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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Verfahren und Ausrüstung zum ökonomischen
Umwandeln von Dung und Abwasser in neue Düngemittelprodukte
(vorzugsweise biozertifizierte Düngemittel) und Bodenaufbauprodukte, mit
einem hohen Gehalt an organischer Substanz (vorzugsweise biozertifiziert)
für die kommerzielle Landwirtschaft, und für Verwendungen
bei Rasen und Garten daheim und bei Sanierungsverwendungen.
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STAND DER TECHNIK
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Die
Anzahl und Größe von Massentierhaltungsbetrieben
und anderen Landwirtschaftsbetrieben, die Rindfleisch, Schweinefleisch,
Geflügel, Elch und andere Wildtiere, Ziege, Lamm, Fisch,
Milch, Käse, Eier und sonstige, aus Tieren erzeugte Nahrungsmittel
produzieren, steigt stetig immer weiter. Gleiches gilt für
andere Tierhaltungsbetriebe für Schaf, Nerz, Alpaka, und
andere Tiere zur Produktion von Wolle, Pelzen und anderen Faserprodukten.
Der hauptsächliche Vorteil der Haltung und Haltung größerer
Zahlen von Tieren an einer einzelnen Stelle ist, dass zusammengelegte
Betriebe eine Wirtschaftlichkeit durch Massenproduktion ergeben, die
die Einheitsprodukt-Betriebskosten senkt und den Profit steigert.
Da die Zahl und die Größe beschränkter Massentierhaltungsbetriebe über
die Jahre gewachsen ist, hat sich die Technologieentwicklung zur
Behandlung von Dung aus diesen Betrieben nicht geändert.
Der Großteil des Dungs wird in Schlammklärteichen
oder Haufen angesammelt, wo er sich zersetzt, dann wird er zu Stellen
abseits dieser Betriebe transportiert und mit wenig oder ohne Behandlung
auf Land aufgebracht, auf dem Ackerbau betrieben wird. Folglich
bestehen Umwelt- und Gesundheits-Interessen bezüglich der
direkten Aufbringung von rohem oder geringfügig behandeltem
Dung auf den Boden, wie u. a. der Regenwasserabfluss von Umweltschmutz
in Oberflächen- und Grundwässer und Emissionen
von Treibhausgasen in die Atmosphäre aufgrund von Biokonversion
oder Zersetzung. Die Entsorgung von Dung ist ein signifikantes Umweltproblem.
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Die
Hühnerei-Produktion ist in den letzten Jahren enorm angestiegen.
Es gibt viele Eierproduktionsbetriebe, die mindestens eine Million
Legehühner enthalten, da die Produzenten einsahen, dass
die Eierproduktion und die Verarbeitungsbetriebe sich vergrößern
und eher in Massenproduktion arbeiten müssen, damit die ökonomische
Leistung in einem Konkurrenzgeschäftsfeld verbessert wird.
Diese hauptsächlichen Produktionsstätten entsorgen
ihren Dung durch Kompostieren, jedoch kommt es zu erheblichen Umweltproblemen, die
durch dieses Dungentsorgungsverfahren verursacht werden.
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Tierdung
aus Milch-, Weide- und Schweinebetrieben hat gewöhnlich
einen Feuchtigkeitsgehalt von mehr als 70 Gewichtsprozent, so dass
sich dieser Dung ökonomisch schwer handhaben und entsorgen
lässt. Die Entfernung der Feuchtigkeit zur Volumenreduktion
zur Ermöglichung einer Entsorgung auf Deponien ist teuer
und für die Umwelt nicht gewünscht. Der Transport
zu Hofstellen zur direkten Entsorgung und zur Verwendung auf Ackerland
ist ebenfalls teuer und aufgrund der beim Aufbringen freigesetzten
schädlichen Gerüche sowie aufgrund der Anwesenheit
von Verunreinigungen, Pathogenen und Unkrautsamen im Dung für
die Umwelt nicht gewünscht.
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Biokonversion,
die gewöhnlich zur Behandlung von kommunalem Abwasser und
Viehabfall verwendet wird, betrifft die Umwandlung oder Zersetzung
organischer Materialien (wie organischem Abfall) in nützliche Produkte
(wie Nutzfutter oder Kraftstoff) durch bakterielle Zersetzung dieser
organischen Substanz. Die Biokonversion umfasst anaerobe und aerobe
Faulung. Die Betreiber großer Tierhaltungsbetriebe haben Schlammklärteiche
und Stauweiher zum Halten des Dungs konstruiert, und ermöglichen
die Biokonversionsfaulung von Abfallmaterial vor dem Aufbringen
auf das Land. Diese Schlammklärteiche verursachen jedoch eine
schwerwiegende Grund- und Oberflächenwasserverschmutzung.
Sie brauchen auch große Landflächen und sie haben
keine Kontrolle von Emissionen oder schädlichen Gerüchen
und Treibhaus- oder Schmutzgasen in die Atmosphäre. Biogas-Betriebe
sammeln zwar Gase aus den Schlammklärteichen als Kraftstoff
für die Stromerzeugung, solche Betriebe sammeln aber nur
einen Teil der Gase, sie produzieren ineffizient kleine Mengen Strom,
und sie halten zudem den Schlamm aus den Klärteichen zurück,
der noch entsorgt werden muss.
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Beispiele
des Standes der Technik und Veröffentlichungen, die die
obigen Probleme durch Faulung, Verbrennung, Volumenverringerung
und/oder Zersetzung zu lösen versuchen, sind u. a. die
U.S.-Patente 5,535,528 von
Finham,
5,685,153 von
Dickenson et al.;
6,039,774 von
McMullen et al.;
6,125,633 und
6,173,508 von Strohmeyer;
6,171,499 von Bouchalat;
6,524,632 von Kartchner;
6,613,562 von Dvork;
6,682,578 von Sower und
die U.S.-Patentanmeldung 2004/0025715 von Bonde et al.
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Ein
weiteres Problem bei Tierhaltungsbetrieben und bei der Abwasserbehandlung
ist Luftverschmutzung, einschließlich Treibhausgasemissionen,
einschließlich Methan und CO2,
sowie Gase mit schädlichen Gerüchen. Die sich
immer stärker ausdehnenden Wohngebiete dringen inzwischen
auf Land in Nachbarschaft zu Tierhaltungsbetrieben ein, und Beschwerden
der Bewohner im Hinblick auf schädliche Gerüche
eskalieren. Zusätzlich zu den Gerüchen und den
luftverschmutzenden Treibhausgasen, die aus dem Dung und bei der
Biokonversion des Dungs entstehen, werden signifikante Mengen der
schädlichen und Treibhausgase direkt von den Tieren durch
Blähungen, Rülpser und Regurgitation produziert.
Neben der nötigen Bekämpfung der schädlichen
und der Treibhausgase, die direkt aus dem Dung (Urin und Fäkalien)
oder durch Zersetzung des Dungs entstehen, muss man die gefährlichen
und Treibhaus-Gasemissionen aus den Tieren selbst eindämmen
und verhindern, dass diese in die Atmosphäre gelangen.
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Es
wird auch mehr Wert auf Produktion von Feldfrüchten durch
die Verwendung von biozertifizierten Feldfruchtproduktionsverfahren
und Materialien gelegt. Die Regierungen von Kanada, Australien,
den Vereinigten Staaten, der Europäischen Union und von
anderen Ländern haben Standards für die Qualifizierung
von Nahrungsprodukten als "biologisch" oder "biologisch produziert"
entwickelt und es gibt mehrere bekannte Zertifikationsorganisationen
und Regierungsstellen, die Bauernhöfe und Marktprodukte
unter den geeigneten Standards als "biologisch" einstufen. Somit
hat sich die Bezeichnung "biozertifiziert" und die Terminologie
entwickelt, und diese stehen für Produkte oder Erzeugnisse,
die den Zertifikationen anerkannter Organisationen zufolge die zutreffenden
Behörden-Standards erfüllen, und Produkte oder
Erzeugnisse, die durch Verfahren produziert wurden, die die Behördenstandards
für Bioproduktionsverfahren erfüllen. In erster
Linie bedeutet "biozertifiziert", dass im Wesentlichen keine künstlichen
Chemikalien, wie u. a. Pestizide, Herbizide und Düngemittel
in dem Wachstums- und Produktionsverfahren zugelassen sind. Daher
haben die Biobauern ein schwerwiegendes Problem bei der Erneuerung
und Auffüllung der Nährstoffe und organischer
Substanz in ihrem Boden, da effiziente organische Eingabematerialien
nicht verfügbar sind.
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Kompostierter
Dung und andere Materialien werden derzeit von Biobauern verwendet,
aber Kompostmaterialien haben einen niedrigen Nährwert
und haben einen Gehalt an lebensfähigen Pathogenen und
Unkrautsaat, der für den Hofbetrieb schädlich
ist. Zudem verursachen die Kompostierabläufe selbst erhebliche Luft-
und Grundwasser-Verschmutzungsprobleme. Die Technologie, die bisher
zur Produktion biozertifizierter Düngemittelprodukte entwickelt
wurde, war aufgrund von einem oder mehreren Problemen bei der Produktqualität,
Effektivität, Umweltverträglichkeit, oder ökonomischer
Machbarkeit zur Lieferung eines preiswerten Marktproduktes nicht
zufrieden stellend. Beispiele für den Stand der Technik
und Veröffentlichungen, die die Produktion biologischer
oder biozertifizierter Düngemittelprodukte angehen, sind
die
US-Patente 5,354,349 von
Inoue;
6,461,399 von
Connell;
6,517,600 und
6,645,267 von Dinel; US-Patentanmeldungen
2003/0038078 von Stamper et al., 2003/0089151 und 2003/0136165 von
Logan et al und 2003/0111410 von Branson.
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Aus
dem Obigen ist ersichtlich, dass ein erheblicher ungestillter Bedarf
an umwelt- und ökonomisch verträglichen Technologien
zur Entsorgung von Dung und Abwasser, zur Bekämpfung von
schädlichen und Treibhausgasen aus Tierhaltungsbetrieben
besteht. Es besteht zudem ein erheblicher ungestillter Bedarf an kostengünstigen
organischen Düngemittel- und Bodenaufbauprodukten, die
für Nahrungsproduktions-Eingänge unter den gängigen
Standards für eine biozertifizierte Nahrungsmittelproduktion
zertifiziert werden können. Die Erfindung betrifft Verfahren,
Geräte, Systeme und Produkte, die einige oder alle dieser
Bedürfnisse erfüllen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung liefert ökonomische und einfachere Verfahren,
Systeme und Geräte zur Umwandlung von Dung-Augangsmaterialien
in Düngemittel- und Bodenaufbauprodukte, vorzugsweise zur
Umwandlung in biozertifizierte Düngemittel und Bodenaufbauprodukte.
Die Erfindung liefert zudem ökonomische und einfachere
Verfahren, Systeme und Geräte zum Bekämpfen und
Eindämmen von schädlichen, geruchsintensiven und
Treibhausgasen aus Tierhaltungsbetrieben.
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Unter
einem Aspekt liefert die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines Biodüngemittelproduktes aus einem Dung-Ausgangsmaterial,
umfassend das Betreiben eines Gasturbinengenerators zur Strom- und Abgaserzeugung;
das Zusammenbringen der Abgase mit dem Dung-Ausgangsmaterial, das
einen Feuchtigkeitsgehalt von mindestens etwa 30 Gewichtsprozent
aufweist, in einem Trockenbehälter für eine genügende Kontaktzeit,
dass ohne signifikante Oxidation des Dung-Ausgangsmaterials ein
getrocknetes Düngemittelmaterial hergestellt wird, das
einen Feuchtigkeitsgehalt weniger als etwa 20 Gewichtsprozent aufweist;
und das Verarbeiten und Formen des Düngemittelmaterials
zu einer Granulat-, Pellet- oder Prillgranalienform des Düngemittelproduktes,
das sich für herkömmliche Trockendüngemittelanwendung
in einem Ackerbaubetrieb eignet.
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Unter
einem anderen Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines Düngemittelmaterials bereit, umfassend das Betreiben
eines Gasturbinengenerators zur Strom- und Abgaserzeugung mit einer
Temperatur über 1000°F; das Zusammenbringen der
Abgase, die eine Temperatur über 1000°F haben,
mit dem Dung-Ausgangsmaterial, das einen Feuchtigkeitsgehalt von
mindestens etwa 30 Gewichtsprozent aufweist, in einem Trockenbehälter
für eine so lange Kontaktzeit, dass ohne signifikante Oxidation
des Dung-Ausgangsmaterials ein getrocknetes Düngemittelmaterial
hergestellt wird, das einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als
etwa 20 Gewichtsprozent aufweist; und sie stellt gegebenenfalls
ein Verfahren mit den weiteren Schritten Granulieren, Pelletieren
oder Prillen des Düngemittelmaterials zu einem Düngemittelprodukt
bereit, das sich für herkömmliche Trockendüngemittelanwendung
in einem Ackerbaubetrieb eignet.
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Unter
einem anderen Aspekt stellt die Erfindung ein Gerät zum
Trocknen und/oder Umwandeln eines Dung-Ausgangsmaterials zur Herstellung
eines Düngemittels und/oder Bodenaufbaumaterials bereit,
umfassend eine Gasturbine in Kombination mit einem Trockenbehälter,
der zum Aufnehmen eines Dung-Ausgangsmaterials und zum Aufnehmen
der Abgase aus der Gasturbine über eine Verbindung ausgelegt
ist, wobei die Verbindung zwischen der Gasturbine und dem Trockenbehälter
so ausgelegt ist, dass das Eindringen von Luft in den Trockenbehälter
im Wesentlichen verhindert wird, und sie stellt gegebenenfalls den
Trockenbehälter bereit, der für dieses Trocknen
und/oder Umwandeln des Dung-Ausgangsmaterials durch direkten Kontakt
der Abgase und des Dung-Ausgangsmaterials ausgelegt ist.
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Unter
einem anderen Aspekt stellt die Erfindung ein fahrbares System zum
Verarbeiten eines Dung-Ausgangsmaterials zur Herstellung eines Düngemittelproduktes
bereit, umfassend mindestens ein fahrbares Trockengerät,
das für das Trocknen oder Wärmebehandeln des Dung-Ausgangsmaterials
zur Herstellung eines Düngemittelmaterials ausgelegt ist,
und mindestens ein fahrbares Verarbeitungsgerät, das zum Umwandeln
des Düngemittelmaterials aus dem Trockengerät
in ein Düngemittelprodukt ausgelegt ist, dessen Form für
eine herkömmliche Düngemittel-Aufbringung in einem
Ackerbaubetrieb geeignet ist, und sie stellt wahlweise zudem ein
fahrbares System bereit, wobei das Trockengerät eine Gasturbine
und einen Trockenbehälter umfasst. Zudem stellt die Erfindung
wahlweise ein derartiges fahrbares System bereit, wobei die Gasturbine
und der Trockenbehälter über eine Anordnung verbunden
sind, die die Gasturbinenabgase in den Trockenbehälter
leiten soll und das Eindringen von Luft in den Trockenbehälter
verhindern soll.
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Unter
einem anderen Aspekt stellt die Erfindung das obige fahrbare System
bereit, umfassend ein erstes auf einem Gleitgestell montiertes Gerät,
das den Gasturbinengenerator umfasst, der zur Stromerzeugung ausgelegt
ist; und ein zweites auf einem Gleitgestell montiertes Gerät,
das den Trockenbehälter umfasst und für die Verbindung
mit der Gasturbine ausgelegt ist, so dass es Gasturbinenabgase aufnimmt
und im Wesentlichen das Eindringen von Luft in das Trockenbehälter
verhindert. Gegebenenfalls wird ein drittes auf einem Gleitgestell
montiertes Gerät bereitgestellt, das das Verarbeitungsgerät
umfasst. Vorzugsweise umfassen die erfindungsgemäßen
fahrbaren Systeme auf Schienen montierte, auf LKWs montierte oder
auf Sattelschleppern montierte Geräte. Unter einem anderen
Aspekt stellt die Erfindung das fahrbare System bereit, das die Gasturbine
und den Trockenbehälter sowie ein wahlfreies Verarbeitungsgerät
umfasst, das hinsichtlich Bauweise und Größe für
die auf einem einzigen Gleitgestell oder auf einem einzigen Transportwagen
montierte Installation ausgelegt ist. Ein weiterer Aspekt betrifft
eine oder mehrere Gehäuse für die fahrbaren Einheiten, hauptsächlich
zur Schalldämpfung.
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Unter
einem anderen Aspekt liefert die Erfindung ein Biodüngemittelmaterial,
umfassend ein Dung-Ausgangsmaterial, das bei ausreichenden Temperaturen
und ohne wesentliche Oxidation für einen genügenden
Zeitraum thermisch behandelt wird, damit im Wesentlichen alle in
dem Dung-Ausgangsmaterial vorhandenen ungewünschten Bestandteile,
die ungewünschte Organismen, Mikroorganismen, Pestizide,
Antibiotika, Hormone, Prionen oder Viren umfassen, zerstört
oder in ungefährliche Formen umgewandelt werden. Vorzugsweise
enthält das Biodüngemittelmaterial weniger als
nachweisbare Mengen von jedem dieser ungewünschten Bestandteile,
die nicht derart zerstört oder umgewandelt wurden, und
stellt wahlweise zudem ein solches Düngemittelmaterial
in Form eines Düngemittelprodukts bereit, das sich für
herkömmliche Trocken-Düngemittelaufbringung in
einem Ackerbaubetrieb eignet. Die Erfindung stellt ferner ein Düngemittelmaterial
oder -produkt bereit, das thermisch behandeltes Dung-Ausgangsmaterial
enthält und in dem die enthaltenen NOx-,
SOx- oder COx-Komponenten
infolge von Kontakt des Dung-Ausgangsmaterials mit Gasturbinenabgasen
in einem begrenzten Raum ohne signifikante Oxidation des Dung-Ausgangsmaterials
absorbiert oder komplexiert sind. Je nach dem relativen Nährstoffgehalt
und dem Gehalt an Biosubstanz des Dung-Ausgangsmaterials ist dieser
Aspekt der Erfindung gleichermaßen geeignet zur Bereitstellung
eines Bodenaufbauprodukts mit hohem Gehalt an organischer Substanz,
das ähnliche Eigenschaften aufweist.
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Unter
einem anderen Aspekt stellt die Erfindung ein Düngemittelmaterial
oder -Produkt bereit, umfassend ein Dung-Ausgangsmaterial, das bei
ausreichenden Temperaturen ohne signifikante Oxidation und so lange
thermisch behandelt wird, dass ein selbstbindendes Düngemittelmaterial
oder -Produkt erhalten wird, das sich für herkömmliche
Trocken-Düngemittel-Aufbringung in einem Ackerbaubetrieb
eignet.
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Unter
einem anderen Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines Bodenaufbauproduktes aus einem biokonvertierten Dung-Ausgangsmaterial
bereit, umfassend das Betreiben eines Gasturbinengenerators zur
Strom- und Abgaserzeugung, das Zusammenbringen der Abgase mit dem
Dung-Ausgangsmaterial, dessen Feuchtigkeitsgehalt mindestens etwa
30 Gewichtsprozent beträgt, in einem Trockenbehälter für
eine so große Kontaktdauer, dass ohne signifikante Oxidation
des Dung-Ausgangsmaterials ein trockenes Bodenverbesserungsmaterial
produziert wird, dessen Feuchtigkeitsgehalt kleiner als etwa 20
Gewichtsprozent ist, und gegebenenfalls Verarbeiten und Formen des
Konditionierungsmaterials zu einer Granulat-, Pellet- oder Prillgranalienform
des Bodenverbesserungsproduktes, das sich zur herkömmlichen
Trockenaufbringung auf den Boden eignet.
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Unter
einem anderen Aspekt stellt die Erfindung ein System zum Verarbeiten
von Tiergasen und schädlichen oder übel riechenden
Gerüchen oder Gasen aus Dung-Ausgangsmaterial bereit, umfassend
eine Gasturbine mit einem Verbrennungsgaseinlass und einen Tierstall,
aus dem Ventilationsluft ausgestoßen wird, wobei der Verbrennungslufteinlass
derart ausgelegt ist, dass er zumindest einen Teil und vorzugsweise
im Wesentlichen die gesamte aus dem Tierstall ausgestoßene
Ventilationsluft aufnimmt. Die Gasturbine kann wahlweise einen Gasturbinengenerator
umfassen und wahlweise einen Trockenbehälter enthalten,
der für das Aufnehmen der Gasturbinenabluft und für
das Aufnehmen und Behandeln von Dung-Ausgangsmaterial ausgelegt ist.
Unter einem alternativen Aspekt stellt die Erfindung diese Systeme
zur Verarbeitung von Tiergasen und schädlichen oder übel
riechenden Gerüchen oder Gasen über den Verbrennungslufteinlass
einer Kolbenmaschine bereit, die wahlweise einen Stromgenerator
und wahlweise einen Trockenbehälter enthalten kann, der für
das Aufnehmen von Motorabgas ausgelegt ist.
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Unter
einem anderen Aspekt liefert die Erfindung Geräte zur Behandlung
von Dung-Ausgangsmaterial, umfassend eine Gasturbine mit einem Verbrennungslufteinlass,
der dafür ausgelegt ist, dass er die Ventilationsluft aus
einem Tierstall aufnimmt, einen Trockenbehälter mit einer
Verbindung, die für das Aufnehmen von Abgasen der Gasturbine
ausgelegt ist, und einen Einlass zum Aufnehmen von Dung-Ausgangsmaterial hat.
Gegebenenfalls kann der Verbrennungslufteinlass zur Verbindung mit
dem Ventilationssystem des Tierstalls ausgelegt sein, wodurch der
Verbrennungslufteinlass im Wesentlichen die gesamte von dem Tierstall ausgestoßene
Verbrennungsluft aufnimmt. Unter diesem Aspekt kann zusätzlich
die Verbindung zwischen dem Trockenbehälter und der Gasturbinenabluft
derart ausgelegt sein, dass sie das Eindringen von Luft in den Trockenbehälter
im Wesentlichen verhindert.
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Die
obigen Aspekte sowie weitere Aspekte ergeben sich für den
Fachmann aus der Offenbarung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt:
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1 ein
Ablaufschema eines Verfahrens zur Behandlung von Dung-Ausgangsmaterial
unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der erfindungsgemäßen Ausrüstung;
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2 eine
Aufsicht auf die erfindungsgemäßen Verfahrenseinheiten
in der Form fahrbarer, auf Gleitschienen montierter, LKW-fähiger
Einheiten;
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3 eine
Aufsicht auf die erfindungsgemäßen Verfahrenseinheiten
in der Form fahrbarer, auf Gleitschienen montierter, LKW-fähiger
Einheiten in anderer Bauweise;
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4A eine
Aufsicht und 4B einen Aufriss einer Darstellung
der Bauweise des erfindungsgemäßen Systems, das
auf einen Sattelschlepper-LKW montiert ist;
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5 schematisch
Verfahren zur Verhinderung der Emission von Tier- und Treibhausgasen
in die Atmosphäre unter Verwendung der erfindungsgemäßen
Systeme.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung liefert eine ökonomische, effiziente und einfachere
Lösung für das immer schwerere Problem der Umweltverschmutzung,
das durch Dung und Gase aus Viehbetrieben und durch kommunale Abwässer
verursacht wird. Bis heute bereitgestellte Verfahren und Systeme
des Standes der Technik sind entweder bei der Umwandlung dieses
Dungs und dieser Gase in eine sichere umweltverträgliche Form
nicht wirksam genug oder lassen sich nicht so anpassen, dass sie
bei kleinen und großen kommerziellen Betrieben ökonomisch
durchführbar sind. Es gibt weitere Probleme bei vielen
Systemen des Standes der Technik, einschließlich unökonomischer
Betrieb, Versagen beim Dekontaminieren und Versagen beim Verhindern
von Luftverschmutzung (oder tatsächlich Verursachen weiterer
Umweltprobleme bei der Durchführung des Verfahrens).
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Beispiele
für Systeme des Standes der Technik und ihre Mängel
sind u. a.: Faulungsverfahren, unabhängig davon ob sie
aerob oder anaerob sind, sind langsam, ineffizient und erzeugen
einen Schlamm der üblicherweise in einer Müllkippe
oder Aufschüttung entsorgt werden muss. Faulungs- oder
Kompostiersysteme, die zur Produktion von Biogas, üblicherweise
Methan, für Kraftstoff ausgelegt sind, liefern keine ökonomisch vorteilhafte
Kraftstoffproduktion und sind teuer im Betrieb, weil der produzierte
Kraftstoff nicht mit genügender Rate erzeugt wird, und
er keinen ausreichenden Wärmewert für einen ökonomischen
Betrieb besitzt. Er ist insofern ein "schmutziger" Kraftstoff, als
er beim Verbrennen umweltschädliche Emissionen erzeugt,
und aufgrund seines variablen Gehaltes an schädlichen Gasen
schwierig effizient zu verbrennen ist. Dieser variable und ungleichmäßige
Gehalt an Verunreinigungen und der Kraftstoffwert können
tatsächlich einige Systeme und Motoren, wie Gasturbinen
und Kolbenmotoren, aufgrund von Korrosion oder unkontrollierbaren,
unvorhersagbaren Brennbedingungen beschädigen. Biogas-Produktionsabläufe
produzieren einen abgereicherten Schlamm, dessen Entsorgung auf
umweltverträgliche Weise teuer ist. Faulungs- und Kompostiersysteme,
die dafür ausgelegt sind, dass sie Düngemittel-
oder Bodenverbesserungs-Produkte erzeugen, leiden daran, dass diese
erzeugten Produkte gewöhnlich nicht frei von biologischen
oder chemischen Verunreinigungen sind, die für die Verwendung
auf Ackerland insbesondere für biozertifizierte Anwendungen,
unerwünscht oder verboten sind, und diese Produkte haben
einen zu niedrigen Nährwert als dass sie als effiziente
Düngemittel dienen können.
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Behandlungssysteme,
die Wärme- und chemische Behandlung einsetzen, sind zur
Erzeugung eines sicheren Endprodukts ineffizient und häufig
unwirksam. Dazu gehören pH-Einstellungs- und chemische
Additive, gewöhnlich unter Erhitzen, das zum Abtöten
vorhandener Organismen beitragen soll. Einige Wärmebehandlungssysteme
setzen Druck (zum Kochen bei höherer Temperatur), Mikrowellenerhitzung,
Bestrahlung und andere ergänzende Behandlungen ein, die
nur dazu dienen, die Kosten des Betriebs zu erhöhen, mit
abnehmendem Nutzen bei Produktqualität oder Umweltreinhaltung.
In vielen Fällen führt die zusätzliche Komplexität
von Behandlungen und Kombinationen von Verfahrensschritten zu negativeren
Umweltauswirkungen aus eingesetzten Ressourcen und den erzeugten
Nebenprodukten verglichen mit der vorteilhaften Umweltauswirkung
der gesamten Behandlung. Viele Systeme erzeugen alternative oder
zusätzliche Nebenprodukte, die verunreinigt sind oder bei
ihrem Betrieb eine kollaterale Umweltverschmutzung verursachen.
Systeme, die Verbrennung, teilweise Verbrennung, Vergasung oder
Pyrolyse einsetzen, sind ebenso ineffizient und nicht genügend
wirksam, weil Verbrennung zusätzliche Abwässer
erzeugt, die eingedämmt werden müssen, damit eine andere
oder zusätzliche Luftverschmutzung verhindert wird. Zwar
produzieren Verbrennungs- und Pyrolysesysteme ein Produkt, das genügend
sterilisiert sein kann, aber das Produkt kann weitere ungewünschte
Nebenprodukte der Verbrennung enthalten, was es für einige
Düngemittel-Anwendungen ungeeignet macht, so dass ungewünschte
Entsorgung auf einer Müllkippe erforderlich wird. Zudem
haben Verbrennungssysteme das zusätzliche Risiko potenziell
unkontrollierbarer oder explosionsartiger Feuer, wodurch zumindest
die Verfahrensausrüstung beschädigt wird und im
schlimmsten Fall Sicherheitsfragen aufkommen.
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Systeme
des Standes der Technik haben das Problem von schädlichen
Gasen und Treibhausgasen, die in Tierhaltungsbetrieben und kommunalen
Abwasserbehandlungsbetrieben produziert werden, nicht zufrieden
stellend behandelt. Quellen für solche Gase sind die Tiere
selbst, der Dung und der Abfall von den Tieren und die biologische
Umwandlung oder Zersetzung des Dungs, Abwassers und Abfalls. Diese
Gase werden üblicherweise in die Atmosphäre ausgeblasen
oder freigesetzt, sind aber für Anwohner aufgrund der schädlichen Gerüche
störend und sie sind aufgrund der Luftverschmutzung, die
durch die darin enthaltenen Treibhausgase, insbesondere Methan,
verursacht wird, für die Umwelt störend.
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Die
Erfindung liefert eine neue Technologie in Form von Verfahren, Geräten
und Systemen zur Umwandlung von Dung-Ausgangsmaterial in nützliche,
umweltverträgliche Materialien und Produkte, die in einem bevorzugten
Aspekt in einer Form produziert werden können, die sich
zur Verwendung in biozertifizierten Landwirtschaftsbetrieben eignet.
Zusätzlich liefert die hier offenbarte Erfindung eine Technologie,
die die ungewünschten Umweltauswirkungen von Treibhausgasen
verringert oder beseitigt, die in Tierhaltungsbetrieben produziert
werden, und die erfindungsgemäße Technologie reduziert
oder eliminiert die Umweltschäden der Dung-Ausgangsmaterial-Behandlung
gegenüber Verfahren und Systemen des Standes der Technik.
Einer der Hauptvorteile der Erfindung liegt in dem Aspekt, dass
bei den meisten Dung-Ausgangsmaterialverabeitungen alle Abfallfeststoffe gegebenenfalls
in den Verfahren und Systemen gehalten und als Teil in das Endprodukt, das
sich als Düngemittel- oder Bodenaufbaumaterialprodukte
eignet, eingebracht werden können. So kann die Erfindung
die Notwendigkeit, dass jeglicher verbleibender Schlamm oder andere
Feststoffe auf einer Müllkippe oder einer Aufschüttung
entsorgt werden müssen, vollständig beseitigen.
Das aus dem Ausgangsmaterial entfernte Wasser wird vorzugsweise
zurück gewonnen und zu der Abfallmaterialquelle oder einer
anderen Anlage für die Wiederverwendung rezykliert. Dies
ist ein signifikanter Nutzen im Hinblick auf die Umwelt und ein
Wassereinsparungsfaktor, der von der Erfindung ökonomisch
bereitgestellt wird.
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Der
Begriff "Dung-Ausgangsmaterial", wie er hier verwendet wird, bedeutet
und umfasst Abfallsubstanz, die von Tieren als Fäkalien
und/oder Urin ausgeschieden wird, wie beispielsweise, aber nicht
eingeschränkt auf Mensch (kommunale Abwässer und
Klärschlamm), Vieh (Rindfleisch, Milchwirtschaft, Büffel, Kalbfleisch
usw.), Pferde, Schafe, Schweine, Geflügel (Hühner,
Truthahn, Strauß, Taube usw.), Ziege, Nerz, Veterinärmedizin,
Viehhof, Stall, Rennbahn, Rodeoplätze, Festplätze,
Weiden, Verkaufsscheunen, Zoo, aus dem Meer (Fisch, Krabben usw.),
Elch (und anderes Wild), Lama, Alpaka sowie andere Betriebe und
Quellen für Abwässer oder Dung und in jeglichen
Mischungen davon. Dung-Ausgangsmaterial, wie es hier verwendet wird,
umfasst solche Substanzen zusammen mit anderen Materialien, die
gewöhnlich in Landwirtschaftsbetrieben vorhanden sind,
wo solches Material produziert wird, wie Stroh, Streu, (das gewöhnlich
geschreddertes Papier, Holzschnitzel usw. ist), Haare, Federn, Insekten,
Nager, usw. unabhängig davon, ob das Verhältnis
dieses Materials zu anderen solcher Materialien von sehr niedrig
bis sehr hoch reicht. Dung-Ausgangsmaterial, wie es hier verwendet
wird, umfasst solches Material in seiner Rohform, einer beliebigen
präparierten Form und Gemische davon mit anderen Materialien,
wie andere Biosubstanz (Gartenabfall, Bioabfall usw.), Additive, Verfahrenszusätze,
Knochenmehl, Fischmehl, und dergleichen, einschließlich
bei frischer Substanz, vollständig umgewandelt durch Kompostierung,
Faulung usw. oder in einer beliebigen Stufe dazwischen. Man erkennt, dass
bei Zugabe, Beimischung oder Einschluss anderer Komponenten, wie
Knochenmehl, usw. in dem Dung-Ausgangsmaterial zur erfindungsgemäßen
Verarbeitung, solche zusätzlichen Komponenten auch von der
thermischen Zerstörung oder Umwandlung der nachstehend
aufgeführten ungewünschten Komponenten, wie Prionen,
usw., ebenso wie das Dung-Ausgangsmaterial profitieren. Somit möchte
man womöglich kontaminierte Materialien, wie Stroh, das
Pestizide enthält, Knochenmehl, das Prionen enthält,
usw. mit dem zu verarbeitenden Dung mischen, so dass solche Kontaminationen
während der erfindungsgemäßen Verarbeitung des
Dung-Ausgangsmaterials umgewandelt oder zerstört werden
können. Wie nachstehend aufgeführt kann das Ausgangsmaterial
den Inhalt von gängigen Dung-Klärteichen und/oder
Dunghaufen enthalten, so dass selbige aufbereitet oder eliminiert
werden. Die Erfindung eignet sich zur Verarbeitung anderer Arten
von Abfallprodukten und Abfallströmen, wie in der gemeinsam
abgetretenen, gleichzeitig angemeldeten U.S.-Patentanmeldung mit
der laufenden Nr. 10/895,030, eingereicht am 19. Juli 2004, offenbart,
deren Offenbarung hier vollinhaltlich durch Bezugnahme aufgenommen
ist.
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Die
Erfindung stellt eine einfachere, ökonomisch effiziente
Alternative zum Stand der Technik bereit, und liefert unter ihren
bevorzugten Aspekten ein Produkt, das sich zu 100% als Düngemittel
und/oder Bodenaufbauprodukt eignet, und das eine 100%ige Umwandlung
von Dung-Ausgangsmaterialfeststoffen in nützliche Produkte
liefert und das im Stand der Technik ungelöste Problem
der Entsorgung von Feststoffen beseitigt, die bei verschiedenen
Dung-Ausgangsmaterialbehandlungen übrig geblieben sind,
wie bei der Kompostierung und der Biogasproduktion. Bei einem bevorzugten
Aspekt der Erfindung ist das erzeugte Düngemittel ein Biodüngemittel,
das sich von biozertifizierten Nahrungsmittelproduzenten verwenden
lässt, ohne dass ihr biozertifizierter Produkt-Status auf
Spiel gesetzt wird. Erfindungsgemäß kann der Nährwert
des aus einem Dung-Ausgangsmaterial produzierten Düngemittels
maximiert werden, wenn Kompostierung, Faulung, Verbrennung und Oxidation
des Dung-Ausgangsmaterials verhindert oder zumindest minimiert werden.
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Bei
der Erfindung zerstört oder wandelt die Hochtemperaturbehandlung
des Dung-Ausgangsmaterials, vorzugsweise durch direkten Kontakt
mit heißen Gasen, z. B. > 1000°F,
im Wesentlichen alle in dem Dung-Ausgangsmaterial vorhandenen ungewünschten
Komponenten in ungefährliche Formen um, wie u. a. Organismen,
Mikroorganismen (einschließlich genetisch modifizierter
Organismen, Bakterien, Pathogenen und anderer Mikroorganismen),
Samen, Pestizide, Antibiotika, Hormone, Prionen und Viren, insbesondere wenn
diese Wärmebehandlung für eine genügende
Zeit und ohne signifikante Oxidation, Verbrennung oder Pyrolyse
des Dung-Ausgangsmaterials erfolgt. Die Behandlung bei genügend
hohen Temperaturen für einen genügenden Zeitraum
ohne signifikante Oxidation und/oder Pyrolyse "kocht" das Dung-Ausgangsmaterial oder
wandelt oder transformiert es anderweitig in ein selbstbindendes
Produkt um, wodurch es zu herkömmlichen Pellets, Granulaten,
Prillgranalien oder anderen Formen geformt werden kann, gewöhnlich
ohne dass Bindemittel oder andere agglomerierende Additive zugegeben
werden müssen, die eine genügende physikalische
Härte und Festigkeit besitzen, dass sie zu herkömmlichen
Formen und Größen geformt werden können und
in herkömmlichen Trocken-Düngemittel-Anwendungs-Ausrüstungen
und Betrieben verwendet werden können.
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Die
Erfindung stellt auch die Rückgewinnung und Rezyklierung
des Wassers bereit, das aus dem Dung-Ausgangsmaterial entfernt wurde,
wobei das Wasser als Viehtrinkwasser, für Bewässerungs-
oder andere industrielle Zwecke verwendet werden kann, sowie für
die Rückgewinnung und Rezyklierung sämtlicher Feststoffe
(feiner oder anderer), die bei dem Verfahren produziert werden.
In der erfindungsgemäßen Praxis werden keine anderen
signifikant festen Produkte als die gewünschten Düngemittel-
und/oder Bodenaufbauprodukte produziert, die sich zur kommerziellen
Verwendung eignen. Das erfindungsgemäß rezyklierte
Wasser ist ein erheblicher Faktor für den Umweltschutz
und Wassererhaltung. Eine erfindungsgemäße Betriebseinheit, die
den Dung von einer Milchwirtschaft mit 4000 Kühen verarbeitet,
rezykliert jährlich schätzungsweise 7 Millionen
Gallonen Wasser zurück zur Wiederverwendung in der Milchwirtschaft,
und zwar je nach dem Wassergehalt des rohen Dung-Ausgangsmaterials
und anderer Verfahrensbedingungen.
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Erfindungsgemäß ist
die effizienteste Weise zur Bereitstellung von Heißgasen
für den Kontakt mit dem Dung-Ausgangsmaterial das Abgas
einer Gasturbine und vorzugsweise eines Gasturbinenstromgenerators. Dem
erfindungsgemäßen System zufolge wird die Gasturbine
mit lokal verfügbaren herkömmlichen Kraftstoffquellen
angetrieben, weil bei dem erfindungsgemäßen Betrieb
keine biologische Umwandlung erfolgt und kein Biogas aus dem Dung-Ausgangsmaterial
erzeugt wird, und weil herkömmliche Kraftstoffe den effizientesten, zuverlässigsten
und am besten regelbaren Betrieb der Gasturbine liefern. Der von
dem Gasturbinengenerator erzeugte Strom wird vorzugsweise als Einnahmequelle
für den Betrieb der Erfindung in das örtliche
Stromnetz verkauft. Der Strom kann aber auch intern beim Betrieb
des erfindungsgemäßen Systems oder in nahe gelegenen
Betrieben als ergänzende Energiequelle oder bei einer Kombination
von Verwendungen zur Energie- und Wärmegewinnung aus den
erfindungsgemäß eingesetzten Verfahren verwendet
werden. Beim erfindungsgemäßen Betrieb ist es
bevorzugt und effizienter, dass die erzeugte elektrische Energie
nur in das örtliche Energieversorgungsnetz verkauft wird.
Dadurch kann der Betrieb der erfindungsgemäßen
Verfahren und die erfindungsgemäße Ausrüstung
auf effizienteste und wirksamste Weise zur Behandlung des Dung-Ausgangsmaterials
variiert werden, so dass die gewünschte Qualität
der Düngemittel- oder Bodenaufbauprodukte erzeugt wird,
ohne dass man durch eine bestimmte minimale oder notwendige Höhe
der Stromausgabe beschränkt wird.
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Ein
wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens
und erfindungsgemäßen Geräts ist, dass die
Gasturbine und der Dung-Ausgangsmaterial-Trockenbehälter,
der das Abgas von der Gasturbine aufnimmt, miteinander verbunden
sind, so dass das Eindringen von Außenluft in den Trockenbehälter
im Wesentlichen ausgeschlossen ist. Der Trockenbehälter
nimmt die Abgase vorzugsweise direkt von der Gasturbine auf. Vorzugsweise
werden 100% der Gasturbinen-Abgase in den Trockenbehälter
geleitet, und für den effizientesten Betrieb vorzugsweise,
ohne dass sie durch einen zwischengeschalteten Wärmetauscher,
Schalldämpfer oder andere Ausrüstung geleitet
werden, so dass der Trockenbehälter die maximale Wärme
des Gasturbinenabgases erhält. Man erkennt jedoch, dass überschüssige
Abgase, die für den Betrieb des Trockenbehälters nicht
benötigt werden, abgezweigt werden können und
so die bei anderen Schritten der erfindungsgemäßen Systeme
oder bei anderen nahe gelegenen Betrieben benötigte Wärme
bereitstellen können. Ebenfalls bevorzugt stammen die Abgase
aus herkömmlichen und effizienten Verbrennungsverhältnissen
in der Gasturbine, so dass die Abgase eine minimale oder beschränkte
Menge an freiem Sauerstoff, im Wesentlichen keinen unverbrannten
Kraftstoff, keine offene Flamme enthalten, und dass die optimale
Abgastemperatur (EGT) erreicht wird, so dass pro verbrauchter Kraftstoffeinheit
die maximale Wärme erzeugt wird. Die Verbrennung kann auch bei
einem stöchiometrischen Verhältnis für
einen Betrieb bei maximaler EGT und bei maximaler Temperatur und
maximalem Wärmeeintrag für das erfindungsgemäße
Verfahren erfolgen. Das Fehlen von überschüssigem
Sauerstoff in den Abgasen, das Ausschließen des Eindringens
von Außenluft in den Trockenbehälter, das Fehlen
einer offenen Flamme und der Betrieb bei den hier angegebenen Temperaturen
verhindert eine signifikante Oxidation des Dung-Ausgangsmaterials
im Trockenbehälter, erhält den maximalen Nährwert
in dem Dung-Ausgangsmaterial, der dann auch im Düngemittel-Endprodukt
enthalten ist, verhindert die Gefahr einer Beschädigung
der Ausrüstung durch Feuer und liefert einen Betrieb, der
vor explosionsartigen Feuern im Trockenbehälter sicher
ist. Das Fehlen von überschüssigem Kraftstoff
in den Abgasen verhindert, dass die Abgase eine Quelle für
Kohlenwasserstoffe sind, die von dem Dampfausstoß des Betriebs
abdestilliert werden müssen, bevor dieser in die Atmosphäre
entlassen wird.
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Beim
Betrieb der erfindungsgemäßen Verfahren und Geräte
ist das Dung-Ausgangsmaterial vorzugsweise so frisch wie möglich
und hat einen hohen Feuchtigkeitsgehalt. Anders gesagt, sollte dieses
Dung-Ausgangsmaterial vor der erfindungsgemäßen
Verarbeitung keiner Kompostierung, Faulung oder einer anderen biologischen
Umwandlung oder diesen so wenig wie praktikabel unterworfen worden
sein. Dies liefert den höchsten Nährwert und Gehalt
an organischer Substanz im erzeugten Düngemittel- und Bodenaufbauprodukt. Dieser
bevorzugte Aspekt wird effizient erzielt durch ein bevorzugtes Design
der erfindungsgemäßen Systeme, wobei es sich um
die Modulation der Verfahrensgeräte in auf Gleitschienen
montierter oder anderer Form handelt, die sich für den
LKW-Transport eignen. Dadurch kann die Größe des
gesamten erfindungsgemäßen Systems geeignet eingestellt
werden, und es kann an Ort und Stelle an Weiden, Hühnerställen,
Schweinehöfen usw. platziert werden und gestattet die Verarbeitung
des Dung-Ausgangsmaterials aus diesen Betrieben und Anlagen unmittelbar
nach ihrer Produktion. Dieses bevorzugte System für diese
Betriebe liefert eine zusätzliche Effizienz hinsichtlich Ökonomie
und Umwelt, weil es die Kosten und jegliche Umweltauswirkung des Transports
eines Dung-Ausgangsmaterials oder abgereicherten Klärschlamms
an eine entfernte Stelle für die Verarbeitung oder Entsorgung überflüssig
macht. Durch die Beseitigung der Notwendigkeit, das Dung-Ausgangsmaterial
von einer Stelle zu einer anderen zu transportieren, profitiert
man auch von der biologischen Sicherheit zwischen den Anlagen, d.
h. man umgeht den Transport und die Verbreitung schädlicher
oder unerwünschter Pflanzen- und Tierkrankheiten. Diese
Gestaltung ermöglicht auch die Verarbeitung eines Dung-Ausgangsmaterials
von Verbrauchern oder Zwischenhändlern, wobei sich die
auf den LKW montierten Einheiten leicht von einer Stelle der Dung-Ausgangsmaterialansammlung
zu einer anderen bewegen können. So wird die Nutzung der
Kapitalinvestition in die Ausrüstungssysteme, die zum Befördern
der Erfindung eingesetzt werden, maximiert. Die Fahrbarkeit ermöglicht
auch eine volle Nutzung der erfindungsgemäßen
Ausrüstung, die in ihrer Größe auf einen
effizienten, ökonomischen Betrieb zugeschnitten und so
jeweils auf Teilzeitbasis auf mehreren verschiedenen Weiden, Schweinehöfen,
usw. in einem bestimmten Gebiet verwendet werden kann, in dem eine
permanente Installation an einer beliebigen einzelnen Stelle nicht
nötig ist oder ökonomisch nicht zu rechtfertigen
ist. Die erfindungsgemäßen Systeme können
in ihrer Größe auch auf einen einzelnen Tierhaltungsbetrieb
zugeschnitten werden und dort in Vollzeit das Dung-Ausgangsmaterial
stetig verarbeiten, das an dieser Stelle stetig produziert wird,
so dass eine Dung-Anreicherung oder eine Dung-Überproduktion
zu jedem Zeitpunkt, an dem der Mastbetrieb läuft, minimiert
wird. Entsprechend können die erfindungsgemäßen
Systeme zur Installation in Bürogebäuden, Krankenhäusern, Hotels,
usw. hinsichtlich ihrer Größe angepasst werden,
so dass rohes Abwasser daraus abgefangen und verarbeitet wird, so
dass die Belastung der kommunalen Abwasserbehandlungs-Einrichtungen
reduziert wird. Bei vielen kommunalen Abwasserbehandlungseinrichtungen,
die die volle Kapazität erreichen, und bei den Städten,
die sich großen Investitionen zum Aufbau neuer oder erweiterter
Betriebe gegenüber sehen, stellt diese Erfindung eine ökonomisch
interessante Alternative durch Verarbeiten von Abfallströmen
an Ort und Stelle an großen Produktionsstellen zur Herstellung
eines geeigneten Produktes bereit, und verringert die Belastung
des kommunalen Abwassersystems. Die erfindungsgemäßen
Systeme können ebenfalls an das hygienische Behandeln vor
Ort von Rohabwässern aus Bürogebäuden,
Krankenhäusern, Hotels usw. angepasst werden, so dass vor
Ort ein Düngemittel-Produkt erhalten wird, und die Belastung
auf das kommunale Abwassersystem weiter verringert wird. Dieser
Aspekt der erfindungsgemäßen Systeme kann besonders
an fernen Urlaubsorten geeignet sein, wo es keine kommunalen Abwasserbehandlungsbetriebe
gibt, damit das Abwasser daraus verarbeitet wird, so dass man ein
Düngemittelprodukt erhält und man so die Probleme
der Schlammentsorgung umgeht.
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Bei
der Verwendung in dieser Erfindung hat das Dung-Ausgangsmaterial
vorzugsweise einen hohen Feuchtigkeitsgehalt, wie mindestens 30
Gewichtsprozent Wasser, vorzugsweise mindestens 50% und am stärksten
bevorzugt mindestens 70%. Der hohe Wassergehalt erleichtert eine
maschinelle Handhabung des Rohmaterials und dessen Vorbereitung
für die Verwendung durch Vermischen und Mischen zu einem
gleichmäßigen Ausgangsmaterial. Üblicherweise
wird das Dung-Ausgangsmaterial insbesondere bei Vieh- und Geflügelbetrieben
durch Schnecken, Ladeschaufeln, Tieflöffelbagger, Förderbänder
und dergleichen bewegt. Bei einigen Betrieben kann das Dung-Ausgangsmaterial
jedoch in Form eines pumpbaren Schlamms vorbereitet werden, und
zwar insbesondere bei Milch- und Schweinebetrieben, wobei die Stallreinigung
durch Wasserfluten erfolgen kann und wobei der Wassergehalt des
Dung-Ausgangsmaterials bis zu 90%, 95% oder sogar 98% betragen kann.
Im Stand der Technik konnten solche Dung-Ausgangsmaterialien nicht ökonomisch
verarbeitet werden und wurden einfach in Halte- oder Absetzbecken
oder in Klärteiche überführt, bei denen
es stark zu Luftverschmutzung, Geruchs- und Umweltproblemen kommt.
Die Erfindung kann solche Dung-Ausgangsmaterialien mit hohem Wassergehalt
effizient und ökonomisch verarbeiten, so dass nicht nur
der Dunginhalt in Form eines nährstoffreichen Düngemittels,
sondern auch das von Pathogenen usw. dekontaminierte Verfahrenswasser
zurück gewonnen wird, das für die Stallreinigung,
als Viehtrinkwasser oder zur Ackerbewässerung rezykliert
werden kann. Die Erfindung kann Dung-Ausgangsmaterialien mit hohem
Wassergehalt effizient und ökonomisch handhaben, weil im
Trockenbehälter erzeugter überschüssiger
Dampf stromabwärts, stromaufwärts oder von nahe
gelegenen Betrieben genutzt werden kann, beispielsweise zur Stallreinigung,
zum Vorerhitzen des Dung-Ausgangsmaterials, zum Erwärmen
von Gewächshäusern usw. Die Dung-Ausgangsmaterialien
mit hohem Wassergehalt werden nicht in offenen Klärteichen
gehalten. Die Erfindung ermöglicht stattdessen das Halten
des Dungs in Behältern oder Tanks, wodurch Luftverschmutzung,
Geruchs- und Umweltprobleme in Verbindung mit offenen Kläreichen
beseitigt werden. Die Erfindung enthält und verarbeitet
nicht nur das Wasser und die Feststoffe, sondern auch die produzierten
Gase, wie es hier offenbart ist. Wie bereits erwähnt ist
es erfindungsgemäß bevorzugt, dass das Dung-Ausgangsmaterial
so frisch wie möglich ist, es so wenig wie möglich
biologisch umgewandelt wurde, wie durch Kompostieren oder Faulung.
In einigen Fällen, bei denen der Dung vor der Verarbeitung
gehalten oder aufbewahrt werden muss, möchte man das Dung-Ausgangsmaterial
an der Stelle der Quelleninstallation oder der Aufbewahrung kühlen,
wie es in
EP 0677237 von Claesen
offenbart ist, damit die biologische Umwandlung vor der Verarbeitung
des Dungs zu einem Düngemittel erfindungsgemäß minimiert
wird. Die Minimierung der biologischen Umwandlung, insbesondere
durch unmittelbare erfindungsgemäße Verarbeitung
mit oder ohne eine solche Kühlung hat den zusätzlichen
Vorteil für die Umwelt, dass schädliche oder gefährliche
Emissionen in die Atmosphäre reduziert werden, und den ökonomischen
Vorteil, dass der Bedarf an einer Geruchsverbesserung oder an Emissionsbekämpfungsausrüstung
beim Landwirtschaftsbetrieb entfallen oder reduziert werden. In
einigen Fällen kann es aus Gründen eines ökonomischen
Betriebs wünschenswert sein, einen Teil des Wassers von
den Dungmaterialien mit hohem Wassergehalt z. B. durch Zentrifugen,
mechanisch abzutrennen, bevor der Dung in dem erfindungsgemäßen System
verarbeitet wird. Dieses abgetrennte Wasser kann für die
Nutzung, wie zur Bodenreinigung oder für andere Verfahrenswasseranforderungen,
rezykliert werden.
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Man
erkennt, dass ein Rohdung-Ausgangsmaterial gewöhnlich andere
Materialien enthält, wie Stroh, Ranken, Draht, Kies, Steine,
Jute- oder Kunststoffbeutel usw. Solche Materialien sind bei der
Erfindung ohne nachteilige Wirkung als Teil des Dung-Ausgangsmaterials
verarbeitbar, vorausgesetzt die Mengen dieser anderen Materialien
sind nicht ungewöhnlich hoch. Gewöhnlich werden
jedoch solche Materialien, insbesondere Steine, Draht und dergleichen,
die den Trockenbehälter oder stromabwärts gelegene
Verfahrensausrüstung beschädigen könnten,
abgetrennt. Ansonsten kann es wünschenswert sein, wenn
das Dung-Ausgangsmaterial durch Häckseln, Mahlen oder eine
andere Vorbereitung vorbereitet wird, so dass Inhaltsstoffe, wie
Ranken, Beutel und dergleichen in kleine Stücke zerkleinert
und so in das Endprodukt eingearbeitet werden können, ohne
dass sie den normalen Betrieb der erfindungsgemäßen
Verfahren und Geräte oder die Endanwendung des Düngemittel-Produkts
signifikant behindern. Es sollte beachtet werden, dass solche Materialien,
die entweder inert oder biologisch abbaubar sind, im Düngemittelprodukt
ohne nachteilige Wirkung enthalten sein können, was besonders
erwünscht sein kann, wenn es nicht ökonomisch
effizient ist, diese Materialien aus dem Dung-Ausgangsmaterial oder
während der erfindungsgemäßen Verarbeitung
zu entfernen. Die Vorbereitung des Dung-Ausgangsmaterials durch
Mahlen, Schnitzeln, Häckseln, Zerbrechen usw. verbessert
nicht nur die Gleichförmigkeit des Ausgangsmaterials für
die Verarbeitung, sondern erleichtert auch die Zugabe anderer Materialien
zu dem Ausgangsmaterial, wie Stroh, Holzspäne, Gartenabfall
usw., wie oben angesprochen. Außerdem kann die Vorbereitung
des Dung-Ausgangsmaterials einen Waschschritt beinhalten, der bei
sehr trockenem Dung, wie von Geflügel, nützlich
sein kann, oder zur Entfernung eines übermäßigen
Salzgehalts, der im fertigen Düngemittel- oder Bodenaufbauprodukt
nicht gewünscht ist.
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Es
ist zwar bevorzugt, dass das Dung-Ausgangsmaterial keine oder wenig
biologische Umwandlung durch Kompostierung, Faulung usw. erfahren
hat, jedoch ist es anerkannt, dass diese Erfindung gleichermaßen
geeignet ist zum Trocknen und Verarbeiten von vollständig
biologisch umgewandeltem (kompostiertem oder zum Ausgasen gefaultem)
Dung-Ausgangsmaterial, so dass ein geeignetes Material oder Produkt
erhalten wird. Der Nährwert des Düngemittels von
einem solchen Material oder Produkt kann minimal sein, aber das
Material oder Produkt kann sich als Bodenverbesserer eignen. Der
Begriff "biologisch umgewandeltes Dung-Ausgangsmaterial", wie er
hier verwendet wird, soll ein Ausgangsmaterial bedeuten, in dem
ein hinreichender Teil der Nährstoffe durch Kompostieren,
Faulung usw. umgewandelt, wird, damit das Ausgangsmaterial zur Herstellung
eines Bodenverbesserers oder Bodenaufbauproduktes stärker
geeignet ist als zur Herstellung eines Düngemittelproduktes.
Man geht davon aus, dass das erfindungsgemäß geeignete
Dung-Ausgangsmaterial solche beinhaltet, bei denen der eigentliche
Tierabfall (Fäkalien und/oder Urin) nur einen kleinen Prozentsatz
des Dung-Ausgangsmaterials ausmacht, wobei der Rest andere Materialien
sind, wie Stroh, Streu, usw. Bei einigen Hühnermastbetrieben
wird geschreddertes Papier als Nest- bzw. Streumaterial verwendet,
und es wird so oft gewechselt, das das Dung-Ausgangsmaterial aus
solchen Betrieben einen niedrigen Gewichtsprozentsatz ausmacht,
wie beispielsweise 10 bis etwa 30% Abfall und etwa 50 bis etwa 80%
anderes Material, wobei die restlichen 10 bis 20% Wasser ausmachen.
Selbst ein solches Dung-Ausgangsmaterial wird erfindungsgemäß vorteilhaft
verarbeitet, so dass man Bodenaufbau- und/oder Düngemittelprodukte erzeugt.
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Der
hier verwendete Begriff "Gasturbine" umfasst und beinhaltet alle
Turbinenmotoren mit einer Kompressorturbinenstufe, einer Verbrennungszone
und einer Abgasturbinenstufe, die in der Lage ist, Abgastemperaturen
von mindestens 500°F, vorzugsweise mindestens etwa 700°F,
stärker bevorzugt mindestens etwa 900°F und am
stärksten bevorzugt mehr als etwa 1000°F zu erzeugen.
Gasturbinen sind die Wärmequelle, die bei der Erfindung
aufgrund ihres effizienten Betriebs und ihrer hohen Wärmeausgabe
bevorzugt verwendet wird. Der Gasturbinengenerator wird weiterhin
bevorzugt bei der Erfindung aufgrund der Energieproduktion durch
den Generator verwendet, wobei die Energie verwendet oder verkauft
werden kann und so der Betrieb des erfindungsgemäßen
Systems ökonomischer wird. Der Generator ist gewöhnlich
ein Stromgenerator, weil der produzierte Strom gut genutzt und/oder
verkauft werden kann. Der Generator kann jedoch jeder andere gewünschte
Energiegeneratortyp sein, wie eine hydraulische Pumpe oder ein Antriebsaggregat,
das hydraulische Motoren an Pumpen, Schnecken, Förderbändern
und anderen Ausrüstungstypen im erfindungsgemäßen System
oder Ausrüstung in anderen nahe gelegenen Betrieben antreiben
kann. Die Wärmeanforderungen und die Systemökonomie
bestimmen, ob eine Gasturbine oder ein Gasturbinengenerator verwendet
wird. Sind Abgase mit höherer Temperatur und eine höhere
Wärmeausgabe aus einer gegebenen kleineren Gasturbine gewünscht,
kann es wünschenswert sein, eine Gasturbine anstelle eines
entsprechend großen Gasturbinengenerators zu verwenden.
Verglichen mit der Gasturbine dehnt der Gasturbinengenerator die
Abgase durch Absorbieren von Energie zum Antreiben des Generators
weiter aus und kühlt sie ab, während diese Energie
in einer Gasturbine in Gasen mit höherer Temperatur enthalten
ist, die im erfindungsgemäßen Trockenbehälter verwendet
werden können. Dies kann eine Möglichkeit sein,
wenn es bei der Durchführung der Erfindung hinsichtlich
der Ökonomie wichtiger ist, dass man über kleine
(LKW-fähige) Hochtemperatureinheiten als über
den Rückgewinnstrom oder den ökonomischen Nutzen
der Elektrizität oder einer anderen Energieproduktion durch die
Gasturbine verfügt.
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Die
Gasturbine oder der Gasturbinengenerator, die für die Erfindung
geeignet sind, können mit Kraftstoff aus jeder beliebigen
Quelle mit jedem für die bestimmte Gasturbine und für
die erfindungsgemäß ausgestaltete Verfahrensausrüstung
geeigneten Kraftstoff beschickt werden. Die bevorzugten und herkömmlichen Kraftstoffe
sind mercaptanfreies Erdgas, Diesel-, Kerosin- und Düsenkraftstoff,
weil die Gasturbinen derart ausgelegt sind, dass sie am effizientesten
mit derartigen hochwertigen Kraftstoffen laufen, und weil sie allgemein
verfügbar sind, besonders an abgelegenen landwirtschaftlichen
Betrieben, an denen diese erfindungsgemäßen Einheiten
oft am effizientesten aufgestellt werden. Zu anderen Kraftstoffen,
die zum Antreiben der Gasturbine verwendet werden können,
gehören aber auch Methan, Propan, Butan, Wasserstoff und
Biogas sowie Kraftstoffe aus biologischen Flüssigkeiten
(wie Methan, Öle, Diesel und Ethanol). Weil das erfindungsgemäße
System keinen Biokraftstoff produziert, muss der Kraftstoff für
die bei der Erfindung verwendete Gasturbine, an der Stelle verfügbar
sein, an der die Erfindung genutzt wird. Ist örtlich kein
Kraftstoff verfügbar, kann ein Kraftstoff, wie Diesel,
bei Bedarf mit LKWs an Ort und Stelle transportiert werden.
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Beispiele
für kommerziell erhältliche Gasturbinen und Gasturbinengeneratoren,
die für die Erfindung geeignet sind, sind u. a. die folgenden
(die nominellen Megawatt-(MW-)Ausgaben sind ungefähre Werte):
- – Rolls Royce Gas Turbine Engines
Allison 501-KB5, -KB5S oder -KB7 mit einer nominellen Ausgabe unter Standardbedingungen
von 3,9 MW
- – European Gas Turbines Tornado mit einer nominellen
Ausgabe von 7,0 MW
- – Solar Mars 90 mit einer nominellen Ausgabe von 9,4
MW und Solar Mars 100 mit einer nominellen Ausgabe von 10,7 MW
- – Solar Tarus 60 mit einer nominellen Ausgabe von 5,5
MW und Solar Tarus 70 mit einer nominellen Ausgabe von 7,5 MW
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Für
eine nominelle Ausgabekapazität von 2,5 metrischen Tonnen/Std.
(2500 kg/Std.) kann je nach der Wärmeisolation und Wärmerückgewinnungseffizienzen,
für die das Gesamtsystem ausgelegt ist, eine Gasturbinengröße
von etwa 4 MW verwendet werden. Bei kleinen Sattelschlepper- oder
LKW-Systemen können die Einheiten kleiner bemessen sein.
Bei kleineren Produktausgabesystemen, wie einer Produktausgabe von
0,3 metrischen Tonnen/Std., können je nach den Systemeffizienzen
und den erforderlichen Wärmeeingabebereichen kleine Gasturbinen
verwendet werden, wie die Generatoren Solar Saturn 0,8 MW, Solar
Spartan 0,2 MW oder Capstone 0,5 MW oder 0,3 MW. Es ist ersichtlich,
dass erfindungsgemäße Systeme auch derart ausgelegt
sein können, dass sie die Abgaswärme aus Kolbenmotoren,
wie Benzin- oder Dieselgeneratoren, nutzen. Solche kleinen Systeme
können an vorübergehenden Stellen verwendet werden,
wie Rodeoplätzen, damit Strom erzeugt wird, der frische
und alte Dung aufbereitet wird und ein Düngemittelprodukt
hergestellt wird.
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Der
bei der Erfindung verwendete Trockenbehälter kann jeder
Typ oder jede Bauweise sein, die sich zum Trocknen des verfügbaren
Dung-Ausgangsmaterials eignet und für die Aufnahme der
Gasturbinenabgase und die Aufnahme des Dung-Ausgangsmaterials ausgelegt
werden kann, ohne dass eine erhebliche Menge Außenluft
in die Trockenkammer des Trockenbehälters eindringen kann,
in der die Abgase mit dem Dung-Ausgangsmaterial in Kontakt kommen.
Das Ziel der Gestaltung der Verbindung zwischen Gasturbinenauslass
und Trockenbehälter ist für die Zwecke der Erfindung,
dass das Eindringen jeglicher signifikanter Außenluft in
den Trockenbehälter verhindert wird. Dies trägt
dazu bei, eine signifikante Oxidation des Dung-Ausgangsmaterials zu
verhindern. Wie bereits ausgeführt, ist dies bevorzugt,
damit organische Substanz, Kohlenstoff- und/oder Nährwerte,
die in dem Dung-Ausgangsmaterial enthalten sind, erhalten werden,
damit Feuer verhindert wird und ein sicherer Betrieb bereitgestellt
wird. Wie bei der Erfindung verwendet, ist es bevorzugt und es wird
erwartet, dass die Turbine bei einem herkömmlichen Verhältnis
zwischen Kraftstoff und Verbrennungsluft betrieben wird, so dass
die effizienteste Abgastemperatur (EGT) für den Trockenbehälter
erzeugt wird und in den Trockenbehälter eintretende Gase
produziert werden, die ein Mindestmaß an freiem Sauerstoff
enthalten. Der Fachmann erkennt aus der Offenbarung der Erfindung,
dass andere Quellen für Heißgase als eine Gasturbine verwendet
und mit dem Trockenbehälter verbunden werden können,
wie das Abgas von herkömmlichen Öl- oder Gasbrennern
und Kolbenmotoren, vorausgesetzt, dass sie unter herkömmlichen
Verbrennungsverhältnisbedingungen betrieben werden, damit
im Abgas der freie Sauerstoff minimiert wird, oder in einem stöchiometrischen
Verhältnis, damit es keinen freien Sauerstoff gibt, und
mit dem Trockenbehälter derart verbunden sind, dass Außenluft
nicht signifikant in den Trockenbehälter eindringen kann,
so dass eine signifikante Oxidation des Ausgangsmaterials verhindert
wird. Natürlich kann eine solche alternative und zusätzliche
Quelle für Heißgase gegebenenfalls mit dem erfindungsgemäßen
Trockenbehälter verbunden und dazu verwendet werden, den
Abgasausstoß der Gasturbine zu ergänzen, so dass
eine zusätzliche Wärmeeingabekapazität
für den Trockenbehälter bereitgestellt wird, wird
diese für die Aufnahme des Betriebs, für die Abschaltung
oder unter Einschaltstoßbedingungen oder als Sicherungssystem,
falls sich die Gasturbine abschaltet, benötigt.
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Man
erkennt, dass beim erfindungsgemäßen Betrieb nicht
die gesamte Außenluft ausgeschlossen werden kann und eine
Oxidation des Dung-Ausgangsmaterials nicht vollständig
ausgeschlossen werden kann, hauptsächlich aufgrund der
Luft, die in dem Dung-Ausgangsmaterial enthalten und darin eingeschlossen
ist, der Luft, die in der in dem Dung-Ausgangsmaterial enthaltenen
Feuchtigkeit gelöst ist, und von überschüssiger Luft,
die in den Turbinenabgasen in Zeiträumen enthalten sein
kann, in denen kein stöchiometrisches Verhältnis
zwischen Kraftstoff und Luft erreicht wird. Außerdem kann
in einigen Fällen Sauerstoff aus den organischen und anderen
Materialien erzeugt oder freigesetzt werden, die in dem Dung-Ausgangsmaterial
enthalten sind, wenn die thermische Behandlung und Umwandlung erfolgt
und diese Materialien zersetzt oder umwandelt. Daher werden die
hier verwendeten Begriffe, die sich auf "Verhindern des Eindringens
von Luft", "ohne signifikante Oxidation" und dergleichen beziehen,
in dem obigen Betriebszusammenhang und mit dem Verständnis
und der beabsichtigten Bedeutung verwendet, dass die Luft oder der
Sauerstoff, die in das System als Teil des Dung-Ausgangsmaterials
oder der Abgase eindringen oder durch den thermischen Umwandlungsprozess
produziert werden, nicht ausgeschlossen werden sollen und dass die
Oxidation, die infolge dieser mit dem Dung-Ausgangsmaterial in das
System eindringenden Luft auftreten kann, nicht verhindert werden
soll. Ein derartiges Ausmaß an Oxidation wird jedoch im
Umfang, im Kontext und in der Praxis der Erfindung oder der Bedeutungen
dieser Begriffe, wie hier verwendet, als nicht signifikant angesehen.
Ebenso bedeutet der hier verwendete Begriff "ohne signifikante Pyrolyse",
dass nicht mehr als ein unerheblicher Anteil des Dung-Ausgangsmaterials
pyrolysiert wird, z. B. wie im
U.S.-Patent
6,039,774 . Pyrolyseprodukte sind bei den erfindungsgemäßen
Verfahren und Produkten unerwünscht, und die erfindungsgemäßen
Verfahren und die erfindungsgemäße Ausrüstung
werden derart betrieben, dass das gewünschte Trocknen des
Dung-Ausgangsmaterials und die gewünschte Umwandlung und
Zerstörung von verschiedenen Dung-Ausgangsmaterialkomponenten, wie
Pestiziden, Prionen, Organismen, Samen usw., erreicht wird, aber
sie werden derart betrieben, dass eine signifikante Oxidation und
vorzugsweise eine signifikante Pyrolyse verhindert wird oder Oxidation
und Pyrolyse zumindest minimiert werden. Anhand der vorliegenden
Offenbarungen wird für den Fachmann ersichtlich, dass die
Abgastemperaturen, die Kontaktzeiten und/oder Verweilzeiten im Trockenbehälter,
der Feuchtigkeitsgehalt der Feststoffe und der Dampfphase im Trockenbehälter
und andere Variablen für die Verarbeitung eines bestimmten
Dung-Ausgangsmaterials geregelt werden müssen, damit die
erwünschten Ergebnisse erzielt werden und der Nährwert
in den Endprodukten maximiert wird.
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In
den Zwischenräumen zwischen den Partikeln eines trockenen
oder feuchtigkeitsarmen Dung-Ausgangsmaterials ist wahrscheinlich
mehr Luft eingeschlossen als in einem feuchten Dung-Ausgangsmaterial oder
einem Dung-Ausgangsmaterial mit hohem Feuchtigkeitsgehalt. Die Beseitigung
dieser eingeschlossenen Luft aus dem trockenen Dung-Ausgangsmaterial,
bevor sie in den Trockenbehälter eingebracht wird, kann
allgemein nicht ökonomisch durchführbar sein.
Angesichts bestimmter Aspekte des Betriebs der Erfindung ist es jedoch
oft zu bevorzugen, wenn Dung-Ausgangsmaterial mit hohem Feuchtigkeits-
und kleinem Luftgehalt verwendet wird, und es kann bevorzugt sein,
vor der Verarbeitung in den erfindungsgemäßen
Systemen Wasser zu einem trockenen Dung-Ausgangsmaterial hinzu zugeben,
so dass die Luft daraus verdrängt wird. Vorzugsweise minimiert
man das Einbringen von Luft und Sauerstoff in den Trockenbehälter,
damit eine signifikante Oxidation der Nährstoffkomponenten
des Ausgangsmaterials verhindert wird, sowie anderer Bestandteile
des Ausgangsmaterials, wie Stroh, Staub usw., die zu einer Feuer-
oder Sicherheitsgefahr werden können, wenn überschüssige
Luft oder Sauerstoff sich in dem Trockenbehälter befinden
würden.
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Das
Ausschließen der Außenluft ist auch hinsichtlich
der ökonomischen Effizienz bevorzugt, weil das Erhitzen
von überschüssiger Außenluft zusammen
mit dem Erhitzen des Dung-Ausgangsmaterials die Effizienz des Verfahrens
verringert. In einigen Fällen, in denen das Dung-Ausgangsmaterial
einen sehr niedrigen Feuchtigkeitsgehalt hat oder für den
bevorzugten erfindungsgemäßen Betrieb zu trocken
ist, kann Wasser zu dem Ausgangsmaterial, zum Turbinenabgas, zum
Turbineneinlass oder zum Trockenbehälter gegeben werden,
damit der Feuchtigkeitsgehalt im Trockenbehälter auf ein
Ausmaß für einen effizienten Betrieb erhöht
wir und damit ein Feststoffmaterial aus dem Trockenbehälter
mit einem gewünschten Feuchtigkeitsgehalt und gewünschten
selbstbindenden Eigenschaften produziert wird. Die Zugabe von Wasser
zu einem trockenen Dung-Ausgangsmaterial und anschließendes
Mischen, Kneten oder Pressen, wie beim Schwadenmischen und -pressen
mit einer Walze, kann auch dazu dienen, dass Luft aus dem Ausgangsmaterial
gedrängt wird, bevor es in den Trockenbehälter
eingebracht wird. Bei sehr trockenen Dung-Ausgangsmaterialen kann
Wasser als ein Verfahrenshilfsstoff angesehen wird, der vor dem
Einbringen in den Trockenbehälter zugegeben wird.
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Man
erkennt, dass der Betrieb des Trockenbehälters normalerweise
dazu dient, das Dung-Ausgangsmaterial zu trocknen oder seinen Feuchtigkeitsgehalt
zu verringern, er dient aber auch dazu, die Hochtemperaturerwärmung
des Dung-Ausgangsmaterials zu erzielen, damit ungewünschte
Bestandteile umgewandelt oder zerstört werden und eine
chemische oder thermische Veränderung in dem Ausgangsmaterial
erreicht wird, so dass die im Endprodukt gewünschten Binde-
und Teilchenhärteprofile bereitgestellt werden. Wie erwähnt,
ist ein wichtiger Aspekt der Erfindung die thermische Umwandlung
der verschiedenen Bestandteile des Dung-Ausgangsmaterials ohne signifikante
Oxidation durch Außenluft. Aufgrund der zahlreichen und
unterschiedlichen speziellen Bestandteile der Dung-Ausgangsmaterialen
ist nicht eindeutig geklärt, welche spezifischen chemischen
Reaktionen bei den verschiedenen thermischen Umwandlungen stattfinden,
und die Anmelder möchten sich nicht an spezifische Theorien
oder Spekulationen in dieser Hinsicht binden. Es wurden jedoch bestimmte
Beobachtungen gemacht, und das Verständnis der folgenden
Beobachtungen versetzt den Fachmann weiter in die Lage, die Erfindung
wirksam und effizient auszuführen.
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Zuerst
erfolgt die thermische Umwandlung und Zerstörung unerwünschter
Komponenten, wie Organismen, Chemikalien usw., wie in der Offenbarung
an anderer Stelle erläutert. Zweitens erfolgt die thermische, chemische
oder physikalische Umwandlung der organischen Substanz (Tierabfall,
Stroh, Streu, usw.) in dem Dung-Ausgangsmaterial, die es im Wesentlichen
selbstbindend macht und es ermöglicht, dass das thermisch behandelte
oder umgewandelte Ausgangsmaterial ohne Zugabe von Bindemitteln
oder ähnlichen Materialien zu Pellets, Granulaten oder
Prillgranalien mit hoher physikalischer Festigkeit geformt werden
kann. Bei der Durchführung der Erfindung können
zwar herkömmliche Bindemittel zur Herstellung pelletierter,
granulierter oder geprillter Düngemittel verwendet werden,
aber vorzugsweise wird bei derartigen Temperaturen und Verweilzeiten
für die thermische Behandlung gearbeitet, dass ein Material
produziert wird, das selbstbindend ist und ohne Zugabe von Bindemitteln
pelletiert/granuliert/geprillt werden kann. Wird die organische
Substanz in dem Ausgangsmaterial chemisch verändert und/oder
thermisch umgewandelt, ähnlich wie beim "Kochen", wird
angenommen, dass sie in gewissem Ausmaß Liganden, Cellulose,
Stärke, Kohlenhydrate usw. in Materialien umwandelt, die
im Endprodukt als Bindemittel wirken können. Dies liefert
ein derartiges Bindungsprofil, dass ein Endprodukt mit derartigen
Partikelfestigkeiten und rieselfähigen, nicht zusammenballenden
und nichtbröckelnden Eigenschaften möglich wird,
dass es für herkömmliche Trocken-Düngemittel-Handhabungs-
und Anwendungsausrüstung geeignet ist. Dung-Ausgangsmaterialen
mit einem Bereich von einem sehr hohen bis zu sehr niedrigen Anteil
an vorhandenem Tierabfall können in selbstbindende Materialien
umgewandelt werden, die Pellet-, Granulat- oder Prillgranalienprodukte
mit guter Festigkeit bilden, ohne dass zusätzliche Bindemittel
hinzugefügt werden. Natürlich können,
wenn gewünscht, zusätzliche Bindemittel zugegeben
werden, um die Festigkeitseigenschaften von einem der erfindungsgemäßen
Endprodukte zu verbessern. Zudem können einige produzierte
Materialien, welche einen niedrigen Nährwert, aber einen
hohen Gehalt an organischer Substanz aufweisen, und als Bodenverbesserer
oder Bodenaufbaustoffe geeignet sind, entsprechend verarbeitet werden,
damit geeignete Pellet-, Granulat- oder Prillgranalienprodukte hergestellt
werden. Drittens erkennt man, dass bei einigen Arbeitsschritten
der Verarbeitung eines Dung-Ausgangsmaterials mit sehr niedrigem
Feuchtigkeitsgehalt eventuell keine signifikante Trocknung erfolgen
kann, d. h. der Feuchtigkeitsgehalt des Ausgangsmaterials, das in
den Trockenbehälter kommt, kann im Wesentlichen der gleiche
sein wie bei dem Material, das aus dem Trockenbehälter
austritt, so dass der Trockenbehälter im Wesentlichen als
Ofen wirkt. In diesem Fall ist die wichtige stattfindende Verarbeitung
die thermische Behandlung oder Umwandlung und/oder die chemische
Veränderung (das "Kochen") mindestens eines Teils der in
dem Ausgangsmaterial vorhandenen organischen Substanz, so dass das
produzierte Material hinreichend selbstbindend sein kann, damit
ein fertiges Pellet-, Granulat- oder Prillgranalienprodukt mit den
geeigneten Bindungs-, Agglomerations-, Härte, Antiback-,
Nichtbröckel-, Nichtstaub-, Riesel- und Feuchtigkeitstoleranz-Profilen
bereitgestellt wird. Wiederum können gegebenenfalls Bindemittel
zugegeben werden, damit die Festigkeitseigenschaften des Endproduktes
bei Bedarf erhöht werden.
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Die
Trockenbehältertypen, die bei der Erfindung verwendet werden
können, sind zum Beispiel eine Trockentrommel mit oder
ohne innere Schaber, Rührplatten und/oder -paddel, stationäre
"Igel"-Trommeltrockner mit oder ohne Schaber und/oder Rührplatten
und/oder -paddel, und andere, die dem Fachmann geläufig sind.
Beispiele für kommerziell erhältliche Trockenbehälter,
die für die Erfindung geeignet sind oder an die Verwendung
bei der Erfindung angepasst werden können, sind u. a. Scott
AST Dryer
TM-Systeme, Simon Dryer Ltd.-Trommeltrockner,
Wyssmont-Turbotrocknersysteme und Trockner von Duske Engineering
Co., Inc. Weitere Beispiele für Trockenbehälter,
die für die Erfindung geeignet sind oder an die Verwendung
bei der Erfindung angepasst werden können, sind in den
U.S.-Patenten 5,746,006 von
Duske et al. und
5,570,517 und
6,367,163 von Luker offenbart,
deren Offenbarungen hier vollinhaltlich durch Bezugnahme aufgenommen sind.
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Wie
bereits erwähnt, wirkt der "Trockenbehälter" nicht
notwendigerweise immer hauptsächlich als Trockner zur Entfernung
von Feuchtigkeit aus dem Dung-Ausgangsmaterial in dem erfindungsgemäßen
System. Der Trockenbehälter wirkt auch als Wärmebehandlungs-/Umwandlungs-/Veränderungsbehälter
oder -ofen, in dem das Dung-Ausgangsmaterial auf genügend
hohe Temperaturen für ausreichende Zeiten erwärmt wird,
dass die gewünschten Endmaterialien und -produkte, wie
hier offenbart, erzeugt werden. Außerdem muss der Trockenbehälter
keinen direkten Kontakt zwischen den Turbinenabgasen oder einer
anderen Wärmequelle und dem Dung-Ausgangsmaterial bereitstellen.
Er kann jedoch das Dung-Ausgangsmaterial indirekt erwärmen,
wodurch das erfindungsgemäß gewünschte
Trocknen und/oder die Wärmebehandlung/Umwandlung/Veränderung
erreicht werden. Beim direkten oder indirekten Erwärmen
kann das System derart gesteuert werden, dass keine signifikante
Oxidation und keine signifikante Pyrolyse des Dung-Ausgangsmaterials
erfolgt.
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Ein
weiterer Aspekt des an die Verwendung bei der Erfindung angepassten
Trockenbehälters ist, dass der Trockenbehälter
vorzugsweise auch als Schalldämpfer oder Dämpfer
für die Gasturbine oder einen anderen Motor dient, der
die heißen Abgase erzeugt. Bekanntlich erzeugen Gasturbinen
(im Wesentlichen Düsenflugzeugmotoren) eine große
Lärmbelastung der nahen Umgebung. Für stationäre
Gasturbinen, die zur Stromerzeugung oder für andere Zwecke
verwendet werden, wird gewöhnlich durch örtliche,
staatliche oder Bundesgesetze ein Schalldämpfer gefordert,
der zur Dämpfung des Lärms des Ausstoßes
der Gasturbine auf annehmbare Pegel installiert werden muss. Diese
Schalldämpfer sind hinsichtlich der Kosten ökonomisch
von Nachteil und erzeugen einen Staudruck auf das Gasturbinenabgas,
der die Effizienz des Gasturbinenbetriebs verringert. Aufgrund der
Verbindung zwischen dem Gasturbinenausstoß und dem Trockenbehälter,
die vorzugsweise gegenüber der Außenluft abgeschlossen
ist, bietet die Erfindung den Vorteil, dass der Trockenbehälter
wirksam als Schalldämpfer für die Gasturbine dient.
Dies ist zumindest teilweise das Ergebnis der inneren Bauweise des
Trockenbehälters, der bei einem Dung-Ausgangsmaterial mit
hohem Wassergehalt arbeitet, wobei diese Kombination die Lautstärke
des Gasturbinenausstoßes wirksam absorbiert und dämpft.
Dies beruht auch darauf, dass das stromabwärts gelegene
Ende des Trockners ebenfalls luftdicht abgeschlossen ist, weil Dampf
und Abgase vom Trockenbehälter für die Kondensation,
Reinigung, Rezyklierung und zur Wärmerückgewinnung
bei der stromabwärts folgenden Verarbeitung in einem geschlossenen
System gesammelt werden, bevor sie in die Atmosphäre ausgestoßen
werden. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass die Möglichkeit zum
Ablassen an verschiedenen Punkten im Verfahren und im Ausrüstungssystem
wünschenswert sein kann, damit Ein- und Ausschalten, Störung
oder Ausgangsmaterial-Variabilität angepasst werden können,
aber normalerweise wird es als geschlossenes System betrieben, aus
dem nur das Endprodukt entnommen und Reingas abgelassen wird. Das
Turbinenabgas kann gegebenenfalls teilweise oder vorübergehend
komplett auf andere, stromabwärts gelegene Einheiten umgeleitet
werden, wobei der Trockenbehälter umgangen wird, wenn es
als ergänzende Wärme in anderen Verfahrenseinheiten
oder zum Ein- und Ausschalten oder für eine Störung
benötigt wird.
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Die
Erfindung liefert den weiteren Vorteil, dass der Dampf und die Abgase
am Auslassende des Trockenbehälters mit einem geeigneten
Gebläse, Ventilationsgebläse usw. entzogen werden
können. Dadurch werden der Druck am stromaufwärts
gelegenen Einlass des Trockenbehälters sowie der Staudruck
auf den Turbinenausstoß reduziert. Dies erhöht
und ermöglicht die Effizienz des Gasturbinenbetriebs, weil
die Verbindung zwischen dem Gasturbinenauslass und dem Trockenbehälter
nicht zur Außenluft offen ist. Selbstverständlich
kann das kommerzielle Systemdesign eine Entlüftung oder
sogar einen herkömmlichen Schalldämpfer beinhalten,
die über ein T-Stück oder eine andere Bauweise
in die Verbindung zwischen dem Gasturbinenauslass und dem Trockenbehälter
einmünden, und die während des Ein- und Ausschaltens
oder beim Störungsbetrieb verwendet werden. Sie werden
jedoch bei der normalen Betriebsbauweise für das erfindungsgemäße
Verfahren und das erfindungsgemäße Gerät,
wie oben beschrieben, nicht eingesetzt. Damit die beste Effizienz
des erfindungsgemäßen Betriebs erreicht wird,
hat die Verbindung zwischen dem Gasturbinenauslass und dem Trockenbehälter
vorzugsweise keine Verengungen, damit die Abgase dem Trockenbehälter
mit minimalem Wärme- und Energieverlust zwischen der Gasturbine
und dem Trockenbehälter zugeführt werden können.
Aus der Offenbarung ist zudem ersichtlich, dass der Betrieb eines
Gasturbinengenerators vorzugsweise geregelt wird, damit man optimale
Effizienz oder Ökonomie beim Trocknen, bei der thermischen
Umwandlung, chemischen Veränderung und anderen Verfahrensanforderungen
erhält, die vielleicht nicht die optimalen oder besten
Gasturbinenbetriebsbedingungen zur Stromerzeugung sind. Stromerzeugung
ist ein Kostenrückgewinnungsstrom für das System,
aber die Gesamtökonomie des erfindungsgemäßen
Betriebs kann unter Gasturbinenbetriebsbedingungen besser sein,
die für einen effizienten Trockenbehälterbetrieb
und die Produktion von Produkten mit gewünschten Eigenschaften
stromabwärts einen optimalen Abgasausstoß begünstigen
und die Stromerzeugung nicht begünstigen. Die Ermittlung
dieser Betriebsbedingungen für eine bestimmte erfindungsgemäße
Anlage ist für den Fachmann anhand der erfindungsgemäßen
Lehren ersichtlich. Gasturbinenregelsysteme dieses Typs sind in
der gemeinsam abgetretenen, gleichzeitig angemeldeten U.S.-Patentanmeldung
mit der laufenden Nr. 10/894,645, eingereicht am 19. Juli 2004,
offenbart, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme vollinhaltlich
aufgenommen ist.
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Ein
weiterer Vorteil, den die Erfindung bereitstellt, ergibt sich aus
dem Kontakt des Gasturbinenabgases mit dem Dung-Ausgangsmaterial
in dem abgeschlossenen Raum des Trockenbehälters, ohne
dass signifikante Außenluft zugegen ist. Die NOx- und SOx-Emissionen
und in gewissem Ausmaß die CO- und CO2-Emissionen
im Gasturbinenabgas werden erheblich verringert und in einigen Fällen
auf Null gesenkt, indem die NOx- und SOx-Bestandteile in dem Dung-Ausgangsmaterial
absorbiert oder komplexiert werden, in dem sie in dem Düngemittelmaterial,
das aus dem Trockenbehälter kommt, und in dem Düngemittelprodukt
nach der Verarbeitung in eine Granulat-, Pellet- oder Prillgranalien-
oder andere Form absorbiert, komplexiert oder fixiert bleiben. Dies
liefert den doppelten Vorteil, dass die Emissionen an NOx und SOx (und CO/CO2) in die Atmosphäre gesenkt oder
beseitigt werden und die Stickstoff-, Schwefel- und Kohlenstoffkomponenten
zum Nährwert des Düngemittels hinzugefügt
werden, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
und dem erfindungsgemäßen Gerät hergestellt
wird.
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Die
Betriebsbedingungen und Verfahren für den Trockenbehälter
sind für den Fachmann anhand der Lehren der erfindungsgemäßen
Offenbarung ersichtlich. Die übliche Turbinenabgastemperatur
beim Eintritt in den Trockenbehälter sind im Bereich von
etwa 500°F bis etwa 1500°F, je nach dem Feuchtigkeits-
und anderem Gehalt des Dung-Ausgangsmaterial und des gewünschten
Zustands des Dünger- oder Bodenaufbaumaterials, das aus
dem Trockenbehälter ausgegeben wird. Bei kleineren Systemen
mit kleineren Motoren kann die Einlassabgastemperatur nur etwa 300°F
oder etwa 350°F betragen. Ein bevorzugter Bereich ist von
etwa 600°F bis etwa 1200°F, und stärker
bevorzugt beträgt die Einlasstemperatur zumindest etwa
650°F und am stärksten bevorzugt zumindest etwa
700°F. Temperatur und Strömungsrate des Gases,
das in den Trockenbehälter eintritt, hängen teilweise
vom Feuchtigkeitsgehalt und anderen Eigenschaften des Dung-Ausgangsmaterials
ab. Ein höherer Feuchtigkeitsgehalt erfordert offensichtlich
in der Regel höhere Einlassgastemperaturen, so dass der
Feuchtigkeitsgehalt kleiner wird. Man nimmt an, dass eine zusätzliche
Effizienz in den erfindungsgemäßen Systemen erzielt
wird, in denen ein Dung-Ausgangsmaterial mit hohem Feuchtigkeitsgehalt mit
heißen Gasen zusammengebracht wird. Dieser Kontakt verursacht
die manchmal sofortige Bildung von überhitztem Dampf, wenn
die Feuchtigkeit aus dem Dung-Ausgangsmaterial austritt, dann erhitzt
der überhitzte Dampf die Feuchtigkeit in benachbartem Dungausgangsmaterial
und treibt sie aus. Man nimmt an, dass dieser Mechanismus für
das schnelle Trocknen des Dung-Ausgangsmaterials auf einen kleinen
Feuchtigkeitsgehalt verantwortlich ist, so dass die restliche Verweilzeit
des Dung-Ausgangsmaterials im Trockenbehälter zu seiner
gewünschten erfindungsgemäßen thermischen
Behandlung/Umwandlung/Veränderung oder zu seinem "Kochen"
beiträgt. Manche Dung-Ausgangsmaterialien brauchen niedrigere
Temperaturen, aber längere Verweilzeiten, damit die Umwandlung
oder das "Kochen" erzielt wird, die zur Herstellung eines Produkts
mit selbstbindenden oder anderen gewünschten Eigenschaften
benötigt werden, insbesondere, damit die "Bio-" Standards
erfüllt werden. Die Temperatur des aus dem Trockenbehälter
kommenden Düngemittel- oder Bodenaufbaumaterials liegt
gewöhnlich im Bereich von etwa 150°F bis etwa
450°F und vorzugsweise zwischen etwa 200°F und
etwa 350°F. Bei bestimmten Betrieben sollte die Temperatur
des Düngemittel- oder Bodenaufbaumaterials am Ausgang des
Trockenbehälters mindestens etwa 175°F und vorzugsweise
mindestens etwa 200°F betragen.
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Die
Selbstbindungseigenschaften der erfindungsgemäßen
Materialien und Produkte gehören zu den wichtigen bevorzugten
Aspekten der Erfindung. Gegebenenfalls können zwar herkömmliche
Bindemittel und Additive verwendet werden, damit gewünschte
physikalische Festigkeitseigenschaften für die Granulate,
Pellets oder Prillgranalien in gewünschten Gestalten und
Formen bereitgestellt werden, jedoch sind die Betriebsbedingungen
vorzugsweise derart, dass das Dung-Ausgangsmaterial gekocht und
umgewandelt wird, wodurch ein selbstbindendes Produkt hergestellt
wird. Diese Betriebsbedingungen hängen vom Feuchtigkeitsgehalt
und dem Gehalt an organischer Substanz des Dung-Ausgangsmaterials
ab, die in Bestandteile mit Bindungseigenschaften umgewandelt werden
kann. Obwohl es noch nicht verstanden ist und man sich auch nicht an
eine bestimmte Theorie binden möchte, wird angenommen,
dass Stärke-, Protein-, Kohlenhydrat- und Zuckerbestandteile
in glutenartige oder andere Materialien umgewandelt werden, die
als Bindemittel wirken, und dass Bestandteile des Öl- und
Ligandentyps polymerisiert werden und als Bindemittel wirken. In
jedem Fall beinhalten die Betriebsbedingungen die Temperaturen der
Abgase, die Kontaktzeit zwischen dem Dung-Ausgangsmaterial und den
Abgasen, und die Verweilzeit der Dung-Ausgangsmaterialfeststoffe
im Trockenbehälter bei höheren Temperaturen. Diese
Bedingungen bestimmen die Temperatur, auf die die Feststoffe gebracht werden
müssen und die Zeitspanne, für die die Feststoffe
den höheren Temperaturen ausgesetzt werden. Diese Temperatur
ist möglicherweise keine konstante Temperatur für
einen bestimmten Feststoffzuwachs, sondern kann ein Temperaturprofil
sein, das über einen Zeitraum auf ein Maximum ansteigt,
dann über einen Zeitraum abnimmt oder schnell abnehmen
kann, wenn die Trockenbehälterausgabe am Ausgang gequencht
wird. Optimale Bedingungen, mit denen ein optimales selbstbindendes
Produkte erreicht wird, können für ein bestimmtes
Dung-Ausgangsmaterial anhand der Offenbarung ermittelt werden.
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Wie
hier verwendet betrifft und bedeutet der Begriff "Düngemittelmaterial"
das getrocknete Dung-Ausgangsmaterial, das in dem Trockenbehälter
produziert wird, indem der Feuchtigkeitsgehalt des Dung-Ausgangsmaterials
von einem bestehenden Wert auf einen niedrigeren Wert erfindungsgemäß reduziert
wird und/oder indem die hier aufgeführten chemischen Veränderungen
und Umwandlungen erzielt werden. Das "Düngemittelmaterial"
wird als Zwischenprodukt angesehen, das sich zur weiteren Verarbeitung
zu einem fertigen Düngemittelprodukt eignet, das sich für
den Verbraucher, kommerziellen oder industriellen Gebrauch eignet.
Gewöhnlich wird das Düngemittelmaterial aus dem
Trockenbehälter verarbeitet durch Mahlen, so dass man ein
Pulver oder Mehl erhält, gefolgt von Granulieren, Pelletieren
oder Prillen des Pulvers oder Mehls zur Produktion des fertigen
Düngemittelproduktes oder Bodenaufbauproduktes, das sich
für eine trockene Aufbringung in einem Ackerbaubetrieb
eignet. Das Düngemittelmaterial kann ebenfalls gemahlen
oder sonst wie pulverisiert und in einen Schlamm oder ein anderes
flüssiges oder pumpbares Düngemittelprodukt umgewandelt werden,
das auf den Boden oder in einem Ackerbaubetrieb in feuchter Form
aufgebracht werden kann oder auf Hügel oder Felsen bei
Sanierungs- oder Aussaatanwendungen, wie Hydro-Mulching, Hydro-Seeding
und Hydro-Sprigging mittels Druck aufgebracht werden kann, oder
das zum Beschichten von Samen für solche Verwendungen oder
für Drillmaschinen oder Luftbepflanzung eingesetzt werden
kann. Entsprechend kann das Material, das der Trockenbehälter
produziert, gegebenenfalls derart verarbeitet werden, dass man ein ähnliches
Produkt erhält wie natürlicher Torf, das aber
gewöhnlich einen höheren Gehalt (um 20%, 30%,
40%, 50% oder 60% oder mehr) an organischer Substanz hat und einen
niedrigeren Feuchtigkeitsgehalt als natürlicher Torf hat.
Ist das Dung- Ausgangsmaterial partiell oder überwiegend
biologisch umgewandelt, kann das vom Trockenbehälter produzierte
Material noch zu einem torfartigen Produkt umgeformt werden, das
sich als Bodenaufbauprodukt eignet. Obwohl ein solches Produkt nicht
so einen hohen Nährwert aufweist, hat es wie bereits erwähnt
einen hohen Gehalt an organischer Substanz. Der Rohausgang aus dem
Trockenbehälter, unabhängig davon, ob es ein frisches
oder biologisch umgewandeltes Ausgangsmaterial ist, kann das fertige Düngemittel-
oder Bodenaufbauprodukt sein, das zu Ballen verpackt oder in einer
zur Verwendung bei verschiedenen Landwirtschaft- und Landschaftsbetrieben
gewünschten oder geeigneten Form verpackt wird. Es kann
beispielsweise zur Verwendung bei der Erosionsbekämpfung
an Baustellen zu langen "schlangenförmigen" Rollen geformt
werden, die Strohschlangenrollen ähneln. Solche Rollen
aus den erfindungsgemäßen Materialien sind genauso
effizient bei der Erosionsbekämpfung wie Strohrollen, aber
aufgrund des höheren Nährstoffgehalt und/oder
Gehalts an organischer Substanz gegenüber Stroh fördern
und ermöglichen diese Rollen ein früheres und
stärkeres Pflanzenwachstum an dieser Stelle, so dass der
Erosion standgehalten wird, nachdem die Rollen zerfallen sind und
nicht mehr effizient sind. Das Material aus dem Trockenbehälter
kann ebenfalls mit Bindemitteln vereinigt werden, wie flüssigem
Harnstoff, so dass man ein Produkt für den Gebrauch in der
Landwirtschaft erhält. Wie hier verwendet betreffen "Düngemittelmaterial"
und "Düngemittelprodukt" Materialien und Produkte, die
höhere pflanzennutzbare Nährwerte aufweisen (die
gewöhnlich aus frischem Dung-Ausgangsmaterial bestehen).
"Bodenaufbaumaterial" und "Bodenaufbauprodukte" sollen zudem Materialien
und Produkte betreffen, die niedrigere pflanzennutzbare Nährwerte
besitzen (die gewöhnlich aus biologisch umgewandeltem Dung-Ausgangsmaterial
oder einem Ausgangsmaterial bestehen, das einen niedrigen Dunggehalt
aufweist und einen hohen Gehalt an anderen Substanzen hat, wie Stroh,
Nistmaterial usw.), die aber trotzdem einen hohen Gehalt an organischer
Substanz haben, das als Bodenverbesserer, Bodenaufbaumaterial oder
Bodenergänzung vorteilhaft ist. Man geht davon aus, dass
diese Materialien oder Produkte mit anderen Materialien oder Chemikalien
gemischt werden können, wie an anderer stelle hier offenbart.
Man beachte, dass die Produkte, die von den Systemen der vorliegenden
Erfindung erzeugt werden, zwar für den Gebrauch als Düngemittel
und Bodenaufbaumaterial bevorzugt sind, aber auch als Kraftstoff
für die Wärme- oder Stromerzeugung verwendet werden
können. Örtliche Ökonomien bestimmen
den Endgebrauch des Materials, das aus dem Trockenbehälter
produziert wird, oder des Endproduktes, das aus dem erfindungsgemäßen
System produziert wird.
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Wie
hier verwendet, betreffen der Begriff "Granulat", "Granulieren"
und dergleichen jede granuläre Form des von der Erfindung
hergestellten Materials oder Produkts, einschließlich herkömmlicher
Granulate, Pulver, Stäube, Krümel und dergleichen,
die durch herkömmliche Granulierungsverfahren und -ausrüstung produziert
werden, einschließlich Zerbrechen oder Zerkrümeln
zuvor hergestellter Pellets oder Prillgranalien. Die Begriffe "Pellets",
"Pelletieren" und dergleichen betreffen jede Pelletform der von
der Erfindung hergestellten Materialien oder Produkte, einschließlich
zylindrischer, Kugel-, sphärischer oder anderer Gestalt,
die üblicherweise durch herkömmliche Pelletierverfahren
und -ausrüstung hergestellt werden, beispielsweise durch Extrudieren
eines Schlamms oder einer Paste und Schneiden, Hacken oder Brechen
des Extrudats in die gewünschte Größe.
Die Begriffe "Prillgranalie", "Prillen" und dergleichen betreffen
jede Prillform der von der Erfindung hergestellten Materialien oder
Produkte, die durch herkömmliche Pelletierverfahren und
-ausrüstung hergestellt werden, einschließlich
Sprühturmverfahren, Gefriertrocknungsverfahren usw.
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Ein
Extrusionspelletierer gehört zu den bevorzugten Verfahrenseinheiten
für die Verwendung in Verbindung mit oder als Teil der
Erfindung, weil er die Selbstbindungseigenschaften des im Trockenbehälter
produzierten Materials nutzt und weil er unter Temperatur- und Druckbedingungen
betrieben werden kann, die das "Kochen" des Materials bereitstellen
oder weiter dazu beitragen können, so dass die grundlegenden
und/oder verstärkten Selbstbindungseigenschaften des erfindungsgemäßen
Produkts erzeugt werden. Bei einem typischen Betrieb kann das Pulver
oder Mehl aus der Mahleinheit mit genügend Dampf oder Wasser
gemischt werden, zum Beispiel mit Dampf oder kondensiertem Wasserdampf
aus dem Trockenbehälter, dass ein Material gebildet wird,
das bei hohem Druck und hoher Temperatur unter Bildung von Pellets
oder anderer Formen extrudiert werden kann. Die Temperaturen im
Extrusionspelletierer können von Heizschnecken, -düsen
oder -trommeln oder aus der Energie einer Hochdruckkompression stammen.
In jedem Fall wird das extrudierfähige Material bei dem
Verfahren auf eine hohe Temperatur erhitzt. Man nimmt an, dass bei
bestimmten Dung-Ausgangsmaterialien die hohe Temperatur und der
hohe Druck im Extruder-Pelletierer bestimmte Bestandteile in dem
Material weiter "kochen" oder umwandeln und zusätzliche
oder stärkere Selbstbindungseigenschaften des erhaltenen
pelletierten, granulierten oder geprillten Produkts liefern oder
dazu beitragen können. Übliche Betriebsbedingungen
für den Exrtrusionspelletierer sind ein extrudierfähiges
Material mit einem Feuchtigkeitsgehalt von bis zu etwa 20 Gew.-%
oder mehr, je nach der eingesetzten Extruderausrüstung.
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Die
Extrudertemperaturen und der Extruderdruck sind wie normalerweise
in herkömmlicher Extruderausrüstung verwendet.
Je nach dem verarbeiteten Dung-Ausgangsmaterial und den gewünschten
Eigenschaften des hergestellten Produkts können offensichtlich
andere Betriebsbedingungen eingesetzt werden. Die hergestellten
Pellets können getrocknet werden, so dass der Feuchtigkeitsgehalt
auf ein Niveau gesenkt wird, das zur stabilen Produktlagerung geeignet
ist, z. B. auf etwa 10 Gewichtsprozent. Die an diesem Punkt des
Verfahrens entfernte Feuchtigkeit kann rezykliert und in anderen
Schritten und Verfahren der erfindungsgemäßen Systeme,
wie hier offenbart, genutzt werden.
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Das
Dung-Ausgangsmaterial hat üblicherweise einen Feuchtigkeitsgehalt
zwischen etwa 50 und etwa 90 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen
etwa 60 und etwa 80 Gewichtsprozent und am stärksten bevorzugt
zwischen etwa 65 und etwa 75 Gewichtsprozent. (Gewichtsprozent,
wie hier verwendet, bezieht sich auf Prozent des fraglichen Bestandteils,
bezogen auf das Gesamtgewicht des angesprochenen Gemischs.) Es kann
aber Dung-Ausgangsmaterial mit kleinerem Feuchtigkeitsgehalt, zum
Beispiel nur etwa 40 Gewichtsprozent oder sogar nur etwa 30 Gewichtsprozent,
mit der Erfindung verarbeitet werden. Das bevorzugte Dung-Ausgangsmaterial
hat einen Feuchtigkeitsgehalt von mindestens etwa 50 Gewichtsprozent,
stärker bevorzugt mindestens etwa 60 Gewichtsprozent und
am stärksten bevorzugt mindestens etwa 70 Gewichtsprozent.
Hat das Dung-Ausgangsmaterial einen hohen Feuchtigkeitsgehalt in
diesem Bereich, erhält man Verarbeitungsvorteile durch
die im Wesentlichen sofortige Produktion von Dampf und überhitztem
Dampf am Einlass des Trockenbehälters, an dem die Abgase
bei 1000°F mit dem sehr feuchten Dung-Ausgangsmaterial
bei Atmosphären- oder Subatmosphärendruck zusammenkommen.
Der so erzeugte Dampf oder überhitzte Dampf trägt
zum Trocknen, Kochen und zur Umwandlung benachbarter oder naher
und stromabwärts befindlicher Partikel des Dung-Ausgangsmaterials
bei, wodurch die Effizienz des Verfahrens erhöht wird.
Vorzugsweise wird beim Betrieb des erfindungsgemäßen
Verfahrens und erfindungsgemäßen Geräts
das Dung-Ausgangsmaterial unter Chargen oder verschiedenen Anteilen
(oben, unten, innen, außen) der gleichen Chargen gemischt,
so dass gleichmäßige Dung-Ausgangsmaterialseigenschaften
erhalten werden. Diese bevorzugte Vorbereitung ermöglicht
die Produktion eines gleichmäßigeren Materials
aus dem Trockenbehälter und vereinfacht die Regelung der
Verfahrensschritte. Die Temperatur des Dung-Ausgangsmaterials ist üblicherweise
Umgebungstemperatur, d. h. im Bereich von etwa 30°F bis
etwa 100°F, kann aber kleiner als 30°F sein, vorausgesetzt,
dass gefrorene Agglomerate die Ausgangsmaterialvorbereitung oder den
Betreib des Trockenbehälters und der Ausgangsmaterialzuführausrüstung
nicht behindern. Das Dung-Ausgangsmaterial hat zwar vorzugsweise
eine niedrige Temperatur, damit die Kompostierung oder biologische
Umwandlung der Nährstoffe vor der erfindungsgemäßen
Verarbeitung reduziert oder verhindert wird, jedoch kann es vorteilhaft
für die Verfahrensökonomie oder für die
Durchsatzkapazität sein, wenn das Dung-Ausgangsmaterial
vor dem Einbringen in den Trockenbehälter vorgewärmt
wird. Das Vorwärmen des Ausgangsmaterials erfolgt vorzugsweise
kurz vor der erfindungsgemäßen Verwendung, so
dass Kompostierung und biologische Umwandlung auf einem Minimum
gehalten werden. Das Vorwärmen des Ausgangsmaterials kann
auf jede gewünschte Weise erfolgen, wie mittels Wärmeaustauscher,
Solarbeheizung, heizbaren Förderbändern oder Schnecken
oder durch heizbare Betonplatten im Abtrennungs- und Ausgangsmaterialvorbereitungsbereich.
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Die
Kontaktzeit zwischen den Turbinenabgasen und dem Dung-Ausgangsmaterial
wird durch mehrere Variablen bestimmt, einschließlich des
Feuchtigkeitsgehalts des Ausgangsmaterials, des im Trockenbehälterausgabematerial
gewünschten Feuchtigkeitsgehalts, der gewünschten
chemischen Veränderung/Umwandlung, des Volumens und der
Temperatur der Abgase, die in den Trockenbehälter eintreten,
und anderer Faktoren. Die Kontaktzeit wird so reguliert, dass nicht
nur das gewünschte Trocknen erhalten wird, sondern auch die
Partikel der Dung-Ausgangsmaterialfeststoffe auf genügend
hohe Temperaturen gebracht werden, dass die in dem Ausgangsmaterial
vorhandenen unerwünschten Bestandteile, wie Organismen,
Mikroorganismen, Samen, Pestizide, Antibiotika, Hormone, Prionen,
Viren und dergleichen, genügend zerstört oder
in harmlose Formen umgewandelt werden, ist diese Umwandlung oder
Zerstörung erwünscht, und ein selbstbindendes Produkt
erzeugt wird, wenn gewünscht. Die tatsächlich
von den Partikeln erreichte Temperatur muss nicht bestimmt werden,
solange das gewünschte Ausmaß an Bestandteilzerstörung
und -umwandlung, das gewünschte Ausmaß an Selbstbindungs-
oder anderen gewünschten Eigenschaften erzielt werden.
Die gewünschte Kontaktzeit kann durch Volumen und Größe
des Trockenbehälters und durch die Durchsatzvolumina von
Ausgangsmaterial und Abgasen variiert und geregelt werden. Die Wärmeübertragung
von den Abgasen auf die Beschickung und folglich die Temperatur,
auf die das Ausgangsmaterial gebracht wird, sind hauptsächlich
eine Funktion des Massenverhältnisses von Abgas zu Ausgangsmaterial.
Ein Beispiel für den Trockenbehälterbetrieb mit
einem Gasturbinengenerator ist ein Rolls Royce Allison 501-KB5-Generator
(mit nominell 3,9 MW) mit einem Abgasausstoß von etwa 122000
Pfd./Std. bei 1000°F, verbunden mit einem Drehrohrtrockner
Modell AST 8424 mit einem Innenvolumen von etwa 26 Kubikmetern (m3) von Scott Equipment Company, New Prague,
Minnesota, USA. Das Dung-Ausgangsmaterial, ein frischer Viehweidendung
mit einem Feuchtigkeitsgehalt von etwa 70 Gewichtsprozent und einer
Temperatur von etwa 65°F, wird in den Trockenbehälter
bei einer Rate von etwa 6500 kg/Std. eingespeist, was etwa 10 m3/Std. (etwa 16200 Pfd./Std.) entspricht,
wodurch eine durchschnittliche oder nominelle Verweilzeit der Feststoffe
im Trockenbehälter von etwa 10 bis etwa 18 Minuten und
ein Gewichtsverhältnis von Abgasen zu Dung-Ausgangsmaterial
von etwa 7,5 erhalten werden. Die Trockenbehälterausgabe
hat etwa 200°F. Das Gewichtsverhältnis von Abgas
zu Ausgangsmaterial beträgt gewöhnlich zwischen
etwa 15:1 und etwa 1:1, vorzugsweise zwischen etwa 10:1 und etwa
3:1 und am stärksten bevorzugt zwischen etwa 8:1 und etwa
4:1. Der Wärmebedarf kann ein Verhältnis von mindestens
etwa 20:1 oder mindestens etwa 25:1 oder mehr erfordern, wenn die
Beschickung kalt mit sehr hohem Feuchtigkeitsgehalt ist und das
Abgas keine hohe oder maximale Temperatur hat. Der Abgasstrom und
der Dung-Ausgangsmaterialsstrom durch den Trockenbehälter
können gleichsinning, gegensinnig, einstufig, mehrstufig
usw. sein, je nach den gewünschten Ergebnissen und verschiedenen
Systemgestaltungen und ökonomischen Überlegungen.
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Die
Ausgabe des Trockenbehälters umfasst Dampf, Wasserdampf,
Verbrennungsgase und Feststoffe, die getrocknet und/oder thermisch
behandelt und in gewünschte Formen umgewandelt werden. Übliche
Temperaturen der Gase und/oder Feststoffe am Ausgang des Trockenbehälters
liegen in der Regel im Bereich von etwa 200°F bis etwa
350°F, aber niedrigere oder höhere Temperaturen
können aus Gründen der Ökonomie, Produktqualität
und/oder Verfahrensökonomie ausgewählt und/oder
gewünscht werden. Die Auslasstemperaturen können
von mindestens etwa 110°F bis mindestens etwa 500°F,
vorzugsweise mindestens etwa 180°F und stärker
bevorzugt mindestens etwa 200°F reichen. In der Regel ist
erwünscht, dass das Feststoffmaterial, das den Trockenbehälter
verlässt, gewöhnlich einen Feuchtigkeitsgehalt
zwischen etwa 10 und etwa 15 Gewichtsprozent hat, der aber von etwa
5 bis etwa 25 Gewichtsprozent reichen kann. Wiederum kann aus ähnlichen
Gründen ein höherer oder niedrigerer Feuchtigkeitsgehalt
der Trockenbehälterausgabefeststoffe gewählt und/oder
gewünscht werden. Dampf, Wasserdampf und Verbrennungsgase,
die aus dem Trockenbehälter kommen, leitet man gewöhnlich
durch Wärmeaustauscher (wodurch Verfahrenswärme rückgewonnen
wird, die stromabwärts bei Granulier- oder Pelletierschritten
oder stromaufwärts beim Vorwärmen des Ausgangsmaterials
oder der Turbineneinlassluft verwendet wird), Kühler (zur
Rückgewinnung von Verfahrenswasser für die Verwendung
stromab- oder -aufwärts, zur landwirtschaftlichen Anwendung
oder Entsorgung), Waschtürme, Filter oder Zyklone (zur
Rückgewinnung von Feststoffen, die in Gasen oder Flüssigkeiten
eingeschlossen sind, und damit die Gase und Flüssigkeiten
umweltverträglich werden und abgelassen werden können)
und andere herkömmliche Verfahrensausrüstung.
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Die
Feststoffausgabe aus dem Trockenbehälter, hier als Düngemittel-
oder Bodenaufbaumaterial bezeichnet, wird üblicherweise
durch Mahlen, Granulieren, Pelletieren, Prillen oder eine andere
Verarbeitung weiter verarbeitet, so dass ein endgültiges
Düngemittel- oder Bodenaufbereitungsprodukt in der für
die Verpackung oder Massenverteilung gewünschten Form erzeugt
wird. Die für die Erfindung geeignete Mahl-, Granulier-,
Pelletier- oder Prillausrüstung und die entsprechenden
Arbeitsschritte sind herkömmlich und bekannt, weil die
Ausgabe des Trockenbehälters Feststoff- und Dampfkomponenten
enthält, die sich für diese Verarbeitung anbieten.
Die Feststoffausgabe aus dem Trockenbehälter kann hier
als Düngemittel- oder Bodenaufbauprodukt bezeichnet werden,
wenn es in Rohform zur Anwendung auf Feldfrüchten verwendet
wird, ohne dass es zu einer Pulver-, Granulat-, Pellet- oder Prillgranalienform
weiter verarbeitet wird. Die Feststoffausgabe aus dem Trockenbehälter
wird als Bodenverbesserungsmaterial oder -produkt bezeichnet, wenn
das Dung-Ausgangsmaterial derart ist, dass es ein Material mit niedrigem
Nährwert als Düngemittel produziert, sich aber dennoch
als Bodenaufbau- oder -verbesserungsmaterial eignet, mit einem hohen
Gehalt an organischer Substanz, ähnlich wie ein Torfprodukt,
oder es kann eine Kombination aus Düngemittel und Bodenaufbauprodukt aus
organischer Substanz sein. Unabhängig von der Art und Form
des erhaltenen Produkt liefern das erfindungsgemäße
Verfahren, das erfindungsgemäße System und die
erfindungsgemäße Ausrüstung eine hinsichtlich
der Umwelt und der Ökonomie wirksame Verarbeitung von Dung-Ausgangsmaterialien,
wodurch sie als Umweltverpflichtungen beseitigt werden und Produkte
bereitgestellt werden, die zur Verbesserung der Bodenbedingungen
nützlich sind, den Kohlenstoff in den Böden oder
anderen für die Umwelt vorteilhaften Anwendungen sequestrieren
und die Entsorgung auf einer städtischen Müllkippe
umgehen.
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Die
Erfindung kann zur Herstellung von Produkten und Materialien aus
Dung-Ausgangsmaterialien verwendet werden, aber die bevorzugten
Materialien und Produkte weisen keine signifikanten restlichen unerwünschten
Bestandteile auf, die nicht bei der Erwärmung, chemischen
Veränderung und/oder Trocknungsbehandlung im Trockenbehälter
oder anderen Arbeitsschritte umgewandelt oder zerstört
werden. Die durch die Erfindung hergestellten Produkte und Materialien
sind vorzugsweise nützliche Düngemittel- oder
Bodenaufbauprodukte, aber die Erfindung eignet sich auch zur Herstellung
von Feststoffen mit kleinerem Volumen, die auf einer Müllkippe
entsorgt werden können, mit dem Vorteil, dass Feststoffe
mit kleinen Mengen oder ohne schädliche Bestandteile, die
aus der Müllkippe in Oberflächen- oder Grundwasser
lecken könnten, bereitgestellt werden.
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Die
durch die Erfindung produzierten Produkte und Materialien eignen
sich für und beinhalten Mischungen mit anderen Materialien,
Produkten oder Chemikalien, wie es für bestimmte Endanwendungen
gewünscht sein kann, die bestimmte Eigenschaften oder Merkmale
erfordern. Diese anderen Materialien und Additive können
an jedem geeigneten Punkt im Verfahren zugegeben oder eingemischt
werden: mit dem Dung-Ausgangsmaterial gemischt, zum Trockenbehälter
gegeben, an einem beliebigen Punkt zum Verfahrenswasser gegeben,
zu dem aus dem Trockenbehälter kommenden Material gegeben,
als Teil einer Mahl-, Granulier- oder Pelletierverarbeitung zugegeben
oder einfach mit dem Endprodukt gemischt oder vor dem Einsacken
oder Verpacken oder zum Zeitpunkt der Verwendung eingemischt werden.
Zum Beispiel können die Düngemittel- und Bodenaufbauprodukte,
die gewöhnlich vergleichsweise geruchsfrei sind, mit anderen
Materialien gemischt werden, die entweder einen angenehmen Geruch
verleihen oder einen unangenehmen Geruch überdecken können.
Diese Materialien können synthetisch (Parfüms)
oder natürlich sein, wobei natürliche Materialien
bevorzugt sind. Natürliche organische Materialien können
Salbei, Minze, Fenchel, Knoblauch, Rosmarin, Fichte, Zitrus und ähnliche
Materialien beinhalten, die keine Zertifizierung als organische
Beschickung verhindern. Andere Materialien zum Einmischen können
u. a. Eisen, Mineralien, Kohlenstoff, Zeolith, Perlit, chemische
Düngemittel (Harnstoff, Ammoniumnitrat usw.), Pestizide
und andere Materialien sein, die das Produkt an eine bestimmte Verwendung
anpassen. Biozertifizierte Produkte sind zwar die am stärksten
bevorzugten Produkte der Erfindung, jedoch können die erfindungsgemäßen
Produkte jede herkömmliche NPK-Düngemittel-Mischung
oder ein -Gemisch in einer herkömmlichen Form, einschließlich
der Formen für eine verzögerte Freigabe sein.
Die erfindungsgemäßen Düngemittel-Produkte
können zugefügte Herbizide (für die üblichen "Kraut-
und Futter"-Produkte) umfassen, und andere Additive, die eine organische
Basis haben können oder chemisch sein können,
können sich für den Biozertifikationsstatus qualifizieren
oder nicht. Im Stand der Technik kann man Düngemittel-Produkte
mit der gewünschten Granulat- oder Teilchengröße
herstellen, die eine gewünschte Härte und Integrität
in trockener Form aufweisen, die sich aber leicht abgeben lassen,
wenn sie in einem Landwirtschaftsbetrieb aufgebracht werden und
mit Wasser durch Bewässerung oder Regen behandelt werden.
Man siehe beispielsweise die
US-Patente
4,997,469 von Moore und
5,676,729 von
Elrod et al., deren Offenbarungen vollinhaltlich durch Bezugnahme
aufgenommen sind.
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In
einigen Fällen kann ein Produkt als biozertifiziert gewährt
werden, vorausgesetzt, die Mengen der künstlichen Komponenten,
einschließlich der genetisch modifizierten Organismen,
chemischen Düngemittel, anderen nicht-organischen Materialien,
usw. in dem Endprodukt, sind gewöhnlich unter etwa 5 Gewichtsprozent
zugegen, oder in anderen Fällen für die Bezeichnung
als "natürlich", unter etwa 30 Gewichtsprozent. Eingänge
in organische Düngemittel und organische Bodenaufbauprodukte
können im Wesentlichen keine nachweisbaren Mengen anderer
Materialien aufweisen, die als ungewünschte Komponenten
identifiziert werden, wie ungewünschte Organismen und Mikroorganismen
(einschließlich genetisch modifizierter Organismen), Pathogene,
lebensfähige Samen, Pestizide (einschließlich
Insektiziden, Herbiziden, Algiziden, Nagetiergiften, usw.), Antibiotika,
Hormone, Prione, oder Viren. In anderen Fällen qualifiziert
sich das Produkt jedoch für die Biozertifizierung, selbst
wenn bestimmte ungewünschte Komponenten in dem Endprodukt
nachweisbar sind, aber unter einer festgelegten Menge liegen. Wie
hier verwendet, betrifft der Begriff "Mikroorganismus" Bakterien,
Protozoen, Pilze und Algen. Man geht jedoch davon aus, dass sogar
in biozertifizierten Produkten nicht alle Mikroorganismen in einem
Düngemittel- oder Bodenaufbauprodukt ungewünscht
sind, jedoch sind bestimmte Mikroorganismen ungewünscht
und müssen zerstört, inaktiviert, getötet
oder sonst wie durch erfindungsgemäße Wärmebehandlung
in unschädliche Formen umgewandelt werden, wie pathogene
Bakterien. Da sich die Standards, die von verschiedenen Behörden
für organische Produkte gesetzt werden, etwas unterscheiden
und von Zeit zu Zeit geändert werden müssen, ist
es nicht praktisch, die Einzelheiten hier zu beschreiben. Man beachte
besonders, dass jedoch bei Auswahl eines Produkts für die
Produktion in dem erfindungsgemäßen System die
Betriebsbedingungen der erfindungsgemäßen Verfahren über
weite Bereiche variiert werden können und derart ausgewählt
werden können, dass die Umwandlungen und Reinigungen, die man
zur Erfüllung der geltenden Standards braucht, bereitgestellt
werden, und man Produkte erzeugt, die biozertifiziert werden können.
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Die
erfindungsgemäßen Systeme enthalten Bauweisen,
die dazu verwendet werden können, die Emission schädlicher
Gerüche und von Treibhausgasen aus Tierhaltungsbetrieben,
und aus kommunalen Abwasseranlagen in die Atmosphäre zu
verringern und bei einigen Betrieben im Wesentlichen zu beseitigen.
Wie erwähnt, ist neben der biologischen Umwandlung von
Tierabfall eine der Hauptquellen für Treibhausgase (insbesondere
Methan) und unangenehme Gerüche aus Gasen, die bei der
enteralen Fermentation in den Tieren selbst produziert werden, und
diese Gase werden von den Tieren durch Aufstoßen, Emission
von Blähungen und die im Wesentlichen sofortige Freisetzung
dieser Gase aus dem Urin und den Fäkalien bei der Entleerung aus
diesen Tiere freigesetzt, und sie werten hier als "Tiergase" bezeichnet.
Tierhaltungsbetriebe unterliegen aufgrund von zunehmendem Druck
aus den in deren Nähe Wohngebieten immer stärkerer
Regulation durch Bundes- und Staatsbehörden. Die Regulation
betrifft zwei Aspekte der Luftqualität. Der erste sind
schädliche Gerüche aus Tiergasen und Biokonversionsemissionen,
die Mercaptane und viele weitere organische Verbindungen enthalten,
die unangenehme Gerüche haben, die von den die örtlichen
Gemeinden beanstandet werden. Der zweite sind Treibhausgasemissionen,
die für die Luftqualität schädlich sind.
Zu den Treibhausgasen gehören CO2,
CH4, und N2O und
sie werden gewöhnlich in Form der CO2-äquivalenten
Wirkung auf die Atmosphäre dargestellt. Methan hat einen
CO2-Äquivalenzfaktor von 23 (wie
von der USDOE verwendet), was bedeutet, dass 1 kg in die Atmosphäre
freigesetztes CH4 23 kg freigesetztem CO2 entspricht. (Einige Quellen geben den Äquivalenzfaktor
als etwa 21 an.). In dem Bericht der United States Department of
Energy/Energy Information Administration # DOE/EIA-0573 (2002),
veröffentlicht im Oktober 2003 (erhältlich bei www.eia.doe.gov/oiaf/1605/ggrpt/)
wird angenommen, dass 8 Millionen MT CH4 (183 Millionen MT) CO2-Äquiv.) im Jahr 2002 durch Landwirtschaftsbetriebe
in die Atmosphäre freigesetzt wurden, was etwa 30% aller
CH4-Emissionen in den USA entspricht, wobei
die anderen Quellen Müll- und kommunale Abwasser-Behandlungsbetriebe
einschließen. Von den CH4-Emissionen
aus der Landwirtschaft stammten 94% von Viehbetrieben, wovon 67%
(etwa 5 Millionen MT) aus der enteralen Fermentation (Tiergase)
und 33% (etwa 3 Millionen MT) aus der Zersetzung von Viehabfällen
stammte. CH4 ist zwar das Haupt-Treibhausgas,
das bei der biologischen Umwandlung von Dung erzeugt wird, jedoch
werden auch die Gase CO2 und NOx erzeugt.
Besonders bevorzugt wird die NOx-Freisetzung
in die Atmosphäre verhindert, weil sie ein geschätztes
CO2-Äquivalent von etwa 310 aufweisen.
Die Erfindung kann, wie hier offenbart, dazu verwendet werden, im
Wesentlichen die Freisetzung von Tiergasen in die Atmosphäre
zu beseitigen, und im Wesentlichen die Zersetzung von Treibhausgasemissionen
aus Tierhaltungsbetrieben zu beseitigen, indem die Tiergase eingedämmt
und verarbeitet werden, durch Verarbeiten des Dung-Ausgangsmaterials,
so dass eine Zersetzung oder biologische Umwandlung verhindert und/oder
indem die Emissionen aus der Zersetzung oder Biokonversion eingedämmt oder
verarbeitet werden, bevor das Dung-Ausgangsmaterial verarbeitet
werden kann.
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Die
erfindungsgemäßen Systeme eignen sich besonders
dazu, die Tiergasemissionen und Gerüche aus Tiergasen in
bestimmten gängigen Tierhaltungsbetrieben im Wesentlichen
zu beseitigen. Andere Tierhaltungsbetriebe können leicht
gemäß der Offenbarung hier modifiziert werden,
so dass man die erfindungsgemäßen Systeme verwenden
kann, um die Freisetzung von Tiergasen und den damit einhergehenden
Gerüchen in die offene Atmosphäre reduziert oder
beseitigt. Im grundlegenden erfindungsgemäßen
System ist der Gasturbinenausstoß mit dem Trockenbehälter
verbunden. Zur Regelung der in einem Tierhaltungsbetrieb produzierten
Tiergase wird der Gasturbinenlufteinlass mit dem Ventilationssystem
des Tierstalls verbunden, so dass die aus dem Tierstall ausgestoßene
Ventilationsluft in den Gasturbinenlufteinlass geleitet wird, in
dem gewöhnlich zwei Prozesse stattfinden. Erstens werden
die Emissionsgase zusammen mit der regulären Gasturbinenkraftstoffzufuhr
verbrannt, wodurch CH4 in H2O
und CO2 und die Mercaptane und andere schädliche
oder ätzende Verbindungen in H2O,
COx, NOx und SOx umgewandelt werden. Zweitens werden die
Abgase aus der Gasturbine mit dem Dung-Ausgangsmaterial in Kontakt
gebracht, wodurch die NOx- und SOx- und in gewissem Ausmaß die COx-Gase in das Dung-Ausgangsmaterial absorbiert
oder damit komplexiert werden, wenn dieses getrocknet und/oder in
ein Düngemittel- oder Bodenaufbaumaterial, und vorzugsweise
in ein selbstbindendes Düngemittel- oder Bodenaufbauprodukt
umgewandelt wird. Dieser Aspekt der Erfindung verhindert, dass Tiergase
in die Atmosphäre eindringen.
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Bestehende
Tierhaltungsbetriebe, die die Erfindung sofort direkt und effizient
zur Bekämpfung von Tiergasen nutzen können, sind
diejenigen, die normalerweise vollständig eingeschlossen
sind und über Frischlufteinlässe und Abgasauslässe
belüftet werden, und insbesondere diejenigen, die durch
Erwärmen und Klimaanlagen klimageregelt werden. Die Tierhaltungsbetriebe
mit Klimaanlagen sind gewöhnlich Hühner und Schweinebetriebe,
obgleich einige Milch-, Kalbfleisch-, Rindfleisch- und andere Betriebe
ebenfalls eingeschlossen sind und wegen extremer Wärme
oder Kälte im örtlichen Klima Klimaanlagen haben.
Die Abluft aus solchen Anlagen wird zum Gasturbinenverbrennungslufteinlass
geleitet. Andere Tierhaltungsbetriebe, die offene Stall oder offene
Gehegestrukturen aufweisen, können von der Erfindung profitieren,
indem Luft aus dem Oberteil der Struktur gezogen wird, und diese
in den Turbinenlufteinlass geleitet wird. Dies fängt einen
signifikanten Anteil der Tiergase, insbesondere an windstillen Tagen,
da das Methan in den Tiergasen leichter als Luft ist und in der
Struktur nach oben steigt. Zusätzlich können diese
Strukturen ökonomisch eingeschlossen werden (z. B. mit
Leinwandwänden) und mittels Druckluft belüftet
(mit oder ohne Klimaanlage) werden, so dass im Wesentlichen alle
Tiergase von den Tieren in der Struktur gesammelt und zur Abluft
des Gasturbinenlufteinlasses geleitet werden.
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Bei
der Verwendung dieses erfindungsgemäßen Aspektes
wird erkannt, dass sie vorzugsweise derart betrieben wird, dass
sämtliche aus dem Schweinestall, Hühnerhaus usw.
ausgelassene Luft zum Gasturbineneinlass geleitet wird, damit eine
Freisetzung von Tiergasen in die Atmosphäre umgangen wird.
Jegliche verbleibende Brennluft, die für die Gasturbine
benötigt wird, stammt von der Umgebungsluft, durch einen
herkömmlichen Luftfilter, obschon die Abluft aus dem Tierstall
vorzugsweise auch durch den Gasturbineneinlassluftfilter gelangt,
damit eine Beschädigung oder eine Erosion der Turbinenkomponenten
durch eingefangenen Staub oder andere Teilchen verhindert wird.
Die in dem Luftfilter gesammelten Feststoffe können zu
dem Trockenbehälter oder zu anderen Verfahrenseinheiten
in dem System eingespeist werden, damit diese in das fertige Düngemittel-
oder Bodenaufbauprodukt eingearbeitet werden. Das Methan in den
Tiergasen macht gewöhnlich keinen besonderen Teil der Kraftstoffanforderungen
des Systems aus, jedoch wird es verbrannt, so dass Wärme
entsteht und nicht in die Atmosphäre freigesetzt wird.
Trotzdem reduziert jedes verbrannte kg Methan aus Tiergas die äußere
Methankraftstoff-Anforderung um ein kg und reduziert die Treibhausgasemissionen
um ein CO2-Äquivalent von 23 kg.
Dieser Aspekt der Erfindung stellt auch den Vorteil des Schallschutzes am
Turbineneinlass bereit. Entsprechend dem Trockenbehälter,
der für das Turbinenabgas als Schalldämpfer wirkt,
wobei der Turbineneinlass eingeschlossen ist und Luft in einem geschlossenen
System aus dem Tierstall geleitet wird, wird der hochfrequente Lärm
am Turbineneinlass im Wesentlichen zurückgehalten und gedämpft.
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Derzeitige
Tierhaltungsbetriebe können sofort und effizient die Erfindung
nutzen, damit der Bedarf an und die Verwendung von gängigen
Dungklärteichen eliminiert werden. Durch stetes oder tägliches
erfindungsgemäßes Verarbeiten des gesamten Frischdungs
werden keine Dungklärteiche und Komposthaufen mehr benötigt.
Ein gängiger Betrieb, der das erfindungsgemäße
Gerät und Verfahren installiert, kann bestehende Klärteiche
säubern, indem der Klärteichinhalt als Ausgangsmaterial
in dieses Verfahren geleitet wird, und zwar gewöhnlich
im Gemisch mit frischem Dung, der täglich im Betrieb verarbeitet
wird. Entsprechend können bestehende Dunghaufen auf Weiden
und anderen Betrieben als Ausgangsmaterial in diesem Verfahren verwendet werden
und aufgereinigt werden, gewöhnlich durch Mischen der Dunghaufen
mit dem täglich verarbeiteten Dung. Natürlich
eliminieren bei der Bauweise und der Konstruktion neuer Tierhaltungsbetriebe,
der Einbau der Ausrüstung und die erfindungsgemäßen
Verfahren den Bedarf an Klärteichen und an anderem Raum
für die Aufbewahrung oder Zersetzung von Dung, weil der
Dung mit der Erfindung auf steter oder täglicher Basis
verarbeitet wird.
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Die
Erfindung stellt auch Umweltvorteile an mehreren Stellen von Landwirtschaftsbetrieben
bereit, indem eine maximale Menge Kohlenstoff im Boden sequenstriert
wird, und der Verlust von Kohlenstoff in die Atmosphäre
als Methan und CO2 umgangen wird. Bei der
Zersetzung oder beim Abbau von Dung setzt dieser (vorzugsweise durch
anaerobe Faulung) Methan, CO2 und andere
Gase, wie Ammoniak in die Atmosphäre frei. Durch Verarbeiten
des Frischdungs vor der Zersetzung oder Faulung, wird der Kohlenstoff-
und Stickstoff-Gehalt des Dungs erhalten und in dem erfindungsgemäß produzierten
trockenen granulären Düngemittelprodukt fixiert,
und es wird verhindert, dass diese in die Atmosphäre als
Treibhausgase entlassen werden. Wird das erfindungsgemäße
Düngemittel auf den Boden aufgebracht, treten der Kohlenstoff
und der Stickstoff in den Boden, wo Bodenmikroben und andere natürliche
Prozesse den Kohlenstoff und Stickstoff für eine Aufnahme
durch Pflanzen beim Ackeranbau verfügbar machen. Entsprechend
setzt die gängige Praxis der Kompostierung von Dung und
anderem Material zur Verwendung auf Ackerland Kohlenstoff und Stickstoff
in die Atmosphäre beim Kompostieren frei und verliert diese.
Das erfindungsgemäße Düngemittelprodukt
ersetzt und eliminiert den Bedarf an Kompost, wodurch die durch
Kompostierung verursachte Luftverschmutzung eliminiert wird.
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Man
geht davon aus, dass sich die vorstehende Beschreibung zwar auf
die Verwendung einer Gasturbine bezieht, jedoch kann die gleiche
Nutzung dieses Aspektes der Erfindung zur Eindämmung von
Tiergasemissionen vorgenommen werden, unabhängig davon,
welche Wärmequelle zur Verwendung in dem System ausgewählt
wird. Unabhängig davon, ob die Wärmequelle eine
Gasturbine, ein Gasturbinengenerator, ein Gas- oder Diesel-Kolbenmotor
oder sogar ein herkömmlicher Öl- oder Gasbrenner
(wie 107 in der 1) ist, kann die Tierstallabluft zum
Brennlufteilass geleitet werden, so dass die Tiergase verbrannt
werden, und so die Verbrennungsgase mit dem Dung-Ausgangsmaterial
zusammengebracht werden.
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Als
weitere Offenbarung und Veranschaulichung der Verfahren, Systeme
und Ausrüstung dieser Erfindung wird auf das schematische
Fließschema von 1 Bezug genommen. In dem veranschaulichten
beispielhaften Verfahren umfasst die Gasturbineneinheit 100 eine
Gasturbine 101 und einen Stromgenerator 102. Die
Gasturbine hat Lufteinlassfilter 104 (der gegebenenfalls
Tierstallventilationsluft enthalten kann, wie 903 in 5).
und eine Kraftstoffzufuhr 103. Bei Bedarf kann ein wahlfreier Überbrückungs-Abgas-Schalldämpfer 106 für
Anschalt-, Ausschalt- und Störungsbedingungen bei solchen
Zeiten aufgenommen werden, in denen die Gasturbine läuft,
aber die Abgase nicht in den Trockenbehälter geleitet werden
können. Der Trockenbehälter 200 wirkt
jedoch als Schalldämpfer beim normalen Betrieb dieser Erfindung.
Alternativ kann statt des Schalldämpfers 106 die
Abgasbrücke (siehe 908 in der 5)
um den Trockenbehälter zu einer geeigneten stromabwärts
gelegenen Einheit geleitet werden, wie zum Separator 208 und/oder 209,
der eine vorübergehende Schalldämpferfunktion
verleihen kann. Diese Anordnung eliminiert die Kosten für
einen gesonderten Schalldämpfer und den Raum, der für
einen gesonderten Schalldämpfer benötigt wird,
was eine wichtige Überlegung für fahrbare, an
LKWs befestigten Systemen ist. Der Auslass von Gasturbine 101 ist
an den Trockenbehälter 200 über Verbindungsanschluss 105 angeschlossen.
Ein wahlfreier Lufteinlass (nicht gezeigt) kann für den
Trockenbehälter 200 in Anschluss 105 oder
an anderer Stelle aufgenommen werden, zum Spülen des Trockenbehälters
oder des Systems, zum Anschalten oder Ausschalten oder aus anderen
Gründen, insbesondere, wenn weder die Abgase noch das Dung-Ausgangsmaterial
in dem Trockenbehälter 200 zugegen sind. Sind
beide zugegen, wird jedoch ein jeder Lufteinlass geschlossen und
nicht verwendet, damit im Wesentlichen der Eintrag von Luft in den
Trockenbehälter ausgeschlossen wird und damit eine signifikante
Oxidation der Materialien verhindert wird, die sich in dem Trockenbehälter 200 befinden.
Der wahlfreie Brenner 107 kann ebenfalls enthalten sein,
damit eine ergänzende Wärmequelle und Brenngase
für den Trockenbehälter bereitgestellt werden,
die als Eintrag in den Anschluss 105 oder an anderer Stelle
bereitgestellt werden können. Die wahlfreie ergänzende
Wärmequelle kann sich eignen während des Anschaltens,
Abschaltens, bei Verfahrensstörung, Turbinenausfall oder
zur Aufrechterhaltung des gewünschten Durchsatzes, wenn
eine maximale Last oder ein Ausgangsmaterial mit ungewöhnlich
hohem Wassergehalt auftritt.
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Das
Dung-Ausgangsmaterial wird gewöhnlich in das System durch
mechanische Vorrichtungen eingebracht, wie einen Schaufelbagger 201,
der das Ausgangsmaterial in einen Steintrenner, Mischer, Schnitzeleinheit 202 überführt.
Das Ausgangsmaterial kann weiter gemischt werden, und in Förderschnecken 203, 204 getrennte
Fremdobjekte werden dann durch 215 in den Trockenbehälter 200 geleitet.
Das Ausgangsmaterial kann ebenfalls vorgemischt oder auf die gewünschte
Gleichförmigkeit konditioniert werden, bevor es in dieses System
durch den Lader 201 geladen wird, beispielsweise in Speicherschwaden,
die vereinigt und gemischt werden.
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Der
Ausgang von Trockenbehälter 200 wird durch die
Leitungen 205, 206 zum Separator 208 überführt,
wo die Feststoffe und Gase getrennt werden. Die Gase gelangen durch 209 und
Gebläse 210 in die Atmosphäre über 211 oder
zu anderer stromabwärts befindlicher Verarbeitung über 212.
Der Betrieb von Gebläse 210 kann den Druck in
Separator 208 und in Trockenbehälter 200 senken,
so dass der Wassersiedepunkt in dem Trockenbehälter reduziert
wird, der Wassersiedepunkt in dem Trockenbehälter reduziert
wird, der Staudruck auf den Turbinenauslass reduziert wird und Turbinenausstoß und
-effizienz erhöht werden. Alternativ kann das Gebläse 210 derart
betrieben werden, dass ein erhöhter Druck in dem Trockenbehälter
für eine Behandlung bei höherer Temperatur, eine
Umwandlung oder ein "Kochen" des Dung-Ausgangsmaterials bei Bedarf
erhalten bleibt. Der Ausstoß von Trockenbehälter 200 kann
durch den wahlfreien Wärmetauscher 207 zur Gewinnung
von Verfahrenswärme zur Verwendung stromabwärts
oder bei der Vorwärmung des Dung-Ausgangsmaterials oder
der Turbineneinlassluft gelangen. Der Feststoffausstoß aus
Separator 208 gelangt über die Leitung, Förderband
oder Schnecke 301 zur Kugel- oder Hammermühle 300,
und wahlfreie Mischer und Verbesserer 302 und 303.
Zudem können rezyklierte Feststoffe, wie Feinstoffe, aus
der Rezyklierschleife 305 bei 303 über 304 eingemischt
werden, wo sie zur Beschickung der Kugel- oder Hammermühle 300 vereinigt werden.
Die Feinstoffe und nicht spezifikationsgerechtes Material, die an
verschiedenen Stellen in dem System erzeugt werden, können
gesammelt werden und über die Schleife 305 rezykliert
und wieder in das Produktverarbeitungssystem an einer beliebigen
Stelle eingebracht werden, wie die Mahleinheit 300 über
3004, die Pelletiereinheit 400 über 404 oder
sogar die Dung-Ausgangsmaterial-Vorbereitung 202, 203, 204 oder
andere Stellen. Eine wichtige Möglichkeit des erfindungsgemäßen
Systems ist die vollständige Reyzklierung über
die Rezyklierschleife 305 sämtlicher Feinstoffe
oder nicht spezifikationsgerechter Feststoffe, so dass sie schließlich
in die Endprodukte eingebaut werden. Somit stellt das erfindungsgemäße
System eine 100%ige Umwandlung der Feststoffe des Dung-Ausgangsmaterials
(außer Steinen und anderen Fremdobjekten, die sich nicht verarbeiten
lassen) in Düngemittel- oder Bodenaufbauprodukte bereit,
und erzeugt keinen festen Abfallstrom, der an anderer Stelle entsorgt
werden muss, wie bei einer Mülldeponie.
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Die
Kugel- oder Hammermühle 300 wird zur Produktion
eines kurzfaserigen Längenmaterials mit einer gleichförmigen
kleinen Teilchengröße verwendet, das man als "Mehl"
bezeichnet, das sich zur Verarbeitung in der Pelletiereinheit 400 eignet,
so dass man ein Produkt bereitstellt, das eine hinreichende Härte
und mechanische Festigkeit und Stabilität zur herkömmlichen
Verarbeitung, Verpackung und Aufbewahrung hat, die gewöhnlich
für trockene Düngemittelprodukte eingesetzt werden.
Der Ausgang der Kugel- oder Hammermühle 300 verläuft
durch den Separator 310, wo die Dämpfe entnommen
werden und über 315 zu Separator 600 zur Reyzklierung
der Feststoffe über die Rezyklierschleife 305 geleitet
werden und Auslassen der Dämpfe in die Atmosphäre über
das Gebläse 601 und den Auslass 602.
Der Separator 310 entnimmt die Feinstoffe oder das Material,
das sich zur Rezyklierung über Rezyklierschleife 305 eignet
und leitet das Mehl zum Mischer 311. Das Mehl wird dann über 312 zum
Separator 401 und entweder direkt zum Pelletierer 400 über 408 oder
zum Halte- oder zum Stoßbehälter 402 über 409a und 409b zum
Mischen mit anderen Materialien, Rezykliermaterialien von 404 oder
Additiven oder zum Halten beim Anschalten, Ausschalten oder bei
Störung des Verfahrens geleitet. Vom Stoßbehälter 402 wird
das Mehl bei Bedarf durch den Mischer 403 gesendet und
entweder direkt zur Pelletiereinheit 400 über 417 oder
bei Bedarf zu Mischer 311 über 412 zum
Mischen mit dem frischen Mehl geleitet.
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Die
Pellets von dem Pelletierer 400 werden durch den Wärmetauscher,
die Dampfentfernungseinheit 405 und von dort über 406 und 414 entweder
direkt zur Endproduktreinigung in den Einheiten 407 und 415 und zum
Endproduktversand oder Aufbewahrungsbehälter 500 über 416a, 416b, 501 und 503 geleitet,
oder über 413 und den Stoßbehälter 410 zu
einer Zerkrümelungs- oder Granulator-Einheit 411,
dann zu den Endproduktreinigungseinheiten 407 und 415 geleitet.
Das Endprodukt wird über 501, 503, oder über
den Aufbewahrungsbehälter 500 auf den Lastwagen 502 zum
Transport zum Markt geladen. Die Feinstoffe und das nicht spezifikationsgerechte
Produkt, die in einer abschließenden Reinigungseinheit 415 abgetrennt
werden, können zum erneuten Verarbeiten über die
Rezyklierschleife 305 rezykliert werden. Das Zerkrümelungs-
oder Granulatorgerät 411 wandelt die Pellets in
kleinere Teilchen oder Granula um, die im Wesentlichen die gleiche
Härte und mechanische Festigkeit und Stabilität
wie die Pellets aufweisen. Die Feststoffe können dann je
nach dem Material und Überlegungen hinsichtlich der Umwelt
zwischen den Verarbeitungseinheiten der Erfindung durch herkömmliche
Schnecken, Aufzüge, Förderbänder, pneumatischen
Rohrförderern und dergleichen transportiert werden. Das
System kann offensichtlich so angeordnet und konfiguriert werden,
dass ein Düngemittelmaterial oder Bodenaufbauprodukt aus
dem Trockenbehälter 200 (das zum direkten Gebrauch
in Ballen überführt werden kann), Mehl aus der
Mahleinheit 300 (das zur späteren oder zum direkten
Gebrauch eingesackt werden kann) oder ein Granulatprodukt, ein Pelletprodukt
oder ein Prillgranalienprodukt aus 415 erhalten werden
kann.
-
Ein
Beispiel für den erfindungsgemäßen Betrieb
des Systems geht aus folgender Tabelle hervor. Dieses Beispiel beruht
auf der Verwendung eines Rolls Royce Allison 501-KB5 (nominelle
Leistung bei 3,9 MW) Gasturbinengenerators und eines Scott Equipment
Trocknermodells AST 824, die bei einem Weidenbetrieb frischen Viehdung
produzieren. Beispiel für ein System, das
für ein Endprodukt mit 2,5 metrischen Tonnen/Std. ausgelegt
ist
Fig.
1 Strom Nr. | Bestandteil | Fließgeschw. | Bedingung |
103 | Erdgas | 820
kg/Std. | Umgeb.-Temp. |
104 | Verbrennungsluft | 48,140
kg/Std. | Umgeb.-Temp. |
105 | Abgase | 48,960
kg/Std. | 1200F° |
215 | Dung-Ausgangsmaterial | 6500
kg/Std. | 70%
H2O/Umgeb.-Temp. |
200 | Verweildauer | 10–18
min | |
301 | getrocknetes
Material | 2730
kg/Std. | 12
Gew.% H2O 200°F |
312 | Mehl | 2500
kg/Std. | 10
Gew.% H2O 125°F |
503 | pelletiertes
Düngemittel-Produkt | 2500
kg/Std. | 12
Gew.% H2O 15°F über Umgeb.-Temp. |
-
Die 2 veranschaulicht
eine Konfiguration des erfindungsgemäßen Systems
in der Form von auf Gleitschienen montierten, auf LKWs montierten
oder auf Eisenbahnwaggons montierten Einheiten, die zu den gewünschten
landwirtschaftlichen oder kommunalen Betriebsstellen transportiert
werden können, wo das Dung-Ausgangsmaterial auf einer täglichen
oder periodischen Basis verfügbar ist. Die erste Einheit 700 umfasst
die Gasturbine 101 und Generator 102. Die zweite
Einheit 701 umfasst den Trockenbehälter 200 und
den Separator 208. Der Trockenbehälter 200 hat
einen Einlass 215 für das Dung-Ausgangsmaterial
und ist an den Gasturbinenauslass über den Anschluss 105 angeschlossen,
wenn dieser stationär und in Betrieb ist. Die dritte Einheit 702 umfasst
die Verfahrens-Ausrüstung, die für einen bestimmten
Betrieb gewünscht ist, wie die Kugelmühle und
einen Pelletierer. Der Produktausgang wird durch 501 zu
den Speichereinheiten 500 oder zu LKW 502 für
den Transport zum Markt befördert. Eine wahlfreie Ausrüstung
kann ebenfalls Einheiten zum Einsacken und andere Verpackung des
Endproduktes für verschiedene Märkte enthalten.
-
3 veranschaulicht
die gleichen Einheiten, wie 2, jedoch
positioniert auf der Betriebsstelle in einer anderen Konfiguration.
Die erfindungsgemäßen fahrbaren LKW-montierten
Einheiten sind offensichtlich an eine Reihe von Stellen angepasst,
die Einschränkungen auf den verfügbaren Raum haben
können.
-
4A ist
eine Draufsicht, und 4B ist ein Aufriss einer anderen
fahrbaren Konfiguration des erfindungsgemäßen
Systems, wobei alle Betriebseinheiten auf einem einzelnen Sattelschlepper 800a und 800b befestigt
sind. Der Auslass von Gasturbineneinheit 100 ist über
Anschluss 105 an den Trockenbehälter 200 angeschlossen.
Der Trockenbehälter 200 hat einen Einlass 215 für
Dung-Ausgangsmaterial und ist an den Separator 208 über
Leitung 206 angeschlossen. Der Separator 208 ist
an den Dampf- bzw. Luftreiniger 600 über Leitung 109 angeschlossen,
und Separator 600 wird durch den Auslass 602 in
die Atmosphäre entllüftet. Der untere Auslass
des Separators 208 ist über Leitung 301 an
die Kugelmühleneinheit 300 angeschlossen. Der Auslass
von Kugelmühleneinheit 300 ist über Leitung 312 an
die Pelletiereinheit 400 angeschlossen, die über Leitung 414 an
die Produktreinigungseinheit 415 angeschlossen ist. Die
Reinigungseinheit 415 hat einen Produktauslass 416.
Nicht gezeigt in den 2, 3 und 4 ist ein wahlfreies Gehäuse für
jede an einer Gleitschiene oder an einem LKW befestigte Einheit,
so dass die gesamte Einheit für einen Witterungsschutz
und zum Schallschutz eingeschlossen wird.
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5 ist
ein schematisches Verfahrensfließschema einiger der wahlfreien
Systeme dieser Erfindung. Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen
Betrieb sind die Tierställe 900 und die Dunggruben 901 umschlossen
und werden mit Frischluft 902 versorgt. Die Ventilationsluft 903 aus
den Tierställen wird zur Gasturbine 101 als Teil
der Brennluftbeschickung 904 durch den Luftfilter 104 geleitet.
Die Dunggruben 901 können im gleichen Stalleinschluss
sein oder sie können sich in gesonderten Haltetanks oder
Klärteichen befinden, die umschlossen sind, so dass sämtliche
abgesonderten Dämpfe aufgenommen und zusammen mit der Stallventilationsluft 903 zur
Verbrennung zusammen mit dem herkömmlichen Kraftstoff 103,
wie dem örtlich verfügbaren Erdgas, zur Gasturbine 101 geleitet
werden können. Dies verhindert, dass Treibhaus- und schädliche
oder ätzende Gase aus den Tieren und dem Dung in die Atmosphäre
freigesetzt werden, einschließlich Biogasen aus jeglicher
biologischen Umwandlung, die stattfindet, bevor der Dung in dem
erfindungsgemäßen System verarbeitet werden kann.
Dies schafft nicht nur die Möglichkeit zur kommerziellen
Verwendung dieser Erfindung zur Gewinnung von Verdiensten bei der
Luftqualität für reduzierte Treibhausgasemissionen,
den Tierhaltungsbetrieben wird auch eine Möglichkeit verschafft,
dass sie zu annehmbaren Nachbarn für nahe gelegene Wohngebieten
werden, weil alle schädlichen und ätzenden Gerüche
von den Tieren und aus dem Dung in dem System festgehalten werden
können und in dem endgültigen Düngemittel-Produkt
aufgenommen werden können oder in Komponenten umgewandelt
werden können, die nicht schädlich oder ätzend
sind, bevor sie in die Atmosphäre entlassen werden. Wie
bereits in dem DOE/EIA-Bericht vermerkt macht das von einem Viehhaltungsbetrieb
abgegebene Gesamtmethan etwa zwei Drittel der enteralen Fermentation
(Tiergase) und etwa ein Drittel Biogas aus dem Dung aus. Somit wird
bei herkömmlichen Biogasbetrieben, die als Kraftstoff Methan aus
der biologischen Umwandlung von Dung verwenden, etwa zwei Drittel
des Methans aus dem Viehhaltungsbetrieb in die Atmosphäre
in den Tiergasen freigesetzt, wohingegen nur ein drittel aus der
biologischen Umwandlung eingedämmt und genutzt wird. Die
Verwendung dieses Aspektes der Erfindung verhindert dagegen nicht
nur die Bildung des Methans in dem Biogas, weil diese Erfindung
im Wesentlichen die biologische Umwandlung verhindert und sämtliche
Nährwerte aus dem Dung in dem Düngemittelprodukt
beibehält, sondern auch das meiste oder die gesamten anderen
zwei Drittel des Methans in den Tiergasen eindämmt und als
Kraftstoff nutzt, und sämtliche anderen schädlichen
und ätzenden Gase aus einem Viehhaltungsbetrieb in andere
Verbindungen umwandelt, die entweder absorbiert werden oder in dem
Düngemittelprodukt komplexiert werden oder die für
die Freisetzung in die Atmosphäre nicht störend
sind.
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Der
Gasturbinengenerator 101/102 erzeugt elektrischen
Strom 905, der entweder an die örtliche Stromgesellschaft 906 verkauft
werden kann oder durch 907 zur Verwendung bei dem Tierhaltungsbetrieb oder
den Verfahrenseinheiten in den erfindungsgemäßen
Systemen verteilt werden kann. Einige Tierhaltungsbetriebe finden,
dass die Kosten der Einschließung eine offenen Tierstalls
und die Installation und der Betrieb von Heiz- und Airconditioner-Klimaanlagen
zur Eindämmung und Verarbeitung sämtlicher Treibhausgase über 903 im
Wesentlichen teilweise, falls nicht sogar erheblich durch die Verwendung
von Strom 905 für den Betrieb des Klimaanlagensystems
ausgeglichen werden kann. Es kann beispielsweise in einigen Fällen
aufgrund von Regierungsvorschriften möglich oder machbar
sein, dass ein gewöhnlich offener Weide- oder Milchbetrieb
mit Traglufthallen abgedeckt wird, die denen ähneln, welche
für Tennisplätze verwendet werden, so dass ökonomische
Systeme bereitgestellt werden, die sämtliche Tiergase aus
einem solchen Betrieb eindämmen und sammeln, so dass diese
Gase über 903 erfindungsgemäß verarbeitet
werden können. Die Ökonomien jedes kommerziellen
Betriebs, die Kraftstoffkosten, Verkaufs- bzw. Einkaufspreis des
Stroms und die Kapitalkosten der Ausrüstung bestimmen,
ob der Strom intern in dem Tierhaltungsbetrieb verwendet wird, an
die Stromgesellschaft verkauft wird, in anderen Betrieben in der
Nähe verwendet wird, oder beliebige Kombinationen davon.
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Die
Abgase aus der Gasturbine 101 werden zu dem Trockenbehälter 200 durch
einen Anschluss 105 geleitet, der verhindert, dass die
Außenluft in den Trockenbehälter eintritt. Wie
hier offenbart wird das System derart betrieben, dass die Oxidation
des Dung-Ausgangsmaterials in dem Trockenbehälter 200 und
an anderer Stelle in dem System minimiert wird und im Wesentlichen
vermieden wird. Der Trockenbehälter 200 dient
auch als Schalldämpfer für die Gasturbine. Eine
wahlfreie Überbrückung 908 kann bereitgestellt
werden, so dass die Abgase in die stromabwärts gelegene
Ausrüstung geschickt werden können, wie Separatoren/Kühler 208, damit
der Gasturbinenauslass gedämpft wird, wenn der Trockenbehälter
abgeschaltet ist, und damit die Abgase vor der Freisetzung in die
Atmosphäre während eines solchen vorübergehenden
Betriebs gereinigt werden. Oder die Abgase von der Überbrückung 908 können
zu einem Wärmetauscher, zum Erwärmen von Wasser, zum
Erwärmen des Tierstalls oder einer anderen Klimaanlage
oder für Verfahrensenergieanforderungen geleitet werden.
Diese Überbrückung eliminiert die Kosten, die
auftreten, wenn ein gesonderter Schalldämpfer zur Erfüllung
der Lärmbeschränkungen an der Gasturbine verwendet,
wenn der Trockenbehälter abgeschaltet ist, und sie stellt
eine kompaktere Bauweise für fahrbare oder auf LKWs befestigte
Einheiten bereit.
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Das
Dung-Ausgangsmaterial 215 wird zu dem Trockenbehälter 200 geleitet,
und zwar zusammen mit den Abgasen aus dem Anschluss 105 und
jeglicher ergänzender Wärme, die von einer alternativen
oder ergänzenden Wärmequelle 107 bereitgestellt
wird. Das Dung-Ausgangsmaterial stammt vorzugsweise direkt von den
Dunggruben 901, in Tierställen 900, so
dass es frisch ist und wenig oder keine Zeit zur biologischen Umwandlung
hat. Andere Quellen für Dung-Ausgangsmaterialien 910 können
in dem System verwendet oder darin enthalten sein, wie aufgehäufter
Dung oder eingebrachter Dung aus anderen Betrieben, der mit dem Dung
aus einem dazwischen liegenden Stall vereinigt oder gemischt wird.
Wie hier offenbart kann anderer Bioabfall, organische Materialien,
anorganische Materialien oder Additive mit dem Dung vereinigt werden,
damit er in dem erfindungsgemäßen System verarbeitet
wird.
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Der
Ausgang aus dem Trockenbehälter wird über 205 in
die Separatoren bzw. Kühler geleitet, der so ausgelegt
ist, dass er die Feststoffe 912 für ein weiteres
stromabwärts erfolgendes Verarbeiten trennt, die Wasserdämpfe
als wieder gewonnenes Wasser kondensiert und die Gase 914,
die in die Atmosphäre abgelassen werden, reinigt. Das wieder
gewonnene Wasser kann stromabwärts als Verfahrenswasser
verwendet werden, zur Verwendung bei der Herstellung oder Konditionierung
von Dung-Ausgangsmaterial rezykliert werden, als Viehtränkewasser
verwendet oder zur Feldfruchtbewässerung verwendet werden.
Der Feststoffausgang 912 aus den Separatoreinheiten 208 wird
gewöhnlich durch Mahlen, Pelletieren, Granulieren, Einsacken
usw. weiter verarbeitet. Die Feststoffe 912 können
jedoch als Zwischenprodukt zur Bildung anderer Produktarten verwendet
werden. Sie können beispielsweise zur Verwendung beispielsweise
in Ballen verpackt werden, und zwar ähnlich wie ein Torfmaterial,
sie können zu Briketts, Rollen oder andere Formen geformt
werden, die bei der Erosionsverhinderung, wie Strohwalzen, verwendet
werden (die aber einen höheren Nähr- oder Bodenaufbauwert
als Stroh haben), sie können allein oder in Kombination
mit anderen Materialien zum Verbrennen verwendet werden, so dass
der Brennwert des Materials genutzt wird, sie können in
einem Biokonversionssystem zur Produktion von Methan oder Biogas-Kraftstoff
verwendet werden, sie können als Tierfutter verwendet werden
oder sie können für eine gewünschte Verwendung
oder für eine weitere Verarbeitung zu einem späteren Zeitpunkt
aufbewahrt werden. Entsprechend wird der Mehl- bzw. Pulverausgang 914 aus
dem Mahlbetrieb gewöhnlich durch Pelletieren, Granulieren,
usw. weiter verarbeitet, kann aber als Zwischenprodukt verwendet werden,
so dass andere Produktarten erhalten werden, wie ein Schlamm zum
Sprühanwenden, Hydro-Mulchen usw. Das Endprodukt 915 wird
vorzugsweise als Düngemittel verwendet, eignet sich aber
auch wie oben für Zwischenprodukte.
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In
jedem der stromabwärts befindlichen Betriebe kann der Wasserdampf
gewonnen und zu den Separatoren bzw. Kühlern 208 zur
Wiederverwendung rezykliert werden. Die erfindungsgemäßen
Systeme lassen sich offensichtlich an verschiedene Konfigurationen
und verschiedene Designs anpassen, die von den Verfahrensanforderungen
und Ökonomien bestimmter Tierhaltungsbetriebe abhängen.
Verschiedene herkömmliche Wärmegewinnungs- und
Reyzklieraspekte, die in der 5 nicht
gezeigt sind, können zu einer kommerziellen Installation
der erfindungsgemäßen Systeme ausgelegt werden,
indem man gewöhnliche Qualifikationen zur Ausgestaltung
der Verfahrenstechnik verwendet, wie u. a. die in der 1 gezeigte
Feinstoff-Rezyklierung 305, die Verwendung des Gas- bzw.
Dampfstroms 914 für verschiedene Wärmegewinnungs-
und Vorwärmanwendungen, das Einbringen von Bindemitteln,
Additiven und Mischmaterialen an verschiedenen gewünschten Stellen
im System, das Kühlen der Verbrennungsluft und/oder Tierstall-Ventilationsluft,
beispielsweise durch Wasserberieselung, zur Steigerung der Effizienz und
des Energieausgangs der Gasturbinen, Entwässerung von Dung-Ausgangsmaterial
mit sehr hohem Wassergehalt usw. Das fertig pelletierte, granulierte
oder geprillte Produkt 915 kann eingesackt oder in großer
Menge für konventionelle Endgebrauchsanwendungen versandt werden.
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Dem
Fachmann ist es ersichtlich, dass mehrfache Gasturbinen, andere
Motoren und/oder Brenner gleicher oder verschiedener Arten und Größen
gemeinsam vervielfältigt werden können, damit
mehrfache Trockenbehälter gleicher oder verschiedener Arten
und Größen in einer einzelnen Installation beschickt
werden können. Dies kann erfolgen, damit nicht nur eine
erhöhte Ausgangsmaterial-Verarbeitungskapazität
geschaffen wird, sondern auch eine Arbeitsflexibilität
zum Verarbeiten verschiedener Ausgangsmaterial-Beschickungen und
zum Durchführen der Ausrüstungs-Wartung bereitgestellt
wird, ohne dass der Betrieb ausgesetzt werden muss.
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Es
wurden zwar verschiedene Ausführungsformen dieser Erfindung
veranschaulicht und beschrieben, diese dienen jedoch lediglich der
Veranschaulichung, und es können bei der Erwägung
dieser Erfindung und innerhalb des Schutzbereichs der folgenden
Ansprüche verschiedene Änderungen und Modifikationen
vorgenommen werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
Erfindung betrifft Anlagen und Verfahren zur Umwandlung von Gülle
in neue Düngemittel und/oder Bodenaufbauprodukten für
den organischen Landbau. Die Anlage umfasst einen Gasturbinengenerator
(bevorzugt eine Wärmequelle), einen Trocknerbehälter
sowie eine Bearbeitungseinheit, wobei die Leitung zwischen Gasturbine
und Trockner im Wesentlichen die gesamten Abgase der Gasturbine
in den Trockner leitet und im Wesentlichen die Einführung
von Luft in den Trockner ausschließt. In den Trockner gelangt
die Gülle und wird dann mit den Gasen der Gasturbine zusammengebracht,
wobei die Gülle in ein Trockenmaterial umgewandelt wird.
Dieses gelangt dann zur Bearbeitungseinheit, wo es in ein Granulat,
Pellets oder in eine andere gewünschte Form für
das fertige Trockendüngerprodukt umgewandelt wird. Das
Verfahren umfasst das Trocknen, Erwärmen und Umwandeln
der Gülle unter Herstellung eines neuen selbstbindenden
Düngemittels und Bodenaufbauprodukts für den organischen
Landbau und andere Zwecke.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5535528 [0006]
- - US 5685153 [0006]
- - US 6039774 [0006, 0049]
- - US 6125633 [0006]
- - US 6173508 [0006]
- - US 6171499 [0006]
- - US 6524632 [0006]
- - US 6613562 [0006]
- - US 6682578 [0006]
- - US 5354349 [0009]
- - US 6461399 [0009]
- - US 6517600 [0009]
- - US 6645267 [0009]
- - EP 0677237 [0041]
- - US 5746006 [0054]
- - US 5570517 [0054]
- - US 6367163 [0054]
- - US 4997469 [0070]
- - US 5676729 [0070]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - www.eia.doe.gov/oiaf/1605/ggrpt/ [0072]