接触式干燥机的能量回收

技术领域

本发明涉及从接触式干燥机中回收能量的领域，以及在接触式干燥机中使用回收的能量对含水的固态物质组成物进行干燥的方法。

背景技术

干燥是涉及同时热转移和物质转移的复杂过程，用于使水从溶液、悬浮液或其他固-液混合物中汽化以形成干燥的固体。这个过程往往被用作销售或包装产品前的最终生产步骤。

干燥步骤降低溶质或水分水平，以改善产品的储存和处理特性，在储存和运输期间保持产品质量，并降低运输成本(减少水分，并因此减少要运输的重量和体积)。

在直接干燥过程中，热空气的气态流通过对流来施加热，并将蒸气作为湿气带走。EP2511636A1公开了一种直接干燥机，在该直接干燥机中，过热蒸汽与待干燥的湿产品直接接触。湿产品和过热蒸汽之间没有壁或物理分离件。然而，直接干燥并不总是首选的干燥方法。

在间接干燥过程中，诸如在接触式干燥机中，往往使用饱和蒸汽作为能量源。在这种过程中，经由与待干燥的固态物质组成物接触的热表面，由饱和蒸汽提供热。间接式/接触式干燥机的一些优点是：

-它避免了微细材料被夹带在工艺蒸气(process vapour)中的问题。

-加工环境可以得到较严格的控制，这是处理在某些环境下可燃的材料时的理想特性。

-可以对食品级材料进行干燥，该食品级材料不应接触工艺蒸气以避免污染。

本领域已知的接触式干燥机存在以下问题，即由于其构造，用于产生蒸气通常是用于产生水蒸气/蒸汽的大量能量没有被回收。当接触式干燥机没有与其他外部过程连接，而是作为独立的系统使用时，情况尤其如此。这使得干燥成为非常耗能的过程。据报道，一般而言，干燥占工业部门能源消耗的12％到20％不等。因此，有必要使这些过程较为节能，例如通过能源回收。

已经出现了一些技术来提高干燥的能源效率。一个这种示例是过热蒸汽干燥，在EP2511636A1中也有描述，应用于直接干燥系统。然而，过热蒸汽干燥的应用在很大程度上取决于产品特性。过热蒸汽干燥的重要缺点是为了以热的形式回收足够的能量而对产品产生高温影响。所使用的高温意味着这种过程不适合用于对食品产品或饲料产品进行干燥。在较低温度下捕获的热不足以在同一干燥过程中重新使用，并且通常只能用于在另一不相关的过程中提供能量。因此，过热蒸汽干燥并不表示使用能源回收的独立装置的合适解决方案，特别是用于对食品级产品或饲料级产品进行干燥。

已知蒸气螺杆压缩机用于化学工业的各个部分、酿酒厂和蒸馏厂，以在蒸馏过程期间例如从麦芽汁釜中对汽化潜热进行回收。然而，以前没有公开过将蒸气压缩机与接触式干燥机一起使用的情况，优选地在开放系统中使用的情况。由于使用蒸气压缩机所带来的各种挑战，这种技术的结合并不明显：

-被夹带在工艺蒸气中的、被干燥的产品中的杂质/颗粒被输送到压缩机中，在压缩机中它们可能会造成相当大的磨损和损坏；

-不可凝聚物(主要是从被干燥的产品中释放出来的空气)在工艺蒸气中积聚，从而降低了干燥温度、热转移容量，并减少了因此可以回收的能量。

-在不受理论约束的情况下，干燥机在较低的温度下运行，这在压缩机与干燥机之间产生了较小的ΔT。较低的温差允许整个系统以较高的效率运行。然而，为了达到相同的容量，需要大幅增加干燥机的尺寸；以及

-根据被干燥产品的特性，工艺蒸气中的酸性意味着常规的接触式干燥机不具备处理这种苛刻状况的能力，并且对于食品产品或饲料产品往往是这种情况。

US20180172348公开了在流干燥装置中通过螺杆挤压机挤压材料以提取水分含量(参见图1-19的描述)。没有公开对来自流干燥装置的蒸气进行压缩的蒸气压缩机。

因此，本发明的目的是提供一种用于对含水的固态物质组成物进行干燥的装置和/或方法，该装置和/或方法比常规接触式干燥机需要更少的能源消耗。

本发明的另一目的是提供一种用于对含水的固态物质组成物进行干燥的装置和/或方法，该装置和/或方法可以从源自接触式干燥机的工艺蒸气中回收汽化潜热。

还期望提供一种节能的干燥装置，该装置不依赖于与用于能量回收的其他外部热过程连接，使得它可以独立存在并以节能的方式独立使用。

还期望这样的装置能够在大规模的工业状况下使用，即经受住以下苛刻条件：工艺蒸气(通常是水蒸气)、和固有的杂质/颗粒、以及可能源自待干燥产品的酸性。

发明内容

通过提供一种适合对含水的固态物质组成物进行干燥的装置，至少部分地解决了上述目的及其他目的，该装置包括：

(i)一个或更多个接触式干燥机(1)，适于利用来自工艺蒸气的汽化热对所述固态物质组成物进行干燥；

(ii)蒸气压缩机(5)，适于对工艺蒸气进行压缩以使所述工艺蒸气的温度和压力增大；

其中，一个或更多个接触式干燥机(1)的工艺蒸气出口(1.3)直接地或间接地连接到蒸气压缩机(5)的工艺蒸气进口，以及蒸气压缩机的工艺蒸气出口直接地或间接地连接到一个或更多个接触式干燥机(1)的工艺蒸气进口(1.4)。

接触式干燥机包括工艺蒸气进口(1.4)和工艺蒸气出口(1.3)。蒸气压缩机(5)包括工艺蒸气进口和工艺蒸气出口。

更特别地，适于对含水的固态物质组成物进行干燥的装置优选地还包括一个或更多个净化装置以及：

(iii)第一连接装置(2)，适于将工艺蒸气从所述一个或更多个接触式干燥机转移到所述一个或更多个净化装置(3)；

(iv)所述一个或更多个净化装置(3)适于降低工艺蒸气中存在的任何杂质/颗粒的水平；

(v)第二连接装置(4)，适于将经净化的蒸气从所述一个或更多个净化装置转移到蒸气压缩机(5)；

(vi)可选地适于将新鲜蒸气注射到第三连接装置(6)中的装置(7)，该第三连接装置使蒸气压缩机与一个或更多个接触式干燥机(1)相连接。

本发明还包括适于对含水的固态物质组成物进行干燥的方法，优选地使用本发明的装置，该方法包括以下步骤：

(i)在接触式干燥机中对固态物质组成物进行干燥，其中用于干燥组成物的热由工艺蒸气和可选的新鲜蒸气产生；

(ii)可选地将工艺蒸气从接触式干燥机转移到一个或更多个净化装置，以在所述净化装置中降低工艺蒸气的任何杂质/颗粒水平，随后将经净化的工艺蒸气从所述净化装置转移到蒸气压缩机；

(iii)在蒸气压缩机中压缩(可选地经净化的)工艺蒸气，优选地以单阶段过程进行；

(iv)将经压缩的工艺蒸气转移到接触式干燥机中；

(v)可选地将新鲜蒸气注射到(第三)连接装置中，该连接装置使蒸气压缩机与接触式干燥机相连接；以及

(vi)从接触式干燥机中回收经干燥的固态物质组成物。

本发明还涵盖以下用途和方法，这些用途和方法可以与上文和下文描述中提供的任何优选特征相结合：

-一种通过使用能够从源自接触式干燥机的工艺蒸气中至少部分地回收汽化热的蒸气压缩机来提高接触式干燥机的能源效率的方法，其中，所回收的汽化热在同一接触式干燥机中被用于干燥。

-在包括用于对含水的固态物质组成物进行干燥的接触式干燥机的装置中使用蒸气压缩机，从而从源自接触式干燥机的工艺蒸气中至少部分地回收汽化热，其中，所回收的汽化热在同一接触式干燥机中被用于干燥。

-在包括用于对含水的固态物质组成物进行干燥的接触式干燥机的装置中使用蒸气压缩机，与以下装置相比提高了装置的能源效率：不包括蒸气压缩机的相同装置；和/或包括具有蒸气压缩机的热泵回路的相同装置。

因此，本发明涉及压缩机在接触式干燥系统中的新应用。干燥过程中产生的蒸气被压缩机重新压缩，因此它可以在同一系统中重新用于干燥，从而形成节能的独立装置。

附图说明

图1例示了结合示例1讨论的装置。

具体实施方式

1.

根据本发明的装置适于对含水的固态物质组成物进行干燥。本文所用的“组成物”一词是基板、产品等的同义词。固态物质在本文是固体、固体或非液体材料、或物质等的同义词，它们在环境温度下处于固体状态。

待干燥的固态物质组成物可以是任何形式：乳剂、悬浮液、糊剂或其他粘性形式；粉末、微粒或颗粒形式，例如可以是颗粒状、砂砾状、粒状、微细状、或粗糙状；造粒形式；挤压形式，诸如连续片状、带状、股状或丝状等。优选地，组成物为粉末、微粒或颗粒形式。固态物质组成物可以是结晶的、半结晶的、非结晶的或其混合物。固态物质组成物在使用根据本发明的装置或干燥方法后可以保留其形式。

固态物质组成物可以选自有机物质(诸如生物物质或生物材料)、碳基聚合物(诸如塑料)、或无机物质(诸如金属、陶瓷或复合材料)。

优选地，固态物质组成物是食品组成物或饲料组成物，并且更优选地是饲料组成物。

例如，固态物质或固态物质组成物可以选自：

-在从谷物诸如玉米或小麦制备淀粉和甜味剂期间获得的釜馏物；

-谷物、谷粒、谷类胚乳、谷类胚芽、谷类麸皮或谷类衍生产品，如谷物片、淀粉(天然或改性)、麦芽糊精、糖浆等，其中谷物可以是玉米或玉蜀黍、大米、野生稻、小麦(包括斯佩尔特小麦、单粒小麦、二粒小麦、硬质小麦、卡姆小麦等)、大麦、高粱、小米、燕麦、黑麦、黑小麦等及其混合物；

-蒸馏谷物，包括湿蒸馏谷物(WDG)和含可溶物的干蒸馏谷物(DDGS)，即来自啤酒厂、蒸馏厂和生物乙醇厂的蒸馏过程的谷类副产品，其中谷物可以是玉米或玉蜀黍、大米、野生稻、小麦(包括斯佩尔特小麦、单粒小麦、二粒小麦、硬质小麦、卡姆小麦等)、大麦、高粱、小米、燕麦、黑麦、黑小麦等及其混合物；

-纤维材料，包括纤维诸如木质纤维(包括磨木浆、白皮、热机械浆、漂白或未漂白的牛皮纸或亚硫酸盐纸浆等)、植物纤维(包括竹、棉、大麻、黄麻、亚麻、苎麻、剑麻、甘蔗渣、香蕉和椰子纤维等)、膳食纤维(包括可溶性纤维和不可溶性纤维，无论是合成的、还是天然的、还是天然提取的、还是从自然界提取的)、动物纤维等；

-其他食品以及含脂肪组成物和/或含蛋白质组成物和/或含脂质组成物和/或含膳食纤维组成物；

-洗衣粉形式的洗涤剂，以及

-盐，无论是开采的还是从海水中生产的。

根据本发明的装置和方法适于对含有需要至少部分移除的水的固态物质组成物进行干燥。本文所限定的“干燥的”固态物质组成物是具有比根据本发明的干燥方法之前更低的水分含量的固态物质组成物。

根据所需的产品规格，可以实现固态物质组成物中任何数量的水分减少。技术人员将知道如何操作接触式干燥机，以便根据固态物质组成物的特性来获得固态物质组成物的最终期望的水含量。

作为非限制性的示例，在从谷物诸如玉米或小麦制备淀粉和甜味剂期间获得的釜馏物的情况下，干燥前的釜馏物通常仅包含10％-20％的干燥物质。在接触式干燥机中干燥后，釜馏物可能包含超过80％的干燥物质。

2.

2.1.

根据本发明的装置包括接触式干燥机。“接触式干燥机”在本文中是指间接地向组成物提供热的干燥机，例如通过壁向组成物提供热的干燥机。这些也被称为间接式干燥机。根据本发明，热工艺蒸气(优选地蒸汽，更优选地饱和蒸汽)穿过干燥机(例如通过管道或通过蒸汽夹套)，从而加热表面。待干燥的固态物质组成物通过加热表面的另一侧，从而被加热到允许组成物中的水分蒸发的温度。在任何时候，固态物质组成物都不会与热工艺蒸气直接接触。热工艺蒸气的凝聚物可以通过废气流等方式移除。

事实上，本发明可以适于所有接触式干燥机，这些接触式干燥机不需要将(热)空气或其他热转移介质直接应用到待干燥的产品。可以使用的接触式或间接式干燥机的其他示例是蒸汽带式干燥机或螺旋输送干燥机。

接触式干燥机优选地选自以下中的至少一种：

-静态壳体中的可旋转式蒸汽管束干燥机；

-可旋转式管束干燥机(也被称为间接旋转式干燥机)；

-薄膜干燥机；或者

-接触式滚筒干燥机；

-转筒干燥机；

-蒸汽带式干燥机；或者

-螺旋输送干燥机。

优选地，接触式干燥机是静态壳体中的可旋转式蒸汽管束干燥机。这意味着各个管是可旋转的，因此当管被蒸气加热时，待干燥的组成物可以落在管之间。

在旋转式管束干燥机中，整个外壳是可旋转的，而不是单个管旋转。

薄膜干燥机可以是搅拌式或涡轮式干燥机。

该装置还可以包括不止一个接触式干燥机，这些接触式干燥机可以按顺序安装(如果产品必须经过多次干燥以达到期望的水分含量)或并行安装(例如为了增加容量/产量)。多个干燥机可以根据需要通过所述干燥机之间的进一步连接装置进行连接。

本发明人发现，在常规的接触式干燥机中，根据待干燥的组成物，接触式干燥机的与工艺蒸气持续接触的表面可能迅速开始降解。在不受理论约束的情况下，由于装置的设置和工艺蒸气的重复使用，已经发现工艺蒸气可能是酸性的，特别是在待干燥的组成物包含食品或饲料的情况下。在这种情况下，pH值的范围可能低至2-6。这意味着常规的接触式干燥机在应用于对产生酸性蒸气的组成物例如食品组成物或饲料组成物进行干燥时不适于该装置和方法。在这种情况下，人们发现的是，优选地接触式干燥机的与工艺蒸气接触的表面应由耐酸材料制成。更优选地，接触式干燥机的与工艺蒸气接触的表面(以及优选地该装置的任何其他表面)是由不锈钢、钛或其合金制成。具体示例包括不锈钢合金316Ti(例如，DIN/EN指定编号1.4571)。

干燥机可以在真空、超压或大气压下运行。优选地，干燥机在轻微超压下运行，即比大气压力高50mbar，更优选地比大气压力高20mbar，最优选地比大气压力高10mbar。在轻微超压下运行干燥机可以阻止空气在装置的使用期间进入装置。

2.2.

适于对含水的固态物质组成物进行干燥的装置优选地还包括一个或更多个净化装置。根据待干燥的产品，源自接触式干燥机的工艺蒸气可以经由第一连接装置被输送到一个或更多个净化装置。净化装置应适于降低工艺蒸气中的任何杂质水平。杂质在本文中是指任何可能源自待干燥组成物的小颗粒/微粒/粉末/粉尘。

人们还发现，当干燥某些组成物时，诸如对含有食物或饲料的组成物进行干燥时，工艺蒸气可能是酸性的。在这种情况下，也可以通过在净化装置中加入碱来中和净化装置中的酸性或至少增加净化装置中的pH值。

可替代地，但较不优选地，可以在洗涤器和压缩机之间沿第二连接装置包括另外的混合装置，以允许添加碱。

令人惊讶地，发明人发现的是，通过应用净化装置来移除工艺蒸气中的杂质/颗粒，结垢的风险和快速磨损下游蒸气压缩机的风险显著降低，使得该装置和方法在工业上和经济上变得可行。

优选地，净化装置选自洗涤器或过滤系统。更优选地，净化装置是洗涤器，甚至更优选地是湿式洗涤器。

可以使用一个或更多个净化装置。优选地仅使用一个净化装置。

当使用不止一个净化装置时，这些净化装置可以按顺序或并行地安装。

优选地，净化装置的与工艺蒸气接触的表面由耐酸材料制成，以抵御潜在的酸性工艺蒸气。更优选地，与工艺蒸气接触的表面是由不锈钢、钛或其合金制成。具体示例包括不锈钢合金316Ti(例如，DIN/EN指定编号1.4571)。

2.3.

蒸气压缩机适于使经净化的工艺蒸气的温度和压力增大。这种压缩方式也被称为机械式蒸气再压缩(MVR)。

优选地，蒸气压缩机选自以下中的至少一种:

-螺杆压缩机；

-离心式压缩机；

-涡轮式压缩机；

-涡旋式压缩机；或者

-活塞式压缩机；

更优选地，蒸气压缩机是螺杆压缩机，甚至更优选地是干式螺杆压缩机。令人惊讶地发现，螺杆压缩机可以较好地承受即使在净化装置之后仍余留在工艺蒸气中的工艺杂质和颗粒，同时提供高压缩比，并由此显著提升温度，优选地以单阶段过程进行，即在开放系统中进行。

优选地，蒸气压缩机以电动方式运行。这主要是出于环境原因。例如，可以使用风力涡轮机或太阳能电池板来产生运行蒸气压缩机所需的电力。

这种蒸气压缩机的应用是令人惊讶的，因为：

-该装置可以是独立的装置(不需要与工厂的其他操作同步，以便当场重新使用回收的能源)；

-蒸气压缩机可以以中/低速(3000-6000rpm)运行，因此可以延长使用寿命；

-蒸气压缩机很鲁棒，因此不容易受到通过洗涤器操作的微粒的影响。

根据本发明使用的蒸气压缩机可以是热泵回路的一部分。本领域已知的许多热泵回路可以包括作为第二级系统的压缩机。这些也被称为封闭系统。因此，再压缩是通过双阶段过程进行的。

然而优选地，根据本发明的装置不包括封闭式热泵回路。因此，根据本发明的蒸气压缩机不是封闭式热泵回路的一部分。因此，蒸气压缩机可以作为单阶段过程运行。因此，工艺蒸气的再压缩是在开放系统中进行的。已经发现的是，在没有热泵回路的情况下使用蒸气压缩机可以获得较高的效率。

优选地，蒸气压缩机的与工艺蒸气接触的表面由耐酸材料制成，以抵御潜在的酸性工艺蒸气。更优选地，与工艺蒸气接触的表面是由不锈钢、钛或其合金制成。具体示例包括不锈钢合金316Ti(例如，DIN/EN指定编号1.4571)。

2.4.

术语“连接装置”在本文中是指适于按照本发明的要求将工艺蒸气从装置的一个部分传递到另一部分的任何装置。优选地，连接装置是适于传递所述工艺蒸气的任何种类的导管、管、管道、管路、管线、软管、通道或输送管。

优选地，连接装置的与工艺蒸气接触的表面由耐酸材料制成，以抵御潜在的酸性工艺蒸气。更优选地，与工艺蒸气接触的表面是由不锈钢、钛或其合金制成。具体示例包括不锈钢合金316Ti(例如，DIN/EN指定编号1.4571)。

2.5.

需要注射新鲜蒸气(蒸汽)来启动干燥过程。此后，新鲜蒸气(蒸汽)的加入是可选的。

当过程中的能量损失(例如，绝缘损失和其他轻微的低效率)不能完全由压缩机的能量输入来补偿时，通常需要注射新鲜蒸气(蒸汽)。此外，在维护或需要修理蒸气压缩机的情况下，新鲜蒸气源作为备用很有用，以便能够继续运行装置来进行干燥(而没有能量回收)。

作为示例，接触式干燥机的总热容量中最多有10％可能源自注射到装置中的新鲜蒸气。此外，本发明人发现，新鲜蒸气优选地被注射到蒸气压缩机与接触式干燥机之间。新鲜蒸气优选地在最小超压下(更优选比连接装置中的工艺蒸气的压力高不到100mbar)和饱和状态下注射。优选地，新鲜蒸气是蒸汽，更优选地是饱和蒸汽。优选地，新鲜蒸气源自于锅炉。

因此，装置还可以包括适于将新鲜蒸气注射到(第三)连接装置中的注射装置，该连接装置将蒸气压缩机与干燥机相连接。优选地，以适于补偿在装置使用期间发生的热损失的量将新鲜蒸气注射到第三连接装置中。

2.6.

此外，在接触式干燥机之后，不可凝聚物和凝聚蒸气可以进入分离器。不可凝聚物优选地被分离，以便将凝聚物作为纯液体流排出。因此，根据本发明的装置还可以包括连接到所述接触式干燥机的分离器，该分离器适于将源自接触式干燥机中的产品的不可凝聚物分离。该分离器可以是小型的开放式罐，其中不可凝聚物被闪蒸走。

3.

优选的工艺蒸气是在干燥过程期间从固态物质组成物中喷出的水蒸气。因此，注射到系统中的新鲜蒸气优选地为蒸汽，更优选地为饱和蒸汽。

工艺蒸气优选地是饱和的，因此它们不包含任何液滴/凝聚物。

根据本发明的示例

如图1所示，提供了以下装置。设置了一种可旋转式蒸汽管束干燥机(1)，该可旋转式蒸汽管束干燥机适于对从用于生产淀粉的小麦加工设备的侧流中获得的釜馏物进料流进行干燥。该干燥机具有进入干燥机的进料进口(1.1)，以及用于干燥进料的出口(1.2)和用于工艺蒸气的出口(1.3)。干燥机还有用于工艺蒸气/新鲜蒸气的进口(1.4)和用于空气的进口(1.6)，以及用于凝聚物和不可凝聚物的混合物的出口(1.5)。

干燥机(1)在工艺蒸气(1.3)的出口处经由第一连接装置(2)连接至湿式洗涤器(3)的进口。洗涤器(3)在出口处经由第二连接装置(4)连接至干式螺杆压缩机(5)的进口。螺杆压缩机(5)在出口处经由第三连接装置(6)连接至干燥机(1)的蒸气进口(1.4)。在第三连接装置(6)中设置了注射装置(7)，该注射装置用于将新鲜蒸汽注射到系统中。

用于凝聚物和不可凝聚物的混合物的干燥机出口(1.5)连接至适于将该混合物分离为凝聚物和不可凝聚物(例如空气)的分离器(8)。

还提供了一种将水添加到螺杆压缩机(5)中以提高工艺蒸气饱和度的装置。

在可能的情况下，特别是在导管、干燥机、洗涤器和螺杆压缩机中，装置的与工艺蒸气接触的表面主要由耐酸材料制成，即DIN/EN指定编号1.4571的不锈钢合金316Ti。

根据本发明的干燥方法，使用图1所示的装置对作为进料的釜馏物、麸皮和回收材料(“回收物”)的组成物进行干燥。回收物是指已经干燥过一次的产品，并且回收物与新鲜产品一起被重新放入干燥机中进行干燥，以避免干燥机中的产品变粘。

表1:

在装置的整个干燥过程中对条件进行了测量，这些条件被示出在下面的表2中。

表2:

通过让干燥机在140℃左右的温度下运行，成功地将固态物质组成物从22wt％的水分含量干燥到10wt％。干燥机出口处的干燥产品的细节被示出在下面的表3中：

表3:

使用根据图1的装置的干燥方法所需的能量消耗与常规的蒸汽管束干燥机的能量消耗进行了比较(见下文表4)。运行根据本发明的方法所需的能量输入大量减少。

令人惊讶地，以蒸气(工艺蒸气和新鲜蒸汽)形式进入干燥机的热容量中，不到10％源自新鲜蒸汽。人们发现，通过添加这种新鲜蒸汽，并在大气压或略高于大气压的情况下(即最多比大气压高10、20或50mbar)运行干燥机，可以克服使用夹带空气和颗粒的工艺蒸气所带来的缺点。添加新鲜蒸汽还可以补偿过程期间的少量热损失。

此外，通过使用与工艺蒸气接触的表面主要由耐酸材料即不锈钢合金制成的干燥机、连接装置(即导管)、洗涤器和螺杆压缩机，可以令人惊讶地控制源自进料的工艺蒸气的酸性。常规的蒸汽管束干燥机不是由这种材料制成的，因此这需要对干燥机的一些元件进行大量的重新设计。

还观察到，本发明的装置中的干燥机必须大得多，以便为相同的产量创造较大的表面积。这弥补了干燥机中从160℃到140℃的温度下降，并使螺杆压缩机的效率更高。

螺杆压缩机本身可以在单阶段过程中以低速运行。

表4: