将通风空气从结构的顶部抽入并用管道将其导到涡轮的空气入口。这样能收集大部分动物气体，特别是在没风的日子，因为动物气体中的甲烷比空气轻，并且其会升到结构的顶部。此外，这些结构可被经济地封闭起来(如通过帆布)并通过强制对流来通风(有或没有热控制)，从而将结构中动物产生的所有动物气体基本上都收集起来并将排出的通风空气导到燃气涡轮的空气入口。
在利用本发明的这一方面时，优选操作显然是将猪圈、鸡篷等里面排出的所有通风空气都送到燃气涡轮的空气入口从而防止动物气体释放到大气中。燃气涡轮所需的任何存留的燃烧空气均是通过常规的空气过滤器来自于环境空气，当然动物舍里排出的通风空气也优选通过燃气涡轮进口的空气过滤器从而防止涡轮部件被夹带的灰尘或其它颗粒所破坏或侵蚀。在空气过滤器中收集的固体物可送到干燥容器或者是系统中其它的工艺单元以便合并到最终的肥料或土壤增效剂产品中。尽管动物气体中的甲烷在正常情况下并不能构成本发明系统所需燃料的一个显著部分，但其不会释放到大气中并且经燃烧会产生热量。然而，每燃烧一公斤的动物气体就会使燃气涡轮所需外界甲烷燃料等量地减少一公斤，同时减少23公斤CO2当量的温室气体排放。本发明的这一方面还有益于涡轮进口的噪声控制。与干燥容器被用作涡轮排气的消音器一样，将涡轮进口封闭并且使空气从动物逢导入一封闭系统，由此基本能消纳并抑制涡轮进口的高频噪声。
现有的动物饲养操作能够即刻并有效地利用本发明来消除现有粪便氧化塘的需要和使用。根据本发明连续或按日来处理所有的新鲜粪肥，就不再需要粪肥氧化塘和堆肥的肥堆了。此外，安装上本发明的装置和方法能够将氧化塘里的物质用作本方法的给料，其通常是与本发明每日处理的新鲜粪肥混合起来，因此能够消纳现有的氧化塘。同样，养殖场和其它操作中现有的堆肥肥堆可用作本方法的给料并被消纳掉，其通常也是与每日处理的新鲜粪肥混合起来使用。当然，在新建的动物饲养设备的设计和建造中，采用本发明的设备和方法就不再需要供粪便保存或消化的氧化塘或其它空间，因为本发明能够连续或按日来处理这些粪肥。
本发明还能将最大量的碳融合到土壤中并防止碳以甲烷和CO2的形式流失到大气中从而使农业的多级操作更为环保。当粪肥分解或消化时，其将甲烷、CO2和其它气体，这包括氨释放(主要是通过厌氧消化)到大气中。在新鲜粪肥分解或消化之前对其进行处理，能够将粪肥中的碳和氮保留并固定到本发明所生产的干粒式肥料产品，同时还能防止这些成分作为温室气体释放到大气中。当本发明的肥料用于土壤时，碳和氮进入到土壤中，此时土壤中的微生物和其它天然工艺就将碳和氮用于植物生长所需。同样，现在在农田里使用的堆肥和其它材料则会在堆肥过程中将碳和氮释放并流失到大气中。本发明的肥料产品能够代替并消除堆肥，因此能够消除堆肥所产生的空气污染问题。
我们还知道，尽管上述说明采用的是燃气涡轮的形式，但无论系统中所使用的热源如何，本发明的这一方面内容均可用来对动物气体的排放进行控制。无论该热源是一燃气涡轮、燃气涡轮发电机、往复式内燃机或柴油发动机，还是常规的燃油器或气体燃烧器(如图1中的标记107)，该动物逢排出的通风空气均可被导到燃烧空气的进口，这样动物气体就能燃烧，并且该燃烧气体优选与粪肥给料进行接触。
如本发明方法、系统和设备所进一步公开和展示的那样，现在来参考图1的示意性流程图。在图1所示的工艺示例中，燃气涡轮发电机单元100包括燃气涡轮101和发电机102。该燃气涡轮具有空气进口过滤器104(作为选择，其可包括有动物逢通风空气如图5中的903)以及燃料进料装置103。如果需要，可包括一个旁通的排气消音器106以便在启动、关机或失常状态时使用，因为在这些时候，燃气涡轮虽然在运行但排气不能导到干燥容器中。然而，干燥容器200在本发明系统正常工作时可用作消音器。作为选择，也可不用消音器106，而是将绕过干燥容器的排气旁通(参见图5中的标记908)导到任何一个合适的下游单元，如分离器208和/或分离器600，该分离器可用作一个临时的消音器。这种结构消除了使用一个独立的消音器的成本和一独立消音器所占用的空间，这一点对于可移动式车载系统来说非常重要。燃气涡轮101的排气通过连接器105连接到干燥容器200上。干燥容器200在连接器105中或其它地方可包括一个空气入口(图中未示)以便在启动、关机或其它时候特别是在干燥容器200中没有排气或粪肥给料时吸扫干燥容器或系统。然而，在干燥容器中有排气和粪肥给料时，任何空气入口均应关闭并且不能使用从而基本排除了空气被引入到干燥容器的可能，同时还排除了干燥容器200中正在被加工的材料出现明显氧化的可能。在选择上还可包括有燃烧器107从而为干燥容器增补热源和燃烧气体，其可布置在连接器105的输入点或其它的地方。该增补热源可在启动、关机、处理失常、涡轮损耗时使用，或者是在遇到峰值负荷或给料含湿量异常高时使用。
该粪肥给料通常通过机械装置如一前端承载装置201引入到系统中，该前端承载装置201将一给料落到一个石块分离器、混合器、切碎单元202。该给料可在螺旋传送器203、204中进一步混合并将异物除去，然后再通过215送到干燥容器200中。该给料还可在其被承载装置201装入到本系统之前经预混合或调整来达到所需的均匀性，例如在可被组合并混合的库存干草中。
干燥容器200的输出被管道205、206转移到分离器208，并在这里将固体物和气体分开。其中的气体流过209和吹风机210从而经211排到大气或者是经212排到其它下游加工设备。吹风机210在操作上可用来降低分离器208和干燥容器200中的压力，由此会降低水在干燥容器中的沸点以及涡轮排气的背压并提高涡轮的输出和效率。作为选择，吹风机210还可在操作上使干燥容器中保持较高的压力以便粪肥给料能够在更高的温度下进行所需的处理、转变或“烧熟”。干燥容器200的输出可流过热交换器207以便回收过程热量用于下游或者是用来预热粪肥给料或涡轮进口空气。来自分离器208的固体输出物经管道、传送带或搅龙301以及可选的混合器和调节装置302和303流到球磨机或锤式粉碎机。此外，来自回收流路的回收固体物如细粉可经304在303混合从而经混合送到球磨机或锤式粉碎机300。系统中各个地方产生的细粉和不符合规格的材料经回路305收集并回收，然后再经所需的地方重新引入到产品处理系统中以便进一步处理，如经304送入研磨单元300，经404送入成球单元400，或者是送去用于粪肥给料准备或其它的地方。本发明系统的一个重要的能力就是所有细粉或不符合规格的固体物均经回收回路305形成完整循环，并最终用在最终的产品中。因此，本发明的系统能将粪肥给料固体物(除了石块和其它不能易处理的异物)100％地转变成肥料或土壤增效剂产品，同时不会产生那些必须经过例如填埋处理的固体废流。
球磨机或锤式粉碎机300用来生产出一种小颗粒尺寸均匀的短纤维长度材料，即所说的“粗粉”，其适合在成球单元400中进行处理从而提供一种产品，该产品的硬度以及机械强度和稳定性足以满足干肥产品正常情况下所进行的常规处理、包装和存放。球磨机或锤式粉碎机300的输出物流过分离器310，并在这里将水蒸汽去掉，然后经315送到分离器600以便将固体物经回收回路回收，同时水蒸汽经吹风机601和通气管602排到大气。分离器310取出细粉或者是那些适合经回收回路305回收的材料，并将该粗粉送到混合器311。之后，该粗粉经312送到分离器401，然后经408导到成球机400，或者是经409a和409b送到承装箱或蒸沸箱402以便与其它材料、来自404的回收材料或者添加剂进行混合，或者是在启动、关机或异常时承装起来。粗粉从沸腾箱402送过混合器403，然后其要么经417直接送到成球单元400，要么是经412送到混合器311以便在需要时与新鲜的粗粉进行混合。
来自成球机400的小球流过热交换器、蒸气去除单元405，然后从这里经406和414直接送到单元407和415中进行最终产品的清洗并经416a、416b、501和503对产品进行装运或存放到存放箱500中，或者是经413和沸腾箱410送到一粉碎机或者是成粒器单元411，然后再送到最终产品清洗单元407和415。该最终产品经501、503或者是经存放箱500装载在卡车502中以便运送到市场上。在最后，清洗单元415分离出来的细粉和不符合规格的产品可经回收回路305回收回来以便再次进行处理。粉碎机或者是成粒器411将小球转变成颗粒更小或粒度更小但硬度和机械强度和稳定性基本与小球一样的颗粒。该固体物可通过常规的搅龙、提升机、传送带、气动管传送器等适于材料和环保的装置在本发明的加工单元之间运送。显然，该系统在设计和构造上可用来从干燥容器200生产出一种肥料材料或土壤增效剂产品(其可打包后直接使用)，从研磨单元300生产粗粉(其可装袋以便以后的加工或直接使用)，或者是从415生产出一种细粒产品、小球状产品或者是颗粒产品。
下面的表格是本发明系统操作的一个示例。该示例使用的是一台RollsRoyce Allison 501-KB5(额定功率3.9MW)的燃气涡轮发电机和一台ScottEquipment公司的型号为AST 8424的干燥器来处理养殖场的新鲜牛粪。
最终产品额定产量为2.5公制砘/小时的系统示例图1中的流编号成分流量 条件
图2展示了本发明系统的一种结构，其采用滑装、车载或轨道车载单元的形式，从而可运送到所需的农用地点或市政操作地点并在那里进行操作，其中所需的加工地点是指每天或每隔一段时间都能获得粪肥给料的地方。第一单元700包括燃气涡轮101和发电机102。第二单元701包括干燥容器200和分离器208。该干燥容器200上具有粪肥给料进口215，同时该干燥容器在运行和停止时还通过连接装置105连接到燃气涡轮的排气上。第三单元702包括特定操作所需的加工设备，如球磨机和成球机。产品输出通过501传送到存放单元500或者是卡车502上以便运到市场上。可选的设备还包括为各个市场将最终产品装袋及包装的单元。
图3与图2展示的是同样的单元，只是以不同的结构布置在操作地点。显然，本发明的可移动式车载单元适用于各种对场地空间有限制的场合。
图4A和4B分别是本发明系统另一种可移动结构的平面图和立面图，其中所有的操作单元均安装在一半拖车800a和800b上。燃气涡轮单元100的排气通过连接装置105连接到干燥容器200上。干燥容器200具有粪肥给料进口215，同时其还通过管道206连接到分离器208上。分离器208通过管道209连接到蒸汽/空气清洁分离器600上，同时分离器600通过通风装置602通到大气。分离器208的底部出口经管道301连接到球磨单元300。球磨单元300的出口经管道312连接到成球器单元400上，该成球器单元400通过管道414连接到产品清洗单元415。清洗单元415具有产品出口416。图2、3和4中并没有展示出一个可选的用于每个滑装单元或车载单元的围墙，其用来封闭整个单元使之免受天气的影响并用来降低噪音。
图5是本发明某些可选系统的示意性流程图。在本发明的优选操作中，动物篷900和粪料点901被封闭起来并用新鲜空气902进行通风。来自动物篷的通风空气903作为燃烧空气进气904的一个部分通过空气过滤器104送到燃气涡轮101。该粪料点901可布置在同一个动物篷中，其也可是独立的承装罐或者是被封闭起来的氧化塘，由此该粪料所释放出来的所有蒸气均能被承装起来并与篷内通风空气903一起送到燃气涡轮101，从而与常规的燃料103如当地可获得的天然气一起燃烧。这样做能防止温室气体和有毒气体或酸性气体从动物和粪料中释放到大气里，上述气体还包括粪料在被本发明系统处理之前发生生物转换时所产生的沼气。这样做不仅能降低温室气体的排放使本发明的商业使用具有有利于空气质量的好处，还能使动物饲养操作能够被附近居住区域的居民所接受，这是因为动物和粪料中发出的所有有毒和酸性的气体均包含在本系统中，并合并到最终的肥料产品中，或者是在排放到大气之前被转换成无毒或者是非酸性的成分。如DOE/EIA报告如述的那样，牲畜养殖操作所排放的整个甲烷，大约三分之二是来自于肠胃运动(动物气体)，同时大约三分之一是来自于粪料生物转化的沼气。因此，在常规的沼气用作燃料的操作中，来自粪料生物转化的甲烷中，三分之二的来自牲畜养殖的甲烷作为动物气体的一部分释放到大气中，只有三分之一的来自生物转化的甲烷被收集利用起来。与之相比，使用本发明不仅能防止沼气中甲烷的形成，因为本发明基本能防止生物转化并将粪料中的所有营养价值都保留在肥料产品，还能收集并利用动物气体中的另外三分之二的所有甲烷，将其用作燃料，同时将牲畜养殖操作中产生的所有有毒和酸性的气体均转换成其它的化合物，这些化合物被吸收或混合到肥料产品中，或者是可被允许排放到大气中。
燃气涡轮发电机101/102产生电力905，其要么是卖给当地的电力公司906，要么是通过907分配以便用在本发明系统的动物养殖操作中或处理单元上。某些动物养殖操作会发现开放式动物篷的封闭成本以及安装并运行加热和空调控制装置从而通过903收集并处理所有温室气体的成本如果不能完全其也能部分地被电力905所抵销以便热控系统的操作。例如，可以，或者是在某些情况下因政府规定而必须用充气帐蓬来覆盖一正常情况下开放的养殖场或奶牛场操作从而使系统包容并收集这种操作所产生的所有动物气体，这样这些气体就可通过本发明的903进行处理了，其中的帐蓬类似于网球场中所用的那种帐蓬。商业运行、燃料成本、电力的卖价/购买价格以及设备资产中每一项的经济性均会决定该电力是用于内部的动物养殖操作呢，还是卖给电力公司，亦或是用在附近的操作或它们的组合中。
来自燃气涡轮101的排气经一连接装置105送到干燥容器200，其中的连接装置能够防止外界空气进入到干燥容器中。如这里所述的那样，该系统在操作上能使粪肥给料在干燥容器200以及该系统其它地方的氧化达到最小并基本没有。干燥容器200还可用作燃气涡轮的消音器。还可选择使用一旁通908，这样排气就能送到下游的设备中，如分离器/冷凝器208，从而在干燥容器离线时对燃气涡轮的排气进行消音并且在这种临时操作的过程中在排气释放到大气之前对其进行清洗。或者，该旁通908的排气经被送到一热交换器以便对水加热，对动物篷进行加热或者是进行其它的热控制或其它过程的能量需要。该旁通消除了干燥容器离线时单独使用一个消音器来使燃气涡轮的噪声满足规定所带来的成本的增加，同时使可移动或车载单元的设计更为紧凑。
粪肥给料215与来自连接装置105的排气以及来自其它或辅助热源107的辅助热量一起送到干燥容器200。该粪肥给料优选直接来自于动物篷900中的粪料点901，这样该粪料就是新鲜的没有或没时间进行生物转换的废料。该系统中也可使用或包括其它的粪肥给料源910，如堆放的粪料或来自其它操作的粪料，其送进来与动物篷刚出来的粪料进行组合或混合。如这里所述的那样，其它的温室粪料、有机材料、无机材料或添加剂也可与该粪料组合起来以便本发明的系统进行加工处理。
干燥容器200的输出物经205送到分离器/冷凝器中，该分离器/冷凝器在设计上用来将固体物912分离出来以便在下游进一步处理，同时将水蒸汽冷凝成回收水912，并对通到大气的气体914进行清洗。回收回来的水可在下游中用作工艺用水，其回收以便用在粪肥给料的准备或调整中，或者是用于牲畜饮水或农田灌溉。来自分离器单元208的固体输出物912正常情况下需经研磨、成球、细粒化、装袋等进一步的加工处理。然而，该固体物912也可用作中间产品以便形成其它类型的产品。例如，其可经打包以便像一泥块材料一样使用，其也可做成砖块、辊子和其它的形状以便用来像所用的草辊一样防止腐蚀(但其比麦草具有更高的营养或土壤增效的价值)，其可单独使用或者是与其它材料组合起来使用以便焚化从而利用该材料的燃料价值，其可用在生物转化系统中从而产生甲烷或沼气燃料，其可用作动物饲料，或者是保存起来以便任一所需的用途或者是在以后的某一时候经进行进一步的加工。同样，来自研磨操作的粗粉/粉末输出914正常情况下需经球化、颗粒化等的进一步加工，但其也可用作一种中间产品以便形成其它类型的产品，如用于喷涂或液压覆盖等的浆状物。该最终产品915优选用作一种肥料，但其也可如上所述用于中间产品。
在下游的每一项操作中，水蒸气均可被回收并循环到分离器/冷凝器208中以便重复使用。显然，本发明的系统可根据加工的需要以及特定动物饲养操作的经济性而适用于各种结构和各种设计。可利用本领域中通常的工程设计技巧来将各种常规的热回收及热循环技术(图5中未示出)设计到本发明的商业系统中，这包括图1中所示细粉回收回路315，用气体/蒸气流914提供各种热回收和预热处理，在系统所需的地方加入粘结剂、添加剂以及混合材料，例如通过喷水来冷却燃烧空气和/或动物篷的通风，从而提高燃气涡轮的效率和功率输出，对含湿量很高的粪肥给料进行脱水等。最后球化、细粒化或颗粒化的产品915可被装袋或集运以便常规的最终使用。
显然，对本领域技术人员来说，可将多个燃气涡轮、以及其它的发动机和/或相同或不同类型和尺寸的燃烧器集合起来从而将相同或不同类型和尺寸的多个干燥容器安装在一个装置中。这样做不仅能提高对给料的处理能力，还能使操作灵活地适用于给料负载的变化，并且能够在操作不停下来的情况下完成设备的维护。
尽管我们在这里已经展示并描述了本发明的各个实施例，但这此实施例均是示例性的，对其提出的各种变化和修改均在本发明的构思之内并在本发明权利要求所要求保护的范围之内。
权利要求
1.一种由粪肥给料制造一肥料产品的方法，其包括使燃气涡轮发电机工作从而产生电力和排气；使该排气与重量含湿量至少约为30％的粪肥给料在一干燥容器中进行接触，其接触时间应充分从而能在粪肥给料不出现明显氧化的条件下足以产生一重量含湿量大约小于20％的干料；对该肥料材料进行处理并做成粒状、球状或颗粒形式的肥料产品以便作为农作物生长中所用的常规干肥。
2.如权利要求1的方法，其中的粪肥给料至少包括大约50％重量的水分。
3.如权利要求1的方法，其中的肥料材料包括大约不到15％重量的水分。
4.一种用来处理粪肥给料的装置，其包括一燃气涡轮；以及一干燥容器，其适于通过一个连接装置来接收来自燃气涡轮的排气同时还适于接收粪肥给料；其中燃气涡轮和干燥容器之间的连接装置基本能防止空气被引入到干燥容器中。
5.如权利要求4的装置，其中涡轮和干燥容器之间的连接装置基本能将100％的燃气涡轮排气导入到干燥容器中。
6.如权利要求4的装置，其中的干燥容器适于通过排气与粪肥给料的直接接触来干燥或热处理一粪肥给料，从而生产出一种肥料材料或土壤增效剂材料。
7.如权利要求4的装置，其进一步包括一处理单元，该处理单元适于接收来自干燥容器的材料，并将该材料做成细粒状、球状或颗粒状。
8.一种肥料材料或土壤增效剂材料，其包括一粪肥给料，其中的给料是在足够的温度下在没有明显氧化的条件下热处理足够的时间，从而提供一种自缠结的粪肥材料，该粪肥材料适于做成粒状、球状或颗粒的形式以便作为农作物生长中所用的常规干肥。
9.如权利要求8的一种肥料材料或土壤增效剂材料，其包括大约小于15％重量的水分。
10.如权利要求9的一种肥料材料或土壤增效剂材料，其做成细粒状、球状或颗粒状。
11.一种加工粪肥给料从而生产出一种肥料产品或土壤增效剂产品的可移动系统，其包括至少一个可移动的干燥单元，其适于干燥一粪肥给料从而生产出一种肥料材料或土壤增效剂材料；以及至少一个可移动的加工单元，其适于将来自干燥单元的肥料材料或土壤增效剂材料转换成一种肥料产品或土壤增效剂产品，该产品适于在农作物生长中常规地用到土地里。
12.如权利要求11的一种可移动系统，其中的干燥单元包括一个燃气涡轮和一个干燥容器。
13.如权利要求12的一种可移动系统，其中的燃气涡轮和干燥容器通过一种结构连接起来，该结构适于将燃气涡轮的排气送到干燥容器，并基本能防止空气被引入到干燥容器中。
14.如权利要求13的可移动系统，其包括一第一滑装单元，其包括燃气涡轮，该燃气涡轮包括一于产生电力的发电机；一第二滑装单元，其包括干燥容器，该干燥容器适于连接到燃气涡轮发电机上从而接收燃气涡轮的排气并防止空气被引入到干燥容器中；以及一第三滑装单元，其包括加工单元。
15.如权利要求14的可移动系统，其中的可移动系统为车载式的。
16.一种对动物气体进行处理的装置，其包括一燃气涡轮，其具有一燃烧空气入口；以及一动物篷，其具有从其排出的通风空气；其中的燃烧空气入口适于接收该篷排出的至少一部分通风空气。
17.如权利要求16的装置，其中的燃烧空气进口通过一个连接装置连接到所述动物篷上，其中的连接装置至少能够将排出的通风空气的一部分导到燃烧空气进口中。
18.如权利要求17的装置，其中的燃气涡轮包括一个燃气涡轮发电机。
19.如权利要求18的装置，其中燃气涡轮的排气连接到一个干燥容器上，该干燥容器适于接收粪肥给料。
20.一种制造一肥料产品或土壤增效剂产品的方法，其包括从一燃气涡轮、燃油器、气体燃烧器或者是一个往复式发动机生产出很热的燃烧排气；将通风空气从一动物篷导到涡轮、燃烧器或发动机的燃烧空气进口；以及使很热的燃烧排气与一粪肥给料接触。
21.一种权利要求20的方法，其包括使排气与粪肥给料在一个封闭系统中接触，该封闭系统基本能够防止粪肥给料的明显氧化。
22.一种减少动物饲养操作、市政污水操作或粪料转化操作中温室气体排放物的方法，其包括封闭至少一部分会产生温室气体的操作从而容纳该气体；将至少一部分气体导到一燃气涡轮、燃油器、气体燃烧器或者是一个往复式发动机的一个燃烧空气入口；将至少一部分排气从涡轮、燃烧器或发动机导到一干燥容器以便干燥或处理一废料给料。
23.如权利要求22的方法，其中封闭的操作是动物饲养篷。
24.一种制造一肥料产品或土壤增效剂产品的方法，其包括从一燃气涡轮、燃油器、气体燃烧器或者是一个往复式发动机生产出很热的燃烧排气；使很热的燃烧排气与一粪肥给料接触从而将给料在足够的温度下热处理足够的时间从而提供一种自缠结的粪肥材料，该粪肥材料适于做成粒状、球状或颗粒的形式以便作为农作物生长中所用的常规干肥。
25.如权利要求24的方法，其包括使排气与粪肥给料在一封闭系统中接触，该封闭系统基本能够防止粪肥给料出现明显的氧化。
全文摘要
本发明公开了一种系统和方法，其用来将废肥转换成新的肥料和/或土壤增效产品以便用作有机农业的投料。该设备系统包括一个燃气涡轮发生器单元(其优选为热源)，一干燥容器以及一个处理单元，其中，燃气涡轮和干燥容器之间的连管将燃气涡轮的所有排气基本上都导入到干燥容器中，并且其基本能防止空气被引入到干燥容器中，该干燥容器接收废肥以便与涡轮排气进行接触从而将废肥转换成一种干燥材料，该干燥材料再被输送到处理单元，并在这里被做成粒状、球状或者是所需其它形状的最终干燥的肥料产品。本方法包括将废肥干燥、加热并转换从而形成新的自缠结肥料和土壤增效型产品以便用于有机农业和其它用途。
文档编号F26B3/08GK101036030SQ200580030871
公开日2007年9月12日 申请日期2005年7月18日 优先权日2004年7月19日
发明者克力斯蒂安·卡林, 布赖恩·N·乔伯尔, 阿尔文·W·费得肯赫尔, 约翰·S·约纳森, 亚历山大·斯塔罗撒德 申请人:伊斯雷纽Ip控股有限公司