CN101851536B - 用于混合褐煤浆与焦炭浆的方法和设备 - Google Patents

用于混合褐煤浆与焦炭浆的方法和设备 Download PDF

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Abstract

一种方法可包括制备(62，66，70)焦炭浆，独立于该焦炭浆而制备(64，68，72，74)褐煤浆，以及组合(76)该焦炭浆与该褐煤浆以形成焦炭/褐煤浆。

Description

用于混合褐煤浆与焦炭浆的方法和设备
技术领域
本文所公开的主题涉及焦炭和褐煤气化。更具体而言，本发明所公开的实施例涉及在气化之前制备进料浆。
背景技术
例如煤或石油这样的化石燃料可被气化用于发电，生产化学品、合成燃料或多种其它应用。气化涉及使含碳燃料与氧气在很高温度起反应以产生合成气，一种包含一氧化碳和氢气的燃料，其比燃料的原始状态更有效地燃烧且更清洁。
不同含碳燃料可被气化但获得不同程度的成功。即，较高热值大体上表示燃料更易于燃烧。材料热值是燃料与氧气燃烧释放的能量的量度。举例而言，通过裂解石油产生的石油焦具有相对较高的热值且因此易于气化。相反，具有高水分和高灰分含量的褐煤具有很低的热含量且因此难以气化。在某些情形下，褐煤包含过多的水分和灰分而难以气化。但褐煤比焦炭便宜很多，其必须在气化之前得到(即，裂解)。因此，可能需要发展可将褐煤与焦炭一起气化的系统和方法。
发明内容
在下文中概述了符合最初要求保护的发明的范围的某些实施例。这些实施例并不意图限制要求保护的发明的范围，而是这些实施例仅用于提供本发明可能形式的简要概述。实际上，本发明可涵盖与下文所陈述的实施例相同或不同的多种形式。
在第一实施例中，一种方法包括制备焦炭浆；制备褐煤浆；以及，组合焦炭浆与褐煤浆以形成焦炭/褐煤浆。
在第二实施例中，一种系统包括给料制备和运输系统。该给料制备和运输系统具有：第一浆槽，其用于混合褐煤与水以形成褐煤浆；第二浆槽，其用于混合焦炭与水以形成焦炭浆；以及，第三浆槽，其用于混合褐煤浆与焦炭浆用于形成焦炭/褐煤浆。
在第三实施例中，一种方法包括从水分含量为至少29％和灰分含量至少30％的褐煤生产可气化的焦炭/褐煤浆。
附图说明
当参看附图来阅读下文的具体实施方式时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将会变得更好理解，在所有附图中，相似的附图标记表示相似部件，其中：
图1是根据本发明实施例的示例性吹氧整合气化组合循环发电系统的方块图；
图2是根据本发明的实施例如图1所示的示例性气化制备与进给系统的方块图；以及
图3是根据本发明的实施例用于制备焦炭/褐煤浆的示例性方法的流程图。
具体实施方式
现将在下文中描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简洁描述，在说明书中可不描述实际实施方式的所有特征。应了解在任何这些实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多具体实施决定来实现开发者的具体目的，例如符合系统相关和商务相关的约束，在实施方式之间这些约束可不同。此外，应了解，这些开发工作可复杂且耗时，但仍然是受益于本公开内容的技术人员设计、制作和制造的常规任务。
当在介绍本发明的各个实施例的元件时，冠词“一”、“该”或“所述”意图表示这些元件中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”意图是包括性的且表示可存在除了所列出的元件之外的额外元件。
在某些实施例中，本文所述的系统和方法包括使褐煤能在焦炭/褐煤浆中气化。焦炭/褐煤浆可通过组合焦炭浆与褐煤浆而产生。可单独地研磨焦炭和褐煤并将每种成分引入到专用浆槽(即，单独的第一浆槽与第二浆槽)来产生个别浆。由于褐煤是亲水性的，褐煤浆可在褐煤浆槽中稳定(例如，搁置直到褐煤不再明显地吸水)，之后在第三浆槽中混合褐煤浆与焦炭浆。在使焦炭/褐煤浆稳定后，其可被发送到气化器用于在(例如)发电系统中使用。示例性焦炭/褐煤浆可包含大约50％的焦炭浆和大约50％的褐煤浆。在另一实施例中，示例性焦炭/褐煤浆可包含大约60％的焦炭浆和大约40％的褐煤浆。原本不可气化的褐煤可使用本实施例而气化，如在下文中详细地讨论的。举例而言，用于产生褐煤浆的褐煤可具有超过大约29％的水分含量和超过大约30％的灰分含量。
图1示出了示例性吹氧整合气化组合循环(IGCC)发电系统10。例如焦炭和褐煤的含碳燃料可经由给料制备和运输系统12引入到系统10，如在下文中更详细地描述的。该进给系统12向气化器14提供燃料浆13，其中燃料与氧气(O2)和蒸汽(H2O)混合。可从空气分离器15提供氧气。气化器14加热反应物超过大约700℃以燃烧燃料浆中的挥发性成分。由于氧气、蒸汽与碳(C)之间的化学反应，气化产生氢气(H2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)。
除了碳之外，煤可能包含在燃烧过程中不太希望的其它成分。举例而言，不同类型的煤可包含不同量的灰分、硫、氢、氮、氧和氯化物。在气化过程后，可作为矿渣16从系统10移除这些成分中的许多成分。剩余成分17从气化器14传送到气体冷却与处理系统18。硫成分19可从冷却与处理系统18移除且被发送到硫产生系统20用于纯化。水可作为蒸汽21和液体22从气流移除。蒸汽21可再循环到气化器14和/或发送到热回收蒸汽发生器(HRSG)23。液态水22可发送到水处理系统24。
离开气体冷却与处理系统18的气流可为“清洁”合成气25。合成气25然后可运送到燃烧器26，其中合成气25以远比进给到进给系统12内的原始含碳燃料更高的效率燃烧。空气27也可自压缩机28提供到燃烧器26以一定燃料空气比与合成气25混合用于燃烧，且氮气29可经由稀释氮气压缩机(diluent nitrogen compressor)30从空气分离器15提供到燃烧器26来冷却燃烧反应。然后，来自燃烧器26的排气31可被进给到涡轮32，涡轮32可驱动压缩机28和/或发电机33。然后，来自涡轮32的排气34可进给到HRSG 23，HRSG 23可从排气34和从自气体冷却与处理系统18进给的蒸汽21回收热。所回收的热可用于驱动蒸汽涡轮35，蒸汽涡轮35可驱动发电机36发电。然后，来自蒸汽涡轮35的蒸汽37可运送到冷凝器38。冷却流体39可从冷却塔40提供到冷凝器38。来自冷凝器38的冷凝蒸汽41然后可再循环到HRSG 23。HRSG 23也可具有烟囱42，压力可通过烟囱42向大气释放。
转至图2，示出图1的示例性给料制备和运输系统的更详细方块图。在图示实施例中，系统12可包括至少三个浆槽50、52和54。由于焦炭和褐煤的不同性质，每种成分可分别在槽50与槽52中独立地制浆，然后在气化之前在浆槽54中组合。过去曾尝试将褐煤与焦炭在一起制浆，但由于多种原因未能成功。举例而言，焦炭远比褐煤更硬且因此不像褐煤一样易于研磨。即，研磨的焦炭/褐煤混合物将得到不均匀的粒度，因为当研磨时褐煤比焦炭更细。因此，进给系统12可包括单独的研磨机56和58用于分别研磨焦炭和褐煤。此外，褐煤远不如焦炭稳定。即，褐煤比焦炭吸收更多的水。这种不稳定性导致褐煤浆随时间增稠。通过独立地制备焦炭与褐煤浆，可使褐煤浆在褐煤浆槽52中稳定(即，搁置直到褐煤不再明显地吸水)，之后在槽54中将褐煤浆与焦炭浆混合。此外，可希望在将浆料进给到气化器14(图1)之前使焦炭/褐煤浆在槽54中进一步稳定。所得到的焦炭/褐煤浆可如上文关于图1所述的那样气化，即使在原始褐煤给料由于高水分含量和/或灰分含量不可气化的情况下。
图3示出了用于产生可气化焦炭/褐煤浆的方法60。该方法可始于接收焦炭(方块62)和褐煤(方块64)用于制浆。在一些实施例中，焦炭可(例如)通过裂解重烃或者通过在很高温度(例如，高达大约2000℃)在无空气炉中烘焙烟煤而产生。然后，焦炭和褐煤被单独地研磨(分别为方块66和68)。由于褐煤大体上远比焦炭更软，褐煤研磨(方块68)可远比焦炭研磨(方块66)更快。举例而言，大约500lbs的褐煤批可研磨(方块68)大约30分钟，而大约500lbs的焦炭批可研磨(方块66)大约50分钟。在某些实施例中，对于等批大小，褐煤研磨持续时间可小于焦炭研磨持续时间的大约30％、40％、50％、60％或70％。
然后，研磨过的焦炭可与水混合以形成焦炭浆(方块70)。同样，研磨过的褐煤可与水混合以形成独立于焦炭浆的褐煤浆(方块72)。为了形成浆(方块70和72)，500lbs的研磨过的焦炭可与大约120加仑的水混合，且500lbs的研磨过的褐煤可与大约180加仑的水混合。在某些实施例中，对于等批大小，添加到褐煤的水可大于添加到焦炭的水的大约125％、150％、175％、200％、225％或250％。因为褐煤是亲水性的，其可从浆和大气水分吸水，使得浆随着时间稠化。褐煤可继续吸水直到其到达平衡水分；因此，褐煤浆可搁置于褐煤浆槽中直到褐煤浆变稳定(例如，褐煤到达其平衡水分)(方块74)。
在使褐煤浆稳定之后，可在焦炭/褐煤浆槽中将褐煤浆与焦炭浆混合(方块76)。在一实施例中，焦炭浆和褐煤浆可以大约相等比例混合以形成50/50焦炭/褐煤浆；在其它实施例中，不同比例的焦炭浆与褐煤浆可添加到焦炭/褐煤浆槽以生成其它焦炭/褐煤浆。举例而言，大约三份焦炭浆可与大约两份褐煤浆组合以形成60/40焦炭/褐煤浆。可产生其它焦炭/褐煤浆用于气化，其具有(例如)大约90/10、80/20、70/30、40/60、30/70、20/80的焦炭/褐煤比或可产生可气化浆的任何比例。在混合焦炭与褐煤浆(方块76)后，可使焦炭/褐煤浆稳定(方块78)。同样，稳定方法(方块78)可涉及在焦炭/褐煤浆槽中搁置焦炭/褐煤浆直到混合物到达水分平衡。制浆方法60可在大约室温和大气压力下执行。
实验结果
在本文中讨论如上文所述制备的焦炭/褐煤混合物成浆性能的示例性结果。石油焦的示例性样品在接收时可具有大约5.68％的水分含量，以及大约1.31％的平衡水分含量。平衡水分含量表示样品既不从大气得到水分也不失去水分的水分含量。石油焦可具有大约15,015BTU/lb的总热值且在大约0.46％的水分具有大约46的研磨性能指数，由ASTM D409(通过Hardgrove机方法的煤研磨性能的标准试验方法)确定。石油焦的汞含量可小于大约0.01μg/g。分别在表1至4中给出石油焦样品的元素分析、近似分析、灰分熔融和灰分分析的额外近似值。
用于制备焦炭/褐煤浆的示例性褐煤样品在接收时可具有大约29.90％的水分含量和大约28.55％的平衡水分含量。褐煤样品的总热值可为大约8,982BTU/lb。此外，褐煤样品的研磨性能指数在大约12.45％的水分可为大约53，由ASTM D409标准所确定，且汞含量可为大约0.31μg/g。分别在表1至4中给出褐煤样品的元素分析、近似分析、灰分熔融和灰分分析的值。
表1中所陈述的元素分析是在干燥基础上以重量百分比的样品成分测量，由ASTM D3176(煤与焦炭的元素分析的标准操作)所确定。如所指出的那样，元素分析测量是在干燥基础(例如，排除了所有水分)上进行，因此这些值应被校正使得样品的水分含量并不影响组成值。
表1元素分析(重量百分比，干燥基础)
  材料   石油焦   褐煤
  碳   86.71   49.5
  氢   3.89   4.15
  氮   1.51   0.94
  硫   6.48   1.23
  灰分   0.37   30.17
  氯化物   ＜0.01   ＜0.01
  氧(以不同方法[by difference])   1.04   14.01
表2列出样品的挥发物、固定碳和灰分含量的近似分析测量，由ASTM D3172(煤与焦炭的近似分析的标准操作)所确定。样品的挥发物含量可为在没有空气的情况下可在高温蒸发的煤成分的量度(例如，短链和长链烃，芳族烃和硫)。样品的固定碳含量可以是驱散挥发性混合物后留下的煤成分的量度。另外，样品的灰分含量可以是煤的非易燃成分的量度。下表4示出可包括于煤样品的灰分含量中的示例性成分。同样，以重量百分比在干燥基础上表达近似分析。
表2近似分析(重量百分比，干燥基础)
  材料   石油焦   褐煤
  挥发物   10.93   39.19
  固定碳   88.7   30.64
  灰分   0.37   30.17
在表3中列出的样品的灰分熔融值包括初始变形温度(IT)、软化温度(ST)、半球温度(HT)和流体温度(FT)。初始变形温度表示样品角部首先变圆的温度。软化温度是样品顶部开始呈球形的温度。半球温度表示整个样品开始呈半球形的温度。最后，流体温度是样品已塌陷成扁平物质的温度。
表3灰分熔融分析(°F)
  值   石油焦   褐煤
  IT   2669   2247
  ST   2701   2312
  HT   2701   2404
  FT   2701   2537
表4陈述了在规格化为不含硫样品的重量百分比浓度的样品的灰分分析。即，即使在某些情形下硫可被认为是灰分，表4中所提供的分析是在不含硫的基础上的。
表4灰分分析(重量百分比)
  材料   石油焦   褐煤
  Al2O3   4.63   22.31
  BaO   0.04   0.10
  BeO   0.00   0.00
  CdO   0.00   0.00
  CaO   1.43   7.96
  Cr2O3   0.04   0.01
  CoO   0.06   0.00
  CuO   0.00   0.01
  Fe2O3   3.49   4.86
  PbO   0.00   0.00
  MnO2   0.02   0.09
  MgO   0.44   1.93
  MoO3   0.52   0.00
  NiO   10.00   0.02
  P2O5   0.05   0.06
  K2O   0.39   1.21
  Na2O   1.62   0.34
  TiO2   0.26   1.08
  SrO   0.04   0.20
  V2O5   65.23   0.10
  ZnO   0.26   0.01
  SiO2   11.48   59.69
上文所述的褐煤样品可独立于石油焦样品制浆，如在本公开内容中所述。在表5中给出褐煤浆的斯托默(Stormer)粘度，如由ASTM D562所确定。在一种样品浆中，无需使用添加剂，而向另一样品浆添加大约0.2％的十二烷基硫酸铵(ALS)添加剂，如在表5中所示。与以厘泊(cP)为单位的浆中的粘度相比，斯托默粘度测量浆中的固体百分比。如表5所示，ALS添加剂并未改进褐煤的成浆性能。
表5褐煤浆的斯托默粘度(作为浆粘度函数的固体百分比)
  粘度(cP)   无添加剂   0.2％ALS
  1000   50.01   50.33
  700   48.70   49.03
  400   46.63   46.99
  100   41.53   41.96
此外，在表6中给出样品褐煤浆的筛分析。筛分析测量浆中的粒度分布且使用ASTM D4749(用于对煤执行筛分析和指出煤大小的标准试验方法)确定。每个筛号具有标准网格尺寸。例如，8号筛具有2.360mm的网格尺寸，而325号筛具有45μm的网格尺寸。增加筛号表示减小网格尺寸。筛可堆叠在一起，且在顶部的筛具有最大网格尺寸，且随后的筛具有较小的网格尺寸。留在每个筛中的浆样品的重量百分比表示浆的粒度分布。可通过最小筛网格的颗粒在表6的最后一行中表示。在表6中给出的筛分析结果表示这种褐煤样品很软，且以最小研磨时间形成高百分比的细微颗粒(例如，通过325号筛的颗粒)。
表6褐煤浆的筛分析(重量百分比)
  筛#   ％
  8   0.00
  14   0.00
  20   0.00
  40   2.60
  60   19.30
  80   9.79
  100   5.36
  140   7.07
  200   5.69
  325   6.34
  -325   43.85
应当指出的如表5和表6所述的样品褐煤浆是不可气化的，如由浆中低浓度的固体所示(表5)。此外，存在于浆中的大部分固体是很细的(例如，小于大约45μm)(表6)。在表1至4中所描述的褐煤样品中的水分含量(大约28.55％)和灰分含量(大约30.17％)将大体上被认为太高而不能试图气化，因为这些样品产生不可气化的褐煤浆，如上文所述。
根据本发明的实施例，上文所述的石油焦样品也被制浆且与稳定的褐煤浆组合。下文中给出对大约50％焦炭/50％褐煤浆和大约60％焦炭/40％褐煤浆的分析。在表7中给出50/50浆的斯托默粘度值。在一种样品中，无需使用添加剂，而在另一样品中，向浆添加0.2％的Orzan添加剂。例如Orzan的添加剂可用于改进浆混合物的均质性。Orzan或木素磺酸、钠盐可从加拿大魁北克省蒙特利尔的Tembec公司的化学产品中获得。如在表7中所示，与褐煤浆(表5)相比，在50/50焦炭/褐煤浆中的固体百分比得到显著改进。此外，添加Orzan添加剂改进了固体百分比。
表750/50焦炭/褐煤浆的斯托默粘度(作为浆粘度函数的固体百分比)
  粘度(cP)   无添加剂   0.2％Orzan
  1000   56.17   57.76
  700   55.17   56.39
  400   53.58   54.23
  100   49.67   48.88
在表8中给出50/50浆的筛分析。同样，50/50焦炭/褐煤浆具有远低于褐煤浆(图6)的细微颗粒百分比。举例而言，按重量计50/50焦炭/褐煤浆固体的大约35.03％足够细以通过325号筛，而在褐煤浆(表6)中大约43.85％的浆固体通过325号筛。
表8：50/50焦炭/褐煤浆的筛分析
  筛#   ％
  8   0.00
  14   0.00
  20   0.01
  40   3.28
  60   21.63
  80   13.48
  100   3.43
  140   9.01
  200   6.15
  325   7.98
  -325   35.03
此外，在表9中展示50/50浆的灰分熔融值
表950/50焦炭/褐煤浆的灰分熔融分析(°F)
  值   温度
  IT   2251
  ST   2322
  HT   2410
  FT   2574
如上文所指出的那样，也从焦炭和褐煤样品制备60/40焦炭/褐煤浆。在表10中给出60/40浆的斯托默粘度值。同样，在一种样品中无需使用添加剂，而在另一样品中向浆添加0.2％的Orzan添加剂。表10展示了60/40焦炭/褐煤浆，其呈现出比50/50焦炭/褐煤浆(表7)更大的固体百分比改进，50/50焦炭/褐煤浆(表7)优于褐煤浆(表5)。
表1060/40焦炭/褐煤浆的斯托默粘度(作为浆粘度函数的固体百分比)
  粘度(cP)   无添加剂   0.2％Orzan
  1000   58.95   61.67
  700   57.53   60.25
  400   55.30   58.03
  100   49.77   52.53
在表11中给出60/40浆的筛分析。同样，60/40焦炭/褐煤浆具有比50/50焦炭/褐煤浆(表8)或褐煤浆(表6)更低的细微颗粒百分比。
表1160/40焦炭/褐煤浆的筛分析
  筛#   ％
  8   0.00
  14   0.00
  20   0.04
  40   5.07
  60   23.54
  80   10.24
  100   8.50
  140   6.42
  200   6.96
  325   6.85
  -325   32.38
此外，在表12中总结了60/40的灰分熔融值。
表1260/40焦炭/褐煤浆(°F)的灰分熔融分析
  值   温度
  IT   2266
  ST   2327
  HT   2348
  FT   2649
如在上文的表1-12中所展示，在所公开的实施例中石油焦与褐煤浆的组合显然提供了优于单独的褐煤浆的改进。在焦炭/褐煤浆的生产中以显著改进的气化性能使用一般不可气化的高水分、高灰分褐煤样品。本发明的技术效果包括(例如)在IGCC系统中用于气化的褐煤与焦炭的成浆性能。将浆中的褐煤气化的能力使得能在现有浆气化系统中使用褐煤，在现有的浆气化系统中，褐煤先前是不可气化的。
本书面描述使用实例公开了本发明，包括最佳方式，且也使得本领域技术人员能实践本发明，包括做出和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本发明的专利保护范围由权利要求所限定且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果这些实例包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元件，这些其它实例预期在权利要求的范围内。
部件列表
吹氧igcc发电系统10
给料制备和运输系统12
燃料浆13
气化器14
空气分离器15
矿渣16
剩余成分17
气体冷却与处理系统18
硫成分19
硫产生系统20
蒸汽21
液体22
热回收蒸汽发生器(hrsg)23
水处理系统24
“清洁”合成气25
燃烧器26
空气27
压缩机28
氮气29
稀释氮气压缩机30
排气31
涡轮32
发电机33
排气34
蒸汽涡轮35
发电机36
蒸汽37
冷凝器38
冷却流体39
冷却塔40
冷凝的蒸汽41
烟囱42
浆槽50、52和54
单独的研磨机56和58
方法60
接收焦炭62
接收褐煤64
研磨焦炭66
研磨褐煤68
添加水70
添加水72
稳定褐煤浆74
组合焦炭浆与褐煤浆76
稳定焦炭/褐煤浆78

Claims (10)

1.一种混合褐煤浆与焦炭浆的方法，包括：
制备焦炭浆；
独立于所述焦炭浆而制备褐煤浆；以及
组合所述焦炭浆与所述褐煤浆以形成焦炭/褐煤浆。
2.根据权利要求1所述的方法，其中制备所述焦炭浆包括：
在焦炭研磨机中研磨焦炭；以及
在焦炭浆槽中组合研磨过的焦炭与水以形成所述焦炭浆。
3.根据权利要求1所述的方法，其中制备所述褐煤浆包括：
在褐煤研磨机中研磨褐煤；
在褐煤浆槽中组合研磨过的褐煤与水以形成所述褐煤浆；以及
在所述褐煤浆槽中搁置所述褐煤浆以使得所述褐煤浆水分平衡。
4.根据权利要求1所述的方法，其中组合所述褐煤浆与所述焦炭浆包括：
在组合浆槽中混合所述焦炭浆与所述褐煤浆以形成所述焦炭/褐煤浆；
在所述组合浆槽中搁置所述焦炭/褐煤浆以使得所述焦炭/褐煤浆水分平衡。
5.根据权利要求1所述的方法，其中组合所述焦炭浆与所述褐煤浆包括组合大约等份的所述焦炭浆与所述褐煤浆以形成大约50％的焦炭与50％的褐煤浆。
6.根据权利要求1所述的方法，其中组合所述焦炭浆与所述褐煤浆包括组合大约三份的焦炭浆与大约两份的褐煤浆以形成大约60％的焦炭与40％的褐煤浆。
7.根据权利要求1所述的方法，其包括向所述焦炭/褐煤浆添加木素磺酸、钠盐。
8.根据权利要求1所述的方法，其包括气化所述焦炭/褐煤浆。
9.根据权利要求1所述的方法，其包括使用从所述焦炭/褐煤浆的气化所生成的合成气来发电。
10.一种混合褐煤浆与焦炭浆的系统，包括：
给料制备和运输系统，包括
第一浆槽，其被配置成混合褐煤与水以形成褐煤浆；
第二浆槽，其被配置成混合焦炭与水以形成焦炭浆；以及
第三浆槽，其被配置成混合所述褐煤浆与所述焦炭浆以形成焦炭/褐煤浆。
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