CN110446775B - 固态燃料粒子的可输送的可燃气态悬浮体 - Google Patents

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Abstract

可输送的可燃气态悬浮体包含悬浮在气态载体中的固态燃料粒子。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。气态载体可以包括反应性气体和惰性气体。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聚合物粒子。可以将可燃气态悬浮体调整为在大气压下具有与常规气态烃燃料相当的能量密度。可以将气态可燃燃料加压至在2至100个大气压的范围内的压力。

Description

固态燃料粒子的可输送的可燃气态悬浮体
发明背景
本公开内容涉及固态燃料粒子(固体燃料颗粒，solid fuel particle)的可输送(可转移或可运送，transportable)的可燃气态悬浮体(气态悬浮液，gaseoussuspension)。所述气态悬浮体包含悬浮在载体气体中的固态燃料粒子。所述气体可以是反应性的，如空气、氧气或其混合物，或者所述气体可以是惰性的，如氮气。固态燃料粒子的气态悬浮体可以配置成具有类似于常规气态烃燃料的能量特性。
背景
可燃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列出了四种常见可燃气体在常温和常压(NTP)下的典型体积能量密度。常温和常压应理解为在20℃和1个大气压。
表1：所选可燃气体的体积能量密度
Figure GDA0002428098400000011
提供常规可燃气体的负担得起的替代品将会是本领域中的一个进步。提供其中体积能量密度可以根据需要改变以满足可燃气体的能量要求的可燃气体将会是本领域中的另一个进步。提供与常规可燃气体相当的可输送的可燃气体将会是本领域中的另一个进步。
发明概述
本公开内容涉及固态燃料粒子的可输送的可燃气态悬浮体。所述可燃气态悬浮体按体积计主要包含固态燃料粒子悬浮在其中的气态载体，以提供具有与常规气态烃燃料相当的能量密度的可燃气体。气态烃燃料的非限制性实例包括天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及其气态衍生物。气态载体可以是反应性的或惰性的。反应性气体的非限制性实例包括空气、氧气及其混合物。惰性气体的非限制性实例包括氮气。
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内悬浮有固态燃料粒子的气态载体的密度二者影响。固态燃料粒子典型地将具有小于60μm并且优选小于40μm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20μm的平均粒度。在一些非限制性实施方案中，固态燃料粒子具有小于10μm的平均粒度。在其他非限制性实施方案中，固态燃料粒子具有小于5μm的平均粒度。固态燃料粒子可以具有小于2.5μm的平均粒度。
固态燃料粒子包括高能或可燃燃料材料的细分粒子。固态燃料粒子可以来源于高能或可燃燃料材料的单一来源，或者可以使用不同高能或可燃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(煤衍生或煤成，coal-derived)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，则将其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。
在本文所公开的悬浮在气态载体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。可以使用的另一分散剂种类包括非离子分散剂，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。在又一个实施方案中，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。更进一步的，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供一种固态燃料粒子的可燃气态悬浮体，其具有与常规气态烃燃料的体积能量密度相当的体积能量密度。
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。将理解的是，固态燃料粒度、能量密度和密度值可以改变。例如，烟煤以干基计可以具有在12,500至15,000Btu/lb范围内的能量密度，而低阶煤和生物固体以干基计可以具有在10,000至13,000Btu/lb范围内的能量密度。与固态燃料相关的水降低能量密度。与未氧化的燃料粒子相比，部分氧化的固态燃料粒子具有较低的能量密度。
在一个非限制性实施方案中，气态载体是空气，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，并且固态燃料粒子的可燃气态悬浮体在大气压下具有在25,000至120,000Btu/m3范围内的体积能量密度。
在一个非限制性实施方案中，可燃气态悬浮体具有在2至100个大气压的范围内的压力。加压使得可燃气态悬浮体能够经由加压气体分配管道输送。例如，在中国，天然气以约60个大气压的压力分配。在美国，天然气以约100个大气压的压力分配。
输送可燃气态悬浮体的方法可以包括将固态燃料粒子悬浮在气态载体中以形成可燃气态悬浮体。可以将可燃气态悬浮体加压至适合输送的压力。这样的压力通常在约60至100个大气压(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。
在输送可燃气态悬浮体的方法的一个非限制性实施方案中，可燃气态悬浮体包含大于90体积％的载体气体，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。
若干附图的简述
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。
发明描述
本公开内容涉及固态燃料粒子的可燃气态悬浮体。固态燃料粒子的气态悬浮体可以配置成具有类似于常规气态烃燃料的能量特性。
可以将细固态燃料粒子如细煤粒子悬浮在空气中并且输送。这种在空气中的细固态燃料粒子的共混物当在管道中输送时表现得如同可燃气体，并且在使用结束时燃烧以产生热量并且做功。这样的用于输送的共混物是新的物质组合物。以下表2列出了悬浮在空气中的细固态燃料粒子的示例共混物在常温和常压下的重量百分比、体积百分比和体积能量密度。使用细煤作为下表的结果中的细固态燃料粒子。细煤粒子具有1200kg/m3的密度和14,500Btu/lb的热含量(焓，heat content)。天然气是最常用的可燃气体。刚才描述的50重量％细固态燃料粒子的共混物具有39,120Btu/m3的体积能量密度，其类似于天然气。在50重量％的固态燃料粒子的体积百分比为0.1％。随着质量和体积百分比增大，通过将细固态燃料粒子悬浮在空气中形成的可燃气体的体积能量含量持续增大。95重量％固态燃料粒子的共混物仅具有1.9％的体积百分比，并且体积能量密度为729,877Btu/m3，其是在常温和常压下天然气的体积能量含量的大约20倍。
表2
Figure GDA0002428098400000051
固态燃料粒子的可燃气态悬浮体是多相燃料组合物，其包含悬浮的固态燃料粒子和气态载体的共混物。气态载体可以是反应性的或惰性的。反应性气体的非限制性实例包括空气、氧气及其混合物。惰性气体的一个非限制性实例是氮气。
固态燃料粒子包括高能或可燃燃料材料的细分粒子。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上不含固有矿物质时，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。在又一个实施方案中，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气态载体中。斯托克斯定律(Stokes law)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 GDA0002428098400000061
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3示出了当Ws＝1200kg/m3，Wa＝1.2kg/m3，g＝9.8m/s2，并且η＝1.81×10-5kg/(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3
Figure GDA0002428098400000071
以超过悬浮体中的粒子的沉降速度的速度移动的气态可燃悬浮体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。可以将与较小和较密实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载体中。因此，不同类型和尺寸的固态燃料粒子可以悬浮并且保持悬浮在可燃气态燃料中。
如上所述，固态燃料粒子应当具有小于60μm并且更优选小于40μm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的直径。在另一个实施方案中，固态燃料粒子具有小于20μm的直径。在又一个实施方案中，固态燃料粒子具有小于10μm的直径。在一个实施方案中，固态燃料粒子具有小于5μm的直径。在一些实施方案中，固态燃料粒子具有小于20μm的平均粒度。在一些非限制性实施方案中，固态燃料粒子具有小于10μm的平均粒度。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。在又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。在一个非限制性实施方案中，99％的固态燃料粒子小于40μm。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。在其他非限制性实施方案中，可以成功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可燃气态悬浮体的预期用途而改变。例如，如果可燃气态悬浮体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，如果将可燃气态悬浮体储存一段时间，则实际的悬浮时间段可以以数天、数周或数月衡量。将会理解的是，与较大尺寸化的固态燃料粒子相比，较细尺寸化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达数天或数周。
在一个公开的实施方案中，气态载体包括空气，并且悬浮的固态燃料粒子包括细煤粒子，该细煤粒子包括来源于煤的含碳物质。在大气压下，与空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。可以使用的另一分散剂种类是非离子分散剂，如聚环氧乙烷分散剂。
提供以下非限制性实施例以举例说明与所公开的固态燃料粒子的可燃气态悬浮体相关的若干实施方案。要理解的是，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平静空气中沉降。首先，通过使煤粒子通过小旋风分离器而获得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中描绘了在这个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，并且为105mm高。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。将从底部端口掉出来的大粒子收集在盖或砂锅中。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曲线图。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。
然后如在图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”的不锈钢立方体盒，其在两个侧面具有1.5”直径窗口，使得可以通过该盒进行观看并且看到悬浮的粒子。在1.9升/分钟测量真空泵的体积空气流量。从旋风分离器到钢盒以及从钢盒到真空泵布置的管道具有6.9mm的内径。基于真空泵的体积空气流动速率，在管中的空气速度经计算为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，并且经计算为0.0096m/s。
根据表3，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。在管中的空气速度大于在这个范围内的粒子的沉降速度，并且因此它们应当能够在管道中输送。然而，在盒内部的空气速度低于这些粒子的沉降速度。因此，在这个实验装置的体积空气流动速率的情况下，预期大于30微米的粒子在盒内部不保持悬浮。
根据表3，10μm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。光透过盒的后窗口。可以观察到粒子在其从进入盒的管的体积膨胀至盒的体积时在空气流中行进。只要泵保持打开并且将粒子递送至旋风分离器，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。然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。
然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粒子均在管道中输送，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，在盒中目测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测方法可能不够准确。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经计算为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。旋风分离器为61cm高。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曲线图。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管道中输送超过50英尺远而没有向管道侧壁的明显沉降。一旦管道由于静电荷而涂覆有细粒子的薄膜，则损失是可忽略的。
所描述的实施方案和实施例在每个方面都将被当作仅是举例说明性的，而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是前述描述决定。落入权利要求的等同的含义和范围内的所有变化都被涵盖在它们的范围内。

Claims (15)

1.一种可输送的可燃气态悬浮体，所述可输送的可燃气态悬浮体包含：
不可燃的气态载体；和
悬浮在所述气态载体中的固态燃料粒子，其中所述固态燃料粒子由具有小于10μm的粒度的来源于煤的固态含碳物质的粒子组成，
其中所述可燃气态悬浮体以超过悬浮的所述固态燃料粒子的沉降速度的速度移动通过天然气分配管道，以及
对所述固态燃料粒子的量进行选择以提供体积能量密度在25,000至120,000Btu/m3范围内的所述可输送的可燃气态悬浮体。
2.根据权利要求1所述的可输送的可燃气态悬浮体，其中所述气态载体选自空气、氧气及其混合物。
3.根据权利要求1所述的可输送的可燃气态悬浮体，所述可输送的可燃气态悬浮体还包含与所述来源于煤的固态含碳物质相关的分散剂。
4.根据权利要求3所述的可输送的可燃气态悬浮体，其中所述分散剂包括有机酸。
5.根据权利要求4所述的可输送的可燃气态悬浮体，其中所述分散剂是柠檬酸。
6.根据权利要求4所述的可输送的可燃气态悬浮体，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。
7.根据权利要求1所述的可输送的可燃气态悬浮体，其中所述固态燃料粒子具有小于5μm的粒度。
8.根据权利要求1所述的可输送的可燃气态悬浮体，其中所述固态燃料粒子具有小于2.5μm的粒度。
9.根据权利要求1所述的可输送的可燃气态悬浮体，其中所述可燃气态悬浮体具有在2至100个大气压的范围内的压力。
10.一种输送根据权利要求1至9中任一项所述的可燃气态悬浮体的方法，所述方法包括：
将所述可燃气态悬浮体加压至在约2至100个大气压的范围内的适合输送的压力；以及
使所述可燃气态悬浮体以超过所述固态燃料粒子的沉降速度的速度移动通过天然气分配管道，其中所述固态燃料粒子在输送期间保持悬浮在所述气态载体中。
11.根据权利要求10所述的输送可燃气态悬浮体的方法，其中所述来源于煤的固态含碳物质的粒子具有小于5μm的粒度。
12.根据权利要求10所述的输送可燃气态悬浮体的方法，其中所述来源于煤的固态含碳物质的粒子具有小于2.5μm的粒度。
13.一种输送根据权利要求1至9中任一项所述的可燃气态悬浮体的方法，所述方法包括：
使所述可燃气态悬浮体以超过所述固态燃料粒子的沉降速度的速度流动通过天然气分配管道。
14.根据权利要求13所述的输送可燃气态悬浮体的方法，其中所述速度超过3.25×10- 2m/s。
15.根据权利要求13所述的输送可燃气态悬浮体的方法，其中所述来源于煤的固态含碳物质的粒子具有小于2.5μm的粒度。
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