專利名稱：高壓提取的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器。本發(fā)明特別涉及在井孔(borehole)中形成的反應(yīng)器，從而在比較安全的條件下，提供一種產(chǎn)生高壓和最大化熱效率的環(huán)境。
本發(fā)明背景許多過程需要在上升的溫度條件下處理物質(zhì)的漿液。這些過程中的許多涉及至少一種固體試劑，試劑在適當(dāng)?shù)牧黧w或者溶劑、通常為水中被調(diào)成漿以用于處理。
因為通常希望限制蒸發(fā)帶來的溶劑的損失，所以，在溶劑不蒸發(fā)的壓力下進(jìn)行操作。
這種過程的典型實例是含有紅土的鎳礦的氧化浸提(leaching)、在拜耳法設(shè)備(plant)中礬土的浸提(digestion)、煤炭的超臨界溶劑提取、煤炭的氫化液化(hydro-liquefaction)以及褐煤的水熱脫水。
這些過程通常是在表面安裝的壓力容器中進(jìn)行的。遭受的壓力條件通常高達(dá)60巴(bar)，但在超臨界操作時可以更高(例如，對超臨界水為+220巴)。許多過程的溫度理想地介于100-200℃的范圍內(nèi)，但有時希望操作溫度可為300℃或者更高。
在許多工廠，高壓操作的操作壓力是快速增長的資本和針對更理想的處理結(jié)果(例如更好的浸提動力學(xué)、更快速的反應(yīng)、更好的提取)而進(jìn)行更高壓力操作的操作成本之間的折衷。
一些反應(yīng)容器為了承受壓力具有這樣厚的容器壁以至于其用包覆材料制備。例如，如果需要金屬鈦同處理液體接觸，將具有這樣的容器壁厚，在其之上，將單純的鈦材板片轉(zhuǎn)換為在鈦中包鋼是經(jīng)濟(jì)的。厚的特殊材料或者特型結(jié)構(gòu)技術(shù)、例如復(fù)合包層金屬板的使用大量增加了這種壓力容器的復(fù)雜性和成本。
這里還有一個安全問題。帶有侵蝕性處理液體、具有很高壓力的容器會導(dǎo)致容器故障，具有嚴(yán)重的人員和財產(chǎn)安全后果。
通常，安裝在地面以進(jìn)行這些操作的壓力容器具有高壓進(jìn)料泵。用于漿時其相當(dāng)復(fù)雜。為達(dá)到最適中的壓力，可連續(xù)使用一個或多個離心泵，但為達(dá)到很高的壓力，需要特殊的泵，而且非常昂貴。于是由于這些很高壓力的泵、例如活塞式、膜式或者柱塞式泵經(jīng)常限制可以處理的顆粒的上限大小而帶來額外的缺陷。
在US專利No.3606999(已不具有法律效力的)中報道通過在一個適宜的深度形成一個反應(yīng)容器以使用輸送管中的靜水壓力從而在上升的壓力和希望的溫度接觸固體液體和氣體。公開了一個單一的反應(yīng)器，其一種形態(tài)為裝備在垂直通道中的等壓U型管。還公開了一種從出口液體到入口液體傳遞熱的方法，其中，入口管設(shè)置的同出口液流相接觸。這種已不具有法律效力的裝置僅能被用于在任意一次的單一的反應(yīng)過程。
本發(fā)明概要除非內(nèi)容清楚需要，否則，整個說明書和權(quán)利要求中，“包括”以及類似詞與“排他的”或者“窮舉的”意思相反，都將被解釋為“包括”的意思，也就是說，是“包括，但不局限于”的意思。
在第一個寬的方面，本發(fā)明在于一種用于處理一種或多種物質(zhì)的處理裝置，該裝置包括兩個或多個設(shè)置在地面以下、容納有一種或多種物質(zhì)中至少一種的容器，所述兩個或多個容器中的每一個都包括一個反應(yīng)區(qū)、將至少一種物質(zhì)供給反應(yīng)區(qū)的進(jìn)入裝置(entry means)以及在物質(zhì)被處理后將其回收的排出裝置(exit means)，其中，容器延伸到地面以下足夠的深度以在進(jìn)入和/或排出裝置中，由靜水壓頭產(chǎn)生高的壓力以及容器中的至少兩個適合其間(therebetween)的熱交換。處理可以包括給一種或者多種物質(zhì)施加壓力和/或熱。
對于至少兩個容器中每一個容器來說，至少一種物質(zhì)優(yōu)選包括一種不同物質(zhì)或者幾種物質(zhì)的組合。所述容器可以延伸至地面以下任何適合的距離，優(yōu)選在地面以下100米或者更深。容器優(yōu)選延伸至地面以下500米或者更多。至少一種物質(zhì)包含煤炭。
進(jìn)入裝置可被構(gòu)造成連續(xù)管。進(jìn)入管的至少部分側(cè)壁可用巖石形成。進(jìn)入管的至少部分側(cè)壁可用相互連接的管狀部分、優(yōu)選金屬形成。優(yōu)選地，進(jìn)入管將反應(yīng)區(qū)連接到地面(surface)。優(yōu)選進(jìn)入裝置被構(gòu)造成包括兩個或多個連續(xù)管的管列。所述兩個或多個管子可以相互平行和連接。在一個優(yōu)選實施方案中，所述管列可以包括100個或更多個管子。每一個管子的直徑優(yōu)選為約5厘米。
排出裝置可被構(gòu)造成連續(xù)排出管。排出管的至少部分側(cè)壁可用巖石形成。排出管的至少部分側(cè)壁可用金屬、優(yōu)選相互連接的管狀部分形成。優(yōu)選地，排出管將反應(yīng)區(qū)連接到地面。排出裝置包括含有兩個或多個管子的管列。所述兩個或多個管子可以相互平行。所述管列可以包括100個或更多個管子。每一個管子的直徑約為5cm。
在至少一個向下的井孔，優(yōu)選垂直井孔中可以形成進(jìn)入裝置和排出裝置。通過將兩個容器的至少部分設(shè)置的彼此很近而可進(jìn)行熱交換，使得至少兩個容器適于熱交換。所述容器可以共享至少一個共有的熱傳遞壁部分，該部分可以是金屬的。在至少兩個容器中的每一個的反應(yīng)區(qū)設(shè)置所述熱傳遞壁部分，但通常熱傳遞的發(fā)生與再生熱步驟有關(guān)，且其可被設(shè)置在反應(yīng)區(qū)的外部。
作為選擇地，容器可適合于通過熱交換裝置進(jìn)行熱傳遞。所述熱交換裝置包括位于循環(huán)系統(tǒng)的液體，其中，將液體從與第一容器的熱交換接觸循環(huán)至與第二容器的熱交換接觸。用于接觸的各個容器的部分可以是任何適合的部分，例如反應(yīng)區(qū)與反應(yīng)區(qū)，進(jìn)入管與反應(yīng)區(qū)，或者進(jìn)入管與排出管。
所述處理裝置可進(jìn)一步包括一個適合給至少一個容器提供通道的進(jìn)入井(access shaft)。該裝置可以包括三個或者多個反應(yīng)容器。所述3個或多個反應(yīng)容器設(shè)置在給容器、特別是位于深處的容器提供通道的進(jìn)入井周圍。
在第二個方面，本發(fā)明在于一個反應(yīng)器裝置，其包括至少2個反應(yīng)室，每一個反應(yīng)室形成有一個將反應(yīng)物質(zhì)輸送給反應(yīng)區(qū)的輸入裝置和一個從反應(yīng)區(qū)回收處理過的反應(yīng)物質(zhì)的輸出裝置，其中，在向下延伸的地下通道內(nèi)形成輸入裝置和輸出裝置，且至少兩個反應(yīng)室適合其間的熱交換。
一個或多個反應(yīng)室可被形成為一個延伸的U形結(jié)構(gòu)形狀。至少兩個反應(yīng)室中可以共用一個共有的熱傳遞壁部分。至少一個反應(yīng)室被基本設(shè)置在至少一個其它的反應(yīng)室的范圍之內(nèi)。
在第三個方面，本發(fā)明在于實施兩個需要加壓條件的過程，所述方法包括的步驟為將用于第一過程的物質(zhì)引入到基本設(shè)置在地下且通過一個向下下降的輸入管裝置、一個處理區(qū)以及一個向上延伸的輸出管裝置形成的第一反應(yīng)器中；將用于第二過程的另外的物質(zhì)引入到基本設(shè)置在地下且通過一個向下下降的輸入管裝置、一個處理區(qū)以及一個向上延伸的輸出管裝置形成的第二反應(yīng)器中；開始第一和第二過程；以及在反應(yīng)器之間傳遞熱。
管裝置可以包括一個單一的管裝置或者多個管，優(yōu)選以平行方式設(shè)置。
開始第一和第二過程包括給至少一個反應(yīng)器加熱的步驟。優(yōu)選第一過程為煤炭、尤其是褐煤的水熱脫水。第二過程可適宜地包括煤炭的液化。在一個優(yōu)選實施方案中，在第一反應(yīng)器中進(jìn)行過水熱脫水的煤炭在第二反應(yīng)器中進(jìn)行液化。
在一個可選擇的方面，一個反應(yīng)容器或者一個反應(yīng)室包括一個或多個用于在地下實施過程的至少一部分的井孔。通過這種方式，將待處理的流體或者漿泵送到地下一個足夠深的深度以產(chǎn)生一個適當(dāng)?shù)膲毫Γ谶@個壓力下實施希望的過程。如此設(shè)計井孔和地下裝置，使得優(yōu)選通過靜水壓力產(chǎn)生壓力的主要部分(＞50％)。還有一個選擇就是在進(jìn)入和流出的流體間、流體和用于加熱或冷卻的動力流間提供熱交換，以及提供與井孔所沉入的材料的交換。進(jìn)行熱交換是為了回收能量，加熱或冷卻或從周圍吸熱。
以其最簡單的形式，容器可以包括一個帶有同心安裝的管的單一的井孔。內(nèi)管被用于將流體向下輸送至井孔底部，外部環(huán)狀空間(annulus)被用于返回流體。因為一個共有的壁將兩股流體分離，所以在進(jìn)料混合物和經(jīng)過高壓區(qū)后返回到地面的流體之間獲得熱交換，其中，進(jìn)料混合物在流到位于井孔底部的高壓區(qū)期間被加壓。在很多過程中，可有利的使用所述熱交換。在一個優(yōu)選實施方案中，內(nèi)管裝置包括兩個或多個用于傳送物質(zhì)的管。所述兩個或多個管子為從引出的物質(zhì)到引入的物質(zhì)之間的熱傳遞提供了增加的表面接觸面積，從而在熱傳遞中增加了效率?？上嗷ミB接或單獨設(shè)置所述兩個或多個管子。有時候，所述過程在高壓區(qū)需要被加熱或被冷卻?？赏ㄟ^許多方式例如電力地、化學(xué)地、例如同蒸汽的直接熱傳遞或者同蒸汽或其它流體地直接熱傳遞來提供熱。
可在高壓區(qū)進(jìn)行化學(xué)過程或反應(yīng)。另外，為了達(dá)到期望的反應(yīng)條件，需要將其它反應(yīng)物添加到高壓區(qū)。這些反應(yīng)物可包括氧、氫或類似物質(zhì)。一種變化是在地面下一定深度注射氣態(tài)反應(yīng)物，在所述深度形成了充足的壓力使得已注射到流體中的氣體的氣泡大小足夠小以至于通過流體的速度可將氣泡沖到更深的深度。這使得不再需要必須將氣體壓縮到在高壓反應(yīng)中所需要的最終壓力，且這有助于節(jié)省用于昂貴的氣體壓縮設(shè)備的主要設(shè)備。
在更復(fù)雜的處理設(shè)備(processing plant)中，可用許多井孔和地下大洞或者壓力容器進(jìn)行復(fù)雜的處理操作。這些處理設(shè)備的主要特征就是重力被用于大部分的加壓需要。此外，在將物質(zhì)返回到地面可恢復(fù)壓力。
通過聯(lián)合使用鉆孔和在至少部分長度使用母巖材料作為容器的物理手段形成地下處理設(shè)備。其它選擇包括采用薄壁管作孔的內(nèi)襯，該薄壁管在液柱的壓力下被液壓變形從而占據(jù)了很多主孔徑，在不適宜用母巖的區(qū)域安裝厚壁管，以及在井孔的巖石內(nèi)電沉積金屬作襯里?？梢栽O(shè)想地下處理裝置可由大量互相連接的孔和管子組成，所述孔和管子具有用于容器、熱交換部分和其它功能結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大部分。上述裝置不僅僅從地面進(jìn)入是可能的。例如，將地下裝置安裝在采礦進(jìn)入隧洞或者中心設(shè)施供給孔附近以允許將動力供應(yīng)、專用設(shè)備或使用儀器送到處理設(shè)備的選中部分是方便的。在極端情況下，將用于地面上的主要壓力容器放置在地下，大量使用從地面延伸下來并返回的管子以完成加壓和可能的熱交換。這樣，地下環(huán)境有助于解決泵送困難和潛在的熱回收問題。由于具有成本優(yōu)勢，所以優(yōu)選實施方案是使用上述處理設(shè)備進(jìn)行至少部分處理。
將額外成分添加到進(jìn)料流體混合物中以促進(jìn)反應(yīng)是可能的。一個實例是添加催化劑參與期望的反應(yīng)。
在另一個方面，本發(fā)明提供一種物理地和/或化學(xué)地改變物質(zhì)的方法，包括將所述物質(zhì)提供到地下預(yù)定位置，在所述位置施加期望的壓力和/或熱，維持所述物質(zhì)在所述位置達(dá)充分時間以物理地和/或化學(xué)地改變物質(zhì)并從所述位置回收所述改變后的物質(zhì)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員公知，施加的壓力和熱不可能全部來自于地下位置?？梢蕴峁┮恍Α白匀弧眽毫?或熱人工增加。例如，施加給物質(zhì)的總壓力可以是由進(jìn)入或離開容器的物質(zhì)柱施加的靜水壓、所述位置的氣壓/地壓以及任何額外的、增壓或降壓的“人工”壓力的共同作用。
在另一個方面，本發(fā)明在于一種處于地下反應(yīng)器的煤炭的水熱脫水方法，所述反應(yīng)器包括一個或多個同反應(yīng)室相通的輸送管，所述反應(yīng)室反過來又同一個或多個出口管相通。所述方法包括的步驟為將煤炭漿通過一個或多個輸送管輸送到反應(yīng)區(qū)；開始水熱脫水過程；其中在由于物質(zhì)上升到一個或多個出口管導(dǎo)致壓力降低的條件下，水熱脫水過程大量發(fā)生。
煤炭優(yōu)選為褐煤。實質(zhì)上，這一點意味著至少50％的反應(yīng)發(fā)生在壓力降低的條件下。上述方法包括將物質(zhì)的速度控制為0.5-3.0米/秒，優(yōu)選為約1米/秒的步驟。上述方法包括在40％重量百分比作為開采的煤炭和65％重量百分比作為開采的煤炭之間改變漿中煤炭的濃度。煤炭的百分比優(yōu)選為約50％重量百分比。
附圖的簡要說明

圖1為地下反應(yīng)器裝置的示意剖視圖。
圖2為兩個布置成協(xié)同工作關(guān)系的地下反應(yīng)器的示意剖視圖。
圖3為兩個地下反應(yīng)器和用于處理煤炭的有關(guān)設(shè)備的示意剖視圖。
圖4為兩個地下反應(yīng)器和相互連接的熱傳遞系統(tǒng)的示意剖視圖。
圖5為地下反應(yīng)器裝置的俯視圖。
附圖的詳細(xì)說明通過說明，將參考圖1討論工藝實例，其中，在反應(yīng)容器或反應(yīng)室中，褐煤被水熱脫水。這種處理未被廣泛的商業(yè)化的原因主要是由于用裝配在表面的設(shè)備——尤其是進(jìn)料加壓和產(chǎn)物釋放機(jī)械裝置進(jìn)行操作很困難。上述處理是已經(jīng)期滿的澳大利亞專利430626的主題。該專利公開了褐煤(以及其它有機(jī)物質(zhì))的特性，藉由壓力和溫度的施加，煤炭的物質(zhì)特性發(fā)生變化。煤炭發(fā)生了物理/化學(xué)變化且不需要蒸發(fā)即可將水從煤炭中排除。
某些類型的褐煤可含有高達(dá)70％重量的水。褐煤可被理解為包括次煙煤、褐煤以及松散的褐煤。在高溫、高壓及有水存在時，煤炭失掉大百分比量的游離水并歷經(jīng)阻止水的徹底再吸收的變化。這種過程還可產(chǎn)生CO2?？稍谌魏芜m合的范圍進(jìn)行熱處理，但優(yōu)選在200℃以上。
首先期望通過傳送裝置10將褐煤輸送到水11中使之變成漿，水可以是被再循環(huán)的處理水，并且將所述褐煤漿加壓和加熱到約250℃或者更高溫度致使煤炭發(fā)生不可逆的變化。為了避免水的汽化，在選定溫度，應(yīng)將壓力維持在水的蒸氣壓以上。在沿著反應(yīng)器流程的所有位置，當(dāng)物質(zhì)溫度增加時，壓力也增加。在這種情況下，250℃時達(dá)到的最終壓力至少為40巴，且更高溫度時相應(yīng)更高的壓力。所參考的專利公開了一種熱回收差、機(jī)械和操作都很復(fù)雜的系統(tǒng)，其包括一個加壓螺旋擠壓機(jī)、一個高壓釜以及一個也由螺桿組成的排放器。所述系統(tǒng)折衷考慮了設(shè)備成本(以及考慮了安全性)和為了加快反應(yīng)動力對在高溫(因而也在高壓)下操作的期望。
根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)實施相同反應(yīng)時，將操作進(jìn)行到更高溫度是安全和便利的。為此目的的實例選擇280℃的溫度。公知在這種條件下，水熱脫水進(jìn)行得很快。為了阻止水的蒸發(fā)，當(dāng)溫度為接近250℃時壓力應(yīng)該至少為65巴。通過在形成反應(yīng)器或反應(yīng)容器12的管裝置中實施根據(jù)本發(fā)明的處理可達(dá)到這一點，所述反應(yīng)器或反應(yīng)容器12延伸到地面13以下至少650m。注意存在一些通過提供背壓和/或在地面升高排放管來縮短浸沒長度的機(jī)動性。
在考慮到摩擦壓力下降和煤炭/水漿的密度增加時，在所有時間，流體在從地面變成漿的設(shè)備、通過離心進(jìn)料泵、通過地下反應(yīng)器、返回到地面以及通過產(chǎn)物排放裝置的整個進(jìn)程中都在其飽和壓力之上。
實施上述處理的管子由兩個同心設(shè)置相對薄的薄壁管組成。漿混合物通過內(nèi)管14向下流到井孔的底部并通過環(huán)狀空間15返回。提供加熱以開始反應(yīng)，并且如果需要，維持操作條件。這可通過鄰近上述過程(process)底部的電加熱器或者通過任何其它的方式(例如分離的熱油或液體金屬回路16)進(jìn)行。注意褐煤的熱脫水是不同尋常的，因為隨著一些二氧化碳17的釋放，發(fā)生的反應(yīng)有些輕微放熱。假如適當(dāng)設(shè)計，通過從所述過程釋放的熱滿足大部分(假如不是全部的)熱需要使得反應(yīng)自支持(self-supporting)是可能的。多個更小直徑的內(nèi)管可用于增加熱傳遞的表面面積，如果需要，還可提供外部熱傳遞設(shè)備。
通過泵18將漿(slurry)輸送到內(nèi)管14。當(dāng)漿沿管14下降時，通過管14的壁發(fā)生熱傳遞，管14的壁可為任何合適的、具有足夠強(qiáng)度特性的導(dǎo)熱材料。優(yōu)選壁是金屬。隨著壓力的增加，漿下降到反應(yīng)區(qū)19，在此處為了期望的過程，可獲得足夠的溫度和壓力。盡管不是必要的，但可通過鋼筋混凝土20支撐反應(yīng)區(qū)19和反應(yīng)容器12。由于在物質(zhì)下降和獲得熱量期間可以獲得開始的條件，所以，反應(yīng)區(qū)可以包括內(nèi)管和/或環(huán)狀空間15的部分。反應(yīng)也可以繼續(xù)通過反應(yīng)區(qū)的最低部分和至少部分沿環(huán)狀空間15形式的出口裝置上升的路徑。
通過輸送自加熱系統(tǒng)16、經(jīng)管子21到達(dá)熱交換器22的熱油可有效地補(bǔ)充熱量。然后處理過的物質(zhì)沿著環(huán)狀空間15向上流動，將熱量傳遞回給在管子14中輸送的物質(zhì)。
將處理過的物質(zhì)輸送到可促進(jìn)二氧化碳17排出的分離器23。將處理過的漿輸送到可將多余的水排泄到收集表面25上并隨后容納在槽26中的傳送裝置24。一部分水通過管線27再循環(huán)，將多余的水在排泄之前送往處理28。根據(jù)需要傳送處理過的煤炭29。
上述處理特別有利，當(dāng)選擇適宜的條件時，它可由褐煤制備高質(zhì)量、低孔隙率的物質(zhì)。優(yōu)選的溫度在250-350℃的范圍內(nèi)，最優(yōu)選為約320℃。在這種條件下，處理時間為5分鐘或更多。在某些條件下，處理時間甚至可以更少。優(yōu)選將反應(yīng)器如此安裝使得大部分超過250℃的加熱在壓力降低的區(qū)域進(jìn)行。最常見地，這發(fā)生在出口管處，此處，壓力的降低是反應(yīng)器中物質(zhì)上升的產(chǎn)物?？刂品磻?yīng)位置使得穿過反應(yīng)區(qū)的煤炭顆粒確實處于降低的靜壓條件下，這可導(dǎo)致產(chǎn)生更密集、更干燥、具有減少的顆粒內(nèi)孔隙率的產(chǎn)物。物質(zhì)向下和向上流動的優(yōu)選速度為約1米/秒。盡管將大量泵逐次連接起來使用很有利，但上述速度的一個好處就是通過常規(guī)的離心泵就可相對容易的滿足摩擦壓力的降低。速度的優(yōu)選范圍在0.5-3米/秒之間。本發(fā)明進(jìn)一步控制的方面起因于改變漿中煤炭濃度的能力(capacity)。通過降低濃度，在漿中上升的溫度也可以降低。這提供了一種操縱反應(yīng)區(qū)中熱條件的手段。通過本系統(tǒng)可避免高成本、高能量輸入的地面系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有以穩(wěn)定、受控、成本和能量有效的(effective)方式進(jìn)行一般操作的能力。
圖2顯示了兩個組合的反應(yīng)器的示意圖，所述反應(yīng)器總體上被標(biāo)記為30。煤炭漿31被輸送到入口管32的形式的入口裝置中，在重力的作用下下降并被泵送到反應(yīng)區(qū)33。盡管該示意圖公開了兩個入口管，但應(yīng)該意識到有效的熱傳遞最好由一排數(shù)量高達(dá)100-200個、或任何其它適宜數(shù)量的管子產(chǎn)生。管子的數(shù)量隨著所需要的熱量的量而改變，且根據(jù)需要，可使用熱交換公式計算。例如，如果使用較大直徑的管子，可將入口管設(shè)置的更深以增加熱傳遞的機(jī)會。操作者可選擇在管子32中的傳壓柱中增加泵的作用以增強(qiáng)入口供應(yīng)(inlet supply)的壓力作用。水熱脫水期間的脫羧基反應(yīng)是放熱反應(yīng)，其可提供至少一些和潛在地，所有在反應(yīng)器底部所需要的升高溫度的能力。操作期間提供啟動熱和促進(jìn)熱產(chǎn)生是必需的。使用適當(dāng)?shù)臒崃抗?yīng)裝置或系統(tǒng)對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是公知的。處理過的煤炭漿然后上升到以出口管或者出口室34的形式設(shè)置的出口裝置中，其導(dǎo)致水熱脫水過的煤炭漿35的排放，漿可被進(jìn)一步的處理以回收。外管34被形成為其橫截面形狀為兩個間隔的同心圓，最里面定位的圓被設(shè)置在中央動力設(shè)施(utility)進(jìn)入孔41的周圍。
通過第二個入口管37、第二反應(yīng)區(qū)38和第二個出口管39形成第二反應(yīng)室或反應(yīng)容器36。
將第二反應(yīng)室的位置設(shè)置成可在第一反應(yīng)容器或反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)38中的物質(zhì)和第二反應(yīng)容器或反應(yīng)器中的物質(zhì)之間提供適宜的熱傳遞。顯然，在物質(zhì)沿第二入口管37向下通過期間也可以發(fā)生熱傳遞。還可提供一個輔助熱源以向第一反應(yīng)室和/或第二反應(yīng)室提供熱量。在一個優(yōu)選過程中，第二反應(yīng)室36被用于煤炭的氫化液化。上述過程優(yōu)選在高壓氫和適中溫度(可以是約350-470℃)下制備物質(zhì)，其例如為煤炭分解的產(chǎn)物、來自煤炭的石油和輕油，因此制備的油為低分子重量的芳香族和脂肪族碳?xì)浠衔锏幕旌衔?。煤炭的液化反?yīng)高度依賴于煤炭的類型。油和其它產(chǎn)物的產(chǎn)量隨煤炭成分而變化。
在本發(fā)明的裝置中，煤炭水熱脫水的放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱對整個過程的能量而言是不夠的。因此，通過提供一個基本上封閉、自我維持的系統(tǒng)且同時實施兩個獨立的過程，可從放熱的煤炭液化過程中產(chǎn)生熱量。結(jié)合煤炭的水熱脫水和煤炭的液化，產(chǎn)生兩個工作反應(yīng)器的有效的、協(xié)同操作的交互作用，以提供一個有益的產(chǎn)出。使用協(xié)同操作的、離地面很深的反應(yīng)器可安全地產(chǎn)生高壓和有效的使用熱量。很長的流程支持著很大程度上是栓塞流的反應(yīng)器系統(tǒng)。
圖2的布置還公開了一個中央動力設(shè)施進(jìn)入孔41，其促進(jìn)了反應(yīng)器的構(gòu)造和維護(hù)。這樣的裝置有助于提供動力設(shè)施和監(jiān)測設(shè)備的通道。
圖3是協(xié)同操作反應(yīng)器的一個可供選擇的布置示意圖。其中，第一反應(yīng)器43形成有相對窄的入口管44，入口管通過最底下的孔45把料排放進(jìn)入反應(yīng)區(qū)46。導(dǎo)入的物質(zhì)在沿出口環(huán)狀空間或出口室47上升之前，流動通過反應(yīng)區(qū)46。
第二反應(yīng)器當(dāng)然可為任何適合的形狀，并且實際上，可將幾個反應(yīng)器設(shè)置在第一反應(yīng)器的范圍之內(nèi)。
操作時，可通過任何適合的機(jī)械裝置50從原料堆49中收集煤炭并將之傳送到槽51中同水混合形成漿。泵53將漿傳送到入口管44以通過第一反應(yīng)器。處理過的物質(zhì)以水熱脫水過的煤炭漿的形式存在，并將其從反應(yīng)器中排出并傳送到離心分離機(jī)54，離心分離機(jī)將處理過的煤炭與水分離開。將多余的水收集在廢液槽55中并被再循環(huán)到槽51和/或廢水管(waste)56。
將來自離心分離機(jī)54的處理過的煤炭輸送到傳送裝置57以供入流化床干燥器58中。然后，干燥過的煤炭可被用于任何適合的用途。
在本系統(tǒng)中，干燥煤炭被傳送到收集槽59中，在此處其準(zhǔn)備進(jìn)行氫化液化處理?？蓪⑻烊粴?0輸送到制備氫氣的氫設(shè)備61中，氫氣被用在氫化反應(yīng)器63中以將一部分產(chǎn)物油氫化使之適宜用作供氫體溶劑。將所述供氫體溶劑傳送到收集槽59中同處理過的煤炭混合以形成漿。泵64將漿傳送到第二反應(yīng)器48中，在此處所述混合物在通過反應(yīng)器期間經(jīng)歷進(jìn)一步的加壓、預(yù)熱和液化。將來自第二反應(yīng)器的處理過的煤炭通過管線65傳送到第二離心分離機(jī)66，其將液體和固體成分分離。在通過泵68將之輸送到再循環(huán)和產(chǎn)物油74中之前，將多余的油在附加槽67中分離和收集。在洗滌臺(washing stage)69中用適宜的溶劑洗滌來自離心分離機(jī)66的固體。將洗滌過的固體在70中干燥并作為易燃炭被輸送到、例如發(fā)電廠。
將洗滌液體輸送到分離單元73，油74在其中被分離(例如通過蒸餾)和儲存使用，將再循環(huán)的溶劑返回到洗滌臺69中。本系統(tǒng)提供了一個雙重處理反應(yīng)器裝置的良好實例，其以成本有效、有熱效率和安全的方式提供具有相當(dāng)大價值的重要產(chǎn)物。
圖4為通過熱傳遞裝置進(jìn)行熱交換的兩個反應(yīng)器的示意圖。再一次，參考煤炭的水熱脫水和氫化液化的雙過程。但是，并未打算將協(xié)同操作反應(yīng)器的應(yīng)用限制為上述應(yīng)用。
將煤炭漿輸送到第一反應(yīng)器75的進(jìn)入口76，然后進(jìn)入多個下降的入口管77，所述管經(jīng)選擇以提供期望量的再生熱交換，而為保證這一點，在所有位置，主要壓力超過流體蒸汽壓。漿作為液柱沿著管子77下降，在這個過程中提供靜水壓力并通過熱傳遞壁、例如金屬從在出口管78中上升的被處理的物質(zhì)中受熱，所述出口管圍繞在入口管77的周圍。管子當(dāng)然可為任何適宜的形狀以有助于隨著巖石和土壤剖面而變化。在一個實施方案中，通過不可滲透的巖石或處理過的密封巖石形成一個或多個反應(yīng)器的外壁。向下箭頭79顯示了待處理物質(zhì)的排放。向上箭頭80總地顯示被處理的物質(zhì)通過反應(yīng)區(qū)81時的流動。反應(yīng)區(qū)并不是一個特別限定的區(qū)域，其僅是一個術(shù)語，用來總地代表獲得開始溫度條件的區(qū)域。它可以包括入口管和出口管的部分。增加壓力以保證總是超過水的蒸汽壓從而阻止汽化。實際壓力可超過蒸汽壓許多倍。簡單地通過增加反應(yīng)器的深度和因此而增加靜水壓頭就可獲得所述壓力。
為了處理那些氣體產(chǎn)物，可在出口管78中設(shè)置一個或多個收集器82以收集氣體并將之直接引入到排放管線83。可將收集器設(shè)置在反應(yīng)器中一系列不同的深度處。在本反應(yīng)中，二氧化碳被形成并被分離。優(yōu)選具有一系列位于不同位置的收集器以促進(jìn)氣體的去除，因而當(dāng)環(huán)繞高壓氣泡周圍的壓力降低時，可避免氣泡效應(yīng)。安全方面，這也提供已為高純二氧化碳的分離，所述高純二氧化碳可用于其它工業(yè)或商業(yè)用途。還可優(yōu)選給出口裝置添加一個或多個節(jié)流閥。所述閥可用于控制出口管的壓力，從而控制入口管的壓力?？稍诔隹诤腿肟谘b置中提供壓力監(jiān)測系統(tǒng)。假如在反應(yīng)區(qū)的氣體產(chǎn)物降低了出口裝置中物質(zhì)的密度，在入口裝置中靜水壓力的降低可以導(dǎo)致和產(chǎn)生速度的增加，因為更密集的進(jìn)入物質(zhì)會產(chǎn)生更大的凈流動壓力。如果在進(jìn)入裝置中達(dá)到了預(yù)設(shè)的壓力限度，一個或數(shù)個節(jié)流閥可以起動以影響排出速度，從而將系統(tǒng)內(nèi)的壓力維持在優(yōu)選限度內(nèi)。這提供了另一個控制在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的過程的機(jī)構(gòu)。
通過排出口84將處理過的物質(zhì)排出。第二反應(yīng)器85顯示具有一個設(shè)置在外部環(huán)狀空間中心的入口管86，外部環(huán)狀空間形成出口管87。
干燥煤炭在供氫體流體中形成漿并被輸送到入口管86中。氫化液化是一個放熱反應(yīng)，所產(chǎn)生的熱量可被利用或通過熱傳遞裝置傳遞。在圖4中，將第一熱交換裝置88設(shè)置在第二反應(yīng)器內(nèi)并將之設(shè)置在適宜的位置。
將熱傳遞給適宜的流體，例如液體鈉或者熱傳遞油，液體鈉或熱傳遞油通過泵90環(huán)繞著一個回路循環(huán)。含熱量流體被輸送通過一個熱量分配交換器91流入以補(bǔ)充在反應(yīng)區(qū)81中產(chǎn)生的熱量。
盡管水熱脫水過程自身放熱，但不能通過依賴自身內(nèi)在生熱來充分滿足大處理進(jìn)度時的能量需求。利用來自另一個放熱過程的多余熱量在以有效和有生產(chǎn)價值的操作來維持處理裝置方面具有很大的好處。
在從入口管86通過較低開口93排出并沿環(huán)狀空間87向上流動之后，將液化的煤炭產(chǎn)物從第二反應(yīng)器85的出口92排出。進(jìn)、出物質(zhì)之間的熱傳遞也相當(dāng)?shù)挠欣?。通過使用多個平行的管子可以達(dá)到期望的熱交換面積。
圖5是環(huán)繞中心進(jìn)入井(access shaft)95設(shè)置的一組反應(yīng)器的頂視示意圖。根據(jù)需要布置每一個反應(yīng)器。反應(yīng)器96被專門用于煤炭的氫化液化。多余的熱量通過一個熱傳遞機(jī)構(gòu)(未示出)被傳導(dǎo)到專門用于水熱脫水的反應(yīng)器97。一個組合反應(yīng)器98也被提供有設(shè)置成結(jié)合作業(yè)的第一和第二反應(yīng)器。此外，具有相同或不同布置的其他反應(yīng)器99環(huán)繞中心井95分布。通過形成在地面以下任何適宜深度的側(cè)井(lateral shafts)100(未顯示細(xì)節(jié))，形成與中心進(jìn)入井95的相通。
本發(fā)明大優(yōu)點之一是物理上失配的反應(yīng)器彼此之間可處于工作關(guān)系。即，一個很深的高壓反應(yīng)器可同一個較淺的低壓裝置進(jìn)行協(xié)同操作。其中兩者之間的熱傳遞可以使雙重處理的效率最優(yōu)化。
盡管未顯示，但裝配一個復(fù)雜的處理裝置是可能的，其中在相互連接的反應(yīng)器中進(jìn)行處理的連續(xù)步驟。在一個反應(yīng)器的出口管和下一個連續(xù)連接的反應(yīng)器的入口管之間提供橫向相通的通道。在一深度形成這樣連通的通道，以將物質(zhì)保持在需要壓力或者優(yōu)選壓力下。例如，可很便利地將在壓力下形成的氫提供給另一個反應(yīng)器，而不是將之傳送到地面并為后來的使用，試圖再加壓或者維持其壓力。通過一系列設(shè)在不同深度處的傳遞通道連接相鄰的反應(yīng)器，并具有一個控制系統(tǒng)用來在操作期間選擇一個或多個期望的通道。
圖5所示的反應(yīng)器系統(tǒng)為安全地實施高壓反應(yīng)提供了一個集中的增強(qiáng)處理設(shè)備。另外，反應(yīng)器的相互作用提供了一個持續(xù)的(ongoing)熱效率。顯然，可以提供多于兩個的、協(xié)同作業(yè)的反應(yīng)器。
其它可使用本發(fā)明的處理實例(不完全列舉)為美國專利5312462煤炭的濕式堿腐蝕性浸提。煤炭同NaOH和KOH混合形成漿，并在壓力下加熱以減少灰分和硫。
US5214015，鐵基氫化裂解催化劑的合成。在180-240℃范圍內(nèi)，氧化鐵和硫同液態(tài)供氫體反應(yīng)。
US5369214，鹵化聚芳香化合物選擇性脫鹵的方法。鹵化聚芳香化合物同供氫體溶劑和炭催化劑混合，并且加壓和加熱導(dǎo)致化合物的脫鹵。
US4695372，物理選礦前含碳物質(zhì)的處理(conditioning)。通過同超臨界流體(例如，通常為高溫和高壓)接觸來處理煤炭。提取次要溶質(zhì)餾分導(dǎo)致選礦的改善。
其它實例存在于實現(xiàn)固體相轉(zhuǎn)換、浸提、提取、反應(yīng)、聚合、液化、氧化、還原、涉及供氫體溶劑反應(yīng)、分解、沉淀處理的領(lǐng)域。
在一些情況下，將母巖同處理流體適當(dāng)?shù)亟佑|。
顯然，在所述系統(tǒng)中還可進(jìn)行大量的后備過程，在所述地下處理系統(tǒng)的裝配和使用方式上具有很多種變化。
整個說明書的目的在于公開本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，本發(fā)明不被限制為任何一個實施方案或者特殊的特征組合。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到根據(jù)直接公開的內(nèi)容，不脫離本發(fā)明范圍可以特殊實施方案進(jìn)行多種修改和改變。所有這些修改和改變應(yīng)被包含在公開的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種處理一種或多種物質(zhì)的處理裝置，所述裝置包括兩個或多個設(shè)置在地面以下的容器，每一個容器適合容納一種或多種物質(zhì)或其部分，所述兩個或多個容器中的每一個都包括一個反應(yīng)區(qū)、用于將至少一種物質(zhì)供入各自反應(yīng)區(qū)的進(jìn)入裝置以及從反應(yīng)區(qū)回收處理過的物質(zhì)的排出裝置，其中所述容器延伸到地面以下足夠深度以在進(jìn)入和/或排出裝置中，由靜水壓頭產(chǎn)生壓力，并且容器中的至少兩個適合其間的熱交換。
2.權(quán)利要求1的處理裝置，其中，容器中的一個或多個延伸到地面以下至少100米。
3.權(quán)利要求2的處理裝置，其中，容器中的一個或多個延伸到地面以下至少500米。
4.權(quán)利要求1的處理裝置，其中，至少一個容器的進(jìn)入裝置被形成為連續(xù)管。
5.權(quán)利要求4的處理裝置，其中，進(jìn)入管的至少部分側(cè)壁由巖石形成。
6.權(quán)利要求4的處理裝置，其中，進(jìn)入管由相互連接的金屬管狀部分形成。
7.權(quán)利要求1的處理裝置，其中，至少一個容器的進(jìn)入裝置被形成為兩個或多個管子。
8.權(quán)利要求7的處理裝置，其中，至少一個容器的進(jìn)入裝置包括一列管子，該列管子具有50-200個管子。
9.權(quán)利要求7或8中任一的處理裝置，其中，每一個管子的直徑在2.5cm-7.5cm的范圍內(nèi)。
10.權(quán)利要求9的處理裝置，其中，每一個管子的直徑為約5cm。
11.權(quán)利要求1的處理裝置，其中，進(jìn)入裝置將反應(yīng)區(qū)連接到地面。
12.權(quán)利要求1的處理裝置，其中，至少一個容器的排出裝置被形成為連續(xù)的排出管。
13.權(quán)利要求12的處理裝置，其中，排出管的至少部分側(cè)壁由巖石形成。
14.權(quán)利要求1的處理裝置，其中，至少一個容器的排出裝置由相互連接的管狀部分形成。
15.權(quán)利要求1的處理裝置，其中，排出裝置將反應(yīng)區(qū)連接到地面。
16.權(quán)利要求1的處理裝置，其中，至少一個容器的排出裝置包括一個或多個氣體收集器。
17.權(quán)利要求1的處理裝置，其中，至少一個容器的排出裝置包括一個節(jié)流閥以控制在被處理的物質(zhì)上的背壓。
18.權(quán)利要求1的處理裝置，其中，進(jìn)入裝置和排出裝置被形成在向下指向的孔內(nèi)。
19.權(quán)利要求18的處理裝置，其中，所述孔實質(zhì)上垂直。
20.權(quán)利要求1的處理裝置，其中，至少兩個容器彼此接近進(jìn)行熱交換。
21.權(quán)利要求1或20中任一的處理裝置，其中，至少兩個容器適合通過熱交換裝置進(jìn)行其間的熱交換。
22.權(quán)利要求21的處理裝置，其中，所述熱交換裝置是至少兩個容器共有的熱傳遞壁部分。
23.權(quán)利要求21的處理裝置，其中，熱交換裝置包括位于循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的液體，其中，所述液體被循環(huán)至與至少兩個容器接觸進(jìn)行熱交換。
24.權(quán)利要求1的處理裝置，還包括一個適合給至少一個容器提供在地面以下的通道的進(jìn)入井。
25.一種反應(yīng)器裝置，包括至少兩個反應(yīng)室，每一個形成有一個用于將處理物質(zhì)輸送到反應(yīng)區(qū)的輸入裝置，一個用于從反應(yīng)區(qū)回收處理過的物質(zhì)或其產(chǎn)物的輸出裝置，其中，所述輸入裝置和輸出裝置位于向下延伸的地下通道內(nèi)，并且至少兩個反應(yīng)室適合其間的熱交換。
26.權(quán)利要求25的反應(yīng)器裝置，其中反應(yīng)室中的一個或多個被形成有一個延伸的U形結(jié)構(gòu)形狀。
27.權(quán)利要求25的反應(yīng)器裝置，其中，至少兩個反應(yīng)室共享一個共有的熱傳遞壁部分。
28.權(quán)利要求25的反應(yīng)器裝置，其中，一個反應(yīng)室中被基本上設(shè)置在至少另一個反應(yīng)室的范圍之內(nèi)。
29.權(quán)利要求25的反應(yīng)器裝置，其中，反應(yīng)室適于通過熱交換裝置進(jìn)行熱交換。
30.權(quán)利要求29的反應(yīng)器裝置，其中，熱交換裝置包括一個用于將熱傳導(dǎo)液體循環(huán)至與至少兩個反應(yīng)室接觸以進(jìn)行熱交換的循環(huán)系統(tǒng)。
31.權(quán)利要求25-30中任一反應(yīng)器裝置，還包括一個或多個地下連通通道，其為將在一個反應(yīng)室的輸出裝置內(nèi)的流體傳送到另一個反應(yīng)室的輸入裝置而提供通道。
32.一種在加壓條件下實施兩個過程的方法，包括的步驟為將用于第一個過程的物質(zhì)引入基本設(shè)置在地下并通過向下延伸的、與一處理區(qū)相通的輸入管裝置形成的第一反應(yīng)器，所述處理區(qū)同一向上延伸的輸出管裝置相通將用于第二過程的另外的物質(zhì)引入基本設(shè)置在地下并通過向下延伸的、與一處理區(qū)相通的輸入管裝置形成的第二反應(yīng)器，所述處理區(qū)同向上延伸的輸出管裝置相通，開始第一和第二過程；以及在反應(yīng)器之間傳遞熱。
33.權(quán)利要求32的方法，其中，用于第一反應(yīng)器和第二反應(yīng)器的物質(zhì)是流態(tài)化的固體。
34.權(quán)利要求32的方法，其中，所述過程中的一個是煤炭的水熱脫水。
35.權(quán)利要求34的方法，其中，所述過程中的另一個煤炭的液化。
36.權(quán)利要求35的方法，其中，在第一過程中經(jīng)過水熱脫水的煤炭在第二過程中進(jìn)行液化。
37.一種在地下反應(yīng)器中進(jìn)行的煤炭的水熱脫水的方法，所述反應(yīng)器包括一個或多個同一反應(yīng)室相通的輸送管，而所述反應(yīng)室又同一個或多個排出管相通，所述方法包括的步驟為通過一個或多個輸送管將煤炭漿輸送到反應(yīng)區(qū)；以及開始水熱脫水過程使得過程基本上在隨著物質(zhì)在一個或多個排出管中上升而使壓力降低的條件下而發(fā)生。
38.權(quán)利要求36的方法還包括的步驟為；基本上在煤炭水熱脫水的整個過程中，維持漿的向上流動。
39.權(quán)利要求38的方法，其中，通過泵壓控制物質(zhì)的速度。
40.權(quán)利要求38的方法，其中，在至少50％的煤炭水熱脫水的整個過程中，維持漿的向上流動。
41.權(quán)利要求37的方法，其中，漿的速度在0.5米/秒-3米/秒的范圍內(nèi)。
42.權(quán)利要求41的方法，其中，速度為約1米/秒。
43.權(quán)利要求37的方法，其中，選擇漿中煤炭的濃度以控制反應(yīng)的熱產(chǎn)量，從而控制反應(yīng)區(qū)的溫度。
44.權(quán)利要求42的方法，其中，漿中作為開采的煤炭濃度在40％重量百分比和65％重量百分比之間。
45.權(quán)利要求44的方法，其中，漿中煤炭濃度為約50％重量百分比。
46.權(quán)利要求37-45中任一方法，其中，所述煤炭是褐煤。
全文摘要
一種反應(yīng)器系統(tǒng)，包括兩個或多個用于物質(zhì)的高壓處理的地下反應(yīng)器。每一個反應(yīng)器包括一個入口管、一個反應(yīng)區(qū)以及一個出口管并具有足夠的深度使得位于進(jìn)口和出口管的物質(zhì)產(chǎn)生高的靜水壓力。反應(yīng)器適于通過共享的熱傳遞壁或者含有循環(huán)液體的熱交換器進(jìn)行交換熱。本發(fā)明還涉及一種在反應(yīng)器系統(tǒng)中同時進(jìn)行兩個過程的方法。優(yōu)選過程是煤炭、特別是褐煤的水熱脫水和煤炭液化，其中一個過程的放熱產(chǎn)物貢獻(xiàn)給另一個過程的熱需要。本發(fā)明還涉及一種在減壓條件下，當(dāng)在地下反應(yīng)器中實施時，煤炭的水熱脫水方法。
文檔編號B01J19/24GK1525882SQ02813741
公開日2004年9月1日 申請日期2002年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月4日
發(fā)明者唐納德·J·尼克林, 彼得·J·泰特, J 泰特, 唐納德 J 尼克林 申請人:?？巳匣镉邢薰?