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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft den Kohlebergbau sowie den Transport und die Lagerung von Kohle, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Behandlung von Kohle, um die Selbstentzündung zu reduzieren oder zu verhindern, indem die exotherme Adsorptionswärme gesenkt wird, nachdem die Kohle zu trocknen begonnen hat, und wenn die Kohle anschließend flüssigem Wasser ausgesetzt wird.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die Selbstentzündung von Kohle ist ein ernstes Problem für Versorgungsunternehmen, sowohl während des Transports als auch in der Handhabung vor Ort. Neben dem Brennstoffverlust kann der Versuch, entzündete Kohle zu handhaben, zu Bränden bis hin zu Kohlenstaubexplosionen führen, was Versorgungsunternehmen dazu zwingt, für Wochen bis Monate den Betrieb einzustellen, mit Verlusten von Stromerzeugungseinnahmen und Mehrkosten durch den Wiederaufbau zerstörter Infrastruktur.
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Das Problem der Selbstentzündung ist seit vielen Jahrzehnten bekannt. Die
US-Patentschrift Nr. 2,184,621 (Marmaduke, 1938) zitiert die Fähigkeit von Kohle, sich selbst zu entzünden und schlägt als vorbeugende Maßnahme vor, die Kohle mit einer plastifizierten Wachsbehandlung einzukapseln. Vor Kurzem wurde das Problem durch Einkapseln der Kohle in Schichten aus Siliziumdioxid (Kindig et al.,
US-Patentschrift Nr. 3,961,914 ), hochmolekularem Polyethylenglykol (Burns,
US-Patentschrift Nr. 4,331,445 ), Latex (Matthews,
US-Patentschrift Nr. 4,421,520 ), Voroxidierung der Kohle mit einem chemischen Oxidationsmittel (Rogers et al.,
US-Patentschrift Nr. 4,759,772 ), oder, in jüngerer Zeit, Behandlung der Kohle mit einem polymeren kationischen Netzmittel (Roe,
US-Patentschrift Nr. 5,576,056 ) angegangen.
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Zusätzlich zu dem Versuch, die Kohlenoberfläche zu behandeln, wurde sich dem Problem der Selbstentzündung durch den Versuch angenähert, die Oberfläche der Kohle inaktiv zu machen durch Kohlendioxid (Smith,
US-Patentschrift Nr. 4,199,325 ), durch Trocknen und teilweises Oxidieren mit folgender Hydratisierung der Kohle (Seitzer,
US-Patentschrift Nr. 3,723,079 ), durch Trocknen und Brikettierung der Kohle (Kubota et al,
US-Patentschrift Nr. 4,645,513 ), durch Trocknen und anschließendes Versiegeln der Kohle mit einem Kohlenwasserstofföl oder Wachs (Johnson,
US-Patentschrift Nr. 3,985,517 ; Bixel et al.,
US-Patentschrift Nr. 4,783,199 und
4,828,576 ), durch Pulverisieren und Trocknen der Kohle bei gleichzeitigem Entfernen der Asche und anschließendem Binden der Partikel mit Kohlenteer (Knudson et al.,
US-Patentschrift Nr. 5,162,050 ) und durch Pulverisierung, Trocknung und Versiegeln der Kohlepartikel mit Mineralöl (Dunlop et al.,
US-Patentschrift Nr. 6,162,265 ) oder einer Mischung aus Öl und Molassen (Rahm et al.,
US-Patentschrift Nr. 6,086,647 ).
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Die herkömmliche Meinung ist, dass es sich bei der Selbstentzündung von niedrig inkohlter Kohle um einen Oxidationsprozess handelt. In der Tat trifft dies bei höheren Temperaturen zu. Jedoch ist bei oder nahe der Zimmertemperatur die Oxidationsrate von Kohle sehr langsam. Interessant ist, dass die Selbstentzündung von Kohlehaufen meist bei nassem Wetter auftritt, vor allem bei nassem Wetter nach einer Trockenperiode. In den 1990er-Jahren wurde die Rolle von Wasser bei der anfänglichen Erwärmung von Kohle ausführlich erforscht. Eine gründliche Metaanalyse wurde im Jahr 2001 veröffentlicht: „The Influence of Moisture an the Spontaneous Combustion of Coal”, Christopher Blazek, Benetech-Bericht. Der Bericht zeigte einige zusätzliche Wärmequellen, die in einem Kohlehaufen auftreten können. Unter diesen geben die Kondensationswärme und die Adsorptionswärme erhebliche Wärmeenergie an die Kohlepartikel ab. Natürlich würde die Umkehrung dieser Prozesse die gleiche Menge an thermischer Kühlung bedeuten, sofern die Partikel unverändert blieben. Im Fall von subbituminösen Kohlen und Braunkohlen ist dies nicht der Fall. Subbituminöse Kohle kann bis zu 30% Feuchtigkeit im Körper der Kohle enthalten. Als solches ist sie ein integraler struktureller Bestandteil der Kohlepartikel. Die Trocknung der Kohle, sei es durch natürliche oder künstliche Prozesse, zerstört die Struktur der Kohle. Es ist dieses Phänomen, das für die berüchtigte Staubigkeit des Powder River Basin (PRB) und anderer subbituminöser Kohlen verantwortlich ist. Im Zerfallsprozess erfolgt eine irreversible Veränderung der Kohle. Sie fragmentiert. Bei der Fragmentierung vergrößert sich ihre Oberfläche.
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Zur Veranschaulichung kann man einen Würfel frisch abgebauter subbituminöser Kohle betrachten. Seine ursprüngliche Oberfläche besteht aus 6 Einheiten, das heißt, er ist ein Würfel mit einer Einheit Länge, Breite und Tiefe. Beim Trocknen verliert er Wasser und fragmentiert schließlich. Angenommen, dass er sich nun in acht gleichgroße Stücke teilt, erhält man acht Würfel mit einer halben Einheit Länge, Breite und Tiefe, und jeder hat nun eine Fläche von 1,5 Einheiten, was insgesamt eine Fläche von 12 Einheiten ergibt. Sein Wassergehalt ist auf 15% gesunken. Seine Masse beträgt jetzt 0,85 kg. Nehmen wir nun an, dass die 150 Gramm Wasser zur Kohle zurückgeführt werden. Die endotherme Verdampfungswärme und die exotherme Kondensationswärme heben einander auf. Allerdings sind die Desorptionswärme und die Adsorptionswärme proportional zur Fläche der Kohle, die sich verändert hat. Die Adsorptionswärme wird nun in etwa doppelt so groß wie die Desorptionswärme sein. Der Nettoeffekt ist die Erwärmung der Kohlepartikel. Diese Niedertemperaturerhitzung der Kohle über die Adsorptionswärme, auch Benetzungswärme oder Immersionswärme genannt, kann die Kohle von einer Temperatur, bei der die Oxidationsrate zu niedrig für eine selbsterhaltende Reaktion ist, auf eine Temperatur bringen, bei der die Oxidation selbsterhaltend werden kann. Mit anderen Worten kann diese Adsorptionswärme als das Streichholz dienen, das ein Kohlehaufenfeuer entzündet.
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Es ist daher wichtig, die früheren Arbeiten über die Behandlung zur Imprägnierung von Kohle zu verstehen. Insbesondere, zusätzlich zu den Lehren in den Patenten von Johnson, Bixel, Knudson und Dunlop, nach denen getrocknete, pulverisierte Kohle wasserdicht gemacht wurde, wurden Natriumsilikat und Zucker dazu verwendet, um harte, wasserdichte Briketts aus Steinkohle-Pulver herzustellen, wie von Miller erklärt (Miller,
US-Patentschrift Nr. 1,670,865 ), eine Mischung aus Rückstandsheizöl (Dekantieröl) und Asphalt wurde auf Braunkohle und insbesondere Trockenbraunkohle aufgebracht (Anderson,
US-Patentschrift Nr. 4,201,657 ), in einem zweistufigen Verfahren wird Steinkohle mit einer stapelversiegelnden Schicht eines Benetzungsmittels und Asphalt behandelt (Shaw et al.,
US-Patentschrift Nr. 4,264,333 ), getrocknete Kohle wurde mit einer Mischung aus Petroleumharz und einer Vielzahl von Ölen zur Verwendung als Staubbekämpfungsformel behandelt (Wajer et al.,
US-Patentschrift Nr. 5,192,337 ) und schließlich wurde eine pulverisierte Kohle-Aufschlämmung mit Mineralöl-Emulsionen behandelt, um diese zu agglomerieren und Staubentwicklung zu reduzieren (Roe,
US-Patentschrift Nr. 5,256,169 ).
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Um den Stand der Technik zusammenzufassen, haben verschiedene Behandlungsverfahren in Anspruch genommen, eine Selbstentzündung ungetrockneter Kohle zu hemmen durch Aufbringung verschiedener Stoffe wie Öl, Kohlenteer, Latex, hochmolekulare Polyethylenglykole und Asphaltzusammensetzungen unverdünnt bei einer Mindestmenge von 0,5 Gallonen (etwa 4 Pfund) pro Tonne. Die Literatur unterscheidet deutlich zwischen frisch abgebauter Kohle und der reaktiveren getrockneten niedrig inkohlten Kohle. Vergleichsweise wenig Aufmerksamkeit wurde der Verhinderung der Selbstentzündung bei der Handhabung und dem Transport frisch abgebauter Kohle geschenkt. Darüber hinaus sind die Kosten von Kohlebehandlungen für Kohleproduzenten von Bedeutung, und selbst eine halbe Gallone reinen Mineralöls, Heizöls oder Kohlenteers pro Tonne würde eine erhebliche wirtschaftliche Bedeutung für ein Bergwerk haben, das Millionen von Tonnen Kohle pro Jahr produziert.
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Die vorliegende Erfindung wird bereitgestellt, um die zuvor erörterten Probleme sowie weitere Probleme zu lösen und Vorteile zu bieten sowie Aspekte einzubeziehen, die nicht durch frühere Verfahren zur Hemmung der Selbstentzündung niedrig inkohlter Kohlen bereitgestellt wurden. Für eine vollständige Erörterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird auf die folgende detaillierte Beschreibung verwiesen, die unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen folgt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung von Kohle, um die Selbstentzündungsfähigkeit zu reduzieren, indem eine exotherme Adsorptionswärme gesenkt wird, nachdem die Kohle zu trocknen begonnen hat und wenn die Kohle anschließend flüssigem Wasser ausgesetzt wird. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellung einer Quelle für einen Flüssigkeitsdruck eines Kohlenwasserstoffs; und Aufbringen des Kohlenwasserstoffs auf einen Strom von Kohle.
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Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale allein oder in beliebiger sinnvoller Kombination umfassen. Der Kohlenwasserstoff kann als Kohlenwasserstoff-Emulsion vorliegen. Eine Mindestmenge der Kohlenwasserstoff-Emulsion kann als Prozentsatz des Gewichts der Kohle auf die Kohle aufgebracht werden. Die Kohlenwasserstoff-Emulsion kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Mineralöl, Heizöl, Asphalt und Kohlenteer-Emulsionen. Die Kohle kann frisch abgebaut und ungetrocknet sein. Die Kohlenwasserstoff-Emulsion kann eine Selbsterwärmung der Kohle durch exotherme Absorptionswärme verringern.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung von Kohle, um die Selbstentzündungsfähigkeit zu reduzieren, indem eine exotherme Adsorptionswärme gesenkt wird, nachdem die Kohle zu trocknen begonnen hat und wenn die Kohle anschließend flüssigem Wasser ausgesetzt wird. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellung einer Quelle für einen Flüssigkeitsdruck eines Silikons; und Aufbringen des Silikons auf einen Strom von Kohle.
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Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale allein oder in beliebiger sinnvoller Kombination umfassen. Das Silikon kann als Silikon-Emulsion vorliegen. Eine Mindestmenge der Silikon-Emulsion kann als Prozentsatz des Gewichts der Kohle auf die Kohle aufgebracht werden.
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Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung von Kohle, um die Selbstentzündungsfähigkeit zu reduzieren, indem eine exotherme Adsorptionswärme gesenkt wird, nachdem die Kohle zu trocknen begonnen hat und wenn die Kohle anschließend flüssigem Wasser ausgesetzt wird. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellung einer Quelle für einen Flüssigkeitsdruck eines Silans; und Aufbringen des Silans auf einen Strom von Kohle.
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Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale allein oder in beliebiger sinnvoller Kombination umfassen. Eine Mindestmenge des Silans kann als Prozentsatz des Gewichts der Kohle auf die Kohle aufgebracht werden.
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Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung von Kohle, um die Selbstentzündungsfähigkeit zu reduzieren, indem eine exotherme Adsorptionswärme gesenkt wird, nachdem die Kohle zu trocknen begonnen hat und wenn die Kohle anschließend flüssigem Wasser ausgesetzt wird, wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst: Imprägnierung frisch abgebauter Kohle gegen Wasseraufnahme nach dem Ausgesetztsein der frisch abgebauten Kohle gegenüber Niederschlag oder Überflutung bei Transport und Lagerung.
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Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale allein oder in beliebiger sinnvoller Kombination umfassen. Das Verfahren kann weiterhin folgende Schritte beinhalten: Bereitstellung einer Quelle für einen Flüssigkeitsdruck eines Kohlenwasserstoffs; und Aufbringen des Kohlenwasserstoffs auf einen Strom von frisch abgebauter und ungetrockneter Kohle. Der Schritt des Aufbringens kann die Aufbringung einer Mindestmenge des Kohlenwasserstoffs als Prozentsatz des Gewichts der Kohle beinhalten. Der Kohlenwasserstoff kann als Kohlenwasserstoff-Emulsion vorliegen. Die Mindestmenge der Kohlenwasserstoff-Emulsion sollte nicht mehr als 2 lb (0,9 kg) pro Tonne Kohle vor der Verdünnung mit Wasser betragen. Die Kohlenwasserstoff-Emulsion kann vor dem Aufbringungsschritt in flüssigem Wasser verdünnt werden. Eine verdünnte Mischung der Kohlenwasserstoff-Emulsion mit dem flüssigen Wasser kann weniger als 80 Teile flüssiges Wasser enthalten. Die Mischung kann bis zu 100 Teile Wasser enthalten. Die verdünnte Mischung kann zwischen 19 und 79 Teile flüssiges Wasser enthalten. Eine Aufwandmenge der verdünnten Mischung kann 2,5 bis 10 Gallonen verdünnter Mischung pro Tonne frisch abgebauter und ungetrockneter Kohle betragen. Eine Aufwandmenge der verdünnten Mischung kann mindestens 0,5 Gallonen verdünnter Mischung pro Tonne frisch abgebauter und ungetrockneter Kohle betragen. Der Aufbringungsschritt kann unter Verwendung einer Pumpe und eines Spritzverteilers auf beiden Seiten des Stroms frisch abgebauter und ungetrockneter Kohle bewerkstelligt werden. Die Kohlenwasserstoff-Emulsion kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Mineralöl, Heizöl, Asphalt und Kohlenteer-Emulsionen. Das Verfahren kann außerdem folgenden Schritt umfassen: Entwicklung eines Wasserabweisungsvermögens der frisch abgebauten und ungetrockneten Kohle, indem man die Kohle unter Umgebungsbedingungen trocknen lässt. Das Verfahren kann außerdem folgende Schritte umfassen: das Abladen der frisch abgebauten und ungetrockneten Kohle in einen Schüttguthaufen im Anschluss an den Aufbringungsschritt; und Umkehren einer Temperaturänderungstendenz im Schüttguthaufen, wobei die Temperatur des Schüttguthaufens hin zur Umgebungstemperatur tendiert, statt zu einer Temperatur zu tendieren, die höher als die Umgebungstemperatur ist.
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Ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung von Kohle, um die Selbstentzündungsfähigkeit zu reduzieren, indem eine exotherme Adsorptionswärme gesenkt wird, nachdem die Kohle zu trocknen begonnen hat und wenn die Kohle anschließend flüssigem Wasser ausgesetzt wird. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen einer Quelle für einen Flüssigkeitsdruck einer verdünnten Kohlenwasserstoffmischung, bei dem ein in der verdünnten Kohlenwasserstoffmischung enthaltener Kohlenwasserstoff eine Kohlenwasserstoffemulsion ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Mineralöl, Heizöl, Asphalt und Kohlenteer-Emulsionen und der Kohlenwasserstoffemulsion; Aufbringen eines Volumen der verdünnten Kohlenwasserstoffmischung auf einen Strom frisch abgebauter und ungetrockneter Kohle zur Bereitstellung einer Imprägnierung der frisch abgebauten und ungetrockneten Kohle gegen Wasseraufnahme nach dem Ausgesetztsein der frisch abgebauten Kohle gegenüber Niederschlag oder Überflutung bei Transport und Lagerung; Abladen der frisch abgebauten und ungetrockneten Kohle in einem Schüttguthaufen im Anschluss an den Aufbringungsschritt; und Umkehren einer Temperaturänderungstendenz im Schüttguthaufen, wobei die Temperatur des Schüttguthaufens hin zur Umgebungstemperatur tendiert, statt zu einer Temperatur zu tendieren, die höher als die Umgebungstemperatur ist.
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Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale allein oder in beliebiger sinnvoller Kombination umfassen. Der Kohlenwasserstoff kann so weit mit Wasser verdünnt werden, dass die verdünnte Kohlenwasserstoffmischung 19 bis 79 Teile flüssiges Wasser auf das Volumen vor dem Aufbringungsschritt beträgt. Eine Aufwandmenge der verdünnten Kohlenwasserstoffmischung kann 2,5 bis 10 Gallonen verdünnter Kohlenwasserstoffmischung pro Tonne frisch abgebauter und ungetrockneter Kohle betragen. Eine Mindestmenge des Kohlenwasserstoffs kann auf die frisch abgebaute und ungetrocknete Kohle in einer Menge von nicht mehr als 1 lb (0,45 kg) pro Tonne der frisch abgebauten und ungetrockneten Kohle aufgebracht werden.
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Ein sechster Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung des Nettoenergiegehalts eines Brennstoffs, der Regen oder Überflutung ausgesetzt wird. Dieses Verfahren umfasst den Schritt: Imprägnierung eines Brennstoffs gegen Wasseraufnahme nach dem Ausgesetztsein des Brennstoffs gegenüber Niederschlag oder Überflutung bei Transport und Lagerung.
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Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale allein oder in beliebiger sinnvoller Kombination umfassen. Das Verfahren kann ferner folgende Schritte umfassen: Bereitstellen einer Flüssigkeitsquelle eines Imprägniermittels, wobei das Imprägniermittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Kohlenwasserstoff, einer Kohlenwasserstoff-Emulsion, einem Silikon und einem Silan; und Aufbringen des Imprägniermittels auf den Brennstoff. Eine Mindestmenge des Imprägniermittels kann als Prozentsatz des Gewichts des Brennstoffs auf den Brennstoff aufgebracht werden. Die Kohlenwasserstoff-Emulsion kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Mineralöl, Heizöl, Asphalt und Kohlenteer-Emulsionen. Die Kohlenwasserstoff-Emulsion kann eine Selbsterwärmung der Kohle durch exotherme Absorptionswärme verringern. Der Brennstoff kann eine Kohle sein. Die Kohle kann frisch abgebaut sein. Die Kohle kann ungetrocknet sein. Der Brennstoff kann niedrig inkohlte Kohle, subbituminöse Kohle oder Braunkohle sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Um die vorliegende Erfindung zu verstehen, wird sie nun beispielhaft beschrieben mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, von denen:
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1 ein Flussdiagramm eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ein Flussdiagramm eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist;
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3 ein Flussdiagramm eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist; und
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4 ein Flussdiagramm eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Wenngleich diese Erfindung für viele verschiedene Ausführungsformen geeignet ist, werden hier bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in den Zeichnungen dargestellt und im Einzelnen beschrieben. Die vorliegende Offenbarung ist als eine Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung anzusehen und beabsichtigt nicht, den breiten Aspekt der Erfindung auf die dargestellten Ausführungsformen zu beschränken.
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Unsere Erfindung ist auf ein Verfahren zur Behandlung zur Hemmung oder Beseitigung der Wahrscheinlichkeit von Selbstentzündung ausgerichtet. Die Behandlung kann jederzeit stattfinden, bevor die Kohle einer Selbstentzündung unterworfen ist; jedoch wird bei einem bevorzugten Verfahren frisch abgebaute und speziell ungetrocknete Kohle behandelt, um eine Selbstentzündung zu hemmen oder zu verhindern, indem die exotherme Adsorptionswärme gesenkt wird, nachdem die Kohle zu trocknen begonnen hat und wenn die Kohle anschließend flüssigem Wasser ausgesetzt wird. Dies wird durch die Behandlung der Kohle mit einem Imprägniermittel erreicht, damit, wenn diese Wasser ausgesetzt wird, das Wasser abläuft und nicht auf oder in die Kohlepartikel adsorbiert werden kann, und die Kohle somit wasserdicht gemacht wird. In diesem Zusammenhang ist frisch abgebaute Kohle Kohle, die im Wesentlichen nicht ihren Anfangswassergehalt verloren hat.
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Die Zusammensetzung erfordert in der Regel ein imprägnierendes Material, das aus den Folgenden augewählt ist: Polysiloxanen, Silazanen, Mineralöl, Heizöl, Kohlenteer, Asphalt, Vaseline, pflanzlich gewonnenen Ölen, Ölen tierischen Ursprungs, Teerölen, Tallölpech, Erdölpech, Erdölharzen und Emulsionen davon. Andere imprägnierende Zusammensetzungen werden für den Fachmann ersichtlich sein. Die wirksame Aufwandmenge dieser Materialien liegt erheblich unter den Werten, die in früheren Patenten beschrieben werden. Zum Beispiel wurde in einer Ausführungsform eine Mineralölemulsion von 0,425 lbs (0,05 Gallonen) Mineralöl pro Tonne Kohle aufgebracht und eine nahezu vollständige Imprägnierung der Kohle erreicht. In einem anderen Fall wurde eine Kohlenteer-Emulsion mit etwa 0,8 Pfund pro Tonne Kohle aufgebracht und erbrachte Kohle, die Wasser abwies und keine Neigung zur Selbsterwärmung zeigte. Die Erfinder erwägen, dass weniger als 2 Pfund Emulsion pro Tonne Kohle, wie hierin beschrieben, verwendet werden kann, um eine(n) Schüttgutlast oder -haufen Kohle zu behandeln, damit eine geeignete Reduktion der Selbstentzündungsfähigkeit der Kohle unter den hier beschriebenen Bedingungen oder chemischen Prozessen erreicht wird. Und in einem hier beschriebenen Beispiel können weniger als 1 Pfund pro Tonne des Kohlenteers selbst verwendet werden, um die Kohle zu behandeln.
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Die Imprägnierungszusammensetzungen von Interesse sind, soweit möglich, wässrige Emulsionen der oben erwähnten imprägnierenden Materialien. Dies bedeutet nicht, dass die Anwendung des reinen imprägnierenden Produkts nicht funktionieren würde. Es bedeutet einfach, dass Emulsionen mehrere Vorteile gegenüber dem reinen Material aufweisen. Erstens ermöglicht die Verdünnung in Wasser eine effektive Beschichtung der Oberfläche der Kohle bei einer viel niedrigeren Aufwandmenge. Zweitens sind wässrige Emulsionen nicht brennbar. Brennbarkeit ist eine wichtige Überlegung bei jeder Kohlemine, da Kohlebrände eine Gefahr darstellen und die Lagerung brennbarer Materialien vor Ort nicht erstrebenswert ist.
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Es sei darauf hingewiesen, dass zudem die Wasserreduktion in einem Brennstoff, der Regen oder Überflutung ausgesetzt ist, deutliche Vorteile haben kann. Durch jedes Kilogramm Wasser, das in einem Kessel verbrannt wird, entstehen Brennstoffkosten von etwa 2,3 Megajoule an nicht rückgewinnbarer thermischer Energie. Somit wird eine Reduzierung der Feuchtigkeit um 3% auf 19,5 MJ/kg (8400 BTU/lb) Brennstoff zu einem Wärmeenergiegewinn von etwa 138 MJ/MT führen. Unter der Annahme einer Umwandlungseffizienz der Gesamtanlage von thermischer in elektrische Energie von etwa 35% würde dies weiteren 13 kWh/MT Brennstoff entsprechen. Somit kann die Lehre dieser Erfindung auf ein Verfahren zur Verbesserung des Nettoenergiegehalts eines Brennstoffs angewendet werden, der Regen oder Überflutung ausgesetzt ist. Der Brennstoff ist vorzugsweise niedrig inkohlte Kohle, subbituminöser Kohle oder Braunkohle.
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Diese Emulsionen 10 werden mit Wasser verdünnt und als Spray 12 auf einen Kohlestrom 14 aufgebracht, in der Regel an einer Übergabestelle, wo beide Seiten des Kohlestroms für eine gründliche Bedeckung behandelt werden können. Typischerweise wird 1 Teil Emulsion mit 19 Teilen Wasser verdünnt, damit 1 Teil Emulsion und 79 Teile Feuchtigkeit erreicht werden, und eine verdünnte Mischung wird dann mit einer Menge von 20 bis 80 Pfund (2,5 bis 10 Gallonen) pro Tonne Kohle aufgebracht. Die Anwendung wird in der Regel mithilfe einer Pumpe und Sprühverteilern auf beiden Seiten des Kohlestroms durchgeführt. Die Anwendung der hier offenbarten Imprägniermittel kann auch in Form eines Schaums erfolgen.
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Die Kohle wird dann trocknen gelassen, in der Regel auf einem Kohlehaufen, Frachtkahn oder in einem Eisenbahnwaggon, wobei sich das Wasserabweisungsvermögen entwickelt. Im Allgemeinen, je nach Umgebungstemperatur, Sonneneinstrahlung und relativer Luftfeuchtigkeit, kann dies mindestens eine Stunde oder höchstens mehrere Stunden in Anspruch nehmen.
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Die Wirkung der Imprägnierung ist lang anhaltend. In Experimenten zur Bestimmung der Dauer des Behandlungseffektes wurde noch nach 28 Tagen unvermindert Wasser abgewiesen.
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Beispiel 1: Benetzungswärme:
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Um die Wasseradsorptionswärme zu prüfen und festzustellen, ob eine Oberflächenbehandlung diese beeinflussen könnte, wurden frisch hergestellte Kohlepartikel gesiebt, und ein Anteil zwischen 18 und 60 Mesh wurde isoliert. Die Kohle wurde mit verschiedenen Mitteln behandelt und dann bei 40°C über Nacht oder in einigen Fällen mehrere Tage lang getrocknet. Ein Ein-Liter-Isolierkannen-Kalorimeter mit einem magnetischen Rührstab, einem Thermoelement und 100 g entionisiertem Wasser wurden zusammengestellt und ins Gleichgewicht gebracht. Das Thermoelement wurde an einen Datenrekorder angeschlossen, der einen Datenpunkt pro Sekunde erfasste. Zwanzig Gramm der behandelten Kohle wurden dann unter Rühren in das Kalorimeter gegeben, und das Thermoelement wurde dazu verwendet, die Kohle kräftig in das Wasser zu mischen und eine vollständige Benetzung über einen Zeitraum von fünf bis zehn Sekunden sicherzustellen. Die Temperatur des Wassers und der Kohlemischung wurde überwacht, und nach fünf bis zwanzig Minuten war die Temperatur wieder bis zu dem Punkt, an dem die Kohle zugegeben wurde, extrapoliert.
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Die Adsorptionswärme wurde dann berechnet, und Tabelle 1 wurde erstellt. Tabelle 1: Adsorptionswärme für behandelte Kohle
| Behandlung (für Kohle unter 2'' skaliert) | durchschnittliche Adsorptionswärme, J/g | Test 1 | Test 2 | Test 3 |
| Leitungswasser | 44,6 J/g | 52,50878 | 43,99085 | 44,87238 |
| Mineralöl-Emulsion @ 196 g Emulsion/MT | 46,0 J/g | 56,59566 | 40,03123 | 41,28364 |
| Silikon-Emulsion @ 72,2 g Emulsion/MT | 45,4 J/g | 51,10731 | 43,45505 | 41,69884 |
| Latex-Emulsion @ 87,0 g Emulsion/MT | 46,9 J/g | 51,04161 | 44,54425 | 45,12869 |
| Mineralöl-Emulsion @ 392 g Emulsion/MT | 45,5 J/g | 46,74927 | 44,75394 | 44,89994 |
| Silikon-Emulsion @ 144,4 g Emulsion/MT | 43,6 J/g | 45,57953 | 42,3645 | 42,89594 |
| Latex-Emulsion @ 174 g Emulsion/MT | 41,6 J/g | 41,8583 | 42,69309 | 40,19634 |
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Die aufgeführte Behandlungsrate wurde skaliert, um die Partikelgrößendifferenz zwischen 18 und 60 Mesh und frische Kohle unter 5,08 cm einzuberechnen. Mit anderen Worten, wegen der Flächendifferenz wurde die Kohle mit 18–60 Mesh zu einer höheren Menge behandelt, um die gleiche Behandlung pro Fläche zu erzielen wie für die Behandlung von Kohle unter 5,08 cm.
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Wie zu sehen, hatte die Behandlung von Kohle in diesem Experiment keinen Effekt (P < 0,05) auf die Adsorptionswärme, wenn die Benetzung erzwungen wurde.
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Beispiel 2: Perkolationstests:
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Etwa 30 kg der Kohle < 5,08 cm wurden mit der angegebenen Behandlung (siehe Tabelle 2) behandelt, in drei ungefähr gleich große Portionen aufgeteilt und vier Tage lang trocknen gelassen. Alle Behandlungen fügten der Kohle insgesamt etwa 4 Gew.-% wässriger Lösung hinzu. Die Portionen wurden in vier Teile geteilt, und jede Portion in vier Teilen wurde in ein durchsichtiges, separat tariertes PVC-Rohr mit Nennweite 40 und 15,25 cm Durchmesser, das an einem Ende mit einem Baumwolltuch geschlossen wurde, geladen. Die kombinierte Probe und das Rohr wurden erneut gewogen und das Gewicht aufgezeichnet. Die Kohle füllte das Rohr bis zu einer Tiefe von 61 bis 66 cm. Ca. 8,8 kg Wasser wurden in das obere Ende des Rohrs gegossen, und die Zeit, bis es wieder herauslief, wurde aufgezeichnet. Das Rohr wurde dann erneut gewogen, und die Kohle wurde aus dem Rohr gegossen und geprüft. Trotz der großen Wassermenge, die durch die Kohleprobe gegossen wurde, blieb der Großteil der mit Mineralöl-Emulsion behandelten Kohle trocken. Der Versuch wurde fünf Tage später wiederholt, das heißt, nachdem die Kohle behandelt worden war und vier Tage lang stehen gelassen wurde, dann getestet wurde und weitere fünf Tage lang stehen gelassen wurde, wurden die gleichen Proben erneut getestet. Die Tests wurden eine Woche später auf der 16 Tage alten Kohle wiederholt. Die Behandlung und Beobachtungen sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2: Perkolationstests auf Kohle < 5,08 cm
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Wie man sehen kann, haben kleine Mengen Mineralöl-Emulsion einen großen Einfluss auf die Benetzung behandelter Kohle, wodurch die Kohle wirksam, auch nach langen Zeiträumen und sogar nach dem Aussetzen gegenüber erheblicher Mengen Wasser, wasserdicht gemacht wird. Überraschenderweise wurde die mit SBR-Latex behandelte Kohle nicht wasserdicht gemacht.
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Es wurde auch nach 9 und 16 Tagen festgestellt, dass die ältere behandelte Kohle in den Tests dieses Beispiels einen viel geringeren Wassergehalt aufwies. In jedem Fall wurde der Wassergehalt auf einer Ohaus-Feuchtigkeitswaage gemessen, bevor jede Probe in die Säule geladen wurde. Daher war das hier beschriebene Wasser das ursprünglich in der Kohle vorhandene Wasser plus Wasser, das die Kohle in den vorangegangenen Perkolationstests an den Tagen 4 bzw. 9 aufgenommen hatte. Tabelle 3 veranschaulicht diese Beobachtungen: Tabelle 3: Feuchtigkeitsgehalt der Kohle
| Behandlung | Tag 9 Kohle Feuchtigkeitsgehalt (vor Perkolationstest) | Tag 16 Kohle Feuchtigkeitsgehalt (vor Perkolationstest) |
| Wasser | 30,68% | 42,81% |
| Öl-Emulsion @ 351 g/MT | 24,51% | 21,79% |
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Wir führen dies darauf zurück, dass das Mineralöl die Wiederaufnahme flüssigen Wassers hemmt, eine logische Folge der Imprägnierung und der Zugabe von etwa 8,8 kg (89% nach Gewicht) Wasser zur Kohle im Perkolationstest. Ein niedriger Wassergehalt in der Kohle ist erstrebenswert, da dies zu einem höheren Energieinhalt pro Masseeinheit führt.
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Beispiel 3: Großversuch
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Rund 75.000 ST (short tons) frisch abgebaute Kohle aus dem Powder River Basin (PRB) wurden mit einer durchschnittlichen Menge von 0,8 Pfund Kohlenteer pro Tonne (330 Gramm pro metrischer Tonne) unter Verwendung einer Kohlenteer-Emulsion behandelt. Während der Anwendung und danach wurde die Kohle 43–63 cm Regen ausgesetzt, während sie behandelt und dann mit einem offenen Frachtkahn zu einem Ozean-Frachter transportiert wurde. Beim Laden betrug die durchschnittliche Kohletemperatur 33°C. Beim Transport über den Atlantik pumpte der Kapitän des Schiffes 700 ST Wasser aus dem Laderaum, was darauf hinweist, dass die behandelten Kohle Oberflächenwasser abwies. Dies war ein ungewöhnliches Vorkommnis, da Kohle während des Transports normalerweise kein Wasser abweist.
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Beim Entladen betrug die durchschnittliche Kohletemperatur 31°C. Es war klar, dass zusätzlich zur Wasserabweisung keine Eigenerwärmung der Kohle stattfand. Die Kohle wurde am Annahmedock aufgeschichtet, und die Temperatur wurde fünf Tage lang überwacht: Tabelle 4: Temperatur aufgeschichteter, behandelter Kohle
| | behandelte Kohle Temperatur | Vergleich Umgebungstemperatur |
| Tag 1 | 27,9°C | 6,7°C |
| Tag 2 | 22,0°C | 6,4°C |
| Tag 3 | 17,7°C | 13,1°C |
| Tag 4 | 18,0°C | 16,9°C |
| Tag 5 | 18,0°C | 16,7°C |
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Im Gegensatz hierzu entwickelte eine andere, annähernd gleiche Menge an Kohle mit der gleichen Transportgeschichte, die aber nicht mit Kohlenteer-Emulsion behandelt wurde, eine erhebliche Eigenerwärmung nach der Aufschichtung. Tabelle 5: Unbehandelte Kohle nach Aufschichtung
| | unbehandelte Kohle Temperatur | unbehandelt Vergleich Umgebungstemperatur |
| Tag 1 | 20,5°C | 10,3°C |
| Tag 2 | 22,2°C | 12,5°C |
| Tag 3 | 25,6°C | 13,6°C |
| Tag 4 | 29,9°C | 16,9°C |
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Aus den vorstehenden Daten wird deutlich, dass die Zugabe eines Imprägniermittels zu frisch abgebauter, niedrig inkohlter Kohle einen der grundlegenden Mechanismen der Niedertemperatur-Selbsterwärmung dieser Kohle stört. Ein Vergleich der Daten in Tabelle 4 mit den Daten in Tabelle 5 zeigt, dass eine Temperaturänderungstendenz in einem Schüttguthaufen der Kohle mit der Behandlung der vorliegenden Erfindung umgekehrt werden kann. Die Temperatur des Schüttguthaufens behandelter Kohle in Tabelle 4 tendiert hin zur Umgebungstemperatur, statt zu einer Temperatur zu tendieren, die höher als die Umgebungstemperatur ist, wie bei den Daten des unbehandelten Schüttguthaufens von Kohle in Tabelle 5 festgestellt.
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Während die spezifischen Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurden, wären zahlreiche Modifikationen möglich, ohne wesentlich von dem Geist der Erfindung abzuweichen, und der Schutzumfang ist nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche begrenzt.
