CN109937082B - 含有悬浮固态燃料粒子的气态可燃性燃料 - Google Patents

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Abstract

气态可燃性燃料包含气态烃燃料原料和悬浮在气态烃燃料原料中的固态燃料粒子。固态燃料粒子具有足够小的粒度，以使得它们在输送期间保持悬浮。烃燃料原料可以包括天然气、乙烷、丙烷、丁烷以及它们的气态衍生物和混合物。固态燃料粒子可以包括来源于煤的固态含碳物质。固态燃料粒子的其他实例包括生物质、精炼生物制品和可燃性聚合物粒子。气态可燃性燃料在大气压下具有比气态烃燃料原料的体积能量密度大至少25％的能量密度。公开了50％、100％以及甚至500％的体积能量密度的提高。可以将气态可燃性燃料加压至在2至100大气压的范围内的压力。

Description

含有悬浮固态燃料粒子的气态可燃性燃料
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月13日提交的名称为含有悬浮固态燃料粒子的气态可燃性燃料的美国临时专利申请号62/407,872的权益，该申请通过引用并入。
发明背景
本公开涉及含有悬浮固态燃料粒子的气态燃料。该燃料可以是可燃性气态燃料如天然气或丙烷。悬浮固态燃料粒子提高了气态可燃性燃料的能量密度。
背景
可燃性燃料的能量密度是每单位体积通过燃烧产生的热能的量的量度。以下表1列出了三种常见可燃性燃料：天然气、汽油和煤的典型体积能量密度。会理解的是，液态和固态燃料源(汽油和煤)二者都具有比气态燃料源(天然气)明显高的体积能量密度。常温和常压(NPT)理解为20℃和1atm。
表1.选择的可燃性燃料的能量密度
Figure BDA0002054375730000011
已知将天然气或其他可燃性气态燃料源压缩或加压将会提高体积能量密度，但是仍然处于远低于液态和固态可燃性燃料源的水平。
提供在有或没有额外加压的情况下提高天然气或其他可燃性气态燃料的能量密度的方法将会是本领域中的进步。提供在加压时提高可燃性气态燃料如天然气的能量密度的方法将会是本领域中的进步。对于可燃性气态燃料降低所需的储存体积并且降低每单位能量的输送成本将会是本领域中的又一进步。
发明概述
本公开涉及一种气态可燃性燃料，其在体积上主要包含其中悬浮固态燃料粒子以提高气态烃原料的能量密度的气态烃原料。气态烃燃料原料的非限制性实例包括天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷以及它们的气态衍生物。可以使用不同气态烃燃料原料的混合物。
固态燃料粒子具有足够小的粒度以在输送和使用期间保持悬浮。这受固态燃料粒子的密度和其中悬浮固态燃料粒子的气态烃原料的密度二者影响。固态燃料粒子通常将会具有小于250μm并且优选小于60μm的粒度。在一些非限制性实施方案中，固态燃料粒子可以具有小于30μm的粒度。在一些非限制性实施方案中，固态燃料粒子具有小于20μm的粒度。固态燃料粒子可以具有小于10μm的粒度。固态燃料粒子可以具有小于5μm的粒度。在一些实施方案中，固态燃料粒子具有小于2.5μm的平均粒度。
固态燃料粒子包括高能或可燃性燃料材料的细碎粒子。固态燃料粒子可以来源于高能或可燃性燃料材料的单一来源，或者可以使用不同高能或可燃性燃料材料的共混物或混合物。在一个非限制性实施方案中，固态燃料粒子包括细煤粒子，其包括来源于煤的含碳物质。当来源于煤的含碳物质具有足够小的尺寸而基本不含固有矿物质时，其被称为来源于煤的固态烃。在一些实施方案中，固态燃料粒子包括来源于煤的固态烃粒子。
在一些实施方案中，来源于煤的固态含碳物质含有减少量的来源于煤的矿物质和减少量的硫。在一个非限制性实施方案中，来源于煤的固态含碳物质含有小于1重量％的来源于煤的矿物质。在一个非限制性实施方案中，来源于煤的固态含碳物质含有小于0.5重量％的硫。
在本文中所公开的悬浮在气态可燃性燃料中的固态燃料粒子有时被称为微清洁碳燃料(Micro Clean Carbon Fuel,μCCF)。
分散剂可以与来源于煤的固态含碳物质一起使用以抑制细粒子的团聚。在一个非限制性实施方案中，分散剂包括有机酸。分散剂可以是选自直链、环状、饱和或不饱和的羧酸和多元羧酸的有机酸。在一个目前优选的实施方案中，分散剂是柠檬酸。在另一个非限制性实施方案中，分散剂是木质素磺酸盐系表面活性剂。可以使用的另一种分散剂种类是非离子分散剂，如聚环氧乙烷分散剂。
固态燃料粒子还可以来源于有机材料，包括废弃有机材料。在再一个实施方案中，固态燃料粒子来源于废弃生物质。此外，固态燃料粒子可以是精炼生物制品，如糖、淀粉、纤维素、面粉等。更进一步，固态燃料粒子可以由任何天然存在的或合成的固态燃料化合物(包括聚合物)例如任何含碳材料组成。
本发明的一个目的是提高气态烃原料的体积能量密度。在大气压下，相对于气态烃原料的能量密度提高为高至少25％。在一些实施方案中，体积能量密度的提高为至少50％。在一些实施方案中，体积能量密度的提高为至少100％。在一些实施方案中，体积能量密度的提高为至少500％。
在一个非限制性实施方案中，固态燃料粒子具有小于30μm的尺寸和大于5000Btu/lb的能量密度。在另一个非限制性实施方案中，固态燃料粒子具有小于30微米的尺寸和大于500kg/m3的密度。在又一个非限制性实施方案中，固态燃料粒子具有大于5000Btu/lb的能量密度和大于500kg/m3的密度。
在一个非限制性实施方案中，气态烃燃料原料是天然气，固态燃料粒子包括来源于煤的固态含碳物质并且具有小于10μm的粒度，气态烃燃料原料在大气压下具有体积能量密度，并且气态可燃性燃料在大气压下具有比气态烃燃料原料的体积密度大至少25％的能量密度。
气态烃燃料原料可以包含大于90体积％的天然气并且具有大于45,000BTU/m3的能量密度。
在一些实施方案中，气态可燃性燃料在大气压下具有在45,000至300,000BTU/m3的范围内的能量密度。
在一个非限制性实施方案中，气态可燃性燃料原料具有在2至100大气压的范围内的压力。加压使得气态可燃性燃料能够通过加压气体分配管道输送。例如，在中国，天然气以约60大气压的压力分配。在美国，天然气以约100大气压的压力分配。
输送气态可燃性燃料的方法可以包括将固态燃料粒子悬浮在气态烃燃料原料中以形成气态可燃性燃料。可以将气态可燃性燃料加压至适用于输送的压力。这样的压力通常在约60至100大气压(atm)的范围内以用于长距离输送。居民气体分配管道在约1至7atm(15至120磅/平方英寸(psi))的范围内。进入到家庭中的气体分配通常向下调整至约0.25psi。
在输送气态可燃性燃料的方法的一个非限制性实施方案中，气态烃燃料原料包含大于90体积％的天然气，并且固态燃料粒子包括来源于煤的固态含碳物质并且具有小于30μm的粒度。
附图简述
为了容易地理解得到本发明的以上叙述的和其他特征和优点的方式，以上简述的本发明的更具体的描述将会参照在附图中所示的其具体实施方案而给出。在理解这些附图仅描绘了本发明的典型实施方案并且因此不应被认为是其范围的限制的情况下，将通过使用附图借助额外的特征和细节来描述和解释本发明，其中：
图1示出了在一些实例中用于按粒度分离固态燃料粒子的旋风分离器的示意图。
图2是离开图1中所示的旋风分离器的顶部的细粒子和离开旋风分离器的底部的较大粒子的按粒径的微分体积的图。图2还示出了进料到旋风分离器中的煤粒子的粒度分布。
图3示出了在一些实例中用于按粒度分离固态燃料粒子的旋风分离器的示意图。
图4是离开图3中所示的旋风分离器的顶部的细粒子和离开旋风分离器的底部的较大粒子的按粒径的微分体积的图。
图5是在NPT下在天然气中共混的固态燃料粒子的数据的图，其中50％的BTU来自具有1至1000kg/m3的密度和5,000至15,000BTU/lb的热含量的固态燃料粒子。
图6是在NPT下在天然气中共混的固态燃料粒子的数据的三维图，其中50％的BTU来自具有1至1000kg/m3的密度和5,000至15,000BTU/lb的热含量的固态燃料粒子。
图7是当在常压和常温下在多种气体中共混时作为平均粒度的函数的固态燃料粒子的沉降速度的数据的图。在紧邻每种气体的数据组末尾的右侧示出了气体的粘度作为参考。
图8是针对在1至100atm的范围内的不同压力提供的平均尺寸在最大60微米的范围内的固态燃料粒子的沉降速度的图。
发明详述
本公开涉及含有悬浮固态燃料粒子的改进的可燃性气态燃料，如天然气。本公开还涉及通过将少量固态燃料粒子悬浮在气态燃料中来提高可燃性气态燃料的体积能量密度的方法。悬浮的固态燃料粒子大幅提高了基础可燃性气态燃料的能量密度。
改进的可燃性气态燃料是多相燃料组合物，其包含可燃性气态燃料(在本文中也称为气态烃原料)和悬浮固态燃料粒子的共混物。可燃性气态燃料的非限制性实例包括天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等。也可以将这些气态可燃性燃料压缩并且作为液体输送。然而，在最终用途时，它们几乎总是转化为气态形式并且以气态形式燃烧。
固态燃料粒子包括高能或可燃性燃料材料的细碎粒子。在一个非限制性实施方案中，固态燃料粒子包括细煤粒子。更具体地，细煤粒子包括来源于煤的含碳物质。当研磨为足够小的尺寸而基本不含固有矿物质时，来源于煤的含碳物质作为来源于煤的固态烃存在。在另一个非限制性实施方案中，固态燃料粒子包括来源于煤的固态烃粒子。
在另一个实施方案中，固态燃料粒子来源于有机材料，包括废弃有机材料。在再一个实施方案中，固态燃料粒子来源于废弃生物质。废弃生物质的非限制性实例包括锯末、植物切屑、木屑和植物秸秆。此外，固态燃料粒子可以是精炼生物制品。精炼生物制品的非限制性实例包括糖、淀粉、纤维素、面粉等。更进一步，固态燃料粒子可以由任何合成的固态燃料化合物组成。合成的固态燃料化合物的非限制性实例包括聚合物如聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、橡胶等。合成的固态燃料化合物可以是废弃有机材料，包括废弃聚合物。废弃聚合物的非限制性实例包括废旧轮胎、聚丙烯购物袋和聚苯乙烯泡沫(Styrofoam)。
固态燃料粒子可以来源于高能或可燃性燃料材料的单一来源。备选地，固态燃料粒子可以来源于不同高能或可燃性燃料材料的共混物或混合物。
固态燃料粒子具有这样的尺寸：所述尺寸使得它们能够容易悬浮并且在储存、输送、和/或使用期间的实用时间段内保持悬浮在可燃性气态燃料中。斯托克斯定律(Stokeslaw)定义了当雷诺数(Reynold’s number)小(例如对于非常小的球形粒子来说)时在其通过流体或气体时的摩擦力或曳力。当将曳力设定为等于重力加速力时，则可以计算这些非常小的粒子的末端速度。这种情况假设除了静止空气的拖曳以外没有其他力。因此，斯托克斯定律可以用于计算在直径小于约250微米的情况下给定密度的球体在空气或其他气体或液体中的沉降速度：
Figure BDA0002054375730000061
其中d＝球体的几何直径(m)
Ws＝球体的密度(kg/m3)
Wa＝空气的密度(kg/m3)
g＝由于重力的加速度(m/s2)
η＝流体的粘度(kg/(m*s))
表2示出了当Ws＝1200kg/m3，Wa＝1.2kg/m3，g＝9.8m/s2，并且η＝1.81x 10-5kg/(m*s)时，使用基于斯托克斯定律的模型计算的0.5微米直至60微米的直径的球形粒子在常温和常压下在空气中的沉降速度。
表2
Figure BDA0002054375730000062
以超过悬浮的粒子在可燃性气态燃料中的沉降速度的速度移动的可燃性气态燃料将使所述粒子保持悬浮。
根据斯托克斯定律和前述讨论，还将理解的是，具有较低密度的粒子还将具有较低的沉降速度。可以将与较小和较致密的固态燃料粒子相比具有较大粒度和较低密度的固态燃料粒子悬浮在气态烃原料中。因此，不同类型和尺寸的固态燃料粒子可以悬浮在可燃性气态燃料中并且保持悬浮在可燃性气态燃料中。
如上所述，固态燃料粒子应当具有小于250μm并且更优选小于60μm的粒度。在一个非限制性实施方案中，固态燃料粒子具有小于30μm的平均直径。在另一个实施方案中，固态燃料粒子具有小于20μm的平均直径。在又一个实施方案中，固态燃料粒子具有小于10μm的平均直径。在另外的实施方案中，固态燃料粒子具有小于5μm的平均直径。在一个非限制性实施方案中，99％的固态燃料粒子都小于20μm。在另一个非限制性实施方案中，99％的固态燃料粒子都小于10μm。在再一个非限制性实施方案中，固态燃料粒子具有小于2.5μm的平均尺寸。在其他非限制性实施方案中，可以顺利地使用较大尺寸和较低密度的固态燃料粒子。
固态燃料粒子保持悬浮的时间段可以根据改进的可燃性气态燃料的预期用途而改变。例如，如果改进的可燃性气态燃料根据立即使用的要求而制备，则悬浮时间段可以是短的，如数秒、数分钟或数小时。相比之下，如果将改进的可燃性气态燃料储存一定时间段，则实际悬浮时间段可以以数天、数周或数月衡量。会理解的是，与较大尺寸的固态燃料粒子相比，较细尺寸的固态燃料粒子将自然地保持悬浮更长的时间段。具有约10μm的尺寸的粒子可以保持悬浮数分钟至数小时，而具有约2.5μm的尺寸的粒子可以保持悬浮数天或数周。
在一个公开的实施方案中，可燃性气态燃料包括天然气，并且悬浮的固态燃料粒子包括细煤粒子，所述细煤粒子包括来源于煤的含碳物质。在大气压下，与天然气共混的煤粒子的量可以在约5体积％以下的范围内。煤粒子可以具有小于30μm的平均粒度。
可以将分散剂加入到细煤粒子中以减少粒子团聚。在一个非限制性实施方案中，分散剂是有机酸。分散剂可以是选自直链、环状、饱和或不饱和的羧酸和多元羧酸的有机酸。在一个目前优选的实施方案中，分散剂是柠檬酸。在另一个非限制性实施方案中，分散剂是木质素磺酸盐系表面活性剂。可以使用的另一种分散剂种类是非离子分散剂，如聚环氧乙烷分散剂。
以下表3列出了在常温和常压下增加与天然气共混的具有30μm以下的平均直径的细煤粒子的量的情况下观察到的显著的能量密度提高，其中固态燃料粒子具有14,500BTU/lb的热含量和1,200kg/m3的密度。
表3
Figure BDA0002054375730000081
固态燃料粒子在常温和常压(NPT)下与天然气共混。NPT＝20℃和1atm。固态燃料粒子以使得共混物的0％至95％的BTU来自固态燃料粒子的方式与天然气共混。固态燃料粒子具有14,500BTU/lb的热含量和1,200kg/m3的密度。天然气的密度是0.8kg/m3。因为固体粒子的密度远超过天然气的密度，所以即使当增强的天然气的95％的BTU来自固态燃料粒子时，固态燃料粒子-天然气共混物或增强的天然气的体积％也小于2体积％。当83.4％的BTU来自固态燃料粒子时，共混物的BTU相对于单独天然气提高500％。
提供以下非限制性实施例以说明与公开的含有悬浮固态燃料粒子的气态可燃性燃料相关的多个实施方案。应该理解的是，对于可以根据当前公开的发明实施的多种类型的实施方案来说，这些实施例既不是全面的也不是穷尽的。
实施例1
设计实验以测试细煤粒子是否如斯托克斯定律所预测的在静止空气中沉降。首先，通过使煤粒子通过小旋风分离器而得到限定尺寸的细煤粒子。旋风分离器是可以用于在流动的水或空气中基于尺寸将粒子分类的装置。
在图1中描绘了在该实验中使用的旋风分离器。其具有约4.7mm的底部开口和14.5mm的顶部开口，并且高105mm。以1.9升/分钟的速率运行的小真空泵与旋风分离器的顶部端口连接。将从底部端口落出的大粒子收集在盖或粗砂罐中。将在气流中的从旋风分离器顶部带出的小粒子在进入真空之前收集在细滤纸上。图2示出了离开旋风分离器顶部的较小粒子和离开旋风分离器底部的较大粒子的粒度分析图。在图2中还示出了进料到旋风分离器中的煤粒子的粒度分布。离开顶部的细粒子具有4.4μm的平均粒度。离开旋风分离器底部的大粒子具有18.8μm的平均粒度。
之后如在图3中所示设置旋风分离器。在这种配置中，离开旋风分离器的细粒子通过内壁长度为2.25”的、在两个侧面具有1.5”直径窗口的不锈钢立方体盒，使得可以透过盒进行观看并且看到悬浮粒子。测得真空泵的体积空气流量为1.9升/分钟。从旋风分离器到钢盒以及从钢盒到真空泵的管子具有6.9mm的内径。基于真空泵的体积空气流动速率，在管子中的空气速度计算为0.85m/s。由于容器的较大横截面表面，在盒中的空气速度降低，并且计算为0.0096m/s。
根据表2，对于悬浮在空气中的粒子来说，60μm直径粒子的沉降速度是0.12m/s，30μm粒子的沉降速度是0.033m/s，20μm粒子的沉降速度是0.014m/s，并且10μm粒子的沉降速度是0.0036m/s。根据图2，一些30和60μm粒子在进料粒子中。在管子中的空气速度大于在该范围内的粒子的沉降速度，并且因此它们应当能够在管子中输送。然而，在盒内部的空气速度低于这些粒子的沉降速度。因此，在该实验装置的体积空气流动速率下，预期大于30微米的粒子不能在盒内部保持悬浮。
根据表2，10μm粒子的沉降速度是0.0036m/s。在盒内部的空气速度是0.0096m/s，其大于10μm粒子的沉降速度。因此，当空气以1.9升/分钟的体积速率流过盒时，预期10μm和更小的粒子在盒中悬浮。
当本文所述且在图3中所示的实验装置运行时，离开旋风分离器顶部并且行进到盒中的粒子具有4.4μm的平均粒度。光通过盒的后窗口发出。可以观察到粒子在其从进入盒的管子的体积膨胀到盒的体积时在空气流中行进。只要泵保持打开并且将粒子运送到旋风分离器，粒子就可以进入并且离开盒而不沉降到盒的底部。
当将泵关闭时，空气流动停止。之后可以观察到粒子缓慢飘落到盒的底部。测得粒子行进1cm所需的时间为大约10秒，相当于0.001m/s的沉降速度。这种沉降速度与对于5μm直径粒子所计算的0.0009m/s的沉降速度相匹配。
之后将旋风分离器从实验装置中移除，使得抽气管将粒子进料到盒中。如上所述，基于针对两种不同的横截面积计算的空气速度，预期任何30μm和60μm粒子均在管子中输送，但是之后预期在进入盒后不久即沉降。预期在进料中的约10μm的尺寸范围内的粒子在盒中保持悬浮，因为在盒中的空气速度超过它们的沉降速度。
当通过从实验装置中移除旋风分离器而将进料直接引入到盒中时，在盒中目视观察到粒子的较高密度。当将真空泵关闭并且空气速度变为零时，观察到粒子更迅速地沉降，表明存在大量的较大直径粒子。测得粒子行进1cm所需的时间为大约0.8秒，相当于0.012m/s的沉降速度。根据体积流动速率和横截面积计算的盒内部的空气速度计算为0.0096m/s，其稍微低于测得的0.012m/s的沉降速率。用于测量沉降速率的目视观察方法可能不够准确。然而，两种速率在同一数量级并且彼此非常接近的事实证明了大于粒子的沉降速率的空气速度将会使粒子保持悬浮在流动气体中的假设。10μm直径粒子的沉降速度计算为0.0036m/s。因此，平均而言，粒子必定大于10μm并且小于30μm。事实上，具有18.25μm的直径的粒子在常压和常温下将会具有0.012m/s的在空气中的沉降速度。
实施例2
使用更大的旋风分离器作为粉末捕获系统的一部分。锥体的大尺寸和小尺寸分别为27.5cm和7.3cm。旋风分离器高61cm。图4示出了离开在旋风分离器底部的小开口的大粒子和离开旋风分离器顶部的气流所携带的小粒子的按粒径的微分体积的图。平均粒度分别为21.4μm和6.2μm。注意，较大粒子是用于以上在实施例1中讨论的使用小旋风分离器的实验的原料。具有平均粒度的细粒子在金属导管中输送超过50英尺远而没有向导管侧壁的明显沉降。一旦导管由于静电荷而涂覆有细粒子的薄膜，则损失是可忽略的。
实施例3
当用丙烷填充常见的液态丙烷罐时，大部分丙烷是液态的。然而，在任何典型环境温度下，一定量的液态丙烷将会进入气相，直到罐内部的气体压力等于丙烷在该温度下的蒸气压。例如，在含有纯丙烷的液态丙烷罐内部的压力在71华氏度下将会是约127磅/平方英寸(psi)。例如，在将丙烷气体从罐中移除以为燃烧器供能时，更多的液态丙烷进入气相以维持在环境温度下罐内部的压力平衡。
制造1升的液态丙烷罐，使得可以将其打开并且填充小体积的细煤粒子。将搅拌器加入到系统内部以使细煤粒子保持充分地分布在液态丙烷中。之后可以利用真空将罐排空以移除空气并且用液态丙烷再次填充。搅拌器使煤粒子在液态丙烷内部保持悬浮。据推断，在将丙烷气体从罐中移出时，一些煤粒子也将会离开。之后，在气态丙烷燃烧时，与丙烷气体一起从罐中以气相输送出的细煤粒子也将会燃烧。
该罐首先通过将其与燃烧器连接在仅使用丙烷的情况下进行测试。如对于丙烷所预期的一样，火焰的颜色是蓝色的。已知煤燃烧是橙色。当将煤粒子引入到罐中时，所得的火焰是橙色和蓝色。随着煤粒子的浓度升高，火焰变得更橙色。在这个实验中，没有对与离开罐的丙烷气体共混的煤的量的精细控制，但是火焰的颜色表明细煤粒子被引入到丙烷气体物流中并且与其一起在燃烧器中燃烧。
实施例5
作为可以与在改进的液态丙烷罐内部的气态燃料源共混的固态燃料的实例，还将多种其他细粒子与丙烷共混：淀粉、糖、面粉、聚碳酸酯、鸡粪和锯末。所有这些固态燃料都使火焰随着在气态丙烷中夹带的细粒子的浓度升高而从蓝色变为橙色。
实施例6
将具有30μm的平均尺寸的固态燃料粒子与天然气共混。在多个压力下确定沉降速度。从1atm到100atm的100x的压力增大仅导致26％的沉降速度降低。沉降速度降低主要归因于随着压力增大的天然气密度的略微增大，因为在高压时的拖曳的增大是不明显的。在气体体积随压力增大而减小时，气体密度和体积能量密度二者均增大。
表4.在不同压力下，其中50％的BTU来自被称为微清洁碳燃料(μCCF)的固态燃料粒子的共混天然气的体积百分比和体积能量密度。清洁碳燃料粒子为14,500BTU/lb和1200kg/m3。
表4
Figure BDA0002054375730000121
表4示出了其中固态燃料粒子增强的天然气的50％的BTU来自固态燃料粒子的天然气体系。固态燃料粒子具有14,500BTU/lb的能量密度和1200kg/m3的密度。示出了随着压力增大的体积增加％。天然气在高压下输送。在美国和中国，对于长距离输送来说，输送压力通常在65至100大气压的范围内。
在100atm下，固态燃料粒子的体积％仅增大至8.58％。沉降速度表现为随着压力增大而降低。这归因于加压天然气的增加的密度。在所有情况中，在输送管道中的天然气的速度必须超过约3.2cm/sec，从而在输送期间使30微米直径的细固态燃料粒子保持悬浮。
实施例7
将细固态燃料粒子与不同的气态烃燃料原料共混并且针对在5,000、10,000和15,000BTU/lb的不同热含量下的体积能量密度进行评价。在表5中报道了天然气的关于不同气态烃燃料原料的结果，在表6中报道了丙烷的关于不同气态烃燃料原料的结果，在表7中报道了丁烷的关于不同气态烃燃料原料的结果。
表5.在NPT下与固态燃料粒子(表5中设计的μCCF)共混的天然气，其中对于5,000、10,000和15,000BTU/lb的热含量，粒子的密度为1,200kg/m3。
Figure BDA0002054375730000131
表5示出了在大气压和20℃下与固态燃料粒子共混的天然气，其中各粒子的密度是1,200kg/m3，意味着一个粒子具有这种密度并且这种材料的实心块也将会具有这种密度。固态燃料粒子具有5,000、10,000和15,000BTU/lb的热含量。来源于煤的固态烃热含量通常在约13,500至15,000BTU/lb的范围内。选择5,000至15,000的范围显示，即使热含量明显改变，对于在三个不同表中的天然气来说，与总体积％相比，固态燃料粒子(μCCF)的体积％也仅稍微改变。对于5,000BTU/lb和1,200kg/m3的材料来说，如果95％的BTU来自天然气，则仅5.05％的体积来自固态燃料粒子。小体积含量的原因是因为在常温和常压(NPT)下，与气体的密度相比，固态燃料粒子具有大的密度，其中NPT是20℃和1atm。
表6.在NPT下与固态燃料粒子共混的丙烷，其中对于5,000、10,000和15,000BTU/lb的热含量，粒子的密度是1,200kg/m3。
Figure BDA0002054375730000141
当在大气压下使用丙烷作为气态烃燃料原料时，看到了关于体积％的相似趋势。然而，固态燃料粒子的体积百分比增加，因为丙烷在大气压下的密度略超过天然气的两倍。
表7.在NPT下与固态燃料粒子共混的丁烷，其中对于5,000、10,000和15,000BTU/lb的热含量，粒子的密度是1,200kg/m3。
Figure BDA0002054375730000151
当在大气压下使用丁烷作为气态烃燃料原料时，看到了关于体积％的相似趋势。然而，固态燃料粒子的体积百分比增加，因为丁烷在大气压下的密度略超过天然气的两倍。
实施例8
将500、850和1,200kg/m3的不同密度的细固态燃料粒子与天然气共混并且针对在10,000和14,500BTU/lb的不同固态燃料热含量下的体积能量密度进行评价。在表8中报道了10,000BTU/lb的热含量的关于不同热含量的结果，并且在表9中报道了14,500BTU/lb的热含量的关于不同热含量的结果。
表8.在NPT下与固态燃料粒子共混的天然气，其中对于500、850和1,200kg/m3的固态燃料粒子密度，热含量为10,000BTU/lb。
Figure BDA0002054375730000161
表8建立了在NPT下将具有10,000BTU/lb的固态燃料粒子的热含量的固态燃料粒子与天然气共混的模型。在500、850和1,200kg/m3下对各粒子的密度建立模型。对于具有10,000BTU/lb的中等热含量水平和针对每个粒子密度为500kg/m3的粒子来说，当95％的BTU来自煤时，在与天然气的共混物中的固态燃料粒子的体积％仍然仅为6.0体积％的固态燃料粒子，因为煤粒子的密度仍然超过天然气的密度的500倍。
在大气压下固态燃料粒子和天然气的密度之间的大的差异允许与天然气共混的小体积％的燃料粒子。与热含量相比，密度更多地驱使低体积％。
表9.在NPT下与固态燃料粒子共混的天然气，其中对于500、850和1,200kg/m3的固态燃料粒子密度，热含量为14,500BTU/lb。
Figure BDA0002054375730000171
表9建立了在NPT下将具有14,500BTU/lb的固态燃料粒子的热含量的固态燃料粒子与天然气共混的模型。在500、850和1,200kg/m3下对各粒子的密度建立模型。在14,500BTU/lb的热含量水平和每个粒子密度为500kg/m3的情况下，当95％的BTU来自固态燃料粒子时，固态燃料粒子-天然气共混物的体积％为4.22体积％的固态燃料粒子，因为固态燃料粒子的密度仍然超过天然气的密度的500倍。
在NPT下固态燃料粒子和天然气的密度之间的大的差异允许与天然气共混的小体积％的燃料粒子。与热含量相比，密度更多地驱使低体积％。
实施例9
在NPT下将1至1000kg/m3的不同密度的细固态燃料粒子与天然气共混，其中50％的BTU来自固态燃料粒子并且固态燃料的热含量在5,000至15,000BTU/lb的范围内。结果在表10中报道。
表10.
Figure BDA0002054375730000181
图5和图6是在表10中表示的数据的图形表示。使用该数据建模的固态燃料粒子(μCCF)的密度以1kg/m3开始，其大约是空气的密度并且比天然气的密度稍高。如果固态燃料粒子具有与天然气的密度相似的1kg/m3的密度，则固态燃料粒子的体积％在共混物的体积％中占主要地位。当固态燃料粒子密度超过50kg/m3，或者换句话说是天然气的密度的大约62倍时，由于固体粒子和天然气粒子之间的密度差，可燃性气态燃料的体积在增强的可燃性气态燃料共混物的体积百分比中占主要地位。在粒子密度大于50kg/m3时，固态燃料粒子的体积％小于7％。在图6中所示的三维表面图中这种趋势非常明显。
图7是当在常温和常压下在丁烷、丙烷、甲烷或天然气中分散时作为平均固态燃料粒度的函数的固态燃料粒子的沉降速度的数据的图。数据使用基于斯托克斯定律的模型计算。固态燃料粒子具有1,200kg/m3的密度。在计算数据中使用气体在NPT下的密度和粘度。表11示出了制成表格的数据。
表11示出了在常温和常压下作为悬浮在可燃性气体中的固态燃料粒子的平均粒度的函数的沉降速度。还示出了那些气体的密度和粘度。
表11
Figure BDA0002054375730000191
在常温和常压下，气体的密度对悬浮在气体中的固体粒子的沉降速度贡献非常小。当使用斯托克斯定律计算沉降速度时，将气体的密度从固态燃料粒子的密度(在该数据的情况中为1,200kg/m3)中减去。在1,200kg/m3时，上述减去的结果仍然接近固态燃料粒子的1,200kg/m3，以至于固态燃料粒子的密度主导沉降速度结果。粘度在分母中并且对沉降速度具有较大影响，如可以在图7中看到的，其中沉降速度随着粘度增加而下降。在该数据组中关于固态燃料粒子的沉降速度的主导因素是粒子的尺寸。随着粒子的尺寸增大，粒子的质量增加，并且重力对粒子的影响增大。在沉降速度中，粒子的密度也是主要因素，因为粒子的质量是体积和密度二者的函数。在这个实验中，粒子的密度在1,200kg/m3保持不变。
与未加压气体相比，加压气体具有更高的密度。在输送悬浮燃料粒子的加压系统中，相对于在常温和常压下的气体的沉降速度值，增加的气体密度将会导致降低的沉降速度。气体的粘度相对地独立于压力并且在1atm至100atm的范围内不大幅变化。在常温和常压下在多种可燃性气体中的沉降速度是对于固态燃料粒子在可燃性气体中的输送来说所预期观察到的最大沉降速度。为了进一步说明这一点，针对在图8中的不同压力提供了在最大60微米的平均尺寸的范围内的固态燃料粒子的沉降速度。在所示出的压力范围内，气体的粘度相对不变。当将温度保持恒定在20℃时，随着压力从1atm增加至100atm，气体的密度增大到100倍。如图8所示出的，在常温和常压下出现为了使固态燃料粒子保持悬浮在流动的天然气物流例如天然气管道中而必须克服的最大沉降速度。天然气必须在大气压和20℃下以大于约5.3cm/sec的速率流动以使30微米粒子保持悬浮；而在100atm和20℃下流动速率降低至3.2cm/sec以使30微米粒子保持悬浮。与加压相比的在常温和常压的系统的最大沉降速度的原理对于其他可燃性气体也同样适用。
所描述的实施方案和实施例均应被认为在各方面仅是说明性的，而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求表明，而不是由前述描述表明。进入权利要求的等价的含义和范围内的所有改变都应包括在其范围内。

Claims (20)

1.一种气态可燃性燃料，所述气态可燃性燃料包含：
气态烃燃料；和
固态燃料粒子，所述固态燃料粒子悬浮在所述气态烃燃料中，其中所述固态燃料粒子包括具有小于60μm的粒度的来源于煤的固态含碳物质，
其中所述气态烃燃料在大气压下具有体积能量密度，并且所述气态可燃性燃料在大气压下具有在45,000至300,000BTU/m3的范围内的体积能量密度。
2.根据权利要求1所述的气态可燃性燃料，其中所述气态烃燃料选自天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷以及它们的气态衍生物和混合物。
3.根据权利要求1所述的气态可燃性燃料，其中所述来源于煤的固态含碳物质含有小于1重量％的来源于煤的矿物质。
4.根据权利要求1所述的气态可燃性燃料，其中所述来源于煤的固态含碳物质含有小于0.5重量％的硫。
5.根据权利要求1所述的气态可燃性燃料，所述气态可燃性燃料还包含与所述来源于煤的固态含碳物质相关的分散剂。
6.根据权利要求5所述的气态可燃性燃料，其中所述分散剂包括有机酸。
7.根据权利要求6所述的气态可燃性燃料，其中所述分散剂是柠檬酸。
8.根据权利要求6所述的气态可燃性燃料，其中所述分散剂选自直链、环状、饱和或不饱和的羧酸和多元羧酸。
9.根据权利要求1所述的气态可燃性燃料，其中所述固态燃料粒子具有小于30μm的粒度。
10.根据权利要求1所述的气态可燃性燃料，其中所述固态燃料粒子具有小于10μm的粒度。
11.根据权利要求1所述的气态可燃性燃料，其中所述固态燃料粒子具有小于5μm的粒度。
12.根据权利要求1所述的气态可燃性燃料，其中所述气态烃燃料在大气压下具有体积能量密度，并且所述气态可燃性燃料在大气压下具有比所述气态烃燃料的所述体积能量密度大至少50％的体积能量密度。
13.根据权利要求1所述的气态可燃性燃料，其中所述气态烃燃料在大气压下具有体积能量密度，并且所述气态可燃性燃料在大气压下具有比所述气态烃燃料的所述体积能量密度大至少100％的体积能量密度。
14.根据权利要求1所述的气态可燃性燃料，其中所述气态烃燃料在大气压下具有体积能量密度，并且所述气态可燃性燃料在大气压下具有比所述气态烃燃料的所述体积能量密度大至少500％的体积能量密度。
15.根据权利要求1所述的气态可燃性燃料，其中所述气态烃燃料是天然气。
16.根据权利要求1所述的气态可燃性燃料，其中所述气态烃燃料包含大于90体积％的天然气。
17.根据权利要求1所述的气态可燃性燃料，其中所述气态可燃性燃料具有在2至100大气压的范围内的压力。
18.一种输送气态可燃性燃料的方法，所述方法包括：
将具有小于60μm的粒度的固态燃料粒子悬浮在气态烃燃料中以形成气态可燃性燃料，其中所述固态燃料粒子包括来源于煤的固态含碳物质，其中所述气态烃燃料在大气压下具有体积能量密度，并且所述气态可燃性燃料在大气压下具有在45,000至300,000BTU/m3的范围内的体积能量密度；和
将所述气态可燃性燃料加压至在约2至100大气压的范围内的适用于输送的压力，其中所述固态燃料粒子具有足够小的尺寸以使得其能够在输送期间保持悬浮在所述气态烃燃料中。
19.根据权利要求18所述的输送气态可燃性燃料的方法，其中所述气态烃燃料包含大于90体积％的天然气，并且所述固态燃料粒子包括来源于煤的固态含碳物质并且具有小于30μm的粒度。
20.一种输送气态可燃性燃料的方法，所述方法包括：
将具有小于60μm的粒度的固态燃料粒子悬浮在气态烃燃料中以形成气态可燃性燃料，其中所述固态燃料粒子包括来源于煤的固态含碳物质，其中所述气态烃燃料在大气压下具有体积能量密度，并且所述气态可燃性燃料在大气压下具有在45,000至300,000BTU/m3的范围内的体积能量密度；和
使所述气态可燃性燃料以超过所述固态燃料粒子的沉降速度的速度流动通过气态燃料分配管道。
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