專利名稱：采用液化物質除去固體所含水分的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及從含水的固體中進行脫水，更加詳細地涉及在接近于大氣溫度的操作溫度、以所需動力少從含水的固體中脫水的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
一直以來，含水固體的水分除去的方法有使所含的水分蒸發(fā)將其除去的方法，近年來，為了不化費水的蒸發(fā)潛熱，人們還嘗試了不蒸發(fā)水分，將水的形態(tài)保持在液體進行脫水的溶劑置換法。
蒸發(fā)水分將其除去的方法有日本特許公開公報平10-338653號公開的采用干燥惰性氣體進行脫水的方法。在該方法中，水分的飽和蒸氣壓和干燥惰性氣體中的水蒸氣壓之差成為脫水的驅動力。因此，干燥惰性氣體可以蒸發(fā)的水分量的理論最大值被推測為與水分的飽和蒸氣壓·水蒸氣的密度·干燥惰性氣體的體積成比例，但是，在室溫附近，水分的飽和蒸氣壓明顯低于101325Pa，水蒸氣的密度，與液態(tài)的水相比極小，所以在該公報所記載的惰性氣體的脫水裝置中，必定需要利用大容量的惰性氣體進行脫水處理。雖然可通過增加循環(huán)次數(shù)以減少外觀的容量，但是氣體的總處理量沒有怎么減少。該問題不限于該公報所示的脫水對象為液體的情況，在脫水對象為固體時，也存在。
為了解決該問題的在室溫附近，水分的飽和蒸氣壓明顯低于101325Pa的這一點，采用在脫水對象為可加熱到100℃以上的物質時，將干燥惰性氣體加熱到100℃以上，使水蒸氣的飽和蒸氣壓增大到101325Pa以上，減少氣體的量的方法(熱風干燥法)。但是，利用通過熱風干燥法使固體中的水分蒸發(fā)的方法，需要將惰性氣體加熱到100℃以上的熱源，以及為使水分蒸發(fā)的熱源，為了利用少量能源進行脫水，有效回收惰性氣體中的蒸發(fā)水蒸氣所需的蒸發(fā)潛熱是重要的。但是，由于利用熱風干燥法從固體蒸發(fā)出來的水蒸氣被稀釋在惰性氣體中，所以水蒸氣所具有的蒸發(fā)潛熱的密度明顯下降(熵增大)，隨之存在熱力學上不可避免使蒸發(fā)潛熱的回收效率低下的問題。
對此，利用油中改質法(日本特許公開公報2000-290673號)，設想將煤作為含水分固體，通過將油中漿化的含水分固體在150℃以上進行加熱處理，而使含水分固體的水分蒸發(fā)。因為利用在操作溫度下幾乎不蒸發(fā)的液態(tài)油作為加熱介質，僅選擇蒸發(fā)水，所以水蒸氣不被稀釋，水蒸氣所具有的蒸發(fā)潛熱的密度不下降。為此，利用油中改質法，可有效回收水蒸氣所具有的蒸發(fā)潛熱。對于煤的脫水，在現(xiàn)有的方法中，油中改質法被認為是所需能量最少(財團法人能源綜合工學研究所，新能源的展望的“低品級煤的改質技術(1977)”)。但是，利用油中改質法，由于在將脫水后的固體和漿化的油分分離時需要離心分離和加熱操作，所以怎么也需要能量的投入。該過程的全部所需能量為2100kJ/kg-水(通過財團法人能源綜合工學研究所的新能源的展望的“低品級煤的改質技術(1977)”p268的關于熱平衡和物料平衡的表5.29算出)。
對此，人們嘗試如下的溶劑置換法(K.Miura，K.Mae，R.Ashida，T.Tamaura andT.Ihara，The 7th China-Japan Symposium on Coal and Cl Chemistry Proceedings p351(2001))將煤設想為含水分固體，以不消耗水的蒸發(fā)潛熱為目的，不使含水分固體的水分蒸發(fā)，將水的形態(tài)保持在液態(tài)直接進行脫水。該溶劑置換法存在采用非極性性溶劑和極性溶劑的2種情況。
利用極性溶劑，由于常溫常壓下對水的溶解度大，不升溫也能溶解含水分固體的水分，但是需要將完全混合的極性溶劑和水分離的蒸餾操作。大量熱能被消耗于該蒸餾操作上。該方法被認為是將脫水能量轉換為蒸餾能量而已，不是降低脫水能量的根本對策。
另一方面，非極性溶劑雖然常溫下幾乎不溶解水，但是高壓下，不使非極性溶劑蒸發(fā)而保持液態(tài)直接進行升溫的話，可微量溶解水。利用該性質，使含水分固體的水分溶解于高溫高壓的非極性溶劑中后，將非極性溶劑冷卻到常溫下，將不能溶解于非極性溶劑的水分分離。由于這樣不進行水分蒸發(fā)而脫水，可將所需能量降低于此，但必須進行將含水分固體和液態(tài)的有機溶劑進行分離的操作，為此需要能量。
另外，在該工序中，需要對溶劑加熱并對冷卻時所發(fā)出的熱進行回收。用熱交換器將溶劑的加熱管和冷卻管進行連接，即使是假設不考慮熱損失的理想的溶劑的加熱，對應于熱交換器的通路溫度(溫度差)的加熱一側的升溫是不可缺少的。該加熱能是溶劑的量、熱交換通路溫度、溶劑的恒壓摩爾熱容量的積，這里的通路溫度是指熱交換器，為從冷卻管(高溫介質)將熱傳導給加熱管(低溫介質)，兩管之間所設的溫度差。
本發(fā)明者對上述文獻中的采用假設的四氫化萘作為非極性溶劑時所需能量進行了計算后發(fā)現(xiàn)為2284kJ/kg-水。在該計算中，由于溶劑的恒壓摩爾熱容量不是實際使用溫度不是145-150℃的值，而采用了25℃的小值，另外還由于不考慮熱損失，所以實際需要能量比上述能量大得多。使用該四氫化萘的方法，即使只進行熱交換，也超過油中改質法全部工序的所需能量，即2100kJ/kg-水。除了進行熱交換需要能量以外，使溶劑循環(huán)在工序內也需要能量，在使用該非極性溶劑的方法中，也不能降低除去水分所需的能量。
如上述以往技術中所述的那樣，即使利用所需能量最小的油中改質法，由于必須為使含水分固體中的水分蒸發(fā)而加熱，在超過100℃的高溫下進行的脫水操作，所以存在裝置成本、裝置的維持成本高的問題。
本發(fā)明提供一種在接近于大氣溫度的溫度條件下，即，約為0℃-50℃的范圍內進行脫水，同時通過有效回收用于脫水的化學物質，使裝置成本和運行成本降低的、所需能量少的脫水方法，以及提供一種適合于進行本發(fā)明的方法的、熱交換、功的回收更加良好的節(jié)能的水分除去系統(tǒng)。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種采用液化物質除去固體所含水分的方法，其特征在于，通過使在25℃、1大氣壓下為氣體的物質(以下稱為物質D)的液化物和含有水分的固體接觸，使固體所含水分溶解于該物質D的液化物中，成為高含水的物質D的液化物，除去固體的水分，同時通過將該高含水的物質D的液化物中的物質D氣化，將物質D的氣體和水分分離，回收已分離的物質D的氣體，將回收的氣體加壓，或冷卻，或者同時加壓和冷卻使其液化，再用于含水分固體的水分的除去。
本發(fā)明還提供一種含水分固體的水分除去系統(tǒng)，其特征在于，其結構如下將25℃、1大氣壓下為氣體的物質(以下稱為物質D)、加壓上述物質D的氣體的壓縮機、冷凝受壓的上述物質D的氣體形成液化物的冷凝器、上述物質D的液化物和含水分固體接觸，溶解水分進行脫水的脫水器、從溶解了水分的上述物質D的液化物中使上述物質D氣化的蒸發(fā)器、將氣化后的上述物質D和水分離的分離器，以及使氣化后的上述物質D膨脹的膨脹機串聯(lián)，該膨脹機與上述壓縮機連接，形成回路，將上述物質D循環(huán)在該回路內，并且，用熱交換器將上述冷凝器和上述蒸發(fā)器連接，同時，回收上述膨脹機的對外所作的功，將該功作為上述壓縮機的動力的一部分進行投入。這里，較好具有如下的構造在上述分離器之后，連接從上述分離器被分離的水中將物質D脫氣的脫氣塔，脫氣塔與上述回路連接，脫氣后的物質D被回收返回到上述回路中。
這里，作為25℃、1大氣壓下為氣體的物質，較好用選自二甲基醚、乙基甲基醚、甲醛、乙烯酮、乙醛的1種或2種以上的混合物。另外，對于物質D的液化物與含水分固體的接觸，無特別限制，較好是使其相向流動接觸，再者，對于與含水分固體接觸的物質D的液化物的量也無特別限制，其理論量較好是抑制來自固體的水分以外的成分的提取成分的量。該發(fā)明的水分除去方法適合于從大量含有水分的固體中，以接近于大氣溫度的操作溫度且少量所需動力將水分除去，也可適用于所有的含水分固體，其中，含水分固體較好是褐煤或次煙煤，可以實現(xiàn)高品級煤所具有的燃燒性能和運輸成本。另外，本發(fā)明脫水后的褐煤或次煙煤的再濕潤被抑制，不需要為抑制再濕潤而添加重油等的對策。
利用本發(fā)明，由于采用了與水的相互溶解性高的、大氣壓和接近于大氣溫度的溫度下為氣體的物質的液化物作為脫水介質，所以通過使脫水后該液化物蒸發(fā)，可容易使其與水分分離，和以往的技術相比，可在接近于大氣溫度的操作溫度進行脫水。并且，不需要為水分的分離而使水分蒸發(fā)，完全不需要水分的蒸發(fā)潛熱的回收，可節(jié)能進行脫水?？捎行Щ厥找夯餁怏w，將其循環(huán)使用的系統(tǒng)中，通過熱交換器可回收蒸發(fā)潛熱進行有效利用，有效回收膨脹功，并能實現(xiàn)更加節(jié)能。即，通過本系統(tǒng)，使煤的水分在液化的二甲基醚溶出后，稍變化溫度和壓力，從液化二甲基醚和水分的混合液中僅選擇蒸發(fā)二甲基醚，容易分離水分和二甲基醚，同時不僅不蒸發(fā)水分將其從煤除去，而且將蒸發(fā)后的二甲基醚液化進行循環(huán)。
另外，通過對分離后的排水進行脫氣處理，可簡便除去液化物，還減輕了對環(huán)境的污染。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)的一例的示意圖。
圖2是顯示本發(fā)明的系統(tǒng)的一例的的溫度壓力條件的示意圖。
圖3是顯示第2壓縮機所需動力對膨脹機的絕熱效率和壓縮機的絕熱效率的曲線圖。
圖4是顯示脫水試驗的結果的圖。
圖5是顯示低品級煤的含水量與相對濕度的關系的曲線圖。
圖6是顯示流通的液化二甲基醚的量、除去水量與析出的褐煤可燃成分量的關系的曲線圖。
具體實施例方式
在本發(fā)明中，為了除去水分，采用液化于25℃、1大氣壓下為氣體的物質而成的液化物作為與含有水分的固體接觸的液體。
在以往的水分除去方法的之一，即采用非極性溶劑的溶劑置換法中，通過將溶劑升溫來增大對水的溶解度，并利用這樣的性質，但是，本發(fā)明具有如下特征對溶劑置換法進行了節(jié)能化，利用溶劑的氣液相變現(xiàn)象，使水的溶解度顯著變化。即，加壓或冷卻常溫下為氣態(tài)的物質，使其液化，采用該物質作為置換溶劑。使固體中的水分溶解于液化的溶劑中后，稍變化溫度和壓力，僅對溶劑進行選擇蒸發(fā)，容易分離水和溶劑的氣態(tài)。
由此，作為用于本發(fā)明的溶劑，可用與水的相互溶解性高的、液化狀態(tài)與水的相互溶解度高的物質。
若溶劑的沸點高于常溫的話，由于與水分離時需要蒸發(fā)溶劑用的高溫的能源，預期脫水所需能量增大，所以不理想。為了以少量所需能量能夠脫水，溶劑的沸點較好在常溫附近或其下。因此，在本發(fā)明中，液化25℃、1大氣壓下為氣態(tài)的物質加以使用。更好的是，0℃、1大氣壓下為氣態(tài)的物質。作為25℃、1大氣壓下為氣體的物質，可用二甲基醚、乙基甲基醚、甲醛、乙烯酮、乙烯酮和乙醛等。這些可單獨使用，也可2種以上混合使用。其中，較好是無毒性操作簡便的二甲基醚、二甲基醚。另外，作為25℃、1大氣壓下為氣體的物質，還可用丁烷和丙烷。這些溶劑單獨不具有溶解水的能力，可使其與選自二甲基醚、乙基甲基醚、甲醛、乙烯酮、乙醛等的1種或2種以上的混合物混合。丁烷和丙烷，因為是天然氣等的成分，所以容易得到，與液化二甲基醚的沸點接近，容易液化。并且，即使與液化二甲基醚等混合使用，僅脫水性能稍微下降，與現(xiàn)有的方法相比，可得到足夠優(yōu)異的性能，所以可減少液化二甲基醚等的使用量。
利用本發(fā)明的方法，通過使上述物質的液化物與含水分固體接觸，與固體中的水分，即存在于固體外表面、固體粒子間、有時固體粒子的內側的細孔中的水接觸，使含水分固體中的水分溶解在液化物中，進行含水分固體的脫水。使其接觸的方法可采用浸漬、將液化物流過固體等通常的脫水法中所采用的任意的方法。
變成高水分的液化物通過僅氣化液化物，容易將液化物和水分分離。氣化可通過提高溫度及/或壓力進行。用于本發(fā)明的液化物，因為在接近于大氣溫度的溫度下為氣體的物質，雖還取決于氣化操作時的壓力，但不太需要為氣化的加熱，在常溫附近就可氣化。氣化溫度也取決于所用的液化物，較好為0℃-50℃。氣化時的液化物的壓力，取決于該溫度。對于氣化的液化物，可回收、液化并再用于使其與含水分固體接觸的水分除去。液化，可加壓、冷卻、加壓和冷卻并用而進行，從所用的物質的沸點等考慮，可選擇適當?shù)挠欣臈l件。是1大氣壓下的沸點在0℃以下的物質時，若不加壓，僅冷卻而進行液化的話，由于液化物的溫度變?yōu)?℃以下，不能脫水，所以必須在高于0℃的高溫下液化，將加壓和冷卻組合進行液化。另外，是1大氣壓下的沸點超過0℃的物質時，在沸點以上的溫度進行液化是理想的。這是因為，標準沸點以下，物質D的飽和蒸氣壓未滿1大氣壓，由此，裝置內部壓力未滿1大氣壓，裝置的制造成本增大，或者操作變難。液化物的溫度較好為0℃-50℃，由此再決定壓力。如上所述，本發(fā)明的方法，通過變化壓力和溫度，在0℃-50℃的溫度范圍內可進行一系列的脫水操作，以少量能量進行脫水。
本發(fā)明的方法還可應用于以煤為代表的這類的固體的水分除去上。
在本發(fā)明的水分除去方法中，由于使用液體作為脫水的介質，所以液化物中的水的飽和溶解度和液化物中的水分濃度的差成為脫水的驅動力。能夠溶解于液化物中的水分量的理論最大值，與水分的飽和溶解度、水的密度和液化物的體積成比例。這在背景技術部分已論述過，若與能夠在干燥惰性氣體中蒸發(fā)的水分量的理論最大值進行比較的話，水分的飽和溶解度在20℃附近，大約為6％，相對于相同溫度的空氣中的水蒸氣的飽和蒸氣壓分壓(約為2％)，非常高。這樣的極高混合比率，通過氣體是不可能的，采用液體作為脫水的介質的特色就在于次。水的密度，由于相對于水蒸氣的密度非常大，所以用少量的液化物能夠脫水。
利用干燥惰性氣體進行脫水時，由于混合于該氣體中的水蒸氣被稀釋，蒸發(fā)潛熱的密度變小，很難回收蒸發(fā)潛熱。在脫水大量物質的生產實用化時，有效回收蒸發(fā)潛熱是重要的，采用氣體最為介質進行脫水的方法僅限于使用在小規(guī)模的生產中。
但是，如本發(fā)明那樣，采用液體作為脫水的介質，不使水分蒸發(fā)而能夠將水分除去，完全不需要蒸發(fā)潛熱的回收。另外，由于是在大氣溫度附近、常壓下為氣體的物質，所以液化物和水分的分離容易，能夠節(jié)能地進行脫水。
以下顯示適合于實踐本發(fā)明的水分除去方法的脫水系統(tǒng)。圖1是顯示本發(fā)明的水分除去系統(tǒng)的一例的構成的示意圖。
在本例中，假設采用二甲基醚作為25℃、大氣壓下是氣體的物質D，對含水分的固體為煤進行脫水情況，本發(fā)明的系統(tǒng)不受該例子的限制。二甲基醚，1大氣壓的沸點約為-25℃，0℃-50℃的大氣壓時為氣體狀態(tài)。這樣，因為在室溫附近、大氣壓下為氣體狀態(tài)，所以為了制得液態(tài)的二甲基醚，需要在加壓下的操作。高效制得二甲基醚的制造方法，制造裝置，在例如日本特許公開公報平11-130714號、日本特許公開公報平10-195009號、日本特許公開公報平10-195008號、日本特許公開公報平10-182535號、日本特許公開公報平10-182527號、日本特許公開公報平09-309852號、日本特許公開公報平09-309850號、日本特許公開公報平09-286754號、日本特許公開公報平09-173863號、日本特許公開公報平09-173848號、日本特許公開公報平09-173845號等中公開，容易得到。
依次連接加壓二甲基醚蒸氣的壓縮機1、1′、液化受壓的蒸氣的冷凝器2、將液化的二甲基醚與含水分固體中的水分接觸、溶解水分進行脫水的脫水器3、脫水從含有水分的液化二甲基醚氣化二甲基醚的蒸發(fā)器4，冷凝器2和蒸發(fā)器4經熱交換器5連接。蒸發(fā)器4的后面是二甲基醚蒸氣與水分離的分離器6、絕熱膨脹經分離器6分離的二甲基醚蒸氣的膨脹機7通過配管進行串聯(lián)，膨脹機7再與壓縮機1連接，形成閉回路(循環(huán)路)。在該回路中，二甲基醚一邊進行氣體、液體的狀態(tài)變化，一邊循環(huán)，脫水和與水分離，反復進行。另外，圖1的4′為冷卻器，4″為減壓閥，這些用于調整使液化二甲基醚氣化時的溫度和壓力，可認為蒸發(fā)器的一部分。在分離器6上，連接有將溶解于分離器6分離后的水中的二甲基醚脫氣的脫氣塔8。脫氣塔8中，通過保壓閥8′下降脫氣塔內部的壓力，使二甲基醚氣化并進行回收。脫氣塔8被連接在上述的回路中，回收的二甲基醚經過無圖示的配管再次返回到回路中。
膨脹機7中，在這里回收向外所作的功，利用該功作為加壓二甲基醚的壓縮機1的動力的一部分。在圖1的系統(tǒng)中，設有2段壓縮機，第1壓縮機1與膨脹機7相連，回收膨脹機7所作的功用作第1壓縮機1的動力。9是電動機，從外部的功的輸入僅對第2壓縮機1′進行。膨脹機7的對外所作的功主要是指隨著二甲基醚氣體的體積膨脹所作的功，還包括以下所述的功。在蒸發(fā)器4出來的二甲基醚的過熱氣體中，混入有被過熱氣流所卷入的飛沫。為此，膨脹機7中可能得到混入飛沫的氣化所作的功。本發(fā)明中，膨脹機7所作的功不僅包括過熱氣體的體積膨脹所作的功，還包括飛沫氣化所作的功。
冷凝器2與蒸發(fā)器4由熱交換器5進行連接，所以液化二甲基醚的蒸發(fā)潛熱被回收并被有效利用。
在本發(fā)明的系統(tǒng)中，如圖1所示那樣，還可以設置冷卻器10。這是因為根據(jù)所用液化氣體的條件等，根據(jù)需要進行設置，用于將膨脹機7出來的氣體溫度調整到壓縮機1的入口的最佳溫度。
本系統(tǒng)與作為含水分固體的煤、水、液化二甲基醚的3者有關。著重于各物質，記敘本系統(tǒng)的流程。
含水分固體的煤，被填充在脫水器3中，被液化二甲基醚脫水后，從容器中取出。圖1中以點線表示其流程。
圖1中以雙重線表示流程的水，作為含水分固體的水分從脫水器3供給系統(tǒng)內。首先，在脫水器3中溶出到液化二甲基醚中后，以溶解于液化二甲基醚中的形態(tài)到達蒸發(fā)器4。在蒸發(fā)器4中，大部分的液化二甲基醚氣化，溶解于液化二甲基醚中的水被分離。在氣液分離器6中將二甲基醚蒸氣與水分開，水作為排水殘留。氣液分離器6內部壓力高于大氣壓，所以氣液分離器6分離的水相中溶解有二甲基醚氣體。若直接將這樣的水排出，對環(huán)境造成嚴重污染，另外，二甲基醚的損失量也增大。因此，為了將對環(huán)境的污染以及二甲基醚的損失量降低到最低限度，必須設置脫二甲基醚塔，將二甲基醚回收。作為脫二甲基醚塔，在本實施方式中，使用脫氣塔8，在其入口處設置有保壓閥8′，以形成通過將脫氣塔8的內部壓力降低，回收二甲基醚的結構。設置在脫氣塔8的下部的加熱釜8a加熱水，還能提高二甲基醚的回收率。脫氣后的水作為殘液排出，與該排水分離后的二甲基醚蒸氣再次回到脫水系統(tǒng)中使用。
圖1中以實線表示流程的二甲基醚氣體在壓縮機1、1′中被加壓成為過熱氣體后，經過冷凝器2成為過冷卻液。液化二甲基醚的過冷卻液被供給脫水器3，溶解含水分固體的水分，流向蒸發(fā)器4。在蒸發(fā)器4中液化二甲基醚與水分離，再次成為過熱氣體。此時，冷凝器2與蒸發(fā)器4由熱交換器5連接，所以液化二甲基醚的蒸發(fā)潛熱被回收進行有效利用。從蒸發(fā)器4出來的二甲基醚的過熱氣體經膨脹機7作功，回收成為壓縮機動力的一部分。從膨脹機7出來的二甲基醚氣體被再次送回壓縮機1內，循環(huán)在系統(tǒng)內。
在圖2所示的本發(fā)明的系統(tǒng)的一例中，顯示了采用二甲基醚時的相狀態(tài)、壓力、溫度和飽和溫度的設定例。為了將壓力和溫度的設計簡便化，省略來自水中的二甲基醚氣體的脫氣塔8，假定用氣液分離器6將水與二甲基醚完全分離。假設經脫水器3處理后的含水分固體不含有二甲基醚。
首先，將第1壓縮機1的入口的溫度設定為起點，設定溫度和壓力條件。第1壓縮機入口(1)處的溫度為2℃、被過熱到高于飽和溫度(b.p.15℃)10℃時，壓力為0.44MPa。由于過熱度越小，第1壓縮機1的壓力越大，壓縮機1的動力減少，但是相反，在壓縮機入口(1)前一階段，利用外部氣體將二甲基醚氣體冷卻冷凝的危險性增高。另外，二甲基醚的熱容量小到1.11，所以絕熱壓縮時溫度很難上升。為此，第1壓縮機1和第2壓縮機1′中的各自的壓縮機出口(2)、(3)的過熱度，小于壓縮機入口的過熱度。本系統(tǒng)中，在決定壓縮機入口的過熱度時，還應該注意壓縮機出口的過熱度。
第2壓縮機1′的出口(3)的壓力，取決于用于蒸發(fā)器4前的冷卻器4′的冷卻水的溫度。這里，將大氣溫度設定為20℃，將冷卻水的溫度設定為與大氣溫度相同的溫度。冷卻器4′中的通路溫度為5℃時，冷卻器4′的出口(蒸發(fā)器入口)(6)的液化二甲基醚的溫度為25℃。若再將冷凝器2和蒸發(fā)器4的通路溫度設定為5℃時，冷凝器2的出口(4)的溫度為30℃。為了在脫水器3內二甲基醚作為液體穩(wěn)定存在，若將冷凝器2的出口(脫水器3的入口以及脫水器3內)處設定為5℃的過冷卻度時，冷凝器2的操作壓力(壓縮機出口的壓力)確定。此時，由于飽和溫度為35℃，所以冷凝器2的出口(4)以及壓縮機1′的出口(冷凝器入口)(3)為0.78MPa。若假設絕熱壓縮的話，可確認第2壓縮機1′的出口(3)的溫度為43℃，壓縮機出口處的二甲基醚的飽和溫度上升。
由于蒸發(fā)器4的飽和溫度為30℃，所以必須將蒸發(fā)器4的入口(6)的壓力減壓至30℃的飽和壓力。這里的飽和壓力是指水與液化二甲基醚的混合液的飽和壓力，為0.62MPa。還由于冷凝器2與蒸發(fā)器4的溫度差ΔT為5℃，所以蒸發(fā)器4出口(膨脹器入口)(7)的溫度為38℃。這里的過熱度為8℃，所以將二甲基醚氣體加熱8℃所需能量的范圍內的熱損失，在第2壓縮機1′的出口以后到膨脹機7的入口前的范圍內是允許的。
利用氣液分離器6將二甲基醚氣體從水中分離后，用膨脹機7進行絕熱膨脹。膨脹機7的出口(8)的壓力，與第1壓縮機1入口處的壓力相同。通過絕熱膨脹二甲基醚氣體被冷卻到26℃。因為比第1壓縮機1的入口處的溫度高1℃，所以必須冷卻。利用膨脹機7回收能量，用作第1壓縮機的動力。假設膨脹機7和第1壓縮機1的絕熱效率為80％的話，第1壓縮機出口的溫度為32℃，壓力為0.55MPa。
根據(jù)已經確定的溫度壓力的設定，變化2個壓縮機1、1′與膨脹機7各自絕熱效率，計算第2壓縮機1′的所需動力。
首先，2個壓縮機1、1′所需功的合計為(2個壓縮機1、1′所需理論功)÷(絕熱效率)。另一方面，膨脹機7回收、作為第1壓縮機1的動力投入的功為(膨脹所作的理論功)×(絕熱效率)。為此，第2壓縮機1′所需功是(2個壓縮機1、1′所需功)÷(絕熱效率)-(膨脹所作的理論功)×(絕熱效率)。該功必須以動力的形式導入，所以若將該變換效率定為0.35時，(第2壓縮機1′所需功)÷0.35為第2壓縮機1′所需的總能量。該變換效率是與油中改質法的動力推算中所用的回收水蒸氣的潛熱的壓縮動力的變換效率相同的值。
這里，假設二甲基醚近似于理想氣體，并假定為絕熱壓縮時，相對于膨脹機7的絕熱效率和壓縮機1的絕熱效率，可得到如圖3所示一樣的第2壓縮機1′所需的動力。
壓縮機1和膨脹機7的絕熱效率都為0.8時，本系統(tǒng)的所需動力為948kJ/kg-水。該壓縮效率與用在油中改質法的動力推算中的為蒸氣潛熱回收的壓縮機的壓縮效率(財團法人能源綜合工學研究所，新能源的展望的“低品級煤的改質技術(1977)”)一樣。
如該推算結果所示的那樣，理論上可確認能夠達到本發(fā)明所要解決的問題，即所需能量小的脫水。
(實施例1)
進行對應于本發(fā)明的水分除去方法的以下的試驗。作為含水分固體，采用了褐煤，即澳大利亞產的低品級煤(low young coal)。為了再現(xiàn)水分60％以上的極高含水率，用吸氣器對浸漬在純水中的低品級煤減壓，用水置換細孔內的空氣后，充分將該低品級煤濾水，制成試樣煤。試樣煤的濕重為5.9g(干重量為1.8g，水分重量為4.1g)。此后，將濕潤的低品級煤和液化二甲基醚(以下簡稱為DME)55.0g(純度在99％以上)放入預先冷卻到-75℃的透明的容器中，將該容器沉入恒溫水槽內，在30℃恒定溫度條件下靜置1小時，使低品級煤和液化DME接觸。此后，在大氣壓下氣化容器內的DME后發(fā)現(xiàn)在容器的底部，從低品級煤中分離出1.2g的水。如圖4所示的結果。分離后的水分量是處理前的低品級煤所含的水分量的29重量％。這樣，采用液化DME，在接近于大氣溫度的溫度條件下，可確認容易將水分除去。
(實施例2)采用澳大利亞產的低品級褐煤(灰分0.3重量％、水分為53.2重量％、揮發(fā)成分為27.1重量％、碳為19.3重量％)和液化DME，脫水現(xiàn)象、脫水煤的含水率、脫水性能、可燃成分的析出現(xiàn)象、脫水煤的再濕潤特性得到了明確。附帶說一下，為了和煙煤一樣干燥低品級煤，從如圖5所示的25℃吸附在低品級煤中的水蒸氣的吸附等溫線可知需要干燥，以使?jié)穸燃s為10％。這樣，低品級煤是脫水極難的煤。這是因為，在褐煤中存在冷凝在褐煤粒子的外表面或粒子間的堆積水，和褐煤細孔內部的毛細管冷凝水和表面吸附水。其中，堆積(bulk)水最容易脫離。接下來，在毛細管冷凝水中，因為毛細管吸引力的強作用，保持水分的力強。表面吸附水是直接吸附在褐煤的細孔壁表面的水分，最難脫水。
1.試驗方法低品級煤，為了將其含水量調整到一定值供試驗用，將其靜置在底面盛滿水的容器的上部，將該容器沉入恒溫水槽內，在溫度25℃、相對濕度為100％的氣氛下1天以上使低品級煤濕潤。濕潤后的低品級煤的水分每次試驗都略微不同，但是都在52±2％的范圍內。得到的低品級煤處于粒徑在5mm以下的粒狀的狀態(tài)，以粒狀直接用于試驗中。
脫水試驗是在填充了含水量被調整到一定值的、粒徑在5mm以下的粒狀低品級煤的柱內，利用0.7-0.9MPa的壓縮氮將填充在不銹鋼容器內的液化DME擠出并使其流通后，用配置在柱的后段的留存液化DME的空的密閉容器回收液化DME進行的。在通過柱期間，通過低品級煤的水分溶解于液化DME中進行脫水。
試驗是在室溫下進行的，液化DME的流通速度為10ml/min。用于試驗的液化DME的純度在99％以上。20℃的液化DME的飽和蒸氣壓為0.51MPa，相對于20℃的液化DME的水的飽和溶解度為6.7重量％，1g水的溶解所需的最少量(以下稱為理論量)的DME為14.9g。
2.脫水現(xiàn)象進行將理論量的194重量％的液化DME在柱內流通的脫水試驗，明確脫水現(xiàn)象的特征。
液化DME的流通溶液的結果是所得的脫水煤的體積是脫水前的70％左右。以107℃加熱脫水煤后，重量減少，再用氣相色譜儀對蒸發(fā)的氣體的成分進行測定后發(fā)現(xiàn)檢測出大量的DME。由此可知脫水煤內吸附有大量的DME。但是，由于該液化DME其自身為燃料，即使殘留在煤中，煤燃燒時，幾乎沒有問題。
這里，柱出來的液化DME是茶褐色透明的，這被認為是因為溶解有一部分的低品級煤的可燃成分。用氣相色譜儀對使該液化DME蒸發(fā)而得的DME氣體所含的雜質進行測定后發(fā)現(xiàn)作為DME以外的雜質，只檢測出微量的水蒸氣和氮。由此可知蒸發(fā)后的DME內幾乎沒有混入雜質，確認可進行循環(huán)。
在蒸發(fā)柱出來的液化DME的痕跡中，存在被認為是茶褐色混濁的排水和褐煤的可燃成分的茶褐色固體(以下稱為析出物)析出。析出物可溶于乙醇，同時具有可燃性。
3.脫水煤的含水率以及脫水前后的物料平衡通過上述脫水試驗從煤中被除去的水分，即，排水重量為4.23g。這里，脫水前的低品級煤所含的水分的測定，利用通常的水分測定方法，以107℃蒸發(fā)吸附在脫水煤內的DME，但不能僅對脫水煤的水分進行測定。因此，使用經過相同濕潤操作的同一批的低品級煤，采用求出的水分(53.2％)進行計算。經計算求出的低品級煤的脫水前的水分為4.43g。由此，將它們的差0.20g定為脫水煤的含水量。從該結果可知占脫水煤總重量4.74g的水分為4.3％，可和煙煤一樣將低品級煤脫水。
脫水煤、排水和析出物的總重量為9.43g，比脫水前的低品級煤的濕重重1.11g，這是吸附在脫水煤內的DME。其中，以107℃對脫水煤進行1小時的加熱時的重量損失為0.59g，因殘留的0.52g不蒸發(fā)，所以被認為所吸附的大約一半DME是牢固結合在低品級煤上的DME。
析出物的重量是脫水前的低品級煤的干重量的12重量％，加熱蒸發(fā)排水后發(fā)現(xiàn)相當于濃度為1500-2000ppm的茶褐色固體析出。
4.脫水性能下面，改變各種液化DME的流通量，進行低品級煤的脫水試驗。其結果如圖6所示?？v軸的排水量，以脫水前的低品級煤的含水量進行規(guī)格化，橫軸的液化DME流通量以理論量進行規(guī)格化。圖中的虛線褐煤水分飽和溶解在液化DME中時的排水量。
如圖6所示那樣，液化DME的流通量少，從低品級煤中進行脫水沒有進行時，褐煤水分飽和溶解在液化DME中，相對于液化DME的流通量，可除去最大量的煤水分。這是因為低品級煤的水分中，脫離容易的堆積水溶解在液化DME中的緣故。
若增加液化DME的流通量的話，直到大約低品級煤的初始水分的80％被除去為止，都與流通量成比例，排水量增加。若大約低品級煤的初始水分的80％被除去的話，劇烈脫水所需液化DME的量增大。這是因為液化DME中的水分不飽和地由柱排出，需要理論量大約6倍的液化DME(點線)。這是因為低品級煤的細孔內部殘留有毛細管冷凝水和吸附水，與這些水平衡的液化DME中的水分濃度低的緣故。
這樣，在低品級煤的堆積水多的脫水初期階段，由于可溶解飽和量的水分在液化DME中，所以可用已經大量含有水分的液化DME進行脫水。另一方面，低品級煤的脫水進行，但處于只有毛細管冷凝水或吸附水殘留的狀態(tài)，所以必須用水分濃度低的液化DME。由此可知若采用逆流接觸方式的脫水器，保持液化DME的流通量為理論量，同時還可以與煙煤一樣進行脫水。
5.可燃成分的析出現(xiàn)象圖6中同時記錄了液化DME的流通量和析出量的關系(●符號)?？v軸的析出物的重量，以脫水前的低品級煤的干重(可燃成分重量)進行規(guī)格化。如圖6所示那樣，為了提高脫水性能，增加液化DME的量以高于理論量是理想的，但是相反，因析出物的重量和DME的流通量成比例，所以為了防止低品級煤的可燃成分減少，較好用理論量的液化DME進行脫水。也因為這個原因，較好通過逆流接觸進行低品級煤和液化DME的接觸。
6.脫水煤的再濕潤特性在溫度25℃、相對濕度80％的氣氛下將脫水煤放置24小時后發(fā)現(xiàn)24小時后的脫水煤的水分只增加到7.1％。如圖2所示那樣，若將脫水處理前的低品級煤在溫度25℃、相對濕度為78％的氣氛下放置24小時的話，因為可濕潤到水分29％，由此可知可抑制脫水煤的再濕潤。
其原因被認為是若脫水煤再濕潤的話，水分子必須溶入到吸附在脫水煤表面上的DME的分子集團中。如上所述，可認為由于溶解于液化DME的水分的飽和溶解度約為6.7重量％，飽和溶解度以上的水分不溶解的原因，可抑制脫水煤的再濕潤。
這樣，相對于用以往的方法需要以添加重質油來抑制再濕潤等對策來說，本發(fā)明的方法具有不需要對再濕潤加以抑制的特別對策的優(yōu)點。
工業(yè)上利用的可能性如上所述，本發(fā)明的固體所含水分的除去方法適合于以低動力將水分從大量含有水分的固體中除去，特別適合于以低動力將牢固結合在煤表面的官能團上的煤中的水分從褐煤或次煙煤中除去，可用作對煙煤含有的水分進行脫水的技術。
因此，能夠實現(xiàn)將褐煤或次煙煤具有高品級煤所具有的燃燒性能和運輸成本，而該類煤由于是低灰分、低硫成分的煤種類，所含水分多，所以運輸成本高、燃燒性差，除了在產地利用以外，在其他地方無法使用。對從煤的開采開始到發(fā)電后的處理為止進行綜合性判斷的話，它具有降低發(fā)電成本的效果。當然，本發(fā)明是所期待的高效脫水的方法，以接近于室溫0.5MPa左右以低動力、在極易實現(xiàn)的條件下從褐煤等煤以外的含水固體中高效脫水。
權利要求
1.采用液化物質除去固體所含水分的方法，其特征在于，通過使在25℃、1大氣壓下為氣體的物質(以下稱為物質D)的液化物和含有水分的固體接觸，使固體所含水分溶解于該物質D的液化物中，成為高含水的物質D的液化物，除去固體的水分，同時通過將該高含水的物質D的液化物中的物質D氣化，將物質D的氣體和水分分離，回收已分離的物質D的氣體，將回收的氣體加壓，或冷卻，或者同時加壓和冷卻使其液化，再用于含水分固體的水分的除去。
2.根據(jù)權利要求1所述的采用液化物質除去固體所含水分的方法，其特征在于，25℃、1大氣壓下為氣體的物質是選自二甲基醚、乙基甲基醚、甲醛、乙烯酮、乙醛中的1種或2種以上的混合物。
3.根據(jù)權利要求1所述的采用液化物質除去固體所含水分的方法，其特征在于，上述含水分固體是褐煤或次煙煤。
4.根據(jù)權利要求1所述的采用液化物質除去固體所含水分的方法，其特征在于，上述物質D的液化物和上述含水分固體逆流接觸。
5.根據(jù)權利要求1所述的采用液化物質除去固體所含水分的方法，其特征在于，與上述含水分固體接觸的物質D的液化物為理論量。
6.根據(jù)權利要求1所述的采用液化物質除去固體所含水分的方法，其特征在于，上述物質D的液化物在0℃-50℃的溫度范圍內進行一系列的脫水操作。
7.褐煤或次煙煤，其特征在于，通過權利要求1所述的固體所含水分的除去方法脫水而成。
8.含水分固體的水分除去系統(tǒng)，其特征在于，其結構如下將25℃、1大氣壓下為氣體的物質(以下稱為物質D)、加壓上述物質D的氣體壓縮機、冷凝受壓的上述物質D的氣體形成液化物的冷凝器、上述物質D的液化物和含水分固體接觸溶解水分進行脫水的脫水器、從溶解了水分的上述物質D的液化物中使上述物質D氣化的蒸發(fā)器、將氣化后的上述物質D和水分離的分離器、以及使氣化后的上述物質D膨脹的膨脹機串聯(lián)，該膨脹機與上述壓縮機連接，形成回路，使上述物質D在該回路內循環(huán)，并且用熱交換器將上述冷凝器和上述蒸發(fā)器連接，同時回收上述膨脹機的對外所作的功，將該功作為上述壓縮機的動力的一部分投入。
9.根據(jù)權利要求8所述的含水分固體的水分除去系統(tǒng)，其特征在于，具有如下構造從上述分離器，連接從上述分離器分離后的水中將物質D脫氣的脫氣塔，上述脫氣塔與上述回路連接，脫氣后的上述物質D被回收返回到上述回路中。
10.根據(jù)權利要求8所述的含水分固體的水分除去系統(tǒng)，其特征在于，上述脫水器使上述物質D的液化物和上述含水分固體逆流接觸。
全文摘要
本發(fā)明涉及從高水分煤之類的含高水分的固體中除去水分的方法和系統(tǒng)，它是所需能量少的脫水的方法。通過使25℃、1大氣壓下為氣體的物質(以下稱為物質D)的液化物與含水分固體接觸，使固體所含水分溶解在該物質D的液化物中，形成高含水的物質D的液化物，以除去固體的水分，同時，通過該高含水的物質D的液化物的物質D氣化，將物質D的氣體和水分分離，回收已分離的物質D的氣體，將回收的氣體回收、或者冷卻、或者同時加壓和冷卻使其液化，再用于含水分固體的水分的除去，除去固體所含水分。
文檔編號F26B5/00GK1658937SQ0381277
公開日2005年8月24日 申請日期2003年6月3日 優(yōu)先權日2002年6月3日
發(fā)明者神田英輝, 白井裕三 申請人:財團法人電力中央研究所