CN105623774B - 煤炭加工 - Google Patents

Abstract

对煤炭加工提高其品级的方法。其中在控制大气的设备内逐步提高材料的温度，以降低表面水分和内在水分以及控制降低挥发分的同时保持了煤炭天然结构完整。本方法缩短了加工时间，减少了投资以及降低了为生产高品级的煤炭所需的生产费用。因此，实质上提高了投资费用效率以及生产率均超过先前的所有方法。

Description

煤炭加工

本申请是申请号为00818174.8(国际申请号PCT/US00/41772)、申请日为2000年11月2日、发明名称为“煤炭加工”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及生物物质的加工以提高其使用价值或品级。特别是，本发明提供了一种方法，用于加煤或其他生物物质时能使所选定的原料有效地从低品级转变成高品级燃料，可提高单位燃料热能的释放。本发明的具有目标是服务于公用事业，商业和工业市场。本发明也能供应低烟尘的民用燃料，诸如家庭取暖和炊事。

发明背景

众所周知，生物物质是能大量和最易获得的能源之一。生物物质发现于森林、贝类、植物荚壳和泥炭这样一些不成熟的形式。大量的生物物质也能以褐煤，次烟煤，烟煤以及无烟煤的形式获得。自从人们发现和掌握火以来，就能利用集存于上述物质中的能量，然而，这些大量储存的能源，其效率低下利用的结果，造成大气质量下降以及对生态环境的破坏。由于人们对从工业社会获得产品的欲望是无止境的，因而对能源的需求不断增长，于是需要以安全的，洁净和对生态环境负责的方式释放能源。

先前的方法是对煤炭加热脱除水分，提高煤炭产品的品级和BTU^*，而且也知道煤的热解性能使复杂的烃类改变成较简单的烃。这种分子组成的变化，使得煤更容易燃烧。这些方法已发展使用高温(超过煤的自燃点)。高温技艺，须要控制形成一种大气为了煤在加热处理时不致引发煤的自燃。但是这种高温大气控制设备产生一种不稳定的产品。由于煤在加热炉内“振动或表面粉化”而产生的粉末需要重新处理制成型煤。后来发展到将煤破碎至小于3/16”(末煤)的细粒物料。这些末煤通常在温度400°F-700°F范围内热解降低了水分和挥发分。其后本方法将这些末煤与粘结剂掺混。粘结剂或是固有的或是外加的，制得的混合料注入预先设定尺寸的模具内制成型煤，制得的型煤，水分低或没有水分，挥发分已脱到一定程度和具有合适的稳定性。

先前这些方法需要2-6小时才能完成，既慢而且在授资费用和生产费用上都高。这种对煤炭加工提高其品级的方法须要改进，同时缩短时间和降低费用。本发明已找到能满足这种需要的方法。

发明概述

业已发现，根据本发明，在一定条件下加工煤炭或其他生物物质，能在相当短的时间内就可以提高煤炭的品级，产生发热量达到12500-13000BTU/1b或更高的燃料。根据本发明的一个方面，本发明提供了一种加工生物物质，一般指煤，提高其品级的方法，其中生物物质原料是从原料加热脱除水分和挥发分，然后收集加工后的生物物质。这里所用“脱除水分”一词，其意义是把水分(水)降到小于2％(重量)。降低挥发物和有机烃类是该方法的可控部分。在此，本方法全部根据初始原料挥发分组成和最终产品所需的发挥分组成，预测暴露时间、温度以及大气条件该最终产品可为25％或更大(挥发分重量计)，例如为25-35％，或3％或小于3％(挥发分重量计)，通常为5-15％(重量)。原料在挥发分方面和最终产品的其他特性的最后结果，本发明提供了控制细节。

另一方面，当原料在加热装置内加热处理时，部分脱除的水分和挥发分与预先混合好的液态烃类化合物一起循环回加热装置，以提供无氧化作用大气阻止原料在加热阶段燃烧。“无氧化作用大气”一词，在这里意指其中氧含量通常小地2％(氧)或0.001-1％(氧)，最通常为0.25-0.75％(按氧体积计)用于整个加工过程。

再一方面，提供按照本发明的方法生产的提高品级的煤。

又一方面，本发明提供由根据本发明的方法加工的煤形成的型煤，这种型煤具有防水涂层改进了稳定性、可燃性和延长了储存时间。

在保持多数生物物质自燃结构的完整性和降低粉末形成的同时，本发明的方法能对挥发和脱水以及有机挥发分加以控制，从而使低级燃料例如7500BTU/1b或比其小转变成具有12500BUT/1b或较高的高级燃料。本方法大大地降低了投资和必需的生产费用，达到所期望的结果。因而在显著地提高了费用的有效性和生产率方面优于先前的方法。本发明也大大地缩短了全过程由既有方法需要数小时到仅需15分钟或更少，最通常为5-10分钟。

附图说明

下面参照附图更详细地描述本发明的实施例。附图中图1，是一台典型的干馏釜，用于实现本发明的方法；图2是多室干馏釜的简图，用于实现本发明。

应该指出，本发明不仅限于使用旋转的干馏釜，也能用其他型号的设备。然而，为了便于说明，还是参照旋转干馏釜作以下说明。

优选实施例的详细说明

应知，本发明能用于各类型生物物质的基质。在本发明范围内生物物质意指林木、贝壳类、植物外荚类、泥炭及其他有机易燃物的任何形式。例如特别适用于本发明的生物物质是褐煤、次烟煤、烟煤以及无烟煤。为了便于讨论，以下说明将用煤表示。煤，应理解为包括各种煤，尤其是褐煤、次烟煤、烟煤以及无烟煤。

图1所示，2为一台常规的干馏釜用于实现本发明的实施例。实现本方法可用圆柱体旋转干馏釜或炉膛内装有可动的连续格栅型炉窑。为了易于说明，以下讨论是根据圆柱体旋转型干馏釜，典型的干馏釜与水平有一小倾角，通常此倾角为5-15°，有助于被加工的煤因重力运动而通过设备。如有要求，水平的干馏釜也可以用。干馏釜2设有干馏室4，干馏室可以单室或多室。这种干馏釜用围绕于室外的炉窑6加热。炉窑设有外部加热装置，诸如燃气燃烧器，电热丝或煤燃烧器8。上述室4与原料进料入口10和出口14相通，原煤12由此入口进入室4，经过加工的煤16通过排料口14进入下工序。当煤通过进料入口10进入室4后，藉室4壁的辐射热加热，使通过此室的煤炭品级得到改进。

图2是实施例的示意图，本方法应用的是5个分离的室。图2所示的干馏釜20有5个室，它们是22，24，26，28，30。每个室每端设有窗口，以便原料进入和加工后的原料排至下游邻室。这些室由闭合装置32相互分隔，典型的闭合器装置，在室的直径范围内能开能闭，使原料在特定的加工条件下保持在特定的室内，此室与相邻室内的条件往往不同。

消除热燃气与煤之间的直接触，可避免煤炭燃烧，与此同时，也要控制温度和大气条件以求达到操作参数最优。例如添加从煤中挥发出的至少有部分惰性气体的物料、汽化物如蒸汽或处理过的氮以及选定的液态烃，使其生成无氧化作用的大气。在本发明的方法过程中，所排出和捕获的挥发分中含有烃。例如烃的分子式范围从CH₄到C₈H₁₈，有时碳成分能高达C₂₅。被排出的烃类和排出的烃类的数量可以重新进入加热室。在本发明加工过程中，将要确定烃的分子式与足够补充加热室内大气所需要的烃量。需要来产生所需的挥发分排出率和挥发分排出量的正确大气的组成是基于原料的特性和其离开本发明每个室时产品的指标条件来预测的。

室4设有进口和出口装置18，20供控制室内大气的气体和液态烃以及冷却气体的进入。示意图2上的干馏釜有类似的进口和出口34，36。可将该室改进把内螺旋推料器和搅拌装置去除使操作简单可靠。该干馏釜没有传统装置，用于控制穿过该系统的速率和温度。气体干馏釜也设有使室4旋转的装置22，以便在加工过程中热和气更均匀地贯穿于煤的基质。

在破碎之前，最好对原料煤有一个初步干燥阶段。一般煤的表面水分至少有85％(重量)经初步干燥阶段后被脱除。一般初步干燥是用常规的空气干燥机，其空气的温度为200-250F；或用离心型表面水分干燥机。对于块煤通常可用CMI 48型干燥机，对于末煤可用CMI 35型或任何其他通用于煤炭工业标准的离心干燥设备。本发明不依赖原料煤预干燥，但是，预干燥措施能增加全过程的效率。

初步干燥后，煤用常规的Gunstock双辊破碎机或用Mclanaham型破碎机进行破碎。这种破碎机将原料的平均粒度降至1-2英寸，允许最大粒度通常在2英寸左右。这用2英寸筛孔的筛子即可完成。不能通过筛孔的筛上大粒煤返回原料堆循环再破碎。

干燥破碎后的煤，进入干馏釜2的室4内进行第一阶段加工。在这里本发明所描述的涉及有5个室的加热装置。但是，本发明的方法可在少为1个室或多至7个室内进行。然而本发明的方法效率如在这里所描述的，在5个室内最有效。

本方法的5个阶段可以，但不限于此，包括在圆柱体可旋转的干馏釜或旋转炉膛上有可动连续格栅型炉窑。这些加热设备，每种都能连续不断地使产品从一个室移动至下一室，这些室在有煤时能控制室内惰性大气。

在第一室22内(见图2)原料煤的温度升至400-750°F，最通常为550°F左右，大约保持2-4分钟，最通常大约3分钟。在本方法的第一阶段，经预干燥阶段后煤残存在表面水分将完全脱离原始原料，此时原料中的惰性水分将降至2-5％(重量)。在结束这阶段后，水分最终的百分数将基于原料中的惰水量来预测。在第一阶段的温度部分原料开始损失一部分挥发物质，但是本发明此阶段损失的挥发分并不重要。在本发明的第二和其后阶段才控制从原料中排出的挥发分。

生物物质，如煤炭，含有许多挥发性物质，当煤暴露在高温时排出。这些挥发性物质具有使得它们相互可以区分的特性。在某一温度这些挥发分正常地从生物物质中排出也是这种差异特性；本发明涉及的一个方面是所选定的生物物质(原料)中所含挥发性物质的时间和温度特性。本发明对原料内所含某种挥发分允许均匀排出其大部分与其他挥发分有点影响。例如，“A”挥发分当暴露在900°F下10秒内从原料中排出；“B”挥发分在同样温度下20秒内从原料中排出。本发明将烃或烃类混合物导入围绕在原料9周的热气中，其作用是减小“A”挥发分的排放速度。由此可见，本发明控制原料中绝大多数挥发分的排放速率使得这些挥发分的大部分是以相等或相似的速率排出。“控制”挥发分的排放速率，能够在加工原料的同时，避免发生破裂和裂纹现象，这种现象通常发生在没有“控制”的情况。利用常规的试验和监控设备就能达到“控制”的目的。

煤在第一阶段停滞的时间，将随原料煤中初始水分含量而变化。如必要，控制室内惰性大气，是通过调整停滞时间和温度以及重新引导挥发分和液烃进入室内。

为了在上述加工过程中保持基本上不氧化的大气，在第一室大气中以及在整个加工过程中的氧含量按体积计，一般少于2％，通常为0.001-1％，而更通常地为0.25-0.75％。用于使挥发性气体与大气中的反应物析出以及使产物中发生还原的温度为400-2200°F。

根据一个方面，对大气的控制，部分地是通过液烃引入到室而实现的。此种烃类的范围例如为分子式CH₄-C₈H₁₈的烃。有时，其中碳的部分可以高达C₂₅。当引入这样的烃后，煤炭便会与这些烃反应，并以加速马达到本发明所需结果的分子的方式。当煤炭加热到前述温度，煤中的某些挥发物便由固态变换成液态而最后成为气态。此挥发分以及以气体形式排出的水分量可以根据原煤的特性与组成预测。从上述固态物料中释放出的气体或循环利用或是进行液化与回收。

剩余的固态物料因其升高的温度而膨胀。物料的膨胀和部分物质的释放导致有裂缝和孔隙的块煤。在这个时刻，受震的煤体自然倾向于跌落分离和表面粉化，为阻止这种现象，本发明提出仔细及时引入液烃和处理过的(干)氮，该震动效应的结果是，从本质上减少了块煤的碎裂。引入液烃对块煤内的裂缝有架桥作用和在表面提供了一种粘结剂以及渗入块煤的内部，这就抵消了震动原料变坏为表面粉化一致的趋势。引入液态烃和处理过的氮的时间、种类和量是通过对原料煤初步试验仔细预先测定的。对原料的初步试验用常规的方法完成。从初步试验收集信息提供必要的数据，用于测定和生产在本方法使用的烃类混合物和处理过的氮。

在本发明的多个阶段中，烃类分子式将及时地适当地引入加热室。产生特有大气的实际分子式包括液烃，其范围为例如分子式为CH₄-C₈H₁₈的烃类。但有时其中碳的部分高达C₂₅。加热室的分子式和原料的暴露时间是基于挥发分组成特性以及原料的化学组成，但不局限于这些来预测。

经第一阶段加工后的煤，转移到干馏釜的第二室。在该第二室内，物料的温度提升到大约900-1100°F，例如大约1000°F。在该第二阶段，原料排出挥发分本身的大部分，即大于80％(重量)的挥发分被排出在第二阶段，第二阶段是个重要阶段，在此阶段需要仔细地控制液烃大气混合物与处理过的氮。在本方法的第二阶段，煤最有可能被“震动”而形成“表面粉化”。煤暴露在第二室内以后，在经历与该热致“震动”正常关联的负面特性后保持完好。对于某些终端用途，在本方法的第二阶段煤已全部满足最终用户的规格。当发生这种情况时，将煤暴露于实质上无氧的干冷气中进行收集和冷却经第二阶段加工的煤。通常这种冷却气体的水分含量小于1％(重量)。

第二室内的大气借助安装在加热室的常规仪表，要非常仔细地监控、适当地补充和管理。已经发现，一般，煤经受在900°F至1100°F时，至少有些团聚现象，特别在温度高于1100°F时。据此，最好使在本方法的这个阶段的温度通常保持低于1100°F。

煤停留在第二室的时间大约5分钟，一般为1-4分钟，更通常大约3.5分钟。在本方法的此阶段，从煤中排出大部分挥发分。在这个阶段持续的过程中，煤本身经历收缩而损失了一部分质量。根据原料煤的组成和性能，通常损失的重量范围为其原始质量的5-50％，更通常的重量损失范围为5-25％(重量)。有一种类型的原料煤可能不排出本身的挥发分而另一类型则易于排出。某种原料煤可能有多至60％挥发性物质，而另一种其原始挥发物含量可能只有15％。本发明为原料煤的预加工作常规评价创造了条件，从评价中所收集的数据用于其后计算精心保持在这些加热室内的液烃混合物和处理过的氮。本发明考虑到“常规设计”方法过程的特点，在加工具有多种启始性能的多种生物物质上均可成功。

控制这些室内的大气，使得可煤将其大部分本身自然结构的完整性得到保持，“自然结构完整”一词用在这里，意指在以后破碎自然块煤(煤的平均粒度为1-2英寸)时不是意味着把煤解离成粉状的趋势。“大部分煤自然结构完整”这种词句，在这里的意思是当煤在多室加工时，大于50％(重量)，更通常为75％或大于，一般为85-95％的煤没有遭受碎裂。作为本发明的结果，煤具有的结构完整性使得当煤在正常加工过程中由于损失了一些质量，尽管煤变得更易碎，但仍维持了其平均粒度在1-2英寸的范围内。为了延长脱除挥发分的时段而基本上没有诱发可见的团聚，即按重量计小于10％，更通常小于8％以及没有较大地降低煤的结构完整性，通过仔细控制室内的大气，把煤可加热高达2200°F，此时的物料准备转移至本方法的第三室。

煤和受控制的大气从第二室转移至第三室，此时实施该方法的第三阶段。煤在此阶段温度上升至1300-1500°F，例如大约1450°F，同时保持此温度大约2-4分钟，通常为约3分钟使生产的煤的水分含量小于2％。可应用本发明，在第三阶段水分含量已经降到最低经济可行的水平。在完成第三阶段后，原料煤的挥发分含量为最终产品的挥发分目标含量的10％以内。第三室内的大气用安装在加热室内的常规仪表精心地监控以及适当补充液烃和处理过的氮，以保持物料结构的完整性。作为终点用，完成了本方法的第三阶段的物料能满足某些最终用户要求的规格。当发生此情况时，收集经过第三阶段加工的煤，并将其暴露基本上无氧、水分含量小于1％(重量)的干冷气体中来加工和冷却。其后，煤和控制的大气转移至第四室。

在本方法的第四阶段中，所述室中煤的温度于3～5分钟升高到2000～2400°F，通常约2200°F，使生产出的煤的水分小于2％而挥发分含量为5～15％。此第4阶段中的大气用安装在加热室内的常规仪表再次进行极严格的控制与管理，以使本发明能提供有利的结果。在本方法的此阶段，煤在室内的滞留时间和在第4阶段实际需要达到的温度，视最终产品所期望的最佳挥发物总量的百分数而定。对本方法而言，第4阶段是最终产品要实现所期望的挥发物的质量最后一次机会。为了使能阻止挥发分排出的原料煤达到目标挥发分标准，第4阶段的高温或是提高到生产所期望的结果，或是将未加工的产品暴露时间延长，以实现所需的结果。可能对温度与暴露时间二者都进行调节，以便用较少的与其相协同的原料来排出超量的挥发物。

本方法的目的在于将挥发物的百分比降到最终用户所需的百分比，这个百分比在此处的讨论中按重量计小于15％。在本方法的这一阶段中，残余的挥发分通常由保持在煤块空隙内的高沸点有机烃类物质组成。经此阶段后，残留水分的总量按重量计小于2％。

煤和受控制的大气移至设备的第5室，在这里把加工后的煤暴露在干燥的冷却气体中冷却。冷却气体一般为无氧化作用的气体，也可能是惰性气体，例如氩气或可能是氮气或其他合适的无氧化作用的气体。这种冷却气体基本上无氧。在这里用于表示“基本上无氧”一般地意指氧小于2％，通常大约为0.001-1％(氧)，更通常按体积计大约为0.25～0.75％(氧)。前述这些室内的大气也是基本上无氧，在这里这个术语的意义是明确的。这种实质是干燥的冷却气体进入室内可以与经受加工的煤流方向相反或与其并流。本质上干燥的冷却气体，其水分按重量计小于1％，一般为0.5％或少一点。冷却气体大致以0.2～0.51b/m的体积流率从煤上流过。在本方法的此阶段，冷却气体在此不影响煤的结构完整性的速率下冷却该室内的煤。

当物料已经冷却至250°F时，可以选择地分离出末煤(粒度小于1/4英寸)，而煤的粒级范围为1/4英寸至2英寸。这种物料的分离可用常规装置来完成，为过筛或装有合适网目的筛分机。

细粒末煤可选择造粒或制成型煤。通常将这些250°F的末煤与250°F液态生物降解涂料(粘结剂和点火剂)混合，这种混合后的物料，可用普通方法加工成所需大小的粒煤。

如果加工后的煤肯定直接进入锅炉，即直接利用，则涂料方法就不必要。当产品按常规管理以及最终用户要求煤不易破损，这种涂层方法可以使用。这种涂层也增加了低能级发火点，这样为型煤提供了有价值的性能，特别是最终用户是民用户(家庭用户)时。

最近把煤冷却低于150°F制成的粒煤或型煤，其结构变得稳定。由于用常规管理方法，该结构稳定的涂层物料的重要意义是增加了煤能顶得住碎裂分解的能力。涂料也对该物质加了低热发火性，使该物料容易点燃。在点燃该物料时涂料不是重要地加入废气中。还有一个优点，这种生物降解涂料加到最终产品内，使最终产品具有极强的防潮性，并可以多年储存。

通常，通过筛分方法把非末煤立即涂有前述传统的粘结剂/发火剂。这种涂料层为经前述方法已经弱化的天然块煤提供了增强的结构完整性和抗潮性。涂覆的煤的在处理时承受碎裂分解的降低了的倾向，提供了更多销路好的产品，如其在前述方法中生产的粒煤/型煤。当这涂覆的天然的块煤冷却至低于150°F，它能获得象上述所制得的粒煤或型煤同样的良好性能。

虽然本发明已经描述了有关目前被认为最有实用意义和最佳的实施例，但要懂得本发明不局限于所公开的实施例，认为是覆盖包括在附录权利要求书的精神和范围内的各种各样的改进型和等同装置。

Claims (9)

1.一种于惰性气体中加工煤炭以提高其品级的方法，包括以下步骤：

(a)在温度200-250°F加热煤炭，以产生表面水分实质上被脱除的煤炭；

(b)将(a)阶段煤炭的加热至400-750°F之间的温度2-4分钟，使煤具有的内在水分含量在2-5%之间；

(c)将(b)阶段煤炭的加热至900-1100°F之间的温度1-4分钟，使煤具有的内在水分含量为1-2%以及质量减少50%以上；

(d)将(c)阶段煤炭的加热至1300-1550°F之间的温度2-4分钟，使煤具有的水分含量小于2%以及挥发分含量小于25%；

(e)将(d)阶段煤炭的加热至2000-2400°F之间的温度3-5分钟，使煤具有的水分含量小于按重量计2%以及挥发分含量为按重量计15%或更小；

(f)对产生于(e)阶段的煤，暴露于冷却气体中进行冷却以形成加工后的煤，此冷却气体基本上无氧和水分；以及

(g)收集加工后的煤。

2.根据权利要求1所述的方法，其中(b)阶段之前，对在(a)阶段生产的煤进行破碎，使其具有最大的粒度2英寸。

3.根据权利要求2所述的方法，其中1/4”和小于1/4”加工后的煤，收集后制成型煤，并提供有防水粘结剂/引火剂/涂层。

4.根据权利要求1的方法生产的提高了品级的有机易燃物。

5.根据权利要求4提高了品级的有机易燃物，其提供有防水粘结剂/引火剂/涂层。

6.根据权利要求1的方法生产的加工过的煤炭。

7.根据权利要求6所述的加工过的煤炭，提供有防水粘结剂/引火剂/涂层。

8.根据权利要求6的加工过的煤是型煤形式。

9.根据权利要求8所述的型煤，提供有防水粘结剂/引火剂/涂层。