利用蒸汽加热的方法和装置

本发明涉及处理装入的固体物质，以便加热该固体物质。

具体地说，但绝不是唯一地，本发明涉及在高温和高压条件下，处理装 入的导热性低的固体物质。

更具体地说，本发明涉及：

(i)在高温和高压条件下，通过去除碳素物中的水分，提高碳素物的BTU 值，而提高碳素物(一般为煤)的质量；和

(ii)冷却被加热的碳素物。

Koppelman的美国专利5290523号公布了一种通过同时加温度和压力， 以提高煤的质量的方法。

Koppelman公布了通过在高温和高压条件下加热煤，使煤产生物理变 化，利用“挤压”作用，去除煤中的水分，而对煤进行热脱水的方法。

Koppelman还公布了在提高煤的质量的过程中，保持压力足够高，使所 产生的副产品-水，主要为液体，而不是蒸汽的方法。

Koppelman还公布了用于实现该提高煤的质量的方法的一整套不同的 装置方案。一般来说，这些装置方案是基于使用包括一个倒锥形入口，一个 圆柱形壳体，一个锥形出口，和成套放置在该壳体中、垂直或水平设置的热 交换管的压力容器的。

在使用Koppelman式的装置的一个建议中，该垂直设置的管子和出口端 被煤填塞住，并喷入氮，对该管子和出口端预先加压。煤通过与作为传热流 体，在该管子外部流向上述圆柱形壳体的油，进行间接的热交换而被加热。 然后，通过煤与作为在填料床(packed bed)内的工作流体的蒸汽之间的直接热 交换，煤被进一步加热。另外，蒸汽将该热交换管子和出口端加压至所需要 的压力。

在上述管子和出口端中，高压和高温条件的综合作用，使煤中的部分水 分蒸发，然后，该部分水分冷凝成液体。在加水后产生的一部分蒸汽由于高 压的作用，在上述管子的较冷的区域内被冷凝成液体。没有被冷凝的和超过 上述填料床最优加压需要的蒸汽，必需排出。另外，在这个过程中还放出一 些不可冷凝的气体(例如，CO，CO2)，也必需排出。液体定期地从该出口端 流出。

最后，在经过一段规定的停留时间后，压力容器减压，并将质量提高的 煤通过该出口端排出，接着进行冷却。

上述使用Koppelman式装置的建议要求在接近工作温度极限的条件下 使用油作为传热流体。从环境保护和防止职业病的观点来看，这是不希望 的。作为替代物，也可以使用其他的耐高温液体(例如，熔化的盐或熔化的金 属)，但这些液体在使用时也有限制。

在使用Koppelman式装置的另一个建议中，使用蒸汽而不是油作为与煤 直接而不是间接接触的传热流体。这个建议的缺点是，要将这种方法扩大应 用至商业化的工厂规模上去的可能性受限制，并且难以控制加热的速率。

本发明的一个目的是要提供一种通过同时加温和加压，不依赖使用油作 为传热流体的提高煤的质量的改进方法和装置。

根据本发明，提供了一种在一个处理容器中加热固体物质的方法，该方 法包括：(a)将一批固体物质装入该容器中，形成一个填料床；(b)将流体通入 该填料床中，对该容器中所装的固体物质加压；(c)将蒸汽通入该容器中，在 保持该容器中所装的物质处在压力作用下的同时，通过间接热交换，对该填 料床中的固体物质进行加热；和(d)控制步骤(c)的工作条件：(i)在本方法的第 一个“湿”的阶段，将热量传至固体物质上，并使固体物质中的水分以液相 的形式被去除；和(ii)在本方法的第二个“干”的阶段，将热量传至固体物质 上，使得留在固体物质中的至少一部分水分以蒸气相形式被汽化。

术语“工作条件”应理解为是指影响固体物质加热，和去除固体物质中 的水分的任何条件；并且，作为一个例子，可以包括诸如影响填料床中的温 度的蒸汽压力，蒸汽温度和蒸汽流量一类的工作条件。

最好步骤(d)还包括控制工作条件，使得在本方法的“湿”的阶段，在与 该填料床中的固体物质进行间接热交换过程中，相当一部分蒸汽冷凝下来。

另外，最好步骤(d)还包括控制工作条件，使得在本方法的“湿”的阶段， 在与该填料床中的固体物质进行间接热交换过程中，至少80％的蒸汽被冷 凝下来。

最好本方法的“湿”的阶段将固体物质加热至250℃的温度左右。

最好本方法的“干”的阶段包括：(i)一段“停止”时间，在这段时间中， 在该“干”的阶段被去除的剩余水分，从固体物质中被汽化；和(ii)接着的一 段加热时间，在这段时间中，固体物质被加热至最后温度。

最好在“干”的阶段中，固体物质的最后温度平均在270℃～420℃范 围内，以保证最优选地提高固体物质的质量。

为了在“干”的阶段，使温度达到至少270℃，最好，本方法包括在其 “干”的阶段，通入过热蒸汽。

另外，最好步骤(d)包括控制工作条件，使得在本方法的“干”的阶段， 过热蒸汽的压力比在填料床中的压力大，以促使填料床中的水分汽化。

一般，步骤(d)包括在本方法的“湿”的阶段，控制相对于填料床中的压 力的蒸汽压力，以控制蒸汽的冷凝温度，低于在该填料床中的水分汽化温 度。这个步骤可保证避免在本方法的“湿”的阶段过程中，从填料床中的固 体物质中排出的水汽化的操作。

最好，该方法包括(a)将过热蒸汽送入第一个处理容器中，以便在本方法 的“干”的阶段，通过间接热交换，加热在该第一个容器中的填料床中的固 体物质；(b)将从第一个处理容器中排出的蒸汽送入第二个处理容器中，以便 在本方法的“湿”的阶段，通过间接热交换，加热在第二个容器的填料床中 的固体物质。

上述使用二个(或多个)单独装入固体物质的处理容器是特别有利的，因 为在“干”的阶段可以使用过热蒸汽将该填料床中的固体物质加热至使水分 从固体物质中汽化的温度；并进一步将固体物质加热至最后温度，然后，在 “湿”的阶段，利用蒸汽加热固体物质，而不使固体物质中的水分汽化。

另外，最好它还包括：(a)在本方法的“湿”的和“干”的阶段完成后， 将加热的固体物质从第一个容器中排出；并且在这二个阶段中，将固体物质 中的水分去除至要求的程度；(b)将固体物质装入第一个容器中，并对该容器 中装入的固体物质加压；和(c)改变蒸汽的流动，使得过热蒸汽首先通过第二 个容器，在本方法的“干”的阶段，通过间接热交换，加热在填料床中的固 体物质；使从第二个容器排出的蒸汽通过第一个容器，并在本方法的“湿” 的阶段，通过间接热交换加热在该容器中的固体物质。

另外，最好该方法包括重复排空该容器和充满该容器与改变通过该容器 的蒸汽流动的上述顺序步骤。

根据本发明，还提供了一种加热固体物质的装置，它包括：(a)一个装固 体物质的填料床的处理容器；和(b)将蒸汽送入该处理容器中，通过间接热交 换加热在该填料床中的固体物质的一个热交换回路；该热交换回路包括：(i) 一个在该处理容器中的热交换组件，该组件包括一条蒸汽通道和多个在使用 中伸入该填料床中的热交换表面；(ii)用于使从该热交换组件中排出的蒸汽冷 凝的冷凝器；和(iii)一个利用在该冷凝器中冷凝出的水，产生供该热交换组 件使用的蒸汽的锅炉。

最好该热交换回路还包括一个储存蒸汽的装置，该装置用于在正常工作 条件、装料/卸料，起动和停止过程中，改变蒸汽的流量和压力。

最好它还包括二个或多个用于装固体物质填料床的所述处理容器。

采用这种装置，最好该热交换回路包括在每一个容器中的一个热交换组 件，并且这些热交换组件连接在一起，可使蒸汽顺序地或平行地通过这些热 交换组件。

下面，利用例子结合附图来说明本发明。其中：

图1示意性表示根据本发明的加热固体物质的方法和装置的一个优选实 施例；

图2示意性地表示根据本发明的加热固体物质的方法和装置的另一个优 选实施例；和

图3示意性地表示根据本发明的加热固体物质的方法和装置的又一个优 选实施例。

下面的说明涉及的范围是对煤进行加热，通过除去煤中的水分，提高煤 的热值，来提高煤的质量。本发明不只局限于这种应用场合，它可以处理任 何适合的固体物质。

图1所示的方法和装置基于使用单一一个压力容器65。该压力容器可 在高温和高压条件下，容纳和保持一个煤的填料床67。

该处理容器可以是任何适当形式的压力容器；例如，在以本申请人名字 提出的题为“一种反应器”的国际专利申请PCT/AU98/00005，题为“处理 容器和处理装入的物质的方法”的国际专利申请PCT/AU98/00142，题为“液 体/气体/固体分离”的国际专利申请PCT/AU98/00204，和题为“增强的传热” 的国际专利申请PCT/AU98/00324中所述的压力容器。这里引入这些国际专 利申请供互相参考。

该装置还包括一个热交换回路，用于将蒸汽送入该容器65中，通过间 接的热交换对煤进行加热。该热交换回路包括：

(i)垂直放置的、形成传热表面和包括蒸汽通道(没有示出)的热交换板组 件64；

(ii)与该热交换组件64的出口端连接的，用于冷凝没有被冷凝的蒸汽的 一个冷凝器62；

(iii)一个与该冷凝器62连接的，用于产生供该热交换组件64使用的蒸 汽的锅炉组件60。

该热交换回路还包括一个在该热交换组件64的入口端，用于储存蒸汽 和保证该热交换组件64的通道中的控制压力的蒸汽储存器61；和在该热交 换组件64的出口端的一个压力控制阀63。

图1所示的装置还包括一个用于使工作流体通过上述煤的填料床67循 环，以增强通过该热交换组件64流动的蒸汽和在该煤的填料床67中的煤之 间的热交换效果的回路71。

最优选的工作流体为在本方法的工作条件下不产生相变的气体。可以用 作工作气体的气体包括：氮、蒸汽、SO2、CO2、碳氢化合物、惰性气体、 致冷剂和它们的混合物。

图1所示的装置还包括一个将气体通入容器65中，对容器65进行加压 的入口77。

在根据本发明的方法的一个优选实施例，使用图1所示的装置时：

(i)将煤装入容器65中，形成煤的填料床67；

(ii)利用从外面通入的气体，内部产生的蒸汽，或二者一起，将容器65 中装的物质加压至所要求的压力；

(iii)将蒸汽通入上述热交换组件64中，对在煤填料床67上的煤进行加 热。

容器65中的压力和温度的综合作用将煤中的水分除去。

将温度至少为300℃的蒸汽从锅炉组件60送入热交换组件64中。应当 注意，避免低温炼焦作用的重要性是确定蒸汽温度上限的一个因素。还应当 注意，采用其他的固体物质时，最大的蒸汽温度可能只受锅炉的限制，而不 受固体物质的限制。

储存器61控制送入热交换组件64中的蒸汽供应量，使冷凝器62中的 冷凝速率保持恒定。压力控制阀63用于控制热交换组件64中的压力，从而， 控制冷凝温度。压力控制阀63所需要的设定，决定于在容器65中的煤填料 床上的传热情况。

在本发明的方法的优选实施例中，可以控制工作条件，分二个阶段去除 煤中的水分，即：

(i)在本方法的第一个湿的阶段中，先从煤中“挤压”出水分，然后， 水分以液相形式排出至容器65的下部；和

(ii)在本方法的第二个干的阶段，煤中相当一部分剩余的水分以蒸气相 形式被去除。

在本发明的方法的优选实施例中，最好，在本方法的第一个湿的阶段， 使用蒸汽；而在第二个干的阶段，使用过热蒸汽，来达到分二个阶段去除填 料床67中的煤的水分的目的。

本方法的湿的阶段，可以有效地利用饱和蒸汽来工作；并可使相当一部 分蒸汽(一般为80％)冷凝下来。然而，一般蒸汽不将该填料床中的煤加热至 高于270℃的温度，这个温度是在第一个湿的阶段完成后，为了将煤中剩余 的相当一部分水分汽化，在本方法的第二个干的阶段中所需要的温度。一 般，本方法的第二个干的阶段要求煤的最后温度在蒸汽温度线以上，这样， 饱和蒸汽达不到这个温度。

应当注意，必需将蒸汽的过热温度保持在可使煤露出，但不会产生显著 的去挥发作用的范围内。这就对在本方法的湿阶段和干阶段的热的平衡提出 了限制。在加热没有最高温度限制的固体物质时，有更多的机会来最优地利 用蒸汽的能量。

本申请人发现，最好：

(i)在蒸汽压力比煤填料床67中的压力高的情况下，进行本方法的干的 阶段，以便通过使送入的蒸汽冷凝，促使煤中的水分汽化；或使用任何压力 的过热蒸汽；和

(ii)在蒸汽压力低于在煤填料床67中的压力的情况下，进行本方法的湿 的阶段，以便保持蒸汽的冷凝温度低于在煤填料床67中的水分的汽化温度。

在本方法的干的阶段中，上述控制蒸汽压力比该煤填料床中的压力高的 特点是由下述原因造成的：当通过回路71，与工作流体的质量流动连通时， 不但热传至煤颗粒的速率高，而且热传至煤填料床67中的水分中的速率也 高。在该煤填料床不是湿的，和固体与液体之间的传热能力较低的情况下， 这个特点特别重要。

本发明的方法的优选实施例还包括，在本方法的湿的阶段，利用工作流 体的不对称的反向流动，使向下方向的过程持续时间，比向上方向的过程持 续时间长，以便将液相的水向下驱动，流向该容器65的下端。这种工作流 体的不对称流动可加速水分从煤填料床67中排出。

申请人发现，在一个具体的例子中，在本方法的干的阶段所需的热量， 和在湿的阶段所需的热量粗略地是与过热蒸汽的单一的质量流动所具有的 热量成比例的。当使用本发明时，这个发现可以提高蒸汽的冷凝效率。如果 在本发明的方法的干的阶段要求较大量的蒸汽，则除非恢复蒸汽的较大的过 热程度，否则，冷凝效率降低。如果在本方法的干的阶段需要较小的蒸汽量， 则可将过热蒸汽旁通至饱和区域，这样，冷凝效率可接近100％。

图2所示的方法和装置是图1所示装置的延伸，它是基于使用二个压力 容器65a，65b的。

参见图2，该装置包括与图1所示的装置相同的基本零件，即：处理容 器65a、65b，和热交换回路。

该装置还包括二组流量控制阀。第一组阀L1，L3，R4和R2一起工作；第 二组控制阀R1，R3，L4和L2也一起工作，但工作状态与第一组阀相反。这样， 当第一组阀打开时，第二组阀关闭。可以很容易理解，切换每一组阀的工作 状态，可使通过容器65a和65b的蒸汽流的顺序颠倒。

根据本发明的方法的优选实施例，在使用图2所示的装置时，在达到稳 态工作之后，依次将煤装入容器65a、65b中，对容器65a、65b加压，并 利用本发明的优选的二阶段方法，通过与蒸汽的间接热交换，对煤进行加 热；并在本方法的第二个干的阶段完成后，将容器65a、65b排空。

特别是，通过容器65a、65b的蒸汽流动是顺序改变的，即：

(i)第一，过热蒸汽通过压力容器65a，并在本方法的干的阶段，对煤 进行加热；然后，从第一个容器65a中排出的蒸汽(已不再是过热蒸汽)通过 第二个容器65b，并在本方法的第一个湿的阶段对煤进行加热；和

(ii)第二，过热蒸汽沿着另一条路径通过容器65b，并在本方法的干的 阶段对煤进行加热；而从第二个容器65b中排出的蒸汽通过压力容器65a， 并在本方法的湿的阶段，对煤进行加热。

上述步骤的顺序包括充满每一个容器65a，65b和排空该每一个压力容 器65a，65b。结果，在每一个容器的循环中，会有停滞时间。

另外，优选的工作模式是，当一个容器65a或65b被排空和装满时，在 转换过程中，上述第一组和第二组阀打开；然后，逐渐地关闭所需要的一组 阀，以避免系统中的压力波的影响。

图3所示的方法和装置是图2所示的方法和装置的另一种形式。

参见图3，该装置包括6个含有煤的填料床的处理容器65a，b，c，d，e， f(图中只表示了一个)；和一个用于将饱和蒸汽和过热蒸汽送入上述处理容器 中，通过在针对图1和图2的上述本方法的湿阶段和干阶段中的间接的热交 换，对煤进行加热的热交换回路。

图3所示的热交换回路和图1与图2所示的热交换回路之间有许多相同 和不同点。

一个相同点是，该热交换回路包括垂直放置的热交换板组件64，锅炉 60和冷凝器62。

一个不同点是，该热交换回路包括，在该容器的上游，分别用于储存过 热蒸汽和饱和蒸汽的过热蒸汽集气管91和饱和蒸汽集气管93。这二个集气 管91，93用于改变在容器的热交换组件64中的流量和压力。

第二个不同点是，该热交换回路包括多个管路和阀，可单独地将饱和蒸 汽通过集气管93(管路81和阀V1)；及过热蒸汽通过集气管91(管路83和阀 V2)，送入每一个容器65a，b，c，d，e，f中，以便在上述的本方法的湿阶段和 干阶段中，在高压下，对煤进行加热。

另外，该热交换回路还包括：

(i)在每一个容器的热交换组件64的出口端的一个水/蒸汽分离器95， 用于将从该热交换组件64排出的水和蒸汽分离；和

(ii)将分离出的水送至锅炉60的管路101，和将分离出的蒸汽送至饱和 蒸汽集气管93的管路103。

在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可对上述优选实施例作许多改 进。

例如，可以在本发明范围内，将本发明与本申请人在与有关本发明的主 题的澳大利亚申请同一天提出的，正在审查中的澳大利亚申请中所述的能量 回收装置结合起来。这里引入其他的澳大利亚申请，供相互参考。