用于加热间接换热器中的循环流体的方法和设备

摘要

本发明公开了一种用于加热气液换热器中的循环液体的间接塔加热器和方法以及一种间接换热器，所述间接换热器用于产生热流体流，用于选择过程中的换热，以将热供给到所述过程。本发明的一个特别有用的应用是液化天然气(LNG)的再汽化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种间接加热器和用于加热循环液体以产生热液体流的方法，所述热液体流在所选择的过程中用于热交换，以将热供给到所述过程。本发明的一个特别有用的应用是液化天然气(LNG)的再汽化。

背景技术

在许多工业过程中，在很容易被例如水等循环液体供给的温度上需要热。这样的循环流需要在热源处加热、以在所述循环液体流在需要热的区域释放热之后对所述循环液体流重新加热。

如前所指示，其中该类型的频繁应用的一个领域是在LNG的再汽化中。

在世界的许多遥远区域，发现大量天然气沉积物。这些天然气沉积物在构成有价值资源的同时，在它们所处的遥远区域具有较小的价值。为了有效地利用这些资源，必须将天然气移动到商业市场区域。这经常伴随着液化所述天然气以产生LNG，然后所述LNG用船等运输到市场。一旦LNG到达市场，LNG必须再汽化，用作燃料、用于传递到管道等。其他低温流体经常在传输之后需要再汽化，但是到目前为止，该类过程的最大需求是低温天然气的再汽化。

低温天然气的再汽化需要输入相当量的热。尽管海水已经用于海水很容易获得的区域，但使用海水伴随着一定的缺陷，而不是因为在LNG将被再汽化的一些区域缺少海水。其他缺点涉及被海水等腐蚀换热表面。

在一些情况下，将空气用作换热介质、以再汽化该低温天然气。一个这样的过程显示在2005年5月19日由Martin J.Rosetta等提交的美国专利序列号No.11/133,762、标题为“Air Vaporizer”的专利中。该申请此处全文并入以供参考。其他系统也可以用于低温液体的再汽化，并包括例如壳体和管换热器的间接换热器、与低温气体等间接换热接触的直接燃烧换热器。在所有这样的情况下，需要相当的热来再汽化所述低温天然气。

特别地，在空气汽化过程中，如果可以使用再循环液体流来在其通过再汽化容器之前或者在通过再汽化容器期间加热所述空气，那么这将是有利的。进一步地，将被汽化的气体用温或者热液体溶液加热、以在汽化之后将其上升到管道温度是有利的。已经持续努力来开发有效的设备，以在用于这样的过程中的再循环回路中提供被加热的热液体流。

发明内容

根据本发明，提供了一种有效的加热和冷却系统，用于再循环系统中，包括：急冷塔(quench column)加热器，具有液体入口、热液体出口、热气体入口和冷却气体出口，并适于与热气流换热而加热液体流，以产生热液体流和冷却气体流，所述加热器包括：换热器，包括通过与用于来自热气体入口的热气体流的通道间接换热接触、来产生热液体流和中间温度气体流的用于流动中间温度液体流的通道，所述用于来自热气体入口的热气体流的通道产生通过热液体出口的热液体流和所述中间温度气体流；急冷塔，所述急冷塔适于通过液体入口接收液体流，并将液体流从急冷塔的顶部通入急冷塔，用于与中间温度气流气液接触而从急冷塔的底部回收，从而产生中间温度液体流和冷却气体流，用于通过冷却气体出口释放；收集区域，用于收集来自急冷塔的中间温度液体；以及导管，所述导管与所述收集区域以及到达换热器的中间温度液体入口流体连通。

本发明还包括一种方法，通过急冷加热器中的气液接触以及液体流和热气体流之间的间接换热接触的组合来加热液体流，所述方法包括步骤：将所述液体流通入急冷塔中，用于向下流经急冷塔，与中间温度气体流换热直接接触，以产生冷气流和中间温度液体流；将所述中间温度液体流通至间接热交换换热器，用于与热气体流热交换，以产生热液体流和中间温度气体流；回收所述热液体流；和释放所述冷却气体流。

在本发明的另一实施例中，包括一种加热器，具有液体入口、热液体出口、热气体入口和冷却气体出口，并适于通过与热气体流换热来加热液体流，从而产生热液体流和冷却气体流；所述加热器主要包括：辐射/对流传热第一部分、第一部分液体入口、第一部分液体出口、第一部分气体入口和第一部分气体出口，适于在适于通过选择性催化还原单元的温度、通过与液体流换热将热气体流冷却至在第一部分液体出口处产生热液体流和在第一部分气体出口处产生气体流的温度；选择性催化还原单元，具有与第一部分气体出口流体连通的还原单元入口，适于将还原温度气体流通至还原单元气体出口；对流传热第二部分，适于通过与液体换热冷却热气体，其具有第二部分液体入口、与第一部分液体入口流体连通的第二部分液体出口、与还原单元气体出口流体连通的第二部分气体入口；以及废热回收第三部分，具有第三部分液体入口、与第二部分入口流体连通的第三部分液体出口、与第二部分气体出口流体连通的第三部分气体入口和第三部分气体出口。

本发明也包括一种方法，用于从热的含氮氧化物气体流和冷液体流产生热液体流和具有降低的氮氧化物含量的冷气体流，所述方法主要包括下述步骤：流动包含氮氧化物的热气体流与被加热的液体流换热接触，以在适于在选择性氮氧化物催化还原单元中处理的温度上产生热液体流和包含氮氧化物的降低温度的气体；将包含氮氧化物的降低温度的气体通过选择性氮氧化物催化还原单元、以产生包含的氮氧化物降低且温度降低的气体流；使包含的氮氧化物降低且温度降低的气体与温液体流换热接触、来产生被加热的液体流和进一步降低温度的氮氧化物减少的气体；以及通过所述进一步降低温度的氮氧化物减少的气体与冷却液体流换热来产生所述温液体流和所述氮氧化物减少的冷流。

附图说明

图1是本发明的设备的实施例的示意图；

图2是本发明的设备的可选实施例；

图3显示了本发明的另一实施例；

图4是管线式加热器的示意图，所述管线式加热器用于在本发明的设备和方法中产生热气体；

图5显示了连接到产生热气体的燃火加热器的涡轮；

图6显示了具有辅助风道加热器的涡轮；以及

图7是不包括急冷塔的可选实施例的示意图。

具体实施方式

在附图的讨论中，相同的术语在全文中指示图1-图6中相同或者相似的部件。

在图1中显示了急冷塔加热器10。加热器10包括循环液体入口12、被加热循环液体出口14、热气体入口16和被冷却废气出口18。容器20包含：换热器22，在所述换热器22中，中间温度液体通过管路44、泵46和管路48到达至换热器22的入口，所述换热器22用于与通过如箭头16所示的入口通至换热器22的热气体换热。热液体流通过换热器出口52经由管路14回收。所获得的被冷却废气处于中间温度，并如箭头24所示被回收，并被向上通过升气管型盘26或者其他合适的设备通入容器20中，以将中间温度气体通过在液体收集区域43中具有液位42的液体40，而没有与中间温度气体直接液体接触。所述中间温度气体如箭头28所示向上经过急冷密封塔30的底部34通入急冷密封塔30，在所述急冷密封塔30的底部34中，所述中间温度气体与箭头38所示的往下来的液体直接热交换。所述液体以普通技术人员公知的方式通过多个喷头36或液体分配器被通入急冷密封塔30，并从入口管路12通入急冷密封塔的顶部32。所述通过急冷密封塔30的液体与中间温度气体直接换热接触。在通过急冷密封塔30之后，所述气体通过管路18在典型地比环境高大约10℃的温度上被排放。该温度可以大体上变化，并可以比环境高约10℃至30℃。所述气流在一些情况下可以低于环境温度，并如果必要用于移除二氧化碳或者其他物质，可以被通过用于进一步处理。

往下来的液体40收集在液体收集区域43中，具有液位42，并从液体收集区域43通过如前所讨论的管路44取出。pH监控器56通过与液体收集区域43中的液体40流体连通的管路54而被连接，用于维持收集区域43中的中间温度液体的pH值。该液体典型地是水，尽管如果需要也可以使用其他液体。所述pH值典型地维持在大约6.0至大约8.0的范围中。所述pH值趋于变得逐渐酸性，并通过添加例如碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钠腐蚀性材料等碱基材料来进行调节。所述碱性材料响应于来自pH监控器56的信号而通过如虚线58所示的连接经由处理化学物管路15、阀62和管路64被加入到阀62。尽管未示出，可以在液体的流动路径(例如在管路44)中设置过滤器，以移除可能在其再循环时在液体中聚集的微粒。

在图2中，显示了本发明的可选实施例。本发明总体如参照图1所描述工作，但是在本实施例中，气流被通过加热区域74、出口70、管路72，并通过入口76回到加热区域68，以允许将任选的选择性催化还原单元80定位在所示的容器20中。热液体从出口78由换热器部分74回收。这样的单元对于普通技术人员是公知的，且用于减少气流中的NOx的含量。

在图3中，显示了本发明的可选实施例，变化只在于容器的结构已经被改变成将换热器线圈22定位在垂直位置中而不是在水平位置中。这样的变化在本发明的领域中是已知的。该实施例可以不需要管路44中的泵。

热气流可以从多个源供给。一个这样的源显示在图4中，其中显示了明火燃烧加热器82，燃烧加热器被来自管路84的燃料和来自管路86的空气点燃，以产生热废气88。

与图5中相似，热气流从涡轮系统产生，所述涡轮系统包括压缩机90，所述压缩机90被入口空气管路92供给，以产生压缩空气流，所述压缩空气流通过管路94排放到燃烧室96，所述燃烧室96将热燃烧气体通过管路35供给到涡轮102。通过管路98将气体供给到燃烧室96。热废气通过涡轮102产生，并通过管路104作为热废气流排出。典型地，压缩机90和涡轮102在共同的轴106上操作，这样涡轮102可以驱动压缩机90。这样的实施例是典型的，但是其他实施例也可以根据需要使用，并有效用于产生热废气流。管路104中的热废气流通到明火燃烧加热器82，以在废气中产生比从涡轮102回收的气体温度更高的温度，所述明火燃烧加热器82由来自管路84的燃料和来自管路86的空气提供燃料。

在图6中，显示了可选的实施例，其中风道燃烧器108被显示由燃料管路110和空气管路112提供燃料，以产生热废气流88。

在本发明的方法的实施中，作为来自再循环回路的冷却液体流回收的液体流首先与中间温度气体接触，当其进入急冷塔30时，所述中间温度气体典型地是在大约120至大约176℃的温度。在急冷塔30中，通过与液体直接热交换，实现有效热传输，且气流被冷却到指示为比环境温度高大约10至大约30℃的温度。当取出并通过管路44通至换热器22时，在收集区域43中回收的中间温度液体40典型地处于大约35至大约66℃的温度上。通过管路14产生的热液体典型地在大约130至150℃的温度上。通过管路16通至换热器的废气典型地处于从大约535至大约1370℃F的温度上。

急冷塔可以填充任何适当的填充材料、以方便与上升的中间温度气体的紧密液体接触。任何适当的填料可以用于此塔中，这对于普通技术人员而言是公知的。一些适当的材料是无规则填料(鞍形架(saddles)、鲍尔环)、结构填料，等等。在一些情况下，急冷塔内部可以设计成没有用于方便直接与所述废气表面接触的结构。

在该急冷塔中实现非常有效的换热。为了进一步加热所述液体，所述液体通过与充至换热器的热气体间接接触的换热器。如前所示，热气体可以是来自产生热废气流的单元的废气。

在急冷塔中，所述接触指的是气液接触，且对于热传输非常有效。但是，因为被加热流体(典型地是水)的挥发性，对于该换热操作存在特定的温度限制。所述液体极容易通过直接换热加热到大约150°F的温度。通过气液接触超过这些温度的加热将导致由于蒸发而使得液体过分损耗。更高温度需要使用间接换热，在间接换热中，液体在闭合系统换热器中加热以达到其所需的出口温度。典型地，这样的换热器可以是螺旋管式换热器、壳体和管换热器等。通过将急冷塔加热器的使用与间接加热器组合，在出口液体流中很容易实现高温，同时保留在急冷塔中接触的效率。

另外，尽管未显示再循环回路，可以理解，通过管路14回收的液体可以通至热交换区域，并在其冷却之后通过管路12重新获取。可选地，通过管路12的液体可以来自不同的源，且通过管路14回收的液体可以用于加热目的，而不是回到急冷塔加热器。这样的变化在本发明的范围之内是已知的。

在本发明的另一实施例中，所述实施例不包括急冷步骤，热气体可以从如图7中所示的设备中产生。在如图所示的设备中，显示了封闭件10，容纳来自明火加热器12的废气流，所述明火加热器12由轻质烃气体管路16和含氧气体管路14提供燃料。从明火加热器产生的气体被显示通过如箭头22A所示的热气体入口22、经由第一换热部分18通入封闭件10，所述第一换热部分18显示包括管状螺旋管20。所述管状螺旋管20可以暴露给来自加热器22的辐射热，或者可以只与热气体换热。

在任一情况下，产生热液体流并通过出口回收到用于换热热液体的管路24中。通过封闭件10和螺旋管20的气流通过选择性氮氧化物(NOx)催化剂还原单元28。这样的单元对于本领域是公知的，并可以是任何适当的类型。充至螺旋管20的液体流通过被加热水入口26供给，所述被加热水入口26通过管路30从第二换热部分32供给，所述第二换热部分32包括管状螺旋管32’。来自加热器22的废气流初始包含一定量的氮氧化物，所述氮氧化物在选择性NOx催化剂还原单元28中还原。所述废气如箭头36所示流至第二部分32和管状螺旋管32’，以进一步冷却所述废气。液体流通过入口34通入管状螺旋管32’，并包括来自第三部分40中的管状螺旋管40’的温液体出口48的温液体。

第三部分40可以包括单独的封闭件38，所述封闭件38通过通道37连接到第一封闭件10。可选地，封闭件10、38可以作为单个封闭件构造。在螺旋管40’中，冷水或者凉水通过由泵54、经由管路52供给通过入口50而被引入，所述泵54接收来自管路56的冷水流。然后，所述被冷却的气体如箭头44所示流动，并通过如箭头46所示的堆叠件排放。如果需要移除其他成分等，废气流可以进一步处理。

通过使用如图7所示的设备，从冷液体流产生热液体流，同时冷却和处理含有NOx的热废气流来产生被冷却的、NOx含量被减小的气流和热液体流。

典型地，所述液体流是水，且所述水可以用作多种目的，例如液化天然气(LNG)的再汽化。如前所讨论，使用该流来汽化LNG达到许多情况下的实际需要。例如，被加热废气可以通过涡轮等产生，所述涡轮等可以用于驱动卸载设备或该区域中的其他设备。

图7的设备不需要急冷区域，且这样不需要将水维持在特定的pH值等。此外，所述设备不需要使用用于蒸发的补充水。尽管补充水可以被添加来覆盖过程损耗，但是水的添加量将是最小的。水闭合回路的维护也比使用急冷系统更容易实现。

根据本发明的方法，废气沿着如箭头22A、36、38、44和46的方向移动，从而作为低温废气排放，典型地在环境温度之上大约30℃、在大约35至大约78℃的温度上。所述水以逆流方式移动，这样加热冷水流以产生热水流。

在本发明的实施中，在大约20至大约50°F的温度上的冷液体通过冷水入口50进入管状螺旋管40’以产生温液体流，所述温液体流从管路48在大约25至大约55℃的温度上回收，然后通至第二部分32中的管状螺旋管32’，在所述第二部分32，加热液体以产生温液体流，所述温液体流通过管路30至入口26、至第一部分18中的管状螺旋管20，在第一部分，其被加热以产生在从大约78至大约130℃的温度上的液体流。废气典型地在大约980至大约1370℃的温度上从明火气体加热器22排放，并通过第一部分18，所述第一部分18设计成将气体的温度减小到从大约400至大约288℃的温度，所述温度适于用在选择性NOx催化剂还原单元中。

来自明火加热器12的气体流和通过第一部分18的液体流调节成在废气流中气体温度在大约400至大约288℃，所述废气流包含NOx化合物，适于通至选择性NOx催化剂还原单元。然后，所述具有NOx含量被减少的被处理气体被通至螺旋管32’中换热接触，在所述螺旋管32’中，气体的温度减小到大约175至大约115℃，然后冷却的气体以箭头38所示通入与螺旋管式反应器40换热接触，在所述反应器40中，其温度被进一步减小到从大约78至大约35℃的值。

尽管本发明已经显示使用螺旋管式换热器，可以理解，也可以使用壳体和管式或者其他类型的换热器。

通常，所述液体是水，且被加热到从大约35到大约93℃的温度，且当用于加热例如LNG或者其他应用的材料时，典型地所述液体在接近或者低于冷却废气的露点温度且典型地在从大约15到大约50℃的温度上通过管路52返回到所述过程。在这些温度上，水可以从气流冷凝，并可以通过管路42回收。在这些温度中较宽的变化是可能的，但是流经选择性NOx催化剂还原单元28的废气流的温度必须调节到适于在还原单元中有效进行NOx还原的范围之内的温度，即从大约400值大约288℃。

如前所指示，这样的液体流很容易用在循环液体回路中，以将热传递到所需的操作。LNG的再汽化是使用热液体流很容易实现的一个操作。热液体流可以使用在壳体和管换热器、螺旋管式管换热器、空气蒸发换热器等中，从而再汽化LNG。当然，热液体也可以或者可选地用于传递用于其他处理要求的热。尽管本发明参照液体进行了讨论，但是通常最常用的和优选的液体将是水。

尽管本发明参照了其特定的优选实施例进行了描述，需要指出的是，所描述的实施例只是说明而本质非限制，许多变化和修改在本发明的范围之内都是可能的。基于优选实施例的前述说明的回顾，许多这样的变化和修改对于普通技术人员是显而易见的和有利的。