CN106414668A - 煤焦钝化方法和设备 - Google Patents

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Abstract

用于处理干燥煤和煤焦的连续方法和设备，其通过形成保护性氧化物涂层并同时添加湿气以再水化反应性碳颗粒来促进所述颗粒的钝化。钝化方法在新的设备中进行，所述设备提供反应温度的分级控制以及氧气和湿气两者的分级引进。流化床设备具有内部床内冷却装置，所述装置嵌入流化煤或煤焦颗粒之内从而随着热能因放热钝化反应释放而去除热能。

Description

煤焦钝化方法和设备
相关申请
所有提及的专利公布和申请的公开内容以引用方式整体并入本文。本发明是在无美国政府支持下进行的，并且美国政府在本发明中不具有权利。
技术领域
本发明涉及煤处理领域，并且更明确而言涉及用于对热解的煤焦进行改进钝化的方法和设备。更明确而言，本发明涉及用于更有效回收(1)来自馏出气体的煤衍生液体(CDL)和(2)在热解期间自煤产生的煤焦的方法和设备。本发明可应用于烟煤、亚烟煤和不粘结褐煤煤阶的煤。
发明背景
呈天然状态的煤、特别是低阶煤，有时在称作选矿的过程中进行处理以改进其有用性和热能含量。选矿处理可包括使煤干燥并使煤经受热解工艺以馏出低沸点有机化合物和较重有机化合物。这种煤的热处理，也称作低温煤碳化，导致某些挥发性烃化合物的释放，该烃化合物具有进一步精炼成液体或气体燃料以及其它煤衍生液体(CDL)和化学品的价值。可从离开热解工艺的流出物或气体中除去这些挥发性组分。煤的热解处理还留下称作煤焦的产物，该产物由碳和不挥发矿物、元素以及灰分组成。
除非经钝化，否则煤焦对自燃高度敏感并且不能容易地存储。因此，已开发了各种方法来钝化煤焦。一种此热解和钝化方法公开于Rinker等人的美国专利5,601,692中。Rinker等人描述了如何在热解期间将煤加热至多达590℃以馏出低端挥发性组分，这之后煤焦在放热过程中自环境大气容易地重吸收湿气和氧气，该放热过程是自燃的或具有自燃趋向。为了钝化煤焦颗粒，Rinker等人通过诸如用水喷雾的任何常规方式来使温度迅速降低100℃或更多，达到约150℃至约200℃的温度。然后，将相对大的煤焦颗粒传送至氧化钝化单元，在此处颗粒在与环境空气隔离的交叉流系统中与含氧工艺气体接触。反之取决于其温度，工艺气体可含有3％至约23％氧气(以重量计)。工艺气体与煤焦颗粒互混产生两个结果：(a)提取热以进一步冷却煤焦颗粒；和(b)产生一些氧气至煤焦颗粒上或煤焦颗粒中的化学吸附。此化学吸附和再水化降低煤焦自燃的倾向，由此使煤焦适合于存储、运输或进一步处理。
虽然当前的钝化方法是有价值的，但它们是费时的，并且氧化化学吸附步骤可能需要在较低温度下重复一次或多次以实现完全钝化。此外，化学吸附过程自身是放热的，因此即使煤焦在钝化前已冷却，额外热量也在钝化过程中生成并且还必须被去除。用来解决此放出热去除的现有技术方法已通常涉及大量循环气的流动以限制温度升高。然而，当考虑到迅速连续的流动过程的热量去除要求时，这变得不实际。
如果钝化方法可经改进来更快和/或使用更少能量产生钝化煤焦，将会是有利的。如果钝化方法可经改进以允许对钝化因素的更多控制，也将会是有利的，所述钝化因素诸如输入至系统的氧气水平、湿气增加速率、或提取热的速率和位置。
发明内容
在广泛方面中，描述了用于处理煤的方法。该方法建立于低温煤碳化以使煤分离成多种组分，所述组分包括：煤焦、煤衍生液体(CDL)和也称作合成气的气体燃料。煤焦在受进一步操作之前根据本发明来钝化。进一步操作可包括存储或运输，并且可包括作为细煤焦颗粒装袋或压块成固体粒料。
例如，在一个方面中，本发明是用于钝化煤焦的流化钝化床设备，该设备包括：
反应室，其限定内部并具有：煤焦入口，其用于将煤焦接收入内部；和煤焦槽，其用于使煤焦离开内部；
反应室进一步包括：至少一个进气口，其用于使含氧流化气体进入内部；至少一个出气口，其用于使所述流化气体从内部离开；和气体再循环系统，其包括流化气体源、一个或多个导管和泵，该导管和泵经布置并适于在引起反应室内部之内的煤焦中流化状态的条件下使流化气体从出气口再循环至进气口；
至少一个独立热交换器，其嵌入反应室内部之内，该热交换器具有：冷却剂流体入口；冷却剂流体出口；和多个接触表面，其用于与所述内部之内的煤焦交换热；以及
增湿器，其连接至水源并适于使煤焦增湿。
含氧流化气体可为空气；或非氧化气体如氮气或二氧化碳，用来自氧气源的氧气将该非氧化气体补充至含氧流化气体的所需氧气水平。在上述设备中，增湿器可包括喷雾嘴，该喷雾嘴连接至水源并适于通过以下四种可能机制中的任何或全部来使煤焦增湿：(a)液滴喷射至位于反应室的内部中的煤焦上；(b)液滴喷射至在其进入反应室之前的位置处的煤焦上；(c)液滴喷射至流化反应室的内部中；以及(d)液滴喷射至气体再循环系统中以使得流化气体增湿。
上述设备可包括多个内部热交换器和/或多个进气口和出气口。当存在多个热交换器时，它们可布置成并联或串联，并呈顺流或逆流形式。热交换器是“独立的”，因为热交换器的冷却剂流体从未与煤焦颗粒或流化气体直接接触。作为替代，系统依赖于接触流化气体和煤焦的热交换表面。热交换器是“内部的”，因为接触流化气体和煤焦的热交换表面在流化床反应器的内部中。
上述设备可包括具有两部分的煤焦槽，一部分用于在离开时未夹带于气流中的钝化煤焦颗粒，和一部分用于夹带于气流中并经由旋风分离器返回所述室的煤焦颗粒。
在另一个方面中，本发明包括通过在上述设备中处理煤焦来钝化煤焦的方法。
在另一个方面中，本发明包括通过以下钝化煤焦的方法：用注入流化床反应器的反应室的流化气流来流化煤焦颗粒；在煤焦颗粒流化时通过使其与反应室中的湿气和氧气接触来钝化煤焦颗粒；以及在煤焦颗粒流化时通过使其与流化床反应器内具有热交换表面的独立热交换系统接触来冷却煤焦颗粒。
在上述方法中，所述方法涉及将氧气化学吸附至煤焦颗粒的表面上或孔隙中；并且使煤焦颗粒与湿气接触。可通过将水喷入流化反应室或通过在将流化气流注入所述室之前将水喷入所述流化气流来提供湿气。
在一些实施方案中，流化床反应室中煤焦的温度维持在约115℉至约135℉(约46℃至约57℃)。在一些实施方案中，在小于约60分钟的时间内，例如，在30分钟±约10分钟的时间内，煤焦颗粒完全钝化。在一些实施方案中，流化床反应中的煤焦吸收约0.2重量％至约0.7重量％的氧气；通常约0.3重量％至约0.6重量％的氧气。在一些实施方案中，流化床反应中的煤焦吸收约3重量％至约7重量％，例如约4重量％至约6重量％的湿气。
本文呈现的新颖性为在这样的装置中进行钝化反应，其中放出热去除、流化气流中的氧气浓度和湿气增加速率可受控并分级，从而仔细匹配钝化的放热反应的反应动力学。
本发明的各种优点对于本领域技术人员在按照附图阅读时将从以下优选实施方案的详述中变得明显。
附图说明
图1是显示出煤热解和钝化操作的总览的示意方框图。
图2A是根据本发明煤焦钝化反应器单元的示意侧视图。
图2B是根据本发明煤焦钝化反应器单元的替代实施方案的示意侧视图。
图3是煤焦钝化的流程图。
图4A和图4B是以公制单位(4A)和英制单位(4B)显示出示例性钝化方法中所涉及气体、液体和固体的各种组分的钝化流量、温度、压力等的工艺流程表。
发明详述
本文在用于钝化煤焦的方法和设备的上下文下描述各种实施方案。本领域普通技术人员将意识到以下实施方案的详述仅为例示性的，并且不意图以任何方式为限制性的。其它实施方案将容易地向受益于本公开的此类技术人员建议其自身。本文对“实施方案”、“方面”或“实施例”的引用指的是如此描述的本发明实施方案可包括具体特征、结构或特性，但并非每个实施方案必然包括所述具体特征、结构或特性。此外，短语“在一个实施方案中”的重复使用不必然指的是同一实施方案，尽管有此可能。
为了清楚起见，并非本文所述的实施方式或方法的所有常规特征都被显示并描述。当然，将理解，在任何此类实际实施方式的开发中，将作出多个实施方式特定的决定以便实现开发者的特定目标，诸如符合应用相关和商业相关限制，并且这些特定目标将因实施方式和开发者而异。此外，将理解，此类开发尝试可能是复杂和费时的，但将仍然是受益于本公开的本领域普通技术人员的常规任务。
将理解，本文提及的范围和限制包括位于规定限制内的所有范围(即，子范围)。例如，约100至约200的范围还包括110至150、170至190、153至162以及145.3至149.6的范围。此外，至多约7的限制还包括至多约5、至多3和至多约4.5的限制，以及限制内的范围，诸如约1至约5和约3.2至约6.5。
热解工艺总览
图1例示出概括的热解工艺。该工艺通常众所周知并且不需要详细描述。简单地说，在上游工艺20中，煤被存储(在90处)和或准备(在100处)用于热解。准备100可包括研磨或压碎大颗粒煤并筛分或按大小分类至更一致的大小。尽管现有技术中的煤焦颗粒常常为20mm或更大，但在本发明中通常使用更小的颗粒大小，例如-8筛目、-5mm筛目或甚至更小。通常颗粒大小不小于约+0.5mm。经准备的煤在一个或多个干燥步骤200中干燥并任选地在热解前预热300。在热解400期间，使用诸如Rinker的专利US 8,470,134、US 8,366,882和US8,394,420中所描述的方法，直接和/或间接热量被用来从煤驱赶挥发物(路径50)。用于热解工艺的直接和/或间接热量可来自任何来源，包括例如蒸汽锅炉1400。优选地，热量被保存并在可能处回收。例如，通过使热量首先逆流(路径52)送到热解区域400，然后送到预热区域300和干燥区域200，从热解保留的热量在其它步骤中再利用。此在图1中由短虚线示出。
热解工艺产生三种产物：水蒸气、流出物或逸出气体、和煤焦。如图1中所示，水蒸气可从煤干燥2700(路径54)，或从煤衍生液体800、1100(路径56、58)回收。回收的水可任选地被处理1600，或任选地诸如在下述增湿步骤处再利用。加热和热解期间的排放气体可在600处收集并在800处离心以除去额外的水。在回收期间冷却气体，并且可将冷凝的煤衍生液体(CDL)过滤900并存储2800。尽管未在图1中示出，但可使用如Rinker等人2014年1月9日提交的美国专利申请序列号14/151385中所描述的多级急冷吸收器将可冷凝的CDL冷凝为多个级分或段(segment)。
要注意自煤驱出的挥发物的一些部分可作为吹扫气再利用(路径60)以在热解期间加热煤。煤挥发物的一些组分在环境温度下不冷凝并保持在气态(称作合成气)。合成气可作为火炬700烧尽，或优选作为锅炉的燃料再利用(路径62)。或者，锅炉1400可由诸如柴油的任何其它燃料源710来加燃料。CDL和挥发物工艺流在图1中由长虚双点线示出。
固体煤产物在图1中用粗实线示出。在冷却500后，将煤焦运送至钝化区域1700。在钝化前，煤焦被认为是“反应的”或“活性的”，因其在环境条件下倾向于自燃。此煤焦反应性在钝化区域1700中钝化，如下文更详细描述的。然后，将煤焦引导至一个或多个下游工艺30，如压块1900A或装袋1900B。如果经压块，则煤焦可在1800处与自存储区域2300抽取(路径64)的外部粘结剂共混，和/或与来自热解工艺的过程产物如淤渣和/或CDL(路径66)共混。如果经装袋，则通常不补充煤焦的挥发物含量，从而使煤焦更适合于冶金应用。
钝化反应器
钝化需要煤焦颗粒吸附或摄取(又名化学吸附)在约0.2重量％至约0.7重量％范围内、或约0.3重量％至约0.6重量％、标称约0.5重量％的氧气。过度氧气摄取减小所得煤焦的热值。钝化还需要煤焦颗粒摄取在约3重量％至约7重量％范围内、或约5重量％至约6重量％、标称约5.5重量％的湿气或水。
流化床反应器是众所周知的，并根据以下原理运行：当经受在充足压力下流动的气流时，可使颗粒物质表现得像流体。在颗粒表现得像流体的同时，颗粒的表面积更暴露，从而能够更快速的化学反应和物理化学反应。流化床反应器已用于热解的干燥和加热工艺中，但据我们所知，具有内部热交换器的流化床反应器尚未用于煤焦钝化工艺中。适合的流化床反应器可商购自KY，Louisville的Carrier Vibrating Equipment公司。
本发明的优点包括：较小的煤焦颗粒大小，这首次允许将具有内部热交换器的流化床反应器用于钝化；以及对给定质量的颗粒而言增大的表面积，这有利于钝化的化学反应和物理反应的动力学。这些特征促成更加快速的钝化时间和更低的颗粒停留时间。例如，连续过程中的颗粒停留时间可近似约60分钟或更短时间、约45分钟或更短时间、或约30分钟或更短时间。在一些实施方案中，停留时间为60分钟±20分钟。在其它实施方案中，停留时间为30分钟±约10分钟。
图2A为流化床钝化器系统40的示意图。系统40包括反应室2，反应室2具有：煤焦入口2a，将活性煤焦输送至煤焦入口2a(路径1)；和煤焦槽2b，自煤焦槽2b经由旋转阀8和路径68移除钝化的煤焦。反应室2限定内部22。反应室可任选地包括在室2上部的喷嘴或喷雾头2c。适合的雾化喷嘴可从许多公司购得，包括Spraying Systems和Envirocare。例如，Spraying Systems公司(Wheaton，IL)的J系喷嘴已发现是适合的。使增湿水以极细雾的物理形式或替代地作为水蒸气来进入煤焦或反应室。
喷雾嘴由水源28(任选地在11处过滤)进料，并任选地用压缩空气源32进料，以从喷雾头或喷雾嘴2c向反应室2中产生水的喷雾或雾化喷雾。喷雾嘴2c是一种用于使煤焦增湿的机构；增湿的替代方法在下文结合气体再循环系统42来描述。流化钝化器床系统40可单独利用替代增湿方法中的任一者，或可组合使用两者。如果将喷雾嘴2c用于增湿，则可能期望它位于接近煤入口处，并且避免将热交换器(13，参见下文)直接置于喷雾嘴2c之下。
反应室2还具有：至少一个进气口24，其用于使流化气体进入内部22；和至少一个出气口26，其用于使流化气体离开。进气口24和出气口26还可视作气体再循环系统42的部分，气体再循环系统42使气体从出气口26循环回到进气口24。气体再循环系统42还包括：各种导管或传导路径(例如路径3和9)；和风机或泵14，其用于对气体加压并驱赶气体向前穿过导管9到达反应室2中。进气口24通常在反应室2的底部，这使重力的向下力和气流的向上力平衡，以在垂直运动中保持颗粒“流化”。同时，在煤焦入口2a处新煤焦物料的连续进入和在槽/出口2b处钝化煤焦的移除产生从入口至出口(在图2A中从左至右)通常侧向的流动，这允许连续处理代替成批处理。
流化气体可为能够使煤焦颗粒流化的任何气体。在一个实施方案中，流化气体为氧耗尽的空气；而在另一个实施方案中，流化气体为非氧化气体，如氮气、二氧化碳或上述的组合。然而，如本文所解释的，将氧气化学吸附至煤焦颗粒上或煤焦颗粒中是钝化工艺的重要组分，因此如果使用惰性或非氧化气体，则需要包括含氧气体源作为补充，如下文所述。相反地，如果存在过多氧气，则煤焦可能吸附过多氧气，因此除氮气排放之后的初始启动外，通常不使用有23重量％氧气的纯空气。此后，使用氧耗尽的流化空气。“氧耗尽的”气体或流体是其中氧含量低于约15重量％的气体或流体。在一些实施方案中，通过将流化气体穿过吸附一些氧气的煤焦来使它耗尽氧气，然后将它作为流化气体重复利用。
以重量计，流化气体的氧含量应为至少5％，但低于约15％。在一些实施方案中，流化气体的氧含量应为约7重量％与约12重量％之间。在将喷雾嘴2c用于增湿并且喷雾受雾化的实施方案中，雾化气体的含氧量还应被认为是钝化反应器2中的氧气源。
任选地，气体再循环系统42包括分离器，如旋风分离器4。旋风分离器4在切向入口处接收离开反应室内部22的流化气体。此离开气体可包括一些夹带的颗粒。旋风分离器4旋转气体以使颗粒从夹带气中落下。颗粒被收集，并经由旋转阀5再进入反应室2，优选接近煤焦槽2b处。适合的旋风分离器可从诸如Ducon,5Penn Plaza,New York,NY；Fisher-Klosterman,Louisville,KY；或Heumann Environmental,Jeffersonville,IN的供应商购得。例如，一些Heurmann单元经设计来除去流化气流中携带的-5微米颗粒的95％。不含夹带颗粒的气体离开旋风分离器顶部。
任选地，气体再循环系统42包括增湿器6，增湿器6任选地可采取另外旋风分离器装置的形式。增湿器6在切向入口处接收离开旋风分离器4(或在缺乏旋风分离器4的情况下离开反应室内部22)的流化气体。来自水源28'的水任选地(在7处)经过滤，在喷入增湿器6之前任选地由压缩气体源32'雾化，以使流化气体在经由导管和泵14返回反应室2的进气口24之前再增湿。
出于控制目的，气体再循环系统42可进一步包括：监测器或传感器，其用于测量浓度或水平(A)、温度(T)、压力(P)、和/或流速(F)；以及响应于这些测量的阀或控制器。例如，图2A显示出压力指示器控制器(PIC)，在流化气流离开反应室2时，响应于导管3中流化气流中测得的过大压力，该压力指示器控制器打开释放阀(PCV)。这允许待排空气体的任何过压(80处)。类似地，响应于流量测量(F)的流量指示器控件(FIC)可操纵恰好在风机或泵14之前的流量控制阀(FCV，15)；并且响应于温度传感器(T)的温度指示器控件(TIC)可操纵来自冷却剂源46的冷却剂流导管10中的温度控制阀(TCV)。
最后，气体再循环系统42可进一步包括含氧补充气体源，该补充气体具有氧气作为组分，如空气12(或纯氧)。如已解释的，将氧气化学吸附至煤焦颗粒上或煤焦颗粒中是钝化工艺的重要组分。氧气传感器(A)监测流化气体中的氧气水平，并且作为响应，控制器(AIC)操纵阀(AVC)以允许更多含氧气体12。
仍参照图2A，钝化器床系统40进一步包括另一系统：冷却剂流体系统44。冷却剂流体系统44包括冷却剂流体源，如冷却剂水供应46。冷却剂流体系统44是“独立”和“内部”的热交换器系统。导管10将冷却剂引导至至少一个热交换器13，热交换器13嵌入钝化器反应室2的内部22之内。热交换器13通常包括盘管或迷宫式管，这些管增大交换器与流化煤焦颗粒之间接触表面的面积，同时不使冷却剂流体与流化气体互混。可存在多个热交换器13，如图2A中所描绘的三个。多个热交换单元13可布置成并联或串联，并且相对于因所述室内发生的放热化学吸附反应而从煤焦入口2a至煤焦槽/出口2b增加的温度梯度，呈逆流或顺流形式。在一个实施方案中，多个热交换单元经布置成逆流串联形式。替代实施方案描述于下文。
虽然热交换器13嵌入反应室2内，但冷却剂流体系统44与气体再循环系统42完全相异并且两者从未直接混合。在离开最后的热交换器13之后，冷却剂流体经由导管11离开室2并流至冷却剂返回区域48。将注意到冷却剂返回区域48可经由常规冷却塔(未示出)环回至冷却剂供应区域46，因而闭合冷却剂流回路。以这种方式，随着煤焦被流化，从煤焦中提取出温暖热解煤焦中所含有的并由放热化学吸附产生的热量。流化颗粒的增大的表面积和嵌入反应床的热交换器单元的增大的表面积允许极有效的冷却和钝化过程。这又允许可更迅速和用更多控制操作的连续过程。
出于另一原因，这种反应条件的仔细控制是重要的。对于将在有助于连续过程的明确时间段内进行的钝化过程而言，活性流化床中的温度要控制在标称125℉±约10℉(约52℃±6℃)。在各种实施方案中，钝化温度仔细维持在约110℉至约140℉(约43℃至约60℃)，或约115℉至约135℉(约46℃至约57℃)，或约120℉至约130℉(约49℃至约54.5℃)。
具有热交换冷却剂流体系统的适合流化床反应器可商购自KY，Louisville的Carrier Vibrating Equipment公司。
测试数据表明化学吸附和再水化的放出热释放为大约每公吨制备自亚烟煤的煤焦172,473Btu(～181,960kJ)。煤焦通常具有0.35Btu/磅℉(～1.47kJ/kg℃)的特定热吸收率。鉴于此放出热释放，可容易地测定不受控温度升高可多达225℉(约125℃)。因而，如果不受控，热释放将使干燥煤焦颗粒的温度升高至远远超过再水化湿气将附着于颗粒的温度的温度水平。生成的过量热将具有两个负面效应。第一，它将趋向于在水可有效水化煤焦之前使水蒸发。第二，它将引起氧气过度吸附，超过期望钝化水平，由此减小煤焦的热值。
经验表明当将固体颗粒最初注入流化床反应单元时钝化反应迅速进行。随着钝化过程进行，化学吸附和再水化的速率减小。因此，如图2B中所示，设备的一个实施方案设有分级温度冷却剂流体系统144。此分级温度冷却剂流体系统144的多个组件与上述冷却剂流体系统44的相同，因此仅在此描述不同的特征。在此实施方案中，多个热交换单元113不布置成串联，而是并联，以使得各单元113经由导管110用冷却剂流体独立地供应。冷却剂经由导管111离开各单元113，导管111会聚于通向冷却剂返回区域48的导管11。温度控制阀(TCV)插入通向各热交换单元113的管路110或111(示出)，并且这些阀受多个温度指示器控件(TIC)控制，该温度指示器控件响应于反应室2的对应侧截面之内所监测的温度，例如，由温度监测器(T)所指示接近室2顶部各出气口26处的温度。
内部热交换器113被设计成独立控制各侧截面中的温度，甚至在热释放从流化床处理室的入口端(接近2c)至出口端(接近2b)变化时也是如此。冷却剂以这样的流速内部穿过内部嵌入的盘管，所述流速受控以在沿反应通路的连续阶段处除去不同的放出热生成水平。因此，冷却剂可在入口端更快速流动，从而更迅速去除由早期初始阶段放热反应生成的热，并且接近放热反应减慢的出口端更缓慢流动。同样地，氧气输入/输出浓度水平和湿气输入/输出浓度水平可分级，从而达到随着钝化工艺在沿反应室长轴侧向通过(在图2A和图2B中从左至右)中成熟而变化的需求水平。
如上文论述的，流化使细颗粒垂直和水平地移动，并且在入口端连续注入新鲜颗粒使颗粒水平穿过反应室。保留时间可受未处理或活性煤焦颗粒增加或减少的流入量来控制，并且通过适度调节气体流速来控制。必然地，干燥煤或煤焦颗粒必须已仔细按大小分类以促进流化并暴露必需的表面积来促进有限反应室内的钝化反应。
图3例示出通用钝化过程。加括号的编号指示进行各种测量的点。冷却的煤焦经由点<95>进入并经由点<127>离开。在一个实施方案中，冷却的煤焦可在约48.9℃下以30,948kg/hr的速率进入，并在约51.7℃下以约32,805kg/hr的速率离开钝化单元。增湿器由对于水的点<122>和对于空气的点<123>处的输入指示。在一个实施方案中，水在约15.6℃下以1,748kg/hr流动，并且空气在约23.9℃下以约540kg/hr流动。气体再循环系统42包括经由旋风分离器4和风机或泵14循环的点<121>处的输入气体和点<124>处的离开气体。在一个实施方案中，<121>处的进气包括11.3％(wt/wt)的氧气，并具有46.1℃下90％的相对湿度，并以39,236kg/hr流动；并且<124>处的出气在43℃下以39,667kg/hr流动。可在点<125>处排空或排放过压气体，并且补充空气可在点<126>处进入气体再循环系统。在一个实施方案中，排放气体在43℃下以1,100kg/hr流动，并且补充空气在15.6℃下以668kg/hr流动。图4A(公制单位)和图4B(英制单位)给出图3中所示和上文所论述的8个点位置处(例如<95>，和<121>至<127>)的其它流量和温度信息。
实施例1
煤热解和煤焦钝化设备大体上如本文所述结合图1和图2A来设置，以实现宽7.5ft(2.29m)、长30ft(9.14m)并具有66英寸(1.68m)流化深度的流化床反应器。0.5重量％的目标氧气吸附外推至每公吨(1000kg)煤焦11lbs(5kg)氧气消耗。放热化学吸附反应产生4500Btu/lb(～10,466kJ/kg)消耗的氧气，或每公吨煤焦约49,500Btu(52,222kJ)。5.5重量％的目标湿气吸附类似地外推至每公吨煤焦121.3lbs(～55kg)水蒸气。当此湿气在煤焦上冷凝时，它产生1014Btu/lb(2358kJ/kg)水蒸气，或每公吨经处理的煤焦约122,973Btu(～129,737kJ)。因此，在钝化期间释放的总放出热为每公吨煤焦49,500+122,973＝172,473Btu(或52,222+129,737＝181,959kJ)。以约32.25公吨/小时的流速处理煤焦，产生32.25公吨×每公吨172,473Btu(181,959kJ)＝每小时5,562,254Btu(5,868,178kJ)的总热流速。允许1.1(10％)的安全系数，每小时必须去除以维持钝化器反应器床中恒定温度的热量为约6,118,479Btu(6,454,996kJ)。将禁止以此速率仅使用循环气流来去除热。
假定使用内部冷却剂流体，可基于合理假设来计算所需流速。假定冷却剂具有0.5Btu/lb(0.12kJ/kg)的热容量，并假定50℉(28℃)的温度变化，例如约85℉(～29.4℃)入口温度至约135℉(57.2℃)出口温度，以维持反应室处于约125℉(51.7℃)，意味着冷却剂流体能够移除25Btu/lb(58.2kJ/kg)冷却剂。如果每小时需去除6,118,479Btu(6,454,996kJ)，则冷却剂必须以每小时约244,759lbs(111,020kg)流动以便去除预期放出热负荷。
实施例2
评估了使用外部增湿器以将湿气注入流化气体的本发明实施方案，使用宽7.5ft(2.29m)、长30ft(9.14m)并具有66英寸(1.68m)流化深度的流化反应器床。氮气以86ft/min的设计速度用作流化气体，该速度等同于19,350SCFM或每小时86,500lb(39,236kg)干气的流速。当需要时使氧气进入以促进进行中的化学吸附过程。假定如实施例1中约32.25公吨/小时的煤焦流量和5.5％目标湿气，意味着约3910lbs(～1775kg)/hr的水是钝化煤焦所必需的。针对安全系数舍入至每小时4000lbs(或约1800kg)，意指氮气流化气体的含汽率必须为4000/(86,500+4,000)[或1800/(39.236+1800)]＝～4.4％或4.5％绝对湿度。在约115℉(46℃)的典型平均温度下，这表示可容易达到的约36％相对湿度。
实施例3
评估了使用雾化喷雾嘴以将湿气直接供应至反应室中的本发明实施方案，使用宽7.5ft(2.29m)、长30ft(9.14m)并具有66英寸(1.68m)流化深度的流化反应器床。反应室装配有八个内部混合雾化喷嘴(例如Spraying Systems型号1//2JSU89)以提供增湿。如实施例2中计算和舍入出约3950lbs/hr(1792kg/hr)的需水量，意味着28,145加仑/hr或470加仑/min(～1779L/min)的水流速。该实施例考虑了氮气和空气两者作为雾化气体。
注意到以下是重要的：在此喷雾增湿器实施方案中，使增湿水以极细雾的物理形式或替代地作为水蒸气来进入反应室。
虽然已参考各种实施方案和优选实施方案描述了本发明，但本领域技术人员应理解在不脱离本发明基本范围的情况下，可作出各种变化并且可用等效物代替本发明的要素。另外，在不脱离本发明基本范围的情况下，可作出许多调整以使特定情况或材料适应本发明的教导。
本申请中所明确提及的所有美国专利和专利申请和任何其它出版物的全部内容特此以引用的方式并入。
因此，意图本发明不限于本文所公开预期用于实施本发明的具体实施方案，但本发明将包括落入权利要求书范围的所有实施方案。

Claims (19)

1.一种用于钝化煤焦的流化钝化设备(40)，其包括：
反应室(2)，其限定内部(22)并具有：煤焦入口(2g)，其用于将煤焦接收入所述内部；和煤焦槽(2b)，其用于使煤焦离开所述内部；
所述反应室进一步包括：至少一个进气口(24)，其用于使含氧流化气体进入所述内部；至少一个出气口(26)，其用于使所述流化气体从所述内部离开；和气体再循环系统(42)，其包括流化气体源、一个或多个导管和泵(14)，所述导管和泵经布置并适于在引起所述反应室(2)的所述内部之内的所述煤焦中流化状态的条件下使所述流化气体从所述出气口(26)再循环至所述进气口(24)；
至少一个热交换器(13)，其嵌入所述反应室的所述内部之内，所述热交换器(13)具有：冷却剂流体入口；冷却剂流体出口；和多个接触表面，其用于与所述内部之内的煤焦交换热；以及
增湿器(6，2c)，其连接至水源(28,_)并适于使所述煤焦增湿。
2.根据权利要求1所述的设备，其中存在多个热交换器(13)和多个进气口(24)。
3.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括在所述气体再循环系统(42)中的旋风分离器(4)，所述旋风分离器(4)用于从所述气流中除去夹带颗粒并使所述颗粒返回所述煤焦。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述增湿器(6，2c)被配置来通过以下的一者或多者使所述煤焦增湿：(a)液滴喷射至位于所述反应室(2)的所述内部中的煤焦上；(b)液滴喷射至在其进入所述反应室之前的位置处的煤焦上；(c)液滴喷射至所述流化反应室的所述内部(22)中；以及(d)液滴喷射至所述气体再循环系统(42)中以使得所述流化气体增湿。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述增湿器包括喷雾嘴，所述喷雾嘴适于将水喷入所述反应室的所述内部。
6.根据权利要求4所述的设备，其中所述增湿器包括喷雾嘴，所述喷雾嘴适于将水喷入气体再循环系统。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的设备，其中所述增湿器进一步包括压缩气体源，所述压缩气体源用于使喷射的水雾化。
8.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括氧气源，所述氧气源用于提供或补充所述含氧流化气体以钝化所述煤焦。
9.一种用于使用根据权利要求1所述的流化钝化床来钝化煤焦的方法。
10.一种用于使用具有内部热交换器(13)的流化床反应器(2)来钝化煤焦的方法。
11.一种用于钝化煤焦的方法，所述方法包括：
用注入流化床反应器的反应室的流化气流来流化煤焦颗粒；
在所述煤焦颗粒流化时通过使其与所述反应室中的湿气和氧气接触来钝化所述煤焦颗粒；以及
在所述煤焦颗粒流化时通过使其与所述流化床反应器内具有热交换表面的内部热交换系统接触来冷却所述煤焦颗粒。
12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括将氧气化学吸附至所述煤焦颗粒的表面上或孔隙中。
13.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括通过将水喷入所述流化反应室来使所述煤焦颗粒与湿气接触。
14.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括通过在将所述流化气流注入所述室之前将水喷入所述流化气流来使所述煤焦颗粒与湿气接触。
15.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括使用旋风分离器将由所述流化气流携带出所述室的任何煤焦颗粒与所述气流分离，并使所述颗粒返回所述室。
16.上文所述的发明，其中所述流化床反应室中所述煤焦的温度维持在约115℉至约135℉(约46℃至约57℃)。
17.上文所述的发明，其中所述煤焦颗粒在小于约60分钟的时间内完全钝化。
18.上文所述的发明，其中所述流化床反应中的煤焦吸收约0.2重量％至约0.7重量％、优选约0.3重量％至约0.6重量％的氧气。
19.上文所述的发明，其中所述流化床反应中的煤焦吸收约3重量％至约7重量％、优选约4重量％至约6重量％的湿气。
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