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TECHNISCHES GEBIET DER OFFENBARUNG
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Aufwerten von niederrangigem kohlenstoffhaltigem Material. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein verbessertes Verfahren zum Aufwerten von niederrangigem kohlenstoffhaltigem Material, das einen Konditionierungsschritt umfasst. Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung von verkohltem Material (char) durch Wärmebehandlung des aufgewerteten Produkts.
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STAND DER TECHNIK
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Niederrangiges kohlenstoffhaltiges Material, wie Braunkohle, Torf und Lignit, sind Materialien, bei denen Wasser in einer mikroporösen kohlenstoffhaltigen Struktur eingelagert ist. Der Wassergehalt ist typischerweise hoch – beispielsweise 60% oder mehr. Dies bedeutet, dass diese Materialien einen geringen Heizwert haben. Außerdem haben diese Materialien die unerwünschten mechanischen Eigenschaften, dass sie weich und brüchig sind und eine geringe Dichte aufweisen, was bedeutet, dass sie schwierig, schmutzig und unbequem zu handhaben sind.
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Bekannte Verfahren zum Aufwerten von niederrangigen kohlenstoffhaltigen Materialien (die der Einfachheit halber nachfolgend allgemein als ”Braunkohle” bezeichnet werden) haben das ”Brikettieren” und Solartrocknen umfasst.
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Das Brikettieren umfasst typischerweise das Aufheizen der rohen Braunkohle, um überschüssiges Wasser zu entfernen, dann das Pressen der gekühlten Braunkohle zu Briketts mit Hilfe einer Extrusionspresse oder einer Walzenbrikettiermaschine. Das Brikettieren ist jedoch wegen der Erfordernisse an thermischer Energie und des mechanischen Verschleißes an der Extrusionspresse oder der Walzenbrikettiermaschine ein teurer Prozess.
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Der Solartrocknungsprozess umfasst das Mahlen der Braunkohle bei Zugabe von Wasser für lange Zeitdauern (beispielsweise bis zu 16 Stunden), dann die Solartrocknung des gemahlenen Schlamms in seichten Teichen. Dieses Verfahren ist langwierig – insbesondere der solare Trocknungsschritt, der bis zu mehreren Monaten dauern kann – und energieintensiv.
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Ein anderer Vorschlag treibt Wasser aus Braunkohle durch physikalisches Aufbrechen der Kohle aus. Dieses Verfahren ist jedoch unbequem und zeitaufwändig und erfordert immer noch eine lange Lufttrocknung des Endprodukts.
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Ein anderes Verfahren des Standes der Technik ist Gegenstand der
WO 01/54819 im Namen der Anmelderin, deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Bei diesem Verfahren wird Braunkohle einem Scherungsabrieb unterworfen, um eine plastische Masse herzustellen, die dann zu Pellets extrudiert und luftgetrocknet wird.
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Auch wenn mehrere Aufwertungsverfahren zum Aufwerten von Braunkohle entwickelt wurden, ist es bis heute schwierig, die natürlichen Unterschiede der Eigenschaften von Braunkohlelagerstätten bei diesen Verfahren zu berücksichtigen. Braunkohle tritt in mehreren Lagerstätten überall auf der Welt, einschließlich Australien, USA, Deutschland, Polen, Indonesien und Indien auf. Diese Lagerstätten unterscheiden sich wesentlich hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, wie dem Wassergehalt und dem Aschegehalt. Auch innerhalb einer einzelnen Lagerstätte gibt es Abweichungen der Zusammensetzung. Dies ist insbesondere relevant für den Wassergehalt, der signifikant in Abhängigkeit von der Position innerhalb der Lagerstätte variieren kann, ja selbst dann, wenn eine einzelne Probe der Braunkohle genommen wird (beispielsweise ist der Wassergehalt von Braunkohle nach dem Regnen typischerweise höher). Diese Unterschiede der Zusammensetzung haben Auswirkungen auf die Bedingungen des Aufwertungsverfahrens, das für die Braunkohle ausgewählt wurde, welche in der Lagerstätte abgebaut wird. Dies bedeutet, dass es schwierig sein kann, die Verfahrensschritte, die bei einem einzelnen Aufwertungsprozess verwendet werden, zu standardisieren.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Aufwerten von Braunkohle vorzuschlagen, das einen oder mehrere Nachteile des Standes der Technik überwindet oder wenigstens abmildert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Aufwerten von Braunkohle mit einem ersten Wassergehalt vorgeschlagen, umfassend:
Durchführen eines Konditionierungsschrittes an der Braunkohle, der das Heizen der Braunkohle auf eine erste Temperatur umfasst, um eine konditionierte Braunkohle mit einem zweiten Wassergehalt herzustellen, der niedriger ist als der erste Wassergehalt;
Abrieb der konditionierten Braunkohle, um das Freisetzen von Wasser aus der Mikrostruktur der Braunkohle zu ermöglichen; und hierdurch Herstellen einer Mischung von Braunkohle und freigesetztem Wasser;
Ausbilden von Aggregaten aus der Mischung;
Trocknen der Aggregate, um aufgewertete Braunkohle herzustellen, die einen dritten Wassergehalt aufweist, der niedriger ist als der zweite Wassergehalt.
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Der Konditionierungsschritt umfasst das Aufheizen der Braunkohle auf eine erste Temperatur, um eine konditionierte Braunkohle mit reduziertem Wassergehalt herzustellen. Die erste Temperatur kann oberhalb von 40°C liegen. Bei einer Ausführungsform kann die erste Temperatur oberhalb von 45°C liegen, wie bei etwa 50°C. Bei einer anderen Ausführungsform kann die erste Temperatur oberhalb von 50°C liegen, wie bei etwa 60°C. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die erste Temperatur bis zu 70°C betragen.
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Der erste Wassergehalt wird von der Herkunft und den Eigenschaften der Braunkohlelagerstätte abhängen. Er kann bis zu etwa 75 Gew.-% variieren. In dem Fall von Braunkohlelagerstätten in Victoria, Australien beträgt der erste Wassergehalt typischerweise etwa 60 bis 65 Gew.-%.
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Der zweite Wassergehalt kann bis zu etwa 45 bis 55 Gew.-% variieren, abhängig von dem ersten Wassergehalt der Braunkohle und der Dauer des Konditionierungsschrittes.
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Der Konditionierungsschritt kann das Zerkleinern der Braunkohle umfassen, beispielsweise durch Schleifen oder Mahlen, um Kohlebrocken aufzubrechen und zu einer homogeneren Verteilung der Partikelgrößen zu führen. Die Braunkohle kann bis zu einer durchschnittlichen Partikelgröße von weniger als 10 mm, wie weniger als 8 mm, beispielsweise etwa 5 mm oder weniger, zerkleinert werden.
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Der Zerkleinerungsschritt kann vor und/oder nach dem Heizschritt erfolgen. Die Kombination der Zerkleinern und Heizen verbessert zusammen die Effizienz des Konditionierungsschrittes im Vergleich zu der Durchführung von nur dem Heizen oder der Zerkleinerung. Bei einer Ausführungsform geht die Zerkleinerung dem Heizschritt voraus. Die Zerkleinerung setzt einen Teil des Wassers aus der Braunkohlenmikrostruktur mechanisch frei, welches dann durch den nachfolgenden Heizschritt verdampft werden kann.
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Der Zerkleinerungsschritt kann, wenn er vorgesehen wird, auch zum Heizen der Braunkohle beitragen. Der Konditionierungsschritt kann vor dem Abriebschritt überschüssige Feuchtigkeit aus der Braunkohle entfernen. Der Konditionierungsschritt kann Energie in die Braunkohle einbringen und dadurch die anschließenden Aufwertungsschritte erleichtern. Der Konditionierungsschritt ermöglicht es, den anschließenden Abriebschritt bei einem niedrigeren Feuchtigkeitsgehalt (beispielsweise bei 40 Gew.-% Wasser) durchzuführen, als es andernfalls notwendig wäre.
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Der Abriebschritt kann einen Scherungsabrieb der Braunkohle umfassen. Der Scherungsabrieb kann in einem Walzenspalt durchgeführt werden, der zwischen zwei oder mehr konvergierenden Oberflächen definiert ist, von welchen wenigstens eine in einer Richtung zu dem Walzenspalt rollen kann. Der Scherungsabrieb kann in einer Mühle durchgeführt werden, die wenigstens eine Walze aufweist, wie in einer rotierenden Walzenpelletiermühle.
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Der Schritt der Ausbildung einer Mischung kann das Formen einer plastischen Masse aus der abgeriebenen Braunkohle und freigesetztem Wasser umfassen.
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Der Schritt des Ausbildens von Aggregaten kann das Extrudieren der Mischung durch Öffnungen entweder im Wesentlichen unmittelbar nach oder gleichzeitig mit dem Scherungsabrieb umfassen, um Pellets auszubilden.
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Die Scherungsabrieb- und/oder Aggregatausbildungsschritte können gemäß der
WO 01/54819 im Namen der Anmelderin durchgeführt werden, deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
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Der Trocknungsschritt produziert aufgewertete Braunkohle mit einem dritten Wassergehalt, der niedriger ist als der zweite Wassergehalt. Der Trocknungsschritt kann mehr als eine Stufe aufweisen. Der dritte Wassergehalt kann zwischen etwa 10 und 20 Gew.-% variieren. Vorzugsweise kann der dritte Wassergehalt zwischen etwa 12 und 15 Gew.-% variieren.
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Die Braunkohleaggregate können während des Trocknungsprozesses wenigstens teilweise disintegrieren, wenn Feuchtigkeit aus ihnen entfernt wird. Die Disintegration der Aggregate tritt wenigstens teilweise als ein inhärentes Ergebnis des Trocknungsschrittes auf und ist nicht auf einen separaten Abriebschritt oder andere mechanische Behandlung der Aggregate zurückzuführen. Die Disintegration ist wenigstens teilweise auf die Expansion und Freisetzung von Dampf oder anderen heißen Gasen aus dem Inneren der Aggregate und wenigstens teilweise auf unvermeidbare Abrasion der Aggregate während des Trocknungsprozesses zurückzuführen, insbesondere in dem Fall, in dem in einer Trocknungsstufe ein Schneckentrockner verwendet wird. Am Ende des Trocknungsprozesses und/oder weiterer Trocknungsstufen der Braunkohle kann die Braunkohle dementsprechend teilchenförmiges Material enthalten oder aufweisen. Die Braunkohle kann dann zu einer Agglomeriervorrichtung, beispielsweise einer Brikettiermaschine, transportiert werden.
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Der Trocknungsschritt kann in einer Kammer durchgeführt werden, die eine dampfhaltige Atmosphäre aufweist. Die Anmelder haben herausgefunden, dass dann, wenn Braunkohleaggregate dampfgetrocknet werden, die Aggregate während des Trocknungsprozesses langsam disintegrieren, wenn ihnen die Feuchtigkeit entzogen wird. Am Ende des Trocknungsprozesses liegt die Braunkohle dementsprechend typischerweise im Wesentlichen in teilchenförmiger Form vor, beispielsweise in Form eines Pulvers. Das teilchenförmige Produkt kann dann zu einer Agglomeriervorrichtung, beispielsweise einer Brikettiermaschine transportiert werden, um Presskörper der aufgewerteten Braunkohle herzustellen. Das teilchenförmige Produkt kann der Agglomeriervorrichtung direkt nach der Trocknung zugeführt werden, um die Stauberzeugung zu minimieren. Das teilchenförmige Produkt kann der Agglomeriervorrichtung direkt von der Trocknungskammer zugeführt werden.
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Die Anmelder haben auch herausgefunden, dass die Verwendung von Dampf als ein Trocknungsmedium im Gegensatz zu Luft eine aufgewertete Braunkohle wirksamer trocknen kann, wobei sie die Stauberzeugung und das Risiko einer spontanen Verbrennung während des Trocknungsprozesses signifikant reduziert.
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Ohne dass eine Beschränkung auf einen bestimmten Trocknungsmechanismus gewünscht ist, wird davon ausgegangen, dass durch die Verwendung von Dampf anstelle von Luft als dem Trocknungsmedium die Braunkohle aufgrund der höheren Wärmeaufnahmekapazität der dampfhaltigen Atmosphäre auf eine signifikant höhere Temperatur geheizt werden kann. Dies ermöglicht es wiederum, die Feuchtigkeit schneller auszutreiben, und der größere Feuchtigkeitsgehalt der Dampfatmosphäre verringert die Stauberzeugung und das Risiko einer spontanen Verbrennung.
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Der Trocknungsschritt kann das Trocknungsverfahren umfassen, das Gegenstand der ebenfalls anhängigen vorläufigen Patentanmeldung Nummer
AU2011902384 der Anmelderin mit dem Titel ”Ein Verfahren zum Trocknen von Material und Trockner zur Verwendung in dem Verfahren” ist, deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Das Trocknungsverfahren, das in der ebenfalls anhängigen Patentanmeldung der Anmelderin beschrieben ist, umfasst folgende Schritte:
Vorsehen eines Feuchtigkeit enthaltenden Materials (wie niederrangigem kohlenstoffhaltigem Material) in einer geheizten Kammer mit einer dampfhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur oberhalb des Taupunktes des Dampfes,
Rezirkulieren eines heißen Gases einschließlich eines Teils des Dampfes durch die Kammer, um Feuchtigkeit aus dem Material bis zu einem festgelegten Trocknungsniveau zu verdampfen.
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Der Aufwertungsprozess kann außerdem den Schritt der Kompaktierung des teilchenförmigen Produktes umfassen, beispielsweise durch Herstellen von Briketts. Insbesondere wurde von der Anmelderin herausgefunden, dass dann, wenn das teilchenförmige Produkt etwa 10 bis 20% Feuchtigkeit, beispielsweise etwa 12 bis 15% Feuchtigkeit enthält, das Produkt brikettiert werden kann, ohne dass ein Bindemittel erforderlich wäre.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine aufgewertete Braunkohle vorgeschlagen, die nach dem Verfahren des ersten Aspekts hergestellt ist. Die Braunkohle kann in teilchenförmiger oder kompaktierter Form vorliegen.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Verfahren für die Herstellung von verkohltem Material (char) vorgeschlagen, das als Feedmaterial kompaktierte aufgewertete Braunkohle verwendet, die gemäß dem Verfahren nach dem ersten Aspekt hergestellt wurde.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Unabhängig von anderen Formen, die in den Schutzumfang der Vorrichtung und des Verfahrens fallen, die in der Zusammenfassung erläutert wurden, wird nun eine besondere Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben, in welchen:
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1 ein schematisches Diagramm ist, welches die Schritte einer Ausführungsform des Verfahrens darstellt.
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DETALLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Mit Bezug auf 1 wird roher Braunkohlenminenausstoß mit einem Feuchtigkeitsgehalt von etwa 60% in den Zufuhrbehälter 1 eingebracht und zu einer Hammermühle 2 gefördert. Die Hammermühle 2 zerkleinert die Braunkohle, um große Brocken aufzubrechen, und führt zu einer homogeneren Verteilung der Partikelgrößen mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von etwa 5 mm. Die in der Hammermühle gemahlene Braunkohle wird entlang des Förderers 3 zu dem Lagerbehälter 4 für gemahlene Kohle gefördert.
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Die gemahlene rohe Braunkohle, die immer noch einen Feuchtigkeitsgehalt von 60% aufweist, wird dann zu dem Vortrockner 5 gefördert. Die in der Hammermühle gemahlene rohe Kohle wird in dem Vortrockner 5 auf eine Temperatur von etwa 50°C aufgeheizt. Die gemahlene rohe Kohle hat eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 5 mm. Nach der Behandlung in dem Vortrockner 5 hat die Braunkohle einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 50%.
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Die Hammermühlen- und Vortrocknerstufen umfassen zusammen einen Konditionierungsschritt, durch den die Partikelgröße, Feuchtigkeitsgehalt und Temperatur der Braunkohle optimiert werden, was die nachfolgende Verarbeitung erleichtert. Die konditionierte Braunkohle wird dann von dem Vortrockner 5 zu einem Feedförderer 6 transportiert und dann einem Abriebschritt 7 zugeführt. Der Abriebschritt umfasst den Scherungsabrieb der Braunkohle in einer rotierenden Walzenpelletiermühle. Während des Scherungsabriebschrittes wird Wasser aus der Mikrostruktur der Braunkohle freigesetzt, und die Mischung aus Braunkohle und freigesetztem Wasser bildet eine plastische Masse. Die plastische Masse wird durch Öffnungen in der Wand der Pelletiermühle extrudiert und zu Aggregaten geformt, die Pellets aufweisen.
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Die Braunkohlepellets werden entlang des Förderers 8 zu einem Vibrationssiebförderer 9 transportiert. Der Vibrationssiebförderer 9 fördert die Braunkohlepellets zu einer ersten Trocknungsstufe 10, die eine Trocknungskammer im Wesentlichen gemäß der Offenbarung in der ebenfalls anhängigen vorläufigen Patentanmeldung mit dem Titel ”Ein Verfahren zum Trocknen von Material und Trockner zur Verwendung in dem Verfahren” der Anmelderin aufweist. Während des Trocknungsschrittes in der Kammer 10 werden die Braunkohlepellets einer dampfhaltigen Atmosphäre ausgesetzt und beginnen zu disintegrieren, um teilchenförmige Kohle zu bilden, wenn sie durch die Trocknungskammer 10 hindurchtreten. Die teilweise getrockneten Pellets haben einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 25%, wenn sie die Trocknungskammer 10 verlassen.
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Die Pellets und teilchenförmige Kohle, welche die Trocknungskammer 10 verlassen, treten in eine zweite Trocknungskammer 11 ein, die einen Holo Flite® Schneckentrockner mit einem Schneckenfördermechanismus aufweist, bei dem die Welle und Flügel jeder Schnecke beispielsweise durch darin enthaltenes heißes Öl geheizt werden. Am Ende der zweiten Trocknungskammer 11 sind die Braunkohlepellets im Wesentlichen vollständig zu einem teilchenförmigen Produkt disintegriert.
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Ein Teil des Dampfes in den Trocknungskammern 10 und 11 wird zu einem Kondensator 20 abgeführt, in welchem der Dampf kondensiert und für mögliche weitere Verwendungen aufgefangen wird.
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Das aus der Trocknungskammer 11 austretende teilchenförmige Produkt wird entlang des Förderers 12 zu einem Eimerförderer 13 transportiert, der die teilchenförmige Kohle in einen Speichersilo 14 fördert. Die teilchenförmige Kohle wird von dem Speichersilo 14 entlang des Förderbandes 15 zu einem Brikettierer 16 gefördert, welcher die teilchenförmige, getrocknete Braunkohle zu Briketts kompaktiert. Die teilchenförmige getrocknete Braunkohle hat etwa 12 bis 15% Feuchtigkeit, wobei bei diesem Niveau kein Bindemittel erforderlich ist, um die Kohlebriketts zu formen. Die Briketts werden über den Vibrationssiebförderer 17 entlang des Förderbandes 18 gefördert und in einem Bunker 19 gelagert.
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Es wurde festgestellt, dass die durch das Verfahren der Erfindung geformten Briketts gute mechanische Festigkeit aufweisen und beispielsweise per Schiff ohne signifikantes Brechen oder das Risiko spontaner Verbrennung transportiert werden können.
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BEISPIEL
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Braunkohle aus Loy Yang mit 62 Gew.-% Wasser nach dem Abbau wurde eine Hammermühle zugeführt, um die Partikelgrößenverteilung zu verringern, was zu einer durchschnittlichen Partikelgröße von etwa 5 mm führte. Das Mahlen führte zu der mechanischen Freisetzung von einigem Wasser aus der Mikrostruktur der Kohle. Die in der Hammermühle gemahlene Braunkohle wurde dann in einem Rotationstrockner einer Vortrocknungsstufe ausgesetzt. In dem Vortrockner wurde die Braunkohle auf eine Temperatur von 45 bis 50°C aufgeheizt. Nach der Vortrocknungsstufe hatte die Braunkohle einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 50 Gew.-%.
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Die konditionierte Braunkohle wurde dann einem Abriebschritt zugeführt. Die Braunkohle wurde einem Scherungsabrieb und einer Extrusion in einer rotierenden Walzenpelletiermühle ausgesetzt. Der Scherungsabrieb führte zu einem Aufbrechen der Bindungen in der Mikrostruktur der Kohle und dementsprechend der Freisetzung von Feuchtigkeit. Die extrudierte Braunkohle wurde zu Aggregaten mit etwa 48 Gew.-% Wasser geformt.
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Die Aggregate wurden einem dreistufigen Trocknungsprozess unterworfen. Jede Stufe wurde bei Umgebungsdruck und einer Temperatur im Bereich von etwa 120 bis 250°C durchgeführt. In Stufe 1 betrug die relative Feuchtigkeit (RH) in der Kammer etwa 48%. Die die Stufe 1 verlassenden Aggregate hatten einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 35 Gew.-%. In Stufe 2 hatte die Trocknungskammer eine RH von 40%, und die Aggregate wurden auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 22 Gew.-% getrocknet. In Stufe 3 hatte die Trocknungskammer eine RH von 36%, und die Aggregate wurden auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 15 Gew.-% getrocknet. Am Ende der Stufe 3 waren die Aggregate teilweise zu teilchenförmigen Material disintegriert.
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Die erhaltene Mischung aus teilweise disintegrierten Aggregaten und teilchenförmigem Material wurde einem Brikettierverfahren zugeführt. Der inhärente Feuchtigkeitsgehalt in der Mischung ermöglichte das Brikettieren ohne das Bedürfnis für ein Bindemittel. Die Briketts zeigten eine gute mechanische Festigkeit.
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In den folgenden Ansprüchen und der vorangehenden Beschreibung der Erfindung wird der Begriff ”umfassen” oder Abwandlungen, wie ”umfasst” oder ”umfassend” in einem exklusiven Sinne verwendet, d. h. um die Gegenwart der genannten Merkmale zu spezifizieren und nicht, um die Gegenwart oder Addition weiterer Merkmale in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung auszuschließen, außer wenn der Kontext durch die Verwendung ausdrücklicher Sprache oder notwendiger Implikationen etwas anderes erfordert.
