專利名稱：用于熱處理粒狀材料的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以商業(yè)上可行方式熱處理粒狀材料的裝置。更具體而言，粒狀材料在工業(yè)加工廠中被處理或燃燒之前，本發(fā)明利用在低溫露天工藝中的一種連續(xù)物料通過干燥器比如流化床干燥器干燥這樣的材料，以改善它們的熱含量或可加工性以及降低工廠的排放。盡管這種裝置可以以有效且經(jīng)濟(jì)的方式應(yīng)用于多種不同的工業(yè)中，但是它特別良好地適合在發(fā)電裝置中使用，用于降低煤在其燃燒之前的水分含量。
背景技術(shù)：
如我們知道的，電力對(duì)人類生活是必須的。從工廠中驅(qū)動(dòng)機(jī)器，到農(nóng)場(chǎng)中泵送水，到辦公室中運(yùn)行計(jì)算機(jī)，到在大部分家庭中提供光、加熱及冷卻的能量，這一切它都可以做。
提供這種電力的大發(fā)電裝置利用蒸汽或流水的能量產(chǎn)生動(dòng)力，以使渦輪機(jī)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。盡管一些發(fā)電裝置是利用水電能源或核能源進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的，但是全世界約63％的電力以及在美國(guó)產(chǎn)生的70％電力都是由燃燒化石燃料如煤、石油或天然氣而產(chǎn)生的。這樣的燃料在發(fā)電裝置的燃燒室中燃燒，以產(chǎn)生用于使鍋爐中的水轉(zhuǎn)變成蒸汽的熱量。然后，蒸汽被過熱并將其引入到巨大蒸汽渦輪機(jī)中，由此它推動(dòng)渦輪機(jī)的扇狀葉片，使軸旋轉(zhuǎn)。這個(gè)旋轉(zhuǎn)的軸再使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電。
蒸汽一旦流過渦輪機(jī)，它就進(jìn)入冷凝器，在此處它繞著攜帶有冷卻水的管通過，這些冷卻水吸收來自蒸汽的熱量。當(dāng)蒸汽冷卻時(shí)，它冷凝成水，然后水被泵回到鍋爐中，重復(fù)將其再次加熱成蒸汽的過程。在很多發(fā)電裝置中，將這種在冷凝器管道內(nèi)吸收了來自蒸汽的熱量的水被泵到噴淋池或冷卻塔進(jìn)行冷卻。然后，冷卻水可以再循環(huán)通過冷凝器，或排放到湖泊、河流或其它水域中。
在美國(guó)開采的89％的煤都被用作發(fā)電裝置的熱源。不同于石油和天然氣的是，能夠從地球上經(jīng)濟(jì)地提取煤的可供給性是豐富的。有四種主要類型的煤無煙煤、煙煤、次煙煤和褐煤。盡管這四種煤都主要包含碳、氫、氮、氧和硫以及水分，但是包含在煤中的這些固體元素及水分的具體量是變化很大的。例如，最高級(jí)的無煙煤包含約98重量％的碳，而最低級(jí)的褐煤(也稱作“褐色煤”)可以只包含約30重量％的碳。同時(shí)，水分量在無煙煤和煙煤中可能小于1％，而在次煙煤如Powder RiverBasin(“PRB”)中為25-30重量％，在北美褐煤中為35-40重量％。對(duì)于澳大利亞和俄羅斯，這些褐煤水分量可能分別高達(dá)50％和60％。相比于煙煤和無煙煤，這些高水分的次煙煤和褐煤具有較低的熱值，原因是它們?cè)谌紵龝r(shí)產(chǎn)生更少量的熱。而且，高的燃料水分影響電力單元操作(electric powerunit operation)工作的所有方面，包括影響性能及排放。相比于高級(jí)煤的情況，高的燃料水分使鍋爐的效率明顯更低以及單位熱耗更高。高水分含量還可以導(dǎo)致在比如燃料處理、燃料磨碎、風(fēng)機(jī)容量和高的廢氣流量的方面的問題。
因此，煙煤由于含量豐富并且具有較高的熱值，因而是電力生產(chǎn)用的最廣泛地使用等級(jí)的煤。然而，它們還包含中等至高含量的硫。作為在美國(guó)日益嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)如清潔空氣法案的結(jié)果，發(fā)電裝置不得不在這些裝置的煙囪上游昂貴地安裝洗滌裝置，以防止這些煤燃燒所產(chǎn)生的二氧化硫(“SO2”)、氮氧化物(“NOx”)、汞化合物和飛灰污染空氣。
低級(jí)煤如次煙煤和褐煤由于硫含量低，因而被作為發(fā)電裝置用的熱源已經(jīng)日益得到了關(guān)注。將它們作為燃料源燃燒可以使發(fā)電裝置更容易滿足聯(lián)邦及州的污染標(biāo)準(zhǔn)。另外大的可能性在于這樣的事實(shí)，在美國(guó)西部，這些次煙煤和褐煤構(gòu)成可獲得煤儲(chǔ)量的大部分。然而，這些低級(jí)煤類型的更高水分含量降低了它們作為加熱燃燒源時(shí)的熱值。而且，這樣的高水分含量可以使這些煤的運(yùn)輸相對(duì)于它們的熱值更加昂貴。它們還可以導(dǎo)致工業(yè)問題，原因是當(dāng)它們失去它們的水分時(shí)，它們破碎并變成粉狀的，因而使得它們難于處理并運(yùn)輸。
盡管由于污染關(guān)注，天然氣和燃料油都幾乎完全地代替煤作為民用加熱燃料，但是油和天然氣不斷上升的價(jià)格使一些工廠和商業(yè)建筑物返回到采用煤作為加熱源。由于煙煤和無煙煤的熱值更高，因此它們被優(yōu)選用于這些加熱應(yīng)用。
煤還是用于制造在鐵和鋼制造中所使用的焦炭的主要組分。煙煤在氧缺乏以防止煤被燃燒的氣密燃燒室中加熱到約2000(1100℃)。這種高水平的熱量使一些固體變成氣體，同時(shí)殘余的幾乎由純碳構(gòu)成的硬泡沫狀的物質(zhì)是焦炭。大部分的焦炭裝置是鋼廠的一部分，在鋼廠中，焦炭與鐵礦石和石灰石一起燃燒，使鐵礦石轉(zhuǎn)變成隨后被加工成鋼的生鐵。
焦炭制造工藝中的碳化過程中所產(chǎn)生的一些氣體在它們被冷卻時(shí)，轉(zhuǎn)變成液氨和煤焦油。經(jīng)過進(jìn)一步的處理，這些殘余氣體可以被轉(zhuǎn)變成輕油。制造商可以將這些氨、煤焦油和輕油用于生產(chǎn)藥物、染料和肥料。煤焦油本身可以用于鋪屋面和路面鋪設(shè)應(yīng)用。
在焦炭制造工藝中的碳化過程中產(chǎn)生的一些氣體不變成液體。這種“煤氣”如天然氣那樣燃燒，并且可以為焦炭制造和煉鋼工藝提供熱量。備選的燃料工業(yè)也開發(fā)了煤不經(jīng)過碳化而直接氣化的工藝。這些氣化工藝的結(jié)果是，高能量的氣體和高能量的液體燃料代替了汽油和燃料油。因此，煤除了其固有的熱值之外，還存在很多有價(jià)值的用途。
業(yè)內(nèi)早已認(rèn)識(shí)到，煤經(jīng)過加熱降低了它的水分，因此，通過干燥煤，提高了煤的等級(jí)以及BTU生產(chǎn)。在其在熱水鍋爐中燃燒之前，煤的干燥可以提高鍋爐的所得效率。
在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)使用非常多種的干燥器來干燥煤。例如，授權(quán)給Berg的美國(guó)專利5,103,743公開了一種回轉(zhuǎn)窯，在該回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，濕煤在由回轉(zhuǎn)窯的殼體表面以及圍繞該殼體表面的夾套限定的干燥空間內(nèi)干燥?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)產(chǎn)生的煙道氣隨濕煤穿過干燥空間，因而殼體表面的輻射熱和熱煙道氣的熱同時(shí)對(duì)煤進(jìn)行干燥。另一方面，授權(quán)給Petrovic等的美國(guó)專利4,470,878教導(dǎo)了一種用于預(yù)熱加入焦化過程的煤的串聯(lián)回旋床干燥器，其中在煤蒸汽混合物中回旋的同時(shí)，暴露煤，以進(jìn)行間接的熱傳遞。用于冷卻來自煉焦?fàn)t的熱焦炭的冷卻氣體再循環(huán)到下一級(jí)的回旋床干燥器，以預(yù)熱煤。
在授權(quán)給Siddoway等的美國(guó)專利4,617,744中公開了一種長(zhǎng)槽干燥器，用于干燥濕固體粒狀材料比如煤。煤從槽式干燥器的溝槽部分的頂部引入，并且通過底孔排出，同時(shí)逆流地接觸干燥流體，所述干燥流體在溝槽內(nèi)在向下的方向通過，然后逐漸變成向上以逆流接觸下行的濕顆粒。沿槽式干燥器的底部安置的傳輸系統(tǒng)輸送干燥的煤顆粒。
授權(quán)于Ohno等的美國(guó)專利5,033,208教導(dǎo)了一種料斗式干燥器。這種裝置由其間帶有環(huán)形區(qū)域的雙圓柱體結(jié)構(gòu)構(gòu)成。將煤顆粒引入這種環(huán)形區(qū)域內(nèi)，熱氣穿過內(nèi)圓柱體中的孔與煤顆粒接觸，并且通過外圓柱體中的孔排出。
授權(quán)給Petrovic等的美國(guó)專利4,606,793公開了一種移動(dòng)床式干燥器，用于預(yù)熱供給煉焦?fàn)t的煤。將在由焦炭的干冷卻排出的熱氣或廢熱蒸汽中的熱量再循環(huán)到位于移動(dòng)床式干燥器內(nèi)的熱交換管。
授權(quán)給Ladt的美國(guó)專利4,444,129教導(dǎo)了一種振動(dòng)流化床干燥器，用于干燥尺寸小于28-目的煤顆粒。燒煤爐將熱干燥氣體供應(yīng)給干燥器。位于爐和振動(dòng)流化床干燥器之間的再生性分離器除去煤顆粒中的灰。粒狀煤顆粒也除去了熱廢氣，然后重新用于燒煤爐。
盡管所有這些不同的干燥器裝置都可以被用于除去如煤之類的粒狀材料中的水分，但是它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上都相對(duì)復(fù)雜，存在熱傳遞相對(duì)不充分的問題，并且在一些情況下，更適用于間歇操作而不是連續(xù)操作。因此，流化床干燥器或反應(yīng)器在干燥煤的工業(yè)內(nèi)已經(jīng)變成眾所周知。在這樣的干燥器中，為了改善干燥性能，從流化床底部的孔引入流化介質(zhì)，以使煤顆粒分離并漂浮。流化介質(zhì)可以兼任直接加熱介質(zhì)，或可以在流化床反應(yīng)器內(nèi)安置單獨(dú)的間接熱源。煤顆?？梢栽诜磻?yīng)器的另一端引入，并且提供使顆粒以其流化狀態(tài)沿床長(zhǎng)度輸送的推進(jìn)裝置。因此，流化床反應(yīng)器適宜于連續(xù)干燥工藝，并且在每一個(gè)流化顆粒和干燥介質(zhì)之間提供更大的表面接觸。參見，例如，授權(quán)給Goldich的美國(guó)專利5,537,941；授權(quán)給Selle等的5,546,875；授權(quán)給Reynoldson等的5,832,848；授權(quán)給Dunlop的5,830,246、5,830,247和5,858,035；授權(quán)給Kannenberg等的5,637,336；授權(quán)給Dietz的5,471,955；授權(quán)給Heard等的4,300,291；以及授權(quán)給Parks的3,687,431。
然而，這些傳統(tǒng)的干燥工藝中的很多都在非常高的溫度和壓力下使用。例如，Bureau of Mines工藝在1500psig下進(jìn)行，而在授權(quán)給Koppelman的美國(guó)專利4,052,168中公開的干燥工藝需要1000-3000psi的壓力。類似地，授權(quán)給Criner的美國(guó)專利2,671,968教導(dǎo)了1000的上升氣流的用途。同樣，授權(quán)給Dunlop的美國(guó)專利5,145,489公開了一種用于同時(shí)改進(jìn)煤和油的燃料性質(zhì)的工藝，其中使用了被保持在850-1050的反應(yīng)器。還參見授權(quán)給Mansfield的美國(guó)專利3,434,932(1400-1600)；以及授權(quán)給Shelton的4,571,174(≤1000)。
這種采用非常高溫干燥或相反地處理煤，需要巨大的能量消耗和其它資金和操作成本，這樣能夠非?？斓貙?dǎo)致低級(jí)煤的使用在經(jīng)濟(jì)上難于實(shí)行。而且，干燥工藝使用的更高溫度形成另一種需要被處理的排出流。此外，這種經(jīng)濟(jì)平衡變復(fù)雜的實(shí)事在于，為提高被干燥煤的熱值，現(xiàn)有技術(shù)的煤干燥工藝通常依賴于化石燃料如煤、石油或天然氣的燃燒來提供真正的熱源。參見，例如，授權(quán)給Michael等的美國(guó)專利4,533,438；授權(quán)給Dunlop的4,145,489；授權(quán)給Blake的4,324,544；授權(quán)給Seitzer的4,192,650；授權(quán)給Ladt的4,444,129；以及授權(quán)給Berg的5,103,743。在一些情況下，這種燃燒后的燃料源可以構(gòu)成在煤干燥工藝內(nèi)分離并回收的煤粉。參見，例如，授權(quán)給Merriam等的美國(guó)專利5,322,530；授權(quán)給Erhard的4,280,418；以及授權(quán)給Stahlherm等的4,240,877。
因此，人們已經(jīng)致力于開發(fā)利用低溫要求干燥煤的工藝。例如，授權(quán)給Johnson的美國(guó)專利3,985,516教導(dǎo)了一種用于低級(jí)煤的干燥工藝，該工藝在400-500范圍內(nèi)的流化床中使用溫?zé)岫栊詺怏w作為干燥介質(zhì)。授權(quán)給Greene的美國(guó)專利4,810,258公開了使用過熱氣態(tài)干燥介質(zhì)將煤加熱到300-450，但是其優(yōu)選溫度和壓力為850和0.541psi。也參見，例如，授權(quán)給Petrovic等的美國(guó)專利4,436,589和4,431,585(392)；授權(quán)給Dellessard等的4,338,160(482-1202)；授權(quán)給Ottoson的4,495,710(400-900)；授權(quán)給Coleman等的5,527,365(302-572)；授權(quán)給Fracas的5,547,549(500-600)；授權(quán)給Dunlop的5,858,035；以及授權(quán)給Dunlop等的5,904,741和6,162,265(480-600)。
雖然幾種現(xiàn)有技術(shù)的煤干燥工藝采用更低的溫度，但是只是將煤干燥到有限的程度。例如，授權(quán)給Dunlop的美國(guó)專利5,830,247公開了一種采用流化床密度為20-40磅/英尺3的第一流化床反應(yīng)器不可逆制造干燥煤的工藝，其中水分含量為15-30重量％、氧含量為10-20％以及顆粒大小為0-2-英寸的煤在150-200經(jīng)受1-5分鐘，以使煤同時(shí)粉碎及脫水。然后，將煤供給第二流化床反應(yīng)器，在其中，將它用礦物油涂覆，然后在480-600溫度經(jīng)受1-5分鐘，以使產(chǎn)物進(jìn)一步粉碎及脫水。因此，明顯的是不僅此工藝采用了水分含量相對(duì)較低(即，15-30％)的煤，而且煤顆粒在150-200運(yùn)行的第一流化床反應(yīng)器中只是部分被脫水，而真正的干燥是發(fā)生在于480-600的更高床溫下運(yùn)行的第二流化床反應(yīng)器中。
同樣，授權(quán)給Hunt的美國(guó)專利6,447,559教導(dǎo)了一種用于在惰性氣氛中處理煤的工藝，其通過如下來提高煤的等級(jí)最初在200-250下加熱煤以除去其表面水分，之后通過在400-750、900-1100、1300-1550和2000-2400進(jìn)行的系列連續(xù)加熱步驟，以消除在煤顆粒孔內(nèi)的水，從而制造出水分含量和揮發(fā)含量分別低于2重量％和15重量％的煤。再一次顯而易見的是，初始200-250的加熱步驟只是對(duì)煤顆粒提供有限度的干燥。
采用流化床反應(yīng)器干燥煤可能碰到的問題之一是流化介質(zhì)中捕獲了大量的粉煤。尤其是在更高的床操作條件下，這些粉煤可能自發(fā)地燃燒，從而導(dǎo)致爆炸。因此，很多現(xiàn)有技術(shù)的煤干燥工藝都采取在無氣流化床環(huán)境內(nèi)使用惰性流化氣體，以防止燃燒。這種惰性氣體的實(shí)例包括氮、二氧化碳和蒸汽。例如，參見授權(quán)給Waterman，Jr.的美國(guó)專利3,090,131；授權(quán)給Petrovic等的4,431,485；授權(quán)給Heard等的4,300,291和4,236,318；授權(quán)給Ekberg的4,292,742；授權(quán)給Knappstein的4,176,011；授權(quán)給Cha等的5,087,269；授權(quán)給Galow等的4,468,288；授權(quán)給Hauk的5,327,717；授權(quán)給Hunt的6,447,559；以及授權(quán)給Dunlop等的5,904,741。授權(quán)給Coleman等的美國(guó)專利5,527,365提供了一種在通過使用如丙烷或甲烷的低級(jí)烷烴惰性氣體實(shí)現(xiàn)的“溫和還原環(huán)境”中干燥低質(zhì)量含碳燃料的工藝。為了避免爆炸，還有其它的現(xiàn)有技術(shù)工藝使用了大量隨著煤穿過化床反應(yīng)器的長(zhǎng)度方向而保持順序降溫的熱流化流，從而確保煤的適當(dāng)冷卻。例如參見授權(quán)給Shelton的美國(guó)專利4,571,174；和授權(quán)給Wicker的4,493,157。
干燥煤時(shí)，工業(yè)上早已碰到了另一個(gè)問題在于，干燥工藝完成之后，其隨時(shí)間流逝而重新吸收在周圍空氣條件中的水分的自然趨勢(shì)。因此，人們致力于用礦物油或一些其它烴產(chǎn)物涂覆干燥煤顆粒的表面，以形成抗煤顆粒的孔內(nèi)吸收水分的阻擋層。例如參見授權(quán)給Dunlop的美國(guó)專利5,830,246和5,858,035；授權(quán)給Johnson的3,985,516以及授權(quán)給Simmons的4,705,533和4,800,015。
為了提高干燥低級(jí)煤的工藝經(jīng)濟(jì)，已知的是，采用廢熱流作為初級(jí)燃燒燃料熱源的補(bǔ)充熱源。參見授權(quán)給Merriam等的美國(guó)專利5,322,530。在焦化煤生產(chǎn)中尤其是這樣，在焦化煤生產(chǎn)中，為了加熱在熱交換器中的干燥氣體，可以循環(huán)由熱焦炭加熱的冷卻氣體。例如參見授權(quán)給Poersch的4,053,364；授權(quán)給Wagener等的4,308,102；授權(quán)給Dellessard等的4,338,160；授權(quán)給Weber等的4,354,903；授權(quán)給Kemmetmueller的3,800,427；授權(quán)給Michael等的4,533,438；以及授權(quán)給Petrovic等的4,606,793和4,431,485。同樣地，為了干燥煤，來自流化床燃燒爐的煙道氣已經(jīng)被用作用于包含在流化床反應(yīng)器內(nèi)部的熱交換器的補(bǔ)充熱源。例如參見授權(quán)給Goldich的美國(guó)專利5,537,941；以及授權(quán)給Hauk的5,327,717。授權(quán)給Berg的美國(guó)專利5,103,743公開了一種在回轉(zhuǎn)窯中干燥如濕煤的固體的方法，其中干燥材料被氣化，以產(chǎn)生隨后用作輻射加熱器用的燃燒熱源的熱氣體，所述輻射加熱器被用于干燥在窯內(nèi)的材料。在授權(quán)給Wagener等的美國(guó)專利4,284,476中，來自相關(guān)冶金裝置的煙道氣穿過焦炭生產(chǎn)工藝中的熱焦炭，以將其冷卻，由此使煙道氣加熱，隨后該煙道氣用于預(yù)熱轉(zhuǎn)化成焦炭之前的濕煤進(jìn)料。
然而，這些現(xiàn)有技術(shù)的工藝似乎都沒有使用在煤干燥操作中的廢熱流作為用于干燥煤的唯一熱源。它們而是只補(bǔ)充使化石燃料如煤、石油或天然氣保持燃燒的一次熱源。這種情況部分可能是因?yàn)樵谶@些現(xiàn)有技術(shù)的干燥器和相關(guān)工藝中使用較高的干燥溫度。因此，為了干燥化石燃料(即，煤)以提高其給加工裝置(例如，發(fā)電裝置)中的鍋爐加燃料的熱值，使干燥包括低級(jí)煤的煤產(chǎn)物的工藝經(jīng)濟(jì)繼續(xù)受到燃燒化石燃料的需要的限制。
而且，當(dāng)較大且較密實(shí)的煤顆粒下沉到干燥器的底部時(shí)，很多現(xiàn)有技術(shù)的流化床干燥器可能都遭受堵塞，因而使得它更難于使余下的顆粒流化。在干燥器上部區(qū)域的冷凝也可以導(dǎo)致流化顆粒聚集并且落入干燥器床的底部，從而加重了這種堵塞問題。為此，很多現(xiàn)有技術(shù)的流化干燥器設(shè)計(jì)似乎都是方向上垂直的并且特征多樣的串聯(lián)干燥器，其中引導(dǎo)流化介質(zhì)進(jìn)口射線，從而形成包含在干燥器內(nèi)的煤顆粒的改善流化模式。
干燥器單元比如流化床干燥器在低于300的較低溫操作是所希望的，并且能夠避免對(duì)抑制干燥器內(nèi)的煤顆粒自發(fā)燃燒的需求。而且，在流化床干燥器內(nèi)將用于從干燥器床的區(qū)域物理分離并除去較大、較密實(shí)的煤顆粒以及消除流化顆粒周圍的冷凝的機(jī)械裝置結(jié)合，將消除可能的堵塞問題，否則這些堵塞問題導(dǎo)致干燥器缺乏效率。煤被引入鍋爐中之前進(jìn)行干燥應(yīng)當(dāng)改善采用低級(jí)煤如次煙煤和褐煤的工藝經(jīng)濟(jì)性。相比于更傳統(tǒng)使用的煙煤和無煙煤，這樣的低級(jí)煤源能夠意外地變成發(fā)電裝置用的可行燃料源。除了在煤中發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)致污染的不適宜元素被除去之外，含硫更低的次煙煤和褐煤的經(jīng)濟(jì)用途還將更大地有益于環(huán)境。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種裝置，該裝置用于熱處理或其它方式提高在工廠操作(industrial plant operation)中被用作必要組分的粒狀材料的質(zhì)量特性，同時(shí)防止堵塞。這樣的粒狀材料可以包括在工廠操作內(nèi)的燃燒的燃料源，或用于制造由工廠操作產(chǎn)生的最終產(chǎn)品的原料。盡管不是必要的，但是這種熱處理裝置優(yōu)選用一個(gè)或多個(gè)在工廠操作內(nèi)可獲得的廢熱源進(jìn)行加熱。這樣的廢熱源包括但不限制于來自燃燒室的熱廢氣或煙道氣、熱的冷凝器冷卻水、來自渦輪機(jī)的工業(yè)蒸汽以及其它帶有高熱值的工藝物料流。因此，本發(fā)明能夠在更經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上熱處理粒狀材料，因而可以使用更低級(jí)(例如，更高水分)的材料，否則這樣的低級(jí)材料在工廠操作中是不可行的。
盡管本發(fā)明可應(yīng)用于許多不同產(chǎn)業(yè)，但是為了說明性目的，本發(fā)明在此處是相對(duì)于通常的煤燃燒發(fā)電裝置進(jìn)行描述的，在發(fā)電裝置中，為了提高煤的熱值以及發(fā)電裝置的最終鍋爐效率，理想的是使煤在干燥器中除去一些水分。以這種方式干燥煤能夠使比如次煙煤和褐煤的低級(jí)煤得到提高，甚至能夠使用。通過降低煤的水分含量，不管它是低級(jí)或高級(jí)煤，都可以使其它改進(jìn)的操作效率得到實(shí)現(xiàn)。
為了給發(fā)電裝置的鍋爐以經(jīng)濟(jì)可行的基準(zhǔn)加燃料，這樣的煤燃料原料不需要干燥到絕對(duì)零的水分含量。而是，通過使用這些可獲得的廢熱源將煤干燥到足夠程度，可以使鍋爐的效率得到顯著的提高，同時(shí)使處理成本保持在經(jīng)濟(jì)上可行的水平。這樣為工廠的經(jīng)營(yíng)者帶來了真正的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。褐煤的水分含量能夠從通常的39-60％的含量降低到10％或更低，但是優(yōu)選到27-32％。這種優(yōu)選的含量受鍋爐的傳熱能力規(guī)定。
盡管本發(fā)明的熱處理裝置集中在利用可獲得的廢熱源比如來自蒸汽渦輪機(jī)的廢汽、包含在離開裝置的廢氣內(nèi)的熱能或離開冷凝器的熱的冷凝器冷卻水，使水分能夠降低或能夠進(jìn)行其它工藝步驟，但是應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，為了利用廢熱源以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)基準(zhǔn)的所需結(jié)果，可以向系統(tǒng)中加入一次熱源如燃燒熱。通常地，相對(duì)于所使用的廢熱源，一級(jí)熱的量是少量的。
雖然本發(fā)明使用了固定床干燥器和流化床干燥器，兩者都為單級(jí)和多級(jí)的，以使材料在工廠操作內(nèi)消耗之前進(jìn)行預(yù)干燥和進(jìn)一步清潔，但可以使用其它商業(yè)上已知類型的干燥器。而且，這種干燥工藝在低溫、露天系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，因而進(jìn)一步降低了工廠的操作成本。干燥溫度優(yōu)選被保持在低于300，更優(yōu)選在200-300之間。由本發(fā)明，離開冷凝器的一部分熱的冷凝器冷卻水能夠被轉(zhuǎn)用并且用于預(yù)熱被引導(dǎo)至APH的進(jìn)口空氣，從而形成“熱放大器”的作用。
為了將粒狀(“切割不足”)材料中的單位更大、更密實(shí)的顆粒輸送到一側(cè)或移出到外面，本發(fā)明的熱處理裝置還提供位于干燥器單元內(nèi)的輸送裝置比如螺旋推進(jìn)加料器，否則這些更大、更密實(shí)的顆粒將阻止粒狀材料的連續(xù)流穿過干燥器，或堵塞干燥器。將這些切割不足的顆粒除去可以提高干燥器的效率，并且容易在多級(jí)干燥器的第一級(jí)中得以實(shí)現(xiàn)。
與在煤燃燒之后再試圖除去污染物和其它污染的當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)形成對(duì)比，本發(fā)明還提供一種利用了材料的偏析和流化床的分級(jí)能力將煤中的飛灰、硫、含汞材料和其它有害污染物除去的系統(tǒng)。在煤燃燒之前將這些污染物和其它污染除去，消除了工廠加工中的污染對(duì)環(huán)境可以造成的潛在危害，并且預(yù)期的優(yōu)點(diǎn)是排放更低、煤輸入量更小、裝置運(yùn)行需要的輔助動(dòng)力更小、裝置耗水量更少、金屬腐蝕及其它因素所致的裝置維修成本更低以及從廢氣中提取這些污染所需裝置引起的資本費(fèi)用更小。
附圖簡(jiǎn)述在附圖中

圖1是示出生產(chǎn)電用的簡(jiǎn)化的燃煤發(fā)電裝置操作的示意圖。
圖2所示為改進(jìn)的燃煤發(fā)電裝置的示意圖，該發(fā)電裝置使用了廢氣和蒸汽渦輪機(jī)的廢熱流，以提高鍋爐的效率。
圖3是本發(fā)明的流化床干燥器及其用于輸送煤和熱流化空氣的相關(guān)設(shè)備的圖。
圖4是本發(fā)明的單級(jí)流化床干燥器的示意圖。
圖5是本發(fā)明的流化床干燥器的分配板的平面圖。
圖6是用于流化床干燥器的分配板的另一個(gè)實(shí)施方案的平面圖。
圖7是沿圖6的線7-7截取的分配板的圖。
圖8是含螺旋推進(jìn)加料器的圖6的分配板的平面圖。
圖9是本發(fā)明的單級(jí)流化床干燥器的示意圖，其使用一次熱源間接加熱同時(shí)用于干燥和流化煤的流化空氣。
圖10是本發(fā)明的單級(jí)流化床干燥器的示意圖，其使用廢工業(yè)用熱間接加熱同時(shí)用于干燥和流化煤的流化空氣。
圖11是本發(fā)明的單級(jí)流化床干燥器的示意圖，其組合使用廢工業(yè)用熱和熱的冷凝器冷卻水，所述廢工業(yè)用熱對(duì)用于使煤流化的流化空氣進(jìn)行加熱(間接加熱)，而所述熱冷凝器冷卻水循環(huán)通過包含于流化床干燥器內(nèi)部的床內(nèi)(in-bed)熱交換器以干燥煤(直接加熱)。
圖12是本發(fā)明的單級(jí)流化床干燥器的示意圖，其組合使用了廢工業(yè)用熱和熱蒸汽，其中所述廢工業(yè)用熱對(duì)用于使煤流化的流化空氣進(jìn)行加熱(間接加熱)，而所述熱蒸汽取自蒸汽渦輪機(jī)循環(huán)并且循環(huán)通過包含于流化床干燥器內(nèi)部的床內(nèi)熱交換器以干燥煤(直接加熱)。
圖13是本發(fā)明的單級(jí)流化床干燥器的示意圖，其利用了廢工業(yè)用熱對(duì)用于使煤流化的流化空氣進(jìn)行加熱(間接加熱)，以及對(duì)循環(huán)通過包含在流化床干燥器內(nèi)部的床內(nèi)熱交換器的傳遞液體進(jìn)行加熱以干燥煤(間接加熱)。
圖14是本發(fā)明的單級(jí)流化床干燥器的示意圖，其利用了來自工廠爐子煙囪的熱廢氣，對(duì)用于使煤流化的流化空氣進(jìn)行加熱(間接加熱)，以及對(duì)循環(huán)通過包含在流化床干燥器內(nèi)部的床內(nèi)熱交換器的傳遞液體進(jìn)行加熱，以干燥煤(間接加熱)。
圖15是本發(fā)明的兩級(jí)流化床干燥器的圖。
圖16是本發(fā)明的兩級(jí)流化床干燥器的示意圖，其使用了來自工廠操作的廢工業(yè)用熱，以對(duì)在流化床干燥器的兩個(gè)室內(nèi)被用于使煤流化的流化空氣進(jìn)行加熱(間接)，以及對(duì)循環(huán)通過包含于流化床干燥器的兩個(gè)室內(nèi)的床內(nèi)熱交換器的熱冷凝器冷卻水進(jìn)行加熱，以干燥煤(直接加熱)。
圖17是在干燥器床內(nèi)使用的加熱盤管的側(cè)視圖。
圖18是沿圖17的線18-18截取的加熱盤管的視圖。
圖19是本發(fā)明的流化床干燥器的第一級(jí)堰門(weir gate)的側(cè)視圖。
圖20是本發(fā)明的流化床干燥器的第二級(jí)堰門的側(cè)視圖。
圖21是本發(fā)明的流化床干燥器內(nèi)使用的噴射管(sparging tube)的側(cè)視圖。
圖22是本發(fā)明的流化床干燥器的端視圖。
圖23是固定床干燥器的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。
圖24是本發(fā)明被結(jié)合到發(fā)電裝置中的兩級(jí)流化床干燥器的示意圖，其使用熱冷凝器冷卻水加熱包含在第一干燥器級(jí)中的煤，以及加熱被用來使在兩干燥器級(jí)內(nèi)的煤流化的流化空氣。將熱冷凝器冷卻水與熱廢氣結(jié)合對(duì)在第二干燥器級(jí)中的煤進(jìn)行干燥。
圖25a和25b是用于除去流化床干燥器中的切割不足顆粒的洗滌器組件的剖開透視圖。
圖26是含分配板的洗滌器組件的剖開透視圖，所述分配板用于使粒狀材料在洗滌器組件內(nèi)流化。
圖27是本發(fā)明的另一個(gè)洗滌器組件實(shí)施方案的透視圖。
圖28是圖27的洗滌器組件的平面圖。
圖29是圖27所示的洗滌器組件的一部分的放大透視圖。
圖30是用于以不同程度降低水分的煤的凈單位發(fā)熱量(net unit heatrate)得到提高的曲線圖。
圖31是用于水分含量不同的褐煤和PRB煤的HHV測(cè)量的曲線圖。
圖32是本發(fā)明的兩級(jí)流化床中試(pilot)干燥器的示意圖。
圖33-37是圖32的流化床干燥器的不同工作特性的曲線圖。
優(yōu)選實(shí)施方案詳述本發(fā)明提供一種裝置，其用于在較低溫度下熱處理粒狀材料同時(shí)防止堵塞。這樣的發(fā)明可以使材料以更經(jīng)濟(jì)的基準(zhǔn)進(jìn)行干燥，因而能夠使用更低級(jí)(例如，更高水分)的材料，否則這樣的材料在工廠操作中是不可行的。使用所述的熱處理裝置還可以在材料在工廠操作中處理之前，減少污染物以及包含在材料內(nèi)的其它不適宜元素。
盡管本發(fā)明可應(yīng)用于許多不同產(chǎn)業(yè)，但是為了說明性目的，本發(fā)明在此處是相對(duì)于通常的煤燃燒發(fā)電裝置進(jìn)行描述的，在發(fā)電裝置中，為了改善煤的熱值以及發(fā)電裝置的最終鍋爐效率，理想的是使煤在干燥器中除去一些水分。以這種方式干燥煤能夠使比如次煙煤和褐煤的低級(jí)煤的使用得到提高，甚至能夠使用。通過降低煤的水分含量，不管它是低級(jí)或高級(jí)煤，都可以使其它改進(jìn)的操作效率得到實(shí)現(xiàn)。例如，更干的煤將降低發(fā)電裝置中的煤處理系統(tǒng)、輸送裝置和煤壓碎機(jī)的負(fù)荷。由于越干煤越易于輸送，因此這降低了維修費(fèi)用，并且增加了煤處理系統(tǒng)的有效性。越干的煤還越易于被磨碎，因此需要越小的“磨機(jī)”功率就可實(shí)現(xiàn)相同的研磨尺寸(煤的細(xì)度)。在燃料水分較小的情況下，離開磨機(jī)時(shí)的水分含量就得到降低。這將改善煤的研磨結(jié)果。另外，用于傳輸、流化和加熱煤的一次空氣的需求較少。這樣的較低含量的一次空氣降低了空氣速度，而由較低的一次空氣速度，使在煤磨機(jī)、輸煤管、煤燃燒器和相關(guān)設(shè)備中的腐蝕得到顯著地降低。這樣帶來的效果是降低了輸煤管和磨機(jī)的維修費(fèi)用，對(duì)于燃燒褐煤的發(fā)電裝置來說，這兩者的費(fèi)用是非常高的。而且實(shí)現(xiàn)了降低煙囪排放，因而提高了下游的環(huán)境保護(hù)裝置的收集效率。
為了給發(fā)電裝置的鍋爐以經(jīng)濟(jì)可行的基準(zhǔn)供燃料，這樣的煤燃料原料不需要干燥到絕對(duì)零的水分含量。而是，通過利用這些可獲得的廢熱源將煤干燥到充分程度，可以使鍋爐效率得到顯著提高，同時(shí)使加工成本維持在經(jīng)濟(jì)可行的水平。這樣為工廠的經(jīng)營(yíng)者帶來了真正的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。褐煤的水分含量能夠從通常的39-60％的含量降低到10％或更低，但是優(yōu)選到27-32％。這種優(yōu)選的含量受鍋爐的傳熱能力規(guī)定。
在對(duì)工廠操作不產(chǎn)生不利結(jié)果的情況下，本發(fā)明優(yōu)選以各種結(jié)合使用多種裝置廢熱源，以干燥材料。在通常的發(fā)電裝置中，廢工業(yè)用熱仍然是可從很多來源獲得以進(jìn)一步使用。一種可能的來源是蒸汽渦輪機(jī)。蒸汽可以取自蒸汽渦輪機(jī)循環(huán)，以干燥煤。對(duì)于很多現(xiàn)有的渦輪機(jī)而言，這樣可能降低功率輸出，并且對(duì)取點(diǎn)下游的渦輪機(jī)級(jí)的性能產(chǎn)生不利影響，因而使這種熱提取的來源的適宜性受到限制。然而，對(duì)于新建立的發(fā)電裝置，蒸汽渦輪機(jī)是為蒸汽提取而設(shè)計(jì)的，對(duì)級(jí)效率沒有負(fù)面影響，因而對(duì)于新裝置，能夠使這種蒸汽提取成為用于煤干燥的廢熱源的一部分。
用于干燥煤的廢熱的另一種可能來源是包含在裝置排出的廢氣內(nèi)的熱能。采用包含在廢氣中的廢熱來除去煤的水分，可以降低煙道溫度，這又降低了煙道中的浮力，并且能夠?qū)е略跓煹辣谏系乃魵夂土蛩崂淠?。這樣限制了能夠從用于煤干燥的廢氣得到的熱量，尤其對(duì)于裝備有濕式洗滌器的裝置，因而這樣可能使得熱廢氣不是在本發(fā)明的很多終端應(yīng)用中所使用的唯一廢熱源。
在Rankine的動(dòng)力循環(huán)中，從在蒸汽冷凝器和/或冷卻塔中的循環(huán)中排出熱。在通常用于公用裝置的蒸汽冷凝器中排出的熱表示了大量的廢熱，為其二次目的利用這些熱對(duì)裝置操作的影響最小。因此，能夠?qū)⒗淠髋懦龅倪@種熱冷凝器冷卻水的一部分轉(zhuǎn)用并改為用于煤干燥。工程分析表明，在滿單位負(fù)荷的情況下，為了將煤的水分含量降低4％，只需冷凝器中排出的2％的熱量。這種熱源單獨(dú)使用或與其它可得到的裝置廢熱源組合使用，使裝置廢熱源得到最佳使用，而對(duì)裝置操作不產(chǎn)生不利地影響。
盡管本發(fā)明集中在利用可獲得的廢熱源使水分能夠降低或其它工藝步驟能夠進(jìn)行，但是應(yīng)當(dāng)理解，可以向利用廢熱源的系統(tǒng)中加入一次熱源如燃燒熱，以在經(jīng)濟(jì)基準(zhǔn)上實(shí)現(xiàn)所需結(jié)果。通常地，相對(duì)于所使用的廢熱源，一次熱的量將是少量的。
雖然本發(fā)明使用了固定床干燥器和流化床干燥器，兩者都為單級(jí)和多級(jí)的，對(duì)在工廠操作中被消耗之前的材料進(jìn)行預(yù)干燥和進(jìn)一步的清潔，但是也可以使用其它商業(yè)上已知類型的干燥器。而且，這種干燥工藝在低溫、露天系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，因而進(jìn)一步降低了工業(yè)設(shè)備的操作成本。干燥溫度優(yōu)選被保持在低于300，更優(yōu)選在200-300之間。
與在煤燃燒之后再試圖除去污染物和其它污染的當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)形成對(duì)比，本發(fā)明的熱處理裝置還提供一種利用了材料的偏析和流化床的分級(jí)能力將煤中的飛灰、硫、含汞材料和其它有害污染物除去的系統(tǒng)。在煤燃燒之前將這些污染物和其它污染除去，消除了工廠加工中的污染對(duì)環(huán)境可以造成的可能有害影響，并且預(yù)期的優(yōu)點(diǎn)是排放更低、煤輸入量更小、裝置運(yùn)行需要的輔助動(dòng)力更小、裝置的耗水量更少、金屬腐蝕及其它因素所致的裝置維修成本更低以及從廢氣中提取這些污染所需裝置引起的資本費(fèi)用更小。
對(duì)于本發(fā)明來說，“粒狀材料”表示構(gòu)成進(jìn)入工廠操作的整體輸入的任意粒狀或顆?；衔铩⑽镔|(zhì)、元素或組分，包括但不限制于燃燒燃料，如煤、生物質(zhì)、樹皮、泥煤和森林廢棄物；鋁土礦和其它礦石；以及在工廠操作內(nèi)被改性或變性的基質(zhì)，如谷物、谷類食品、麥芽、可可。
在本發(fā)明的上下文中，“工廠操作”表示物質(zhì)的任何燃燒、消耗、轉(zhuǎn)化、改性或改進(jìn)，以提供有益結(jié)果或最終產(chǎn)品。這樣的操作可以包括但不限制于發(fā)電裝置；煉焦操作；煉鐵、煉鋼或煉鋁的設(shè)備；水泥生產(chǎn)操作；玻璃生產(chǎn)裝置；乙醇生產(chǎn)裝置；用于谷物和其它農(nóng)業(yè)材料的干燥操作；食品加工設(shè)備和用于工廠及建筑物的加熱操作。工廠操作包括與產(chǎn)品或系統(tǒng)的熱處理結(jié)合的生產(chǎn)操作，包括但不限制于用于在二氧化碳或有機(jī)酸消除中使用的胺或其它提取劑的溫室、區(qū)域供熱和再生操作。
如在本申請(qǐng)中使用的“煤”表示無煙煤、煙煤、次煙煤和褐煤或“褐色的”煤，以及泥煤。具體包括Powder River Basin煤。
對(duì)于本發(fā)明來說，“質(zhì)量特性”表示在工廠操作內(nèi)影響粒狀材料的燃燒、消耗、轉(zhuǎn)化、改性或改進(jìn)的區(qū)別特征，包括但不限制于水分含量、碳含量、硫含量、汞含量、飛灰含量以及燃燒時(shí)SO2和灰、二氧化碳、氧化汞的產(chǎn)生。
如在本申請(qǐng)中使用的，“熱處理裝置”表示有利于對(duì)產(chǎn)品施加熱的任何裝置，包括但不限制于燃燒室、干燥器、蒸煮器、烘箱、保溫箱、生長(zhǎng)室和加熱器。
在本發(fā)明的上下文中，“干燥器”表示有利于通過應(yīng)用直接或間接加熱降低粒狀材料的水分含量的任意裝置，包括但不限制于流化床干燥器、振動(dòng)流化床干燥器、固定床干燥器、移動(dòng)床干燥器、級(jí)聯(lián)回旋床干燥器、細(xì)長(zhǎng)槽式干燥器、料斗干燥器或窯。這些干燥器還可以由單個(gè)或多個(gè)容器、單級(jí)或多級(jí)、重疊或不重疊的構(gòu)成，并且含有內(nèi)部或外部的熱交換器。
對(duì)本申請(qǐng)來說，“主要熱源”表示主要目的為直接在一個(gè)裝置中做功所產(chǎn)生的熱量，所述一個(gè)裝置比如為鍋爐、渦輪機(jī)、烘箱、燃燒室、干燥器、熱交換器、反應(yīng)器或蒸餾柱。這種主要熱源的實(shí)例包括但不限制于燃燒熱和直接離開鍋爐的生產(chǎn)用蒸汽。
如在本申請(qǐng)中使用的，“廢熱源”表示由在工廠操作中的一個(gè)裝置內(nèi)由主要熱源已經(jīng)做的功所產(chǎn)生的具有高熱含量的任何殘留的氣態(tài)或液體副產(chǎn)物流，并且其使用的第二目的在于在一個(gè)裝置中做功，而不是廢棄。這樣的廢熱源的實(shí)例包括但不限制于冷卻水流、熱冷凝器冷卻水、熱廢氣或煙道氣、來自例如渦輪機(jī)的廢工業(yè)用蒸汽或來自操作如壓縮機(jī)、反應(yīng)器或蒸餾柱的廢熱。
對(duì)本申請(qǐng)來說，在發(fā)電裝置的鍋爐中燃燒的煤將被用作示例性的粒狀材料和工廠操作，但重要的是應(yīng)當(dāng)理解，本申請(qǐng)還涵蓋構(gòu)成到工廠操作的有利、必要或有益輸入的任何其它材料。
圖1示出發(fā)電用的簡(jiǎn)化燃煤發(fā)電裝置10。將原煤12收集在煤倉(cāng)14內(nèi)，直到需要。然后，通過進(jìn)料器16供給磨煤機(jī)18，在磨煤機(jī)18中，煤在一次氣流20的協(xié)助下被粉碎成如本領(lǐng)域所知的合適顆粒大小。
然后，將粉碎的煤顆粒供給燃燒室25，在燃燒室25中，它們?cè)诙螝饬?0的協(xié)助下進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生熱。該燃燒反應(yīng)還產(chǎn)生廢氣27，并且將廢氣27排出到大氣中。
而這種熱源將鍋爐32的水31轉(zhuǎn)變成蒸汽33，蒸汽33傳遞給蒸汽渦輪機(jī)34。蒸汽渦輪機(jī)34可以更完整地由串連操作性連接的高壓蒸汽渦輪機(jī)36、中壓蒸汽渦輪機(jī)38和低壓蒸汽渦輪機(jī)40組成。蒸汽33通過推動(dòng)連接到各個(gè)渦輪機(jī)單元內(nèi)包含的一系列輪子上的扇狀葉片而做功，所述輪子被安裝在軸上。當(dāng)蒸汽推動(dòng)葉片時(shí)，它同時(shí)使輪子和渦輪機(jī)的軸旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)的軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)43的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電45。
將低壓蒸汽渦輪機(jī)40排出的蒸汽47傳遞給冷凝器50，在冷凝器50內(nèi)，蒸汽被冷卻水52冷卻，從而使蒸汽變成水。大部分的蒸汽冷凝器都是水冷卻的，使用了一種開放式或封閉式的冷卻線路。在圖1所示的閉路布置中，蒸汽47內(nèi)包含的潛熱提高了冷的冷卻水52的溫度，因而它作為熱的冷卻水54從蒸汽冷凝器50排出，隨后，熱的冷卻水54在冷卻塔56中被冷卻，以作為在閉路布置中冷的冷卻水52進(jìn)行循環(huán)。另一方面，在開放式冷卻線路中，冷卻水?dāng)y帶的熱被排放到冷卻水體(例如，河流或湖泊)中。相反，在封閉式冷卻線路中，冷卻水?dāng)y帶的熱被排放到冷卻塔內(nèi)。
如圖2所示，圖1的發(fā)電裝置10的運(yùn)行效率可以通過提取并利用一些發(fā)電裝置的廢熱和副產(chǎn)物流得到提高。燃燒化石的工廠鍋爐典型裝備有空氣預(yù)熱器(“APH”)，用來加熱在煤粉碎及燃燒工藝中使用的一次和二次氣流。在鍋爐系統(tǒng)(燃燒室、燃燒器和鍋爐布置)中使用燃燒煤，以將水轉(zhuǎn)變成蒸汽，然后該蒸汽被用于使蒸汽渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，所述蒸汽渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)操作性連接。熱交換器通常被稱作蒸汽對(duì)空氣的預(yù)加熱器(“SAH”)，使用從蒸汽渦輪機(jī)中提出的蒸汽對(duì)空氣預(yù)熱機(jī)上游的一次和二次氣流進(jìn)行預(yù)熱。從渦輪機(jī)中提取蒸汽降低了渦輪機(jī)(和裝置)的輸出，并且降低了循環(huán)的單位發(fā)熱量。
典型的APH可能具有再生式(Ljungstrom或Rothemule)或管式設(shè)計(jì)。SAH被用于保持在APH入口的空氣的高溫，并且保護(hù)APH的冷卻端免受因硫酸在APH傳熱表面上沉積所致的腐蝕，以及免受使流動(dòng)阻力和風(fēng)機(jī)功率要求增加所致的堵塞。越高的APH入口空氣溫度產(chǎn)生越高的APH氣體出口溫度以及在APH冷卻端的APH傳熱表面(在再生式APH中的傳熱通道或在管式APH中的管)越高的溫度。更高的溫度減少了在APH內(nèi)的酸沉積區(qū)域并還降低了酸沉積速率。
因此，在改性系統(tǒng)65內(nèi)，SAH 70使用提取自中壓蒸汽渦輪機(jī)38的廢工業(yè)用蒸汽的一部分71，以分別預(yù)熱被傳遞給磨煤機(jī)18和燃燒室25之前的一次氣流20和二次氣流30。在SAH 70中能夠達(dá)到的一次氣流20和二次氣流28的最高溫度受離開蒸汽渦輪機(jī)38時(shí)的提取蒸汽71的溫度和SAH 70的熱阻限制。而且，一次氣流20和二次氣流30分別通過PA風(fēng)機(jī)72和FD風(fēng)機(jī)74供給三分區(qū)(tri-sector)APH 76，其中這些氣流被排放到大氣之前的廢氣流27再次加熱。以這種方式，高溫的一次氣流20和二次氣流30提高了磨煤機(jī)18的工作效率以及在燃燒室25中工業(yè)用熱的生產(chǎn)。此外，可以將冷凝器50排出的水流78循環(huán)到鍋爐32中，以再次轉(zhuǎn)變成工業(yè)用蒸汽。蒸汽渦輪機(jī)38排出的廢氣27和工業(yè)用蒸汽71以及冷凝器排出的水78被成功地用于提高發(fā)電裝置65的總體效率，否則蒸汽渦輪機(jī)38排出的廢氣27和工業(yè)用蒸汽71以及冷凝器排出的水78都可能成為廢物。
如上述論述那樣，如果煤12的水分含量能夠在其傳遞給燃燒室25之前得到降低，則將進(jìn)一步有利于發(fā)電裝置的操作效率?；诮?jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，這種初級(jí)干燥工藝也能夠使用如次煙煤和褐煤的更低級(jí)煤。
圖3顯示用于降低煤12的水分含量的目的的流化床干燥器100，但是應(yīng)當(dāng)理解在本申請(qǐng)的上下文中可以使用任意其它類型的干燥器。而且，完整的煤干燥系統(tǒng)可以由多個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)連接的煤干燥器構(gòu)成，以除去煤中的水分。包含多個(gè)相同煤干燥單元的多干燥器途徑提供了工作和維修的彈性，并且由于其通常更小的尺寸需求，允許煤干燥器被安裝并集成在現(xiàn)有的發(fā)電裝置的設(shè)備內(nèi)，而且是分級(jí)地、一次一個(gè)地進(jìn)行安裝并集成。這樣對(duì)正常的工廠操作干擾最小。
一個(gè)或多個(gè)流化床將在較低溫度范圍的露天操作。床內(nèi)熱交換器與靜態(tài)的流化床或固定床設(shè)計(jì)一起使用，以為煤干燥提供另外的熱量，從而減小必要的設(shè)備尺寸。在流化床干燥器具有充足的床內(nèi)傳熱表面的情況下，流化/干燥氣流可以被降低到相當(dāng)于最小流化速率的值。這樣降低干燥器的腐蝕損害和淘洗(elutriation)率。
床內(nèi)熱交換器用的熱可以直接或間接供給。直接熱供給包括轉(zhuǎn)用熱的流化氣流、熱的冷凝器冷卻水、工業(yè)用蒸汽、熱廢氣或其它廢熱源中的一部分并且使其通過床內(nèi)熱交換器。間接熱供給包括使用被熱的一次氣流加熱的水或其它傳熱液體；熱的冷凝器冷卻水；由蒸汽渦輪機(jī)循環(huán)中取出的蒸汽、熱廢氣或在外部熱交換器中的其它廢熱源，之后其通過床內(nèi)熱交換器。
床容積可以是整體的(參見圖3)或被分成幾部份，在此處被稱作“多個(gè)級(jí)”(參見圖15-16)。對(duì)于使將被燃燒的濕過篩煤在其燃燒的同一位置上進(jìn)行干燥，流化床干燥器是良好的選擇。單一容器或多個(gè)容器中可以包含多個(gè)級(jí)。多級(jí)設(shè)計(jì)允許最大地利用流化床的混合、偏析和干燥特性。煤干燥器可以包括用于干燥煤的直接或間接熱源。
圖3公開了在工廠位置上的一種形式為流化床干燥器100的煤干燥器及相關(guān)設(shè)備。將濕煤12儲(chǔ)存在煤倉(cāng)14內(nèi)，在此通過進(jìn)料門15傳遞給振動(dòng)進(jìn)料器16，振動(dòng)進(jìn)料器16將煤12輸送給磨煤機(jī)18，以粉碎成煤顆粒。然后，粉碎的煤顆粒穿過篩102，以恰當(dāng)?shù)睾Y選出直徑小于1/4英寸的顆粒。然后，將篩選出的碎煤顆粒由輸送器104輸送到流化床干燥器100的頂部區(qū)域，在流化床干燥器100中，煤顆粒被熱空氣160流化并干燥。然后，干燥的煤顆粒由下面的干煤輸送器108、斗式提升機(jī)110和上面的干煤輸送器112輸送給干煤倉(cāng)114和116的頂部，干煤顆粒儲(chǔ)存在其中，直到鍋爐燃燒室25需要為止。
流化床干燥器100內(nèi)的濕空氣和淘洗煤粉120被輸送到集塵器122(也被稱作“袋式集塵室”)，在集塵器中，淘洗煤粉(fires)與濕空氣分離。集塵器122提供用于將濕空氣和淘洗煤粉拉入集塵器內(nèi)的力。最后，除去淘洗煤粉的空氣穿過煙囪126，隨后在洗滌器單元(未示出)內(nèi)處理掉包含在氣流中的其它污染物比如硫、灰和汞。
圖4公開了在本發(fā)明下的煤干燥床的一個(gè)實(shí)施方案，它是帶有直接熱供給的單級(jí)、單容器的流化床干燥器150。盡管流化床干燥器150有很多種不同的可能布置，但是通常的功能構(gòu)件包括用于支撐流化及輸送用的煤的容器152。容器152可以是槽、閉合容器或其它適當(dāng)?shù)难b置。容器152包括分配板154，其中所述分配板154形成朝向容器152底部的底板(floor)，并且將容器154分成流化床區(qū)域156和送氣區(qū)域158。如圖5所示，分配板154可以用合適值的方式穿孔或構(gòu)造，以使流化空氣160進(jìn)入到容器152的送氣區(qū)域158內(nèi)。流化空氣160被分配遍及送氣區(qū)域158，并且被高壓迫使向上穿過在分配板154中的開孔155或閥，以使放置在流化床區(qū)域156內(nèi)的煤12流化。
容器152的上部限定了稀相區(qū)162。如圖4所示，濕過篩煤12通過入口點(diǎn)164進(jìn)入流化床干燥器150的流化床區(qū)域156。如所示，當(dāng)濕過篩煤12被流化空氣160流化時(shí)，煤水分和淘洗煤粉被推進(jìn)穿過容器152的稀相區(qū)162，并且通常在排氣出口點(diǎn)166上的流化床干燥器150的頂部排出容器。同時(shí)，干煤168將通過卸料槽170被排出到輸送器172，以輸送到儲(chǔ)倉(cāng)或鍋爐燃燒室。當(dāng)流化煤顆粒在圖4所示的方向A上越過在分配板154上面的流化床區(qū)域156時(shí)，它們將靠著堰174堆積，所述堰174構(gòu)成橫穿流化床干燥器的寬度的壁。堰174的高度將限定干燥器內(nèi)煤顆粒的流化床的最大厚度，原因是當(dāng)累積的煤顆粒上升到堰的高度之上時(shí)，因此它們將必然從堰的頂部穿過并落入與卸料槽170相鄰的流化床干燥器150的區(qū)域內(nèi)。煤進(jìn)口164和出口點(diǎn)169的結(jié)構(gòu)和位置、淘洗煤粉出口166、分配板154和容器152的配置都可以根據(jù)最佳結(jié)果的需要進(jìn)行改進(jìn)。
流化床干燥器150優(yōu)選包括與濕煤進(jìn)口164操作性連接的濕床旋轉(zhuǎn)氣鎖176，從而維持了在煤進(jìn)料和干燥器之間的壓力密封，同時(shí)允許將濕煤12引入到流化床156。旋轉(zhuǎn)氣鎖176應(yīng)當(dāng)具有帶涂布碳化鎳的內(nèi)腔(bore)的鑄鐵結(jié)構(gòu)的外殼。氣鎖的端板應(yīng)當(dāng)具有帶涂布碳化鎳面的鑄鐵結(jié)構(gòu)。氣鎖轉(zhuǎn)子應(yīng)當(dāng)具有帶封閉端、平頭(leveled tip)和輔助焊接的鑄鐵結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，氣鎖176應(yīng)當(dāng)被分級(jí)成每小時(shí)處理約115噸的濕煤進(jìn)料，并且氣鎖176應(yīng)當(dāng)在60％填充率下以約13 RPM旋轉(zhuǎn)，以滿足這種分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。氣鎖被配備有3馬力的變頻器用齒輪馬達(dá)(inverter duty gearmotor)和空氣吹掃工具。盡管氣鎖176是直接與電動(dòng)機(jī)連接的，但是在流化床干燥器的其它濕煤進(jìn)口處安置的任何其它氣鎖可以是鏈傳動(dòng)的。注意，在氣鎖的鑄鐵表面上使用合適的涂布材料如碳化鎳，所述鑄鐵表面可能隨著時(shí)間的逝去(over time)而遭受磨損煤顆粒的通過。這種涂布材料還提供“非粘性表面”。
產(chǎn)物旋轉(zhuǎn)氣鎖178在與流化床干燥器出口點(diǎn)169操作性連接時(shí)優(yōu)選被供給空氣，以處理退出干燥器時(shí)的干煤產(chǎn)物168。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，氣鎖178應(yīng)當(dāng)具有帶碳化鎳涂布的膛的鑄鐵結(jié)構(gòu)的外殼。氣鎖端板應(yīng)當(dāng)同樣具有帶涂布碳化鎳的面的鑄鐵結(jié)構(gòu)。氣鎖轉(zhuǎn)子應(yīng)當(dāng)具有帶封閉端、平頭和輔助焊接的鑄鐵結(jié)構(gòu)。氣鎖應(yīng)當(dāng)優(yōu)選在60％填充率下以約19RPM旋轉(zhuǎn)，以滿足分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。氣鎖應(yīng)當(dāng)被配備有2馬力的變頻器用齒輪馬達(dá)、鏈傳動(dòng)裝置和空氣吹掃工具。
分配板154將熱空氣入口的送氣裝置158與流化床干燥室156和162分開。如圖5所示，分配板應(yīng)當(dāng)優(yōu)選由3/8-英寸厚的經(jīng)過噴水鉆過的50,000psi屈服的碳素鋼制成。分配板154可以是平的，并且可以位于相對(duì)于流化床干燥器150的水平面上。開孔155應(yīng)當(dāng)是直徑約為1/8-英寸，并且從分配板的進(jìn)料端到排出端在約1-英寸的中心上，以1/2-英寸的中心距跨度并且在相對(duì)于分配板垂直的方向上進(jìn)行鉆孔得到。更優(yōu)選地，開孔155可以在相對(duì)于分配板約65°-方向上進(jìn)行鉆孔得到，因而被強(qiáng)制通過分配板內(nèi)的開孔155的流化空氣160將在流化床區(qū)域156內(nèi)的流化煤顆粒吹向干燥器單元的中心，并使遠(yuǎn)離側(cè)壁。被流化的煤顆粒在圖5所示的方向B上行進(jìn)。
分配板180的另一個(gè)實(shí)施方案示出在圖6-7中。這種分配板180不再是平的平板，而是由兩個(gè)被鉆孔的板182和184構(gòu)成，所述被鉆孔的板182和184分別具有平坦部分182a和184b、圓形部分182b和184b以及豎直部分182c和184c。為了形成分配板單元180，這兩個(gè)豎直部分182c和184c通過螺栓186和螺母188栓在一起。為了使煤顆粒流向分配板的中心，分配板180的“平坦”部分182a和184a實(shí)際上安裝在相對(duì)于干燥器單元中部的5°斜面上。同時(shí)，圖8更清楚地示出，分配板單元的圓形部分182b和184b共同限定了一個(gè)直徑約為1英尺的半圓區(qū)域190，以容納螺旋推進(jìn)加料器192。在分配板單元182和184中的鉆孔183和185仍然分別在從進(jìn)料端到排放端為約1-英寸的中心上，而相對(duì)于干燥器單元的豎直平面為65°-傾斜方向上為1/2-英寸的中心距跨度。盡管分配板單元182和184的平坦部分182a和184a以及豎直部分182a和184c應(yīng)當(dāng)由3/8-英寸厚的噴水鉆過的50,000psi屈服的碳素鋼制成，但是圓形部分182b和184b將優(yōu)選由1/2-英寸厚的碳素鋼形成，以提高螺旋槽190周圍的強(qiáng)度。流化的煤顆粒在圖6所示的方向C上行進(jìn)。
當(dāng)煤顆粒在干燥器單元的流化床區(qū)域156內(nèi)得到流化并且在沿流化床的方向D上行進(jìn)時(shí)，更大且更密實(shí)的顆粒將自然地下沉到流化床的底部，原因是它們的比重增加。同時(shí)，更輕的煤顆粒和淘洗的煤粉將受引力朝向流化床的頂部，原因是它們的比重更輕。通常地，這些更密實(shí)的“過大”煤顆粒將覆蓋分配板180的表面，并且堵塞在分配板中的鉆孔183和185，因而阻止加壓的熱空氣160流入到干燥器內(nèi)使煤顆粒流化。而且，流化的煤顆粒能夠橫跨干燥器單元的長(zhǎng)度進(jìn)行不均勻的堆積，因而阻止流化顆粒從干燥器的進(jìn)料端到排放端的必要流動(dòng)。因此，為了使熱空氣160再次使煤顆粒流化并且使它們沿干燥器的長(zhǎng)度均勻地流動(dòng)，必要的是，周期地關(guān)閉流化床干燥器150以將這些過大的煤顆粒清潔到流化床區(qū)域156之外。干燥器的這種維修對(duì)干燥器的連續(xù)操作可以帶來明顯的干擾。
因此，如圖8所示，螺旋推進(jìn)加料器194安置于分配板的槽區(qū)域190內(nèi)。這種螺旋推進(jìn)加料器應(yīng)當(dāng)具有12-英寸的直徑，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行分級(jí)以每小時(shí)除去11.5噸的在干燥器床中的過大煤顆粒，并且具有足夠的扭矩以在4-英尺厚深的煤顆粒床下開始。驅(qū)動(dòng)器將是帶有10∶1調(diào)節(jié)(turndown)的3-馬力變頻器用馬達(dá)。為了耐久性，螺旋推進(jìn)加料器194應(yīng)當(dāng)具有碳素鋼結(jié)構(gòu)。
分配板180和螺旋推進(jìn)加料器194的槽190應(yīng)當(dāng)與干燥器的縱向垂直。這樣能夠使螺旋推進(jìn)加料器的毛邊196在操作過程中與沿流化煤床的底部的過大煤顆粒咬合，并且將它們拖至干燥器單元的一邊，從而防止這些過大煤顆粒堵塞分配板的孔，并且阻止流化煤顆粒沿干燥器床的長(zhǎng)度流動(dòng)。
圖9以示意的形式公開了圖4的流化床干燥器150，其中為了易于理解，相同的數(shù)字用于相應(yīng)的干燥器部件。由風(fēng)機(jī)200抽吸環(huán)境空氣160，穿過被燃燒源204加熱的加熱器202。將被循環(huán)穿過加熱器202而得到加熱的一部分流化空氣206導(dǎo)向流化床區(qū)域156，以使?jié)襁^篩煤12流化。加熱器202可以使用任意合適的燃燒源，比如煤、石油或天然氣。
盡管可以將這種加熱的流化空氣206用于加熱在床區(qū)域156內(nèi)得到流化的煤顆粒12，并且通過與熱流化空氣的接觸傳熱使顆粒表面的水蒸發(fā)，但是優(yōu)選在干燥器床內(nèi)包括床內(nèi)熱交換器208，以給煤顆粒提供熱傳導(dǎo)，從而進(jìn)一步改善這種加熱和干燥過程。通過將流化熱空氣206(由加熱器202加熱)的殘余轉(zhuǎn)向穿過床內(nèi)熱交換器208，形成直接熱供給，對(duì)流化煤進(jìn)行加熱，從而將水分逐出，其中所述床內(nèi)熱交換器208延伸遍及流化床156。離開床內(nèi)熱交換器208的流化空氣206循環(huán)回到風(fēng)機(jī)200，以再次循環(huán)穿過加熱器202并由其加熱。當(dāng)流化空氣通過送氣裝置158直接進(jìn)入流化床區(qū)域156時(shí)，導(dǎo)致流化空氣206有一些損失。通過向循環(huán)環(huán)路中再抽吸環(huán)境空氣160，使這種損失的空氣得以替換。
圖10示出了圖4的單級(jí)、單容器的流化床干燥器150的另一個(gè)實(shí)施方案，不同的是，外部熱交換器210替換了加熱器202，以及采用來自周圍工業(yè)生產(chǎn)裝置的廢工業(yè)用熱212加熱這種外部熱交換器。由于工業(yè)生產(chǎn)裝置比如發(fā)電裝置通常都具有可獲得的廢工業(yè)用熱源(否則將被處置)，因此為了在更加商業(yè)可行的基礎(chǔ)上來提高這種干燥煤的鍋爐效率，本發(fā)明的配置能夠生產(chǎn)性使用這種廢工業(yè)用熱，以在流化床干燥器150中加熱并干燥濕煤12。如圖9所示，對(duì)于干燥煤顆粒，使用一次熱源如煤、石油或天然氣是更昂貴的選擇。
圖11示出了單級(jí)、單容器流化床干燥器220的再另一個(gè)實(shí)施方案，該流化床干燥器220類似于圖10所示的流化床干燥器，不同之處在于外部熱交換器210和床內(nèi)熱交換器208都沒有使用廢工業(yè)用熱212進(jìn)行加熱。而是，將來自發(fā)電裝置操作其它地方的熱冷凝器冷卻水222的一部分引向床內(nèi)熱交換器208，以提供必要的熱源。因此，在圖11的流化床干燥器的實(shí)施方案220中，使用兩個(gè)獨(dú)立的廢熱源(即，廢工業(yè)用熱和熱的冷凝器冷卻水)來提高煤干燥工藝的操作效率。
圖12示出了單級(jí)、單容器、流化床干燥器230的再另一個(gè)實(shí)施方案，其類似于圖11所示的流化床干燥器，不同之處在于使用來自發(fā)電裝置的蒸汽渦輪機(jī)的熱工業(yè)用蒸汽232代替作為床內(nèi)熱交換器208用的熱源的熱冷凝器冷卻水。再次，為了提高煤干燥工藝的操作效率，流化床干燥器230使用了兩種不同的廢熱源(即，廢工業(yè)用熱212和熱的工業(yè)用蒸汽232)。
圖13-14中示出了流化床干燥器的另一個(gè)實(shí)施方案，要求的是采用間接熱供給的單級(jí)、單容器的流化床干燥器240。如圖13所示，通過使用水或其它傳熱液體242為床內(nèi)熱交換器208提供間接熱供給，然后通過泵246循環(huán)穿過床內(nèi)熱交換器208，其中所述水或其它傳熱液體242被流化空氣206、熱冷凝器冷卻水222、取自蒸汽渦輪機(jī)循環(huán)的工業(yè)用蒸汽232或來自外部熱交換器210的燃燒室煙道的熱廢氣248加熱。還可以使用這些熱源(以及其它熱源)的任意組合。
圖15-16示出了本發(fā)明的露天、低溫流化床干燥器設(shè)計(jì)的再一個(gè)實(shí)施方案，其是采用直接加熱供給(來自發(fā)電裝置的冷卻塔的熱冷凝器冷卻水252)到床內(nèi)熱交換器208的多級(jí)、單容器流化床干燥器250。容器152被分成兩級(jí)第一級(jí)254和第二級(jí)256。盡管圖15-16中示出的是兩級(jí)干燥器，但是可以添加其它級(jí)并且可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的處理。通常地，濕過篩煤12通過在入口點(diǎn)164處的稀相區(qū)162進(jìn)入流化床干燥器250的第一級(jí)254。進(jìn)入、循環(huán)并排出包含在第一級(jí)254內(nèi)部的床內(nèi)熱交換器258的加熱盤管的熱冷凝器冷卻水252使?jié)襁^篩煤12被預(yù)熱并且部分被干燥(即，一部分表面水分被除去)(直接加熱)。熱流化空氣206也使?jié)襁^篩煤12得到加熱及流化。在被外部熱交換器210中的廢工業(yè)用熱212加熱之后，流化空氣206被風(fēng)機(jī)200迫使穿過流化床干燥器250的第一級(jí)254的分配板154。
在第一級(jí)254中，熱流化氣流206被迫使穿過被分配板154支撐并且在其上的濕過篩煤12，從而使煤得到干燥，并且將包含在煤內(nèi)的可流化顆粒和不可流化顆粒分開。更重或更密實(shí)的不可流化顆粒在床內(nèi)析出，并且收集在分配板154的底部。然后，這些不可流化顆粒(“切割不足”)作為流1(260)從第一級(jí)254中排出，這在與本申請(qǐng)同一天提交并且與本申請(qǐng)有共同的共發(fā)明人和所有人的美國(guó)申請(qǐng)中進(jìn)行了更完全的解釋，該美國(guó)申請(qǐng)是在2005年4月15日提交的美國(guó)序列號(hào)11/107,153的部分繼續(xù)，并且該申請(qǐng)通過引用結(jié)合到此。流化床干燥器通常被設(shè)計(jì)成處理在流化床底部收集的高達(dá)4英寸厚的非流化材料。非流化材料可以占輸入煤流的最多25％?？梢詫⑦@種切割不足的流260引入另一個(gè)選礦工藝中，或可以簡(jiǎn)單地將其排出。如圖16所示，通過傾斜的水平方向分配板154，可以實(shí)現(xiàn)使析出的材料沿分配板154運(yùn)動(dòng)到用于流260的排出點(diǎn)。因此，第一級(jí)254使可流化的和不可流化的材料分離，使?jié)襁^篩煤12預(yù)干燥和預(yù)加熱，并且將濕過篩煤12的均勻流提供給包含在流化床干燥器250內(nèi)的第二級(jí)256。來自第一級(jí)254的流化煤12氣載溢出第一堰262，到達(dá)床干燥器250的第二級(jí)256。在床干燥器250的這種第二級(jí)中，通過直接熱，將流化煤12進(jìn)一步加熱并干燥到所需的輸出水分含量，其中熱冷凝器冷卻水252進(jìn)入、循環(huán)并離開包含在第二級(jí)256內(nèi)的床內(nèi)熱交換器264的加熱盤管，以輻射其中的顯熱。在被外部熱交換器210中的廢工業(yè)用熱212加熱之后，被風(fēng)機(jī)200迫使穿過分配板154進(jìn)入流化床干燥器250的第二級(jí)256內(nèi)的熱流化空氣206也使煤12得到加熱、干燥和流化。
干煤流氣載地越過在流化床干燥器250的排出端169的第二堰266排出，而淘洗煤粉166和濕空氣從干燥器單元的頂部排出。這種第二級(jí)256還可以被用于進(jìn)一步分離來自煤12的飛灰和其它雜質(zhì)。如圖16所示，析出的材料將作為流2(268)和3(270)，通過位于床250底部的多個(gè)提取點(diǎn)268和270從第二級(jí)256中移出。提取點(diǎn)的所需數(shù)量可以根據(jù)濕過篩煤12的尺寸和其它性質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)，所述其它性質(zhì)不限制地包括不適宜雜質(zhì)的性質(zhì)、流化參數(shù)和床設(shè)計(jì)。通過如圖16所示的傾斜分配板154，或者通過現(xiàn)有的商購(gòu)的水平方向分配板，可以實(shí)現(xiàn)使析出材料運(yùn)動(dòng)到排出點(diǎn)260、268和270?？梢詫⒘?、2和3從工藝中移出并且將其填埋或進(jìn)一步處理以除去不適宜的雜質(zhì)。
當(dāng)流化氣流206流過煤床250以及同時(shí)包含在流化床156的第一級(jí)254和第二級(jí)256的濕過篩煤12時(shí)，其被冷卻并被增濕?？梢詮母稍锲鞔矁?nèi)的煤12除去的水分的量受流化氣流206的干燥能力的限制。因此，借助床內(nèi)熱交換器258和264的加熱盤管向流化床156輸入的熱量提高了流化氣流206的干燥能力，并且降低了完成預(yù)期程度的煤干燥所需要的干燥空氣的量。使用足夠的床內(nèi)傳熱表面，干燥氣流206能夠被降低到相當(dāng)于保持顆粒懸浮所需要的最小流化速率的值。該值典型地在0.8米/秒范圍，但是該速率能夠增大，以在更高值比如1.4米/秒運(yùn)行，從而保證該過程從來都沒有降低到低于最小所需的速度。
為了實(shí)現(xiàn)最大的干燥效率，干燥氣流206在飽和條件(即，具有100％的相對(duì)濕度)下離開流化床156。為了防止水分在流化床干燥器250的稀相區(qū)162中以及更下游之處冷凝，煤干燥器250被設(shè)計(jì)成出口的相對(duì)濕度低于100％。另外，如本文更完全解釋的，一部分熱流化空氣206可以繞過流化床156，并且與稀相區(qū)162中的飽和空氣混合，從而降低其相對(duì)濕度(例如，噴射)。備選地，可以在流化床干燥器250的稀相區(qū)162內(nèi)部增加預(yù)熱表面，或者可以使用加熱容器外殼或其它技術(shù)來增加離開床干燥器250的流化空氣206的溫度及降低其濕度，并且防止下游冷凝。在干燥器中除去的水分直接與流化空氣中所包含的供熱量以及床內(nèi)熱交換器輻射的熱量成比例。供熱量越高，則床和出口的溫度越高，這增加了空氣的輸送水分的能力，因而降低了實(shí)現(xiàn)預(yù)期干燥度所需要的必需的空氣與煤的比率。用于干燥的能量需要量取決于氣流和風(fēng)機(jī)的壓差。將熱加入到干燥器床中的能力取決于所述床與加熱水之間的溫度差、傳熱效率和熱交換器的表面積。為了利用較低溫度的廢熱，因而需要更大的傳熱面積，以將熱引入工藝中。這典型意味著更深的床，以給床內(nèi)熱交換器的加熱盤管提供必要的容積。因此，欲達(dá)到的目的可以規(guī)定本發(fā)明的流化床干燥器的精確尺寸和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
進(jìn)入和離開干燥器的煤流包括濕過篩煤12、加工過的煤流、淘洗煤粉流166和切割不足的流260、268和270。為了處理不可流化煤，如本文中更完全公開的，干燥器250裝備有被包含在第一級(jí)分配板180的槽區(qū)域190內(nèi)的螺旋推進(jìn)加料器194，所述第一級(jí)分配板180與用于收集切割不足的煤顆粒的收集料斗和洗滌器單元結(jié)合。這種螺旋推進(jìn)加料器和洗滌器單元在與本申請(qǐng)同一天提交并且具有共有的共發(fā)明人和所有人(owner)的美國(guó)申請(qǐng)中有更全面的公開，所述美國(guó)申請(qǐng)是在2005年4月15日提交的美國(guó)序列號(hào)11/107,153的部分繼續(xù)，所述的申請(qǐng)通過引用結(jié)合到此。
其中，干燥器的典型的相關(guān)組件尤其包括煤輸送設(shè)備、煤儲(chǔ)料倉(cāng)、流化床干燥器、空氣輸送和加熱系統(tǒng)、一個(gè)或多個(gè)床內(nèi)熱交換器、環(huán)境控制器(集塵器)、儀表和控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，使用螺旋推進(jìn)加料器將濕煤供應(yīng)給干燥器并且將干燥的煤產(chǎn)物從干燥器中取出?？梢允褂寐菪M(jìn)料器控制進(jìn)料速率并且在進(jìn)入及離開干燥器的煤流上提供氣鎖。在煤倉(cāng)上的測(cè)壓元件提供進(jìn)入干燥器內(nèi)的流量和總的煤輸入量。儀表可以沒有限制地包括熱電偶、壓力計(jì)、空氣濕度計(jì)、流量計(jì)和應(yīng)變計(jì)。
相對(duì)于流化床干燥器，第一級(jí)實(shí)現(xiàn)了不可流化材料的預(yù)加熱和分離。這可以被設(shè)計(jì)成分離煤的高速率小室。在第二級(jí)中，通過水蒸汽和煤之間的分壓差使煤水分蒸發(fā)，因而煤得到干燥。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，大部分的水分是在第二級(jí)中被除去的。
圖17-18更清楚地顯示了包含在流化床干燥器250的床內(nèi)熱交換器258和264內(nèi)的加熱盤管280。每一個(gè)加熱盤管都具有由雙行程的U形管的盤管連接282構(gòu)成的碳素鋼結(jié)構(gòu)，所述盤管連接282具有整體水箱284，所述的整體水箱284具有連接其上的蓋、進(jìn)口法蘭286、出口法蘭288和吊環(huán)290。這些加熱盤管束是為在150psig、300下使用水進(jìn)口286和出口288用的150#ANSI法蘭設(shè)計(jì)的。加熱盤管280定位為橫跨干燥器單元的第一級(jí)254和第二級(jí)256的寬度，并且?guī)в械醐h(huán)的支撐板292被安置在沿加熱盤管束的長(zhǎng)度的中間，以提供橫向支撐。
第一級(jí)熱交換器258的一個(gè)實(shí)施方案包含直徑為11/2-英寸的加熱盤管(280)，而所述加熱盤管(280)具有Sch 40 SA-214碳素鋼的翅管、1/2-英寸-高的散熱片以及1/2-英寸散熱片間距×16-標(biāo)準(zhǔn)尺寸的實(shí)心螺旋焊接的碳素鋼散熱片(garage solid helical-welded carbon steel fins)，所述實(shí)心螺旋焊接碳素鋼散熱片的水平間隙為1-英寸，并且其對(duì)角線間隙為11/2-英寸。同時(shí)，根據(jù)干燥器的第二級(jí)的長(zhǎng)度，第二級(jí)熱交換器264可以由一組長(zhǎng)的管束或多組串聯(lián)的管束構(gòu)成。第二級(jí)熱交換器264的管通常由如下構(gòu)成1-11/2-英寸OD管系×10 BWG壁SA-214碳素鋼的翅管、1/4-1/2-英寸-高的散熱片和1/2-3/4-英寸散熱片間距×16-標(biāo)準(zhǔn)尺寸的實(shí)心螺旋焊接的碳素鋼散熱片，所述實(shí)心螺旋焊接的碳素鋼散熱片的水平間隙為1-英寸，其對(duì)角線間隙為11/2。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，第二級(jí)加熱盤管包含110-140根管。第一級(jí)以及第二級(jí)熱交換器258和264所用的管束的總表面積約為8,483英尺2。
第一級(jí)堰262被更完整地顯示在圖19中。它橫跨在第一級(jí)254和第二級(jí)256之間的流化床干燥器250的寬度伸展。由于干燥器的寬度為14-英尺，因此它由兩個(gè)堰門板300和302構(gòu)成。每一個(gè)堰門板都由下部301、303和可調(diào)節(jié)的上部304、305組成，其中所述下部301、303分別在適當(dāng)位置被焊接到干燥器底部和側(cè)壁上，而所述可調(diào)節(jié)的上部304、305在沿干燥器側(cè)壁的軌道內(nèi)豎直滑動(dòng)，并且通過連接鏈308懸掛，所述連接鏈308被連接到跨過干燥器單元的寬度的5″×5″見方的管支撐310上。這樣的連接鏈允許堰門的上部304、305豎直移動(dòng)，以調(diào)節(jié)堰門的高度。在堰門中的小孔314平衡越過堰門的流化煤顆粒的分布，以維持越過流化床的煤顆粒的均勻深度。對(duì)于干燥器250來說，在每一個(gè)堰門中有三個(gè)小孔315，每一個(gè)都是邊長(zhǎng)為12-英寸的菱形形狀。然而，根據(jù)在干燥器床25中的流化條件，可以使用其它形狀、大小和數(shù)量的小孔。當(dāng)門的上部相對(duì)于下部滑動(dòng)時(shí)，這些小孔的尺寸變得更大或更小，從而對(duì)堰門的高度提供一定程度的調(diào)節(jié)。
圖20更完整地示出了在第二干燥器級(jí)256的排出端的堰門266。類似于第一堰門262，這種第二堰門266由兩個(gè)更小的堰門板320和322組成，所述堰門板320和322帶有被焊接到干燥器單元的底部和側(cè)壁的下部321、323?？烧{(diào)節(jié)上部324、325在沿干燥器側(cè)壁的軌道內(nèi)豎直滑動(dòng)，并且沿它們的頂邊328至5″×5″見方的管支撐330通過連接鏈332得以固定。再者，優(yōu)選沿它們的邊測(cè)量為12英寸的菱開小孔334有助于平衡越過堰門的煤顆粒的分布。
位于每個(gè)堰門板的下部的是翻板門336和338。翻板門通過鉸鏈連接到堰門上，并且借助空氣驅(qū)動(dòng)的氣缸340和342進(jìn)行操作，所述氣缸340和342聯(lián)合連接使在每一個(gè)堰門板中的8-英寸×3-英尺的開口344開和關(guān)。當(dāng)翻板門被打開時(shí)，在干燥器的第二級(jí)256中的流化煤顆?？梢月淙肱帕狭隙?46，隨后，來自所述排料料斗346的干燥煤產(chǎn)物被排出干燥器。堰門262和266由1/2-英寸的碳素鋼制造。
位于干燥器250的稀相區(qū)162中的噴射管350有助于使干燥器中在流化床上的空氣保持在露點(diǎn)以上。這是重要的，原因是來自干燥器床中的流化煤顆粒中的蒸發(fā)水分將上升到稀相區(qū)，并且將這個(gè)區(qū)域增濕。如果，在干燥器中的溫度條件允許這種濕潤(rùn)空氣冷凝，則水滴可能落入流化床中，并且導(dǎo)致煤顆粒聚集且堵塞干燥器床和分配板。
圖21所示為噴射管350。它由帶有末端358和360的一系列互相連通的管部分352、354、356組成。如圖15更清楚地示出，末端358延伸進(jìn)入干燥器中。噴射管350的末端360與導(dǎo)管362連接，而所述導(dǎo)管362延伸自將熱流化空氣輸送給兩個(gè)干燥器級(jí)的管道。以這種方式，可以將一部分熱流化空氣206通過噴射管350輸送到干燥器的稀相區(qū)。噴射管350優(yōu)選直徑為20-英寸，并且具有在其中鉆孔的三排1-英寸的孔364，以將這種流化空氣沿流化床干燥器250的寬度輸送。噴射管優(yōu)選位于在第一級(jí)末端附近的干燥器的稀相區(qū)，原因是累積在干燥器中的大部分水分可能存在此處。而且，在噴射管中的一些孔可以形成有角度，以引導(dǎo)流化空氣，從而降低煤顆粒在干燥器壁上結(jié)塊。
圖22從進(jìn)料端顯示流化床干燥器250。要特別關(guān)注的是滅火器組件370。盡管使用干燥器床的干燥煤顆粒和煤粉自發(fā)燃燒的可能性通過使干燥器床在低于300、優(yōu)選200-300下加熱得到減小，但是仍然存在爆炸的可能。因此，滅火器組件370包括灑水系統(tǒng)，如果在操作過程中發(fā)生緊急情況，則所述灑水系統(tǒng)將水噴射進(jìn)入干燥器中。其由與噴嘴連接的凸緣管組成?；趩螀^(qū)域微處理器的控制單元管理該系統(tǒng)，所述控制單元帶有額定備用24小時(shí)的備用電池組。當(dāng)檢測(cè)到源自流化床干燥器中的早期爆炸時(shí)，干式觸點(diǎn)提供了報(bào)警器的遠(yuǎn)程信號(hào)。高速釋放(“HRD”)滅火器被用于抑制爆炸和用于建立化學(xué)隔離阻擋層。HRD利用干氮被加壓到500psig，并且充填有由工業(yè)級(jí)(processed-grade)的碳酸氫鈉組成的抑制劑。當(dāng)檢測(cè)到早期爆炸時(shí)，檢測(cè)器通過控制單元將電脈沖送到位于HRD頸部的爆炸激勵(lì)器。該激勵(lì)器快速打開位于抑制器底部的爆破隔膜，從而使抑制劑被排出。所使用的爆炸檢測(cè)器是一對(duì)壓力檢測(cè)器，其由低慣性的不銹鋼隔膜組成。在安裝壓力檢測(cè)器時(shí)，使用遠(yuǎn)距離工具，以使擾人的警報(bào)最小。6個(gè)30-升、5-英寸HRD滅火器將通過套筒式平頭噴灑噴嘴(flush spreadernozzle)放出，其中在干燥器的每一面上都安裝三個(gè)。
用于本發(fā)明目的的另一類型煤床干燥器是帶有直接或間接熱源的單容器、單級(jí)的固定床干燥器。圖23示出了這種帶有直接熱源的干燥器的一個(gè)實(shí)施方案，但是很多其它布置也是可以的。對(duì)于干燥將售賣給其它發(fā)電廠或其它工廠的煤，固定床干燥器是一種良好的選擇。這是因?yàn)榈透稍锼俾屎鸵韵率聦?shí)的緣故固定床干燥器相對(duì)于流化床干燥器需要長(zhǎng)得多得停留時(shí)間，以將需要量的煤干燥成水分被降低到需要的程度。此外，流化床干燥器在非工廠位置比如在采礦區(qū)中的使用實(shí)際上通常是受限制的。在這樣情況下，優(yōu)質(zhì)的廢熱源，比如熱冷凝器的冷卻水或壓縮器的熱都不可能利用于干燥操作。而且，可能更加難于廉價(jià)地提供流化床所需要的必要量的流化空氣。
由圖23所示的布置，固定床干燥器400具有兩個(gè)同心的壁，其中通常為圓柱形的外壁402和通常為圓柱形的內(nèi)壁404限定了一個(gè)介于外壁402以及內(nèi)壁404之間的用于空氣流動(dòng)的環(huán)形空間(spatial ring)406。在固定床干燥器400的底部上安置其基底直徑小于內(nèi)壁404的直徑的圓錐形結(jié)構(gòu)408，所述圓錐形結(jié)構(gòu)408與內(nèi)壁404軸向?qū)R，從而形成環(huán)狀底板排出口410，用于排出干煤412。
煤(典型而不排它地為濕過篩煤12)在開口頂部414上進(jìn)入固定床400。濕過篩煤12被重力牽引到床干燥器400的底部。通過風(fēng)機(jī)418吸引冷干燥空氣420穿過空氣-對(duì)-水的熱交換器422，產(chǎn)生流化氣流416。流化空氣420由廢熱，如圖23所示的從蒸汽冷凝器(未示出)提取的熱冷凝器冷卻水424進(jìn)行加熱。如同在本申請(qǐng)中描述的所有實(shí)施方案那樣，其它廢熱源都能夠用于本發(fā)明的實(shí)踐。
流化空氣420穿過圓錐形結(jié)構(gòu)408以及在內(nèi)壁404和外壁402之間形成的環(huán)形空間406進(jìn)入固定床400的底部。如圖23所示，圓錐形結(jié)構(gòu)408和內(nèi)壁404都被穿孔，或者以其它方式適當(dāng)裝備，以使流化空氣416流過被包含在固定床干燥器400的內(nèi)壁404內(nèi)的濕過篩煤12。流化空氣416通過固定床干燥器400的開口頂部414放入大氣中。
固定床干燥器400包括床內(nèi)加熱盤管426。床內(nèi)加熱盤管426用的熱由廢熱提供，在這種情況下，由熱冷凝器冷卻水424提供。也可以單獨(dú)使用來自其它來源的廢熱或取自蒸汽渦輪機(jī)循環(huán)的蒸汽或它們的任意組合，或?qū)⑺鼈兣c冷凝器的廢熱424組合使用。當(dāng)濕過篩煤12在固定床干燥器400中被加熱并充氣時(shí)，干煤412被重力或其它商購(gòu)的機(jī)械裝置吸引到干燥器的底部，在此處，煤通過形成于固定床干燥器400的底部的排出環(huán)410排出。
打算將本發(fā)明干燥器床設(shè)計(jì)按用戶需要設(shè)計(jì)，以最大地利用從各種各樣的發(fā)電裝置工藝得到的廢熱流，而使煤不暴露在高于300、優(yōu)選200-300之間的溫度下。其它進(jìn)料或燃料的溫度梯度和流體流動(dòng)的變化都將取決于想要實(shí)現(xiàn)的目的、燃料或進(jìn)料的性質(zhì)以及其它于所需結(jié)果相關(guān)的其它因素。高于300，通常是接近400時(shí)，發(fā)生氧化并且氣體從煤中驅(qū)除，因而產(chǎn)生了含需要處理的不適宜組分的其它流，并且產(chǎn)生了裝置操作其它潛在的問題。
通過將輸入干燥器中的空氣調(diào)溫到低于300并且將這種熱輸入床內(nèi)的熱交換器的盤管內(nèi)，干燥器能夠處理更高溫度的廢熱源。流化床干燥器的多級(jí)設(shè)計(jì)形成了多個(gè)溫度帶，而所述溫度帶能夠被用于通過加熱介質(zhì)的逆流來實(shí)現(xiàn)更有效的傳熱。來自本發(fā)明的干燥器床的煤出口溫度較低(典型地低于140)，并且產(chǎn)生了較容易儲(chǔ)存和處理的產(chǎn)物。如果特別的粒狀材料需要更低或更高的產(chǎn)品溫度，則可以將干燥器設(shè)計(jì)成提供降低或升高的溫度。
選擇合適的干燥器設(shè)計(jì)、干燥器溫度和包含在床內(nèi)的煤的停留時(shí)間，將使水分降低到所需的水平。對(duì)于發(fā)電裝置應(yīng)用的低級(jí)煤，其可能要求北美褐煤的水分從約35-40重量％降低到10-35重量％、更優(yōu)選27-32重量％。在其它地區(qū)市場(chǎng)如采用高達(dá)50-60％的褐煤的高水分含量開始的澳大利亞和俄羅斯中，煤用戶可能選擇通過干燥將水分含量降低到低于27％。對(duì)于次煙煤，這種水分降低可能是從約25-30重量％至約10-30重量％，更優(yōu)選到20-25重量％。在用于發(fā)電裝置操作的煤的情況下，盡管在本發(fā)明下的合適設(shè)計(jì)的干燥器工藝能夠利用低溫?zé)釋⒘畈牧系乃趾拷档偷?％，但是這樣可能是不必要的，并且增加了處理成本。按用戶需要設(shè)計(jì)可以將床建造成將高水分煤干燥到適合于尤其是發(fā)電裝置工藝的最佳水平。
圖24示出了被集成到發(fā)電裝置500內(nèi)的兩級(jí)、單容器的流化床干燥器502的一種示例性實(shí)施方式，其使用了熱冷凝器冷卻水504和熱廢氣506作為在低溫、露天干燥工藝中的僅有熱源。將水分含量為35-40重量％的原料褐煤12供給篩510，以篩選出其大小適合于在所述工藝內(nèi)處理的煤。將低于2英寸、更優(yōu)選0.25英寸或更小的合適過篩煤12通過通常方式直接輸送到預(yù)處理的煤儲(chǔ)存?zhèn)}512內(nèi)。任何大于0.25英寸的過大的煤首先經(jīng)過粉碎器514，之后將其由通常方式輸送到煤儲(chǔ)存?zhèn)}512。
然后，通過在本領(lǐng)域中已知的輸送系統(tǒng)，將來自儲(chǔ)存?zhèn)}的濕過篩煤12輸送到流化床干燥器502，其中在煤顆粒表面及孔內(nèi)的總水分降低到預(yù)定含量，得到平均水分含量為約28-30重量％的“干燥”煤516。這種所得到的干燥煤516由輸送器518輸送到斗式提升機(jī)520，再到干煤儲(chǔ)存料斗522中，并一直保持在所述干煤儲(chǔ)存料斗522中直到鍋爐燃燒室需要為止。
在被輸送到進(jìn)入燃燒室530用的風(fēng)箱528之前，通過常規(guī)的方式將收集在儲(chǔ)料倉(cāng)522中的干燥煤516輸送給磨煤機(jī)524，在此處，其被粉碎成干燥粉煤526。對(duì)于本發(fā)明來說，為圖24所示的煤干燥工藝提供了4百萬磅/小時(shí)的鍋爐容量用的在美國(guó)北達(dá)科他州的“冬季條件”的典型工藝參數(shù)。通過煤526在燃燒室530中燃燒，將在60億BTU/小時(shí)范圍內(nèi)的所得熱量傳遞給容納在鍋爐534內(nèi)的水532。然后，將平均溫度為1000且壓力為2,520psig的蒸汽536傳到鎖使用的一系列高壓、中壓和低壓蒸汽渦輪機(jī)(未示出)中的第一個(gè)，以驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)用于產(chǎn)生電的發(fā)電機(jī)(未示出)。廢蒸汽典型地將在600和650psi下離開高壓渦輪機(jī)，并且在約550-600和70psi下離開下游的一個(gè)或多個(gè)中壓渦輪機(jī)。
之后，在約125-130和1.5psia下離開低壓渦輪機(jī)的廢棄蒸汽538被輸送給冷凝器540，在該冷凝器中，廢棄蒸汽538被轉(zhuǎn)變成水。在約85的冷的冷卻水542循環(huán)通過冷凝器540，以使從廢棄蒸汽538中取出潛熱。在該過程中，冷卻水542變得更熱并且以約120的熱的冷卻水544離開冷凝器。然后，將這種熱的冷凝器冷卻水544傳給冷卻塔546，在此處，其溫度再次降低到約85，以產(chǎn)生用于循環(huán)到冷凝器540的冷的冷凝器冷卻水。之后，離開冷凝器的冷凝蒸汽再循環(huán)通過鍋爐534，從而被再加熱成再次用于驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)的蒸汽536。
流化床干燥器502由具有70英尺2的分布區(qū)的第一級(jí)550和具有245英尺2的分布區(qū)的更大的第二級(jí)552組成，其中所述第一級(jí)550的分布區(qū)用于接收將要干燥的煤12。流化床干燥器502的這些級(jí)都分別裝備有將在下面進(jìn)行更詳細(xì)論述的床內(nèi)熱交換器554和556。
熱的冷凝器冷卻水的一部分504被轉(zhuǎn)用并且通過熱交換器554循環(huán)，以提供干燥器的第一級(jí)550的直接熱源。這種熱的冷凝器冷卻水504典型地平均為120，并且使第一級(jí)床內(nèi)熱交換器放出250萬BTU/小時(shí)的熱量。在約100時(shí)離開熱交換器的廢棄熱冷凝器冷卻水558返回到冷卻塔，因此，它有助于將廢棄的渦輪機(jī)蒸汽558冷卻下來，并且再次變成熱的冷凝器冷卻水504。
熱冷凝器冷卻水的一部分504a循環(huán)通過外部熱交換器560，用于加熱二元醇基循環(huán)流體562，而所述二元醇基循環(huán)流體562被用于加熱初級(jí)風(fēng)機(jī)室盤管(preliminary fan room coil)564。這種初級(jí)風(fēng)機(jī)室盤管564使一次氣流566和二次氣流568的溫度從一年時(shí)間都在變化的環(huán)境溫度升高到約25-30(冬季條件)。二元醇在低溫下不凍結(jié)，因而它確保了一次和二次氣流同樣不會(huì)降低到低于25的最低溫度。
然后，將離開初級(jí)風(fēng)機(jī)室盤管564的一次氣流566和二次氣流568傳到主要風(fēng)機(jī)室盤管570，所述主要風(fēng)機(jī)室盤管570構(gòu)成空氣-水的熱交換器單元。熱冷凝器冷卻水504的一部分504b循環(huán)通過主要風(fēng)機(jī)室盤管570，以提供必要的熱源。一次氣流566和二次氣流568在約80-100下離開初級(jí)風(fēng)機(jī)室盤管，因此，在140和112下，通過PA風(fēng)機(jī)572和FD風(fēng)機(jī)574將它們輸送到外部空氣加熱器576，所述外部空氣加熱器576構(gòu)成三分區(qū)的、旋轉(zhuǎn)再生空氣預(yù)熱器。
使用風(fēng)機(jī)室盤管564和570分別將到空氣預(yù)熱器576的進(jìn)口空氣以及熱的和冷的一次氣流580和566a進(jìn)行預(yù)熱，使可以用來到外部熱交換器586的熱以及傳熱流體流588的溫度從120的范圍增加到高于200的范圍。這對(duì)流化/干燥空氣552的流量以及對(duì)床內(nèi)熱交換器556的所需表面積有積極作用。這兩者都隨干燥和加熱流的溫度升高而減小。
一次空氣566的一部分566a在輸送給外部空氣的預(yù)熱器576之前，先輸送給在約145的混合箱578。在與在約583的更熱的一次氣流380a混合之后，它形成了約187的流化空氣582，所述流化空氣582被用作用于流化床干燥器502的第一級(jí)550和第二級(jí)552的流化介質(zhì)。為了實(shí)現(xiàn)這種187的流化空氣溫度，約54％的進(jìn)入混合箱578的空氣將由熱的PA空氣580a提供，而46％將由冷的PA空氣566a提供。流化空氣582將以約3.5英尺/秒的速率進(jìn)入第一級(jí)550，以流化約40英寸厚的煤顆粒床。煤顆粒12以約132,000磅/小時(shí)移動(dòng)穿過第一級(jí)550，其中它們被床內(nèi)熱交換器554和流化空氣加熱到約92，并且水分得到了少量降低。在達(dá)到第一級(jí)550的末端時(shí)，它們將溢出堰的頂部進(jìn)入第二級(jí)552。
廢氣506在約825下離開鍋爐燃燒室530。這種廢熱源穿過外部空氣加熱器576，以提供加熱介質(zhì)。廢氣在約343下離開外部加熱器，并且經(jīng)過沉淀器和洗滌器被排出到煙道。但是，在所述工藝中，該廢氣分別將一次氣流566和二次氣流568加熱到約757和740，從而形成熱的一次空氣580和加熱后的二次空氣582。加熱后的二次空氣582以需要量的約117％輸送到燃燒室530，以幫助燃燒過程和提高鍋爐效率。
將約757的熱的一次空氣580輸送到磨煤機(jī)524，因此它形成了正壓源，將粉碎的煤顆粒推動(dòng)到風(fēng)箱528以及燃燒室530。再次，以這種方式預(yù)熱粉碎的煤顆粒526，提高了鍋爐效率，并且能夠使用更小的鍋爐和相關(guān)設(shè)備。
使用干煤，由于更低的水分蒸發(fā)損耗，因此火焰溫度更高，并且在燃燒室530中的傳熱過程得到改進(jìn)。更高的火焰溫度對(duì)燃燒室530的壁產(chǎn)生更大的輻射熱通量。由于出來廢氣506的水分含量被降低，因此火焰的輻射特性得到改變，這也影響對(duì)燃燒室530的輻射通量。由更高的火焰溫度，離開燃燒室530的煤灰顆粒的溫度更高，這能夠增加燃燒室的污垢和結(jié)渣。爐渣在燃燒室壁上的沉積降低了熱傳遞，并且在燃燒室出口處產(chǎn)生更高的廢氣溫度(FEGT)。由于煤流量隨煤水分的降低而降低，因此進(jìn)入鍋爐中的灰的量也得到降低。這樣減少了鍋爐534中的固體顆粒的腐蝕以及鍋爐534的維修(例如，需要除去收集在鍋爐內(nèi)表面上的煤煙)。
熱的一次氣流580的一部分被輸送給熱交換器586，其將液體介質(zhì)588加熱到約201，所述的液體價(jià)質(zhì)被用作包含在流化床干燥器502的第二級(jí)552內(nèi)的床內(nèi)熱交換器556用的熱源。這種液體介質(zhì)將在約160下離開熱交換器，因此它返回到熱交換器586，以進(jìn)行再加熱。如上面已經(jīng)提及的那樣，在約283下離開熱交換器586的一次氣流580a與在混合箱578中的冷的一次空氣566a結(jié)合，形成被導(dǎo)向流化床干燥器502的流化氣流582。這種混合箱使流化空氣的溫度被調(diào)節(jié)到所需的程度。
在約92下從第一級(jí)550輸送到流化床干燥器的第二級(jí)552并且水分稍微得到降低的流化煤顆粒將形成深度為約38-42英寸的床，該床被氣流582流化并且進(jìn)一步被床內(nèi)熱交換器556加熱。這些煤顆粒將需要約12分鐘經(jīng)過流化床的第二級(jí)552的長(zhǎng)度，因此它們作為在約118和29.5重量％的水分下的干燥煤516被排出。更重要地，進(jìn)入干燥器502的第一級(jí)的煤12熱值已經(jīng)從約6200BTU/lb增加到約7045BTU/lb。
在業(yè)內(nèi)，計(jì)算“X比率”，以表示穿過空氣加熱器576的熱從廢氣506到一次空氣566和第二空氣568傳遞的相對(duì)效率。由以下等式表示mPA+FD·cpPA+FD·(T出-T進(jìn))PA+FD＝m廢氣·cp廢氣·(T進(jìn)-T出)廢氣式中，m是質(zhì)量流量，cp是比熱，分別地，T進(jìn)是相應(yīng)燃燒空氣(即，一次空氣和二次空氣)和廢氣流的進(jìn)口溫度，而T出是出口溫度。由于燃燒氣流的乘積(m·cp)典型地只有廢氣流的相應(yīng)值的80％，因此，這意味著在發(fā)電裝置的通常情況下，穿過空氣熱交換器的廢氣的溫度降低可能只等于在燃燒氣流時(shí)得到的溫度的80％。然而，根據(jù)本發(fā)明，通過降低煤的水分含量，由此使在燃燒室中的煤產(chǎn)物的燃燒所產(chǎn)生的廢氣的水分含量得到降低，廢氣流506的質(zhì)量流量和比熱值將得到降低，同時(shí)通過風(fēng)機(jī)室盤管564和570對(duì)一次氣流566和二次氣流568的預(yù)加熱將增加燃燒氣流的質(zhì)量流量。這將導(dǎo)致X比率增加到100％，由此極大地提高了發(fā)電裝置操作的鍋爐效率。而且，干燥器系統(tǒng)根據(jù)本發(fā)明的原則的周到設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步將X比率提高到約112％，由此使鍋爐操作對(duì)于發(fā)電更有效。此外，通過利用在發(fā)電裝置操作內(nèi)可獲得的廢熱源，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這種被極大地提高的用于空氣熱交換器和鍋爐效率的X比率，這樣能夠在協(xié)同的基礎(chǔ)上改善發(fā)電裝置操作的經(jīng)濟(jì)性。使用本發(fā)明的干燥器裝置的其它低溫、露天干燥工藝的實(shí)施方式在2005年4月15日提交的美國(guó)序列號(hào)11/107,152中有公開，該申請(qǐng)與本申請(qǐng)共享共同的發(fā)明人和所有人，并且通過引用結(jié)合在此。
使用本系統(tǒng)得到了很多優(yōu)點(diǎn)。所述工藝允許廢熱來源于很多來源，這些來源包括熱的冷凝器循環(huán)水、熱廢氣、工藝用的提取蒸汽和任何其它可以在干燥工藝中使用的可接受溫度的寬范圍內(nèi)得到的熱源。通過以低成本使通風(fēng)機(jī)室(APH)加熱升高50至100，本工藝能夠更好地使用熱的冷凝器循環(huán)水的廢熱，從而降低顯熱損失，并且從離開空氣預(yù)熱器的出口一次和二次氣流580、582中提取熱。這種熱還能夠通過利用空氣預(yù)加熱交換器，直接從廢氣中提取。這樣導(dǎo)致干燥器的氣流與煤流的比率以及所需干燥器的大小產(chǎn)生顯著的降低。
通過調(diào)節(jié)床的差異(differentials)和集塵器風(fēng)機(jī)的容量，干燥器可以被設(shè)計(jì)成利用現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)以供給流化床所需要的空氣。所述床可以使用具有各種布置的集塵器，在此處描述只描述集塵器中的一些。披露的實(shí)施方案節(jié)省了一次空氣，原因是干煤的一種作用是需要較少的煤來加熱鍋爐，因此需要更少的磨機(jī)來研磨煤并且對(duì)于磨機(jī)需要更小的氣流將空氣供給干燥器。
通過將干燥器集成到正好在煤倉(cāng)上游的煤處理系統(tǒng)中，鍋爐系統(tǒng)將得益于進(jìn)入磨機(jī)的煤進(jìn)料溫度的升高，因?yàn)槊涸诟邷叵码x開干燥器。預(yù)期廢氣體積的降低、在床干燥器中的停留時(shí)間的減小、廢氣含水量的降低以及更高的洗滌速率都顯著影響汞從裝置中排出。
對(duì)到APH的進(jìn)口空氣的預(yù)熱的優(yōu)點(diǎn)是升高了在APH的冷端中傳熱表面的溫度。越高的表面溫度將使酸沉積速率越低，因而，堵塞和腐蝕速率更小。這樣將對(duì)風(fēng)機(jī)功率、單位容量和單位性能產(chǎn)生積極的影響。使用來自冷凝器的廢熱代替提取自蒸汽渦輪機(jī)的蒸汽對(duì)進(jìn)入APH的空氣進(jìn)行預(yù)熱，將使渦輪機(jī)及單位輸出功率增加，以及使循環(huán)及單位性能得到改善。升高在APH進(jìn)口處的空氣溫度將使APH空氣的泄漏比率減小。這是由于空氣密度降低的緣故。APH空氣的泄漏比率降低，將對(duì)強(qiáng)迫通風(fēng)和誘導(dǎo)通風(fēng)的風(fēng)機(jī)功率產(chǎn)生積極的影響，這將導(dǎo)致降低廠用電用量，提高凈單位功率輸出以及改善單元性能。對(duì)于使用冷卻塔的發(fā)電裝置，使用廢熱對(duì)進(jìn)入APH的空氣進(jìn)行預(yù)熱，將降低冷卻塔的熱負(fù)荷，并且導(dǎo)致降低冷卻塔的用水量。
使用所公開的工藝的煤干燥將減少鍋爐系統(tǒng)中的水損耗，從而產(chǎn)生更高的鍋爐效率。在鍋爐系統(tǒng)中更低的敏感氣體損耗，產(chǎn)生更高的鍋爐效率。而且，降低廢氣的體積，將能夠使在每兆瓦特(MW)的基礎(chǔ)上的二氧化碳、硫氧化物、汞、微粒和氮氧化物的排放更低。還存在煤導(dǎo)管腐蝕(例如，由煤、微粒和空氣在導(dǎo)管內(nèi)引起的腐蝕)較低；粉碎維修較低；更高的單位容量使操作所需的輔助功率較低；灰和洗滌煤泥的體積較小；裝置的用水量較低(預(yù)先從蒸汽渦輪機(jī)循環(huán)分流的水不受影響)；空氣預(yù)熱器冷端的污垢和腐蝕較低；廢氣導(dǎo)管的腐蝕較低；以及，被洗滌的廢氣的百分比增加。床干燥器還可以裝備洗滌器-分離更高密度顆粒的裝置，因而除去了煤中的污染物，并且給煤提供預(yù)燒處理?？梢岳帽景l(fā)明去處理其它原料和燃料的溫度等級(jí)和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有無窮的排列。
APH-熱冷凝器冷卻水布置的組合允許將更小、更有效率的床用于干燥煤。利用來自蒸汽渦輪機(jī)循環(huán)的工業(yè)用熱的現(xiàn)有系統(tǒng)需要大得多的床。在本發(fā)明中材料得到了分離。這樣可以得到更大的干燥效率。現(xiàn)有布置可以以靜態(tài)(流化)床干燥器或固定床干燥器的方式使用。在兩級(jí)干燥器中，可以調(diào)節(jié)第一和第二級(jí)之間的相對(duì)速率差?？梢杂胁煌臏囟忍荻?，并且在不同級(jí)中加熱范圍的彈性不同，以使所需結(jié)果最佳化。在一個(gè)多級(jí)流化床布置中，存在沒有被流化的材料的分離、再燃燒和氧控制。在第一級(jí)中，其一個(gè)實(shí)施方案中代表20％的干燥器分配表面積，抽出了更多的氣流、汞和硫濃度。由于兩級(jí)床干燥器可以是更小的系統(tǒng)，因此所需的風(fēng)機(jī)功率更小，這樣就非常節(jié)省電消耗。干燥煤時(shí)的一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)因素是所需風(fēng)機(jī)的馬力。本發(fā)明可以結(jié)合使用洗滌箱。系統(tǒng)還提供了用于NOx控制的淘洗或用于汞控制的碳注射。
從系統(tǒng)的觀點(diǎn)看，磨損和撕裂較小，煤處理輸送器和粉碎機(jī)的維修較低，灰的量降低，而且腐蝕降低。粉碎煤更容易，因而在磨機(jī)中得到更完全的干燥，管路堵塞較小、所需一次空氣較少，并且一次空氣的速率較低。廠用電力(即，輔助功率)需要降低，發(fā)電裝置容量可以增加，洗滌器和排放物將得到改善。
相比于濕粉碎煤，離開燃燒干粉碎煤526的燃燒室530的廢氣506的流量較低。而且，由于在干粉碎煤526中的水分含量較低，因此廢氣506的比熱較低。結(jié)果是降低了廢氣506的熱能，以及是需要更小的環(huán)境處理設(shè)備。廢氣506的較低流量還導(dǎo)致對(duì)流傳熱的速率較低。因此，盡管使用干煤使FEGT得到增加，但是傳遞給在鍋爐534中的工作流體(水或蒸汽，未示出)的熱更少。對(duì)于具有固定傳熱幾何形狀的鍋爐，熱的再加熱蒸汽(被回收的循環(huán)工業(yè)用蒸汽)的溫度相比于使用濕燃料的操作可能更低。熱的再加熱蒸汽的溫度的一些降低能夠通過如下得到補(bǔ)償增加再加熱器(未示出)的表面積或改變鍋爐的運(yùn)行條件，比如增加燃燒器的傾角(熱被應(yīng)用到鍋爐的角度)或用更高等級(jí)的過量空氣運(yùn)轉(zhuǎn)。可以設(shè)計(jì)新的鍋爐，以降低廢氣306穿過對(duì)流煙道(廢氣穿過燃燒室的出口路徑)的流量，從而在通常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下實(shí)現(xiàn)所需的蒸汽溫度。這樣將進(jìn)一步減小尺寸和結(jié)構(gòu)成本。
通過燃燒干煤，由于強(qiáng)制通風(fēng)(FD)、誘導(dǎo)通風(fēng)(ID)和一次空氣(PA)風(fēng)機(jī)的功率降低以及磨機(jī)功率降低，因而廠用電力將降低。燃燒干煤所致的較低的煤流量、較低的空氣流動(dòng)要求和較低的廢氣流量的結(jié)合，將使鍋爐系統(tǒng)的效率和單位發(fā)熱量得到改善，這主要是由于煙道損耗較低以及磨機(jī)和風(fēng)機(jī)的功率較低的緣故。這種性能的改善將使發(fā)電裝置容量在現(xiàn)有設(shè)備的情況下得到提高。典型地在燃煤能源裝置中使用的后端環(huán)境控制系統(tǒng)的性能(洗滌器、靜電沉析器和汞捕捉裝置)將因使用干煤時(shí)由于較低的廢氣流量和增加的停留時(shí)間而得到改善。
燃燒干煤還對(duì)減少不適宜的排放物有積極的影響。所需要的煤流量的降低將直接轉(zhuǎn)化為灰、CO2、SO2和微粒的排放質(zhì)量的降低。一次空氣還影響NOx。使用干煤相比于使用濕煤，一次空氣的流量將降低。這將導(dǎo)致NOx的排放率降低，原因是它在用于將燃燒空氣的分級(jí)的干燥器的前面形成更大的彈性。
對(duì)于裝備有濕洗滌器的發(fā)電機(jī)組，由于降低了空氣預(yù)熱器的氣體出口溫度，因而可以降低由燃燒干煤所產(chǎn)生的汞排放，其中所述氣體出口溫度有利于以元素汞為代價(jià)形成HgO和HgCl2。這些氧化形式的汞是水溶性的，因此可以被洗滌器除去。此外，廢氣水分抑制汞被氧化成水溶性形式。降低燃料水分將導(dǎo)致更低的廢氣的水分含量，這將促進(jìn)汞氧化成水溶性形式。因此，使用干煤與使用更濕的煤相比，將使汞排出更低。與本申請(qǐng)同一天提交并且具有共同的共發(fā)明人和所有人的美國(guó)申請(qǐng)更詳細(xì)地披露了使用干燥器床將煤中的硫、灰、汞和其它不適宜組分除去，所述美國(guó)申請(qǐng)是在2005年4月15日提交的美國(guó)序列號(hào)11/107,153的部分繼續(xù)，并且該申請(qǐng)通過引用結(jié)合在此。
當(dāng)煤穿過所述系統(tǒng)的這種受限部分時(shí)，煤中水分含量降低的優(yōu)點(diǎn)包括干煤更易于粉碎，并且實(shí)現(xiàn)相同的研磨大小(煤細(xì)度)需要的更小的磨機(jī)功率；提高了磨機(jī)出口溫度(在磨機(jī)出口處，煤和一次空氣的混合物的溫度)；煤在將其輸送到燃燒室530的煤管中得到更好的輸送(較少堵塞)。此外，對(duì)于煤的干燥和輸送，需要較少的一次氣流580。較低的一次空氣速率對(duì)在磨煤機(jī)524、煤管、燃燒器和相關(guān)設(shè)備中的腐蝕產(chǎn)生明顯的積極影響，這樣降低煤管和磨機(jī)的維修費(fèi)用，對(duì)于燒褐煤的裝置來說，這兩者的維修費(fèi)用是非常高的。
使用干煤，燃燒室530中的火焰溫度由于水分蒸發(fā)損耗較低而較高，并且熱傳遞過程得到改善。更高的火焰溫度對(duì)燃燒室530的壁產(chǎn)生更大的輻射熱通量。由于出來的廢氣506的水分含量被降低，因此火焰的輻射性質(zhì)被改變，這也影響了對(duì)燃燒室530的壁的輻射通量。使用越高的火焰溫度，離開燃燒室530的煤灰顆粒的溫度越高，這能夠增加燃燒室的污垢和結(jié)渣。煤渣在燃燒室壁上的沉積降低了熱傳遞，并且使在燃燒室出口處的廢氣溫度更高。由于煤流量隨燃料的水分降低而降低，因此，進(jìn)入鍋爐的灰的量也被降低。這樣降低了在鍋爐534中的固體顆粒腐蝕，并且減少了用于鍋爐534所需要的維修(例如，除去被收集在鍋爐內(nèi)表面上的煤煙)。
相比于濕粉碎煤，離開燒干粉碎煤526的燃燒室530的廢氣506的流量被降低。較低的廢氣速率通常允許減小環(huán)境控制設(shè)備的大小。而且，由于干粉碎煤526中的水分含量較低，因此廢氣506的比熱較低。結(jié)果是降低了廢氣506的熱能。廢氣506的較低流量還導(dǎo)致對(duì)流傳熱的速率較低。因此，盡管使用干煤使FEGT得到增加，但是傳遞給在鍋爐系統(tǒng)的對(duì)流傳遞中的工作流體(水或蒸汽)的熱更少。
由于經(jīng)濟(jì)原因，煤并不需要完全干燥，也不推薦這樣，因?yàn)閷⒖側(cè)剂纤值囊徊糠殖ゾ妥銐蛄?。除去水分的最佳分?jǐn)?shù)取決于現(xiàn)場(chǎng)的具體條件，比如煤的類型及其特性、鍋爐設(shè)計(jì)和商業(yè)布置(例如，干燥燃料對(duì)其它發(fā)電裝置的出售)。關(guān)鍵是使煤失去足夠的水分以將必要的傳熱用質(zhì)量流量提供給到的主流，以及再加熱在發(fā)電裝置內(nèi)的蒸汽流。否則，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽不足以驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。優(yōu)選廢工業(yè)用熱，但不排它地用于在床內(nèi)熱交換器中使用的熱和/或流化(干燥、流化空氣582)。如已經(jīng)顯示的那樣，在一級(jí)或多級(jí)內(nèi)可以直接或間接供給這種熱。
如前面所論述的，包含在第一流化干燥器床級(jí)254的分配板180的槽190內(nèi)的螺旋推進(jìn)加料器194(參見圖7-8和15)通常在干燥器床側(cè)面的水平方向上輸送被放置在床底部的、更密實(shí)的不可流化的切割不足的煤顆粒。盡管相比于沒有這種螺旋推進(jìn)加料器的干燥器，在流化煤顆粒被整體輸送流動(dòng)到干燥器床的排放端的過程中仍然實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)，但是這種切割不足的材料也只能留下累積在干燥器床的側(cè)面，直到干燥器需要周期性關(guān)閉以將其除去為止。然而，為了降低干燥器床的這種維修清掃(這影響了其連續(xù)操作)的需求，流化床干燥器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案結(jié)合了洗滌器組件，用于干燥器在操作的同時(shí)自動(dòng)除去流化干燥器的床區(qū)域中的切割不足煤顆粒的這種累積。通過自動(dòng)地除去了這種不可流化的切割不足顆粒，它們可以根據(jù)它們的組成結(jié)構(gòu)和工業(yè)發(fā)電裝置要求，視作獨(dú)立的煤處理流，所述工業(yè)發(fā)電裝置要求包括將它們送到鍋爐燃燒室進(jìn)入燃燒；將它們進(jìn)行處理，以除去在切割不足顆粒中可能被捕獲的任意其它細(xì)粒(fines)；處理切割不足顆粒，以除去不需要的組分比如元素硫、灰或汞；或在合適的填埋場(chǎng)處理所述切割不足顆粒。
本發(fā)明的洗滌器組件600的一個(gè)實(shí)施方案在圖25a和25b中的剖開圖中示出。洗滌器組件600是箱狀的殼體，其具有側(cè)壁602、端壁604、底部606及頂部608(未示出)，并且連接干燥器250側(cè)壁，以包圍切割不足的排出口610，螺旋推進(jìn)加料器194穿過出口部分延伸。應(yīng)當(dāng)注意，能夠以水平方式傳輸切割不足煤顆粒的任何其它合適器件都能夠代替螺旋推進(jìn)加料器，包括帶、推桿(ram)或牽引鏈。
螺旋推進(jìn)加料器194將推動(dòng)放置在流化床底部附近的切割不足顆粒橫穿床，經(jīng)過切割不足排出口610，并且進(jìn)入洗滌器組件600內(nèi)，在此處，它們能夠累積分離并且遠(yuǎn)離流化干燥器。這樣消除了關(guān)閉干燥器以除去累積的切割不足顆粒的需求。但包含在洗滌器組件內(nèi)的切割不足顆粒已經(jīng)累積到足夠程度時(shí)，或者為其它目的而有另外需要時(shí)，可以打開在端壁604中的門612，以使累積的切割不足顆粒通過在端壁中的出口孔被排出，其中這些切割不足的顆粒被螺旋推進(jìn)加料器294施加給切割不足顆粒的正壓或被其它合適的機(jī)械傳輸裝置，推動(dòng)穿過所述出口孔。門612也能夠由定時(shí)電路操作，以使門根據(jù)周期性的計(jì)劃打開，以將累積的切割不足顆粒排出。
圖26示出了洗滌箱600的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，其中分配板620代替了圖25實(shí)施方案的實(shí)心底板606。在這種情況下，熱流化空氣206的支流向上穿過在分配板620中的孔622，以流化包含在洗滌器組件內(nèi)的切割不足顆粒流。當(dāng)然，切割不足顆粒由于它們更大的比重而停留在流化床的底部，但是捕獲在這些切割不足顆粒中的任何淘洗煤粉都將升到流化床的頂部，并且經(jīng)過進(jìn)口孔624(在圖26中，通過這個(gè)孔顯示熱交換器盤管280)被吸回到流化干燥器床250內(nèi)。以這種方式，切割不足顆粒流在圖26的洗滌器組件內(nèi)得到進(jìn)一步的處理，以清除淘洗煤粉，剩下更純的切割不足顆粒流，用于進(jìn)一步的處理、生產(chǎn)使用或處置。
圖27-29示出了洗滌器組件的再另一個(gè)實(shí)施方案630，構(gòu)成兩個(gè)洗滌器組件632和634，用于處理流化床干燥器250產(chǎn)生的更大體積的切割不足顆粒。如圖28可以更清楚地看出，螺旋推進(jìn)加料器194延伸穿過前室(vestibule)636。切割不足煤顆粒通過螺旋推進(jìn)加料器194輸送到此前室636，然后進(jìn)入收集室638和640，所述收集室638和640分別結(jié)束于門642和644中或其它合適類型的流動(dòng)控制裝置。一旦預(yù)定體積的切割不足顆粒已經(jīng)累積在收集室638和640內(nèi)，或經(jīng)過了預(yù)定量的時(shí)間，就打開門642和644，以使切割不足顆粒分別排出進(jìn)入斜槽646和648。切割不足的顆粒將通過重力穿過在斜槽646和648底部的出口部650和652，進(jìn)入其它一些儲(chǔ)存容器或傳輸裝置，以進(jìn)一步使用、進(jìn)一步處理或處置。
如上所述，分配板654和656可以包含在收集室638和640的內(nèi)部(參見圖30)，以使穿過在分配板中的孔658和660的流化氣流使切割不足顆粒流化，以分離捕獲在更密實(shí)的切割不足顆粒中的任何淘洗煤粉。一旦打開門642和644，淘洗煤粉就將穿過孔660和662升到斜槽646和648的頂部，用于通過合適的機(jī)械裝置輸送回到流化床干燥器250。如前面所述，切割不足顆粒將穿過斜槽646和648的底部降落。
門642和644可以樞接到收集室638和640上，但是這些門還可以是可滑動(dòng)地安置、向上樞軸連接、向下樞軸連接、橫向樞軸連接或任何其它合適布置。另外，多級(jí)門可以操作性連接收集室，以增加從收集室排出切割不足煤顆粒的速度。
通過洗滌器組件600從干燥器250中分離出的切割不足顆粒的使用將取決于其組成。如果這些切割不足顆粒包含可接收水平的硫、灰、汞以及其它不適宜組分，則由于它們包含所希望的熱值，因此它們可以輸送到燃燒室鍋爐進(jìn)行燃燒。然而，如果這些切割不足顆粒內(nèi)包含不適宜的組分，則這些切割不足顆粒可以進(jìn)一步處理，以除去一些或全部含量的這些不適宜組分，這在美國(guó)序列號(hào)11/107,152和11/107,153中有更完全的公開，這兩個(gè)申請(qǐng)都是在2005年4月15日提交的，并且與本申請(qǐng)分享共同的共發(fā)明人以及共所有人，并且結(jié)合到此。只有但切割不足顆粒內(nèi)包含的不適宜組分的含量很高，因而它們不能通過進(jìn)一步處理得到可行地降低時(shí)，切割不足顆粒才在填埋場(chǎng)被處置，因而這樣浪費(fèi)了包含在切割不足顆粒內(nèi)的所需熱值。因此，本發(fā)明的洗滌器組件600不僅使切割不足的煤顆粒流自動(dòng)從流化床中除去，以提高干燥器的效率和連續(xù)操作，而且允許這些切割不足顆粒在發(fā)電裝置或其它工廠操作中進(jìn)行進(jìn)一步處理或生產(chǎn)性使用。
下列實(shí)施例舉例說明形成本發(fā)明一部分的低溫煤干燥器。
實(shí)施例I-水分降低對(duì)褐煤的熱值改善的作用煤試驗(yàn)燃燒在北達(dá)科他州的Great River Energy’s Coal Creek Unit 2進(jìn)行，以確定對(duì)單元操作的影響。褐煤通過露天儲(chǔ)存煤的干燥系統(tǒng)進(jìn)行干燥，以用于本試驗(yàn)。結(jié)果在圖21中示出。
可清楚看出，平均地，煤水分從37.5％降低到31.4％，降低了6.1％。如圖30所示，這些結(jié)果與理論預(yù)期非常接近。更重要地，褐煤水分含量降低6％使煤燃燒時(shí)的凈單位發(fā)熱量提高了約2.8％，而水分降低8％，則使褐煤的凈單位發(fā)熱量提高了約3.6％。這種結(jié)果表明煤干燥事實(shí)上提高了其熱值。
實(shí)施例II-水分降低對(duì)煤組成的影響PRB煤以及褐煤的樣品都進(jìn)行化學(xué)和水分分析，以確定它們的元素和水分組成。結(jié)果在下表1示出?？梢钥闯?，煤的褐煤樣品表現(xiàn)為平均34.03重量％的碳、10.97重量％的氧、12.30重量％的飛灰、0.51重量％的硫和38.50重量％的水分。而PRB次煙煤樣品表現(xiàn)為平均49.22重量％的碳、10.91重量％的氧、5.28重量％的飛灰、0.35重量％的硫和30.00％的水分。
假定0％的水分和0％的灰(“沒有水分和灰”)以及假定20％的水分含量下，使用這些褐煤和PRB煤樣品的“原樣”值，進(jìn)行“元素分析”，以計(jì)算這些元素組成值的校正值，這些也都示出在表1中。表1可看出，煤樣品的化學(xué)組成和水分含量得到顯著改變。更具體地，對(duì)于20％的水分情況，褐煤和PRB煤的樣品表現(xiàn)出碳含量分別增加到44.27重量％和56.25重量％，而氧含量增加較小，分別增加到14.27重量％和12.47重量％。硫和飛灰組分也稍微增加(但不是在絕對(duì)的基礎(chǔ)上？)。正如重要的是，褐煤的熱值(HHV)從6,406BTU/lb增加到8,333BTU/lb，而PBR煤的HHV值從8,348BTU/lb增加到9,541BTU/lb。
表1

實(shí)施例III-水分含量對(duì)煤熱值的影響使用表1的組成值，并且假定570MW的發(fā)電裝置釋放825廢氣，進(jìn)行元素分析計(jì)算，以預(yù)測(cè)這些煤樣品在從5％到40％的不同水分含量下的HHV熱值。結(jié)果在圖31示出?？汕宄闯觯琀HV值和水分含量之間存在線性關(guān)系，其中水分含量更低時(shí)，HHV值更高。更具體而言，PRB煤樣品的HHV值在5％水分下產(chǎn)生11,300BTU/lb，在20％的水分下產(chǎn)生9,541BTU/lb，在30％的水分下只產(chǎn)生8,400BTU/lb。而，褐煤煤樣品的HHV值在10％水分下產(chǎn)生9,400BTU/lb，在20％水分下產(chǎn)生8,333BTU/lb，而在40％下只產(chǎn)生6,200BTU/lb。這表明，通過使煤在鍋爐燃燒室中燃燒之前進(jìn)行干燥，可以提高鍋爐效率。而且，在鍋爐中產(chǎn)生相同的熱量需要更少的煤。
實(shí)施例IV-中試干燥器的煤干燥結(jié)果在2003年的秋天和2004年的夏天，將超過200噸的褐煤在由北達(dá)科他州Underwood的Great River Energy建造的中試流化床的煤干燥器中進(jìn)行干燥。干燥器容量為2噸/小時(shí)，并且是為確定采用低溫廢熱干燥北達(dá)科他州褐煤的經(jīng)濟(jì)性以及為確定利用流化床的重力分離能力而富集雜質(zhì)比如汞、灰和硫的有效性而設(shè)計(jì)的。
在干燥器的進(jìn)口和出口的煤流包括原煤進(jìn)料、處理過的煤流、淘洗煤粉流和切割不足。在試驗(yàn)過程中，樣品煤從這些流中取出，并分析水分、熱值、硫、灰和汞。一些樣品進(jìn)行分級(jí)，并且在各種不同的粒度級(jí)別上進(jìn)行進(jìn)一步的分析。
中試煤干燥器裝備有允許實(shí)驗(yàn)測(cè)定在各種操作條件下的干燥速率的儀表。數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)允許干燥器儀表以1分鐘為基準(zhǔn)進(jìn)行記錄。所安裝的儀表足以運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量和能量平衡計(jì)算。
中試干燥器的主要部件是煤篩、煤輸送設(shè)備、儲(chǔ)料倉(cāng)、流化床干燥器、空氣輸送和加熱系統(tǒng)、床內(nèi)熱交換器、環(huán)境控制器(集塵器)、儀表和控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(參見圖32)。螺旋推進(jìn)加料器用于將煤供給干燥器并且將產(chǎn)物從干燥器中輸出。螺旋進(jìn)料器用于控制進(jìn)料速率并且對(duì)進(jìn)出干燥器的煤流提供氣鎖。在煤燃燒器上的測(cè)壓元件提供輸入干燥器的流量和總煤輸入量。切割不足和集塵器淘洗物被收集在手提容器(tote)中，并且該手提容器在測(cè)試前后進(jìn)行稱重。輸出產(chǎn)物流被收集在重力拖車中，該重力拖車裝備有天平。煤進(jìn)料系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成在高達(dá)8000磅/小時(shí)下將1/4以下(1/4-minus)的煤供給干燥器?？諝庀到y(tǒng)被設(shè)計(jì)成供給6000 SCFM@ 40英寸的水?？諝饧訜岜P管輸入438,000BTU/小時(shí)，而床盤管的輸入約250,000BTUs/小時(shí)。這是足夠的熱量和空氣流量，以每小時(shí)帶走約655磅的水。
典型的實(shí)驗(yàn)包括用18,000磅1/4”以下的煤填充煤倉(cāng)。將所述手提容器倒空，并且記錄重力拖車天平的讀數(shù)。在填充料倉(cāng)的同時(shí)或在相同時(shí)間間隔的實(shí)驗(yàn)過程中，采集在原料上的煤樣品作為集塵器、切割不足和重力拖車的樣品(通常在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)之后每隔30分鐘)。然后，啟動(dòng)集塵器和所有產(chǎn)物推進(jìn)加料器以及氣鎖。啟動(dòng)空氣供給風(fēng)機(jī)，并將其設(shè)定為5000scfm。然后，開始向干燥器供給煤，并且在高速下運(yùn)行，以填充該干燥器。一旦在干燥器重建立床之后，升高空氣溫度，調(diào)節(jié)對(duì)床的盤管的加熱，并且將空氣流量調(diào)節(jié)到所需的值。然后，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行2-3小時(shí)的時(shí)間。一次試驗(yàn)運(yùn)行8小時(shí)。實(shí)驗(yàn)之后，將手提容器進(jìn)行稱重，記錄重力拖車的天平讀數(shù)。將來自試驗(yàn)的儀表讀數(shù)傳遞給excel電子數(shù)據(jù)表，并且將煤樣品帶到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。然后，將手提容器和重力拖車倒空，準(zhǔn)備下一次的實(shí)驗(yàn)。
在2003年的秋天，在39次不同的試驗(yàn)中，將150噸褐煤送入分配面積為23.5英尺2的單級(jí)中試干燥器。煤以3000至5000磅/小時(shí)的速率被送入流化床內(nèi)?？諝饬髁繌?400(3.1英尺/秒)變化到5400(3.8英尺/秒)scfm。煤中的水分降低是進(jìn)料速率和輸入干燥器的熱的函數(shù)。在200的設(shè)計(jì)水溫下，第一中試組件(module)具有每小時(shí)除去約655lb的水的能力。煤以83.3磅/min進(jìn)料時(shí)，預(yù)期水的除去速率為0.13磅/磅煤。
在2004年的夏天，將干燥器改進(jìn)為兩級(jí)，并且安裝更大的床盤管。在改進(jìn)干燥器組件之后，干燥能力增加到約750,000BTU/小時(shí)，并且具有1100磅/小時(shí)的除水速率。將另外50噸的煤在新的組件中干燥。改進(jìn)的組件也允許收集離開第一級(jí)的切割不足流。切割不足是從第一級(jí)底部移出的不流化的材料。它主要由在第一級(jí)中重力分離出的過大和更高密度的材料構(gòu)成。表2-4中描述了用于不同進(jìn)口和出口流的材料、溫度和熱平衡?？偟姆峙浒迕娣e為22.5英尺2。
表2中試干燥器實(shí)驗(yàn)44的示意性流程圖
表3中試實(shí)驗(yàn)44的結(jié)果


可以看出，水分從煤進(jìn)料中的31.5％降低到煤產(chǎn)物(“GT”)流中的24.5％。因此，中試煤干燥器表明，使用來自發(fā)電裝置的低溫廢熱可以可靠并且經(jīng)濟(jì)地干燥北達(dá)科他州的褐煤。
表4顯示了用于干燥器進(jìn)料、淘洗、切割不足和產(chǎn)物流的煤質(zhì)量。數(shù)據(jù)表明淘洗流的汞和灰高，切割不足流的汞和硫高，而產(chǎn)物硫在熱值、汞、灰和SO2/mbtus上經(jīng)歷了顯著的改進(jìn)。淘洗流主要是40-目以下，而切割不足流是8-目以上。
表4煤進(jìn)料質(zhì)量對(duì)產(chǎn)物流的試驗(yàn)44

因此，試驗(yàn)44將煤產(chǎn)物流中的汞和硫分別降低了40％和15％。
圖34表示了在床內(nèi)的六個(gè)位置上測(cè)得的床溫的時(shí)間變化，以及出口空氣的溫度。使用該信息以及對(duì)煤的水分含量的信息(從煤樣品中得到)，以完成干燥器的質(zhì)量和能量平衡，并確定從煤中除去的水分量。
圖35表示在進(jìn)料和產(chǎn)物流中的水分含量，該水分含量從煤樣品中確定并且被表示為每磅干煤的煤水分的磅數(shù)。結(jié)果顯示，進(jìn)口煤的水分在從每磅的干煤0.4磅的水至0.60磅(以濕煤計(jì)，從28.5％至37.5％)變化，同時(shí)在產(chǎn)物流中的水分在從每磅干煤的0.20磅水至0.40磅(以濕煤計(jì)，從16.5％至28.5％)變化。換言之，低溫流化床干燥工藝在利用約30分鐘的床停留時(shí)間除去約10％的水分上是有效的。更高溫度的流化空氣或更高的床內(nèi)熱交換器的熱輸入使除濕速率提高。進(jìn)料和產(chǎn)物流得到不含水分的熱含量值，意味著在干燥過程中沒有發(fā)生可測(cè)量的碳氧化和脫揮發(fā)作用。
在干燥工藝的過程中從煤中除去的水分的量通過四種方法確定，這四種方法包括對(duì)于干燥器的總質(zhì)量平衡、空氣水分的平衡、煤水分的平衡和對(duì)于干燥器的總能量平衡?？偰芰科胶夥ɑ谄胶膺M(jìn)和出干燥器的熱量流量，比如床內(nèi)熱交換器輸入的熱量和空氣及煤橫穿干燥器的顯熱變化，并且假設(shè)差值代表蒸發(fā)煤中的水需要的熱。假定沒有到環(huán)境的損耗?？諝馑制胶夥ㄒ钥諝饬髁亢瓦M(jìn)口及出口的空氣濕度的測(cè)量為基礎(chǔ)。蒸發(fā)煤水分的量由進(jìn)口及出口空氣流動(dòng)流的比濕度差和空氣流量進(jìn)行計(jì)算。類似地，煤水分平衡法是以在進(jìn)料及產(chǎn)物煤流中測(cè)量得到的水分和這些流的流量為基礎(chǔ)的?？傎|(zhì)量平衡法是以在輸入原煤和輸出產(chǎn)物流之間的質(zhì)量差為基礎(chǔ)的，對(duì)留在床中的材料、煤樣品和1％的泄漏率進(jìn)行校正。所得差被認(rèn)為是從煤中除去的水。
圖36所示的計(jì)算結(jié)果表明，被除去的煤水分與由四種不同方法計(jì)算的煤水分得到了很好的吻合。
圖37顯示了使用改進(jìn)的中試干燥器的7次試驗(yàn)的切割不足產(chǎn)物的組成。試驗(yàn)41具有最好的結(jié)果，其中含有48％的硫和汞，并且只有23％的btu和25％的重量。利用來自組件4中的氣動(dòng)夾具試驗(yàn)的結(jié)果，本發(fā)明人可以預(yù)期對(duì)于汞除去48％中的37％，即18％，對(duì)于硫除去48％中的27％，即13％，而對(duì)于BTU損耗除去23％中的7.1，即1.6％。
上述的說明書和附圖提供了對(duì)本發(fā)明熱處理裝置的結(jié)構(gòu)和操作的完整描述。然而，本發(fā)明能夠在沒有背離本發(fā)明的精神和范圍的其它不同的組合、改進(jìn)、實(shí)施方案和環(huán)境中使用。例如，它可以在直接或間接熱源、流化或非流化床以及單級(jí)或多級(jí)的任意組合下使用。而且，在本發(fā)明中描述的干燥方法并沒有被限制于提高要在公用事業(yè)或工業(yè)鍋爐中燃燒的煤的質(zhì)量，而是也可以被應(yīng)用于干燥玻璃、鋁、紙漿和紙及其它工業(yè)中用的粒狀材料。例如，在玻璃工業(yè)中用作原料的砂可以在其被供給玻璃燃燒室之前，通過使用從離開燃燒室的廢氣的廢熱的流化床干燥器進(jìn)行干燥和預(yù)熱。這樣將提高玻璃制造工藝中的熱效率。而且，本發(fā)明可以被用于胺洗滌劑的再生。
作為另一個(gè)實(shí)施例，在鋁生產(chǎn)中可以使用流化床干燥器作為煅燒爐。為了從原料鋁土礦中提煉鋁，必要時(shí)將礦石破碎并過篩，以除去大的雜質(zhì)比如石頭。然后，將粉碎的鋁土礦混合在蒸煮器中的苛性鈉溶液中。這樣使水合氧化鋁從礦石中溶出。在紅泥殘留物通過傾析和過濾除去之后，將苛性堿溶液用管導(dǎo)入被稱為沉淀器的巨大槽中，水合氧化鋁在該槽中結(jié)晶。然后，將水合物過濾，并送入煅燒爐，以干燥并且在非常高的溫度下，轉(zhuǎn)變成被稱為氧化鋁的細(xì)小白色粉末。本發(fā)明在這種或類似的工藝中可以被用作煅燒爐。
作為用于說明目的的再一個(gè)實(shí)施例，廢熱源能夠被應(yīng)用于使西紅柿或其它作物生長(zhǎng)的溫室。因此，說明書并沒有將本發(fā)明限制為被公開的具體形式。
權(quán)利要求
1.一種用于熱處理在制造操作內(nèi)的產(chǎn)物的裝置，所述裝置包括容器，其用于接收所述產(chǎn)物以及施加給所述產(chǎn)物的熱源；與所述容器操作性連接的熱交換器；以及提供給所述熱交換器的熱源，因而包含在所述熱源內(nèi)的熱含量作為熱源被傳遞給容器的溫度在不超過300，其中所述產(chǎn)物在與所述熱源接觸的容器內(nèi)保持足夠的溫度和持續(xù)時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)所需的熱處理程度。
2.權(quán)利要求1的熱處理裝置，其中所述熱源為一次熱源。
3.權(quán)利要求1的熱處理裝置，其中所述熱源為廢熱源。
4.權(quán)利要求3的熱處理裝置，其中所述廢熱源是選自由來自操作設(shè)備的熱的冷凝器冷卻水、熱的煙道氣、熱廢氣、廢工業(yè)蒸汽和廢棄熱組成的組中。
5.權(quán)利要求1的熱處理裝置，其中所述容器為流化床干燥器。
6.權(quán)利要求1的熱處理裝置，其中所述容器為固定床干燥器。
7.權(quán)利要求1的熱處理裝置，其中所述產(chǎn)物為煤。
8.權(quán)利要求1的熱處理裝置，其中所述制造操作為發(fā)電裝置。
9.權(quán)利要求1的熱處理裝置，其中由所述熱源傳遞給所述容器的溫度為200-300。
10.權(quán)利要求1的熱處理裝置，其進(jìn)一步包括至少一個(gè)其它的熱源，通過提供有其它類型的廢熱或一次熱的相關(guān)熱交換器，將所述至少一個(gè)其它的熱源傳遞給所述容器。
11.權(quán)利要求1的熱處理裝置，其進(jìn)一步包括與所述容器操作性連接的噴射管，其用于在熱處理過程中將流化氣態(tài)流傳遞給所述容器，以降低在所述容器內(nèi)發(fā)生的冷凝。
12.權(quán)利要求1的熱處理裝置，其進(jìn)一步包括被包含在所述容器內(nèi)的輸送裝置，其用于在熱處理過程中將具有更高比重的部分產(chǎn)物輸送到所述容器的邊遠(yuǎn)區(qū)域，以提高殘留產(chǎn)物在所述容器內(nèi)的熱處理。
13.權(quán)利要求12的熱處理裝置，其中所述輸送裝置為螺旋推進(jìn)加料器。
14.權(quán)利要求12的熱處理裝置，其進(jìn)一步包括與所述容器操作性連接的洗滌器組件，由此所述輸送裝置將在所述熱處理過程中的產(chǎn)物的更高比重部分完全輸送到容器之外，進(jìn)入到洗滌器組件內(nèi)，以使所述產(chǎn)物進(jìn)一步處理、使用或處置。
15.權(quán)利要求14的熱處理裝置，其中所述產(chǎn)物的更高比重部分的進(jìn)一步處理包括將被捕獲在更高比重產(chǎn)物內(nèi)的殘留的較低比重的產(chǎn)物除去。
16.權(quán)利要求14的熱處理裝置，其中在所述產(chǎn)物的更高比重部分的進(jìn)一步處理包括對(duì)被包含在所述產(chǎn)物內(nèi)的至少一種不適宜的組分進(jìn)行處理。
17.權(quán)利要求16的熱處理裝置，其中所述不適宜的組分選自由硫、灰和汞組成的組中。
全文摘要
本發(fā)明構(gòu)成用于在低溫、露天工藝中熱處理粒狀材料的熱處理裝置如流化床干燥器。優(yōu)選地，利用在圍繞工業(yè)裝置操作內(nèi)可獲得的廢熱源給干燥器提供熱量。而且，包含在干燥器內(nèi)的輸送裝置能夠除去更大、更密實(shí)的顆粒，否則這些顆粒將抑制粒狀材料流過干燥器或堵塞流化床。本發(fā)明尤其可以用于干燥發(fā)電裝置用的煤。
文檔編號(hào)B01J8/18GK101040034SQ200580035094
公開日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2005年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月12日
發(fā)明者查爾斯·W·布林格, 馬克·A·內(nèi)斯, 內(nèi)納德·薩魯納茨, 愛德華·K·萊維, 安東尼·R·阿莫爾, 約翰·M·惠爾登, 馬修·P·科格林 申請(qǐng)人:大河能量