本公开涉及用于干燥可燃颗粒的系统和方法，所述可燃颗粒是例如包含煤粒子的颗粒，该系统和方法供有效干燥并保持可燃颗粒的完整性。所公开的颗粒干燥系统使用无阀脉冲燃烧器。
背景技术：
需要干燥诸如颗粒状煤的颗粒状可燃材料、固体碳燃料和其它固体燃料原料的一种有效方法。常规的现有技术的干燥器，例如旋转筒和流化床干燥器，通常允许或引起可能导致颗粒降解和粉尘形成的颗粒之间的相当大量的相对运动。煤尘易爆，难以控制。因此，需要一种干燥器，其限制正在干燥的可燃颗粒的相对运动，从而限制颗粒降解和粉尘形成。
常规的干燥器，例如流化床，通常需要间接燃烧并提供二次气体供应(例如N2)以允许在惰性或低氧环境中干燥，所述惰性或低氧环境不会点燃或允许点燃被干燥的颗粒。
如颗粒状煤粒子的可燃颗粒通常具有约20％-30％重量的初始含水量。理想的是将颗粒干燥至约2％重量的最终含水量。
在本领域中提供用于干燥可燃颗粒的有效系统和方法将是极大的进步。提供限制颗粒降解和可燃粉尘形成的干燥过程将是一个进一步的进步。
技术实现要素：
本公开涉及用于干燥可燃颗粒的系统和方法。所公开的系统和方法特别适用于但不限于干燥煤颗粒。
一种非限制性颗粒干燥系统包括无阀脉冲燃烧器以提供加热的干燥气体的源。加热的干燥气体被引导至干燥塔。干燥塔包括含有气体入口和气体出口的第一干燥区域。气体入口接收加热的干燥气体，气体出口排出含有水分的废气。气闸开口设置在第一干燥区域的顶部，潮湿颗粒通过第一干燥区域的顶部被引入第一干燥区域以在第一干燥区域内形成潮湿颗粒床。闸阀出口设置在第一干燥区域的底部，干燥或部分干燥的颗粒通过所述第一干燥区域的底部离开第一干燥区域。
无阀脉冲燃烧器不仅提供加热的干燥气体，而且还产生压力脉冲形式的声能源。脉冲燃烧热的使用提高了干燥速率，这对于干燥颗粒内具有高水分扩散阻挡层的颗粒状材料特别重要。脉冲燃烧允许以比常规稳态干燥技术高200％-300％的速率进行干燥。由于无阀脉冲燃烧器可以以接近或等于1.0的当量比工作，所以脉冲燃烧还减少了排放到大气中的空气的总体积。
使用无阀脉冲燃烧器的另一个优点是能够燃烧单独的或悬浮在载体流体中的细分的固体燃料。因此，无阀脉冲燃烧器干燥器可以使用诸如粉煤的低成本燃料源工作。粉煤可以悬浮在载体流体中。载体流体可以是惰性的或反应性的。载体流体可以是液体或气体。载体流体本身可以任选地是燃料源。载体流体可以任选地含有氧化剂。
加热的干燥气体优选以与潮湿的可燃颗粒相同的方向引导至干燥塔。因此，干燥系统作为并流或共流系统工作，而不是作为更传统的逆流干燥系统工作。结果，干燥颗粒不会过热。
由于干燥颗粒集中地行进通过干燥塔，相邻颗粒之间的相对运动几乎为零，所公开的干燥系统不会像在常规干燥器中所发生的程度那样导致颗粒降解和可燃性粉尘形成。
在一个非限制性实施例中，所公开的颗粒干燥系统可以进一步包括气体-气体冷凝热交换器。冷凝热交换器接收含水分的废气，其优选处于或接近水分饱和状态，并且通过冷凝来自废气的水蒸气来提取潜热和显热，以产生冷却的干燥废气。热交换介质可以是环境空气，在进入用于干燥可燃颗粒的系统之前，回收的低温能量可用于预干燥和调节或硬化来自颗粒挤出机的潮湿颗粒。
在一个非限制性实施例中，无阀脉冲燃烧器包括具有护套入口和护套出口的空气冷却护套。护套入口接收经冷却的干燥废气并且护套出口排出再加热的干燥气体。再加热的干燥气体可具有约250℃至约350℃的范围内的温度。为了有效利用再加热的干燥气体，干燥塔还包括含有气体入口和气体出口的第二干燥区域。气体入口接收再加热的干燥废气，气体出口排出系统废气。第二干燥区域包括接收来自第一干燥区域的部分干燥的颗粒的颗粒开口和干燥颗粒出口。
在一个非限制性实施例中，第一干燥区域包括向下扩张的锥形构造。类似地，在一个非限制性实施例中，第二干燥区域包括向下扩张的锥形构造。扩张或张开的塔构造有利于干燥的颗粒和被干燥的颗粒的特别在第一干燥区域的闸阀出口处和第二干燥区域的干燥颗粒出口处通过系统的重力流动。为了便于制造，包括第一和第二干燥区域在内的整个干燥塔可以具有向下扩张的锥形构造。
在一个非限制性实施例中，颗粒干燥系统包括用于接收和处理系统废气的气旋聚尘器。也可能有一个可选的叠层消音器来减少噪音。可能有一个可选的湿式洗涤器去除系统废气中的粒子。
无阀脉冲燃烧器可以仅以燃烧空气模式运行，使得其不需要较大的百分比的过量氧气，如稳态燃烧器的情况那样。这使得可燃颗粒通过暴露于含有小于5％体积氧气的加热干燥气体而被干燥，所述氧气的含量太低而不能燃烧或点燃煤尘或微粒。希望具有低氧含量以防止颗粒的意外氧化或燃烧。在一个非限制性实施例中，加热的干燥气体具有约700℃±50℃的温度。
干燥塔优选包括多个温度传感器以监测干燥塔内各个位置处的温度。温度传感器也可以设置在系统内的其他位置以干燥可燃颗粒。例如，可以相对于冷凝器监测入口和出口温度以促进适当的冷凝器操作。类似地，可以相对于无阀脉冲燃烧器监测入口和出口温度以促进其正确操作。
在一个非限制性实施例中，干燥塔内的竖直地间隔的相邻温度传感器可用于确定干燥塔内的颗粒的水平。
其他传感器可以有利地用于干燥可燃颗粒的系统中。例如，可以使用湿度水平传感器来测量各种气流的水分含量。氧气水平传感器可用于测量各种气流的氧含量。
在一个非限制性实施方案中，第一干燥区域内的潮湿颗粒床具有颗粒床高度和颗粒床直径，其中颗粒床高度是颗粒床直径的至少两倍。
一种非限制性可燃颗粒干燥方法包括以下步骤：操作无阀脉冲燃烧器以提供加热的干燥气体的源；将潮湿的可燃颗粒引入干燥塔的第一干燥区域；以及使加热的干燥气体通过第一干燥区以接触并干燥可燃颗粒并产生含水分的废气。
可燃颗粒干燥方法可以任选地包括使含水分的废气通过冷凝器以从废气中除去水以产生冷却的干燥废气的步骤。
可燃颗粒干燥方法可以任选地包括通过使冷却的干燥废气通过无阀脉冲燃烧器的空气冷却护套来重新加热冷却的干燥废气以产生再加热的干燥气体的步骤。
可燃颗粒干燥方法可任选地包括以下步骤：将颗粒从第一干燥区域移动到干燥塔的第二干燥区域，并使再加热的干燥气体通过第二干燥区域以进一步干燥可燃颗粒。
可燃颗粒干燥方法可任选地包括以下步骤：监测干燥塔内多个位置处的温度，并基于监测到的温度差异确定干燥塔内颗粒的水平。
可燃颗粒干燥方法还可以包括将系统废气从干燥塔传送到气旋聚尘器以捕获尺寸在20μm到3mm范围内的微粒。该方法还可以包括将来自干燥塔的系统废气传送至湿式洗涤器。
为了避免可燃颗粒的意外氧化或燃烧，加热的干燥气体优选具有低氧含量，例如小于约5％体积的氧。加热的干燥气体可具有约700℃±50℃的温度。再加热的干燥气体可具有约250℃至约350℃的范围内的温度。
附图说明
为了容易理解获得本发明的上述和其他特征和优点的方式，将通过参考具体实施方式来呈现上面简要描述的本发明的更具体描述，所述具体实施方式是在附图中示出。应当理解，这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，并且因此不被认为是对其范围的限制，本发明将通过使用附图以更多的特征和细节来描述和解释，在附图中：
图1示出了用于干燥煤粒的系统的工艺流程图。
图2示出了用于处理系统废气的附加可选设备。
图3示出无阀脉冲燃烧器和干燥塔的更详细的图示。
具体实施方式
参考附图将最好地理解本发明的实施例，其中相同的部分始终由相同的数字表示。容易理解的是，如在此附图中总体描述和示出的，本发明的部件可以以各种不同构造来布置和设计。因此，如所要求的，本发明的实施例的以下更详细的描述并非旨在限制本发明的范围，而仅仅是本发明的当前实施例的代表。
参考图1，其示出用于干燥可燃颗粒100，例如煤颗粒的系统的工艺流程图。所公开的颗粒干燥系统包括无阀脉冲燃烧器110以提供经加热的干燥气体的源112。经加热的干燥气体被引导至干燥塔114。干燥塔包括第一干燥区域116，第一干燥区域116包含气体入口118和气体出口120。气体入口接收加热的干燥气体112并且气体出口排出含水分的废气122。气闸开口124设置在第一干燥区域116的顶部，潮湿颗粒126通过第一干燥区域116的顶部被引入第一干燥以在第一干燥区域116内形成潮湿颗粒床128。闸阀出口130设置在第一干燥区域的底部，干燥或部分干燥的颗粒通过该底部离开第一干燥区域116。在一个实施例中，潮湿颗粒是具有约10mm的近似直径和约15mm的近似长度的压缩或挤压成型的煤颗粒。
为了使含水分的废气122能够离开潮湿颗粒床128，干燥塔的在气体出口120附近的外缘壁包含孔眼131。为了防止孔眼131被干燥颗粒意外地堵塞，孔眼131优选具有细长形状，并且细长形状优选地在竖直方向上定向。为了提供通过潮湿颗粒床128的加热干燥气体112的有效流动，潮湿颗粒床应具有至少1.5：1的高度(H)与直径(D)的纵横比。在一些实施例中，H∶D的纵横比至少为2∶1。
所公开的颗粒干燥系统100可进一步包括冷凝热交换器或冷凝器132。冷凝器接收含水分的废气122，并通过将来自含水分的废气122的水蒸气冷凝以产生冷凝水134和冷却的干燥废气136以提取潜热和显热。含水分的废气122优选处于或接近水分饱和状态。在一个非限制性实施例中，冷凝器132是空气冷却冷凝器，但是在此可以使用其他类型的冷凝器。从冷凝器回收的低温能量可用于在潮湿颗粒进入用于干燥可燃颗粒100的系统之前预干燥和调理或硬化潮湿颗粒。为了便于空气冷却冷凝器的有效操作，鼓风机(未示出)可以向冷凝器提供冷却空气源。合适的温度、压力和流量传感器可以连接到过程控制软件和硬件以促进冷凝器的有效操作和控制。从冷凝水蒸气中回收的潜热和显热能量被传递到冷却空气传热介质。这种加热的干燥空气可用于在进入干燥塔之前预干燥和调节离开颗粒挤出机的颗粒。
冷凝热交换器接收含水分的废气，其优选处于或接近水分饱和状态，并且通过冷凝来自废气的水蒸气来提取潜热和显热，以产生冷却的干燥废气。热交换介质可以是环境空气，回收的低温能量可以用于在进入煤颗粒干燥机之前预干燥和调节或硬化来自挤出机的颗粒。
所公开的无阀脉冲燃烧器110包括具有护套入口140和护套出口142的空气冷却护套138。护套入口140接收经冷却的干燥废气136并且护套出口排出再加热的干燥气体144。再加热的干燥气体可具有约250℃至约350℃的范围内的温度。
为了有效使用再加热的干燥气体，干燥塔还包括含有气体入口148和气体出口150的第二干燥区域146。气体入口148接收再加热的干燥废气144并且气体出口150排出系统废气152。第二干燥区域146包括颗粒开口154和干燥颗粒出口156，颗粒开口154接收来自第一干燥区域116的部分干燥的颗粒，干燥颗粒158从干燥颗粒出口156离开干燥塔114的第二干燥区域146。
以类似于第一干燥区域116内的潮湿颗粒床128的方式在第二干燥区域146内形成干燥颗粒床159。为了提供通过干燥颗粒床159的再加热干燥气体144的有效流动，干燥颗粒床应具有至少1.5：1的高度(H)与宽度(D)的纵横比。在一些实施例中，H∶D的纵横比至少为2∶1。。为了使再加热的干燥气体144进入第二干燥区域146并使系统废气152能够离开第二干燥区域146，干燥塔的在气体入口148和气体出口150附近的外缘壁包含孔眼131，如上所述。
由于干燥颗粒集中地行进通过干燥塔114，相邻颗粒之间的相对运动几乎为零，所公开的干燥系统不会像在常规干燥器中所发生的程度那样导致颗粒降解和可燃性粉尘形成。
加热的干燥气体112优选以与干燥颗粒相同的方向引导至干燥塔。因此，干燥系统作为并流或共流系统操作，而不是作为更传统的逆流干燥系统操作。在所公开的并流干燥系统中，最热的干燥气体接触最能够承受高干燥温度的最潮湿的颗粒。
观察到，在干燥过程期间，潮湿颗粒在干燥的初始阶段期间，例如在第一干燥区域中发生的干燥，经历基本恒定的干燥速率。在这个阶段，从颗粒内部向颗粒表面扩散的水量很高，因此水的扩散速率不会限制整个颗粒的干燥速率。当颗粒的水分含量降低至约5％的重量时，干燥速率从基本上恒定的速率变为下降速率。在该阶段中，按重量计约5％至约2％之间的水分含量，干燥速率不断下降。这种下降的干燥速率是由从颗粒内部到颗粒表面的水分扩散速率下降造成的。干燥速率下降发生在第二干燥区域中。重要的是当颗粒接近期望的干燥水平时，不要使颗粒受到可能无意地氧化或降解颗粒的高温。由于这个原因，期望在较低温度和较长停留时间下干燥第二干燥区域中的颗粒以适应颗粒内较低的水分扩散速率。
颗粒干燥系统100优选包括多个温度传感器160a-160k以监测颗粒干燥系统内各个位置处的温度。温度传感器160a-160h监测干燥塔114内各个位置的温度。温度传感器160i-160k设置在用于干燥可燃颗粒的系统内的其他位置处。例如，传感器160i和160j可以监测与冷凝器132相关的入口和出口温度，以促进适当的冷凝器操作。类似地，可以相对于无阀脉冲燃烧器110监测入口和出口温度以促进其正确操作。
在一个非限制性实施例中，干燥塔114内的竖直地隔开的相邻温度传感器160a和160b可用于确定干燥塔内的颗粒的水平。例如，温度传感器160a可以测量大约700℃的温度，该温度可以是加热的干燥气体的温度，指示在传感器160a附近不存在干燥颗粒，而温度传感器160b可以测量大约为90℃的温度，该温度可以是经受干燥的潮湿颗粒的温度，表明干燥颗粒位于传感器160b附近。因此，传感器160a和160b之间的温差指示干燥塔内颗粒的近似水平。
其他传感器(未示出)可以有利地用于干燥可燃颗粒100的系统中。例如，可以使用湿度水平传感器来测量各种气流的水分含量。氧气水平传感器可用于测量各种气流的氧含量。压力传感器可用于监测系统中使用的各种气流的压力。另外，用于气流，燃料流和产品流的流量计可以包括在系统中。
无阀脉冲燃烧器110不仅提供经加热的干燥气体112，而且以高振幅振荡波形式提供经加热的干燥气体112，其中压力波在环境压力以上和以下循环。这些振荡压力脉冲提高了干燥速率，这对干燥颗粒内具有高水分扩散阻挡层的颗粒状材料特别重要。各种无阀脉冲燃烧器是已知的并且可购买到的。无阀脉冲燃烧器典型地将根据授予Lockwood的美国专利3,462,955中公开的原理进行操作。在一个非限制性实施例中，无阀脉冲燃烧器具有线性形状而不是由Lockwood公开的U形构造。
脉冲燃烧允许以比常规稳态干燥技术高200％-300％的速率进行干燥。不受理论束缚，与常规稳态燃烧相比，使用脉冲燃烧改进的干燥速率来自振荡冲击波和压力反转，其增强传热和除湿。典型的工作脉冲频率可以在约15Hz至约350Hz的范围内。在一个实施例中，操作脉冲频率是大约90Hz±5Hz。
无阀脉冲燃烧器可以仅以燃烧空气模式操作，使得其不需要较大的百分比的过量氧气，如稳态燃烧器的情况那样。这使得可燃颗粒通过暴露于含有小于5％体积氧气的加热干燥气体而被干燥，所述氧气的含量太低而不能燃烧或点燃煤尘或微粒。在一些实施例中，加热的干燥气体含有小于4％体积的氧气。希望在低氧环境中干燥可燃颗粒以防止颗粒的意外氧化或燃烧。所公开的无阀脉冲燃烧还减少了排放到大气中的空气的总体积，因为无阀脉冲燃烧器以接近或等于1.0的当量比工作。
无阀脉冲燃烧器需要燃料源162和氧气或空气源164。使用无阀脉冲燃烧器的另一个优点是能够燃烧单独的或悬浮在载体流体中的细分的固体燃料。因此，无阀脉冲燃烧器干燥器可以使用诸如粉煤的低成本燃料源工作。粉煤可以悬浮在载体流体中。载体流体可以是惰性的或反应性的。载体流体可以是液体或气体。一种可能的载体流体是水。载体流体本身可以可选地是燃料源，例如天然气、柴油或其他可燃液体或气体燃料。载体流体可以任选地包含氧化剂，例如空气或氧气。
在一个非限制性实施例中，加热的干燥气体具有约700℃±50℃的温度。
在图2所示的一个非限制性实施例中，可燃颗粒干燥系统100包括用于接收和处理系统废气152的气旋聚尘器170。气旋聚尘器170被设计和配置为捕获和去除通常在约20μm至约3mm的范围内的微粒，包括煤粉。在一些实施例中，气旋聚尘器可以以99.9％的效率捕获小至10μm的微粒。捕获的微粒172通过气闸174排出。也可能有一个可选的叠层消音器176来减少噪音。可以存在可选的湿式洗涤器178以从系统废气152去除尺寸小于约10μm至20μm的微粒。
图3公开了所公开发明的某些元件的更详细的图示。在图3中使用图1中使用的相同附图标记。第一干燥区域116包括向下扩张的锥形构造。即，第一干燥区域的上部的直径D1小于第一干燥区域的底部的直径D2。类似地，在一个非限制性实施例中，第二干燥区域146包括向下扩张的锥形构造。即，第二干燥区域的上部的直径D3小于第二干燥区域的底部的直径D4。
扩张或张开的塔构造有利于干燥的颗粒和被干燥的颗粒的特别在第一干燥区域的闸阀出口130处和第二干燥区域146的干燥颗粒出口156处通过系统的重力流动。没有向外扩张的锥形构造，干燥颗粒可能会相互作用并且引起桥接，从而抑制颗粒通过干燥塔的自由重力流动。据观察，1°夹角的向外锥形足以防止干燥颗粒之间的桥接。因此，目前优选的是将干燥塔配置成具有约1°至约5°夹角的向外锥形。为了便于制造，包括第一干燥区域和第二干燥区域在内的整个干燥塔可以具有向下扩张的锥形构造。然而，在本发明的范围内制造具有不同锥角的干燥塔。制造包括干燥塔的没有锥形的部分的干燥塔也在本发明的范围内。
制造具有向下扩张的锥形构造的干燥塔的另一个极大的优点在于，这样的构造能够使干燥颗粒在干燥塔中任何给定的竖直位置处的停留时间随着颗粒向下进入干燥塔而增加。换句话说，与第一干燥区域相比，干燥颗粒在第二干燥区域内具有更长的停留时间，因为与第一干燥区域相比，第二干燥区域具有更大的直径(和相应更大的体积)。可变的停留时间也意味着干燥颗粒经受暴露到较冷的干燥空气的较长的暴露时间。这在干燥速率降低的第二干燥区域是特别有利的，因此需要较长的干燥时间来用于颗粒中较慢的水分扩散速率。
从前面的描述中可以理解，所公开的发明提供了用于干燥可燃颗粒的有效系统和方法。所公开的发明进一步提供了一种干燥过程，其限制了颗粒降解和可燃性粉尘形成。
所描述的实施例和示例在所有方面都被认为仅仅是说明性的，而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由前面的描述来指示。在权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化都将被包括在其范围内。