穩定熱加工的碳料的製作方法
2023-05-18 12:10:06
專利名稱：穩定熱加工的碳料的製作方法
技術領域：
本發明涉及穩定熱加工的碳料，如煤。
本發明特別涉及，但決不是僅僅是，穩定煤如低品位煤，該煤在包括高溫和高壓的條件下已經被熱加工，通過除去該煤中的水分來提高該煤的BTU值。
當被貯存在料堆中時許多煤易於自燃是公知的。自燃由下面的原因引起(i)煤氧化產生熱區，驅動空氣在煤床中的熱對流；和(ii)空氣的熱對流反過來為氧化提供更多的氧。
壓實料堆以減少床的滲透性和密封料堆以減少氧的進入是使煤缺氧從而防止自燃的兩種方法。但是壓實和密封在許多情況下不是實用的或完全的解決方案。
熱加工的煤易於自燃也已經是公知的。特別是，自燃的潛能是一個重要問題，該問題與在貯存煤之前冷卻熱加工的工藝中所產生的熱的去水的煤有關。
對於穩定熱加工的煤有許多公知的建議，如Western Syncoal Company在澳大利亞專利申請56103/96中所述的建議，以及參見該Syncoal澳大利亞專利申請5-8頁的現有技術專利中的建議。
本發明的目的是提供一種較上述段落中的現有技術有所改進的穩定熱加工的煤的方法和裝置。
按照本發明，提供了一種穩定熱加工的碳料的方法，該方法包括將一批高溫下的碳料供給，如本文所述的，到一個加工容器中以形成填充床；通過間接熱交換將在填充床中的碳料從高溫冷卻到一目標溫度；在碳料達到目標溫度之前，將含氧氣體供給到填充床，以便將碳料部分氧化到需要的程度，從而穩定碳料；和將碳氧化所產生的熱從填充床去除，以控制在氧化過程中碳料溫度，從而避免熱失控。
該術語「熱失控」在通常的條件下被理解為溫度迅速地無控制地升高，這是由於碳料的氧化產生熱，而該熱提高了碳料的氧化速度，這會導致過程控制損失。
申請人在關於氧化速度的試驗工作中，使用基於實驗數據的料堆計算流體動力學模型發現，對於給定尺寸分布的熱加工的煤，(i)煤的氧化程度；(ii)煤的料堆溫度；是對料堆中煤的自燃有最重要影響的2個變量，此變量不受壓實或密封的影響。
作為解釋，附圖中的
圖1是由申請人所作的，溫度和氧化(以加入的wt％氧表示)的實驗推導圖的一個例子，它表示貯存熱加工的煤的穩定條件。
從圖1的狀態曲線可以看出，僅僅氧化不足以使料堆穩定，除非利用非常高的氧化程度。若不使用冷卻則所需的高氧化程度是不實際的選擇，這是因為這將使產品在商業上沒有吸引力。
圖1表明，從生產能夠安全地被貯存的、商業上有吸引力的產品的角度出發，將熱的加工煤冷卻到相當低的貯存溫度即目標溫度是必要的。
在本發明方法的上下文中，在碳料是煤的情況下，優選氧化量在0.2-5wt％的範圍內，該氧化量是按照把供給到填充床的氧的重量作為填充床中總煤重的百分數來被測量的，目標溫度低於50℃。
特別優選氧化量在0.5-3wt％的範圍，目標溫度低於35℃。
申請人在實驗/設計/模型工作中還發現，把循環經過填充床的工作流體和包括填充床中的傳熱表面在內的冷卻劑迴路結合起來，是從填充床去除碳料氧化所產生的熱的有效方法。
為了控制碳料的溫度以避免熱失控，將該熱去除是一項重要的需要考慮的事項。去除熱的機理是藉助於從碳料到工作流體的傳熱，然後藉助於從工作流體到內部傳熱表面的熱傳遞。
申請人在實驗/設計/模型工作中已經發現，特別適合的內部傳熱表面是申請人公開在國際申請PCT/AU98/00005，PCT/AU98/00142，和PCT/AU98/00324中的熱交換板，這些國際申請的全部公開內容通過交叉對照被結合於本文中。
上述的將循環的工作流體和帶有內部傳熱表面的冷卻劑迴路相結合是一重要的特徵，這是因為它能夠使填充床的尺寸顯著增加，同時與公知的比如在Syncoal澳大利亞專利申請中公開的現有技術建議相比，保持了高生產率，從而顯著降低了資金和操作成本。
優選工作流體是氣體。
可作為工作氣體使用的氣體包括氮氣、蒸汽、SO2、CO2、碳氫化合物、惰性氣體、致冷劑，和它們的混合物。
優選工作流體與填充床不發生反應。
優選該方法包括，將碳料從高溫冷卻到碳料的優選氧化溫度，而在該初始冷卻步驟中不把含氧氣體供給到填充床中，和當達到優選的氧化溫度時，把含氧氣體供給到填充床中以使碳料部分氧化。
該術語「碳料的優選氧化溫度」所述的溫度在這裡被理解為在填充床中顆粒質量加權平均溫度(mass weighted average temperature)。
優選的是，碳料的優選氧化溫度是指在該溫度下，碳料在含氧氣體中在所給定的氧氣分壓下，能夠迅速地被氧化以生產出穩定的產品，但是在傳熱條件下釋放的熱不會引起熱失控。
在利用將循環的工作流體和帶有內部傳熱表面的冷卻劑迴路相結合，作為從填充床去除碳料氧化所產生的熱的手段時，優選該方法包括，控制相對於優選氧化溫度的傳熱表面的溫度，從而維持床的小的梯度，同時維持傳熱的高速度。優選溫度差低於40℃，更好是低於30℃。
在利用將循環的工作流體和帶有內部熱交換表面的冷卻劑迴路相結合，作為從填充床去除碳料氧化所產生的熱的手段時，優選該方法包括，控制工作流體的溫度，使其高於內部傳熱表面的壁溫，而低於碳料顆粒的溫度以便維持顆粒的冷卻。還需指出的是，在壓力操作下冷卻得以改善。
在碳料是熱加工的煤的情況下，優選的是優選氧化溫度範圍為80-150℃。
特別優選的是優選氧化溫度範圍為100-150℃。
進一步特別優選的是優選氧化溫度範圍為100-120℃。
特別優選該方法包括，在把含氧氣體供給到填充床的步驟中，將碳料的溫度維持在優選氧化溫度下或者維持在包括優選氧化溫度的溫度範圍內。
優選的是，在氧化步驟完成後，該方法包括將碳料冷卻到目標溫度。
優選該目標溫度是低於50℃。
優選該方法還包括，在冷卻和碳材氧化之前或過程中對填充床加壓。
特別優選該方法包括，用外部的供給氣體把填充床加壓到低於20巴，典型的低於10巴的壓力。
優選的是，選擇碳料的顆粒尺寸，使形成的填充床有充分的滲透性以使有合理壓降的工作流體能夠移動。
按照本發明，提供了與上述本發明方法一致的用於穩定熱加工的碳料的裝置。
本發明通過參照圖2的實施例被進一步說明，圖2是說明本發明方法和裝置的優選實施方案的示意圖。
下面的描述是在穩定熱加工的煤的情況下。需指出的是本發明不限於此應用，可拓展到穩定任何適合的熱加工的碳料。
參照圖2，該裝置包括用來穩定熱加工的煤的填充床的壓力容器3，該熱加工的煤已經從熱加工的加工容器(未示出)中被排出，被供給到在高溫下(典型的為400℃)的壓力容器3中。
壓力容器3可以是任何適合的構造，它包括一個內部的熱交換板5的組合。適合的壓力容器的一個例子是申請人公開在國際申請PCT/AU98/00005，PCT/AU98/00142和PCT/AU98/00324的壓力容器，該容器包括一個倒轉的錐形入口、一個柱形本體、一個錐形出口，和一個位於該本體和該錐形出口的、垂直排列的平行熱交換板的組合。
熱交換板5形成部分冷卻劑迴路，在一封閉的迴路中，使適合在-20℃到140℃下操作的小部分體積的冷卻劑循環經過板5。
該冷卻劑迴路還包括，一個冷卻塔7[它包括位於該塔中的交換管組9，一個可變速風扇11，它引起空氣上升氣流通過該熱交換管組9]和蒸汽系統[該蒸汽系統包括被設置用於把水噴霧到熱交換管組9上的噴嘴23、和把水從塔底部的貯水池抽到噴嘴23的泵15]。需要指出的是在冷天可以不需要蒸汽系統。
冷卻劑迴路還包括一個冷卻器61，用於在熱交換器13中通過熱交換來進一步冷卻來自冷卻塔9的冷卻劑。
冷卻劑迴路還包括一個膨脹室21，以調節冷卻劑迴路中的壓力變化。
該裝置還包括一個系統，通常由數字17標識，用於提供和隨後循環工作流體(典型的為一種氣體比如氮氣)經過在加工容器3中的填充床用來進行加壓，從而改善流經板5的冷卻劑和填充床中的煤之間的熱交換。該工作流體系統17包括加工容器3底部的工作流體用入口19、在加工容器3頂壁的出口25、連接入口/出口19/25的線29和使工作流體循環經過填充床和線29的風扇27。該工作流體系統17在申請人的國際申請PCT/AU98/00142中被更詳細地說明。
該裝置還包括用於把含氧氣體供給到填充床3中以氧化該熱加工的煤的設備。在圖2所示的實施方案中，含氧氣體被供給到工作流體入口19。
使用圖2所示的裝置，將一批熱的熱加工的煤(一般在300℃以上的溫度下)供給到加工容器3中以形成填充床，然後關閉固體入口出口閥門(未示出)，通過入口19供給工作流體來充填填充床，並打開工作流體風扇27，使工作流體循環經過填充床。
在該方法的優化的實施方案中，冷卻劑迴路泵連續運轉-雖然在此操作開始階段冷卻塔風扇11和水泵15被關閉。
在這些條件下，冷卻劑的壓力和溫度升高，通過膨脹室21控制冷卻劑迴路的膨脹和壓力。
當冷卻劑溫度達到120℃時，這表明在填充床中煤的質量加權平均溫度約為140℃，打開冷卻塔空氣扇11，改變速度使冷卻劑的溫度維持在120℃。
之後，將含氧氣體供給到填充床並使系統保持一恆定的溫度，直至充足的氧氣被加入到填充床中來完成煤的需要程度的氧化。
如上面所述的，在此氧化階段，為了避免熱失控，從填充床中去除煤氧化所產生的熱是重要的，並且申請人已經發現，將在封閉迴路中隨冷卻劑循環經過而運作的熱交換板5和在填充床中循環的工作流體相結合，是一種在填充床中進行必要的溫度控制以達到此目的的有效方法。
申請人還發現，使熱交換板5的壁溫與填充床的溫度保持接近以維持床的小的溫度梯度是重要的。為了減少在填充床中的冷卻和氧化中局部變化，床的小的溫度梯度是必要的。
在加入含氧氣體完成時，把冷卻塔風扇開到最高速度，打開水泵15，使包括煤的填充床的溫度達到目標溫度，典型的低於50℃。
若需要，打開冷卻器迴路61以降低冷卻劑溫度，從而在短時間內提供較冷的產品。
當填充床達到目標溫度時，填充床通過出口62被放出，冷卻的穩定的熱加工的煤從加工容器3中被排出，並被貯存。
可以對與圖2相關的上述本發明方法和裝置的優化實施方案進行許多修改，而不脫離本發明的精神和範圍。
作為實施例，同時作為優選實施方案包括通過加工容器3底部的工作流體入口19，將含氧氣體供給到填充床中，容易理解的是本發明不限於這種布置，在任何適合的部位將含氧氣體引入到填充床中都在本發明的範圍之內。
權利要求
1.一種穩定熱加工的碳料的方法，該法包括(a)將一批高溫下的碳料供給到一個加工容器中，以形成填充床；(b)通過間接熱交換將填充床中的碳料從高溫冷卻到目標溫度；(c)在碳料達到目標溫度之前，將含氧的氣體供給到填充床中以將碳料部分氧化到所需的程度，從而穩定碳料；和(d)在氧化過程中，從填充床去除由碳料氧化所產生的熱以控制碳料的溫度，從而避免熱失控。
2.權利要求1所述的方法，其中在步驟(c)中所需的氧化程度在0.2-5wt％的範圍，它是按照把供給到填充床的氧氣重量作為填充床中總的煤重量的百分比來測量的。
3.權利要求2所述的方法，其中目標溫度低於50℃。
4.權利要求2所述的方法，其中所需的氧化程度在0.5-3wt％的範圍內。
5.權利要求4所述的方法，其中目標溫度低於35℃。
6.上述權利要求中任何一項的方法，包括在步驟(d)中通過使工作流體循環經過填充床和包括填充床中的傳熱表面的冷卻劑迴路，來去除來自填充床的熱。
7.權利要求6所述的方法，其中工作流體是一種氣體。
8.權利要求7所述的方法，其中步驟(b)包括將碳料從高溫冷卻到碳料的優選氧化溫度的第一個階段，在此初始冷卻階段不供給含氧氣體到填充床中。
9.權利要求8所述的方法，其中步驟(c)包括當碳料達到該優選氧化溫度時，將含氧氣體供給到填充床中，以部分氧化碳料。
10.權利要求9所述的方法，在部分氧化步驟(c)完成之後，步驟(b)包括將碳料冷卻到目標溫度的第二個階段。
11.權利要求6所述的方法，包括控制相對於該優選氧化溫度的傳熱表面溫度，以維持床的小的梯度。
12.權利要求11所述的方法，其中溫度差低於40℃。
13.權利要求6、11和12中的任何一項的方法包括控制工作流體的溫度，使其高於內部傳熱表面的壁溫，而低於碳料的溫度。
14.權利要求8所述的方法，其中優選氧化溫度在80-150℃的範圍內。
15.權利要求14所述的方法，其中優選氧化溫度在100-150℃的範圍內。
16.權利要求14所述的方法，其中優選氧化溫度在100-120℃的範圍內。
17.上述權利要求中任何一項的方法還包括用外部的供給氣體對填充床加壓到低於20巴的壓力。
全文摘要
公開了一種穩定熱加工的碳料的方法。該方法包括將一批高溫下的碳料供給到一過程容器中以形成填充床和通過間接熱交換將碳料冷卻到目標溫度的步驟。該方法的特徵在於,在碳料達到目標溫度之前,將含氧氣體供給填充床以將碳料部分氧化到所需的程度,從而穩定碳料。該方法的特徵還在於,在氧化過程中,通過從填充床去除由碳料氧化所產生的熱,以控制碳料的溫度,從而避免熱失控。
文檔編號B01J8/00GK1266481SQ98808131
公開日2000年9月13日 申請日期1998年6月23日 優先權日1997年6月23日
發明者戴維·S·康諾奇 申請人:科夫克斯公司