Способ обработки мелкозернистого угля с образованием свободно текущего материала и свободно текущий материал

 

Изобретение относится к способам получения свободно текущих зернистых продуктов из насыщенных влагой спекшихся материалов и может быть использовано при получении топлив для сжигания в печах. Способ обработки мелкозернистого угля включает в себя смешивание высокосортного угля, имеющего содержание свободной влаги в диапазоне 5-60% от веса, с несмешивающимся с водой веществом с использованием силы перемешивания, обеспечивающей образование свободно текущих зерен, каждая из которых состоит из как минимум одной частицы указанного угля свободной влаги в диапазоне 2-50 вес.% и несмешивающегося с водой вещества 1-5% от веса сухого угля. Способ позволяет получить свободно текущий материал. 3 с. и 15 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к способам получения свободно текущих зернистых продуктов из насыщенных влагой спекшихся материалов и, более конкретно, к процессу получения такого свободно текущего зернистого продукта путем смешивания несмешивающегося с водой вещества с мелким углем, насыщенным влагой.

Существующие операции угледобычи и подготовки угля и улучшенные процессы обогащения угля, необходимые для выполнения строгих требований по защите окружающей среды в отношении содержания золы и серы в угле, дают в итоге измельченный и мелкий уголь, содержащий от 15 до 40% влаги. В структуре угля имеется собственное или равновесное влагосодержание. Как известно, угль более низкого сорта имеет более высокое собственное влагосодержание. Кроме собственной влаги угля мелкий уголь, получаемый в результате существующих процессов угледобычи, подготовки и очистки, содержит некий объем свободной влаги, адсорбированной на поверхности частиц угля. Обычно в угольной промышленности мелкий уголь, насыщенный влагой, называется влажным спеком.

Влажный спек - по существу влажная образовавшая липкие комки масса частиц угля (обычно размером менее 28 меш - число ячеек на 1 линейный дюйм), которую чрезвычайно трудно хранить, обрабатывать и трансформировать. Она часто бывает смешана с большими по размерам частицами более сухого угля для массовой перевозки в качестве топлива. Однако таким образом можно смешивать только влажный спек, отвечающий специфическим требованиям по влагосодержанию смешанного продукта. Для того чтобы выполнить эти требования, иногда необходимо просушивать влажный спек в термосушилках для снижения влагосодержания. Операции просушки увеличивают затраты, связанные с использованием такого измельченного угля. Часто избыточное количество мелкого влажного угля, которое нельзя обрабатывать таким образом, сбрасывается в отстойный резервуар, что влечет за собой экономические санкции.

Пыль, образующаяся при транспортировке и использовании измельченного высушенного угля, это потенциально огнеопасное вещество, при этом потери при транспортировке сказываются экономически, не говоря уже о загрязнении окружающей среды.

В результате широких исследований были найдены способы получения суспензий мелкого угля, которые можно обрабатывать и хранить как жидкости. Такие суспензии можно атомизировать путем разбрызгивания для сжигания в печах. Однако суспензии такого вида требуют использования большого количества дорогих химических веществ для обеспечения долгосрочного хранения без отстаивания и для контроля вязкости с использованием этого при перекачивании и автоматизации.

Способы, в которых нефть добавляется к измельченному углю при подготовке угленефтяных суспензий, описаны в патентах США N 4859209 и 4744797. В патенте США N 4744797 описано, как порошок, полученный из нефти и угля, смешивается при небольшой смешивающей образующейся при частоте порядка 50-1500 оборотов в минуту с водным раствором растворимого в воде желатина или клея в тяжелом дистилляте каменноугольной смолы. Растворение в воде компонента диспергирует воду в тяжелом дистилляте каменноугольной смолы.

Использование нефти для "увлажнения" высушенного раздробленного угля с целью понижения распыленности и возгораемости такого угля описано в патентах США N 4775390; 4828576; 4783200; 4402707 и 3953927.

В процессе агломерации угля-нефти нефть добавляется для разбавления соединения уголь-вода (менее 20% угля) при больших силах смешивания для того, чтобы каждая частица угля была покрыта нефтью. Большие силы при перемешивании приводят к тому, что покрытые нефтью частицы угля слипаются вместе с образованием агломератов, в которых почти не остается воды. Процессы агломерации используются для восстановления и обогащения угля из свободных потоков.

В патентах США N 4396396 и 4889538 представлены процессы агломерации угля-нефти.

Однако до настоящего времени эти разработки не создали способа, практически помогающего стабилизировать влажный спек для того, чтобы его можно было легко перевозить, хранить и обрабатывать.

Задачей настоящего изобретения являлось создание процесса обработки мелкого спекшегося угля, насыщенного влагой, например влажного спека, для получения свободно текущего материала, который легко перевозить, хранить и использовать. Кроме того, задачей изобретения являлось создание процесса, который исключил бы или снизил опасности, связанные с обработкой таких материалов. Еще одной задачей являлось создание процесса стабилизации влажного спека для его использования в качестве топлива.

Изобретение охарактеризовывает способ получения свободно текущего, легкого обрабатываемого и хранящегося материала. Этот способ включает в себя смешивание спекшегося мелкого угля с содержанием свободной влаги порядка 5-60% по весу с эффективным количеством несмешивающегося с водой вещества на период времени, достаточной для того, чтобы получить множество свободно текущих зерен, составленных из примеси частиц угля, влаги и несмешивающегося с водой вещества.

Несмешивающееся с водой вещество можно добавлять в спекшийся мелкий уголь постепенно или сразу же в течение операции смешивания или же его можно перемешивать до этапа смешивания. Процесс можно вести для непрерывного или пропорционального выпуска продукта.

Спекшийся мелкий уголь может быть материалом, полученным в ходе обычной угледобычи, процессов подготовки и очистки угля и тому подобное. Такой материал обычно называется влажным спеком. Желательно, чтобы смешивающееся с водой вещество было нефтью, которая не испарялась бы при комнатной температуре. Подходящие вещества можно выбрать из группы, состоящей из сырой нефти, базовых смазочных масел, скипидара, дизельного топлива, жидких растительных масел, льняного масла, кремнеорганических смол, использованных смазочных масел, донных осадков вакуумных башен и топливной нефти N 6.

Окончательный продукт - это с виду сухой, зернистый материал, имеющий влагосодержание порядка от 2 до 50 вес.%. Несмешивающееся с водой вещество примешивается к одной или большему количеству частиц с образованием зерна (гранулы), которая, как полагают, удерживает влагу в промежутках между частицами угля. Свободно текущие зерна можно обрабатывать традиционными методами, обычно используемыми при работе с сухим цементом и песком. Например, свободно текущие зерна можно пневматически транспортировать от бункеров хранения, контейнеров или башен, расположенных на земле, непосредственно к месту использования. В предпочтительном варианте реализации смесь, состоящая из свободно текущих гранул нефти, воды и частиц угля, может перевозиться непосредственно в камеру сгорания, способную сжигать пульверизованный уголь. Способность влаги покидать зерна позволяет высушивать свободно текущие зерна, например в термосушилке. Как наблюдалось, влага обратно не поступала в зерна после такой просушки даже при большой влажности окружающей среды.

Способ согласно данному изобретению может включать в себя этап добавления сурфактанта или другой добавки к свободно текущим зернам, желательно в месте использования, для получения стабильной суспензии уголь-вода. Эти добавки включают в себя сурфактанты, такие как блочные сополимеры типа окись этилена-окись пропилена, изготовляемые фирмой BASF Chemical Corporation (Pluronics), или этоксилаты спирта, и, например, изготовляемые фирмой Union Carbide Chemical Corporation (Tergitols). Другие активные вещества, такие как ксантан или смола гуар, можно использовать в качестве сгустителей для стабилизации и контроля вязкости, а сульфонаты лигнина или нафталина можно использовать в качестве диспергентов. При желании суспензию можно перекачивать насосом или/и атомизировать при транспортировке к камере сгорания.

Свойства свободно текущих зерен, получаемых в ходе способа согласно данному изобретению, можно менять путем выбора типа угля, размеров частиц, выбора несмешивающихся с водой вещества и других интерактивных параметров, известных для специалистов в области углеобработки.

Свободно текущие зерна, вырабатываемые в результате способа согласно данному изобретению, помогают избежать проблем, связанных с обработкой и транспортировкой и обычно возникающих при работе со спекшимися материалами, насыщенными влагой, такими как влажный спек. Кроме того, материал, получаемый согласно данному изобретению, значительно снижает опасность взрыва и загрязнения, которые обычно происходят, когда используется уголь, высушенный традиционными методами.

Способ согласно данному изобретению можно использовать для преобразования насыщенного влагой, спекшегося мелкого угля в сухие на вид свободно текущие зерна, которые легко обрабатывать, хранить, транспортировать и использовать при существующих методах. С целью подробного описания данного изобретения процесс будет объединяться с указанием на преобразование влажного спека в поддающиеся обработке свободно текущие зерна, которые иногда будут называться размолотым углем.

Производство размолотого угля согласно данному изобретению начинается с обработки спекшегося мелкого угля, имеющего по преимуществу размер частиц до 28 меш и содержание свободной влаги в диапазоне 5-60 вес.%. Свободная влага удерживается вместе с частицами во множестве липких кусков, которые иногда называются влажным спеком. Влажный спек смешивается с несмешивающимся с водой веществом, желательно с нефтью, и более предпочтительно - с жидким углеводородом, который не испаряется при комнатной температуре.

Влажный спек и нефть смешиваются при комнатной температуре при воздействии малых сил смешивания в течение времени приблизительно 5-15 мин, причем этого времени достаточно, чтобы получить множество свободно текущих зерен. Как считается, каждое зерно состоит из одной или большего количества частиц угля, причем влага сцепляется с поверхностью такой частицы в смеси с нефтью. Очевидно, что зерна удерживают воду в промежутках между частицами угля, что дает вид сухого зернистого материала, который может содержать примерно 2-50% влаги с объемной плотностью свободно плавающих гранул в диапазоне 20-40 фунтов на кубический фут (334-668 кг/м³). Одна из возможных структур, которую можно представить благодаря поведению и внешнему виду зерен, это образование нефтяной мембраны или пленки, окружающей частицы угля и адсорбированную воду.

Малые силы смешивания, используемые в процессе, меньше усилий, необходимых для оттока воды от поверхности частиц угля. Было обнаружено, что средние значения этих сил соответствуют частоте до 1000 обратных секунд и бывают достаточны для образования зерен. Значения сил, соответствующих частоте, всего 10-100 обратных секунд также успешно использовались в лаборатории. Однако известно, что могут применяться и более высокие значения смешивающих сил. Но смешивание не должно быть таким высоким, чтобы отделять воду от угля, смеси с нефтью. Считается, что усилия смешения не столь критичны для процесса согласно данному изобретению, как влагосодержание исходного материала.

Предпочтительно, чтобы исходным материалом для способа согласно данному изобретению являлся влажный спек из мелкого угля, полученный методами традиционной угледобычи и подготовки угля или процессов очистки угля. Желательно использовать более высокие сорта угля.

Независимо от собственного влагосодержания спекшихся частиц угля, содержание свободной влаги должно находиться в диапазоне приблизительно 5-60 вес. %, желательно 10-50 вес.% и еще более желательно приблизительно 20-40 вес. %. Было обнаружено, что содержание свободной влаги, превышающее 60 вес. %, приводит к образованию свободной воды, смешанной с размолотым углем. Считается, что содержание свободной влаги ниже примерно 5-10% неадекватно для получения размолотого угля в способе согласно данному изобретению.

Вещество, выбранное для смешивания со спекшимся углем, не должно смешиваться с водой. Предпочтительны нетоксичные, слабо летучие сорта нефти с высокой температурой вспышки, т.е. как минимум около 280 по Фаренгейту. Как показано в табл. 2, нефть с более низкими температурами вспышки работает также хорошо. Применимы будут вещества, которые являются органическими соединениями или соединениями с ковалентной связью, с относительно длинными молекулярными цепочками (N>4) с неполярными химическими функциями (углеводороды, эфиры, кремнеорганические смолы и т.п.). Как можно, например, извлекать из нефти (дизельное топливо, смазочные масла, топливная нефть N 6, сырая нефть, восстановленная сырая нефть, использованные смазочные масла и лигроин), из древесины (скипидар), из растительных масел (кукурузное масло, соевое масло, касторовое масло, льняное масло и т.п.) или синтетических материалов (кремнеорганические смолы). Высокоочищенные базовые смазочные масла, например, поставляемые на рынок фирмой "Шеврон" и продаваемые под маркой Pale Oil 75, или поставляемые на рынок фирмой Pennzoil под маркой N-60-HT, с успехом использовались в процессе согласно данному изобретению. Характерные свойства этих видов нефти и масел представлены в табл. 1.

Однако из соображений экономии, защиты окружающей среды или эксплуатации можно предпочесть нефть и масла других сортов. Было показано, что хорошо работает дизельное топливо, однако оно неприемлемо с точки зрения безопасности работы и воздействия на окружающую среду.

Предпочтительно, чтобы количество несмешивающегося с водой вещества, используемого в процессе, составляло около 1-5% по весу сухого угля. Будет достаточно любое количество, которое эффективно для преобразования спекшегося мелкого угля в смесь частиц нефти (воды) угля, которая представляет собой сухие на вид свободно текущие зерна согласно данному изобретению. Количество используемой нефти (масел) и размер отдельных зерен, получаемых в данном процессе, меняются в зависимости от начальных размеров частиц угля. В свою очередь размер частиц угля определяет площадь поверхности материала и ее способность удерживать свободную влагу. Чем выше влагосодержание влажного спека, тем большее количество несмешивающегося с водой вещества требуется.

Пример 1. 430 г влажного угольного фильтерного спека, содержащего 30% влаги, помещалось в лабораторный миксер с открытой лопаткой мешалки. Миксер устанавливался на малую скорость (100-500 оборотов в минуту) для обеспечения перемешивания. За один раз добавлялось 9 г Pale Oil 75, и перемешивание продолжалось в течение 5-10 мин до получения зернистого свободно текущего продукта. Продукт свободно сплывал из смешивающего цилиндра в емкость.

Пример 2. 17479 г влажного спека, содержащего 35% влаги (11361 г сухого угля плюс 6118 г воды), помещалось в растворомешалку объемом 0,2 м³, после чего начиналось низкоскоростное перемешивание (40-50 оборотов в минуту). Затем за один раз добавлялось 340 г (3%, основываясь на весе сухого угля) выбранной нефти в процессе перемешивания. Перемешивание продолжалось в течение 5-10 мин до образования сухого на вид зернистого размолотого угля. Затем этот продукт удалялся путем простого сбрасывания свободно текущих сред зерен из движущегося смесительного цилиндра мешалки.

Пример 3. 300 г высушенного питсбургского пластового угля, имеющего средний объемный диаметр 13,3 мкм (100% частиц менее 62 мкм) и содержащего 6% золы, смешивалось с 190 г воды. После основательного перемешивания наблюдался влажный липкий спек. Затем добавлялось 9,0 г Пеннзоил HT-60, и смесь перемешивалась в лабораторной мешалке со скоростью примерно 200 оборотов в минуту. Спустя приблизительно 5-10 мин образовывался мелкий сухой на вид зернистый материал. Материал можно было удалить, опрокинув смесительную емкость.

Пример 4. 300 г высушенного угля N 3 из Верхнего Элкхорна, имеющего средний объемный диаметр 20 мкм и содержащего 1,4% золы, смешивалось с 161 г воды. После основательного перемешивания наблюдался влажный липкий спек. Затем добавлялось 9,0 г кукурузного масла (коммерческий продукт Mazola Oil), и смесь перемешивалась в лабораторной мешалке со скоростью примерно 200 оборотов в минуту. Спустя 5-10 мин образовывался мелкий сухой на вид зернистый материал. Продукт можно было удалить, опрокинув смесительную емкость.

Пример 5. 300 г высушенного измельченного восточного антрацитного угля, средний объемный диаметр которого составляя 12,7 мкм (98% частиц менее 44 мкм), смешивалось с 161 г воды. После основательного перемешивания образовывался влажный на вид спек. Затем добавлялось 9,0 г Пеннзоил HT-60, и смесь перемешивалась в лабораторной мешалке со скоростью примерно 200 оборотов в минуту. После примерно 5 мин перемешивания получался сухой на вид зернистый продукт. Продукт можно было удалить, опрокинув смесительный сосуд.

Приведенные выше примеры иллюстрируют некоторые характеристики процесса согласно данному изобретению. Можно применять любое подходящее перемешивающее устройство, способное перемешивать с малой смесительной силой. Непрерывный выпуск и выпуск партиями в коммерческом масштабе могут потребовать применения перемешиваемых приспособлений различных типов.

Исследования получаемых в результате свободно текущих зерен показали, что размолотый угольный продукт очень быстро теряет воду после воздействия воздуха или тепла и что повторное воздействие высокой влажности не приводит к повторной гидратации. Это говорит о том, что нефть (масла) могут захватить или инкапсулировать частицы угля вместе с находящейся в промежутках водой таким способом, который легко позволяет воде удалиться, но предотвращает повторную гидратацию частиц угля. Эта способность зерен терять воду делает их пригодными для дальнейшей обработки с целью снижения влагосодержания. Зерна можно термически высушивать с помощью известных пригодных средств. Однако было бы хорошо, если можно было бы обойтись без просушивания. Зерна, получаемые в процессе согласно этому изобретению, на вид сухие и их можно обрабатывать, транспортировать и хранить таким же образом, что и любой сухой зернистый объемный материал. Зерна обеспечивают получение стабилизированного влажного спека, который можно сжигать без дальнейшей обработки или легко преобразовывать в угольно-водное топливо на месте сжигания.

Процесс согласно данному изобретению принципиально отличается от процессов добавки нефти или агломерации нефти, известных ранее. В процессе агломерации нефть добавляется в смесь угля с водой низкой концентрации (менее 20% угля), которая затем перемешивается при больших смесительных силах для того, чтобы покрыть каждую частицу угля нефтью и заставить частицы слипаться друг с другом с образованием агломератов, где большая часть воды или вся вода вытеснена. В процессе согласно данному изобретению свободная вода удерживается. Относительно небольшое количество несмешивающегося с водой вещества добавляется к насыщенному влагой мелкому углю в условиях перемешивания с малыми смесительными силами, что заставляет частицы мелкого угля, воды и нефти образовывать свободно текущую зернистую смесь, в которой множество зерен, составленных из одной или нескольких частиц угля и воды (2-50 вес.%), как представляется, захвачены или изолированы в смеси с несмешивающимся с водой веществом.

Свободно текущие зерна легко удаляются из смесительного аппарата известными подходящими способами, например путем выбрасывания с помощью устройства лопаточного типа или путем извлечения с помощью вакуумного устройства. После этого зерна можно хранить без консервирующих средств и легко транспортировать с помощью традиционных средств, например с помощью пневматического или шнекового конвейера, к камере сжигания, например к такой, которая используется в котлах для производства пара на электростанциях. Размолотый уголь можно ссыпать в кучи на землю или хранить в известных системах хранения объемных продуктов, применяемых для зерна, цемента или известняка.

В качестве альтернативы получающийся в результате продукт можно перевозить традиционными средствами перевозки объемных сухих зернистых продуктов прямо к пользователю и смешивать перед использованием с применением присадок для превращения свободно текущих зерен в суспензию. Можно использовать подходящие присадки превращения зерен в стабильную суспензию уголь-вода с низкой вязкостью, которую можно накачать в пульверизатор-распылитель для использования в процессах сжигания. Эти присадки включают в себя такие сурфактанты, как блочные сополимеры окись этилена-окись пропилена, изготовляемые фирмой BASF Chemical Corporation (Pluronics), или как эпоксилаты спирта, например изготовляемые фирмой Union Carbide Chemical Corporation (Tergitols). Можно применять другие активные вещества, такие как ксантан или смола гуар, в качестве сгустителей для стабилизации и контроля вязкости, а также сильфонаты лигнина или нафталина в качестве диспергентов.

Методы обработки, которые можно использовать в связи со свободно текущими гранулами или размолотым углем согласно данному изобретению, не чувствительны к уровням влаги, размерам подаваемых частиц или к изменениям в процессе обработки угля. Потеря влаги во время хранения мало влияет на характеристики процесса обработки.

Формула изобретения

1. Способ обработки мелкозернистого угля с образованием свободно текущего материала, включающий смешивание спекшихся мелких частиц высокосортного угля, содержащих свободную влагу в диапазоне 5 - 60 вес.%, с несмешивающимся с водой веществом, например нефтью или маслом, с использованием силы перемешивания, отличающийся тем, что смешивание спекшихся мелких частиц высокосортного угля с несмешивающимся с водой веществом, взятым в количестве 1 - 5% от веса сухого угля, осуществляют в мешалке, работающей со скоростью перемешивания менее 500 об/мин, обеспечивающей образование свободно текущих зерен, каждое из которых содержит как минимум одну частицу указанного угля, несмешивающееся с водой вещество и свободную влагу в диапазоне 2 - 50 вес.%, которая удерживается в основном внутри зерен.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что несмешивающееся с водой вещество представляет собой жидкий углеводород, не испаряющийся при комнатной температуре.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что средний размер частиц угля меньшей 28 меш.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что спекшийся мелкий уголь содержит свободную влагу в диапазоне 20 - 40 вес.%.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что несмешивающееся с водой вещество выбирают из группы, состоящей из очищенного смазочного масла, дизельного топлива, жидких растительных масел, донных осадков вакуумных башен, топливной нефти N 6, кремнеорганических смол, скипидара и лигроина.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что свободно текущие зерна дополнительно перемешивают с присадкой с образованием суспензии.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что свободно текущие зерна дополнительно перемешивают с присадкой, выбранной из группы, состоящей из сурфактантов, сульфонатов лигнина и нафталина и их смесей с образованием суспензии.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что объемная плотность свободно плавающих гранул находится в диапазоне от 20 до 40 фунт/фут³ (334 - 668 кг/м²).

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют высушивание свободно текущих зерен для снижения содержания в них влаги.

10. Свободно текущий материал, содержащий мелкий высокосортный уголь, свободную влагу и несмешивающееся с водой вещество, например нефть или масло, отличающийся тем, что он выполнен в виде свободно текущих зерен, каждое из которых содержит как минимум одну частицу высокосортного угля, свободную влагу в диапазоне 2 - 50 вес.% и несмешивающееся с водой вещество, например нефть или масло, для удержания свободной влаги и как минимум одной частицы угля.

11. Свободно текущий материал по п.9, отличающийся тем, что несмешивающееся с водой вещество удерживает указанную влагу между частицами угля.

12. Свободно текущий материал по п.9, отличающийся тем, что средний размер частиц угля меньше 28 меш.

13. Свободно текущий материал по п.9, отличающийся тем, что несмешивающееся с водой вещество представляет собой жидкий углеводород, не испаряющийся при комнатной температуре.

14. Свободно текущий материал по п.9, отличающийся тем, что зерно содержит свободную влагу в диапазоне 10 - 50 вес.%.

15. Способ обработки мелкозернистого угля с образованием свободно текущего материала, включающий смешивание спекшихся частиц высокосортного угля, содержащих свободную влагу в диапазоне 5 - 60 вес.%, с нефтью или маслом, отличающийся тем, что смешение указанных компонентов осуществляют в мешалке, работающей со скоростью перемешивания менее 500 об/мин, обеспечивающей образование зерен, не проявляющих тенденцию к слипанию, причем каждое зерно содержит как минимум одну частицу угля, смешанную с нефтью или маслом, при этом свободная влага адсорбирована на поверхности частицы угля.

16. Способ по п.14, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют высушивание указанных зерен для снижения содержания в них влаги.

17. Способ по п.14, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют перемешивание указанных свободно текущих зерен с присадкой с образованием суспензии.

18. Способ по п. 14, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют перемешивание свободно текущих зерен с присадкой, выбранной из группы, состоящей из сурфактантов, сульфонатов лигнина и нафталина и их смесей с образованием суспензии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2