增強固體燃料性質的燃燒前、幹處理方法及系統的製作方法

2023-10-05 23:26:24

專利名稱：增強固體燃料性質的燃燒前、幹處理方法及系統的製作方法
背景技術：
當前，美國所耗的電量半數以上產自低效率的燃煤公用工程廠(utility plant)。儘管增加了對石油和天然氣資源的使用，但煤的價格低廉、易得且廣泛分布、大儲藏量，以及煤工業巨大的勞動力確保了煤仍將是工業應用，特別是可見的未來的全世界能源生產的重要資源。可是，煤是多種類、成分複雜的並且通常含有大量水分、灰分、硫以及無機雜質，所有這些都減損了其目前成為有效且清潔的燃料的潛能。
科學和技術文獻、工藝工程和專利在改進固體燃料的全部燃燒性質上都充滿了失敗的嘗試。採用了物理和化學的方法、甚至生物有機體進行煤的清潔和廢物的去除。洗煤被廣泛用於除去較高比重的灰分和硫化鐵礦形式的硫，可是在該過程中通常會導致高達20％的煤流失。採用了各種昂貴的煤乾燥方法來努力提高煤的BTU/lb(英國熱量單位每磅)，並且在努力顯著降低硫方面已經研究了許多方法。
煤甚至諸如無煙煤和煙煤的較高等級的煤的鍛燒或燃燒，產生了顯著的排放，並由於環境和全球變暖的考慮而受到關注。在東歐、中國和其他地方，高硫煤的燃燒使大氣負擔很重，並很大方面是由於在過去25年來在尋求有效並可負擔的脫硫方法方面的廣泛但不成功的努力。許多這種努力採用電磁；即，使用紫外線、光學、紅外線、無線電、微波、x-射線以及甚至γ射線頻率及其組合。大多數是失敗的。事實上，就我們所知，在商業實踐、電磁或其它方面，還沒有單獨、有效並經濟可行的燃燒前處理技術來除去煤中的硫或任何其它主要的成分。
不管出於任何目的對煤進行燃燒或者加熱時，所有煤中均存在的含量不同的水分、灰分、硫和其它成分導致了許多問題。煤燃燒產生的諸如氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)的有害氣體會破壞環境，包括酸雨、煙霧汙染、含有硫的不健康的空氣(產生了在中國的很多區域常見的黃色天空)，以及有毒微粒的沉積、一些被上部氣流攜帶而遠離發源地。另外，煤燃燒留下了含有其諸如汞的微量元素的無機灰分，當灰被處理或用作諸如馬路建設和維護的廣泛長期應用的填料時，其問題很少被考慮到。由於在煤燃燒時產生大量二氧化碳(CO2)，現在增加了關注，其顯著並直接造成了全球變暖。最後，在很多煤中存在的明顯的水分導致了低效率的燃燒，致使燃燒了更多的煤，並因此使得排放增加。對脫水的重視程度較低(即，致力於增加BTU/lb，其直接導致可以燃燒較少量的煤而產生相同量的能量，並因此降低了其產生的全部排放)。
很多年來作出許多嘗試來除去或降低煤中的灰分和硫的含量，並籍此通過改進煤的質量和燃燒特性來降低各種形式的汙染。不幸的是，這些嘗試已證實是耗時、昂貴並且不切實際。
例如，嘗試了在燃燒之前進行「洗」煤。這些嘗試費用很高並需要多方面的添加和改造工廠設備。
在洗煤系統中，進入洗煤機之前，必須用篩子、粉碎機、球磨機、壓碎機或其它類似的碾碎設備對煤進行碾碎或選出合適的尺寸。一般地，使用這些類型的設備來降低煤的尺寸採用了相當重和大型的設備，這些設備購買、維護和操作都很昂貴。
在其它的例子中，在鍛燒或燃燒煤或燃料之前，清洗系統和方法包括用離心分離機、轉筒式過濾機、流化床乾燥機或其它類似的乾燥設備昂貴地乾燥煤。通常，用這樣的設備乾燥煤採用聯合或多級設備，這些設備購買、維護以及操作也很昂貴。
其它的嘗試利用對煤添加一種或多種催化劑，努力降低在煤燃燒中產生的不需要的副產品的量。例如，在煤的燃燒中添加到煤中的某些催化劑可以降低硫排放的量。這些努力的目標在於改進所要燃燒的煤的燃燒性質，例如增加BTU/lb。可是，這些嘗試會產生不同的副產品，這些副產品有毒性，且處理或儲存很昂貴。
對這種長期存在的問題沒有燃燒前的解決方法存在時，燃燒後的淨化是當前燃煤發電工業優選的方法。例如，安裝淨化器清潔燃燒後煙道氣體，從煙道氣體中除去SOx和NOx化合物。這種設備和其它類似系統及工藝在安裝、維護和操作上很昂貴。不幸的是，這並不能解決CO2問題，並且最近俘獲並及改變CO2氣體路線的努力沒有前途或實用性。
最後，許多燃煤企業摻混低硫煤與高硫煤以降低全硫分以便符合政府規定的每百萬BTU SO2磅數的指標。這通常需要長途運輸沉重的、含水分的煤，其運輸費用經常等於或超過煤的費用。
發明簡述本文描述的方法、系統和工藝採用電磁能(例如微波能)來改變煤的機械結構，並通過設計來分別和/或集中改變核心的煤組成以增強煤燃料的燃燒質量(例如降低水分並增加BTU/lb以達到所討論的應用的最佳水平，降低所有形式的硫，包括更難去除的有機硫，並降低灰分，而保持或提高煤的熱值)。
可以根據煤的種類和所尋求的性質上的改變來設計本發明的實施方案。該系統可以是模塊化的、可縮放的和便攜的或固定的，並可用在地下或地面採礦的管線內(in-line)或管線外(off-line)位置，或公用工程廠。可以選擇工藝參數來滿足特定應用的需要，同時除去和收集有價值的副產品，例如水、硫和灰。在線和離線方法可以用於確定處理後的煤的性質，具有反饋系統用於改變過程控制參數，例如停留時間(流速)、動力、氣流等，以獲得所需的預選的燃料增強性質，並且不過處理(over-process)或欠處理(under-process)。
過程開始於收集具體煤的資料，包括其位置(井口、露天礦、河流混合設備(river blending facility)或者最終粉碎前公用工程廠的任何地方等)。另一個考慮是使用處理煤的目的(例如，可以將更高效、更清潔的燃料用於燃煤鍋爐，可以將低硫及高揮發性的燃料用於煉鋼和其它工藝，用於化學工藝的特殊目的的燃料)及所尋求的性質。其次，確定考慮處理的噸位量，及需要考慮的任何現有的處理方法，如煤的研磨或篩選。再次，測量原料的樣品以確定它們的性質。最後，設計系統以提供所尋求的特定處理燃料的性質。可以預設或實時改變該系統的設計參數包括加煤系統的容量以適合要加入處理器的量和尺寸；處理艙室/傳送帶系統的尺寸、形式和類型以在處理所分配或需要的時間內處理所要求的尺寸和流量；為了獲得所尋求的所關注的煤的性質所需要的電磁頻率或頻數及功率水平和持續時間；以及透入(penetration)深度，以確保將煤處理成平均達到所需範圍。
電磁、燃燒前、乾燥和單級煤處理技術表現為改變煤的機械結構，並因此顯著提高研磨性；降低水分並增加BTU/lb達到目標應用的最佳水平；降低所有形式的硫，包括更難除去的有機硫；降低灰分；並顯著降低lbSO2/MMBTU排放指標，同時保持煤的熱值。另外，不像許多更早的嘗試那樣，在輻射煤之前，可以通過這些方法處理煤而不形成煤漿或加入溶劑或其它液體。如前述方法所嘗試的，本文所述的方法遠不止簡單地從煤中去除硫或任何其它單一成分；相反，所述方法可用於實現與煤的眾多性質中任意項相關的目標，例如上述確定的那些。
本文所討論的工藝方法能改變工藝參數，以將固體燃料的特定燃燒性質作為目標。例如，即使對樣品具有大小和性質分布的一批煤(每批煤)，均可有效地將水分降低比率及產生相對窄範圍的BTU/lb作為目標。
附上了脫水方面的有代表性(有代表性並不是「最好」)的結果，彙編後的結果顯示了所述方法的廣泛應用性。以水分降低％的升序對結果進行排列，進一步證實，使用這些方法和設備，任何煤都可以被處理至所需的水分降低水平。另外，使用簡單的預處理試驗我們也可以估算未處理的煤中的灰和硫的含量，以及具體的煤對所述工藝技術會產生何種反應，結果是，如果需要，所述系統也可以提高煤的其它燃燒性質。
這裡列出並描述的材料進一步證明這些以間歇或連續方式設計和操作的系統可以提供所需的脫水或其它煤燃燒性質；特別是，具有如下性質的煤●在任何等級的煤中，水分％降低到任意所需水平，低至大約1％或更低；●在任何等級的煤中，BTU/lb增長至任意水平，高達至少其水分含量0％時的水平或至少1000BTU/lb(由於該過程也降低灰分％和全硫％，其進一步增加了BTU/lb)；●在任何等級的煤中，灰分％降低(例如，至少大約2％)；在具體實施方案中，降低範圍從大約10％至超過50％；以及●降低每種和所有形式的硫(例如全硫降低至少大約2％，硫鐵礦降低至少大約3％，硫酸鹽降低至少大約5％，以及有機硫降低至少大約1％)；在具體實施方案中，全硫可降低25-50％，對一些煤種，甚至更多。
另外，對於這些系統和方法，電弧(和點燃)的危險可以降低或解除。過去採用小尺寸的片和樣品尺寸來試圖降低電弧的危險，而在以下所述的本發明方法的實施方案中使用在線測量、監控和反饋系統以及伴隨的功率水平、氣流水平和停留時間的調節來控制表面溫度，從而降低電弧。
另外，發明人對電磁能怎樣透入煤，以及在較高功率水平可獲得的較大透入深度的更深入的理解開啟了有效處理更大(例如商業水平)通量的煤以及具有更大粒度的煤的大門。
附圖的簡要說明以下所描述的附圖中，同樣的附圖標記指示所有不同圖中相同或相似的部分。附圖不必是按比例縮放的，重點在於說明在詳細描述部分中所述的方法和設備的具體原理。


圖1是坐標圖，顯示了特定褐煤中的電磁輻射吸收與頻率的函數關係。
圖2是在25℃水中的電磁輻射透入深度與頻率的函數關係的坐標圖。
圖3是一般性地描述本發明實施方案的工藝方法的流程圖。
圖4是本發明實施方案的工藝系統元件的流程圖。
圖5說明了傳送帶系統。
圖6說明了與圖5的傳送帶系統一起使用的送料裝置。
圖7提供了圖5和圖6設備的傳送帶端部視圖。
圖8提供了圖5和圖6設備的傳送帶端部視圖。
圖9和圖10所示為用於圖5所示設備的移動臺罩的主視圖。
圖11和圖12示出了用於圖5所述示設備移動臺罩的主視圖。
圖13說明了本發明實施方案的間歇處理組件。
圖14和圖15顯示了圖13所示的間歇處理組件的俯視圖和側視圖。
圖16顯示了試驗生產裝置。
詳細描述I.煤A.綜述煤是由腐化植物形成的可燃燃料；煤含有與各種有機化合物和一些無機化合物結合的無定形碳。像Harold H.Schobert在「Coal，theEnergy Source of the Past and Future(煤，過去和將來的能源)」(American Chemical Society，1987)中所描述的，「煤涵蓋了軟的、潮溼的、褐色物質到非常硬的、光滑的、黑色固體」，且其物理和化學性質可以根據該物質如何、何時以及在何處沉積，初始存在的有機物質類型，及其隨時間的變化而發生顯著的改變，本文將該文獻的全部教導引入作為參考。因此，為了在商業實務中開採、交易和使用煤，對煤的類型和性質分類並標準化已經是很必要的。已經將煤從最低品質到最佳品質分別劃分為以下主要的「等級」1)褐煤(brown coal)；2)黑褐煤(lignite)；3)次煙煤；4)煙煤；和5)無煙煤。
褐煤水分含量很高，在開採時具有很低的BTU/lb值(大約3000BTU/lb)。黑褐煤是水分含量為20％至超過50％，且BTU/lb值為4000至大約7000的褐黑色煤。次煙煤是在黑褐煤中發現的沒有木質質地的黑色的煤；次煙煤含有高水分(通常為30-35％)，且BTU/lb值介於黑褐煤和煙煤之間。煙煤是化學成分變化最廣的軟質煤；煙煤的水分從5％至20％變化，並且BTU/lb值在10000至超過14000。在美國，煙煤主要發現於東部地區。無煙煤非常硬並具有相對低的水分含量(通常5％)，並且在開採時BTU/lb值在14000區域。這些等級中每一個還進一步分為亞類(參考ASTM，1981，D-2796，以及U.S.GeologicalSurvey)。在所有情況下，均發現煤從礦到礦、從煤層到煤層、以及在每個煤層中都是變化的，且經常變化很顯著。
一般說來，所有等級煤變化的最大範圍是BTU/lb＜4900至＞15400；水分 ＜3.0％至＞50％；灰分 ＜3.0％至＞35％；以及全硫 ＜0.25％至＞6.0％。
在單個的煤礦內部BTU/lb可以變化2500之多；水分可以變化13％之多；灰分可以變化13％之多；以及全硫可以變化3％之多。
因為煤在外觀、組成和性質上(從褐煤到黑褐煤到次煙煤到煙煤到無煙煤，以及每一等級內和每個礦或煤層或一撮煤之中)有很大不同，所以對於怎樣增強作為燃料的特定的煤性質的概括很難並且通常不可靠。這裡，煤是唯一地在個案分析的基礎上評價的。
B.煤資料庫資料庫是根據對大量的未處理煤和處理煤的測量而匯集的，這些煤包括但不限於，澳大利亞、中國和韓國的低硫煤，印度的多種煤、以及加拿大和美國的煤(包括阿拉巴馬州、佛羅裡達州、伊利諾斯州、俄亥俄州、俄克拉荷馬州、賓夕法尼亞州、德克薩斯州和懷俄明州)。
首先測試所有的原煤(mine-run coal)批次，以確定它們的平均性質。為了更好地接近於商業實務，從每一批次中選取額外的但獨立的原煤樣品進行處理；即選擇未以任何方式初次改變的樣品。對於這樣的過程，選擇足夠的樣品以確保它們的性質平均起來是有代表性的原煤。
已經使用前後一致的統計取樣方法來對數百種未處理樣品和處理樣品進行研究，如對其外觀、顏色、硬度、均勻性、大小和重量，以及對於處理的樣品其表面和內部溫度。該資料庫的一部分包括來自美國西維吉尼亞的南查爾斯頓標準實驗室(Standard Laboratories of SouthCharleston)對450種未處理及處理樣品的試驗結果，其中樣品測量包括水分百分比、灰分百分比、揮發分百分比、固定碳百分比、BTU/lb(原始，幹基，無水分和灰分；在下面定義)，硫的形式(全硫、硫鐵礦、硫酸鹽、有機硫中每一個的百分比，原始以及幹基)，Hardgrove易磨性指標(HGI)，總汞量，灰熔點和灰的礦物分析。
C.評價煤的測試方法和定義第一步是將樣品研磨成粉末，並用一小部分測定水分百分比。然後同一樣品的另一部分用於測定灰分百分比(「原始(as received)」意思是試驗前未對樣品作任何處理)。「幹基」是採用原始測量值並將它調整為假定樣品中沒有水分時的計算值。BTU/lb是採用相同的方式計算的；即，該值是由部分原始樣品確定，然後以無水分的基準(幹基)計算。然後進行相似的計算得到「無M-A」，該值是假定沒有水分(M)和灰分(A)的值。類似地，對原始樣品確定「硫的形式」，然後也以幹基計算。
在間歇和連續處理方式中進行隨機取樣，並比較目測的特徵和測量的性質，以便進一步驗證該結果代表了可從處理商業規模的量(每小時數十到數百噸或更多)得到的結果。
作為匯集該資料庫的一部分，對多種未處理和處理的煤，及其各自的組成如灰分、硫鐵礦和有機硫進行了實驗室測量。測量包括對寬範圍的電磁頻率的吸收和反射。使用介電性質監控系統測量煤的介電性質的改變，例如由對化學成分的處理效果引起的變化。該介電性質影響了該物質怎樣對電磁輻射作出反應。
在特別設計的自由空間微波配置(configuration)中首先試驗少量的各種煤，其中使用波導管來將微波輻射從微波艙室引導出至開放表面，在那裡可用各種低功率水平和時間對小樣品進行輻射，並觀察、監控和稱重。另外，在各種微波爐艙室中試驗更大的樣品。這些爐系統具有不同的艙室尺寸，並能夠改變應用的功率和時間。當觀察到小的和中等尺寸(達到5磅)的煤樣品的大多數燃料性質改善後，設計更大的艙室系統來改變可應用的功率範圍，並提供以間歇模式處理高達接近40磅的樣品的能力(見圖13-15所示的設備)。當這些試驗證明了用較小的處理系統和較小的樣品可獲得所追求的燃料性質的同等增強，則通過設計連續的、流通(flow-through)處理系統來實施進一步放大的步驟，每小時可以處理大約1000磅(見圖5-12)。用流通處理系統的處理試驗證明了燃料性質可以像在較小樣品尺寸的間歇模式處理試驗中那樣被改變；即，本發明處理方法可以很容易地應用於寬範圍的煤種和所需流量，同時獲得所需的燃料增強性質。
II.工藝方法A.整個工藝的概述整個工藝的步驟順序可以概括如下。
1)在寬的電磁頻率範圍測量煤及其成分電磁吸收選擇電磁輻射作為核心活性試劑來處理固體燃料/煤，必須理解它對煤及其各個成分都有作用。該信息可以從測量電磁吸收和反射以及特別是材料的介電常數而獲得。介電常數是物質的固有性質，並且它可以用於預測材料對微波和任何其它電磁輻射的反應。在本文中，術語「電磁」和「微波」輻射某種程度上可相互替換。在所有的情況下，可使用的電磁輻射範圍包括本文別處描述的、按某些標準可能認為屬於較低的「無線電」頻率範圍而非更高的微波頻率範圍的頻率，像有時使用的那些術語。
對幾種不同的煤(未處理的和處理過的)測量吸收和反射；並且也對煤的幾種成分進行測量，例如灰分、硫鐵礦和有機硫。在0.5-18GHz(500MHz-18,000MHz)的頻率範圍對東德克薩斯黑褐煤的同一未處理煤(上部曲線)和處理煤各自的兩個樣品測量電磁輻射吸收，報告於圖1中。在這些測量以及所有我們的吸收測量中，以下特徵是明顯的●從右到左吸收的整體下滑趨勢定量地顯示，當向低頻率移動時這種煤(及所有煤)吸收電磁輻射的效率更低；因此，輻射對煤的穿透在較低頻率時更大。
●在0.8GHz、2.45GHz、5.75GHz和11.6GHz所看到的，以及明顯從18GHz附近起始的峰點顯示為彼此相關；例如，11.6GHz附近的吸收峰頻率幾乎正好是前面吸收峰的頻率5.75GHz的兩倍。這些特徵出現在每個試驗煤的電磁輻射吸收測量中。我們相信這些特徵反應了對煤的一種或多種主要成分，或可能是對大分子(碳氫化合物或硫)，或兩者的特異應答。特別有趣的是，在所有我們的吸收測量中看到，(a)這些特徵在處理過的煤中仍然很明顯，但與背景相比顯著降低，並且(b)相對於背景(結合水)和峰值頻率的吸收水平，對處理過的煤而言顯著較低。
對這些測量所選擇的頻率範圍涵蓋了大多數的微波頻率，具有可能併入無線電頻率的較低頻率，依賴於這些術語怎樣定義。0.322、0.460、0.915和2.45GHz的知名的頻率對應於此範圍內的主要的電磁頻率，該範圍被批准用於國內並且某些用於國際應用。2.45GHz是最普通的，是全世界廣泛使用的廚房微波爐的頻率。0.915GHz是全世界微波乾燥應用所選擇的頻率，例如固化陶瓷製品，乾燥義大利麵食、貓狗食品、花生和無紡布等。注意它們接近於上述兩個峰值。在大約5.75GHz、大約11.6GHz和大約18GHz的峰表明這些頻率是該過程所用微波的額外選擇。
所述資料庫提供了足夠的輸入以繼續限定核心電磁輻射系統設計中要求的下一個步驟。下面(第7項)說明這種信息的使用。
2)對在微波應用中能夠獲得的且批准用於國內和國際應用的電磁頻率，計算電磁輻射透入溼煤和幹煤中的深度。
為進一步支持為理解電磁輻射與煤的相互作用進行的努力，在我們於多個實驗室對電磁輻射與材料的相互作用的進行研究基礎上，進行了大範圍的理論計算，這些實驗室在從20世紀60年代開始的整個期間內都致力於這類研究。這些計算包括對幹煤和溼煤、不同煤層、接觸和帶有的氣隙的情況，使用不同物理參數的電磁輻射吸收和反射的作用，以及對很多種輸入參數的溫度作用以及透入深度。支持實驗室的電磁輻射測量包括顆粒尺寸、形狀、表面粗糙度和電磁性質的影響的研究。
上述四個頻率的透入深度的計算提供在圖2中。儘管該計算是在25℃對非結合水或自由水(性質隨溫度變化)進行的，但在不同頻率透入深度的差值也應用於煤、特別是高水分的煤得到第一個近似值。換句話說，當移動到較低頻率，滲透增長非常顯著；例如，在0.322GHz電磁輻射透入水中超過它在2.45GHz時的30倍。很顯然，在我們的實驗室過程中，我們能夠在2.45GHz透入各種煤中比預期深3到4倍。我們將這種不同主要歸結於水被隨機地分配至整個煤中並且不在單煤層或多個煤層中；即，有通過煤的通道，在其中電磁輻射將遇到很少水或沒有水，因此在那些區域更容易透過或者在有些情況下直接通過煤。另外，當煤和它捕集的水分溫度增長時滲透增長非常顯著。額外的但更小的因素來自自由水和結合水在性質上的不同。重要的是要注意，在處理時煤的表面溫度經常發現是在70℃以及以上，當還尋求降低硫和灰分時，為後者。由於內部溫度甚至高於表面溫度，在處理時可以通過選擇合適的電磁操作頻率和仔細注意測量的溫度來確保深度滲透。
這類測量的重要性，特別是對於脫水的重要性，源自以下事實，即當移到較低頻率時滲透深度的增長超過了對於相對較小的水吸收效率(圖1)降低的補償。如果可以實現大型的工業化可行的生產量，這種關係直接導致了對增加待處理的煤深度的需要。
3)未處理煤性質的測定煤的範圍從軟的、潮溼的褐色材料到非常硬的、有光澤的黑色固體，並且其物理和化學性質根據該材料如何、何時及在何處沉積，初始存在的有機物質類型、及其隨時間的變化而顯著改變。尺寸和形狀、硬度、揮發性、碳含量、微量元素、燃燒和其它性質在每個煤等級內、從礦到礦以及每個礦內或煤層內均有大幅變化。
測定用於處理的所選未處理煤的以下性質水分、BTU/lb、灰分、硫的形式(例如硫鐵礦、硫酸鹽、有機硫)、尺寸、結構和硬度(易磨性)。測定考慮進行處理的任何未處理煤或原煤性質的第一步是按照公認的標準對煤取樣。這些標準包括ASTM標準D388(按等級對煤分類(Classification of Coals by Rank))、D2013(製備用於分析的煤樣品的方法(Method of Preparing Coal Samples for Analysis))、D3180(按測定的不同基準計算煤和焦炭分析的標準方法(Standard Practice forCalculating Coal and Coke Analyses from As-Determined to DifferentBases))以及美國地理勘察報告(Geological Survey Bulletin)1823(煤的取樣和無機分析方法(Methods for Sampling and Inorganic Analysis ofCoal))。對一些煤和黑褐煤，在結構(例如，光滑或粗糙或片狀)、顏色(例如，像一些粉狀的亞洲黑褐煤的褐色，黑色及堅硬的東德克薩斯黑褐煤，線狀或條紋的或雜亂的)和組成(例如，在一些黑褐煤中，重的或輕的具有明顯的灰或硫鐵礦片或甚至植物的木質質地的片或看得見的木材)、幹或溼、樣品尺寸的分布等有很大的可觀察到的不同。僅根據這類觀察到的特性也選擇一些用於試驗的未處理樣品，並且也選擇一些具有隨機混合的這些特徵的樣品，以充分測試在煤中觀察到的每種不同。由於沒有提供這種多樣性的單一的取樣標準，因此開發了可理解的和一致的取樣方法，由此這樣的不同都經過測試。
繼續本發明煤處理技術的增強煤的所有燃燒性質的目的，下一步是選擇富有經驗並廣泛公認的實驗室(例如Standard Laboratories，Inc.)，該實驗室經認證可以最廣泛地測試煤的可能類型的物理和化學性質。可以測量以下的性質水分百分比、灰分百分比、揮發分百分比、固定碳百分比、BTU/lb(原始、幹基和無水及無灰的)、硫的形式(全硫、硫鐵礦、硫酸鹽和有機硫的百分比，原始以及幹基)、HardgroveGrindability指標(HGI)、汞含量(PPM乾燥的)、灰熔點以及灰的元素分析。這裡所用的術語是由Standard Laboratories所定義的並且在煤測試界是通用的，而且已經在別處定義了。
以下各項是很重要的(a)由於它們不同的外觀，所以要測試足夠的樣品以超過覆蓋所選擇的那些樣品，(b)每個樣品都發送更大的超過試驗要求的量，(c)每種情況仔細地記錄用於取樣的標準，並且(d)保持送往試驗的沒批未處理料的對照樣品。收到試驗結果和實驗室未使用的剩餘樣品後，仔細地將結果輸入計算機是很重要的，例如，通過允許各種統計取樣、平均等的計算程序(例如，使用ExcelTM軟體)。仔細研究試驗結果以便揭示試驗結果和所使用的取樣標準(包括觀察到的外觀上的不同)之間的可能的相互關係也是很重要的。以這種方式，可能全面並適當地表徵性質的分布或範圍，這些性質可視為代表所取樣的煤批次的平均水平。
4)處理目標的確定(例如，尋求的性質和要處理的量)下一步，處理目標一般是(並不總是)由團體所確定的，該團體為自己的煤或根據他們特定的需要而引進的外地煤尋求改進的性質。這些目標可以包括對煤的一種或多種燃燒性質的改進，對所有的煤進行相同的改進，或處理一些煤達到更高性質閾值並將它與未處理的煤摻混以獲得需要的平均的整體性質。例如，燃燒低等級、低BTU/lb黑褐煤的公用工程廠經常引進更高等級的西部煤與低等級煤摻混，以獲得較低的排放和增加操作效率。
其它重要的考慮涉及尋求的通量。對於一些每年僅消耗25000-50000噸的小型用戶，可以間歇模式或間歇/連續模式進行較低成本的選擇。後一方法採用了裝煤的箱子或圓筒，其移至電磁輻射處理環繞系統(surround-system)下部的位置、處理、從處理器分開、以及沿著工藝路線移動到出口，當後續的裝煤容器移動至處理位置時卸料。對於多數煤處理和處理所要求的非常高的通量，採用連續的即時(on-the-fly)方式處理煤。這是對任何處理系統提出的最難的要求之一，並且是科學家們和工藝工程師不知疲倦地工作數十年，努力開發在燃燒前處理煤的有用的可負擔的方法的幾個原因之一，可是沒有成功。通量對於處理系統的設計和操作的重要性在以下的第7部分示例性地進行了描述。
5)使用小型(10-40磅)實驗室試驗測定每種煤對關鍵工藝參數的實際反應該煤是在實驗室控制的裝置中進行處理前測試的，以直接測定煤對設計用於該領域的處理系統的反應。來自這個試驗的資料確保了處理系統可以真正地實現所設計的目標。對該煤批次進行系統取樣並處理，以確保該結果為核心處理系統的設計提供了重要的輸入。
該試驗利用了為此目的特別設計的通用的實驗室處理系統。該實驗室系統具有以下特性●微波頻率為2.45GHz。根據圖1和圖2所得到的資料，研究者可以在不同於為場(field)應用設計的處理系統的頻率來「預處理」該煤，並且隨後研究者可以將在此頻率的結果與在場系統頻率的期望值聯繫起來。這種相互關係已經被進一步證實，其證據為從同一批次得到的處理煤，兩個以連續模式使用不同頻率及一個以間歇模式使用與其中之一相同的頻率，在性質上具有良好的一致性。
●提供具有簡易的前部裝載並能處理10-40磅的密封微波爐防漏室用於照射所述樣品；處理的更小則更難確保處理了足夠量的樣品以合適地評價它們對為煤的場處理所設計的多參數系統的反應。
●該系統提供了能將應用的電磁功率改變到從數百瓦至3000瓦範圍的任意量的能力。這個靈活性部分地由於我們所使用的三個磁控管，由此，功率在這樣短的時間間隔中是循環(duty-cycled)的，以便大致相當於能瞬時改變功率水平。
●上述的三個磁控管被小心地定位以獲得「合適」的場方位。例如，可以將三個磁控管1002的每個輸出分別通過矩形波導管引導進入處理腔，在其路徑上有調諧器1003和功率監控埠1004(見圖13)。微波偏振方向(沿其方向電場振動)垂直於腔入口處的波導口的較寬的側面。任意兩個相鄰的輸入偏振必須合適地定向，例如，為了使每兩個磁控管源的耦合最小化，而互相垂直。同樣地，三個入口合適地定位於腔內，以便使不必要的磁控管相互作用最小化。磁控管可以單獨使用或一起使用，每個的功率水平均可選擇。移動探測器在前述調諧器中的位置以及深度的調節(或設定)，通過源和負載之間所謂的「感應匹配」提供了有效的微波功率流。如圖13所示，通過與功率監控埠1004連接的探測器容易地監控調諧。使用水進行廣泛的定時和溫度試驗，其中在每個微波功率監控埠1004測量流入所述腔中的功率數值，以及在腔中各個位置測量給定量的水的溫度升高，得出吸收的準確功率。測試和驗證了混合方式[即，在微波艙室中電磁波的圖形和波形]。進行校準。將廣泛的空氣調節用於該艙室，並單獨用於電源，以確保它們的穩定性。
●該系統也提供了控制含有或不含有惰性氣體的氣流量的能力。設置了入口埠來迫使氣流進入和離開埠/為氣流攜帶的液體和從該處理艙室散出的氣體設置了俘獲槽(capture cell)。在處理過程時，有一個埠可用於進行煤表面溫度的艙室內(in-chamber)遙感測量是有益的。
這個系統並不需要實時測量水分含量、灰分含量、硫含量或微量元素含量，或與處理控制相匹配的反饋系統。具有相似能力的任何系統均可實現本文提出的目的。
通過Standard Laboratories和其它煤測試實驗室進行的煤測試的第一步在於對樣品進行研磨，然後測定所尋求的性質。處理返回的研磨樣品與工業化實踐中處理煤的方式產生衝突，使得有必要表明，通過處理相同的煤但在處理前對其進行研磨來處理原煤可以得到相同的結果。
基於上述涉及的內容，我們選擇總是處理原煤而不研磨在它們的試驗後從Standard Laboratories返回的煤。為了提供比相同的煤在處理測試前及測試後更有代表性的結果，為每批次要處理的煤選擇兩套不同的未處理原煤。這個方法要求，在每套未處理的煤中以及處理過的煤中測試足夠的樣品，以確保該方法是真正統計學顯著的，並確保它合適地表徵了未處理煤和處理煤的平均性質。這些測量的顯著再現性強烈地支持了這個方法；例如，當以相同方式處理時，具有準確起始重量的不同樣品總是損失了相同重量。另外，當處理相同煤的研磨樣品時，在結果中我們不能獲得相同的處理系統的效率或一致性。
注意，在該方法中的這個步驟是要進一步確定和改進為其目標煤而設計的核心處理系統，而不是取代最終處理系統的全部試驗。
6)每種煤原始資料的收集收集原始資料，例如考慮處理的每種煤的位置(煤礦或煤應用)、它們的量以及它們的運輸(傳送帶或卡車或駁船和/或運煤火車等)、可利用的系統安置(footprint)空間、可用的電力和成本，以及怎樣最好地將煤送往處理機及運回。場所因素、處理系統尺寸、構造和設計會直接受一些考慮的影響，例如在礦山或電廠位置是否有足夠的動力和水的、可利用的系統安置空間(在電廠通常會受限)、以及當地的煤運輸裝置和速度。在很多礦山和電廠都採用傳送帶，它們具有各種規格、速度和帶材料。由於期望現有的傳送帶可運輸煤往返於處理系統，並且在一些情況下，甚至要經過處理艙室，所以要根據所關注的輸送系統設計和制定處理系統送入和送出原料的尺寸。如果傳送帶經過處理艙室，它們的材料就變得特別重要，並且在處理系統的設計和操作時必須加以考慮；例如，金屬(電磁反射)或非金屬(電磁吸收)帶材料引入了非常不同的電磁效果，並且篩網遺漏了細小的顆粒，其可導致運輸系統中的機械問題。
無論該傳送帶是否通過處理艙室送料，還是接入處理系統的煤送料系統，該傳送帶的裝載量和速度也直接決定了處理系統的通量能力和操作。
7)使用得自上述1至6的信息，開發為所選擇進行處理的每個煤批次所設計的核心處理系統以下試圖作為基於電磁輻射的處理系統的設計實例的初排(walk-through)，該處理系統用於對給定的固體燃料或煤類型獲得特定的處理後燃燒性質。
初始的假定、要求和選擇以含水23％及BTU/lb 8000為目標處理含水36％及BTU/lb 7300的未處理黑褐煤(與下文試驗結果部分表3的煤匹配)。然而表3列出了在中等功率(5-20kW)短時間(10-120秒)處理很小量樣品(幾磅)的結果，這個實例的目的是為如何處理以大得多的量、進而以高得多的功率及相當的停留時間來處理相同的煤提供指導。
設定通量為每小時10噸(TPH)或每年66000噸(基於330天每天20小時)，並且黑褐煤是以連續或即時基準處理的。速率(這裡是10TPH)通常由用戶根據現有的礦山輸出量或要處理的部分輸出量，以及現有的煤處理系統或處理待處理的煤量所需對其進行的改造而選擇。
由於從第一煤礦研磨崗位出口的尺寸最大的黑褐煤塊的最大尺寸接近8英寸，因此處理艙室入口狹槽和其它煤通道間隙是高度為9-10英寸。否則，需要用預處理步驟來篩出大塊或將其破碎成更小塊。工作間尺寸很重要，並經常會限制電磁輻射系統設計參數(參見以下)。
對於電磁頻率的選擇參考圖1和圖2。
2.45GHz的磁控管(產生微波的基本元件)主要用於相對低功率的實驗室，商品和廚房微波爐應用，並且未製造成具有根據本文所述方法有效處理煤所需要的高功率(例如75kW或更高)。另外，2.45GHz並不提供所述煤量和煤承載深度所需的滲透。用於在此頻率最佳設計的電磁輻射系統(高效率、均勻且安全)的波導管和工作間的尺寸太小而不能容納大於1-2英寸的煤。
0.915GHz是許多電磁輻射乾燥應用的頻率選擇，且75kW和100kW的磁控管已得到證實，並且有廣泛應用，並能組合在一起獲得大規模煤處理所需的功率水平(見下文)。有限的滲透深度和很小的電磁輻射系統尺寸限制了將這個頻率用於相對小尺寸的煤的低通量處理。
在美國不製造產生0.460GHz電磁輻射的磁控管，並且在其性能、維修以及滿足承諾的交貨時間表上都存在困難。
在美國生產對於商業市場相對新的、具有多種功率的能產生0.322GHz的磁控管。
其中，例如每小時處理10噸(20000磅)煤，降低13％的水分相當於每噸脫除260lbs的水，或者在此情況下每小時2600lbs的水。
處理前及處理後立刻測量樣品重量，可提供與降低的水分百分比直接相關的信息。處理結束後30分鐘以及24小時之後再次測量重量，發現重量進一步降低。合計後處理後重量的降低為3-5％。我們非常保守地估計，在活性電磁輻射處理前，使用預加熱段(例如，採用熱輻射或紅外線輻射，其頻率與後來在獨立的艙室中或在艙室中獨立的部分所使用的電磁輻射的頻率不同)可以進一步降低重量2-3％。將此處採用的實施例綜合起來，需要通過該過程的電磁輻射段達到的水分降低13％的目標可以被保守地降低到大約8％。由預加熱而產生的降低導致用電磁輻射處理需要每噸脫除160磅水，而不是該實施方案所需要的260磅。
以100％的效率，在環境溫度下1kW的電磁能量每小時可以蒸發3.05lbs的水。對於設計合理的電磁輻射系統，98％的能量被吸收並轉化為熱量。用於參考，1kW應用的電磁能需要大約1.15kW的電並蒸發2.989lbs的水。因此，每脫除160磅的水需要61.6kW的電(即，160磅乘以1.15kW/100kW施加的電磁功率除以2.989磅)。從上述內容，我們得到每小時需要的功率是533kW(20,000磅除以300lbs的水乘以8％/100kW)。因此，可以使用三個獨立的200kW系統。依據系統可用的安置空間和適合該位置的材料處理系統，處理系統可並聯或串聯使用。
其它的處理參數和觀察資料●在傳送帶處理系統中的處理時間和停留時間依賴於處理工作間的尺寸和結構、可用的電磁功率和樣品尺寸，處理時間(在此期間對樣品進行輻射)通常為5-45秒。小的樣品需要較短的處理時間等(見表3)。處理高通量的停留時間可以適當地縮放，可是現有功率的限制要求僅能通過結合幾個獨立的處理系統來得到高通量(每小時數百噸)。
●工作間氣氛(atmosphere)提供明顯的氣流帶走處理所產生的液體和氣體。不足的氣流會導致工作間牆面上凝結水分，導致電磁效率的損失以及電弧和可能的燃燒，這些必須要避免。要求的氣流量依賴於處理工作間的尺寸、處理的樣品大小、釋放入工作間的副產品量、空氣溫度等。檢查氣流足夠的最簡單的方法是，定時停止處理以觀察工作間表面，看看表面是否潮溼。同時，觀察可能由熱點導致的煤的斷裂和任何可能的泛灰或變紅也是有益的。最後，如果看見副產品通過管道系統或捕獲盤管(capture coil)離開工作間，那麼氣流基本是適當的。
●煤的溫度僅僅為了降低水分，煤表面溫度應該保持在或低於100℃。這很容易用手持(紅外線)溫度傳感器監測或位於處理工作間內的測溫探針遠程監控。
●惰性氣體的使用如果煤的溫度保持用於在降低水分的推薦水平，應該沒有發光和燃燒，並且也不需要惰性氣體。在使用惰性氣體的實施方案中，惰性氣體可以每小時至少15立方英尺的速度流過該工作間。
●氫
氫氣對於降低水分不是必需的。儘管在該過程的降硫段期間可以供應氫氣。
●水分、灰分、硫、微量元素和溫度的在線測量實際中，將測量和反饋系統偶合來處理參數，例如電功率、施加的電磁功率(和改變功率水平及其開/關工作循環的能力)和處理時間，以確保獲得性質的目標水平，並且不會欠處理或過處理。
對於這裡給出的實例，並且如果所有其它的都按照上述推薦，那麼僅需要改變施加的電磁功率和曝露時間，且僅需要監控表面溫度。
●燃燒性質的室內和煤認證的測試實驗室的測試由於重量損失和水分百分比降低之間有直接關聯，在處理前和處理後以及甚至在處理期間進行重量測量是處理進程的一部分。最後，煤測試實驗室可以提供水分百分比和BTU/lb的快速準確的測量，以進一步驗證達到了目標水平。
8)研究當地的、州的和聯邦許可及規章的要求，以及它們對處理系統設計和操作的影響，包括副產品的收集和處理是否可能設計能滿足上述所有要求的乾式單步處理系統？答案是，可能。可是在結束能對特定煤提供所尋求的特定性質的智能處理系統的設計之前，首先要仔細研究所有當地的、州的和聯邦的許可和規章對處理系統應用區域的要求是很必要的；那些要求能夠並經常影響煤處理系統的設計和操作。考慮了這些要求之後，就可以按需要修改上述核心處理系統。
煤礦和燃煤公用工程廠具有不同的要求，經常會導致用於這兩類運行地點甚至一指定類的系統的設計和操作的不同。例如，即使「新」煤被證明是更清潔並對環境更好的，許多公用工程廠也必須尋求進一步的批准，以處理和燃燒任何與當前許可使用的煤具有不同性質的煤。這甚至會要求設計的處理系統單獨地或集中地滿足某些燃燒的要求，例如SO2或NOX或CO2的限制排放。一些要求類似於經常使用的術語「環境影響報告」。這些要求的例子包括●該過程中排放的液體、固體和氣體排放物液體、固體和氣體排放物可以用圖4所示的元件控制。即使包括其處理的所有副產品的系統也必須進行認證，以滿足強制的處理和收集的要求。
●該過程中散發的氣味過程副產品的密封本身並不能消除氣味；但必須通過副產品氣流系統使氣味最小。如果有明顯的殘留氣味，那麼必須通過空氣載體添加材料來吸收或最小化氣味。
●燃燒和爆炸的控制標準過程和系統可用於滿足這些要求，例如溫度傳感器、紅外線探測器和成象系統。
●粉塵的控制雖然在任何煤處理環境都是一個顧慮，粉塵的產生主要伴隨著煤進入和離開工作間。由於預期這種煤的運輸部分是通過使用已有的現場傳送帶來完成的，外部的粉塵應該是很小的。產生於系統的粉塵將通過副產品處理系統控制。
●空氣汙染(包括霧氣和煙霧)、化學品和危險品進行裝船前合格測試以驗證系統是無空氣汙染或基本上無汙染。除了可能使用惰性氣體(其不被認為是危險品)，在系統未使用或引入化學品或危險品。
●電磁輻射的安全和密封嚴格制定了暴露於微波輻射的安全等級，要求每個及所有使用微波輻射的處理系統需經認證滿足這些等級和指導方針。許多大規模微波乾燥系統的製造者都通過配置他們的系統來滿足這些規定，然而其配置方式無法實踐也不適合煤處理所要求的大通量。
一種解決方案是使用其中一個微波系統製造者，其集中於最小化或完全容納微波；即，沒有可檢測的洩漏。重要的是需注意，處理後從微波艙室中取出的物質甚至在微波輻射離開後仍會在短期內釋放一定程度的微波輻射，包括從廚房微波爐取出的食物，儘管這些水平已經很低。除了阻止微波排出的內部系統設計，可以用適當安裝的金屬屏或金屬粉塵帶從外部屏蔽系統。在任何情況下，可以進行規則的和系統的測量搜尋微波洩漏，以確保安全的系統不受損害。可以對特定引用購買或設計並建立微波洩漏檢測器。
9)核心處理系統的修改基於上述8的資料，可以按需要修改核心處理系統的設計。
10)四個主要處理子系統的設計、安裝和試驗設計、建造和分別試驗四個主要處理子系統(即，預熱系統、電磁輻射系統、多參數測量和反饋系統以及副產品處理系統)。
11)當一起操作時，四個子系統的結合與功能試驗下一步是，當四個子系統一起操作時，對其進行集成並進行功能性測試，接著進行完整的端端相連的(end-to-end)處理系統的合格和驗證性試驗，採用該過程設計目標的煤批次的樣品進行端端試驗。
當開發由幾個子系統組成的，使用實驗室和工業化設置，甚至用於需要經常對設備進行遠程操作的海洋、大氣和空間環境中的主要系統，上述步驟10和步驟11提供了被證實的、有效並且標準化的使用方法。
12)現場安裝下面成功地完成了整個處理系統性能測試，定製並完整測試的智能處理系統運送至其目標操作位置。到達後，該系統被進一步測試以確保沒有因為處理和運輸導致的變化。然後，根據需要，將該處理系統搬至預想的位置並連接已有的現場煤處理系統或其適當改裝的系統，電路連接，水、氣和惰性氣體發生系統，並在使用前進一步測試。
B.控制、監控和管理如果不進行控制以通過選擇頻率或其它過程參數來改變順序，該過程會導致煤基巖(coal matrix)的破裂，及隨後的水、然後是灰、然後是硫的釋放。對於一些煤，各階段是獨立並明顯區別的，而對於其它煤各階段是有重疊的；例如，對一些煤，當水分仍在釋放時，灰分和硫開始釋放。
為了提供對處理過程的整體均勻性的某些測量和監控，當處理煤時，在處理工作間內的幾個位置測量煤的表面溫度。因為煤的大小、形狀和性質是不均勻的，並且不均勻分布在傳送帶上，所以可以考慮用這類溫度測量來提供有代表性的平均數據。另外，因為該煤經過了破碎，所以一些測量溫度可以接近內部溫度，而內部溫度通常較高。通過調整這類區域所需要的微波功率，目的是要具有避免溫度大變化的能力。
從煤中的水分釋放可以通過幾種方法中的任意方法來收集，例如但不限於●水分可以凝結在工作間的牆上，並被幹空氣向下壓而進入處理艙室下部的收集和存儲系統；●飽和了水分的空氣可以用強迫幹空氣(正壓)沿著處理艙室的軸線排出該處理艙室，並隨後通過凝結收集空氣中的水分；並且●飽和了水分的空氣可以用強迫幹空氣(負壓)抽出該處理艙室，並隨後通過凝結收集空氣中的水分；小顆粒(不是微細)和氣體被空氣推動到俘獲槽，在那裡對其進行收集、分離和儲存。
如果脫水和BTU/lb上升是所尋求的性質的主要或僅有的變化，那麼可以包括在線水分分析器和反饋系統。這個系統可以測定處理過程何時達到提供所需BTU/lb所要求的水分水平，並且，然後根據需要，該系統可以改變或停止處理。
如果灰分和硫的特定降低是尋求的主要改變，那麼可以包括在線化學品(硫和灰)標記(signature)水平分析器。以前，可以任意地使用反饋系統來改變或停止處理。任選地，也可以按需要使用離線取樣、稱重和測試站。
在實踐中並且對於大多數煤，需要在線或離線進行最小的取樣和試驗，並且處理的操作者能使用已有的經驗去判斷何時達到需要的煤性質水平。離開處理艙室的煤進入為適合系統位置和處理流速(噸/小時)而設計的卸料溜槽；例如，該溜槽可以設計為向裝載站給料，與其它傳送帶匹配等。
整體結果是，具有定製系統能力的這種處理方法能產生設計的煤；即，可以根據每個客戶的選擇，將任何等級或形式的煤處理成具有眾多性質中任意性質的新的和不同的煤。亦即，這些方法可以用於產生具有多種在原始、未處理煤中未發現的增強燃料性質的新煤。
C.方法的實施方案圖3說明了示範的方法100的流程圖。方法100說明了改進諸如煤或其它碳基燃料的燃料燃燒性質的處理和操作步驟。方法100可用任意的系統和設備來執行或實施。以下示例性地，按圖4所示對採用系統200實施的方法100進行描述；並且系統200的各個部件在解釋圖3的示例性方法時進行了引用。本發明也可以在其它系統和過程中實施和執行。附圖中所示的標記，將詳細引用以示例性地描述本發明的實施方案。相同的附圖標記在所有圖中和以下的描述中指相同或相似的部分。
在圖3中所示的每個塊代表了一個或多個在示例的方法100中實施的步驟。在塊102中，示例的方法100開始於塊102，在此，接收原料燃料用於處理。例如，如下所述，可以通過方法100在圖4所示及以下描述的原料燃料部分202中接收原料煤用於處理。
在一些例子中，限定原料燃料的尺寸。通過破碎裝置將原料燃料取成預定的大小。例如，可以通過圖4所示及以下描述的原料燃料部分202確定原料煤的大小。
塊104接著塊102，在其中確定燃料的組成性質。分析該燃料以確定組成性質，例如燃料的水分含量。例如，可以將水分分析器與處理傳送部分204和/或反饋系統206(示於圖4)使用確定燃料的水分含量。
塊106接著塊104，在其中確定客戶需要的煤的性質。使用所需的燃料性質和原料煤組成來建立所選處理系統的「設計」參數。應用能量的功率和持續時間可以基於所需的諸如水分含量的燃燒特性，並且也可以基於燃料相對於電磁輻射發生器208(示於圖4)的相對速度和通量。應用能量的「持續時間」可以是工作循環的形式，由此循環開啟和關閉功率以提供降低的平均功率水平。在上述實例中，用原料煤的水分含量和需要的性質來確定波能的量和其它需要產生所「設計」的煤的工藝參數。利用水分分析器，反饋系統206可以監控燃料並選擇性地調整電磁能量的功率和持續時間，以獲得需要的水分水平。
在以下所描述的系統實施方案中，一系列電磁輻射發生器(類似於208)可以被激活以對煤床提供所選量的電磁能量，該煤床位於經過電磁輻射發生器附近的傳送床或過程傳送裝置204上，以便有效地滲透該煤床以從煤床除去特定量的水分、灰分和硫。
塊108接著塊106，在其中將電磁頻率、波能和惰性氣體的量應用於該燃料。如以下系統實施方案所描述的，該系列電磁輻射發生器可以被激活以對該燃料應用特定量的波能。
塊110、112和114接著塊108，在其中從該燃料中除去或收集副產品。作為電磁能被電磁輻射發生器208應用於該燃料的結果，可以從該燃料中產生一種或更多種副產品，例如過量的水分、灰分或硫。如下面進一步的描述，這些副產品被收集在塊110、112、114之一。例如，在塊110中，從該燃料除去或收集一定量的水分。在塊112中，從該燃料除去或收集一定量的硫。在塊114中，從該燃料除去或收集其它副產品。作為電磁能量應用於該燃料的直接結果，該燃料的燃燒特性得到改進。該改進的燃料被收集或接收在增強燃料部分116。
D.處理燃料的參數煤的大小、形狀、硬度、揮發分、碳含量、微量元素、燃燒和其它性質變化很廣泛。因此，選擇的煤處理參數也將變化很廣泛，其根據以下因素而變化欲處理的煤量、用於處理的有效時間和空間、處理煤是否以單爐模式還是以連續模式還是其結合方式、執行處理的目的和想要使用的煤。與上述不同的，關於處理參數不容易作出歸納，儘管如下面概括的，可以鑑定用於處理的適於使用的範圍。
1)電磁波能量電磁發生器的合適頻率可以在100MHz以下到20,000MHz以上的範圍。可以同時或交替或分階段使用單一頻率或者多頻率。該單一頻率或多頻率可以是連續的或脈衝的或循環工作(即，以與廚房微波爐功能非常相似的方式定時開/關電源)。
2)功率電磁發生器的功率可以是100瓦至100,000瓦，延伸到兆瓦。
3)處理時間根據處理目標，適合的電磁輻射時間持續時間是5秒至45分鐘。
4)能力當系統被設計為間歇模式，系統的能力可以從數盎司至數噸。在連續處理系統中，每小時可以處理數十磅至數百噸。工作間的氣氛可以是乾燥的氧氣以在波能和處理結果上提供更多的均勻性。惰性氣體的氣氛阻止了處理時諸如SO2、CO2和NOX的產生，並降低或消除了發光和/或燃燒的危險。
5)煤和空氣的溫度處理時，煤的表面和內部溫度可為環境溫度至大約250℃。
有關的處理參數是處理煤的表面溫度以及處理艙室內空氣的溫度。如果定期測量煤的表面溫度，那麼能更好地評價和理解實驗室試驗裝置中的電磁輻射處理；很容易採用手持紅外線傳感器和位於該艙室內的測溫探針進行這些測量。對於大規模，連續的煤處理，這樣的溫度測量和監測甚至更為重要。為每套不同的待處理煤分別預設溫度閾值，並根據處理的目標決定(例如單獨降低水分水平或與其它的降低結合)。高水分煤會比低水分煤更容易吸收電磁輻射，並且因此更快達到給定的溫度。即使用惰性氣體避免燃燒，達到或超過點燃閾值溫度也會產生煤的BTU/lb的損失。因此，處理系統提供了偶合的溫度測量和反饋系統，以確保如果溫度達到這些閾值，會引發諸如應用微波能或停留時間或氣流的處理參數立刻改變。這樣的溫度閾值可以是為每套明顯不同的煤批次性質而實驗室預定的；可選擇的是，可以根據處理經驗確定溫度閾值。
另一類型的溫度閾值與材料的變化有關，這裡特別關注的是硫。硫蒸汽的主要形式在119℃融化並且是黃色的，在高達160℃時是透明的液體，其中硫經過分子的轉變，由此硫原子產生了黑的粘性液體。換而言之，119℃以下或160℃以上的溫度在煤中產生了物理和化學性質非常不同的游離硫和結合硫，並且如果能以任何可預知的方式降低硫含量就必須考慮。在處理試驗時我們已經觀察到每種這些不同形式的硫。作為另一個實例，在開始處理的幾秒鐘內，甚至在釋放水分之前，取樣的許多種煤的一批次煤散發了黃色煙雲。沒有其它煤以這種方式反應。相似的預處理試驗的考慮也適用於灰，通過這種處理方法其一般先於硫釋放。為了方便，最大的溫度限制可設置在大約200℃，並且因為較高溫度可能引入其它的、不需要的煤變化或可以導致煤的性質變化太快而不易控制。
最後，檢測到高於預期的艙室溫度可以是燃燒的跡象，並且可能成為安全的顧慮也是處理的顧慮(即，提供更多的理由來包括溫度監測和反饋系統作為所有處理系統的組成部分)。視覺監測和遠程成象系統也可以用於確保足以滿足安全和處理的顧慮。
6)氣流氣流是重要且多用途的處理參數。乾燥的、過濾了顆粒的空氣是特別合適的，氣流的量依賴於處理艙室的結構和尺寸，以及煤怎樣進入和離開該處理艙室。
控制的氣流有助於在處理艙室中混合空氣，確保該處理艙室中加熱分布更均勻。空氣是處理過程中產生的諸如水分、細小顆粒物質和任何氣體的過程副產品的載體。在所處理(即裝載)的批次對於處理艙室的尺寸、形狀和使用的功率水平而言足夠大時，足夠的氣流消除了處理過程中任何電弧和火花的可能性。
沒有氣流，水分凝結在處理艙室牆壁上，有幾個負面影響。溼的表面吸收一些電磁輻射，並因此降低了系統的總體效率，而需要更長的處理。另外，水滴在煤上並產生了不均勻的加熱，和電磁輻射通過煤的不均勻滲透，使得更難獲得一致性的或代表整個處理的煤批次的結果。結果是接近被處理的煤批次底部的一些煤不會被微波輻射完全滲透，而且也不會破裂到與更接近於該批次頂部的煤相同的程度，並因此，不會有相同量的成分釋放。最後，上述不均勻的加熱會產生所述的熱點，其是火花、點燃和燃燒的前兆，在處理時所有這些都需要被避免。
設有氣流但未使用副產品收集和儲存系統，可以看見蒸汽從過程中散出。對於僅僅短期的處理，在處理時就可看見無色的水蒸汽在處理艙室散出。當處理繼續和/或使用其它的處理參數以除去其它成分時，蒸汽變成有顏色的，蒸汽首先有微黃的顏色並有硫和硫化合物存在所特有的氣味。繼續的處理會產生載有釋放的其它形式的硫和灰的暗黑色的氣體和液體。例如，硫可以在130℃-240℃的溫度釋放。如果處理足夠長的時間，碳氫化合物和焦油最終也會釋放，由於會導致煤的熱量損失，因而最後的兩種物質是不希望的。
7)惰性氣體在處理艙室中使用惰性氣體是任選的。當在處理艙室中使用惰性氣體，惰性氣體的量依賴於處理目的。
使用惰性氣體(優選幹氮氣和氬氣)具有幾個目的。幾種因素中任何一個都對導致煤批次或樣品或部分大塊煤的過熱部分到達會點燃和燃燒的程度。處理時，在處理艙室中使用氮氣或氬氣會阻止煤的燃燒。氮氣易以乾燥、氣態形式獲得，罐裝並計量用於實驗室使用，並且20-25CFH(每小時立方英尺)提供了足夠的流動以帶走在小的廚房尺寸的微波艙室中進行的處理過程中產生的液態和氣態的副產品，從而阻止燃燒。較大的艙室要求適當比例的更大體積的氮氣流。在其它應用中可以且廣泛應用可商業購得的變壓系統；當需要大量的氮氣，例如在煤礦或燃煤公用工程廠處理煤時，這些系統直接從空氣中獲取氮氣。如果僅僅想確保在達到不想要的碳氫化合物及特別是焦油相(其中由過高的溫度閾值或處理太長時間而產生的化合物可形成有害物質)之前就停止煤的處理，由於相比氬氣，氮氣的來源廣泛且價格更低廉，因而氮氣是惰性氣體的選擇。在處理艙室中使用惰性氣體氣氛也可阻止處理期間諸如SO2、CO2和NOX的氧化物的產生。
8)氫在處理艙室內使用氫(例如通過氫發生器引入)是任選的。可以引入氫以進一步控制處理煤時煤中存在的變化。
9)處理艙室中的氣壓處理艙室中的壓力通常是一個大氣壓，在一定海拔(超出海平面)處理時，當/如果需要，處理參數可以改變。有些情況下也可以使用真空。
10)在線測量系統可以設置在線測量系統用於測量水分、灰分、硫、微量元素和處理艙室的溫度。按需要，設計所有這些用於提供反饋以調節過程參數，以確保可以獲得目標水平並且不會過度，並因此確保煤不會欠處理或過處理。
III設備-實施方案AA.原料燃料部分圖4所示的系統200包括原料燃料部分202。原料燃料部分102可以是個儲存容器以收集原料煤或接收被設備處理過的原料煤。一般地，原料燃料從諸如煤礦的遠方接收，並在原料燃料部分202收集直到進一步處理。原料燃料，例如黑褐煤、無煙煤、煙煤、次煙煤、低硫煤、高硫煤和摻混煤，可以存於原料燃料儲槽直到需要時。所選量的原料燃料通過原料燃料部分202控制尺寸以利於由系統200的其它部分處理。原料燃料部分202也可以包括一系列的一個或多個煤破碎機設備，其將相對大塊的煤破碎成較小塊的煤。原料燃料部分202可以包括設備，例如但不限於粉碎機、煤破碎機、球磨機或研磨機。通過實例的方式，煤破碎機可被用於將原料煤尺寸控制在大約4英寸(10cm)直徑。根據本發明的各種實施方案，可以採用更大或更小尺寸的煤或其它燃料。
B.其它互相協作(interact)系統原料燃料部分202之後是過程傳送裝置部分204。過程傳送裝置部分與原料燃料部分202互相協作以接收預定量的待處理燃料。
過程傳送裝置部分204也與反饋系統部分206，電磁輻射發生器部分208，空氣處理系統部分210和處理燃料部分212互相連接。
C.反饋系統反饋系統部分206與過程傳送裝置互相協作以確定燃料的特性，例如燃料中的水分百分比或灰分百分比。反饋系統部分206包括水分傳感器214、溫度傳感器216、灰分分析器218和光譜化學分析器(spectro-chemical analyzer)220。例如，使用一些或全部這些部件，可以確定用以脫除燃料中特定量的水分所需的微波能量的近似量和持續時間。其它的可被確定的成分性質是特定量的灰分、硫、氫、碳、氮和燃料中的其它化合物和元素。
需說明的是，其它的設備或方法也適用於確定燃料的一個或多個燃燒特性。這類設備或方法可以在線或離線使用。這類設備和方法包括但不限於，水分分析儀、灰分分析儀、溫度傳感器和光譜化學分析儀。
反饋系統部分206和過程傳送裝置部分204還與過程控制部分222互相協用。過程控制部分222與電磁輻射發生器部分208互相協作以提供反饋控制或來自反饋控制部分206的其它指示，以控制電磁輻射發生器部分208。
D.電磁輻射發生器電磁輻射發生器部分208對過程傳送裝置部分204處的燃料應用微波能量。電磁輻射發生器部分208包括一系列相對於在過程傳送裝置部分204處的燃料定位的磁控管；根據預定的特性如尋求的水分百分比，該磁控管將電磁輻射能量引入燃料中。
例如，電磁輻射發生器部分208的每個磁控管可以受控制以調節功率、持續時間和其它參數，來提供足夠量或品質的波能來滲透燃料並脫除目標量的水分。電磁輻射發生器對本發明的燃料提供了特定的、預設量的波能。使用通過反饋控制部分206收集的信息，例如水分含量測量，過程控制部分222可以選擇性的調節每個發生器以對過程傳送裝置部分204處的煤床提供特定量的能量，直到從煤中脫除了特定量的水分。
應說明的是，可使用其它的設備和方法作為波能裝置來對燃料應用預定量的波能。這類設備和方法包括但不限於，磁控管、速調管和振動陀螺儀。
應說明，較低頻率的電磁能量比更高頻率更深地滲透入諸如煤的燃料。適合系統200的電磁輻射發生器產生了100MHz-20GHz的頻率輸出。根據本發明的其它實施方案，可以使用其它頻率的波能。
波能的功率可以是脈衝的或連續的。在上述提供的實例中，發生器可以連續的功率提供波能。為了調整用於燃料的波能，波能輸出也可以恆定的頻率和規則的時間間隔形成脈衝。在特定的實施方案中，每個來源的功率為至少15kW頻率928MHz或者更低，且其它的實施方案是在至少75kW頻率902MHz或更高。
另外，根據在由一系列發生器輸出的波能範圍內輸送的特定燃料的「通量」速率，可對每一發生器進行控制。通量速率可以定義為在特定時間段內，特定量的燃料通過所述波反應器的速度。例如，諸如煤的燃料的通量可以是每分鐘200-400磅(90-180kg)。
應注意，根據燃料的類型、燃料的條件和燃料環境或煤本身的其它特性，可以用各種量和性質的電磁能處理每種燃料。
E.空氣處理系統空氣處理系統部分210為過程傳送裝置部分210提供副產品收集。空氣處理系統部分210包括水分收集/儲存部分224、氣體收集/儲存部分226和副產品收集/儲存部分228。空氣處理系統部分210從處理過的燃料收集並儲存副產品。例如，對原料煤應用電磁能量在過程傳送裝置部分204產生水蒸氣和凝結水。水分收集/儲存部分224收集凝結水進行儲存和後續使用。可以通過氣體收集/儲存部分226收集水蒸氣和氣體用於後續使用。通過副產品收集-儲存部分228收集來自過程傳送裝置部分204的其它副產品用於後續使用。
F.後處理設備來自過程傳送裝置部分204的處理後燃料的剩餘物被轉移或收集至處理燃料部分212。這類設備可以是，但不限於儲存鬥、機動軌道車、儲料堆或傳送帶，直接輸送至燃燒過程(未示出)。
然後，從處理燃料部分212來的燃料可以用於燃燒過程，例如燃燒爐和蒸汽鍋爐結合。本發明處理後的燃料也可用於其它普通的燃燒過程。
G.進料器和傳送裝置系統圖5是現有的傳送裝置系統300的透視圖，該裝置可以根據本發明進行修改。示出的傳送裝置系統300是由Triple/S Dynamics，Inc.設計和建造的SlipstickTM傳送帶。可以使用圖4示出的過程傳送裝置部分204利用或包括示出的傳送裝置系統300。本發明的各種設備可使用圖5所示的傳送帶系統構建。其它的傳送帶系統也可用於本發明的圖5-10說明了本發明示例性的設備400。設備400可被結合入任何不同的系統並按照本發明的實施方案執行不同的方法。示例性地，設備400可引入或用於上面描述的系統200。在解釋圖5-12的示例設備時引用了系統200的各個元件。另外，示例性地，上面描述的方法200可通過圖5-12所示的設備400來實施。圖5-12所示的設備400包括進料器裝置402、驅動部件404、傳送帶裝置406、反應器部件408。進料器裝置402用於接收燃料，例如預定尺寸的煤，並進一步用於將燃料引向反應器部件406。驅動部件404用於輸送燃料通過反應器部件406。反應器部件406用於對燃料使用特定量的電磁能量。設備400的不同部分402、404、406、408和功能在下面進一步詳細描述。
圖6說明了用於設備400的進料器裝置402。進料器裝置402正好位於滑尺驅動機構(slipstick drive mechanism)前部的傳送間入口端的上部。進料器裝置402包括輸入部分418，轉移部分420和適配器部分422。進料器裝置402及其各自的部分418、420、422通常是由大約0.13英寸(3mm)厚的鋁板製成。根據系統200的處理能力，可根據本發明設計可選擇的用於進料器裝置的配置。確定輸入部分418的尺寸，以從圖4的原料燃料部分202接收燃料。在示出的實例中，輸入部分418是具有正方形截面的漏鬥，其從燃料測量端到轉移部分端組件收縮。應說明，根據原料燃料部分202，系統200的處理能力和/或轉移部分420的形狀，輸入部分418可以具有可選擇的結構、形狀和尺寸。
確定轉移部分420的尺寸以接收從上述輸入部分418來的預定尺寸的燃料。在所示的實例中，轉移部分420是從輸入部分端到適配器部分端的具有一致的正方形截面的輸送管。一套滑動門416可以安裝在輸入部分端和適配器部分端的位置或其附近，以提供對來自原料燃料部分202的原料流的控制。應注意，根據系統200的處理能力、輸入部分418的形狀和/或適配器部分422的形狀，轉移部分420可以有可選擇的結構、形狀和尺寸。其它類型的門或閥可以與進料器裝置402一起使用。
設定適配器部分422的尺寸以接收從上述轉移部分420來的燃料。在所示的實例中，適配器部分422是凹形片，其適用於與驅動部件404的相應開口配合。應說明，根據系統200的處理能力、轉移部分420的形狀和驅動部分404，適配器部分422可以有可選擇的構造、形狀和尺寸。
在一些實施方案中，擴展接合部(未示出)可以與進料器裝置402的各種部件418、420、422一起安裝或使用，以適應進料器裝置402或接近進料器裝置402操作的部件的任何熱膨脹。
傳送帶裝置406包括移動臺424。移動臺424用於從進料器裝置402接收燃料，並進一步用於將燃料沿著移動臺424長度的一部分朝位於移動臺424的相對一端的收集區426轉移。示出的移動臺424是水平定位、側部開口的槽。根據系統200的能力，移動臺424可以有其它的結構、形狀和尺寸。
圖7-12說明了用於圖5所示設備的移動臺罩的外表。如圖7-12所示，反應器組件408包括移動臺罩500和一系列磁控管(在圖4中顯示為電磁輻射發生器部分208)。移動臺罩500用於覆蓋移動臺424的開口端部分。該磁控管系列沿著移動臺罩500的長度方向安裝，並定位以向位於移動臺424內的燃料提供電磁能量。在以前所討論的，反饋系統部分206、過程控制部分222和電磁輻射發生器208與過程傳送裝置部分204互相協作，以控制、監控和調整由系列磁控管提供的電磁能量，該系列磁控管沿移動臺罩500和移動臺424對齊。本發明反應器部件408的其它結構可用系統200或相似的系統執行。
激活後，傳送帶裝置406對移動臺424施加重複的刺激力，並且諸如煤的固體燃料從進料器裝置402送往移動臺424的近端。當每個刺激力被施加到移動臺424時，該力將燃料移向移動臺424的末端(向著收集點426)。當燃料沿著移動臺424的長度移動時，磁控管被激活向移動臺342中的燃料提供特定量的電磁能量。電磁能量的量由反饋系統206和/或過程控制部分222確定，其部分基於移動臺中的燃料量和燃料沿著移動臺424的移動速率。
H.間歇處理設備圖13-15說明了用於煤或其它固體燃料的間歇處理的設備1000。這個設備1000可與圖5-12中所示的設備聯合使用，也可單獨使用。圖3所述的處理方法，特別是塊108，也可以通過設備1000執行。在示出的實例中，磁控管1002被用於向裝於該設備內的諸如煤的燃料施加特定量的電磁能量。波能直接通過波導管到達該設備上的WG(波導)輸入。設備1000包括電磁輻射監控埠1004和用於將煤裝入該間的前門1006。根據本發明也可以存在間歇處理設備的其它結構。
IV.設備-實施方案B圖16示出了試驗工廠的實施方案。該工廠展示了與用於將原料煤輸送到進料槽1106的鏈鬥升降機1104匹配的鏈鬥升降機供料1102。進料槽1106安裝在梭形滑閥1110、儲料器1112和儲料器閥門1114的上部。當煤從進料槽1106流下通過儲料器閥門1114，煤被倒入螺旋給料器1116，其輸送煤通過微波處理艙室1118。在送出微波處理艙室1118時，煤通過煤接收器1120和閥1122進入儲存器1124。
處理艙室1118也安裝排出管1126，其送料進入通風管線1128。通風管線1128導入硫液封1130。另一個管線1132將該流動從硫液封1130引到冷凝器1134，然後進入水儲槽1136，最後到廢氣扇以及排放控制系統1138。
下面簡單描述通過這個工廠的工藝。
首先，廢氣扇1138開始控制傾倒操作產生的粉塵。廢氣扇1138抽吸來自鏈鬥升降機1104的空氣通過系統，並釋放產生的清潔空氣。
使用裝有圓筒貨裝運設備(drum-handler)/卸料器的滑移裝載機(skid-steer loader)或叉車將煤送入圓筒並倒入鏈鬥升降機進料鬥1102。對要處理的批次，鏈鬥升降機1104將煤樣品轉移到進料槽1106。根據試驗進行的規模，幾個55加侖的煤圓筒可以被裝卸入(dump-loaded)系統中。
一旦該煤批次被裝入進料槽1106，氮氣吹洗就開始，並且進料槽1106關閉以隔離該處理系統。在該過程中廢氣扇1138繼續操作，包括處理系統的冷卻。
用測壓元件(load cell)1108監控移送到進料槽1106的煤量，其也供給進料速度信息。梭形滑閥1110用於控制從進料槽1106向原料傳送系統的流動。為了以恆定速率維持煤流，閥1110前後往返將小量的煤移到旋轉儲料器閥門1114。梭形滑閥(shuttle valve)1110的水壓圓筒提供了足夠的力將該梭通過煤並按需要破碎較大的塊。
由於梭形滑閥1110和儲料器閥門1114的尺寸設計成防止超量裝填儲料器1112，所以儲料器1112能連續旋轉並因此向螺旋給料器1116供給恆定量的煤。螺旋給料器1116調整將煤供給到微波處理艙室1118的速度。
將過程控制和反饋系統以及傳送帶設計為確保煤在處理艙室中的停留時間內接收所需的平均輻射劑量。每個供應單元(梭形滑閥1110、儲料器閥門1114和螺旋給料器1116)的移動速度獨立地控制成在微波處理艙室1118對原料移送系統提供恆定的煤送料速度。
在到達處理艙室1118的出口端之前，處理過的煤進入用於在排出之前使其繼續發射和冷卻的區域(未示出)，以幫助控制處理過的煤的氣味和收集其它的排放物。在產物冷卻之後，氮氣吹洗停止，可是繼續排氣扇的操作，以捕獲在將處理過的煤移送到圓筒時產生的粉塵。水壓閥1122用於幫助處理過的煤移送入圓筒1124。所有的煤都被處理、冷卻並移送到圓筒1124之後，廢氣扇1138停止。
在處理操作期間，從微波處理艙室1118除去任何揮發性物質(水、硫、碳氫化合物、汞和其它揮發分)。從處理艙室「拱形(over-arched)」牆排出的水和其它流體被捕獲於硫液封1130中。然後揮發物質(水和碳氫化合物)從硫液封1130吸出通過冷凝器1134並流入水儲槽1136。在排放該物質前，檢測汞。
在氮氣通風之前，殘留的揮發物被吸入過濾器除去顆粒並排到活性炭床去除有機物、汞和氣味。過濾器和活性炭床位於廢氣扇和排放控制1138中。活性炭床可再生或作為有害廢物處置。
V.處理後煤的性質通過持續監控以及與本文所述處理系統密切相關的適當的反饋調節來適應原料煤性質的變化，以確保產生具有均勻性質的固體燃料。一些燃煤鍋爐受限制於其最高溫度。在這種情況下，將降低水分和灰分作為目標並加以控制，以獲得最佳的BTU/lb而不會超過最大BTU/lb以及所關注的鍋爐的相關的最高溫度。
通過這些方法和設備可以產生在自然界中未發現的固體燃料設計煤的新家族。這些處理過的煤可以有下列一種或多種特性●任何等級的煤的水分含量降低到任何需要的水平，低至1％或更低；●任何等級的煤的BTU/lb增長到任何水平，高達至少如果不含水時(灰分含量和全硫含量也被降低，這些降低使BTU/lb進一步提高)其所具有的水平；●任何等級煤的灰分含量降低，降低大約10％至超過65％(見表1和表2所示的實施例)；以及●降低每個和每種形式的硫，全硫降低50-75％，並且對於一些煤甚至更多。
以下給出的每種煤，「新燃料」包括任何這些處理過的具有一種或幾種性質的煤，所述性質任意包含在所述七種性質的範圍內。
煙煤美國煤普通原料到最好BTU/lb 12537到14301水分％ 3.39降到0.44灰分％ 10.94降到2.65總S％ 3.73降到1.21硫鐵礦％ 1.88降到0.32硫酸鹽％ 0.14降到0.01有機S％1.73降到0.62國際煤(參考下面的表1和表2)普通原料到最好BTU/lb 12737到14537水分％ 2.00降到0.83灰分％ 10.29降到2.24總S％ 3.94降到1.84硫鐵礦％0.88降到0.11
硫酸鹽％0.13降到0.01有機S％ 2.94降到1.65黑褐煤美國黑褐煤普通原料到最好BTU/lb 7266到11550水分％ 38.27降到3.73灰分％ 7.29降到5.22總S％ 2.18降到1.13硫鐵礦％0.68降到0.01硫酸鹽％0.02降到0.01有機S％ 1.48降到1.12國際黑褐煤普通原料到最好BTU/lb 8195到11729水分％ 25.58降到5.67灰分％ 10.68降到6.76總S％ 5.86降到1.78硫鐵礦％2.60降到0.23硫酸鹽％0.45降到0.07有機S％ 2.81降到1.31類似地，還要求保護由本文公開的方法和設備處理的其它煤和煤種，並且進一步的處理試驗結果使得對任何等級或煤種的煤鑑別和產生新燃料成為可能。最終的結果可以是所有煤等級和種類及所有可以用本發明的處理獲得的「新燃料」的矩陣。
VI.試驗結果經過下述試驗產生了具有上述概括的性質的煤。通過比較來自相同樣品批次的相同等級和種類的原料煤和處理煤的性質，我們能確定由於用這些方法和設備處理帶來的七種燃料性質中每一種的增強量。更明確地，並實例性地，下面對煙煤及褐煤的幾個原料煤和處理煤的樣品組示出了第三方(即，Standard Laboratories)的試驗結果。對於原料煤，使用平均的或「典型」性質。因為這裡給出的處理煤的結果是作為我們計劃的一部分得到的，該計劃測試了改變過程參數的效果，所以它們不證明本發明的整個範圍。與所述不同的是，可以期望為獲得目標或最佳性質進行的控制處理會產生比評價該處理時所得到的那些更好的性質。由於這個理由，對每個處理燃料性質給出了「最好的」處理值；並且，出於驗證的目的，那些值與原料煤、未處理的煤的「典型」值相比較。
三組不同的煤、原料煤和處理過的煤已經被處理以說明該過程方法能怎樣降低水分、增長BTU/lb並降低灰分和所有硫形式。從大樣品批次中隨機選擇所有這些樣品，並且所有這些結果都來自在西維吉尼亞南查爾斯頓的Standard Laboratories作出的試驗。
在下面的表1和表2中，原料國際煤的性質與通過以上描述的電磁輻射方法處理的相同地方的煤的性質一起列出。
這種原料樣品國際煤批次的性質在每個種類都是一致的，除了樣品#20731110。對於處理過的國際煤其灰分的較大降低產生了比處理過的美國煤更高的BTU/lb。如原料煤中一樣，一種樣品(即，樣品#20925107)具有顯著不同的性質，該情況下每種硫形式具有最高的硫。可是，注意，較高的硫含量並未對BTU/lb產生影響，其主要是由水分含量和灰分含量所確定的。樣品在性質上一般具有較小的變化。這些煤也通過相似但不同的方法處理(參數和時間)。
表1國際煤，原料


表2國際煤，處理過的

國際煤處理詳細描述表2列出了處理過的煤的Standard Laboratories(SL)試驗結果。這些初步處理試驗用於確定這些煤對處理參數的特性反應。使用小的廚房尺寸的電磁輻射艙室，小的電磁功率(1000瓦及以下)和相對小的樣品(2-5磅)。我們對於「新」煤的每一實驗室第一處理試驗都以這種方式得出。
在開始的處理中，一般選擇不同尺寸、顏色的煤測試對它們的後處理性質的反應和效果(如果有)。這裡所描述的試驗，每個樣品批次也分成幾部分，一些堆很高一些是一個扁平層，並且這些部分放在不同的盛載容器上或內部，例如由PyrexTM製成；可選擇地，該容器可以是高溫陶瓷板、鋁製的盤或其它高溫材料形成的。該容器的位置在該艙室中變化；也改變應用的電磁功率和工作循環(電源開或關的次數)。對細小的、中到大塊的和混合好的樣品等進行分別試驗，確定它們分別的和結合的性質。在下面，對表2樣品的前4個的處理順序的每一和所有步驟及評價和觀察列在一起。
樣品20731112和20731113(參考表2)處理前，這些樣品全部由小到中塊煤組成。將透明管與艙室出口連接以排出液體和氣體，但處理這些樣品時不使用強制氣流，只增加艙室內溫度/壓力，以迫使副產品從艙室中排出。
將原樣品的過程順序概括如下表3


(1)在處理艙室系統的功率水平(1)為1-10，10相當於使用的最高功率水平(大約1000瓦)，但不是精確的數據，特別是在較高水平。
上述處理順序應用於單獨樣品，其在送入Standard Laboratories進行測驗之前被分為兩個等尺寸部分(『1112和』1113)。SL試驗數據在表2中給出，該表顯示在該試驗系列中灰分和硫的百分比都降低了超過50％。兩個處理樣品部分性質的不同都在可接受的限度內，特別是上面所提示的，樣品放置和其它條件改變了，且這是這個煤批次第一個測定試驗。24分鐘的總暴露時間與樣品尺寸、應用的功率水平和觀察到的下列處理期間及其後的煙霧量和顏色有關。
樣品20731114和20731115完全由很小塊的細小顆粒組成，被放在兩個1/2到3/4英寸高的陶瓷板上，扁平板靠近離磁控管最近的牆，而圓板靠近對面的牆。
表4



更為經常地，在處理開始就出現斷裂，接著按順序釋放水分、灰分和硫。對於這種國際煤，硫釋放先於水分釋放，可是這種煤的低水分百分比可能已經掩蓋了首先釋放的小量水分。
性質比較樣品『1112和『1113證明了其灰分和全硫的百分比比樣品『1114和『1115灰分和全硫的百分比有顯著的更大的降低。灰分和硫的改進的降低的直接原因是使用更高的功率水平(5-6，產生大約600-700瓦)，並因此對『1112和『1113更短的暴露時間。
參考對『1114和『1115使用的較低功率(大多為4和5)和顯著較長的暴露時間仍然不能得到接近於列出的前兩個樣品的降低。所有這些試驗測量表明每種煤對所應用的功率都具有很高的敏感性；即，每個都具有功率閾值，在該閾值觀察到顯著的、有時是突然的變化。對煤確定了這些閾值後，接著可以試驗處理參數的組合以確定獲得這些閾值的參數組合。然後通過利用所確定的參數組合來控制煤的處理以達到那些閾值。
功率和時間參數的變化對德克薩斯黑褐煤進行下面歸納的試驗。這些試驗的意圖是表明通過在該艙室內使用應用的電磁功率與處理停留時間的幾種組合，可能細緻調節水分降低量和得到BTU/lb。
在控制的步驟中通過功率和時間上小的變化，所追求的BTU/lb處理值試圖從超過7000的目標開始，並被降到8000BTU/lb以下，以8381BTU/lb及26.11％水分開始並結束於7926BTU/lb及23.21％水分。在下面的表5中看到，5/70的功率/時間參數設置的障礙太高，使用相同的功率但多處理50秒(恢復表中每個數據線對應於來自相同批次(A)黑褐煤的不同樣品)以獲得BTU/lb的降低。由於時間總是處理中的要素，因此下一個調節增加的功率和減少的時間對BTU/lb得到期望的額外降低的結果。以設定的相同功率/時間處理隨後的兩個樣品，而縮短時間還會進一步使應用的功率適當「平衡」地增加。當處理不同樣品，這兩個樣品(30728125和30728126)結果的差值在可接受的範圍內並進一步顯示處理方法的內部一致性。最後，將相同的前面的功率水平(見下面)用於最後的樣品，處理延長了額外的5秒鐘，由此獲得了目標的BTU/lb。
表5(黑褐煤，E)


給出表5的實例來顯示兩個主要過程參數單獨怎樣用於靶向BTU/lb和水分百分比的特定性質。需要注意我們很早已經在我們的實驗室系統中測量並處理過這些黑褐煤爐，並因此對它們的性質和它們對多參數電磁輻射處理的反應已有了預先的了解，這是很重要的。藉助這個資料，我們能指出可僅由功率和時間引起的預期的改變。在工業規模處理任何煤之前，可以將相似的方法用於對每一所需性質的實驗室或區域設定。在下面的表6中提供的時間-功率比較中，給出了使用與表5試驗相似方法的實例。除了應用的電磁功率和處理的時間外所有參數保持恆定，對11種來自相同黑褐煤(標號A)批次的獨立樣品進行了處理。該黑褐煤的使用者的目的是水分降低的百分比為8-12％，以及相應的BTU/lb增長到7000。對於11個處理的樣品，30728111和『119的BTU/lb值與其它樣品顯著不同(較低)，第一個樣品也有最高的水分百分比。5kW和30秒組合的第一試驗配置顯然對那個樣品所要獲得的水分降低而言太小，這一點也得到處理期間處理艙室出口的相對少量的水蒸氣證明。除了提供所需水平的20/15配置之一，該表顯示使用功率和時間的各種組合與所有其它組合的結果。三組樣品『113/『114和『115/『116以及『119/『120/『121使用了完全相同的過程參數，包括功率和時間。這些設置中每一個的樣品性質的不同是由於樣品本身內在性質的不同導致的，而不是由於處理的不同。
表6(黑褐煤，A)


表7(黑褐煤，F)

這些結果以另外的方式清楚地說明，所述處理方法處理參數的變化能力可以有效地用於達到水分的特定降低和產生相對窄範圍BTU/lb的目標，即使是對樣品具有尺寸和性質分布的煤批次(每個煤批次)。另外，結果顯示相對小的試驗設定可以確定用於獲得所需性質的各種功率/時間組合。最後，對於直接預處理的試驗，也可以評定原料煤中灰分和硫的量以及特定的煤將怎樣對處理產生反應，結果是，如果需要，除了降低水分，系統還可以改進煤的所有燃燒性質。
任何進行有意義的實驗室試驗的嘗試需要考慮樣品大小、艙室尺寸和結構、使用的電磁功率及其頻率和多種頻率、改變功率和工作循環的能力、實驗室系統的穩定性和實驗室系統的再現性，且至少預計煤表面射入的實際電磁功率。實驗室試驗，例如本文顯示的試驗，可以提供基礎的預處理煤反應輸入數據，該數據是用戶定製能獲得目標的特定煤性質的整個處理系統所需要的。
下面的表8提供了本發明公開的方法處理的多種煤的水分、硫、灰分和排放指數的降低，以及BTU/lb的增加。
表8


表8中縮寫的識別M，S 水分，硫Proc 處理過Redn 降低Inc 增加EI排放指數；LbSO2/MMBTUND無數據或無效的數據NA不可應用的NC無可應用的變化IL1 印度Neyveli(SW)黑褐煤IL2 印度Neyveli(SW)黑褐煤IL3 印度Gujarat(NW)黑褐煤IB印度Assam(NE)黑褐煤WY懷俄明州次煙煤PA賓夕法尼亞州(NW)煙煤PRB 懷俄明州保德河Basin次煙煤OB俄亥俄州(SE)煙煤TL東德克薩斯州黑褐煤ILPC 伊利諾斯州新出爐的石油焦OK俄克拉荷馬州煙煤AL阿拉巴馬州軟煙煤在本發明描述的實施方案中，為了清楚而使用特定的術語。為了描述的目的，每個特定的術語都至少包括以相似方式操作完成相似目的所有等同的技術和功能。例如，本文對微波的稱謂也應該解釋為包括技術上表現為無線電微波的有些較低頻率，其提供同樣影響固體燃料樣品的頻率。同樣的，儘管這些方法也應用於其它固體有機燃料，但一般對煤作參考。另外，在本發明具體實施方案的一些例子中包括可以用單獨的部件或步驟替換的許多系統部件和方法步驟，或者同樣地，可以用多個用於相同目的的部件或步驟替換單獨的部件或步驟。而且，當參考其具體實施方案對本發明進行描述時，本領域所屬技術人員可以理解，在不偏離本發明保護範圍的前提下，可以對本發明的形式和細節進行其它變化。
權利要求
1.處理原料固體燃料批次的方法，包括接收用於處理的原料固體燃料批次；測量所述原料固體燃料批次的一種或多種性質，所述性質選自水分百分比、BTU/lb、灰分百分比、全硫百分比、各種形式硫中每一種的百分比、揮發物質百分比、固定碳百分比、Hardgrove易磨指數、微量元素重量含量和燃料及其各組分對電磁輻射的響應；確定所需要的處理後所述固體燃料批次的燃料性質；基於所測量的原料固體燃料性質，設計系統配置並在所選擇的頻率選擇功率水平分布，其會產生具有所需燃料性質的處理的固體燃料批次；以及通過將所述固體燃料批次暴露於具有所選擇的頻率和功率水平分布的電磁輻射來處理所述固體燃料批次。
2.根據權利要求1所述的方法，進一步包括選擇電磁輻射暴露的持續時間，其產生具有所需燃料性質的所述固體燃料批次，並將所述爐固體燃料批次暴露於所述電磁輻射所述持續時間。
3.根據權利要求1所述的方法，其中在預處理程序中使用多種功率水平，以從所述固體燃料樣品獲得不同組分的目標釋放。
4.根據權利要求1所述的方法，其中對多個所述原料固體燃料批次的性質進行測量，並應用於選擇所述功率水平分布。
5.根據權利要求1所述的方法，其中測量所述原料固體燃料批次的大多數性質，並應用於選擇所述功率水平分布。
6.根據權利要求1所述的方法，其中測量所述原料固體燃料批次的所有性質，並應用於選擇所述功率水平分布。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述固體燃料是煤。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述煤不是漿液的形式。
9.根據權利要求7所述的方法，其中對所述固體燃料進行破碎或篩選，以將所述批次限制為直徑約8英寸或更小的固體燃料顆粒。
10.根據權利要求1所述的方法，進一步包括在將所述原料固體燃料批次暴露於所選頻率和功率水平分布的電磁輻射前，預熱所述原料固體燃料批次，其中按順序應用所述預熱和電磁能量及持續時間，以處理所述固體燃料將其破碎並控制其後的作為目標的水分釋放。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述預熱的頻率與隨後暴露的電磁輻射的頻率不同。
12.根據權利要求11所述的方法，其中通過熱源提供預熱。
13.根據權利要求10所述的方法，其中在艙室中處理所述固體燃料批次，所述方法包括在處理期間使幹空氣流過所述艙室。
14.根據權利要求13所述的方法，其中以充分的流量供應所述幹空氣，以帶走所述艙室中飽和了水分的氣體並有助於防止所述艙室內的火花。
15.根據權利要求14所述的方法，其中通過所述艙室尺寸和結構以及待從所述固體燃料脫除的水量來確定所述幹空氣流量。
16.根據權利要求1所述的方法，其中應用所述電磁能量和持續時間來進一步處理所述固體燃料並控制作為目標的灰分釋放。
17.根據權利要求16所述的方法，其中在所述艙室中處理所述爐固體燃料，所述方法進一步包括在處理期間使幹空氣流過所述艙室。
18.根據權利要求17所述的方法，其中以充分的流量供應所述幹空氣，以帶走所述艙室中飽和了灰分的氣體和細小顆粒並有助於防止所述艙室內的火花。
19.根據權利要求18所述的方法，其中通過待從所述固體燃料脫除的灰分量確定所述幹空氣的流量。
20.根據權利要求1所述的方法，其中將所述電磁能量和持續時間應用於所述固體燃料以使其破碎並釋放水分，並然後進一步在更高的溫度將煤處理更長的時間，以獲得作為目標的固體燃料的硫釋放。
21.根據權利要求20所述的方法，其中用於作為目標的硫釋放的更高溫度為130-240℃。
22.根據權利要求20所述的方法，其中在所述艙室中處理所述固體燃料批次，所述方法進一步包括處理期間使惰性氣體流過所述艙室。
23.根據所述權利要求22所述的方法，其中以充分的流量供應所述惰性氣體，以防止所述艙室內的火花和燃燒。
24.根據權利要求23所述的方法，其中所述流量為每立方英尺艙室體積每小時至少15立方英尺。
25.根據權利要求22所述的方法，進一步包括在所述處理的硫降低階段供應氫。
26.根據權利要求1所述的方法，其中所述電磁輻射處理能將所述固體燃料的BTU/磅提高至少1000BTU/磅。
27.根據權利要求1所述的方法，其中所述電磁輻射處理能選擇性地將所述固體燃料中的水分百分比降低至少約1％至98％。
28.根據權利要求1所述的方法，其中所述電磁輻射處理使得固體燃料灰分降低至少約2％至60％。
29.根據權利要求1所述的方法，其中所述電磁輻射處理使得固體燃料全硫百分比降低至少約2％至70％。
30.根據權利要求1所述的方法，其中所述電磁輻射處理將所述固體燃料中硫鐵礦的百分比降低至少約3％至95％。
31.根據權利要求1所述的方法，其中所述電磁輻射處理將所述固體燃料中硫酸鹽的百分比降低至少約5％至95％。
32.根據權利要求1所述的方法，其中所述電磁輻射處理將所述固體燃料中有機硫的百分比降低至少約1％至60％。
33.處理煤的多元件電磁輻射系統，包括可變速的傳送帶；預熱系統，所述可變速的傳送帶通過所述預熱系統；電磁輻射發生系統，包括電磁能量源和電磁能量射入的處理艙室，所述可變速的傳送帶通過所述處理艙室；控制器，包括與計算機可讀媒介存儲軟體碼相偶合的計算機處理器，其用於生成命令來控制電磁能量的產生；測量及反饋系統，其配置用來測量在通過電磁輻射發生系統中的電磁能量進行處理的期間固體燃料性質的變化，並將所述測量結果傳送到控制器；以及氣流和副產品處理系統，其配置用來使氣體流過所述處理艙室，並俘獲和儲存處理艙室中釋放的由電磁輻射暴露產生的副產品。
34.根據權利要求33所述的系統，其中所述電磁輻射發生系統每個發生器模塊能為每一所需的發生器提供頻率928MHz或更低的電磁能量15kW或更多。
35.根據權利要求33所述的系統，其中所述電磁輻射發生系統每個發生器模塊能為每一所需的發生器提供頻率902MHz或更高的電磁能量75kW。
36.根據權利要求33所述的系統，其中所述電磁能量源適合於商業規模處理通量，並包括多個磁控管和用於所述磁控管的發生器。
37.根據權利要求33所述的系統，其中所述測量和反饋系統包括用於監控所述傳送帶上的固體燃料塊表面溫度的溫度傳感器。
38.根據權利要求37所述的系統，其中配置所述測量和反饋系統以及所述控制器，以監控所述處理艙室中的固體燃料的表面溫度，以確保其溫度不會達到處理中的所述固體燃料的燃點。
39.根據權利要求37所述的系統，其中編程所述控制器以根據測量的所述固體燃料表面溫度來調節以下的一項或多項所述電磁輻射的功率；所述電磁輻射暴露的持續時間；以及氣流。
40.根據權利要求33所述的系統，其中所述測量和反饋系統包括水分分析儀，其配置用來測量處理期間所述固體燃料的水分百分比。
41.根據權利要求40所述的系統，其中編程所述控制器以根據測量的所述固體燃料的水分百分比來調節以下的一項或多項所述電磁輻射的功率；所述電磁輻射暴露的持續時間；以及氣流。
42.根據權利要求33所述的系統，其中所述測量和反饋系統包括硫分析儀，其配置用來測量處理期間所述固體燃料的硫百分比。
43.根據權利要求42所述的系統，其中編程所述控制器以根據測量的所述固體燃料的硫百分比來調節以下的一項或多項所述電磁輻射的功率；所述電磁輻射暴露的持續時間；以及氣流。
44.根據權利要求33所述的系統，其中所述測量和反饋系統包括灰分分析儀，其配置用來測量處理期間所述固體燃料的灰分百分比。
45.根據權利要求44所述的系統，其中編程所述控制器以根據測量的所述固體燃料的灰分百分比來調節以下的一項或多項所述電磁輻射的功率；所述電磁輻射暴露的持續時間；以及氣流。
46.根據權利要求33所述的系統，其中所述測量和反饋系統包括微量元素分析儀，其配置用來測量處理期間所述固體燃料中的百萬分率(PPM)含量。
47.處理煤和其它固體燃料的方法，包括產生頻率928MHz或更低的用於預熱和微波或無線電頻率處理的電磁能量，並在將固體燃料暴露於那些頻率的所述能量。
全文摘要
測量任何各種原料固體燃料的水分、BTU/lb(每磅英國熱量單位)、灰分、硫形式、揮發分物質、易磨性和吸收性質。使用上述資料，開發了可以受控和受監控的乾式電磁處理技術，以可選擇地改變和提高用於應用的固體燃料性質。特定的變化包括改變諸如煤、煤焦炭和石油焦的固體燃料的機械結構和化學組成，將BTU/lb提到到最佳水平，降低所有形式的硫，降低灰分，而保持燃料的BTU/lb。通過這些方法和設備產生在自然界未被發現的固體燃料設計煤的新家族。
文檔編號C10B57/10GK1914299SQ200480037129
公開日2007年2月14日 申請日期2004年12月10日 優先權日2003年12月12日
發明者傑裡·L.·萬恩波格, 奈奧·E.·亙瑟爾, 傑德·A.·阿特恩, 王陸昌 申請人:考泰克公司