專利名稱：可燃含碳組合物及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及可燃含碳組合物，例如炭磚，其是由(a)一種或者多種可燃含碳物質和(b)活性炭或活性石墨，和/或低VOC碳或低VOC石墨與能夠就地形成活性炭或活性石墨的含腐植質的礦物一起制造的。含可燃含碳物質和活性炭和/或活性石墨的組合物可以用作例如本領域公知的燃煤爐或蒸汽發(fā)生器的粉末混合物，或者可以在高壓下與合適的粘合劑一起壓縮成所需要煤磚形，活性炭或石墨吸收由加熱可燃含碳物質所生成的可揮發(fā)的有機化合物。
在美國，炭磚通常用作戶外用烤肉柵形烤架或火盆作飯的加熱和香味的燃料源。炭磚是通過如下的方法制造的把可燃的含碳物質例如木炭、泥煤、煤或者其它可燃的含烴碳源與粘結劑例如玉米淀粉、無毒的聚合物或類似物混合，在高壓下壓制成炭磚，以便用作烤肉的燃料。該組合物壓成炭磚之后，干燥該炭磚，基本上除去所有的水分，以便該炭磚能夠點燃。許多炭磚組合物和制造炭磚的方法的例子公開在下面的美國專利文獻中Dell的5,221,290；Spencer的1,590,706；Wagel的1,618,029；Jaffe的3,089,760；McGoff的3,304,161；Ross的3,709,700；Robertson的3,485,600；Mennen的3,385,681；Onozawa的3,689,234；Swinehart等人的2,822,251；Hughes等人的4,167,398和Crace的4,787,914，這些文獻列為參考文獻。
另人驚奇的是，已經發(fā)現(xiàn)，通過包含(a)活性炭和/或活性石墨作為炭磚組合物添加劑，和/或通過包含(b)非活性炭或不完全的活性炭和/或石墨和含腐植酸的礦物或含腐植酸鹽的礦物，在炭磚組合物高溫熱解的過程中或者把炭磚組合物加熱到至少約450°F就地發(fā)生碳和/或石墨源的氧化，就減少了由高溫熱解排放到大氣中的VOC。活性炭和/或活性石墨開始以活化的形式加入到可燃含碳組合物中，或者以就地能夠活化的碳和/或石墨的反應物的形式加入到可燃含碳組合物中，沒有預期地是吸附了大量的由可燃含碳物質揮發(fā)的揮發(fā)有機化合物(VOC)，因此，省去或者減少了對在含碳物質加熱的過程中生成的氣體的除去VOC的處理過程。的確未預期到就地形成的活性炭和/或活性石墨所產生的這樣的VOC降低，只要為就地進行活化加入到含碳物質中的碳和/或石墨在1800°F和1個大氣壓(750mmHg)下具有低的總有機揮發(fā)物含量(低VOC)，因此，定義為在1800°F和1個大氣壓(760mmHg)下總有機揮發(fā)物含量小于約10mg/g，優(yōu)選小于約1mg/g，更優(yōu)選小于約0.5mg/g，最優(yōu)選小于約0.3mg/g。
簡單地說，本發(fā)明涉及例如以炭磚形式的含有活性石墨和/或活性炭的可燃的低VOC排放的可燃含碳組合物和制造這樣的炭磚的方法，在這樣的炭磚中很細的活性炭或活性石墨顆粒與可燃的含碳物質顆?；旌显谝黄稹Ｈ我獾?，該組合物可以含有粘結劑，并且在高壓下把該混合的物料壓成所需要的炭磚的形狀。在本發(fā)明的炭磚組合物中存在的可燃含碳物質的量約為組合物重量的65-96％(重)，粘結劑存在的量約為1-15％(重)，活性炭和/或活性石墨(或在加熱的過程中能夠低VOC碳和/或低VOC石墨活性化的反應物)存在的量約為組合物的0.1-20％(重)，優(yōu)選約2-10％(重)。
如果在該組合物中不需要粘結劑的話，例如，當該組合物用作爐子的燃料或者蒸汽發(fā)電廠的燃料時，該組合物含有約80-99.9％(重)的可燃的含碳物質和約0.1-20％(重)的活性炭和/或活性石墨(或約0.1-20％(重)的在加熱含碳物質的過程中能夠就地形成活性炭和/或活性石墨的組分)?；钚蕴亢?或活性石墨吸收大部分由可燃的含碳物質在加熱的過程中放出的揮發(fā)性有機化合物，以致于排放到大氣中的VOC的濃度是意外的低。
在一個實施方案中，本發(fā)明涉及含有活性炭和/或活性石墨的炭磚組合物和通過高溫熱解含有可燃含碳物質、粘結可燃含碳物質的粘結劑和活性炭和/或活性石墨的炭磚生產熱能的方法。在另一個實施方案中，代替或者除了加活性炭和/或活性石墨到炭磚組合物中之外，加入能夠就地反應形成活性炭和/或活性石墨的組分。優(yōu)選的是，該活性組分是低VOC碳和/或低VOC石墨的，由此定義為在1800°F和1個大氣壓(760mmHg)下總的揮發(fā)性有機物含量(VOC)小于約10mg/g，優(yōu)選小于約1mg/g，更優(yōu)選小于約0.5mg/g，最優(yōu)選小于約0.3mg/g；并且在炭磚組合物高溫熱解的過程中，含腐植酸的礦物和/或含腐植酸鹽的礦物能夠就地形成活性炭和/或活性石墨。
在第一個實施方案中，炭磚組合物添加劑含有活性炭和/或活性石墨。在第二個實施方案中，炭磚組合物添加劑含有未活化的或不完全活化的低VOC碳和/或低VOC石墨和含腐植酸的礦物和/或含腐植酸鹽的礦物(下面分別稱為或者一起稱為“含腐植質的礦物”)。當炭磚組合物加熱到450°F或者高于450°F時，低VOC碳和/或低VOC石墨和含腐植質的礦物的混合物就地反應，來活化或者進一步活化碳和/或石墨。
活性炭和/或活性石墨添加劑，有或者沒有低VOC碳和/或低VOC石墨，和高溫熱解的過程中就地活化碳和/或石墨的含腐植質的礦物吸收和/或吸附(吸收)高溫熱解過程中可燃含碳物質排放出的氣體揮發(fā)性有機化合物(VOC)，所以，由活性炭和/或活性石墨容納了VOC氣體就降低了VOC的排放，只要就地活化的碳和/或石墨在1800°F和1個大氣壓(760mmHg)下具有低的總有機揮發(fā)物含量(小于約10mg/g，優(yōu)選小于約1mg/g，更優(yōu)選小于約0.5mg/g，最優(yōu)選小于約0.3mg/g)。為了達到本發(fā)明的就地活化方案的所有的優(yōu)點，已發(fā)現(xiàn)碳和/或石墨添加劑所具有的表面積至少應該是約15m2/g，優(yōu)選至少約20m2/g，以便碳和/或石墨就地充分的活化到至少約200m2/g，優(yōu)選至少約400m2/g，來比較充分的吸附(約10-35％)在可燃含碳物質的加熱和/或高溫熱解的過程中產生的VOC。
因此，本發(fā)明的一個方面是提供一種含有可燃含碳物質的可燃炭磚，該可燃炭磚含有粘結劑和活性炭和/或活性石墨，以便提供在加熱和高溫熱解的過程中意外的具有低VOC排放的炭磚。
本發(fā)明的另一個方面是提供一種用于可燃含碳物質的添加劑，該添加劑選自活性炭；活性石墨；和其混合物，這些物質在加到可燃含碳物質中之前要活化。按組合物的總的干重計，加到可燃含碳物質組合物中的活性炭和/或活性石墨混合量約為0.1-20％。另外，活性炭和/或活性石墨可以在可燃含碳物質的加熱過程中由碳和/或石墨和含腐植質礦物的混合物就地形成。根據(jù)含腐植質的礦物的氧化的程度，優(yōu)選的是加入到可燃含碳物質中的含腐植質的礦物的量要使得含腐植質的礦物能夠氧化(活化)碳或石墨添加劑到表面積至少約為200m2/g，優(yōu)選至少約400m2/g。
本發(fā)明的另一個方面是提供一種可燃含碳物質添加劑，該添加劑含有活性炭和/或活性石墨與在可燃含碳物質的燃燒過程中能夠就地形成活性炭和/或活性石墨的組分。
本發(fā)明的另一個方面是提供一種可燃含碳物質添加劑組合物和加熱可燃含碳物質的方法，該方法提供活性炭和/或活性石墨就地吸收在可燃含碳物質高溫熱解過程中由可燃含碳物質揮發(fā)的氣體有機化合物例如苯。
本發(fā)明的另一個方面是提供一種可燃含碳物質組合物，按該組合物的干重計，該組合物含有約為65-96％(重)的一種或多種可燃含碳物質，一種用于粘結可燃含碳物質的粘結劑例如玉米淀粉和/或無毒聚合物粘合劑，其量約為1-15％(重)；按該組合物的總的干重計，約0.1-約20％(重)的活性炭和/或活性石墨和/或含腐植質的粉末礦物，例如氧化的褐煤如該受讓人銷售的FLOCARB，按該組合物的干重計，粉末礦物的量約為0.1-10％(重)，優(yōu)選約為0.1-5％(重)，以及碳、石墨和其混合物，其量為約0.1-10％(重)，優(yōu)選約為0.1-5％(重)，粉末礦物/碳和/或石墨的重量比約為5/95-95/5，更優(yōu)選的比例約為15-95％含腐植質的礦物比85-5％低VOC碳和/或石墨(以含腐植質的礦物、低VOC碳和石墨的總重量計)。加有含腐植質的礦物的碳和/或石墨應該有低的VOC含量(本文定義在1800°F和1個大氣壓(760mmHg)下碳或石墨具有小于約1mg/g，更優(yōu)選小于約10mg/g VOC，優(yōu)選的是小于約1mg/g，更優(yōu)選小于約0.5mg/g，最優(yōu)選小于約0.3mg/g)。從下面的連同附圖
的本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的詳細描述，本發(fā)明的上述和其它方面的優(yōu)點將變的更明顯。
本發(fā)明涉及含有活性炭和/或活性石墨和能夠高溫熱解提供熱能的可燃含碳物質的組合物。用于該組合物的合適的例子包括炭磚；點火木料(log)，例如用于壁爐的點火木料；用于工業(yè)和民用爐和用來生產電的燃料等等。在一個實施方案中，該組合物含有一種或者多種可燃含碳物質和含有腐植質的礦物和含低VOC的碳或石墨的混合物。該組合物可以是可燃含碳物質、碳和/或石墨和含有腐植質的礦物的自由流動的混合物的形式；或者是可燃含碳物質和活性炭和/或活性石墨的混合物；和它們的混合物。
在另一個實施方案中，該組合物含有一種粘結劑，以便于該組合物可以模壓成所需要的形狀。當制造炭磚和點火木料時，把一種或多種粘結劑與可燃含碳物質混合，以保持含碳物質為預定的構型。
活性炭和/或活性石墨可以用下述方式加入到可燃含碳物質中，即將低VOC碳或石墨與選自腐植酸，任何含腐植酸的礦物或含腐植酸鹽的礦物，特別是褐煤和氧化的褐煤或風化褐煤的物質一起加入到組合物中，或者可以在組合物如炭磚的高溫熱解過程就地產生。優(yōu)選地腐植酸的來源是含腐植酸的礦物，例如褐煤或風化褐煤，特別是氧化的褐煤，和/或氧化的風化褐煤，如在本受讓人的U.S.P.5,034,045和5,026,416中所述，這些文獻在此列為參考文獻。
活性炭和/或活性石墨吸收和/或吸附在該組合物的可燃含碳物質的高溫熱解過程中揮發(fā)的揮發(fā)有機化合物(VOC)。在一個實施方案中，碳和/或石墨和含腐植質的礦物包含有活性炭和/或活性石墨，因此，在高于約450°F的溫度下，在該組合物的高溫熱解的過程中，碳和/或石墨和含腐植質的礦物的混合物就地反應，來活化碳和/或石墨，所以在組合物的高溫熱解的過程中揮發(fā)的揮發(fā)有機化合物(VOC)就更完全地被就地活化的活性炭/石墨吸收(吸收和/或吸附)。根據(jù)本發(fā)明，為了在該可燃含碳物質的高溫熱解的過程中就地活化，加入到可燃含碳物質中的碳和/或石墨在1800°F時所具有的總的有機揮發(fā)物的含量應該小于約10mg/g，優(yōu)選小于約1mg/g，更優(yōu)選小于約0.5mg/g，最優(yōu)選小于約0.3mg/g。
通常用于粘結很細的含碳物質例如37μm到約4500μm大小的物質的任何粘合劑都可以與本文所公開的含碳組合物一起使用，使得該含碳物質在處理的過程中保持預定的或所需要的炭磚或點火木料形狀而沒有明顯的損壞。按可燃含碳物質組合物的總干重計，這樣的粘結劑一般的存在量為約1-15％，其可以被調整到要產生所需要的強度、硬度或其它所要求的物理性質的量?？梢杂脕碚辰Y本發(fā)明的可燃含碳物質成為很堅固的形狀例如炭磚形的某些粘結劑包括膨潤土、其它粘土、淀粉、糖、谷物、型心粘結劑、硅酸鈉、熱塑性和熱固性樹脂、蒸汽固化的粘結劑、化學固化的粘結劑、熱固化的粘結劑、瀝青、樹脂、水泥和本領域公知的各種其它粘結劑。
本發(fā)明的可燃含碳物質含有約65-96％(重)適合的可燃含碳物質，例如粉狀炭、粉狀無煙煤或者粉狀焦。其它適合的可燃含碳物質包括煙煤、褐煤、氧化的褐煤、風化褐煤、氧化的風化褐煤、焦粉、石油焦、冶金焦、煤篩余物等等。在本發(fā)明的炭磚的實施方案中，把可燃含碳物質分散的足夠細，以便在約10,000-20,000psi的高壓下，與粘結劑和活性碳和/或活性石墨一起壓縮形成所需要的炭磚形狀的粘性塊狀體。所生產的炭磚應該具有足夠的干強度，以便在處理和運輸當中沒有明顯的破損，例如在正常的處理和運輸當中破損的炭磚少于10％。
按照本發(fā)明的炭磚組合物和制造方法的一個實施方案，可燃含碳顆粒用粘結劑例如在U.S.P.5,221,290中公開的預熱煉的水合有機粘結劑/水可膨脹的粘土糊粘合在一起，此文獻列為參考文獻。
在本發(fā)明的炭磚組合物和制造方法的粘土粘結劑實施方案中所用的水可膨脹的粘土含有活性羥基，當粘土是水合的狀態(tài)時，對于與有機粘結劑的活性羥基取代基的反應，該活性羥基是更適合的。因此，在本發(fā)明的這一實施方案中可用的有機粘結劑包括在水中至少部分溶解的(在25℃和一個大氣壓下至少10％(重)的溶解度)任何有機粘結劑。在水中可溶解的并且含有與水可膨脹的粘土羥基反應的取代基的有機粘結劑的范圍是很寬的，其包括所有的淀粉，例如玉米淀粉、小麥淀粉、大麥淀粉、高粱淀粉、西谷椰子淀粉、木薯淀粉、土豆淀粉、大米淀粉和木薯淀粉，每一種都含有活性羥基；羥烷基纖維素例如羥甲基纖維素、羥丙基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙基乙基纖維素；羧烷基纖維素例如羧甲基纖維素、羧乙基纖維素、羧丙基甲基纖維素等等，每一種都含有活性羧基；聚糖例如糊精、葡萄糖、乳糖、麥芽糖、蔗糖等等；羥基活化樹膠例如阿拉伯樹膠、黃蓍樹膠、瓜爾樹膠、卡拉卡膠、刺槐豆膠、秋膠等等；和任何其它的高溫熱解時無毒的羥基活性有機粘合物質。
在上述的炭磚實施方案中，把有機粘結劑和水可膨脹的粘土在水中打漿至在漿液中總的固含量約為10-50％(重)(干固體為基準)，有機粘結劑與水可膨脹的粘土的重量比約為1.5-3.01。
應該了解到，僅僅是通過優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明作了描述，可以進行在細節(jié)上的許多改變或者構思，某些部分的結合和排列，其都沒有離開如后面所附的權利要求的本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.一種可燃含碳組合物，其含有約65-99.9％(重)的含碳物質和約0.1-20％(重)的選自活性炭、活性石墨和其混合物的活性炭物質。
2.根據(jù)權利要求1的組合物，其中活性炭物質是通過在該組合物中含有細分散的含腐植質的礦物與碳或石墨，在該組合物的高溫熱解的過程中就地形成的。
3.根據(jù)權利要求2的組合物，其中該碳物質在1800°F和760mmHg的壓力下的VOC的含量小于約10mg/g。
4.根據(jù)權利要求1的組合物，其還含有粘結可燃含碳物質的粘結劑，含量為組合物重量的約1-15％。
5.根據(jù)權利要求4的組合物，其中該組合物是炭磚的形式，該炭磚是在足以提供足夠的處理和運輸?shù)膹姸鹊膲毫ο聣褐圃摻M合物而制成的。
6.根據(jù)權利要求4的組合物，其中粘結劑是水可膨脹的粘土和選自下列物質的有機粘結劑的混合物淀粉、羥烷基纖維素、糊精、樹膠、聚乙烯醇、羧烷基纖維素、羧烷基纖維素的金屬鹽和聚糖。
7.根據(jù)權利要求4的組合物，其中可燃含碳物質選自炭、無煙煤、煙煤、焦、焦屑、褐煤、氧化的褐煤、風化褐煤、氧化的風化褐煤和其混合物。
8.根據(jù)權利要求6的組合物，其中有機粘結劑是選自如下的淀粉玉米淀粉、小麥淀粉、大麥淀粉、高粱淀粉、西谷椰子淀粉、木薯淀粉、土豆淀粉、大米淀粉、木薯淀粉和其混合物。
9.根據(jù)權利要求6的組合物，其中有機粘結劑是選自如下的膠阿拉伯樹膠、黃蓍樹膠、瓜爾樹膠、卡拉卡膠、刺槐豆膠、瓊脂、秋膠和其混合物。
10.根據(jù)權利要求6的組合物，其中水可膨脹的粘土是二八面體綠土、三八面體綠土或其混合物。
11.根據(jù)權利要求10的組合物，其中粘土選自蒙脫土、貝得石、綠脫石、鋰蒙脫石、皂石和其混合物。
12.根據(jù)權利要求11的組合物，其中水可膨脹的粘土是蒙脫土。
13.根據(jù)權利要求12的組合物，其中粘土是選自如下的膨潤土鈉膨潤土、鉀膨潤土、鋰膨潤土、銨膨潤土、鈣膨潤土、鎂膨潤土和其混合物。
14.一種制造權利要求5的可燃含碳炭磚的方法，包括把約1-15％(重)的粘結劑，約0.1-20％(重)的選自活性炭、活性石墨和其混合物的活性炭物質，和約65-96％(重)的粒狀可燃含碳物質混合，形成炭磚組合物；和在足以形成具有足夠的處理和運輸強度的炭磚的壓力下壓縮該炭磚組合物。
15.根據(jù)權利要求14的方法，其中活性炭物質是通過在組合物中含有細分散的含腐植質的礦物和選自碳、石墨和其混合物的碳物質的炭磚的高溫熱解的過程中就地形成的。
16.根據(jù)權利要求15的方法，其中碳物質在1800°F和760mmHg的壓力下的VOC含量小于約10mg/g。
17.根據(jù)權利要求14的方法，其中粘結劑是水可膨脹的粘土和選自下列物質的有機粘結劑的混合物淀粉、羥烷基纖維素、糊精、樹膠、聚乙烯醇、羧烷基纖維素、羧烷基纖維素的金屬鹽和聚糖。
18.根據(jù)權利要求14的方法，其中可燃含碳物質選自炭、無煙煤、煙煤、焦、焦屑、褐煤、氧化的褐煤、風化褐煤、氧化的風化褐煤和其混合物。
19.根據(jù)權利要求17的方法，其中水可膨脹的粘土是二八面體綠土、三八面體綠土或其混合物。
20.根據(jù)權利要求19的方法，其中粘土選自蒙脫土、貝得石、綠脫石、鋰蒙脫石、皂石和其混合物。
21.根據(jù)權利要求20的方法，其中水可膨脹的粘土是蒙脫土。
22.根據(jù)權利要求21的方法，其中粘土是選自如下的膨潤土鈉膨潤土、鉀膨潤土、鋰膨潤土、銨膨潤土、鈣膨潤土、鎂膨潤土和其混合物。
23.一種產生熱能的方法，包括高溫熱解權利要求1的組合物。
24.通過權利要求14的方法制造的可燃炭磚。
全文摘要
一種可燃含碳組合物和制造炭磚的方法,其中細分散的含碳物質與活性炭和/或活性石墨(其可以在該組合物的高溫熱解的過程中通過含腐植質的礦物與含低VOC的碳和/或石墨反應就地形成)混合。在炭磚組合物中,可燃含碳物質的存在量約為65—99.9%(重);當形成炭磚或點火木料的時候,該組合物中粘結劑的含量約為1—15%(重);活性炭和/或活性石墨的存在量約為0.1—20%(重)。活性炭和/或活性石墨吸收大部分由可燃含碳物質排出的VOC,因此防止VOC排放到大氣中。
文檔編號B22C1/02GK1170752SQ9711482
公開日1998年1月21日 申請日期1997年6月20日 優(yōu)先權日1996年6月21日
發(fā)明者C·R·蘭迪斯 申請人:安姆科爾國際公司