使用系統熱源提高高水分材料的質量的方法

專利名稱：使用系統熱源提高高水分材料的質量的方法
技術領域：
本發明涉及使用在典型的工業制煉廠可利用的現有系統廢熱源提高組成該工廠用的原料或燃燒源的材料的質量。更具體而言，在工廠加工或燃燒粒狀材料之前，本發明使用在低溫、露天生產過程中現有的工廠廢熱源干燥這些材料，以提高它們的熱含量或可加工性并且減少工廠排放。盡管在許多不同的工業中可以以有效且經濟的方式利用這種生產過程，但是它特別適用于發電設備，用于減少煤在其燃燒之前的水分含量。
背景技術：
如我們知道的，電力對人類生活是必須的。從工廠中驅動機器，到農場中泵送水，到辦公室中運行計算機，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電裝置利用蒸汽或流水的能量產生動力，以使渦輪機的軸轉動，從而再驅動發電機。盡管一些發電裝置是利用水電能源或核能源進行運轉的，但是全世界約63％的電力以及在美國產生的70％電力都是由燃燒化石燃料如煤、石油或天然氣而產生的。這樣的燃料在發電裝置的燃燒室中燃燒，以產生用于使鍋爐中的水轉變成蒸汽的熱量。然后，蒸汽被過熱并將其引入到巨大蒸汽渦輪機中，由此它推動渦輪機的扇狀葉片，使軸旋轉。這個旋轉的軸再使發電機的轉子旋轉，從而產生電。
蒸汽一旦流過渦輪機，它就進入冷凝器，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。當蒸汽冷卻時，它冷凝成水，然后水被泵回到鍋爐中，重復將其再次加熱成蒸汽的過程。在很多發電裝置中，將這種在冷凝器管道內吸收了來自蒸汽的熱量的水被泵到噴淋池或冷卻塔進行冷卻。然后，冷卻水可以再循環通過冷凝器，或排放到湖泊、河流或其它水域中。
在美國開采的89％的煤都被用作發電裝置的熱源。不同于石油和天然氣的是，能夠從地球上經濟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，最高級的無煙煤包含約98重量％的碳，而最低級的褐煤(也稱作“褐色煤”)可以只包含約30重量％的碳。同時，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％。對于澳大利亞和俄羅斯，這些褐煤水分量可能分別高達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，原因是它們在燃燒時產生更少量的熱。而且，高的燃料水分影響電力單元操作設備(electricpower unit operation)工作的所有方面，包括影響性能及排放。相比于高級煤的情況，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致在比如燃料處理、燃料磨碎、風機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，因而是電力生產用的最廣泛地使用等級的煤。然而，它們還包含中等至高含量的硫。作為在美國日益嚴格的環境法規如清潔空氣法案的結果，發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。
低級煤如次煙煤和褐煤由于硫含量低，因而被作為發電裝置用的熱源已經日益得到了關注。將它們作為燃料源燃燒可以使發電裝置更容易滿足聯邦及州的污染標準。另外大的可能性在于這樣的事實，在美國西部，這些次煙煤和褐煤構成可獲得煤儲量的大部分。然而，這些低級煤類型的更高水分含量降低了它們作為加熱燃燒源時的熱值。而且，這樣的高水分含量可以使這些煤的運輸相對于它們的熱值更加昂貴。它們還可以導致工業問題，原因是當它們失去它們的水分時，它們破碎并變成粉狀的，因而使得它們難于處理并運輸。
盡管由于污染關注，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格使一些工廠和商業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，因此它們被優選用于這些加熱應用。
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，同時殘余的幾乎由純碳構成的硬泡沫狀的物質是焦炭。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生的一些氣體在它們被冷卻時，轉變成液氨和煤焦油。經過進一步的處理，這些殘余氣體可以被轉變成輕油。制造商可以將這些氨、煤焦油和輕油用于生產藥物、染料和肥料。煤焦油本身可以用于鋪屋面和路面鋪設應用。
在焦炭制造工藝中的碳化過程中產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。備選的燃料工業也開發了煤不經過碳化而直接氣化的工藝。這些氣化工藝的結果是，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，還存在很多有價值的用途。
業內早已認識到，煤經過加熱降低了它的水分，因此，通過干燥煤，提高了煤的等級以及BTU生產。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。
在現有技術中，已經使用多種干燥器裝置來干燥煤，包括回轉爐(授權給Berg的美國專利5,103,743)、級聯回旋床干燥器(授權給Petrovic等的美國專利4,470,878)、細長槽式干燥器(授權給Siddoway等的美國專利4,617,744)、料斗式干燥器(授權給Ohno等的美國專利5,033,208)、移動床式干燥器(授權給Petrovic等的美國專利4,606,793)和振動流化床干燥器(授權給Ladt的美國專利4,444,129)。工業上還熟知的是其中通過床底部中的孔引入流化介質，使煤顆粒分開并且飄浮以提高干燥性能的流化床干燥器或反應器。所述流化介質可以兼作直接加熱介質，或者在所述流化床反應器中可以安置其它獨立的間接熱源。參見，例如美國專利授權給Goldich的5,537,941；授權給Selle等的5,546,875；授權給Reynoldson等的5,832,848；授權給Dunlop的5,830,246、5,830,247和5,858,035；授權給Kannenberg等的5,637,336；授權給Dietz的5,471,955；授權給Heard等的4,300,291；和授權給Parks的3,687,431。
然而，這些常規的干燥方法中許多都是采用很高的溫度和壓力。例如，Bureau of Mines方法是在1500psig實行的，而在授權給Koppelman的美國專利4,052,168中公開的干燥方法需要1000-3000psi的壓力。類似地，授權給Criner的美國專利2,671,968教導了1000的上升氣流的使用。同樣，授權給Dunlop的美國專利5,145,489公開了一種用于同時提高煤和油的燃料性能的方法，其中使用保持在850-1050的反應器。還參見授權給Mansfield的美國專利3,434,932(1400-1600)；和授權給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，這樣能夠非常快地導致低級煤的使用在經濟上難于實行。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，這種經濟平衡變復雜的實事在于，為提高被干燥煤的熱值，現有技術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，授權給Michael等的美國專利4,533,438；授權給Dunlop的4,145,489；授權給Blake的4,324,544；授權給Seitzer的4,192,650；授權給Ladt的4,444,129；以及授權給Berg的5,103,743。在一些情況下，這種燃燒后的燃料源可以構成在煤干燥工藝內分離并回收的煤粉。參見，例如，授權給Merriam等的美國專利5,322,530；授權給Erhard的4,280,418；以及授權給Stahlherm等的4,240,877。
因此，人們已經致力于開發利用低溫要求干燥煤的工藝。例如，授權給Johnson的美國專利3,985,516教導了一種用于低級煤的干燥工藝，該工藝在400-500范圍內的流化床中使用溫熱惰性氣體作為干燥介質。授權給Greene的美國專利4,810,258公開了使用過熱氣態干燥介質將煤加熱到300-450，但是其優選溫度和壓力為850和0.541psi。也參見，例如，授權給Petrovic等的美國專利4,436,589和4,431,585(392)；授權給Dellessard等的4,338,160(482-1202)；授權給Ottoson的4,495,710(400-900)；授權給Coleman等的5,527,365(302-572)；授權給Fracas的5,547,549(500-600)；授權給Dunlop的5,858,035；以及授權給Dunlop等的5,904,741和6,162,265(480-600)。
雖然幾種現有技術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，授權給Dunlop的美國專利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經受1-5分鐘，以使煤同時粉碎及脫水。然后，將煤供給第二流化床反應器，在其中，將它用礦物油涂覆，然后在480-600溫度經受1-5分鐘，以使產物進一步粉碎及脫水。因此，明顯的是不僅此工藝采用了水分含量相對較低(即，15-30％)的煤，而且煤顆粒在150-200運行的第一流化床反應器中只是部分被脫水，而真正的干燥是發生在于480-600的更高床溫下運行的第二流化床反應器中。
同樣，授權給Hunt的美國專利6,447,559教導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進行的系列連續加熱步驟，以消除在煤顆粒孔內的水，從而制造出水分含量和揮發含量分別低于2重量％和15重量％的煤。再一次顯而易見的是，初始200-250的加熱步驟只是對煤顆粒提供有限度的干燥。
采用流化床反應器干燥煤可能碰到的問題之一是流化介質中捕獲了大量的粉煤。尤其是在更高的床操作條件下，這些粉煤可能自發地燃燒，從而導致爆炸。因此，很多現有技術的煤干燥工藝都采取在無氣流化床環境內使用惰性流化氣體，以防止燃燒。這種惰性氣體的實例包括氮、二氧化碳和蒸汽。例如，參見授權給Waterman，Jr.的美國專利3,090,131；授權給Petrovic等的4,431,485；授權給Heard等的4,300,291和4,236,318；授權給Ekberg的4,292,742；授權給Knappstein的4,176,011；授權給Cha等的5,087,269；授權給Galow等的4,468,288；授權給Hauk的5,327,717；授權給Hunt的6,447,559；以及授權給Dunlop等的5,904,741。授權給Coleman等的美國專利5,527,365提供了一種在通過使用如丙烷或甲烷的低級烷烴惰性氣體實現的“溫和還原環境”中干燥低質量含碳燃料的工藝。為了避免爆炸，還有其它的現有技術工藝使用了大量隨著煤穿過化床反應器的長度方向而保持順序降溫的熱流化流，從而確保煤的適當冷卻。例如參見授權給Shelton的美國專利4,571,174；和授權給Wicker的4,493,157。
干燥煤時，工業上早已碰到了另一個問題在于，干燥工藝完成之后，其隨時間流逝而重新吸收在周圍空氣條件中的水分的自然趨勢。因此，人們致力于用礦物油或一些其它烴產物涂覆干燥煤顆粒的表面，以形成抗煤顆粒的孔內吸收水分的阻擋層。例如參見授權給Dunlop的美國專利5,830,246和5,858,035；授權給Johnson的3,985,516以及授權給Simmons的4,705,533和4,800,015。
為了提高干燥低級煤的工藝經濟，已知的是，采用廢熱流作為初級燃燒燃料熱源的補充熱源。參見授權給Merriam等的美國專利5,322,530。在焦化煤生產中尤其是這樣，在焦化煤生產中，為了加熱在熱交換器中的干燥氣體，可以循環由熱焦炭加熱的冷卻氣體。例如參見授權給Poersch的4,053,364；授權給Wagener等的4,308,102；授權給Dellessard等的4,338,160；授權給Weber等的4,354,903；授權給Kemmetmueller的3,800,427；授權給Michael等的4,533,438；以及授權給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被用作用于包含在流化床反應器內部的熱交換器的補充熱源。例如參見授權給Goldich的美國專利5,537,941；以及授權給Hauk的5,327,717。授權給Berg的美國專利5,103,743公開了一種在回轉窯中干燥如濕煤的固體的方法，其中干燥材料被氣化，以產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的材料。在授權給Wagener等的美國專利4,284,476中，來自相關冶金裝置的煙道氣穿過焦炭生產工藝中的熱焦炭，以將其冷卻，由此使煙道氣加熱，隨后該煙道氣用于預熱轉化成焦炭之前的濕煤進料。
然而，這些現有技術的工藝似乎都沒有使用在煤干燥操作設備中的廢熱流作為用于干燥煤的唯一熱源。它們而是只補充使化石燃料如煤、石油或天然氣保持燃燒的一次熱源。因此，為了干燥化石燃料(即，煤)以提高其給加工裝置(例如，發電裝置)中的鍋爐加燃料的熱值，使干燥包括低級煤的煤產物的工藝經濟繼續受到燃燒化石燃料的需要的限制。
在發電裝置中需要協同使用可利用的廢熱源，以提高使用低級煤如次煙煤和褐煤的工藝經濟，所述廢熱源作為用于干燥被引入到鍋爐燃燒室中之前的煤的專用熱源而被另外消耗。相比于更傳統使用的煙煤和無煙煤，這樣的低級煤源能夠意外地變成發電裝置用的可行燃料源。除了在煤中發現的導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濟用途還將更大地有益于環境。
發明概述根據本發明，提供一種通過使用在工廠操作中可利用的廢熱源，提高在操作設備中用作主要成分的材料的質量特性的方法。這些材料可以包括在工廠操作設備中燃燒的燃料源，或用于制造由工廠操作產生的成品的原料。這些廢熱源包括但不限制于來自燃燒室中的熱廢氣或煙道氣、熱的冷凝器冷卻水、來自渦輪機的生產用蒸汽和具有高熱值的其它生產用蒸汽。本發明具體地涉及用于鑒別并且開發各種單獨或組合的可利用的廢熱源，以提供提高材料的質量或特性所需的適當數量和溫度水平的熱量的方法。
盡管本發明可應用于許多不同產業，但是為了說明性目的，本發明在此處是相對于通常的煤燃燒發電裝置進行描述的，在發電裝置中，為了提高煤的熱值以及發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，不管它是低級或高級煤，都可以使其它改進的操作效率得到實現。例如，更干的煤將降低發電裝置中的煤處理系統、輸送裝置和煤壓碎機的負荷。由于越干煤越易于輸送，因此這降低了維修費用，并且增加了煤處理系統的有效性。越干的煤還越易于被磨碎，因此需要越小的“磨機”功率就可實現相同的研磨尺寸(煤的細度)。在燃料水分較小的情況下，離開磨機時的水分含量就得到降低。這將改善煤的研磨結果。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、輸煤管、煤燃燒器和相關設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的維修費用，對于燃燒褐煤的發電裝置來說，這兩者的費用是非常高的。而且實現了降低煙囪排放，因而提高了下游的環境保護裝置的收集效率。
為了給發電裝置的鍋爐以經濟可行的基準供燃料，這樣的煤燃料原料不需要干燥到絕對零的水分含量。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，同時使加工成本維持在經濟可行的水平。這樣為工廠的經營者帶來了真正的經濟優勢。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，但是優選到27-32％。這種優選的含量受鍋爐的傳熱能力規定。
在對工廠操作不產生不利結果的情況下，本發明優選以各種結合使用多種裝置廢熱源，以干燥材料。在通常的發電裝置中，廢工業用熱仍然是可從很多來源獲得以進一步使用。一種可能的來源是蒸汽渦輪機。蒸汽可以取自蒸汽渦輪機循環，以干燥煤。對于很多現有的渦輪機而言，這樣可能降低功率輸出，并且對取點下游的渦輪機級的性能產生不利影響，因而使這種熱提取的來源的適宜性受到限制。然而，對于新建立的發電裝置，蒸汽渦輪機是為蒸汽提取而設計的，對級效率沒有負面影響，因而對于新裝置，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，并且能夠導致在煙道壁上的水蒸氣和硫酸冷凝。這樣限制了能夠從用于煤干燥的廢氣得到的熱量，尤其對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明的很多終端應用中所使用的唯一廢熱源。
在Rankine的動力循環中，從在蒸汽冷凝器和/或冷卻塔中的循環中排出熱。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裝置操作設備的影響最小。因此，能夠將冷凝器排出的這種熱冷凝器冷卻水的一部分轉用并改為用于煤干燥。工程分析表明，在滿單位負荷的情況下，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，而對裝置操作設備不產生不利的影響。
盡管本發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行，但是應當理解，可以向利用廢熱源的系統中加入一次熱源如燃燒熱，以在經濟基準上實現所需結果。通常地，相對于所使用的廢熱源，一次熱的量將是少量的。
雖然本發明使用了固定床干燥器和流化床干燥器，兩者都為單級和多級的，對在工廠操作設備中被消耗之前的材料進行預干燥和進一步的清潔，但是也可以使用其它商業上已知類型的干燥器。而且，這種干燥工藝在低溫、露天系統內進行，因而進一步降低了工業設備的操作成本。干燥溫度優選被保持在低于300，更優選在200-300之間。
在本發明的情況下，可以將離開冷凝器的熱的冷凝器冷卻水的一部分轉用并且用于預熱送往APH的輸入空氣。
與在煤燃燒之后再試圖除去污染物和其它污染的當前現有技術系統形成對比，本發明還提供一種利用材料的偏析和流化床的分級能力將煤中的飛灰、硫、含汞材料和其它有害污染物除去的系統。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環境可以造成的可能有害影響，并且預期的優點是排放更低、煤輸入量更小、裝置運行需要的輔助動力更小、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用更小。
附圖簡述在附圖中

圖1是說明簡化的生產電力用的燃煤發電操作設備的示意圖。
圖2是顯示改進的燃煤發電設備的示意圖，所述發電設備使用廢氣和蒸汽渦輪機的廢熱流，以提高鍋爐效率。
圖3是本發明的單級流化床干燥器的示意圖，其使用廢工業用熱間接加熱同時用于干燥和流化煤的流化空氣。
圖4是本發明的單級流化床干燥器的示意圖，其組合使用廢工業用熱和熱的冷凝器冷卻水，所述廢工業用熱對用于使煤流化的流化空氣進行加熱(間接加熱)，而所述熱冷凝器冷卻水循環通過包含于流化床干燥器內部的床內(in-bed)熱交換器以干燥煤(直接加熱)。
圖5是本發明的單級流化床干燥器的示意圖，其組合使用了廢工業用熱和熱蒸汽，其中所述廢工業用熱對用于使煤流化的流化空氣進行加熱(間接加熱)，而所述熱蒸汽取自蒸汽渦輪機循環并且循環通過包含于流化床干燥器內部的床內熱交換器以干燥煤(直接加熱)。
圖6是本發明的單級流化床干燥器的示意圖，其利用了廢工業用熱對用于使煤流化的流化空氣進行加熱(間接加熱)，以及對循環通過包含在流化床干燥器內部的床內熱交換器的傳遞液體進行加熱以干燥煤(間接加熱)。
圖7是本發明的單級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，對用于使煤流化的流化空氣進行加熱(間接加熱)，以及對循環通過包含在流化床干燥器內部的床內熱交換器的傳遞液體進行加熱，以干燥煤(間接加熱)。
圖8是本發明的兩級流化床干燥器的示意圖，其使用了來自工廠操作設備的廢工業用熱，以對在流化床干燥器的兩個室內被用于使煤流化的流化空氣進行加熱(間接)，以及對循環通過包含于流化床干燥器的兩個室內的床內熱交換器的熱冷凝器冷卻水進行加熱，以干燥煤(直接加熱)。
圖9是固定床干燥器的一個實施方案的示意圖。
圖10是本發明被結合到發電裝置中的兩級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中的煤，以及加熱被用來使在兩干燥器級內的煤流化的流化空氣。將熱冷凝器冷卻水與熱廢氣結合對在第二干燥器級中的煤進行干燥。
圖11是組合使用由熱的冷凝器冷卻水和熱廢氣提供的廢熱加熱和/或干燥在兩個干燥器級中的煤的示意圖。
圖12是使用熱廢氣加熱和/或干燥在兩個干燥器級中的煤的示意圖。
圖13說明了具有三分區的空氣預熱器的封閉式冷卻線路。
圖14說明了具有兩分區空氣預熱器的封閉式冷卻線路。
圖15說明了具有三分區的旋轉回熱式空氣預熱器的開放式冷卻線路。
圖16說明了具有三分區的旋轉回熱式空氣預熱器的開放式冷卻線路的第二實施方案。圖17示出本發明具有所示兩級流化床干燥器的典型的溫度梯度和流量，但所示兩級流化床干燥器不連接設備系統。
圖18示出了本發明的兩級流化床干燥器的典型的溫度梯度和流量，所述兩級流化床干燥器被結合到動力裝置系統內。
圖19是與用于從煤粉中分離污染物的裝置組合的流化床干燥器的示意圖。
圖20是與用于從煤粉中分離污染物并且燃燒所述污染物發電的裝置組合的流化床干燥器的示意圖。
圖21是不同水分含量的煤的凈單位發熱量(net unit heat rate)得到提高的圖解說明。
圖22是不同水分含量的煤的HHV值的圖解說明。
圖23是本發明的配置A(基本方案(base case))的示意圖。
圖24是本發明的配置B(高溫)的示意圖。
圖25是本發明的配置C(低溫)的示意圖。
圖26是本發明的配置D(超低溫)的示意圖。
圖27-37是不同水分含量的煤在用各種煤干燥配置下動力裝置效率的不同測量的圖解說明。
優選實施方案的詳述本發明提供一種方法，其通過使用在工廠操作設備中可利用的一種或多種廢熱源提高在工廠操作設備中用作主要成分的材料的質量特性。這種發明允許在更經濟的基礎上干燥材料，從而能夠使用較低級(例如，更高水分)的材料，否則所述材料在工廠操作設備中是不可行的。本發明還能夠降低材料在工廠操作設備中被處理之前其內所包含的污染物和其它不適宜元素。
對于本發明來說，“粒狀材料”表示構成進入工廠操作設備的整體的任意粒狀或顆粒化合物、物質、元素或組分，包括但不限制于燃燒燃料，如煤、生物質、樹皮、泥煤和森林廢棄物；鋁土礦和其它礦石；以及在工廠操作設備內被改性或變性的基質，如谷物、谷類食品、麥芽、可可。
在本發明的上下文中，“工廠操作”表示物質的任何燃燒、消耗、轉化、改性或改進，以提供有益結果或最終產品。這樣的操作可以包括但不限制于發電設備；煉焦操作；煉鐵、煉鋼或煉鋁的設備；水泥生產操作；玻璃生產設備；乙醇生產設備；用于谷物和其它農業材料的干燥操作；食品加工設備和用于工廠及建筑物的加熱操作設備。工廠操作包括與產品或系統的熱處理結合的生產操作，包括但不限制于用于在二氧化碳或有機酸消除中使用的胺或其它提取劑的溫室、區域供熱和再生操作。
如在本申請中使用的“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。
對于本發明來說，“質量特性”表示在工廠操作設備內影響粒狀材料的燃燒、消耗、轉化、改性或改進的區別特征，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SO2和NOx、二氧化碳、氧化汞的產生。
如在本申請中使用的，“熱處理裝置”表示有利于對產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、生長室和加熱器。
在本發明的上下文中，“干燥器”表示有利于通過應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、振動流化床干燥器、固定床干燥器、移動床干燥器、級聯回旋床干燥器、細長槽式干燥器、料斗干燥器或窯。這些干燥器還可以由單個或多個容器、單級或多級、重疊或不重疊的構成，并且含有內部或外部的熱交換器。
對本申請來說，“主要熱源”表示主要目的為直接在一個裝置中做功所產生的熱量，所述一個裝置比如為鍋爐、渦輪機、烘箱、燃燒室、干燥器、熱交換器、反應器或蒸餾柱。這種主要熱源的實例包括但不限制于燃燒熱和直接離開鍋爐的生產用蒸汽。
如在本申請中使用的，“廢熱源”表示由在工廠操作中的一個裝置內由主要熱源已經做的功所產生的具有高熱含量的任何殘留的氣態或液體副產物流，并且其使用的第二目的在于在一個裝置中做功，而不是廢棄。這樣的廢熱源的實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、來自例如渦輪機的廢工業用蒸汽或來自操作設備如壓縮機、反應器或蒸餾柱的廢熱。
對本申請來說，在發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，但重要的是應當理解，本申請還涵蓋構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示出發電用的簡化燃煤發電裝置10。將原煤12收集在煤倉14內，直到需要。然后，通過進料器16供給磨煤機18，在磨煤機18中，煤在一次氣流20的協助下被粉碎成如本領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，它們在二次氣流30的協助下進行燃燒，產生熱。該燃燒反應還產生廢氣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轉變成蒸汽33，蒸汽33傳遞給蒸汽渦輪機34。蒸汽渦輪機34可以更完整地由串連操作性連接的高壓蒸汽渦輪機36、中壓蒸汽渦輪機38和低壓蒸汽渦輪機40組成。蒸汽33通過推動連接到各個渦輪機單元內包含的一系列輪子上的扇狀葉片而做功，所述扇狀葉片被安裝在軸上。當蒸汽推動葉片時，它同時使輪子和渦輪機的軸旋轉。這種旋轉的軸帶動發電機43的轉子轉動，從而產生電45。
將低壓蒸汽渦輪機40排出的蒸汽47傳遞給冷凝器50，在冷凝器50內，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進行循環。另一方面，如圖15-16的情況那樣，在開放式冷卻線路中，冷卻水攜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，冷卻水攜帶的熱被排放到冷卻塔內。
如圖2所示，圖1的發電裝置10的運行效率可以通過提取并利用一些發電裝置的廢熱和副產物流得到提高。燃燒化石的工廠鍋爐通常裝備有空氣預熱器(“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(燃燒室、燃燒器和鍋爐布置)中使用燃燒煤，以將水轉變成蒸汽，然后該蒸汽被用于使蒸汽渦輪機運轉，所述蒸汽渦輪機與發電機操作性連接。熱交換器通常被稱作蒸汽對空氣的預熱機(“SAH”)，使用從蒸汽渦輪機中提出的蒸汽對空氣預熱機上游的一次和二次氣流進行預熱。從渦輪機中提取蒸汽降低了渦輪機(和裝置)的輸出，并且降低了循環的單位發熱量。
典型的APH可能具有再生式(Ljungstrom或Rothemule)或管式設計。SAH被用于保持在APH進口的空氣的高溫，并且保護APH的冷卻端免受因硫酸在APH傳熱表面上沉積所致的腐蝕，以及免受使流動阻力和風機功率要求增加所致的堵塞。越高的APH進口空氣溫度產生越高的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內的酸沉積區域并還降低了酸沉積速率。
因此，在改性系統65內，SAH 70使用提取自中壓蒸汽渦輪機38的工業用蒸汽的一部分71，以分別預熱被傳遞給磨煤機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38時的提取蒸汽71的溫度和SAH70的熱阻限制。而且，一次氣流20和二次氣流30分別通過PA風機72和FD風機74供給三分區(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18的工作效率以及在燃燒室25中工業用熱的生產。此外，可以將冷凝器50排出的水流78循環到鍋爐32中，以再次轉變成工業用蒸汽。蒸汽渦輪機38排出的廢氣27和工業用蒸汽71以及冷凝器排出的水78被成功地用于提高發電裝置65的總體效率，否則蒸汽渦輪機38排出的廢氣27和工業用蒸汽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，則將進一步有利于發電裝置的操作效率。基于經濟基礎，這種初級干燥工藝也能夠使用如次煙煤和褐煤的更低級煤。
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，但是應當理解在本申請的上下文中可以使用任意其它類型的干燥器。而且，完整的煤干燥系統可以由多個串聯或并聯連接的煤干燥器構成，以除去煤中的水分。包含多個相同煤干燥單元的多個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有的發電裝置的設備內，而且是分級地、一次一個地進行安裝并集成。這樣對正常的工廠操作干擾最小。
一個或多個流化床將在較低溫度范圍的露天操作。床內熱交換器與靜態的流化床或固定床設計一起使用，以為煤干燥提供另外的熱量，從而減小必要的設備尺寸。在流化床干燥器具有充足的床內傳熱表面的情況下，流化/干燥氣流可以被降低到相當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)速度。
床內熱交換器用的熱可以直接或間接供給。直接熱供給包括使熱的流化氣流、熱的冷凝器冷卻水、工業用蒸汽、熱廢氣或其它廢熱源中的一部分轉用并且使其通過床內熱交換器。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；由蒸汽渦輪機循環中取出的蒸汽、熱廢氣或在外部熱交換器中的其它廢熱源，之后其通過床內熱交換器。
床容積可以成一整體(參見圖3-7)或被分成幾部份，在此處被稱作“多個級”(參見圖18)。對于使將被燃燒的濕過篩煤在其燃燒的同一位置上進行干燥，流化床干燥器是良好的選擇。單一容器(參見圖8-10)或多個容器中可以包含多個級。多級設計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公開了一種煤干燥床的一個實施方案，即使用直接熱供應的單級、單容器的流化床干燥器100。盡管對于流化床干燥器100，存在多種不同可能的結構安置，但是普通的功能元件包括支承用于流化和輸送的煤的容器102。這種容器102可以是槽、封閉的容器或其它適合的安置。容器102包含分配板104，所述分配板104形成朝向容器102底部的底板(floor)，并且將容器102分成流化床區106和送氣區域108。分配板104可以是穿孔的或被構建成具有適合的閥門裝置，以允許流化空氣110進入容器102的送氣區域108。流化空氣110遍布于送氣區域108中，并且在高壓下強制其穿過分配板104中的開口或閥門，以將放置在流化床區106中的煤12流化。
容器的上部分限定稀相區112。如圖3所示，濕過篩煤12在進口點114進入流化床干燥器100的流化床區106。如所示的，當通過流化空氣110將濕過篩煤12流化時，推動煤水分和淘洗的煤粉116穿過容器102的稀相區112，并且典型地在流化床干燥器100的頂部排出容器。干燥煤120在排放點122從容器102中排出。進口煤進口和出口點的結構和位置、淘洗煤粉的出口、分配板104和容器102的配置都可以根據最佳結果的需要進行改進。
其間，由風機127抽吸環境空氣125，使其穿過由廢工業用熱132加熱的外部熱交換器130。將由穿過外部熱交換器130的循環加熱的流化空氣110的一部分引導到流化床區106中以將濕過篩煤12流化。通過流化熱空氣110(由廢工業用熱132加熱)的殘留轉向穿過床內熱交換器134，形成直接熱供應，加熱流化煤以逐出水分，其中所述床內熱交換器134貫穿流化床106。將從床內熱交換器134中排出的流化空氣110再循環回到風機127以再次循環通過外部熱交換器130并且被其加熱。當流化空氣穿過送氣區域108直接進入流化床區106時，流化空氣110產生一些損失。通過將環境空氣125再次抽吸到循環環路中代替這種損失的空氣。
圖4示出了單級、單容器的流化床干燥器140的另一個實施方案，所述流化床干燥器140與圖3中所示類似，不同之處在于不使用廢工業用熱132加熱外部熱交換器130和床內熱交換器134這兩者。而是，將來自發電廠操作中的其它地方的熱的冷凝器冷卻水142的一部分轉移到床內熱交換器134中以提供必需的熱源。因此，在圖4的流化的干燥器實施方案140中，使用兩種獨立的廢熱源(即，廢工業用熱和熱的冷凝器冷卻水)提高煤干燥方法的操作效率。
圖5還顯示了單級、單容器的流化床干燥器150的另一個實施方案，所述流化床干燥器150與圖4中所述類似，不同之處在于使用從發電廠的蒸汽渦輪機中提取的熱生產用蒸汽152代替熱的冷凝器冷卻水作為用于床內熱交換器134的熱源。再次，流化床干燥器150使用兩種不同的廢熱源(即，廢工業用熱132和熱生產用蒸汽)以提高煤干燥方法的操作效率。
流化床干燥器的另一個實施方案示出在圖6-7中，要求的是使用間接熱供應的單級、單容器的流化床干燥器160。如圖6中說明，通過使用水或其它傳熱液體162為床內熱交換器134提供間接熱供應，然后通過泵166循環穿過床內熱交換器134，所述水或其它傳熱液體162由流化空氣110、熱的冷凝器冷卻水142、叢蒸汽渦輪機循環中提取的生產用蒸汽152或來自在外部熱交換器130中的燃燒室煙囪的熱廢氣168加熱。還可以使用這些熱源(和其它來源)的任何組合。
在圖8中說明了本發明的露天、低溫流化床干燥器設計的又一個實施方案，即使用對床內熱交換器134的直接熱供應(來自發電廠的冷卻塔的熱的冷凝器冷卻水172)的多級、單容器的流化床干燥器170。容器102分為兩級第一級174和第二級176。盡管在圖8中以兩級干燥器的形式得到說明，但是可以加入另外的級并且可以實現進一步的處理。典型地，濕過篩煤12穿過在進口點114處的稀相區112，進口進入流化床干燥器170的第一級174。通過熱的冷凝器冷卻水172預熱并且部分干燥(即，除去表面水分的一部分)濕過篩煤12，所述熱的冷凝器冷卻水172進入容納于第一級174(直接加熱)內部的床內熱交換器164的加熱盤管、在其內循環并且從其中排出。還通過熱流化空氣110將濕過篩煤12加熱并且流化。在被外部熱交換器130中的廢工業用熱132加熱之后，流化空氣110被風機127迫使穿過流化床干燥器170的第一級174的分配板104。
在第一級174中，強行使熱流化空氣流110穿過由分配板104支承并且在其上面的濕過篩煤12以干燥煤，并且使在煤中包含的可流化顆粒和不可流化顆粒得到分離。在床170中，將更重或更密實的不可流化顆粒在床170內析出，，并且收集在分配板104的底部。然后以流1(176)的形式從第一級174中排出這些不可流化顆粒(“切割不足(undercut)”)。通常將流化床干燥器設計成處理在流化床的底部收集的高達4英寸厚的非流化材料。非流化材料可以至多占輸入煤流的25％。可以將這種切割不足流176引入另一種選礦工藝，或可以簡單地將其排出。如圖8中所示，分離的材料沿著分配板104移動到流176的排出點是通過在水平方向上傾斜的分配板104實現的。因此，第一級174分離可流化和不可流化材料，預干燥并且預熱濕過篩煤12，并且給在流化床干燥器170中包含的第二級178提供均勻的濕過篩煤12的流體。來自第一級174的流化煤12氣載溢出第一堰180，到達床干燥器170的第二級178。在床干燥器170的這種第二級中，通過直接熱將流化煤12進一步加熱并且干燥至需要的出口水分含量，其中熱的冷凝器冷卻水172進入包含于第二級178中的床內熱交換器182的加熱盤管、循環并且從中排出以在此輻射顯熱。還通過熱流化空氣110將煤12加熱、干燥并且流化，所述熱流化空氣110在通過外部熱交換器130中的廢工業用熱132進行加熱之后，被風機127強制穿過分配板104進入到流化床干燥器170的第二級178。
干煤流氣載地越過在流化床干燥器170的排出端122的第二堰184排出，而淘洗煤粉116和濕空氣從干燥器單元的頂部排出。。還可以將這種第二級178用于從煤12中進一步分離飛灰和其它雜質。如圖8中所示，經由位于床170的底部(或者適當的其它地方)的多個提取點186和188，以流2(186)和3(188)的形式從第二級178中取出分離的材料。提取點的所需數量可以根據濕過篩煤12的尺寸和其它性質進行改進，所述其它性質不限制地包括不適宜雜質的性質、流化參數和床設計。
通過圖8中所示傾斜的分配板104，或者通過現有的可商購的水平方向的分配板，可以實現將分離的材料移到排出點176、186和188。可以將流1、2和3從工藝中取出并且將其填埋或進一步處理以除去不需要的雜質。題目為“Apparatus and Method of Separating and Concentrating Organicand/or Non-Organic Material”的獨立申請更充分地描述了用于分離并且進一步處理切割不足流176、186和188的應用和方法，該申請與本申請同一天提交并且具有共同的所有人，其全部內容通過引用結合在此。
當流化空氣流110流過煤床170和包含于流化床106的第一級174和第二級178中的濕過篩煤12時，其被冷卻并且被增濕。從在干燥器床煤內部的煤12中可以除去的水分量受制于流化空氣流110的干燥能力。因此，通過床內熱交換器134和182的加熱盤管輸送到流化床106中的熱量增加流化空氣流110的干燥能力，并且降低實現需要的煤干燥度所需的干燥空氣的量。在床內傳熱表面足夠的情況下，干燥空氣流110能夠被降低到相當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/秒的范圍內，但是可以增加速度以在較高值如1.4米/秒下允許，從而保證該過程從來都沒有降低到低于最小所需的速率。
為了達到最大的干燥效率，干燥空氣流110在飽和條件(即，具有100％的相對濕度)離開流化床106。為了防止水分在流化床干燥器170的稀相區112和更遠的下游冷凝，將煤干燥器170設計為出口的相對濕度小于100％。而且，可以將熱流化空氣110的一部分旁通到流化床106的周圍，并且在稀相區112中與飽和空氣混合以降低它的相對濕度(例如，噴射)。備選地，可以在流化床干燥器170的稀相區112內部增加再熱表面，或者可以使用容器外殼加熱或其它技術以增加溫度并且降低離開床干燥器170的流化空氣110的相對濕度，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，因而降低了實現預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機的壓差。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。為了利用更低溫度的廢熱，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，以給床內熱交換器的加熱盤管提供必要的容積。因此，欲達到的目的可以規定本發明的流化床干燥器的精確尺寸和設計結構。
進入和離開干燥器的煤流包括濕過篩煤12、處理過的煤流、淘洗煤粉流116和切割不足流176、186和188。為了處理不可流化煤，干燥器可以配備有洗滌器-加料斗/收集器(collection)以及用于將從流化床的底部移出煤的螺旋輸送機。在如下獨立申請中更充分地公開了這種相關設備，并且這份申請的全部內容通過引用結合在此題目為“Apparatus andMethod of Separating and Concentrating Organic and/or Non-OrganicMaterial”，該申請與本申請同一天提交并且具有共同的所有人。
其中，干燥器的典型的相關組件尤其包括煤輸送設備、煤儲料倉、流化床干燥器、空氣輸送和加熱系統、一個或多個床內熱交換器、環境控制器(集塵器)、儀表以及控制和數據采集系統。在一個實施方案中，使用螺旋推進進料器將濕煤供應給干燥器并且將干煤產物從干燥器中取出。可以使用螺旋進料器控制進料速率并且在進入及離開干燥器的煤流上提供氣鎖。在煤倉上的測壓元件提供進入干燥器內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、空氣濕度計、流量計和應變計。
相對于流化床干燥器，第一級實現了不可流化材料的預加熱和分離。這可以被設計成分離煤的高速率小室。在第二級中，通過水蒸汽和煤之間的分壓差使煤水分蒸發，因而煤得到干燥。在一個優選實施方案中，大部分的水分是在第二級中被除去的。
用于本發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、單級的固定床干燥器。圖9示出了這種帶有直接熱源的干燥器的一個實施方案，但是很多其它布置也是可以的。對于干燥將售賣給其它發電廠或其它工廠的煤，固定床干燥器是一種良好的選擇。這是因為低干燥速率和以下事實的緣故固定床干燥器相對于流化床干燥器需要長得多得停留時間，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中的使用實際上通常是受限制的。在這樣情況下，優質的廢熱源，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，可能更加難于廉價地提供流化床所需要的必要量的流化空氣。
在圖9中所示的安置的情況下，固定床干燥器180具有兩個同心的壁，其中通常的為圓柱形的外壁182和通常的為圓柱形的內壁184限定在外壁182和內壁184之間的空氣流用的環形空間(spatial ring)186。底座直徑小于內壁184的直徑的圓錐形結構188位于固定床干燥器180的底部，在軸向上與內壁184對齊，從而形成用于排出干燥煤192的環狀底板排出口190。
煤(典型而不排它地為濕過篩煤12)在開口頂部194進入固定床180。通過重力將濕過篩煤12吸引到床干燥器180的底部。冷干燥空氣200被風機198抽吸，穿過空氣-對-水的熱交換器202，產生流化氣流196。通過廢熱加熱流化空氣200，所述廢熱在圖9中以從蒸汽冷凝器(未顯示)中提取的熱的冷凝器冷卻水204的形式顯示。如在本申請中描述的所有實施方案一樣，其它廢熱源可以用于本發明的實踐。
流化空氣200穿過圓錐形結構188和在內壁184和外壁182之間形成的環形空間186，進入固定床180的底部。如圖9中所示，將圓錐形結構188和內壁184穿孔，或者另外適當地配置成允許流化空氣196流過容納于固定床干燥器180的內壁184中的濕過篩煤12。流化空氣196通過固定床干燥器180的開口頂部194排出到大氣中。
固定床干燥器180包含床內加熱盤管206。床內傳熱盤管206用熱由廢熱提供，在這種情況下，由熱的冷凝器冷卻水204提供。也可以單獨使用來自其它來源的廢熱或取自蒸汽渦輪機循環的蒸汽或它們的任意組合，或將它們與冷凝器的廢熱204組合使用。當在固定床干燥器180中將濕過篩煤12加熱并且充氣時，通過重力或其它可商購的機械裝置將干燥煤192吸引到干燥器的底部，在此將它通過在固定床干燥器180的底部形成的排出環190排出。
意在將本發明的干燥器床設計進行定制設計，在不使煤暴露在高于300、優選為200-300之間的溫度的情況下(根據將要得到的預期煤、燃料或進料的性質以及與需要的結果有關的其它因素，其它進料或燃料的溫度梯度和流體流量可以變化)，以最大地使用可從各種發電廠生產中得到的廢熱流。在高于300，典型地更接近400時，氧化發生并且從煤中逐出揮發物，從而產生包含需要處理的不需要的成分的另一種流，和工廠操作的其它潛在的問題。
通過將干燥器的空氣進料調節至小于300并且將這種熱量輸入到床內的熱交換器盤管中，干燥器能夠處理更高溫度的廢熱源。流化床干燥器的多級設計形成了多個溫度帶，而所述溫度帶能夠被用于通過加熱介質的逆流來實現更有效的傳熱。來自干燥器床的煤出口溫度較低(典型地低于140)，并且產生了較容易儲存和處理的產物。如果特別的粒狀材料需要更低或更高的產品溫度，則可以將干燥器設計成提供降低或升高的溫度。
選擇合適的干燥器設計、干燥器溫度和包含在床內的煤的停留時間，將使水分降低到所需的水平。對于發電裝置應用的低級煤，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％、更優選27-32重量％。在其它地區市場如采用高達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％，更優選到20-25重量％。在用于發電裝置操作的煤的情況下，盡管在本發明下的合適設計的干燥器工藝能夠利用低溫熱將粒狀材料的水分含量降低到0％，但是這樣可能是不必要的，并且增加了處理成本。按用戶需要設計可以將床建造成將高水分煤干燥到適合于尤其是發電裝置工藝的最佳水平。
對于本發明在工廠操作中利用廢熱選擇的低溫、露天干燥方法，可利用很多種可能的實施選擇。在圖10中以兩級、單容器的流化床干燥器302的形式顯示了一個優選實施方案，所述流化床干燥器302被集成到使用熱的冷凝器冷卻水304和熱廢氣306作為用于干燥操作的唯一熱源的發電裝置300中。將水分含量為35-40重量％的原褐煤12輸送到篩310，以篩選出其大小適合于在所述工藝內處理的煤。將低于2英寸、更優選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處理的煤儲存倉312內。任何大于0.25英寸的過大的煤首先經過粉碎器314，之后將其由通常方式輸送到煤儲存倉312。
然后，通過在本領域中已知的輸送系統，將來自儲存倉的濕過篩煤12輸送到流化床干燥器(dry)302，其中在煤顆粒表面及孔內的總水分降低到預定含量，得到平均水分含量為約28-30重量％的“干燥”煤316。這種所得到的干燥煤316由輸送器318輸送到斗式提升機320，再到干煤儲存料斗322中，并一直保持在所述干煤儲存料斗322中直到鍋爐燃燒室需要為止。
在被輸送到進入燃燒室330用的風箱328之前，通過常規的方式將收集在儲料倉322中的干燥煤316輸送給磨煤機324，在此處，其被粉碎成干燥粉煤326。對于本發明來說，為圖10所示的煤干燥工藝提供了4百萬磅/小時的鍋爐容量用的在美國北達科他州的“冬季條件”的典型工藝參數。通過煤326在燃燒室330中燃燒，將在60億BTU/小時范圍內的所得熱量傳遞給容納在鍋爐334內的水332。然后，將平均溫度為1000且壓力為2,520psig的蒸汽336傳到所使用的一系列高壓、中壓和低壓蒸汽渦輪機(未示出)中的第一個，以驅動至少一個用于產生電的發電機(未示出)。廢蒸汽典型地將在600和650psi下離開高壓渦輪機，并且在約550-600和70psi下離開下游的一個或多個中壓渦輪機。
之后，將在約125-130和1.5psia下從低壓渦輪機中排出的廢汽338輸送到冷凝器340中，在此將它轉變成水。將約85的冷的冷卻水342循環通過冷凝器340，以從廢汽338中取出潛熱能。在本方法中，冷卻水342變得更熱并且以約120的熱冷卻水344的形式從冷凝器中排出。然后，將這種熱的冷凝器冷卻水344通到冷卻塔346中，在此將它的溫度再次降低至約85，以產生用于再循環到冷凝器340中的冷的冷凝器冷卻水。之后，將來自冷凝器的冷凝蒸汽再循環通過鍋爐334，以再熱為再次用于驅動蒸汽渦輪機的蒸汽336。
流化床干燥器302由第一級350和更大的第二級352組成，其中所述第一級350具有接收將要干煤12的70英尺2的分布區，所述第二級352具有245英尺2的分布區。流化床干燥器302的這些級分別配備有將在下面更詳細地論述的床內熱交換器354和356。
將熱的冷凝器冷卻水的一部分304被轉用并且通過熱交換器354循環，以給干燥器的第一級350提供直接熱源。這種熱的冷凝器冷卻水304典型地平均為120，并且導致第一級床內熱交換器輻射250萬BTU/小時的熱量。在約100時從熱交換器中排出的廢棄的熱冷凝器冷卻水358返回到冷凝器中，因此它有助于將廢棄的渦輪機蒸汽358冷卻下來，并且再次變成熱的冷凝器冷卻水304。
熱的冷凝器冷卻水的一部分304a循環通過外部熱交換器360，用于加熱二醇基循環流體362，所述循環流體362被用于加熱初級風機室盤管(preliminary fan room coil)364。這種初級風機室盤管364將一次空氣流366和二次空氣流368的溫度從一年時間都在變化的環境溫度升高至約25-30(冬季條件)。二醇在低溫下不會凍結，因而它確保一次和二次空氣流同樣不會降低到低于25的最低溫度。
然后，將離開初級風機室的盤管364的一次空氣流366和二次空氣流368通到構成空氣-水熱交換器單元的主風機室盤管370。將熱的冷凝器冷卻水304的一部分304b循環通過主風機室盤管370，以提供必需的熱源。一次空氣流366和二次空氣流368在約80-100下從初級風機室盤管中排出，因此，通過分別為140和112的PA風機372和FD風機374將它們輸送到外部空氣加熱器376中，所述外部空氣加熱器376構成三分區的、旋轉再生式空氣預熱器。
使用風機室盤管364和370分別預熱空氣預熱器62的進口空氣以及熱和冷的一次空氣流380和366a，將可用于外部熱交換器386的熱量和傳熱流體流388的溫度從120度的范圍升高至高于200度的范圍。這對流化/干燥空氣352和床內熱交換器356的需要表面積具有積極的影響。兩者隨干燥和加熱流的溫度增加而降低。
在外部空氣預熱器376之前，將一次空氣366的一部分366a轉移到約為145的混合箱378中。在與一次空氣的更熱流380a(約為283)混合之后，它形成約187的流化空氣382，所述流化空氣382用作流化床干燥器302的第一級350和第二級352的流化介質。為了達到這種187的流化空氣溫度，約54％的進入混合箱378的空氣將由熱PA空氣380a提供，而46％將由冷PA空氣366a提供。流化空氣382以約3.5英尺/秒的速度進入第一級350，以將約40英寸厚的煤顆粒床流化。煤顆粒12以約132,000磅/小時橫穿第一級350，其中它們被床內熱交換器354和流化空氣加熱到約92，并且并且水分得到了少量降低。在到達第一級350的端部時，它們將溢出堰的頂部進入第二級352。
廢氣306在約825下從鍋爐燃燒室330中排出。這種廢熱源穿過外部空氣加熱器376以提供加熱介質。廢氣在約343下從外部加熱器中排出，并且經過沉淀器和洗滌器被排出到煙道。但是，在本方法中，廢氣將一次空氣流366和二次空氣流368分別加熱至約757和740，以形成熱一次空氣380和加熱的二次空氣382。將加熱的二次空氣流382以幫助燃燒過程并且提高鍋爐效率所需的約117％輸送到燃燒室330中。
將約757的熱一次空氣380輸送到磨煤機324中，因此它形成將粉碎的煤顆粒推動到風箱328和燃燒室330中的正壓源。再次，以這種方式預熱粉碎的煤顆粒326，提高了鍋爐效率，并且使得能夠使用更小的鍋爐和相關設備。
在干煤的情況下，由于更低的水分蒸發損耗，因此火焰溫度更高，并且改進燃燒室25中的傳熱過程。火焰溫度越高，導致對燃燒室25的壁的輻射熱通量(heat flux)越大。因為排出的廢氣27的水分含量降低，所以火焰的輻射性能得到改變，從而還影響對燃燒室25的壁的輻射通量。在更高的火焰溫度的情況下，從燃燒室25中排出的煤灰顆粒的溫度更高，從而可以增加燃燒室的污垢和結渣。爐渣在燃燒室壁上的沉積降低傳熱，并且在燃燒室出口導致更高的廢氣溫度(FEGT)。由于煤流量隨燃料水分減少而降低，進入鍋爐的灰量也將降低。這樣減少了鍋爐32中的固體顆粒腐蝕以及鍋爐32的維修(例如，需要除去積聚在鍋爐內表面上的煙灰)。
將熱一次空氣流380的一部分輸送到熱交換器386中，所述熱交換器386將液體介質388加熱到約201，所述液體介質388用作床內熱交換器356用的熱源，所述床內熱交換器356容納于流化床干燥器302的第二級352中。這種液體介質在約160下離開該熱交換器，因此將它送回到熱交換器386中以進行再熱。如上面已經描述，在約283下離開熱交換器386的一次空氣流380a與冷一次空氣366a在混合箱378中結合，以形成引導到流化床干燥器302中的流化氣流382。這種混合箱允許將流化空氣的溫度調節到需要的水平。
在約92下從第一級350輸送到流化床干燥器的第二級352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382流化并且進一步被床內熱交換器356加熱。這些煤顆粒沿流化床的第二級352的長度通過需要約12分鐘，因此將它們以約118和29.5重量％的水分的干燥煤316的形式排出。更重要的是，進入干燥器302的第一級的煤12的的熱值已經從約為6200BTU/磅增加至約7045BTU/磅。
在工業上，計算“X比率”，以表示通過空氣加熱器376的熱從廢氣306到一次空氣366和二次空氣368的相對傳遞效率。由如下等式表示mPA+FD·cpPA+FD·(T出-T進)PA+FD＝m廢氣·cp廢氣·(T進-T出)廢氣式中，m是質量流量，cp是比熱，分別地，T進是相應燃燒空氣(即，一次空氣和二次空氣)和廢氣流的進口溫度，而T出是出口溫度進口。因為燃燒空氣流的乘積(m-cp)典型地只有廢氣流的相應值的80％，這意味著在發電廠的通常情況下，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得到的溫度的80％。然而，根據本發明，通過降低煤的水分含量，由此使在燃燒室中的煤產物的燃燒所產生的廢氣的水分含量得到降低，廢氣流306的質量流量和比熱值將得到降低，同時通過風機室盤管364和370將一次空氣流366和二次空氣流368預熱，將增加燃燒空氣流的質量流量。這將導致X比率增加到100％，由此極大地提高了發電裝置操作的鍋爐效率。而且，干燥器系統根據本發明的原則的周到設計可以進一步將X比率提高到約112％，由此使鍋爐操作對于發電更有效。此外，通過利用在發電裝置操作內可獲得的廢熱源，已經實現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，這樣能夠在協同的基礎上改善發電裝置操作的經濟性。
重要的是應理解，對圖10-12中所示的流化床干燥器安置可以進行各種改變。例如，可以使用在發電廠中可利用的其它廢熱流，如離開渦輪機的廢生產用蒸汽代替熱廢氣或熱的冷凝器冷卻水流。而且，可以將獨立的混合箱接入到用于將流化空氣輸送到流化床的第一和第二級中的管道(line)內，以允許獨立調整和控制各種流化流的溫度。此外，可以使用兩分區或外部空氣加熱器，其中通過一側的一次和二次空氣流由通過另一側的熱廢氣加熱。在需要時，可以在熱一次空氣流中安置蒸汽空氣預熱器(“SAH”)，以在所述熱一次空氣流到達混合箱之前進一步增加它的溫度。可以通過從蒸汽渦輪機循環提取的蒸汽或工廠內可利用的其它廢熱源提供這種SAH的熱輸入。又一種變化是在廢氣從空氣預熱器中排出之后，在其通道中安置低溫節能(economizer)熱交換器，以加熱循環流體，所述循環流體對到達外部空氣加熱器之前的一次和/或二次空氣流進一步提高的熱量。
與圖10相比，圖11所示為流化床干燥器302被略微不同地結合到發電裝置300中，其中對相同元件給出相同標記以易于理解。還使用熱的冷凝器冷卻水304加熱用于初級風機室盤管364和主風機室盤管370的二醇加熱器360，所述二醇加熱器360轉而共同預熱一次空氣流366和二次空氣流368，之后，所述熱一次空氣流366和二次空氣流368在外部空氣加熱器376中通過廢氣306將它們加熱以產生熱二次空氣382和熱一次空氣380。。還引導冷一次空氣流366a穿過混合箱378以控制流化空氣的溫度，所述流化空氣被引導穿過流化床干燥器的第一級350和第二級352的底部。然而，使用在熱交換器386中加熱的循環液體介質388，作為第一級350中的床內熱交換器354和第二級352中的床內熱交換器356所用的加熱介質。與圖10中所示的安置不同，熱的冷凝器冷卻水304不用作第一級350中的床內熱交換器354所用的加熱介質。圖11的這種實施方案允許將更高溫度的熱量引導到流化床干燥器302內的兩個熱交換器中，并且提高整個干燥系統的彈性。
圖12顯示了流化床干燥器302和發電裝置300的又一種略微不同的安置。如同圖11，將共用廢熱源用于容納于流化床干燥器302的第一級350和第二級352中的兩個床內熱交換器。然而，與其中使用從外部空氣加熱器376中排出的熱一次空氣380加熱熱交換器循環液體388的圖11相比，在圖12中不同的是，這種循環液體388是通過從外部空氣預熱器376中排出的廢氣流402在熱交換器400內部進行加熱的。以這種方式，可以將循環液體388加熱至約200-300以在床內熱交換器354和356中使用。此外，還優選圖12的這種實施方案，因為它能夠進一步在生產上使用廢氣流的熱含量，并且提供干燥器系統設計的更大彈性，從而與圖10和11所示的實施方案相比，使得在得到相同或更好的干燥性能方面更有效。
盡管之前在圖2中已論述使用從蒸汽渦輪機中提取的熱廢氣27和熱蒸汽71來提高發電裝置65的效率，但是其它的備選安置也是可以的。在圖13中，例如，顯示了具有三分區旋轉再生式空氣預熱器的封閉式冷卻線路的另一個實施方案。在這種情況下，對于這種目的，將熱的冷凝器冷卻水55的一部分送到熱交換器70中的加熱盤管中，代替來自蒸汽渦輪機的轉用廢蒸汽71以作為用于熱交換器70的熱源，所述熱交換器70用于預熱到達空氣加熱器76之前的一次空氣流20和二次空氣流30。
同時，圖14顯示了圖13安置的一個備選實施方案，在所述圖13的安置中，使用了熱的冷凝器冷卻水54加熱熱交換器70。然而，在這種情況下，使用兩分區旋轉再生式空氣預熱器420進一步加熱從預備熱交換器70中排出的一次和二次空氣流。將單一的空氣流418通過兩分區空氣預熱器420的一側，并且引導熱廢氣27穿過另一側以提供加熱介質。所述進一步加熱的空氣流422將空氣預熱器420的下游分成獨立的一次空氣流424和二次空氣流426。將一次空氣流424輸送到磨煤機18中，以提供被輸送到燃燒室25中的粉碎煤所用的正壓，從而預熱在處理中的粉碎煤。將二次空氣426送到在燃燒室25之外(off)的風箱428，隨后它進入燃燒室以促進煤在燃燒室內部的燃燒。
在圖15中說明了具有三分區旋轉再生式空氣預熱器的開放式冷卻線路。所述固定煤(coal-fixed)發電裝置的安置與圖13中所述類似，在圖13中，使用熱的冷凝器冷卻水加熱預備熱交換器70。然而，在這種情況下，開放式冷卻線路代替冷卻塔56使冷凝器50冷卻。此外，使用冷凝器內的熱交換器440，以利用廢熱對進口進行預熱的。將獨立的熱交換器440安置在其內安置的冷凝器管(未顯示)上面的蒸汽冷凝器50的外殼內。這種設計提供熱循環水442，所述熱循環水442在溫度方面略高于通常離開冷凝器50的流的熱冷凝器冷卻水54，并且具有高得多的水純度。
將離開冷凝器內熱交換器440的熱循環水442用泵抽到空氣-對-水的預備熱交換器70中，以使一次空氣流20和二次空氣流30在它們到達三分區空氣預熱器76之前進行預熱。在熱交換器70的加熱盤管內釋放它的顯熱之后，冷卻器冷循環水444流回到冷凝器內熱交換器440中，在此它被引入的廢渦輪機流再加熱。
在開放式系統中，使用來自湖泊或河流的冷的冷卻水446在蒸汽冷凝器50中冷凝廢渦輪機蒸汽。熱量從蒸汽傳輸至冷的冷卻水446之后，以熱的冷卻水448的形式從蒸汽冷凝器50中排出，并且通常將其排放到同一湖泊或河流中。
在進口空氣預熱溫度需要比通過冷凝器內熱交換器440可以達到的進口空氣預熱溫度更高的情況下，如圖16所示，可以增加輔助的熱交換器450以提高空氣預熱溫度。將離開三分區空氣預熱器76的廢氣27的一部分452轉移到輔助的熱交換器450中，以提高離開冷凝器內熱交換器440的熱循環水442的溫度。然后，這種更熱的循環水454提供顯熱給預備空氣熱交換器70的加熱盤管。離開輔助的熱交換器450的冷卻的廢氣流456與離開空氣預熱器76的主廢氣流27結合。
當然，可以用圖15-16中所示的三分區空氣預熱器代替圖14中所述的兩分區空氣預熱器。許多其它的空氣預熱器安置都是可以的，并且可以示例性地包括管狀空氣預熱器，其中組合的一次和二次空氣流20、30流過該管式設計的空氣預熱器；以及管式和旋轉式空氣預熱器的組合，其中在管式空氣預熱器中加熱一次空氣流20，同時在兩分區旋轉式空氣預熱器中加熱二次空氣流30。而且，可以使用在工業上可得到的板式熱交換器設計代替管式空氣預熱器設計。進口空氣預熱盤管的實現與上述類似。
圖17示意性地說明了本發明，其包括兩級流化床干燥器500、水-對-空氣預熱器502和空氣-對-空氣(廢氣-對-一次和二次空氣)預熱器504。將一次空氣流20和二次空氣流30在熱交換器502，即廢氣-對-一次、二次空氣的熱交換器中加熱。因為流化床干燥器不在管線內，所以不將一次空氣傳輸到流化床干燥器系統中。這反映在圖17中的506和508所示的0％傳遞。另外，圖17反映出熱的冷凝器冷卻水的流量為零。
圖18的安置與圖17中所示相似，不同之處在于熱的冷凝器冷卻水304流過預熱器502，并且流化床干燥器500在線上。還顯示了一次空氣的溫度梯度、流量和流量百分比。具體而言，熱的冷凝器冷卻水304流過預熱器502以使一次空氣流20和二次空氣流30變溫熱。一次空氣風機372將在熱交換器502上游的35％的一次空氣流20引導至混合箱510中。一次空氣流20從混合箱510進入流化床干燥器500的第一級512和第二級514。將在熱交換器502的下游存在的一次空氣20的那部分引導到空氣-對-空氣熱交換器504中。將從熱交換器504中排出的約65％的一次空氣引導到熱交換器516中。傳遞液體518用于熱交換器516中并且將需要的熱量從一次空氣流20引導到床內盤管520和522中。通過廢氣306將熱量輸送給熱交換器507。
在流化床干燥器500不在線(圖17)和在線(圖18)的情況下，圖17和18中所示的溫度梯度和流量是燒煤能量裝置的一個實施方案的指標，其中該裝置使用了所說明的熱交換器/流化床干燥器配置。
參考圖8，可以使用工業上已知的顆粒控制設備，如集塵器(袋濾捕塵室(bag house))357，或與旋風分離器組合的靜電沉淀器從離開床干燥器170的空氣流116中除去淘洗煤粉。可以將通過顆粒收集裝置收集的淘洗的粒流和來自床106的底部的提取流176、186和188與產物流316混合，輸送到磨煤機324中，并且在燃燒室330中燃燒。備選地，可以處理這些淘洗和提取流以除去不需要的雜質并且提高它們的值。
通過顆粒控制設備收集的淘洗顆粒600通常在尺寸方面很小并且富含飛灰、硫和汞。圖19是顯示通過使用產生活化碳604的活化蒸汽602除去汞的方法的示意圖。如圖19所示，將淘洗顆粒流600在流化床加熱器或輕度的氣化器606中加熱至等于或高于400的溫度以使汞蒸發。被強制通過流化床608的流化空氣608將汞驅逐到頂上流610。通過現有的可商購的汞控制技術，例如，通過注入到空氣流中的活性炭可以除去在頂上流610中的蒸發汞，或者可以使載汞空氣流610穿過如圖19所示的活性炭床。因為處理流610中的汞濃度比離開燃燒室330的廢氣306高得多，并且需要處理的空氣流的總體積相對于離開燃燒室的廢氣很小，所以這將是很有效的除汞方法。可以使用冷卻流體616循環通過的熱交換器614使熱的無汞流618冷卻。可以在冷卻過程中獲得熱量并且將其用于預熱到預熱流化床加熱器或輕度的氣化器606的流化空氣620，。無汞煤粉622可以在燃燒室330中燃燒，或者如圖19所示，可以被蒸汽602活化以產生活性炭604。產生的活性炭604可以用于在煤干燥場所的汞控制或者可以被出售給其它的燃煤發電站。
圖20說明了用于使淘洗煤粉600氣化的方法。使淘洗顆粒流600在流化床氣化器700中與流化空氣702組合氣化。氣化器典型地在較高溫度如400下使用，以逐出可燃燒氣體和揮發物。使產物氣體流704在燃燒渦輪機706中燃燒，所述燃燒渦輪機706由燃燒室708、壓縮機710、氣體渦輪機712和發電機714組成。在流化床氣化器中殘留的焦炭716將是無汞的，并且可以在現有的燃燒室330中燃燒或者通過蒸汽718進行處理以制備活性炭720。
提取流還可以富含硫和汞。可以從處理中取出這些流，并且將其填埋或以與類似淘洗煤粉流的方式進一步處理，以除去不需要的雜質。
使用本系統得到許多優點。所述工藝允許從多種來源獲得廢熱，所述多種來源包括熱的冷凝器循環水、熱廢氣、生產提取蒸汽和可以在干燥處理中所用的可接受溫度的寬范圍內利用的任何輔助熱源。所述工藝通過幾乎無成本地將風機室(APH)加熱50至100，能夠更好地利用熱的冷凝器循環水廢熱，從而減少顯熱損失并且從空氣預熱器中排出的出口一次和二次空氣流20、30中提取熱量。還可以通過使用空氣預熱交換器直接從廢氣中提取這種熱量。這導致干燥器空氣流量與煤流量比率和需要的干燥器的尺寸得到顯著降低。
通過調節床的差異(differentials)和集塵器風機的容量，干燥器可以被設計成利用現有的風機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。披露的實施方案節省了一次空氣，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來研磨煤并且對于磨機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上游的煤處理系統中，鍋爐系統將得益于進入磨機的煤進料溫度的升高，因為煤在高溫下離開干燥器。預期廢氣溫度、在床干燥器中的停留時間、廢氣水分含量和更高的洗滌速率的變化都顯著影響汞從裝置中排出。
對到APH的進口空氣的預熱的優點是升高了在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。這樣將對風機功率、單位容量和單位性能產生積極的影響。使用來自冷凝器的廢熱代替提取自蒸汽渦輪機的蒸汽對進入APH的空氣進行預熱，將使渦輪機及單位輸出功率增加，以及使循環及單位性能得到改善。升高在APH進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，將對強迫通風和誘導通風的風機功率產生積極的影響，這將導致降低廠用電用量，提高凈單位功率輸出以及改善單元性能。對于使用冷卻塔的發電裝置，使用廢熱對進入APH的空氣進行預熱，將降低冷卻塔的熱負荷，并且導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中的水損耗，從而產生更高的鍋爐效率。在鍋爐系統中更低的敏感氣體損耗，產生更高的鍋爐效率。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。還存在煤導管腐蝕(例如，由煤、微粒和空氣在導管內引起的腐蝕)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(預先從蒸汽渦輪機循環分流的水不受影響)；空氣預熱器冷端的污垢和腐蝕較低；廢氣導管的腐蝕較低；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-除去污染物的裝置，從而提供煤的預燃燒處理。可以利用本發明去處理其它原料和燃料的溫度等級和設計結構有無窮的排列。
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循環的工業用熱的現有系統需要大得多的床。在本發明中材料得到了分離。這樣可以得到更大的干燥效率。現有布置可以以靜態(流化)床干燥器或固定床干燥器的方式使用。在兩級干燥器中，可以調節第一和第二級之間的相對速率差。可以有不同的溫度梯度，并且在不同級中加熱范圍的彈性不同，以使所需結果最佳化。在一個多級流化床布置中，存在沒有被流化的材料的分離、再燃燒和氧控制。在第一級中，其一個實施方案中代表20％的干燥器分配表面積，抽出了更多的氣流、汞和硫濃度。由于兩級床干燥器可以是更小的系統，因此所需的風機功率更小，這樣就非常節省電消耗。干燥煤時的一個重要的經濟因素是所需風機的馬力。本發明可以結合使用洗滌箱。所述系統還提供用于再燃燒的淘洗或污染物的氧氣控制。
從系統的觀點看，磨損和撕裂較小，煤處理傳輸器和粉碎機的維修較低，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，發電裝置容量可以增加，洗滌器和排放物將得到改善。
與濕粉碎煤相比，離開燃燒干燥的粉碎煤326的燃燒室330的廢氣306的流量降低。而且，由于在干燥的粉碎煤326中較低的水分含量，因此廢氣306的比熱較低。結果降低廢氣306的熱能，并且需要更小的環境處理設備。廢氣306的流量降低還導致對流傳熱的速率降低。因此，盡管使用干煤使FEGT得到增加，但是傳遞給在鍋爐334中的工作流體(水或蒸汽，未示出)的熱更少。對于具有固定傳熱幾何形狀的鍋爐，熱的再加熱蒸汽(被回收的循環工業用蒸汽)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償增加再加熱器(未示出)的表面積或改變鍋爐的運行條件，比如增加燃燒器的傾角(熱被應用到鍋爐的角度)或用更高等級的過量空氣運轉。可以設計新的鍋爐，以降低廢氣306穿過對流煙道(廢氣穿過燃燒室的出口路徑)的流量，從而在通常運轉條件下實現所需的蒸汽溫度。這樣將進一步減小尺寸和結構成本。
通過燃燒干煤，由于強制通風(FD)、誘導通風(ID)和一次空氣(PA)風機的功率降低以及磨機功率降低，因而廠用電力將降低。燃燒干煤所致的較低的煤流量、較低的空氣流動要求和較低的廢氣流量的結合，將使鍋爐系統的效率和單位發熱量得到改善，這主要是由于煙道損耗較低以及磨機和風機的功率較低的緣故。這種性能的改善將使發電裝置容量在現有設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境控制系統的性能(洗滌器、靜電沉析器和汞捕捉裝置)將因使用干煤時由于較低的廢氣流量和增加的停留時間而得到改善。
燃燒干煤還對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化為NOx、CO2、SO2和微粒的排放質量的降低。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。這將導致NOx的排放率降低。
對于裝備有濕洗滌器的發電機組，由于降低了空氣預熱器的氣體出口溫度，因而可以降低由燃燒干煤所產生的汞排放，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。降低燃料水分將導致更低的廢氣的水分含量，這將促進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。
當煤穿過所述系統的這種受限部分時，煤中水分含量降低的優點包括干煤更易于粉碎，并且實現相同的研磨大小(煤細度)需要的更小的磨機功率；提高了磨機出口溫度(在磨機出口處，煤和一次空氣的混合物的溫度)；煤在將其輸送到燃燒室24的煤管中得到更好的輸送(較少堵塞)。此外，對于煤的干燥和輸送，需要較少的一次氣流20。較低的一次空氣速率對在磨煤機324、煤管、燃燒器和相關設備中的腐蝕產生明顯的積極影響，這樣降低煤管和磨機的維修費用，對于燒褐煤的裝置來說，這兩者的維修費用是非常高的。
使用干煤，燃燒室330中的火焰溫度由于水分蒸發損耗較低而較高，并且熱傳遞過程得到改善。更高的火焰溫度對燃燒室330的壁產生更大的輻射熱通量。由于出來的廢氣306的水分含量被降低，因此火焰的輻射性質被改變，這也影響了對燃燒室330的壁的輻射通量。使用越高的火焰溫度，離開燃燒室330的煤灰顆粒的溫度越高，這能夠增加燃燒室的污垢和結渣。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，進入鍋爐的灰的量也被降低。這樣降低了在鍋爐32中的固體顆粒腐蝕，并且減少了用于鍋爐32所需要的維修(例如，除去被收集在鍋爐內表面上的煤煙)。
相比于濕粉碎煤，離開燒干粉碎煤326的燃燒室330的廢氣306的流量被降低。較低的廢氣速率通常允許減小環境控制設備的大小。而且，由于干粉碎煤326中的水分含量較低，因此廢氣306的比熱較低。結果是降低了廢氣306的熱能。廢氣306的較低流量還導致對流傳熱的速率較低。因此，盡管使用干煤使FEGT得到增加，但是傳遞給在鍋爐系統的對流傳遞中的工作流體(水或蒸汽)的熱更少。
由于經濟原因，無需將煤完全干燥，也不推薦這樣，因為將總燃料水分的一部分除去就足夠了。除去水分的最佳分數取決于現場的具體條件，比如煤的類型及其特性、鍋爐設計和商業布置(例如，干燥燃料對其它發電裝置的出售)。廢工業用熱優選地，但不是獨占性地用于在床內熱交換器中使用的加熱和/或流化(干燥，流化空氣208)。如所示的，可以在一級或多級中直接或間接供應這種熱量。
如下實施例進一步說明構成本發明的一部分的使用廢熱源的低溫煤干燥方法。
實施例I-水分減少對提高褐煤的熱量(heat volume)的影響煤試驗燃燒在北達科他州的Great River Energy’s Coal Creek Unit 2進行，以確定對單元操作的影響。褐煤通過露天儲存煤的干燥系統進行干燥，以用于本試驗。結果在圖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21所示，這些結果與理論預期非常接近。更重要地，褐煤水分含量降低6％使煤燃燒時的凈單位發熱量提高了約2.8％，而水分降低8％，則使褐煤的凈單位發熱量提高了約3.6％。這種結果表明煤干燥事實上提高了其熱值。
實施例II-水分減少對煤組成的影響PRB煤以及褐煤的樣品都進行化學和水分分析，以確定它們的元素和水分組成。結果在下表1示出。可以看出，煤的褐煤樣品表現為平均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“按來樣計算”值，進行“元素分析”，以計算這些元素組成值的校正值，這些也都示出在表1中。表1可清楚看出，煤樣品的化學組成和水分含量得到顯著改變。更具體地對于20％的水分情況，褐煤和PRB煤的樣品表現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(但不是在絕對的基礎上？)。正如重要地，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

實施例III-水分含量對煤熱值的影響使用表1的組成值，并且假定570MW的發電裝置釋放825廢氣，進行元素分析計算，以預測這些煤樣品在從5％到40％的不同水分含量下的HHV熱值。結果在圖22示出。可清楚看出，HHV值和水分含量之間存在線性關系，其中水分含量更低時，HHV值更高。更具體而言，PRB煤樣品的HHV值在5％水分下產生11,300BTU/lb，在20％的水分下產生9,541BTU/lb，在30％的水分下只產生8,400BTU/lb。而，褐煤煤樣品的HHV值在10％水分下產生9,400BTU/lb，在20％水分下產生8,333BTU/lb，而在40％下只產生6,200BTU/lb。這表明，通過使煤在鍋爐燃燒室中燃燒之前進行干燥，可以提高鍋爐效率。而且，在鍋爐中產生相同的熱量需要更少的煤。
實施例IV-煤水分含量對發電廠效率的影響對于本實施例IV來說，使用四種不同的干燥器系統配置(A、B、C和D)。這些配置如下配置A基本方案(BC)使BC選項與發電廠裝置緊密地結合。如在圖23中更充分地顯示，它涉及使用三分區旋轉再生式空氣預熱器(APH)、用于預熱一次和二次空氣流的熱交換器、流化床干燥器和用于加熱床內熱交換器用的傳熱介質的熱交換器。在這種配置中，使用APH增加廢熱的溫度水平。
使用來自蒸汽冷凝器的廢熱預熱一次空氣(“PA”)、二次空氣(“SA”)和流化空氣(“FA”)流。這通過如下方法實現將來自其余的流一小部分熱的冷凝器冷卻水轉移，并且使它通過水-對-空氣熱交換器，在該空氣熱交換器中將PA、SA和FA流預熱至約100的溫度。然后將冷的冷卻水循環回到塔中。這降低冷卻塔負荷，并且減小冷卻塔需要的水量。
預熱的PA和SA流流到PA和FD風機中，并且穿過APH的一次和二次空氣部分。將在APH的SA部分中加熱的SA流輸送到鍋爐風箱中，在此處將它分送到燃燒器中。在APH的下游提取在此被稱為“熱PA”的PA的一部分。冷PA流的溫度在140的范圍，而熱PA溫度在750的范圍。將PA的其余部分輸送到煤粉碎機中。
所述熱PA流通過空氣-對-水熱交換器，在此處它將熱傳遞給流體，即在這種情況下的水。所述熱水通過床內熱交換器循環，從而將熱傳遞給流化床。在通過熱交換器之后，所述熱PA流在200-240的范圍內。正如名稱暗示，所述FA流使在流化床干燥器中的煤流化并且干燥。
對于固定幾何結構即，給定的分配區域的干燥器，FA的量(即，冷和熱PA流之和)恒定。在BC配置中，通過改變熱PA流量和冷PA流量的比例，可以控制FA流的溫度。隨著熱PA流量增加，床內熱交換器可得到的熱的量增加。這增加從流化床干燥器內的煤中可以除去的煤水分的量。當以熱PA流的形式輸送干燥器需要的所有FA時，煤干燥得到最大實現。這種操作方式導致床內熱交換器管的最高表面溫度和最高的床溫度。
隨著熱PA流量增加，通過APH的PA量和總空氣流量(PA+SA)得到增加。通過APH的空氣流量的這種增加導致離開APH的廢氣溫度降低，轉而導致煙囪損失降低并且導致鍋爐和裝置(unit)效率增加。因此，與在將干煤輸送到發電廠中并且在沒有就地干燥的情況下燃燒時的情況相比，在BC安置的情況下的性能提高更高。
因為這些典型地配備有三分區的APH，所以BC選項最可能用于使現有燃燒高水分褐煤或PRB煤的發電站得到改進或重新設計。
配置B高溫(HT)方案與BC選項相比，HT選項與發電廠設備結合較不緊密。如在圖24中更充分地顯示，將FA流與PA流和SA流分開。HT方案涉及兩分區APH、用于預熱PA/SA流和FA流的熱交換器、流化床干燥器(“FBD”)風機、流化床干燥器以及通過使用高溫廢氣加熱床內熱交換器用的FA流和水的熱交換器。
與BC方案類似，使用來自蒸汽冷凝器的廢熱預熱PA+SA和FA流。這通過如下方法實現將來自其余流的一小部分熱的冷凝器冷卻水轉移，并且使它通過水-對-空氣熱交換器，在該熱交換器中PA+SA和FA流被預熱至約100的溫度。然后將冷的冷卻水循環回到塔中。這降低冷卻塔負荷，并且減小冷卻塔所需要的水量。
預熱的主(PA+SA)流流過FD風機中，然后穿過其中將它們進一步加熱的APH。將PA流與SA流分離，并且輸送到煤粉碎機中。將SA流輸送到鍋爐風箱中，在此處它被分送到燃燒器中。
使預熱的FA流通過FGD風機，在此它的壓力增加至約40”。然后所述FA流通過空氣-對-水熱交換器，將它的溫度增加至200-240的范圍。然后將加熱的FA流輸送到使煤流化并且干燥的流化床干燥器中。在以串聯排列安置的水-對-水熱交換器中加熱床內熱交換器用水。
從在APH的上游的熱廢氣中提取用于兩種熱交換器的熱，在這種情況下，使用水或其它適合的液體作為傳熱介質。其它更簡單的安置也是可以的。例如，通過將上述三種熱交換器結合成一種組合的熱交換器，可以消除傳熱介質。在這種配置中，FA流在組合熱交換器的廢氣-對-FA部分加熱，并且床內熱交換器用水在組合熱交換器的廢氣-對-水部分中加熱。然而，對于這種分析，熱交換器安置的詳情不重要。
在通過熱交換器之后，更冷的廢氣流過其中將它進一步冷卻的兩分區APH。作為這種熱交換器配置的結果，與其中在APH上游沒有熱提取的情況相比，離開APH的廢氣的溫度更低。然而，因為進入APH的PA+SA流是通過使用來自冷凝器的廢熱預熱的，所以在APH的冷端的金屬基體的溫度不太低，因而沒有因硫酸沉積導致腐蝕增加以及傳熱表面堵塞增加。
預期與BC配置相比，可以通過HT配置實現的性能提高更小。初步計算結果證實了這點。而且，因為可以將FA加熱至類似于BC配置的溫度，所以流化床干燥器的尺寸將與BC配置類似或相同。
在最初為東部煙煤(“EB”)設計，但是為了降低排放和/或操作成本，而不燃燒Powder River Basin煤(“PRB”)或PRB/EB煤混合物的發電廠，最可能改進HT配置。
配置C低溫(LT)方案LT配置與HT選項類似。如在圖25中更充分地顯示，主要差別是從在APH下游的廢氣中提取用于預熱FA流的熱量。將FA流與PA和SA流分離。LT配置還涉及兩分區APH、用于預熱PA/SA和FA流的熱交換器、FBD風機、流化床干燥器以及通過使用低溫廢氣加熱床內熱交換器用的FA流和水的熱交換器。
與BC和HT配置類似，使用來自蒸汽冷凝器的廢熱預熱PA+SA和FA流。這通過如下方法實現將來自其余流的一小部分熱的冷凝器冷卻水轉移，并且使它通過水-對-空氣熱交換器，將PA+SA和FA流預熱至約100的溫度。然后將冷的冷卻水循環回到冷卻塔中。這降低冷卻塔負荷，并且減小冷卻塔所需要的水量。
預熱的主(PA+SA)流流過FD風機，然后穿過其中將它們進一步加熱的APH。將PA與SA分離，并且輸送到煤粉碎機中。將SA流輸送到鍋爐風箱中，在此它被分送到燃燒器中。
使通過來自蒸汽冷凝器的廢熱預熱的FA流通過FBD風機，將它的壓力增加至約40”。然后使高壓FA流通過空氣-對-水熱交換器，將它的溫度增加到250+的范圍。如果可利用廢氣生產用蒸汽源，則可以使用蒸汽-空氣加熱器(SAH)進一步提高FA流的溫度，并且增加流化床干燥器的干燥能力。然后使加熱的FA流通過流化床熱交換器，在此處它加熱床內熱交換器用的水。然后將更冷的FA流輸送到使煤流化并且干燥的流化床干燥器中。
因為在這種情況下，與BC和HT配置相比，用于床內熱交換器的FA流和熱水的溫度更低，所以這將降低流化床干燥器的干燥能力。結果，與BC和HT配置相比，流化床干燥器的尺寸更大。這將導致更大的FA需求和更高的FBD風機功率。而且，在干燥器中可以除去的煤水分的量將更少。因此，與BC和HT配置相比，LT配置的性能更差。
與HT方案相比，LT選項不提供優點。這是因為裝置幾乎相同，但是進行不同地配置，而系統性能卻比BC和HT配置更低。
HT和LT配置還可以組合，其中熱量從在APH的上游和下游的廢氣中提取。還可以將其與來自(form)蒸汽冷凝器的廢熱利用結合。盡管組合的HT/LT選項增加了操作彈性，但是需要的設備的量與資本成本顯著增加。
配置D超低溫(ULT)方案在ULT配置中，將FA流與PA+SA流分離，并且通過使用來自冷凝器的廢熱加熱至約100的溫度。通過使熱的冷凝器冷卻水在熱交換器管中循環，可以直接供應用于床內熱交換器的熱量。這將導致約100的管表面溫度。在這種情況下不使用來自廢氣的廢熱。
因為與前述配置A、B和C相比，用于床內熱交換器的FA流和水的溫度明顯更低，所以這將需要很大的FB干燥器。而且，干燥器的干燥能力和在干燥器中可以除去的煤水分的量將顯著更低。然而，對于這種選項，可以需要更少的設備，從而可以降低資本成本。
在冬季期間，可以通過使用來自冷凝器的廢熱預熱進入APH的PA+SA流，從而改變這種選項。這可以消除使用生產用蒸汽，以保持PA+SA流高于冷凍溫度。
ULT方案的另一種可能的改進涉及使用SAH，所述SAH可以用于增加FA流的溫度并且提高干燥器性能。
在圖27中顯示了對根據配置B干燥器系統的被干燥成不同的水分含量的褐煤(825對650廢氣)和PRB(825廢氣)煤的鍋爐效率的影響。干煤使鍋爐更有效率地燃燒。在這種情況下，實現鍋爐效率增加8％。
在圖28中顯示在825的廢氣溫度下，四種不同的干燥器配置A、B、C和D對褐煤的應用。低溫和超低溫配置(C和D)提供鍋爐效率的最大增加。
在圖29中顯示了使用四種不同配置褐煤和使用高溫配置的PRB煤對離開APH的廢氣溫度的影響。對于所有這些選項，廢氣都在825下進入APH。對于低溫配置(C)，實現最低的廢氣排出溫度(對于20％水分的煤，為210)。這意味著在這種選項的情況下，更有成效地使用包含在進入APH的廢氣中的熱含量。
在圖30中顯示了褐煤和PRB煤對離開APH(ID風機進口)的廢氣流量的影響。當在鍋爐中燃燒更低水分的煤時，產生更低的流量。因此，當使用干煤時，處理廢氣將需要更小的洗滌器和沉淀器。此外，可以使用更低水平的能量，使抽吸廢氣需要的IP風機運行。
在圖30中還顯示的是不同水分含量的褐煤和PRB煤對進入鍋爐的空氣流量的影響。在更低的水分含量下，還可以降低這種流量。因此，可以需要更小的風機，并且可以節省能量成本。
在圖31中顯示了對用于驅動二次空氣流的FD風機的功率需求的影響。在煤中的水分含量越低，這些功率需求略有下降，原因是空氣流量更小。
在圖32中顯示了用于四種不同配置的褐煤和PRB煤對用于驅動的廢氣的ID風機的功率需求的影響。在這個方面實現了大得多的能量節省。此外，低溫配置C似乎提供了最大的能量需求的下降。這是很顯著的，因為發電廠使用四種ID風機，從而使這些結果增加四倍。
在圖33中顯示了褐煤(825對650廢氣)和PRB煤(825廢氣)對煤流量的影響。因為由干燥處理引起鍋爐的效率增加和煤重量的損失，所以需要的煤流量下降。因此，無需將煤盡快輸送到鍋爐中以產生使發電廠運行必需的熱量。
如圖34中所示，在越低煤水分下，使粉碎機運行需要的粉碎機功率越低。功率需求的20％的下降得到實現。這種結果是顯著的，因為發電廠可能需要6-8個粉碎機來磨碎煤。
在圖35中顯示了用于干燥褐煤和PRB煤的不同干燥器配置對凈單位發熱量的影響。凈單位發熱量與由干燥系統產生的鍋爐效率、渦輪機效率的增加和發電站運行要求的降低結合在一起。這顯示了產生電功率所需的總能量。如圖35中所示，對于更低水分的煤，凈單位發熱量降低。盡管基本方案也是好的，但是所述低溫配置提供最好的結果。
圖37顯示了不同的干燥配置對離開冷卻塔中的熱量的影響。因為一些熱的冷凝器冷卻水已經被轉用到加熱風機室盤管，所以在冷卻塔中損失的熱量更少。所述超低溫選項提供最好的結果，而低溫選項其次。
這些結果全部證明在本發明的低溫干燥方法中使用在發電裝置中可利用的廢熱源干燥煤進料，顯著提高發電廠操作的效率。導致鍋爐效率、凈單位發熱量以及風機和粉碎機功率全都得到提高。盡管這些提高的數量依賴于使用的具體煤干燥系統配置，但是褐煤水分含量從38.5％降低至20％導致發熱量提高到350-570BTU/kWh(3.4-5.4％)的范圍內。對于PRB煤，性能提高略小，主要由于用30％水分的PRB煤代替38.5％水分含量的褐煤開始的。
上述說明書和附圖提供了本發明的露天、低溫干燥工藝的結構和操作的全部描述。然而，在不偏離本發明的精神和范圍的情況下，本發明能夠用于各種其它組合、改進、實施方案和環境中。例如，它可以在直接或間接熱源、流化或非流化床以及單級或多級的任意組合下使用。而且，在本發明中描述的干燥方法并沒有被限制于提高要在公用事業或工業鍋爐中燃燒的煤的質量，而是也可以被應用于干燥玻璃、鋁、紙漿和紙及其它工業中用的粒狀材料。例如，在玻璃工業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行干燥和預熱。這樣將提高玻璃制造工藝中的熱效率。
作為另一個實施例，在鋁生產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，必要時將礦石破碎并過篩，以除去大的雜質比如石頭。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入被稱為沉淀器的巨大槽中，水合氧化鋁在該槽中結晶。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，轉變成被稱為氧化鋁的細小白色粉末。本發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實施例，廢熱源能夠被應用于使西紅柿或其它作物生長的溫室。因此，說明書并沒有將本發明限制為被公開的具體形式。
權利要求
1.一種用于在生產操作中熱處理產物的方法，所述生產操作產生至少兩種不同類型的廢熱，這種方法包括(a)提供用于接收所述產物的熱處理裝置，其包括用于接收將施加給所述產物的至少兩種熱源的裝置；(b)提供第一熱交換器，其操作性連接所述熱處理裝置；(c)將第一廢熱源供應給所述第一熱交換器，由此將包含所述在第一廢熱源中的熱含量作為所述熱源之一傳遞給所述熱處理裝置；(d)提供第二熱交換器，其操作性連接所述熱處理裝置；(e)將類型不同于所述第一廢熱源的第二廢熱源供應給所述第二熱交換器，由此將包含在所述第二廢熱源中的熱含量作為第二熱源傳遞給所述熱處理裝置；(f)將所述產物保持在所述熱處理裝置中，所述熱處理裝置與第一和第二熱源的組合接觸，達到足夠的溫度和持續時間，以得到需要的熱處理程度；和(g)從所述熱處理裝置中移出所述產物。
2.權利要求1所述的方法，其進一步包括通過其中被供應有另一種類型的廢熱的相關熱交換器將至少一種輔助熱源傳遞給所述傳熱裝置。
3.權利要求1所述的方法，其進一步包括通過其中被供應有一次熱源的相關熱交換器將至少一種輔助熱源傳遞給所述傳熱裝置。
4.權利要求1所述的方法，其中所述熱處理過程包括降低所述產物的水分含量。
5.權利要求4所述的方法，其中所述熱處理裝置是流化床干燥器。
6.權利要求4所述的方法，其中所述熱處理裝置是固定床干燥器。
7.權利要求1所述的方法，其中所述產物是煤。
8.權利要求1所述的方法，其中所述生產操作是發電設備。
9.權利要求1所述的方法，其中所述廢熱源選自由來自操作裝置的熱的冷凝器冷卻水、熱煙道氣、熱廢氣、廢生產用流和廢熱組成的組中。
10.權利要求1所述的方法，其中所述組合熱源傳遞給所述熱處理裝置的溫度不超過300。
11.權利要求10所述的方法，其中所述組合熱源傳遞給所述熱處理裝置的溫度不超過200。
12.一種用于熱增強氣流的方法，所述氣流用于產生至少一種廢熱源的生產操作，這種方法包括(a)提供在第一溫度的氣流；(b)提供來自廢熱源的熱和第一熱交換器，由此將所述氣流輸送給第一熱交換器，并且將包含在所述廢熱源中的熱含量傳遞給所述氣流，該氣流在高于第一溫度的第二溫度下從所述第一熱交換器中排出，和(c)提供來自廢熱源的熱和第二熱交換器，由此將從所述第一熱交換器中排出的所述氣流輸送給所述第二熱交換器，并且將包含在所述廢熱源中的熱含量傳遞給所述氣流，該氣流在高于第二溫度的第三溫度下從所述第二熱交換器中排出。
13.權利要求12所述的方法，其中傳遞給所述第一熱交換器和第二熱交換器的所述廢熱源在所述生產操作中指定(constitute)相同的廢熱源。
14.權利要求12所述的方法，其中傳遞給所述第一熱交換器和第二熱交換器中的所述廢熱源在所述生產操作中指定不同類型的廢熱源。
15.權利要求12所述的方法，其中所述廢熱源選自由來自操作裝置的熱的冷凝器冷卻水、熱煙道氣、熱廢氣、廢生產用蒸汽和廢熱組成的組中。
16.權利要求12所述的方法，其進一步包括提供至少一個輔助熱交換器和相關的熱源，由此所述氣流在比其離開在前的熱交換器時的溫度更高的溫度下，從所述輔助熱交換器中排出。
17.權利要求16所述的方法，其中所述輔助熱源指定廢熱源。
18.權利要求16所述的方法，其中所述輔助熱源指定一次熱源。
19.權利要求12所述的方法，其中所述氣流是空氣。
20.權利要求12所述的方法，其中所述氣流是蒸汽。
21.權利要求12所述的方法，其中所述氣流是惰性氣體。
22.權利要求12所述的方法，其中所述生產操作是發電設備。
23.一種通過使用熱源提高粒狀材料的質量特性的方法，這種粒狀材料在產生一種或多種廢熱源的工業生產操作中使用，其中這種方法包括(a)提供干燥器床，所述干燥器床用于接收所述粒狀材料和來自被引導通過所述粒狀材料的至少一種熱源的熱量；(b)提供操作性連接所述干燥器床的熱交換裝置，以將包含在所述至少一種熱源中的熱含量傳送到所述干燥器床中，藉此所述一種或多種熱源選自主要由下列組成的組中(i)除熱的冷凝器冷卻水之外的另一種類型的廢熱；(ii)至少兩種不同類型的廢熱的組合；或(iii)至少兩種不同類型的廢熱和一次熱源的組合；(c)將所述粒狀材料保持在所述干燥器床中，所述干燥器床與來自所述一種或多種熱源的熱量接觸，達到足夠的溫度和持續時間，以實現所述粒狀材料的質量特性的被提高到所需要的程度；和(d)從所述干燥器床中取出處理過的粒狀材料。
24.根據權利要求23所述的方法，其中所述粒狀材料包括煤。
25.利要求24所述的方法，其中所述煤包括次煙煤或褐煤。
26.根據權利要求23所述的方法，其中所述工業生產操作包括發電設備。
27.根據權利要求23所述的方法，其中所述工業生產操作包括煤煉焦廠。
28.根據權利要求23所述的方法，其中所述質量特性的提高包括降低所述粒狀材料的水分。
29.權利要求28所述的方法，其中所述粒狀材料是其水分含量被降低至10-35重量％的值的褐煤。
30.權利要求29所述的方法，其中所述粒狀材料是其水分含量被降低至27-32重量％的值的褐煤。
31.權利要求28所述的方法，其中所述粒狀材料是其水分含量被降低至10-30重量％的值的次煙煤。
32.權利要求31所述的方法，其中其中所述粒狀材料是其水分含量被降低至20-25重量％的值的次煙煤。
33.權利要求23所述的方法，其中所述干燥器床包括固定床干燥器。
34.權利要求23所述的方法，其中所述干燥器床包括流化床干燥器，所述流化床干燥器含有一床的粒狀材料，并且包含用于將強制空氣流輸送穿過所述流化床以將所述粒狀材料流化的裝置。
35.權利要求23所述的方法，所述方法還包括將熱交換器操作性連接強制空氣流的流動，以接收來自至少一種廢熱源的熱量，用于加熱在輸送到所述流化床干燥器之前的所述強制空氣流。
36.權利要求34所述的方法，其中所述流化床干燥器包含單個容器。
37.權利要求34所述的方法，其中所述流化床干燥器包含多個容器。
38.權利要求34所述的方法，其中所述流化床干燥器的所述容器包含多個級。
39.權利要求23所述的方法，其中所述廢熱源選自由來自操作裝置的熱的冷凝器冷卻水、熱煙道氣、熱廢氣、廢生產用蒸汽和廢熱組成的組中。
40.權利要求23所述的方法，其中所述熱源傳遞給所述干燥器床的溫度不超過300。
41.權利要求40所述的方法，其中所述熱源傳遞給所述干燥器床的溫度不超過200。
42.權利要求23所述的方法，其中所述粒狀材料是在空氣氣氛的存在下的所述干燥器床內被處理的。
43.權利要求23所述的方法，其中所述粒狀材料是在沒有惰性氣體的所述干燥器床內被處理的。
44.權利要求23所述的方法，其中所述粒狀材料是在其內沒有輸送蒸汽的所述干燥器床內被處理的。
45.根據權利要求23所述的方法，其中所述質量特性的提高包括增加或降低在所述粒狀材料中包含的至少一種元素或化合物的量。
46.一種系統，其在具有用于做功的流體流并且產生至少一種廢熱源的工廠操作中，利用至少一種廢熱源熱增強所述流體流，以使設備效率最佳化，這種系統包含(a)第一熱交換器，其操作性連接第一廢熱源和所述流體流，用于將來自第一廢熱源的熱量傳遞給所述流體以增加所述流體流的溫度；和(b)第二熱交換器，其操作性連接第二廢熱源和從第一熱交換器中排出的所述流體流，用于將來自第二廢熱源的熱量傳遞給所述流體流，以進一步提高所述流體流的溫度。
47.權利要求46所述的系統，其中傳遞給所述第一熱交換器和第二熱交換器中的所述廢熱源指定在所述工廠操作內的同一熱源。
48.權利要求46所述的系統，其中傳遞給第一熱交換器的所述廢熱源指定在所述工廠操作內的不同類型的廢熱源。
49.權利要求46所述的系統，所述系統還包含輔助熱交換器，所述熱交換器操作性連接熱源，用于將來自所述輔助熱源的熱量傳遞給從第二熱交換器中排出的所述流體流，以進一步提高所述流體流的溫度。
50.權利要求49所述的系統，其中所述輔助熱源指定廢熱源。
51.權利要求49所述的系統，其中所述輔助熱源指定一次熱源。
52.權利要求46所述的系統，所述系統還包含干燥器床，所述干燥器床操作性連接所述流體流，用于接收處理包含于所述干燥器床內的粒狀材料的所述流體流。
53.權利要求52所述的系統，其中所述干燥器床是固定床干燥器。
54.權利要求52所述的系統，其中所述干燥器床是流化床干燥器。
55.權利要求54所述的系統，其中所述流化床干燥器包含用于處理所述粒狀材料的至少兩個獨立級。
56.權利要求46所述的系統，其中所述流體流選自由空氣、惰性氣體、蒸汽、水或二醇組成的組中。
57.權利要求52所述的系統，其中所述流體流將熱量傳遞給操作性連接所述干燥器床的熱交換器，用于加熱包含于所述干燥器床內的所述粒狀材料。
58.權利要求52所述的系統，其中所述流體流將氣體輸送到所述干燥器床中，以將容納于所述干燥器床內的所述粒狀材料流化。
59.權利要求46所述的系統，其中所述工廠操作設備是具有產生熱的冷凝器冷卻水的冷凝器和產生熱廢氣的燃燒室的發電設備，其中第一廢熱源指定所述熱的冷凝器冷卻水，而第二廢熱源指定所述熱廢氣。
60.權利要求46所述的系統，其中所述工廠操作設備是具有產生熱的冷凝器冷卻水的冷凝器的發電設備，其中第一廢熱源和第二廢熱源均指定所述熱的冷凝器冷卻水。
61.權利要求46所述的系統，其中所述熱交換器之一是兩分區空氣預熱器。
62.權利要求46所述的系統，其中所述熱交換器之一是三分區空氣預熱器。
63.權利要求52所述的系統，所述系統還包含混合箱，所述混合箱操作性連接從第一熱交換器中排出的所述流體流和從第二熱交換器中排出的所述流體流，藉此可以調整進入所述混合箱的兩種流體流的體積以控制輸送到所述干燥器床中的流體流的溫度。
64.一種煤干燥系統，所述煤干燥系統被合并到具有至少兩種不同類型的廢熱的工廠操作設備中，這種系統包含(a)具有用于接收所述煤的內部的流化床干燥器單元，所述干燥器單元具有與第二干燥級操作性連通的第一干燥級，其中在所述干燥器單元中安置的煤在進行干燥的同時從第一干燥器級移向第二干燥級；(b)空氣預熱器，其被操作性安置在所述干燥器單元和所述兩種不同廢熱源之間，以將來自每一種所述廢熱源中的熱量傳遞給穿過所述空氣預熱器的空氣流，之后，所述空氣流流向并且通過所述干燥器單元，其中所述空氣流將容納于干燥器單元中的煤顆粒流化；和(c)熱交換器，其操作性連接所述干燥器單元，用于將來自至少一種所述廢熱源的熱量傳遞給所述干燥器單元，用于增加所述干燥器單元的內部溫度，以使所述煤中的水分減少。
65.權利要求64所述的系統，其中所述兩種不同類型的廢熱源指定在所述工廠操作設備內產生的熱的冷凝器冷卻水和熱廢氣。
66.權利要求64所述的系統，所述系統還包含混合箱，所述混合箱用于接收被所述系統內的裝置加熱至不同溫度的兩種不同的空氣支流，由此可以調整所述兩種空氣支流的體積，以控制輸送到所述干燥器單元的流化氣流的溫度。
全文摘要
本發明獲得并且使用流化床干燥技術和被其它可利用的熱源增強的廢熱流干燥原料或燃料。這種方法用于多種工業，包括燃煤發電廠。在煤到達煤粉碎機并且繼續到達燃燒室/鍋爐配置之前，利用本發明進行干燥。在所述粉碎機之前，煤可以在現有的煤進料系統上被切斷(intercepted)。燃料如煤被干燥，提高了鍋爐效率并且減少排放。在所述方法中使用的兩級床首先將進料流″預干燥并且分離″為需要和不需要的進料。然后，它逐漸干燥并且將可流化和不可流化的材料與產物流分離。這全都在低溫、露天系統中完成。還使用廢熱提高通風機室空氣溫度，從而使現有的裝置系統有更高溫度的介質，以改善所述原料的干燥過程。
文檔編號C10L5/00GK101052701SQ200580035115
公開日2007年10月10日 申請日期2005年10月11日 優先權日2004年10月12日
發明者查爾斯·W·布林格, 馬克·A·內斯, 內納德·薩魯納茨, 愛德華·K·萊維, 理查德·S·溫斯坦, 丹尼斯·R·詹姆斯 申請人:大河能量