專利名稱：出口氣凈化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及化學(xué)反應(yīng)的熱管理(heat management)，更具體地涉及用于凈化生物氣及其它酸性氣流(sour gas stream)的設(shè)備、裝置和方法。本文所用術(shù)語“生物氣” 應(yīng)從廣義上理解為包括其它酸性氣流。
背景技術(shù)：
熱管理有許多應(yīng)用，包括但不限于燃料電池工業(yè)、玻璃珠的生產(chǎn)、細(xì)菌在制備有用的產(chǎn)品中的應(yīng)用、酸奶的生產(chǎn)、聚合酶鏈反應(yīng)、納米技術(shù)以及化學(xué)反應(yīng)。例如，美國專利第 6881703號披露了一個具體的例子，在該例子所屬領(lǐng)域，反應(yīng)器的溫度控制特別重要，該例子在重整烴進(jìn)料流的系統(tǒng)里，該系統(tǒng)產(chǎn)生富氫氣體，用來使氫燃料電池工作。在化學(xué)反應(yīng)器中，不管其構(gòu)造或尺寸如何，可能影響反應(yīng)速率的兩個變量是時間和溫度。通過控制傳熱并由此控制溫度，可以確定完成反應(yīng)或工藝所需時間的長短。因此，對于化學(xué)過程來說，溫度控制是設(shè)計(jì)反應(yīng)器時的重要考慮因素。在工業(yè)規(guī)模上，表面積-體積的比率可能給傳熱和溫度控制造成困難。反應(yīng)器熱管理比較重要的示例性過程包括但不限于選擇性氧化反應(yīng)， 用來制備諸如下面的產(chǎn)品環(huán)氧乙烷、鄰苯二甲酸酐、馬來酸酐、甲醛、丙烯腈、丙烯醛、丙烯酸、甲基丙烯醛、甲基丙烯酸、甲基丙烯腈、1，2- 二氯乙烷、氯乙烯，甲醇合成和費(fèi)-托合成。熱管理對凈化過程也很重要。例如，許多人試圖將生物質(zhì)及其它含碳材料轉(zhuǎn)化為甲烷或其它有用的產(chǎn)品。最近的發(fā)現(xiàn)表明，可能有一種經(jīng)濟(jì)的方法將纖維素材料和木質(zhì)纖維素材料轉(zhuǎn)化為生物氣，即不純的甲烷和/或氫氣。在厭氧消化器中通過微生物厭氧消化產(chǎn)生的生物氣已經(jīng)用作燃料源，常用于現(xiàn)場加熱或發(fā)電。作為消化過程的結(jié)果，常常在生物氣流中觀察到高濃度的硫化氫、二氧化碳和水。例如，這種生物氣可包含約75%的CH4、約20%的(X)2以及顯著比例的H2S和H20。這些高濃度的雜質(zhì)阻礙了消化工藝生產(chǎn)的甲烷在下游行業(yè)的應(yīng)用。例如，用不純的生物氣驅(qū)動發(fā)動機(jī)渦輪會迅速腐蝕渦輪或發(fā)動機(jī)的其它組件(例如產(chǎn)生蝕斑)。

發(fā)明內(nèi)容
2009年2月13日提交的題為“用沸石床調(diào)理生物氣/酸性氣”(BI0GAS/S0UR GAS CONDITIONING WITH A ZEOLITE BED)的臨時申請系列第61/207533號通過參考完整地結(jié)合于此。上述申請披露了一種流動反應(yīng)器和污染物檢測系統(tǒng)。在環(huán)境壓力下將生物氣或酸性氣引入流動管/填充床；用T形管從流動管的輸出物中分出一部分氣體，送入檢測室，對進(jìn)出沸石床的氣體進(jìn)行測量；可將多孔塞結(jié)合到流動管中提供機(jī)械支撐，使沸石床固定不動；可沿流動管/填充床的長度方向設(shè)置一系列端口，用來將溫度計(jì)、壓力傳感器和分析儀探針插入流動管和沸石床。上述申請披露了一種方法，該方法至少能用于一個實(shí)施方式，在該實(shí)施方式中， 1)流動管中的多孔塞之間夾有適量的沸石；2)沸石的確切用量根據(jù)要處理的生物氣中 H2S, CO2和H2O的濃度確定；3)這些氣體的濃度水平與已知的氣體流速和沸石的捕集容量 (trapping capacity)結(jié)合，用于設(shè)計(jì)在大約6_12小時內(nèi)清潔生物氣的系統(tǒng)。通過在下游端口用一個或多個檢測器取樣測定生物氣的純度，可以確定污染物是否在沸石飽和之后滲出。可大約每兩分鐘對這些氣體的濃度進(jìn)行一次測量。沸石可通過許多不同的方式再生。根據(jù)一種方法，可在沸石被H2S、CO2, H2O及其它可能存在的雜質(zhì)飽和之后，通過直接加熱沸石而將沸石加熱到約200°C，同時使干燥的氣或空氣流通過沸石。上述申請揭示，干燥的N2A)2在流速較慢時比在流速較快時需要的再生時間多；析出氣體的純度可經(jīng)下游取樣端口測量；當(dāng)再也檢測不到&S、CO2、H2O及其它可能存在的雜質(zhì)時，可認(rèn)為沸石得到再生，可預(yù)備再次使用。根據(jù)另一種方法，可在沸石被H2S、CO2, H2O及其它可能存在的雜質(zhì)飽和之后，將干燥的^/O2氣或空氣流加熱到約200°c，然后將空氣引入沸石床。據(jù)信，與第一種方法相比， 第二種方法可能有一個優(yōu)點(diǎn)，即沸石可被加熱得更均勻，結(jié)果縮短了脫附時間，沸石再生得更快。即便不能說所有的化學(xué)反應(yīng)，也可以說大部分化學(xué)反應(yīng)受到反應(yīng)所產(chǎn)生的熱或者產(chǎn)物或反應(yīng)物中存在的熱的影響。本發(fā)明的一個目的是提高熱從一個地方轉(zhuǎn)移到另一個地方的速率和效率。根據(jù)一個實(shí)施方式，本發(fā)明提供了熱交換器設(shè)備和利用熱交換器設(shè)備進(jìn)行熱管理的裝置[例如生物氣調(diào)理器(biogas conditioner)].沸石難于進(jìn)行熱管理，這是提高用沸石凈化生物氣的經(jīng)濟(jì)可行性所必須克服的主要因素之一。因此，本發(fā)明的一種應(yīng)用是對沸石進(jìn)行熱管理，所述沸石是可用來凈化厭氧消化或酸性氣井產(chǎn)生的生物氣的一種分子篩。 至少在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明不限于凈化生物氣，而是可廣泛應(yīng)用于存在熱管理問題的任何領(lǐng)域或任何情形。本發(fā)明的上述及其它益處、優(yōu)點(diǎn)和特征可從以下描述和所附權(quán)利要求書中看得更加清楚，或者可通過實(shí)施下述本發(fā)明而了解到。


為了說明獲得本發(fā)明的上述及其它益處、優(yōu)點(diǎn)和特征的方式，下面結(jié)合附圖所示的本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，對上面已經(jīng)簡述過的本發(fā)明進(jìn)行更具體地描述。這些附圖僅呈現(xiàn)了本發(fā)明的典型實(shí)施方式，因而不應(yīng)視為對其范圍的限制，在此理解的基礎(chǔ)上，將利用附圖，結(jié)合更多的特性和細(xì)節(jié)描述和解釋本發(fā)明，附圖中圖1是包含螺旋翅片構(gòu)造的示例性熱交換器和生物氣調(diào)理器的透視圖；圖2是圖1所示熱交換器和生物氣調(diào)理器的頂視圖；圖3是圖1所示熱交換器和生物氣調(diào)理器的示例性螺旋翅片的透視圖；圖4是類似于圖3所示的示例性螺旋翅片和外殼的透視圖，但它還包含繞其設(shè)置螺旋翅片的內(nèi)部長形部件；圖5是包含多個類似于圖1所示的螺旋翅片熱交換器和生物氣調(diào)理器設(shè)備的裝置的頂部透視圖；圖6是圖5所示裝置的另一幅透視圖；圖7是呈現(xiàn)了厭氧消化器和兩個生物氣調(diào)理器的示意圖；圖8是兩個生物氣調(diào)理器的精細(xì)透視圖，其中一個生物氣調(diào)理器正在進(jìn)行再生循環(huán)處理；圖9呈現(xiàn)了包含熱交換器和生物氣調(diào)理器的裝置，該裝置具有多個平行或串聯(lián)操作的單元，適用于城市廢物處理廠；圖IOA是根據(jù)本發(fā)明用于生物氣調(diào)理器的另一種熱交換器構(gòu)造的透視圖；圖IOB是圖IOA所示熱交換器和生物氣調(diào)理器設(shè)備的頂視圖；圖IlA是根據(jù)本發(fā)明用于生物氣調(diào)理器的又一種熱交換器構(gòu)造的透視圖；圖IlB是圖IlA所示熱交換器和生物氣調(diào)理器設(shè)備的頂視圖；圖12A是根據(jù)本發(fā)明用于生物氣調(diào)理器的又一種熱交換器構(gòu)造的透視圖；圖12B是圖12A所示熱交換器和生物氣調(diào)理器設(shè)備的頂視圖。
具體實(shí)施例方式I.導(dǎo)言本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于能與另一種物體交換熱的任何類型的材料。一些非限制性例子包括沸石、流體、分子、納米顆粒、混合物、金屬和表面，如管子表面。II.示例性熱交換器和生物氣調(diào)理器設(shè)備圖1-2呈現(xiàn)了示例性熱交換器72的一個實(shí)施方式，它可作為生物氣調(diào)理器運(yùn)行， 如下文所述。熱交換器72包含熱交換翅片部件58 (例如螺旋形)、外殼40 (例如管形)、 上凸緣43、下凸緣49、上歧管14和下歧管16。進(jìn)口 12將不純的生物氣6引入上歧管14， 而出口 13設(shè)置用來收集通過下歧管16出來的經(jīng)過調(diào)理的生物氣。當(dāng)然，在另一個實(shí)施方式中，流向可以反過來。在一些實(shí)施方式中，凸緣43、49是板或軸環(huán)(collar)，在相應(yīng)的歧管與相應(yīng)的外殼40端部之間形成密封。螺旋翅片58、外殼40、上凸緣43和下凸緣49及其它任何接觸熱交換器72的內(nèi)容物(例如沸石)的結(jié)構(gòu)均優(yōu)選用熱導(dǎo)率較高(例如至少約 50ff/m -K)的金屬制造，如鋁或鋁合金。雖然外殼40優(yōu)選包含圓柱管，但它也可以是矩形或其它任何形狀。螺旋形翅片58是熱交換部件的一個例子。在一些實(shí)施方式中，螺旋翅片58的表面基本上是平坦的。在其它實(shí)施方式中，螺旋翅片58的表面是彎曲的(例如具有類似于機(jī)翼的曲率)。螺旋翅片58的其它實(shí)施方式可包括類其它似于轉(zhuǎn)子、螺旋鉆葉片、發(fā)動機(jī)葉片及其它物體的構(gòu)造。在一些最優(yōu)選的實(shí)施方式中，螺旋翅片58的形狀類似于固定螺旋鉆葉片(即不轉(zhuǎn))，并包含至少一級(leVel)60(例如圖1所示例子包含四級)。在一些實(shí)施方式中，螺旋翅片58可焊接或以其它方式附連到外殼40的部分內(nèi)表面M上。每級60螺旋翅片58可由螺旋翅片58的一段限定，該段從外殼40與螺旋翅片58的接觸點(diǎn)開始，到螺旋翅片58與外殼40同一側(cè)的相對于第一接觸點(diǎn)繞360度的下一個接觸點(diǎn)為止(例如位于第一接觸點(diǎn)的正下方)。一圈(turn)可限定為螺旋翅片58上將兩個相鄰級60隔開的點(diǎn)。四級螺旋翅片58有四圈，可描述為圈數(shù)/英尺，即翅片數(shù)除以螺旋翅片58的豎直長度(測量單位為英尺)。較佳的是，螺旋翅片58基本上被外殼40包圍，螺旋翅片58可從外殼40 的頂端42旋至外殼40的底端48。螺旋翅片58可這樣構(gòu)造，也就是從外殼40頂端42裝入的圓形物體(例如沸石球粒)會沿著螺旋翅片58的通道向下滾到底端48。可將沸石94 (見圖1)或一些其它的熱交換材料裝入熱交換器72，從底端48向上填充熱交換器72。這種構(gòu)造對于更換沸石或其它物質(zhì)特別有用。可在外殼40的底端48處或大致在其附近設(shè)置封蓋機(jī)構(gòu)如絲網(wǎng)3 (見圖8)， 以防沸石94或其它物質(zhì)沿螺旋翅片滾出外殼40，滾到地上。在一個實(shí)施方式中，基本上整個外殼40的高度都填充沸石94或其它材料的填充床。在一個實(shí)施方式中，至少一部分螺旋翅片58接觸外殼40的內(nèi)表面M。螺旋翅片 58可包含一種有選擇地配置的材料如金屬，使到達(dá)熱交換器72內(nèi)的沸石94或其它材料的傳熱效果最佳，或者從熱交換器72內(nèi)的沸石94或其它材料到外殼40的外表面46的傳熱效果最佳。此外，外殼40、螺旋翅片58及其它任何配置成接觸沸石94的結(jié)構(gòu)(如內(nèi)部長形部件3 可用熱導(dǎo)率較高的材料制作。優(yōu)選的材料包括金屬，特別是鋁及其合金。所選材料的熱導(dǎo)率優(yōu)選至少約為50W/m · K，更優(yōu)選至少約為100W/m · K，最優(yōu)選至少約為150W/ πι·Κ。6061鋁合金是一種合適的鋁合金的一個例子。它具有良好的強(qiáng)度、機(jī)械加工性、可焊性、抗腐蝕性(例如抗H2S腐蝕)，熱導(dǎo)率約為18(Μ/πι·Κ?？商峁┙z網(wǎng)3 (圖8)，蓋住外管40的底端48，以防裝在外殼40內(nèi)的沸石94或其它材料落到底端48外面。絲網(wǎng)3可拆除，這在更換沸石94時是有利的。在再生沸石94時， 絲網(wǎng)3不必拆去。外殼40底端的絲網(wǎng)3可包含較平坦的絲網(wǎng)片，其形狀和尺寸一般與外殼 40的底端48的底部邊沿41 (見圖8)相同。在一個實(shí)施方式中，絲網(wǎng)3可以是對稱的，包含沿中線的切口，從而形成兩片?？稍诮z網(wǎng)3的中央設(shè)置一個位于中心的孔36(圖8)，供內(nèi)部長形部件35如棒、管道或管子穿過。沿絲網(wǎng)3的中線設(shè)置切口使得使用者能夠拉絲網(wǎng)3 的邊緣，從而分離絲網(wǎng)3并將其從外殼40的底端48拆除。若熱交換器具有外殼40但不含任何內(nèi)部長形部件35，則絲網(wǎng)3可簡單地構(gòu)造成與外殼40的底端48的邊沿41的尺寸和形狀基本上相匹配，而不存在任何中心孔36。絲網(wǎng)3使經(jīng)過調(diào)理的生物氣能夠通過外殼40 的底端48，并進(jìn)入下歧管16。也可采用對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯而易見的其它結(jié)構(gòu)(例如孔板)。在一個實(shí)施方式中，螺旋翅片58與外殼40物理接觸。例如，螺旋翅片58可焊接在外殼40的內(nèi)表面M上。這種使螺旋翅片58與外殼M接觸的構(gòu)造是有利的，因?yàn)檫@樣就能更有效地將熱從與螺旋翅片58的表面接觸的沸石床94或其它物質(zhì)傳至外殼40。向外殼40更有效地傳熱可使廢熱較快地散去。當(dāng)然，在加熱外殼40時，這種物理接觸也提供了反向的有效傳熱(例如在沸石床94的再生過程中)。在一個實(shí)施方式中，在生物氣調(diào)理過程中，接觸螺旋翅片58的沸石床或其它物質(zhì)的溫度大約保持在等于或低于40°C。因?yàn)榉惺?4吸收生物氣流中的污染物的反應(yīng)是放熱的，所以趕走多余的熱是有利的，這樣就能將熱交換器72 (特別是沸石床94)維持在較低的溫度上。將溫度維持在低于約40°C可防止所需方向的反應(yīng)速率顯著降低和/或所述方向的反應(yīng)停止進(jìn)行。更佳的是，沸石床94的溫度維持在等于或低于約30°C，以獲得最佳結(jié)果。5/12 頁上下凸緣43和49分別可以是圓環(huán)形，類似于面圈，并且可形成圍繞外殼40的上端42和下端48的軸環(huán)。在一個實(shí)施方式中，上下凸緣是圓形的，并且較薄。較佳的是，上凸緣43構(gòu)造成在上凸緣43的中心包含圓環(huán)空間。外殼40的上邊沿42可通過螺栓或其它方式附連到上凸緣43，后者可附連到上歧管14。下凸緣49可具有類似的構(gòu)造。下凸緣49 可通過螺栓或其它方式附連到下歧管16，下歧管可以是桌面式表面、構(gòu)造成容納氣體物質(zhì)的大容器或者具有倒轉(zhuǎn)沙箱(inverted sandbox)形狀的空心容器(例如，用以包含向下取向的側(cè)壁擋板)，等等。在這種類型的構(gòu)造中，根據(jù)下歧管16的尺寸，可將多個熱交換器72以可拆除的方式連接到下歧管16上。下歧管16可構(gòu)造成包含相應(yīng)數(shù)量的環(huán)形空間或凹陷部，其尺寸和形狀基本上與外殼40的底端48相同，使每個熱交換器72的內(nèi)部空間的底端48與下歧管 16的內(nèi)部空間連通。在熱交換器72的上歧管12與上邊沿42之間提供類似的構(gòu)造。在這種類型的構(gòu)造中，氣體就能夠較容易地從伸入上歧管14的任何管道或其它進(jìn)口 12流入，向下穿過外殼40，穿過設(shè)置在外殼40內(nèi)并與螺旋翅片58相鄰的沸石床94或其它物質(zhì)的床。此外，一個或多個風(fēng)扇可向外殼40的外表面46吹冷空氣，以便將沸石或其它內(nèi)容物的溫度維持在等于或低于所需的溫度(例如約40°C，更優(yōu)選等于或低于約30°C )。 當(dāng)任何指定位置到螺旋翅片58和/或外殼40的距離等于或小于約3英寸時，對沸石或其它內(nèi)容物的有效熱管理最佳。更佳的是，沸石床94的任何指定位置到螺旋翅片58和/或外殼40的距離在約1. 5英寸之內(nèi)。例如，相鄰級次的螺旋翅片58之間的距離可不超過約 3英寸，這使沸石床94內(nèi)任何指定位置到螺旋翅片的距離約為1. 5英寸或更短。沸石床內(nèi)任何指定位置緊密靠近螺旋翅片58和/或外殼40的高導(dǎo)熱表面提供了有效傳熱，有利于將沸石吸附期間產(chǎn)生的過多的熱有效傳遞到系統(tǒng)外，或者在再生過程中有利于加熱沸石。當(dāng)不純的生物氣6通過沸石床94時，沸石94捕集了所有或基本上所有的雜質(zhì)，例如吐5、0)2、!120及其它可能存在的雜質(zhì)。這得到基本純凈的生物氣流，它離開螺旋翅片熱交換器72，通過純凈生物氣出口管13，隨后可將其收集貯存。例如，較佳的是，至少約90%的 H2S, CO2, H2O及其它可能存在的雜質(zhì)由此被捕集。更佳的是，至少約95%的H2S、CO2, H2O及其它可能存在的雜質(zhì)由此被捕集。最佳的是，至少約99%的H2S、CO2, H2O及其它可能存在的雜質(zhì)由此被捕集。例如，在經(jīng)過調(diào)理的輸出氣流中，的含量約等于或小于5ppm，更優(yōu)選約等于或小于lppm。在經(jīng)過調(diào)理的輸出氣流中，H2O的含量約等于或小于6500ppmv(基于體積的百萬分濃度)，更優(yōu)選等于或小于1500ppmv。在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，螺旋翅片58包含鋁，每級螺旋翅片58的外邊緣與外殼40的內(nèi)表面M接觸。通過使螺旋翅片58的外邊緣與外殼40的內(nèi)表面M接觸，熱更有效地從沸石94 (或其它物質(zhì))傳遞至螺旋翅片58，然后傳至外殼40。熱交換也可逆向進(jìn)行， 即從外殼40到螺旋翅片58和沸石床94或其它材料(例如在填充沸石床再生的過程中)。例如，在一個實(shí)施方式中，三圈螺旋翅片58包含三層或三圈。較佳的是，對兩個相鄰的層或圈之間的豎直距離加以優(yōu)化，使其約等于或小于6英寸。這種構(gòu)造提供的結(jié)果是， 在任何指定位置，熱交換器72內(nèi)所裝的沸石或其它材料到螺旋翅片58的距離不超過約3 英寸。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，若沸石94(或其它材料)與螺旋翅片相距約3英寸或更短，則熱從沸石(或其它材料)傳至螺旋翅片的速率將更快。如上所述，更佳的是，兩個相鄰的螺旋翅片層58之間的豎直距離約等于或小于3英寸，這樣，在任何指定位置，沸石94或其它此類材
8料與螺旋翅片58的距離不超過約1. 5英寸。對于更大的外殼40，本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，在相鄰的螺旋翅片層相隔不超過約6英寸的情況下，提供至少一個內(nèi)部長形部件35 (例如空心管或?qū)嵭陌?可能是有利的，例如將其構(gòu)造成沿著外殼40的縱軸延伸。雖然這種構(gòu)造是優(yōu)選的，但其它構(gòu)造也可提供一個或多個內(nèi)部長形部件，它們可以是豎直的、水平的和/或傾斜的，沒有切分外殼40的上邊沿42或下邊沿48的中心直徑。根據(jù)一個實(shí)施方式中，螺旋翅片的厚度與螺旋翅片層的半徑之比可約為1 10。這種較小的厚度/半徑(或長度)比有助于為該結(jié)構(gòu)提供良好的導(dǎo)熱特性。可利用各種技術(shù)中的任何技術(shù)，將熱導(dǎo)入螺旋翅片58和/或使熱從螺旋翅片58 散去。在一個實(shí)施方式中，可用一個或多個風(fēng)扇將冷空氣或熱空氣吹向外殼40的外部和/ 或吹入外殼40被填充的內(nèi)部里的環(huán)形空間，從而通過對流促進(jìn)傳熱。在另一個實(shí)施方式中，可將熱交換器72放置在流體(例如水、防凍冷卻劑或其它物質(zhì))槽中，水或其它流體的溫度可升高、降低或保持不變，具體取決于希望沸石94或其它物質(zhì)的溫度下降還是上升。 由于對流和/或傳導(dǎo)使熱進(jìn)入或離開相鄰的流體，所以這種構(gòu)造促進(jìn)了傳熱。在使用中，對不純的生物氣6進(jìn)行導(dǎo)引、泵抽或下推(例如在壓力下)，將其引入外殼40的環(huán)形空間。螺旋翅片58 —般位于外殼40的環(huán)形空間內(nèi)，優(yōu)選從外殼40的頂端42 延伸到底端48。如上所述，外殼40可用風(fēng)扇或其它設(shè)備(或者，當(dāng)外殼40浸在水或其它流體中時，通過控制該流體的溫度)從外部冷卻?？蓪ν鈿?0的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，使沸石床94 或其它物質(zhì)能夠充分冷卻或受熱。在一些實(shí)施方式中，提供沿著外殼40的縱軸延伸的內(nèi)部長形部件35 (例如實(shí)心棒、空心管或者實(shí)心棒與空心管的組合)可能是有利的。這種結(jié)構(gòu)提供了另一個具有較高熱導(dǎo)率的表面，從而更有效地將熱傳入或傳出沸石床94。一個較簡單的構(gòu)造可包含單一的螺旋翅片熱交換器；但也可采用其它的構(gòu)造，如雙單元裝置、三單元裝置等。多個螺旋翅片熱交換器可排成線形、矩形、X形、簇狀、大致的圓形或其它任何造型。在一個實(shí)施方式中，熱交換器的外殼40的外表面46可用加熱帶、冷卻帶、加熱元件(例如加熱盤管)或冷卻元件(例如冷卻盤管)包覆或盤繞，這樣，通過利用冷卻帶、冷卻盤管、加熱帶或加熱盤管向系統(tǒng)加入熱量或從系統(tǒng)取走熱量，可以控制熱交換器72的溫度。當(dāng)然，也可利用任何合適的吸熱設(shè)備(例如浸在流體浴中)除熱。在一些實(shí)施方式中， 加熱帶包含與金屬如鎳鉻一起編織的陶瓷布。當(dāng)在加熱帶中通電流時，電阻導(dǎo)致熱釋放出來?；蛘撸谄渌膶?shí)施方式中，外殼40用傳熱紙包覆。在一些實(shí)施方式中，可對嵌在帶或盤管內(nèi)的線或其它結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱或冷卻。在一個實(shí)施方式中，沿著螺旋翅片58提供至少一個開口、孔或環(huán)形空間90。在螺旋翅片58沒有孔或環(huán)形空間90的情況下，當(dāng)不純的生物氣6進(jìn)入熱交換器72的頂部邊沿 42時，不純的生物氣6將順著螺旋翅片58的路徑接觸任何與螺旋翅片58接觸的沸石94或其它填充材料。在這種情況下，不純的生物氣6必須走過的路徑是最長的，因?yàn)樯餁?受到螺旋翅片58和外殼40的限制。在一些實(shí)施方式中，螺旋翅片58包含金屬絲(例如網(wǎng)狀材料)，或者在實(shí)際的螺旋翅片58本身中有多個孔/環(huán)形空間。提供這種不連續(xù)的邊界表面使得不純的生物氣6沿多個路徑穿過沸石床94 (或其它材料床)。例如，一些不純的生物氣6不是嚴(yán)格順著螺線形或螺旋形路徑，而是能夠沿豎直方向穿過孔，然后繼續(xù)順著螺旋翅片的螺線形路徑向外殼40的底部流動。
在一些實(shí)施方式中，在外殼40內(nèi)提供了內(nèi)部長形部件(例如內(nèi)部棒35)，如管道、 實(shí)心棒和/或空心管。這種內(nèi)部長形部件與外殼40可具有彼此共軸對齊的縱軸。在其它的實(shí)施方式中，內(nèi)部長形部件將外殼40的內(nèi)表面M上的一個位置與外殼40的內(nèi)表面M 上的另一個位置連接起來。這種內(nèi)部長形部件可用熱導(dǎo)率較高的金屬形成(例如包含鋁)。 這種內(nèi)部長形部件的一個目的是增加沸石94或所裝其它物質(zhì)與熱交換器72發(fā)生熱交換的可用面積。例如，沸石94是在很大程度上絕熱的陶瓷材料(即與螺旋翅片58、外殼40和任何長形部件的金屬材料相比，具有較低的熱導(dǎo)率)。在一些實(shí)施方式中，實(shí)心棒豎直通過外殼40的環(huán)形空間。這種實(shí)心棒可用熱導(dǎo)率較高的金屬如鋁或鋁合金制作?？赏ㄟ^加熱或冷卻這種實(shí)心棒來使熱傳至熱交換器72內(nèi)的沸石床94或者從沸石床94傳至周圍環(huán)境。在其它的實(shí)施方式中，至少有一些實(shí)心棒可用空心管代替，并且可將各種物質(zhì)泵抽通過空心管或者任其自行通過空心管。可通過這種空心管的加熱或冷卻流體的一些非限制性例子包括但不限于熱空氣、熱水或其它液體、冷卻水、冰、冷空氣、冷水或其它液體(例如防凍劑和/或乙二醇)。一般地，可采用環(huán)境溫度下的物質(zhì)、低于環(huán)境溫度的物質(zhì)、高于環(huán)境溫度的物質(zhì)、環(huán)境條件下的流體(例如液體或氣體)等。還可提供加熱或冷卻元件(例如帶或盤管)，用來加熱或冷卻這種空心管。在一些實(shí)施方式中，采用內(nèi)部空心管，該內(nèi)部空心管接觸螺旋翅片58，當(dāng)該內(nèi)部空心管改變溫度時，螺旋翅片58以及與螺旋翅片58接觸或幾乎接觸的物體(例如沸石94) 也將改變溫度。若用空心管輸送流體甚至固體，則多個熱交換器72里的空心管可合并(例如連通)成單一空心管，然后，該單一空心管可穿過上歧管14或下歧管16中的單一孔?；蛘?，在其它的實(shí)施方式中，多個長形部件35，如空心管、棒或管道，可從外殼40的底端出來， 然后穿過下歧管16的開口出來，最后連接到一起，形成單一的管子。如圖3-4所示，長形部件35的上延伸部分20可從翅片58和/或外殼40的頂部伸出。類似地，長形部件35的下延伸部分30可從翅片58和/或外殼40的底部伸出。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，發(fā)明人相信應(yīng)最大程度減少或避免熱交換器72中的空隙、空穴或空氣以及氣泡，因?yàn)榫鶆蚍植嫉姆惺?4或其它物質(zhì)一般能更好地吸收生物氣6中不需要的組分，同時還能更有效地將熱傳至或傳出沸石床94。最大程度減少或避免形成這種空穴的一種方法是用沸石填充外殼40，使沸石(或其它物質(zhì))床中空隙的數(shù)量最少。在裝填之后或裝填的過程中晃動或搖動裝置可促進(jìn)沸石94沉降和擠緊。以下參考文獻(xiàn)包含有關(guān)吸附、沸石的信息及其它有用信息，它們通過具體參考結(jié)合于此1)《粉末和多孔固體的吸附原理、方法與應(yīng)用》(Adsorption by powders&porous solids !principles, methodology and applications). FranfOise Rouquerol, Jean Rouquero 1,Kenneth Sing.出版者加利福尼亞州圣迭戈市學(xué)術(shù)出版社(Academic Press), 1999 年。ISBN :0125989202. 2)《吸附法氣體分離》(Gas separation by adsorption processes). Ralph T.Yang.出版者波士頓市巴特沃斯出版社(Butterworths)，1987 年.ISBN :0409900044.沸石是指一類鋁硅酸鹽微孔分子篩。術(shù)語“分子篩”是指這種材料能夠有選擇地分選分子，主要依據(jù)的是尺寸排阻法。這是因?yàn)榉惺瘍?nèi)具有非常規(guī)則的分子大小的孔結(jié)構(gòu)。 一般地，能進(jìn)入沸石孔的分子或離子類物質(zhì)的最大尺寸受孔道大小的控制。這些通常用孔穴的環(huán)尺寸加以限定，例如術(shù)語“八環(huán)”是指閉環(huán)由8個四面體配位的硅(或鋁)原子和8 個氧原子構(gòu)成。出于各種影響，這些環(huán)并非總是完美對稱的，所述影響包括單元之間為形成總體結(jié)構(gòu)而鍵合所引起的應(yīng)變，或者環(huán)上的一些氧原子與結(jié)構(gòu)內(nèi)的陽離子配位所引起的應(yīng)變。因此，許多沸石中的孔不是圓柱形的。任何合適的沸石或其它分子篩均可用于本發(fā)明的裝置中。因此，本文所用的術(shù)語 “沸石”應(yīng)作廣義理解，它是指能結(jié)合生物氣或其它酸性氣流中的&S、CO2、H2O和/或其它污染物的任何吸著劑。所述結(jié)合可以不是共價鍵結(jié)合，優(yōu)選具有較大的結(jié)合焓變。一般地，焓變越大，吸著性和選擇性越佳，再生所需的溫度變化也越小。根據(jù)一個特別優(yōu)選的使用方法，熱交換器72包含用來凈化不純的生物氣6的生物氣調(diào)理器72。如圖5-6所示，在包含超過一個單元的多單元系統(tǒng)中，可提供外罩殼50，其中設(shè)置了多個熱交換器單元72。圖5顯示了包含37個被外罩殼50包圍的單元的示例性實(shí)施方式。罩殼50包圍熱交換器72的陣列。在一個實(shí)施方式中，罩殼50可以是圓柱形的，且沒有頂面或底面?？商峁┲辽僖粋€進(jìn)口 52，用來向罩殼50包圍的內(nèi)部空間輸送冷空氣、熱空氣(例如柴油機(jī)廢氣)、環(huán)境空氣或所需溫度的其它物質(zhì)。類似地，可提供一個或多個出口 56，將這類物質(zhì)從罩殼50內(nèi)部除去。在一些實(shí)施方式中，被罩殼50、上歧管14和下歧管16包圍的區(qū)域作為單一容器， 使通過進(jìn)口 52引入的物質(zhì)也能到達(dá)沸石94或所裝的其它物質(zhì)，幫助熱交換至或交換出沸石94。上歧管14可類似于又大又淺的無蓋倒箱(inverted box)，可有選擇地設(shè)置在罩殼 50的頂部。下歧管16可具有類似的構(gòu)造。下歧管16可包含四壁和底板。壁和底板可包含內(nèi)外表面，且壁和底板的內(nèi)表面限定了被四壁和底板包圍的內(nèi)部空間。當(dāng)上歧管14與罩殼 50的頂部相連時，上歧管14可作為不純的生物氣6或其它物質(zhì)的臨時貯存容器。從圖7可看出，在一個實(shí)施方式中，上歧管14的進(jìn)口 12可通過管子4或其它機(jī)構(gòu)連接到厭氧消化器2上。在一些實(shí)施方式中，隨著消化器2產(chǎn)生不純的生物氣6，生物氣6 移動通過消化器-歧管連接機(jī)構(gòu)4，通過進(jìn)口 12，進(jìn)入上歧管14限定的環(huán)形空間，所述歧管也可用鋁或鋁合金制作。可利用龍頭、閥門或其它控制機(jī)構(gòu)使生物氣6流過消化器-歧管連接機(jī)構(gòu)4，需要時也可用它們防止生物氣6流動。由于生物氣進(jìn)入上歧管14產(chǎn)生壓力，一段時間后，歧管一般積聚至少幾個PSI的壓力。積聚的壓力迫使不純的生物氣6及歧管中的任何空氣沿著熱交換器72的外殼40向下移動。在生物氣通過沸石床94(或其它材料) 的過程中，填充在外殼內(nèi)并與螺旋翅片接觸的沸石床94或其它材料除去生物氣6中的大部分或者接近全部的雜質(zhì)。當(dāng)清潔的生物氣8在外殼40的底端離開外殼40時，收集通過出口 13離開各單元72的經(jīng)過調(diào)理的生物氣8。經(jīng)過調(diào)理的生物氣8比進(jìn)入上歧管的不純的生物氣6明顯純凈得多(即該生物氣比調(diào)理之前的不純的生物氣6具有更少的二氧化碳、 H2S、水和/或其它雜質(zhì))。結(jié)果是，經(jīng)過調(diào)理的(例如基本上純凈的)生物氣8在燃燒過程中損害發(fā)電渦輪或其它設(shè)備的可能性更小。例如，H2S在經(jīng)過調(diào)理的生物氣流8中的含量可約等于或小于5ppm，更優(yōu)選約等于或小于lppm。H2O的含量可約等于或小于6500ppmv，更優(yōu)選約等于或小于1500ppmv。在一些實(shí)施方式中，利用一個或多個內(nèi)部長形部件(例如空心內(nèi)管35)將冷的或熱的流體(例如空氣和/或水)引入螺旋翅片熱交換器72?？招膬?nèi)管35可各自與相應(yīng)的螺旋翅片熱交換器72連接，然后，這些管子可連接到一起，形成單一管道。在一些實(shí)施方式中，螺旋翅片熱交換器72的外殼40連接到凸緣上，所述凸緣連接到相應(yīng)的歧管上。在一些實(shí)施方式中，空心內(nèi)管35連接到一起，在歧管的內(nèi)部空間里形成單一管道，然后該單一管道從單一的位點(diǎn)離開歧管。在其它的實(shí)施方式中，空心內(nèi)管35各自通過開口離開歧管，然后連接到一起，形成位于歧管外面的單一管道?？赏ㄟ^內(nèi)部空心管35泵入冷流體、熱流體或環(huán)境條件下的流體(例如空氣和/或水)，以提高熱交換至或交換出沸石94的速率。例如，冷水或環(huán)境溫度的水可循環(huán)通過每個熱交換器72的空心內(nèi)管35，當(dāng)水通過空心內(nèi)管35時，它從沸石94帶走熱，同時水被加熱。 然后，將加熱的水送至散熱器或其它的熱交換機(jī)構(gòu)，將加熱的水冷卻，以便再次利用。在有連續(xù)水源的情況下，水可以不用循環(huán)。在一個實(shí)施方式中，內(nèi)部空心管35的外徑可限制在約0. 5英寸至約2. 5英寸。對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，利用本發(fā)明的內(nèi)容，可計(jì)算出生物氣6通過沸石床94 (或所裝其它物質(zhì))的最佳流速。這種計(jì)算一般可考慮這樣一些因素，如結(jié)合(即吸附)反應(yīng)焓變、 結(jié)合常數(shù)、結(jié)合常數(shù)與溫度的任何相關(guān)性以及與要除去的雜質(zhì)相結(jié)合所涉及的動力學(xué)。在一個實(shí)施方式中，起冷卻或加熱作用的流體或其它物質(zhì)可沖入外罩殼50的環(huán)形空間，從而幫助加熱或冷卻每個熱交換器72及其內(nèi)容物(例如通過進(jìn)口 52和出口 56)。 在這樣的實(shí)施方式中，優(yōu)選密封每個單元72的每個外殼40內(nèi)的環(huán)形空間，以防冷卻或加熱流體與通過沸石填充床94的生物氣6發(fā)生混合。圖7顯示了一個特別優(yōu)選的構(gòu)造，它包含至少兩個生物氣調(diào)理器。單一管道4可將進(jìn)料從厭氧消化器2經(jīng)過閥門88送入第一生物氣調(diào)理器96。當(dāng)?shù)谝簧餁庹{(diào)理器96因沸石94不能繼續(xù)有效吸附雜質(zhì)而需要再生時，轉(zhuǎn)動閥門88，將不純的生物氣6送到第二生物氣調(diào)理器98。然后，第一生物氣調(diào)理器96可再生，而第二生物氣調(diào)理器98用于凈化不純的生物氣6。然后，當(dāng)?shù)谝簧餁庹{(diào)理器96的沸石床完成再生(即恢復(fù)到能有效吸附和捕集雜質(zhì)的狀態(tài))和/或第二生物氣調(diào)理器98的沸石94需要再生時，可切換該過程。因此， 兩個或更多個生物氣調(diào)理器可平行配置，使得即使在一個調(diào)理器的沸石正在再生的時候， 也可進(jìn)行連續(xù)作業(yè)。例如，如圖8所示，可利用來自熱交換器的加熱的空氣(或者由另一個正在運(yùn)行的生物氣調(diào)理器產(chǎn)生)加熱沸石床94，釋放結(jié)合在沸石上的雜質(zhì)。例如，左邊的單元可進(jìn)行沸石94的再生，同時右邊的單元對生物氣流進(jìn)行調(diào)理。釋放的雜質(zhì)可收集起來，根據(jù)需要予以處理(例如進(jìn)一步加工成有附加值的產(chǎn)品、吸收、排放等)。在一個實(shí)施方式中，每個生物氣調(diào)理器96、98包含例如設(shè)置在外殼40周圍且/或與外殼40接觸的加熱盤管或其它加熱元件(例如加熱帶)。在對加熱元件進(jìn)行加熱時，熱就傳至各生物氣調(diào)理器的外殼40。根據(jù)勒夏特列原理，由于沸石吸附生物氣6中的雜質(zhì)的反應(yīng)是放熱的(即產(chǎn)生熱量)，因此，若向該系統(tǒng)添加足夠的熱量(例如開啟加熱帶或加熱盤管)，則反應(yīng)平衡向相反方向移動，從而將捕集在沸石94內(nèi)的任何生物氣雜質(zhì)釋放出來。在更優(yōu)選的實(shí)施方式中，適用以下方程式不純的生物氣+沸石一負(fù)載雜質(zhì)的沸石+熱量+基本純凈的生物氣。因此，通過向各生物氣調(diào)理器96、98的外殼40內(nèi)添加熱量 (如熱空氣、熱液體，或者通過加熱盤管或加熱帶加熱)，可使負(fù)載了雜質(zhì)的沸石再生。在其它的實(shí)施方式中，可將熱同時導(dǎo)向外殼40的內(nèi)部和外殼40的外表面46。通過該過程產(chǎn)生的加熱的空氣(例如在吸附過程中取走熱量，或者在沸石再生過程中使用的加熱的空氣)可用來加熱建筑或其它空間。在一些實(shí)施方式中，內(nèi)含經(jīng)過調(diào)理的生物氣8的管道包含一個或多個檢測器，用來測量可能存在于生物氣中的雜質(zhì)。這種檢測器可幫助控制經(jīng)過調(diào)理的生物氣的質(zhì)量。在其它的實(shí)施方式中，生物氣可循環(huán)通過調(diào)理器96、98兩次或更多次(即再循環(huán))，以進(jìn)一步降低生物氣的雜質(zhì)含量。或者，兩個或更多個調(diào)理器可串聯(lián)配置，以達(dá)到類似的結(jié)果。在包含螺旋翅片熱交換元件的實(shí)施方式中，翅片58可具有透過性(例如包含任何所需尺寸的孔洞)，這可使不純的生物氣6更快地通過沸石床，因?yàn)橐恍┥餁?可穿過螺旋翅片中的孔洞90。這種構(gòu)造可縮短生物氣調(diào)理器中的停留時間，增大處理量，但同時會減少吸附，降低所得經(jīng)過調(diào)理的生物氣8的純度。根據(jù)本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易明白， 為獲得所需的性能特性(例如所需純度、流速處理量等)，可對這樣的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在一個例子中，多個螺旋翅片熱交換器72可用罩殼50包住，并且可在它們需要再生之前平行運(yùn)行數(shù)小時。例如，圖5和6所示的實(shí)施方式包含37個平行、獨(dú)立的熱交換器 72，它們可在需要再生沸石94之前運(yùn)行約10小時。根據(jù)本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過常規(guī)試驗(yàn)即可算出和/或找出需要再生之前運(yùn)行時間的長短。影響再生之間的運(yùn)行時間的因素可包括要調(diào)理的生物氣的體積或流速、生物氣的組成、系統(tǒng)溫度、選來吸附雜質(zhì)的沸石或所裝其它材料的規(guī)格及其它因素。在其它條件都相同的情況下，相比于采用37個生物氣調(diào)理器的例子，僅包含3個被罩殼50包住的平行螺旋翅片熱交換器的實(shí)施方式在再生之間的運(yùn)行時間顯著縮短。若包含更多個平行的生物氣調(diào)理器，則可增加生物氣的體積和/或流量，將生物氣調(diào)理至所需純度。若再包含串聯(lián)的生物氣調(diào)理器，則可提高經(jīng)過調(diào)理的生物氣 8的純度水平。在一些實(shí)施方式中，個人使用者可將生物氣調(diào)理裝置改為家用。在其它的實(shí)施方式中，生物氣調(diào)理裝置可按比例放大，供處理城市廢物污水用。生物氣調(diào)理裝置的示例性而非窮舉性的應(yīng)用包括圈養(yǎng)動物飼養(yǎng)活動、城市廢物、城市廢水和酸性天然氣井(例如，特別是遠(yuǎn)離電網(wǎng)的“棄”井)。在一個實(shí)施方式中，本文所述的生物氣調(diào)理器可連接到消化器2 上(圖7)。例如，這種消化器2可利用過氧化氫或其它工藝提高有機(jī)材料到甲烷和/或氫氣的轉(zhuǎn)化率。如圖9所示，多個單元75 (例如，如圖5-6所示的那些單元)可串聯(lián)和/或并聯(lián)作業(yè)，以提高較大設(shè)施的容量和/或提高經(jīng)過調(diào)理的輸出氣流的純度。在一個實(shí)施方式中，該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用來將H2S脫除至濃度約低于5ppm。更典型的效能可以是使其濃度約低于lppm。該系統(tǒng)可將H2O脫除至濃度約低于6500ppmv，更典型的效能是使其濃度約低于1500ppmv。待處理的示例性生物氣流可在至少約35°C的溫度下(例如消化器可在約35°C至約45°C運(yùn)行)，在接近大氣壓下，以約750英尺7天的速度流動，并持續(xù)用水蒸氣飽和。該系統(tǒng)可包含收集產(chǎn)物的控制設(shè)備、結(jié)構(gòu)和/或材料。例如，可將從生物氣調(diào)理系統(tǒng)捕集的轉(zhuǎn)化為元素硫，然后可將其拋棄或作為有附加值的產(chǎn)品賣出。圖10A-10B顯示了另一種熱交換元件。圖10A-10B所示熱交換器172沒有包含螺旋翅片熱交換元件(這種元件加工困難且/或費(fèi)用高)，而是包含外殼140和設(shè)置在外殼 140內(nèi)部中央的內(nèi)管135。外殼140和內(nèi)管135基本上都是空心圓柱形，所以沸石94可裝在內(nèi)管135以及外殼140與內(nèi)管135之間的環(huán)形空間內(nèi)。為清楚起見，在圖IOA中，熱交換器172僅顯示為填充了一部分，但應(yīng)理解，沸石94優(yōu)選基本上填滿內(nèi)管135與外殼140之間的整個體積。外殼140和內(nèi)管135均用熱導(dǎo)率較高(例如至少約50W/m · K)的材料形成，例如鋁和/或鋁合金。此外，外殼140和內(nèi)管135的尺寸經(jīng)過具體設(shè)計(jì)，使得沸石床94內(nèi)任何指定位置與外殼140或內(nèi)管135中的至少一個相距不超過約3英寸，優(yōu)選不超過約1. 5英寸。這種構(gòu)造使熱在生物氣6的吸附處理中能夠被有效傳走，而反過來，在需要有效加熱沸石以趕走吸附的雜質(zhì)的沸石再生過程中，熱又能被有效傳入。例如，在一個實(shí)施方式中，外殼140 的直徑約為8英寸，而內(nèi)管135的直徑約為2英寸。這種構(gòu)造使外殼140與內(nèi)管135之間相隔不超過約3英寸，因而即便在此間隔的中心，沸石與兩個高導(dǎo)熱表面中任何一個表面的距離僅約為1.5英寸。圖1IA-IIB顯示了另一種熱交換元件。圖11A-11B所示的熱交換元件272包含多根管子235，每根在上下歧管14、16之間縱向延伸。每根管子235可基本上為空心圓柱形， 因而沸石94可裝在每根管子235內(nèi)。每根管子235用熱導(dǎo)率較高(例如至少約50W/m ·Κ) 的材料形成，例如鋁和/或鋁合金。另一個實(shí)施方式可包含圍繞所述多根管子235的外殼 (未示出)，例如矩形或圓形，具體取決于管子235的排布；沸石94也可裝在外殼與所述多根管子235之間所限定的空間內(nèi)。此外，每根管子235的尺寸經(jīng)過具體設(shè)計(jì)，使得每根管子所裝沸石床94內(nèi)的任何指定位置與管子235的表面相距不超過約3英寸，優(yōu)選不超過約1. 5英寸。這種構(gòu)造使熱在生物氣6的吸附處理中能夠被有效傳走，而反過來，在需要有效加熱沸石以趕走吸附的雜質(zhì)的沸石再生過程中，熱又能被有效傳入。例如，在一個實(shí)施方式中，每根管子235的直徑約為3英寸。這種構(gòu)造使沸石床94中的任何指定點(diǎn)與管子235相隔不超過約3英寸，因而即便在此間隔的中心，沸石與任何高導(dǎo)熱表面的距離僅約為1. 5英寸。圖12Α-12Β顯示了另一種熱交換元件。圖12Α-12Β所示的熱交換元件372包含外殼340和位于外殼340內(nèi)、被設(shè)計(jì)成螺旋構(gòu)造的內(nèi)管335。沸石94可裝入螺旋管335，并任選裝入外殼340與螺旋管335之間的空間內(nèi)。螺旋管335用熱導(dǎo)率較高(例如至少約50W/ m-K)的材料形成，例如鋁和/或鋁合金，外殼340任選用這種材料形成。在另一個實(shí)施方式中，外殼340可包含絕熱材料。此外，螺旋管335的尺寸經(jīng)過具體設(shè)計(jì)，外殼340的尺寸任選經(jīng)過具體設(shè)計(jì)，使沸石床94內(nèi)的任何指定位置與螺旋管335或外殼340中的至少一個相隔不超過約3英寸，優(yōu)選不超過約1. 5英寸。這種構(gòu)造使熱在生物氣6的吸附處理中能夠被有效傳走，而反過來， 在需要有效加熱沸石以趕走吸附的雜質(zhì)的沸石再生過程中，熱又能被有效傳入。例如，在一個實(shí)施方式中，螺旋管335的直徑約為3英寸。在外殼不填充沸石94的實(shí)施方式中，這使沸石94中的任何指定位置與螺旋管335之間的最大間隔約為1. 5英寸。在外殼340也裝載沸石94的實(shí)施方式中，外殼340也用導(dǎo)熱材料形成，并且隔開的距離使螺旋管335與外殼340之間存在的間隙不超過3英寸。上述每種構(gòu)造包含設(shè)置在裝置的上下凸緣之間的熱交換元件，其中至少熱交換元件用高導(dǎo)熱材料(50W/m*K)形成，如鋁或鋁合金，同時包含與熱交換元件接觸的沸石床，其中熱交換元件具有一定的形狀和構(gòu)造，使沸石床內(nèi)的任何指定位置與包含高導(dǎo)熱材料的熱交換元件相隔不超過約3英寸。另外，所述構(gòu)造的制造和操作較簡單，費(fèi)用也不高。例如， 熱交換器或生物氣調(diào)理器的優(yōu)選實(shí)施方式可不含移動部件。根據(jù)本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不難想到滿足這些要求的各種替代性構(gòu)造，這些替代形式落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
還應(yīng)理解，要求專利保護(hù)的本發(fā)明可通過其它的具體形式實(shí)施，只要不偏離其精神或?qū)嵸|(zhì)性特點(diǎn)。所述實(shí)施方式在所有情況下均應(yīng)視為僅僅是說明，而不是限制。因此，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書而不是前面的描述指明。在權(quán)利要求書的等價含義和范圍之內(nèi)的所有變化形式都涵蓋在其范圍之內(nèi)。權(quán)利要求書附后。
權(quán)利要求
1.一種調(diào)理生物氣的裝置，它包含上歧管；下歧管；用來將含雜質(zhì)的生物氣流引入所述裝置的進(jìn)口；至少一個設(shè)置在所述上下歧管之間的熱交換元件，所述熱交換元件包含導(dǎo)熱材料，從而將熱帶出和/或傳入與所述熱交換元件發(fā)生傳熱接觸的沸石床或其它物質(zhì)；包含沸石且與所述熱交換元件發(fā)生熱交換接觸的床，其中所述熱交換元件包含導(dǎo)熱材料，從而在通過所述進(jìn)口將所述含雜質(zhì)的生物氣流引入所述裝置并接觸所述沸石床，以便沸石吸附所述含雜質(zhì)的生物氣流中的至少部分雜質(zhì)時，從所述沸石床帶走熱；以及用來從所述裝置移出經(jīng)過調(diào)理后已除去雜質(zhì)的生物氣流的出口。
2.如權(quán)利要求1所述的調(diào)理生物氣的裝置，它還包含具有上邊沿和下邊沿的外殼；其中所述至少一個熱交換元件設(shè)置在所述上邊沿與所述下邊沿之間的所述外殼內(nèi)；所述沸石床設(shè)置在所述外殼內(nèi)；所述進(jìn)口設(shè)置為穿過所述外殼或所述歧管之一，以便將含雜質(zhì)的生物氣流引入所述外殼；以及所述出口設(shè)置為穿過所述外殼或所述歧管之一，以便將經(jīng)過調(diào)理的生物氣流移出所述外殼。
3.如權(quán)利要求2所述的調(diào)理生物氣的裝置，其特征在于，所述熱交換元件包含螺旋翅片。
4.如權(quán)利要求3所述的調(diào)理生物氣的裝置，其特征在于，所述螺旋翅片的構(gòu)造使所述外殼內(nèi)的任何指定位置與所述螺旋翅片相隔不超過約3英寸。
5.如權(quán)利要求4所述的調(diào)理生物氣的裝置，它還包含與所述外殼熱連接的加熱元件， 其中所述螺旋翅片與所述外殼熱連接，使所述加熱元件的加熱作用將熱傳給所述外殼，所述外殼又將熱傳給所述螺旋翅片。
6.如權(quán)利要求2所述的調(diào)理生物氣的裝置，其特征在于，所述外殼包含外管，所述熱交換元件包含與外管同中心的內(nèi)管，所述內(nèi)管與所述外管之間的間隔不超過約3英寸。
7.如權(quán)利要求2所述的調(diào)理生物氣的裝置，其特征在于，所述至少一個熱交換元件包含設(shè)置在所述外殼內(nèi)的內(nèi)管，所述內(nèi)管在所述外殼內(nèi)被設(shè)計(jì)成螺旋構(gòu)造，所述內(nèi)管的直徑不超過約3英寸。
8.如權(quán)利要求1所述的調(diào)理生物氣的裝置，其特征在于，所述至少一個熱交換元件包含多根管子，每根管子在所述上下歧管之間縱向延伸，每根管子的厚度不超過約3英寸，其中所述沸石床設(shè)置在每根管子內(nèi)。
9.如權(quán)利要求1所述的調(diào)理生物氣的裝置，其特征在于，所述熱交換元件的構(gòu)造使所述填充床內(nèi)的任何指定位置與所述熱交換元件相隔不超過約3英寸。
10.如權(quán)利要求1所述的調(diào)理生物氣的裝置，其特征在于，所述熱交換元件包含鋁。
11.一種調(diào)理生物氣的裝置，它包含外殼，所述外殼包含上邊沿和下邊沿；用來將含雜質(zhì)的生物氣流引入所述外殼的進(jìn)口；至少一個設(shè)置在所述外殼內(nèi)并在所述上邊沿與所述下邊沿之間延伸的熱交換元件；設(shè)置在所述外殼內(nèi)并與所述熱交換元件發(fā)生熱交換接觸的包含沸石的床，其中所述熱交換元件包含導(dǎo)熱材料，從而在將所述含雜質(zhì)的生物氣流引入所述外殼和所述沸石吸附所述含雜質(zhì)的生物氣流中的至少部分雜質(zhì)時，從所述填充沸石床帶走熱；以及用來從所述外殼移出經(jīng)過調(diào)理后已除去雜質(zhì)的生物氣流的出口。
12.—種調(diào)理生物氣的方法，它包括提供至少第一和第二生物氣調(diào)理器，每個生物氣調(diào)理器如權(quán)利要求1所述；將含雜質(zhì)的生物氣流引入所述第一生物氣調(diào)理器，以便調(diào)理所述生物氣并得到已至少除去部分雜質(zhì)的經(jīng)過調(diào)理的生物氣流，將所述含雜質(zhì)的生物氣流持續(xù)引入所述第一生物氣調(diào)理器，直至所述第一生物氣調(diào)理器內(nèi)包含沸石的床需要再生；調(diào)整所述含雜質(zhì)的生物氣流的方向，將其引入所述第二生物氣調(diào)理器而不是所述第一生物氣調(diào)理器，使所述生物氣在所述第二生物氣調(diào)理器內(nèi)調(diào)理，同時對所述第一生物氣調(diào)理器中包含沸石的床進(jìn)行再生。
13.如權(quán)利要求12所述的調(diào)理生物氣的方法，其特征在于，所述熱交換元件的構(gòu)造使所述包含沸石的床內(nèi)的任何指定位置與所述熱交換元件相隔不超過約3英寸。
14.如權(quán)利要求13所述的調(diào)理生物氣的方法，其特征在于，所述熱交換元件包含鋁。
15.如權(quán)利要求12所述的調(diào)理生物氣的方法，其特征在于，所述含雜質(zhì)的生物氣流包括從選自下組的至少一種來源產(chǎn)生的生物氣流圈養(yǎng)動物飼養(yǎng)活動、城市廢物、城市廢水和酸性天然氣井。
16.如權(quán)利要求12所述的調(diào)理生物氣的方法，其特征在于，所述第一生物氣調(diào)理器中的沸石床的再生通過加熱所述熱交換元件完成，所述熱交換元件將熱傳到所述沸石床，使所述第一生物氣調(diào)理器的沸石床中的沸石所吸附的雜質(zhì)釋放出來。
17.如權(quán)利要求16所述的調(diào)理生物氣的方法，其特征在于，每個生物氣調(diào)理器還包含與所述熱交換元件熱連接的加熱元件，對所述熱交換元件的加熱通過加熱所述加熱元件實(shí)現(xiàn)。
18.一種熱交換器，它包含在上邊沿與下邊沿之間延伸的外殼；設(shè)置在所述外殼內(nèi)并繞著所述外殼的縱軸盤旋的螺旋翅片熱交換元件，所述螺旋翅片熱交換元件基本上從所述外殼的所述上邊沿延伸到所述下邊沿；其中所述螺旋翅片熱交換元件包含導(dǎo)熱材料，從而將熱帶出和/或傳入裝在所述外殼內(nèi)并與所述螺旋翅片熱交換元件發(fā)生傳熱接觸的沸石床或其它物質(zhì)。
19.如權(quán)利要求18所述的熱交換器，其特征在于，所述螺旋翅片熱交換元件的構(gòu)造使所述外殼內(nèi)的任何指定位置與所述螺旋翅片熱交換元件相隔不超過約3英寸。
20.如權(quán)利要求19所述的熱交換器，其特征在于，所述螺旋翅片熱交換元件包含鋁。
全文摘要
本發(fā)明提供了熱交換器和生物氣調(diào)理器，它們包含設(shè)置在該裝置的上下凸緣之間的熱交換元件，其中至少熱交換元件用高導(dǎo)熱材料(例如至少50W/m·K)形成，如鋁或鋁合金。將沸石床裝在該裝置內(nèi)，使其接觸熱交換元件。熱交換元件具有一定的形狀和構(gòu)造，使沸石床中的任何指定位置與包含高導(dǎo)熱材料的熱交換元件相隔不超過約3英寸。
文檔編號B01D53/02GK102596368SQ201080037931
公開日2012年7月18日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月21日
發(fā)明者J·C·漢森, L·D·漢森 申請人:布萊恩·楊大學(xué)