SK53499A3 - Process for treating carbonaceous material - Google Patents

Description

Spôsob spracovania uhlikatého materiálu

Oblasť techniky

Vynález sa týka spôsobu spracovania uhlikatého materiálu.

DoterajSí stav techniky

Vynález sa týka spôsobu spracovania uhlikatého materiálu, a zvlášť takej úpravy materiálov, pri ktorej spracovaný produkt je odolný voči nežiaducemu horeniu, ku ktorému majú tieto materiály sklon napríklad počas skladovania alebo prepravy. Spôsob podľa vynálezu je možné vykonať v rôznych zariadeniach na úpravu v prírode sa vyskytujúcich uhlíkatých materiálov.

Doposiaľ bolo použitých alebo navrhnutých mnoho vynálezov týkajúcich sa úpravy uhlíkatých palív s cieľom upraviť tieto palivá na vhodnejšie pevné pa/* livá. Napriek tomu, že tieto systémy sú všeobecne účinné pri zvyšovaní btu hodnôt uhlíkatých materiálov, pri znižovaní neprchavého podielu v materiále alebo ponúkajú ekonomické spôsoby získania veľkých množstiev veľmi kvalitných uhlíkatých materiálov, konečným spôsobom spracované uhlíkaté materiály sú často náchylné na nežiaduce horenie už v pomerne krátkych obdobiach po ich úprave.

Nežiaduce horenie môže vznikať za viacerých rôznych okolností ktoré zahrnujú, ale nie sú obmedzené len na ne, kontakt so zdrojom vznietenia, t.j. so statickou elektrinou, ku ktorému môže dôjsť počas prepravy alebo skladovania. Pravdepodobne častejšie k nežiaducemu horeniu dochádza následkom samovznietenia upraveného uhlikatého materiálu.

Aj keď upravené uhlíkaté materiály je možné chemicky ošetriť s rôznymi samozhášacími prísadami na zníženie pravdepodobnosti výskytu nežiaduceho horenia, môže chemické ošetrenie so samozhášacími prísadami inhibovať účinnosť paliva pri použití na zamýšľaný účel. Ďalej, upravené uhlíkaté materiály ošetrené samozhášacou prísadou je nutné vo väčšine prípadov pred ich použitím ďalej chemicky ošetriť na negáciu účinkov použitej samozhášacej prísady, čo nutne zvyšuje cenu použitia upraveného uhlíkatého materiálu ako palivového zdroja.

Podstata vynálezu

Prospech a výhody predloženého vynálezu sa docielia spôsobom, v ktorom uhlíkatý materiál sa dostatočne oxiduje a to buď počas jeho úpravy alebo po tejto úprave, tak aby sa znížila pravdepodobnosť výskytu nežiaduceho horenia. Najlepšie sa uvedený spôsob vykoná v zariadení na úpravu uhlíkatého materiálu ako sú zariadenia uvedené v US patente č. 5,290,533, vydanom 1.marca 1994 a v súvisiacej US patentovej prihláške č. 08/513,523 podanej 8.augusta 1995, ktoré sú obe včlenené do tohto spisu odkazom.

Zariadenie použité v spôsobe podľa vynálezu by malo byť pomerne jednoducho navrhnuté, s odolnou konštrukciou, všestranné na použitie a ľahko adaptovateľjné na spracovanie rôznych uhlíkatých materiálov. Ďalej by toto zariadenie malo byť jednoduché z hľadiska ovládania a účinnosti pri využití tepelnej energie tak, aby poskytovalo ekonomické uskutočnenie so zachovaním zdrojov.

Hlavnou výhodou spôsobu podľa vynálezu prekonávajúcou známe systémy na ošetrenie uhlíkatých materiálov je, že získaný produkt nemá len vysokú energetickú hodnotu, aleje tiež rezistentný voči nežiaducemu horeniu.

Prehľad obrázkov na pripojených výkresoch

Ďalší prospech a výhody spôsobu podľa vynálezu budú zrejmé z nasledujúceho popisu výhodných uskutočnení v spojení so špecifickými príkladmi a pripojenými výkresmi v ktorých’ obrázok 1 znázorňuje bočný pohľad na prvé uskutočnenie tepelného výmenníka vhodného na uskutočnenie spôsobu podľa vynálezu;

obrázok 2 znázorňuje pohľad v reze 2-2 podľa obrázka 1;

obrázok 3 znázorňuje bočný pohľad s čiastočným prienikom znázorňujúcim druhé uskutočnenie tepelného výmenníka vhodného na uskutočnenie spôsobu podľa vynálezu;

obrázok 4 znázorňuje pohľad v reze 4-4 podľa obrázka 3;

na obrázku 5 je uvedený graf znázorňujúci teplotu vlastného ohrevu vzorky spracovanej spôsobom podľa vynálezu; a na obrázku 6 je uvedený graf znázorňujúci teplotu vlastného ohrevu vzorky spracovanej spôsobom podľa vynálezu; a na obrázku 7 je uvedený graf znázorňujúci teplotu vlastného ohrevu vzorky spracovanej spôsobom podľa vynálezu.

Príklady uskutočnenia vynálezu ✓*

Spôsob podľa vynálezu sa vzťahuje na spracovanie uhlíkatých materiálov zahrnujúcich, ale neobmedzených len na ne, uhlie z bazálneho sloja, lignit a hnedé uhlie v širokom rozsahu zahrnujúcom drevené uhlie, rašelinové uhlie a žírne uhlie, pri ktorom získané produkty sú odolné voči nežiaducemu horeniu. Okrem získania uhlíkatých materiálov odolných voči nežiaducemu horeniu, majú obvykle týmto spôsobom upravené uhlíkaté materiály, vo forme svojich konečných produktov, znížený obsah vedľajších produktov v porovnaní s ich obsahom v uhlíkatých materiáloch upravených inými známymi spôsobmi.

Na obrázku 1 je znázornený tepelný výmenník 10 vhodný na uskutočnenie spôsobu podľa vynálezu. Tento tepelný výmenník všeobecne zahrnuje plášť 12 obsahujúci viac trubiek 14 obvykle prechádzajúcich po dĺžke plášťa a slúžiacich k naplneniu uhlíkatým materiálom. Každá trubka 14 je vybavená vstupom 16 majúcim ventil 18 a výstupom 20 majúcim ventil 22. Tepelný výmenník 10 tiež obsahuje sieť na cirkuláciu tepelne výmenného média v plášti, ktorá zahrnuje viac kanálov 24 prechádzajúcich po dĺžke plášťa. Sieť má vstup 30 na zavedenie tepelne výmenného média do plášťa 12 a výstup 32 na jeho odvod z plášťa po ukončení cirkulácie plášťom V ideálnom prípade sa tepelne výmenné médium nechá cirkulovať cez kúrenisko (nie je znázornené) na jeho opätovný ohrev pred novým zavedením do výmenníka tepla.

Spôsob spracovania uhlikatého materiálu pri ktorom získaný produkt je odolný voči nežiaducemu horeniu s využitím výmenníka tepla podľa obrázka 1 sa vykoná tak, že uhlíkatý materiál sa vnesie do zostavy trubiek 14 vstupmi 16 po uzavretí ventilov 22 umiestnených u výstupov 20. Po naplnení trubiek požadovaným množstvom uhlikatého materiálu sa ventily 18 umiestnené u vstupov 16 uzavrú a uhlíkatý materiál je tak obsiahnutý v uzavretom systéme.

Ako už bolo uvedené vyššie, spôsobom podľa vynálezu je možné spracovať relatívne široký sortiment uhlíkatých materiálov. Bez ohľadu na typ uhlíkatého materiálu určeného na spracovanie, všeobecne uhlíkatý materiál pri dodaní obsahuje až asi 30 % hmotnostných vlhkosti. Spôsobom podľa vynálezu sa výhodne prevádza vlhkosť obsiahnutá v uhlíkatom materiále na prehriatu paru, ktorá zase vypudzuje vedľajšie produkty z uhlikatého materiálu.

Tepelne výmenné médium, ako je ohriaty plyn, roztavená soľ alebo výhodne olej, s teplotou medzi asi 250 °F až 1200 °F, a výhodne asi 750 °F, cirkuluje, výhodne kontinuálnym spôsobom v plášti po zavedení tohto tepelne výmenného média vstupom 30. Tepelne výmenné médium prúdi smerom nahor ohrádzkou 36 a potom späť dolu systémom kanálikov 24 Tepelne výmenné médium potom vystupuje výstupom 3 2 k opätovnému ohrevu pred novým privedením vstupom 30.

Akonáhle dôjde k predhriatiu uhlikatého materiálu, zavedie sa do systému trubiek cez vstupy 28 plynná zmes obsahujúca ako hlavný podiel inertný plyn a ako minoritný podiel kyslík Plynná zmes, ktorá sa výhodne zavedie v jednej dávke pri tlaku asi 150 psig do trubky alebo komory obsahujúcej uhlíkatý materiál, má dvojitú úlohu v tom. že inertný plyn pôsobí ako nosič prenosu tepla tým, že prichádza do kontaktu s vnútornými stenami trubiek 14. absorbuje teplo a predáva teplo do uhlikatého materiálu. Okrem toho kyslík prinajmenšom čiastoč.Ί ne prispieva k oxidácii uhlíkatého materiálu. I keď tlak, pri ktorom sa plynná zmes zavádza do trubiek 14 je všeobecne asi 150 psig, počiatočný tlak, pri ktorom sa plynná zmes zavádza môže byť v rozmedzí od asi 50 psig do asi 250 psig. Zavedením plynnej zmesi vo vyššie uvedenom rozmedzí tlakov, tlak v systému, ktorý sa vyskytuje ako výsledok procesu úpravy sa môže pred ukončením procesu úpravy zvýšiť na asi 3 000 psig. Po vopred stanovenej dobe, t.j. až po asi tridsiatich minútach sa upravený uhlíkatý materiál vyjme z tepelného výmenníka.

Plynná zmes všeobecne obsahuje ako hlavný podiel inertný plyn a ako minoritný podiel kyslík. Výhodne však táto plynná zmes obsahuje až asi 20,0 % kyslíka vzhľadom na celkový objem zmesi a výhodnejšie množstvo v rozmedzí od asi 5,0 % do asi 15,0 % objemových kyslíka pričom zvyšok tvorí určený inertný plyn alebo zmes inertných plynov. Výhodne zložka tvorená inertným plynom obsahuje aspoň 60,0 % objemových dusíka a výhodnejšie najmenej asi 80,0 % objemových vzhľadom na celkový objem inertného plynu.

Upravený uhlíkatý materiál, ktorý bude podrobnejšie popísaný nižšie, je všeobecne odolnejší voči nežiaducemu horeniu než uhlíkaté materiály upravené inými známymi spôsobmi Ďalej tento materiál obsahuje pomerne málo vedľajších produktov a obvykle má výhrevnosť asi 12 000 btu/lb.

Na obrázku 3 je znázornené alternatívne uskutočnenie výmenníka tepla 110. ktorý je vhodný na uskutočnenie spôsobu podľa vynálezu, kde tento výmenník obsahuje vonkajší plášť 112 obsahujúci odpovedajúcu komoru valcového tvaru 114 ako je zreteľnejšie znázornené na obrázku 4. Komora 114 všeobecne zahrnuje priestor pozdĺž podstatnej dĺžky plášťa 112 a slúži na uchovanie uhlíkatého materiálu počas procesu spracovania. Vovnútri je komora 114 vybavená deličom 140. ktorý rozdeľuje komoru na viac pozdĺžnych sekcií, ktoré rozdeľujú uhlíkatý materiál pred spracovaním, pričom každá sekcia má približne rovnakú objemovú kapacitu ako každá z ostatných sekcií. Uvedený výmenník tepla 110 rovnako obsahuje jeden alebo viac vstupov 1 16 ktoré majú ventily 118 na zavedenie dávky uhlíkatého mateiiálu do rôznych sekcií komory a jeden alebo viac výstupov 120_opatrených ventilmi 122 na odvod uhlíkatého materiálu z výmenníka tepla po spracovaní. V blízkosti spodnej časti plášťa 112 nad ventilom 122 je umiestnený ventil 126. ktorý umožňuje uzavrieť komoru 114 pri spracovaní uhlíkatého materiálu. Ako je znázornené na obrázku 3 výhodne je medzi vnútornou stenou plášťa a vonkajšou stenou komory medzera 128 obsahujúca izolačný materiál 142 na uchovanie tepla vo výmenníku tepla. Ďalej ešte v medzere môžu tiež byť obsiahnuté prostriedky na cirkuláciu tepelne výmenného média (nie je znázornené) ako je teplý plyn, roztavená soľ alebo olej, prispievajúce k úprave teploty uhlíkatých materiálov na asi 750 °F pred zavedením plynnej zmesi.

Tepelný výmenník 1 10 tiež obsahuje ďalšie prostriedky, ktoré zahrnujú parný injektor 130. umiestnený na hornej časti komory 114 na prípadné zavedenie pay do rôznych sekcií komory. Ako je zreteľnejšie znázornené na obrázku 4, parný injektor obvykle zahrnuje vnútorný kruh 132 a vonkajší kruh 134. z ktorých každý obsahuje viac trvsiek 136 smerujúcich dolu a určených na zavedenie pary do rôznych sekcií komory povrchovo špecifickým spôsobom. Vnútorný a vonkajší kruh sú spojené najmenej jedným kanálom 138. ktorým dochádza k hlavnému prívodu pary

Plynnú zmes, obsahujúci ako hlavný podiel inertný plyn a ako minoritný podiel kyslík, je možné zavádzať do komory obsahujúcej uhlíkatý materiál buď injektorom 130 alebo samostatným vstupom 144.

Spôsob spracovania uhlíkatého materiálu vo výmenníku tepla podľa obrázka 4 sa vykoná spôsobom, pri ktorom sa uhlíkatý materiál vnesie do komory 114 vstupmi 116 slúžiacimi na priame plnenie komory, pričom sa najskôr zabezpečí, aby ventil 126 umiestnený v spodnej časti komory bol uzavretý. Po naplnení rôznych sekcií komory uhlikatým materiálom sa ventily 118 umiestnené v blízkosti ventilov 116 uzavrú, a uhlíkatý materiál je tak v komore v uzavretom systéme. Potom sa pripadne, ale výhodne, zavedie cez injektor 130 para, pričom tento injektor v podstate rovnomerne distribuuje paru rôznymi sekciami komory. Rovnomerná distribúcia pary do každej sekcie komory umožňuje, aby para pomerne rovnomerne kondenzo\ala na uhlíkatom materiále.

Teoreticky bude tlak pary v komore I 14 rádovo medzi asi 2 psig do asi 3000 psig v závislosti hlavne na požiadavkách na hodnoty btu danej vsádzky uh/ líkatého materiálu. Pri kondenzácii pary a jej pohybom uhlíkatým materiálom smerom dolu zaisťuje delič 140. aby množstvo skondenzovanej pary v akejkoľvek sekcii bolo približne rovnaké ako množstvo pary v inej sekcii. Výsledkom rovnomernej distribúcie pary komorou je, že umožňuje dosiahnuť vysokú konzistenciu spracovávaného uhlikatého materiálu.

Akonáhle došlo k prípadnému zavedeniu pary, kontinuálne sa začne po dobu až asi tridsať minút zavádzať plynná zmes o tlaku medzi asi 2 psig do asi 3000 psig prevažne v závislosti na množstve a obsahu vlhkosti vstupnej vsádzky uhlikatého materiálu do výmenníka tepla Plynná zmes, ako je uvedená v poznámkach na obrázkoch 5 - 7, výhodne obsahuje asi 90,0 % inertného plynu a 10,0 % kyslíka, pričom inertný plyn je výhodne dusík.

Po spracovaní uhlikatého materiálu dostatočnú dobu sa v príslušnom poradí otvoria ventily 122 a 1 26 na odvetranie prípadne vzniklých plynov ako je síw rovodík pri reakcii kondenzujúcej pary s uhlíkatým materiálom. Ďalej, všetky vedľajšie produkty vo forme vzniknutej kontaminovanej vody je možné rovnako odviesť-ventilom 126 Po odstránení plynov a ďalších vedľajších produktov je možné jedným alebo viacerými výstupmi 120 umiestnenými v spodnej časti výmenníka tepla odviesť uhlíkatý materiál

Na obrázkoch 5 až 7 sú uvedené grafy znázorňujúce výsledky spaľovacích testov na skupine vzoriek uhlíkatých materiálov majúcich rôzne obsahy vlhkosti. Výraz skupina v tomto prípade vyjadruje priemery troch rôznych kompozícií majúcich rovnaký obsah vlhkosti, ktoré boli testované na teplotu vlastného ohrevu a kde v grafoch sú uvedené celkove priemery po zavedení 100,0% dusíka a po zavedení plynnej zmesi obsahujúcej 90,0 % dusíka/10 % kyslíka (objemových).

Na obrázku 5 je graf' znázorňujúci výsledky závislosti teploty vlastného ohrevu na čase u skupiny uhlíkatých materiálov s nízkym obsahom vlhkosti. U každej z testovaných vzoriek bola východzia teplota uhlikatého materiálu 75 °C a skúšobné zariadenie bolo nastavené na cieľovú teplotu 150 °C. Ako je znázornené na obrázku 5. vzorky spracované v prítomnosti N2 (znázornené menej výražným záznamom) dosiahli za tridsať minút teplotu asi 138 °C, zatiaľčo vzorky spracované zmesou plynov obsahujúcou 90,0 % N2 - Ιθ,Ο % O2 dosiahli za tridsať minút teplotu len asi 88 °C (znázornené výrazným záznamom). Ďalej, vzorky spracované s len N2 dosiahli cieľovú teplotu 150 °C za 47 minút, zatiaľčo vzorky spracované s 90,0 % N2 - 10 % CH dosiahli túto teplotu za jednu hodinu a osem minút.

Na obrázkoch 6 a 7 sú grafy znázorňujúce vplyv kontaminácie testovaných vzoriek zvyšujúcim sa obsahom vlhkosti I keď je možné všeobecne uviesť, že zvyšujúci sa obsah vlhkosti predlžuje dobu potrebnú na dosiahnutie cielenej teploty 150 °C pre každú vzorku danej skupiny, i pri tomto zvýšenom obsahu vlhkosti vzorky spracovanej s plynnou zmesou obsahujúcou 90,0 % N2 - 10,0 % O2 vyžadujú významne dlhšiu dobu zahrievania než vzorky spracované 100,0% N2 ktoré majú rovnaký obsah vlhkosti.

N.a základe týchto testov vlastného ohrevu je možné predpokladať, že uhlíkaté materiály, t j. upravene uhlíkaté materiály, spracované s plynnou zmesou obsahujúce ako hlavný podiel inertný plyn a ako minoritný podiel kyslík, majú väčšiu odolnosť voči nežiaducemu horeniu než upravené uhlíkaté materiály spracované len v prítomnosti samotného inertného plynu.

Skúsení pracovníci \ odbore budú schopní realizovať, po štúdiu popisu, výkresov a ďalej uvedených patentových nárokov, ešte ďalšie výhody spôsobu podľa vynálezu.

Claims (18)

1. Spôsob spraco\ania vlhkého uhlíkatého materiálu na získanie materiálu odolného voči nežiaducemu horeniu, vyznačujúci sa tým, že zahrnuje stupne:

predhriatie uhlíkatého materiálu na prevedenie vlhkosti v ňom obsiahnutej na prehriatu paru, a potom aplikáciu plynnej zmesi na predhriaty uhlíkatý materiál po dobu až asi tridsať minút, kde uvedená plynná zmes obsahuje ako hlavný podiel inertný plyn a ako minoritný podiel kyslík.

2. Spôsob podľa nároku I. vyznačujúci sa tým, že uvedená plynná zmes obsahuje až asi 20,0 % kyslíka vzhľadom na celkový objem.

f /*

3. Spôsob podľa nároku 2, vyznačujúci sa týin, že uvedená plynná zmes obsahuje medzi asi 5,0 % až asi 15,0 % kyslíka vzhľadom na celkový objem plynnej zmesi.

4. Spôsob podľa nároku I, \yznačujúci sa tým, že uvedený inertný plyn obsahuje najmenej 60,0 % dusíka vzhľadom na celkový objem inertného plynu.

5. Spôsob podľa nároku 4, vyznačujúci sa tým, že uvedený inertný plyn obsahuje najmenej asi 90,0 % dusíka vzhľadom na celkový objem inertného plynu.

ΙΟ

6. Spôsob podľa nároku I, vyznačujúci sa tým, že uvedená plynná zmes obsahuje asi 90,0 % dusíka a asi 10,0 % kyslíka

7. Spôsob podľa nároku I, vyznačujúci sa tým, že plynná zmes je zavedená pri asi 50 až 250 psig

8. Produkt pripravený spôsobom podľa nároku 1.

9. Produkt podľa nároku 8, vyznačujúci sa tým, že má priemernú hodnotu výhrevnosti asi 12 000 btu/lb

10. Spôsob výroby upravených uhlíkatých materiálov, kde výsledný produkt je odoíný voči nežiaducemu horeniu, vyznačujúci sa tým, že zahrnuje stupne:

a) vybavenia výmenníkom tepla, ktorý obsahuje vonkajší plášť a vnútornú komoru, vstup na zavedenie uhlikatého materiálu buď do vonkajšieho plášťa alebo do vnútornej komory, výstup na odvod uhlikatého materiálu z uvedeného vonkajšieho plášťa alebo vnútornej komory a najmenej jeden vstup na zavádzanie plynnej zmesi obsahujúcej ako hlavný podiel inertný plyn a ako minoritný podiel kyslík do uvedeného vonkajšieho plášťa alebo vnútornej komoiy obsahujúcej uhlíkatý materiál;

b) cirkulácie tepelne výmenného média s teplotou najmenej 250 °F buď uvedeným plášťom alebo vnútornou komorou kde nie je obsiahnutý uhlíkatý materiál s cieľom zvýšiť teplotu uvedeného uhlikatého materiálu;

c) zavádzania uvedenej plynnej zmesi do časti výmenníka tepla obsahujúceho uhlíkový materiál; a

II

d) odvod uhlikatého materiálu medeným výstupom.

11. Spôsob podľa nároku 10, vyznačujúci sa tým, že uvedená plynná zmes obsahuje až asi 20.0 % kyslíka vzhľadom na celkový objem.

12. Spôsob podľa nároku I I, vyznačujúci sa tým, že uvedená plynná zmes obsahuje medzi asi 5,0 % do asi 15,0 % kyslíka vzhľadom na celkový objem plynnej zmesi.

13. Spôsob podľa nároku 10, vyznačujúci sa tým, že uvedený inertný plyn obsahuje najmenej asi 60,0 % dusíka vzhľadom na celkový objem inertného plynu.

14. Spôsob podľa nároku 13, vyznačujúci sa tým, že uvedený inertný plyn obsahuje najmenej asi 90,0 % dusíka a asi 10,0 % kyslíka.

15. Spôsob podľa nároku 10, vyznačujúci sa tým, že uvedená plynná zmes obsahuje asi 90,0 % dusíka a asi 10,0 % kyslíka

16. Spôsob podľa nároku 10. vyznačujúci sa tým, že uvedená plynná zmes sa zavádza pri tlaku medzi asi 50 psig do asi 250 psig.

17. Produkt pripravený spôsobom podľa nároku 10.

18. Produkt podľa nároku 17, vyznačujúci sa tým, že jeho priemerná hodnota výhrevnosti je 12 000 btu/lb.