CN101040034A - 用于热处理粒状材料的装置 - Google Patents

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CN101040034A CNA2005800350945A CN200580035094A CN101040034A CN 101040034 A CN101040034 A CN 101040034A CN A2005800350945 A CNA2005800350945 A CN A2005800350945A CN 200580035094 A CN200580035094 A CN 200580035094A CN 101040034 A CN101040034 A CN 101040034A
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查尔斯·W·布林格
马克·A·内斯
内纳德·萨鲁纳茨
爱德华·K·莱维
安东尼·R·阿莫尔
约翰·M·惠尔登
马修·P·科格林
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Abstract

本发明构成用于在低温、露天工艺中热处理粒状材料的热处理装置如流化床干燥器。优选地，利用在围绕工业装置操作内可获得的废热源给干燥器提供热量。而且，包含在干燥器内的输送装置能够除去更大、更密实的颗粒，否则这些颗粒将抑制粒状材料流过干燥器或堵塞流化床。本发明尤其可以用于干燥发电装置用的煤。

Description

用于热处理粒状材料的装置
相关申请的交叉引用
本申请是2005年4月15日提交的美国序列号11/107,152的部分继续，所述美国序列号11/107,152要求在2004年10月12日提交的美国临时申请序列号60/618,379的优先权；并且是2005年8月8日提交的美国序列号11/199,838对于“Apparatus and Method of Separating and ConcentratingOrganic and/or Non-Organic Material”的部分继续，而所述美国序列号11/199,838是2005年4月15日提交的美国序列号11/107,153的部分继续并且要求2004年10月12日提交的美国临时申请序列号60/618,379的优先权；所有这些申请都通过引用将其全部内容结合在此。
发明领域
本发明涉及一种以商业上可行方式热处理粒状材料的装置。更具体而言，粒状材料在工业加工厂中被处理或燃烧之前，本发明利用在低温露天工艺中的一种连续物料通过干燥器比如流化床干燥器干燥这样的材料，以改善它们的热含量或可加工性以及降低工厂的排放。尽管这种装置可以以有效且经济的方式应用于多种不同的工业中，但是它特别良好地适合在发电装置中使用，用于降低煤在其燃烧之前的水分含量。
背景技术
如我们知道的，电力对人类生活是必须的。从工厂中驱动机器，到农场中泵送水，到办公室中运行计算机，到在大部分家庭中提供光、加热及冷却的能量，这一切它都可以做。
提供这种电力的大发电装置利用蒸汽或流水的能量产生动力，以使涡轮机的轴转动，从而再驱动发电机。尽管一些发电装置是利用水电能源或核能源进行运转的，但是全世界约63％的电力以及在美国产生的70％电力都是由燃烧化石燃料如煤、石油或天然气而产生的。这样的燃料在发电装置的燃烧室中燃烧，以产生用于使锅炉中的水转变成蒸汽的热量。然后，蒸汽被过热并将其引入到巨大蒸汽涡轮机中，由此它推动涡轮机的扇状叶片，使轴旋转。这个旋转的轴再使发电机的转子旋转，从而产生电。
蒸汽一旦流过涡轮机，它就进入冷凝器，在此处它绕着携带有冷却水的管通过，这些冷却水吸收来自蒸汽的热量。当蒸汽冷却时，它冷凝成水，然后水被泵回到锅炉中，重复将其再次加热成蒸汽的过程。在很多发电装置中，将这种在冷凝器管道内吸收了来自蒸汽的热量的水被泵到喷淋池或冷却塔进行冷却。然后，冷却水可以再循环通过冷凝器，或排放到湖泊、河流或其它水域中。
在美国开采的89％的煤都被用作发电装置的热源。不同于石油和天然气的是，能够从地球上经济地提取煤的可供给性是丰富的。有四种主要类型的煤：无烟煤、烟煤、次烟煤和褐煤。尽管这四种煤都主要包含碳、氢、氮、氧和硫以及水分，但是包含在煤中的这些固体元素及水分的具体量是变化很大的。例如，最高级的无烟煤包含约98重量％的碳，而最低级的褐煤(也称作“褐色煤”)可以只包含约30重量％的碳。同时，水分量在无烟煤和烟煤中可能小于1％，而在次烟煤如Powder RiverBasin(“PRB”)中为25-30重量％，在北美褐煤中为35-40重量％。对于澳大利亚和俄罗斯，这些褐煤水分量可能分别高达50％和60％。相比于烟煤和无烟煤，这些高水分的次烟煤和褐煤具有较低的热值，原因是它们在燃烧时产生更少量的热。而且，高的燃料水分影响电力单元操作(electric powerunit operation)工作的所有方面，包括影响性能及排放。相比于高级煤的情况，高的燃料水分使锅炉的效率明显更低以及单位热耗更高。高水分含量还可以导致在比如燃料处理、燃料磨碎、风机容量和高的废气流量的方面的问题。
因此，烟煤由于含量丰富并且具有较高的热值，因而是电力生产用的最广泛地使用等级的煤。然而，它们还包含中等至高含量的硫。作为在美国日益严格的环境法规如清洁空气法案的结果，发电装置不得不在这些装置的烟囱上游昂贵地安装洗涤装置，以防止这些煤燃烧所产生的二氧化硫(“SO2”)、氮氧化物(“NOx”)、汞化合物和飞灰污染空气。
低级煤如次烟煤和褐煤由于硫含量低，因而被作为发电装置用的热源已经日益得到了关注。将它们作为燃料源燃烧可以使发电装置更容易满足联邦及州的污染标准。另外大的可能性在于这样的事实，在美国西部，这些次烟煤和褐煤构成可获得煤储量的大部分。然而，这些低级煤类型的更高水分含量降低了它们作为加热燃烧源时的热值。而且，这样的高水分含量可以使这些煤的运输相对于它们的热值更加昂贵。它们还可以导致工业问题，原因是当它们失去它们的水分时，它们破碎并变成粉状的，因而使得它们难于处理并运输。
尽管由于污染关注，天然气和燃料油都几乎完全地代替煤作为民用加热燃料，但是油和天然气不断上升的价格使一些工厂和商业建筑物返回到采用煤作为加热源。由于烟煤和无烟煤的热值更高，因此它们被优选用于这些加热应用。
煤还是用于制造在铁和钢制造中所使用的焦炭的主要组分。烟煤在氧缺乏以防止煤被燃烧的气密燃烧室中加热到约2000(1100℃)。这种高水平的热量使一些固体变成气体，同时残余的几乎由纯碳构成的硬泡沫状的物质是焦炭。大部分的焦炭装置是钢厂的一部分，在钢厂中，焦炭与铁矿石和石灰石一起燃烧，使铁矿石转变成随后被加工成钢的生铁。
焦炭制造工艺中的碳化过程中所产生的一些气体在它们被冷却时，转变成液氨和煤焦油。经过进一步的处理，这些残余气体可以被转变成轻油。制造商可以将这些氨、煤焦油和轻油用于生产药物、染料和肥料。煤焦油本身可以用于铺屋面和路面铺设应用。
在焦炭制造工艺中的碳化过程中产生的一些气体不变成液体。这种“煤气”如天然气那样燃烧，并且可以为焦炭制造和炼钢工艺提供热量。备选的燃料工业也开发了煤不经过碳化而直接气化的工艺。这些气化工艺的结果是，高能量的气体和高能量的液体燃料代替了汽油和燃料油。因此，煤除了其固有的热值之外，还存在很多有价值的用途。
业内早已认识到，煤经过加热降低了它的水分，因此，通过干燥煤，提高了煤的等级以及BTU生产。在其在热水锅炉中燃烧之前，煤的干燥可以提高锅炉的所得效率。
在现有技术中，已经使用非常多种的干燥器来干燥煤。例如，授权给Berg的美国专利5,103,743公开了一种回转窑，在该回转窑内，湿煤在由回转窑的壳体表面以及围绕该壳体表面的夹套限定的干燥空间内干燥。回转窑内产生的烟道气随湿煤穿过干燥空间，因而壳体表面的辐射热和热烟道气的热同时对煤进行干燥。另一方面，授权给Petrovic等的美国专利4,470,878教导了一种用于预热加入焦化过程的煤的串联回旋床干燥器，其中在煤蒸汽混合物中回旋的同时，暴露煤，以进行间接的热传递。用于冷却来自炼焦炉的热焦炭的冷却气体再循环到下一级的回旋床干燥器，以预热煤。
在授权给Siddoway等的美国专利4,617,744中公开了一种长槽干燥器，用于干燥湿固体粒状材料比如煤。煤从槽式干燥器的沟槽部分的顶部引入，并且通过底孔排出，同时逆流地接触干燥流体，所述干燥流体在沟槽内在向下的方向通过，然后逐渐变成向上以逆流接触下行的湿颗粒。沿槽式干燥器的底部安置的传输***输送干燥的煤颗粒。
授权于Ohno等的美国专利5,033,208教导了一种料斗式干燥器。这种装置由其间带有环形区域的双圆柱体结构构成。将煤颗粒引入这种环形区域内，热气穿过内圆柱体中的孔与煤颗粒接触，并且通过外圆柱体中的孔排出。
授权给Petrovic等的美国专利4,606,793公开了一种移动床式干燥器，用于预热供给炼焦炉的煤。将在由焦炭的干冷却排出的热气或废热蒸汽中的热量再循环到位于移动床式干燥器内的热交换管。
授权给Ladt的美国专利4,444,129教导了一种振动流化床干燥器，用于干燥尺寸小于28-目的煤颗粒。烧煤炉将热干燥气体供应给干燥器。位于炉和振动流化床干燥器之间的再生性分离器除去煤颗粒中的灰。粒状煤颗粒也除去了热废气，然后重新用于烧煤炉。
尽管所有这些不同的干燥器装置都可以被用于除去如煤之类的粒状材料中的水分，但是它们在结构上都相对复杂，存在热传递相对不充分的问题，并且在一些情况下，更适用于间歇操作而不是连续操作。因此，流化床干燥器或反应器在干燥煤的工业内已经变成众所周知。在这样的干燥器中，为了改善干燥性能，从流化床底部的孔引入流化介质，以使煤颗粒分离并漂浮。流化介质可以兼任直接加热介质，或可以在流化床反应器内安置单独的间接热源。煤颗粒可以在反应器的另一端引入，并且提供使颗粒以其流化状态沿床长度输送的推进装置。因此，流化床反应器适宜于连续干燥工艺，并且在每一个流化颗粒和干燥介质之间提供更大的表面接触。参见，例如，授权给Goldich的美国专利5,537,941；授权给Selle等的5,546,875；授权给Reynoldson等的5,832,848；授权给Dunlop的5,830,246、5,830,247和5,858,035；授权给Kannenberg等的5,637,336；授权给Dietz的5,471,955；授权给Heard等的4,300,291；以及授权给Parks的3,687,431。
然而，这些传统的干燥工艺中的很多都在非常高的温度和压力下使用。例如，Bureau of Mines工艺在1500psig下进行，而在授权给Koppelman的美国专利4,052,168中公开的干燥工艺需要1000-3000psi的压力。类似地，授权给Criner的美国专利2,671,968教导了1000的上升气流的用途。同样，授权给Dunlop的美国专利5,145,489公开了一种用于同时改进煤和油的燃料性质的工艺，其中使用了被保持在850-1050的反应器。还参见授权给Mansfield的美国专利3,434,932(1400-1600)；以及授权给Shelton的4,571,174(≤1000)。
这种采用非常高温干燥或相反地处理煤，需要巨大的能量消耗和其它资金和操作成本，这样能够非常快地导致低级煤的使用在经济上难于实行。而且，干燥工艺使用的更高温度形成另一种需要被处理的排出流。此外，这种经济平衡变复杂的实事在于，为提高被干燥煤的热值，现有技术的煤干燥工艺通常依赖于化石燃料如煤、石油或天然气的燃烧来提供真正的热源。参见，例如，授权给Michael等的美国专利4,533,438；授权给Dunlop的4,145,489；授权给Blake的4,324,544；授权给Seitzer的4,192,650；授权给Ladt的4,444,129；以及授权给Berg的5,103,743。在一些情况下，这种燃烧后的燃料源可以构成在煤干燥工艺内分离并回收的煤粉。参见，例如，授权给Merriam等的美国专利5,322,530；授权给Erhard的4,280,418；以及授权给Stahlherm等的4,240,877。
因此，人们已经致力于开发利用低温要求干燥煤的工艺。例如，授权给Johnson的美国专利3,985,516教导了一种用于低级煤的干燥工艺，该工艺在400-500范围内的流化床中使用温热惰性气体作为干燥介质。授权给Greene的美国专利4,810,258公开了使用过热气态干燥介质将煤加热到300-450，但是其优选温度和压力为850和0.541psi。也参见，例如，授权给Petrovic等的美国专利4,436,589和4,431,585(392)；授权给Dellessard等的4,338,160(482-1202)；授权给Ottoson的4,495,710(400-900)；授权给Coleman等的5,527,365(302-572)；授权给Fracas的5,547,549(500-600)；授权给Dunlop的5,858,035；以及授权给Dunlop等的5,904,741和6,162,265(480-600)。
虽然几种现有技术的煤干燥工艺采用更低的温度，但是只是将煤干燥到有限的程度。例如，授权给Dunlop的美国专利5,830,247公开了一种采用流化床密度为20-40磅/英尺3的第一流化床反应器不可逆制造干燥煤的工艺，其中水分含量为15-30重量％、氧含量为10-20％以及颗粒大小为0-2-英寸的煤在150-200经受1-5分钟，以使煤同时粉碎及脱水。然后，将煤供给第二流化床反应器，在其中，将它用矿物油涂覆，然后在480-600温度经受1-5分钟，以使产物进一步粉碎及脱水。因此，明显的是不仅此工艺采用了水分含量相对较低(即，15-30％)的煤，而且煤颗粒在150-200运行的第一流化床反应器中只是部分被脱水，而真正的干燥是发生在于480-600的更高床温下运行的第二流化床反应器中。
同样，授权给Hunt的美国专利6,447,559教导了一种用于在惰性气氛中处理煤的工艺，其通过如下来提高煤的等级：最初在200-250下加热煤以除去其表面水分，之后通过在400-750、900-1100、1300-1550和2000-2400进行的系列连续加热步骤，以消除在煤颗粒孔内的水，从而制造出水分含量和挥发含量分别低于2重量％和15重量％的煤。再一次显而易见的是，初始200-250的加热步骤只是对煤颗粒提供有限度的干燥。
采用流化床反应器干燥煤可能碰到的问题之一是流化介质中捕获了大量的粉煤。尤其是在更高的床操作条件下，这些粉煤可能自发地燃烧，从而导致***。因此，很多现有技术的煤干燥工艺都采取在无气流化床环境内使用惰性流化气体，以防止燃烧。这种惰性气体的实例包括氮、二氧化碳和蒸汽。例如，参见授权给Waterman，Jr.的美国专利3,090,131；授权给Petrovic等的4,431,485；授权给Heard等的4,300,291和4,236,318；授权给Ekberg的4,292,742；授权给Knappstein的4,176,011；授权给Cha等的5,087,269；授权给Galow等的4,468,288；授权给Hauk的5,327,717；授权给Hunt的6,447,559；以及授权给Dunlop等的5,904,741。授权给Coleman等的美国专利5,527,365提供了一种在通过使用如丙烷或甲烷的低级烷烃惰性气体实现的“温和还原环境”中干燥低质量含碳燃料的工艺。为了避免***，还有其它的现有技术工艺使用了大量随着煤穿过化床反应器的长度方向而保持顺序降温的热流化流，从而确保煤的适当冷却。例如参见授权给Shelton的美国专利4,571,174；和授权给Wicker的4,493,157。
干燥煤时，工业上早已碰到了另一个问题在于，干燥工艺完成之后，其随时间流逝而重新吸收在周围空气条件中的水分的自然趋势。因此，人们致力于用矿物油或一些其它烃产物涂覆干燥煤颗粒的表面，以形成抗煤颗粒的孔内吸收水分的阻挡层。例如参见授权给Dunlop的美国专利5,830,246和5,858,035；授权给Johnson的3,985,516以及授权给Simmons的4,705,533和4,800,015。
为了提高干燥低级煤的工艺经济，已知的是，采用废热流作为初级燃烧燃料热源的补充热源。参见授权给Merriam等的美国专利5,322,530。在焦化煤生产中尤其是这样，在焦化煤生产中，为了加热在热交换器中的干燥气体，可以循环由热焦炭加热的冷却气体。例如参见授权给Poersch的4,053,364；授权给Wagener等的4,308,102；授权给Dellessard等的4,338,160；授权给Weber等的4,354,903；授权给Kemmetmueller的3,800,427；授权给Michael等的4,533,438；以及授权给Petrovic等的4,606,793和4,431,485。同样地，为了干燥煤，来自流化床燃烧炉的烟道气已经被用作用于包含在流化床反应器内部的热交换器的补充热源。例如参见授权给Goldich的美国专利5,537,941；以及授权给Hauk的5,327,717。授权给Berg的美国专利5,103,743公开了一种在回转窑中干燥如湿煤的固体的方法，其中干燥材料被气化，以产生随后用作辐射加热器用的燃烧热源的热气体，所述辐射加热器被用于干燥在窑内的材料。在授权给Wagener等的美国专利4,284,476中，来自相关冶金装置的烟道气穿过焦炭生产工艺中的热焦炭，以将其冷却，由此使烟道气加热，随后该烟道气用于预热转化成焦炭之前的湿煤进料。
然而，这些现有技术的工艺似乎都没有使用在煤干燥操作中的废热流作为用于干燥煤的唯一热源。它们而是只补充使化石燃料如煤、石油或天然气保持燃烧的一次热源。这种情况部分可能是因为在这些现有技术的干燥器和相关工艺中使用较高的干燥温度。因此，为了干燥化石燃料(即，煤)以提高其给加工装置(例如，发电装置)中的锅炉加燃料的热值，使干燥包括低级煤的煤产物的工艺经济继续受到燃烧化石燃料的需要的限制。
而且，当较大且较密实的煤颗粒下沉到干燥器的底部时，很多现有技术的流化床干燥器可能都遭受堵塞，因而使得它更难于使余下的颗粒流化。在干燥器上部区域的冷凝也可以导致流化颗粒聚集并且落入干燥器床的底部，从而加重了这种堵塞问题。为此，很多现有技术的流化干燥器设计似乎都是方向上垂直的并且特征多样的串联干燥器，其中引导流化介质进***线，从而形成包含在干燥器内的煤颗粒的改善流化模式。
干燥器单元比如流化床干燥器在低于300的较低温操作是所希望的，并且能够避免对抑制干燥器内的煤颗粒自发燃烧的需求。而且，在流化床干燥器内将用于从干燥器床的区域物理分离并除去较大、较密实的煤颗粒以及消除流化颗粒周围的冷凝的机械装置结合，将消除可能的堵塞问题，否则这些堵塞问题导致干燥器缺乏效率。煤被引入锅炉中之前进行干燥应当改善采用低级煤如次烟煤和褐煤的工艺经济性。相比于更传统使用的烟煤和无烟煤，这样的低级煤源能够意外地变成发电装置用的可行燃料源。除了在煤中发现的导致污染的不适宜元素被除去之外，含硫更低的次烟煤和褐煤的经济用途还将更大地有益于环境。
发明概述
本发明提供一种装置，该装置用于热处理或其它方式提高在工厂操作(industrial plant operation)中被用作必要组分的粒状材料的质量特性，同时防止堵塞。这样的粒状材料可以包括在工厂操作内的燃烧的燃料源，或用于制造由工厂操作产生的最终产品的原料。尽管不是必要的，但是这种热处理装置优选用一个或多个在工厂操作内可获得的废热源进行加热。这样的废热源包括但不限制于：来自燃烧室的热废气或烟道气、热的冷凝器冷却水、来自涡轮机的工业蒸汽以及其它带有高热值的工艺物料流。因此，本发明能够在更经济的基础上热处理粒状材料，因而可以使用更低级(例如，更高水分)的材料，否则这样的低级材料在工厂操作中是不可行的。
尽管本发明可应用于许多不同产业，但是为了说明性目的，本发明在此处是相对于通常的煤燃烧发电装置进行描述的，在发电装置中，为了提高煤的热值以及发电装置的最终锅炉效率，理想的是使煤在干燥器中除去一些水分。以这种方式干燥煤能够使比如次烟煤和褐煤的低级煤得到提高，甚至能够使用。通过降低煤的水分含量，不管它是低级或高级煤，都可以使其它改进的操作效率得到实现。
为了给发电装置的锅炉以经济可行的基准加燃料，这样的煤燃料原料不需要干燥到绝对零的水分含量。而是，通过使用这些可获得的废热源将煤干燥到足够程度，可以使锅炉的效率得到显著的提高，同时使处理成本保持在经济上可行的水平。这样为工厂的经营者带来了真正的经济优势。褐煤的水分含量能够从通常的39-60％的含量降低到10％或更低，但是优选到27-32％。这种优选的含量受锅炉的传热能力规定。
尽管本发明的热处理装置集中在利用可获得的废热源比如来自蒸汽涡轮机的废汽、包含在离开装置的废气内的热能或离开冷凝器的热的冷凝器冷却水，使水分能够降低或能够进行其它工艺步骤，但是应当意识到，为了利用废热源以实现经济基准的所需结果，可以向***中加入一次热源如燃烧热。通常地，相对于所使用的废热源，一级热的量是少量的。
虽然本发明使用了固定床干燥器和流化床干燥器，两者都为单级和多级的，以使材料在工厂操作内消耗之前进行预干燥和进一步清洁，但可以使用其它商业上已知类型的干燥器。而且，这种干燥工艺在低温、露天***内进行，因而进一步降低了工厂的操作成本。干燥温度优选被保持在低于300，更优选在200-300之间。由本发明，离开冷凝器的一部分热的冷凝器冷却水能够被转用并且用于预热被引导至APH的进口空气，从而形成“热放大器”的作用。
为了将粒状(“切割不足”)材料中的单位更大、更密实的颗粒输送到一侧或移出到外面，本发明的热处理装置还提供位于干燥器单元内的输送装置比如螺旋推进加料器，否则这些更大、更密实的颗粒将阻止粒状材料的连续流穿过干燥器，或堵塞干燥器。将这些切割不足的颗粒除去可以提高干燥器的效率，并且容易在多级干燥器的第一级中得以实现。
与在煤燃烧之后再试图除去污染物和其它污染的当前现有技术***形成对比，本发明还提供一种利用了材料的偏析和流化床的分级能力将煤中的飞灰、硫、含汞材料和其它有害污染物除去的***。在煤燃烧之前将这些污染物和其它污染除去，消除了工厂加工中的污染对环境可以造成的潜在危害，并且预期的优点是排放更低、煤输入量更小、装置运行需要的辅助动力更小、装置耗水量更少、金属腐蚀及其它因素所致的装置维修成本更低以及从废气中提取这些污染所需装置引起的资本费用更小。
附图简述
在附图中：
图1是示出生产电用的简化的燃煤发电装置操作的示意图。
图2所示为改进的燃煤发电装置的示意图，该发电装置使用了废气和蒸汽涡轮机的废热流，以提高锅炉的效率。
图3是本发明的流化床干燥器及其用于输送煤和热流化空气的相关设备的图。
图4是本发明的单级流化床干燥器的示意图。
图5是本发明的流化床干燥器的分配板的平面图。
图6是用于流化床干燥器的分配板的另一个实施方案的平面图。
图7是沿图6的线7-7截取的分配板的图。
图8是含螺旋推进加料器的图6的分配板的平面图。
图9是本发明的单级流化床干燥器的示意图，其使用一次热源间接加热同时用于干燥和流化煤的流化空气。
图10是本发明的单级流化床干燥器的示意图，其使用废工业用热间接加热同时用于干燥和流化煤的流化空气。
图11是本发明的单级流化床干燥器的示意图，其组合使用废工业用热和热的冷凝器冷却水，所述废工业用热对用于使煤流化的流化空气进行加热(间接加热)，而所述热冷凝器冷却水循环通过包含于流化床干燥器内部的床内(in-bed)热交换器以干燥煤(直接加热)。
图12是本发明的单级流化床干燥器的示意图，其组合使用了废工业用热和热蒸汽，其中所述废工业用热对用于使煤流化的流化空气进行加热(间接加热)，而所述热蒸汽取自蒸汽涡轮机循环并且循环通过包含于流化床干燥器内部的床内热交换器以干燥煤(直接加热)。
图13是本发明的单级流化床干燥器的示意图，其利用了废工业用热对用于使煤流化的流化空气进行加热(间接加热)，以及对循环通过包含在流化床干燥器内部的床内热交换器的传递液体进行加热以干燥煤(间接加热)。
图14是本发明的单级流化床干燥器的示意图，其利用了来自工厂炉子烟囱的热废气，对用于使煤流化的流化空气进行加热(间接加热)，以及对循环通过包含在流化床干燥器内部的床内热交换器的传递液体进行加热，以干燥煤(间接加热)。
图15是本发明的两级流化床干燥器的图。
图16是本发明的两级流化床干燥器的示意图，其使用了来自工厂操作的废工业用热，以对在流化床干燥器的两个室内被用于使煤流化的流化空气进行加热(间接)，以及对循环通过包含于流化床干燥器的两个室内的床内热交换器的热冷凝器冷却水进行加热，以干燥煤(直接加热)。
图17是在干燥器床内使用的加热盘管的侧视图。
图18是沿图17的线18-18截取的加热盘管的视图。
图19是本发明的流化床干燥器的第一级堰门(weir gate)的侧视图。
图20是本发明的流化床干燥器的第二级堰门的侧视图。
图21是本发明的流化床干燥器内使用的喷射管(sparging tube)的侧视图。
图22是本发明的流化床干燥器的端视图。
图23是固定床干燥器的一个实施方案的示意图。
图24是本发明被结合到发电装置中的两级流化床干燥器的示意图，其使用热冷凝器冷却水加热包含在第一干燥器级中的煤，以及加热被用来使在两干燥器级内的煤流化的流化空气。将热冷凝器冷却水与热废气结合对在第二干燥器级中的煤进行干燥。
图25a和25b是用于除去流化床干燥器中的切割不足颗粒的洗涤器组件的剖开透视图。
图26是含分配板的洗涤器组件的剖开透视图，所述分配板用于使粒状材料在洗涤器组件内流化。
图27是本发明的另一个洗涤器组件实施方案的透视图。
图28是图27的洗涤器组件的平面图。
图29是图27所示的洗涤器组件的一部分的放大透视图。
图30是用于以不同程度降低水分的煤的净单位发热量(net unit heatrate)得到提高的曲线图。
图31是用于水分含量不同的褐煤和PRB煤的HHV测量的曲线图。
图32是本发明的两级流化床中试(pilot)干燥器的示意图。
图33-37是图32的流化床干燥器的不同工作特性的曲线图。
优选实施方案详述
本发明提供一种装置，其用于在较低温度下热处理粒状材料同时防止堵塞。这样的发明可以使材料以更经济的基准进行干燥，因而能够使用更低级(例如，更高水分)的材料，否则这样的材料在工厂操作中是不可行的。使用所述的热处理装置还可以在材料在工厂操作中处理之前，减少污染物以及包含在材料内的其它不适宜元素。
尽管本发明可应用于许多不同产业，但是为了说明性目的，本发明在此处是相对于通常的煤燃烧发电装置进行描述的，在发电装置中，为了改善煤的热值以及发电装置的最终锅炉效率，理想的是使煤在干燥器中除去一些水分。以这种方式干燥煤能够使比如次烟煤和褐煤的低级煤的使用得到提高，甚至能够使用。通过降低煤的水分含量，不管它是低级或高级煤，都可以使其它改进的操作效率得到实现。例如，更干的煤将降低发电装置中的煤处理***、输送装置和煤压碎机的负荷。由于越干煤越易于输送，因此这降低了维修费用，并且增加了煤处理***的有效性。越干的煤还越易于被磨碎，因此需要越小的“磨机”功率就可实现相同的研磨尺寸(煤的细度)。在燃料水分较小的情况下，离开磨机时的水分含量就得到降低。这将改善煤的研磨结果。另外，用于传输、流化和加热煤的一次空气的需求较少。这样的较低含量的一次空气降低了空气速度，而由较低的一次空气速度，使在煤磨机、输煤管、煤燃烧器和相关设备中的腐蚀得到显著地降低。这样带来的效果是降低了输煤管和磨机的维修费用，对于燃烧褐煤的发电装置来说，这两者的费用是非常高的。而且实现了降低烟囱排放，因而提高了下游的环境保护装置的收集效率。
为了给发电装置的锅炉以经济可行的基准供燃料，这样的煤燃料原料不需要干燥到绝对零的水分含量。而是，通过利用这些可获得的废热源将煤干燥到充分程度，可以使锅炉效率得到显著提高，同时使加工成本维持在经济可行的水平。这样为工厂的经营者带来了真正的经济优势。褐煤的水分含量能够从通常的39-60％的含量降低到10％或更低，但是优选到27-32％。这种优选的含量受锅炉的传热能力规定。
在对工厂操作不产生不利结果的情况下，本发明优选以各种结合使用多种装置废热源，以干燥材料。在通常的发电装置中，废工业用热仍然是可从很多来源获得以进一步使用。一种可能的来源是蒸汽涡轮机。蒸汽可以取自蒸汽涡轮机循环，以干燥煤。对于很多现有的涡轮机而言，这样可能降低功率输出，并且对取点下游的涡轮机级的性能产生不利影响，因而使这种热提取的来源的适宜性受到限制。然而，对于新建立的发电装置，蒸汽涡轮机是为蒸汽提取而设计的，对级效率没有负面影响，因而对于新装置，能够使这种蒸汽提取成为用于煤干燥的废热源的一部分。
用于干燥煤的废热的另一种可能来源是包含在装置排出的废气内的热能。采用包含在废气中的废热来除去煤的水分，可以降低烟道温度，这又降低了烟道中的浮力，并且能够导致在烟道壁上的水蒸气和硫酸冷凝。这样限制了能够从用于煤干燥的废气得到的热量，尤其对于装备有湿式洗涤器的装置，因而这样可能使得热废气不是在本发明的很多终端应用中所使用的唯一废热源。
在Rankine的动力循环中，从在蒸汽冷凝器和/或冷却塔中的循环中排出热。在通常用于公用装置的蒸汽冷凝器中排出的热表示了大量的废热，为其二次目的利用这些热对装置操作的影响最小。因此，能够将冷凝器排出的这种热冷凝器冷却水的一部分转用并改为用于煤干燥。工程分析表明，在满单位负荷的情况下，为了将煤的水分含量降低4％，只需冷凝器中排出的2％的热量。这种热源单独使用或与其它可得到的装置废热源组合使用，使装置废热源得到最佳使用，而对装置操作不产生不利地影响。
尽管本发明集中在利用可获得的废热源使水分能够降低或其它工艺步骤能够进行，但是应当理解，可以向利用废热源的***中加入一次热源如燃烧热，以在经济基准上实现所需结果。通常地，相对于所使用的废热源，一次热的量将是少量的。
虽然本发明使用了固定床干燥器和流化床干燥器，两者都为单级和多级的，对在工厂操作中被消耗之前的材料进行预干燥和进一步的清洁，但是也可以使用其它商业上已知类型的干燥器。而且，这种干燥工艺在低温、露天***内进行，因而进一步降低了工业设备的操作成本。干燥温度优选被保持在低于300，更优选在200-300之间。
与在煤燃烧之后再试图除去污染物和其它污染的当前现有技术***形成对比，本发明的热处理装置还提供一种利用了材料的偏析和流化床的分级能力将煤中的飞灰、硫、含汞材料和其它有害污染物除去的***。在煤燃烧之前将这些污染物和其它污染除去，消除了工厂加工中的污染对环境可以造成的可能有害影响，并且预期的优点是排放更低、煤输入量更小、装置运行需要的辅助动力更小、装置的耗水量更少、金属腐蚀及其它因素所致的装置维修成本更低以及从废气中提取这些污染所需装置引起的资本费用更小。
对于本发明来说，“粒状材料”表示构成进入工厂操作的整体输入的任意粒状或颗粒化合物、物质、元素或组分，包括但不限制于燃烧燃料，如煤、生物质、树皮、泥煤和森林废弃物；铝土矿和其它矿石；以及在工厂操作内被改性或变性的基质，如谷物、谷类食品、麦芽、可可。
在本发明的上下文中，“工厂操作”表示物质的任何燃烧、消耗、转化、改性或改进，以提供有益结果或最终产品。这样的操作可以包括但不限制于发电装置；炼焦操作；炼铁、炼钢或炼铝的设备；水泥生产操作；玻璃生产装置；乙醇生产装置；用于谷物和其它农业材料的干燥操作；食品加工设备和用于工厂及建筑物的加热操作。工厂操作包括与产品或***的热处理结合的生产操作，包括但不限制于用于在二氧化碳或有机酸消除中使用的胺或其它提取剂的温室、区域供热和再生操作。
如在本申请中使用的“煤”表示无烟煤、烟煤、次烟煤和褐煤或“褐色的”煤，以及泥煤。具体包括Powder River Basin煤。
对于本发明来说，“质量特性”表示在工厂操作内影响粒状材料的燃烧、消耗、转化、改性或改进的区别特征，包括但不限制于水分含量、碳含量、硫含量、汞含量、飞灰含量以及燃烧时SO2和灰、二氧化碳、***的产生。
如在本申请中使用的，“热处理装置”表示有利于对产品施加热的任何装置，包括但不限制于燃烧室、干燥器、蒸煮器、烘箱、保温箱、生长室和加热器。
在本发明的上下文中，“干燥器”表示有利于通过应用直接或间接加热降低粒状材料的水分含量的任意装置，包括但不限制于流化床干燥器、振动流化床干燥器、固定床干燥器、移动床干燥器、级联回旋床干燥器、细长槽式干燥器、料斗干燥器或窑。这些干燥器还可以由单个或多个容器、单级或多级、重叠或不重叠的构成，并且含有内部或外部的热交换器。
对本申请来说，“主要热源”表示主要目的为直接在一个装置中做功所产生的热量，所述一个装置比如为锅炉、涡轮机、烘箱、燃烧室、干燥器、热交换器、反应器或蒸馏柱。这种主要热源的实例包括但不限制于燃烧热和直接离开锅炉的生产用蒸汽。
如在本申请中使用的，“废热源”表示由在工厂操作中的一个装置内由主要热源已经做的功所产生的具有高热含量的任何残留的气态或液体副产物流，并且其使用的第二目的在于在一个装置中做功，而不是废弃。这样的废热源的实例包括但不限制于冷却水流、热冷凝器冷却水、热废气或烟道气、来自例如涡轮机的废工业用蒸汽或来自操作如压缩机、反应器或蒸馏柱的废热。
对本申请来说，在发电装置的锅炉中燃烧的煤将被用作示例性的粒状材料和工厂操作，但重要的是应当理解，本申请还涵盖构成到工厂操作的有利、必要或有益输入的任何其它材料。
图1示出发电用的简化燃煤发电装置10。将原煤12收集在煤仓14内，直到需要。然后，通过进料器16供给磨煤机18，在磨煤机18中，煤在一次气流20的协助下被粉碎成如本领域所知的合适颗粒大小。
然后，将粉碎的煤颗粒供给燃烧室25，在燃烧室25中，它们在二次气流30的协助下进行燃烧，产生热。该燃烧反应还产生废气27，并且将废气27排出到大气中。
而这种热源将锅炉32的水31转变成蒸汽33，蒸汽33传递给蒸汽涡轮机34。蒸汽涡轮机34可以更完整地由串连操作性连接的高压蒸汽涡轮机36、中压蒸汽涡轮机38和低压蒸汽涡轮机40组成。蒸汽33通过推动连接到各个涡轮机单元内包含的一系列轮子上的扇状叶片而做功，所述轮子被安装在轴上。当蒸汽推动叶片时，它同时使轮子和涡轮机的轴旋转。这种旋转的轴带动发电机43的转子转动，从而产生电45。
将低压蒸汽涡轮机40排出的蒸汽47传递给冷凝器50，在冷凝器50内，蒸汽被冷却水52冷却，从而使蒸汽变成水。大部分的蒸汽冷凝器都是水冷却的，使用了一种开放式或封闭式的冷却线路。在图1所示的闭路布置中，蒸汽47内包含的潜热提高了冷的冷却水52的温度，因而它作为热的冷却水54从蒸汽冷凝器50排出，随后，热的冷却水54在冷却塔56中被冷却，以作为在闭路布置中冷的冷却水52进行循环。另一方面，在开放式冷却线路中，冷却水携带的热被排放到冷却水体(例如，河流或湖泊)中。相反，在封闭式冷却线路中，冷却水携带的热被排放到冷却塔内。
如图2所示，图1的发电装置10的运行效率可以通过提取并利用一些发电装置的废热和副产物流得到提高。燃烧化石的工厂锅炉典型装备有空气预热器(“APH”)，用来加热在煤粉碎及燃烧工艺中使用的一次和二次气流。在锅炉***(燃烧室、燃烧器和锅炉布置)中使用燃烧煤，以将水转变成蒸汽，然后该蒸汽被用于使蒸汽涡轮机运转，所述蒸汽涡轮机与发电机操作性连接。热交换器通常被称作蒸汽对空气的预加热器(“SAH”)，使用从蒸汽涡轮机中提出的蒸汽对空气预热机上游的一次和二次气流进行预热。从涡轮机中提取蒸汽降低了涡轮机(和装置)的输出，并且降低了循环的单位发热量。
典型的APH可能具有再生式(Ljungstrom或Rothemule)或管式设计。SAH被用于保持在APH入口的空气的高温，并且保护APH的冷却端免受因硫酸在APH传热表面上沉积所致的腐蚀，以及免受使流动阻力和风机功率要求增加所致的堵塞。越高的APH入口空气温度产生越高的APH气体出口温度以及在APH冷却端的APH传热表面(在再生式APH中的传热通道或在管式APH中的管)越高的温度。更高的温度减少了在APH内的酸沉积区域并还降低了酸沉积速率。
因此，在改性***65内，SAH 70使用提取自中压蒸汽涡轮机38的废工业用蒸汽的一部分71，以分别预热被传递给磨煤机18和燃烧室25之前的一次气流20和二次气流30。在SAH 70中能够达到的一次气流20和二次气流28的最高温度受离开蒸汽涡轮机38时的提取蒸汽71的温度和SAH 70的热阻限制。而且，一次气流20和二次气流30分别通过PA风机72和FD风机74供给三分区(tri-sector)APH 76，其中这些气流被排放到大气之前的废气流27再次加热。以这种方式，高温的一次气流20和二次气流30提高了磨煤机18的工作效率以及在燃烧室25中工业用热的生产。此外，可以将冷凝器50排出的水流78循环到锅炉32中，以再次转变成工业用蒸汽。蒸汽涡轮机38排出的废气27和工业用蒸汽71以及冷凝器排出的水78被成功地用于提高发电装置65的总体效率，否则蒸汽涡轮机38排出的废气27和工业用蒸汽71以及冷凝器排出的水78都可能成为废物。
如上述论述那样，如果煤12的水分含量能够在其传递给燃烧室25之前得到降低，则将进一步有利于发电装置的操作效率。基于经济基础，这种初级干燥工艺也能够使用如次烟煤和褐煤的更低级煤。
图3显示用于降低煤12的水分含量的目的的流化床干燥器100，但是应当理解在本申请的上下文中可以使用任意其它类型的干燥器。而且，完整的煤干燥***可以由多个串联或并联连接的煤干燥器构成，以除去煤中的水分。包含多个相同煤干燥单元的多干燥器途径提供了工作和维修的弹性，并且由于其通常更小的尺寸需求，允许煤干燥器被安装并集成在现有的发电装置的设备内，而且是分级地、一次一个地进行安装并集成。这样对正常的工厂操作干扰最小。
一个或多个流化床将在较低温度范围的露天操作。床内热交换器与静态的流化床或固定床设计一起使用，以为煤干燥提供另外的热量，从而减小必要的设备尺寸。在流化床干燥器具有充足的床内传热表面的情况下，流化/干燥气流可以被降低到相当于最小流化速率的值。这样降低干燥器的腐蚀损害和淘洗(elutriation)率。
床内热交换器用的热可以直接或间接供给。直接热供给包括转用热的流化气流、热的冷凝器冷却水、工业用蒸汽、热废气或其它废热源中的一部分并且使其通过床内热交换器。间接热供给包括使用被热的一次气流加热的水或其它传热液体；热的冷凝器冷却水；由蒸汽涡轮机循环中取出的蒸汽、热废气或在外部热交换器中的其它废热源，之后其通过床内热交换器。
床容积可以是整体的(参见图3)或被分成几部份，在此处被称作“多个级”(参见图15-16)。对于使将被燃烧的湿过筛煤在其燃烧的同一位置上进行干燥，流化床干燥器是良好的选择。单一容器或多个容器中可以包含多个级。多级设计允许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间接热源。
图3公开了在工厂位置上的一种形式为流化床干燥器100的煤干燥器及相关设备。将湿煤12储存在煤仓14内，在此通过进料门15传递给振动进料器16，振动进料器16将煤12输送给磨煤机18，以粉碎成煤颗粒。然后，粉碎的煤颗粒穿过筛102，以恰当地筛选出直径小于1/4英寸的颗粒。然后，将筛选出的碎煤颗粒由输送器104输送到流化床干燥器100的顶部区域，在流化床干燥器100中，煤颗粒被热空气160流化并干燥。然后，干燥的煤颗粒由下面的干煤输送器108、斗式提升机110和上面的干煤输送器112输送给干煤仓114和116的顶部，干煤颗粒储存在其中，直到锅炉燃烧室25需要为止。
流化床干燥器100内的湿空气和淘洗煤粉120被输送到集尘器122(也被称作“袋式集尘室”)，在集尘器中，淘洗煤粉(fires)与湿空气分离。集尘器122提供用于将湿空气和淘洗煤粉拉入集尘器内的力。最后，除去淘洗煤粉的空气穿过烟囱126，随后在洗涤器单元(未示出)内处理掉包含在气流中的其它污染物比如硫、灰和汞。
图4公开了在本发明下的煤干燥床的一个实施方案，它是带有直接热供给的单级、单容器的流化床干燥器150。尽管流化床干燥器150有很多种不同的可能布置，但是通常的功能构件包括用于支撑流化及输送用的煤的容器152。容器152可以是槽、闭合容器或其它适当的装置。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)，并且将容器154分成流化床区域156和送气区域158。如图5所示，分配板154可以用合适值的方式穿孔或构造，以使流化空气160进入到容器152的送气区域158内。流化空气160被分配遍及送气区域158，并且被高压迫使向上穿过在分配板154中的开孔155或阀，以使放置在流化床区域156内的煤12流化。
容器152的上部限定了稀相区162。如图4所示，湿过筛煤12通过入口点164进入流化床干燥器150的流化床区域156。如所示，当湿过筛煤12被流化空气160流化时，煤水分和淘洗煤粉被推进穿过容器152的稀相区162，并且通常在排气出口点166上的流化床干燥器150的顶部排出容器。同时，干煤168将通过卸料槽170被排出到输送器172，以输送到储仓或锅炉燃烧室。当流化煤颗粒在图4所示的方向A上越过在分配板154上面的流化床区域156时，它们将靠着堰174堆积，所述堰174构成横穿流化床干燥器的宽度的壁。堰174的高度将限定干燥器内煤颗粒的流化床的最大厚度，原因是当累积的煤颗粒上升到堰的高度之上时，因此它们将必然从堰的顶部穿过并落入与卸料槽170相邻的流化床干燥器150的区域内。煤进口164和出口点169的结构和位置、淘洗煤粉出口166、分配板154和容器152的配置都可以根据最佳结果的需要进行改进。
流化床干燥器150优选包括与湿煤进口164操作性连接的湿床旋转气锁176，从而维持了在煤进料和干燥器之间的压力密封，同时允许将湿煤12引入到流化床156。旋转气锁176应当具有带涂布碳化镍的内腔(bore)的铸铁结构的外壳。气锁的端板应当具有带涂布碳化镍面的铸铁结构。气锁转子应当具有带封闭端、平头(leveled tip)和辅助焊接的铸铁结构。在本发明的一个实施方案中，气锁176应当被分级成每小时处理约115吨的湿煤进料，并且气锁176应当在60％填充率下以约13 RPM旋转，以满足这种分级标准。气锁被配备有3马力的变频器用齿轮马达(inverter duty gearmotor)和空气吹扫工具。尽管气锁176是直接与电动机连接的，但是在流化床干燥器的其它湿煤进口处安置的任何其它气锁可以是链传动的。注意，在气锁的铸铁表面上使用合适的涂布材料如碳化镍，所述铸铁表面可能随着时间的逝去(over time)而遭受磨损煤颗粒的通过。这种涂布材料还提供“非粘性表面”。
产物旋转气锁178在与流化床干燥器出口点169操作性连接时优选被供给空气，以处理退出干燥器时的干煤产物168。在本发明的一个实施方案中，气锁178应当具有带碳化镍涂布的膛的铸铁结构的外壳。气锁端板应当同样具有带涂布碳化镍的面的铸铁结构。气锁转子应当具有带封闭端、平头和辅助焊接的铸铁结构。气锁应当优选在60％填充率下以约19RPM旋转，以满足分级标准。气锁应当被配备有2马力的变频器用齿轮马达、链传动装置和空气吹扫工具。
分配板154将热空气入口的送气装置158与流化床干燥室156和162分开。如图5所示，分配板应当优选由3/8-英寸厚的经过喷水钻过的50,000psi屈服的碳素钢制成。分配板154可以是平的，并且可以位于相对于流化床干燥器150的水平面上。开孔155应当是直径约为1/8-英寸，并且从分配板的进料端到排出端在约1-英寸的中心上，以1/2-英寸的中心距跨度并且在相对于分配板垂直的方向上进行钻孔得到。更优选地，开孔155可以在相对于分配板约65°-方向上进行钻孔得到，因而被强制通过分配板内的开孔155的流化空气160将在流化床区域156内的流化煤颗粒吹向干燥器单元的中心，并使远离侧壁。被流化的煤颗粒在图5所示的方向B上行进。
分配板180的另一个实施方案示出在图6-7中。这种分配板180不再是平的平板，而是由两个被钻孔的板182和184构成，所述被钻孔的板182和184分别具有平坦部分182a和184b、圆形部分182b和184b以及竖直部分182c和184c。为了形成分配板单元180，这两个竖直部分182c和184c通过螺栓186和螺母188栓在一起。为了使煤颗粒流向分配板的中心，分配板180的“平坦”部分182a和184a实际上安装在相对于干燥器单元中部的5°斜面上。同时，图8更清楚地示出，分配板单元的圆形部分182b和184b共同限定了一个直径约为1英尺的半圆区域190，以容纳螺旋推进加料器192。在分配板单元182和184中的钻孔183和185仍然分别在从进料端到排放端为约1-英寸的中心上，而相对于干燥器单元的竖直平面为65°-倾斜方向上为1/2-英寸的中心距跨度。尽管分配板单元182和184的平坦部分182a和184a以及竖直部分182a和184c应当由3/8-英寸厚的喷水钻过的50,000psi屈服的碳素钢制成，但是圆形部分182b和184b将优选由1/2-英寸厚的碳素钢形成，以提高螺旋槽190周围的强度。流化的煤颗粒在图6所示的方向C上行进。
当煤颗粒在干燥器单元的流化床区域156内得到流化并且在沿流化床的方向D上行进时，更大且更密实的颗粒将自然地下沉到流化床的底部，原因是它们的比重增加。同时，更轻的煤颗粒和淘洗的煤粉将受引力朝向流化床的顶部，原因是它们的比重更轻。通常地，这些更密实的“过大”煤颗粒将覆盖分配板180的表面，并且堵塞在分配板中的钻孔183和185，因而阻止加压的热空气160流入到干燥器内使煤颗粒流化。而且，流化的煤颗粒能够横跨干燥器单元的长度进行不均匀的堆积，因而阻止流化颗粒从干燥器的进料端到排放端的必要流动。因此，为了使热空气160再次使煤颗粒流化并且使它们沿干燥器的长度均匀地流动，必要的是，周期地关闭流化床干燥器150以将这些过大的煤颗粒清洁到流化床区域156之外。干燥器的这种维修对干燥器的连续操作可以带来明显的干扰。
因此，如图8所示，螺旋推进加料器194安置于分配板的槽区域190内。这种螺旋推进加料器应当具有12-英寸的直径，应当进行分级以每小时除去11.5吨的在干燥器床中的过大煤颗粒，并且具有足够的扭矩以在4-英尺厚深的煤颗粒床下开始。驱动器将是带有10∶1调节(turndown)的3-马力变频器用马达。为了耐久性，螺旋推进加料器194应当具有碳素钢结构。
分配板180和螺旋推进加料器194的槽190应当与干燥器的纵向垂直。这样能够使螺旋推进加料器的毛边196在操作过程中与沿流化煤床的底部的过大煤颗粒咬合，并且将它们拖至干燥器单元的一边，从而防止这些过大煤颗粒堵塞分配板的孔，并且阻止流化煤颗粒沿干燥器床的长度流动。
图9以示意的形式公开了图4的流化床干燥器150，其中为了易于理解，相同的数字用于相应的干燥器部件。由风机200抽吸环境空气160，穿过被燃烧源204加热的加热器202。将被循环穿过加热器202而得到加热的一部分流化空气206导向流化床区域156，以使湿过筛煤12流化。加热器202可以使用任意合适的燃烧源，比如煤、石油或天然气。
尽管可以将这种加热的流化空气206用于加热在床区域156内得到流化的煤颗粒12，并且通过与热流化空气的接触传热使颗粒表面的水蒸发，但是优选在干燥器床内包括床内热交换器208，以给煤颗粒提供热传导，从而进一步改善这种加热和干燥过程。通过将流化热空气206(由加热器202加热)的残余转向穿过床内热交换器208，形成直接热供给，对流化煤进行加热，从而将水分逐出，其中所述床内热交换器208延伸遍及流化床156。离开床内热交换器208的流化空气206循环回到风机200，以再次循环穿过加热器202并由其加热。当流化空气通过送气装置158直接进入流化床区域156时，导致流化空气206有一些损失。通过向循环环路中再抽吸环境空气160，使这种损失的空气得以替换。
图10示出了图4的单级、单容器的流化床干燥器150的另一个实施方案，不同的是，外部热交换器210替换了加热器202，以及采用来自周围工业生产装置的废工业用热212加热这种外部热交换器。由于工业生产装置比如发电装置通常都具有可获得的废工业用热源(否则将被处置)，因此为了在更加商业可行的基础上来提高这种干燥煤的锅炉效率，本发明的配置能够生产性使用这种废工业用热，以在流化床干燥器150中加热并干燥湿煤12。如图9所示，对于干燥煤颗粒，使用一次热源如煤、石油或天然气是更昂贵的选择。
图11示出了单级、单容器流化床干燥器220的再另一个实施方案，该流化床干燥器220类似于图10所示的流化床干燥器，不同之处在于外部热交换器210和床内热交换器208都没有使用废工业用热212进行加热。而是，将来自发电装置操作其它地方的热冷凝器冷却水222的一部分引向床内热交换器208，以提供必要的热源。因此，在图11的流化床干燥器的实施方案220中，使用两个独立的废热源(即，废工业用热和热的冷凝器冷却水)来提高煤干燥工艺的操作效率。
图12示出了单级、单容器、流化床干燥器230的再另一个实施方案，其类似于图11所示的流化床干燥器，不同之处在于：使用来自发电装置的蒸汽涡轮机的热工业用蒸汽232代替作为床内热交换器208用的热源的热冷凝器冷却水。再次，为了提高煤干燥工艺的操作效率，流化床干燥器230使用了两种不同的废热源(即，废工业用热212和热的工业用蒸汽232)。
图13-14中示出了流化床干燥器的另一个实施方案，要求的是采用间接热供给的单级、单容器的流化床干燥器240。如图13所示，通过使用水或其它传热液体242为床内热交换器208提供间接热供给，然后通过泵246循环穿过床内热交换器208，其中所述水或其它传热液体242被流化空气206、热冷凝器冷却水222、取自蒸汽涡轮机循环的工业用蒸汽232或来自外部热交换器210的燃烧室烟道的热废气248加热。还可以使用这些热源(以及其它热源)的任意组合。
图15-16示出了本发明的露天、低温流化床干燥器设计的再一个实施方案，其是采用直接加热供给(来自发电装置的冷却塔的热冷凝器冷却水252)到床内热交换器208的多级、单容器流化床干燥器250。容器152被分成两级：第一级254和第二级256。尽管图15-16中示出的是两级干燥器，但是可以添加其它级并且可以实现进一步的处理。通常地，湿过筛煤12通过在入口点164处的稀相区162进入流化床干燥器250的第一级254。进入、循环并排出包含在第一级254内部的床内热交换器258的加热盘管的热冷凝器冷却水252使湿过筛煤12被预热并且部分被干燥(即，一部分表面水分被除去)(直接加热)。热流化空气206也使湿过筛煤12得到加热及流化。在被外部热交换器210中的废工业用热212加热之后，流化空气206被风机200迫使穿过流化床干燥器250的第一级254的分配板154。
在第一级254中，热流化气流206被迫使穿过被分配板154支撑并且在其上的湿过筛煤12，从而使煤得到干燥，并且将包含在煤内的可流化颗粒和不可流化颗粒分开。更重或更密实的不可流化颗粒在床内析出，并且收集在分配板154的底部。然后，这些不可流化颗粒(“切割不足”)作为流1(260)从第一级254中排出，这在与本申请同一天提交并且与本申请有共同的共发明人和所有人的美国申请中进行了更完全的解释，该美国申请是在2005年4月15日提交的美国序列号11/107,153的部分继续，并且该申请通过引用结合到此。流化床干燥器通常被设计成处理在流化床底部收集的高达4英寸厚的非流化材料。非流化材料可以占输入煤流的最多25％。可以将这种切割不足的流260引入另一个选矿工艺中，或可以简单地将其排出。如图16所示，通过倾斜的水平方向分配板154，可以实现使析出的材料沿分配板154运动到用于流260的排出点。因此，第一级254使可流化的和不可流化的材料分离，使湿过筛煤12预干燥和预加热，并且将湿过筛煤12的均匀流提供给包含在流化床干燥器250内的第二级256。来自第一级254的流化煤12气载溢出第一堰262，到达床干燥器250的第二级256。在床干燥器250的这种第二级中，通过直接热，将流化煤12进一步加热并干燥到所需的输出水分含量，其中热冷凝器冷却水252进入、循环并离开包含在第二级256内的床内热交换器264的加热盘管，以辐射其中的显热。在被外部热交换器210中的废工业用热212加热之后，被风机200迫使穿过分配板154进入流化床干燥器250的第二级256内的热流化空气206也使煤12得到加热、干燥和流化。
干煤流气载地越过在流化床干燥器250的排出端169的第二堰266排出，而淘洗煤粉166和湿空气从干燥器单元的顶部排出。这种第二级256还可以被用于进一步分离来自煤12的飞灰和其它杂质。如图16所示，析出的材料将作为流2(268)和3(270)，通过位于床250底部的多个提取点268和270从第二级256中移出。提取点的所需数量可以根据湿过筛煤12的尺寸和其它性质进行改进，所述其它性质不限制地包括：不适宜杂质的性质、流化参数和床设计。通过如图16所示的倾斜分配板154，或者通过现有的商购的水平方向分配板，可以实现使析出材料运动到排出点260、268和270。可以将流1、2和3从工艺中移出并且将其填埋或进一步处理以除去不适宜的杂质。
当流化气流206流过煤床250以及同时包含在流化床156的第一级254和第二级256的湿过筛煤12时，其被冷却并被增湿。可以从干燥器床内的煤12除去的水分的量受流化气流206的干燥能力的限制。因此，借助床内热交换器258和264的加热盘管向流化床156输入的热量提高了流化气流206的干燥能力，并且降低了完成预期程度的煤干燥所需要的干燥空气的量。使用足够的床内传热表面，干燥气流206能够被降低到相当于保持颗粒悬浮所需要的最小流化速率的值。该值典型地在0.8米/秒范围，但是该速率能够增大，以在更高值比如1.4米/秒运行，从而保证该过程从来都没有降低到低于最小所需的速度。
为了实现最大的干燥效率，干燥气流206在饱和条件(即，具有100％的相对湿度)下离开流化床156。为了防止水分在流化床干燥器250的稀相区162中以及更下游之处冷凝，煤干燥器250被设计成出口的相对湿度低于100％。另外，如本文更完全解释的，一部分热流化空气206可以绕过流化床156，并且与稀相区162中的饱和空气混合，从而降低其相对湿度(例如，喷射)。备选地，可以在流化床干燥器250的稀相区162内部增加预热表面，或者可以使用加热容器外壳或其它技术来增加离开床干燥器250的流化空气206的温度及降低其湿度，并且防止下游冷凝。在干燥器中除去的水分直接与流化空气中所包含的供热量以及床内热交换器辐射的热量成比例。供热量越高，则床和出口的温度越高，这增加了空气的输送水分的能力，因而降低了实现预期干燥度所需要的必需的空气与煤的比率。用于干燥的能量需要量取决于气流和风机的压差。将热加入到干燥器床中的能力取决于所述床与加热水之间的温度差、传热效率和热交换器的表面积。为了利用较低温度的废热，因而需要更大的传热面积，以将热引入工艺中。这典型意味着更深的床，以给床内热交换器的加热盘管提供必要的容积。因此，欲达到的目的可以规定本发明的流化床干燥器的精确尺寸和设计结构。
进入和离开干燥器的煤流包括湿过筛煤12、加工过的煤流、淘洗煤粉流166和切割不足的流260、268和270。为了处理不可流化煤，如本文中更完全公开的，干燥器250装备有被包含在第一级分配板180的槽区域190内的螺旋推进加料器194，所述第一级分配板180与用于收集切割不足的煤颗粒的收集料斗和洗涤器单元结合。这种螺旋推进加料器和洗涤器单元在与本申请同一天提交并且具有共有的共发明人和所有人(owner)的美国申请中有更全面的公开，所述美国申请是在2005年4月15日提交的美国序列号11/107,153的部分继续，所述的申请通过引用结合到此。
其中，干燥器的典型的相关组件尤其包括：煤输送设备、煤储料仓、流化床干燥器、空气输送和加热***、一个或多个床内热交换器、环境控制器(集尘器)、仪表和控制和数据采集***。在一个实施方案中，使用螺旋推进加料器将湿煤供应给干燥器并且将干燥的煤产物从干燥器中取出。可以使用螺旋进料器控制进料速率并且在进入及离开干燥器的煤流上提供气锁。在煤仓上的测压元件提供进入干燥器内的流量和总的煤输入量。仪表可以没有限制地包括：热电偶、压力计、空气湿度计、流量计和应变计。
相对于流化床干燥器，第一级实现了不可流化材料的预加热和分离。这可以被设计成分离煤的高速率小室。在第二级中，通过水蒸汽和煤之间的分压差使煤水分蒸发，因而煤得到干燥。在一个优选实施方案中，大部分的水分是在第二级中被除去的。
图17-18更清楚地显示了包含在流化床干燥器250的床内热交换器258和264内的加热盘管280。每一个加热盘管都具有由双行程的U形管的盘管连接282构成的碳素钢结构，所述盘管连接282具有整体水箱284，所述的整体水箱284具有连接其上的盖、进口法兰286、出口法兰288和吊环290。这些加热盘管束是为在150psig、300下使用水进口286和出口288用的150#ANSI法兰设计的。加热盘管280定位为横跨干燥器单元的第一级254和第二级256的宽度，并且带有吊环的支撑板292被安置在沿加热盘管束的长度的中间，以提供横向支撑。
第一级热交换器258的一个实施方案包含直径为11/2-英寸的加热盘管(280)，而所述加热盘管(280)具有Sch 40 SA-214碳素钢的翅管、1/2-英寸-高的散热片以及1/2-英寸散热片间距×16-标准尺寸的实心螺旋焊接的碳素钢散热片(garage solid helical-welded carbon steel fins)，所述实心螺旋焊接碳素钢散热片的水平间隙为1-英寸，并且其对角线间隙为11/2-英寸。同时，根据干燥器的第二级的长度，第二级热交换器264可以由一组长的管束或多组串联的管束构成。第二级热交换器264的管通常由如下构成：1-11/2-英寸OD管系×10 BWG壁SA-214碳素钢的翅管、1/4-1/2-英寸-高的散热片和1/2-3/4-英寸散热片间距×16-标准尺寸的实心螺旋焊接的碳素钢散热片，所述实心螺旋焊接的碳素钢散热片的水平间隙为1-英寸，其对角线间隙为11/2。在本发明的一个实施方案中，第二级加热盘管包含110-140根管。第一级以及第二级热交换器258和264所用的管束的总表面积约为8,483英尺2。
第一级堰262被更完整地显示在图19中。它横跨在第一级254和第二级256之间的流化床干燥器250的宽度伸展。由于干燥器的宽度为14-英尺，因此它由两个堰门板300和302构成。每一个堰门板都由下部301、303和可调节的上部304、305组成，其中所述下部301、303分别在适当位置被焊接到干燥器底部和侧壁上，而所述可调节的上部304、305在沿干燥器侧壁的轨道内竖直滑动，并且通过连接链308悬挂，所述连接链308被连接到跨过干燥器单元的宽度的5″×5″见方的管支撑310上。这样的连接链允许堰门的上部304、305竖直移动，以调节堰门的高度。在堰门中的小孔314平衡越过堰门的流化煤颗粒的分布，以维持越过流化床的煤颗粒的均匀深度。对于干燥器250来说，在每一个堰门中有三个小孔315，每一个都是边长为12-英寸的菱形形状。然而，根据在干燥器床25中的流化条件，可以使用其它形状、大小和数量的小孔。当门的上部相对于下部滑动时，这些小孔的尺寸变得更大或更小，从而对堰门的高度提供一定程度的调节。
图20更完整地示出了在第二干燥器级256的排出端的堰门266。类似于第一堰门262，这种第二堰门266由两个更小的堰门板320和322组成，所述堰门板320和322带有被焊接到干燥器单元的底部和侧壁的下部321、323。可调节上部324、325在沿干燥器侧壁的轨道内竖直滑动，并且沿它们的顶边328至5″×5″见方的管支撑330通过连接链332得以固定。再者，优选沿它们的边测量为12英寸的菱开小孔334有助于平衡越过堰门的煤颗粒的分布。
位于每个堰门板的下部的是翻板门336和338。翻板门通过铰链连接到堰门上，并且借助空气驱动的气缸340和342进行操作，所述气缸340和342联合连接使在每一个堰门板中的8-英寸×3-英尺的开口344开和关。当翻板门被打开时，在干燥器的第二级256中的流化煤颗粒可以落入排料料斗346，随后，来自所述排料料斗346的干燥煤产物被排出干燥器。堰门262和266由1/2-英寸的碳素钢制造。
位于干燥器250的稀相区162中的喷射管350有助于使干燥器中在流化床上的空气保持在露点以上。这是重要的，原因是来自干燥器床中的流化煤颗粒中的蒸发水分将上升到稀相区，并且将这个区域增湿。如果，在干燥器中的温度条件允许这种湿润空气冷凝，则水滴可能落入流化床中，并且导致煤颗粒聚集且堵塞干燥器床和分配板。
图21所示为喷射管350。它由带有末端358和360的一系列互相连通的管部分352、354、356组成。如图15更清楚地示出，末端358延伸进入干燥器中。喷射管350的末端360与导管362连接，而所述导管362延伸自将热流化空气输送给两个干燥器级的管道。以这种方式，可以将一部分热流化空气206通过喷射管350输送到干燥器的稀相区。喷射管350优选直径为20-英寸，并且具有在其中钻孔的三排1-英寸的孔364，以将这种流化空气沿流化床干燥器250的宽度输送。喷射管优选位于在第一级末端附近的干燥器的稀相区，原因是累积在干燥器中的大部分水分可能存在此处。而且，在喷射管中的一些孔可以形成有角度，以引导流化空气，从而降低煤颗粒在干燥器壁上结块。
图22从进料端显示流化床干燥器250。要特别关注的是灭火器组件370。尽管使用干燥器床的干燥煤颗粒和煤粉自发燃烧的可能性通过使干燥器床在低于300、优选200-300下加热得到减小，但是仍然存在***的可能。因此，灭火器组件370包括洒水***，如果在操作过程中发生紧急情况，则所述洒水***将水喷射进入干燥器中。其由与喷嘴连接的凸缘管组成。基于单区域微处理器的控制单元管理该***，所述控制单元带有额定备用24小时的备用电池组。当检测到源自流化床干燥器中的早期***时，干式触点提供了报警器的远程信号。高速释放(“HRD”)灭火器被用于抑制***和用于建立化学隔离阻挡层。HRD利用干氮被加压到500psig，并且充填有由工业级(processed-grade)的碳酸氢钠组成的抑制剂。当检测到早期***时，检测器通过控制单元将电脉冲送到位于HRD颈部的***激励器。该激励器快速打开位于抑制器底部的***隔膜，从而使抑制剂被排出。所使用的***检测器是一对压力检测器，其由低惯性的不锈钢隔膜组成。在安装压力检测器时，使用远距离工具，以使扰人的警报最小。6个30-升、5-英寸HRD灭火器将通过套筒式平头喷洒喷嘴(flush spreadernozzle)放出，其中在干燥器的每一面上都安装三个。
用于本发明目的的另一类型煤床干燥器是带有直接或间接热源的单容器、单级的固定床干燥器。图23示出了这种带有直接热源的干燥器的一个实施方案，但是很多其它布置也是可以的。对于干燥将售卖给其它发电厂或其它工厂的煤，固定床干燥器是一种良好的选择。这是因为低干燥速率和以下事实的缘故：固定床干燥器相对于流化床干燥器需要长得多得停留时间，以将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厂位置比如在采矿区中的使用实际上通常是受限制的。在这样情况下，优质的废热源，比如热冷凝器的冷却水或压缩器的热都不可能利用于干燥操作。而且，可能更加难于廉价地提供流化床所需要的必要量的流化空气。
由图23所示的布置，固定床干燥器400具有两个同心的壁，其中通常为圆柱形的外壁402和通常为圆柱形的内壁404限定了一个介于外壁402以及内壁404之间的用于空气流动的环形空间(spatial ring)406。在固定床干燥器400的底部上安置其基底直径小于内壁404的直径的圆锥形结构408，所述圆锥形结构408与内壁404轴向对齐，从而形成环状底板排出口410，用于排出干煤412。
煤(典型而不排它地为湿过筛煤12)在开口顶部414上进入固定床400。湿过筛煤12被重力牵引到床干燥器400的底部。通过风机418吸引冷干燥空气420穿过空气-对-水的热交换器422，产生流化气流416。流化空气420由废热，如图23所示的从蒸汽冷凝器(未示出)提取的热冷凝器冷却水424进行加热。如同在本申请中描述的所有实施方案那样，其它废热源都能够用于本发明的实践。
流化空气420穿过圆锥形结构408以及在内壁404和外壁402之间形成的环形空间406进入固定床400的底部。如图23所示，圆锥形结构408和内壁404都被穿孔，或者以其它方式适当装备，以使流化空气416流过被包含在固定床干燥器400的内壁404内的湿过筛煤12。流化空气416通过固定床干燥器400的开口顶部414放入大气中。
固定床干燥器400包括床内加热盘管426。床内加热盘管426用的热由废热提供，在这种情况下，由热冷凝器冷却水424提供。也可以单独使用来自其它来源的废热或取自蒸汽涡轮机循环的蒸汽或它们的任意组合，或将它们与冷凝器的废热424组合使用。当湿过筛煤12在固定床干燥器400中被加热并充气时，干煤412被重力或其它商购的机械装置吸引到干燥器的底部，在此处，煤通过形成于固定床干燥器400的底部的排出环410排出。
打算将本发明干燥器床设计按用户需要设计，以最大地利用从各种各样的发电装置工艺得到的废热流，而使煤不暴露在高于300、优选200-300之间的温度下。其它进料或燃料的温度梯度和流体流动的变化都将取决于想要实现的目的、燃料或进料的性质以及其它于所需结果相关的其它因素。高于300，通常是接近400时，发生氧化并且气体从煤中驱除，因而产生了含需要处理的不适宜组分的其它流，并且产生了装置操作其它潜在的问题。
通过将输入干燥器中的空气调温到低于300并且将这种热输入床内的热交换器的盘管内，干燥器能够处理更高温度的废热源。流化床干燥器的多级设计形成了多个温度带，而所述温度带能够被用于通过加热介质的逆流来实现更有效的传热。来自本发明的干燥器床的煤出口温度较低(典型地低于140)，并且产生了较容易储存和处理的产物。如果特别的粒状材料需要更低或更高的产品温度，则可以将干燥器设计成提供降低或升高的温度。
选择合适的干燥器设计、干燥器温度和包含在床内的煤的停留时间，将使水分降低到所需的水平。对于发电装置应用的低级煤，其可能要求北美褐煤的水分从约35-40重量％降低到10-35重量％、更优选27-32重量％。在其它地区市场如采用高达50-60％的褐煤的高水分含量开始的澳大利亚和俄罗斯中，煤用户可能选择通过干燥将水分含量降低到低于27％。对于次烟煤，这种水分降低可能是从约25-30重量％至约10-30重量％，更优选到20-25重量％。在用于发电装置操作的煤的情况下，尽管在本发明下的合适设计的干燥器工艺能够利用低温热将粒状材料的水分含量降低到0％，但是这样可能是不必要的，并且增加了处理成本。按用户需要设计可以将床建造成将高水分煤干燥到适合于尤其是发电装置工艺的最佳水平。
图24示出了被集成到发电装置500内的两级、单容器的流化床干燥器502的一种示例性实施方式，其使用了热冷凝器冷却水504和热废气506作为在低温、露天干燥工艺中的仅有热源。将水分含量为35-40重量％的原料褐煤12供给筛510，以筛选出其大小适合于在所述工艺内处理的煤。将低于2英寸、更优选0.25英寸或更小的合适过筛煤12通过通常方式直接输送到预处理的煤储存仓512内。任何大于0.25英寸的过大的煤首先经过粉碎器514，之后将其由通常方式输送到煤储存仓512。
然后，通过在本领域中已知的输送***，将来自储存仓的湿过筛煤12输送到流化床干燥器502，其中在煤颗粒表面及孔内的总水分降低到预定含量，得到平均水分含量为约28-30重量％的“干燥”煤516。这种所得到的干燥煤516由输送器518输送到斗式提升机520，再到干煤储存料斗522中，并一直保持在所述干煤储存料斗522中直到锅炉燃烧室需要为止。
在被输送到进入燃烧室530用的风箱528之前，通过常规的方式将收集在储料仓522中的干燥煤516输送给磨煤机524，在此处，其被粉碎成干燥粉煤526。对于本发明来说，为图24所示的煤干燥工艺提供了4百万磅/小时的锅炉容量用的在美国北达科他州的“冬季条件”的典型工艺参数。通过煤526在燃烧室530中燃烧，将在60亿BTU/小时范围内的所得热量传递给容纳在锅炉534内的水532。然后，将平均温度为1000且压力为2,520psig的蒸汽536传到锁使用的一系列高压、中压和低压蒸汽涡轮机(未示出)中的第一个，以驱动至少一个用于产生电的发电机(未示出)。废蒸汽典型地将在600和650psi下离开高压涡轮机，并且在约550-600和70psi下离开下游的一个或多个中压涡轮机。
之后，在约125-130和1.5psia下离开低压涡轮机的废弃蒸汽538被输送给冷凝器540，在该冷凝器中，废弃蒸汽538被转变成水。在约85的冷的冷却水542循环通过冷凝器540，以使从废弃蒸汽538中取出潜热。在该过程中，冷却水542变得更热并且以约120的热的冷却水544离开冷凝器。然后，将这种热的冷凝器冷却水544传给冷却塔546，在此处，其温度再次降低到约85，以产生用于循环到冷凝器540的冷的冷凝器冷却水。之后，离开冷凝器的冷凝蒸汽再循环通过锅炉534，从而被再加热成再次用于驱动蒸汽涡轮机的蒸汽536。
流化床干燥器502由具有70英尺2的分布区的第一级550和具有245英尺2的分布区的更大的第二级552组成，其中所述第一级550的分布区用于接收将要干燥的煤12。流化床干燥器502的这些级都分别装备有将在下面进行更详细论述的床内热交换器554和556。
热的冷凝器冷却水的一部分504被转用并且通过热交换器554循环，以提供干燥器的第一级550的直接热源。这种热的冷凝器冷却水504典型地平均为120，并且使第一级床内热交换器放出250万BTU/小时的热量。在约100时离开热交换器的废弃热冷凝器冷却水558返回到冷却塔，因此，它有助于将废弃的涡轮机蒸汽558冷却下来，并且再次变成热的冷凝器冷却水504。
热冷凝器冷却水的一部分504a循环通过外部热交换器560，用于加热二元醇基循环流体562，而所述二元醇基循环流体562被用于加热初级风机室盘管(preliminary fan room coil)564。这种初级风机室盘管564使一次气流566和二次气流568的温度从一年时间都在变化的环境温度升高到约25-30(冬季条件)。二元醇在低温下不冻结，因而它确保了一次和二次气流同样不会降低到低于25的最低温度。
然后，将离开初级风机室盘管564的一次气流566和二次气流568传到主要风机室盘管570，所述主要风机室盘管570构成空气-水的热交换器单元。热冷凝器冷却水504的一部分504b循环通过主要风机室盘管570，以提供必要的热源。一次气流566和二次气流568在约80-100下离开初级风机室盘管，因此，在140和112下，通过PA风机572和FD风机574将它们输送到外部空气加热器576，所述外部空气加热器576构成三分区的、旋转再生空气预热器。
使用风机室盘管564和570分别将到空气预热器576的进口空气以及热的和冷的一次气流580和566a进行预热，使可以用来到外部热交换器586的热以及传热流体流588的温度从120的范围增加到高于200的范围。这对流化/干燥空气552的流量以及对床内热交换器556的所需表面积有积极作用。这两者都随干燥和加热流的温度升高而减小。
一次空气566的一部分566a在输送给外部空气的预热器576之前，先输送给在约145的混合箱578。在与在约583的更热的一次气流380a混合之后，它形成了约187的流化空气582，所述流化空气582被用作用于流化床干燥器502的第一级550和第二级552的流化介质。为了实现这种187的流化空气温度，约54％的进入混合箱578的空气将由热的PA空气580a提供，而46％将由冷的PA空气566a提供。流化空气582将以约3.5英尺/秒的速率进入第一级550，以流化约40英寸厚的煤颗粒床。煤颗粒12以约132,000磅/小时移动穿过第一级550，其中它们被床内热交换器554和流化空气加热到约92，并且水分得到了少量降低。在达到第一级550的末端时，它们将溢出堰的顶部进入第二级552。
废气506在约825下离开锅炉燃烧室530。这种废热源穿过外部空气加热器576，以提供加热介质。废气在约343下离开外部加热器，并且经过沉淀器和洗涤器被排出到烟道。但是，在所述工艺中，该废气分别将一次气流566和二次气流568加热到约757和740，从而形成热的一次空气580和加热后的二次空气582。加热后的二次空气582以需要量的约117％输送到燃烧室530，以帮助燃烧过程和提高锅炉效率。
将约757的热的一次空气580输送到磨煤机524，因此它形成了正压源，将粉碎的煤颗粒推动到风箱528以及燃烧室530。再次，以这种方式预热粉碎的煤颗粒526，提高了锅炉效率，并且能够使用更小的锅炉和相关设备。
使用干煤，由于更低的水分蒸发损耗，因此火焰温度更高，并且在燃烧室530中的传热过程得到改进。更高的火焰温度对燃烧室530的壁产生更大的辐射热通量。由于出来废气506的水分含量被降低，因此火焰的辐射特性得到改变，这也影响对燃烧室530的辐射通量。由更高的火焰温度，离开燃烧室530的煤灰颗粒的温度更高，这能够增加燃烧室的污垢和结渣。炉渣在燃烧室壁上的沉积降低了热传递，并且在燃烧室出口处产生更高的废气温度(FEGT)。由于煤流量随煤水分的降低而降低，因此进入锅炉中的灰的量也得到降低。这样减少了锅炉534中的固体颗粒的腐蚀以及锅炉534的维修(例如，需要除去收集在锅炉内表面上的煤烟)。
热的一次气流580的一部分被输送给热交换器586，其将液体介质588加热到约201，所述的液体价质被用作包含在流化床干燥器502的第二级552内的床内热交换器556用的热源。这种液体介质将在约160下离开热交换器，因此它返回到热交换器586，以进行再加热。如上面已经提及的那样，在约283下离开热交换器586的一次气流580a与在混合箱578中的冷的一次空气566a结合，形成被导向流化床干燥器502的流化气流582。这种混合箱使流化空气的温度被调节到所需的程度。
在约92下从第一级550输送到流化床干燥器的第二级552并且水分稍微得到降低的流化煤颗粒将形成深度为约38-42英寸的床，该床被气流582流化并且进一步被床内热交换器556加热。这些煤颗粒将需要约12分钟经过流化床的第二级552的长度，因此它们作为在约118和29.5重量％的水分下的干燥煤516被排出。更重要地，进入干燥器502的第一级的煤12热值已经从约6200BTU/lb增加到约7045BTU/lb。
在业内，计算“X比率”，以表示穿过空气加热器576的热从废气506到一次空气566和第二空气568传递的相对效率。由以下等式表示：
mPA+FD·cpPA+FD·(T出-T进)PA+FD＝m废气·cp废气·(T进-T出)废气
式中，m是质量流量，cp是比热，分别地，T进是相应燃烧空气(即，一次空气和二次空气)和废气流的进口温度，而T出是出口温度。由于燃烧气流的乘积(m·cp)典型地只有废气流的相应值的80％，因此，这意味着在发电装置的通常情况下，穿过空气热交换器的废气的温度降低可能只等于在燃烧气流时得到的温度的80％。然而，根据本发明，通过降低煤的水分含量，由此使在燃烧室中的煤产物的燃烧所产生的废气的水分含量得到降低，废气流506的质量流量和比热值将得到降低，同时通过风机室盘管564和570对一次气流566和二次气流568的预加热将增加燃烧气流的质量流量。这将导致X比率增加到100％，由此极大地提高了发电装置操作的锅炉效率。而且，干燥器***根据本发明的原则的周到设计可以进一步将X比率提高到约112％，由此使锅炉操作对于发电更有效。此外，通过利用在发电装置操作内可获得的废热源，已经实现了这种被极大地提高的用于空气热交换器和锅炉效率的X比率，这样能够在协同的基础上改善发电装置操作的经济性。使用本发明的干燥器装置的其它低温、露天干燥工艺的实施方式在2005年4月15日提交的美国序列号11/107,152中有公开，该申请与本申请共享共同的发明人和所有人，并且通过引用结合在此。
使用本***得到了很多优点。所述工艺允许废热来源于很多来源，这些来源包括热的冷凝器循环水、热废气、工艺用的提取蒸汽和任何其它可以在干燥工艺中使用的可接受温度的宽范围内得到的热源。通过以低成本使通风机室(APH)加热升高50至100，本工艺能够更好地使用热的冷凝器循环水的废热，从而降低显热损失，并且从离开空气预热器的出口一次和二次气流580、582中提取热。这种热还能够通过利用空气预加热交换器，直接从废气中提取。这样导致干燥器的气流与煤流的比率以及所需干燥器的大小产生显著的降低。
通过调节床的差异(differentials)和集尘器风机的容量，干燥器可以被设计成利用现有的风机以供给流化床所需要的空气。所述床可以使用具有各种布置的集尘器，在此处描述只描述集尘器中的一些。披露的实施方案节省了一次空气，原因是干煤的一种作用是需要较少的煤来加热锅炉，因此需要更少的磨机来研磨煤并且对于磨机需要更小的气流将空气供给干燥器。
通过将干燥器集成到正好在煤仓上游的煤处理***中，锅炉***将得益于进入磨机的煤进料温度的升高，因为煤在高温下离开干燥器。预期废气体积的降低、在床干燥器中的停留时间的减小、废气含水量的降低以及更高的洗涤速率都显著影响汞从装置中排出。
对到APH的进口空气的预热的优点是升高了在APH的冷端中传热表面的温度。越高的表面温度将使酸沉积速率越低，因而，堵塞和腐蚀速率更小。这样将对风机功率、单位容量和单位性能产生积极的影响。使用来自冷凝器的废热代替提取自蒸汽涡轮机的蒸汽对进入APH的空气进行预热，将使涡轮机及单位输出功率增加，以及使循环及单位性能得到改善。升高在APH进口处的空气温度将使APH空气的泄漏比率减小。这是由于空气密度降低的缘故。APH空气的泄漏比率降低，将对强迫通风和诱导通风的风机功率产生积极的影响，这将导致降低厂用电用量，提高净单位功率输出以及改善单元性能。对于使用冷却塔的发电装置，使用废热对进入APH的空气进行预热，将降低冷却塔的热负荷，并且导致降低冷却塔的用水量。
使用所公开的工艺的煤干燥将减少锅炉***中的水损耗，从而产生更高的锅炉效率。在锅炉***中更低的敏感气体损耗，产生更高的锅炉效率。而且，降低废气的体积，将能够使在每兆瓦特(MW)的基础上的二氧化碳、硫氧化物、汞、微粒和氮氧化物的排放更低。还存在煤导管腐蚀(例如，由煤、微粒和空气在导管内引起的腐蚀)较低；粉碎维修较低；更高的单位容量使操作所需的辅助功率较低；灰和洗涤煤泥的体积较小；装置的用水量较低(预先从蒸汽涡轮机循环分流的水不受影响)；空气预热器冷端的污垢和腐蚀较低；废气导管的腐蚀较低；以及，被洗涤的废气的百分比增加。床干燥器还可以装备洗涤器-分离更高密度颗粒的装置，因而除去了煤中的污染物，并且给煤提供预烧处理。可以利用本发明去处理其它原料和燃料的温度等级和设计结构有无穷的排列。
APH-热冷凝器冷却水布置的组合允许将更小、更有效率的床用于干燥煤。利用来自蒸汽涡轮机循环的工业用热的现有***需要大得多的床。在本发明中材料得到了分离。这样可以得到更大的干燥效率。现有布置可以以静态(流化)床干燥器或固定床干燥器的方式使用。在两级干燥器中，可以调节第一和第二级之间的相对速率差。可以有不同的温度梯度，并且在不同级中加热范围的弹性不同，以使所需结果最佳化。在一个多级流化床布置中，存在没有被流化的材料的分离、再燃烧和氧控制。在第一级中，其一个实施方案中代表20％的干燥器分配表面积，抽出了更多的气流、汞和硫浓度。由于两级床干燥器可以是更小的***，因此所需的风机功率更小，这样就非常节省电消耗。干燥煤时的一个重要的经济因素是所需风机的马力。本发明可以结合使用洗涤箱。***还提供了用于NOx控制的淘洗或用于汞控制的碳注射。
从***的观点看，磨损和撕裂较小，煤处理输送器和粉碎机的维修较低，灰的量降低，而且腐蚀降低。粉碎煤更容易，因而在磨机中得到更完全的干燥，管路堵塞较小、所需一次空气较少，并且一次空气的速率较低。厂用电力(即，辅助功率)需要降低，发电装置容量可以增加，洗涤器和排放物将得到改善。
相比于湿粉碎煤，离开燃烧干粉碎煤526的燃烧室530的废气506的流量较低。而且，由于在干粉碎煤526中的水分含量较低，因此废气506的比热较低。结果是降低了废气506的热能，以及是需要更小的环境处理设备。废气506的较低流量还导致对流传热的速率较低。因此，尽管使用干煤使FEGT得到增加，但是传递给在锅炉534中的工作流体(水或蒸汽，未示出)的热更少。对于具有固定传热几何形状的锅炉，热的再加热蒸汽(被回收的循环工业用蒸汽)的温度相比于使用湿燃料的操作可能更低。热的再加热蒸汽的温度的一些降低能够通过如下得到补偿：增加再加热器(未示出)的表面积或改变锅炉的运行条件，比如增加燃烧器的倾角(热被应用到锅炉的角度)或用更高等级的过量空气运转。可以设计新的锅炉，以降低废气306穿过对流烟道(废气穿过燃烧室的出口路径)的流量，从而在通常运转条件下实现所需的蒸汽温度。这样将进一步减小尺寸和结构成本。
通过燃烧干煤，由于强制通风(FD)、诱导通风(ID)和一次空气(PA)风机的功率降低以及磨机功率降低，因而厂用电力将降低。燃烧干煤所致的较低的煤流量、较低的空气流动要求和较低的废气流量的结合，将使锅炉***的效率和单位发热量得到改善，这主要是由于烟道损耗较低以及磨机和风机的功率较低的缘故。这种性能的改善将使发电装置容量在现有设备的情况下得到提高。典型地在燃煤能源装置中使用的后端环境控制***的性能(洗涤器、静电沉析器和汞捕捉装置)将因使用干煤时由于较低的废气流量和增加的停留时间而得到改善。
燃烧干煤还对减少不适宜的排放物有积极的影响。所需要的煤流量的降低将直接转化为灰、CO2、SO2和微粒的排放质量的降低。一次空气还影响NOx。使用干煤相比于使用湿煤，一次空气的流量将降低。这将导致NOx的排放率降低，原因是它在用于将燃烧空气的分级的干燥器的前面形成更大的弹性。
对于装备有湿洗涤器的发电机组，由于降低了空气预热器的气体出口温度，因而可以降低由燃烧干煤所产生的汞排放，其中所述气体出口温度有利于以元素汞为代价形成HgO和HgCl2。这些氧化形式的汞是水溶性的，因此可以被洗涤器除去。此外，废气水分抑制汞被氧化成水溶性形式。降低燃料水分将导致更低的废气的水分含量，这将促进汞氧化成水溶性形式。因此，使用干煤与使用更湿的煤相比，将使汞排出更低。与本申请同一天提交并且具有共同的共发明人和所有人的美国申请更详细地披露了使用干燥器床将煤中的硫、灰、汞和其它不适宜组分除去，所述美国申请是在2005年4月15日提交的美国序列号11/107,153的部分继续，并且该申请通过引用结合在此。
当煤穿过所述***的这种受限部分时，煤中水分含量降低的优点包括：干煤更易于粉碎，并且实现相同的研磨大小(煤细度)需要的更小的磨机功率；提高了磨机出口温度(在磨机出口处，煤和一次空气的混合物的温度)；煤在将其输送到燃烧室530的煤管中得到更好的输送(较少堵塞)。此外，对于煤的干燥和输送，需要较少的一次气流580。较低的一次空气速率对在磨煤机524、煤管、燃烧器和相关设备中的腐蚀产生明显的积极影响，这样降低煤管和磨机的维修费用，对于烧褐煤的装置来说，这两者的维修费用是非常高的。
使用干煤，燃烧室530中的火焰温度由于水分蒸发损耗较低而较高，并且热传递过程得到改善。更高的火焰温度对燃烧室530的壁产生更大的辐射热通量。由于出来的废气506的水分含量被降低，因此火焰的辐射性质被改变，这也影响了对燃烧室530的壁的辐射通量。使用越高的火焰温度，离开燃烧室530的煤灰颗粒的温度越高，这能够增加燃烧室的污垢和结渣。煤渣在燃烧室壁上的沉积降低了热传递，并且使在燃烧室出口处的废气温度更高。由于煤流量随燃料的水分降低而降低，因此，进入锅炉的灰的量也被降低。这样降低了在锅炉534中的固体颗粒腐蚀，并且减少了用于锅炉534所需要的维修(例如，除去被收集在锅炉内表面上的煤烟)。
相比于湿粉碎煤，离开烧干粉碎煤526的燃烧室530的废气506的流量被降低。较低的废气速率通常允许减小环境控制设备的大小。而且，由于干粉碎煤526中的水分含量较低，因此废气506的比热较低。结果是降低了废气506的热能。废气506的较低流量还导致对流传热的速率较低。因此，尽管使用干煤使FEGT得到增加，但是传递给在锅炉***的对流传递中的工作流体(水或蒸汽)的热更少。
由于经济原因，煤并不需要完全干燥，也不推荐这样，因为将总燃料水分的一部分除去就足够了。除去水分的最佳分数取决于现场的具体条件，比如煤的类型及其特性、锅炉设计和商业布置(例如，干燥燃料对其它发电装置的出售)。关键是使煤失去足够的水分以将必要的传热用质量流量提供给到的主流，以及再加热在发电装置内的蒸汽流。否则，锅炉产生的蒸汽不足以驱动涡轮机。优选废工业用热，但不排它地用于在床内热交换器中使用的热和/或流化(干燥、流化空气582)。如已经显示的那样，在一级或多级内可以直接或间接供给这种热。
如前面所论述的，包含在第一流化干燥器床级254的分配板180的槽190内的螺旋推进加料器194(参见图7-8和15)通常在干燥器床侧面的水平方向上输送被放置在床底部的、更密实的不可流化的切割不足的煤颗粒。尽管相比于没有这种螺旋推进加料器的干燥器，在流化煤颗粒被整体输送流动到干燥器床的排放端的过程中仍然实现了改进，但是这种切割不足的材料也只能留下累积在干燥器床的侧面，直到干燥器需要周期性关闭以将其除去为止。然而，为了降低干燥器床的这种维修清扫(这影响了其连续操作)的需求，流化床干燥器的一个优选实施方案结合了洗涤器组件，用于干燥器在操作的同时自动除去流化干燥器的床区域中的切割不足煤颗粒的这种累积。通过自动地除去了这种不可流化的切割不足颗粒，它们可以根据它们的组成结构和工业发电装置要求，视作独立的煤处理流，所述工业发电装置要求包括：将它们送到锅炉燃烧室进入燃烧；将它们进行处理，以除去在切割不足颗粒中可能被捕获的任意其它细粒(fines)；处理切割不足颗粒，以除去不需要的组分比如元素硫、灰或汞；或在合适的填埋场处理所述切割不足颗粒。
本发明的洗涤器组件600的一个实施方案在图25a和25b中的剖开图中示出。洗涤器组件600是箱状的壳体，其具有侧壁602、端壁604、底部606及顶部608(未示出)，并且连接干燥器250侧壁，以包围切割不足的排出口610，螺旋推进加料器194穿过出口部分延伸。应当注意，能够以水平方式传输切割不足煤颗粒的任何其它合适器件都能够代替螺旋推进加料器，包括带、推杆(ram)或牵引链。
螺旋推进加料器194将推动放置在流化床底部附近的切割不足颗粒横穿床，经过切割不足排出口610，并且进入洗涤器组件600内，在此处，它们能够累积分离并且远离流化干燥器。这样消除了关闭干燥器以除去累积的切割不足颗粒的需求。但包含在洗涤器组件内的切割不足颗粒已经累积到足够程度时，或者为其它目的而有另外需要时，可以打开在端壁604中的门612，以使累积的切割不足颗粒通过在端壁中的出口孔被排出，其中这些切割不足的颗粒被螺旋推进加料器294施加给切割不足颗粒的正压或被其它合适的机械传输装置，推动穿过所述出口孔。门612也能够由定时电路操作，以使门根据周期性的计划打开，以将累积的切割不足颗粒排出。
图26示出了洗涤箱600的一个优选实施方案，其中分配板620代替了图25实施方案的实心底板606。在这种情况下，热流化空气206的支流向上穿过在分配板620中的孔622，以流化包含在洗涤器组件内的切割不足颗粒流。当然，切割不足颗粒由于它们更大的比重而停留在流化床的底部，但是捕获在这些切割不足颗粒中的任何淘洗煤粉都将升到流化床的顶部，并且经过进口孔624(在图26中，通过这个孔显示热交换器盘管280)被吸回到流化干燥器床250内。以这种方式，切割不足颗粒流在图26的洗涤器组件内得到进一步的处理，以清除淘洗煤粉，剩下更纯的切割不足颗粒流，用于进一步的处理、生产使用或处置。
图27-29示出了洗涤器组件的再另一个实施方案630，构成两个洗涤器组件632和634，用于处理流化床干燥器250产生的更大体积的切割不足颗粒。如图28可以更清楚地看出，螺旋推进加料器194延伸穿过前室(vestibule)636。切割不足煤颗粒通过螺旋推进加料器194输送到此前室636，然后进入收集室638和640，所述收集室638和640分别结束于门642和644中或其它合适类型的流动控制装置。一旦预定体积的切割不足颗粒已经累积在收集室638和640内，或经过了预定量的时间，就打开门642和644，以使切割不足颗粒分别排出进入斜槽646和648。切割不足的颗粒将通过重力穿过在斜槽646和648底部的出口部650和652，进入其它一些储存容器或传输装置，以进一步使用、进一步处理或处置。
如上所述，分配板654和656可以包含在收集室638和640的内部(参见图30)，以使穿过在分配板中的孔658和660的流化气流使切割不足颗粒流化，以分离捕获在更密实的切割不足颗粒中的任何淘洗煤粉。一旦打开门642和644，淘洗煤粉就将穿过孔660和662升到斜槽646和648的顶部，用于通过合适的机械装置输送回到流化床干燥器250。如前面所述，切割不足颗粒将穿过斜槽646和648的底部降落。
门642和644可以枢接到收集室638和640上，但是这些门还可以是可滑动地安置、向上枢轴连接、向下枢轴连接、横向枢轴连接或任何其它合适布置。另外，多级门可以操作性连接收集室，以增加从收集室排出切割不足煤颗粒的速度。
通过洗涤器组件600从干燥器250中分离出的切割不足颗粒的使用将取决于其组成。如果这些切割不足颗粒包含可接收水平的硫、灰、汞以及其它不适宜组分，则由于它们包含所希望的热值，因此它们可以输送到燃烧室锅炉进行燃烧。然而，如果这些切割不足颗粒内包含不适宜的组分，则这些切割不足颗粒可以进一步处理，以除去一些或全部含量的这些不适宜组分，这在美国序列号11/107,152和11/107,153中有更完全的公开，这两个申请都是在2005年4月15日提交的，并且与本申请分享共同的共发明人以及共所有人，并且结合到此。只有但切割不足颗粒内包含的不适宜组分的含量很高，因而它们不能通过进一步处理得到可行地降低时，切割不足颗粒才在填埋场被处置，因而这样浪费了包含在切割不足颗粒内的所需热值。因此，本发明的洗涤器组件600不仅使切割不足的煤颗粒流自动从流化床中除去，以提高干燥器的效率和连续操作，而且允许这些切割不足颗粒在发电装置或其它工厂操作中进行进一步处理或生产性使用。
下列实施例举例说明形成本发明一部分的低温煤干燥器。
实施例I-水分降低对褐煤的热值改善的作用
煤试验燃烧在北达科他州的Great River Energy’s Coal Creek Unit 2进行，以确定对单元操作的影响。褐煤通过露天储存煤的干燥***进行干燥，以用于本试验。结果在图21中示出。
可清楚看出，平均地，煤水分从37.5％降低到31.4％，降低了6.1％。如图30所示，这些结果与理论预期非常接近。更重要地，褐煤水分含量降低6％使煤燃烧时的净单位发热量提高了约2.8％，而水分降低8％，则使褐煤的净单位发热量提高了约3.6％。这种结果表明煤干燥事实上提高了其热值。
实施例II-水分降低对煤组成的影响
PRB煤以及褐煤的样品都进行化学和水分分析，以确定它们的元素和水分组成。结果在下表1示出。可以看出，煤的褐煤样品表现为：平均34.03重量％的碳、10.97重量％的氧、12.30重量％的飞灰、0.51重量％的硫和38.50重量％的水分。而PRB次烟煤样品表现为：平均49.22重量％的碳、10.91重量％的氧、5.28重量％的飞灰、0.35重量％的硫和30.00％的水分。
假定0％的水分和0％的灰(“没有水分和灰”)以及假定20％的水分含量下，使用这些褐煤和PRB煤样品的“原样”值，进行“元素分析”，以计算这些元素组成值的校正值，这些也都示出在表1中。表1可看出，煤样品的化学组成和水分含量得到显著改变。更具体地，对于20％的水分情况，褐煤和PRB煤的样品表现出碳含量分别增加到44.27重量％和56.25重量％，而氧含量增加较小，分别增加到14.27重量％和12.47重量％。硫和飞灰组分也稍微增加(但不是在绝对的基础上？)。正如重要的是，褐煤的热值(HHV)从6,406BTU/lb增加到8,333BTU/lb，而PBR煤的HHV值从8,348BTU/lb增加到9,541BTU/lb。
表1
单位          原样      不含水分和灰     20％的燃料水分
  褐煤   PRB   褐煤   PRB   褐煤   PRB
碳氢硫氧氮水分灰 重量％重量％重量％重量％重量％重量％重量％   34.032.970.5110.970.7238.5012.30   49.223.490.3510.910.7530.005.28   69.176.041.0422.291.460.000.00   76.055.390.5416.861.160.000.00   44.273.870.6714.270.9220.0016.00   56.253.990.4012.470.8620.006.30
总计 重量％   100.00   100.00   100.00   100.00   100.00   100.00
HHV BTU/lb   6,406   8,348   13,021   12,899   8,333   9,541
HT燃料 BTU/lb   -2,879   2,807   -1,664   -2,217
实施例III-水分含量对煤热值的影响
使用表1的组成值，并且假定570MW的发电装置释放825废气，进行元素分析计算，以预测这些煤样品在从5％到40％的不同水分含量下的HHV热值。结果在图31示出。可清楚看出，HHV值和水分含量之间存在线性关系，其中水分含量更低时，HHV值更高。更具体而言，PRB煤样品的HHV值在5％水分下产生11,300BTU/lb，在20％的水分下产生9,541BTU/lb，在30％的水分下只产生8,400BTU/lb。而，褐煤煤样品的HHV值在10％水分下产生9,400BTU/lb，在20％水分下产生8,333BTU/lb，而在40％下只产生6,200BTU/lb。这表明，通过使煤在锅炉燃烧室中燃烧之前进行干燥，可以提高锅炉效率。而且，在锅炉中产生相同的热量需要更少的煤。
实施例IV-中试干燥器的煤干燥结果
在2003年的秋天和2004年的夏天，将超过200吨的褐煤在由北达科他州Underwood的Great River Energy建造的中试流化床的煤干燥器中进行干燥。干燥器容量为2吨/小时，并且是为确定采用低温废热干燥北达科他州褐煤的经济性以及为确定利用流化床的重力分离能力而富集杂质比如汞、灰和硫的有效性而设计的。
在干燥器的进口和出口的煤流包括原煤进料、处理过的煤流、淘洗煤粉流和切割不足。在试验过程中，样品煤从这些流中取出，并分析水分、热值、硫、灰和汞。一些样品进行分级，并且在各种不同的粒度级别上进行进一步的分析。
中试煤干燥器装备有允许实验测定在各种操作条件下的干燥速率的仪表。数据收集***允许干燥器仪表以1分钟为基准进行记录。所安装的仪表足以运行对***进行质量和能量平衡计算。
中试干燥器的主要部件是煤筛、煤输送设备、储料仓、流化床干燥器、空气输送和加热***、床内热交换器、环境控制器(集尘器)、仪表和控制和数据采集***(参见图32)。螺旋推进加料器用于将煤供给干燥器并且将产物从干燥器中输出。螺旋进料器用于控制进料速率并且对进出干燥器的煤流提供气锁。在煤燃烧器上的测压元件提供输入干燥器的流量和总煤输入量。切割不足和集尘器淘洗物被收集在手提容器(tote)中，并且该手提容器在测试前后进行称重。输出产物流被收集在重力拖车中，该重力拖车装备有天平。煤进料***被设计成在高达8000磅/小时下将1/4以下(1/4-minus)的煤供给干燥器。空气***被设计成供给6000 SCFM@ 40英寸的水。空气加热盘管输入438,000BTU/小时，而床盘管的输入约250,000BTUs/小时。这是足够的热量和空气流量，以每小时带走约655磅的水。
典型的实验包括用18,000磅1/4”以下的煤填充煤仓。将所述手提容器倒空，并且记录重力拖车天平的读数。在填充料仓的同时或在相同时间间隔的实验过程中，采集在原料上的煤样品作为集尘器、切割不足和重力拖车的样品(通常在实现稳态之后每隔30分钟)。然后，启动集尘器和所有产物推进加料器以及气锁。启动空气供给风机，并将其设定为5000scfm。然后，开始向干燥器供给煤，并且在高速下运行，以填充该干燥器。一旦在干燥器重建立床之后，升高空气温度，调节对床的盘管的加热，并且将空气流量调节到所需的值。然后，实验运行2-3小时的时间。一次试验运行8小时。实验之后，将手提容器进行称重，记录重力拖车的天平读数。将来自试验的仪表读数传递给excel电子数据表，并且将煤样品带到实验室进行分析。然后，将手提容器和重力拖车倒空，准备下一次的实验。
在2003年的秋天，在39次不同的试验中，将150吨褐煤送入分配面积为23.5英尺2的单级中试干燥器。煤以3000至5000磅/小时的速率被送入流化床内。空气流量从4400(3.1英尺/秒)变化到5400(3.8英尺/秒)scfm。煤中的水分降低是进料速率和输入干燥器的热的函数。在200的设计水温下，第一中试组件(module)具有每小时除去约655lb的水的能力。煤以83.3磅/min进料时，预期水的除去速率为0.13磅/磅煤。
在2004年的夏天，将干燥器改进为两级，并且安装更大的床盘管。在改进干燥器组件之后，干燥能力增加到约750,000BTU/小时，并且具有1100磅/小时的除水速率。将另外50吨的煤在新的组件中干燥。改进的组件也允许收集离开第一级的切割不足流。切割不足是从第一级底部移出的不流化的材料。它主要由在第一级中重力分离出的过大和更高密度的材料构成。表2-4中描述了用于不同进口和出口流的材料、温度和热平衡。总的分配板面积为22.5英尺2。
表2：中试干燥器实验44的示意性流程图
表3：中试实验44的结果
 试验44     结果
    点  参数
    进料ABCDE  #/hrTMARAHHVARSAR merc.温度FFB水入流量#/hr温度F热量，btu/hrFB空气流量#/hr温度pF热量，btu/hrHW#H20/#DairUC#/hr，％TMARAHHVARSAR merc.温度FGT#/hrTM     652431.4815.2158300.5368.88079182179.41167114320619152.76792870.0137856.626.4615.468580.76117.6115.24248.224.5 2053.813.13％226.6900.40665.1％1040.8
FGHI   ARAHHVARSAR merc.温度FFB水出流量#/hr温度F热量，btu/hrDC#/hrTMARAHHVARSAR merc.Temp FFB空气出流量#/hr温度pF热量btu/hrHW#H20/#DairFB水分出Hwout-Hwin*m质量平衡煤HHV平衡水平衡     14.2271750.5555.35115.27918217211085480363.721.2230.2654340.5117.610220619105.94271010.05606873.4 4672.0825.6％77.2302.922313.39％97.21％100.8％108.0％
可以看出，水分从煤进料中的31.5％降低到煤产物(“GT”)流中的24.5％。因此，中试煤干燥器表明，使用来自发电装置的低温废热可以可靠并且经济地干燥北达科他州的褐煤。
表4显示了用于干燥器进料、淘洗、切割不足和产物流的煤质量。数据表明淘洗流的汞和灰高，切割不足流的汞和硫高，而产物硫在热值、汞、灰和SO2/mbtus上经历了显著的改进。淘洗流主要是40-目以下，而切割不足流是8-目以上。
表4：煤进料质量对产物流的试验44
煤     磅     汞ppb   灰％   HHVBTUs/磅   硫％   #SO2/mbtu
进料     14902     91.20   18.05   5830.00   0.53   1.82
切割不足     2714     100.61   15.41   6877.00   0.76   2.20
淘洗     789     136.58   30.26   5433.75   0.50   1.86
产物     7695     65.83   14.22   7175.25   0.55   1.54
因此，试验44将煤产物流中的汞和硫分别降低了40％和15％。
图34表示了在床内的六个位置上测得的床温的时间变化，以及出口空气的温度。使用该信息以及对煤的水分含量的信息(从煤样品中得到)，以完成干燥器的质量和能量平衡，并确定从煤中除去的水分量。
图35表示在进料和产物流中的水分含量，该水分含量从煤样品中确定并且被表示为每磅干煤的煤水分的磅数。结果显示，进口煤的水分在从每磅的干煤0.4磅的水至0.60磅(以湿煤计，从28.5％至37.5％)变化，同时在产物流中的水分在从每磅干煤的0.20磅水至0.40磅(以湿煤计，从16.5％至28.5％)变化。换言之，低温流化床干燥工艺在利用约30分钟的床停留时间除去约10％的水分上是有效的。更高温度的流化空气或更高的床内热交换器的热输入使除湿速率提高。进料和产物流得到不含水分的热含量值，意味着在干燥过程中没有发生可测量的碳氧化和脱挥发作用。
在干燥工艺的过程中从煤中除去的水分的量通过四种方法确定，这四种方法包括对于干燥器的总质量平衡、空气水分的平衡、煤水分的平衡和对于干燥器的总能量平衡。总能量平衡法基于平衡进和出干燥器的热量流量，比如床内热交换器输入的热量和空气及煤横穿干燥器的显热变化，并且假设差值代表蒸发煤中的水需要的热。假定没有到环境的损耗。空气水分平衡法以空气流量和进口及出口的空气湿度的测量为基础。蒸发煤水分的量由进口及出口空气流动流的比湿度差和空气流量进行计算。类似地，煤水分平衡法是以在进料及产物煤流中测量得到的水分和这些流的流量为基础的。总质量平衡法是以在输入原煤和输出产物流之间的质量差为基础的，对留在床中的材料、煤样品和1％的泄漏率进行校正。所得差被认为是从煤中除去的水。
图36所示的计算结果表明，被除去的煤水分与由四种不同方法计算的煤水分得到了很好的吻合。
图37显示了使用改进的中试干燥器的7次试验的切割不足产物的组成。试验41具有最好的结果，其中含有48％的硫和汞，并且只有23％的btu和25％的重量。利用来自组件4中的气动夹具试验的结果，本发明人可以预期对于汞除去48％中的37％，即18％，对于硫除去48％中的27％，即13％，而对于BTU损耗除去23％中的7.1，即1.6％。
上述的说明书和附图提供了对本发明热处理装置的结构和操作的完整描述。然而，本发明能够在没有背离本发明的精神和范围的其它不同的组合、改进、实施方案和环境中使用。例如，它可以在直接或间接热源、流化或非流化床以及单级或多级的任意组合下使用。而且，在本发明中描述的干燥方法并没有被限制于提高要在公用事业或工业锅炉中燃烧的煤的质量，而是也可以被应用于干燥玻璃、铝、纸浆和纸及其它工业中用的粒状材料。例如，在玻璃工业中用作原料的砂可以在其被供给玻璃燃烧室之前，通过使用从离开燃烧室的废气的废热的流化床干燥器进行干燥和预热。这样将提高玻璃制造工艺中的热效率。而且，本发明可以被用于胺洗涤剂的再生。
作为另一个实施例，在铝生产中可以使用流化床干燥器作为煅烧炉。为了从原料铝土矿中提炼铝，必要时将矿石破碎并过筛，以除去大的杂质比如石头。然后，将粉碎的铝土矿混合在蒸煮器中的苛性钠溶液中。这样使水合氧化铝从矿石中溶出。在红泥残留物通过倾析和过滤除去之后，将苛性碱溶液用管导入被称为沉淀器的巨大槽中，水合氧化铝在该槽中结晶。然后，将水合物过滤，并送入煅烧炉，以干燥并且在非常高的温度下，转变成被称为氧化铝的细小白色粉末。本发明在这种或类似的工艺中可以被用作煅烧炉。
作为用于说明目的的再一个实施例，废热源能够被应用于使西红柿或其它作物生长的温室。因此，说明书并没有将本发明限制为被公开的具体形式。

Claims (17)

1.一种用于热处理在制造操作内的产物的装置，所述装置包括容器，其用于接收所述产物以及施加给所述产物的热源；与所述容器操作性连接的热交换器；以及提供给所述热交换器的热源，因而包含在所述热源内的热含量作为热源被传递给容器的温度在不超过300，其中所述产物在与所述热源接触的容器内保持足够的温度和持续时间，以实现所需的热处理程度。
2.权利要求1的热处理装置，其中所述热源为一次热源。
3.权利要求1的热处理装置，其中所述热源为废热源。
4.权利要求3的热处理装置，其中所述废热源是选自由来自操作设备的热的冷凝器冷却水、热的烟道气、热废气、废工业蒸汽和废弃热组成的组中。
5.权利要求1的热处理装置，其中所述容器为流化床干燥器。
6.权利要求1的热处理装置，其中所述容器为固定床干燥器。
7.权利要求1的热处理装置，其中所述产物为煤。
8.权利要求1的热处理装置，其中所述制造操作为发电装置。
9.权利要求1的热处理装置，其中由所述热源传递给所述容器的温度为200-300。
10.权利要求1的热处理装置，其进一步包括至少一个其它的热源，通过提供有其它类型的废热或一次热的相关热交换器，将所述至少一个其它的热源传递给所述容器。
11.权利要求1的热处理装置，其进一步包括与所述容器操作性连接的喷射管，其用于在热处理过程中将流化气态流传递给所述容器，以降低在所述容器内发生的冷凝。
12.权利要求1的热处理装置，其进一步包括被包含在所述容器内的输送装置，其用于在热处理过程中将具有更高比重的部分产物输送到所述容器的边远区域，以提高残留产物在所述容器内的热处理。
13.权利要求12的热处理装置，其中所述输送装置为螺旋推进加料器。
14.权利要求12的热处理装置，其进一步包括与所述容器操作性连接的洗涤器组件，由此所述输送装置将在所述热处理过程中的产物的更高比重部分完全输送到容器之外，进入到洗涤器组件内，以使所述产物进一步处理、使用或处置。
15.权利要求14的热处理装置，其中所述产物的更高比重部分的进一步处理包括将被捕获在更高比重产物内的残留的较低比重的产物除去。
16.权利要求14的热处理装置，其中在所述产物的更高比重部分的进一步处理包括对被包含在所述产物内的至少一种不适宜的组分进行处理。
17.权利要求16的热处理装置，其中所述不适宜的组分选自由硫、灰和汞组成的组中。
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