CZ297189B6

CZ297189B6 - Zpusob stabilizace tepelne upraveného uhlíkového materiálu

Info

Publication number: CZ297189B6
Application number: CZ0462299A
Authority: CZ
Inventors: Stewart Conochie@David
Original assignee: Kfx Inc.
Priority date: 1997-06-23
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 2006-09-13
Also published as: ID24154A; US6878174B1; PL191167B1; AU7899298A; TR199903233T2; CA2295019A1; ZA985407B; AU747676B2; CN1266481A; PL337676A1; AUPO748297A0; WO1998059209A1; JP2002506469A; UA44878C2; HUP0100137A2; CO5040109A1; TW585901B; CN1178041C; CA2295019C; SK183299A3

Abstract

Zpusob stabilizace tepelne upraveného uhlíkového materiálu zahrnuje kroky zavedení vsázky uhlíkového materiálu pri zvýsené teplote do procesní nádobypro vytvorení náplnového loze a ochlazení uhlíkového materiálu v náplnovém lozi na cílovou teplotu neprímou výmenou tepla. Pri zpusobu se provádí privádení plynu obsahujícího kyslík do náplnového loze, predtím nez uhlíkový materiál dosáhne cílové teploty, pro parciální oxidaci uhlíkového materiálu do pozadovaného stupne pro stabilizaci uhlíkového materiálu. Pri zpusobu se odvádením tepla, uvolnovaného oxidací uhlíkového materiálu, z náplnového loze, provádí rízení teploty uhlíkového materiálu pri oxidaci pro zabránení nekontrolované tepelné reakci.

Description

Oblast techniky

Předložený vynález se týká stabilizace tepelně upraženého uhlíkového materiálu, zejména uhlí.

Předložený vynález se týká zejména, nikoliv však výlučně, stabilizace uhlí, například méně hodnotného uhlí, které bylo tepelně upraveno za zvýšené teploty a tlaku pro zvýšení jeho tepelné hodnoty odstraněním vody.

Dosavadní stav techniky

Je známo, že četná uhlí jsou náchylná k samovolnému vznícení při skladování v hromadě. Samovolné vznícení je zapříčiněno:

(i) oxidací uhlí, při které vznikají horká místa, která způsobují tepelnou konvekci v loži uhlí; a (ii) tepelnou konvekci vzduchu, která poskytuje ví ce kyslíku pro oxidaci.

Dva prostředky pro zabránění přístupu kyslíku k uhlí, a tedy pro zabránění samovolnému vznícení, představují zhutnění skládkové hromady pro zmenšení prostupnosti lože a zakrytí skládkové hromady. Nicméně zhutnění a zakrytí v četných případech nepředstavuje praktické nebo úplné řešení.

Také je známo, že tepelně upravené uhlí je náchylné k samovolnému vznícení. Potenciál pro samovolné vznícení je zejména důležitý v souvislosti s chlazením horkého odvodněného uhlí při procesu tepelné úpravy uhlí před jeho skladováním v hromadě.

Existuje řada návrhů pro stabilizaci tepelně upraveného uhlí, jako například návrh Western Syncoal Company popsaný v australské patentoví? přihlášce AV 56 10396 a návrhy uvedené v dřívějším stavu techniky na str. 5 až 8 v australské patentové přihlášce Syncoal.

Podstata vynálezu

Cílem předloženého vynálezu je poskytnout, oproti výše uvedenému stavu techniky zlepšený, způsob a zařízení pro stabilizaci tepelně upraveného uhlí.

Předložený vynález poskytuje způsob stabilizace tepelně upraveného uhlíkového materiálu, který zahrnuje:

(a) zavedení vsázky uhlíkového materiálu při zvýšené teplotě do procesní nádoby pro vytvoření náplňového lože;

(b) ochlazení uhlíkového materiálu v náplňovém loži ze zvýšené teploty na cílovou teplotu nepřímou výměnou tepla;

(c) přivádění plynu obsahujícího kyslík do náplňového lože, předtím než uhlíkový materiál dosáhne cílové teploty, pro parciální oxidaci uhlíkového materiálu do požadovaného stupně pro stabilizaci uhlíkového materiálu; a (d) odvádění tepla, uvolňovaného oxidací uhlíkového materiálu, z náplňového lože, pro řízení teploty uhlíkového materiálu při oxidaci pro zabránění nekontrolované tepelné reakci.

-1 CZ 297189 B6

Termínem „nekontrolovaná tepelná reakce“ se cbecně rozumí rychlý nekontrolovaný nárůst teploty, zapříčiněný oxidací uhlíkového materiálu uvolňující teplo, které opět zvyšuje rychlost oxidace uhlíkového materiálu, což může vést ke ztrátě kontroly nad procesem.

Přihlašovatel zjistil při experimentální práci na rychlosti oxidace a pomocí počítačového modelování fluidní dynamiky skládkových hromad, založených na experimentálních datech, že pro tepelně upravené uhlí dané distribuce velikosti jsou (i) míra oxidace uhlí;

(ii) teplota uhlí ve skládkové hromadě;

dvě proměnné, které mají nej významnější vliv na samovolné vznícení uhlí ve skládkové hromadě, která nebyla podrobena zhutnění nebo zakryta.

Obr. 1 na připojených výkresech představuje příklad experimentálně získaného grafu teploty a oxidace (vyjádřeno v termínech hmotnostních procent přidaného kyslíku), který naznačuje stabilní podmínky ve skládkové hromadě tepelně upraveného uhlí.

Jak je zřejmé z grafu na obr. 1, oxidace sama nestačí pro zajištění stability, pokud se nepoužije velmi vysoké úrovně oxidace. Vysoká úroveň oxidace, která je požadována pokud se nepoužije chlazení, není v praxi použitelná, neboť by činila produkt obchodně neatraktivním.

Obr. 1 naznačuje, že z hlediska výroby komerčně atraktivního produktu, bezpečně skladovatelného ve skládkové hromadě, je třeba tepelně upravené uhlí ochladit na poměrně nízkou teplotu skládkové hromady, tj. cílovou teplotu.

V souvislosti se způsobem podle předloženého vynálezu, v situacích, kdy uhlíkovým materiálem je uhlí, je výhodné, když míra oxidace, měřená jako hmotnost kyslíku dodaného do náplňového lože v procentech celkové hmotnosti uhlí v náplňovém loži, je 0,2 až 5 % hmotn., a když cílová teplota je menší než 50 °C.

Je zvláště výhodné, když je míra oxidace v rozmezí 0,5 až 3 % hmotn., a když je cílová teplota menší než 35 °C.

Při experimentální/konstrukční/ modelovací práci se experimentálně zjistilo, že kombinace pracovní tekutiny cirkulující skrze náplňové lože a okruhu chladivá, který zahrnuje teplosměnné plochy v náplňovém loži, představuje efektivní prostředek pro odvádění tepla, produkovaného oxidací uhlíkového materiálu, z náplňového lože.

Odvádění tohoto tepla je důležitou podmínkou pro řízení teploty uhlíkového materiálu pro zabránění tepelné nekontrolované reakci. Mechan ismus odvádění tepla probíhá přes pracovní tekutinu a pak přestupem tepla z pracovní tekutiny přes vnitřní teplosměnné povrchy.

Při experimentální/konstrukční/ modelovací práci se experimentálně zjistilo, že zvláště vhodné vnitřní teplosměnné plochy jsou teplosměnné desky popsané v jeho mezinárodních přihláškách PCT/AU98/00005, zveřejněné jako AU 5304598, PCT/AU98/00142, zveřejněné AU 6083498, a PCT/AU98/00324, zveřejněné AU 7199598, jejichž obsah se zde křížovým odkazem zahrnuje.

Výše popsaná kombinace cirkulující pracovní tekutiny a okruhu chladivá s vnitřními teplosměnnými povrchy představuje důležitý znak, neboť umožňuje ve srovnání se stavem techniky, popsaným v australské patentové přihlášc e Syncoal, podstatně zvětšit náplňové lože při zachování vysoké produktivity, a snižuje tak značně investiční a provozní náklady.

-2CZ 297189 B6

Pracovní tekutinou je s výhodou plyn.

Jako pracovní plyn může být použit dusík, pára, SO2, CO2, uhlovodíky, vzácné plyny, chladivá a jejich směsi.

Pracovní tekutina je s výhodou nereaktivní vzhledem k náplňovému loži.

Je výhodné, když způsob zahrnuje chlazení uhlíkového materiálu ze zvýšené teploty na výhodnou oxidační teplotu uhlíkového materiálu během počátečního kroku chlazení bez přivádění plynu obsahujícího kyslík do náplňového lože, a po dosažení výhodné oxidační teploty, přivádění plynu obsahujícího kyslík do náplňového lože pro parciální oxidaci uhlíkového materiálu.

Teplotou charakterizovanou termínem „výhodná oxidační teplota uhlíkového materiálu“ se rozumí hmotnostně vážená průměrná teplota částic v náplňovém loži.

Výhodná oxidační teplota uhlíkového materiálu je teplota, při které uhlíkový materiál může být rychle oxidován daným parciálním tlakem kyslíku v plynu obsahujícím kyslík pro získání stabilního produktu, avšak za podmínek přestupu tepla, při kterých uvolněné teplo nezpůsobí nekontrolovanou tepelnou reakci.

Při použití kombinace cirkulační pracovní tekutiny a okruhu chladivá s vnitřními teplosměnnými plochami jako prostředku pro odvádění tepla, vyvíjeného oxidací uhlíkového materiálu, z náplňového lože je výhodné, jestliže způsob zahrnuje řízení teploty teplosměnných ploch vzhledem k výhodné oxidační teplotě pro udržení malého gradientu napříč ložem při udržování velkých rychlostí přestupu tepla. Diference teploty je s výhodou menší než 40 °C, ještě výhodněji 30 °C.

Při použití kombinace cirkulační pracovní tekutiny a okruhu chladivá s vnitřními teplosměnnými plochami jako prostředku pro odvádění tepla, vyvíjeného oxidací uhlíkového materiálu, z náplňového lože je výhodné, jestliže způsob zahrnuje řízení teploty pracovní tekutiny tak, aby byla vyšší než teplota stěny vnitřních teplosměnných ploch a menší než teplota částic uhlíkového materiálu tak, aby částice byly ochlazovány. Poznamenejme, že chlazení se zlepšuje, provádí-li se pod tlakem.

Jestliže je uhlíkovým materiálem, který se tepelně upracuje, uhlí, je oxidační teplota s výhodou v rozmezí 80 až 150 °C.

Zvláště výhodná oxidační teplota je 100 až 150 °C.

Ještě výhodnější oxidační teplota je 100 až 120 °C.

Způsob s výhodou zahrnuje udržování teploty uhlíkového materiálu na výhodné oxidační teplotě nebo uvnitř rozmezí teploty, které zahrnuje výhodnou oxidační teplotu, během kroku přivádění plynu obsahujícího kyslík do náplňového lože.

Způsob s výhodou zahrnuje chlazení uhlíkového materiálu na cílovou teplotu po ukončení kroku oxidace.

Cílová teplota je s výhodou 50 °C.

Způsob dále zahrnuje natlakování náplňového leže před nebo v průběhu chlazení, a oxidaci uhlíkového materiálu.

-3CZ 297189 B6

Zvláště výhodné je, když způsob zahrnuje natlakování náplňového lože externě přiváděným plynem na tlak menší než 20 bar (2 MPa), zpravidla menší než 10 bar (1 MPa).

Je výhodné, jestliže je velikost částic uhlíkového materiálu zvolena tak, že vytvořené náplňové lože má dostatečnou permeabilitu pro umožnění pohybu pracovní tekutiny s rozumnou tlakovou ztrátou.

Podle předloženého vynálezu je dále vytvořeno zařízení pro stabilizaci tepelně upraveného uhlíkového materiálu způsobem podle předloženého vynálezu, popsaným výše.

Přehled obrázků na výkresech

Předložený vynález je dále popsán prostřednictvím příkladu za pomocí výkresů, na kterých

Obr. 1 představuje příklad experimentálně získaného grafu teploty a oxidace.

Obr. 2 představuje schematické znázornění výhodného vytvoření způsobu a zařízení podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Následující popis se týká stabilizace tepelně upraveného uhlí. Poznamenejme, že předložený vynález není omezen na tuto aplikaci a zahrnuji: i stabilizaci jakéhokoliv vhodného tepelně upraveného uhlíkového materiálu.

S ohledem na obr. 2 zařízení zahrnuje tlakovou nádobu 3, která je upravena pro stabilizaci náplňového lože tepelně upraveného uhlí, které bylo uvedeno do tlakové nádoby 3 při zvýšené teplotě, zpravidla 400 °C, z neznázoměné procesní nádoby procesu tepelné úpravy.

Tlaková nádoba 3 může mít jakoukoliv konfiguraci, která obsahuje vnitřní sestavu teplosměnných desek 5. Jedním příkladem vhodné tlakové nádoby je tlaková nádoba popsaná v mezinárodních přihláškách PCT/AU98/00005, PCT/AI/98/00142 a PCT/AU98/00324, zveřejněných AU 5304598, AU 6083498, AU 7199598 téhcž přihlašovatele, které zahrnují převráceně kuželovitý vstup, válcovité těleso, kuželovitý výstup, a sestavu vertikálně uspořádaných paralelních teplosměnných desek umístěných v tělese a kuželovitém výstupu.

Teplosměnné plochy 5 tvoří část okruhu chladivá, kterým cirkuluje malý objem chladivá vhodného pro provoz od —20 °C až do 140 °C skrze desky 5 v uzavřeném okruhu.

Okruh chladivá tedy zahrnuje chladicí věž 7, která zahrnuje řadu 9 výměníkových trubek, umístěných ve věži, ventilátor 11 s měnitelnou rychlostí, který vyvolává vzestupný proud vzduchu přes řadu 9 výměníkových trubek, a odpalovací systém zahrnující trysky 23 rozstřikující vodu na řadu 9 výměníkových trubek a čerpadlo 1_5, které čerpá vodu ze zásobníku v základně věže do trysek 23. Poznamenejme, že v chladném kl imatu není odpařovací systém nezbytný.

Okruh chladivá tedy zahrnuje chladič 61 pro další chlazení chladivá z chladicí věže 7 pomocí tepelného výměníku 13.

Okruh chladivá také obsahuje expanzní komoru 21 pro zachycení tlakových změn v okruhu chladivá.

Zařízení dále zahrnuje celkově označený systém, VI, pro přivádění a cirkulaci pracovní tekutiny, zpravidla plynu jako například dusíku, skrze náplň ové lože v procesní nádobě 3, pro natlakování

-4CZ 297189 B6 a zvýšení výměny tepla mezi chladivém proudícími deskami 5 a uhlím v náplňovém loži. Systém 17 pracovní tekutiny zahrnuje vstup 19 pracovní tekutiny v základně procesní nádoby 3, výstup 25 v horní stěně procesní nádoby 3, potrubí 29 spojující vstup 19 a výstup 25 a ventilátor 27, který prohání pracovní tekutinu skrze náplňové lože a potrubí 29. Systém 17 pracovní tekutiny je podrobněji popsán v mezinárodní přihlášce PCT/AU98/00142, zveřejněné AU 6083498 téhož přihlašovatele.

Zařízení dále zahrnuje prostředky pro přivádění plynu obsahujícího kyslík do náplňového lože 3 pro oxidaci tepelně upraveného uhlí. Ve vytvoření znázorněném na obr. 2 se plyn obsahující kyslík přivádí do vstupu 19 pracovní tekutiny.

Při provozu zařízení znázorněného na obr. 2 se horká vsázka tepelně upraveného uhlí (zpravidla při teplotě nad 300 °C) uvede do procesní nádoby 3 pro vytvoření náplňového lože, pak se uzavře armatura (neznázoměná) na vstupu pevné látky, do náplňového lože se přivede prostřednictvím vstupu 19 pracovní tekutina, a spustí se ventilátor 27 pracovní tekutiny pro cirkulaci pracovní tekutiny skrze náplňové lože.

Podle výhodného provedení způsobu pracuje čerpadlo okruhu chladivá kontinuálně, avšak v tomto počátečním stupni provozuje ventilátor H chladicí věže a vodní čerpadlo 15 vypnuto.

Za těchto podmínek tlak a teplota chladivá roste, přičemž expanze a tlak v okruhu chladivá je kontrolován expanzní komorou 21..

Když dosáhne teplota chladivá 120 °C, což indikuje, že hmotnostně vážená průměrná teplota uhlí v náplňovém loži je řádově 140 °C, zapne se vzduchový ventilátor 11 chladicí věže a jeho rychlost se mění pro udržení teploty chladivá 120 °C.

Poté se plyn obsahující kyslík přivádí do náplňového lože a systém se udržuje na konstantní teplotě, dokud se do náplňového lože nepřivede dostatek kyslíku pro dosažení požadovaného stupně oxidace uhlí.

Jak bylo naznačeno výše, v průběhu oxidačního stupně je důležité odvádět teplo uvolňované oxidací uhlí z náplňového lože pro zabránění nekontrolované tepelné reakce, a bylo zjištěno, že kombinace teplosměnných desek 5 pracujících s chladivém cirkulujícím deskami v uzavřeném okruhu a cirkulující pracovní tekutiny v náplňovém loži představuje efektivní prostředek pro zajištění nezbytného řízení teploty v náplňovém loži pro dosažení tohoto cíle.

Také se zjistilo, že je důležité, aby byla teplota stěny teplosměnných desek 5 udržována blízká teplotě náplňového lože za účelem udržení malého teplotního gradientu napříč ložem. Malý teplotní gradient je žádoucí pro omezení místních odchylek v chlazení a tím i v oxidaci v náplňovém loži.

Po ukončení přidávání plynu obsahujícího kyslík se zapne ventilátor chladicí věže na plynu rychlost, vodní čerpadlo 15 se zapne, a teplota náplňového lože, obsahujícího uhlí, se dostane na cílovou teplotu, zpravidla menší než 50 °C.

Je-li třeba, zapne se okruh chladiče 61 pro sníženi teploty chladivá pro poskytnutí chladnějšího produktu v kratší době.

Když dosáhne náplňové lože cílové teploty, náplňo vé lože se odvětrá odvětrávacím vedením 62 a ochlazené, stabilizované tepelně upravené uhlí se vypustí z procesní nádoby 3 a uskladní se v hromadě.

Mohou být provedeny četné modifikace výhodného provedení způsobu a zařízení podle předloženého vynálezu, popsaného výše za pomoci obr. 2, bez opuštění myšlenky a rozsahu ochrany předloženého vynálezu.

Například, zatímco výhodné provedení zahrnuje přivádění plynu obsahujícího kyslík do náplňového lože prostřednictvím vstupu 19 pracovní tekutiny v základně procesní nádoby 3, je zřejmé, že vynález není omezen na toto uspořádání, a v rámci rozsahu ochrany předloženého vynálezu je možné zavádět plyn obsahující kyslík do náplňového lože v kterémkoliv vhodném místě či místech.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Způsob stabilizace tepelně upraveného uhlíkového materiálu, který zahrnuje:

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že míra oxidace ve stupni (c), měřená jako hmotnost kyslíku dodaného do náplňového lože v procentech celkové hmotnosti uhlí v náplňovém loži, je 0,2 až 5 % hmotn.

3. Způsob podle nároku 2, 50 °C.

4. Způsob podle nároku 2, hmotn.

5. Způsob podle nároku 4, 35 °C.

vyznačující se tím, vyznačující se tím, vyznačující se tím, že cílová teplota je menší než že míra oxidace je 0,5 až 3 % že cílová teplota je menší než

6. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zahrnuje odvádění tepla z náplňového lože v kroku (d) pomocí cirkulace pracovní tekutiny cirkulující skrze náplňové lože a okruhu chladivá, který zahrnuje teplosměnné plochy v náplňovém loži.

7. Způsob podle nároku 6, v y z n a č u j í c í se tím, že pracovní tekutinou je plyn.

8. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že krok (b) zahrnuje první stupeň chlazení uhlíkového materiálu ze zvýšené teploty na výhodnou oxidační teplotu uhlíkového materiálu bez přivádění plynu obsahujícího kyslík do náplňového lože během počátečního kroku chlazení.

-6CZ 297189 B6

9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že krok (c) zahrnuje přivádění plynu obsahujícího kyslík do náplňového lože, pro parciální oxidaci uhlíkového materiálu, po dosažení výhodné oxidační teploty uhlíkového materiálu.

10. Způsob podle nároku 9, vyznačující se tím, že po ukončení kroku (c) parciální oxidace se provádí v kroku (b) druhý stupeň chlazení uhlíkového materiálu na cílovou teplotu.

11. Způsob podle nároku 6, vyznačující se tím, že zahrnuje řízení teploty teplosměnných ploch ve vztahu k výhodné oxidační teplotě pro udržení malého gradientu napříč ložem.

12. Způsob podle nároku 11, vyznačující se tím, že teplotní rozdíl je menší než 40 °C.

13. Způsob podle některého z nároků 6, 11 a 12, vyznačující se tím, že se teplota pracovní tekutiny řídí na úroveň vyšší než je teplota stěny vnitřních teplosměnných ploch a menší než teplota uhlíkového materiálu.

14. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že výhodná oxidační teplota je 80 až 150 °C.

15. Způsob podle nároku 14, vyznačující se tím, že výhodná oxidační teplota je 100 až 150 °C.

16. Způsob podle nároku 14, vyznačující se tím, že výhodná oxidační teplota je 100 až 120 °C.

17. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že dále zahrnuje natlakování náplňového lože zvnějšku přiváděným plynem na tlak menší než 20 bar (2 MPa).