[发明专利]热交换方法和装置

说明书

本发明涉及一种向一定量含有固体的物料或从一定量含有固体的物料传送热量的方法和装置。

本发明特别涉及一种向或从一定量低导热率的含有固体的物料传送热量的方法和装置。

许多工业方法都需要加热或冷却一定量含有固体的物料，以便发生和保持化学反应或物理变化。典型地是需要加热该定量物料到一定的高温，以便能发生化学反应或物理变化。遗憾的是许多固体物料具有很低的导热率，用间接热交换来加热这些物料很困难。这些物料经常是通过直接热交换来加热的，例如，通过向定量物料的填充层(packed beds)或流体层提供热的气体。

用于说明书全篇的“直接热交换”指的是这样的热交换，其中热交换流体与要加热或冷却的物料直接接触。“间接热交换”指的是这样的热交换，其中由一物理阻挡层，例如一个管壁，将热交换流体与要加热或冷却的物料分隔开。

一些方法适于直接热交换。固体和气体之间的热容量比例是这样，以至于大体积的气体或流体需要进行热交换。例如，用于经过一个填充层进行热交换所需的大容积气体的流动是不可能的，除非填充层非常粗糙或是加热和冷却的时间相当长。在用含有在高温度下易挥发的物质包括煤或其它物料的方法的情况时，直接热交换造成使易挥发物料随热的气体驱散，这就造成了在经由烟道或烟囱废气排出之前废气清理很困难。在其它的一些方法中，直接热交换可导致由于在气体流中携带固体而产生的固体处理困难或维护的问题。在这些方法中，有必要应用间接热交换来加热定量物料。

一个众所周知的间接热交换方法是煤的浓缩处理，特别是低等级的煤，它是通过同时施加温度和压力的方法，这在koppelman的美国专利No.5,290,523号中已有介绍。在这种方法中，在升高的压力下加热一定量的煤可导致水份从煤中去除，它是通过由于煤的结构重新排列而造成的压榨反应，并通过脱羧反应来实现的。而且，一些可溶的形成灰尘的成份也从煤中去除了。这就导致了由于热脱水引起的煤的浓缩和煤的热值的升级。通过在浓缩处理过程中使压力保持足够高，可基本上避免去除的水份的蒸发，这就减少了该方法所需的能量。并且，作为副产品的水份主要是作为液体而不是作为蒸汽的形式产生。

煤的热处理过程需要向煤进行热交换(通常是300-600Btu/lb)，但是煤的填充层的有效导热率接近于0.1w/mk，使煤层成为一个良好的隔热体。

为了加速煤的加热，以提供一个得到合理的煤层加热时间的处理过程，可供考虑的选择包括：-通过提高热交换介质的温度，提高热驱动力。这会导致煤的挥发，对于低等级煤的浓缩处理来说，它减小了产品的热值。并且，这还会导致焦油和其它易挥发物质在容器装置的其它部分产生凝聚。-使用流体层。这将导致循环大容积的(惰性)气体的需要，它也加重了煤的挥发的问题。还需要在再压缩前气体进行冷却和清洁，或者需要处理一个又热又脏的压缩机，这两种情况都需要资金和维护。还有，流体层可能隔离了好天气。-使用搅拌层，例如一个转动窑。在升高的压力下，伴随着惰性气体的参与，这种反应器的操作包括大量的工程上的困难和高昂的花费。间接热交换虽然是首选的，但这进一步加大了工程上的困难，并且煤在容器内的体积占有率很低。-使用磨削进料的飞溅干燥法。这需要后续的烧结操作，以便生产出可打入市场的产品。它还需要用于热交换的惰性气体，并且发生反应的体积由于固体的分散状态而趋向于很大。-使用煤的热液脱水法，其中将煤的尺寸研磨到很小颗粒，并且与水混合成泥浆，之后该泥浆在升高的压力下加热到高温度，以便保持其液体状态。这一过程需要研磨煤，之后必须烧结或直接用在处理过程中，例如用在发电厂。另外，加热到高温度的水的体积很大，这就需要大量的热交换以便回收热量。

如果同时施加高压(大于10barg)，上述选择项的每一项都变得很困难。

与间接热交换相连系的填充层优选的用于煤的加热和冷却，这是因为挥发损失减到最小，能量消耗较低，以及大部分副产品水份以液体形式产生。

填充层还允许煤的尺寸范围较宽，与流体层操作相比煤尺寸较粗大。假如加热率很高的情况下，填充层还是包含在高压容器里的最小体积。小容器体积可以节省加压时间和容器造价。