CN101155642A - 燃烧之前从含碳材料减少污染物的方法 - Google Patents

Abstract

在应用例如燃烧之前，降低含碳材料例如煤、褐煤等中潜在污染物的方法，优选实施方式中本发明通过共振分解处理所述材料，特别包括快速加压和降压，将材料减小至优选平均值约50微米或更小的粒度。然后基于微粒化含碳部分和矿物部分之间的物理差异，可以通过分级技术除去结合在矿物部分中并被所述处理微粒化的污染物，例如硫、汞和其它重金属。燃烧基本上没有矿物部分的微粒化含碳部分产生的排放物的硫、汞和其它有毒物质的水平降低。本发明方法进一步包括通过对所述材料进行共振分解，从含碳材料例如煤、褐煤等除去水。

Description

燃烧之前从含碳材料减少污染物的方法

技术领域

本发明通常涉及从含碳材料例如煤、褐煤等中减少污染物的方法，特别是已知为″洗煤(coal cleaning)″法的方法。本发明还涉及从这类含碳材料除去水，以及增加该材料热值的方法。

背景技术

一直以来本领域已知煤和类似的含碳材料是″杂质混合物″。除了这些有价值的资源性质在这一理解中的诙谐内涵以外，所挖掘的已知为煤等并通常用于燃烧产生可用能量例如电能等的含碳原材料，令人遗憾地除了有机组分之外，还包含很少或没有热值的无机成分。无机成分不增加煤的能量含量，而是构成″杂质″，当其与有机组分一起燃烧时，产生环境污染物，这限制了煤等的用途，甚至需要大量和昂贵的燃烧后工作，以除去这些污染物。无机成分通常通过自然过程掺入煤，本领域通常称其为″矿物质″，无论是否以矿物或非矿物形式存在。该矿物质和煤有机成分的残余物通常称为″灰分″，之前的洗煤方法想要部分减少灰分以增加煤的燃烧前热值。之前的洗煤方法已经证实在除去矿物质例如黄铁矿、硫化物等中至少部分有效，从而相应减少灰分和后燃污染物，并增加洗净煤的热值。这样的在前方法通常包括粉碎或研碎原煤，随后利用产生的含碳和矿物颗粒之间的密度差，进行物理分离处理。由于粉碎原煤所需的能量，由于该方法的高冲力性质，粉碎装置还需要经常修补和更换零件，这些在前方法是昂贵的。与作为主要成分的煤有关的矿物质，例如铁、铝、硅和碱金属和碱土金属例如钙、钠和钾有助于形成灰分。痕量元素例如汞、砷、镉和其它重金属具有潜在不利环境和人类健康的影响。政府法规现在限制汞量，特别是发电厂排放物等中的汞量。其它重金属的法规也将变得更严格，因为这些污染物对健康的影响已得到认识并且工业发展了解决这些健康和环境问题的能力。1990年清洁空气法修正案(Clean Air Act)提出189种物质作为有害的空气污染物，包括11种通常在煤中以痕量级发现的非放射成因的元素，包括锑、砷、铍、镉、铬、钴、铅、汞、锰、镍和硒。放射性核素整个类别被认为是污染物，包括铀和钍。煤和类似的有机含碳材料燃烧期间，至少某些这些痕量元素的至少某些量以挥发物形式被释放进入大气，或被逸入大气的细颗粒携带入。这些形成污染物的物质，许多或大部分结合进入矿物质例如黄铁矿和硫化物，尽管这些物质另外也存在于原煤中。以相对于现有技术方法具有成本效率地除去至少相当部分结合在黄铁矿、硫化物等中的污染物形成物质，构成了本领域主要的进步。本方法导致离散固体相的释出提高，包括煤和类似有机含碳材料中存在的有机和矿物相的释出提高，而降低灰分、硫和痕量元素含量，从而提供处理煤例如燃烧前处理和特别是处理低级煤的成本有效方法，以增加所述煤的热值，同时降低所述煤燃烧时形成的污染物水平。

可以通过燃烧前减少水改善含碳材料例如褐煤和煤，除去水增加了所得材料的热值。然而，先前减少水的方法部分由于加热所述材料以逐出水分需要能量，是昂贵的。

发明公开

在此引入美国专利6,135,370；6,227,473；6,405,948和6,726,133的公开内容作为参考。

此处公开本发明包括释出嵌入、包括和/或结合在有用有机含碳基体例如煤等矿物质中的方法，释出的矿物质通常为黄铁矿、硫化物等的形式，并具有物理性质例如比重明显不同于含碳基体有机部分的比重，从而可以例如用多种分离方法从其中分离。分离可以通过风选方法、磁性或静电方法以及特别是电子方法实现。根据本发明释出的矿物质包含致使煤或其它有机含碳材料燃烧后形成灰分的物质，例如铁等，和致使燃烧后形成污染物的痕量元素，例如汞、砷、镉、多种重金属和放射性核素。根据本发明还释出了该矿物质中包含的硫化合物，根据本发明能够从有机含碳基体释出的矿物质颗粒可与含碳基体颗粒分离，使得可燃的基体然后能用作能源等，并且热值增加，污染物排放减少。当煤受到例如气化等的处理时，根据本发明处理含碳基体例如煤等也证实是有用的。

根据本发明优选实施方式，处理原煤或其它含碳材料，将所述煤降至约50微米级的优选平均粒度，煤的有机和无机成分被分离成离散的有机和无机相，对煤颗粒上的污染物形成物质例如汞的剪切力最小。传统冲击处理中，煤在洗净前粉碎以降低粒度，随后燃烧或用作其它，由于该冲击处理的性质，污染物形成物质会被涂污到煤的表面上。本文公开的非冲击或相对低冲击处理显著减少了矿物质主要从离散矿物相的涂污和/或结合，从而增加了利用之前煤中可除去的包括有害痕量元素的矿物质的比例。

本发明方法基本上″洗净″了其中嵌入、包含或结合杂质的煤和类似的有机含碳基体，从而最大化减少了形成灰分的矿物质、硫和环境上不合需要的痕量元素，并且最小化能量含量的损失，其中煤是所述含碳基体的主要实例。本发明方法包括使原煤或基本上原煤进行共振分解，例如可以包括快速升压和降压，例如用特别是美国专利6,135,370中公开的共振分解方法，致使处理中的材料成分根据不同弹性，在不同频率下共振，从颗粒形式无机矿物成分中相对洗净释出有机含碳成分，从而使有机和无机成分的交叉比例最小化，从而降低了后续分离后含碳相中矿物质的存在率，并降低分离矿物相中有机物的存在率。减少进入分离矿物相(一个或多个)的有机遗留物增加了用于后续能源或其它应用用途的分离有机相的可用含量。特别是，本发明方法通过在发电厂中燃烧之前，提高从煤中除去黄铁矿等，可以充分除汞，使成本效益符合目前要求的汞排放标准。

通过降低水含量，改善包括煤、褐煤等的含碳材料处理，从而改善得到的材料的热值。因此本发明的处理通过减少并存的水改善了所述材料的热值，同时准备了用于后续去除处理的无机物。

根据本发明处理煤和类似含碳材料，使煤经受破坏性共振，特别是冲击波和产生旋涡的剪切力，将煤的粒度减小至优选平均值约50微米和以下，而没有将原料的含碳和矿物成分涂污在一起。根据本发明处理至大于和小于50微米粒度也是预期内的。本发明非冲击或相对低冲击处理需要的能量明显少于传统冲击/研磨处理所需的能量。本发明产生的粒度和规格比传统方法可能得到的更均匀，从而更可预见到所得颗粒有机部分的燃烧特性，在用作燃料或其它之前，从该有机部分分离其中包含的颗粒无机部分，特别是黄铁矿、硫化物等。从而显著减小燃烧后汞、硫和其它潜在危险和/或有毒化合物的排放，无论有或者没有燃烧后排放控制。根据本发明从煤中除去的无机部分可以作为废物处理，或可以用作有价值的副产物资源。

本发明的优选实施方式中，将其中结合有无机矿物的原煤或类似含碳材料例如褐煤和亚烟煤材料装入共振分解研磨机的入口，例如此处引入作为参考的美国专利中公开的，原煤立即被多个转子产生的流带走，所述转子装在旋转轴上，以例如约2500至5000rpm的旋转速度运动，也可以使用更大转速。该处理期间，使煤经受交替增加和降低的压力，导致煤沿着转子外围边缘交替地向外和向内流动，并从位于相邻放置的多个转子对之间的板中形成的孔通过，每个孔板从包含转子和孔板的壳体内壁向内延伸至中心孔口，其提供了围绕着转轴的孔，转轴上装配了转子。作用于煤上的压力随着煤流通过每个孔而交替增加和降低，并在每个孔板下方的空间增大。由于被壳体中包含静态结构的转子上叶轮传动，流动中出现压缩和减压。压缩和减压的幅度和时程可以不同。研磨机内的原材料流基本上没有煤对研磨机结构部分的高角度冲击，从而防止磨损研磨机，并避免冲击处理产生有机和无机成分涂污在一起，例如在包括球磨机和喷射磨的粉碎装置中发生的。

合适的非冲击或低冲击研磨机中采用的转子可以相互有角度偏离，使得压缩和减压不同步。根据转子数、转子上的顶端数、壳体内布置的静态交错元件数以及研磨机的其它结构特性，可以建立频度不同的一系列压缩和减压。可以调整压力变化频率，以谐振特定煤的特征，以更有效加工特定煤。

因此，本发明的一个目的是提供处理有机含碳材料例如煤的方法，以在利用含碳材料的有机成分之前除去无机成分，从而增加其热值，并在随后从无机成分分离的有机成分用作燃料时减少污染物。

本发明另一个目的是提供煤等的低能量应用前处理方法，将煤的有机和无机成分粒度减少至优选平均约50微米和更小的尺寸，没有成分的涂污以及所导致的不能有效分离相应的成分，没有其它成分上携带的任何成分的遗留部分。

本发明另一个目的是通过煤的用前处理，在用作燃料之前以共振分解从有机成分释出无机成分，随后分离相应的成分，提供了减少来自煤等的燃烧污染空气的方法。

本发明的另一个目的是提供一种通过减小水含量来增加含碳材料例如煤、褐煤等热值的方法，无论是否结合随后除去准备通过分级方法除去的无机物。

根据下列优选实施方式的详细说明，本发明的其它目的和优点将变得更加明显。

本发明的最佳实施方式

本发明的优选实施方式处理其中以矿物质形式结合了无论是否是痕量的无机成分的煤和类似的含碳材料例如褐煤，用于至少释出其某些形式，随后通过从有机成分分离释出无机成分，从而增加得到的有机部分的热值，并降低作为燃料的有机部分燃烧产生的废气中的环境有害物质例如硫、汞和重金属的水平。包括痕量元素的煤等中不合需要的物质，根据矿物成分的形式，可以是煤的孔隙水中存在的溶解盐类和其它无机物质、结合在煤素质中有机成分内的无机元素和离散无机颗粒、结晶和非结晶。任何痕量元素可以在一种煤中以多于一种的形式存在，并且存在形式在煤之间可以改变。特定煤或类似含碳材料因此可以具有不同形式，其中所述痕量元素和矿物质存在形式不同于另一种煤。

通过水洗，溶解盐类等可以从除了低级煤之外的大部分煤中除去，或可被忽略不计。痕量元素结合有机和/或矿物成分产生环境影响。虽然与煤的有机成分化学结合的痕量元素化学能抵抗清除，但通过实施本发明，与嵌入、包括或其它方式结合在有机成分中的离散无机颗粒相结合的无机物易于除去或减少，特别是理解该方法所关注的煤矿类似物。Gross煤矿物具有四种基本矿物类型，即石英、粘土、包括黄铁矿和碳酸盐的硫化物。煤中矿物可以得自富矿物部分或伴随的顶部和底部岩石，以及沉积和岩化期间引入的外部elasticts。矿物可以分离的晶体存在，并可以不同结构形式存在于煤的有机基体中。特别地，黄铁矿可以单个晶体、空隙填充物、不规则和树枝状物质以及被称为微球粒的簇存在，这是特定对于个体煤更为重要的形式，块粒更大，更容易从煤中除去。当存在于黄铁矿和其它硫化物中的痕量元素在煤的有机基体内是嵌入或包括的形式时，根据本发明除去痕量元素是最有效的。本发明方法在煤的矿物成分和有机成分之间的物理化学界面剪切材料。使原煤或用其它方法或处理得到的包含矿物质的精炼煤经受共振分解处理，也导致沿着材料的有机和无机成分内天然平面的裂解，从而形成有机和无机成分的颗粒，其粒度优选平均约50微米和更小，尽管可以得到更小或更大的平均值。分离处理容易实现，例如传统风选、磁力分离、静电分离和例如基于有机和无机颗粒之间的物理差异等。得到的颗粒有机部分基本上没有黄铁矿等中可能存在的痕量元素，例如涂污在有机颗粒表面上的汞，大部分痕量元素和起初为离散无机材料形式的物质例如硫可以从有机部分除去，然后有机部分可用作能够燃烧的燃料，并显著降低了燃烧排放物中环境有害痕量元素等的水平。

本发明优选实施方式中，用共振分解，例如此处引入作为参考的专利中所公开的方法，处理含碳材料，特别是有机含碳材料例如煤、褐煤和其它岩化或非岩化的材料。然而，本发明的共振加工或共振分解处理预期是使材料在合适的装置中，以选择的一种或多种频率接受共振，产生沿着材料内天然解理面和物理化学界面产生裂解。不考虑产生共振的方式进行共振，导致材料粒度降低，部分颗粒例如其有机成分以不同于其无机成分内发生的速度裂解。这样的差异性裂解可以由于产生的一种或多种频率而发生。根据本发明，通过增加和降低作用于材料上的压力负荷产生的脉冲，可以产生共振。在高速材料流中，剪切力和重力起降低粒度的作用，所有这类减少粒度的机制的发生基本上没有颗粒之间的冲击，并且没有颗粒和用来作用于颗粒产生共振或对颗粒产生其它作用的装置表面之间的冲击。诱导器、换能器和共振分解研磨机，例如此处引入作为参考专利中公开的研磨机，引起材料中的共振，以降低粒度，而不冲击颗粒。可以利用非消除谐波促进共振加工，并可以根据本发明处理的限定改变曳动流体内的速度。根据本发明，可以在垂直取向或水平取向的研磨机中进行共振加工。该磨机内可以产生驻波，以促进非冲击降低粒度。

根据本发明特定优选实施方式的方法包括将材料以强流装入共振分解研磨机，粉碎材料，由于紧随转子外周和孔板边缘的轮廓形成Coanda效应，使得与研磨机壳体内部或壳体包含的其它结构的接触最小。当环绕转子的周围边缘和孔边缘时，该Coanda流快速改变方向，并在向外辐射流和向内辐射流之间交变。孔径可以持续增加，以保持负向反压力，通过保持曳动液体和颗粒的高速度，有助于保持Coanda流。共振分解研磨机可以将材料的大颗粒或块分解成微米级颗粒，而很少或几乎不磨损磨机。每次处理材料产生的冲击波连同转子叶片经过壳体转角产生的另外的冲击波经历了快速的加速，在磨机内产生快速尺寸降低。煤的有机和无机成分特征性地表现出不同的弹性，并在施加如前所述冲击波时，以不同频度共振，以提供无机成分从煤的有机基体相对洗净地非冲击释出。根据本发明的教导，颗粒之间的冲击最小化。

如前所述共振洗净分解处理的Wyoming Wyodak、Illinois#5和Pittsburgh#8煤样品释出黄铁矿矿物，释出的矿物通过旋流分级和其它已知方法除去，得到相对洁净的煤，其水含量减小，并特别是由于共振分解处理期间产生的热量除去了孔隙和其它结合水，并除去了煤的大部分无机成分，因而根据相关的BTU值，热值增加。褐煤的处理特别适用于除水。共振分解后的处理可以在Baumjig、稠密介质洗净器、稠密介质旋流分离器、旋液分离器或通过泡沫浮选或油聚集中进行。可以使用传统装置进行重力分离。共振分解后分离过程也可以包括磁性静电和电子处理。

根据本发明处理的Wyoming Wyodak、Illinois#5和Pittsburgh#8煤的固体尺寸为直径一至三英寸，以4250至4350rpm在共振分解磨机中处理。在通过研磨机一次后，Wyodak煤的d50减小至278微米，第二次处理产生d50为145微米。第二次通过是为了释出黄铁矿等，其不能以更大粒度暴露。Wyodak煤的较软性质可以导致煤的d50大于Illinois和Pittsburgh煤。Illinois煤的两次通过各自产生的d50为45微米和33微米，各次运转的显微检查表明一次通过释出的黄铁矿等与两次通过同样有效。单次运转Pittsburgh煤产生的d50为77微米。

如此处理的煤不用外部施加热量就可减小含水量。Wyodak和Illinois煤的水分降低大于2％初始重量，Illinois煤减少了约50％的初始水分。根据本发明处理褐煤减小水含量，并增加得到的处理材料的热值。在进一步利用得到的材料之前，可以在随后除去或不除去无机物的情况下，进行该处理。

处理的煤送至南伊利诺斯大学(Southern Illinois University，SIU)的煤素质分离实验室(Maceral Separation Laboratory)进行检查。SIU注意到黄铁矿以单个小晶体、微球粒和大量矿脉和晶胞填充物存在于主体煤中，而且基于岩相分析，全部这些类型的黄铁矿都被释出。SIU还估计约90-95％黄铁矿从全部三种煤的含碳部分释出。在之前和之后，分析原料、未加工的煤和共振分解处理的煤的样品的近似/最终硫形态、汞总量和元素汞。然后大约一半处理的材料通过商业分离过程运行，从有机材料除去释出的黄铁矿。Illinois#5的煤样品也在密度梯度离心机(DGC)中分离，用于比较。商业上分离煤和矿物相送去分析，在Western Research Institute，Laramie，Wyoming的燃烧试验研究室(Combustion Test Facility)中测试，测定处理、进料、燃烧和排放特征。本发明清洁方法恢复了高百分率的全部三种煤的初始热值。对于Wyodak样品，洗净部分中保持了95％的BTU值，Pittsburgh煤中保持了90％的BTU值，Illinois#5煤中保持了98.5％的BTU值。释出和分离对Wyodak煤有效，除去了约82％黄铁矿硫。处理Illinois#5和Pittsburgh#8煤分别除去约26％和20％黄铁矿硫。当用DGC进行分离时，Illinois煤的黄铁矿硫减少64％(与26％相比)，表明分离方法限制了黄铁矿材料的清除。

通过从煤中除去黄铁矿，而从煤中除去汞。在原料样品中测量每种煤的汞总量，然后洗净样品。Wyodak煤中，约30％汞随着黄铁矿被除去，14％的汞从Pittsburgh煤中被除去。

可以在进行本发明共振处理后，通过除燃烧以外的方法处理含碳材料、特别是有机含碳材料例如煤、其它岩化的材料、烟煤材料、亚烟煤材料、褐煤等，该处理包括多种形式的气化。由于本方法以能量效率减小粒度至实际上任何所需尺寸范围的性能，气化可以通过先使用本方法得以改善，从而随着粒度进一步变小，产生材料的表面积增加。因而如此处理的材料具有尺寸减小的颗粒形状，更具反应性，并因此更有效用于进一步处理例如燃烧、气化等，以有利的能量消耗和对减小尺寸的装置表面的最小磨损，材料减小至合乎需要的粒度。本发明形成的共振处理颗粒的气化可以在分离材料的至少某些无机成分的之前或之后进行，例如所述材料燃烧导致产生污染物之前或之后进行。优选在气化之前除去相当比例的污染无机成分，以确保无机成分不会带入气化产生的产物中的可能性。

通过将有机含碳颗粒加入可以在大柴油发动机等中燃烧的浆料，发现将煤减小至足够小的粒度的进一步用途。可以充分增加煤反应性，使得在该情况下燃烧，并具有可接受的碳等的残余物。

通过将石灰石的粒度降低至d90为15微米，可以进一步改善煤的利用，根据共振分解处理的石灰石颗粒用于烧煤锅炉中酸气体的控制。石灰石的处理根据微晶、粗晶和其它含碳酸钙的石灰石性能而改变。本发明的处理可以从尺寸约1英寸的石灰石开始，但是优选粒度的d90约为325目。通过使用d90小于15微米的石灰石，例如此处教导通过共振分解处理可以经济制备的石灰石，显著降低煤燃烧中产生的二氧化硫的控制。

根据此处教导非冲击或基本上非冲击方法，处理含碳材料和特别是有机含碳材料，在从所述材料中除去黄铁矿等中特别重要。本发明非冲击处理降低了材料中化学和物理变化可能性，并且具有能量效率。发现从煤等中如此除去黄铁矿特别可用于从包含与黄铁矿表面键合或者缔合的汞的煤中除去汞。

根据本发明处理的含碳材料中水的减少导致处理材料对抗再水合，即使在处理材料接触普通湿度条件时，与小于一半原始水分水平的值发生再水合要超过几周时间。根据本发明减少水与制备此处所述的无机物和污染物用于随后通过分级方法除去基本上是同时的，无论所述无机物随后是否被除去。如此处理的含碳材料可以在共振分解之前进行处理，以预激发材料，例如通过微波辐射、高频辐射等，通过快速膨胀增加水的减少。通过此处描述的仅一次通过装置，单次通过的褐煤含有35至40％原始水分，减少含水量至约20％。Victorian褐煤具有约60质量％的含水量，所以处理后表现出水分减少至初始含水量的约一半。

虽然本发明已经参考其特定实施方式公开，但应该认识到本发明范围仅由附加权利要求提供的限定而限制。

Claims (22)

1.一种从含碳基体释出矿物质的方法，包括使含碳基体进行共振分解的步骤。

2.根据权利要求1的方法，其中所述含碳基体包括有机含碳基体。

3.根据权利要求2的方法，其中所述矿物质包括硫化物。

4.根据权利要求3的方法，其中所述矿物质包括黄铁矿。

5.根据权利要求3的方法，其中所述硫化物含有痕量元素。

6.根据权利要求5的方法，其中至少一种痕量元素包括汞。

7.根据权利要求5的方法，其中至少一种痕量元素选自砷和铅。

8.根据权利要求5的方法，其中所述痕量元素包括重金属。

9.根据权利要求1的方法，进一步包括从含碳基体颗粒分离释出的矿物质的步骤。

10.一种处理具有与其有机成分结合的矿物成分的煤的方法，包括用非冲击处理减小煤粒度的步骤，以防止在其它成分表面上涂污任一所述成分。

11.根据权利要求10的方法，进一步包括将无机和有机成分的颗粒彼此分离的步骤。

12.一种物质组合物，其包括平均粒度约500微米或更小的煤颗粒，所述颗粒表面基本上没有分布在煤颗粒表面上的无机物质。

13.根据权利要求12的物质组合物，其中形成煤颗粒的煤通过进行共振分解减小成颗粒。

14.根据权利要求12的物质组合物，其中形成煤颗粒的煤通过非冲击处理减小成颗粒。

15.一种从细煤粉释出矿物质的方法，包括使细煤粉进行共振分解的步骤。

16.根据权利要求15的方法，进一步包括从细煤粉颗粒分离释出的矿物质的步骤。

17.一种从包括煤、褐煤和亚烟煤材料的有机含碳基体除去水、同时降低基体粒度的方法，包括使基体进行共振分解的步骤。

18.一种在燃烧之前从含碳基体中释出汞的方法，包括使基体进行共振分解的步骤。

19.根据权利要求18的方法，其中所述含碳基体包括煤，并进一步包括从煤分离释出的汞的步骤。

20.根据权利要求18的方法，其中所述含碳基体包括煤，并且从中释出的汞与其中存在的黄铁矿结合，所述黄铁矿也从其中释出。

21.一种从有机含碳基体释出矿物质的方法，包括通过非冲击处理分解至少所述基体的步骤。

22.一种物质组合物，其包括通过非冲击分解基体产生的平均粒度约50微米或更小的有机含碳基体颗粒。