CN1070982A - 从含有影响传热之杂质的热流体中提取热的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种从含溶解度与液体温度成比例的结垢物质 的热液体中提取热的方法。该方法包括提供一个含 液池，并在池中设置一根上端基本封闭、开口下端浸 入池液中并距池底有一距离的垂直管，以在管内液柱 上方建立一个收集区。向收集区供给热液体，建造和 布置池和管，使池液和柱液基本呈流体静力学平衡。 结果，收集区保持在可使供入收集区的液体部分地闪 蒸成蒸汽从而浓缩柱内液体的压力下。最后，管的开 口下端形成结垢物质因收集区下液体浓缩而沉淀到 池底的通道。

Description

本发明涉及一种含有影响传热之杂质的热流体中提取热的方法和装置，更具体地说，涉及一种从含有盐和/或硅化物的地热盐水，或从含夹带颗粒的气体，或从含有毒化合物的气体如烟道气中提取热的方法和装置。

本申请与1990年1月23日颁发的US4894993的主题有关，该文献在此结合参考。

利用地热盐水作热源的发电厂的数目正在逐年增长。在多数情况下，将地热自流蒸汽由热的地热盐水闪蒸的蒸汽用于驱动发电机的蒸汽透平。在许多地点，地热盐水含有大量溶解的结垢物质，其溶解度与溶液的温度成比例。

如果利用这种方案，许多电厂主要关心盐和/或二氧化硅在地热水中的存在，以及其在盐水流经工厂期间冷却时在电厂各设备部件中沉淀的可能性，或者在输送废盐水到回注井的管道中或甚至在回注井中沉淀的可能性。这种沉淀产生阻力，甚至可能堵塞流体流通，因而，各种换热器需要进行昂贵的清洗操作，这可能包括关闭设备。

通过闪蒸由盐水产生蒸汽时，由于闪蒸操作同时冷却盐水并增加了其浓度，盐和/或二氧化硅的沉淀特别麻烦。因此，这样的地热电厂常常限定于中等或高温地热源（例如高于约160℃），因为整个厂的盐水温度将高得足以防止作为大多数地热盐水主要组分的盐和/或二氧化硅在电厂各种设备中的沉淀。

为了利用低温地热资源，一般借助于一台换热器将地热盐水中的热量传递到一种有机流体中，由此冷却盐水并蒸发有机流体，后者在一透平发电机中膨胀以作功并加热废蒸汽。用一台空气或水冷冷凝器冷凝由透平发电机排出的蒸汽，将所得冷凝液送回换热器，随后重复该循环。冷盐水通常用管子输送到回注井并使其返回地下。在这种情况下，盐水总是维持在高于使盐和/或二氧化硅发生沉淀的温度下。

在某些情况下，热源井中地热盐水中的盐和/或二氧化硅是饱和的，这样，就不能在电厂使用该盐水，因为盐水闪蒸或进入换热器时发生的冷却会引起盐和/或二氧化硅的沉淀。在其它情况下，热源盐水中盐和/或二氧化硅含量很高，以致于在闪蒸室对盐水闪蒸时可以达到饱和温度，或在换热器中与有机流体换热过程中达到该温度。在这些情况下，也存在麻烦的维修问题。

结果，在许多热盐水超过175℃的地热地点，虽然该温度可以经济地实现有机流体基础电厂，但由于盐水中的盐和二氧化硅含量，因而不能用于发电。

工业过程以及燃烧过程，是含有影响传热的颗粒状杂质的另一来源。这些流体的例子是含颗粒的热气。例如，在铁合金工厂，设备排出的热气带有大量二氧化硅颗粒;实际上，只有在杂质即空气夹带的二氧化硅可以在利用其热量所允许的方式处理时，才从可用于加热或生产蒸汽、电等的热空气中回收它。在现有技术中，且已发现，换热器使用含颗粒的热空气时，颗粒与气体接触时会沉积在传热器表面上，引起换热器的结垢。这就需要有定期地进行清洗操作。因此，由于结垢问题，换热器需用昂贵的合金制成，这就增加了设备及其维修的总投资。

例如，用于发电的燃烧过程是含影响传热的沉淀物状杂质的热流体的一种来源。该热流体可以通过洗涤燃烧燃料、特别是高硫煤炭或通常用于发电的油产生的烟道气而得到。众所周知，在烟道气向大气排放之前，为了除去有害气体，一般要洗涤烟道气。通常，烟道气含有颗粒及有害气体，要通过使其与含有钙或镁的氧化物或氢氧化物的溶液相接触对其进行清洗，以除去二氧化硫，所以，硫酸钙或硫酸镁沉淀进入洗涤液中。这种操作的结果是产生了大量含沉淀物的热液体。由于存在沉淀物，该液体中的热很难利用。

因此，本发明的目的是提供一种用于从含有诸如盐和/或二氧化硅一类杂质的热流体中提取热的新颖并改进的方法和装置。

按照本发明，从一种热流体中提取热，热流体例如为一种含有溶解度正比于液体温度的含结垢物质的热液体，但通常为某些蒸气，它可以是水蒸汽。该发明包括提供一个含有一种液体的水池，并在池中设置一根垂直主管，管上端基本封闭，开口的下端浸在池内的液体中，并距池底有一距离，以便在管内液柱上方建立一收集区。优先将热流体供入该收集区;这样建造和布置水池和水管，使得池内液体与柱内液体基本处于流体静力学平衡状态，使收集及压力维持在一定水平，使得收集区可以作为闪蒸室操作，供入收集区的某些液体在闪蒸室内闪蒸成为蒸汽，它可以在下游工艺中被利用。作为在管的收集区闪蒸的结果，留在管内的液体变浓了;沉淀的结垢物质借助于重力由主管下部开口端落到池底，而没有影响传热过程。由收集区闪蒸的蒸气要以提取热量以作功。如果沉淀在管外液体中发生，沉淀物也由重力沉降到池底。

供应主管的液体包括热水、热水溶液或热地热盐水，产生的蒸汽是水蒸汽，它可用来生产淡水或动力，或其两者结合。

积存在管下池底的沉淀物例如可以通过清淤排出。另外，如果沉淀物达到极限高度，可以用物理方法将管移至另一个地点。最好能防止主要由于蒸发而使池液冷却。为此目的，池面可以覆盖一层塑料薄膜。

为了在闪蒸发生时维持池面水位，向管内加入更多热流体，可从底中排放液体。排放的液体可以注回地下，在水、水溶液或地热盐水情况下用常规方式即可，较好的是用一个辅助的沉淀池，在此产生进一步冷却，引起更多的二氧化硅沉淀物沉降到沉淀池底。在这种情况下，在沉淀池中冷却的液体尔后可以回注到地下。

较好的是使水池在良好混合条件下运行，以保证沉淀物的集结，使液体在池中维持低于或接近于饱和状态，基本上避免过饱和状态。以这种方式，使液体适用进一步提取热量，或用于回注入地下。

作为任选方案，回注过程可以只在白天进行，这时沉淀池中盐水温度较高，从而保证对结垢物质有较高溶解度和将其带回地下。另外，可使由主池进入沉淀池之前的盐水与正在送往回注井的盐水进行热交换，以便升高待排放盐水的温度，从而提高回注液体中结垢物质的溶解度。

降水例如雨水可用来稀释含结垢物质的液体以完成向地下回注液体。另外，从热废蒸汽、或从冷凝液（它可由使用由地热盐水、或由用于发电的其它水基溶液和/或淡水产生的水蒸汽、热废蒸汽或冷凝液的工艺得到）提取的热量可以用来加热和/或稀释含结垢物质的液体以完成回注。

在另一种布置方案中，在主池中设有一个附加的垂直管，该管上端基本上是封闭的，并最好伸出池面之外，开口的下端浸入池中，并距池底有一距离，以使在附加管中液柱上方建立一个附加收集区。在管相对于池的这种结构及布置中，池内液体和管内液柱基本上呈流体静力学平衡状态;附加管的附加收集区可以保持在真空下，这样，该收集区可起一个闪蒸室的作用，使得收集区下面柱内的某些液体闪蒸为可在下流应用的蒸汽。供入主管的流体包括热水、热水溶液、或热地热盐水和某些蒸汽，通常为水蒸汽，在附加管收集区产生的蒸汽是水蒸汽，它可以用来生产淡水、或作功，或两者结合。

作为闪蒸操作的结果，在闪蒸操作时留在附加管中的液体变得更浓了。与降温与结垢物质增加浓度相伴随，结垢物质可在管中沉淀;结果，沉淀的结垢物质可靠重力通过附加管的下部开口端落至池底。如果沉淀产生在附加管外的液体中，也可以靠重力作用沉降到底底。

附加管在下端附近可以带有多个环形口。另外，附加管可以带有一个同心的内管，以保证较热的液体由池外部进入，同时作为闪蒸操作产生的较冷较密的液体的出口。

在一个进一步的实施方案中，附加管可在位于主管之内。在这种情况下，可以保证进入附加管的液体有较高的温度。

刚提到的两种布置中，由于进入附加管的液体的温度低于进入主管的液体的温度，因此附加管中液体的高度将高于主管中液体的高度。最后，可以进一步使用其它的附加管。

本发明也可用来从热气体中提取热，例如，从含有诸如二氧化硅之类的夹带颗粒的热空气、或含有夹带颗粒和/或诸如二氧化硫之类的有害化合物的热烟道气中。该热空气或气体与一种液体优选在槽或池中相接触，从此冷却空气或气体，并加热该液体。包含夹带的颗粒时，该颗粒被捕集在液体中。包含有害化合物时，在液体中发生化学反应，从而形成沉淀。

可将热空气或气体引入池中液体中，优选在较低的位置，或者可以通过将液体喷到热空气或气流中使空气或气体与液体相接触。液体可以是水、水溶液如海水或湖水、工业、民用或农用液体，以及剩余表面水或液烃。如果所用液体是水或水溶液，可以使用一根作为闪蒸室操作的管（即上述附加管），由其提取热。在这种情况下，可以生产水蒸汽，并用它来发电和/或生产淡水。

如果所用液体是烃，可用一个位于池外或也可任选在池内的换热器中热的液体和一种液体或传热流体间进行换热，例如通过将其蒸发。产生的蒸汽可在透平发电机中膨胀发电，也可用于其它目的。

液体中的颗粒或沉淀物最终沉到池底，可以按照需要将其除出。最后描述的实施方案特别适用于以环境安全的方式从烟道气或废气中提取热量。

下面用参照附图的实施例来说明本发明的具体实施方式。其中：

图1是本发明一种具体实施方式的剖视图;

图2是本发明第二实施方式的剖视图;

图2A是本发明另一实施方式的剖视图;

图2B是本发明又一实施方式的剖视图;

图2C是本发明再一实施方式的剖视图;

图3是一种可用来与本发明各种实施方案相连接的部分设备的方框图;

图3A是一种可用来与本发明各种实施方案相连接的另一部分设备的方框图;

图4是本发明一种进一步的实施方案的方框剖视图。

现在参考附图，图1中的参考号10表示按本发明一种实施方式从含有影响传热之杂质的热流体中提取热的装置。在图1、2、2A、2B、2C、3和3A的描述的具体实施例中，从一种热流体中提取热量，该热流体可以包括一种含有溶解度与液体温度成正比的结垢物质的热液体和某些蒸汽，通常为水蒸汽。通常，该热流体可由一种地热资源得到;在这种情况下，液体可为一种盐水，它可以是二氧化硅、碳酸盐、盐等形式的结垢物质的饱和或近饱和的溶液。该热流体可为水或一种水溶液，它通过与含夹带颗粒的热气相接触而被加热，例如含有由工业过程产生的二氧化硅的热空气。最后，该热流体可为一种化学溶液，它由含有害成分的烟道气与可使该有害成份反应生成沉淀物的溶液相接触而得到。在每种情况下，以一种方式回收流体中的热，该方式与液体中影响常规传热的杂质无关。为方便起见，对于从含有结垢物质的热液体盐水中回收热，尽管含有一些常为水蒸汽的蒸汽，下面叙述时均作为热盐水出现。

装置10包括主池12，其中容纳有优选来自热源11的液体，主垂直闪蒸管14由图中用参考号17表示的合适的支撑装置支撑在池底上。管14上端16基本上是封闭的，它可以伸出主池的表面18之上，开口的下端20浸在表面18以下的池中，并距池底有一定距离。由于采用管的这种位置，在与池液12连通之管中的液柱24A上方建立了收集区22。

含有结垢物质的热的地热盐水由管13供到管14。较好的是将热的液体供给保持在一定压力下（如下所述，低于管13中的压力）的收集区22，使收集区作为一个闪蒸室操作，在这里，由管13供给该管的一些热盐水闪蒸成为水蒸汽。供给该管的盐水的剩余部分被浓缩，其温度降低，可引起其中的结垢物质沉淀。如果发生沉淀，该设计可使沉淀物靠重力穿过管的下开口端20沉降到池底26，因为管14在底部是开口的。另外，由于管14悬在池12中，在管的开口端20与池底之间留有空隙，使沉淀物可降到池底。如果沉淀在管14之外的液体中发生，沉淀物也靠重力落至池底。

如下所讨论的那样，主要靠下游利用装置30维持在收集区22进行闪蒸所需的压力，该压力一般高于大气压，但低于管13中盐水的压力。结果，柱24A的表面24将低于处在大气压下的池面18的水位。热盐水进入收集区22时造成的压力降低使盐水中的水闪蒸为水蒸汽。例如，如果盐水热源温度为120℃，盐水源压力将为约2巴;收集区22的压力将保持在约1.3巴。也像如下讨论的那样，选择池的大小、深度、管径和装置的其它物理参数，使得池中的液体与柱24A中的液体基本呈流体静力学平衡状态。

在管14中流体表面24上方的闪蒸室22中产生的热蒸汽可由管道28送往利用装置30。较好的是，利用装置30包括一个与发电机33耦合的蒸汽透平32。这样，管28中的蒸汽在透平32中膨胀生热，废蒸汽进排气管34。在透平32中由蒸汽获取的能量驱动发电机33发电。

由透平32排出的热废蒸汽送到冷凝器35，由合适的冷却装置冷却，在此发生冷凝。冷凝器35的冷却装置维持穿过利用装置30所需的压差，在该例中利用装置为透平32（即在管14内的收集区22和冷凝器35之间所需的压差），以保持闪蒸和此后的蒸汽流动。图中示为真空泵的装置38与冷凝器35相连，用于从冷凝器排出不凝气体，防止这些气体在冷凝器中聚集，因为这会对冷凝器的传热特性带来不利影响。

当供给管14的热液体是地热盐水、热水或一种热水基化学溶液时，利用装置30将包括一台蒸汽透平，由透平排出的热的废饱和蒸汽可以直接流入大气，或者可以与一种空冷或水冷冷凝器联合使用。作为选择方案，产生的水蒸汽可以用来蒸发一种如图3所示用于发电的有机流体。当水蒸汽排放到大气中时，闪蒸室22的压力由透平的容量、系统的管道等固有因素确定，所以是有限的。然而，另一方面，当使用一台冷凝器，当由于闪蒸室22和冷凝器35之间的温差和压差，透平的效率将更高。

在另一种选择方案中，利用装置可为图3A中用参考号66表示的用来由管14产生的水蒸汽生产淡水的装置。这种装置包括由合适的介质例如水冷却的冷凝器67。冷凝器的操作用来维持经过利用装置所需的压差，即管14的收集区22和冷凝器67之间的压差，使该收集区能维持一定的压力，从而使收集区可以起闪蒸室的作用。装置68在图中为真空泵68，优选使它与冷凝器67相连，从冷凝器中抽出不凝气体。在另一种选择方案中，利用装置30可以是发电以及用水蒸汽生产淡水的装置。443683号申请公开了一些这样的选择方案，其主题这里结合参考。

为了防止结垢物质在池中由于冷却而不适当的沉淀，池12可以盖住。有利的是用参考号36表示的一种塑料薄膜覆盖在池面上。该覆盖膜将浮在池表面上，限制由于池12内流体蒸发造成的热损失。

沉淀物聚积在管14下方，图1中用参考号37表示，可用出料装置39如清淤机从池中清除。作为可选方案，如果沉淀物高度达到极限，可用物理方法将管14从原位置在沉淀物堆上方直接移到另一处。以此方式，结垢物质可在闪蒸操作期间沉淀，不堵塞闪蒸室，从而可从含有至饱和程度结垢物质的热液体中提取热量。

虽然上面示出和描述的池为一液体容器，管14装在其中，应该理解，该管也可以装在像缸一样的结构中。这里，术语池用来指一种容纳液体的凹坑或一种在地上容纳液体的结构。

当含结垢物质的热液体的压力足够高时，例如超过约2个大气压，可以在将该液体用于本发明之前，首先在某些其它的热量或能量提取装置中利用该热液体，如果结垢物质的含量允许这种操作的话。这可以保持建造成本在合理的水平，以避免建造大的套管14。例如，容纳约3000立方米液体一个水池，当热液体压力低于2个大气压时，在池面下需要一个最小长度约为10m的管。当液体为地热流体时，在图1所示管14直径约为3m的构型中，这种液体闪蒸成水蒸汽大约可发电1MW。然而，在这种情况下，用来保持经过利用装置压差的装置可以这样设计和操作，即收集区22的压力使得管14内液柱表面保持在一定高度，仅仅需要较小长度的管处于池面之下，即可保持管14内液柱中的液体和池中液体之间的流体静力学平衡状态。

在稳态流动状况下，即将含结垢物质的热液体连续供给管14时，输入流量与蒸汽或水蒸汽排出管14的流量之差通常使得池的液面升高。为了在连续操作情况下维持液面不变，可以利用图2所示的结构。也就是说，液体可由池12直接排放到回注井。为了完成回注，可向液体加入化学试剂。有利的是，如图2所示，可由主池直接流出到沉降池。这种情况下，热液体最终冷却，使结构物质沉淀到沉降池底。尔后，沉降池中的液体可优选送到回注井。如图2所示，优选加热排入回注井的液体，以达到保证结垢物质留在溶液中的目的。为此，可以利用一台逆流换热器，用流进沉降池液体的热量加热流向回注井的液体。

另外，废水蒸汽或冷凝液的热量、热的废水蒸汽本身或利用装置30A和/或47’的冷凝液也可用来加热和/或稀释含结垢物质的液体以完成回注。为此目的，管路48A和/或48’A可用来把热的废水蒸汽或利用装置30A和/或47’排出的冷凝液的热量加到图2所示由管53从沉降池49排出回流到回注井的液体中。以此方式，这些水蒸汽或冷凝液不仅加热了回注前的液体以减少沉淀的可能性，而且可以用来稀释该液体以进一步降低沉淀的可能性。另外，将水蒸汽或冷凝液加到回注液体中，可以保持地热源的水位。化学品可加到液体中以进行回注。

在现在视为本发明优选实施方式或最佳模式中，可以利用图2所示闪蒸蒸发器的结构。在图2所示的装置40中，利用了一个第二或附加的垂直放置的管。像主管一样，附加管由合适的结构如支撑装置43A直撑在池底上，它有一个基本封闭的上端，该端可伸出池面之上，还有一个浸在池面之下并距池底有一定距离的开口的下端。也就是说，装置40包括容纳有含结垢物质之液体的池12A，和有伸到池面18A上方的封闭上端16A的主垂直管14A。

配有管42以供应热流体，即含结垢物质的热液体，最好供到管14A上部的收集区22’A，该管以基本上与图1所示管14相同的方式操作。管的基本封闭的上端保持在可作为闪蒸室操作的压力下，由管42供给管14A收集区的液体在此闪蒸成为蒸汽，并由管41送往利用装置30A，后者在图1中为发电装置，在图3A中为淡水生产装置，或者为两者的结合。

和图1所示实施方式情况相同，闪蒸发生时，管14A内液柱中的结垢物质浓度提高，并可伴随有结垢物质的沉淀发生。如果形成这种沉淀的物质，可以穿过管14A的下开口端自由沉降到池底26A。如果沉淀在管14A之外的液体中发生，沉淀物也可靠重力降至池底。另外，由于管14A悬在池12A中，就在管的开口端20A与池底之间提供了间隙来将沉淀物排到底部。在这一方面，图中所示装置40的操作方式大体与图1所示装置相同。

与主闪蒸管14A横向隔开有一垂直安放的附加闪蒸管44，其上端45基本上是封闭的，并伸出到池12A的表面18A之上方，其下端46浸在表面18A之下。第二管44下部在圆周上优选带有若干隔开的孔43，允许池12A上部的液体流入管44中。管的上部呈真空状，形成收集区45’，它作为闪蒸室接收来自管44中液柱产生的蒸汽。这样产生的蒸汽可由管47直接送往利用装置，后者可以为发电装置和/或淡水生产装置，在图1和3A中分别用数字30和66表示。这里，也如上述，通过利用装置大体维持收集区45’在闪蒸时所需的压力下。

用一台水蒸汽透平发电时，提供一台冷凝器来冷凝透平排出的水蒸汽，闪蒸管收集区22A和冷凝器之间的压差，即透平两端的压差，由从冷凝器提取热量的多少来维持，以维持收集区45”的闪蒸和随后的蒸汽流动。在这种情况下，冷凝器中的不凝气可用如前所述的真空泵从冷凝器抽出。并且，生产淡水时，可如图3A所示那样，用对于冷凝器的冷却介质和连到冷凝器上的真空泵达到同样的目的。

如在管14A的情况下一样，在管44中进行闪蒸操作形成的沉淀物可靠重力通过管44的开口下端46降到底部26A，因为管44在底部是开口的。另外，由于管44悬在池12A中，管的开口底端46距池底有一定距离，可使沉淀物排到底部。由于在管44内进行闪蒸过程产生的重液通过管的开口下端向下流进池12A中。这里，如在管44外部的液体中发生沉淀，沉淀物也靠重力降到池底。

孔43使液体由池12A的上部进入管44。由孔进入管44的液体比管44下端的液体热，原因是热液体比闪蒸发生后由管44流出的更冷更密的液体轻且浮力更大。结果，较热的液体通过孔流入管44外部靠近壁的区域，较冷较密的液体将通过管44的中心部分向下流动。较好的是如图2所示，管44内配有由合适的装置如支撑件43’A同心固定的内管46’，以保证这样一种流型。如图所示，内管46’的下开口端距池底有一定距离。

另外，较热流体也可以直接向内流到内管，同时，由管44C排出的较冷较密的液体由图2C所示的管44C的靠外部分向下流到池底。这种结构类似于包括在443683号申请公开的电厂中的闪蒸器，其主题这里引入作为参考。

池12A、12B、12C以及图1所示池12中的液体与存在于管14A和44、14B和44B、14C和44C以及图1所示管14中水柱内的液体基本上呈流体静力学平衡状态。在本发明中，通过选择闪蒸管和池12、12A、12B和12C的尺寸（例如图1中管14、图2和2A中14A、44、46’、图2B中14B、44B、46’B和图2C中14C、44C和46’C下端的开口），使池内液体的能量E在整个池中实际上是不变的，并大致等于闪蒸管液柱内液体的能量，从而达到这种流体静力学平衡。能量E由伯努利方程定义如下：

E＝gz+P/p+v²/2 （1）

式中

g是重力加速度;

z是基准水平以上的液体高度;

P是液体的压力;

p是液体的密度;

v是液体的速度。

在本发明中，这样选择闪蒸管和内管的尺寸，使得液体的速度小到可在上述方程中被忽略的程度。这样，管的收集区界面处的液体可有效地起到固定壁的作用，池内界面的实际升高取决于系统的各种参数。

由于池内液体表面处的压力为大气压力，管内液柱的液面高度将取决于管上部液柱上方和闪蒸室或收集区的蒸汽压力。这又与在收集区液体闪蒸的温度有关。

由于供到主管14（图1中）和主管14A（图2中）的液体的温度通常高于100℃，管14和14A中液柱上方收集区的压力一般高于大气压，结果，液柱表面高度将低于池面高度。另一方面，由于由附加管44中液柱表面闪蒸的液体的温度将低于主管14A的柱24A中闪蒸液体的温度，一般在100℃以下，在附加管44中液柱的表面高度常常在池表面以上，而且也在管14A中液柱液面以上。然而，如果供到管14或14A的或液体温度低于100℃，管内液体表面高度将高于池内液面。

在本发明的另一实施方案中，如图2B所示，也使用了14B和44B表示的两个管。这里，管位于池中，由合适的机构如支撑机构17B、43B支撑，当用内管46’B时由43’B支撑。结果，管的下部开口端浸在池内液体中，并距底部有一定距离，以清除在装置操作期间形成的任何沉淀物。

然而，在该实施方案中，附加管44B与主管14B同心并部分地包括在主管14B中。该实施方案的操作基本上与图2和2A所示的相似，其中，收集区或室22B和45’B作为闪蒸室操作，用以由管道42B供给的液体和管44B中液柱表面处的液体产生蒸汽。冷液排出管14B，最好由管44B与内管46’B之间的环形空间进入管44B。该液体向上流到管44B的液柱表面，在此产生蒸汽，随后将变得更冷更重的液体由内管46’B排出管44B，用内管时，该管向下伸进池12B内液体中，优选到低于管14B下端20B的高度。管14B的下端20B优选延伸到池12B液体中低于管44B下端46B的位置。

由室22B和45’B产生的蒸汽，通常为水蒸汽，由管路41B和47B直接送往分别表示为用于发电的蒸汽透平的利用装置30B和47’B。当产生的蒸汽基本上为水蒸汽时，这些透平为水蒸汽透平，它们的操作类似于对于图2描述。

作为任选方案，利用装置30B和47′B可为图3所示的发电装置，图3B所示的淡水生产装置，或图2所示的发电和淡水生产两者兼顾的装置。

利用图2B所示的实施方案，由于基本上所有可用于热提取的含热液体实际上都在管14B范围内流动，特别是由于蒸发造成的热损失降至最低。这就减少了可用于热提取的含热液体与池内较冷液体的混合。而且，内管46’B的存在减少了进入管44B的较暖液体与离开管44B的较冷液体的混合。这样一种结构提高了热提取，同时，确保了可能发生的沉淀在由内管46’B从管44B排出的冷液中进行。通过将内管46’B延伸到低于管14B的下端20B，可以进一步减少这种混合。在这种实施方案中，如果愿意，可以取消浮动的盖膜和分开的沉降池，因为在该实施方案中，基本上所有热量都容纳在可使池12B平衡的闪蒸管14B内，起到了沉降池的作用。

使用两个闪蒸管比只用一个闪蒸管发电，可以实现更高的效率。例如，若将温度约120℃和压力约2巴的流体供给到主闪蒸管来发电，在闪蒸室可以维持大约1.3巴的压力，同时，通过保持第二闪蒸室的压力大约在0.6巴左右，将在附加闪蒸管中产生约85℃的水蒸汽。

在产生1MW电力的一个例子中，主管直径为大约3m，淹没同样程度，附加管直径为大约3m，液体延伸到池面上方约4m，池深约5m，面积约为1000m²。这些尺寸建立了所需的流体静力学平衡。盐水的入流量约为300m³/小时，温度约为120℃。

图2所示池12A（和池12B，如果用的话）中的液体可由管48送到沉降池49。如图2所示，可以设置换热器50来实现从由池12A流往沉降池49的液体中提取热量的目的。冷的液体将引起结垢物质的沉淀，它们靠重力降到沉降池49的底51上，如52处所示。在沉降池49中沉淀有相当数量的结垢物质后，液体可由管53经过换热器50送到一个回注井以流回地下。加热送往回注井的液体将防止它在与井相连的管路和泵以及井中发生沉淀。

另外，如图2A所示，由管48A和48’A从利用装置30A和/或47’排出的热的废水蒸汽或冷凝液可也用来加热和/或稀释送往回注井的液体，以防止在与井相连的管道和泵中以及回注液体的回注井中发生沉淀。而且，诸如雨水这样的降水也可用来稀释沉降池中的液体。

当回注过程仅在白天进行而不是日夜连续时，图2的实施方案也能进行操作。日间，入射到沉降池49上的太阳能幅射用来加热沉降池中的液体，增加了结垢物质的溶解度。在这种情况下，池49应为一个浅池，以强化池中液体的加热。结果，如果愿意，可以取消换热器50，或不再用水蒸汽或冷凝液来加热待回注的液体（如图2A所示），含有结垢物质的温热液体可以直接送到一个回注井。

夜间，当池49发出的长幅射波起到冷却液体的作用时，结垢物质将发生沉淀。因此，将液体注回地下的泵送操作仅在昼间进行，以保证从沉降池移出高含量的结垢物质。可向液体加入化学品以完成回注。

虽然上述实施方案所示的装置适于生产水蒸汽，特别是当热液体是地热流体时，也可利用一种混合流体循环。在这种情况下，由闪蒸管14、管14A和44、管14B和44B、和管14C和44C如以前的图中所述那样产生的水蒸汽，不再直接送到蒸汽透平，而是直接送到图3所示的蒸发器60。在该蒸发器中，由水蒸汽提取热量，用来蒸发一种有机流体，由管61将其供给有机流体透平62，在此，蒸发的有机流体膨胀产生热的废流体由管63排出。由透平62从蒸发的流体中得到的功供给发电机64以常规方式发电。有机流体在蒸发器60中达到的水蒸汽的冷却保持了蒸发器60水蒸汽侧闪蒸室的压差，而最好连到蒸发器60水蒸汽侧的装置如真空泵60’被用来抽出不凝气体。

将由透平62排出的热废蒸汽供应到冷凝器65，在这里，用冷却水或空气将热废有机蒸汽冷凝成一种液体，将液体送到蒸发器60，重复该循环。这样，整个电厂可包括一个或多个闪蒸室装置，如像图1、2、2A、2B或2C所示，和一台由闪蒸过程产生的水蒸汽驱动的水蒸汽透平，或一台图3所示的有机流体透平。

图1、2、2A、2B和2C所示装置的优点在于简化了热流体在换热过程中由液体闪蒸成为蒸汽而冷却时结垢物质的沉淀。如所指出的那样，作为闪蒸室来蒸发液体的垂直管设计成沉淀物以不影响设备操作的方式排出的通道。积存在闪蒸室管开口端下方池底上的沉淀物可由池底清淤。或者，也可用物理方法将管移到不同的地点。

本发明还涉及一种利用在含夹带颗粒和/或有害气体的热气或热烟道气流中所含热量的方法和装置。例如，本发明可用于与铁合金设备操作有关的热空气流中的废热回收。在这种类型的设备中，涉及的空气平均温度约为350℃，流量约为500，000m³/小时。这种气体可能携带6g/m³之多的二氧化硅，由于二氧化硅对换热器的腐蚀作用，其存在过去使得很难利用空气所含的热量。

本发明也可用于回收烟道气的热量，这种气体中所含的有害气体如二氧化硫在烟道气允许排入大气之前必须脱去。通过使热烟道气与含有钙或镁的氧化物或氢氧化物的水溶液相接触，进行一种造成硫酸钙在溶液中沉淀的反应，来实现这种净化。使溶液与气体接触以加热溶液，本发明也可用于回收这种热量。有利的是，加热的溶液可用在前述实施方案的装置中，较好是将加热的溶液直接送入闪蒸管14（图1）中，或者送入其它前述实施方案所述的主闪蒸管中。

为了从含颗粒的热气例如含夹带二氧化硅的热空气或含颗粒和/或有毒化合物如二氧化硫的烟道气中提取热，可以利用图4所示的实施方案。具体地讲，图4所示设备70包括一个夹带有诸如二氧化硅一类的微粒的热空气类热气源和装有液体的池71。虽然液体也可为水溶液（如海或湖水、工业、家庭和农用液体以及地面水等），但优选为水。而且，烃如油也可以选用。为方便起见，下面叙述从含携带二氧化硅热空气中回收热，但也适合于从含微粒的热气例如烟道气体中回收热。

热空气和所带二氧化硅在池中与水或水溶液（如果使用）相互作用，空气变冷并通过盖72（例如一层多孔塑料膜）排出池外。这种结构基本上防止了对输入的空气流产生反压。池水的水或水溶液因而被加热到优选接近但低于100℃的温度，同时所带的微粒沉降到池底。池底的微粒可以通过清淤、刮除等手段取出。

用水或水溶液时，垂直闪蒸管73位于池中并由合适的机构如支撑机构76’A支撑。闪蒸管73的上端基本上是封闭的，可以伸到池表面75上方，管的开口下端76浸在池面之下，并距池底有一定距离。就象在前述实施方案中对附加闪蒸管所描述的那样，建立一个收集区74。而且，这样建造和布置管和池，使得池中的液体和管73中的液柱基本上呈流动静力学平衡。最后，管73优选带有在管的下部沿圆周多个隔开的小孔，以使池71上部的暖液由此进入。

管73上端的收集区74呈真空，因而作为闪蒸室操作，管内热水在此闪蒸为水蒸汽，将水蒸汽送到水蒸汽透平发电机76来发电。由透平发电机排出的水蒸汽可放置到大气中，也可送到一个气冷或水冷冷凝器。冷凝器的冷却介质维持着收集区与冷凝器之间的压差以进行闪蒸并随后使蒸汽流出，优先将其真空泵一类的装置与冷凝器相连，用来抽出不凝气体。

另外，水蒸汽也可以送往淡水生产装置，例如图3A中用参考符号66所示并如上所述。在另一选择方案中，水蒸汽可送往同时生产淡水和发电的装置。

优选为管73配备一根同心的内管76A，它由合适的装置如支撑机构76”A来定位，其下开口端距池底有一定距离。这保证了进入管73的暖液导向管73的上部和排出该管的变冷变密的液体向下通过管73的中心部分流到池底。或者，流入的暖液也可通过内管，而排出管74的较冷和较密的液体由管74的外层部分向下流往池底，类似于以上关于图2C描述的那样。这些结构类似于以上参考的443683号申请公开的发电设备中所含的闪蒸蒸发器。

如果热气含有夹带微粒和/或有害气体如二氧化硫，例如烟道气，本实施方案也可用来洗涤该气体，这时池71中的液体即为一种水溶液。如果气体含有二氧化硫，例如，水溶液71可以含有钙或镁的氧化物或氢氧化物，以生成硫酸钙和硫酸镁的沉淀物。如果沉淀发生，沉淀物将和微粒一起沉到池底而不影响管的操作。

垂直旋放置蒸管73的操作如关于本实施方案和前面的实施方案所描述的那样，其中在管73中的溶液产生的蒸汽可用来发电和/或生产淡水。如果沉淀物于液体或溶液闪蒸期间在管73内的液体中形成，管73的下端76将使沉淀物沉降到池底。该管底部与池底之间隔开的距离可使沉淀物在管下移出。

另外，特别是当池中含有烃液时，也可以配备一台换热器81在池液和有机流体之间进行换热，该有机流体被送往一个例如由参考符号80所表示的闭合兰金循环发电设备。

较好的是，用分离装置79处理液体烃，以分离向换热器81提供的液体中存在的二氧化硅。通过使用烃液，特别是油，池液的温度可以高于用水时的温度，因此可以达到更高的蒸发温度。结果，热效率将比用水时更高。另外，利用另一个换热器和闭合兰金循环发电设备，就像图4所示的换热器81和设备80那样，或借助于另一个类似图4所示的水池和闪蒸室，热的废空气中残留的热量也可用来发电。在池71中使用烃液时，热废空气的温度将高于用水时的温度。作为选择，可以使用像图4所示那样连到设备66（在图3B中示出）的另一个水池和闪蒸室，或者使用类似于换热器81（供水）的另一个换热器和设备66（图3B中示出），由热的废空气中的热来生产淡水。

虽然该实施方案以上只描述了一个闪蒸管，也可以使用多个闪蒸管。

以这些方式，可以回收含夹带微粒的热空气中的热量。

虽然本发明以上参考图1、2、2A、2B、2C、3和3A所述的实施方案涉及一种流体，它通常主要包括含有溶解度与液体温度成正比的结垢物质的一种热液体和某些蒸汽，该蒸汽也可含有通常为微粒形式的结垢物质。这对于地热流体是特别正确的。在这种情况下，该流体可直接送到池中，利用如图4所示一或多个闪蒸管从蒸汽中提取结垢物质优选用来生产淡水和/或发电。作为选择，如图1所示的除沫器或分离器15可用来分离蒸汽中夹带的微粒。在收集区以前述方式产生的水蒸汽中也可能发生这种类似情况。可用图1所示的分离器15和图2、2A、2B和2C所示的分离器54和55以及图4所示的分离器73’从蒸汽中分离夹带的微粒。

由本发明上述优选实施方式的描述可知，本发明方法和装置带来的优点和改进的结果是明显的。人们可以作出各种变化和改良，而不脱离所附权利要求所述的本发明的精神和范围。

Claims (45)

1、一种从包括一种含溶解度与液体温度成比例的结垢物质的热液体的热流体中提取热的方法，所述方法包括以下步骤：

a)提供一个容纳液体的水池；

b)在池中设置一根垂直管，管的上端基本上是封闭的，开口的下端浸在池中液体中并距池底有一定距离，以在所述管中液柱上方建立一个收集区；

c)将所述热流体送到所述收集区；

d)这样建造和布置所述池和管，使得池内液体与所述柱内液体基本上呈流体静力学平衡，保持所述收集区在一定压力下，使得供到所述收集区的某些液体闪蒸成为蒸汽，由此浓缩收集区下面的液体；

e)使第一管的开口下端形成结垢物质由于收集区下面的液体浓缩而沉淀时降到池底的通道；和

f)从所述蒸汽中提取热。

2、权利要求1所述的方法，包括抑制池的冷却的步骤。

3、权利要求1所述的方法，包括将液体由池回注到地下。

4、权利要求1所述的方法，包括步骤：

a）在池中设置一根上端基本封闭、下端开口浸入池中并距池底有一定距离的附加垂直管，以便在所述附加管内液柱上方建立一个附加的收集区;

b）这样相对于池建造和布置所述管，使得池内液体与所述附加柱内液体基本上呈流体静力学平衡;

c）对所述附加收集区抽真空，使得附加管内的部分液体闪蒸为蒸汽，由此浓缩附加管中剩余的液体，结垢物质在所述附加管中沉淀，靠重力通过所述附加管的开口下端降至池底;

d）从用所述第二管产生的蒸汽中提取热。

5、权利要求1所述的方法，包括将池中液体输送到一个沉降池，并从沉降池将液体注入地下。

6、权利要求5所述的方法，包括，当白天液体比夜间热时，仅在白天将液体从沉降池注入地下。

7、权利要求1所述的方法，包括，当所述管下的沉淀物达到极限高度时，将第一闪蒸室移到池中另一位置。

8、权利要求1所述的方法，包括从所述管下移出沉淀物。

9、一种从夹带有二氧化硅微粒的热空气中提取热的方法，包括下列步骤：

a）使热空气和夹带的二氧化硅与一种液体相互作用，由此加热该液体;

b）使加热的液体与一种传热流体进行换热，以蒸发后者;

c）在一台发电机透平中膨胀蒸发的传热流体;和

d）从该液体中除去二氧化硅。

10、权利要求9所述的方法，其中液体是一种烃。

11、权利要求9所述的方法，其中液体是油。

12、从一种包括含溶解度与液体温度成比例之结垢物质的热液体的热流体中提取热的装置，该装置包括：

a）一个容纳有液体的主池;

b）一根位于池中的垂直管，其上端基本上是封闭的，开口的下端浸入池内液体中并距池底有一定距离，以使在主管液柱上方建立一个收集区;

c）将所述热流体供给所述收集区的装置;

d）这样建造和布置所述池和管，使得池内液体与所述柱内液体基本上呈流体静力学平衡;和

e）保持所述收集区在可使供给收集区的部分液体闪蒸成为蒸汽并由此浓缩该液体的压力下的装置，第一管的开口下端形成结垢物质在收集区下液体中浓缩时沉淀而降至池底的通道。

13、权利要求12所述的装置，包括降低主池热损失的装置。

14、权利要求13所述的装置，其中所述降低热损失的装置为浮在主池表面上的一层塑料薄膜。

15、权利要求12所述的装置，其中所述流体是地热流体。

16、权利要求15所述的装置，包括一个沉降池、将液体从主池送到所述沉降池的装置和将液体从沉降池注入地下的装置。

17、权利要求12所述的装置，包括在主池中的一根附加垂直管，所述附加垂直管上端基本封闭，开口的下端浸入池表面下的池中并距池底有一定距离，以便在附加管内的液柱上方建立一个附加收集区，这样相对于池建造和布置所述附加管，使得池内液体与附加收集区下柱内液体基本上呈流体静力学平衡，还包括用于保持附加收集区在真空下的装置以使附加管内的液体闪蒸成为蒸汽，附加管的开口下端形成结垢物质由于附加收集区下液体浓缩而沉淀下降到池底时经过的通道。

18、权利要求17所述的装置，包括一个沉降池、将液体从主池送往沉降池的装置和将液体从沉池池注入地下的装置。

19、权利要求12所述的装置，其中所述蒸汽为水蒸汽。

20、权利要求19所述的装置，还包括从所述水蒸汽提取热的装置。

21、权利要求20所述的装置，其中所述从所述水蒸汽提取热的装置包括发电的装置。

22、权利要求21所述的装置，其中所述发电装置包括一台与发电机耦合的水蒸汽透平以膨胀所述水蒸汽和产生热的废水蒸汽、一台冷凝器以冷凝热废水蒸汽和冷却该冷凝器以使供入所述收集区的液体进行闪蒸的装置。

23、权利要求22所述的装置，还包括一台连到所述冷凝器上以从中抽出不凝气的真空泵。

24、权利要求20所述的装置，其中所述从水蒸汽提取热的装置为淡水生产装置。

25、权利要求17所述的装置，其中在另一管中闪蒸产生的蒸汽为水蒸汽。

26、权利要求25所述的装置，还包括从所述水蒸汽提取热的装置。

27、权利要求26所述的装置，其中所述从水蒸汽提取热的装置包括发电装置。

28、权利要求27所述的装置，其中所述发电装置包括一台与发电机相连的水蒸汽透平以膨胀所述水蒸汽和产生热废水蒸汽、一个冷凝器以冷凝所述热废蒸汽和冷却该冷凝器以便在所述附加管中进行液体闪蒸的装置。

29、权利要求28所述的装置，还包括与所述冷凝器相连的一台真空泵以从中抽出不凝气体。

30、权利要求25所述的装置，其中所述从水蒸汽提取热的装置包括淡水生产装置。

31、一种从夹带有二氧化硅颗粒的热空气中提取热的方法，包括以下步骤：

a）提供一个水池;

b）在池中设置一根上端基本封闭、下端开口浸入水中并距池底有一定距离的垂直管，以便在所述管中水柱上方建立一个收集区;

c）使热空气和夹带的二氧化硅与池中的水相互作用，以此加热水;

d）这样建造和布置所述管和所述池，使池中的水和收集区下方柱中的水基本上呈流体静力学平衡;

e）对所述收集区抽真空，使得管中的部分液体闪蒸成为水蒸汽;和

f）从所述水蒸汽中提取热。

32、权利要求31所述的方法，其中从所述水蒸汽提取热的步骤通过发电而完成。

33、权利要求32所述的方法，包括利用一台驱动发电机的水蒸汽透平发电的步骤，以使所述水蒸汽膨胀并产生热废蒸汽，用一台冷凝器冷凝所述热的废水蒸汽，由冷却装置冷却冷凝器以保证所述管中液体的闪蒸。

34、权利要求33所述的方法，包括将一台真空泵连到冷凝器上以从中抽出不凝气的步骤。

35、权利要求31所述的方法，其中从所述水蒸汽提取热的步骤通过生产淡水来完成。

36、一种从含有害气体的烟道气中提取热的方法，包括以下步骤：

a）提供一个容纳可与所述气体反应形成一种沉淀物的反应物水溶液的池子;

b）在所述池中设置一根上端基本封闭、开口下端浸在池内溶液中并距池底有一定距离的垂直管，以使在所述管内溶液柱上方建立一个收集区;

c）使烟道气与所述池中的溶液相互作用;

d）这样建造和布置所述管和所述池，使得池中的溶液与管中收集区下方溶液柱内的溶液基本上呈液体静力学平衡;

e）对所述收集区抽真空，使得所述管中的部分溶液闪蒸成为水蒸汽;和

f）从所述水蒸汽中提取热。

37、权利要求36所述的方法，其中提取热的步骤产生电。

38、权利要求36所述的方法，包括，使用一台水蒸汽透平从所述水蒸汽中提取热和驱动一台发电机，并产生热的废水蒸汽，使后者在一台冷凝器中冷凝，并冷却该冷凝器，保持所述管中液体的闪蒸。

39、权利要求38所述的方法，包括从冷凝器抽出不凝气的步骤。

40、权利要求36所述的方法，其中提取热的步骤生产淡水。

41、一种从含夹带微粒的热气中提取热的方法，包括以下步骤：

a）提供一个水池;

b）在池中放置一根上端基本封闭、开口下端浸入池中并距池底有一定距离的垂直管，以使在管中水柱上方建立一个收集区;

c）使热气和夹带的微粒与池中的水相互作用，从而加热水;

d）使池中的水和管中收集区下水柱中的水基本上呈流体静力学平衡，使柱中部分水闪蒸成为水蒸汽;和

e）从所述水蒸汽中提取热。

42、权利要求41所述的方法，其中提取热的步骤产生电。

43、权利要求41所述的方法，包括利用一台水蒸汽透平来从所述水蒸汽中提取热和驱动一台发电机，并产生热的废水蒸汽，后者在一冷凝器中冷凝，冷却该冷凝器以保持所述管中液体的闪蒸。

44、权利要求43所述的方法，包括从冷凝器抽出不凝气的步骤。

45、权利要求41所述的方法，其中提取热的步骤产生淡水。

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