CN1235630A - 处理含碳材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种处理含碳材料的方法,其中所得到的产品能耐不希望的燃烧。按照本发明方法,在改良步骤中或改良步骤后,用含有大量惰性气体和少量氧气的气体混合物处理处理含碳材料,以至少部分氧化含碳材料。
Description
背景技术
本发明涉及一种处理含碳材料的方法，更具体地说，涉及改良含碳材料的方法，所得到的产品能耐不希望的燃烧，这种燃烧往往会发生在，例如，储存或装运期间。本发明方法可以使用各种改良天然含碳材料的设备来进行。
在过去，已使用或提出多种改良含碳燃料的方法以使含碳燃料更适合作为固体燃料。尽管这些方法对提高含碳材料的btu值通常是有效的，降低了材料中非挥发性材料的含量，或提供了一种获得大量改良含碳材料的经济的方法，但是，在改良含碳材料之后的相对短的时间后，所得到的改良含碳材料 易于发生不希望的燃烧。
在多种情况下可能发生不希燃烧。包括，但不限于，与点火源接触，例如静电，可能在储存和装运过程期间发生。更通常的：不希望的燃烧可能是改良含碳材料自燃所导致。
尽管改良含碳材料可以用阻燃剂化学处理以降低发生不希望的燃烧的可能性，但是，当燃料用于其预定目的时，用阻燃剂化学处理可能会妨碍燃料的效果。进一步说，在使用前，用阻燃剂处理过的含碳材料可能需要额外的化学处理以消除任何阻燃作用，因此，不必要地增加了改良含碳材料作为燃料的成本。
发明概述
本发明的效果和优点是由这样一种方法实现的：在改良的过程之中或之后，充分氧化含碳材料以减少不希望燃烧的可能性。理想地，这一方法可以使用改良含碳材料的设备来进行，例如，在US5,290.523(1994年3月1日授权)或待审美国专利No.08/513,199(1995年8月8日申请)中公开的设备，在这里，两者并入作为参考。
用于进行本发明方法的设备具有相对简单的结构，具有耐用的构造，是多用途的，易于调节以加工不同含碳材料。进一步说，所使用的设备应当易于控制，在利用热能方面是高效的，从而提供经济的操作的资源的转化。
与已有处理含材料的方法相比，本发明的主要优点是所提供的产品不仅具有高的能量值，降低了产品含量，而且能耐不希望的燃烧。
附图简述
通过阅读优选方案的说明，结合具体的实施例和附图，本发明的其它效果和优点会更明显，这些附图是：
图1是用于实施本发明方法的第一换热器方案的侧视图；
图2是图1中沿线2-2的剖视图；
图3是说明用于实施本发明方法的第二换热器方案的局部侧剖图；
图4是图3中沿线4-4的剖视图；
图5是说明用本发明方法处理过的样品的自加热温度的曲线；
图6是说明用本发明方法处理过的样品的自加热温度的曲线；
图7是说明用本发明方法处理过的样品的自加热温度的曲线。
优选方案的详细描述
本发明涉及处理含碳材料的方法，含碳材料包括，但不限于，从木炭、泥煤到烟煤的各种碎煤、褐煤、次烟煤，所得到的产品能耐不希望的燃烧。与已知方法获得的改良含碳材料相比，除获得能耐不希望的燃烧含碳材料外，所获得的改良含碳材料的最终产品中通常具有降低的副产物量。
参看图1，其中示出了一种用于本发明方法的换热设备10。换热器通常包括壳12，其内有多根沿壳长度延伸的用于保持含碳材料的管14。每根管14上有一带阀18的入口16以及带阀22的出口20。换热器10还包括用于在壳内循环换热介质的网路(network)，网路包括许多在壳内沿长度方向延伸的通道24。网路包括一个向壳12内引入换热介质的入口30，以及一个在循环后从壳排出换热介质的出口32。理想地，换热介质通过一个炉(未示出)循环，该炉用于在再引入换热器之前再加热换热介质。
利用图1所示的换热器，为了实施本发明方法以处理含碳材料，得到能耐不希望燃烧的产品，在关闭出口20上的阀22后，含碳材料通过入口16装入多根管14中。在填充了所需量的含碳材料后，关闭入口10上的阀18以使含碳材料保持在封闭的系统中。
当上所述，按照本发明，可以处理相对宽范围的含碳材料。不管所处理的是何种含碳材料，含碳材料通常可以包括多到约30.0wt％的水分。本发明能有利地将含碳材料中的水分转化为过热蒸汽，水蒸汽用于从含碳材料中驱赶副产物。
温度为250°F至1200°F，优选约750°F的换热介质，如加热气体、熔融盐、或优选为油，从入口30引入壳内，在壳内循环，优选连续循环。换热介质沿壁36向上流动，再向下通过许多通道24。然后，换热介质从出口32排出，在从入口30再引入之前再加热。
一旦含碳材料被预热，包括大量惰性气体和少量氧气的气体混合物通过入口28注入多根管。气体混合物优选在约150PSIG的压力下一次注入，以至于含有含碳材料的管或室被充满，气体混合物起双重作用，惰性气体作为传热介质与管14的内壁接触，吸收热量并将热量送入含碳材料中。此外，氧气有助于至少部分氧化含碳材料。尽管引入管14中的气体混合物的压力通常为约150PSIG，但引入气体混合物的原始压力可以在约50PSIG-约250PSIG。通过在上述压力范围内引入气体混合物，改良方法的结果是，在完成改良之前，系统压力升高到约3,000PSIG。经预定时间后，例如，高达约三十分钟，从换热器中排出改良的含碳材料。
气体混合物包括大量的惰性气体和少量的氧气。然而，以混合物的总体积计，气体混合物优选包括多到20.0％体积的氧气，优选约5.0％-约15.0％的氧气，其余为已知的惰性气体或惰性气体混合物。优选地，惰性气体组分可以包括至少约60.0％体积的氮气，更优选包括至少占惰性气体总体积80.0％的氮气。
与已知方法形成的改良含碳材料相比，在下面将要详细描述的改良含碳材料通常更能耐不希望的燃烧。进一步说，这些材料包括相对少量的副产物，其热值通常为约12,000btu/lb。
参看图3，是用于本发明的换热器设备110的另一方案，包括外壳112，其内具有一个圆柱形室114，这在图4中可以看得更清楚。室114通常沿壳延伸足够的长度，在处理期间用于保持含碳材料。在室114的内部提供了一隔板140，将室分割成多个纵长区域以使含碳材料在处理之前分流，每个区域有大致相等的体积容量。换热器110还包括一个或多个带阀118的入口116用于将含碳材料引入室的各区域，以及一个或多个带阀112的出口120用于处理后从换热器中排出含碳材料。在壳112的下端附近在阀122上方，有一个阀126，该阀可以在处理含碳材料时关闭室114。优选地，在壳内壁与室外壁之间提供一间隙128，其间设置如图3所示的绝缘材料142以将热量保持在换热器内。进一步说，可以通过间隙提供循环换热介质的元件(未示出)，以使含碳材料的温度在引入气体混合物之前提高到约750°F，换热介质有热气体、熔融盐或油。
换热器设备110还包括设置在室114顶部的蒸汽注入器130，用于任选地向室的各个区域引入蒸汽。在图4中可以清楚地看出，蒸汽注入器通常包括内环132和外环134，每一个上有许多向下延伸的喷嘴136，用于向室的各区域以特定方式引入蒸汽。内环和外环被至少一根最初引入蒸汽导管的138连接。
包括大量惰性气体和少量氧气的气体混合物可以通过注入器130或单独的入口144引入装有含碳材料的室中。
为了利用图4所示换热器完成对含碳材料的处理，含碳材料通过入口116装入室114内，它可以在确保室下端的阀126关闭后直接引入室中。当室各区域都填充了含碳材料，关闭入口116上的阀118，使含碳材料保持在室内的封闭系统中。然后，任选，但优选通过注入器130引入蒸汽，并基本均匀地将蒸汽分布在室的各区域中。通过在室的各区域均匀地分布蒸汽，使得蒸汽在含碳材料上相对均匀地冷凝。
室114内的蒸汽压力可以理想地维持在约2PSIG-约3000PSIG，这主要取决于任何给定量的含碳材料的btu需要。当蒸汽冷凝并通过含碳材料向下移动时，隔板140用于确保在任何一个区域中冷凝的蒸汽量大致等于另一个区域内的量。蒸汽在室内均匀分布的结果使得处理含碳材料具有较高的一致性。
一旦任选引入了蒸汽，在一段时间内连续引入气体混合物，这段时间长达约三十分钟，压力为约2PSIG-约3000PSIG，主要取决于开始引入换热器中的含碳材料的量和湿含量。如图5-7所示，气体混合物优选含有约90.0％的惰性气体和约10.0％的氧气，其中惰性气体优选为氮气。
在含碳材料处理了足够长的时间后，分别打开阀122和126，排放任何气体，如冷凝蒸汽与含碳材料反应生成的硫化氢。进一步说，任何含水污染副产物可以通过阀126回收。因气体和其它副产物排出后，可以通过设置在换热设备下端的一个或多个出口120回收含碳材料。
参看图5-7，所提供的曲线说明了一组具有不同湿含量的含碳材料样品的燃烧实验结果。在这里，“组”是指具有相同湿含量的三种不同组合物的自加热温度测试平均值，总平均值是在分别引入100.0％氮气和90.0％氮气/10.0％氧气(体积)后所得到的。
参看图5，示出了一组低湿含量含碳材料的时间对自加热温度的关系。对每一实验样品，含碳材料的起始温度为75℃，实验设备的设定目标温度为150℃。如图5所示，在三十分钟内用N2处理的样品所获得的温度为138℃(细线)，而用在三十分钟内用90.0％N2-10.0％O2处理的样品所获得的温度仅为88℃(粗线)。进一步说，仅用N2处理的样品在47分钟内达到了目标温度150℃，而用90.0％N2-10.0％O2处理的样品需要一小时又八分钟。
参看图6和7，图示了具有较高湿含量的实验样品组的曲线。通常可以这么说，对于每一个样品组，提高湿含量延长了达到150℃目标温度所需的时间，即使提高了湿含量，在具有相同湿含量的条件下，用90.0％N2-10.0％O2处理的样品需要比用100.0％N2处理的样品长得多的加热时间。
基于自加热实验，可以看出，与仅用惰性气体处理过的改良含碳材料相比，用包括大量惰性气体和少量氧气的气体混合物处理过的含碳材料，即改良含碳材料，更能耐不希望的燃烧。
在研究了说明书、附图和权利要求书后，本领域内的技术人员可以认识到本发明的其它优点。
Claims (18)
1．一种处理含碳材料使其耐不希望的燃烧的方法，包括以下步骤：使气体混合物与预定量的含碳材料接触，所述气体混合物包括大量惰性气体和少量氧气。
2．权利要求1的方法，以总体积计，所述气体混合物包括多至20.0％的氧气。
3．权利要求2的方法，以气体混合物的总体积计，所述气体混合物包括约5.0％-约15.0％的氧气。
4．权利要求1的方法，以惰性气体的体积计，所述惰性气体包括至少约60.0％的氮气。
5．权利要求4的方法，以惰性气体的体积计，所述惰性气体包括至少约90.0％的氮气。
6．权利要求1的方法，所述气体混合物含有约90.0％的氮气和约10.0-％的氮气。
7．权利要求1的方法，所述气体混合物在约50-250PSIG的压力下引入。
8．权利要求1的方法所生产的产品。
9．权利要求8的产品，其中所述产品具有约12,000btu/lb的燃料值。
10．一种改良含碳材料的方法，其中所得到的产品能耐不希望的燃烧，该方法包括以下步骤：
(a)提供一个换热器，包括外壳和内部室，向外壳或内部室引入含碳材料的入口，从所述外壳或所述内部室排出含碳材料的出口，以及至少一个向装有所述含碳材料的所述外壳或内部室引入含有大量惰性气体和少量氧气的气体混合物的入口；
(b)使温度至少为200°F的换热介质循环通过所述未装含碳材料的外壳或内部室，以使所述含碳材料的温度升高；
(c)向换热器中装有含碳材料的部分引入气体混合物；和
(d)通过所述出口回收含碳材料。
11．权利要求10的方法，以总体积计，所述气体混合物包括多至约20.0％的氧气。
12．权利要求11的方法，以气体混合物的总体积计，所述气体混合物包括约5.0％-约15.0％的氧气。
13．权利要求10的方法，以惰性气体的体积计，所述惰性气体包括至少约60.0％的氮气。
14．权利要求13的方法，以惰性气体的体积计，所述惰性气体包括至少约90.0％的氮气
15．权利要求10的方法，所述气体混合物包括约90.0％的氮气和约10.0％的氧气。
16．权利要求10的方法，所述气体混合物在约50-250PSIG的压力下引入。
17．权利要求10的方法所生产的产品。
18．权利要求17的产品，其中所述产品具有约12,000btu/lb的燃料值。
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