CN103992804A - 用于处理碳质材料的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于处理碳质材料的方法以及与其相关的系统，所述方法包括加热碳质材料，以形成碳质材料和焦油的混合物、冷却所述碳质材料和焦油的混合物，以及使用所述焦油涂覆所述碳质材料的表面，以形成经焦油涂覆的碳质材料。

Description

用于处理碳质材料的方法和系统

技术领域

本文公开的主题涉及用于处理碳质材料的方法，尤其涉及用于处理碳质材料以改进灰分从碳质材料中去除的方法，以及与其相关的系统。

背景技术

不同技术用于从有机基或化石基碳质材料（如煤）产生能量。不同类型的煤（如褐煤或褐色煤、次烟煤、烟煤或黑煤、无烟煤和/或石墨）用于能量产生系统中。这些不同类型的煤根据它们特定的物理性质进行分类或评级，例如“低级煤”和“高级煤”。

不同量的灰分存在于天然碳质材料（如煤）中。灰分为存在于碳质材料中的矿物质的不易燃残余物。一些煤材料具有大于20%，或甚至大于50%的灰分含量。生煤材料的灰分含量越大，可用于能量产生的煤的量越低。由于存在于灰分中的杂质所导致的用于能量产生的设备的污染的可能性，高灰分含量也通常是不希望的。

因此，诸如煤的碳质材料经受灰分去除处理。基于亲水性（即吸引水）的灰分与疏水性（即排斥水）的煤的固有表面性质之间的差异，从煤中分离灰分。例如，通过利用灰分表面的亲水性质和煤表面的疏水性质，使用洗煤和/或浮选柱而从煤中分离灰分。因此，使用灰分去除处理从煤中去除的灰分的量受限于这些固有表面性质的程度。

因此，在使用灰分去除处理而不使用一种或多种添加剂的情况下，具有显著量的灰分的煤材料的灰分含量无法充分降低。使用各种添加剂以提高疏水性煤与亲水性灰分的分离，从而提供用于能量产生的具有适当的低灰分含量的煤材料。这种添加剂表示材料和/或过程效率的显著成本。

因此，希望提供一种用于处理碳质材料的方法以改进灰分从碳质材料中的分离，以及解决上述问题中的一个或多个的与其相关的系统。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种用于处理碳质材料的方法包括加热碳质材料，以形成碳质材料和焦油的混合物、冷却所述碳质材料和焦油的混合物，以及使用所述焦油涂覆覆所述碳质材料的表面，以形成经焦油涂覆的碳质材料。

根据本发明的另一方面，一种用于处理碳质材料的系统包括加热区域、冷却区域，所述加热区域操作用于加热碳质材料，以形成碳质材料和焦油的混合物；所述冷却区域操作用于冷却所述碳质材料和焦油的混合物，并使用所述焦油涂覆所述碳质材料的表面，以形成经焦油涂覆的碳质材料。

根据结合附图的如下描述，这些和其他优点和特征将变得更加明显。

附图说明

特别地指出并在说明书的结论处的权利要求书中清楚地要求保护被视为本发明的主题。根据结合所附附图的如下具体实施方式，本发明的前述和其他特征以及优点是明显的，在所附附图中：

图1为用于处理碳质材料的方法的方框流程图；且

图2为用于处理碳质材料的系统的示意图。

具体实施方式参照附图以举例的方式解释了本发明的实施例以及优点和特征。

具体实施方式

本文描述的实施例通常涉及用于处理碳质材料的方法以及与其相关的系统。提供了一种用于处理碳质材料的方法，以改性碳质材料的表面，从而改进灰分从碳质材料分离。

参见图1，用于处理碳质材料的方法包括加热碳质材料。一旦加热，焦油从碳质材料中释放，以形成碳质材料和焦油的混合物。所述方法还包括冷却碳质材料和焦油的混合物。一旦冷却，从碳质材料中释放的焦油的至少一部分涂覆碳质材料的表面的至少一部分，以形成经焦油涂覆的碳质材料。

碳质材料为任何富含碳和/或烃基材料。在一个实施例中，碳质材料包含煤。在另一实施例中，碳质材料包含低级煤、高级煤或包含前述中的至少一者的组合。在又一实施例中，碳质材料包含褐煤或褐色煤、次烟煤、烟煤或黑煤、无烟煤、石墨或包含前述中的至少一者的组合。

在一个实施例中，碳质材料包含碎煤。使用任何适当的压碎方法和/或设备（例如煤压碎机、煤粉碎机和/或煤研磨机）压碎煤。在加热之前，将煤研磨、压碎和/或粉碎成更小的粒子。

碳质材料包含不同的量的灰分，包括例如高灰分（例如大于约30%的总灰分含量）和低灰分（例如小于约30%的总灰分含量）。在一个实施例中，在加热之前，碳质材料具有约10%至约80%的总灰分含量。在另一实施例中，在加热之前，碳质材料具有约10%至约50%的总灰分含量。在又一实施例中，在加热之前，碳质材料具有约30%至约50%的总灰分含量。

碳质材料作为固体加热，或者将合适的溶剂与碳质材料混合以形成溶液或湿浆料。在一个实施例中，碳质材料以固相和/或干燥状态加热。在另一实施例中，在加热之前，碳质材料与水或另一合适的溶剂混合，以形成溶液或湿浆料。

碳质材料在足以从碳质材料内释放焦油或油的压力下加热。焦油或油为衍生自碳质材料的有机材料。在一个实施例中，碳质材料的加热在小于约5大气压的压力下进行。在另一实施例中，碳质材料的加热在约1至约5大气压的压力下进行。

碳质材料加热至有效用以从碳质材料中释放焦油或油的温度。在一个实施例中，碳质材料加热至约300℃至约500℃的温度。在另一实施例中，碳质材料加热至约350℃至约450℃的温度。在又一实施例中，碳质材料加热至约375℃至约425℃的温度。

在低于约300℃的温度下，不足够的量的焦油从碳质材料中释放和/或释放的焦油的组成复杂度较低，因此与在大于300℃且小于500℃的温度下释放的焦油相比疏水性较低。在高于约500℃的温度下，从碳质材料中释放的焦油不足以涂覆碳质材料或碳质材料的至少一部分，例如，在这些温度以上焦油的反应得以促进。

使用任何合适的加热方法和/或热源来完成碳质材料的加热。合适的加热方法和/或热源的例子包括热解、闪热解、部分氧化、微波能、其他常规加热方法和/或热源，或包括前述中的至少一者的组合。

在一个实施例中，使用微波能完成碳质材料的加热。用于加热碳质材料的微波能由微波能产生装置（如微波炉中的磁控管）供应。使用例如波导器或波管将由磁控管所产生的波能传递至碳质材料。

选择微波能的量和微波能的频率，以在所需温度下从碳质材料中释放焦油。在一个实施例中，微波能可在约100千瓦/磅（kW/lb）至约1,000千瓦/磅（kW功率/lb碳质材料）的范围内产生。在另一实施例中，所产生的微波能的频率为约800MHz或约2.45GHz。碳质材料的加热在存在或不存在共振器的情况下进行。

微波能电磁传递通过碳质材料，而非作为对流力或辐射力传递通过碳质材料。因此，加热速率不受限于表面传递，且加热分布的均匀性大大改进。加热时间可降低至小于使用其他加热技术所需的加热时间的1%。在一个实施例中，相对于所施加的热量而精确控制使用微波的碳质材料的加热，从而可始终保持精确温度。换言之，碳质材料的基本上所有部分均暴露于相同的温度。例如，碳质材料的粒子形成聚集体或“结块”。碳质材料的每个“结块”的中心在与该结块的表面相同的温度下。因此，在由微波所产生的热的作用下，从碳质材料中释放的焦油不经受高于用以释放焦油所需的温度的任何温度。另外，由于热分布的均匀性因为微波能的产生而得以改进，焦油更均匀地从碳质材料中释放。

碳质材料在存在或不存在添加剂（如另外的焦炭）的情况下加热，所述添加剂增加碳质材料的疏水性或者提高碳质材料与灰分的分离。在一个实施例中，碳质材料和焦油的混合物不含如下焦油：所述焦油来自碳质材料之外的任何来源（即在加热之前并非已存在于碳质材料内），或并非在加热后来自方法中所用的特定碳质材料。在该实施例中，存在于碳质材料和焦油的混合物中的仅有的焦油为在加热时从碳质材料释放的焦油。

在另一实施例中，将来自除了碳质材料之外的外部来源的另外的焦油在加热之前添加至碳质材料，和/或在加热碳质材料的过程中和/或之后添加至所形成的碳质材料和焦油的混合物。在另一实施例中，另外的焦油衍生自碳质材料和/或为生物质材料。

通过从上述热源去除、停止或降低加热温度和/或通过将碳质材料和焦油的混合物输送至不经受来自所述热源的这种热的区域，从而冷却碳质材料和焦油的混合物。在一个实施例中，碳质材料和焦油的混合物冷却至约0℃至约300℃之间的温度。在另一实施例中，碳质材料和焦油的混合物冷却至约0℃至约200℃之间的温度。在又一实施例中，碳质材料和焦油的混合物冷却至约0℃至约100℃之间的温度。在一个实施例中，碳质材料和焦油的混合物的冷却直接在碳质材料的加热之后。

一旦冷却碳质材料和焦油的混合物，碳质材料的表面的至少一部分由焦油的至少一部分涂覆。从碳质材料中释放的焦油为疏水性的。因此，所得的经焦油涂覆的碳质材料为经表面改性的碳质材料。涂覆的焦油增加了碳质材料表面上的疏水性官能团的数量，由此增加了碳质材料表面的总体疏水性。碳质材料表面的增加的疏水性在随后的灰分去除过程中改进了疏水性的经焦油涂覆的碳质材料与亲水性灰分的分离。

在一个实施例中，经焦油涂覆的碳质材料的表面比在经受所述加热、冷却和涂覆之前的碳质材料的表面更加疏水约10%至约80%。在另一实施例中，经焦油涂覆的碳质材料的表面比在经受所述加热、冷却和涂覆之前的碳质材料的表面更加疏水约20%至约80%。在又一实施例中，经焦油涂覆的碳质材料的表面比在经受所述加热、冷却和涂覆之前的碳质材料的表面更加疏水约30%至约80%。

在另一实施例中，碳质材料由从碳质材料中释放的焦油部分涂覆。在又一实施例中，碳质材料由从碳质材料中释放的焦油均匀涂覆。在再一实施例中，碳质材料使用微波能加热，并由从碳质材料中释放的焦油均匀涂覆。在再一实施例中，碳质材料为使用微波能加热的碎煤，并由从碳质材料中释放的焦油均匀涂覆。

在使用或不使用添加剂的情况下，经焦油涂覆的碳质材料随后经受至少一个灰分去除过程，所述添加剂用以提高经焦油涂覆的碳质材料与灰分的分离。在一个实施例中，经焦油涂覆的碳质材料不含用以提高碳质材料与灰分的分离的任何添加剂。在另一实施例中，经焦油涂覆的碳质材料还包含用以提高经焦油涂覆的碳质材料与灰分的分离的至少一种添加剂。

再次参见图1，在一个实施例中，所述方法还包括从经焦油涂覆的碳质材料的至少一部分中去除灰分。经焦油涂覆的碳质材料经受适于基于疏水性和亲水性表面性质之间的差异而分离经焦油涂覆的碳质材料和与所述经焦油涂覆的碳质材料混合的灰分的任何灰分去除过程。在一个实施例中，从经焦油涂覆的碳质材料中去除灰分通过加氢处理（hydro-treatment）而完成。加氢处理涉及例如在分离柱或浮选柱中使用水或另一合适的溶剂洗涤经焦油涂覆的碳质材料。当例如使用水洗涤经焦油涂覆的碳质材料时，疏水性的经焦油涂覆的碳质材料和与其混合的亲水性灰分分离。

相比于未经受本文描述的方法的碳质材料，本文描述的方法允许从碳质材料中更多地去除灰分。在一个实施例中，经焦油涂覆的碳质材料经受加氢处理以去除灰分，其中经焦油涂覆的碳质材料的总灰分含量降低至约0%至约50%。在另一实施例中，经焦油涂覆的碳质材料经受加氢处理以去除灰分，其中经焦油涂覆的碳质材料的总灰分含量降低至约30%至约50%。在又一实施例中，经焦油涂覆的碳质材料经受加氢处理以去除灰分，其中经焦油涂覆的碳质材料的总灰分含量降低至约0%至约30%。在再一实施例中，经焦油涂覆的碳质材料经受加氢处理以去除灰分，其中经焦油涂覆的碳质材料的总灰分含量降低至约5%至约20%。在又一实施例中，经焦油涂覆的碳质材料经受加氢处理以去除灰分，其中经焦油涂覆的碳质材料的总灰分含量降低至约15%或更低。

参见图2，提供了一种用于处理碳质材料的系统。用于处理碳质材料的系统10包括加热区域20和冷却区域30，所述加热区域20操作用于加热碳质材料（未显示），以形成碳质材料和焦油的混合物；所述冷却区域30操作用于冷却所述碳质材料和焦油的混合物，并用所述焦油的至少一部分涂覆所述碳质材料的表面的至少一部分，以形成经焦油涂覆的碳质材料。冷却区域30设置于加热区域20的下游。

在一个实施例中，系统10还包括碳质材料加工柱40和输送系统50，所述碳质材料加工柱40含有碳质材料，所述输送系统将碳质材料输送至加热区域20，并将碳质材料从加热区域20输送至冷却区域30。在另一实施例中，输送系统50为传送带。

在一个实施例中，系统10还包括加热单元60，加热单元60将热供应至加热区域20。在一个实施例中，加热单元60控制供应至加热区域20的热。在另一实施例中，系统10还包括任选的收集区域70。收集区域70分别收集加热区域20和冷却区域30中的在碳质材料的加热、冷却和涂覆之后的经焦油涂覆的碳质材料。收集区域70设置于加热区域20和冷却区域30的下游。

在一个实施例中，系统10还包括反馈回路80。反馈回路80感应加热区域20中的温度，并将该信息供应至加热单元60。加热单元60使用来自反馈回路80的信息以调节加热区域20中的温度。

在一个实施例中，系统10还包括灰分去除区域90，在灰分去除区域90中，灰分从经焦油涂覆的碳质材料中去除或分离。灰分去除区域90设置于加热区域20和冷却区域30以及任选的收集区域70的下游。

在一个实施例中，系统10还包括另外的设备，包括但不限于进料料斗、压碎机、研磨机、混合器、锥形分离器、控制单元、冷却单元、收集单元、输送装置、粉碎机、加热器、螺杆进料器和/或其他相关的设备。

本文描述的方法和系统使用从碳质材料本身释放或衍生的焦油预处理碳质材料，以部分或均匀地涂覆碳质材料。所得经表面改性的经焦油涂覆的碳质材料具有增加的总体疏水性，这在灰分去除过程中改进了灰分与具有不希望的高灰分含量的碳质材料的分离。因此本文描述的方法和系统使得这种含灰分的碳质材料适用于在使用低灰分煤的过程中的随后使用，例如以产生能量。以此方式，本文提供的方法和系统允许使用含有相对高的灰分的碳质材料，否则，所述含有相对高的灰分的碳质材料将由于其高灰分含量而是不合适的。本文描述的方法和系统也用于在使用或不使用来自除了碳质材料之外的外部来源的另外的焦油的情况下，和/或在使用或不使用其他添加剂的情况下处理碳质材料。

尽管本发明仅关于有限量的实施例进行详细描述，但应易于理解的是本发明不局限于这些公开的实施例。相反，本发明可进行修改以加入本文未描述但与本发明的精神和范围相同的任何数量的改变、变化、替换或等同排列。另外，尽管描述了本发明的各种实施例，但应了解本发明的方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不应视为由前述描述进行限定，而仅由权利要求书的范围进行限定。

Claims (20)

1.一种用于处理碳质材料的方法，其包括：

加热碳质材料，以形成碳质材料和焦油的混合物；

冷却所述碳质材料和所述焦油的混合物；以及

使用所述焦油的至少一部分涂覆所述碳质材料的表面，以形成经焦油涂覆的碳质材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳质材料包含煤。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳质材料的加热在约300℃至约500℃的温度下进行。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳质材料的加热使用微波能进行。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳质材料还包含至少一种添加剂。

6.根据权利要求1所述的方法，其还包括将另外的焦油添加至所述碳质材料，所述另外的焦油来自除了所述碳质材料之外的外部来源。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述另外的焦油为生物质材料。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经焦油涂覆的碳质材料的表面比在经受所述方法之前的碳质材料的表面更加疏水约10%至约80%。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳质材料具有约30%至约50%的总灰分含量。

10.根据权利要求1所述的方法，其还包括从所述经焦油涂覆的碳质材料中去除灰分，由此所述经焦油涂覆的碳质材料的总灰分含量降低至约0%至约30%。

11.一种用于处理碳质材料的系统，其包括：

加热区域，所述加热区域操作用以加热碳质材料以形成碳质材料和焦油的混合物；以及

冷却区域，所述冷却区域操作用以冷却所述碳质材料和所述焦油的混合物，并使用所述焦油涂覆所述碳质材料的表面，以形成经焦油涂覆的碳质材料。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述碳质材料包含煤。

13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述加热区域操作用以将所述碳质材料加热至约300℃至约500℃的温度。

14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述加热区域使用微波能来加热所述碳质材料。

15.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述碳质材料还包含至少一种添加剂。

16.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述碳质材料还包含另外的焦油，所述另外的焦油来自除了所述碳质材料之外的外部来源。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述另外的焦油为生物质材料。

18.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述经焦油涂覆的碳质材料的表面比在用焦油涂覆之前的碳质材料的表面更加疏水约10%至约80%。

19.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述碳质材料具有约30%至约50%的总灰分含量。

20.根据权利要求11所述的系统，其还包括灰分去除区域，由此经焦油涂覆的碳质材料的总灰分含量降低至约0%至约30%。