PL212666B1 - Urzadzenie do obróbki materialu, korzystnie wegla, sposób hydrotermalnego odwadniania wegla oraz sposób prowadzenia dwóch procesów w warunkach podwyzszonego cisnienia - Google Patents

Abstract

Układ reaktorowy składający się z dwóch lub więcej podziemnych reaktorów do wysokociśnieniowej obróbki materiałów. Każdy reaktor ma rurę wlotową, obszar reakcji i rurę wylotową wystarczająco głęboką dla materiału w rurach wlotowej i wylotowej do wytworzenia znaczącego ciśnienia hydrostatycznego. Reaktory są przystosowane do wymiany ciepła, która może mieć miejsce poprzez wspólną ściankę przenoszenia ciepła lub wymiennik ciepła z cyrkulującą cieczą. Wynalazek obejmuje także sposób jednoczesnego prowadzenia dwóch procesów w układzie reaktorowym. Korzystne procesy stanowią hydrotermalne odwadnianie węgla, zwłaszcza węgla brunatnego i upłynnianie węgla, w których ciepło z jednego egzotermicznego procesu jest wykorzystane w innym procesie. Wynalazek obejmuje także sposób hydrotermalnego odwadniania węgla prowadzonego w podziemnym reaktorze w warunkach zmniejszającego się ciśnienia.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do obróbki materiału, korzystnie węgla, sposób hydrotermalnego odwadniania węgla oraz sposób prowadzenia dwóch procesów w warunkach podwyższonego ciśnienia. Wynalazek dotyczy reaktorów do prowadzenia reakcji chemicznych, w szczególności reaktorów utworzonych w odwiertach, a tym samym posiadających warunki umożliwiające wytwarzanie wysokiego ciśnienia i maksymalizację sprawności termicznej, w relatywnie bezpiecznych warunkach.

Wiele procesów polega na obróbce zawiesiny, jako materiału procesowego, w warunkach podwyższonej temperatury.

Wiele takich procesów obejmuje, w ramach przetwarzania, zawieszanie co najmniej jednego stałego reagenta w odpowiednim płynie lub rozpuszczalniku, często wodzie.

Ponieważ na ogół pożądane jest ograniczanie strat rozpuszczalnika przez odparowanie, operacje prowadzi się pod takim ciśnieniem, że rozpuszczalnik nie paruje.

Typowe przykłady takich procesów to ługowanie z utlenianiem laterytowych rud niklu, trawienie boksytu w instalacjach typu Bayer Process, nadkrytyczną ekstrakcję rozpuszczalnikową węgla, przemianę węgla stałego w płynny za pomocą wody, oraz hydrotermalne odwadnianie węgla brunatnego.

Takie procesy zazwyczaj prowadzi się w montowanych na powierzchni reaktorach ciśnieniowych. Typowe warunki ciśnienia wynoszą do 60x10⁵ Pa (60 barów), ale mogą być znacznie wyższe w przypadku operacji w warunkach nadkrytycznych (np. +220x10⁵ Pa (+ 220 barów) dla wody w warunkach nadkrytycznych). Dla wielu procesów idealnie utrzymuje się temperatury w zakresie 100 do 200°C, ale czasem żądane temperatury pracy mogą wynosić 300°C, lub więcej.

W wielu instalacjach, ciśnienie pracy w operacjach wysokociśnieniowych jest wynikiem kompromisu między szybko zwiększającymi się kosztami inwestycyjnymi i operacyjnymi przy przechodzeniu do wyższych ciśnień roboczych, w stosunku do bardziej pożądanych wyników procesu (to jest lepszej kinetyki ługowania, szybszej reakcji, lepszej ekstrakcji).

Dla zachowania właściwej wytrzymałości na ciśnienie niektóre reaktory mają tak grube ściany zbiorników, że w końcu trzeba je wykonywać z materiału platerowanego. Na przykład, jeśli konieczne jest kontaktowanie płynu procesowego z metalicznym tytanem, to przy pewnej grubości ścianek zbiornika opłaca się zastąpić ścianki z samego tytanu przez ścianki stalowe platerowane tytanem. Stosowanie albo nietypowo grubych materiałów, albo wyspecjalizowanych technik konstrukcyjnych, jak stosowanie płyt platerowanych, znacznie zwiększa złożoność i koszt takich zbiorników ciśnieniowych.

Problemem jest także bezpieczeństwo. Użytkowanie zbiorników pracujących pod bardzo wysokim ciśnieniem, zawierających agresywne płyny procesowe, w przypadku ewentualnego uszkodzenia zbiornika prowadzi do poważnego zagrożenia dla personelu i ogólnie bezpieczeństwa.

Na ogół, w montowanym na powierzchni zbiorniku(-ach) ciśnieniowym do prowadzenia takich operacji stosuje się wysokociśnieniowe pompy zasilające. Dla zawiesin może to być skomplikowane. Dla umiarkowanych ciśnień można stosować szeregowo jedną lub więcej pomp wirowych, ale dla bardzo wysokich ciśnień, wymagane są specjalne pompy, które są bardzo kosztowne. Ponadto dodatkową wadą jest to, że takie pompy wytwarzające bardzo wysokie ciśnienie, jak pompy tłokowe, membranowe lub nurnikowe, często ograniczają górny wymiar cząstek, jakie mogą być pompowane.

W opisie patentowym USA nr US-3606999 („Lawless) ujawniono ciała stałe, ciecze i gazy, które można kontaktować pod podwyższonymi ciśnieniami i w pożądanych temperaturach, przez utworzenie naczynia reakcyjnego na głębokości odpowiedniej do wykorzystania ciśnienia hydrostatycznego w rurze zasilającej. Opisano pojedynczy zbiornik reakcyjny, który w jednym rozwiązaniu, ma postać hydraulicznego równoważnika rury w kształcie litery U zbudowanej w pionowym korytarzu. Ujawniono także sposób przenoszenia ciepła od cieczy wylotowych do wlotowych, w którym rura wlotowa znajduje się w kontakcie ze strumieniem wylotowym. Układ według Lawless'a można stosować tylko dla jednej reakcji w jednym czasie.

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do obróbki materiału, korzystnie węgla, obejmujące co najmniej jedną komorę reakcyjną umieszczoną pod powierzchnią ziemi, a każda ma strefę reakcyjną, w której materiał jest obrabiany z wytworzeniem obrobionego materiał u, układ wlotowy przez który materiał jest podawany do strefy reakcyjnej i układ wylotowy przez który obrobiony materiał jest odzyskiwany ze strefy reakcyjnej, co najmniej jedna komora reakcyjna sięga poniżej powierzchni na głębokość wystarczającą do wytworzenia ciśnienia hydrostatycznego w strefie reakcyjnej, korzystnie co najmniej 100 m poniżej powierzchni, do obrabiania materiału i w układzie wlotowym i/lub wylotowym, charakteryzujące się tym, że układ wlotowy obejmuje pompę i co najmniej dwie rury przez które matePL 212 666 B1 riał do obrobienia zasila strefę reakcyjną co najmniej jednej komory reakcyjnej, a te co najmniej dwie rury mają ściany przewodzące ciepło przez które ciepło jest przenoszone od materiału w układzie wylotowym do materiału w układzie wlotowym.

Korzystnie układ wlotowy co najmniej jednej komory reakcyjnej jest zbudowany z 50 do 200 rur.

Korzystnie urządzenie ma co najmniej dwie komory reakcyjne i co najmniej dwie z tych komór reakcyjnych mają elementy wymiany ciepła, a ponadto układ wlotowy co najmniej dwóch komór reakcyjnych ma co najmniej dwie rury.

W takim ustawieniu korzystnie ukł ad wlotowy każ dej z co najmniej dwóch z co najmniej dwóch komór reakcyjnych jest zbudowany z 50 do 200 rur, korzystniej jest zbudowany z ponad 100 rur.

W innym wykonaniu urządzenia korzystnie uk ład wlotowy i wylotowy są umieszczone w skierowanych w dół podziemnych korytarzach i co najmniej jedna komora reakcyjna ma konfigurację w kształ cie wydł u ż onej litery U.

Także korzystnie układ wlotowy i wylotowy są umieszczone w skierowanych w dół podziemnych korytarzach i jedna z komór reakcyjnych jest umieszczona zasadniczo wewnątrz co najmniej jednej innej komory reakcyjnej.

Korzystnie układ wlotowy i wylotowy są umieszczone w skierowanych w dół podziemnych korytarzach i urządzenie ma co najmniej jeden podziemny kanał łączący do transportu płynu z układu wylotowego jednej komory reakcyjnej do układu wlotowego innej komory reakcyjnej.

W innym korzystnym wykonaniu urzą dzenie ma co najmniej dwie komory reakcyjne i co najmniej dwie z tych komór reakcyjnych umieszczone są w odległości umożliwiającej wymianę ciepła między sobą.

Korzystnie takie urządzenie ma sekcję ściany przewodzącej ciepło wspólną dla co najmniej dwóch komór reakcyjnych.

Korzystnie urządzenie ma co najmniej dwie komory reakcyjne prowadzące wymianę ciepła między sobą poprzez elementy wymiany ciepła, przy czym elementy wymiany ciepła zawierają ciecz w układzie cyrkulacyjnym, cyrkulującą do miejsca kontaktu z wymianą ciepła w co najmniej dwóch komorach reakcyjnych.

Korzystnie co najmniej jedna z komór reakcyjnych sięga co najmniej 650 metrów poniżej powierzchni ziemi.

Korzystnie co najmniej jedna z co najmniej dwóch komór reakcyjnych sięga co najmniej 100 metrów poniżej powierzchni ziemi, korzystniej sięga co najmniej 500 metrów poniżej powierzchni ziemi.

Korzystnie każda z co najmniej dwóch rur układu wlotowego co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych jest ciągłą rurą, korzystniej co najmniej jedna ciągła rura jest zbudowana z połączonych metalowych elementów rurowych.

W innym wykonaniu korzystnie co najmniej jedna z co najmniej dwóch rur ukł adu wlotowego co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych ma część ściany zewnętrznej utworzoną przez skały.

Korzystnie każda z co najmniej dwóch rur układu wlotowego co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych ma średnicę w zakresie 25 mm do 75 mm, korzystniej średnica wynosi około 50 mm.

Korzystnie w innym wykonaniu urządzenia według wynalazku układ wlotowy łączy odpowiednią strefę reakcyjną z powierzchnią ziemi.

Korzystnie układ wylotowy co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych jest zbudowany z ciągłej rury wylotowej.

Korzystnie układ wylotowy co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych jest zbudowany z połączonych elementów rurowych.

Korzystnie układ wylotowy co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych ma co najmniej część ściany zewnętrznej utworzoną przez skały.

Korzystnie układ wylotowy łączy odpowiednią strefę reakcyjną z powierzchnią ziemi.

Korzystnie układ wylotowy co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych ma co najmniej jeden kolektor gazu.

Korzystnie układ wylotowy co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych ma zawór dławiący do sterowania ciśnieniem wstecznym obrobionego materiału.

W innym korzystnym wykonaniu urzą dzenia wedł ug wynalazku ukł ad wlotowy i wylotowy każ dej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych jest zbudowany w odwiercie skierowanym w dół, korzystniej odwiert jest pionowy.

PL 212 666 B1

Także korzystnie urządzenie ma szyb rewizyjny umożliwiający dostęp poniżej powierzchni ziemi do co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych.

Dalszym przedmiotem wynalazku jest sposób hydrotermalnego odwadniania węgla, obejmujący etapy, w których dostarcza się zawiesinę węgla, przy czym stężenie węgla po wydobyciu w zawiesinie wynosi miedzy 40% a 65% wagowych, poprzez co najmniej dwie rury zasilające układu wlotowego podziemnej komory reakcyjnej do strefy reakcyjnej komory reakcyjnej na głębokość wystarczającą do wytworzenia ciśnienia pochodzącego od słupa cieczy, unosi się zawiesinę węgla ze strefy reakcyjnej przez co najmniej jedną rurę wylotową układu wylotowego danej komory reakcyjnej dla zmniejszenia ciśnienia, i prowadzi się co najmniej 50% hydrotermalne odwadnianie zawiesiny węgla w warunkach zmniejszającego się ciśnienia podczas etapu unoszenia, przy czym spadek ciśnienia jest większy niż ciśnienie nasycenia zawiesiny węgla powoduje odwadnianie zawiesiny węgla.

Korzystnie taki sposób obejmuje etap, w którym utrzymuje się ukierunkowany w górę przepływ zawiesiny węgla w co najmniej jednej rurze wylotowej podczas hydrotermalnego odwadniania węgla, korzystniej szybkość zawiesiny węgla kontroluje się przez ciśnienie pompy.

Korzystnie w zastrzeganym sposobie szybkość zawiesiny węgla jest w zakresie od 0,5 metra na sekundę do 3 metrów na sekundę, a korzystniej szybkość wynosi około 1 metr na sekundę.

Korzystnie w sposobie według wynalazku wytwarzanie ciepła reakcji i temperaturę w strefie reakcyjnej kontroluje się doborem stężenia węgla w zawiesinie.

Korzystnie stężenie węgla po wydobyciu w zawiesinie wynosi około 50% wagowych.

Korzystnie, jako węgiel stosuje się węgiel brunatny.

Dalszym przedmiotem wynalazku jest sposób prowadzenia dwóch procesów w warunkach podwyższonego ciśnienia obejmujący etapy, w których:

wprowadza się materiał do obróbki w pierwszym procesie do pierwszej komory reakcyjnej umieszczonej pod ziemią i utworzonej przez skierowany w dół układ wlotowy połączony ze strefą reakcyjną, a ta strefa reakcyjna jest połączona z biegnącym ku górze układem wylotowym, wprowadza się dalszy materiał do obróbki w drugim procesie do drugiej komory reakcyjnej umieszczonej pod ziemią i utworzonej przez skierowany w dół układ wlotowy połączony ze strefą reakcyjną, a ta strefa reakcyjna jest połączona z biegnącym ku górze układem wylotowym, inicjuje się pierwszy i drugi proces, prowadzi się pierwszy i drugi proces tak, że obróbka materiału w pierwszym reaktorze i obróbka dalszego materiału w drugim reaktorze generuje różne ilości ciepła, ciepło przenosi się między komorami reakcyjnymi, przy czym jednym z procesów jest sposób hydrotermalnego odwadniania węgla jak określony powyżej.

Korzystnie, jako drugi proces prowadzi się upłynnianie węgla, korzystniej węgiel który poddaje się hydrotermalnemu odwadnianiu w jednym z procesów poddaje się upłynnianiu w drugim procesie.

Jeśli z kontekstu wyraźnie nie wynika inaczej, w dalszej części opisu i zastrzeżeniach patentowych, określenia typu „zawierający i podobne, odnoszą się wyłącznie do sytuacji przeciwnej niż „wyłącznie lub „całkowicie, to jest mają sens „obejmujący, lecz nie ograniczony do.

Urządzenie do obróbki materiału, zawiera co najmniej jedną komorę reakcyjną umieszczoną pod powierzchnią ziemi, każda ma strefę reakcyjną, w której materiał jest obrabiany dla uzyskania materiału wejściowego przez który surowiec podaje się do strefy reakcyjnej, co najmniej jedna z co najmniej jednej komory reakcyjnej sięga poniżej powierzchni na głębokość wystarczającą do wytworzenia ciśnienia pochodzącego od słupa cieczy w komorze reakcyjne do obróbki materiału w układzie wlotowym i/lub wylotowym, przy czym układ wlotowy ma co najmniej dwie rury którymi obrabiany materiał zasila strefę reakcyjną.

Układ wlotowy co najmniej jednej z co najmniej jednej komory reakcyjnej ma układ wlotowy zbudowany z 50 do 200 rur.

Co najmniej dwie komory reakcyjne umieszczone są pod powierzchnią ziemi, każda sięga poniżej powierzchni na głębokość wystarczającą do wytworzenia ciśnienia pochodzącego od słupa cieczy w odpowiednim układzie wlotowym i/lub wylotowym i co najmniej dwie z tych komór reakcyjnych są przystosowane do wymiany ciepła między sobą.

Układ wlotowy co najmniej dwóch z co najmniej dwóch komór reakcyjnych ma co najmniej dwie rury. Układ wlotowy co najmniej dwóch z co najmniej dwóch komór reakcyjnych ma układ wlotowy zbudowany z 50 do 200 rur, korzystniej z ponad 100 rur.

PL 212 666 B1

Układy wlotowy i wylotowy znajdują się w usytuowanych pod ziemią, skierowanych w dół, korytarzach i co najmniej jedna komora reakcyjna tworzy przedłużoną konfigurację w kształcie litery U.

Układy wlotowy i wylotowy znajdują się w usytuowanych pod ziemią, skierowanych w dół, korytarzach i jedna z komór reakcyjnych znajduje się wewnątrz co najmniej jednej innej komory reakcyjnej.

Układy wlotowy i wylotowy znajdują się w usytuowanych pod ziemią, skierowanych w dół, korytarzach a ponadto urządzenie posiada co najmniej jeden podziemny kanał łączący do transportu płynu z układu wylotowego jednej komory reakcyjnej do uk ładu wlotowego innej komory reakcyjnej.

Co najmniej dwie komory reakcyjne znajdują się w sąsiedztwie umożliwiającym wymianę ciepła między sobą. Urządzenie zawiera sekcję przewodzącej ciepło ścianki wspólnej dla co najmniej dwóch komór reakcyjnych do wymiany ciepła. Co najmniej dwie komory reakcyjne są przystosowane do wymiany ciepła pomiędzy sobą poprzez urządzenia do wymiany ciepła. Urządzenia do wymiany ciepła zawierają ciecz umieszczoną w układzie cyrkulacyjnym, gdzie ciecz cyrkuluje do miejsca kontaktu podczas wymiany ciepła w obrębie co najmniej dwóch komór reakcyjnych.

Co najmniej jedna z co najmniej jednej komory reakcyjnej sięga co najmniej 650 metrów poniżej powierzchni ziemi. Co najmniej jedna z co najmniej dwóch komór reakcyjnych sięga co najmniej 100 metrów, a korzystniej sięga co najmniej 500 metrów poniżej powierzchni ziemi.

Każda z co najmniej dwóch rur układu wlotowego w co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych jest zbudowana z ciągłych rur.

Co najmniej jedna ciągła rura jest zbudowana z wzajemnie połączonych metalowych elementów rurowych.

Co najmniej jedna z co najmniej dwóch rur układu wlotowego co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych ma co najmniej część ścian zewnętrznych utworzonych przez skały.

Każda z co najmniej dwóch rur układu wlotowego co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych ma średnicę w zakresie 25 mm do 75 mm, korzystniej ta średnica wynosi około 50 mm.

Układ wlotowy łączy odpowiednią strefę reakcyjną z powierzchnią ziemi.

Układ wylotowy co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych ma postać ciągłej rury wylotowej, korzystniej zbudowany jest z wzajemnie połączonych elementów rury.

Układ wylotowy co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych ma co najmniej część ścian zewnętrznych stanowiących skały. Układ wylotowy łączy odpowiednią strefę reakcyjną z powierzchnią ziemi. Układ wlotowy co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych zawiera co najmniej jeden kolektor gazu. Układ wylotowy co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych zawiera zawór dławiący do sterowania ciśnieniem wstecznym potraktowanej substancji.

Układ wlotowy i wylotowy każdej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych zbudowane są w odwiercie skierowanym w dół. Odwiert jest zasadniczo pionowy.

Urządzenie zawiera szyb rewizyjny, który umożliwia dostęp do co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych poniżej powierzchni ziemi.

Zastrzegany sposób polega na tym, że dostarcza się zawiesinę węgla poprzez co najmniej dwie rury zasilające układu wlotowego podziemnej komory reakcyjnej do strefy reakcyjnej komory reakcyjnej na głębokość wystarczającą do wytworzenia ciśnienia pochodzącego od słupa cieczy, unosi się zawiesinę węgla ze strefy reakcyjnej przez co najmniej jedną rurę wylotową układu wylotowego komory reakcyjnej do zmniejszenia ciśnienia i inicjuje się hydrotermalne odwadnianie zawiesiny węgla tak, aby hydrotermalne odwadnianie zachodziło w warunkach zmniejszającego się ciśnienia podczas etapu unoszenia, przy czym spadek ciśnienia większy niż ciśnienie nasycenia zawiesiny węgla powoduje rozpoczęcie procesu odwadniania zawiesiny węgla.

Utrzymuje się ukierunkowany w górę przepływ zawiesiny węgla w co najmniej jednej rurze wylotowej zasadniczo w trakcie hydrotermalnego odwadniania węgla.

Szybkość zawiesiny węgla kontroluje się przez ciśnienie pompy. Szybkość zawiesiny węgla jest w zakresie od 0,5 metra na sekundę do 3 metrów na sekundę, korzystniej szybkość wynosi około 1 metr na sekundę .

Stosuje się stężenie węgla w zawiesinie wybrane w celu sterowania wytwarzaniem ciepła reakcji i tym samym sterowania temperaturą w strefie reakcyjnej.

Stężenie węgla po wydobyciu w zawiesinie wynosi pomiędzy 40% wagowych i 65% wagowych, korzystniej wynosi około 50% wagowych.

Korzystnie jako węgiel stosuje się węgiel brunatny.

Zastrzegany sposób prowadzenia dwóch procesów w warunkach podwyższonego ciśnienia, polega na tym, że wprowadza i traktuje się substancję dla pierwszego procesu i wprowadza do pierwszej

PL 212 666 B1 komory reakcyjnej umieszczonej pod ziemią i utworzonej przez skierowany w dół układ wlotowy połączony ze strefą reakcyjną, a strefa reakcyjna jest połączona z biegnącym ku górze układem wylotowym, wprowadza i traktuje się następną substancję dla drugiego procesu i wprowadza do drugiej komory reakcyjnej umieszczonej pod ziemią i utworzonej przez skierowany w dół układ wlotowy połączony ze strefą reakcyjną, a strefa reakcyjna jest połączona z biegnącym ku górze układem wylotowym, inicjuje się pierwszy i drugi proces i prowadzi się pierwszy i drugi proces tak, że różne ilości ciepła są generowane w pierwszym i drugim reaktorze i przenosi się ciepło pomiędzy komorami reakcyjnymi, a jednym spośród procesów jest sposób hydrotermalnego odwadniania węgla.

Korzystnie jako drugi proces prowadzi się upłynnianie węgla. Korzystnie węgiel, który poddaje się hydrotermalnemu odwadnianiu w jednym z procesów poddaje się upłynnianiu w innym procesie.

Zbiornik reakcyjny lub komora reakcyjna obejmuje jeden lub więcej odwiertów stosowanych do prowadzenia co najmniej części procesu pod ziemią. Oznacza to, że obrabiany płyn lub zawiesinę przepompowuje się pod ziemią na głębokość wystarczającą do wytworzenia odpowiedniego ciśnienia, pod jakim prowadzi się żądany proces. Konstrukcja odwiertu i instalacji pod ziemią jest taka, aby większą część (>50%) ciśnienia generować przez siły hydrostatyczne. Następną opcją jest uzyskanie wymiany ciepła między płynem/-i wprowadzanym/-i i odprowadzanym/-i, pomiędzy płynami i strumieniami operacyjnymi służącymi do ogrzewania lub oziębiania, a materiałem gruntu, w którym wykonano odwiert/-y. Taką wymianę ciepła można wykorzystać do odzyskania energii, ogrzewania lub oziębiania, albo dla pozyskiwania energii cieplnej z otoczenia.

W najprostszej formie, zbiornik moż e znajdować się w pojedynczym odwiercie ze współśrodkowo zainstalowanymi rurami. Rurę wewnętrzną można stosować do transportu płynu w dół, do podstawy odwiertu, a zewnętrzny pierścień stosuje się do transportu płynu z powrotem. Ponieważ dwa płyny oddziela wspólna ścianka, uzyskuje się wymianę ciepła między mieszaniną zasilającą, poddawaną działaniu ciśnienia podczas przepływu do strefy wysokiego ciśnienia przy dnie odwiertu a płynem wracającym na powierzchnię po obróbce w strefie wysokiego ciśnienia. Taką wymianę ciepła można zastosować w większości procesów. Orurowanie wewnętrzne składa się z dwóch lub więcej rur służących do dostarczania materiału. Dwie lub więcej rur zapewniają zwiększoną powierzchnię kontaktu przy przenoszeniu ciepła z materiału odprowadzanego do materiału wprowadzanego, zapewniając zwiększoną skuteczność przenoszenia ciepła. Dwie lub więcej rur można połączyć ze sobą, lub alternatywnie można ich nie łączyć. Czasem proces wymaga ogrzewania lub chłodzenia w strefie wysokiego ciśnienia. Ciepło można dostarczać na wiele sposobów, jak przez energię elektryczną, chemicznie, stosując pośredni sposób przenoszenia ciepła z np. pary wodnej, albo bezpośrednie przenoszenie ciepła z pary, lub innego płynu.

Procesy lub reakcje chemiczne można prowadzić w strefie wysokiego ciśnienia. Ponadto, może istnieć potrzeba dodawania do strefy wysokiego ciśnienia innych reagentów dla osiągnięcia żądanych warunków reakcji. Takie reagenty mogą obejmować tlen, wodór, lub podobne. Odmianą sposobu jest wtryskiwanie reagentów gazowych na głębokość poniżej powierzchni, na której panuje ustabilizowane wystarczające ciśnienie w taki sposób aby wymiar pęcherzyków gazu, po wtryśnięciu do płynu, był dostatecznie mały, by mogły one być porywane w dół, na większe głębokości przez przemieszczający się szybko płyn. Dzięki temu oszczędza się na sprężaniu gazu do końcowego wysokiego ciśnienia wymaganego w strefie reakcyjnej, co pomaga zaoszczędzić na kosztownych urządzeniach do sprężania gazu.

W bardziej skomplikowanych instalacjach można stosować pewną liczbę odwiertów i jaskiń podziemnych, lub zbiorników ciśnieniowych, dla prowadzenia skomplikowanych operacji przetwarzania/obróbki. Kluczową cechą takich instalacji jest to, że wykorzystuje się grawitację dla uzyskania znacznej części wymaganego sprężenia. Ponadto, można uzyskać efekt odzysku ciśnienia podczas zawracania substancji w kierunku do powierzchni.

W praktyce budowa instalacji pod ziemią obejmuje zarówno wiercenie szybów, i co najmniej na części długości, wykorzystanie układu macierzystych skał jako „zbiornika. Inne opcje obejmują wykładanie ścian otworu cienkościenną rurą która ulega deformacji hydraulicznej, dla dopasowania w zasadzie do oryginalnej średnicy otworu, dzięki siłom słupa cieczy, i instalowanie grubościennej rury w powierzchniach gdzie skały macierzyste nie są odpowiednie, i galwanizowanie metalowych wkładek w wierconych skałach. Należy przyjąć, że podziemna instalacja do obróbki może składać się z pewnej liczby połączonych ze sobą jam i rur z rozszerzonymi sekcjami jako zbiornikami, sekcjami wymienników ciepła i innymi funkcjonalnymi formami przestrzennymi. Możliwe jest, że urządzenia są dostępne nie tylko z powierzchni. Na przykład, może być korzystne zbudowanie instalacji pod ziemią w sąsiedzPL 212 666 B1 twie dostępnych tuneli kopalni, lub centralnego odwiertu obsługowego, dla umożliwienia zaopatrywania, dostarczania wyspecjalizowanego wyposażenia lub aparatury do wybranych części instalacji. W szczególnym przypadku, gł ówny zbiornik ciś nieniowy, który stosuje się na powierzchni, umieszcza się pod ziemią, a orurowanie z powierzchni w dół i z powrotem do góry stosuje się głównie w celu osiągnięcia zwiększonego ciśnienia i ewentualnie wymiany ciepła. Zatem środowisko pod ziemią wspomaga rozwiązanie trudności pompowania i potencjalne efekty odzysku ciepła. Urządzenie do przetwarzania uruchamia się już na etapie co najmniej częściowego przetwarzania, z uwagi na korzyści w kosztach inwestycyjnych.

Dla ułatwienia prowadzenia reakcji można dodawać dodatkowe składniki do płynnej mieszaniny zasilającej. Przykładem jest dodawanie katalizatora, dla wspomagania żądanej reakcji.

Sposób fizycznej i/lub chemicznej przemiany substancji/materiału obejmuje dostarczanie substancji/materiału do wstępnie określonego miejsca pod ziemią, gdzie wytwarza się pożądane ciśnienie i/lub ogrzewanie, utrzymanie substancji/materiału w tym miejscu przez okres wystarczający do zajścia fizycznej i/lub chemicznej zmiany substancji/materiału, i odzyskiwanie obrobionej substancji/materiału z tego miejsca.

Stosowane ciśnienie i ogrzewanie może niekoniecznie wynikać z miejsca /położenia/ pod ziemią. Można stosować pewne „sztuczne zwiększenie „naturalnego ciśnienia i/lub ogrzewania. Na przykład, ciśnienie stosowane do obróbki materiału może być kombinacją ciśnienia hydrostatycznego wynikającego z wysokości słupa materiału wejściowego lub odprowadzanego ze zbiornika, ciśnienia powietrza/górotworu w tym położeniu, oraz dowolnego dodatkowego „sztucznego zwiększenia, lub obniżenia, ciśnienia.

Sposób według wynalazku wykorzystuje się do hydrotermalnego odwadniania węgla w podziemnym reaktorze zawierającym jedną lub więcej rur zasilających połączonych z komorą reakcyjną, która z kolei łączy się z jedną lub więcej rurą wylotową. W takim rozwiązaniu dostarcza się zawiesinę węgla przez rurę/-y zasilające do strefy reakcyjnej i inicjuje się proces hydrotermalnego odwadniania. Proces hydrotermalnego odwadniania zachodzi głównie w warunkach zmniejszającego się ciśnienia, w miarę jak substancja przechodzi w górę w jednej lub więcej rurze wylotowej.

Jako węgiel stosuje się węgiel brunatny. W zasadzie w tym przypadku może to oznaczać, że co najmniej 50% reakcji zachodzi w warunkach zmniejszającego się ciśnienia. Sposób może obejmować etap sterowania szybkością dopływu materiału między 0,5 do 3,0 m/s, i około 1 m/s.

Sposób może obejmować zmiany stężenia węgla w zawiesinie między 40% a 65% wagowych węgla po wydobyciu. Korzystnie, procentowa zawartość węgla wynosi około 50% wagowych.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematyczny przekrój układu podziemnego reaktora, fig. 2 przedstawia schematyczny przekrój dwóch podziemnych reaktorów zbudowanych we współpracujący układ, fig. 3 przedstawia schematyczny przekrój dwóch podziemnych reaktorów i przyłączonego urządzenia do obróbki węgla, fig. 4 przedstawia schematyczny przekrój dwóch podziemnych reaktorów i wzajemnie połączonego układu przenoszenia ciepła, fig. 5 przedstawia widok z góry układu podziemnych reaktorów.

Dla lepszego objaśnienia, poniżej szczegółowo omówiono przykład technologii hydrotermalnego odwadniania w zbiorniku reakcyjnym, lub komorze reakcyjnej, węgla brunatnego, w odniesieniu do fig. 1. Tego procesu nie stosuje się szeroko, ponieważ wiadomo, że są trudności w prowadzeniu tej operacji w urządzeniach instalowanych na powierzchni - szczególnie przy utrzymywaniu zwiększonego ciśnienia zasilającego i odprowadzania produktu. Ten sposób ujawniono w wygasłym patencie australijskim nr 430626, gdzie opisano charakterystykę węgla brunatnego (i innych substancji organicznych), a po przyłożeniu ciśnienia i temperatury, charakterystyka substancji węgla zmieniła się. Węgiel zmienia się fizycznie/chemicznie a wodę odpędza się z węgla bez potrzeby odparowywania.

Pewne typy węgla brunatnego mogą zawierać aż do 70% wagowych wody. Węgiel brunatny obejmuje węgiel podbitumiczny, lignit i niezestalony węgiel brunatny. W wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem, i w obecności wody, węgiel traci znaczącą część niezwiązanej wody i ulega zmianom, które zapobiegają całkowitemu wchłanianiu zwrotnemu wody. W takim procesie można też wytwarzać CO2. Obróbkę cieplną można prowadzić w dowolnym odpowiednim zakresie, a korzystnie powyżej 200°C.

Najpierw trzeba zawiesić węgiel brunatny dostarczany przez przenośnik 10 w wodzie 11, która może być recyrkulowana w procesie, a następnie poddać działaniu ciśnienia i ogrzać zawiesinę do temperatury około 250°C, lub wyższej, dla wywołania nieodwracalnych zmian węgla. Aby uniknąć odparowywania wody, trzeba utrzymywać ciśnienie powyżej ciśnienia par wody w danej temperaturze.

PL 212 666 B1

We wszystkich miejscach w reaktorze, w trakcie przepływu substancji, wraz ze wzrostem jej temperatury, może zwiększać się także ciśnienie. W tym przypadku, osiągane końcowe ciśnienie powinno wynosić co najmniej 40x10⁵ Pa (40 barów) w 250°C, i odpowiednio więcej dla wyższej temperatury. W cytowanym patencie ujawniono stosowanie skomplikowanego mechanicznie i pod względem działania układu ze słabym odzyskiem ciepła, zawierającego zwiększającą ciśnienie wytłaczarkę śrubową, autoklaw wysokociśnieniowy i urządzenie odbierające, także zbudowane na bazie śruby. Układ opisano jako kompromisowy między kosztem wyposażenia (w tym pod względem bezpieczeństwa) a potrzebą działania w wyższej temperaturze (a zatem i ciśnieniu) dla przyspieszenia kinetyki reakcji.

Gdy taką samą reakcję prowadzi się według niniejszego wynalazku, to bezpiecznie i dogodnie stosuje się wyższą temperaturę. Dla celów tego przykładu, wybrano temperaturę 280°C. Wiadomo, że w takich warunkach hydrotermalne odwadnianie zachodzi bardzo szybko. Aby zapobiec odparowaniu wody, ciśnienie powinno wynosić co najmniej 65 barów, gdy temperatura zbliża się do 250°C. Taką wartość osiąga się prowadząc proces według niniejszego wynalazku w układzie orurowania tworzącym reaktor, lub zbiornik reakcyjny 12, który sięga co najmniej 650 m w dół poniżej powierzchni ziemi 13. Należy zwrócić uwagę, że jest pewna elastyczność obejmująca zmniejszenie głębokości zanurzenia przez wytworzenie ciśnienia wstecznego i/lub podwyższenie orurowania wylotowego na powierzchni.

Jeśli uwzględni się spadek ciśnienia z powodu tarcia i zwiększoną gęstość zawiesiny węgiel/woda, to we wszystkich miejscach płyn znajduje się w warunkach powyżej jego ciśnienia nasycenia, na całej drodze od umieszczonych na powierzchni urządzeń do zawieszania, poprzez wirową pompę zasilającą, podziemny reaktor, z powrotem na powierzchnię i poprzez układ odbioru produktu.

Rury do prowadzenia procesu obejmują dwie względnie cienkościenne rury zainstalowane współśrodkowo. Mieszanina w postaci zawiesiny przepływa w dół do dna odwiertu przez wewnętrzną rurę 14 i z powrotem poprzez pierścień 15. Jeśli jest to wymagane dla rozpoczęcia reakcji i dla utrzymania warunków pracy, stosuje się ogrzewanie. Można wykorzystać podgrzewacz elektryczny w pobliżu najniższego miejsca, gdzie zachodzi proces lub dowolne inne środki (tj. oddzielny obieg gorącego oleju, lub ciekłego metalu 16). Należy zwrócić uwagę, że termalne odwadnianie węgla brunatnego jest niezwykłe z tego względu, że zachodząca reakcja jest słabo egzotermiczna i zachodzi z uwalnianiem pewnej ilości ditlenku węgla 17. Przy właściwym zaprojektowaniu, powinno być możliwe uzyskanie reakcji samopodtrzymującej dzięki pozyskaniu większości (jeśli nie całości) wymaganego ciepła z ciepł a uwalnianego z procesu. Moż na stosować wiele rur o mniejszej ś rednicy wewnę trznej dla zwiększenia powierzchni przenoszenia ciepła, a poza tym można stosować zewnętrzne urządzenia do przenoszenia ciepła, jeśli to jest wymagane.

Zawiesinę dostarcza się do wewnętrznej rury 14, stosując pompę 18. Gdy zawiesina przemieszcza się w dół rury 14, następuje przenoszenie ciepła przez ściankę rury, która może być wykonana z dowolnego odpowiedniego materiału przewodzącego o odpowiedniej wytrzymałości. Korzystnie ścianka jest metalowa. Zawiesina przemieszcza się w dół przy zwiększającym się ciśnieniu do strefy reakcyjnej 19, gdzie osiąga temperaturę i ciśnienie odpowiednie dla żądanego procesu. Strefa reakcyjna 19 i zbiornik reakcyjny 12 mogą być oparte na fundamencie betonowym 20, chociaż nie jest to istotne. Strefa reakcyjna może obejmować sekcje rury wewnętrznej i/lub pierścienia 15, ponieważ inicjowanie można uzyskać podczas przemieszczania się substancji w dół i odbierania ciepła. Także, reakcja może zachodzić w najniższej sekcji strefy reakcyjnej i co najmniej częściowo podczas przechodzenia w górę układu wylotowego w postaci pierścienia 15.

Ciepło skutecznie uzupełnia się gorącym olejem dostarczanym z układu ogrzewania 16, przez rury 21 do wymiennika ciepła 22. Następnie, obrobiona substancja przepływa w górę pierścienia 15, umożliwiając przenoszenie ciepła z powrotem do substancji wprowadzanej rurą 14.

Obrobioną substancję dostarcza się do rozdzielacza 23, co ułatwia odbieranie ditlenku węgla 17. Obrobioną zawiesinę dostarcza się na przenośnik 24, który zbudowano tak, aby umożliwiać odprowadzanie nadmiaru wody na powierzchnię zbierającą 25, i późniejsze zbieranie jej w zbiorniku 26. Pewną część wody zawraca się przez linię 27, a nadmiar wody przetłacza się do układu do obrabiania 28, przed jej usunięciem. Węgiel po procesie 29 transportuje się według potrzeb.

Powyższy proces może być szczególnie korzystny gdyż, przy odpowiednim doborze warunków, pozwala na uzyskanie z węgla brunatnego wysokiej jakości substancji, o małej porowatości. Korzystna temperatura jest w zakresie 250-350°C, najkorzystniej około 320°C. Czas obróbki może wynosić 5 minut, lub więcej. W pewnych warunkach czas obróbki może być nawet krótszy. Korzystnie reaktor jest zbudowany tak, aby ogrzewanie powyżej 250°C miało miejsce w strefie zmniejszonego ciśnienia. Najczęściej jest to w rurze wylotowej gdzie zmniejszenie ciśnienia wynika z podnoszenia się substanPL 212 666 B1 cji w reaktorze. Sterowanie lokalizacją reakcji tak aby cząstki węgla, które przesuwają się przez strefę reakcyjną, przechodziły przez nią w warunkach zmniejszonego ciśnienia statycznego może prowadzić do bardziej gęstego, suchego produktu o obniżonej porowatości wewnątrzcząstkowej. Korzystna szybkość dla substancji wynosi około 1 m/s w przepływie skierowanym w dół i w górę. Jedną z zalet takiej szybkości jest to, że spadek ciśnienia z powodu tarcia jest względnie łatwy do pokonania dla typowych pomp wirowych, chociaż korzystne może być stosowanie kilku pomp połączonych szeregowo. Korzystny zakres szybkości to 0,5-3 m/s. Następny aspekt sterowania procesem dotyczy wydajności przy zmieniającym się stężeniu węgla w zawiesinie. Przy zmniejszeniu stężenia, może zmniejszyć się wzrost temperatury w zawiesinie. To wymaga stosowania środków regulacji warunków termicznych w strefie reakcyjnej. Stosując układy według wynalazku unika się wysokich kosztów i dużego zużycia energii w układach budowanych na powierzchni, ponieważ na ogół układy według wynalazku zapewniają zdolność do działania w stały kontrolowany i efektywny pod względem kosztów i zuż ycia energii sposób.

Na fig. 2 pokazano schematycznie dwa połączone reaktory oznaczone ogólnie numerem 30. Zawiesina węgla 31, dostarczana do układu wlotowego zbudowanego z rur wlotowych 32, opada grawitacyjnie i dzięki pompowaniu w kierunku strefy reakcyjnej 33. Chociaż na tym rysunku schematycznym pokazano dwie rury wlotowe, należy przyjąć, że skuteczne przenoszenie ciepła można najlepiej uzyskać z układu rur w ilości aż od 100 do 200, lub dowolnej innej odpowiedniej ich liczby. Liczba rur będzie się zmieniać w zależności od wymaganej ilości ciepła i można ją obliczyć stosując równania wymiany ciepła. Na przykład, jeśli stosuje się rury o większej średnicy, to rura wlotowa może sięgać głębiej, co daje większą możliwość przenoszenia ciepła. Operator może wybrać jako opcję uruchomienie pompy dla zwiększenia ciśnienia ze słupa cieczy w rurach 32, w celu zwiększenia działania ciśnienia przyłożonego na wlocie. Reakcja dekarboksylowania, która zachodzi podczas hydrotermalnego odwadniania, jest egzotermiczna z wydajnością wystarczającą do wytworzenia co najmniej części, a potencjalnie całego wzrostu temperatury wymaganego przy podstawie reaktora. Może być konieczne dostarczenie ciepła startowego i wspomaganie ciepła powstającego podczas działania. Stosowanie odpowiednich urządzeń lub układów dostarczania ciepła jest dobrze znane fachowcom. Następnie obrobiona zawiesina węgla wypływa przez układ wylotowy w postaci rury, lub komory wylotowej 34, skąd odbiera się hydrotermalnie odwodniony węgiel w zawiesinie 35, którą można jeszcze obrabiać podczas odzyskiwania. Rura zewnętrzna 34, w przekroju poprzecznym, może być w postaci dwóch oddzielnych współśrodkowych okręgów, przy czym najbardziej wewnętrzny jest umieszczony wokół centralnego odwiertu serwisowego 41.

Druga komora reakcyjna lub zbiornik 36 powstaje z drugiej rury wlotowej 37, drugiej strefy reakcyjnej 38 i drugiej rury wylotowej 39.

Druga komora reakcyjna jest usytuowana tak, aby zapewnić przenoszenie ciepła między zawartością strefy reakcyjnej 38 pierwszego zbiornika reakcyjnego, lub reaktora, a zawartością drugiego zbiornika reakcyjnego, lub reaktora. Oczywiście przenoszenie ciepła może także występować podczas przechodzenia substancji w dół, drugą rurą wlotową 37. Można także stosować pomocnicze źródło ciepła 40, dla dostarczania ciepła do pierwszej komory reakcyjnej i/lub do drugiej komory reakcyjnej. W korzystnym sposobie, w drugiej komorze reakcyjnej 36 zachodzi upłynnianie węgla z użyciem wodoru. W tym procesie z węgla powstają substancje takie jak benzyna i lekki olej, w wyniku rozkładu węgla, korzystnie w obecności wodoru pod wysokim ciśnieniem i w umiarkowanych temperaturach (które mogą wynosić około 350°C do 470°C), a tym samym powstaje olej, który jest mieszaniną węglowodorów aromatycznych i alifatycznych o małej masie cząsteczkowej. Reaktywność upłynniania węgla silnie zależy od typu węgla. Wydajność wytwarzania oleju i innych produktów zmienia się wraz ze zmianą składu węgla.

W rozwią zaniu wedł ug wynalazku w egzotermicznej reakcji hydrotermalnego odwadniania wę gla powstaje ciepło, które może być niewystarczające do całkowitego napędzania procesu. Zatem można odbierać ciepło z procesu egzotermicznego upłynniania węgla, uzyskując w zasadzie zamknięty, samopodtrzymujący układ a jednocześnie prowadzić dwa, niezależne procesy. Kombinacja hydrotermalnego odwadniania węgla i upłynniania węgla umożliwia efektywną współpracę, przez wzajemne oddziaływanie dwóch pracujących reaktorów, prowadząc do korzystnego rezultatu. Stosowanie współpracujących podziemnych reaktorów umożliwia bezpieczne wytwarzanie wysokiego ciśnienia, jak również termicznie efektywne wykorzystanie ciepła. Długie drogi przepływu zapewniają, że w układzie reaktora następuje głównie przepływ tłokowy.

PL 212 666 B1

Na fig. 2 pokazano także centralny odwiert serwisowy 41, który ułatwia zbudowanie i eksploatację reaktorów. Taki układ może ułatwić dostarczanie materiałów eksploatacyjnych i dostęp do kontroli wyposażenia.

Na fig. 3 przedstawiono schematycznie alternatywny układ współpracujących reaktorów, gdzie pierwszy reaktor 43 tworzy względnie wąska rura wlotowa 44, zasilająca przez najniższy otwór 45, strefę reakcyjną 46. Wprowadzona substancja przepływa przez strefę reakcyjną 46 przed wypłynięciem do góry przez pierścień, lub komorę wylotową, 47.

Oczywiście drugi reaktor może mieć dowolny odpowiedni kształt, a kilka reaktorów może znajdować się wewnątrz zamkniętej przestrzeni pierwszego reaktora.

Podczas działania węgiel pobiera się z hałdy 49, stosując dowolne odpowiednie urządzenie mechaniczne 50, i przenosi do zbiornika 51, dla zmieszania z wodą, z wytworzeniem zawiesiny. Pompy 53 przenoszą zawiesinę do rury wlotowej 44, przetłaczając ją przez pierwszy reaktor. Obrobioną substancję w postaci hydrotermalnie odwodnionego węgla w zawiesinie odbiera się z reaktora i przenosi do dekantera 54, gdzie oddziela się obrobiony węgiel od wody. Nadmiar wody zbiera się w zbiorniku na ścieki 55, i zawraca do zbiornika 51, i/lub odprowadza do ścieków 56.

Obrobiony węgiel z dekantera 54 dostarcza się na przenośnik 57, zasilający suszarnię fluidalną 58. Następnie osuszony węgiel można używać do dowolnego odpowiedniego celu.

W układzie według wynalazku, suchy węgiel transportuje się do zbiornika odbierają cego 59, gdzie poddaje się go obróbce przez upłynnianie z użyciem wodoru. Naturalny gaz 60, można dostarczać do instalacji wodoru 61, dla wytworzenia gazowego wodoru, który stosuje się w reaktorze do uwodorniania 63 dla uwodorniania części wytworzonego oleju, dla otrzymania substancji odpowiedniej do używania jako rozpuszczalnik dostarczający wodór. Rozpuszczalnik dostarczający wodór przenosi się do zbiornika odbierającego 59, dla zmieszania z obrobionym węglem, z wytworzeniem zawiesiny. Pompa 64 przenosi zawiesinę do drugiego reaktora 48, gdzie mieszaninę poddaje się następnie działaniu zwiększonego ciśnienia, ogrzewaniu wstępnemu i upłynnianiu podczas przejścia przez reaktor. Obrobiony węgiel z drugiego reaktora przenosi się linią 65 do drugiego dekantera 66, gdzie oddziela się składniki ciekłe od stałych. Oddziela się nadmiar oleju i zbiera w dodatkowym zbiorniku 67, a następnie pompuje go pompą 68 do układu zawracania, i jako wyprodukowany olej 74. Stałe składniki z dekantera 66 przemywa się odpowiednim rozpuszczalnikiem na etapie mycia 69. Przemyte stał e składniki osusza się w urządzeniu 70 i transportuje jako węgiel opałowy, np. do elektrowni 71.

Ciecze myjące dostarcza się do jednostki rozdzielającej 73, gdzie oddziela się olej 74 (np. przez oddestylację) i przechowuje do użycia, a recyrkulowany rozpuszczalnik zawraca się do etapu mycia 69. Ten układ jest dobrym przykładem układu reaktorów z dwoma procesami, który dostarcza ważne produkty o znacznej wartości w ekonomiczny, efektywny termicznie i bezpieczny sposób.

Na fig. 4 przedstawiono schematycznie dwa reaktory przystosowane do wymiany ciepła poprzez urządzenie do przenoszenia ciepła. Ponownie, działanie omówiono na przykładzie podwójnego procesu hydrotermalnego odwadniania i upłynniania węgla z zastosowaniem wodoru. Jednakże nie stanowi to ograniczenia stosowania współpracujących reaktorów do tych procesów.

Zawiesinę węgla dostarcza się do otworu wlotowego 76 pierwszego reaktora 75, a potem do wielu opadających rur wlotowych 77, dobranych tak aby otrzymać żądaną wartość odzyskiwanego ciepła zapewniając, że we wszystkich miejscach ciśnienia przekraczają ciśnienia par płynu. Zawiesina opada w postaci słupa cieczy w dół, rurami 77, zapewniając ciśnienie hydrostatyczne dla procesu, i ogrzewa się przez przewodzące ciepło ś cianki, jak z metalu, od wznoszącej się obrobionej substancji w rurze wylotowej 78, która obejmuje rury wlotowe 77. Rury mogą oczywiście mieć dowolny odpowiedni kształt uwzględniający zmiany w skałach i profilu gleby. W jednym rozwiązaniu, zewnętrzna ścianka jednego lub więcej reaktora może być utworzona przez nieprzepuszczalne skały, lub skały potraktowane uszczelniaczem. Strzałki w dół 79, pokazują wypływ substancji przed reakcją. Strzałki w górę 80, ogólnie pokazują przepł yw obrobionej substancji podczas jej przechodzenia przez strefę reakcyjną 81. Strefa reakcyjna nie jest specyficznie określonym obszarem i jest terminem stosowanym ogólnie do określenia tej strefy gdzie zostają osiągnięte warunki inicjowania procesu. Może ona obejmować części rur wlotowych i wylotowych. Ciśnienie zwiększa się dla zapewnienia przekroczenia ciśnienia par wody, co zapobiega odparowywaniu. Faktyczne ciśnienie może nawet wielokrotnie przekraczać ciśnienie par. Takie ciśnienia można uzyskać po prostu zwiększając głębokość reaktora, a zatem wydł u ż ają c sł up cieczy.

W procesach wytwarzania gazu, jeden lub więcej kolektor 82 można umieścić w rurze wylotowej 78, dla zbierania gazu i kierowania go przez linię odbiorczą 83. Kolektory można umieszczać w grupach,

PL 212 666 B1 na różnych głębokościach w reaktorze. W omawianej reakcji może powstawać ditlenek węgla, który należy odbierać. Korzystne jest instalowanie serii kolektorów umieszczonych w różnych miejscach, dla ułatwienia usuwania gazu, a tym samym unikania barbotażu w miarę zmniejszania się ciśnienia, w otoczeniu silnie sprężonych pęcherzyków gazu. Także w aspekcie bezpieczeństwa, przewiduje się usuwanie bardzo czystego ditlenku węgla, który można wykorzystać w innych celach przemysłowych i handlowych. Także może być korzystne instalowanie jednego lub więcej zaworu dławiącego na układzie wylotowym. Ten zawór/-y można stosować w celu sterowania ciśnieniem w rurze wylotowej, a zatem takż e sterowania ciśnieniem w rurze wlotowej. Ukł ad kontroli ciśnienia moż na zainstalować w ukł adzie wylotowym i wlotowym. Jeś li w strefie reakcyjnej powstaje gaz, to zmniejsza się gę stość substancji w układzie wylotowym, co powoduje zmniejszenie ciśnienia hydrostatycznego w układzie wlotowym, a to może prowadzić do zwiększenia szybkości, ponieważ gęstsza substancja wlotowa wytwarza większe ciśnienie przepływu netto. Jeśli osiągnie się wstępnie ustaloną granicę ciśnienia w układzie wlotowym, to zawór/-y dławiący może zadziałać regulując szybkość odbierania, a tym samym utrzymując ciśnienie w układzie w korzystnych granicach. Jest to inny mechanizm sterowania procesem zachodzącym w układzie.

Obrobioną substancję odbiera się przez port wylotowy 84. Pokazany drugi reaktor 85, ma rurę wlotową 86 umieszczoną wewnątrz, w zewnętrznym pierścieniu tworzącym rurę wylotową 87. Suchy węgiel zawiesza się w płynie dostarczającym wodór i wprowadza do rury wlotowej 86. Upłynnianie z uż yciem wodoru jest reakcją egzotermiczną a wytworzone ciepło można odbierać i przenosić wykorzystując urządzenie do przenoszenia ciepła. Na fig. 4, pierwszy układ wymiany ciepła 88, znajduje się w drugim reaktorze, i jest umieszczony w odpowiednim po ł o żeniu.

Ciepło przenosi się do odpowiedniego płynu, jak ciekły sód lub olej przenoszący ciepło, który cyrkuluje w układzie zamkniętym, poprzez pompę 90. Płyn ze zmagazynowanym ciepłem wprowadza się przez wymiennik uwalniający ciepło 91, dla uzupełnienia ciepła wytwarzanego w strefie reakcyjnej 81.

Chociaż proces hydrotermalnego odwadniania jest sam egzotermiczny, to wymagania energetyczne przy znaczącej szybkości obróbki mogą nie być odpowiednio zaspokojone ciepłem generowanym w tej reakcji. Dostarczanie nadmiaru ciepła z innego procesu egzotermicznego może być dużą korzyścią w utrzymaniu skutecznego i wydajnego działania zespołu do obrabiania.

Produkty upłynniania węgla odbiera się z wylotu 92, drugiego reaktora 85, po odebraniu z rury wlotowej 86, poprzez dolny otwór 93, i przepływ w górę przez pierścień 87. Przenoszenie ciepła między substancją wpływającą a wypływającą może także być znaczną zaletą. Żądaną powierzchnię wymiany ciepła można uzyskać stosując wiele rur równoległych.

Na fig. 5 przedstawiono schematycznie widok z góry grupy reaktorów rozmieszczonych wokół centralnego szybu rewizyjnego 95. Pojedyncze reaktory są zbudowane według wymagań. Reaktor 96 jest przeznaczony do upłynniania węgla z użyciem wodoru. Nadmiar ciepła odprowadza się do reaktora 97, przeznaczonego do hydrotermalnego odwadniania, stosując mechanizm przenoszenia ciepła (nie pokazany). Połączony reaktor 98 także składa się z pierwszego i drugiego reaktora umieszczonych w zestawie. Następne reaktory 99, o takiej samej lub różnej budowie, są rozmieszczone wokół centralnego szybu 95. Dostęp poprzez boczne korytarze 100 (szczegółów nie pokazano), które tworzy się na dowolnej korzystnej głębokości poniżej powierzchni, zapewniają komunikację z centralnym szybem rewizyjnym 95.

Jedną z zalet niniejszego wynalazku jest to, że fizycznie niedopasowane reaktory można połączyć ze sobą w działający układ. To znaczy, można połączyć podziemny głęboki reaktor wysokociśnieniowy we współpracy z płytszym urządzeniem pracującym pod niższym ciśnieniem, przy czym przenoszenie ciepła między nimi pozwala na optymalizowanie wydajności obu procesów.

Chociaż tego nie pokazano, możliwe jest zmontowanie kompleksowego układu obróbki, gdzie kolejne etapy procesu prowadzi się we wzajemnie połączonych reaktorach. Można zbudować boczne kanały łączące, między rurą wylotową jednego reaktora a rurą wlotową następnego, kolejno połączonego reaktora. Takie kanały łączące można budować na odpowiedniej głębokości, dla utrzymywania substancji pod wymaganym lub korzystnym ciśnieniem.

Na przykład, wodór wytworzony pod ciśnieniem można dostarczać do innego reaktora a nie transportować na powierzchnię i próbować ponownie sprężyć, lub utrzymywać jego ciśnienie do późniejszego użycia. Sąsiadujące reaktory mogą być połączone kanałami komunikacyjnymi zbudowanymi na różnych głębokościach z układem sterowania umożliwiającym wybór jednego, lub więcej pożądanych kanałów podczas działania.

PL 212 666 B1

Układ reaktorowy pokazany na fig. 5 może być instalacją intensywnej obróbki do bezpiecznego prowadzenia reakcji pod wysokim ciśnieniem. Ponadto, współdziałanie reaktorów zapewnia sprawność termiczną. Oczywiście, podczas działania może współpracować więcej niż dwa reaktory.

Inne przykłady (w żaden sposób nieograniczające) procesów, w których można zastosować niniejszy wynalazek obejmują rozwiązania według poniższych opisów patentowych.

Patent US 5312462 dotyczy kaustycznego ługowania węgla na mokro. Węgiel zawiesza się w mieszaninie NaOH i KOH i ogrzewa pod ciś nieniem, dla zmniejszenia iloś ci popioł ów i siarki.

Patent US 5214015 dotyczy syntezy katalizatora do hydrokrakowania na bazie żelaza. Tlenek żelaza i siarkę poddaje się reakcji z cieczą dostarczającą wodór, w temperaturze 180-240°C.

Patent US 5369214 dotyczy sposobu selektywnego odszczepiania atomu fluorowca od fluorowcowanych związków poliaromatycznych. Fluorowcowane związki poliaromatyczne miesza się z rozpuszczalnikiem dostarczającym wodór i katalizatorem węglowym, i poddaje działaniu wysokiego ciśnienia i temperatury, uzyskując odszczepianie atomu fluorowca od związków.

Patent US 4695372 dotyczy kondycjonowania substancji węglowej przed uzdatnieniem fizycznym. Węgiel kondycjonuje się przez kontakt z płynem nadkrytycznym (tj. zazwyczaj w wysokiej temperaturze i pod ciśnieniem). Mniejszą frakcję substancji rozpuszczalnych ekstrahuje się, uzyskując polepszone uzdatnienie.

Inne przykłady obejmują prowadzenie przemiany fazowej w ciałach stałych, ługowanie, ekstrakcję, reakcję, polimeryzację, upłynnianie, utlenianie, redukcję, procesy obejmujące reakcje z rozpuszczalnikiem dostarczającym wodór, rozpuszczanie, wytrącanie.

W pewnych przypadkach skały macierzyste mogą pozostawać w kontakcie z płynem procesowym.

Oczywiście w układzie według wynalazku można potencjalnie prowadzić bardzo dużą liczbę procesów i można wprowadzać wiele zmian w stosowanej podziemnej instalacji do przetwarzania.

Claims (42)

1. Urządzenie do obróbki materiału, korzystnie węgla, obejmujące co najmniej jedną komorę reakcyjną umieszczoną pod powierzchnią ziemi, a każda ma strefę reakcyjną, w której materiał jest obrabiany z wytworzeniem obrobionego materiału, układ wlotowy przez który materiał jest podawany do strefy reakcyjnej i układ wylotowy przez który obrobiony materiał jest odzyskiwany ze strefy reakcyjnej, co najmniej jedna komora reakcyjna sięga poniżej powierzchni na głębokość wystarczającą do wytworzenia ciśnienia hydrostatycznego w strefie reakcyjnej, korzystnie co najmniej 100 m poniżej powierzchni, do obrabiania materiału i w układzie wlotowym i/lub wylotowym, znamienne tym, że układ wlotowy obejmuje pompę (18, 53) i co najmniej dwie rury (32, 77) przez które materiał do obrobienia zasila strefę reakcyjną (19, 33, 38, 46, 81) co najmniej jednej komory reakcyjnej (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 98, 99), a te co najmniej dwie rury mają ściany przewodzące ciepło przez które ciepło jest przenoszone od materiału w układzie wylotowym do materiału w układzie wlotowym.

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że układ wlotowy co najmniej jednej komory reakcyjnej (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) jest zbudowany z 50 do 200 rur (32, 77).

3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że ma co najmniej dwie komory reakcyjne (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) i co najmniej dwie z tych komór reakcyjnych mają elementy wymiany ciepła.

4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że układ wlotowy co najmniej dwóch komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) ma co najmniej dwie rury (32, 77).

5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że układ wlotowy każdej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) jest zbudowany z 50 do 200 rur (32, 77).

6. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że układ wlotowy każdej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) jest zbudowany z ponad 100 rur (32, 77).

7. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że układ wlotowy i wylotowy są umieszczone w skierowanych w dół podziemnych korytarzach i co najmniej jedna komora reakcyjna (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) ma konfigurację w kształcie wydłużonej litery U.

8. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że układ wlotowy i wylotowy są umieszczone w skierowanych w dół podziemnych korytarzach i jedna z komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) jest umieszczona zasadniczo wewnątrz co najmniej jednej innej komory reakcyjnej.

PL 212 666 B1

9. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, ż e układ wlotowy i wylotowy są umieszczone w skierowanych w dół podziemnych korytarzach i urządzenie ma co najmniej jeden podziemny kanał łączący do transportu płynu z układu wylotowego jednej komory reakcyjnej (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) do układu wlotowego innej komory reakcyjnej.

10. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że ma co najmniej dwie komory reakcyjne (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) i co najmniej dwie z tych komór reakcyjnych umieszczone są w odległości umożliwiającej wymianę ciepła między sobą.

11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że ma sekcję ściany przewodzącej ciepło wspólną dla co najmniej dwóch komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99).

12. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że ma co najmniej dwie komory reakcyjne (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) prowadzące wymianę ciepła między sobą poprzez elementy wymiany ciepła (88).

13. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że elementy wymiany ciepła (88) zawierają ciecz w układzie cyrkulacyjnym, cyrkulującą do miejsca kontaktu z wymianą ciepła w co najmniej dwóch komorach reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99).

14. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że co najmniej jedna z komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) sięga co najmniej 650 metrów poniżej powierzchni (13) ziemi.

15. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że co najmniej jedna z co najmniej dwóch komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) sięga co najmniej 100 metrów poniżej powierzchni (13) ziemi.

16. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że co najmniej jedna z co najmniej dwóch komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) sięga co najmniej 500 metrów poniżej powierzchni (13) ziemi.

17. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że każda z co najmniej dwóch rur (32, 77) układu wlotowego co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) jest ciągłą rurą.

18. Urządzenie według zastrz. 17, znamienne tym, że co najmniej jedna ciągła rura jest zbudowana z połączonych metalowych elementów rurowych.

19. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że co najmniej jedna z co najmniej dwóch rur (32, 77) układu wlotowego co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) ma część ściany zewnętrznej utworzoną przez skały.

20. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że każda z co najmniej dwóch rur (32, 77) układu wlotowego co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) ma średnicę w zakresie 25 mm do 75 mm.

21. Urządzenie według zastrz. 20, znamienne tym, że średnica wynosi około 50 mm.

22. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że układ wlotowy łączy odpowiednią strefę reakcyjną (19, 33, 38, 46, 81) z powierzchnią (13) ziemi.

23. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że układ wylotowy co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) jest zbudowany z ciągłej rury wylotowej.

24. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że układ wylotowy co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) jest zbudowany z połączonych elementów rurowych.

25. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że układ wylotowy co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) ma co najmniej część ściany zewnętrznej utworzoną przez skały.

26. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że układ wylotowy łączy odpowiednią strefę reakcyjną (19, 33, 38, 46, 81) z powierzchnią (13) ziemi.

27. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że układ wylotowy co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) ma co najmniej jeden kolektor gazu (82).

28. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że układ wylotowy co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) ma zawór dławiący do sterowania ciśnieniem wstecznym obrobionego materiału.

PL 212 666 B1

29. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że układ wlotowy i wylotowy każdej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99) jest zbudowany w odwiercie skierowanym w dół.

30. Urządzenie według zastrz. 29, znamienne tym, że odwiert jest pionowy.

31. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że ma szyb rewizyjny (41, 95) umożliwiający dostęp poniżej powierzchni (13) ziemi do co najmniej jednej z co najmniej dwóch komór reakcyjnych (12, 36, 43, 48, 75, 78, 96, 97, 98, 99).

32. Sposób hydrotermalnego odwadniania węgla, znamienny tym, że obejmuje etapy w których dostarcza się zawiesinę węgla, przy czym stężenie węgla po wydobyciu w zawiesinie wynosi miedzy 40% a 65% wagowych, poprzez co najmniej dwie rury zasilające układu wlotowego podziemnej komory reakcyjnej do strefy reakcyjnej komory reakcyjnej na głębokość wystarczającą do wytworzenia ciśnienia pochodzącego od słupa cieczy, unosi się zawiesinę węgla ze strefy reakcyjnej przez co najmniej jedną rurę wylotową układu wylotowego danej komory reakcyjnej dla zmniejszenia ciśnienia, i prowadzi się co najmniej 50% hydrotermalne odwadnianie zawiesiny węgla w warunkach zmniejszającego się ciśnienia podczas etapu unoszenia, przy czym spadek ciśnienia jest większy niż ciśnienie nasycenia zawiesiny węgla powoduje odwadnianie zawiesiny węgla.

33. Sposób według zastrz. 32, znamienny tym, że obejmuje etap w którym utrzymuje się ukierunkowany w górę przepływ zawiesiny węgla w co najmniej jednej rurze wylotowej podczas hydrotermalnego odwadniania węgla.

34. Sposób według zastrz. 33, znamienny tym, że szybkość zawiesiny węgla kontroluje się przez ciśnienie pompy.

35. Sposób według zastrz. 32, znamienny tym, że szybkość zawiesiny węgla jest w zakresie od 0,5 metra na sekundę do 3 metrów na sekundę.

36. Sposób według zastrz. 35, znamienny tym, że szybkość wynosi około 1 metr na sekundę.

37. Sposób według zastrz. 32, znamienny tym, że wytwarzanie ciepła reakcji i temperaturę w strefie reakcyjnej kontroluje się doborem stężenia wę gla w zawiesinie.

38. Sposób według zastr z 32, znamienny tym, że stężenie węgla po wydobyciu w zawiesinie wynosi około 50% wagowych.

39. Sposób według zastrz. 32-38, znamienny tym, że jako węgiel stosuje się węgiel brunatny.

40. Sposób prowadzenia dwóch procesów w warunkach podwyższonego ciśnienia, znamienny tym, że obejmuje etapy w których wprowadza się materiał do obróbki w pierwszym procesie do pierwszej komory reakcyjnej umieszczonej pod ziemią i utworzonej przez skierowany w dół układ wlotowy połączony ze strefą reakcyjną, a ta strefa reakcyjna jest połączona z biegnącym ku górze układem wylotowym, wprowadza się dalszy materiał do obróbki w drugim procesie do drugiej komory reakcyjnej umieszczonej pod ziemią i utworzonej przez skierowany w dół układ wlotowy połączony ze strefą reakcyjną, a ta strefa reakcyjna jest połączona z biegnącym ku górze układem wylotowym, inicjuje się pierwszy i drugi proces, prowadzi się pierwszy i drugi proces tak, że obróbka materiału w pierwszym reaktorze i obróbka dalszego materiału w drugim reaktorze generuje różne ilości ciepła, ciepło przenosi się między komorami reakcyjnymi, przy czym jednym z procesów jest sposób hydrotermalnego odwadniania węgla jak określony w zastrz. 32.

41. Sposób według zastrz. 40, znamienny tym, że jako drugi proces prowadzi się upłynnianie węgla.

42. Sposób według zastrz. 41, znamienny tym, że węgiel który poddaje się hydrotermalnemu odwadnianiu w jednym z procesów poddaje się upłynnianiu w drugim procesie.