CN104704204B - 用于从原始的低煤阶煤原料产生蒸汽的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明总体上涉及制备无机钠和/或氯污染的低煤阶煤原料的工艺，所述低煤阶煤原料用于在流化燃料燃烧器中燃烧以产生蒸汽和期望地联产发电。

Description

用于从原始的低煤阶煤原料产生蒸汽的方法
技术领域
本发明总体上涉及制备无机钠和/或氯污染的低煤阶煤(low-rank coal)原料的工艺(方法，process)，所述低煤阶煤原料用于在流化燃料燃烧器中燃烧以产生蒸汽和期望地联产发电(co-generate electricity)。特别地，本发明在这样的情况下通过将来自该工艺的燃烧发生(和任选的发电)段的低压蒸汽与该工艺的原料加工段集成以及在整个该工艺中集成水回收和再循环而提供最优的水利用和提高的效率。
背景技术
煤已经被长期地用作燃烧用燃料。目前，这样的煤典型地在流化燃料燃烧器例如循环流化床燃烧器(“CFB”)和粉煤锅炉(“PCB”)中用加压的空气和氧气燃烧。CFB通常在从约760℃到约930℃的相对中等的温度下操作，并且采用具有典型地范围从约3000微米到约6000微米的dp(50)的“较粗大的”燃料颗粒。PCB在从约1300℃到约1700℃的较高温度下操作，并且采用具有典型地范围从约100到约200微米的dp(50)的“较细小的”燃料颗粒。
燃烧导致热能，所述热能可用于产生用于各种各样用途(包括用于驱动涡轮以发电)的蒸汽(例如，蒸汽锅炉)。燃烧还产生热的气体，其可用于驱动涡轮以发电。热电联产设备是这样的设备：其中产生电(electricity)和蒸汽两者以更有效地利用燃烧的能量释放，其中蒸汽经常被用于驱动蒸汽涡轮用于额外的发电。
然而，许多煤由于污染和物理性质而对于这样的用途在经济上是不可行的。例如，包含显著量的杂质例如钠和氯(例如，NaCl)的煤由于这样的组分的高度腐蚀性和结垢的性质而可能实际上在燃烧工艺中是不能用的，从而需要预处理以除去这样的杂质。来自这样的煤的燃烧的气态流出物物流也可为成问题的，特别是如果所述煤在燃烧之前未被充分清洁的话。参见例如Tillman,Duong,Figueroa和Miller，“Chlorine in Solid Fuels Firedin Puverized Coal Boilers–Sources,Forms,Reactions,and Consequences:ALiterature Review”，Foster Wheeler AG，在燃料品质会议(Fuel Quality Conference)上提出的,Banff,Canada,2008年9月28日-10月3日。
虽然在清洁这样的煤的尝试中可使用洗涤，但是该洗涤需要大量的淡水，这在世界上的许多地方、特别是其中淡水非常珍贵的那些地方(例如，干旱地区)可能不是在经济上可行的。此外，洗涤产生许多废水问题。
典型地，增加这样的预处理使得钠和/或氯污染的煤的使用在经济上不可行。因此，期望找到更有效地预处理这些污染的煤以除去至少无机钠和/或氯内容物的相当大部分，同时使淡水的使用最少化的途径。
“低煤阶”煤典型地为具有暗淡的、泥土状外观的较软的、易碎的材料。它们特征在于相对较高的水分水平和相对较低的碳含量，并且因此，较低的能量含量(内能)。低煤阶煤的实例包括泥煤、褐煤和次烟煤。“高煤阶”煤的实例包括烟煤和无烟煤。
除了它们相对低的热值之外，低煤阶煤的使用还具有其它缺点。例如，这样的煤的易碎性可导致在原料制备(研磨和其它加工)中和在这样的煤的燃烧中高的细屑损失。必须管理或者甚至除掉这样的细屑，这通常意味着对于这样的煤的使用而言经济和效率劣势(经济和加工障碍因素)。对于非常高度易碎的煤例如褐煤，这样的细屑损失可接近或者甚至超过最初材料的50％。换而言之，低煤阶煤的加工和使用可导致所开采出的低煤阶煤中的碳含量的实质(显著)百分数的损失(或者较不期望的使用)。
因此，被钠和/或氯污染的低煤阶煤通常被认为在经济上不适合于任何意图。
因此，期望找到有效地加工钠和/或氯污染的低煤阶煤以使这样的煤对于燃烧用途而言在经济上更可行，同时减少或者甚至消除淡水需求，以及潜在地减少在原料加工和这样的低煤阶煤材料在各种燃烧工艺中的最终转换两者中的细屑损失的途径。
发明内容
在第一方面中，本发明提供用于从颗粒状低煤阶煤原料产生蒸汽的工艺，所述工艺包括如下步骤：
(a)提供包括初始的污染物内容物的原始的低煤阶煤原料，其中所述初始的污染物内容物包括
(1)基于所述原始的低煤阶煤原料的干重的至少约0.1重量％的初始无机氯内容物，或者
(2)基于所述原始的低煤阶煤原料的干重的至少约0.1重量％的初始无机钠内容物，或者
(3)(1)和(2)两者；
(b)研磨所述原始的低煤阶煤原料以产生经研磨的低煤阶煤原料；
(c)用含水洗涤物流洗涤所述经研磨的低煤阶煤原料以产生经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料和废水物流，所述经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料具有
(1)小于所述初始无机氯内容物的约50重量％，但是不大于基于所述经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料的干重的约0.1重量％的经洗涤的无机氯内容物，和
(2)小于所述初始无机钠内容物的约50重量％，但是不大于基于所述经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料的干重的约0.1重量％的经洗涤的无机钠内容物；
(d)使所述经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料在热干燥单元中与干燥气体物流和热能接触以产生减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料和水分回收物流，其中所述热能的至少一部分是通过在从约10psig(约170kPa绝对压力)到约50psig(约446kPa绝对压力)的压力下的较低压力蒸汽物流提供的，和其中所述减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料是自由流动的并且具有基于所述减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料的总重量不大于约40重量％的水分含量；
(e)将所述减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料和含氧气的气体物流进料到燃烧器中；
(f)将所述减少水分的低煤阶煤原料在所述燃烧器中用氧气燃烧以产生包括蒸汽、二氧化碳和热能的燃烧气体物流；
(g)通过产生在至少约150psig(至少约1136kPa绝对压力)的压力下的较高压力蒸汽物流而从所述燃烧气体物流回收热能，
(h)将所述较高压力蒸汽物流的至少一部分转化以产生所述较低压力蒸汽物流；
(i)使来自步骤(d)的所述水分回收物流的至少一部分冷凝以产生冷凝的水分物流；
(j)对来自洗涤步骤(c)的所述废水物流进行处理以产生回收的水物流；和
(k)将(1)所述冷凝的水分物流的至少一部分，或者(2)所述回收的水物流的至少一部分，或者(3)(1)和(2)两者再循环至洗涤步骤(c)，其中所述含水洗涤物流至少部分地包括所述冷凝的水分物流和所述回收的水物流的再循环部分。
洗涤步骤(c)可如下发生：(1)与研磨步骤(b)同时并且作为研磨步骤(b)的一部分，或者(2)在研磨步骤(b)之后，或者(3)(1)和(2)两者，但是在任何情况下在“干燥”步骤(d)之前。
在一种选择中，通过使所述燃烧气体物流在热回收步骤(g)之前或之后流经连接至发电机的涡轮而发电(其中所述涡轮产生的机械能驱动所述发电机)。
在另一选择中，通过使所述较高压力蒸汽物流流经连接至发电机的涡轮而发电(其中所述涡轮产生的机械能驱动所述发电机)。
在又一选择中，存在由所述燃烧气体和所述较高压力蒸汽物流两者联产电能。
在又一选择中，所述原始的低煤阶煤原料具有初始水分含量，并且所述减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料的水分含量小于所述原始的低煤阶煤原料的初始水分含量(总wt/wt计)。
在又一选择中，可从所述燃烧气体通过使所述燃烧气体中的蒸汽的至少一部分冷凝而回收水。所述冷凝可例如如下发生：作为来自所述燃烧气体的热回收的一部分，和/或在其之后在将所述燃烧气体从所述工艺排出之前。可将任何回收的水送去废水处理和/或否则再循环回该工艺中。
由于蒸汽产生和再循环用于原料干燥，并且由于来自原料干燥的水分物流向洗涤阶段的再循环，因此本发明提供无机氯和/或无机钠污染的低煤阶煤在其中产生蒸汽(和期望地发电)的燃烧工艺中的提高的效率和经济使用的潜能。
此外，来自所述原始的低煤阶煤原料的水分内容物的一部分可实际上在本发明的工艺中被回收，特别是当所述减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料的水分含量低于所述原始的低煤阶煤原料的初始水分含量时。这降低了整个工艺的淡水需求。实际上，取决于所述原始的低煤阶煤原料和所述减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料的水分含量之间的差异(以及任选的从所述燃烧气体回收水分)，本发明可提供这样的工艺：其为水中立的(平衡的，neutral)或者甚至水正向的(增加的，positive)，这对于在淡水非常珍贵的地方(例如，在干旱环境中)操作煤燃烧工艺而言是高度期望的。
本领域普通技术人员从阅读以下具体实施方式将更容易地理解本发明的这些和其它实施方式、特征和优点。
附图说明
图1为本工艺的如下部分(原料制备部分)的实施方式的概要图：其中对原始的低煤阶煤原料进行加工用于制备减少水分的低煤阶煤原料，所述减少水分的低煤阶煤原料还是无机钠和/或无机氯减少的并且最终被进料到燃烧器中。
图2为本工艺的如下部分(燃烧部分)的实施方式的概要图：其中将减少水分的低煤阶煤原料燃烧以产生蒸汽并且联产发电。
图3为本工艺的燃烧部分的用于产生较高压力蒸汽并且任选地联产发电的另一实施方式的概要图。
具体实施方式
本发明涉及如下工艺：从低煤阶煤制备适合用于某些燃烧工艺中的原料，将那些制备的原料燃烧以产生蒸汽和任选地发电，以及将从燃烧段产生的蒸汽与原料制备段集成以最小化该集成工艺所需要的淡水的量(或者甚至消除该集成工艺所需要的淡水)。以下提供进一步的细节。
在本说明书的上下文中，本文中所提及的所有的出版物、专利申请、专利和其它参考文献，如果未另有说明的话，则明确地通过引用而全部引入本文中用于所有目的，如同其被充分阐述一样。
除非另有定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有与本公开内容所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。在冲突的情况下，包括定义的本说明书将进行支配。
除了清楚地指出以外，商标以大写字母显示。
除非另有说明，所有的百分数、份、比率等以重量计。
除非另有说明，以psi单位表示的压力为表压，和以kPa单位表示的压力为绝对压力。但是，压力差是作为绝对值表示的(例如，压力1比压力2高25psi)。
当量、浓度、或者其它值或参数作为范围、或者上限值和下限值的列表给出时，这应被理解为具体公开了由任意对的任意范围上限和下限形成的所有范围，而不管范围是否被单独公开。当在本文中叙述数值范围时，除非另有说明，否则所述范围意图包括其端点、以及在该范围内的所有整数和分数。本公开内容的(保护)范围不意图局限于在定义(值)范围时所叙述的具体值。
当在描述值或者范围端点中使用术语“约”时，本公开内容应被理解为包括所涉及的具体值或端点。
如本文中使用的，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其它变型意图涵盖非排他的内含物。例如，包括要素列表的工艺、方法、制品、或设备不一定局限于仅那些要素，而是可包括未明确列出的或者这样的工艺、方法、制品、或设备所固有的其它要素。
进一步地，除非明确地相反说明，否则“或”与“和/或”指的是包容性的，而不是排他性的。例如，以下的任一个均满足条件A或B、或者A和/或B：A为真(或存在)且B为假(或不存在)、A为假(或者不存在)且B为真(或存在)、以及A和B两者均为真(或存在)。
使用“(某)一个(种)(a，an)”来描述本文中的各种要素和组分(部件，component)仅是为了方便以及提供本公开内容的一般意义。该描述应被解读为包括一个(种)或至少一个(种)并且该单数还包括复数，除非其明显另有意味。
除非在本文中另有定义，否则如本文中使用的术语“相当大(的)”指的是，所涉及材料的大于约90％，优选地所涉及材料的大于约95％，和更优选地所涉及材料的大于约97％。如果未指明，百分数在涉及分子(例如甲烷、二氧化碳、一氧化碳和硫化氢)时基于摩尔，否则基于重量(例如对于碳含量)。
除非在本文中另有定义，否则如本文中使用的术语“主要部分”指的是所涉及材料的大于50％。如果未指明，百分数在涉及分子(例如氢气、甲烷、二氧化碳、一氧化碳和硫化氢)时基于摩尔，否则基于重量(例如对于碳含量)。
术语“贫化(的)(depleted)”或“减少(的)”是与比最初存在的减少同义的。例如，从物流除去相当大部分的材料将产生基本上贫化了该材料的材料贫化的物流。相反，术语“增浓(的)(enriched)”或“提高(的)”是与大于最初存在的同义的。
如本文中使用的术语“碳质(的)”是与烃同义的。
如本文中使用的术语“碳质材料”是含有有机烃内容物的材料。碳质材料可分为如本文中所定义的生物质或非生物质材料。
如本文中使用的术语“生物质”指的是由最近(例如，在过去的100年内)活着的生物体得到的碳质材料，包括基于植物的生物质和基于动物的生物质。为了清楚起见，生物质不包括基于化石的碳质材料，例如煤。例如，参见US2009/0217575A1、US2009/0229182A1和US2009/0217587A1。
如本文中使用的术语“基于植物的生物质”指的是由如下得到的材料：绿色植物、农作物、藻类、和树木，例如，但不限于，高粱、甘蔗渣、甘蔗、竹子、杂交杨、杂交柳、合欢树、桉树、苜蓿、三叶草、油棕属、柳枝稷、苏丹草、黍(粟)、麻风树、和芒草(例如，巨芒(Miscanthus x giganteus))。生物质进一步包括来自农业耕作、加工、和/或降解的废弃物例如玉米棒子和壳、玉米秸秆、稻草、坚果壳、植物油、低芥酸菜子油、菜子油、生物柴油、树皮、木片、锯屑、和庭院废弃物。
如本文中使用的术语“基于动物的生物质”指的是由动物养殖和/或利用产生的废弃物。例如，生物质包括，但不限于，来自家畜养殖和加工的废弃物例如动物粪便、鸟粪、家禽巢厩废弃物(poultry litter)、动物脂肪、和市政固体废弃物(例如，污物)。
如本文中使用的术语“非生物质”指的是未被如本文中定义的术语“生物质”所涵盖的那些碳质材料。例如，非生物质包括，但不限于，无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤、石油焦炭、沥青质、液体石油残留物(残渣，residue)、或其混合物。例如，参见US2009/0166588A1、US2009/0165379A1、US2009/0165380A1、US2009/0165361A1、US2009/0217590A1和US2009/0217586A1。
“液体重质烃材料”是在环境条件下能流动的或者可在升高的温度条件下变成能流动的粘滞性的液体或半固体材料。这些材料典型地为来自烃材料例如原油的加工的残留物。例如，原油炼制中的第一步骤通常是蒸馏以将烃的复杂混合物分离为不同挥发性的级分(馏分)。典型的第一步骤蒸馏要求在大气压下加热以在不超过约650°F(约343℃)的实际温度的情况下使尽可能多的烃内容物蒸发，因为较高的温度可导致热分解。在大气压下未被蒸馏的级分通常被称为“常压石油残留物”。可进一步将所述级分在真空下蒸馏，使得最高达约650°F(约343℃)的实际温度可使甚至更多的材料蒸发。剩留的不能蒸馏的液体被称为“减压石油残留物”。对于本发明而言，常压石油残留物和减压石油残留物两者被认为是液体重质烃材料。
液体重质烃材料的非限制性实例包括减压渣油；常压渣油；重质拔顶油(heavyand reduced petroleum crude oil)；沥青(pitch)、柏油(asphalt)和沥青(bitumen)(天然存在的以及从石油炼制工艺得到的)；焦油砂油；页岩油；来自催化裂化工艺的塔底物；煤液化塔底物；和包含显著量的重质的或者粘滞性的材料的其它烃进料物流例如石油蜡级分。
如本文中使用的术语“沥青质”在室温下为芳族碳质固体，并且可例如从原油和原油焦油砂的加工得到。沥青质也可被认为是液体重质烃原料。
所述液体重质烃材料可内在地包含较少量的固体碳质材料，例如石油焦炭和/或固体沥青质，其通常分散在所述液体重质烃基质内并且在作为用于本工艺的进料条件使用的升高的温度条件下保持固态。
如本文中使用的术语“石油焦炭”和“石油焦(petcoke)”包括(i)在石油加工中获得的高沸点烃级分的固态热分解产物(重质残渣–“渣油石油焦(resid petcoke)”)，和(ii)加工焦油砂的固态热分解产物(沥青砂或油砂–“焦油砂石油焦”)两者。这样的碳化产物包括，例如，绿色的(green)、经煅烧的、针状的和流化床石油焦。
渣油石油焦也可由原油例如通过用于提升重比重残留原油(例如液体石油残留物)品质的炼焦工艺得到，所述石油焦包含作为较少组分的灰分，其典型地为基于所述焦炭的重量的约1.0重量％或更少、和更典型地约0.5重量％或更少。典型地，在这样的较低灰分焦炭中的灰分主要包括金属例如镍和钒。
焦油砂石油焦可由油砂例如通过用于提升油砂品质的炼焦工艺得到。焦油砂石油焦包含作为较少组分的灰分，其典型地在基于所述焦油砂石油焦的总重量的从约2重量％到约12重量％的范围内，和更典型地在从约4重量％到约12重量％的范围内。典型地，在这样的较高灰分焦炭中的灰分主要包括例如二氧化硅和/或氧化铝的物质。
石油焦炭可包括基于石油焦炭的总重量的至少约70重量％碳、至少约80重量％碳、或至少约90重量％碳。典型地，石油焦炭包括基于石油焦炭重量的小于约20重量％的无机化合物。
如本文中使用的术语“煤”指的是泥煤、褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤、或其混合物。在某些实施方式中，所述煤具有基于总的煤重量的小于约85％、或者小于约80％、或者小于约75％、或者小于约70％、或者小于约65％、或者小于约60％、或者小于约55％、或者小于约50％(以重量计)的碳含量。在其它实施方式中，所述煤具有范围基于总的煤重量最高达约85％、或者最高达约80％、或者最高达约75％(以重量计)的碳含量。有用的煤的实例包括，但不限于，Illinois#6、Pittsburgh#8、Beulah(ND)、Utah Blind Canyon、和Powder RiverBasin(PRB)煤。无烟煤、烟煤、次烟煤、和褐煤可分别含有约10重量％、从约5到约7重量％、从约4到约8重量％、和从约9到约11重量％的灰分，基于干重以所述煤的总重量计。然而，如本领域技术人员熟悉的，任何特定的煤来源的灰分含量将取决于煤的煤阶(等级，rank)和来源。参见例如“Coal Data:A Reference”，Energy Information Administration,Officeof Coal,Nuclear,Electric and Alternate Fuels,U.S.Department of Energy,DOE/EIA-0064(93),1995年2月。
如本领域技术人员熟悉的，由煤的燃烧产生的灰分典型地包括飞灰和底灰两者。来自烟煤的飞灰可包括基于所述飞灰的总重量的从约20到约60重量％二氧化硅和从约5到约35重量％氧化铝。来自次烟煤的飞灰可包括基于所述飞灰的总重量的从约40到约60重量％二氧化硅和从约20到约30重量％氧化铝。来自褐煤的飞灰可包括基于所述飞灰的总重量的从约15到约45重量％二氧化硅和从约20到约25重量％氧化铝。参见例如，Meyers等，“Fly Ash.A Highway Construction Material”，Federal Highway Administration,Report No.FHWA-IP-76-16,Washington,DC,1976。
来自烟煤的底灰可包括基于所述底灰的总重量的从约40到约60重量％二氧化硅和从约20到约30重量％氧化铝。来自次烟煤的底灰可包括基于所述底灰的总重量的从约40到约50重量％二氧化硅和从约15到约25重量％氧化铝。来自褐煤的底灰可包括基于所述底灰的总重量的从约30到约80重量％二氧化硅和从约10到约20重量％氧化铝。参见例如，Moulton,Lyle K.“Bottom Ash and Boiler Slag”，Proceedings of the ThirdInternational Ash Utilization Symposium,U.S.Bureau of Mines,InformationCircular No.8640,Washington,DC,1973。
材料例如甲烷取决于其起源的来源而可为根据以上定义的生物质或非生物质。
“非气态(的)”材料在环境条件下基本上为液体、半固体、固体、或者混合物。例如，煤、石油焦、沥青质和液体石油残留物为非气态材料，而甲烷和天然气为气态材料。
术语“单元”涉及单元操作。当超过一个“单元”被描述为存在时，那些单元以平行(并行)方式操作，除非另有说明。然而，取决于上下文，单个“单元”可包括串联或并联的超过一个的该单元。例如，旋流器单元可包括：内部旋流器，其后串联地跟着外部旋流器。作为另一实例，造粒单元可包括：用于造粒至第一粒度/颗粒密度的第一造粒机，其后串联地跟着用于造粒至第二粒度/颗粒密度的第二造粒机。
如本文中使用的术语“自由流动的”颗粒指的是，所述颗粒没有由于水分含量而实质上附聚(例如，没有实质上聚集、结块(cake)或凝集(clump))，如相关领域普通技术人员充分理解的。自由流动的颗粒无需为“干燥的”，但是期望地，所述颗粒的水分含量基本上包含在内部，使得存在最低限度的(或者不存在)表面水分。
本发明上下文中的术语“过热蒸汽”指的是在所利用的条件下为非冷凝性的蒸汽物流，如相关领域的普通技术人员通常理解的。
本发明上下文中的术语“干饱和蒸汽”或“干蒸汽”指的是非冷凝性的略微过热的饱和蒸汽，如相关领域的普通技术人员通常理解的。
术语“HGI”指的是如根据ASTM D409/D409M-11ae1测量的哈格罗夫可磨性指数(Hardgrove Grinding Index)。
术语“dp(50)”指的是如根据ASTM D4749-87(2007)测量的粒度分布的中间粒度(mean particle size)。
虽然在本公开内容的实践或试验中可使用与本文中描述的方法和材料类似或等同的那些，但是本文中描述了合适的方法和材料。本文中的材料、方法和实例因此仅是说明性的，并且除了具体说明之外，不意图为限制性的。
低煤阶煤原料
本发明部分地涉及用于加工原始的低煤阶煤原料以形成对于燃烧应用而言合适的经加工的低煤阶煤原料的各种工艺。
在步骤(a)中，提供原始的低煤阶煤原料。
术语“低煤阶煤”为相关领域的普通技术人员通常所理解。低煤阶煤包括典型的次烟煤、以及褐煤和泥煤。低煤阶煤通常被认为是与高煤阶烟煤和无烟煤相比“更年轻的”煤，并且与这样的高煤阶煤相比，往往具有更低的颗粒密度、更高的孔隙率、更低的固定碳含量、更高的水分含量、更高的挥发物含量、和在许多情况下更高的无机灰分含量。
在一个实施方式中，原始的低煤阶煤原料具有约25重量％或更大的内在(总)水分含量(如根据ASTM D7582-10e1测量的)、约6500kcal/kg(以干重计)或更少的热值(如根据ASTM D5865-11a测量的)、和约45重量％或更少的固定碳含量(如根据ASTM D7582-10e1测量的)。
典型地，所述原始的低煤阶颗粒状煤原料将具有约50或更大的HGI。本发明中使用的低煤阶煤的一个实施方式为具有约70或更大、或者从约70到约130的HGI的原煤。在一个实施方式中，所述低煤阶煤为褐煤。
典型地，本工艺中使用的原始的颗粒状低煤阶煤原料将基本上为低煤阶煤、或者仅为低煤阶煤。也可使用两种或更多种不同的低煤阶煤的混合物。
适合用于本发明中的所述原始的低煤阶煤原料(单独的或混合物)将具有初始水分含量。所述原始的低煤阶煤原料的初始(内在)水分含量期望地足够高，使得所述煤的内在水内容物的一部分由于干燥步骤(d)而被回收。换而言之，来自干燥步骤的“经加工的”煤的水分含量应小于进入到加工阶段中的原始的低煤阶煤的内在水分含量。在一个实施方式中，所述原始的低煤阶煤原料的初始水分含量为至少约25重量％、或者至少约30重量％、或者至少约35重量％、或者至少约40重量％，基于所述原始的低煤阶煤原料的总重量。
适合用于本发明中的所述原始的低煤阶煤原料(单独的或混合物)还具有初始的污染物内容物。所述原始的低煤阶煤原料的污染物内容物具有氯组分、或者钠组分、或者两者。
所述氯组分为基于所述原始的低煤阶煤原料的干重的至少约0.1重量％、或者至少约0.2重量％、或者至少约0.25重量％的初始无机氯内容物。期望地，所述煤还应具有基于所述原始的低煤阶煤原料的干重的小于约0.25重量％、或者小于约0.2重量％、或者小于约0.15重量％、或者小于约0.1重量％的初始有机氯内容物。
所述钠组分为基于所述原始的低煤阶煤原料的干重的至少约0.1重量％、或者至少约0.2重量％、或者至少约0.25重量％的初始无机钠内容物。
典型地，当存在无机氯组分时，还存在相关的无机钠组分，因为无机氯有时被称作“盐氯”。
关于钠和氯内容物的“无机(的)”通常意味着不是经由有机键结合到煤基质的，使得所述钠和氯可溶解在水中(并且因此潜在地通过洗涤被除去)，如以下进一步详述的。
煤的钠含量是根据ASTM D4326-11测定的。在本发明的上下文中，“无机钠含量”是根据该ASTM方法测量的煤样品的钠含量(对于本发明而言，所有这样的测得的钠被认为是无机的)。
煤的氯含量是根据ASTM D4208-13测定的。在本发明的上下文中，“总氯含量”是对原始的(未经洗涤的)煤样品根据该ASTM标准测量的氯含量。“有机氯含量”是对经水洗涤的煤样品根据该ASTM标准测量的氯含量(换而言之，不容易经由水洗涤除去的氯的量)。在本发明的上下文中的“无机氯含量”是“总氯含量”和“有机氯含量”之间的差值。
为了定义的目的，用于测量有机氯含量的煤样品的水洗涤是经由以下程序进行的：
(1)向两个2L Erlenmeyer烧瓶的每一个添加1200g DDI(经蒸馏的去离子)水；
(2)向各烧瓶添加200g经研磨的低煤阶煤原料(根据ASTM D4208-13)；
(3)将各烧瓶在室温下使用300-450rpm的速度搅拌30分钟(确保所有固体充分地混入水中)；
(4)将这两批次倒入设置用于真空抽吸的布氏漏斗中；
(5)开始真空抽吸，并且用3次400ml等分量的DDI水冲洗以产生滤饼；
(6)继续真空抽吸，直至滤饼为“干的”(从抽吸出来的滴水基本上停止)；和
(7)终止真空抽吸并且收集剩留的滤饼。
视需要重复该过程以收集对于经由ASTM D4208-13的分析足够的样品规模。
也可使用主要量的一种或多种低煤阶煤与较少量的一种或多种其它非气态碳质原料的混合物。这样的其它非气态原料包括，例如，高煤阶煤、石油焦炭、液体石油残留物、沥青质和生物质。在低煤阶煤与另一类型的非气态碳质材料的组合的情况下，来自低煤阶煤组分的热值必须为所述组合的主要部分。换而言之，组合原料的总热值是有大于50％、或大于约66％、或大于约75％、或大于约90％来自低煤阶煤来源的。
如以下更详细地讨论的，当使用某些其它非气态碳质材料时，可在所述工艺中的各个其它步骤加入所述某些其它非气态碳质材料。例如，当存在造粒操作时，这样的材料可用于辅助经研磨的低煤阶煤原料的造粒(粘合)，其例如液体石油残留物、沥青质和某些生物质例如鸡粪。这样的材料也可用于改变该组合原料的其它性质，例如总碳含量、水含量、灰分含量和相关领域的普通技术人员能认识到的其它性质。
所述原始的低煤阶煤原料可为从矿直接提供的，或者其可如本领域中公知的那样通过粗研磨进行预加工以更适合于经由铁路、卡车或传送带运输。
总的原料制备工艺信息
步骤(a)中提供的原始的低煤阶煤原料初始地通过如下进行加工：研磨至期望的初始粒度、洗涤、任选地造粒、干燥、然后任选地分级至期望的最终粒度，其实施方式描绘于图1中。
根据该实施方式，提供如上所述的原始的低煤阶煤原料(10)并且将其在步骤(b)中研磨以产生规定粒度的经研磨的低煤阶煤原料。
在研磨步骤(b)中，可将原始的低煤阶煤原料(10)在研磨单元(110)中根据本领域中已知的任何方法(例如冲击破碎以及湿法或干法研磨)破碎、研磨和/或粉碎，以产生经研磨的低煤阶煤原料(20)，其粒度分布适合于后续加工成用于预期的最终用途的最终粒度分布曲线(轮廓，profile)。
如上所示，提供至研磨步骤的原始的低煤阶煤原料(10)可为如从矿直接获取的那样或者可为经初始加工的，例如通过粗略破碎至粒度足够大到在研磨步骤中更精细地研磨。
相关最终用途领域中的普通技术人员将容易地能够对于期望的最终用途确定期望的粒度分布曲线。不同的工艺将具有它们自身更窄的粒度分布范围，如以下更详细地讨论的。
经研磨的低煤阶煤原料(20)可任选地直接在研磨之后分级以通过除去“粗大的”和/或“细小的”材料而改进粒度分布。
在一个实施方式中，将原始的低煤阶煤原料(10)干法研磨至期望的初始粒度分布曲线。
在另一实施方式中，通过将含水介质的物流(40)添加到研磨工艺中而将原始的低煤阶煤原料(10)湿法研磨。用于煤原料的湿法研磨的合适方法的实例是相关领域的普通技术人员公知的。
根据所述工艺的步骤(c)，将所述经研磨的低煤阶煤原料用含水洗涤物流洗涤。该洗涤可作为湿法研磨工艺的组成部分进行(洗涤步骤与研磨步骤同时发生)，在此情况下，物流(40)为含水洗涤物流。将包含除去的污染物的洗涤物流作为废水物流(46)取出。
替代地，这样的洗涤可在研磨(和任选的分级)步骤之后在洗涤单元(120)中进行，在此情况下，物流(44)为含水洗涤物流。将包含除去的污染物的洗涤物流作为废水物流(42)取出。
此外，这样的洗涤可既作为研磨过程的一部分发生，又可对经研磨的低煤阶煤原料(在任选的分级之前或之后)单独发生。
如图1中所示，将粗制的经研磨的低煤阶煤原料(20)送至洗涤单元(120)，在洗涤单元(120)中使其与含水洗涤物流(44)接触以除去包括无机氯和无机钠在内的各种水溶性污染物，以产生经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料(22)。
适合于在洗涤单元(120)中使用的煤洗涤工艺是相关领域的普通技术人员公知的。一种合适的这样的工艺涉及利用一个或一系列的真空带式过滤器，其中将经研磨的煤在真空带上输送，同时向其喷射含水介质(典型地，从来自所述工艺的废水物流的处理(例如，从废水物流(42)和/或废水物流(46)的处理)回收的再循环水)。在该阶段也可施加添加剂例如表面活性剂、絮凝剂和造粒助剂。例如，可施加表面活性剂和絮凝剂以辅助在真空带式过滤器和/或任何后续脱水阶段中的脱水。
所得经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料(22)将典型地为具有这样的高水含量的湿滤饼或者浓淤浆的形式：其典型地需要初始的脱水阶段(任选的脱水单元(130))来除去一部分水含量和产生具有适合于后续加工的水含量的初始的经脱水的经研磨的低煤阶煤原料(34)。
适合用于在该脱水阶段中使湿的煤滤饼和浓的煤淤浆脱水的方法和设备为相关领域的普通技术人员公知的并且包括例如过滤(重力或真空)、离心和液压方法和设备。可使用对于所述煤颗粒具有亲和性的疏水性有机化合物和溶剂来促进脱水。
从脱水单元(130)产生的废水物流(38)可例如与废水物流(42)和(46)一起被送去废水处理单元(160)用于处理以产生经清洁的水物流(54)和浓缩的污染物物流(52)。
从废水处理单元(160)回收的经清洁的水物流(54)期望地被再循环用于工艺中的其它地方。例如，将经清洁的水物流(54)的全部或一部分作为再循环水物流(56)再循环，其可与淡水物流(12)组合以产生用作含水洗涤物流(40)和/或(44)的水进料物流(14)。替代地或此外，可将经清洁的水物流(54)的全部或一部分再循环至工艺的燃烧段用于产生蒸汽，如以下更详细地讨论的。
取决于浓缩的污染物物流(52)中的污染物的类型和量，期望地，可将该物流进一步加工以回收污染物组分的一些、或者以可接受的方式除掉。
取决于原始的低煤阶煤原料的性质(例如，HGI)以及期望的最终用途，使经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料(22)(或初始的经脱水的经研磨的低煤阶煤原料(34)，如果存在的话)在后续的造粒单元(135)中附聚以产生具有对于最后的最终用途而言合适的粒度分布的经造粒的低煤阶煤原料(36)可为期望的。对于本发明而言，附聚/造粒指的是相关领域的普通技术人员公知类型的用于附聚和提高粒度的造粒和压块过程两者。
用于制备附聚的低煤阶煤原料的一种具体工艺公开于之前引入的美国申请No.14/039,321(代理人案号：FN-0073 US NP1，题为AGGLOMERATED PARTICULATE LOW-RANKCOAL FEEDSTOCK AND USES THEREOF)中。
当使用附聚时，可在造粒单元(135)之前将来自其它来源的适当粒度的另外的细屑材料(未示出)在各种位置处加入到工艺中。例如，可将来自其它煤和/或石油焦加工操作的细屑材料与经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料(22)(或者初始的经脱水的经研磨的低煤阶煤原料(34)，如果存在的话)组合以改变(例如，进一步降低)水含量和/或提高其碳含量。
在附聚步骤中典型地使用各种类别的粘合剂。合适的粘合剂是相关领域的普通技术人员通常公知的并且包括有机和无机粘合剂。有机粘合剂包括，例如，各种淀粉、絮凝剂、天然和合成聚合物、生物质例如鸡粪、以及分散的/乳化的油材料例如分散的液态石油渣油。无机粘合剂包括矿物粘合剂。
造粒步骤应导致具有接近于用于期望的最终用途的目标dp(50)的dp(50)(该dp(50)可通过如以下讨论的分级步骤进一步改进)的湿的附聚的低煤阶煤颗粒(36)。
取决于湿的附聚的低煤阶煤颗粒(23)的水分含量，那些颗粒可能是或可能不是自由流动的，和/或可能不是结构上稳定的，和/或可能具有对于期望的最终用途而言太高的水分含量，并且可任选地需要经历额外的在脱水单元中的中间脱水阶段(未示出)以产生经脱水的附聚的低煤阶煤原料。适合用于使湿的附聚的低煤阶煤颗粒(32)在脱水阶段中脱水的方法是相关领域的普通技术人员公知的并且包括例如，过滤(重力或真空)、离心和液压。
根据工艺的步骤(d)，将经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料(22)(或者初始的经脱水的经研磨的低煤阶煤原料(34)，如果存在脱水单元(130)的话；或者湿的附聚的低煤阶煤颗粒(36)，如果存在造粒单元(135)的话)在利用较低压力蒸汽物流(48)作为热源的热干燥单元(140)中通过与气体物流(80)接触而干燥，以产生减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料(78)、回收蒸汽物流(50)和回收的水分物流(82)。除去足够的水分，使得所得减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料(78)为自由流动的颗粒。必须除去的水分的量可由本领域普通技术人员基于进入热干燥单元(140)的材料的组成和性质容易地确定。
根据本发明，较低压力蒸汽物流(48)为从本工艺的燃烧段得到和再循环的蒸汽物流，如以下更详细讨论的。
热干燥单元(140)典型地为流化床干燥器，其中煤颗粒通过进料到热干燥单元(140)中的气体物流(80)被流化。气体物流(80)典型地为“干燥”空气或氮气增浓的气体物流，例如，来自如图2中显示并且在以下更详细地讨论的空气分离单元(550)的氮气增浓的物流(570)。这样的流化床干燥器是相关领域的普通技术人员公知的并且通常可商购得到，并且本发明的上下文中的“干燥气体物流”指的是足够干燥至能够在热干燥单元(140)内使用的条件下从湿的煤剔除水分，如相关领域的普通技术人员理解的。
气体物流(80)典型地是以略微升高的压力，例如，以略微高于大气压最高到约50psig(约446kPa绝对压力)、或者最高到约30psig(约308kPa绝对压力)、或者最高到约15psig(约205kPa绝对压力)的压力提供的。
较低压力蒸汽物流(48)是以从约10psig(约170kPa绝对压力)、或者约15psig(约205kPa绝对压力)、到约50psig(约446kPa绝对压力)、或者到约40psig(约377kPa绝对压力)、或者到约30psig(约308kPa绝对压力)的压力提供的。
气体物流(80)中的干燥气体加上从较低压力蒸汽物流(48)传递的热能的组合足以从湿的进料除去期望量的水分以产生自由流动的减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料(78)。期望地，较低压力蒸汽物流(48)的量和进料到热干燥单元(140)中的气体物流的量在组合中足以使得所得减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料(78)具有比原始的低煤阶煤原料(10)的初始水分含量低，但是不大于基于所述减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料(78)的总重量的约40重量％、或者不大于约35重量％、或者不大于约30重量％的水分含量。
期望地，将来自热干燥单元(140)的回收蒸汽物流(50)如下再循环回到工艺中：作为再循环蒸汽物流(74)回到该工艺的燃烧段和/或作为再循环蒸汽物流(58)回到原料制备阶段，例如，作为含水物流(40)和/或(44)的一部分。当被再循环回去用于原料制备阶段中时，再循环蒸汽物流(58)为非常低级的蒸汽，其典型地被冷凝为水，例如经由空气冷却的冷凝器(170)冷凝为水，以产生再循环水物流(76)。回收蒸汽物流(50)可此外或者替代地全部或部分地在冷凝之后被再循环至水处理单元(160)。
期望地，回收的水分物流(82)中的水分也被再循环回到工艺中。典型地，将该水分冷凝为水，例如，经由空气冷却的冷凝器(180)冷凝为水，以产生再循环水物流(84)，再循环水物流(84)典型地在冷凝之后被进料到水处理单元(160)中。再循环水物流可此外或者替代地被全部或者部分地再循环回到原料制备阶段，例如，作为含水物流(40)和/或(44)的一部分。然后可将已经从其冷凝出水分的气体在任选地与来自物流(570)的补给气体组合的情况下作为气体物流(80)再循环。
典型地，但是任选地，提供在分级单元(150)中的最终分级阶段以改进减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料(78)的颗粒分布，其中将高于目标上端尺寸(大的或“粗大物(bigs)”)(物流(70))和低于目标下端粒度(细屑或“细小物(smalls)”)(物流(72))的颗粒的全部或一部分除去以导致用于进料到燃烧器中的低煤阶煤原料(32)。适合用于分级的方法是相关领域的普通技术人员公知的，并且典型地包括具有适当尺寸的(sized)筛子的筛分单元。在一个实施方式中，粗大物和细小物(基于对于进料到该工艺的燃烧段中的低煤阶煤原料(32)定义的粒度分布)的任一种或两种(期望地)的至少90重量％、或至少95重量％在该最终的分级阶段中被除去。
除了任何热干燥(其在升高的温度和压力条件下进行)之外，原料制备阶段中的所有操作通常在环境温度和压力条件下进行。然而，在一个实施方式中，洗涤阶段可在升高的温度条件下(例如，使用加热的洗涤水)进行以促进在该洗涤工艺期间除去的污染物的溶解。
如上所示，低煤阶煤原料(32)的最终粒度分布以及其它性质例如水分含量将是针对最后的最终用途而规定的，并且将取决于例如如下的因素：燃烧器的类型、原料物理和化学性质、以及相关领域的普通技术人员将认识到和理解的其它已知因素。
在一个实施方式中，所得低煤阶煤原料(32)具有适合于循环流化床燃烧器的粒度分布，例如，这样的dp(50)：其为在从约3000微米到约6000微米的范围中的值。
在另一实施方式中，所得低煤阶煤原料(32)具有适合于粉煤锅炉的粒度分布，例如，这样的dp(50)：其为在从约100微米到约200微米的范围中的值。
期望地，再循环水物流(56)和再循环蒸汽物流(58)(或者再循环水物流(76)，如果再循环蒸汽物流(58)已经被冷凝的话)的组合使淡水物流(12)最少化或者甚至消除淡水物流(12)。在一个实施方式中，整个工艺是基本上水中立的，因为在该工艺的稳态操作中基本上不加入淡水，例如，其中淡水物流(12)为约5重量％或更少、或者约2重量％或更少、或者约0重量％，基于淡水物流(12)、再循环水物流(56)和再循环蒸汽物流(58)(或者再循环水物流(76)，如果再循环蒸汽物流(58)已经被冷凝的话)的组合重量。在另一实施方式中，整个工艺为水正向的，因为可实际上从系统除去水，例如，作为经清洁的水物流(54)的一部分，并且用在其它地方。
燃烧工艺
作为一般概念，在燃烧工艺中，煤中的碳燃烧以产生热(所述热可被回收，例如，以产生蒸汽各种工业用途，包括但不限于发电)，和产生废气，所述废气可被用于驱动涡轮用于发电。
合适的燃烧技术、操作条件、以及设备和配置(configuration)是相关领域的普通技术人员公知的，并且许多可应用的技术是可商购获得的。
一种这样的技术利用循环流化床燃烧器(“CFB”)。CFB通常在典型地范围从约760℃到约930℃的相对中等的温度下操作。CFB典型地利用具有范围从约3000微米到约6000微米的dp(50)的较粗颗粒。
另一技术利用粉煤锅炉(“PCB”)。PCB在典型地范围从约1300℃到约1700℃的高温下操作。PCB典型地利用具有范围从约100到约200微米的dp(50)的较细颗粒。
燃烧器可在范围从大气压到高得多的压力条件的各种压力下操作，并且典型地对于流化介质使用空气，其典型地是氧气增浓的以促进燃烧。
所有的燃烧工艺将涉及反应器(燃烧器)(其概要地在图2中描绘为(500)和在图3中描绘为(400))，在其中使低煤阶煤原料(32)燃烧以产生热能以及废气(510)(图2)和(410)(图3)。
参照图2，描绘了本发明的燃烧段的一个实施方式，其中存在蒸汽和电的联产，以及从燃烧气体和产生的蒸汽联产发电。
在图2中，将低煤阶煤原料(32)与空气或氧气增浓的空气物流(552)进料到包含床(502)的燃烧反应器(500)中，在床(502)中使碳燃烧以产生燃烧气体，取决于煤组成和燃烧条件，所述燃烧气体典型地包括二氧化碳、水蒸气、热能、夹带的固体和其它污染物副产物。
取决于具体工艺，可将低煤阶煤原料(32)在针对具体燃烧工艺优化的一个或多个不同的位置处进料到燃烧反应器(500)中，如相关领域普通技术人员将认识到的。
燃烧反应器(500)中的燃烧将典型地发生在通过空气或氧气增浓的空气物流(552)和/或可进料至燃烧反应器(500)的其它流化气体(例如二氧化碳和/或氮气)的流动而流化的原料(32)的床(502)中。
典型地，燃烧为非催化过程，因此不需要将催化剂加入至原料(32)或加入到燃烧反应器(500)中；然而，可使用促进燃烧的催化剂。
典型地，在燃烧过程中碳转化是基本上完全的，并且任何残留的固体残留物主要为无机灰分且有很少的或者没有碳残留物。取决于反应条件，燃烧可为造渣的或者不造渣的，其中将残留物(514)作为熔融的(造渣的)或固体的(不造渣的)灰分或炭(就在固体残留物中仍然存在明显的碳含量而言)从燃烧反应器(500)取出。典型地，残留物收集在位于床(502)下面的段(506)中并且从燃烧反应器(500)的底部取出，但是灰分也可与粗制的燃烧气体物流(510)一起从燃烧反应器(500)的顶部(504)取出。
段(506)和流化床(502)可例如通过栅板(508)隔开。
粗制的燃烧气体物流(510)典型地从燃烧反应器(500)的顶部或上部部分(504)取出。
离开燃烧反应器(500)的床(502)的热的气体流出物可穿过如下的细屑除去器单元(例如旋流器组件(530))：其结合到燃烧反应器(500)内和/或外部，其起到分离区的作用。太重而无法被离开燃烧反应器(500)的气体所夹带的颗粒可被返回至燃烧反应器(500)，例如，返回至床(502)。
残留的所夹带的细屑通过任何合适的装置例如内部的和/或外部的旋流器分离器(530)被基本上除去以产生细屑贫化的粗制的燃烧气体物流(516)。这些细屑的至少一部分可经由再循环管线(562)和(566)被返回至床(502)，特别是就这样的细屑仍然包含实质的碳内容物(可被视为炭)而言。替代地，可将任何细屑或灰分(572)经由管线(562)除去。
如图2中所阐明的，将燃烧反应器(500)在足够的压力条件下操作使得细屑贫化的粗制的燃烧气体物流(516)可被用于以机械方式驱动涡轮(542)。涡轮(542)通过轴(536)或者其它机械联结器连接至发电机(574)，并且涡轮(542)产生的机械能驱动发电机(572)，使得产生电力(574)。
期望地，涡轮(542)也可通过轴(556)或者其它机械联结器以机械方式连接至空气压缩机(548)或者类似装置，并且涡轮(542)产生的机械能驱动空气压缩机(548)以压缩空气物流(546)并且产生经压缩的空气物流(568)用于作为空气物流(552)进料回到燃烧反应器(500)中。经压缩的空气物流(568)可任选地被进料到空气分离装置(550)例如膜或低温(深冷，cryogenic)分离器中，以使经压缩的空气物流(568)的氧气含量增浓而用作氧气增浓的物流(552)。在一个实施方式中，空气分离装置(550)为低温分离器，并且从该工艺产生的电可用于驱动该单元。
所分离出来的气态组分(作为物流(570)示出并且其将主要为氮气)可被排放或者用在该工艺中的其它地方，例如，作为如以上讨论的用于热干燥单元(140)中的物流(80)或者物流(80)的补给气体。
离开涡轮(542)的废气(578)仍然包含显著的热能，其可例如在热回收蒸汽发生器(“HSRG”)(560)中被回收。HSRG在一般意义上是相关领域的普通技术人员公知的。例如，可将废气(578)进料通过HSRG(560)中的加热盘管(未示出)以从进料到HSRG(560)中的含水物流(62)(其可为水和/或蒸汽)产生蒸汽或者进一步地对来自含水物流(62)的蒸汽进行加热以产生蒸汽物流(524)和减少热量的废气物流(522)。由于减少热量的废气物流(522)典型地包含显著量的水内容物(作为蒸汽)，可将物流(522)通过冷却单元(574)，例如，相关领域的普通技术人员公知类型的空气冷却单元，以使水分冷凝出来和产生水回收物流(582)和经冷却的废气物流(580)。
经冷却的废气物流(580)典型地被排放至大气，但是在排放之前可通过已知工艺进一步处理。
期望地，水回收物流(582)也被再循环回到工艺中。典型地，水回收物流(582)将被进料到水处理单元(160)中，如图1中所示。水回收物流(582)可此外或替代地被全部或部分地再循环回到原料制备阶段，例如，作为含水物流(40)和/或(44)的一部分。
蒸汽物流(524)典型地为中等压力蒸汽物流，其可被进料到通过轴(580)或者其它机械联结器连接至发电机(558)的第二涡轮(540)中，并且涡轮(540)产生的机械能驱动发电机(558)使得产生电力(560)。
较低压力蒸汽物流(48)离开涡轮(540)，其如图1中所示可被进料到热干燥单元(140)中以提供热干燥能量。
也可将较低压力蒸汽物流(48)的一部分作为物流(60)再循环回到HSRG(560)，物流(60)可与经清洁的水物流(54)和/或再循环蒸汽物流(74)的一部分组合来用作含水物流(62)。然而，期望地，也可使用经清洁的水物流(54)和/或再循环蒸汽物流(74)的一部分作为含水物流(62)而不利用任何的较低压力蒸汽物流(48)，使得较低压力蒸汽物流(48)的热能利用可在热干燥单元(140)中最大化。
现在参照图3，描绘了本发明的燃烧段的另一实施方式，其中存在较高压力蒸汽和电的联产。
在图3中，将低煤阶煤原料(32)和空气或氧气增浓的空气物流(406)进料到包含床(402)的燃烧反应器(400)中，在床(402)中使碳燃烧以产生燃烧气体，取决于煤组成和燃烧条件，所述燃烧气体典型地包括二氧化碳、水蒸气、热能、夹带的固体以及其它污染物副产物。
取决于具体工艺，可将低煤阶煤原料(32)在针对具体燃烧工艺优化的一个或多个不同的位置处进料到燃烧反应器(400)，如相关领域的普通技术人员将认识到的。
燃烧反应器(400)中的燃烧将典型地发生在通过空气或氧气增浓的空气物流(406)和/或可进料至燃烧反应器(400)的其它流化气体(例如二氧化碳和/或氮气)的流动而流化的原料(32)的床(402)中。
典型地，燃烧为非催化过程，因此不需要将催化剂添加至原料(32)或加入到燃烧反应器(400)中；然而，可使用促进燃烧的催化剂。
典型地，在燃烧过程中碳转化是基本上完全的，并且任何残留的固体残留物主要为无机灰分且有很少的或者没有碳残留物。取决于反应条件，燃烧可为造渣的或不造渣的，其中将固体残留物(414)作为熔融的(造渣的)或固体的(不造渣的)灰分或炭(就在固体残留物中仍然存在明显的碳含量而言)从燃烧反应器(400)取出。典型地，残留物收集在位于床(402)下面的段(416)中并且从燃烧反应器(400)的底部取出，但是灰分也可与粗制的燃烧气体物流(410)一起从燃烧反应器(400)的顶部(404)取出。
段(406)和流化床(402)可例如通过栅板(408)隔开。
粗制的燃烧气体物流(410)典型地从燃烧反应器(400)的顶部或上部部分(404)取出。
离开燃烧反应器(400)的床(402)的热的气体流出物可穿过如下的细屑除去器单元(例如旋流器组件(460))：其结合到燃烧反应器(400)内和/或外部，其起到分离区的作用。太重而无法被离开燃烧反应器(400)的气体所夹带的颗粒可被返回至燃烧反应器(400)，例如，返回至床(402)。
残留的所夹带的细屑通过任何合适的装置例如内部的和/或外部的旋流器分离器(460)被基本上除去以产生细屑贫化的粗制的燃烧气体物流(430)。这些细屑的至少一部分可经由再循环管线(462)和(466)被返回至床(402)，特别是就这样的细屑仍然包含实质的碳内容物(可被视为炭)而言。替代地，可将任何细屑或灰分(472)经由管线(462)除去。
如图3中所阐明的，燃烧反应器(400)中产生的热可经由热交换器(412)回收，热交换器(412)可用于从经由物流(422)进料到热交换器(412)中的水产生蒸汽或使从经由物流(422)进料到热交换器(412)中的蒸汽过热。热交换器(412)可为与燃烧反应器(400)集成在一起的和/或在燃烧反应器(400)的外部。例如，可使低压蒸汽物流通过热交换器(412)，在热交换器(412)中使其过热以产生如下的高压蒸汽物流(424)：其可用于各种工业过程，包括但不限于驱动蒸汽涡轮用于发电。在此情况下，物流(422)可全部地或部分地由经清洁的水物流(54)和/或再循环蒸汽物流(74)构成，并且可包括离开涡轮(434)的较低压力蒸汽物流(432)的一部分，如以下讨论的。
在图3的配置中，蒸汽物流(424)典型地为高压蒸汽物流(而且典型地为干燥的或过热的蒸汽物流)，可将其全部或部分地经由物流(436)进料至通过轴(440)或其它机械联结器连接至发电机(458)的涡轮(434)，并且涡轮(434)产生的机械能驱动发电机(458)使得产生电力(470)。
较低压力蒸汽物流(432)离开涡轮(434)，其全部地或部分地用作如以上讨论的用于进料到热干燥单元(140)中的较低压力蒸汽物流(48)。
未进料到涡轮(434)中的那部分高压蒸汽物流(424)可被作为蒸汽物流(472)除去和用在其它地方。通常，在图3的配置中，产生了足够的高压蒸汽，使得仅需要一部分来对涡轮(434)进行进料并且最终产生较低压力蒸汽物流(48)。
也可将较低压力蒸汽物流(432)的一部分作为物流(422)再循环回到热交换器(412)，其可与经清洁的水物流(54)和/或再循环蒸汽物流(74)的一部分组合用作物流(422)。然而，期望地，也可使用经清洁的水物流(54)和/或再循环蒸汽物流(74)的一部分作为物流(422)而不使用任何的较低压力蒸汽物流(432)，使得物流(432)的全部被用作较低压力蒸汽物流(48)，并且较低压力蒸汽物流(48)的热能利用可在热干燥单元(140)中最大化。
细屑贫化的粗制的燃烧气体物流(430)仍然包含显著的热能以及蒸汽，并且可被进一步加工以便以机械方式驱动涡轮用于发电和/或以便驱动空气压缩机，和/或以与以上结合图2的讨论所阐述的类似方式回收热能和/或蒸汽。
多组列(Multi-Train)工艺
在本发明的工艺中，各工艺可在一个或多个加工单元中进行。例如，可向一个或多个燃烧器供应来自一个或多个原料制备单元操作的原料。
在某些实施方式中，所述工艺利用两个或更多个燃烧器(例如，2–4个燃烧器)。在这样的实施方式中，所述工艺可在所述燃烧器之前包含渐扩的(分叉的，divergent)多个加工单元(即，小于燃烧器的总数)用于最终将所述原料提供至所述多个燃烧器，和/或可在所述燃烧器之后包含收敛的(convergent)多个加工单元(即，小于燃烧器的总数)用于加工通过所述多个燃烧器产生的多股燃烧气体物流。
当系统包含收敛的多个加工单元时，所述收敛的多个加工单元各自可选择成具有接受大于去往所述收敛的多个加工单元的总进料物流的1/n份的能力(容量，capacity)，其中n为收敛的多个加工单元的数量。类似地，当该系统包含渐扩的多个加工单元时，所述渐扩的多个加工单元各自可选择成具有接受大于供应所述收敛的多个加工单元的总进料物流的1/m份的能力，其中m为渐扩的多个加工单元的数量。

Claims (29)

1.用于从原始的低煤阶煤原料产生蒸汽的工艺，所述工艺包括如下步骤：
(a)提供包括初始的污染物内容物的原始的低煤阶煤原料，其中所述初始的污染物内容物包括
(a1)基于所述原始的低煤阶煤原料的干重的至少0.1重量％的初始无机氯内容物，或者
(a2)基于所述原始的低煤阶煤原料的干重的至少1.0重量％的初始无机钠内容物，或
(a3)(a1)和(a2)两者；
(b)研磨所述原始的低煤阶煤原料以产生经研磨的低煤阶煤原料；
(c)用含水洗涤物流洗涤所述经研磨的低煤阶煤原料以产生经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料和废水物流，所述经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料具有
(c1)小于所述初始无机氯内容物的50重量％，但是不大于基于所述经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料的干重的0.1重量％的经洗涤的无机氯内容物，和
(c2)小于所述初始无机钠内容物的50重量％，但是不大于基于所述经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料的干重的0.1重量％的经洗涤的无机钠内容物；
(d)借助干燥气体物流和热能干燥所述经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料，以产生减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料和水分回收物流，其中所述热能的至少一部分是通过在从10psig(170kPa绝对压力)到50psig(446kPa绝对压力)的压力下的较低压力蒸汽物流提供的，和其中所述减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料是自由流动的并且具有基于所述减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料的总重量不大于40重量％的水分含量；
(e)将所述减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料和含氧气的气体物流进料到燃烧器中；
(f)将所述减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料在所述燃烧器中用氧气燃烧以产生包括蒸汽、二氧化碳和热能的燃烧气体物流；
(g)通过产生在至少150psig(至少1136kPa绝对压力)的压力下的较高压力蒸汽物流而从所述燃烧气体物流回收热能，
(h)将所述较高压力蒸汽物流的至少一部分转化以产生所述较低压力蒸汽物流；
(i)使来自步骤(d)的水分回收物流冷凝以产生冷凝的水分物流；
(j)对来自洗涤步骤(c)的所述废水物流进行处理以产生回收的水物流；和
(k)将(k1)所述冷凝的水分物流的至少一部分，或者将(k2)所述回收的水物流的至少一部分，或者将(k1)和(k2)两者再循环至洗涤步骤(c)，其中所述含水洗涤物流至少部分地包括所述冷凝的水分物流和所述回收的水物流的再循环部分。
2.权利要求1的工艺，特征在于所述原始的低煤阶煤原料具有50或更大的哈格罗夫可磨性指数。
3.权利要求2的工艺，特征在于所述原始的低煤阶煤原料具有70或更大的哈格罗夫可磨性指数。
4.权利要求3的工艺，特征在于所述原始的低煤阶煤原料具有从70到130的哈格罗夫可磨性指数。
5.权利要求1-4任一项的工艺，特征在于研磨步骤为湿法研磨步骤。
6.权利要求5的工艺，特征在于洗涤步骤和研磨步骤同时发生。
7.权利要求6的工艺，特征在于存在在研磨步骤之后发生的洗涤步骤。
8.权利要求7的工艺，特征在于使所述经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料在步骤(c)之后和在步骤(d)之前附聚。
9.权利要求8的工艺，特征在于进料到所述燃烧器中的所述减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料具有其中dp(50)为100微米-6000微米的值的粒度分布。
10.权利要求9的工艺，特征在于dp(50)为在从3000微米到6000微米范围内的值。
11.权利要求1-4任一项的工艺，特征在于所述燃烧器为循环流化床燃烧器。
12.权利要求9的工艺，特征在于dp(50)为在从100微米到200微米范围内的值。
13.权利要求1-4任一项的工艺，特征在于所述燃烧器为粉煤锅炉。
14.权利要求1-4任一项的工艺，特征在于所述原始的低煤阶煤原料具有初始水分含量，并且所述减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料的水分含量以总wt/wt计小于所述原始的低煤阶煤原料的初始水分含量。
15.权利要求14的工艺，特征在于所述原始的低煤阶煤原料的初始水分含量为至少25重量％，基于所述原始的低煤阶煤原料的总重量。
16.权利要求1-4任一项的工艺，特征在于研磨步骤为干法研磨步骤。
17.权利要求16的工艺，特征在于存在在研磨步骤之后发生的洗涤步骤。
18.权利要求17的工艺，特征在于使所述经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料在步骤(c)之后和在步骤(d)之前附聚。
19.权利要求18的工艺，特征在于进料到所述燃烧器中的所述减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料具有其中dp(50)为100微米-6000微米的值的粒度分布。
20.权利要求19的工艺，特征在于dp(50)为在从3000微米到6000微米范围内的值。
21.权利要求19的工艺，特征在于dp(50)为在从100微米到200微米范围内的值。
22.权利要求8的工艺，特征在于所述燃烧器为循环流化床燃烧器。
23.权利要求8的工艺，特征在于所述燃烧器为粉煤锅炉。
24.权利要求8的工艺，特征在于所述原始的低煤阶煤原料具有初始水分含量，并且所述减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料的水分含量以总wt/wt计小于所述原始的低煤阶煤原料的初始水分含量。
25.权利要求8的工艺，特征在于所述原始的低煤阶煤原料的初始水分含量为至少25重量％，基于所述原始的低煤阶煤原料的总重量。
26.权利要求18的工艺，特征在于所述燃烧器为循环流化床燃烧器。
27.权利要求18的工艺，特征在于所述燃烧器为粉煤锅炉。
28.权利要求18的工艺，特征在于所述原始的低煤阶煤原料具有初始水分含量，并且所述减少水分的经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料的水分含量以总wt/wt计小于所述原始的低煤阶煤原料的初始水分含量。
29.权利要求18的工艺，特征在于所述原始的低煤阶煤原料的初始水分含量为至少25重量％，基于所述原始的低煤阶煤原料的总重量。
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