用于通过强烈的聚集的太阳能对散装材料进行热加工的系统和方法与流程 专利技术说明

供热;炉灶;通风;干燥设备的制造及其应用技术1.本发明涉及一种用于通过聚集的太阳辐射对固体散装材料进行热处理或加工的系统、设备和方法，固体散装材料例如为沙、石灰石、矿石或金属。背景技术：2.许多散装形式的固体材料需要大量的热处理，以便获得某些性能，例如脆化/变脆，以开始化学反应，例如煅烧，或仅加热材料以进一步使用。向这种固体散装材料供应热能通常需要燃料的燃烧，并且产生对人和环境有害的污染和温室气体排放，包括一氧化碳和二氧化碳、二氧化氮、臭氧、颗粒物(pm)、铅和二氧化硫。3.在源自太阳能的热能有效地实现向包括工业在内的最终用户容易获得的向电能或其它形式的能量的转换时，在源自太阳能的热能的有价值的利用中遇到类似的问题。技术实现要素：4.因此，本发明所提出和解决的技术问题是克服上面参考现有技术提到的缺点，并且特别是实现固体散装材料的有效热处理。5.上述问题通过根据权利要求1的系统和根据权利要求14的方法来解决。6.本发明的优选特征是从属权利要求的主题。7.本发明通过使用聚集的太阳能来向被接收在耐高温的机械输送机上并且由该机械输送机运送的固体散装材料提供热能，以解决上述技术问题。机械输送机行进了穿过加热室或高温室或者在加热室或高温室下面经过的路径，太阳辐射被聚集到该加热室或高温室中或者被聚集在该加热室或高温室处。8.在优选的构造中，机械输送机凭借基于钢双丝网的马加迪超级带(magadi superbelt)实现，该钢双丝网承载部分重叠的钢盘，钢盘在其整个宽度上用螺栓连接在上部托辊上并且由上部托辊支撑。与传统的链式输送机相比，网设计确保了在最恶劣条件(例如非常高的温度和研磨材料)下的最大可靠性。9.机械输送机可以根据wo8704231a1、wo2004110674a1、wo2007034289a1或wo03071189a1中的任何一个的公开内容制作。10.加热室包括优选地在其侧壁或顶壁上获得的孔，用于允许聚集的太阳辐射进入。加热室可以包括多个内表面，多个内表面也由室的侧壁和/或顶壁(或上壁)限定。在优选的构造中，室的底部可以是敞开的并且连接到机械输送机或与机械输送机相关联，以便允许机械输送机的运行长度部分通过，而在室的内部与接收在输送机上的散装材料之间具有热连通。11.室可以设置有罩，用于收集热空气或其它气体并递送到烟囱或气体处理装置。12.因此，机械输送机的运行长度位于室的下面或室内，使得被输送的散装材料接收来自聚集的太阳能的热能。太阳辐射可以通过在室壁上的反射和/或通过从所述壁的再辐射直接照射在散装材料上。13.在上述构造中，室优选地内部衬有耐高温砖或耐火材料，耐高温砖或耐火材料暴露于直接通过孔进入的以及间接地被室壁和顶壁反射和/或再辐射的太阳能。14.在室内部，在耐高温砖或耐火材料后面，可以安装热绝缘层以限制热量向环境消散。15.在优选的构造中，暴露于太阳能的高温瓦或耐火材料表面可以具有高反射率和发射率，以便使释放到在室下方或室内运行的材料的太阳能最大化。16.为了将太阳辐射聚集到加热室中，可以提供光学系统。这种系统可以包括定日镜场，以收集太阳辐射并且最终通过插入一个或更多个二次反射器将太阳辐射聚集到加热室上。17.在上述构造中，可以将散装材料温度升高至期望值，持续期望的时间，这适于使热或热化学过程发生或执行期望的热处理。特别地，在加热室内的强烈的太阳辐射能量的作用下，在机械输送机上运送的材料被加热到高的温度值，例如高达约600℃-1000℃的范围。18.本发明在许多工业工艺中得到应用，如石灰石煅烧、矿石粉碎或变脆以及脱碳。19.例如，在石灰石煅烧的情况下，向输送机供给石灰石，太阳能通过光学系统被聚集在室和/或输送机处，而室的壁最终将热辐射或能量反射和/或再辐射到带式输送机。在强烈的太阳能聚集的作用下，石灰石的温度升高到煅烧温度，并且石灰石被转化为留在带上的石灰和从室中被抽出并且最终被进一步处理的co2。20.在所述过程中使用太阳能降低了燃料和/或电力消耗以及co2排放。21.由散装材料捕获的热量也可以用于加热室的下游的其它过程，例如电能的产生。22.可以选择和调节工艺参数，如输送机速度、输送机的运送表面上的材料厚度、在室中暴露于热能下的输送机的长度和宽度，以便满足所需热过程的具体条件。23.根据具体实施例，在机械输送机的下游可以安装热回收系统以吸取热的材料中包含的热能(的部分)，以用于进一步使用。例如，固体颗粒至蒸汽换热器可以布置在机械输送机的下游或沿着机械输送机的路径而布置，以便产生过热蒸汽，该过热蒸汽可以用于工业目的，或者又可以驱动蒸汽涡轮机以用于发电。24.为了允许过程连续性，在没有太阳辐射或与太阳辐射相结合(夜间或多云天气)的情况下，输送机壳体或盖可以装备有辅助加热元件，例如辐射燃烧器或ir辐射面板，辅助加热元件具有帮助加热散装材料的功能。25.本发明的其它优点、特征和使用模式将从以下对一些实施例的详细描述中显而易见，这些实施例是以示例的方式提供的而并非具有限制性目的。附图说明26.将参考附图中的图，其中：27.图1示出了根据本发明的优选实施例的设备布局或系统，用于例如在石灰石煅烧中应用；28.图2示出了根据本发明的另一优选实施例的设备布局或系统，用于例如在材料脆化、粉碎或变脆中应用；29.图3示出了根据本发明的又一优选实施例的设备布局或系统，用于例如在发电中应用；30.图4示出了前述附图的任何设备布局或系统的加热室和机械输送机的实施例的截面图。具体实施方式31.下面将参考已经介绍的附图描述本发明的若干实施例和变型。32.一般而言，在各个附图中使用相应的附图标记来标注相似的部件。33.除了已经描述的那些实施例和变型之外的其它实施例和变型将仅结合相对于前述实施例和变型的相关差异(如果有的话)来解释。34.此外，下面描述的各种实施例和变型的特征被理解为在可兼容处是可组合的。35.***36.首先参考图1，用于煅烧固体散装材料的设备或系统整体上由100表示，固体散装材料特别是石灰石。散装材料以示例性方式展示并且由b表示。37.图1的煅烧系统和由其实施的加工在具有回收co2的可能性的情况下允许生产石灰。38.根据以下化学反应：caco3＝cao+co2，石灰石煅烧是分解过程。39.纯caco3在空气中的化学分解反应在约850℃开始。碳酸钙的煅烧是高度吸热的反应，当温度高于石灰石中的碳酸盐的离解温度时开始，离解温度通常在约850℃-1340℃的范围内。一旦反应开始，温度必须保持在离解温度以上，并且必须去除反应中生成的co2。40.根据本实施例，系统100包括光学装置110，用于将太阳辐射聚集在加热室或高温室130上。还提供了耐高温的机械输送机150，特别是带式输送机，并且其构造为运送固体散装材料。带式输送机150的由151表示的长度部分穿过加热室130或在加热室130下面经过。机械输送机150的运送方向由图1中的箭头标注。41.光学系统110包括定日镜场，特别是多个定日镜，其中一个定日镜由111表示。定日镜111位于地面处，并且太阳辐射直接照射在它们上。42.优选地，光学系统110包括跟踪系统，跟踪系统允许定日镜或其它光学元件跟随太阳跨越天空的视运动。43.在本实施例中，加热室130位于地平面以上的高度，并且其构造为接收由定日镜反射的聚集的太阳能。为此，高度支撑结构可以与加热室130和/或机械输送机150相关联。44.在本实施例中，加热室130包括若干侧壁或侧向裙部131，和顶壁或上壁132。45.加热室130的一个或更多个侧壁设有孔或开口，用于允许聚集的太阳辐射进入加热室130内。在图1的展示中，单个开口是可见的并且由135表示。在优选实施例中，入口开口135使加热室130的内部与外部环境直接连通，在使用中没有封闭或屏蔽手段。46.加热室130具有壁的内表面，在图1中以示例的方式由136表示，壁的内表面包括至少一个反射和/或再辐射表面，该至少一个反射和/或再辐射表面构造为将进入加热室130的太阳辐射直接反射到机械输送机150的长度部分151上或所述加热室130的另一反射和/或再辐射表面上。47.根据具体实施例，加热室130的内表面或壁包括多个反射表面，每个反射表面构造为反射通过入口开口135进入的太阳辐射，整体构造使得进入的辐射在所述反射表面上多次反射向下击中散装材料。48.根据实施例，加热室130的内表面或壁包括多个反射和/或再辐射表面，多个反射和/或再辐射表面构造为有利地根据辐射腔构造在室内再辐射由太阳辐射吸收的热能。49.有利地，反射和/或再辐射表面具有适于减少从开口135排出的辐射能量的共同的视角因数。50.上述的反射和/或再辐射表面或它们中的至少一个具有属于以下示意表述之一的反射率：镜面反射率，其中辐射反射角等于入射角；漫反射率，其中独立于辐射入射平面，在所有方向上反射；光泽反射率，其中具有镜面反射率和漫反射率之间的混合特性。51.在优选实施例中，加热室130具有例如由壁131和132限定的壳体，壳体(至少部分地)由热绝缘材料制成。52.优选地，如在本示例中，加热室130的底部是敞开的，并且连接到带式输送机150或与其相关联。53.加热室130可以设置有用于去除co2和热空气的罩和/或烟囱138，这有助于煅烧过程进行。54.可以将含co2的气体流递送到一个或更多个气体处理装置中，气体处理装置优选地包括co2捕获装置和/或废热回收装置。55.如上所述，输送机150构造用于在其运送表面158上接收固体散装材料，并且构造用于将所述材料从装料区155移置到卸料区156，运送表面158优选地具有基本上平坦的构造。在本实施例中，输送机150基于环形带，环形带例如由本领域已知的机械部件驱动。在本示例中，输送机带在其向前运行中或者至少在加热室130内或下面遵循基本上直的路径。56.如上所述，带式输送机150的运行的长度部分151位于加热室130下面或加热室130内，并且允许散装材料从聚集的太阳能接收热能。太阳辐射可以通过在室壁上的反射和/或通过从所述壁的再辐射直接照射在散装材料上。换句话说，带式输送机150在其长度部分151处热连接到加热室130，使得通过孔135进入室130的太阳辐射将热能传递到在带式输送机150上运送的散装材料。57.如上所述，优选地，加热室130内部衬有耐高温砖和/或耐火材料，耐高温砖和/或耐火材料直接接收通过孔135进入的太阳能，和/或通过其它室壁131、132的再辐射和/或反射间接接收太阳能。58.加热室130构造成使得其壁131、132的内表面可以具有适当的视角因数，其适于将朝向室底部的能量排放最大化。在室底部，石灰石由机械输送机150输送。59.在优选实施例中，散装材料具有比上述的反射壁的吸光度值更高的吸光度值，以便有利于由壁反射和/或再辐射的能量朝向材料本身快速地传递。60.在优选实施例中，室表面具有对优选地超过1000℃的高温的高抵抗性，和/或比散装材料的反射率更高的反射率，优选地高于70％，如果参考标准规则astm g173和iso7668计算。61.可以选择和调节工艺参数，如输送机速度、输送机上的材料厚度、暴露在太阳下的部分151的带长度和在太阳辐射下的停留时间，以便满足煅烧工艺的具体需要和条件。62.在室内部的强烈的太阳辐射的作用下，材料温度增加到期望的煅烧值，持续期望的时间，适于实现石灰石分解。63.根据光学系统的尺寸和几何形状，机械输送机150也可以位于地平面上方的一定高度处，在这种情况下，辅助输送系统160在加热室130的上游使用，以便在装料区155处提升材料并且为带式输送机150填料。为此，可以使用传统的提升输送机，例如带式输送机、斗式提升机或类似的装置和系统。64.在卸料区156处可以使用辅助输送机161。65.在图1的示例性展示中，示出了主带式输送机150和侧部辅助输送或提升系统160和161上方的散装材料的联结路径。66.在图1的设备构造中，还示出了分别位于加热室130的上游和下游的压碎的材料的供给装置170和加热的材料的收集装置180。67.在简化的实施例中，机械输送机可以是被动运送表面，例如滑槽。68.***69.图2涉及根据本发明的设备或系统的第二实施例，其特别是构造用于矿石的脆化或变脆以用于改进的粉碎。图2的设备整体上由200表示。70.矿石的脆化使得随后的研磨所需的电能减少，从而改进了矿石粉碎的整个过程。71.粉碎是将矿石减小至所需尺寸的过程，允许在不改变矿石的化学和物理性质的情况下最大程度地解离矿物。72.存在若干粉碎方法，这些粉碎方法通常在两个阶段中进行，即压碎和粉碎/研磨。然而，矿石粉碎需要在采矿操作中所消耗的能量的最大部分，从30％至70％，这就全球而言相当于全世界采矿部门的巨大能量需求。73.为此，已经设计了许多可持续性倡议以便减少采矿中的能量消耗和与使用化石燃料以用于生成能量相关的相关联的co2排放，并且一般而言，以便提供用于提高粉碎中的能量消耗的效率的解决方案。74.降低粉碎所需的电能的可能性之一是通过适当的热冲击工艺阶段使矿石脆化。常规的解决方案包括通过燃料燃烧加热矿石的阶段-然而该阶段产生co2排放-随后是矿物在水中的快速淬火阶段，该阶段使矿物脆化-然而也需要水的可用性。75.根据本发明，图2的设备采用聚集的太阳能来向矿石提供热能，矿石作为固体散装材料在机械输送机250上，特别是在带式输送机上，在加热室230内或下方被运送。76.使用系统200可以以非常快的方式实现加热阶段，并且提供使矿石脆化的所需热冲击。77.同样在该实施例中，提供了光学系统，该光学系统在此由210表示，并且包括布置在地面处的定日镜场，并且该定日镜场包括类似于已经描述的那些的多个定日镜211或主反射器。78.定日镜211将入射的太阳辐射聚集在一个或更多个二次光学元件上，特别是一个或更多个二次反射器上，其中一个二次光学元件在图2中展示并且在此表示为212。因此，一个或更多个二次反射器212定位在定日镜211的各个主焦点或焦点f1处。该二次反射器或每个二次反射器212位于地平面以上的适当高度处，并且其构造为接收来自定日镜211的聚集的太阳能并且将该太阳能反射到落入加热室内和/或落到布置在加热室230下方或加热室230内的带式输送机250的长度部分251处的一个或更多个(公共的)焦点或焦点f2处。加热室230具有布置在其顶壁232处的顶部开口235。79.因此，光学系统210构造为光束向下聚集系统，其中太阳辐射被反射以便从上方照射加热室230和/或带式输送机250上的材料。80.在这种情况下，也可以选择和调节工艺参数，例如输送机速度、输送机上的材料厚度、带长度部分251的延伸和在太阳辐射下的停留时间，以便满足脆化工艺的具体条件。81.因此，在机械输送机上的强烈的太阳辐射的作用下，材料温度升高到期望值，具有要求的温度升高斜率，适于使矿石变得易碎。82.***83.图3涉及根据本发明的设备或系统的另一实施例，其特别是构造用于收集来自太阳能的热能并且用于随后或伴随地生成适于由终端用户利用的热能或电能。图3的设备整体上由300表示。84.类似于图1的构造，设备或系统300包括用于将太阳辐射聚集到加热室或高温室330的光学系统310。耐高温的机械输送机350构造为运送固体散装材料，机械输送机350特别是带式输送机。带式输送机350的长度部分351穿过加热室330或在加热室330下方经过。85.提供了光学系统310，光学系统310包括定日镜场，即多个定日镜311，多个定日镜311位于地面处并且太阳辐射直接照射在多个定日镜311上。86.上述部件和相关联的部分或元件可以与图1的那些相同，因此将不进一步描述。87.加热室330可以设置有用于去除热空气的罩(图3中未展示)，使得空气可以被抽吸，并且在需要的情况下被递送到废热回收装置。88.在从加热室330提取散装材料的下游，提供热回收系统，特别是换热器390，热回收系统例如包括管束或蛇形管，该管束或蛇形管被从加热的散装材料吸取热量的工作流体穿过。89.根据需要，换热器390的工作流体可以是水，例如以产生过热蒸汽、co2或超临界co2，以及空气或其它流体。90.在本实施例中，换热器390根据用于散装材料的竖直下落构造而布置。91.在优选的解决方案中，换热器390可以根据逆流构造来实现，以增强火用性能。92.在热交换之后，冷的散装材料可以循环回到加热室330的上游的提升输送机360，例如在用于连续的热能或电能产生的闭环系统的情况下。93.从散装材料中提取的热量可以用于工业水平或非工业水平的不同能量或热用途。例如，该热量可以用于蒸汽的产生并且凭借能量块转换成电能。94.在发电的情况下，过热蒸汽或超临界co2可以由换热器390产生，以分别驱动蒸汽涡轮机或co2涡轮机。95.在其它设备结构中，例如在以上参考图1和图2所述的那些设备结构中，也可以提供例如基于换热器390的热回收系统的相同布置。特别地，在散装材料必须经历特定的热处理工艺(例如矿石脆化，如上所述)的情况下，位于输送机的下游的换热器实现双重功能，以冷却散装材料，使得可以安全可靠地将散装材料运送到其进一步的用途，并且回收其热能含量，否则该热能含量将损失。96.可以在机械输送机350和换热器390的下游插入热箱(图中未展示)，以便根据热箱容量将由输送机350排出的热的散装材料存储一定时间。热箱是热绝缘的，以便在存储期间使损失到环境中的热量最小。所述热箱在机械输送机350和换热器390之间的插入为系统300增加了热能存储能力：通常在夜间，所存储的热材料可以在任何时间从热箱排放到换热器390，而独立于太阳存在和太阳辐射水平。这样，太阳能捕获阶段与高温流体(过热蒸汽、超临界co2、热空气等)的产生阶段分离，使得产生阶段可以独立于太阳存在而发生。通常，设置有热箱插入的系统300允许在没有太阳的情况下发电。97.在用于发电的另一优选构造中，换热器390可以凭借热光伏(tpv)面板实现，用于从热量到电力的直接转换过程。tpv面板也可以集成在室330(的一部分)中和室330的下游的机械输送机350的盖的部分中，以便从被输送的热的散装材料接收热量并且发电。98.***99.图4示意性地示出了由430表示的加热室的实施例，该加热室可以用于上述任何系统布局中。100.该室具有倾斜的顶壁或侧壁432，其限定了内部反射或再辐射表面436。太阳辐射通过侧部开口435进入室430，并且通过基本上布置在相对于开口435的相对侧的反射表面或元件436被反射在散装材料上。101.在室430的底部布置有带式输送机450，带式输送机450具有向前运行长度453和底部运行长度454。102.***103.根据简化的热平衡，在仅以示例方式讨论的可能的实施例中，在小型设备中，可获得以下典型的尺寸参数。104.通过假定从定日镜场进入室的孔的太阳能为8mwt，输送机宽度为2m，输送机速度为5cm/s，输送机上的平均材料厚度为4cm，室下方的材料加热长度为8m，材料比重为1.4t/m3，室热效率为90％，则系统能够将大约20t/h的材料在160s内从环境温度加热到1000℃。105.***106.至此已经参考优选实施例描述了本发明。可以存在涉及由以下权利要求的范围所限定的相同发明构思的其它实施例。









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