CN1257574A - 增强的热交换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加热或冷却处理容器(80)中的固体物料(93)的方法和设备。该方法包括向装有堆料床(93)的容器供给工作流体。通过工作流体的变方向流动来增强热交换流体和固体物料间的热交换。

Description

增强的热交换系统
本发明涉及一种对固体物料填料进行处理来加热或冷却固体物料填料。
本发明尤其但不排他地涉及一种在高温、高压的条件下对低导热性的固体物料填料的处理。
更具体地说，本发明涉及：
(i)在高温、高压的条件下，通过从含碳材料，具体地说是煤碳中除掉水来提高含碳材料的等级，增加其BTU值；和
(ii)冷却加热后的含碳材料。
Koppelman的美国专利5,290,523公开了一种利用同时加温和加压的方法来提高煤炭等级的处理方法。
Koppleman公开了在包括升高的温度和压力的条件下通过加热煤炭使煤炭中发生物理变化，利用“挤压反应”从煤炭中除去水，而对煤炭热脱水。
Koppleman还公开了在升级过程中要维持压力充分高，使得到的副产品水主要为液态而不是蒸汽。
Koppleman进一步公开了能完成升级处理的不同的设备方案的范围。这些方案基于所使用的压力容器，包括：倒置的锥形入口、柱状本体、锥形出口和本体内水平或竖直放置的热交换管组件。
按照使用Koppleman型设备的一个建议，竖直放置的管和出口端装有煤炭，并注入氮气使管和出口端增压。煤炭通过与从管外供给柱状本体的热交换流体进行的间接热交换而被加热。通过向管供水并使水变成蒸汽以用作热交换流体能进一步提高热交换。升高的压力和温度条件的结合使从煤炭出来的水部分汽化，然后，部分水凝结为液体。添加水而产生的一部分水蒸汽由于升高的压力也会凝结为液体。没有凝结并超出了堆料床最佳压力的蒸汽必须排出。另外，非可凝结性气体(如CO，CO2)析出，也须排出。液体定期地从出口端排放。最后，经过了规定的停留时间后，给容器减压，然后从出口排放升级后的煤炭并冷却。
本申请人的国际申请PCT/AU98/00005“反应器”(“A Reactor”)、PCT/AU98/00142“处理填料的处理容器和方法”(“Process Vessel and Methodof Treating a Charge of Material”)和PCT/AU98/00204“液体/气体/固体物料的分离”(“Liquid/Gas/Solid Seperation”)具体公开了一种通过同时向Koppleman的设备加温和加压来提高煤炭等级的改进的处理方法。
上述国际申请中的公开内容在此引作参考文献。
国际申请PCT/AU98/00142尤其与本发明的内容相关。该国际申请指出，申请人发现，通过采用一种工作流体，使其在施加的压力作用下从入口端流经容器到达出口端，然后循环回到入口端，能够在加热和冷却压力容器中的低热传导性的煤炭或其它固体物料填料时实现增强的热交换。该国际申请的图7所示的优选实施例基于使用一种位于容器外的离心式风扇作为施加所需压力而使工作流体流动的装置。
本发明的目的是提供一种改进的方法和设备，通过同时向Koppleman所描述的和在上述国际申请中所描述的设备加温和加压来提高煤炭的等级。
根据本发明提供了一种加热或冷却处理容器中的固体物料的方法，该方法包括：
(a)向容器中加入固体物料填料形成堆料床；
(b)向容器供给工作流体；
(c)通过与热交换流体经堆料床内的内部热交换表面进行热交换加热或冷却固体物料填料，因此，在热交换流体和填料间以及热交换流体和工作流体间发生间接热交换，而在工作流体和填料间发生直接热交换；和
(d)通过改变工作流体的流动方向增强加热或冷却步骤(c)的热交换，其方法是：
(i)使工作流体在第一时间段内沿第一方向流动，
(ii)使工作流体在第二时间段内沿第二方向流动，及
(iii)重复步骤(i)和(ii)。
下文中，上述的热交换增强步骤(d)称作工作流体“变方向流动”。
第二方向最好与第一方向相反。
本发明是基于这样的一种认识：工作流体的变方向流动显著增强了热交换流体和固体物料间的间接热交换，而且改变工作流体流动方向所需的能量较小。
该方法最好还包括在加热或冷却步骤(c)前或中用外部供给的气体或内部产生的蒸汽或者两者给堆料床增压。
更好地是，该方法还包括在加热或冷却步骤(c)前或中给堆料床增压到工作压力达800psig。
工作流体最好是气体。
在工作流体是气体的情况下，因为工作流体可压缩，而堆料床有流动阻力，所以部分流体会以压缩气体的方式存在容器(及任何相关管路)中。这种容存效果的程度取决于诸如堆料床中的颗粒尺寸、工作压力、质量流量、频率和可压缩容积等一系列因素。该系统最好设计成容存效果占到工作流体质量流量的10％以下。
工作流体在该方法的工作条件下最好不产生相变。注意到，在某些情况中，使用含有可凝结成分的工作气体是有利的。
可以用作工作气体的气体包括：氧气、氮气、水蒸汽、SO2、CO2、油气、惰性气体、致冷剂及这些气体的混合物。
工作流体最好不与堆料床发生反应。
变方向流动的频率最好小于10HZ，更优选地，小于3HZ。尤其优选地，该变方向流动的频率小于2HZ。
第一、二时间段的长度最好相同，因此没有工作流体净流量流过容器。
或者，第一、二时间段的长度不同，因此有工作流体净流量流过容器，而在容器中形成工作流体的净循环流动。
工作流体的变方向流动可以是一系列连续的步骤，其中第二方向的流动紧随第一方向的流动之后，随即重复这些步骤。工作流体的变方向流动也可以进行适当的变化。例如，在第一、二方向的变动间可以有停顿。作为进一步的例子，一个方向的流动后可以有一个停顿，接着再沿着相同的方向流动，然后，将流动变到反方向。再一个例子，一个方向的流动后可以有一个停顿，接着再沿着相同的方向流动。这种变化在容器中产生了净循环流量。
如上所述，本发明具体地说是要加热和冷却含碳材料，具体地说是煤炭。为此目的使用该方法时，加热步骤最好包括：
(a)通过与热交换流体的间接热交换将含碳材料加热到温度T1，而不用工作流体的变方向流动来增强热交换；和
(b)通过与热交换流体的间接热交换和通过工作流体的变方向流动来增强热交换而将含碳材料加热到更高的温度T2。
特别优选加热步骤包括：
(a)通过与热交换流体的间接热交换和通过工作流体的变方向流动来增强热交换而将含碳材料加热到温度T0；
(b)通过与热交换流体的间接热交换将含碳材料加热到更高温度T1，而不用工作流体的变方向流动来增强热交换；和
(c)通过与热交换流体的间接热交换和通过工作流体的变方向流动来增强热交换而将含碳材料加热到更高的温度T2。
温度T0最好是或大约等于水开始从含碳材料中出来的温度。
温度T1最好是或大约等于水在容器内的处理压力下的沸点。
工作流体的变方向流动最好由泵组件进行。
泵组件最好包括：
(a)泵壳体；
(b)活塞，可滑动地位于泵壳体中，并将泵壳体分成第一腔和第二腔，每个腔都有一个供工作流体流进、流出腔的开口；
(c)驱动活塞在泵壳体内沿着相反的方向轴向移动以增大一个腔的容积而减小另一个腔的容积的装置；
(d)与腔的开口相连的导管，每个导管都有位于容器中的出入口，第一腔的导管的出入口与第二腔的导管出入口彼此分隔开。
很容易理解，利用上述的结构，活塞沿一个方向轴向移动能将工作流体从第一腔经相关的出入口泵入容器中，然后将工作流体经与第二腔相关的出入口从容器中引入第二腔。接下来，活塞沿相反方向的轴向移动能将工作流体从第二腔经相关的出入口泵入容器中，然后将工作流体经与第一腔相关的出入口从容器中引入第一腔。活塞沿相反方向的连续的轴向移动引起容器内工作流体连续的变方向流动。
申请人所进行的计算机建模工作的结果表明，堆料床每单位横截面积上的工作流体质量流率是热交换率的主要因素。当工作流体的变方向流动是由上面的小段落(a)-(d)所描述的泵组件所引起的情况下，影响工作流体的质量流率的因素包括(但不限于)：变方向流动的频率、腔的工作容积、活塞速度和工作流体的密度。容易理解，能够按照给定容器结构的要求选择这些因素，使该容器的热交换率最大。
泵组件既可以设在容器内部也可以设在容器外部。
如果泵组件设在容器内部，则泵壳体可以位于容器内任何适当的位置。例如，泵壳体位于容器的上部。进一步的例子是，泵壳体位于容器的下部，部分或全部地浸没在按本方法操作时从固体物料出来的水中。
如果泵组件设在容器外部，则泵壳体可以位于容器外任何适当的位置。例如，泵壳体设置成使一个腔部分或全部地充入按本方法操作时从固体物料出来的水。
第一、二腔的出入口最好沿轴向在容器中相互分开，使堆料床中的变方向流动总的说来(考虑到工作流体围绕堆料床上的固体物料的局部的迂回流动)是轴向的。
第一、二腔的出入口最好分别位于容器的上、下部。
最好设有多个泵组件串联，其出入口沿堆料床的长度方向间隔开，使每个泵组件在堆料床的不同的轴段上形成变方向流动。利用这种结构时，相邻的泵组件最好设置成不同相工作以形成工作流体的变方向流动。
在另外的一种结构中，最好有多个泵组件并联设置。
在上述泵组件的变例中，可以不将活塞驱动装置设置成使活塞在泵壳体内沿相反的方向交替移动，而最好将活塞驱动装置设置成使活塞仅仅沿一个方向移动。这个单向运动的变例依赖于容器(或与容器流体连通的腔)中工作流体的压缩性，以增大的压力储存工作流体，然后驱动活塞反向运动。
在单向运动的变例中，泵组件最好包括：
(a)泵壳体；
(b)活塞，可滑动地位于泵壳体中，与泵壳体构成了泵腔，泵腔具有供工作流体流入、流出的开口；
(c)驱动活塞在泵壳体内沿轴向运动，减小腔的容积而将工作流体从腔中挤出的装置；和
(d)与腔开口相连的导管，具有位于容器中的出入口。
根据本发明，还提供了一种加热或冷却固体物料填料的设备，该设备包括：
(a)构成内部容积的容器，其包括：
(i)具有固体物料入口的入口端，和
(ii)具有固体物料出口的出口端；
(b)容器中的多个热交换表面；
(c)一装置，向容器供给热交换流体，通过经热交换表面进行的间接热交换加热或冷却容器中的固体物料；
(d)一装置，在加热或冷却过程中增强热交换，其方法是：
(i)使工作流体在第一时间段内沿第一方向与容器中的固体物料接触流动；
(ii)使工作流体在第二时间段内沿与第一方向相反的第二方向与容器中的固体物料接触流动；以及
(iii)按第一、二时间段连续地改变工作流体的流动。
该设备最好还包括供给流体以增加容器内压力的装置。
使工作流体变方向流动的装置最好包括上述的泵组件。
下面参照附图进一步以例子描述本发明，其中
图1是根据本发明加热固体物料的设备的一个优选实施例的示意图。
下文的描述是关于提高煤炭的等级。应注意本发明并不限于这种应用，而可以延伸到任何合适的固体物料。
参照附图，本发明装置包括一容器80，该容器80包括：倒锥形的入口62、柱状本体64、锥形出口66以及竖直放置在本体64和出口66内的热交换板83。板83为国际申请PCT/AU98/00005中所述的那一种，包括油等热交换流体的通道和歧管(未示出)。
锥形入口62包括：
(i)阀组件88，将煤炭供给容器80，而形成容器的堆料床93；
(ii)气体/液体入口装置91，向容器80供给工作气体以增强热交换，并供给气体/液体以给容器增压；和
(iii)气体出口90，当容器80内的压力达到预定大小时使气体从容器80中排出。
锥形出口66包括使处理后的煤炭从容器80中排出的阀85和将气体和液体从容器80中排出的气体/液体出口92。与气体/液体/固体物料分离有关的锥形出口66的结构如国际申请PCT/AU98/00204所述。
本设备能够分批地处理煤炭。但应注意，本发明并不限于此，而是延伸到连续处理煤炭(或其它固体物料)。
本设备还包括通过使容器80中的工作流体变方向流动来增强流过板83中通道(未示出)的热交换流体和堆料床93中的煤炭间的热交换的装置。在本优选实施例中，变方向流动是工作流体在堆料床93中以较短的时间段所作的连续上、下运动。应注意，将工作流体的运动描述为“上”、“下”运动应作广义地理解，堆料床93上的煤炭布置能使工作流体在局部地方沿迂回路径运动。如上述，申请人在计算机建模中发现，在任何情况下，工作流体在容器80中的变方向流动都能显著地增强热交换，达到能与国际申请PCT/AU98/00142所建议的工作流体循环流动所能达到的水平相媲美的水平。尤其是，计算机建模工作表明，在处理煤炭的过程中，较低频率的变方向流动(优选地，＜10HZ，更优选地，＜3HZ，尤其是，＜2HZ)能产生热交换的最佳增强。
热交换增强装置包括具有装在泵壳体100中的双向运动活塞101，活塞101把泵壳体100分成两个腔72，74。活塞101经连杆103与长行程的液压活塞/缸组件102连接，该组件由液压泵107供给动力。而液压泵107由任何合适的装置供给动力。例如，液压泵107至少部分地由从容器80经出口90排出的气体压力供给动力。液压流体经管路106供给活塞/缸组件102。这种结构是由液压泵107造成活塞101在泵壳体100中交替地上下运动，而使腔72，74的容积交替的增加、减小。腔72经导管104与锥形入口62相连，腔74经导管95与容器80的锥形出口66相连。这种结构是在使用时，活塞101的运动能够：
(i)因为腔72收缩而将工作气体从腔72排进容器80的锥形入口62；
(ii)因为腔74膨胀而将工作气体从容器80的锥形出口66吸入腔74。
类似地，活塞101继续向下运动，会因为腔74收缩而将工作气体从腔74排进容器80的锥形出口66，而因为腔72膨胀而将工作气体从容器80的锥形入口62吸入腔72。
活塞101交替上、下运动的最终效果是使工作气体在容器80中交替地上、下运动(即变方向流动)。
利用工作流体的变方向流动有很多优点。例如，实现变方向流动的设备要求比国际申请PCT/AU98/00142建议使用的离心式风扇来使工作气体循环流动要简单得多。举例来说，图中所示的泵组件可以是没有阀的正位移泵，对高压密封的要求最少，而几乎不需要维护。
在使用图示设备加热煤炭的本发明方法的有关优选实施例中，通过经入口阀88供给煤炭填料、经气体/液体入口91供给工作气体而在容器80中形成煤炭堆料床93。然后，利用经气体/液体入口91供给的合适气体给容器80增压，升高温度的热交换流体流经板83上的通道(未示出)。
于是，煤炭被加热，并通过Koppleman描述的和在上述国际申请中所描述的机制从煤炭中“挤”出水来。第一阶段，在水从煤炭出来前，泵组件工作，使容器内的工作气体变方向流动以增强热交换。在第二阶段，由于挤压机制，水从煤炭中渗出来，这时，不再需要工作气体的变方向流动，因此，泵组件不工作。第三阶段，当水几乎完全从煤炭中出来以后，因为要将煤炭加热到最终的处理温度，泵组件工作以通过工作气体的变方向流动增强热交换。
在不脱离本发明的构思和范围的情况下，能够对上述优选实施例作出各种改进。
例如，虽然上述热交换增强装置的优选实施例包括位于容器80外泵壳体100内并连接到容器80的上、下部分的双向运动活塞101，但是，很容易理解，本发明并不限于此，而是延伸到任何能够使工作流体变方向流动的合适装置。可供采用的其它方案包括：
(i)多个变方向流动装置并联、同相工作；
(ii)自驱动变方向流动装置，排出工作流体来驱动活塞；
(iii)与容器单一连接，通过在堆料床和床远端的腔中存放工作流体来形成变方向流动；
(iv)泵组件中的阀可以是单方向的；
(v)活塞中设置单向阀，形成缓慢的变方向流动，增强伴随有工作流体流动的从堆料床的排放；以及
(vi)带有单独的、能形成变方向流动的泵。
例如，不使用基于泵的方案而形成变方向流动也在本发明的范围内。一个方案是通过注水并适当地排出容器，而给容器80增压和/或减压。
再举一个例子。虽然上述的热交换增强装置的优选实施例是针对单个容器80来描述的，但是，容易理解，本发明并不限于此，而延伸到热交换增强装置连接到一系列容器80的情况。

Claims (22)

1.一种加热或冷却处理容器中的固体物料的方法，该方法包括：
(a)向容器中加入固体物料填料形成堆料床；
(b)向容器供给工作流体；
(c)通过与热交换流体经堆料床内的内部热交换表面进行热交换加热或冷却固体物料填料，因此，在热交换流体和填料间以及热交换流体和工作流体间发生间接热交换，而在工作流体和填料间发生直接热交换；和
(d)通过改变工作流体的流动方向增强加热或冷却步骤(c)的热交换，其方法是：
(i)使工作流体在第一时间段内沿第一方向流动，
(ii)使工作流体在第二时间段内沿第二方向流动，及
(iii)重复步骤(i)和(ii)。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，第二方向与第一方向相反。
3.如权利要求1或2的方法，其特征在于，该方法还包括在加热或冷却步骤(c)前或中用外部供给的蒸汽或内部产生的气体或者两者给堆料床增压。
4.如前述任一项权利要求的方法，其特征在于，工作流体是气体。
5.如前述任一项权利要求的方法，其特征在于，变方向流动的频率小于10HZ。
6.如权利要求5的方法，其特征在于，变方向流动的频率小于3HZ。
7.如前述任一项权利要求的方法，其特征在于，第一、二时间段的长度相同，没有工作流体净流量流过容器。
8.如权利要求1-6中任一项的方法，其特征在于，第一、二时间段的长度不同，有工作流体净流量流过容器，而在容器中形成工作流体的净循环流动。
9.如前述任一项权利要求的方法，其特征在于，工作流体的变方向流动是一系列连续的步骤，其中第二方向的流动紧随第一方向的流动之后，随即重复这些步骤。
10.如权利要求1-8中任一项的方法，其特征在于，在第一方向流动和第二方向的流动之间有停顿。
11.如权利要求1-8中任一项的方法，其特征在于，一个方向的流动后有一个停顿，接着再沿着相同的方向流动，然后，将流动变到反方向。
12.一种加热或冷却固体物料填料的设备，该设备包括：
(a)构成内部容积的容器，其包括：
(i)具有固体物料入口的入口端，和
(ii)具有固体物料出口的出口端；
(b)容器中的多个热交换表面；
(c)向容器供给热交换流体并通过经热交换表面进行的间接热交换加热或冷却容器中固体物料的装置；
(d)在加热或冷却过程中通过使工作流体变方向流动来增强热交换的装置，其使得：
(i)工作流体在第一时间段内沿第一方向与容器中的固体物料接触流动；
(ii)工作流体在第二时间段内沿第二方向与容器中的固体物料接触流动；以及
(iii)按第一、二时间段连续地改变工作流体的流动。
13.如权利要求12的设备，其特征在于，还包括供给流体以增加容器内压力的装置。
14.如权利要求12或13的设备，其特征在于，使工作流体变方向流动的装置包括一泵组件。
15.如权利要求14的设备，其特征在于，泵组件包括：
(a)泵壳体；
(b)活塞，可滑动地位于泵壳体中，并将泵壳体分成第一腔和第二腔，每个腔都有一个供工作流体流进、流出的开口；
(c)驱动活塞在泵壳体内沿着相反的方向轴向移动以增大一个腔的容积而减小另一个腔的容积的装置；
(d)与腔的开口相连的导管，每个导管都有位于容器中的出入口，第一腔的导管的出入口与第二腔的出入口彼此分隔开。
16.如权利要求15的设备，其特征在于，泵组件设在容器外部。
17.如权利要求15的设备，其特征在于，泵组件设在容器内部。
18.如权利要求17的设备，其特征在于，第一、二腔的出入口沿轴向在容器中相互分开，使堆料床中的变方向流动总的说来是轴向的。
19.如权利要求18的设备，其特征在于，第一、二腔的出入口分别位于容器的上、下部。
20.如权利要求18的设备，其特征在于，设有多个泵组件串联，其出入口沿堆料床的长度方向间隔开，使每个泵组件在堆料床的不同的轴段上形成变方向流动。
21.如权利要求20的设备，其特征在于，相邻的泵组件设置成不同相工作以形成工作流体的变方向流动。
22.如权利要求18的设备，其特征在于，多个泵组件并联设置。
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