ОБРАБОТКА УГЛЯ
COAL TREATMENT

Настоящее изобретение относится к обработке угля.
Более конкретно, настоящее изобретение предлагает способ обработки угля посредством удаления влаги и летучих веществ из угля для изготовления топливного продукта, в котором отсутствуют нежелательные загрязняющие вещества, которые выделяются в процессе горения угля. Любые выбросы в атмосферу от горения топливного продукта согласно настоящему изобретению будут чище, чем в случае необработанного угля, и можно не применять технологии дожигания или очистки, которые, как правило, требуются для очистки выбросов от угольной горелки. Настоящее изобретение предлагает менее дорогостоящее решение проблемы грязных выбросов, чем существующие в настоящее время решения.
Настоящее изобретение также предлагает изготавливать из угля новый продукт, который может служить как исходный материал, имеющий высокое содержание углерода, для промышленного производства активированного угля и угольных электродов. Исходный материал согласно настоящему изобретению может также служить как идеальный материал для пылеугольного вдувания (PCI) в доменные печи в черной металлургии.
Уровень техники, к которой относится изобретение
Предшествующие способы обработки угля включают удаление влаги и нежелательных летучих веществ, которые содержит уголь (как правило, низкосортный уголь и лигнит) для изготовления угля повышенного качества, обеспечивающего большее выделение теплоты в расчете на единицу массы топлива. Например, патенты США № 6447559 и № 7879117 описывают способы изготовления чистого угольное топливо, которое имеет более высокую теплотворную способность в расчете на единицу массы угля по сравнению с неочищенным углем.
Однако эти предшествующие способы не предназначаются для полного удаления всех летучих веществ. Небольшая часть летучих веществ остается, чтобы обеспечивать устойчивое горение обработанного продукта в угольных бойлерах.
По сравнению с битуминозным углем антрацитовый уголь является относительно редким, и его сжигание является более дорогостоящим. До настоящего времени никто не разработал способ его использования в качестве топлива, тем более в качестве чистого топлива. Антрацитовый уголь представляет собой ценный сорт угля, который отличается своим низким содержанием летучих веществ и низким влагосодержанием. Благодаря своим свойствам, он является идеально приспособленным для производства кокса и стали. Вследствие своих уникальных свойств, относительной редкости и некоторых других факторов, антрацитовый уголь в настоящее время продается по высоким ценам, которые многократно превосходят цены других сортов угля. Следовательно, несмотря на то, что его выбросы являются намного чище, чем выбросы, которые образует битуминозный или, как его обычно называют, бурый или паровичный уголь, ни в настоящее время, ни в обозримом будущем не предполагается вероятность использования антрацитового угля в качестве топлива для промышленных бойлеров.
Таким образом, существует неудовлетворенная потребность повышения качества низкосортного угля и придания ему некоторых из основных характеристик высокосортного антрацитового угля в сочетании с решением проблемы устойчивого горения. Задача настоящее изобретение заключается в том, чтобы удовлетворить эту потребность.
Сущность изобретения
Согласно одному аспекту, предлагается способ изготовления обработанного угля, у которого химические свойства являются аналогичными химическим свойствам антрацитового угля, из любого сорта бурого или паровичного угля, включая лигнит. Получаемый в результате обработанный уголь (иногда называемый в настоящем документе Pristine-SA (SA означает синтетический антрацит)), изготовленный способом согласно настоящему изобретению, составляют, в основном, углерод и водород, и он горит так же чисто, как природный газ.
Согласно еще одному аспекту предлагается обработанный уголь, который составляют, в основном, углерод и водород, и из которого удалены влага и летучие вещества для изготовления топливного продукта, в котором отсутствуют нежелательные загрязняющие вещества.
Согласно следующему аспекту, предлагается уплотненный продукт, такой как брикет, в котором сочетаются обработанный уголь согласно настоящему изобретению (Pristine-SA) и биомасса. Мелкие частицы Pristine-SA уплотняются вместе с обожженной биомассой (причем обожженная биомасса изготавливается в таких же реакторах, как Pristine-SA, но работающих параллельно), и получается твердое топливо, которое можно вводить непосредственно в использующие битуминозный уголь бойлеры. Пропорции биомассы и Pristine-SA тщательно регулируются, чтобы обеспечивалось оптимальное горение и устойчивость пламени при минимальном загрязнении бойлера. В некоторых случаях может потребоваться небольшой дополнительный поток горючего газа, чтобы поддерживать горение.
Согласно следующему аспекту, настоящее изобретение предлагает способ сжигания обработанного угля согласно настоящему изобретению с горючим газом посредством введения спутного потока горючего газа, например, такого как природный газ, газ из органических отходов или другой подходящий газ, вдоль обработанного угля в достаточном количестве, чтобы поддерживать устойчивое горение в существующем промышленном бойлере, предназначенном для сжигания битуминозного угля.
Подробное описание изобретения
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предлагается способ обработки неочищенного угля, позволяющий удалить из него внутреннюю и поверхностную влагу с последующим удалением летучих веществ. Этот процесс осуществляется посредством ступенчатого нагревание в условиях определенной температуры и атмосферного давления. В результате этого процесса получается продукт, который можно сжигать в бойлерах, предназначенных для сжигания битуминозного угля, при том условии, что обработанный уголь смешивается со вспомогательным топливом, таким как встречающееся в природе топливо, которое может поддерживать горение обработанного угля, за счет увеличения содержания водорода по отношению к углероду в смеси двух видов топлива.
Примеры вспомогательного топлива, имеющего высокое содержание водорода, представляют собой газ из органических отходов и природный газ, хотя можно также использовать и чистый водород, при том условии, что его производство является экономически целесообразным. Смешанное топливо, которое составляют обработанный уголь согласно настоящему изобретению и вспомогательное топливо, не производит токсичных выбросов в атмосферу, и эти выбросы предпочтительно имеют пониженное содержание углерода.
Поскольку использующие битуминозный уголь бойлеры, как правило, не оборудованы для одновременного сжигания двух видов топлива, могут потребоваться некоторые модификации, чтобы обеспечить решение этой задачи. Такие модификации включают, например, двойные топливные впуски, регуляторы скорости подачи и оптимальное расположение впусков топлива в целях поддерживания горения с максимальной эффективностью.
В США и других странах существуют многочисленные бойлеры комбинированного цикла или многотопливные бойлеры, которые способны сжигать раздельно уголь и природный газ. Обработанный уголь согласно настоящему изобретению является идеально пригодным для использования в сочетании с этими бойлерами. Таким образом, настоящее изобретение делает более ценными битуминозный и суббитуминозный уголь, а также снижает стоимость соблюдения экологических стандартов при сжигании угля этих сортов вследствие уменьшения соответствующих выбросов.
В прошлом, когда цена природного газа была относительно высокой, совместное сжигание угля и природного газа для улучшения горения было экономически нецелесообразным. В настоящее время, несмотря на обнаружение природного газа в сланцевых месторождениях США, существуют прогнозы, согласно которым будет продолжаться постепенное увеличение цены природного газа с течением времени. Это объясняется тем, что увеличение поставок природного газа уже увеличило по сравнению с предложением спрос на него со стороны многочисленных предприятий, которые переключились на использование газовых бойлеров.
Следовательно, столь ожидаемое падение цены природного газа может оказаться непродолжительным, и в результате этого произойдет замедление преобразования угольных бойлеров в использующие природный газ бойлеры. Использование угля в целях сжигания будет продолжаться, согласно ожиданиям или прогнозам авторитетных американских и международных энергетических учреждений. Для такого применения в целях сжигания обработанный уголь согласно настоящему изобретению, который за счет удаления летучих веществ представляет собой чистый уголь, имеющий низкое содержание летучих веществ, можно сжигать совместно со вспомогательным топливом, таким как природный газ или биогаз, что представляет собой экологически превосходную и экономически целесообразную альтернативу по отношению к раздельному сжиганию неочищенного угля, природного газа или биомассы.
Новизной отличается идея, заключающаяся в том, чтобы совместно сжигать в угольных бойлерах обработанный уголь согласно настоящему изобретению (т.е. уголь, имеющий близкое к нулевому содержание летучих вещества) и вспомогательное топливо, такое как природный газ. Настоящее изобретение является идеально пригодным для использования в бойлерах комбинированного цикла или многотопливных бойлерах, которые способны раздельно или одновременно сжигать топливо нескольких видов. Хотя существуют многочисленные бойлеры комбинированного цикла или многотопливные бойлеры, при обычном применении эти бойлеры предназначаются только для переключения с одного топлива на другое.
В отличие от существующих способов удаления летучих веществ из угля (включая способы коксования), настоящее изобретение предлагает способ, в котором используется многоступенчатое нагревание, как правило, двухступенчатое нагревание, в процессе которого осуществляется разложение угля и полное удаление из него влаги и летучих веществ в газообразной форме. В процессе нагревания используются температуры в интервале от 900 до 2500°F (от 482 до 1371°C). Эти температуры являются выше, чем температуры, которые используются в обычных способах удаления влаги и летучих веществ из угля. На первой ступени температура повышается до уровня в интервале от 900 до 1500°F (от 482 до 816°C), и на второй ступени температура повышается до уровня в интервале от 1500 до 2500°F (от 816 до 1371°C).
Влага и летучие вещества в газовой фазе охлаждаются и конденсируются в ступенчатом режиме, образуя раздельные потоки, в которых содержатся вода и жидкие углеводородные побочные продукты, и при этом сохраняется структурная целостность исходного угля, из которого изготавливается обработанный уголь согласно настоящему изобретению. Образующиеся в данном процессе углеводородные побочные продукты представляют собой жидкости, в том числе каменноугольные смолы и другие тяжелые летучие вещества, а также метан, бутан и легкие ароматические соединения. Экономическая ценность этих жидкостей представляет собой значительное достижение настоящего изобретения и обуславливает значительное повышение экономической целесообразности изобретенного способа.
Период времени (время выдерживания), в течение которого уголь подвергается ступенчатой термической обработке, является более продолжительным, чем в предшествующих способах. Таким образом, для способа изготовления Pristine-SA согласно настоящему изобретению требуется время выдерживания, составляющее от 15 до 45 минут, чтобы удалить из угля все содержащиеся в нем летучие вещества. Как правило, время выдерживания для первой ступени составляет приблизительно от 15 до20 минут, а время выдерживания для второй ступени дополнительно составляет от 20 до 25 минут.
Конечный продукт, изготовленный предшествующими способами, согласно которым из угля удаляются влага и летучие вещества, также отличается от продукта Pristine-SA, изготовленного способом согласно настоящему изобретению. Предшествующие способы позволяют изготавливать твердое чисто горящее топливо, которое способно поддерживать свое собственное горение, в то время как, согласно способу изготовления Pristine-SA, получается чисто горящее твердое топливо, в сочетании с которым используются горючие газы. Эти газы включают имеющие низкую теплотворную способность газы, которые производят и бесполезно сжигают нефтеперерабатывающие заводы и другие промышленные предприятия, а также газы из биомассы.
Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения, получается продукт Pristine-SA, совместно с которым уплотняется обожженная биомасса, такая как, например, обожженная древесина или другой подвергнутый обжигу возобновляемый источник энергии с нейтральным показателем высвобождения углерода, причем он имеет удельную энергоемкость, которая превышает удельную энергоемкость древесины и приближается к удельной энергоемкости угля, и данный уплотненный продукт получается в форме брикетов. Хотя этот уплотненный продукт может поддерживать свое собственное горение, он отличается от продуктов, изготовленных согласно предшествующим способам, тем, что он производит уменьшенные выбросы диоксида углерода вследствие использования биомассы, которая производит нулевые выбросы диоксида углерода. В данном отношении следует отметить, что горение биомассы по определению считается производящим нулевые выбросы диоксида углерода, поскольку такое выбросы нейтрализуются поглощением диоксида углерода в процессе роста растений.
Когда используются сорта угля, которые имеют высокое влагосодержание, способом согласно настоящему изобретению изготавливается топливо, у которого теплотворная способность (CV) является выше, чем теплотворная способность необработанного угля. Повышение теплотворной способности происходит прямо пропорционально влагосодержанию угля.
Помимо своего использования в качестве топлива для более чистого горения, обработанный уголь согласно настоящему изобретению (синтетический антрацитовый уголь) представляет собой экономически привлекательную альтернативу по отношению к нефтяному коксу и другим аналогичным исходным материалам для различных отраслей промышленности, включая активированный уголь и угольные электроды для алюминиевой промышленности, а также углеродные добавки для сталелитейной промышленности. Еще одно применение обработанного угля Pristine-SA согласно настоящему изобретению представляет собой пылеугольное вдувание (PCI) в доменные печи. В данном отношении продукт Pristine-SA может функционировать в качестве предпочтительного источника углерода в целях ускорения восстановления железной руды в доменной печи в процессе производства расплавленного железа и позволяет сократить потребность в коксе.
Антрацитовый уголь в качестве топлива для промышленных бойлеров используется лишь в минимальной степени вследствие своей высокой стоимости, ограниченной доступности и проблем, связанных с поддержанием его горения. Обработанный уголь согласно настоящему изобретению представляет собой практически чистое сочетание углерода и водорода и преодолевает недостатки, отмеченные выше. Таким образом, настоящее изобретение предлагает подобный антрациту уголь, который можно продавать по менее высоким ценам, чем природный антрацит, и, следовательно, он может оказаться экономически целесообразным в качестве топлива.
Согласно важному аспекту настоящего изобретения, предлагается введение спутного потока вспомогательного топлива, такого как природный газ или другой горючий газ (например, биогаз, газ из органических отходов, дизельное топливо и т.д.), который представляет собой сонаправленный поток вдоль обработанного угля в промышленном бойлере. Вспомогательное топливо, такое как природный газ, обеспечивает требуемое соотношение углерода и водорода в топливе, чтобы поддерживать горение обработанного угля согласно настоящему изобретению. В таком сочетании обработанный уголь согласно настоящему изобретению и горючий газ обеспечивают устойчивое горение, в процессе которого уменьшается требуемого количества горючего газа по сравнению с количеством, которое потребовалось бы в случае работы бойлера только с использованием газа.
Горючие газы также включают газы, которые производят промышленные предприятия, нефтеперерабатывающие заводы и химические производственные предприятия, и у которых теплотворная способность является чрезмерно низкой для экономичного сжигания для производства тепловой/электрической энергии. Следовательно, эти газы, как правило, сжигаются в факелах, и при этом бесполезно расходуется их энергосодержание. Эти горючие газы обеспечивают требуемое содержание водорода, чтобы поддерживать горение обработанного угля согласно настоящему изобретению.
Такой способ не только повышает качество угля низких сортов, но также производит выбросы, которые являются в более значительной степени сокращенными и очищенными, чем выбросы, которые производят в результате своего горения необработанные битуминозные и суббитуминозные паровичные угли. Кроме того, посредством использования обработанного угля согласно настоящему изобретению, может быть устранена очистка выбросов вследствие того, что они имеют близкое к нулю содержание веществ, присутствие которых в выбросах является нежелательным. Помимо этого, согласно данному способу, образуются углеводородные побочные продукты, которые представляют собой важный фактор, положительно влияющий на экономическую целесообразность способа. Удаление влаги из исходного угля повышает теплотворную способность угля, превращая его в более эффективное топливо, чем необработанный уголь.
Хотя настоящее изобретение описывается в связи с тем, что в настоящее время рассматривается как наиболее практичный и предпочтительный вариант осуществления, следует понимать, что настоящее изобретение не должно ограничиваться описанным вариантом осуществления, но, напротив, предназначается для распространения на разнообразные модификации и эквивалентные конфигурации, которые соответствуют идее и находятся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.