用于混合褐煤浆与焦炭浆的方法和设备 【技术领域】
本文所公开的主题涉及焦炭和褐煤气化。更具体而言， 本发明所公开的实施例涉 及在气化之前制备进料浆。背景技术
例如煤或石油这样的化石燃料可被气化用于发电， 生产化学品、 合成燃料或多种 其它应用。气化涉及使含碳燃料与氧气在很高温度起反应以产生合成气， 一种包含一氧化 碳和氢气的燃料， 其比燃料的原始状态更有效地燃烧且更清洁。
不同含碳燃料可被气化但获得不同程度的成功。即， 较高热值大体上表示燃料更 易于燃烧。材料热值是燃料与氧气燃烧释放的能量的量度。举例而言， 通过裂解石油产生 的石油焦具有相对较高的热值且因此易于气化。相反， 具有高水分和高灰分含量的褐煤具 有很低的热含量且因此难以气化。 在某些情形下， 褐煤包含过多的水分和灰分而难以气化。 但褐煤比焦炭便宜很多， 其必须在气化之前得到 ( 即， 裂解 )。 因此， 可能需要发展可将褐煤 与焦炭一起气化的系统和方法。 发明内容
在下文中概述了符合最初要求保护的发明的范围的某些实施例。这些实施例并 不意图限制要求保护的发明的范围， 而是这些实施例仅用于提供本发明可能形式的简要概 述。实际上， 本发明可涵盖与下文所陈述的实施例相同或不同的多种形式。
在第一实施例中， 一种方法包括制备焦炭浆 ； 制备褐煤浆 ； 以及， 组合焦炭浆与褐 煤浆以形成焦炭 / 褐煤浆。
在第二实施例中， 一种系统包括给料制备和运输系统。该给料制备和运输系统具 有： 第一浆槽， 其用于混合褐煤与水以形成褐煤浆 ； 第二浆槽， 其用于混合焦炭与水以形成 焦炭浆 ； 以及， 第三浆槽， 其用于混合褐煤浆与焦炭浆用于形成焦炭 / 褐煤浆。
在第三实施例中， 一种方法包括从水分含量为至少 29％和灰分含量至少 30％的 褐煤生产可气化的焦炭 / 褐煤浆。 附图说明 当参看附图来阅读下文的具体实施方式时， 本发明的这些和其它特征、 方面和优 点将会变得更好理解， 在所有附图中， 相似的附图标记表示相似部件， 其中 ：
图 1 是根据本发明实施例的示例性吹氧整合气化组合循环发电系统的方块图 ；
图 2 是根据本发明的实施例如图 1 所示的示例性气化制备与进给系统的方块图 ； 以及
图 3 是根据本发明的实施例用于制备焦炭 / 褐煤浆的示例性方法的流程图。
具体实施方式
现将在下文中描述本发明的一个或多个具体实施例。 为了提供这些实施例的简洁描述， 在说明书中可不描述实际实施方式的所有特征。应了解在任何这些实际实施方式的 开发中， 如在任何工程或设计项目中， 必须做出许多具体实施决定来实现开发者的具体目 的， 例如符合系统相关和商务相关的约束， 在实施方式之间这些约束可不同。 此外， 应了解， 这些开发工作可复杂且耗时， 但仍然是受益于本公开内容的技术人员设计、 制作和制造的 常规任务。
当在介绍本发明的各个实施例的元件时， 冠词 “一” 、 “该” 或 “所述” 意图表示这些 元件中的一个或多个。术语 “包括” 、 “包含” 和 “具有” 意图是包括性的且表示可存在除了 所列出的元件之外的额外元件。
在某些实施例中， 本文所述的系统和方法包括使褐煤能在焦炭 / 褐煤浆中气化。 焦炭 / 褐煤浆可通过组合焦炭浆与褐煤浆而产生。可单独地研磨焦炭和褐煤并将每种成分 引入到专用浆槽 ( 即， 单独的第一浆槽与第二浆槽 ) 来产生个别浆。由于褐煤是亲水性的， 褐煤浆可在褐煤浆槽中稳定 ( 例如， 搁置直到褐煤不再明显地吸水 )， 之后在第三浆槽中混 合褐煤浆与焦炭浆。在使焦炭 / 褐煤浆稳定后， 其可被发送到气化器用于在 ( 例如 ) 发电 系统中使用。示例性焦炭 / 褐煤浆可包含大约 50％的焦炭浆和大约 50％的褐煤浆。在另 一实施例中， 示例性焦炭 / 褐煤浆可包含大约 60％的焦炭浆和大约 40％的褐煤浆。原本不 可气化的褐煤可使用本实施例而气化， 如在下文中详细地讨论的。 举例而言， 用于产生褐煤 浆的褐煤可具有超过大约 29％的水分含量和超过大约 30％的灰分含量。 图 1 示出了示例性吹氧整合气化组合循环 (IGCC) 发电系统 10。例如焦炭和褐煤的 含碳燃料可经由给料制备和运输系统 12 引入到系统 10， 如在下文中更详细地描述的。该进 给系统 12 向气化器 14 提供燃料浆 13， 其中燃料与氧气 (O2) 和蒸汽 (H2O) 混合。可从空气分 离器 15 提供氧气。气化器 14 加热反应物超过大约 700℃以燃烧燃料浆中的挥发性成分。由 于氧气、 蒸汽与碳 (C) 之间的化学反应， 气化产生氢气 (H2)、 一氧化碳 (CO) 和二氧化碳 (CO2)。
除了碳之外， 煤可能包含在燃烧过程中不太希望的其它成分。 举例而言， 不同类型 的煤可包含不同量的灰分、 硫、 氢、 氮、 氧和氯化物。 在气化过程后， 可作为矿渣 16 从系统 10 移除这些成分中的许多成分。剩余成分 17 从气化器 14 传送到气体冷却与处理系统 18。硫 成分 19 可从冷却与处理系统 18 移除且被发送到硫产生系统 20 用于纯化。水可作为蒸汽 21 和液体 22 从气流移除。蒸汽 21 可再循环到气化器 14 和 / 或发送到热回收蒸汽发生器 (HRSG)23。液态水 22 可发送到水处理系统 24。
离开气体冷却与处理系统 18 的气流可为 “清洁” 合成气 25。合成气 25 然后可运送 到燃烧器 26， 其中合成气 25 以远比进给到进给系统 12 内的原始含碳燃料更高的效率燃烧。 空气 27 也可自压缩机 28 提供到燃烧器 26 以一定燃料空气比与合成气 25 混合用于燃烧， 且 氮气 29 可经由稀释氮气压缩机 (diluent nitrogen compressor)30 从空气分离器 15 提供到 燃烧器 26 来冷却燃烧反应。 然后， 来自燃烧器 26 的排气 31 可被进给到涡轮 32， 涡轮 32 可驱 动压缩机 28 和 / 或发电机 33。然后， 来自涡轮 32 的排气 34 可进给到 HRSG 23， HRSG 23 可 从排气 34 和从自气体冷却与处理系统 18 进给的蒸汽 21 回收热。所回收的热可用于驱动蒸 汽涡轮 35， 蒸汽涡轮 35 可驱动发电机 36 发电。然后， 来自蒸汽涡轮 35 的蒸汽 37 可运送到 冷凝器 38。冷却流体 39 可从冷却塔 40 提供到冷凝器 38。来自冷凝器 38 的冷凝蒸汽 41 然 后可再循环到 HRSG 23。HRSG 23 也可具有烟囱 42， 压力可通过烟囱 42 向大气释放。
转至图 2， 示出图 1 的示例性给料制备和运输系统的更详细方块图。在图示实施例
中， 系统 12 可包括至少三个浆槽 50、 52 和 54。由于焦炭和褐煤的不同性质， 每种成分可分别 在槽 50 与槽 52 中独立地制浆， 然后在气化之前在浆槽 54 中组合。过去曾尝试将褐煤与焦炭 在一起制浆， 但由于多种原因未能成功。 举例而言， 焦炭远比褐煤更硬且因此不像褐煤一样易 于研磨。即， 研磨的焦炭 / 褐煤混合物将得到不均匀的粒度， 因为当研磨时褐煤比焦炭更细。 因此， 进给系统 12 可包括单独的研磨机 56 和 58 用于分别研磨焦炭和褐煤。此外， 褐煤远不 如焦炭稳定。即， 褐煤比焦炭吸收更多的水。这种不稳定性导致褐煤浆随时间增稠。通过独 立地制备焦炭与褐煤浆， 可使褐煤浆在褐煤浆槽 52 中稳定 ( 即， 搁置直到褐煤不再明显地吸 水 )， 之后在槽 54 中将褐煤浆与焦炭浆混合。此外， 可希望在将浆料进给到气化器 14( 图 1) 之前使焦炭 / 褐煤浆在槽 54 中进一步稳定。所得到的焦炭 / 褐煤浆可如上文关于图 1 所述 的那样气化， 即使在原始褐煤给料由于高水分含量和 / 或灰分含量不可气化的情况下。
图 3 示出了用于产生可气化焦炭 / 褐煤浆的方法 60。该方法可始于接收焦炭 ( 方 块 62) 和褐煤 ( 方块 64) 用于制浆。在一些实施例中， 焦炭可 ( 例如 ) 通过裂解重烃或者通 过在很高温度 ( 例如， 高达大约 2000℃ ) 在无空气炉中烘焙烟煤而产生。然后， 焦炭和褐煤 被单独地研磨 ( 分别为方块 66 和 68)。由于褐煤大体上远比焦炭更软， 褐煤研磨 ( 方块 68) 可远比焦炭研磨 ( 方块 66) 更快。举例而言， 大约 500lbs 的褐煤批可研磨 ( 方块 68) 大约 30 分钟， 而大约 500lbs 的焦炭批可研磨 ( 方块 66) 大约 50 分钟。在某些实施例中， 对于等批大 小， 褐煤研磨持续时间可小于焦炭研磨持续时间的大约 30％、 40％、 50％、 60％或 70％。
然后， 研磨过的焦炭可与水混合以形成焦炭浆 ( 方块 70)。同样， 研磨过的褐煤可 与水混合以形成独立于焦炭浆的褐煤浆 ( 方块 72)。为了形成浆 ( 方块 70 和 72)， 500lbs 的研磨过的焦炭可与大约 120 加仑的水混合， 且 500lbs 的研磨过的褐煤可与大约 180 加仑 的水混合。 在某些实施例中， 对于等批大小， 添加到褐煤的水可大于添加到焦炭的水的大约 125％、 150％、 175％、 200％、 225％或 250％。因为褐煤是亲水性的， 其可从浆和大气水分吸 水， 使得浆随着时间稠化。褐煤可继续吸水直到其到达平衡水分 ； 因此， 褐煤浆可搁置于褐 煤浆槽中直到褐煤浆变稳定 ( 例如， 褐煤到达其平衡水分 )( 方块 74)。
在使褐煤浆稳定之后， 可在焦炭 / 褐煤浆槽中将褐煤浆与焦炭浆混合 ( 方块 76)。 在一实施例中， 焦炭浆和褐煤浆可以大约相等比例混合以形成 50/50 焦炭 / 褐煤浆 ； 在其它 实施例中， 不同比例的焦炭浆与褐煤浆可添加到焦炭 / 褐煤浆槽以生成其它焦炭 / 褐煤浆。 举例而言， 大约三份焦炭浆可与大约两份褐煤浆组合以形成 60/40 焦炭 / 褐煤浆。可产生 其它焦炭 / 褐煤浆用于气化， 其具有 ( 例如 ) 大约 90/10、 80/20、 70/30、 40/60、 30/70、 20/80 的焦炭 / 褐煤比或可产生可气化浆的任何比例。在混合焦炭与褐煤浆 ( 方块 76) 后， 可使 焦炭 / 褐煤浆稳定 ( 方块 78)。同样， 稳定方法 ( 方块 78) 可涉及在焦炭 / 褐煤浆槽中搁置 焦炭 / 褐煤浆直到混合物到达水分平衡。制浆方法 60 可在大约室温和大气压力下执行。
实验结果
在本文中讨论如上文所述制备的焦炭 / 褐煤混合物成浆性能的示例性结果。石油 焦的示例性样品在接收时可具有大约 5.68％的水分含量， 以及大约 1.31％的平衡水分含 量。平衡水分含量表示样品既不从大气得到水分也不失去水分的水分含量。石油焦可具有 大约 15,015BTU/lb 的总热值且在大约 0.46％的水分具有大约 46 的研磨性能指数， 由 ASTM D409( 通过 Hardgrove 机方法的煤研磨性能的标准试验方法 ) 确定。石油焦的汞含量可小 于大约 0.01μg/g。分别在表 1 至 4 中给出石油焦样品的元素分析、 近似分析、 灰分熔融和灰分分析的额外近似值。
用于制备焦炭 / 褐煤浆的示例性褐煤样品在接收时可具有大约 29.90％的水分含 量和大约 28.55％的平衡水分含量。褐煤样品的总热值可为大约 8,982BTU/lb。此外， 褐煤 样品的研磨性能指数在大约 12.45％的水分可为大约 53， 由 ASTM D409 标准所确定， 且汞含 量可为大约 0.31μg/g。分别在表 1 至 4 中给出褐煤样品的元素分析、 近似分析、 灰分熔融 和灰分分析的值。
表 1 中所陈述的元素分析是在干燥基础上以重量百分比的样品成分测量， 由 ASTM D3176( 煤与焦炭的元素分析的标准操作 ) 所确定。 如所指出的那样， 元素分析测量是在干燥基础 ( 例如， 排除了所有水分 ) 上进行， 因此这些值应被校正使得样品的水分含量并不影响组成值。
表 1 元素分析 ( 重量百分比， 干燥基础 )
材料 碳 氢 氮 硫 灰分 氯化物 氧 ( 以不同方法 [by difference])
石油焦 86.71 3.89 1.51 6.48 0.37 ＜ 0.01 1.04褐煤 49.5 4.15 0.94 1.23 30.17 ＜ 0.01 14.01表 2 列出样品的挥发物、 固定碳和灰分含量的近似分析测量， 由 ASTM D3172( 煤与 焦炭的近似分析的标准操作 ) 所确定。样品的挥发物含量可为在没有空气的情况下可在高 温蒸发的煤成分的量度 ( 例如， 短链和长链烃， 芳族烃和硫 )。样品的固定碳含量可以是驱 散挥发性混合物后留下的煤成分的量度。另外， 样品的灰分含量可以是煤的非易燃成分的 量度。下表 4 示出可包括于煤样品的灰分含量中的示例性成分。同样， 以重量百分比在干 燥基础上表达近似分析。
表 2 近似分析 ( 重量百分比， 干燥基础 )
材料 挥发物 固定碳 灰分石油焦 10.93 88.7 0.37褐煤 39.19 30.64 30.17在表 3 中列出的样品的灰分熔融值包括初始变形温度 (IT)、 软化温度 (ST)、 半球 温度 (HT) 和流体温度 (FT)。初始变形温度表示样品角部首先变圆的温度。软化温度是样 品顶部开始呈球形的温度。半球温度表示整个样品开始呈半球形的温度。最后， 流体温度 是样品已塌陷成扁平物质的温度。
表 3 灰分熔融分析 (° F)
值 IT ST HT FT
石油焦 2669 2701 2701 2701褐煤 2247 2312 2404 2537表 4 陈述了在规格化为不含硫样品的重量百分比浓度的样品的灰分分析。即， 即 使在某些情形下硫可被认为是灰分， 表 4 中所提供的分析是在不含硫的基础上的。 表 4 灰分分析 ( 重量百分比 )材料 Al2O3 BaO BeO CdO CaO Cr2O3 CoO CuO Fe2O3 PbO MnO2 石油焦 4.63 0.04 0.00 0.00 1.43 0.04 0.06 0.00 3.49 0.00 0.02 褐煤 22.31 0.10 0.00 0.00 7.96 0.01 0.00 0.01 4.86 0.00 0.097101851536 A CN 101851537说材料 MgO MoO3 NiO P2O5 K2O Na2O TiO2 SrO V2O5 ZnO SiO2明书褐煤 1.93 0.00 0.02 0.06 1.21 0.34 1.08 0.20 0.10 0.01 59.696/12 页石油焦 0.44 0.52 10.00 0.05 0.39 1.62 0.26 0.04 65.23 0.26 11.48上文所述的褐煤样品可独立于石油焦样品制浆， 如在本公开内容中所述。在表 5 中给出褐煤浆的斯托默 (Stormer) 粘度， 如由 ASTM D562 所确定。在一种样品浆中， 无需使 用添加剂， 而向另一样品浆添加大约 0.2％的十二烷基硫酸铵 (ALS) 添加剂， 如在表 5 中所 示。与以厘泊 (cP) 为单位的浆中的粘度相比， 斯托默粘度测量浆中的固体百分比。如表 5 所示， ALS 添加剂并未改进褐煤的成浆性能。
表 5 褐煤浆的斯托默粘度 ( 作为浆粘度函数的固体百分比 )
粘度 (cP) 1000 700 400 100
无添加剂 50.01 48.70 46.63 41.530.2％ ALS 50.33 49.03 46.99 41.96此外， 在表 6 中给出样品褐煤浆的筛分析。筛分析测量浆中的粒度分布且使用 ASTM D4749( 用于对煤执行筛分析和指出煤大小的标准试验方法 ) 确定。每个筛号具有标 准网格尺寸。例如， 8 号筛具有 2.360mm 的网格尺寸， 而 325 号筛具有 45μm 的网格尺寸。 增加筛号表示减小网格尺寸。 筛可堆叠在一起， 且在顶部的筛具有最大网格尺寸， 且随后的筛具有较小的网格尺寸。留在每个筛中的浆样品的重量百分比表示浆的粒度分布。可通过 最小筛网格的颗粒在表 6 的最后一行中表示。在表 6 中给出的筛分析结果表示这种褐煤样 品很软， 且以最小研磨时间形成高百分比的细微颗粒 ( 例如， 通过 325 号筛的颗粒 )。
表 6 褐煤浆的筛分析 ( 重量百分比 )
筛# 8 14 20 40 60 80 100 140 200 325 -325
％ 0.00 0.00 0.00 2.60 19.30 9.79 5.36 7.07 5.69 6.34 43.85应当指出的如表 5 和表 6 所述的样品褐煤浆是不可气化的， 如由浆中低浓度的固 体所示 ( 表 5)。此外， 存在于浆中的大部分固体是很细的 ( 例如， 小于大约 45μm)( 表 6)。 在表 1 至 4 中所描述的褐煤样品中的水分含量 ( 大约 28.55％ ) 和灰分含量 ( 大约 30.17％ ) 将大体上被认为太高而不能试图气化， 因为这些样品产生不可气化的褐煤浆， 如上文所述。
根据本发明的实施例， 上文所述的石油焦样品也被制浆且与稳定的褐煤浆组合。 下文中给出对大约 50％焦炭 /50％褐煤浆和大约 60％焦炭 /40％褐煤浆的分析。在表 7 中 给出 50/50 浆的斯托默粘度值。在一种样品中， 无需使用添加剂， 而在另一样品中， 向浆添 加 0.2％的 Orzan 添加剂。例如 Orzan 的添加剂可用于改进浆混合物的均质性。Orzan 或 木素磺酸、 钠盐可从加拿大魁北克省蒙特利尔的 Tembec 公司的化学产品中获得。如在表 7 中所示， 与褐煤浆 ( 表 5) 相比， 在 50/50 焦炭 / 褐煤浆中的固体百分比得到显著改进。此 外， 添加 Orzan 添加剂改进了固体百分比。
表 750/50 焦炭 / 褐煤浆的斯托默粘度 ( 作为浆粘度函数的固体百分比 )9101851536 A CN 101851537
说粘度 (cP) 1000 700 400 100明书0.2％ Orzan 57.76 56.39 54.23 48.888/12 页无添加剂 56.17 55.17 53.58 49.67在表 8 中给出 50/50 浆的筛分析。同样， 50/50 焦炭 / 褐煤浆具有远低于褐煤浆 ( 图 6) 的细微颗粒百分比。举例而言， 按重量计 50/50 焦炭 / 褐煤浆固体的大约 35.03％ 足够细以通过 325 号筛， 而在褐煤浆 ( 表 6) 中大约 43.85％的浆固体通过 325 号筛。
表8： 50/50 焦炭 / 褐煤浆的筛分析
筛# 8 14 20 40 60 80 100 140 200 325 -325
10％ 0.00 0.00 0.01 3.28 21.63 13.48 3.43 9.01 6.15 7.98 35.03此外， 在表 9 中展示 50/50 浆的灰分熔融值 表 950/50 焦炭 / 褐煤浆的灰分熔融分析 (° F)101851536 A CN 101851537说值 IT ST HT FT明书温度 2251 2322 2410 25749/12 页如上文所指出的那样， 也从焦炭和褐煤样品制备 60/40 焦炭 / 褐煤浆。在表 10 中 给出 60/40 浆的斯托默粘度值。同样， 在一种样品中无需使用添加剂， 而在另一样品中向浆 添加 0.2％的 Orzan 添加剂。表 10 展示了 60/40 焦炭 / 褐煤浆， 其呈现出比 50/50 焦炭 / 褐煤浆 ( 表 7) 更大的固体百分比改进， 50/50 焦炭 / 褐煤浆 ( 表 7) 优于褐煤浆 ( 表 5)。
表 1060/40 焦炭 / 褐煤浆的斯托默粘度 ( 作为浆粘度函数的固体百分比 )
粘度 (cP) 1000 700 400 100
无添加剂 58.95 57.53 55.30 49.770.2％ Orzan 61.67 60.25 58.03 52.53在表 11 中给出 60/40 浆的筛分析。同样， 60/40 焦炭 / 褐煤浆具有比 50/50 焦炭 / 褐煤浆 ( 表 8) 或褐煤浆 ( 表 6) 更低的细微颗粒百分比。
表 1160/40 焦炭 / 褐煤浆的筛分析
筛# 8 14 20 40 60％ 0.00 0.00 0.04 5.07 23.5411101851536 A CN 101851537说筛# 80 100 140 200 325 -325明书％ 10.24 8.50 6.42 6.96 6.85 32.3810/12 页
此外， 在表 12 中总结了 60/40 的灰分熔融值。 表 1260/40 焦炭 / 褐煤浆 (° F) 的灰分熔融分析 值 IT ST HT FT 温度 2266 2327 2348 2649如在上文的表 1-12 中所展示， 在所公开的实施例中石油焦与褐煤浆的组合显然 提供了优于单独的褐煤浆的改进。在焦炭 / 褐煤浆的生产中以显著改进的气化性能使用一 般不可气化的高水分、 高灰分褐煤样品。本发明的技术效果包括 ( 例如 ) 在 IGCC 系统中用 于气化的褐煤与焦炭的成浆性能。 将浆中的褐煤气化的能力使得能在现有浆气化系统中使 用褐煤， 在现有的浆气化系统中， 褐煤先前是不可气化的。
本书面描述使用实例公开了本发明， 包括最佳方式， 且也使得本领域技术人员能 实践本发明， 包括做出和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本发明的专利保护 范围由权利要求所限定且可包括本领域技术人员想到的其它实例。 如果这些实例具有与权 利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果这些实例包括与权利要求的字面语言并 无实质不同的等效结构元件， 这些其它实例预期在权利要求的范围内。
部件列表
吹氧 igcc 发电系统 10
给料制备和运输系统 12
燃料浆 13
气化器 14 空气分离器 15 矿渣 16 剩余成分 17 气体冷却与处理系统 18 硫成分 19 硫产生系统 20 蒸汽 21 液体 22 热回收蒸汽发生器 (hrsg)23 水处理系统 24 “清洁” 合成气 25 燃烧器 26 空气 27 压缩机 28 氮气 29 稀释氮气压缩机 30 排气 31 涡轮 32 发电机 33 排气 34 蒸汽涡轮 35 发电机 36 蒸汽 37 冷凝器 38 冷却流体 39 冷却塔 40 冷凝的蒸汽 41 烟囱 42 浆槽 50、 52 和 54 单独的研磨机 56 和 58 方法 60 接收焦炭 62 接收褐煤 64 研磨焦炭 66 研磨褐煤 68 添加水 70 添加水 72 稳定褐煤浆 74组合焦炭浆与褐煤浆 76 稳定焦炭 / 褐煤浆 78