使用蒸发冷却的隔热系统 |
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| 申请号 | CN201580064074.4 | 申请日 | 2015-10-09 | 公开(公告)号 | CN107001942A | 公开(公告)日 | 2017-08-01 |
| 申请人 | 红叶资源公司; | 发明人 | J·邦杰; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 隔热 系统(100)，所述隔热系统可以包括处于升高的 温度 下的受热材料主体(110)。可以将一层多孔隔离材料(120)放置为与所述受热材料主体(110)相邻并 流体 连通。所述隔离层(120)可以包含散布的液态 水 ，所述液态水的量足以通过朝所述受热材料主体(110)流动的 蒸发 蒸气冷却所述隔离层(120)。所述水量能足以提供抑制 烃 从所述受热材料主体(110)扩散和 吸附 的水蒸气。所述隔离层(120)可以包括连续气相。可以将处于较低温度的 散热 材料(130)放置为与所述隔离层(120)相邻并与所述受热材料主体(110)相背对。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种隔热系统，包括： |
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| 说明书全文 | 使用蒸发冷却的隔热系统[0002] 本申请要求2014年10月10日提交的标题为“Thermal Insulation System Using Evaporative Cooling”(使用蒸发冷却的隔热系统)的美国临时申请No.62/062,328的优先权，该申请以引用方式并入本文。 技术领域背景技术[0004] 已经开发出由诸如油页岩和焦油砂的各种含烃材料产生烃的许多工艺。历史上，主要的研究和商用工艺包括地上蒸馏器和原位工艺。最近，已经开发出用于从粉碎油页岩中回收油的包封蓄积池( 技术)。这些蓄积池主要由土材料形成，其中粉碎油页岩被由岩石、土壤、粘土和土工合成材料等制成的不可渗透的屏障包封。包封的蓄积池可以非常大，有时占地若干英亩。 [0005] 通常，从油页岩中回收烃产物的方法涉及对油页岩施加热量。加热油页岩允许油页岩中的干酪根通过热解过程分解，产生液体和蒸气烃化合物。这些工艺中的一个问题是到周围环境中的热量损失。这种“散逸热”对该工艺有负面影响，因为热量损失对于实现产生烃产物的工艺目标是无用的。过量的散逸热也可以将周围的环境加热到无法接受的温度。解决该问题的一种方法是在地上蒸馏器中安装隔热材料以保持蒸馏器内部的热量。对于原位工艺(诸如Shell Oil原位工艺)而言，可以通过使用制冷剂将生产区域的边缘冷却至水的冻结温度以下来形成冷冻壁。这些解决方案可能是昂贵的并且是能源密集的。因此，需要进行进行研究，以寻找有效的回收烃产物同时最大限度地减少散逸热的方法。 发明内容[0006] 用于对受热材料主体(诸如受热油页岩)进行隔热的系统可以包括与受热材料相邻的多孔隔离材料的隔离层。隔离层可以包含散布在多孔隔离材料中的液态水。来自受热材料主体的热会导致水分蒸发。由于水的蒸发潜热高，大量的热可以被蒸发的水吸收，而不会提高隔离层的温度。水蒸气可从隔离层朝受热材料主体流动。隔离层中的水的量可以是足够的，使得隔离层也具有连续的水蒸气流动。水蒸气从隔离层流入受热材料主体可以帮助隔离层保持冷却，防止烃蒸气从受热材料主体逸出，并防止烃在多孔隔离材料上冷凝以导致隔离层中过量的烃滞留。 [0007] 散热材料可以与隔离层相邻并且与受热材料主体相背对。当受热材料主体被加热到高温时，可以通过隔离层将散热材料保持在较低的温度。 [0008] 因此，已对本发明的较重要的特征进行了广义的概述，以更好地理解接下来的本发明的具体实施方式，并且更好地认识本发明对本领域的贡献。通过本发明的以下具体实施方式结合附图和权利要求，本发明的其他特征将变得更清晰，或者可通过本发明的实践了解到。 附图说明[0009] 图1为根据本发明的实施例的隔热系统的剖视图； [0010] 图2为根据本发明的实施例的受热材料主体与隔离层之间的界面的近视图； [0011] 图3为根据本发明的实施例的隔离材料颗粒的近视图；以及 [0012] 图4为根据本发明的实施例的隔离受热材料主体的方法的流程图。 [0013] 提供这些附图以说明本发明的各个方面而不是意图在尺寸、材料、构型、布置或比例方面进行范围的限制，除非权利要求另有限制。 具体实施方式[0014] 虽然这些示例性实施例足够详细地描述以使本领域的技术人员能够实践本发明，但是应当理解，其他实施例也可以实现并且在不脱离本发明的精神和范围的前提下可对本发明作出各种改变。因此，如权利要求书所要求的，本发明的实施例的以下更详细的描述并不旨在限制本发明的范围，但是仅仅为了说明而非限制的目的而呈现以描述本发明的特征和特性，阐述本发明的最佳操作模式，并且充分地使本领域的技术人员能够实践本发明。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求书来限定。 [0015] 定义 [0016] 在描述和要求保护本发明时，将使用下面的术语。 [0017] 如本文所用，“含烃材料”是指任何包含烃类的材料，可从该材料中提取或衍生烃类产物。例如，烃可作为液体直接提取，通过溶剂提取除去，通过从原料转化直接蒸发，或以其他方式从材料中除去许多含烃材料包含油母岩或沥青，其通过加热和热解转变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、泥煤和其他富含有机物的岩石。因此，现有的含烃材料可以通过化学转化为更有用的烃产物而从此类原料改质和/或释放。 [0018] 如本文所用，“废含烃材料”和“废油页岩”是指已经被用于生产烃的材料。通常在由含烃材料产生烃之后，剩余的材料主要为大部分有机物质已被去除的矿物质。 [0019] 如本文所用，“贫含烃材料”和“贫油页岩”是指具有相对低的烃含量的材料。作为例子，贫油页岩通常可具有1重量％至8重量％的烃含量。 [0020] 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。作为例子，富油页岩通常可具有12重量％至25重量％的烃含量，并且有些情况下更高。 [0022] 如本文所用，“散热材料”是指跨隔离层与受热的含烃材料相背对的任何材料。术语“散热材料”并不旨在限于在其他应用中通常用作散热器的材料。该术语也不意味着散热材料具有与其他应用中的散热器相关联的性质，诸如高导热性。在本公开的一些实施例中，散热材料可以是土材料，诸如土壤或粘土，并且可以具有低的气体渗透性。 [0023] 如本文所用，“温度敏感”是指会受到高温(诸如受热材料主体的温度)的不利影响的材料。例如，在水合时，膨胀粘土可以基本上不透液体和蒸气，但高于水的沸点的温度可以使膨胀粘土脱水并提高膨胀粘土的渗透性。 [0024] 如本文所用，“饱和”是指可以存留在颗粒材料中的最大量的水，其中没有水通过重力从材料中排出。饱和量可以是颗粒表面积、颗粒基质中的空隙空间、空隙空间尺寸和颗粒材料的组成的函数，其可影响颗粒材料的表面化学。在一些情况下，可以通过向颗粒材料中加入大于饱和量的水并允许过量的水排出、在颗粒材料中留下饱和量的水来达到饱和水量。作为另一种选择，可以计算给定体积的材料达到饱和所需的水量。然后可以将该水量施加到颗粒材料上以产生饱和材料。具有饱和水量的颗粒材料通常具有液态水润湿的颗粒表面，气相散布在润湿颗粒之间的间隙空间中，虽然空隙空间尺寸很小，但毛细作用可以使间隙空间的一部分部分地或完全地填充。 [0025] 如本文所用，“滞留”是指烃液体被封存在隔离层中，使得烃不容易被除去。滞留可降低烃生产工艺的经济效率，因为被封存的烃代表损失的产物。液态烃可以吸附到隔离层中的隔离材料颗粒的表面上，汇集在颗粒之间的空间中，或者以其他方式被封存在隔离层中。 [0026] 如本文所用，无论何时，任何性质是指可以具有不同值之间的分布的性质，诸如温度分布、粒度分布等，除非另外指明，否则所述性质表示分布的平均值。因此，“隔离材料的粒度”是指平均粒度，“受热材料主体的温度”是指受热材料主体的平均温度。 [0027] 要注意的是，除非上下文明确规定，否则如本说明书和所附权利要求书中所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括多个指代物。因此，例如，提及“一个层”包括一个或多个此类特征，提及“一个颗粒”包括提及一个或多个此类要素，而提及“产生”包括提及一个或多个此类步骤。 [0028] 如本文所用，术语“约”和“大约”用于提供灵活性，诸如指示(例如)数值范围端点中的给定值可以“稍高于”或“稍低于”该端点。基于上下文，本领域技术人员可以容易地确定特定变量的灵活程度。 [0029] 如本文所用，术语“基本上”是指作用、特征、性质、状态、结构、项目或结果的完全或接近完全的程度。在一些情况下，偏离绝对完全的准确允许程度可取决于具体情况。然而，接近完全通常将具有与获得绝对和总体完全相同的总体结果。“基本上”是指偏离程度足够小，以便不可测量地减损所标识的特性或环境。在一些情况下，容许的精确偏差度取决于具体情况。在用于否定含义时，“基本上”同样适用，其是指行动、特征、性质、状态、结构、项目或结果的完全缺乏或接近完全缺乏。 [0030] 如本文所用，“相邻”是指两个结构或元件接近。具体地讲，被识别为“相邻”的元件可邻接或连接。此类元件还可以彼此靠近或接近，而不一定彼此接触。在一些情况下，精确的接近度可以取决于具体情况。另外，在某些情况下可以通过在相邻结构或元件之间的附加结构或元件将相邻结构或元件分开。作为例子，散热材料层可以与隔离层相邻，但在散热材料与隔离层之间要放置薄层的土工合成织物。作为另一种选择，土工合成织物可以被认为是散热材料层的一部分，使得散热材料层与隔离层接触。 [0031] 如本文所用，为方便起见，多个物品、结构元件、组成元件和/或材料可以在相同列表中表示。然而，这些列表应理解为列表的每个构件独立地识别为单独且唯一的构件。因此，在没有相反指示的情况下，不应单独地基于它们在相同组中的表现，将此类列表的任何单个构件理解为相同列表的任何其他构件的实际等同物。 [0032] 本文可能以范围格式表示浓度、含量和其他数值数据。应当理解，此类范围格式的使用仅仅出于方便和简洁目的，并且应灵活解读为不仅包括明确引用为范围限值的数值，还包括涵盖在该范围内的所有单个数值或子范围，如同明确引用每个数值和子范围。例如，约1至约4.5的数值范围应被理解为不仅包括明确叙述的1至约4.5的限制，而且还包括单个数值(诸如2、3、4)和子范围(诸如1至3、2至4)等。相同原理适用于叙述仅一个数值的范围，诸如“小于约4.5,”，这应被理解为包括所有上述值和范围。另外，这样的解释应不管范围的宽度或所描述的特性而应用。 [0033] 任何方法或工艺权利要求中所引用的任何步骤可以按任何顺序执行并且不限于权利要求中提供的顺序。装置加功能或步骤加功能限制仅仅用在特定的权利要求限制中，在这种限制中满足所有的下列条件：a)明确记载了“用于……的装置”或“用于……的步骤”；以及b)明确引用对应功能。在本文的说明中明确引用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条件确定，而非由本文给定的描述和例子确定。 [0034] 现在将参考所示的示例性实施例，并且本文将使用具体语言来描述这些示例性实施例。然而应当理解，并不旨在对本技术的范围进行任何限制。本技术的附加特征和优势将通过接下来的具体实施方式变得显而易见，并且该具体实施方式结合附图一起以举例的方式示出本技术的特征。 [0035] 根据上文发明内容中所示的一般例子，在本公开中应注意的是，当描述系统或相关装置或方法时，各个或单独的描述被认为可适用于彼此，不论是否在特定例子或实施例的上下文中明确描述。例如，在讨论装置本身时，其他装置、系统和/或方法实施例也包括在此类讨论中，反之亦然。 [0037] 使用蒸发冷却的隔热系统 [0038] 本发明技术提供了用于隔离受热材料主体的系统和方法。该技术利用水的高蒸发潜热来帮助冷却受热材料主体周围的隔离层。在从诸如油页岩的含烃材料中提取烃的工艺中，这些系统和方法可以解决若干问题。首先，当水蒸发时，存在于隔离层中的水可以从受热材料中吸收大量的热。这允许隔离层有效地保护周围材料免受受热材料主体的热量的影响。因为与干燥时的隔离层相比，蒸发水吸收更大量的热，所以可以减小隔离层的厚度，从而降低了系统的成本。 [0039] 此外，厚的隔离层可以导致由含烃材料产生的烃的更大滞留。烃蒸气可以在隔离层中冷凝，并被吸附到隔离材料上或以其他方式被封存在隔离材料中。即使累进的热浪将使轻烃重新蒸发，但在加热循环结束时重烃也可能会被封存。如此被封存的烃通常不能回收，因此代表收入损失。当隔离材料具有容易封存烃液体的高表面积或小尺寸空隙空间时，滞留问题尤其明显。通过使用本发明技术，可以减小隔离层的厚度，从而减少烃可被封存在其中的多孔隔离材料的量。 [0040] 用水润湿隔离材料也可以减少隔离层中的烃冷凝和吸附。烃通常不会吸附在被一层水覆盖的隔离颗粒上。由矿物质组成的隔离颗粒通常优选地被水润湿，而不是被烃润湿。随着烃回收工艺的进行，隔离层的内部部分可随着水蒸发而变得脱水。然后，烃可以沿着隔离层的内部部分在干的隔离材料上冷凝。然而，从隔离层较深处朝受热材料流动的水蒸气可以限制烃蒸气扩散到隔离层中，并且还可以从隔离材料上剥离任何吸附的烃。由蒸发水形成的强制流动与烃的扩散路径相反，从而将烃从隔离材料吹扫回受热材料，在那里它们被回收。根据本发明技术配置隔离层可以在回收烃期间提供从隔离层到受热材料主体的一致的水蒸气流。因此，如果不消除的话，可以大大减少进入隔离层并在隔离材料上冷凝的烃蒸气的量。 [0041] 在包封的烃生产工艺中，隔离层可以包围受热含烃材料主体，并且隔离层继而可以被不可渗透的散热材料包封。包封的一个目的是防止烃蒸气从包封的蓄积池中逸出。配置隔离层以提供流入受热含烃材料主体的一致或恒定的水蒸气流，其流动方向与通过隔离层扩散到不可渗透层的烃蒸气相反，这减少了滞留的机会，并有助于消除烃从蓄积池逸出的机会。 [0042] 本发明技术在加热时间有限的应用中尤其有用。例如，在包封的烃生产中，可以对含烃材料主体加热一段有限的时间，直到所需量的烃已被回收。在这种情况下，可以计算隔离层的厚度和隔离层中的水量，使得至少一些液态水将保留在隔离层中，直到加热时间结束，使得在整个工艺操作过程中可保持恒定或至少一致的水蒸气流。至少，可以在回收刚刚完成时计算消耗的水量。因此，本发明的系统和方法提供了加热过程中隔离材料的定时机制。 [0043] 考虑到本发明技术的上述有益效果，图1示出了根据本发明技术的实施例的隔热系统100。受热材料主体110处于第一温度。隔离层120与受热材料主体相邻。通常，隔离层可包围受热材料，从而在受热材料周围形成隔离包封层。该隔离层可包括多孔隔离材料，其中液态水遍布其中。散布的液态水的存在量要足以在受热材料加热时间期间通过朝受热材料主体流动的蒸气流冷却隔离层。隔离层还可以包括连续的气相。散热材料130可以与隔离层相邻并且与受热材料主体相背对。在一个方面，散热材料可以包围隔离层，以在隔离层和受热材料周围形成散热包封层。散热材料可以保持在低于第一温度的第二温度下。第一温度通常可以是与特定材料的烃回收相关联的操作范围，如下文所详述。附加的壁材料140可以与散热材料相邻。 [0044] 图2示出了隔离材料主体110与隔离层120之间的界面200的放大视图。应当注意，只描绘了受热材料主体和隔离层的一小部分。受热材料主体和隔离层在水平和竖直方向上均延伸得较远，但图中未示出。界面用虚线表示，其对应于将受热材料主体与隔离材料大体上分开的平面。如图所示，当隔离材料颗粒沉落在受热材料颗粒之间时，在界面处可出现少量的混合。当隔离层被加热时，该层内的水吸收热，这部分热最终蒸发液态水的一部分。所得的水蒸气膨胀，使得蒸发气流210从隔离层流入到受热材料主体中。在温度达到热解温度之前，空隙空间内产生水蒸气可导致每1重量％的水约50-100倍的气体体积交换。 [0045] 图3示出了根据本发明的实施例的隔离层内的隔离材料颗粒310的近视图。颗粒可以用液态水320润湿。润湿层可以在具有膜厚度的颗粒周围形成包封层，该膜厚度使得在至少一些相邻颗粒之间留有空隙空间，以形成气相，其在一些情况下可以是连续的。连续气相330可以存在于润湿颗粒之间的间隙空间中。虽然在一些情况下连续气相可以存在于整个隔离层中，但在其他情况下，连续气相可以仅存在于足以允许蒸气从隔离层流入受热材料的与受热材料相邻的区域中。蒸发气流210可流经间隙空间。虽然具体厚度可以基于操作条件而变化，但润湿层通常具有约0.4mm至约2.5mm的厚度。 [0046] 散热材料可以是放置在隔离层与受热材料主体相背对一侧上的任何材料。在一些实施例中，散热材料可以基本上包封受热材料主体和隔离层，从而在受热材料周围形成隔离包封层。散热材料可以对于包括蒸气、气体和液体在内的流体都是不可渗透的。适用于形成蓄积池的散热材料的非限制性例子可包括粘土、膨润土(例如包括膨润土的至少一部分的粘土，膨润土包括蒙脱石)、压实填料、耐火水泥、水泥、灌浆、高温沥青、钢板、铝板、合成土工格栅、玻璃纤维、钢筋、烃添加剂、填充土工织物袋、聚合树脂、PVC衬垫或它们的组合。对于形成蓄积池的大规模操作而言，土材料可以至少部分地提供有效的屏障。 [0047] 在某些实施例中，散热材料可以包括膨胀粘土。膨胀粘土的例子包括但不限于膨润土、蒙脱石、高岭石、伊利石、亚氯酸盐、蛭石等。最通常，散热材料可以是用膨胀粘土改良的土壤。例如，散热材料可以是膨润土改良土壤。膨润土改良土壤可以通过加水进行水合，这导致膨润土的颗粒膨胀。水合膨润土颗粒和存在于土壤中的其他颗粒形成不可渗透的基质，这是对蒸气和液体的有效屏障。在一些情况下，膨润土改良土壤可以包含：按重量计约5-20％的膨润土；15-20％的水；和其余的土壤或粒料。水合时，膨润土组分膨胀到膨润土干体积的若干倍，从而密封土壤，使得该材料是塑性的和有延展性的。 [0048] 散热材料可以形成蓄积池，以限制流体进入或离开蓄积池。因此，由蓄积池内的含烃材料产生的烃流体可以存留在蓄积池内，以避免蓄积池外的环境污染和损失有价值的烃产物。因此，散热材料可以没有连续气相，并且由连续液相内的填充固体颗粒材料形成。在一些实施例中，蓄积池可以基本上防止烃逸出到蓄积池外部，除非通过指定的管道(诸如气态和液态烃出口管道)排出。此类出口管道可以包括在蓄积池下部的允许排出液态烃的一个或多个排水沟、在蓄积池上部的用于排出气体和蒸气的一个或多个气体出口、在受热材料主体内位于中间高度用于排出具有各种沸点的烃液体和气体的一个或多个中间出口，或这些不同出口的组合。出口管道可穿过不可渗透的散热材料层，以允许从蓄积池收集烃产物。紧密包围管道的散热材料层区域可以抵靠管道的外表面而密封，使得不会在管道与散热材料之间的界面处发生烃泄漏。 [0049] 此外，蓄积池可以限制空气、水或其他流体从周围环境进入到蓄积池中。将空气泄漏到蓄积池中可能会导致从含烃材料中回收烃的工艺产生问题。例如，氧的存在可导致烃和其他内含物在蓄积池内聚合和聚集。另外，氧气的存在可能在系统内导致不期望的燃烧。在一些实施例中，蓄积池可以基本上防止流体从周围环境进入到蓄积池中。任选地，可以通过指定的入口管道将流体送入到蓄积池中。在一些情况下，可以使用入口管道将受热气体引入到蓄积池中以加热含烃材料主体。在一个此类例子中，可以用加热管道将热燃烧气体引入到蓄积池中。可以通过入口管道引入蓄积池的其他流体包括但不限于蒸汽、惰性或非氧化性气体、溶剂、烃、催化剂等。因此，除了指定的入口和出口管道之外，蓄积池可以防止流体沿任一方向进入或离开蓄积池。 [0050] 虽然散热材料可以由各种材料形成，但是在一个方面，散热材料可以由平均直径为0.1cm至约5cm，最通常为约0.2cm至约1厘米的颗粒材料形成。类似地，颗粒材料可以具有约74微米(200目)至约10厘米(3/8")的尺寸范围。散热材料可以具有足以防止流体泄漏到蓄积池内部或外部的厚度。在一个例子中，散热材料层可具有约10cm至约2m的厚度。在另一个例子中，散热材料层可具有约50cm至约1m的厚度。 [0051] 蓄积池的壁可另外包括支撑材料。在一些实施例中，可以通过由土材料形成的外壁支撑散热材料。外壁可以包括尾矿护台、压实土、原状地层、石笼、土工合成织物和其他支撑材料。在一个实施例中，蓄积池可以形成为独立的结构，即，使用现有的坡地作为具有人造侧壁的底部。作为另一种选择，可以通过抵靠挖掘的坑的原状地层表面形成散热材料层而在挖掘的坑内形成蓄积池。 [0052] 散热材料也可以对高温敏感温度敏感。温度敏感性可以归因于散热材料的性质，该性质导致散热材料在高温下变得对气体或液体更具渗透性。散热材料敏感的特定温度可以取决于材料的类型和允许材料不可渗透的材料的性质。例如，在一些实施例中，散热材料可以包括与水水合的粘土。粘土在水合时膨胀，这继而使散热材料对流体不可渗透。因此，如果粘土变得脱水，则散热材料可以变得更可渗透。具体地讲，脱水粘土颗粒可以收缩，在流体可流经的颗粒之间留下裂缝或空间。如果散热材料暴露在导致散热材料中的水蒸发的温度下，可发生脱水。因此，散热材料可以对此类温度是温度敏感的。在一些实施例中，散热材料可以对大于水的沸点(>100℃)、约等于水的沸点(约100℃)或比水的沸点低10℃以下(>90℃)的温度温度敏感。还应该注意的是，如果在蓄积池中使用高压，则散热材料中的水的沸点也可以升高。相反，如果蓄积池的位置明显高于海平面，则水的沸点相应降低。只要隔离材料水合，隔离材料与散热材料之间的边界处就会保持100％的湿度，并且即使在接近(但不超过)当前压力下水的沸点的温度下，也可以防止散热材料变干。 [0053] 在另外的实施例中，散热材料可以对其他温度敏感。在一些情况下，可以在包含膨胀粘土的散热材料中加入添加剂以改变膨胀粘土的脱水温度。例如，可以加入沸点高于或低于水的附加液体以升高或降低膨胀粘土的脱水温度。此类材料的非限制性例子可包括甘油。在其他例子中，散热材料可以包括在一定温度下降解的另一种材料，诸如在所需熔点下熔化的聚合物。 [0054] 蓄积池内的受热材料主体可以处于散热材料温度敏感的温度下。例如，在一些实施例中，受热材料主体可以在约95℃至约500℃的温度下。这些温度足以使散热材料中的膨胀粘土脱水。因此，可以使散热材料保持在散热材料温度敏感的温度以下。在一个实施例中，受热材料主体可以在95℃至500℃下，并且散热材料可以在0℃至95℃下。在另一个实施例中，受热材料主体可以在100℃至400℃下，并且散热材料可以在0℃至95℃下。在又一个实施例中，受热材料主体可以在200℃至300℃下，并且散热材料可以在0℃至95℃下。通常，受热材料主体可以处于第一温度，并且散热材料可以处于第二温度，其中第二温度低于第一温度，并且其中散热材料对第一温度温度敏感。在具体实施例中，第一温度可以高于水的沸点，第二温度可以低于水的沸点。 [0055] 在一些例子中，受热材料可以是含烃材料。含烃材料的例子包括但不限于油页岩、焦油砂、褐煤、沥青、煤、泥炭、收获的生物质和任何其他富含烃的材料。这些材料中的许多材料的特征在于能够通过将材料加热到高温而产生液态和气态烃。例如，可以将油页岩加热到足以使油页岩中的干酪根热解的温度，从而将干酪根分解成具有较低分子量的液态和气态烃。可以根据含烃材料的类型、烃产物的所需分子量、烃产物的所需相(液体或蒸气)以及烃产物的所需生产速率来选择用于产生烃的操作温度。例如，较低的温度可以施加较长的时间，或者较高的温度可以施加较短的时间。在一些实施例中，生产烃的温度可以为约95℃至约550℃，并且在其他方面为330℃至400℃。 [0056] 再次参见图1，可以在受热材料主体110与散热材料130之间形成隔离层120。隔离层可以足以将受热材料主体保持在第一温度下，并将散热材料保持在第二温度下。如上所述，第一温度和第二温度可以使得散热材料对第一温度温度敏感，但散热材料保持在散热材料不温度敏感的第二温度下。隔离层可以包括用液态水润湿的隔离材料颗粒。如图3所示，液态水320可以涂覆颗粒310的表面，并且在润湿的颗粒之间的间隙空间中留有连续气相330。 [0057] 在一些实施例中，隔离层可以基本上包围受热材料主体，使得受热材料主体被隔离层包封。隔离层继而可以被散热材料层包封。如上文关于散热材料层所述，隔离层可被诸如入口、出口和加热管道的管道穿透。 [0058] 隔离层可以包括多种隔离材料。隔离材料通常可以是不会封存流体或以其他方式阻止流体流经隔离层的材料。隔离材料的例子包括但不限于砾石、砂、废油页岩、开孔泡沫、玻璃纤维、矿棉等。在一个实施例中，隔离材料可以是粉碎的废油页岩。其他任选的隔离材料可包括可生物降解的隔离材料，例如大豆隔离材料等。这与其中蓄积池为单次使用系统的实施例一致，使得隔离物和其他组件可具有相对较短的使用寿命，例如，不到1-2年。这还可以降低设备成本以及减小长期环境影响。 [0059] 隔离材料可以是多孔的。在一些情况下，隔离材料可以是颗粒材料，该颗粒材料松散地形成隔离层使得颗粒之间保留空间。在此类实施例中，材料的孔隙率可以由颗粒之间的空间提供，但颗粒本身可能不是特别多孔的。在其他情况下，隔离材料的各个颗粒可以包含微观的或可见的孔，使得颗粒本身是多孔的。在此类实施例中，材料的孔隙率可以由颗粒之间的空间和颗粒中包含的孔一起提供。在一个例子中，隔离材料可以是废油页岩。废油页岩的颗粒可以包含许多小孔，其中干酪根已被转化为较小的烃并被去除。在一些实施例中，隔离材料的颗粒可以具有约0.1至约0.5的孔隙率。在其他实施例中，孔隙率可以为约0.15至约0.3。在另外的实施例中，隔离层可以具有约20％至约50％的空隙空间，其是指颗粒之间的空间。在另外的实施例中，空隙空间可以为约25％至约40％。 [0060] 在一些实施例中，隔离材料可以为颗粒土材料。例如，隔离材料可以为粉碎的废油页岩、粉碎的贫油页岩或其他粉碎的岩石。在一个例子中，隔离材料可以是具有约1mm至约5cm的粒度的颗粒土材料。在另一个例子中，粒度可以为约1mm至约2cm。在具体的实施例中，隔离材料可以是平均粒度为约1mm至约2cm的粉碎的废油页岩或贫油页岩。 [0061] 在烃生产工艺中，可由作为工艺的一部分而产生的材料获得隔离材料。例如，可以开采含烃材料，以用作烃生产的原料。由含烃材料产生烃之后，可将废含烃材料粉碎并用作隔离材料。此外，可以将与含烃材料一起开采的其他岩石用作隔离材料，或者可将用作原料不能获利的贫含烃材料用作隔离材料。 [0062] 隔离材料可以用水润湿。隔离材料中包含的水量可以变化。在一个实施例中，隔离材料可以最初是水饱和的，这意味着任何附加的水都将在重力作用下穿过隔离层，并且在底部或底部的池处从隔离层中流出。在另一个实施例中，隔离材料可包含少于饱和量的水。水的添加量也可以取决于隔离材料的表面积、隔离材料的空隙体积、颗粒间的尺寸、受热材料主体的温度和加热时间的长度。具有小粒度、不规则颗粒形状或高颗粒孔隙率的隔离材料可以每单位体积隔离材料具有更大的表面积。此类隔离材料可存留在颗粒表面上润湿的更大量的水。在一个例子中，隔离材料可包含约1重量％至约20重量％的水。在另一个例子中，隔离材料可包含约5重量％至约15重量％的水，并且在另外的例子中，隔离材料可包含约8重量％至约12重量％的水。可以在由隔离材料形成隔离层之前用水润湿隔离材料，或者可以由干隔离材料形成隔离层，然后可以添加水。 [0063] 当受热材料主体处于比隔离层更高的温度下时，热能从受热材料主体传递至隔离层。当发生这种热传递时，隔离层中的水可以开始蒸发。因为水具有高的蒸发潜热，所以通过蒸发可以从受热材料主体吸收大量的热，并将隔离层的温度保持在水的沸点以下。蒸发水可以在隔离材料颗粒之间形成气相，其在加热期间随着液相对于受热材料沿着液相的内前方蒸发而逐渐退却。在一些实施例中，隔离材料可以具有在颗粒之间的足够量的空隙空间，使得颗粒可以用水涂覆，同时保持湿润颗粒之间的连续气相。在具体的实施例中，连续气相可以在加热期间在初始时间和在液相的退却前线后面的区域中占据隔离层的20体积％至50体积％。在另一个实施例中，连续气相可以占据隔离层的30体积％至40体积％。气相的体积通常受制于粒度分布、隔离材料的组成(其影响材料的表面化学性质并因此影响润湿材料的水量)和制备隔离层的方法(诸如共混、分层和压实)。 [0064] 隔离层的特征在于高导水率。导水率是指流体可以移动穿过多孔介质的容易程度。虽然导水率通常用于描述液态水穿过土壤或岩石的运动，但是高导水率也可用于允许水蒸气流经本公开的隔离层。通常，砾石和砂具有0.01cm/s至100cm/s范围内的导水率。因此，在一个实施例中，隔离层可以具有大于约0.01cm/s的导水率。在另一个实施例中，隔离层可以具有大于约1cm/s的导水率。在又一个实施例中，隔离层可以具有大于约10cm/s的导水率。 [0065] 隔离层中水的蒸发可产生从隔离层流入到受热材料主体中的水蒸气流。这是由于水蒸气蒸发时膨胀造成的。隔离层的一侧由不可渗透的散热材料界定，使得在水蒸气膨胀时，其自然地从散热材料流出并进入受热材料主体。受热材料主体内的分压可以低于受热材料主体温度下水的蒸气压。在一个实施例中，受热材料主体可以在稍低于标准大气压的压力下，诸如约0.75至约1atm绝对压强。在其他实施例中，受热材料主体中的压力可以高于大气压，诸如约1atm至约5atm绝对压强，并且在大多数情况下为约1atm至约1.5atm。在较高的温度下，水的蒸气压可以大于受热材料主体内的升高的压力。因此，从隔离层蒸发的水提供朝受热材料主体流动的连续水蒸气流。水蒸汽流可以防止烃蒸气扩散到隔离层中，降低孔中烃的分压，冲洗掉可能已经进入隔离层的烃蒸气，并剥离可能已凝结在隔离材料上的烃。这可以减少并且在某些情况下消除隔离层内的烃滞留量。 [0066] 在一些实施例中，隔离层可被设计成基本上消除隔离层中的烃滞留。也就是说，在已经从受热材料主体中提取烃并且生产工艺完成之后，隔离层中基本上不存在液态烃。在其他实施例中，隔离层可被设计成具有减少的滞留。例如，隔离层中的烃滞留可以小于隔离材料未被水润湿时可能存在的滞留。在一些情况下，隔离层可以在其中存留小于0.1重量％、小于2重量％或小于5重量％的烃滞留量。 [0067] 通常，隔离层可以提供足以将受热材料主体保持在第一温度下并将散热材料保持在第二温度下的温度梯度。在一些情况下，隔离层上的温度梯度可以大于20℃、大于100℃、大于200℃、大于300℃，或大于400℃。实际上，在隔离材料被润湿时，隔离层的温度可保持处于或低于水的沸点。当水从隔离材料中蒸发时，隔离材料会变干，然后温度升高。最靠近受热材料主体的隔离材料会首先变干，然后干燥区域会在隔离层上随时间的推移而扩大。在隔离层的干燥区域中温度梯度可最陡，而湿隔离材料保持处于或低于水的沸点。如果隔离层完全变干，隔离层仍可以存留一定的隔离能力。然而，如果在隔离层干燥时隔离层的厚度不足以隔离散热材料，则散热材料可能开始升高到水的沸点以上或相应的脱水温度以上(如果使用添加剂的话)。 [0068] 为了防止散热材料劣化，隔离层可被设计成具有允许在受热材料主体的整个加热时间内将散热材料保持在足够低的温度下的厚度。该厚度可以取决于受热材料主体的热通量、加热时间、隔离材料的热容量和隔离层中的水量。隔离层可以至少足够厚，使得从受热材料主体传递到隔离层的总热量都被水的蒸发和隔离材料的热容量吸收。在一个实施例中，厚度可以足够大，使得在加热时间结束时至少一些水保留在隔离层中。在一个特定实施例中，可以选择厚度，使得隔离层中至少60％的水量在有限的加热时间结束时蒸发。在另一个实施例中，可以选择厚度，使得隔离层中基本上所有的水都蒸发，但是在整个有限的加热时间内第二温度低于第一温度。应当理解，隔离层的厚度可以根据蓄积池的总体尺寸和受热材料主体以及所涉及的温度和加热时间而变化。然而，在一些例子中，隔离层可以具有约0.5m至约10m的厚度。在其他例子中，隔离层可以具有约0.8m至约4m的厚度。 [0069] 加热时间可以相对较长。例如，在一些例子中，加热时间可以为约3天至约2年。在其他例子中，加热时间可以为约3个月至约1年。在涉及由含烃材料产生烃的实施例中，加热时间可足以使得从含烃材料中回收大部分烃。在一个例子中，加热时间可足以使得从含烃材料中回收至少99％的可转化烃。与较短加热时间和较高温度相比，与中等温度结合使用的长加热时间在一些情况下可以产生质量更佳的烃产物。 [0070] 蓄积池的尺寸也可以相对较大。较大的蓄积池或具有多个蓄积池的系统可以容易地产生烃产物以及比得上或超过较小蓄积池的性能。作为例证，单个蓄积池的尺寸可以在从15米到200米，通常从约100到160米的范围内。最佳的蓄积池尺寸可以根据含烃材料和操作参数而变化，然而合适的蓄积池区域的顶部平面表面积通常可以在约二分之一英亩至十英亩范围内。另外，蓄积池可以具有约10m至约50m的深度。 [0071] 本发明技术还包括隔离受热材料主体的方法。图4为示出此类方法400的流程图。可以提供受热材料主体410。隔离层可以具有与受热材料主体相邻并流体连通的热侧420。 受热材料主体和隔离层的热侧可以处于第一温度。与受热材料主体相背对，隔离层的冷侧可以处于低于第一温度的第二温度。隔离层可以包括多孔隔离材料，其包含足以通过朝受热材料主体流动的蒸发蒸气冷却隔离层的水量。该方法还可以包括将受热材料主体加热有限的加热时间430。可以选择隔离层的厚度，使得第二温度在整个有限的加热时间内保持低于第一温度。 [0072] 在一些实施例中，该方法可以包括在隔离层的冷侧上形成不可渗透层。不可渗透层可以包括上文所述的散热材料中的任何一种。在一个实施例中，不可渗透层可以包含水合膨胀粘土。在具体实施例中，不可渗透层可以包含选自膨润土、蒙脱石、高岭石、伊利石、亚氯酸盐、蛭石以及它们的混合物的水合粘土。 [0073] 还可以添加另外的壁材料以在不可渗透层外部形成壁。如上所述，外壁可以包括尾矿护台、压实土、原状地层、石笼、土工合成织物和其他支撑材料。作为另一种选择，该方法可以包括在现有地层内挖坑，并且坑侧面暴露的地层可以支撑蓄积池。可以抵靠暴露的地层直接形成不可渗透层。 [0074] 可以用如上文所述的组成和尺寸中的任何一种形成受热材料主体、隔离层、不可渗透层以及外壁。可以用任何合适的方法形成蓄积池。然而，在一个方面，蓄积池是在地面上方形成的。可以在材料以预定图案沉积的垂直沉积过程中同时完成形成一个或多个壁和用受热材料主体填充围壁的步骤。例如，多个斜道或其他颗粒递送机构可以沿着沉积材料上方的相应位置取向。通过选择性地控制递送的颗粒的体积和沿着递送每种相应的颗粒材料的系统的鸟瞰图的位置，层和结构可以从地面到天花板同时形成。基础结构的侧壁部分可以形成为在地面外周处连续向上的延伸部，并且存在的每个层，包括受热材料主体、隔离层、不可渗透层以及由压实土材料形成的任选的外壁，被构造为地面对应物的连续延伸部。在侧壁的建造过程中，可以将受热材料主体同时放置在地面上和侧壁周边内，使得将成为包封空间的部分随着构造的侧壁的升高而同时被填充。以这种方式，可以避免内部挡壁或其他横向约束考虑因素。在垂直建造过程中还可以对该方法进行监测，以便验证层界面处的混合是否在可接受的预定公差内(例如保持相应层的功能)。例如，不可渗透层中的散热材料与隔离层中的隔离材料过度混合可能危及不可渗透层的密封功能。这可以通过在建造每个相邻层时小心地沉积和/或通过增加沉积层厚度来避免。可以对不可渗透层中的水合材料进行沉积干燥，然后在蓄积池完工后进行水合。作为另一种选择，可以沉积第一水平干燥材料层，然后对该层进行水合，然后可以将另一层干燥材料沉积在第一层的顶部上，然后进行水合，以此类推。类似地，可以对隔离层进行沉积干燥，然后在蓄积池完工之后用水将其润湿。作为另一种选择，可以在沉积之前用水将隔离材料润湿。 [0075] 隔离受热材料主体的方法还可以包括由受热材料主体制备烃。如上所述，受热材料主体可以是含烃材料。可以通过加热含烃材料并由出口管道抽出产物来由含烃材料制备烃产物。 [0076] 上文所述的隔热系统的所有方面也可以应用于隔离受热材料主体的方法，反之亦然。 [0077] 实例 [0078] 颗粒干矿材料具有大约0.25Btu/lb-℉的比热。在一定温度范围内，水的比热为大约1.0Btu/lb-℉，并且水的蒸发潜热为970Btu/lb(沸点处)。因此，将干材料从70℉加热到200℉(差值130度)仅需要32.5Btu/lb(130×0.25)，而将水加热并煮沸需要1100Btu/lb(130×1.0+970)。如果用水将材料润湿至10重量％的程度，将温度升至200℉并且使材料干燥所需的热为139.25Btu/lb(0.9×130×0.25+0.1×1100)。因此，将湿材料(10％的水)的温度升至水的沸点并使水蒸发所需的热是干材料所需热的4倍以上。这导致当热源具有有限的持续时间和量时隔离能力显著提高。 [0079] 对于上文所述的例子，干隔离层的厚度为12英尺(ft)，横截面积为3英尺×3英尺，占地108立方英尺。在真密度为150lb/ft3，空隙分数为30％的情况下，对于11,340lb(108ft3×105lb/ft3)的总质量而言，所得的堆密度为105lb/ft3。在隔离体的内壁达到700℉的第一温度、与散热材料相邻的外壁达到200℉的第二温度、并且隔离材料的平均温度为450℉(实际上平均温度可以略低于450℉，但是为了说明的目的，可以假设隔离床上具有线性温度分布)，并且忽略空隙空间中蒸气的热容量的情况下，递送至隔离体的该部分的热的总量可以计算如下： [0080] (450–200)F×0.25Btu/lb-F×11340lb＝1,077,300Btu。 [0081] 作为比较，可以不使用干隔离体，而是使用包含10％水的湿隔离体进行类似的计算。现在湿隔离体具有115.5lb/ft3的质量；其中105lb/ft3为干材料，10.5lb/ft3为水。假设床的加热速率相同，并且到隔离层的总热通量相同，即，对于3’×3’的横截面积而言，为1,077,300Btu。还假设隔离层的最终状况是相同的。即，内部温度为700℉的第一温度，并且外部温度为200℉的第二温度，或者基本上所有的水蒸发冷却的点均已被利用。为了说明的目的，还假设隔离层的平均温度为450℉。实际上，实际平均值将高于450℉，因为隔离层长度上的温度分布远离线性分布，但是使用平均值450℉进行的任何近似都是保守的。 [0082] 可以计算将1立方英尺的湿隔离体从环境温度升至200℉所需的热量。对于岩石组分(200-70)*.25*105＝3412.5BTU/ft3，并且对于水组分(200-70)*1.0*10.5＝1365BTU/3 ft -隔离体。可以将从该立方英尺蒸发10.5水所需的热计算为970Btu/lb×10.5lb＝ 10185BTU/ft3-隔离体。 [0083] 可以将干岩石的温度从200℉升至450℉(平均温度)所需的热计算为(450-200)*0.25*105＝6562.5BTU/ft3-隔离体。如上文对于干岩石所述，提高在空隙中发现的蒸气的温度所需的热因很小而被忽略，如果不可忽略，在两种情况下也基本没有差别。 [0084] 将湿隔离体从70℉升至450℉同时蒸发其中所包含的水所需的总热量可以计算为： [0085] 3412.5+1365+10185+6562.5＝21528BTU/ft3-隔离体。 [0086] 因此，为了吸收1,077,300BTU的热，需要总共50ft3的湿绝缘体(即1,077,300/21,528＝50)。对于3×3ft或9英尺的横截面，计算的厚度为50/9＝5.56ft，或略小于干绝缘体的12’厚度的1/2。 [0087] 实际上，水分蒸发后，湿隔离体将具有更薄的层，并且干岩石的吸热能力较弱。一旦干燥，薄层会迅速变热，使得有益效果比4:1更大，为大约2:1，如对5.56ft和12ft的厚度的比较所示。 [0088] 所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个例子中。在前面的描述中，提供了许多具体细节，诸如对所描述的技术的例子提供透彻理解的各种构造的例子。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个特定细节的情况下或者使用其他方法、组件、装置等实践该技术。在其他情况下，未示出或详细描述熟知的结构或操作，以避免使该技术的各个方面难以理解。 [0089] 上述具体实施方式参照具体示例性实施例描述了本发明。然而，应当理解，在不脱离如所附权利要求中所述的本发明的范围的情况下，可进行各种修改和变化。具体实施方式和附图应视为仅仅是示例性的，而非限制性的，并且所有此类修改或更改(如果有的话)旨在落入如本文所述和示出的本发明的范围内。 |
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