CN111465747A - 通过热量和电的热电联产加热材料 - Google Patents

Abstract

通过热能和电能的热电联产来加热材料的系统(100)和方法可包括热源(105)和被配置以产生热排气和电的发电机(110)。一个或多个加热导管(115)可将热排气运送到一个或多个材料主体(120)。发电机(110)可至少部分地为一个或多个电加热器(125)供能，该电加热器被配置以在部分热量已经从热排气传递到一个或多个材料主体(120)后将该热排气再次加热。

Description

通过热量和电的热电联产加热材料

相关申请

本申请要求2017年10月12日提交的美国临时申请号62/571,687的优先权，其通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及利用热量和电的热电联产来加热材料的系统和方法。具体地，本发明涉及利用热气体和使用电加热器的补充加热来加热材料。因此，本发明涉及热传递和过程控制领域。

背景技术

由诸如油页岩和焦油砂之类的含烃材料生产烃产品的过程通常需要加热材料以将其烃含量转化成可回收的液态产品或气态产品。从历史上看，占主导地位的研究和商业过程包括在地面上干馏和原位过程。在每种类型的过程中，都是将含烃材料加热到足够的温度以释放烃产物。例如，加热油页岩以通过热解过程分解油页岩中的油母岩质(kerogen)，获得液体和蒸气烃化合物以及其它产物，如水蒸气和残余物。

加热是通过蒸汽注入、部分燃烧含烃材料、在地面上干馏中的焙烧、微波辐射、地下热传递管以及各种其它方法来实现的。各种方法中的每一种都面临与能源效率、用水、环境安全和许多其它因素有关的挑战。当化石燃料或部分含烃材料燃烧以提供热量时，该过程的整体效率降低且该过程的碳足迹增加。因此，继续研究加热含烃材料以提取烃产物的更有效的方法。

发明内容

本公开描述了通过热能和电能的热电联产来加热材料的系统和方法。通过热能和电能的热电联产来加热材料的系统可包括热源和发电机，其中热源产生热排气(hotexhaust gas)。一个或多个加热导管可以与热源关联。加热导管可以将热排气从热源运送到一个或多个材料主体。发电机可以为使排气再次加热的一个或多个电加热器供能。电加热器可以与加热导管关联，并且电加热器可以被配置以在来自排气的部分热量已经被传递到材料主体后再次加热排气。例如，排气的温度可以始于初始温度，然后由于随着排气流动通过加热导管而向材料传递热量而降低。电加热器可以将排气加热回升至初始温度。然后排气可以继续流动通过加热导管并将另外的热量传递到材料主体。

一种通过热能和电能的热电联产来加热材料的方法可包括从至少一个热源产生热排气。相关联的发电机也可以用于产生电。可以通过一个或多个加热导管将热排气运送到一个或多个材料主体。热排气中的部分热量可以传递到一个或多个材料主体，从而将材料主体加热到升高的目标温度。在这种热传递后，排气可以用电加热器再次加热。电加热器可以至少部分地由发电机供能。

因此，已经相当宽泛地概述了本发明的较重要的特征，以便可以更好地理解以下的详细描述，并且使得可以更好地理解本发明对本领域的贡献。通过下面结合附图和权利要求对本发明的详细描述，本发明的其它特征将变得更加清楚，或者可以通过本发明的实施而获悉。

附图说明

图1是根据本发明实施方式的通过热能和电能的热电联产来加热材料的系统的示意图。

图2是根据本发明实施方式的通过热能和电能的热电联产来加热材料的另一系统的示意图。

图3是根据本发明实施方式的通过热能和电能的热电联产来加热材料的又一系统的示意图。

图4是根据本发明实施方式的通过热能和电能的热电联产来加热材料的再又一系统的示意图。

图5是根据本发明实施方式的通过热能和电能的热电联产来加热材料的另一系统的示意图；和

图6是示例了根据本发明实施方式的通过热能和电能的热电联产来加热材料的方法的流程图。

提供这些附图是为了示例本发明的各个方面，而不意图在尺寸、材料、配置、布置或比例方面限制范围，除非权利要求另有限定。

具体实施方式

尽管充分详细地描述了这些示例性实施方式以使本领域技术人员能够实施本发明，但是应当理解其它实施方式也可以实现并且可以对本发明进行各种改变而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明的实施方式的以下更详细的描述并非旨在限制所要求保护的本发明的范围，而是仅出于示例目的且非限制地描述本发明的特征和特性、阐述本发明的最佳操作方式、以及充分地使本领域技术人员能够实施本发明而呈现的。因此，本发明的范围仅由所附权利要求限定。

定义

在描述和要求保护本发明时，将使用以下术语。

如本文所用，“含烃材料”是指可从中提取或衍生出烃产物的任何含有烃的材料。例如，烃类可以作为液体直接提取、经由溶剂提取来去除、通过从原料材料转化而直接汽化、或以其它方式从材料中去除。许多含烃材料含有油母岩质或沥青，其通过加热和热解转化为可流动或可回收的烃。含烃材料可包括但不限于油页岩、焦油砂、煤、褐煤、沥青、泥煤和其它富含有机物的岩石。因此，现有的含有烃的材料可通过化学转化为更有用的烃产物而从这样的原料中改质(upgraded)和/或释放。

如本文所用，“废(spent)含烃材料”和“废油页岩”是指已经用于生产烃的材料。通常，在由含烃材料生产烃后，剩余的材料大部分是矿材料，其中有机物含量被大量去除(例如，通常按重量计少于5％，在一些情况下少于1％的有机物含量，而在其它情况下基本上没有有机含量)。

如本文所用，“富含烃材料”和“富油页岩”是指具有相对高的烃含量的材料。例如，富油页岩通常可具有按重量计12％至25％的烃含量，并且在一些情况下更高。

如本文所用，“压实土制材料(compacted earthen material)”是指颗粒材料，如土壤、沙子、砾石、碎石、粘土、废页岩、这些材料的混合物以及类似材料。适用于本发明的压实土制材料通常具有直径为小于约10cm的粒径。

如本文所用，每当提及在不同值之间可具有分布的任何性质时，如温度分布、粒径分布等，除非另外规定，否则所提及的性质表示该分布的平均值。因此，“粒径”是指数均粒径，而“碎含烃材料主体的温度”是指被加热的材料主体的平均温度。

注意，如在本说明书和所附权利要求中使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”，除非上下文另外明确指出，否则包括复数指代。因此，例如，对“层”的提及包括一个或多个这样的特征，对“颗粒”的提及包括对一个或多个这样的要素的提及，以及对“产生”的提及包括对一个或多个这样的步骤的提及。

如本文所用，术语“约”和“近似地”用于提供灵活性，诸如为了指示例如在数值范围端点中的给定值可以是“略在端点以上”或“略在端点下”。本领域技术人员基于上下文可以容易地确定特定变量的灵活度。然而，除非另有说明，否则术语“约”通常表示小于1％，并且最常见的小于0.1％，以及在一些情况下小于0.01％的灵活性。

如本文所用，术语“基本上”是指动作、特性、性质、状态、结构、项目或结果的完整或近乎完整的程度或度。在一些情况下，偏离绝对完整性的确切的可允许程度取决于特定的上下文。然而，完整性的接近性通常将具有与获得绝对完整性和总体完整性相同的总体结果。“基本上”是指偏离度，其足够小，以至于无法以可测量的方式减损(detract)所识别的性质或情况。在一些情况下，可允许的确切的偏离度可取决于特定的上下文。当以否定含义使用时，“基本上”的使用同等适用，指的是完全或近乎完全缺少动作、特性、性质、状态、结构、项目或结果。

如本文所用，“相邻”是指两个结构或元件的接近性。具体地，被标识为“相邻”的元件可以毗邻或连接。这样的元件也可以彼此靠近或接近而不必彼此接触。在一些情况下，确切的接近度可取决于特定的上下文。另外，在一些情况下，相邻的结构或元件可以通过相邻的结构或元件之间的其它结构或元件分开。

如本文所用，术语“…中的至少一个”旨在与“…中的一个或多个”是同义的。例如，“A、B和C中的至少一个”明确地包括仅A、仅B、仅C、以及每一个的组合。

如本文所用，为了方便，可以在共同的列举中呈现多个项目、结构要素、组成要素和/或材料。然而，应将这些列举解释为犹如列举中的每个成员都被个体地标识为单独且独特的成员。因此，在无相反指示的情况下，仅基于它们在共同组中的呈现，该列举中的个体成员不应被解释为同一列举中的任意其它成员的事实等同物。

浓度、量和其它数值数据在本文中可以以范围格式呈现。应当理解，这样的范围格式仅是为了方便和简洁而使用，并且应当灵活地解释为不仅包括明确限定为范围的限值的数值，还包括涵盖在该范围内的所有单独的数值或子范围，就好像每个数值和子范围都被明确限定一样。例如，应将约1至约4.5的数值范围解释为不仅包括明确限定的1至约4.5的限值，还包括单独的数字(如2、3、4)和子范围(如1至3、2至4等)。相同的原理适用于仅限定一个数值的范围，如“小于约4.5”，应将其解释为包括所有以上限定的值和范围。此外，无论所描述的范围的广度或特性如何，都应采用这种解释。

任何方法或过程权利要求中限定的任何步骤都可以以任意的顺序执行，并且不限于权利要求中呈现的顺序。仅在对于特定的权利要求限制，在该限制中存在以下所有条件的情况下才采用装置加功能或步骤加功能的限制：a)明确限定“用于…的装置”或“用于…的步骤”；和b)明确限定了相应的功能。在本文的描述中明确限定了支持装置加功能的结构、材料或行为。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由在此处给出的描述和实例来确定。

现在将参考所显示的示例性实施方式，并且本文将使用特定语言对其进行描述。然而，将理解的是，由此并不旨在限制技术范围。该技术的其它特征和优点将通过随后的结合附图的详细描述而变得显而易见，所述附图通过示例的方式一起示例了该技术的特征。

在上文发明内容中阐述了一般性实例的情况下，在本公开中应注意，当描述系统或相关装置或方法时，无论在特定实例或实施方式的上下文中是否明确讨论，个体的或单独的描述都被认为可适用于彼此。例如，在讨论装置本身时，其它装置、系统和/或方法实施方式也包括在这种讨论中，反之亦然。

此外，可以从本公开和示例中衍生出各种修改和组合，因此，以下附图不应被认为是限制性的。

通过热能和电能的热电联产加热材料

从含烃材料中提取烃产物的许多过程都涉及加热大量的含烃材料，通常持续长期的时间段。例如，从油页岩中提取油的许多原位过程可涉及大量的能量消耗以在地下(inthe earth)加热油页岩。近来，已经开发了在不可渗透的蓄积池(impoundment)内从碎油页岩中提取烃的新过程。在这些方法中，油页岩可以被开采、碎化并放置在蓄积池中，所述蓄积池包括不可渗透的壁、底板(底部；floor)和/或天花板(顶部；ceiling)，以防止材料进出蓄积池所导致的不需要的质量传递(mass transfer)。蓄积池可通常包括埋在碎油页岩中的加热导管，以加热油页岩。热传递流体可以通过加热导管，以向蓄积池中的油页岩主体提供热量。

油页岩含有油母岩质，其在高温下会分解成较小的烃。可以将蓄积池中碎油页岩主体加热至升高的温度一定的时间段，足以使油页岩中的油母岩质分解并释放烃产物。例如，油页岩通常被加热至约200℃至约500℃的生产温度数天、数周、数月、甚至一年或更长时间。蓄积池可以相当大，通常具有约10米至约50米的深度，并覆盖数英亩的面积。因此，会耗费大量能量加热这些大的碎油页岩主体，持续所涉及的长期的时间段。

本发明提供了用于加热材料主体的系统和方法。在油页岩生产的背景下，这些系统和方法可以通过减少加热油页岩所耗费的能量总量来提高油页岩生产的能量效率。这些系统和方法还可以简化用于加热油页岩的基础设施，如热源、加热导管、泵等。因此，当建造用于加工油页岩的蓄积池时，本发明的系统和方法可以降低建造成本。除了如上所述的涉及填充有碎油页岩的蓄积池的过程外，本发明的系统和方法还可应用于从油页岩或其它含烃材料(如焦油砂、煤、沥青、泥煤、生物质等)中提取烃的其它过程。另外，本发明的系统和方法可应用于涉及加热材料主体的任何过程，在所述任何过程中节能是期望的。

考虑到以上描述，本发明的一些实施方式可包括通过热能和电能的热电联产加热材料的系统。总体上，这些系统可包括热源、发电机和电加热器。热源被配置以产生热排气，其中一个或多个加热导管被配置以将热排气从热源运送至一个或多个材料主体。电加热器可以至少部分地由发电机供能。在热排气行进通过部分加热导管并将一定量的热量传递到一个或多个材料主体后，电加热器可以将热排气再次加热回到更高的温度。在一些情况下，热排气然后可以继续行进通过加热导管，并将另外的热量传递到材料主体。

根据本发明的系统是可伸缩的(scalable)，并且可以与在单一材料主体的情况下的系统一样简单，或者可以与大型热电联产加热系统中连接的多个单独的材料主体一样复杂。因此，系统可包括单个热源、单个发电机、单个加热导管和单个电加热器。可选地，系统可包括多个任意的本文描述的组件。

图1是根据本发明的一个示例性系统100的示意图。热源105可以由燃料产生热排气。排气可用于发电机110中，发电机110将热排气的一些能量转化成电。在被发电机使用后，热排气仍可以保留大量的热能。热排气通过加热导管115，加热导管115嵌入第一碎含烃材料主体120中。加热导管与电加热器125关联。在来自排气的部分热量已经传递到碎含烃材料的第一主体后，电加热器可以再次加热排气。然后排气行进通过鼓风机130，鼓风机130推动排气通过嵌入碎含烃材料135的第二主体中的加热导管。电加热器和鼓风机两者由发电机通过电线140供能。在排气通过碎含碳材料的第二主体后，排气可以通过再循环管线145再循环以再次通过加热导管，或者通过通气阀150通气。在一些情况下，再循环管线中较冷的排气可以稀释来自热源和发电机的热排气，从而降低流动通过嵌入材料主体中的加热导管的排气的温度。可以控制再循环的排气的流动速率以维持流动通过加热导管的排气的目标温度。在图中所示的实施方式中，碎含烃材料主体在蓄积池155内，蓄积池155包括封装碎含烃材料的不可渗透的阻挡层160。

在本发明的一些实施方式中，热源可以燃烧烃燃料。在一个实例中，燃料可包括由在系统中被处理的含烃材料产生的气态烃或蒸气烃。在这样的实例中，可以从含烃材料中提取气态烃和蒸气烃产物，并且可以将部分烃产物引向作为热源的适合燃烧器。这消耗了系统提取的部分烃产物，但是与其它燃料相比，这可能是更方便、更节能的燃料来源。在其它实例中，系统可被配置以燃烧基本上所有的气态烃产物。在其它实例中，热源可以由先前从不同的含烃材料主体中提取的烃产物或由任意其它适合的燃料(如天然气、汽油、柴油、油、煤、生物质等)提供燃料。

在一些情况下，热源和发电机可以是产生热量和电两者的单一集成单元。例如，热源和发电机可以是包括燃气轮机或燃料电池的集成单元。在燃气轮机的情况下，燃烧区燃烧进入的燃料以产生热排气。热排气被引导通过涡轮机以产生涡轮机的机械运动，该机械运动由机械上关联的发电机转化成电，该发电机将涡轮机的旋转运动转化成电。尽管在此过程中会提取一些热量，但热排气仍保留足够的热量以如本文所述地使用。通常而言，发电机可以是能够将热排气中的热能转化成电能的任意类型的发电机。发电机的实例包括常规发电机、热电发电机等。在一个实例中，发电机可以机械地耦接到燃气轮机。通常，以高效率为目标来设计燃气轮机。即，通常期望涡轮机将尽可能多的热能转换成机械运动，因此转换成尽可能多的电能，从而在发电后产生较冷的排气流。然而，由于本发明的系统利用热排气中的热能来加热材料主体，因此可以使用效率较低的涡轮机。在某些实例中，可以使用效率为约20％至约55％的涡轮机。在其它实例中，可以使用效率为约25％至约35％的涡轮机。如本文所用，当提及涡轮机和发电机时，“效率”是指发电机产生的电能与通过燃烧燃料产生的热能的比。

在另一实例中，热源和发电机可共同作为燃料电池。燃料电池可用氢源气体(例如，纯氢、氢混合物或含氢化合物)作为燃料，该燃料通过放热反应转化成电以产生热排气。因此，通常不涉及机械运动或燃烧区。确切地说，由于化学反应而直接产生电和加热的排气。在这种情况下，燃料电池本身既充当热源又充当发电机。燃料电池的非限制性实例可包括质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等。在一种情况下，燃料电池可以是固体氧化物燃料电池。

不管具体的热源和发电机如何，热排气通常可以为500℉至1450℉，而在一些情况下，可以为800℉至900℉，这取决于特定的单元、所应用的操作条件和负载。

在某些实例中，发电机可包括效率为约20％至约40％的燃气轮机。在特定实例中，燃气轮机可以是工业化的飞行器发动机。工业化的飞行器发动机是设计用于飞行器的涡轮机，但改用作发电涡轮机。这些涡轮机通常比特定为工业用途建造的燃气轮机效率低，但是与更高效的燃气轮机相比，工业化的飞行器发动机通常可以以较低的成本获得，同时与为特定目的建造的燃气轮机相比，还可以以相对较高的温度产生热排气。

可选地，系统可包括多个模块，这些模块共同产生热量和电两者以用于本文所述的用途。例如，热源和发电机可包括具有涡轮机的汽锅(例如，联合循环燃气轮机)和单独的发电机、柴油发电机等。因此，燃烧器或其它燃烧室可产生热排气，从中可提取能量以产生电能。

再次参考图1，来自热源105的热排气可以通过发电机110，然后进入加热导管115。在一个任选方面中，可以通过电加热器127的补充加热来进一步提高热排气的排气温度。以此方式，可以调节排气温度以优化第一含烃材料主体120和第二含烃材料主体135内的热交换表现。例如，使用电加热器127可以将500℉的涡轮机或燃料电池排气温度提高到800至900℉。通常，电加热器127可以在进入第一主体120之前沿着加热导管115定向。然而，电加热器可任选地放置成与第一含烃材料主体120相邻或在其内。此外，可以使用来自发电机110的电来驱动电加热器127。

通常，根据本发明的加热导管用于将热排气从热源运送到待加热的材料主体。在一些实施方式中，加热导管可嵌入材料主体中。图1中所示的加热导管是闭环加热导管，这意味着热排气容纳在加热导管内部，而排气无任何质量传递到材料主体本身中。在此实施方式中，通过加热导管的壁经热传导来加热材料主体。然而，在其它实施方式中，热导管可以是开环加热导管，其将热排气中的一些或全部注入到材料主体中。在这些实施方式中，可以通过与材料直接接触的热排气直接加热材料主体。与闭环加热相比，开环加热在理论上可以提供无限的热传递面积，因此可以使用更少数量的加热导管和更小直径的导管。

图2显示了通过热能和电能的热电联产来加热材料的系统200的另一实例。类似于图1所示的系统，此系统包括热源205和发电机210。系统的加热导管包括注入导管212和收集导管214。热排气通过注入导管中的孔眼注入到第一碎含烃材料主体220中。这允许热排气流动通过碎含烃材料的颗粒之间的空间，从而加热碎含烃材料。然后，排气通过收集导管从碎含烃材料主体中流出。由电线240供能的电加热器225对排气进行再次加热，并且鼓风机230通过注入导管将排气引导到第二材料主体235中。排气再次由收集导管收集。此时，烃产物也可以存在于排气流中。图2中所示的实施方式包括燃料再循环阀250，燃料再循环阀250允许排气和烃的混合物通过燃料再循环管线265流动到发电机，在所述发电机中烃可用作燃料。另一再循环管线245也可用于稀释来自发电机210的热排气。因此，如前所述，热排气的出口温度可以通过用较冷的气体稀释来调节或使用电阻加热器来加热。在各种实施方式中，系统还可包括用于将烃产物与排气分离、存储烃产物等的设备。在某些实施方式中，系统可以被操作使得基本上所有的气态烃产物都在热源205中作为燃料燃烧。在这些实施方式中，过程的主要产物可包括从含烃材料中收集的液态烃。

在图2所示的系统中以及在利用通过注入排气进行直接加热的类似系统中，加热导管可被配置以在整个被加热区域中提供均匀的注入。在一些实例中，这可以通过使用具有相对小的用于注入热排气的孔眼的加热导管来实现。可以控制孔眼的尺寸，使得排气以大致相同的质量流动速率从每个孔眼向外注入。在一个实例中，孔眼的总面积可以显著小于导管的横截面积。在一些情况下，导管中所有孔眼的总面积可以小于导管的横截面积。在具体实例中，导管中所有孔眼的总面积可以小于导管的横截面积的60％，并且在其它情况下为约30％至60％。在另一具体实例中，沿着碎含烃材料主体的整个长度，来自每个孔眼的流动速率可以在来自该孔眼的平均流动速率的10％以内。

在另外的实例中，加热导管的直径可以是约10”至约40”。在更具体的实例中，加热导管的直径可以是约12”至约36”。在再另外的实例中，加热导管的直径可以是约12”至约20”。孔眼的尺寸也可以变化。在一些实例中，孔眼的直径可以是约4mm至约10mm。收集导管的直径可以在约10”至约40”变化。在一些情况下，与加热导管相比，收集导管可包括更大的孔眼。在一些实例中，收集导管的直径可以是约1”至约3”。在一个具体实例中，收集导管可具有直径约2.6”的孔眼。

在另外的实例中，孔眼可以位于导管的下表面上。将孔眼放置在下表面而不是上表面上可以帮助防止灰尘或含烃材料的小颗粒阻塞孔眼。收集导管还可以在下表面上具有孔眼，以减少颗粒材料进入产品流中。

在再另外的实例中，可以使用闭环加热导管和开环加热导管的组合。例如，可以将连续的加热导管嵌入碎含烃材料主体中，使得热排气可以以闭环方式流动通过整个加热导管。然而，加热导管也可以具有孔眼，使得部分热排气流动通过孔眼并直接与碎含烃材料接触。在一些实例中，大部分的热排气可以流动通过加热导管，而较小部分可以流动通过孔眼并进入碎含烃材料主体。

图2还显示了碎含烃材料的第一主体和第二主体220、235容纳在具有不可渗透的阻挡层260的蓄积池255中。在本发明的一些实施方式中，可以在一个或多个这样的蓄积池中加热一个或多个碎含烃材料主体。这些蓄积池可类似于美国专利号7,862,705(其通过引用并入本文)中描述的蓄积池。

在一些实例中，碎含烃材料主体可由诸如开采的油页岩、焦油砂、褐煤、沥青、煤、泥煤、收获的生物质或另外的富烃材料形成。碎含烃材料可由蓄积池容纳，所述蓄积池形成封装碎含烃材料主体的不可渗透屏障。在一些情况下，蓄积池的尺寸可以相对是大的。较大的蓄积池或具有多个蓄积池的系统可容易地产生烃产品，且性能与较小的蓄积池相当甚至超过较小的蓄积池。作为示例，单个蓄积池的尺寸范围可以是15米到200米，并且通常是100米到160米宽。最佳的蓄积池尺寸可根据含烃材料和操作参数而变化，然而适合的蓄积池面积就顶部平面表面积而言通常可在约半英亩至十英亩的范围。另外，蓄积池的深度可以是约10m至约50m。

蓄积池可包括不可渗透的阻挡层，以防止所产生的烃和加热流体从蓄积池中逸出，同时还防止空气或其它不需要的流体从环境进入。如本文所用，“不可渗透的”是指阻挡层至少在蓄积池运行并产生烃产物的时间段期间阻止气体、蒸气和液体流动通过阻挡层的能力。在一些情况下，阻挡层可以由诸如水合膨胀粘土的颗粒材料形成，其可以允许原子或分子以非常低的速率扩散通过阻挡层。然而，阻挡层可以防止任何不受限制的流动跨越屏障，并且在许多情况下，可以将屏障设计为在蓄积池的运行寿命期间基本上防止材料逸出。

总体上，蓄积池可包括底板部分、天花板部分和连接底板与天花板的侧壁部分，从而形成封闭容积，所述封闭容积容纳碎含烃材料并限制流体向蓄积池外部流动。天花板部分限定了封闭容积的上部分并且与侧壁邻接。底板也与侧壁邻接，并且可以根据需要基本上水平或朝向排泄道(drain)倾斜，以收集在处理含烃材料期间所提取的烃流体。

在一些实施方式中，可以沿着挖掘的含烃材料矿床的壁形成蓄积池。例如，可以从矿床开采油页岩、焦油砂或煤以形成空腔，该空腔大致对应于蓄积池的期望的封装容积。然后，所挖掘的空腔可用作蓄积池的底板和壁的支撑。在替代实施方式中，如果蓄积池部分地或大体上地高出地面，则可以在该蓄积池的外壁表面周围形成护台(berm)。蓄积池可以是地上的独立式(free-standing)建筑物的一部分，其中护台支撑蓄积池的侧壁，而蓄积池的底板由蓄积池下方的地面支撑。

蓄积池基本上不会有原状地质地层(undisturbed geological formations)。具体地，蓄积池可被完全构造和人工制造为单独的隔离机构，用于容纳碎含烃材料主体并防止流体不受控制地迁移进入或离开碎含烃材料主体。原状地质地层可具有裂缝和孔隙，这些裂缝和孔隙可以使地层渗透液体和气体。将蓄积池形成为完全人造的结构，而不使用原状地质地层作为底板或壁，可以降低任何液体或气体渗入地质地层的风险。然而，在一些实施方式中，蓄积池可以采用挖掘的地质地层的表面的一些元素(elements)。例如，在一些地层中，挖掘的底板和壁可能具有足够低的自然渗透率，以至于部分蓄积池可能不需要另外的阻挡层。

蓄积池通常可包括底板、从底板向上延伸的侧壁和在侧壁上方延伸天花板，从而限定封闭容积。底板、侧壁和天花板中的每一个都可以由多个层构成，这些层包括细料(fines)或其它隔绝材料的内层，和膨胀粘土改良的土(swelling clay amended soil)或类似的流体不可渗透的阻挡材料的外层。任选地，除了膨胀粘土改良的土，还可以采用进一步防止流体通过蓄积池的外部的外膜作为流体屏障。如果主要密封层因任何原因失效(fail)，则外膜可充当次要支撑密封层。高温沥青或其它流体阻挡材料的内层也可以任选地施加到细料层的内表面并限定蓄积池的内表面。

膨胀粘土是这样的无机材料：其可被水合，从而使粘土膨胀或以其它方式产生流体流动的屏障。蓄积池可包括由干燥粘土和其它土制材料的颗粒形成的阻挡层，然后可以将粘土水合以使粘土颗粒膨胀并产生阻挡层。通常，这种阻挡层可以由固相的颗粒和液相的水形成，固相的颗粒和液相的水共同形成基本上连续的流体屏障。例如，可以使用膨胀粘土改良的土形成阻挡层的底板、壁和天花板。当膨胀粘土被水合时，其膨胀并填补土中其它材料的颗粒之间的空隙(void)空间。以此方式，膨胀粘土改良的土对流体变得不可渗透了。在膨胀粘土和其它土制材料充分混合的情况下，阻挡层可基本上不渗透流体流。适合的膨胀粘土的一些实例包括膨润土(bentonite clay)、蒙脱土(montmorillonite)、高岭石、伊利石(illite)、绿泥石(chlorite)、蛭石(vermiculite)、泥质板岩(argillite)、蒙脱石(smectite)等。

形成蓄积池的组合的多层也可用于使含烃材料主体隔绝，使得封闭容积内的热量被保持以促进从含烃材料中去除烃。在一些实例中，蓄积池可包括细料层，如砾石或碎废油页岩，以使蓄积池隔绝。此细料层在整个层上可具有温度梯度，足以使膨胀粘土改良的土层足够冷却以保持水合。形成细料层的材料可以是直径小于约3cm的颗粒材料。

可以使用任意适合的方法来形成蓄积池。然而，一方面，蓄积池是从底板向上形成的。壁或多个壁的形成以及在壁内形成碎含烃材料主体可以在垂直沉积过程中同时完成，在垂直沉积过程中以预定样式(pattern)来沉积材料。例如，多个斜道或其它颗粒递送机构可沿着所沉积的材料上方的对应位置定向。通过选择性地控制所递送的颗粒的体积和沿系统的鸟瞰图的位置(其中各相应的颗粒材料被递送)，可以同时从底板到天花板形成层和结构。蓄积池的侧壁部分可以在底板的外周处形成为连续的向上延伸部(extension)，并且存在的每一层(包括膨胀粘土改良的土层、细料层、以及膜和/或沥青衬里(如果存在的话))被构造为底板对应物(floor counterparts)的连续延伸部。在侧壁的堆积(building up)期间，可以将碎含烃材料同时放置在底板上且在侧壁周边内，使得将会变成封闭空间的容积在与所构造的侧壁上升的同时被填充。以此方式，可以避免内部保持壁或其它侧向约束注意事项。还可以在垂直堆积期间监视此方法，以验证层的界面处的混合在可接受的预定公差内(例如，以维持各个层的功能性)。例如，膨胀粘土改良的土与细料的过度混合可能损害膨胀粘土改良的土层的密封功能。这可通过在堆积每一个相邻的层时仔细地沉积每一个相邻的层和/或通过增加沉积层的厚度来避免。

当堆积过程接近上部分时，可以使用上述相同的递送机构并仅调整形成天花板层的适当材料的位置和沉积速率来形成天花板。例如，当达到期望高度的侧壁时，可以添加足够量的蓄积池材料以形成天花板。

可选地，可以使用多个较小的容器(vessels)来容纳和处理一个或多个材料主体。在一个实例中，可以使用包括顶部装载入口和底部卸载出口的垂直钢制容器。在这些实例中，虽然容器的尺寸范围在直径上可以是约4英尺至约20英尺，而在高度上是约5英尺至约50英尺，但是可以根据材料、资本成本和其它因素使用其它尺寸。容器可任选地衬有耐火衬里。

如图1和2所示，在一些实施方式中，系统可包括多个蓄积池，其中电加热器被定位在蓄积池之间以使排气再次加热。也可以在蓄积池之间放置鼓风机以保持排气移动通过加热导管。在一些情况下，长的热导管会有明显的压降，而鼓风机可以提供增加的压力以推动排气通过其它加热导管。图1和2中所示的系统可潜在地扩展以包括任意数量的蓄积池，其中电加热器和鼓风机定位在蓄积池之间。

在另外的实施方式中，一个或多个电加热器可以定位在蓄积池内以再次加热该蓄积池内的排气。图3显示了系统300，其包括热源305和发电机310、通向在具有不可渗透的阻挡层360的蓄积池355内的碎含烃材料主体320的第一加热导管315、和放置在蓄积池内的电加热器325。电加热器由发电机通过电线340供能。排气经过电加热器并通过第二加热导管317。如图所示，第一加热导管加热碎含烃材料主体的第一区域370，而第二加热导管加热碎含烃材料主体的第二区域375。在排气通过加热导管后，排气可以通过通气阀350通气或通过再循环管线345再循环。

蓄积池内的电加热器可以在排气完全(all the way)通过蓄积池之前再次加热排气。这可以提高蓄积池中的温度均匀性。随着热量从排气传递到材料主体，排气的温度降低。这种温度降低趋于导致碎含烃材料主体加热不均匀。在一些实例中，均匀加热可有助于以有效的方式从碎含烃材料产生尽可能多的烃产物。因此，沿加热导管的长度将电加热器放置在一个或多个位置中，甚至放置在蓄积池内部，可以改善该过程。可以选择电加热器的间距，使得将排气维持接近于目标温度。例如，可以将排气温度维持在一定的目标温度范围内。在一个特定实例中，可将排气维持在约350℃至约550℃的范围内。因此，电加热器中的每一个可被配置以将气体再次加热至约400℃至约550℃的范围内的温度。在另外的实例中，电加热器之间的间距可以是约100m至约500m。除了提高温度均匀性外，沿蓄积池内的加热导管放置电加热器还可允许放置更长的加热导管管道的笔直段(straight runs)。这可以减少加热导管中弯曲部(bends)的数目，从而减少压降和将排气泵送通过加热导管所需的能量。

图4显示了根据本发明实施方式的系统400的另一实例。在此实例中，与上述其它实例中的系统一样，系统包括产生热排气的热源405和产生电的发电机410。来自热源和发电机的热排气可通过加热导管阀482、484和486流到三个不同的加热导管412、414、416。在该图中，阀482显示为打开，而阀484和486关闭。在此配置中，热排气流入加热导管412，加热导管412加热三个碎含烃材料主体420中的第一个。每个碎含烃材料主体都在具有不可渗透的阻挡层460的蓄积池455内。然后，热排气通过电加热器425和鼓风机430，通过加热导管414，通过另一个电加热器和鼓风机，然后通过加热导管416。最后，排气可通过通气阀450通气或通过再循环管线445再循环。电加热器和鼓风机中的每一个由发电机通过电线440供能。可以选择性地打开加热导管阀以允许来自热源的热排气通向加热导管。因此，可以用直接来自热源的热排气加热蓄积池中的任一个，而其它蓄积池可以由通过电加热器再次加热的排气进行加热。

图5显示了根据本发明的系统500的另一实例。在此实施方式中，热源505和发电机510是可从一个蓄积池555移动到另一个的移动单元590的部分。如图所示，移动单元定位在第一蓄积池附近。移动单元通过加热导管阀582将热排气供应到加热导管512。然后，热排气流动通过加热导管，从而加热第一碎含烃材料主体520。然后，排气通过加热器525再次加热并通过鼓风机530引向加热导管514中。在流动通过此加热导管后，排气再次被电加热器再次加热并由鼓风机引向加热导管516中。电加热器和鼓风机中的每一个由发电机通过电线540供能。与本文所述的其它实施方式中的蓄积池一样，每一个蓄积池都包括不可渗透的阻挡层560。在流动通过所有三个蓄积池后，排气可通过通气阀550通气或通过再循环管线545再循环。移动单元可以移动，并且可以将来自热源的排气流连接到加热导管阀584或586，以将来自热源505的热排气方向定向到其它蓄积池中的任一个中。发电机可以保持与所有电加热器和鼓风机连接，而不管移动单元所处的位置。

在某些实例中，可以将单独的蓄积池划分为依次加热的区域。例如，可以基于蓄积池内的若干高度范围将蓄积池划分为若干区域。可以首先加热最低的区域，然后是从底部开始的下一个区域，直到所有区域都被加热到足以从中去除烃。在这样的实施方式中，系统可包括用于将热排气引导到蓄积池内的每个单独区域的另外的阀和导管。

本发明还包括通过热能和电能的热电联产来加热材料的方法。图6是根据本发明的方法600的流程图。方法包括从热源产生热排气610；从相关联的发电机产生电620；通过一个或多个加热导管将热排气运送到一个或多个材料主体630；将部分热量从热排气传递到一个或多个材料主体，足以将一个或多个材料主体加热到升高的目标温度640；以及在该部分热量被传递后，用电加热器将热排气再次加热，其中电加热器至少部分地通过至少一个发电机供能650。

根据本发明的方法可包括上述系统和特征中的任一个。类似地，本发明涵盖的系统可包括本文关于方法步骤所描述的特征中任一个。在根据本发明的方法的特定实施方式中，上述的一个或多个材料主体可包括多个相邻区域，并且热排气可通过连接多个相邻区域的多个加热导管运送。在一个具体实例中，多个相邻区域可以是单个材料主体内的相邻区域。在另一具体实例中，相邻区域可以是封装在绝热屏障内的相邻材料主体。在一些情况下，材料主体可包括碎含烃材料，并且绝热屏障可以至少部分地由土制材料形成。适用于形成屏障的土制材料可包括膨胀粘土等本文所述的作为构成蓄积池壁的层的一部分的任一种土制材料。

在根据本发明的方法的另外的实例中，热排气可以被串联地从单个热源运送到多个相邻区域中的每一个。此外，当热排气在相邻区域之间运送时，热排气可以被再次加热。可以将热排气再次加热至约400℃至约550℃的温度。通过将热排气再次加热，在材料主体内的所有点处都可以将热排气维持在约350℃至约550℃的温度范围内。可以通过沿加热导管间隔的电加热器将热排气加热。电加热器之间的间隔距离可以是约100m至约500m。在一些实例中，电加热器可以位于材料主体内。

在根据本发明的方法的另外实例中，可以将用于发电的发电机耦接到燃气轮机，燃气轮机将来自热排气的能量转化成机械运动，使得可以将机械运动传递给发电机以产生电。在更具体的实例中，燃气轮机可以是工业化的飞行器发动机。

在其它实例中，一个或多个材料主体可包括含烃材料，如油页岩、焦油砂、煤、褐煤、沥青、泥煤、及其组合。

在一些实例中，来自热排气的热量可以通过直接加热传递至材料主体，例如，通过经由加热导管中的孔眼将部分热排气注入到材料主体中。在其它实例中，热量可通过加热导管的壁由热传导来传递。

在再另外的实例中，方法可包括在再次加热后使热排气再循环，并且第二次通过加热导管运送热排气。

本文所述的方法和系统可用于系统启动期间，这时被加热的材料主体中的温度尚未达到稳态。在涉及从大型碎含烃材料的蓄积池中产生烃的实施方式中，在碎含烃材料主体达到稳态温度之前，可经过大量的加热时间。在一个实例中，根据本发明的方法可包括启动阶段。启动阶段可涉及通过加热导管将热排气从热源直接运送到第一材料主体，直到离开该材料主体的热排气达至约350℃至约450℃的稳态出口温度。热排气可以以约400℃至约550℃的温度进入第一材料主体。一旦离开第一主体的热排气达到稳态温度，就可以将来自热源的热排气重新引导到第二材料主体。然后可以以与第一主体相同的方式将第二材料主体加热到稳态温度。当第二材料主体被加热时，可以使用电加热器将从第二材料主体离开的热排气再次加热，然后可以将再次加热的排气运回通过第一材料主体。再次加热的排气可用于维持第一材料主体的稳态温度，而直接从热源产生的排气用于将第二材料主体加热至稳态温度。此方法可以扩展到第三材料主体、第四材料主体和任意数量的另外的材料主体。

在更具体的实例中，可通过打开和关闭如图4中所示的导管系统中的阀，将热排气从一个材料主体重新引导到下一个材料主体。在替代的实例中，如图5中所示，可以通过将热源(以及任选地，发电机)移动到靠近下一个材料主体的新位置，将热排气从一个材料主体重新引导到下一个材料主体。在一些情况下，以此方式使用移动的燃烧器或发电机单元可以节省构造将材料主体连接在一起的导管的成本。通过将蓄积池中的材料主体加热到稳态温度，一个移动单元可能会被用于启动多个蓄积池，然后稳态温度可以在其后通过电加热器来维持。

所描述的特征、结构或特性在一个或多个实例中可以以任意适合的方式组合。在前面的描述中，提供了许多具体细节，如各种配置的实例，以提供对所描述技术的实例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在具体细节中的一个或多个不存在的情况下实践该技术，或者可以用其它方法、部件、装置等实践该技术。在其它实例中，未详细显示或描述公知的结构或操作，以避免使该技术的各方面模糊。

前面的详细描述参考具体的示例性实施方式描述了本发明。然而，将理解的是，在不脱离所附权利要求所阐述的本发明的范围的情况下，可以做出各种修改和改变。详细描述和附图应被认为仅是示例性的，而不是限制性的，并且所有这些修改或改变(如果有的话)都旨在落入本文描述和阐述的本发明的范围内。

Claims (30)

1.通过热能和电能的热电联产来加热材料的系统，其包括：

热源和发电机，其中所述热源被配置以产生热排气，所述发电机产生电；

与所述热源关联一个或多个加热导管，其中所述加热导管被配置以将所述热排气从所述热源运送到一个或多个材料主体；和

与所述一个或多个加热导管关联的一个或多个电加热器，所述一个或多个电加热器被配置以在部分热量已经从所述热排气被传递到所述一个或多个材料主体后将所述热排气再次加热，其中所述一个或多个电加热器至少部分地由所述发电机供能。

2.权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个材料主体包括多个相邻区域，所述一个或多个加热导管包括连接所述多个相邻区域的多个加热导管。

3.权利要求2所述的系统，其中所述相邻区域是单个材料主体内的相邻区域。

4.权利要求2所述的系统，其中所述相邻区域是封装在绝热屏障内的相邻材料主体。

5.权利要求4所述的系统，其中所述相邻材料主体包括碎含烃材料，所述绝热屏障包括土制材料，其中所述土制材料任选地包括膨胀粘土。

6.权利要求2所述的系统，其中所述区域是封装在各自的垂直容器内的相邻材料主体。

7.权利要求2所述的系统，其中所述多个加热导管被配置以将来自所述热源的热排气串联地运送到所述相邻区域中的每一个。

8.权利要求2所述的系统，其中在所述排气在所述相邻区域之间运送时，所述一个或多个电加热器被配置以将所述排气再次加热。

9.权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个电加热器被配置以将所述热排气再次加热至约400℃至约550℃的温度，以及其中将所述一个或多个电加热器以约100m至约500m的间隔距离沿所述一个或多个加热导管进行间隔。

10.权利要求1所述的系统，其中所述热源包括与所述发电机机械耦接的燃气轮机，其中所述燃气轮机任选地是工业化的飞行器发动机。

11.权利要求1所述的系统，其中所述热源包括燃料电池、联合循环燃气轮机、柴油发电机、或汽锅。

12.权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个材料主体包括选自以下的含烃材料：油页岩、焦油砂、煤、褐煤、沥青、泥煤、及其组合。

13.权利要求1所述的系统，其中材料主体的总数大于所述系统中热源的总数。

14.权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个加热导管包括穿孔的导管，所述穿孔的导管被配置以将所述热排气的部分直接注入所述一个或多个材料主体中。

15.权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个加热导管包括实心壁导管，所述实心壁导管被配置以通过热传导加热所述一个或多个材料主体。

16.通过热能和电能的热电联产来加热材料的方法，其包括：

从至少一个热源产生热排气；

从至少一个发电机产生电；

通过一个或多个加热导管将所述热排气运送到一个或多个材料主体；

将部分热量从所述热排气传递到所述一个或多个材料主体，足以将所述一个或多个材料主体加热到升高的目标温度；和

在所述部分热量被传递后，用电加热器将所述热排气再次加热，其中所述电加热器至少部分地通过由所述至少一个发电机产生的电来供能。

17.权利要求16所述的方法，其中所述一个或多个材料主体包括多个相邻区域，所述热排气通过连接所述多个相邻区域的多个加热导管进行运送。

18.权利要求17所述的方法，其中所述相邻区域是单个材料主体内的相邻区域，或者其中所述相邻区域是封装在各自的绝热屏障内的相邻材料主体。

19.权利要求18所述的方法，其中所述相邻材料主体包括碎含烃材料，所述绝热屏障包括土制材料。

20.权利要求16所述的方法，其中所述相邻区域是封装在各自的垂直容器内的相邻材料主体。

21.权利要求17所述的方法，其中运送所述热排气包括将来自单个热源的热排气串联地运送至所述相邻区域中的每一个。

22.权利要求17所述的方法，其中在所述热排气在所述相邻区域之间运送时，所述热排气被再次加热。

23.权利要求16所述的方法，其中所述热排气被再次加热至约400℃至约550℃的温度，并且所述方法进一步包括将所述热排气维持在约350℃至约550℃的稳态温度范围内，以及其中所述热排气任选地通过另外的电加热器再次加热，所述另外的电加热器以约100m至约500m的间隔距离沿所述一个或多个加热导管进行间隔。

24.权利要求16所述的方法，其中所述电加热器位于所述一个或多个材料主体中的至少一个内。

25.权利要求16所述的方法，其中所述至少一个热源包括与所述至少一个发电机机械耦接的燃气轮机或者包括燃料电池，其中所述燃气轮机任选地是工业化的飞行器发动机。

26.权利要求16所述的方法，其中所述一个或多个材料主体包括选自以下的含烃材料：油页岩、焦油砂、煤、褐煤、沥青、泥煤、及其组合。

27.权利要求16所述的方法，其中传递所述部分热量包括通过所述一个或多个加热导管中的孔眼将所述热排气的部分注入所述一个或多个材料主体中，或者其中传递所述部分热量包括通过所述一个或多个加热导管的壁通过热传导将热量传递至所述一个或多个材料主体。

28.权利要求16所述的方法，进一步包括：

在再次加热后使所述热排气再循环；和

第二次通过所述一个或多个加热导管运送所述热排气。

29.权利要求16所述的方法，进一步包括，在启动阶段中：

通过加热导管将所述热排气直接从第一热源运送到第一材料主体，直到离开所述第一材料主体的热排气达至约350℃至约450℃的稳态出口温度，其中所述热排气以约400℃至约550℃的温度进入所述第一材料主体；

在离开所述第一材料主体的热排气达到所述稳态出口温度后，将来自所述第一热源的热排气重新引导到第二材料主体；

使用所述电加热器将离开所述第二材料主体的热排气再次加热；和

将再次加热的热排气运回通过所述第一材料主体。

30.权利要求28所述的方法，其中重新引导所述热排气包括更靠近所述第二材料主体地重新定位所述第一热源。

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