CN108949283B - 煤净化和完全燃烧的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种煤净化和完全燃烧的方法，该方法可以包括以下步骤：在煤气化器中加热包含各种碳氢化合物和有害物质，如硫化物，磷化物等的煤至900到1200℃；为一反应区提供氧气并与所述煤气化器连接；气化煤中的硫化物，磷化物等从煤气化器进入反应区并与其中的氧反应；从反应区中分离混合物以收集其液化相中的碳氢化合物；加热该液化的碳氢化合物；及提供氧气以与气态形式的碳氢化合物充分混合后再点燃，以实现碳氢化合物的完全燃烧。

Description

煤净化和完全燃烧的方法
技术领域
本申请案根据美国35U.S.C.§119(e)主张于2017年5月19日申请的美国临时专利申请案第62/508,912号的优先权，其全部内容通过引用结合于此。本发明涉及一种煤气化的过程，特别是涉及一种煤能够完全气化并完全燃烧以减少污染的煤气化的过程。
背景技术
当今大气污染物的主要来源之一是来自煤发电的电力锅炉。在这些设备中，清洁的化石燃料，如天然气，由于稀缺性和成本的原因，在发电方面不能够成为煤的实际替代品。此外，当用于满足住宅和小型商业需求时，可用的清洁燃料供应可能更能够有效地防治污染。
在寻常煤燃烧或气化过程中，当温度高于煤的软化点时，煤的塑性开始发展。一旦达到所述软化点，通常约在370℃至480℃之间，由于在脱挥发期间形成气泡，煤颗粒开始膨胀并变形。随着温度升高，变形变得更加严重，煤变得更具塑性和黏性，并最终可能成为围绕不完全燃烧的小颗粒的薄膜。在这个阶段，煤被认为是不完全气化的。然后煤可能分解成微小的固体碳颗粒并像“黑烟”一样排放到空气中。这些颗粒是固态、有毒且致癌性强的，因此当大量黑色固体碳颗粒排放到空气中时，不仅环境受到污染，人体健康也受到严重危害。因此，需要一种新的改进的煤气化工艺，以避免在排出的气体中产生类似“黑色固体烟雾”的有害物质，使煤完全气化并完全燃烧，并释放较少的二氧化碳以克服以上所述问题。
发明内容
基于此，有必要针对煤不能够完全气化和完全燃烧造成的污染问题，提供一种煤净化和完全燃烧的方法。
一种煤净化和完全燃烧的方法，包括步骤：
在煤气化器中将固体形式的煤在没有空气下加热至一预定的温度范围形成气态形式；
分离出可燃的煤碳氢化合物及可去除的不可燃物的重金属、沥青、和/或煤焦油；
为反应区提供氧气并与所述煤气化器连接；
从所述碳氢化合物中分离出有害物质；
冷凝来自所述反应区的气化煤以在所述气化煤的液化相中收集碳氢化合物；
加热所述液化的碳氢化合物成为气态形式；
提供氧气以与所述液化的碳氢化合物的所述气态形式混合；及
点燃所述混合的碳氢化合物和氧气以实现完全燃烧。
在其中一个实施例中，所述有害物质包括重金属、沥青、和/或煤焦油，还包括硫化物和磷化物。
在其中一个实施例中，所述硫化物根据下面的化学式(i)-(iii)通过硫酸化过程除去：
(i)2S+3O2＝2SO3
(ii)C6H6+SO3＝C6H5SO3H
(iii)C6H5SO3H+H2O＝C6H6+H2SO4。
在其中一个实施例中，所述磷化物根据下面的化学式(iv)-(vi)通过磷酸化过程除去：
(iv)2P+3O2＝2PO3
(v)C6H6+PO3＝C6H5PO3H
(vi)C6H5PO3H+H2O＝C6H6+H2PO4。
在其中一个实施例中，所述在煤净化和完全燃烧中产生的二氧化碳通过下面的化学式除去：
2CO2+2H2O+2CaO→2Ca(OH)CO3+H2。
在其中一个实施例中，所述气态形式的碳氢化合物带正电，氧带负电。
在其中一个实施例中，所述煤气化器中所述预定的温度范围为900至1200℃。煤在寻常燃烧中，固体形式和空气在燃烧之前可能混合不好。换言之，完全燃烧的目的可能无法实现。为了实现完全燃烧，固体形式的煤必须成为气化形式，并且带有正静电，在燃烧之前可以与充有负静电的氧气充分混合以实现完全燃烧目的。
所述煤气化和净化系统可以包含一煤气化器、一反应区及一分离区。在一实施例中，在所述煤气化器中，煤在没有空气的情况下被加热到900至1200℃以变成易燃气体，焦油可以分离并通过煤焦油出口管去除。在另一实施例中，煤可以从煤进口管连续地进入所述煤气化器，可燃气体在通过气体过滤器后被螺旋式马达传送到反应区的同时被气化。
然后所述气化的煤进入所述反应区，有害物质如硫(S)将被氧化成为三氧化硫(SO3)，如下式(i)所示。如下化学式(ii)所示，三氧化硫(SO3)可以进一步与反应室中的苯(C6H6)反应用以生成硫酸苯(C6H5SO3H)，这被称为硫化过程。值得注意的是，硫酸苯(C6H5SO3H)也可以在分离区分离出来，加水后变成苯和硫酸(H2SO4)。硫酸可被消除，而苯将与另外的煤碳氢化合物一起加回，如下化学式所示。
硫酸化：
(i)2S+3O2＝2SO3
(ii)C6H6+SO3＝C6H5SO3H
(iii)C6H5SO3H+H2O＝C6H6+H2SO4。
与硫化物相同，可能是另一种有害物质：磷(P)，进入所述反应区与氧气反应后氧化成三氧化磷(PO3)等。“苯”也会与三氧化磷成为苯基磷酸(C6H5PO3H)。分离后，加水分解成磷酸(H2PO4)和苯。磷酸(H2PO4)可以被消除，而苯将与另外的煤碳氢化合物一起加回，如下化学式所示。
磷酸化：
(iv)2P+3O2＝2PO3
(v)C6H6+PO3＝C6H5PO3H
(vi)C6H5PO3H+H2O＝C6H6+H2PO4。
由于每种物质具有不同的沸点，所以可以通过分馏来分离混合物，通过分馏，所述分离区的各种碳氢化合物中有害的硫酸和磷酸被去除。需要指出的是，纯化的煤气可以包含各种类型沸点不同的碳氢化合物，如苯、甲苯、烯烃、二甲苯、链烷烃、乙烯苯、萘等。更重要的是，在分馏过程中，煤被流化和清洗，并且可以保存为未来可以使用的清洁的化石燃料带正电荷的碳氢化合物，所述带正电荷的碳氢化合物和带负电荷的氧都可以进入第三反应室。因为在上述讨论的煤流化过程中有害物质已被除去，在所述第三反应室中碳氢化合物可以先与氧气充分混合后于炉中燃烧，以实现“完全”煤燃烧减少污染的目标。
对于煤燃烧过程，液化的碳氢化合物可以被再加热成气化的碳氢化合物并且在第一反应室内带正电。同时，空气中带负电的氧进入与第一反应室连接的第二反应室。带正电荷的碳氢化合物和带负电荷的氧都可以进入第三反应室。因为在上述讨论的煤流化过程中有害物质已被除去，在第三反应室中碳氢化合物可以在与氧气充分混合后于炉中燃烧，以实现“完全”煤燃烧减少污染的目标。
附图说明
图1是本发明实施例用于消除有害物质的煤净化和气化系统的示意图；
图2是本发明实施例加热纯化后的液体碳氢化合物成为气态并与氧气混合后点火燃烧的完全燃烧示意图；
图3是本发明实施例用于煤净化和气化的方法示意图；
图4是本发明实施例二氧化碳(CO2)的去除过程示意图；
其中，
100 煤气化和净化系统
110 煤气化器
111 单向空气进口
112 开口煤焦油出口管
113 气体过滤器
114 煤进口
116 螺旋式马达
120 反应区
130 液化分离区
151 电热线
152 静电正极
153 静电负极
161 自动控制器
162 进水管
163 二氧化碳反应区
164 自动控制器
165 水管
166 烟囱
210 第一反应室
215 带正静电荷的碳氢化合物
220 第二反应室
230 第三反应室
240 火炉
250 排放室
260 脱二氧化碳区
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的煤净化和完全燃烧的方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下的详细描述旨在作为对根据本发明各方面提供的当前示例性装置的描述，而不只是表示可以制备或利用本发明的唯一形式。相反地，应该理解的是，相同或等同的功能和部件可以通过不同的实施方式来实现，这些实施方式也可以包含在本发明的精神和范围内。
除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域具有通常知识者通常理解的相同的含义。在本发明的实践或测试中可以使用与所描述的相似或等同的任何方法、装置和材料，现在描述的仅是示例性方法、装置和材料。
出于描述和公开的目的，所提及的所有出版物通过引用并入。例如，出版物中描述的设计和方法可能与当前描述的发明结合使用。上文，下文和整个文本中所列出或讨论的出版物仅仅是为了提供它们在本申请的提交日期之前的公开，本文中没有任何内容被解释为承认发明人由于先前发明而无权先于如此揭露。
如本文中以及权利要求书中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则“一”、“一个”和“该”的含义包括对复数的提及，且如本文中以及权利要求书中所使用的术语“包括”、“包含”、具有”、“含有等应被理解为是开放的，意味着包含但不限于。除非上下文另有明确规定，在此的描述以及权利要求书中所使用的“在...中”的含义包括“在...中”和“在...上”。
应该理解的是，尽管术语第一、第二等等可以在此用于描述各种组件，但这些组件不应受这些术语的限制，这些术语仅用于区分一个组件和另一个组件。例如，在不脱离实施例的范围的情况下，第一组件可以被称为第二组件，并且类似地，第二组件也可以被称为第一组件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有的组合。
如图1所示，本发明实施例提供一种煤气化和净化系统，所述煤气化和净化系统100可包括煤气化器110、反应区120与液化分离区130。在一实施例中，在所述煤气化器110中，煤在没有空气下被加热到900-1200℃，以释放可燃气体，重金属、焦油可从所述煤气化器110的一开口煤焦油出口管112分离和收集。在另一实施例中，煤可以从煤进口114连续地进入所述煤气化器110。通过气体过滤器113之后的所述可燃气体在被气化的同时被螺旋式马达116传送到所述反应区120。在所述反应区120设置一个微小的单向空气进口111，以允许少量空气进入并与某些有害物质如硫(S)反应变成三氧化硫(SO3)，磷(P)变成三氧化磷(PO3)等。苯，煤碳氢化合物中的易燃气体之一，可以与三氧化硫反应变成硫酸苯(C6H5SO3H)。苯也可以与三氧化磷反应变成苯基磷酸(C6H5PO3H)。
气化煤接着进入所述反应区120。某些有害物质如硫化物，可以被氧化成SO3，如下化学式(i)所示。如下方化学式(ii)所示，SO3可以与煤中的苯(C6H6)进一步反应以产生硫酸苯(C6H5SO3H)，这被称为硫酸化过程。所述硫酸苯(C6H5SO3H)可以是液化的且于所述液化分离区130中分离。在分离后加水生成苯(C6H6)与硫酸(被除去)，如化学式(iii)所示。需要指出的是，与磷化物与硫化物相同，可通过如下式(iv)至(vi)所示的磷酸化过程，也可以在所述液化分离区130中除去磷酸盐。
更具体地说，所述反应区120允许有害物质如硫化物和/或磷化物等与空气和苯(煤可燃气体之一)反应，所述反应区120为硫磺和磷化物等与氧气和苯反应提供了一个反应空间，以除去有害物质，气化碳氢化合物可在所述液化分离区130中液化，并净化、分离和收集。
气化的煤碳氢化物接着进入所述液化分离区130，所述气化的煤碳氢化物包含硫酸苯和苯基磷酸，由于具有不同的沸点，它们将被液化并分离。这些有害物质如硫酸苯(C6H5SO3H)和苯基磷酸(C6H5SO3H)将被分离。加入水后，分离的硫酸苯变成苯(C6H6)和硫酸(H2SO4)。硫酸和磷酸可以被消除，并且可以将苯加回到所述煤碳氢化物中。值得注意的是，纯化的所述煤碳氢化物可能包含具有不同的沸点的各种类型的碳氢化合物，如苯、甲苯、烯烃、二甲苯、链烷烃、乙烯苯、萘等。
硫酸化：
(i)2S+3O2＝2SO3
(ii)C6H6+SO3＝C6H5SO3H
(iii)C6H5SO3H+H2O＝C6H6+H2SO4
磷酸化：
(iv)2P+3O2＝2PO3
(v)C6H6+PO3＝C6H5PO3H
(vi)C6H5PO3H+H2O＝C6H6+H2PO4
如图1所示，有害物质如重金属、沥青、或煤焦油等由开口煤焦油出口管112被去除。离开所述液化分离区130后，煤(或碳氢化合物)不仅被液化，而且被净化。
本发明的主要目的是消除煤气化过程中煤中的有害物质，并进一步实现“完全”燃烧煤的目标，以显著减少污染。因为离开所述液化分离区130后，煤(或碳氢化合物)不仅被液化，而且被净化。
参考图2的煤燃烧过程，液化的碳氢化合物可以被在第一反应室210的位置经电热线151处再加热形成气化碳氢化合物，并且在所述第一反应室210的位置处被静电正极152充电，成为带正电荷的碳氢化合物215。同时，空气进入与所述第一反应室210连接的第二反应室220，空气中的氧气在第二反应室220的位置，被静电负极153充电。所述带正电荷的碳氢化合物和带负电荷的氧气都可以传送到第三反应室230以彼此充分混合，然后烃类混合物可以在火炉240中与氧气一起燃烧。因为在上述讨论的煤液化过程中，去除了有害物质，故可达到“完全”燃烧的目的以减少污染及臭气。由于是完全燃烧，因此可增加热能的功率，可以节省燃料。
另一方面，如图3所示，煤净化和完全燃烧的方法可以包括以下步骤：步骤(310)：在一煤气化器110中加热包含各种碳氢化合物和有害物质如硫化物和磷酸盐的煤至900至1200℃；步骤(320)：为一反应区120提供氧气并与所述煤气化器110连接；步骤(330)：气化煤中的硫化物和磷酸盐从所述煤气化器110进入所述反应区120并与所述反应区120中的氧反应；步骤(340)：在液化分离区130中分离有害物质和碳氢化合物的混合物并收集其中的碳氢化合物；步骤(350)：将液化的碳氢化合物再加热至气化形式，并将气化碳氢化合物以正静电充电；以及步骤(360)：点燃带负静电的氧气与气化并带正静电的碳氢化合物的混合物，实现碳氢化合物的完全燃烧。
在一实施例中，如所述化学式(i)所示，所述步骤(330)中的所述硫化物可被氧化成SO3，并且如所述化学式(ii)中所示，SO3可进一步与煤气中的苯(C6H6)反应以产生硫酸苯(C6H5SO3H)，这被称为硫化过程。如所述化学式(ⅲ)所示，硫酸苯可以在分离并与水反应后形成苯及硫酸。而硫酸可被消除。在另一实施例中，与硫化物相同，磷化物也可以在所述液化分离区130中分离和消除，如所述步骤(340)和所述化学式(vi)所示。
如图4所示，各种碳氢化合物在排放室250中的火炉240燃烧时产生大量的二氧化碳(CO2)。在脱二氧化碳区260，一氧化钙(CaO)与水混合，并通过一自动控制器161保持水位。在二氧化碳反应区163内，所述脱二氧化碳区260中依化学式(vii)产生的碳酸氢钙(Ca(OH)CO3)达到饱和水平，一传感器可触发一自动控制器164淘汰饱和的碳酸氢钙，然后将新的与水混合的一氧化钙从一进水管162填充。
当包含二氧化碳(CO2)的排气通过所述排放室250与所述脱二氧化碳区260的多个水管165时，与水混合的一氧化钙(CaO)将与二氧化碳反应以产生碳酸氢钙(Ca(OH)CO3)，如所述化学式(vii)所示，部分的二氧化碳(CO2)将被清除，其余的废气将从烟囱166中排出。
(vii)2CO2+2H2O+2CaO→2Ca(OH)CO3+H2
总之，固体形式的煤必须在没有空气的情况下加热到900至1200℃以挤出气化形式的碳氢化合物的易燃气体，同时消除重金属、沥青、煤焦油。气化碳氢化合物在液化相中被冷凝并消除有害物质后，清洁的碳氢化合物被保存为液态的形式，可以在将来用作清洁煤化石燃料。清洁的液态碳氢化合物可以经所述电热线151重新加热成气化的碳氢化合物并被所述静电正极152充电成为带正电荷的碳氢化合物，与燃烧前进入所述静电负极153而带静电负电荷的氧气充分混合于所述第三反应室230，进而进入所述火炉240，然后将混合物点燃以实现完全燃烧。如所述化学式(vii)所示：与水混合的一氧化钙(CaO)与二氧化碳反应生成碳酸氢钙(Ca(OH)CO3)，而部分的二氧化碳(CO2)将被清除。
本发明已经通过以上的描述和说明而阐述，应当理解的是，这些是本发明的示例，并且不是限制性的。因此，本发明不受前述说明限制，可以包括任何均等物。

Claims (7)

1.一种煤净化和完全燃烧的方法，包括步骤：
在煤气化器中将包含碳氢化合物和有害物质固体形式的煤在没有空气下加热至一预定的温度范围形成气态形式，所述有害物质中的可燃物气化成为可燃气体被传送到一反应区，所述有害物质中的不可燃物被分离并从所述煤气化器被去除；
为所述反应区提供氧气，以让所述有害物质中的可燃物与所述反应区中的氧反应，并与所述碳氢化合物分离；
冷凝来自所述反应区的气化煤以在所述气化煤的液化相中收集碳氢化合物；
加热所述液化的碳氢化合物成为气态形式，再被静电正极充电，成为带正电荷的碳氢化合物；
将被静电负极充电而带负电荷的氧气与所述带正电荷的碳氢化合物混合；及
点燃所述混合的碳氢化合物和氧气以实现完全燃烧。
2.如权利要求1所述的煤净化和完全燃烧的方法，其特征在于，所述有害物质包括重金属、沥青、和/或煤焦油的不可燃物，与硫化物和/或磷化物的可燃物。
3.如权利要求2所述的煤净化和完全燃烧的方法，其特征在于，所述硫化物根据下面的化学式(i)-(iii)通过硫酸化过程除去：
(i)2S+3O2＝2SO3
(ii)C6H6+SO3＝C6H5SO3H
(iii)C6H5SO3H+H2O＝C6H6+H2SO4。
4.如权利要求2所述的煤净化和完全燃烧的方法，其特征在于，所述磷化物根据下面的化学式(iv)-(vi)通过磷酸化过程除去：
(iv)2P+3O2＝2PO3
(v)C6H6+PO3＝C6H5PO3H
(vi)C6H5PO3H+H2O＝C6H6+H2PO4。
5.如权利要求1所述的煤净化和完全燃烧的方法，其特征在于，所述在煤净化和完全燃烧中产生的二氧化碳通过下面的化学式除去：
2CO2+2H2O+2CaO→2Ca(OH)CO3+H2。
6.如权利要求1所述的煤净化和完全燃烧的方法，其特征在于，所述气态形式的碳氢化合物带正电，氧带负电。
7.如权利要求1所述的煤净化和完全燃烧的方法，其特征在于，所述煤气化器中所述预定的温度范围为900至1200℃。
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