SK183299A3 - Stabilising thermally beneficiated carbonaceous material - Google Patents

Description

Oblasť vynálezu

Predložený vynález sa týka stabilizácie tepelne upraveného uhlíkového materiálu, najmä uhlia.

Predložený vynález sa týka najmä, nie však výlučne, stabilizácie uhlia, napríklad menej hodnotého uhlia, ktoré bolo tepelne upravené za zvýšenej teploty a tlaku na zvýšenie jeho tepelnej hodnoty odstránením vody.

Doterajší stav techniky

Je známe, že viac druhov uhlia je náchylných na samovoľné vznietenie pri skladovaní na hromade. Samovoľné vznietenie jezapríčinené:

(i) oxidáciou uhlia, pri ktorej vznikajú horúce miesta, ktoré spôsobujú tepelnú konvekciu v lôžku uhlia; a (ii) tepelnou konvekciou vzduchu, ktorá poskytuje viacej kyslíku na oxidáciu.

Dva prostriedky na zabránenie prístupu kyslíku k uhliu, a teda na zabránenie samovoľého vznietenia, predstavujú zhutnenie skládkovej hromady na zmenšenie prestupnosti lôžka a zakrytie skládkovej hromady. Ničmenej zhutnenie a zakrytie vo viacerých prípadoch nepredstavuje praktické alebo úplné riešenie.

Je tiež známe, že tepelne upravené uhlie je náchylné na samovoľné vznietenie. Potenciál na samovoľné vznietenie je najmä dôležitý v súvislosti s chladením horúceho odvodneného uhlia pri procese tepelnej úpravy uhlia pred jeho skladovaním na hromade.

Existuje celý rad návrhov na stabilizáciu tepelne upraveného uhlia, ako napríklad návrh Western Syncoal Company opísaný v austrálskej patentovej prihláške 56103/96 a návrhy uvedené v skoršom stave techniky na str. 5 až 8 v austrálskej patentovej prihláške Syncoal.

Podstata vynálezu

Cieľom predloženého vynálezu je poskytnúť, oproti vyššie uvedenému stavu techniky zlepšený, spôsob a zariadenie na stabilizáciu tepelne upraveného uhlia.

Predložený vynález poskytuje spôsob stabilizácie tepelne upraveného uhlíkového materiálu, ktorý zahŕňa :

(a) zavedenie vsádzky uhlíkového materiálu pri zvýšenej teplote do procesnej nádoby na vytvorenie náplňového lôžka;

(b) ochladenie uhlíkového materiálu v náplňovom lôžku zo zvýšenej teploty na cieľovú teplotu nepriamou výmenou tepla;

(c) privádzanie plynu obsahujúceho kyslík do náplňového lôžka, predtým ako uhlíkový materiál dosiahne cieľovú teplotu, na parciálnu oxidáciu.

uhlíkového mateiálu do požadovaného stupňa na stabilizáciu uhlíkového materiálu; a (d) odvádzanie tepla, uvoľňovaného oxidáciou uhlíkového materiálu, z náplňového lôžka, na riadenie teploty uhlíkového materiálu pri oxidácii na zabránenie nekontrolovanej tepelnej reakcie.

Termínom „nekontrolovaná tepelná reakcia sa obecne rozumie rýchly nekontrolovaný nárast teploty, zapríčinený oxidáciou uhlíkového materiálu uvoľňujúcou teplo, ktoré opäť zvyšuje rýchlosť oxidácie uhlíkového materiálu, čo môže viesť na stratu kontroly nad procesom.

Prihlasovateľ zistil pri experimentálnej práci na rýchlosti oxidácie a pomocou počítačového modelovania fluidnej dynamiky skládkových hromád, založených na experimentálnych dátach, že na tepelne upravené uhlie danej distribúcie veľkosti sú (i) miera oxidácie uhlia (ii) teplota uhlia v skládkovej hromade;

dve premenné, ktoré majú najvýznamnejší vplyv na samovoľné vznietenie uhlia v skládkovej hromade, ktoré neboli podrobené zhutneniu alebo zakrytiu.

Obr. 1 na pripojených výkresoch predstavuje príklad experimentálne získaného grafu teploty a oxidácie (vyjadrené v termínoch hmotnostných percent pridaného kyslíka), ktorý naznačuje stabilné podmienky v skládkovej hromade tepelne upraveného uhlia.

Ako je zrejmé z grafu na obr. 1, oxidácia sama nepostačuje na zaistenie stability, pokiaľ sa nepoužije veľmi vysoká úroveň oxidácie. Vysoká úroveň oxidácie, ktorá je požadovaná pokiaľ sa nepoužije chladenie, nie je v praxi použiteľná, pretože by činila produkt obchodne neatraktívnym.

Obr. 1 naznačuje, že z hľadiska výroby komerčne atraktívneho produktu, bezpečne skladovateľného v skládkovej hromade, je potrebné tepelne upravené uhlie ochladiť na pomerne nízku teplotu skládkovej hromady, tj. cieľovú teplotu.

V súvislosti so spôsobom podľa predloženého vynálezu, v situáciách keď uhlíkovým materiálom je uhlie, je výhodné, keď miera oxidácie, meraná ako hmotnosť kyslíka dodaného do náplňového lôžka, je 0,2 až 5 % hmotn., a keď cieľová teplota je menšia ako 50'C.

Je výhodné, zvlášť keď je miera oxidácie v rozmedzí 0,5 až 3% hmotn., a keď je cieľová teplota menšia ako 35*C.

Prihlasovateľ tiež pri experimentálnej / konštrukčnej modelovacej práci experimentálne zistil, že kombinácia pracovnej tekutiny cirkulujúcej cez náplňové lôžko a okruh chladivá, ktorý zahŕňa teplosmenné plochy v náplňovom lôžku, predstavuje efektívny prostriedok na odvádzanie tepla, produkovaného oxidáciou uhlíkového materiálu, z náplňového lôžka.

Odvádzanie tohto tepla je dôležitou podmienkou na riadenie teploty uhlíkového materiálu na zabránenie tepelnej nekontrolovanej reakcii. Mechanizmus odvádzania tepla prebieha cez pracovnú tekutinu a potom prestupom tepla z pracovnej tekutiny cez vnútorné teplosmenné povrchy.

Prihlasovateľ pri experimentálnej / konštrukčnej modelovacej práci experimentálne zistil, že zvlášť vhodné vnútorné teplosmenné plochy sú teplosmenné dosky opísané v jeho medzinárodných prihláškach PCT/AU98/00005, PCT/AU98/00142 a PCT/AU98/00324, ktorých obsah sa tu krížovým odkazom zahŕňa.

Vyššie opísaná kombinácia cirkulujúcej pracovnej tekutiny a okruhu chladivá s vnútornými teplosmennými povrchmi predstavuje dôležitý znak, pretože umožňuje v porovnaní so stavom techniky, opísaným v austrálskej patentovej prihláške Syncoal, podstatne zväčšiť náplňové lôžko pri zachovaní vysokej produktivity, a znižuje tak značne investičné a prevádzkové náklady.

Pracovnou tekutinou je výhodne plyn.

Ako pracovný plyn môže byť použitý dusík, para, SO2, CO2, uhlovodíky, vzácne plyny, chladivá a ich zmesi.

Je výhodné, keď spôsob zahŕňa chladenie uhlíkového materiálu zo zvýšenej teploty na výhodnú oxidačnú teplotu uhlíkového materiálu počas počiatočného kroku chladenia bez privádzania plynu obsahujúceho kyslík do náplňového lôžka, a po dosiahnutí výhodnej oxidačnej teploty, privádzanie plynu obsahujúceho kyslík do náplňového lôžka na parciálnu oxidáciu uhlíkového materiálu.

Teplotou charakterizovanou termínom „výhodná oxidačná teplota uhlíkového materiálu“ sa rozumie hmotnostne vážená priemerná teplota častíc v náplňovom lôžku.

Výhodná oxidačná teplota uhlíkového materiálu je teplota, pri ktorej uhlíkový materiál môže byť rýchle oxidovaný daným parciálnym tlakom kyslíku v plyne obsahujúcom kyslík na získanie stabilného produktu, avšak za podmienok prestupu tepla pri ktorých uvoľnené teplo nespôsobí nekontrolovanú tepelnú reakciu.

Pri použití kombinácie cirkulačnej pracovnej tekutiny a orkuhu chladivá s vnútornými teplosmenými plochami ako prostriedku na odvádzanie tepla, vyvíjaného oxidáciou uhlíkového materiálu, z náplňového lôžka je výhodné, ak spôsob zahŕňa riadenie teploty na udržanie malého gradientu naprieč lôžkom pri udržiavaní veľkých rýchlostí prestupu tepla. Diferencia teploty je výhodne menšia ako 40*C, ešte výhodnejšia 30*0.

Pri použití kombinácie cirkulačnej pracovnej tekutiny a okruhu chladivá s vnútornými teplosmennými plochami ako prostriedku na odvádzanie tepla, vyvíjaného oxidáciou uhlíkového materiálu, z náplňového lôžka je výhodné, ak spôsob zahŕňa riadenie tepltoy pracovnej tekutiny tak, aby bola vyššia ako teplota steny vnútorných teplosmenných plôch a menšia ako teplota častíc uhlíkového materiálu tak, aby častice boli ochladzované. Poznamenajme, že chladenie sa zlepšuje, ak sa uskutočňuje pod tlakom.

Ak je uhlíkovým materiálom, ktorý sa tepelne upravuje uhlie, je oxidačná teplota výhodne v rozmedzí 80* až 150*0.

Zvlášť výhodná oxidačná teplota je 100* až 150°C.

Ešte výhodnejšia oxidačná teplota je 100°až 120° C.

Spôsob výhodne zahŕňa udržiavanie teploty uhlíkového materiálu na výhodnej oxidačnej teplote alebo vo vnútri rozmedzia.teploty, ktoré zahŕňa výhodnú oxidačnú teplotu, počas kroku privádzania plynu obsahujúceho kyslík do náplňového lôžka.

Spôsob výhodne zahŕňa chladenie uhlíkového materiálu na cieľovú teplotu po ukonení kroku oxidácie.

Cieľová teplota je výhodne 50*0.

Spôsob ďalej zahŕňa natlakovanie náplňového lôžka pred alebo v priebehu chladenia, a oxidáciu uhlíkového materiálu.

Zvlášť výhodné je, keď spôsob zahŕňa natlakovanie náplňového lôžka externe privádzaným plynom na tlak menší ako 20 bar, spravidla menší ako 10 bar.

Je výhodné ak je zvolená taká veľkosť častíc uhlíkového materiálu, že vytvorené náplňové lôžko má dostatočnú permeabilitu na umožnenie pohybu pracovnej tekutiny s rozumnou tlakovou stratou.

Podľa predloženého vynálezu je ďalej vytvorené zariadenie na stabilizáciu tepelne upraveného uhlíkového materiálu spôsobom podľa predloženého vynálezu, opísaným vyššie.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Predložený vynález je ďalej opísaný prostredníctvom príkladu za pomoci výkresov, na ktorých :

obr. 1 predstavuje príklad experimentálne získaného grafu teploty a oxidácie obr. 2 predstavuje schematické znázornenie výhodného vytvorenia sposobu a zariadenia podľa vynálezu

Príklady uskutočnenia vynálezu

Nasledujúci opis sa týka stabilizácie tepelne upraveného uhlia. Poznamenajme, že predložený vynález nie je obmedzený na túto aplikáciu a zahŕňa aj stabilizáciu akéhokoľvek vhodného tepelne upraveného uhlíkového materiálu.

S ohľadom na obr. 2 zariadenie zahŕňa tlakovú nádobu 3, ktorá je upravená na stabilizáciu náplňového lôžka tepelne upraveného uhlia, ktoré bolo uvedené do tlakovej nádoby 3 pri zvýšenej teplote, spravidla 400*0, z neznázornenej procesnej nádoby procesu tepelnej úpravy.

Tlaková nádoba 3 môže mať akúkoľvek konfiguráciu, ktorá obsahuje vnútornú zostavu teplosmenných dosák 5. Jedným príkladom vhodnej tlakovej nádoby je tlaková nádoba opísaná v medzinárodných prihláškach PCT/AU98/00005, PCT/AU98/00142 a PCT/AU98/00324 toho istého prihlasovateľa, ktoré zahŕňajú prevrátene kužeľovitý vstup, valcovité teleso, kužeľovitý výstup, a zostavu vertikálne usporiadaných paralelných teplosmenných dosák umiestnených v telese a kužeľovitom výstupe.

Teplosmenné plochy 5 tvoria časť okruhu chladivá, ktorým cirkuluje malý objem chladivá vhodného na prevádzku od -20 *C až 140*0 cez dosky 5_ v uzatvorenom okruhu.

Okruh chladivá teda zahŕňa chladiacu vežu 7, ktorá zahŕňa rad 9 výmeníkových rúrok, umiestnených vo veži, ventilátor 11 s meniteľnou rýchlosťou, ktorý vyvoláva vzostupný prúd vzduchu cez rad 9 výmeníkových rúrok, a odpaľovací systém zahŕňajúci trysky 23, rozstrekujúce vodu na rad 9 výmeníkových rúrok a čerpadlo 15, ktoré čerpá vodu zo zásobíka v základ b/ veže do trysiek 23. Poznamenejme, že v chladnom klimatickom prostredí nie je odpaľovací systém nevyhnutný.

Okruh chladivá teda zahŕňa chladič 61 na ďalšie chladenie chladivá z chladiacej veže 9 pomocou tepelného výmeníka 13.

Okruh chladivá tiež obsahuje expanznú komoru 21 na zachytenie t , tlakových zmien v okruhu chladivá.

Zariadenie ďalej zahŕňa systém celkove označený číslovkou 17, na privádzanie a cirkuláciu pracovnej tekutiny, spravidla plynu ako napríklad dusíka, cez náplňové lôžko v procesnej nádobe 3, na natlakovanie a zvýšenie výmeny tepla medzi chladivom prúdiacim doskami 5 a uhlím v náplňovím lôžku. Systém 17 pracovnej tekutiny zahŕňa vstup 19 pracovnej tekutiny v základni procesnej nádoby 3, výstup 25 v hornej stene procesnej nádoby 3, potrubie 29 spojujúce vstup 19 a výstup 25 a ventilátor 27, ktorý preháňa pracovnú tekutinu cez náplňové lôžko a potrubie 29. Systém 17 pracovnej tekutiny je podrobnejšie opísaný v medzinárodnej prihláške PCT/AU98/00142 toho istého prihlasovatera.

Zariadenie ďalej zahŕňa prostriedky na privádzanie plynu obsahujúceho kyslík do náplňového lôžka 3 na oxidáciu tepelne upraveného uhlia. Vo vytvorení znázornenom na obr. 2 sa plyn obsahujúci kyslík privádza do vstupu 19 pracovnej tekutiny.

Pri prevádzke zariadenia znázorneného na obr. 2 sa horúca vsádzka tepelne upraveného uhlia (spravidla pri teplote nad 300 *C) uvedie do procesnej nádoby 3 na vytvorenie náplňového lôžka, potom sa uzatvorí armatúra (nie je znázornená) na vstupe pevnej látky, do náplňového lôžka sa privedie prostredníctvom vstupu 19 pracovná tekutina, a spustí sa ventilátor 27 pracovnej tekutiny na cirkuláciu pracovnej tekutiny cez náplňové lôžko.

Podľa výhodného uskutočnenia spôsobu pracuje čerpadlo okruhu chladivá kontinuálne, avšak v tomto počiatočnom stupni prevádzky je ventilátor 11 chladiacej veže a vodné čerpadlo 15 vypnuté.

Za týchto podmienok tlak a teplota chladivá rastie, pričom expanzia a tlak v okruhu chladivá je kontrolovaný expanznou komorou 21.

Keď dosiahne teplota chladivá 120° C, čo indikuje, že hmotnostne vážená priemerná teplota uhlia v náplňovom lôžku je 140⁶ C, zapne sa vzduchový ventilátor 11 chladiacej veže a jeho rýchlosť sa mení na udržanie teploty chladivá 120*C.

Potom sa plyn obsahujúci kyslík privádza do náplňového lôžka a systém sa udržiava na konštantnej teplote, dokiaľ sa do náplňového lôžka neprivedie dostatok kyslíka na dosiahnutie požadovaného stupňa oxidácie uhlia.

Ako už bolo naznačené vyššie, v priebehu oxidačného stupňa je dôležité odvádzať teplo uvoľňované oxidáciou uhlia z náplňového lôžka na zabránenie nekontrolovanej tepelnej reakcie, a prihlasovateľ zistil, že kombinácia teplosmenných dosák 5 pracujúcich s chladivom cirkulujúcim doskami v uzatvorenom okruhu a cirkulujúcej pracovnej tekutiny v náplňovom lôžku predstavuje efektívny prostriedok na zaistenie nezbytného riadenia teploty v náplňovom lôžku na dosiahnutie tohto cieľa.

Prihlasovateľ tiež zistil, že je dôležité, aby bola teplota steny teplosmenných dosák 5 udržiavaná blízka teplote náplňového lôžka za účelom udržania malého teplotného gradientu naprieč lôžkom. Malý teplotný gradient je žiaduci na obmedzenie miestnych odchyliek v chladení a tým aj v oxidácii v náplňovom lôžku.

Po ukončení pridávania plynu obsahujúceho kyslík sa zapne ventilátor chladiacej veže na plnú rýchlosť, vodné čerpadlo 15 sa zapne, a teplota náplňového lôžka, obsahujúceho uhlie, sa dostane na cieľovú teplotu, spravidla menšiu ako 50°C.

Ak je potrebné, zapne sa okruh 61 chladiča na zníženie teploty chladivá na poskytnutie chladnejšieho produktu v kratšej dobe.

Keď dosiahne náplňové lôžko cieľovú teplotu, náplňové lôžko sa odvetrá odvetrávacím vedením 62 a ochladené, stabilizované tepelne upravené uhlie sa vypusí z procesnej nádoby 3 a uskladní sa na hromade.

Môžu byť vyrobené četné modifikácie výhodného uskutočnenia spôsobu a zariadenia podľa predloženého vynálezu, opísaného vyššie za pomoci obr. 2, bez opustenia myšlienky a rozsahu ochrany predloženého vynálezu.

Napríklad, zatiaľ čo výhodné uskutočnenie zahŕňa privádzanie plynu obsahujúceho kyslík do náplňového lôžka prostredníctvom vstupu 19 pracovnej tekutiny v základni procesnej nádoby 3, je zrejmé, že vynález nie je obmedzený na toto usporiadanie, a v rámci rozsahu ochrany predloženého vynálezu je možné zavádzať plyn obsahujúci kyslík do náplňového lôžka v ktoromkoľvek vhodnom mieste alebo miestach.

Claims (17)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spôsob stabilizácie tepelne upraveného uhlíkového materiálu, ktorý zahŕňa :

   a) zavedenie vsádzky uhlíkového materiálu pri zvýšenej teplote do procesnej nádoby na vytvorenie náplňového lôžka;

   b) ochladenie uhlíkového materiálu v náplňovom lôžku zo zvýšenej teploty na cieľovú teplotu nepriamou výmenou tepla;

   c) privádzanie plynu obsahujúceho kyslík do náplňového lôžka, predtým ako uhlíkový materiál dosiahne cieľovú teplotu, na parciálnu oxidáciu uhlíkového materiálu do požadovaného stupňa na stabilizáciu uhlíkového materiálu; a

   d) odvádzanie tepla, uvoľňovaného oxidáciou uhlíkového materiálu, z náplňového lôžka, na riadenie teploty uhlíkového materiálu pri oxidácii na zabránenie nekontrolovanej tepelnej reakcie.
2. 2. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že miera oxidácie v stupni c), meraná ako hmotnosť kyslíka dodaného do náplňového lôžka v percentách celkovej hmotnosti uhlia v náplňovom lôžku, je 0,2 až 5% hmotn.
3. 3. Spôsob podľa nároku 2, vyznačujúci sa tým, že cieľová teplota je menšia ako 50*0.
4. 4. Spôsob podľa nároku 2, v y z n a č u j ú c i sa t ý m, že miera oxidácie je 0,5 až 3 % hmotn.
5. 5. Spôsob podľa nároku 4, v y z n a č u j ú c i sa t ý m, že cieľová teplota je menšia ako 35'0.
6. 6. Spôsob podľa niekotorého z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že zahŕňa odvádzanie tepla z náplňového lôžka v kroku d) pomocou cirkulácie pracovnej tekutiny cirkulujúcej cez náplňové lôžko a okruhu chladivá, ktorý zahŕňa teplosmenné plochy v náplňovom lôžku.
7. 7. Spôsob podľa nároku 6, vyznačujúci sa tým, že pracovnou tekutinou je plyn.
8. 8. Spôsob podľa nároku 7, vyznačujúci sa tým, že krok

   b) zahŕňa prvý stupeň chladenia uhlíkového materiálu zo zvýšenej teploty na výhodnú oxidačnú tepltu uhlíkového materiálu bez privádzania plynu obsahujúceho kyslík do náplňového lôžka počas počiatočného kroku chladenia.
9. 9. Spôsob podľa nároku 8, v y z n a č u j ú c i sa t ý m, že krok © zahŕňa privádzanie plynu obsahujúceho kyslík do náplňového lôžka, na parciálnu oxidáciu uhlíkového materiálu, po dosiahnutí výhodnej oxidačnej teploty uhlíkového materiálu.
10. 10. Spôsob podľa nároku 9, v y z n a č u j ú c i sa tým, že po ukončení kroku c) parciálnej oxidácie sa uskutočňuje v kroku (b) druhý stupeň chladenia uhlíkového materiálu na cieľovú teplotu.
11. 11. Spôsob podľa nároku 6, v y z n a č u j ú c i sa tým, že zahŕňa riadenie teploty teplosmenných plôch vo vzťahu na výhodnú oxidačnú teplotu na udržanie malého gradientu naprieč lôžkom.
12. 12. Spôsob podľa nároku 11, v y z n a č u j ú c i sa tým, že teplotný rozdiel je menší ako 40*C.
13. 13. Spôsob podľa niektorého z nárokov 6, 11 a 12, vyznačujúci sa t ý m, že sa teplota pracovnej tekutiny riadi na úroveň vyššiu ako je teplota steny vnútorných teplosmenných plôch a menšiu ako teplota uhlíkového materiálu,
14. 14. Spôsob podľa nároku 8, vyznačujúci sa tým, že výhodná oxidačná teplota je 80*až 150 C.
15. 15. Spôsob podľa nároku 14, v y z n a č u j ú c i sa tým, že výhodná oxidačná tepltoa je 100*až 150*0.
16. 16. Spôsob podľa nároku 14, v y z n a Č u j ú c i sa t ý m, že výhodná oxidačná teplota je lOO^až 120*C.
17. 17. Spôsob podľa niektorého z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že ďalej zahŕňa natlakovanie náplňového lôžka zvonkajšku privádzaným plynom na tlak menší ako 20 bar.