TW585901B - Stabilising thermally beneficiated carbonaceous material - Google Patents

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585901 A7 五、發明説明（1 ) 〜 碳材料的方法 本發明係有關安定經熱提選之含碳材料（如煤炭）之方 法。 本發明係特別地有關，但並非排除其他地，安定煤炭 之方法，如低級煤炭，其中該煤炭已在包括高溫與高壓之 條件下被熱提選過以藉由自煤炭中去除水份而增 BTU值。 的 其為吾人所知道的，亦即當儲存在一儲藏堆中，許多 之煤炭易傾向於自燃。該自燃係由下列因素所引起： u)煤炭之氧化作用產生焦熱點，該焦熱點驅動空氣 在該煤炭床中之熱傳；以及 (11)忒空氣之熱傳再提供更多之氧供用於氧化作用。 壓縮儲存堆以縮減床之可滲透性以及封隔儲存堆以將 接觸氧情形減至最低係使煤炭缺氧的兩種方法並藉此防止 自燃。但是，在許多例子中，壓縮與封隔不是實際或完整 的解決辦法。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 其也是吾人所知道的，亦即經熱提選之煤炭係易傾向 於自燃。特別是，潛在之自燃性對於冷卻該有關在堆疊煤 炭之前由熱提選方法中所製造之熱的且經去水份之煤炭係 一相當重要之課題。 對於安定經熱提選之煤炭之方法係有數種已知之提 案，如WesternSyncoal公司於澳洲專利申請案第561〇3/96 號中所描述之提案與參照該Syncoai公司之澳洲專利申請 案中第5至8頁中之習知專利中之提案。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) M規格（別心7公楚 585901 Λ7 -----—B? 五、發明説明（2 ) 一—~— 一―------ 、本發月之目的係以提供一與上述所提及之習知技術 匕車乂為經改良之方法與裝置供用於安定經熱提選之煤炭。 依據本發明，其提供一安定一經熱提選之含碳材料之 方法’該方法包含： (a) 供應一在一高溫狀態之裝載量之該含碳材料（如 本文所描述的）至一製程容器以形成一填充床； (b) 藉由間接之熱交換將在該填充床中之該含碳材料 從該咼溫冷卻至一目標溫度； (c) 在該含碳材料達到該目標溫度之前，供應一含氧 軋體至該填充床以部分地氧化該含碳材料至一所欲之程度 以安定該含碳材料；以及 (d) 自該填充床去除由含碳材料氧化所產生之熱以在 氧化過程中控制該含碳材料之溫度以避免熱失控。 該熱失控”用詞係一般表示為溫度快速失控地增 加，其係由含碳材料氧化產生熱所造成且該熱增加含碳材 料氧化的速率，此會導致程序控制的失控。 申請人於氧化速率之實驗工作中以及以對於一依據經 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 _ 衣-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 熱提選之經指定粒徑分佈之煤炭之實驗數據之儲存堆之流 力模擬計算發現： (i)該煤炭之氧化程度； (i i )該煤炭之儲存堆之溫度， 係對於在一未受壓縮與封隔之儲存堆中之煤炭之自燃具有 相當重大影響之兩種變數。 作為說明之用，隨文之附圖中之第1圖係申請人所緣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇><297公潑） 585901 Λ7 .^------B7 五、發明説明（3 ) ’ — 經實驗所獲得之溫度與氧化(以所加入之氧的爾 :)之曲線圖之—實施例，該圖說明對於將經熱提選之 媒灰堆疊之穩定條件。 從第1圖中之區域圖樣可以看出，氧化作用本身並不 提供儲存堆之安定，除非使用在一非常高之氧化程 度。如果沒有用到冷卻，該因而所須要之高氧化程氧二 是一實際之選擇，因為如此將使得該產品在商業上不具吸 引力。 第1圖係從製造一在商業上具吸引力之可以安全地堆 疊之產品之觀點來說明，其須要將該經熱提選之煤炭至一 相當低之儲存堆溫度，亦即目標溫度。 就本發明之方法而論，在該含碳材料是煤炭之情形 下，該氧化的量較佳地係在0· 2至5wt%之範圍且該目標溫 度為小於50 C ’其中該氧化的量係以供應至該填充床之氧 的重量來計算’而其重量係以填充床内之煤炭之總重的百 分率來表示。 該氧化的量特佳地係在〇·5至3wt〇/◦之範圍且該目標溫 度為小於35°C。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 申凊人也在實驗/設計/模擬之工作中發現結合一循環 式地通過該填充床之工作用的流體與一包括有熱交換表面 设於填充床中之冷卻劑迴路係一種將該含碳材料氧化所產 生之熱自填充床除去之有效之方法。 此等熱之去除係一重要之考量以便控制該含碳材料之 溫度以壁免熱失控。該熱之去除之機制係經由熱傳從該含 本紙張尺舰财酬緖^ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ^>^5901 :^~------- 五、發明説明（4 ) —— ---------- 材料傳至該工作用的流體及之後經由熱傳從該工作用的 流體傳至該等内部之熱傳表面。 申明人在實驗/設計/模擬之工作中已發現特別適合之 内部熱傳表面係該揭露於申請人之國際申請案 PCT/AU98/0〇〇05、PCT/AU98/〇〇14mpCT/AU98/〇〇324 中之 熱乂換板，且該等國際申請案中之全部揭露内容係藉由對 照之方式被納於本文中。 上述之該循環工作用的流體與該具有内部熱交換面積 之冷部劑迴路之結合係一重要之特徵，因為在與習知技術 之比較下，如在該Syncoal公司澳洲專利申請案中所揭露 的，其使該填充床之尺寸大為增加且能同時維持高產率成 為可能，並因此大為降低固定與操作成本。 該工作用的流體較佳地為一氣體。 可以用作該工作流體之氣體包括氮氣、蒸氣、s〇2、 C〇2、碳氫類、鈍氣、冷媒、以及由此等之混合物。 該工作用的流體較佳地為不會與該填充床起反應。 該方法較佳地為包含在最初之冷卻步驟之過程中未供 應含氧氣體至該填充床下，將該含碳材料從該高溫冷卻至 一較佳之該含碳材料之氧化溫度，及當該較佳之氧化溫度 到達後供應該含氧氣體至該填充床以部分地氧化該含碳材 料。 該“較佳含碳材料之氧化溫度，，中所描述之溫度的用 語在本文中可瞭解到係指為在該填充床中之粒子之質量加 權平均溫度。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐）

、發明説明（5 ) …----------------- 該較佳之含碳材料之氧化溫度較佳地係為該含碳材料 f吏該含碳材料在-指定氧分壓之含氧氣體中被迅 速氧化以產生一穩定之產品田 之，皿度，且具有使得在熱釋放 下不會造成熱失控之熱傳條件。 在該循環工作用的流體與該具有内部熱傳表面之冷卻 劑迴路之結合被使用以作為自填充床去除由該含碳材料氧 化所產生之熱之方法之情形下，較佳地，為該方法係包含 =相對於該較佳之氧化溫度來控制該熱傳表面的溫度以在 橫跨該床之間維持一小的溫度梯度，同時維持高熱傳速 率。較佳地’該溫度差為小於4(rc，更佳為小於3〇c>c。 在該循環工作用的流體與該具有内部熱傳表面之冷卻 劑迴路之結合被使用以作為自填充床切由該含碳材料氧 化所產±之熱之方法之情形了，較& 土也，為該方法係包含 以相對於該較佳之氧化溫度來控制紅作用的流體之溫 度使其/jm度大於该内部熱傳表面牆壁之溫度且小於該含 碳材料粒子之溫度使得該粒子之冷卻能夠被維持。其要注 思的疋4冷卻作用可以以壓力之操作來進一步改良。 在該含碳材料為經熱提選之煤炭之情形下，其較佳為 該較佳之氧化溫度係在8〇它至15〇它之範圍。 其特別佳為該較佳之氧化溫度係在1 〇(rc至1 5(rc之範 圍 圍 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 其更佳為該較佳之氧化溫度係在8〇°c至120°c之範 其特別佳為該方法包含在供應該含氧氣體至該填充床 ) Λ7 ~ -—— _____Β7 五、發明説明（6 ) ~" 之步驟之過程中維持該含碳材料之溫度在該較佳之氧化溫 度或在-包括有該較佳氧化溫度之溫度範圍内。 其較佳為，該方法包含在該氧化㈣完成之後，將該 含碳材料冷卻至該目標溫度。 该目標溫度較佳為小於5 〇它。 …其較佳為’該方法再包含在冷卻及氧化該含碳材料之 月’J或過程中將該填充床加壓。 其特別佳為，該方法包含以一由外部供應氣體之方式 將該填充床加壓至一小於20bar之壓力，及典型上為小於 10bar〇 ，其較·佳為，該含碳材料所㈣之粒子大小係可使得所 形成之該填充床具有^夠之滲透性以容許該工作用的流體 之移動具有合理的壓降。 依據本發明，其提供-種供用於根據如上述之本發明 之方法來安定一經熱提選之含碳材料之裝置。 本發明係更進-步藉由實施例之方式以參照於第2圖 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 來做說明，該圖為一示意圖用以說明本發明之裝置與方法 之較佳實施例。 以下所說明的係就安定該經熱提選之含碳材料而論。 其要注意的是本發明並不受限於該應用且可應用至任何適 合之經熱提選之含碳材料。 ^照第2圖’該裝置包含_壓力容器3,該容器係適合 於女疋-經熱提選之含碳材料之填充床，其中該經熱提選 之含碳材料在一高溫下，典型上為4〇〇。。，已自一熱提選 本紙張尺度朝 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Λ7 ^_____ B7 五、發明説明（7 ) ' 製程容器（未繪示於圖中）被卸下且裝入該壓力容器。 該壓力容器3可以是任何適當之包括一種内部熱 交換板5總成之構造。一種該適當之壓力容器之實施 例係為申請人在國際申請案PCT/AU98/00005、 PCT/AU98/00142 與 PCT/AU98/00324 中所揭露之壓力容 器，該等壓力容器包括一經反轉的圓錐形入口、一圓 柱形主體、一圓錐形出口以及一位於該主體與該圓錐 形出口之垂直平行地設置之熱交換板總成。 該熱交換板5形成一冷卻劑迴路之部分，該冷卻 劑迴路在一封閉之迴路中循環一少量之適合用於一2〇 °C至140°C之操作之冷卻劑通過該等板5。 該冷卻劑迴路也包括一冷卻塔7，該冷卻塔包含 一位於該塔中之熱交換管束9; 一可變速風扇11，該 風扇引入一上流之空氣通過該熱交換管速9 ;以及一 蒸發系統，該蒸發系統包括被設置於可喷灑水至該熱 交換管束上之位置之喷嘴23以及一泵15，該泵從一在 該塔之底部之水儲存區抽水至該喷嘴23。其要注意的 是在冷的氣候下，該蒸發系統可以不需要使用。 該冷卻劑迴路也包括一冷凍機61供用於更進一步 自該冷卻塔藉由在一熱交換器13中之熱交換冷卻該冷 卻齊丨。 該冷卻劑迴路也包括一膨脹室21以收納該冷卻劑 迴路中壓力之變化。 該裝置又包含一系統，其一般如圖中之標號1 7所 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X^97公釐) '—'一'" (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) J--•訂 Μ Μ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 jp _ 、發明説明（8 ) ~~—'—~—… ―― 顯示的，其係用以供應及之後循環一工作用流體，典 型上為氣體如氮氣，使通過在該製程中之填充床用以 加壓及增加該流經該等板5之冷卻劑與在該填充床中 之煤炭之間之熱交換。該工作用流體系統17包括一供 用於在該製程容器3底部之工作用流體之入口 19 ; 一 在該製程容器3之頂部牆壁之出口； 一連接該入/出口 19/25之管線29以及風扇27，該風扇循環該工作用流 體通過該填充床與該管線29。該工作用流體系統丨7係 在申請人之國際申請案PCT/AU98/00142中有更詳細之 說明。 該裝置又包含一供用於供應一含氧氣體至該填充 床3以氧化該經熱提選之煤炭之機構。在第2圖中所示 之實施例中，該含氧氣體係被供應至該工作用流體入 口 19。 在第2圖所示之該裝置之使用中，一熱的裝載量 之經熱提選之煤炭（典型上在一 300°c以上之溫度）被 供應至該製程容器3以形成一填充床，隨後該固體物 之入口與出口閥被關閉，該工作用流體係經由該入口 19被供應以充滿該填充床，及該工作用流體風扇27被 起動以循環該工作用流體通過該填充床。 在該方法之較佳實施例中，該冷卻劑迴路泵係連 續地運轉著，雖然在操作的最初階段中，該冷卻塔風 扇11與該水泵15係關閉的。 在該等情形下，該冷卻劑之壓力與溫度上升，及 -11- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公楚） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

585901 Λ7 五、發明説明（9 ) 〜 ……〜— 在該冷卻劑迴路中之壓力係藉由該膨脹室21以膨脹方 式來控制。 當該冷卻劑的溫度達到12〇°C時係表示在該填充床中 之煤炭之質量加權平均溫度係在14(TC左右，該冷卻塔空 乳風扇11接而被起動且其速度係可變地以維持該冷卻劑之 溫度在120°C。 在此之後，該含氧氣體係被供應至該填充床且該系統 係被固定在一常溫下直到足夠之氧已被加入至該填充床以 元成煤炭所欲氧化之程度。 如上述，在該氧化階段之過程中，從該填充床中除去 由煤厌氧化所產生之熱係重要的以避免熱失控，且申請人 發現S等熱父換板5配以在一封閉之迴路中循環該冷卻劑 通過該等板而操作與循環該工作用流體通過該填充床係一 種有效之方式以提供在該填充床中所需要之溫控以達到該 目的。 申凊人也已發現該等熱交換板5之牆壁之溫度係維持 在靠近於該*真充床者以在橫跨該#之間維持一小的溫度梯 度係重要的。該小的溫度梯度係有必要的以在冷卻時減少 局部的變化及因此在填充床中造成之氧化變化。 在该含氧氣體加入完成後，該冷卻塔風扇被開至全 速，該水泵15被起動，及該填充床之溫度，包括該煤炭， 係被冷卻至目標溫度’典型上為小於5 〇。匸。 如有需要，該冷凍機迴路6丨被起動以降低該冷卻劑之 溫度以在一較短的時間内賦予一較低溫之產品。 -12· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) --------嚶|丨 (請先聞讀背¾之注意事項再填寫本頁) -訂 1- - 1= I . 585901 A7 --—------- 五、發明説明（ίο ) 當該填充床達到該目標溫度，該填充床係經由一排氣 4件62被排氣及該經冷卻的、安定化的經熱提選之煤炭係 自該製程容器3被卸下且被堆疊起。在不脫離本發明之精 神與範圍下’其係可以對如上述之有關第2圖之本發明之 名方法與裝置之該較佳之實施例做出許多之修改。 藉由舉例之方式，雖然該較佳之實施例係包含經由在 孩製程谷器3之底部之該工作用流體之入口 19來供應含氧 氣體至該填充床内，但其係可以明瞭的，Φ即本發明並不 受限於此等之安#，且在任Μ適當之位置導入該含氧氣體 至該填充床内均係涵蓋於本發明之範圍内。 圖式簡要說明 第1圖為一個溫度與氧化的實驗圖譜，其指出經熱提 選之煤炭堆疊的穩定條件。 第2圖為用以實施本發明之一種裝置。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製

Qy 11 ::3 5 · 1 ·· 束扇：· ...3板...7管風器1519 床換塔換速換：：· 充交卻交變交泵口 填熱冷熱可熱水入 -M 號I 編| 件 元 膨脹室...21 喷嘴·_·23 出口 ...25 風扇...27 管線...29 冷凍機迴路...61 排氣部件...62

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Claims (1)

1. 585901

   第87110079號專利申請案申請專利範圍修正本 六、申請專利範圍 修正曰期 91年9月 1· 一種安定一經熱提選之含碳物質之方法，其包含： (,)供應一在一高溫狀態之裝載量之該含碳物質至一 製程容器以形成一填充床； (b)藉由間接之熱交換將在該填充床中之該含碳物質 從該高溫冷卻至一目標溫度； (C)在該含碳物質達到該目標溫度之前，供應一含氧氣 體至該填充床以部分地氧化該含碳物質至一所欲之程度 以安定該含碳物質；以及 (d)自該填充床移去由含碳物質氧化所產生之熱用以 在氧化過程中控制該含碳物質之溫度以避免熱失控。 2·如申請專利範圍第丄項所界定之方法，其中在步驟（c) 中之該所欲之氧化程度，以供應至該填充床之氧的重量 作為該填充床内之煤炭之總重的百分率來計量，係在 0· 2至5wt%之範圍。 3.如申請專利範圍第2項所界定之方法 係小於50°C。 4·如申請專利範圍第2項所界定之方法 化程度係在0.5至3wt%之範圍。 5. 如申請專利範圍第4項所界定之方法 係小於35°C。 6. 如申請專利範圍第1項所界定之方法 其中該目標溫度 其中該所欲之氧 其中該目標溫度 其包含在該步驟 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ♦ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（21〇x297公釐） 585901 A8 B8 C8

   申請專利範圍 (d)中藉由循環一工作用流體通過該填充床與一含有設 於该填充床内之熱交換表面之冷卻劑迴路之方式自該 填充床移去熱。 7·如申請專利範圍第6項所界定之方法，其中該工作用流 體係一氣體。 8·如申請專利範圍第7項所界定之方法，其中該步驟（b) 包含一將該含碳物質自該高溫冷卻至一較佳之該含碳 物質之氧化溫度之第一階段，其中在該第一階段之過程 中’沒有供應含氧氣體至該填充床。 9·如申請專利範圍第8項所界定之方法，其中該步驟（c) 包含在該含碳物質到達該較佳之氧化溫度時，供應該含 氧氣體至該填充床以部分地氧化該含碳物質。 1〇·如申請專利範圍第9項所界定之方法，其中在該部分氧 化步驟（c)被完成後，該步驟（d)包含一將該含碳物質冷 卻至該目標溫度之第二階段。 11. M請專利範圍^項所界；t之方法，其包含控制該熱 父換表面之溫度以與該較佳之氧化溫度成一比例以在 橫跨該床之間維持一小的溫度梯度。 12. 如申請專利範圍第山員所界定之方法，其中該溫度差係 小於40°c。 13. 如中請專㈣圍第6項所界^之方法，其包含控制該工 作用流體之溫度使其大於言亥内部《交換表φ < 溫度且小於該含碳物質者。 14·如申請專利範圍第8項所界定之方法，其中該較佳之氧 _________ ·2_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4規格（21〇><297公釐〉 " ------ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

   、申請專利範圍 化溫度係在80°C至150°C之範圍。 15. 如申請專利範圍第14項所界；t之方法，其中該較佳之氧 化溫度係在loot：至150°c之範圍。 16. 如申請專利範圍第14項所界定之方法，其中該較佳 之氧化溫度係在10(TC至120°c之範圍。 17. 如ί請專利範圍第}項所界定之方法，其又包含以一由 外部供應之氣體將該填充來加壓至—小於201)訂之壓力。 18. 如申請專利範圍第"項所界定之方法，其包含控制該工 作用流鱧之溫度使其大於該内部熱交換表面之牆壁之 溫度且小於該含碳物質者。 19·如申請專利範圍第12項所界定之方法，其包含控制該工 作用流體之溫度使其大於該内部熱交換表面之牆壁之 溫度且小於該含碳物質者。