用來自熱解步驟的貧燃料氣流升級煤炭和其它含碳材料的制作方法
【專利摘要】用來使煤炭和其它含碳燃料升級的方法和設備，包括使含碳燃料經(jīng)歷熱解過程，由此形成升級含碳燃料和貧燃料氣體流。輔助燃料在輔助燃料燃燒室中燃燒，以產(chǎn)生輔助燃料燃燒氣體，并且貧燃料氣體用輔助燃料燃燒氣體加熱。加熱的貧燃料氣體在貧燃料燃燒室中燃燒，由此產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物的氣體流束，并且將燃燒產(chǎn)物的氣體流束的至少一部分引導到熱解器。
【專利說明】用來自熱解步驟的貧燃料氣流升級煤炭和其它含碳材料
[0001]對于相關申請的交互參考
[0002]無。【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及一種處理煤炭和其它含碳燃料以改進其當經(jīng)歷后續(xù)燃燒過程時的熱含量的方法。更具體地說，本發(fā)明與一種用來從煤炭和其它含碳燃料除去揮發(fā)物以增大其熱能含量的過程和設備有關。本發(fā)明涉及一種用來加工含碳材料的選礦(benefication)過程，例如加工不結塊、不結焦的煤以形成炭、和例如加工油頁巖以生產(chǎn)合成原油。
【背景技術】
[0004]煤炭選礦的主要目的，是增大煤炭在后續(xù)燃燒過程期間可釋放的熱值或熱能的量。增大在煤炭燃燒期間釋放的熱能的一種方法是，通過使煤炭經(jīng)歷干燥過程而減小水分的量。將會被認識到的是，在煤炭中的水分沒有熱值，并且盡管不是對環(huán)境有害的，但其會加快損耗，因為水分的蒸發(fā)消耗在煤炭燃燒期間釋放的熱能的一部分。
[0005]增大在煤炭燃燒期間釋放的熱能的另一種已知方法是，減小在煤炭內的揮發(fā)性物質的量，并由此增大在煤炭中的固定碳的相對量?？梢越柚谑姑禾拷?jīng)歷熱解過程而使得在煤炭內的揮發(fā)性物質的量減小。煤炭在缺氧氣氛中的熱解，借助于在加熱過程期間斷開化學鍵而除去揮發(fā)性物質，例如低沸點有機化合物和一些較重有機化合物。在加熱過程期間斷開在煤炭內的化學鍵，能夠增大碳元素(當煤炭燃燒時，該碳元素提供熱值的大部分)的相對百分比。
[0006]常規(guī)煤炭升級過程的各個方面要求供給燃料，以便提供操作過程必需的熱量。在缺少容易獲得的天然氣供給源的一些地區(qū)，燃料必須裝運到煤炭處理地點，或者必須使用一些替代性燃料。這些替代性燃料中的每一種會燃料都會呈現(xiàn)在操作高效煤炭升級過程方面的問題。
[0007] 當原煤經(jīng)歷熱解過程時，生成的揮發(fā)物流束常常經(jīng)歷冷凝過程，以除去各種焦油和各種油，作為煤炭加工過程的有價值副產(chǎn)品。在一些情況下，在熱解過程中從煤炭汽提的揮發(fā)物用作在整個煤炭加工過程中的燃料。在很多情況下，從煤炭汽提的揮發(fā)物是貧燃料，并且具有隨時間推移而變化的性質，即隨時間推移，其化學成分和熱值不一致。如果能開發(fā)出一種改進的煤炭升級過程，其中，來自熱解步驟的貧燃料揮發(fā)物能夠高效并且可靠地用作在整個煤炭處理操作中的燃料源，則將會是有幫助的。

【發(fā)明內容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明，提供一種用來使煤炭和其它含碳燃料升級的方法和設備，這種方法和設備包括使含碳燃料經(jīng)歷熱解過程，由此形成升級含碳燃料和貧燃料氣體流。輔助燃料在輔助燃料燃燒室中燃燒，以產(chǎn)生輔助燃料燃燒氣體，而貧燃料氣體用輔助燃料燃燒氣體加熱。經(jīng)加熱的貧燃料氣體在貧燃料燃燒室中燃燒，由此產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物的氣體流束，并且將燃燒產(chǎn)物的氣體流束的至少一部分引導到熱解器。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，也提供一種用來使煤炭和其它含碳燃料升級的方法，這種方法包括使含碳燃料經(jīng)歷熱解過程，由此形成升級含碳燃料和貧燃料氣體流。將貧燃料氣體流和主燃燒空氣流(flow of primary combustion air)引導到貧燃料燃燒室中，并且貧燃料氣體在貧燃料燃燒室中燃燒，由此產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物的氣體流束。測量貧燃料燃燒過程的氣體流束的氧氣濃度，并且響應在貧燃料燃燒過程的氣體流束中的測得的氧氣濃度而控制進入貧燃料燃燒室中的主燃燒空氣的流量。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，還提供一種用來使煤炭和其它含碳燃料升級的方法，這種方法包括使含碳燃料經(jīng)歷熱解過程，由此形成升級含碳燃料和貧燃料氣體流。將貧燃料氣體流和主燃燒空氣流引導到貧燃料燃燒室中，并且貧燃料氣體在貧燃料燃燒室中燃燒，由此產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物的氣體流束。將氣 體流束的至少一部分引入到主燃燒空氣流中。確定引入到貧燃料燃燒室中的貧燃料流和主燃燒空氣流的溫度，并且響應貧燃料流和主燃燒空氣流的溫度而控制氣體流束的引入部分的流量。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，還提供一種用來使煤炭和其它含碳燃料升級的方法，這種方法包括使含碳燃料經(jīng)歷熱解過程，由此形成升級含碳燃料和貧燃料氣體流。將貧燃料氣體流和主燃燒空氣流引導到貧燃料燃燒室中。貧燃料氣體在貧燃料燃燒室中燃燒，由此產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物的氣體流束，并且將氣體流束的至少一部分引入到以上提到的主燃燒流中。將氣體流束的剩余部分引導到熱解器，其中，提供給熱解器的熱量的至少約60%由來自熱解器的貧燃料氣體的燃燒而提供，而熱量的剩余部分由輔助燃料燃燒室提供。
[0012]本領域的技術人員結合附圖閱讀優(yōu)選實施例的如下詳細描述時，將知曉本發(fā)明的各種優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是用來加工低發(fā)熱量煤炭和其它含碳燃料的設備和過程的示意圖。
[0014]圖2是圖1的一部分的放大圖。
【具體實施方式】
[0015]處理劣質煤炭的一種廣泛已知方法是，通過使煤炭經(jīng)歷熱解過程而減少在煤炭內的揮發(fā)性物質的量。來自熱解過程的揮發(fā)性材料可以轉化成有價值的液體燃料和其它副產(chǎn)品、和貧燃料氣體流束。這種貧燃料流束可以用作用于煤炭加工過程的燃料源，但必需供給輔助熱量，以補充由內部熱源產(chǎn)生的任何熱量，并且保證內部產(chǎn)生燃料可以適當?shù)厝紵?br> [0016]如由煤炭處理領域的技術人員熟知的那樣，具有豐富含碳材料(例如煤炭和油頁巖)的很多地方不會也具有高熱值支持燃料的容易供給源。美國專利N0.5，730，069描述了一種煤炭加工過程，在這種煤炭加工過程中，將包括天然氣的高熱值支持燃料用來幫助低熱值基本燃料的燃燒。諸如丙烷、液化石油氣(LPG)、或低灰分燃油之類的可運輸燃料的使用，由于為了在含碳材料處理地點處的使用而運輸和存儲這樣的輔助燃料的成本，在成本方面不是經(jīng)濟的。因此希望的是，在整個煤炭加工過程中，盡可能多地使用內部產(chǎn)生的燃料。
[0017]材料處理領域的技術人員也將會被認識到的是，包含礦物質的燃料由于灰分(該灰分由燃燒過程產(chǎn)生)對于材料處理設備的潛在堵塞，不適于用作直接支持燃料。而且，這樣的燃料難以在低過量空氣燃燒室(low excess air combustor)中燃燒。
[0018]除煤炭之外，為了從礦物質中得到的燃料的高效使用要求處理的另一種礦物質是油頁巖。油頁巖處理的主要目的是，釋放被拘限的油母巖，以生產(chǎn)合成原油。從頁巖中釋放油母巖的一種方法是，用高顯熱缺氧過程氣體，對被壓碎并且確定尺寸的頁巖進行加工。
[0019]盡管處理含碳材料(例如不結塊煤炭和油頁巖)的各種方法是已知的，但很多已知方法為了對流傳熱而需要大體積的高溫連續(xù)流動缺氧氣體流束。在本說明書中所使用的缺氧氣體是指按重量包括小于約0.5%氧氣的氣體。
[0020]缺氧氣體流束典型地已經(jīng)使用諸如低溫蒸餾、薄膜分離及壓力回轉吸收之類的空氣分離技術而生產(chǎn)。盡管生產(chǎn)用于煤炭干燥和柔和(mild)氣化過程的已知方法已被證明在某些用途中有令人滿意的表現(xiàn)，但當考慮到像柔和煤炭氣化、焦炭預熱等之類的大型處理需要時，這些技術在成本方面并非是經(jīng)濟的。大型柔和煤炭氣化系統(tǒng)的范圍可以高達約8，000平方英尺(約750平方米)或更大，并且為了煤炭和/或油頁巖的熱處理，不管煤炭和/或油頁巖是干燥還是裂解成固相和氣相成分，可能要求的缺氧氣體量為每小時每平方英尺的橫截面約5，000至約10，000標準立方英尺的缺氧氣體(每小時每平方米1，440至約2，880標準立方米的缺氧氣體)的范圍內。
[0021]使用本文公開的過程，可以用諸如煤粉之類的低值燃料代替高值輔助燃料(例如天然氣、LPG、及低灰分燃油)，以使在貧燃料燃燒室中的貧煙氣的燃燒穩(wěn)定。這采用輔助燃料燃燒室——該輔助燃料燃燒室將貧燃料和貧燃料燃燒空氣間接地加熱到自燃點以上——來完成。將低值燃料直接注入到貧燃料燃燒室中這種方案，由于與飛灰(該飛灰將被拘限在離開熱解器的處理煤炭中)相關聯(lián)，并非是有利的。與這種變化關聯(lián)的是管理過程的控制方案。也公開了用來執(zhí)行這種過程的設備。
[0022] 如圖1和2所示，用于諸如煤炭之類的含碳材料的一種處理系統(tǒng)10包括熱解器12，該熱解器12用來加工煤炭流，該煤炭流用13A指代。熱解器12生產(chǎn)焦炭13B，該焦炭13B具有的碳元素的百分比高于原始輸入的煤炭的碳元素的百分比。熱解過程也生產(chǎn)熱解器流出氣體流束14，該熱解器流出氣體流束14稱作貧煙氣氣體流束或貧煙氣燃料。選擇性地，可以將液體和焦油從熱解器流出氣體流束14中除去，如在11處所示的那樣。將熱解器流出流束14引導到貧燃料燃燒室17，以燃燒來自離開熱解器12的氣體流束14的烴成分，并且也將熱量供給回到熱解器12。在這個實施例中，熱解器12為了加熱含碳材料(例如不結塊、不結焦煤或油頁巖)的目的而操作。然而，將會被認識到的是，這個設備可以供要求在氣體流束中的烴燃燒和顯熱回收的任何過程使用。
[0023]熱解器流出氣體流束14是按揮發(fā)性成分的形式生產(chǎn)的貧烴氣體流束，這些揮發(fā)性成分隨著含碳材料在主熱解過程中(即在熱解器12中)被加熱而轉化。流出氣體流束14通過間接點火熱交換器16，以升高貧燃料氣體的溫度。熱交換器16由來自輔助燃料燃燒室24的熱氣體加熱。輔助燃料燃燒室24燃燒礦物燃料，該礦物燃料可以是輔助燃料(例如丙烷或各種等級的燃油)、或諸如煤粉之類的在內部產(chǎn)生的燃料。輔助燃料燃燒室24采用過量空氣操作，以保證燃料的完全燃燒。來自輔助燃料燃燒室24的燃燒氣體19具有在從約1，900 °F至約2，300 °F (1，040至1，300°C )的范圍內的溫度，該溫度也可以更高或更低。在一個實施例中，溫度可以在從約2，000 °F至約2，200 °F (1，090°C至1，200°C)的范圍內。[0024]熱交換器16設置用以使用來自燃料燃燒室24的燃燒氣體19將流出氣體流束14加熱到約1400 0F (約760°C)的溫度。在一個實施例中，將流出氣體流束14加熱到在從約1，400 °F至約1，600 0F (約760°C至約870°C )的范圍內的溫度。在一個具體實施例中，將流出氣體流束14加熱到約1，500 0F (約816°C)的溫度。然后將經(jīng)加熱的流出氣體流束15引導到貧燃料燃燒室17。
[0025]如所示的那樣，將主燃燒空氣流22供給到貧燃料燃燒室17。主燃燒空氣流22由鼓風機21驅動。在燃燒空氣22輸送到貧燃料燃燒室17之前，它由第二熱交換器13加熱到在從約300 °F至約500 °F (150°C至260°C)的范圍內的溫度。在另一些實施例中，將空氣流22加熱到更高溫度。第二熱交換器13被供給有來自間接點火的熱交換器16的廢熱。熱交換器13升高燃燒空氣流束22的溫度，并且產(chǎn)生熱的主燃燒空氣流束23。選擇性地，熱的主空氣被導引通過增壓鼓風機61，以在熱交換器13中的任何可能壓力損失之后，保持對于熱主氣體流束23的可接受壓力級。盡管所示的實施例包括的熱交換器16相對于來自輔助燃料燃燒室17的燃燒氣體19而言位于熱交換器13的上游，但要理解，熱交換器13和16可以顛倒。用于燃燒空氣的熱交換器13可以在管線中首先接收燃燒氣體19，而向熱交換器16其次地供給來自熱交換器13的廢熱。
[0026]在貧燃料燃燒室17中，來自離開熱交換器16的經(jīng)加熱的流出氣體流束15的燃料與熱的主燃燒空氣23相混合，并且燃燒。由附圖標記18指代的燃燒室氣體流束是從燃燒室17離開的熱的氣體流束。這種氣體流束包含很少的烴或者不包含烴，并且具有低的含氧量。在一個實施例中，含氧量在 從約0.2%至約0.8%的范圍內，并因此具體地講是惰性的。離開燃燒室17的燃燒室離開氣體流束18的溫度典型地在從約1，800 °F至約2，200 °F(980°C至約1，200°C)的范圍內，也可以更高或更低。在一個實施例中，離開氣體流束在從約1，950°F至約2，050 0F (1，070°C至約1，120°C)的范圍內。
[0027]燃燒室離開氣體流束18的一部分通過旁通管線18A重新循環(huán)回到貧燃料燃燒室
17。通過旁通管線18A重新循環(huán)的燃燒氣體的量由閥60控制，并且由增壓鼓風機61的抽吸部分地影響。未流過旁通管線18A的氣體流束18的剩余部分經(jīng)管線18B引導回到熱解器12，以加熱含碳材料。因此，通過在貧燃料燃燒室17中的揮發(fā)物的燃燒產(chǎn)生的回收熱的一部分用作在熱解器12中的熱解過程的一體化部分。在一個實施例中，在熱解器12中需要的熱量的至少約60%通過在熱解器流出氣體流束14中的揮發(fā)物的燃燒而提供，而熱量的剩余部分由輔助燃料燃燒室24提供。在另一個實施例中，在熱解器12中需要的熱量的至少約70%通過在熱解器流出氣體流束14中的揮發(fā)物的燃燒而提供，使剩余部分由輔助燃料燃燒室24提供。在一個具體實施例中，通過在熱解器流出氣體流束14中的揮發(fā)物的燃燒而提供的熱量的量在從約70%至約90%的范圍內，而熱量的剩余部分由輔助燃料燃燒室24提供。
[0028]如上文公開的那樣，高溫增壓鼓風機61設置用以增大來自流束22的空氣和來自流束18A的重新循環(huán)熱氣體的混合物(在23處指示)的壓力，以便注入到煙氣燃燒室17中。進入增壓鼓風機61的氣體混合物的溫度在從約1，400 °F至約1，500 0F (760至820°C )的范圍內，其也可以更高或更低。在一個實施例中，混合溫度在從約1，350 °F至約1，600 °F(730至780°C)的范圍內。將燃燒室煙氣18的一部分通過管線18A重新循環(huán)的目的是，將氣體流束23和經(jīng)加熱的流出氣體流束15的混合平均溫度保持在近似1，450 0F (790°C)的點燃溫度以上。這導致經(jīng)加熱的流出氣體流束15當該氣體流束在燃燒室17中與空氣/再循環(huán)氣體23相混合時的貧煙氣的自燃。在一些情況下，點燃溫度高于或低于1，450 °F(790°C)。如果進入的燃料和空氣/氧氣基本上恒定地超過點燃溫度以避免在貧燃料燃燒室17中未點燃的情況，則可能是有利的。要理解，空氣/再循環(huán)氣體23和經(jīng)加熱的流出氣體流束15的混合可以或者發(fā)生在貧燃料燃燒室17內，或者短暫地發(fā)生在將空氣和氣體引入到貧燃料燃燒室17中之前。
[0029]通過旁通管線18A的再循環(huán)氣流的控制借助于溫度控制閥60實現(xiàn)，該溫度控制閥60響應在燃燒室17的進口處的經(jīng)計算的氣體/空氣混合物溫度。這個溫度可以按多種方式確定。在一個實施例中，用溫度元件(例如與燃燒室17相關聯(lián)的熱電偶或溫度元件66)測量溫度。測得的溫度由控制器70接收，并且將信號發(fā)送到控制閥60。在另一個實施例中，這個溫度由如下五個不同因素中的一些或全部因素而計算得出:
[0030].I)由流量傳感器30測得的燃燒室煙氣18的氣體流量，
[0031].2)由流量傳感器67測得的熱解器流出氣體流束14的流量測量值，
[0032].3)由溫度元件43測得的經(jīng)加熱的流出氣體流束15的貧氣流溫度，
[0033].4)由控制閥60的位置對于氣流流束18的部分(該部分通過管線18Α重新循環(huán))確定的重新循環(huán)氣體流量，及
[0034].5)由溫度元件63測得的流束23的混合貧煙氣/氣體溫度。
[0035]可以使用用來測量這些流量和溫度的任何適當裝置。測量值可以發(fā)送到控制器70，該控制器70可以被編程成用以接收和存儲數(shù)據(jù)，并且包括用于系統(tǒng)的各種元件的操作的軟件。控制閥60的位置由控制器70調整，以強迫這個計算溫度以某個預定安全系數(shù)超過點燃溫度。在一個實施例中，系統(tǒng)的操作使得將進入貧燃料燃燒室17的在管線23中的空氣/氣體混合物和在管線15中的貧燃料的溫度被設置成超過點燃溫度至少約50 T (IO0C)0安全系數(shù)反映測量系統(tǒng)的不確定性?？刂崎y60可以手動地設置，或者可以由來自控制器70的信號控制。
[0036]在所公開的系統(tǒng)中，為了高效和無故障操作而控制在燃燒室17中的溫度和氧氣濃度。在這個系統(tǒng)中可得到的控制方面之一是，來自輔助燃料燃燒室24的排出氣體19的溫度和流量可被控制，以管理經(jīng)加熱的流出氣體流束15的溫度。輔助燃料燃燒室24可以設置成產(chǎn)生氣體流束19，只有該氣體流束19的溫度受到限制，因為它一定不能超過熱交換器16的冶金極限。氣體流束19的流量和溫度又確定經(jīng)熱交換器16傳遞給貧氣體流束14的熱量的量。例如，如果由經(jīng)加熱的流出氣體流束15的溫度元件43所指示的溫度低于所需的溫度，那么控制系統(tǒng)會使閥51和53打開，以分別將更多燃燒燃料和空氣帶到輔助燃料燃燒室24。由鼓風機62驅動的燃燒空氣流50和54的增大的質量流量可以分別由流量傳感器52和55檢測?？刂破?0也可以按使得空氣流50和54的流量的比值保持基本上恒定這樣一種方式而控制閥5 1和53的打開，當然，如果需要，則控制器也可被編程成用以改變該比值。
[0037]操作閥53以打開閥，會進一步增大在空氣流動管線54中的流量，這又會從燃料供給源49帶走更多礦物燃料。同時，閥51可以打開足夠的量，以將在輔助燃料燃燒室24中的空氣與燃料的比率保持恒定。進入輔助燃料燃燒室24中的空氣和燃料的流量的增大，具有將較熱氣體和和較大質量流量提供給貧燃料熱交換器16的效果。這又增大了供給到在熱交換器16中的流出氣體流束14的熱量。盡管系統(tǒng)10示出燃料49到輔助燃料燃燒室24的供給是借助于來自流動54的攜帶，但要理解，燃料流49可以借助于任何其它適當手段而被控制和引入到輔助燃料燃燒室。
[0038]在輔助燃料燃燒室24中的溫度由溫度元件25指示。如有必要，則可以通過打開閥53 (打開閥53可以使更多燃料被帶入到燃燒室中)而升高這個溫度。輔助燃料燃燒室24的溫度必須被控制以使得熱交換器16不超過其安全操作溫度。在所示的實施例中，對排出氣體19的溫度的控制是通過預置空氣與燃料的比率和在輔助燃料燃燒室24中生成恒定過量空氣而實現(xiàn)或達到的。空氣與燃料的比率設置點可以手動或自動地修改，以計入輔助燃料質量的變化。例如，如果要將輔助燃料的熱密度增大，則輔助燃料燃燒室24會燒得更熱，并且排出氣體19的溫度會升高。控制器可被編程成響應這樣一種升高(如由溫度元件25檢測的那樣)而升高空氣與燃料的比率設置點，增加在礦物燃料燃燒室24中的過量空氣，并且將排出氣體19的溫度降低到其原始設置點?？蛇x擇地，燃燒空氣閥51可以直接地由溫度元件25控制，以便增大在管線50中的空氣流量，由此限制進入熱交換器16的排出氣體19的溫度。這種方法可以間接地控制空氣與燃料的比率。
[0039] 貧燃料燃燒室離開氣體流束18的氧氣濃度可以由布置在燃燒空氣流22上的兩級式(two-stage)空氣流量控制系統(tǒng)33部分地控制。如所示的那樣，空氣流量閥34和微調空氣流量閥35設置在燃燒空氣管線22中。而且，氧氣濃度分析儀28設置在貧燃料燃燒室17的下游，以估計在燃燒室離開氣體流束18中的氧氣濃度。閥34和35響應由在燃燒離開氣體流束18中的分析儀28確定的氧氣濃度而被部分地管理，以控制主燃燒空氣(該主燃燒空氣經(jīng)熱主氣體流束23添加到直接進入燃燒室17的經(jīng)加熱的流出氣體流束15上)的適當量。流過閥34和35的空氣流量由流量傳感器38測量。在氣體流束18中的氧氣濃度由氧氣濃度分析儀28測量，并且來自分析儀28的數(shù)據(jù)供給到控制器70。在所需的氧氣濃度(設置點)與實際或測量氧氣濃度之間的誤差用來計算用于微調流量閥35的位置，并且將適當信號發(fā)送到閥34和35。閥35進行主空氣流量的小量調整，以將在燃燒室中的設置點氧氣濃度保持成靠近所需的設置點?？諝饬髁块y34供給通過燃燒空氣管線22的最大量的主空氣。在一個實施例中，空氣流量閥34對于微調空氣閥35按伺服模式操作。當微調空氣閥35打開到選定位置時，空氣流量閥34緩慢地打開，以供給更多空氣。相反，當微調空氣閥35接近預定位置時，空氣流量閥34緩慢地關閉，以將更少空氣供給到燃燒室。
[0040]在一個例子中，在用來熱解煤炭的熱解器12中，閥34是16英寸直徑(約40cm)致動蝶形閥，該蝶形閥用來供給主空氣的大部分。微調空氣閥35是8英寸直徑(約20cm)的被致動蝶形閥。當微調閥35達到百分之60敞開時，閥34開始從其當前位置逐步打開，并且繼續(xù)逐步打開，直到:a)閥35關閉到小于或等于百分之60敞開；或者b)在燃燒室中的測得的氧氣濃度超過設置點氧氣濃度。相反，當微調閥35關閉到小于百分之30敞開的位置時，閥34開始逐步關閉，并且繼續(xù)逐步關閉，直到:a)微調閥35打開到大于或等于百分之30敞開；或者b)測得的在燃燒室中的氧氣濃度變得小于設置點氧氣濃度。用于在熱解器12中的煤炭加熱過程的典型氧氣濃度設置點在百分之0.2至百分之0.8的范圍中。
[0041]將會被認識到的是，因為經(jīng)加熱的流出氣體流束15的流量和烴濃度都不能被可靠地測量，所以不能準確地計算在貧燃料燃燒室17中燃燒烴需要的添加空氣的量。用兩級式空氣流量控制系統(tǒng)33，保持了空氣流量的準確量，而不需要知道經(jīng)加熱的流出氣體流束15的進入流量或氣體成分。在閥34與閥35之間的分級是有用的，用以提供在寬范圍流量上的精確空氣流量控制。在一個實施例中，用于來自主熱解器12的進入烴成分的燃燒范圍是每小時O至36百萬BTU (O至38，OOO兆焦耳每小時)。關于更大規(guī)模，這個熱量速率的范圍可以為O至180百萬BTU (每小時O至190，000兆焦耳)。
[0042]除剛描述的基本控制之外，幾種預期控制功能可以用來保持在貧燃料燃燒室17中的燃燒過程的穩(wěn)定性、和保持來自輔助燃料燃燒室24的燃燒氣體19的穩(wěn)定性。由于在主熱解器12中的含碳材料床深度的變化、由溫度波動引起的氣體密度變化、及在過程控制的多樣性之間的相互作用，進入貧燃料 燃燒室17中的經(jīng)加熱的流出氣體流束15的壓力和流量會發(fā)生變化。此外，烴濃度的變化由在主熱解器12中的變化和由在熱解器12中被處理的含碳材料的條件和質量而引起。
[0043]烴氣體流14的壓力的變化往往通過將較大或較小背壓施加到閥34和35上，而改變進入燃燒室17中的空氣流量。這些壓力變化可以按如下方式減輕?？諝鈮毫τ蓧毫刂崎y40控制，該壓力控制閥40能夠起作用以便分散由鼓風機21產(chǎn)生的氣流的一些。貧燃料氣體15的壓力由壓力分析儀65測量?？諝夂椭匦卵h(huán)氣體的混合物23的壓力由壓力傳感器64測量?？邕^空氣預熱器13的壓力降可以由空氣流量確定，該空氣流量在用于空氣供給流束22的流量傳感器38處被測量。在流量路徑18A中的重新循環(huán)熱氣流量可以由控制閥60的位置確定。借助于這些測量，可以計算所需的空氣壓力，從而跨過閥34和35和跨過噴嘴44 (空氣和氣體混合物在那里進入燃燒室17)保持恒定壓差。壓力控制閥40被打開或關閉，以在第二壓力分析儀46處保持這個計算壓力。這提供在空氣流量(流動路徑22)與對于閥34和35的閥位置之間的可重復的并且穩(wěn)定的關系，并且使空氣流量的變化和校正最小化。因而，借助于在過程中的壓力變化而預期到潛在空氣流量變化，并且通過調整一個閥，即溢流閥40，而采取校正動作。
[0044]可選擇地，在系統(tǒng)中的空氣壓力可以通過主空氣源(即變速鼓風機21)的致動而調整，所述變速鼓風機21由來自壓力分析儀46的反饋和計算壓力而致動。在這個實施例中，避免了對于閥34和35的頻繁調整和在閥34和35之間的可能相互作用。
[0045]在去往燃燒室的經(jīng)加熱的流出氣體流束15中的非常貧化的(verylean)烴氣體的波動，將引起對于燃燒反應的可得到燃料的迅速減少。在小于30秒內可以看到超過700 T(超過370°C)的溫度降或“陷坑”。陷坑典型地具有初始向下漂移，該初始向下漂移跟隨有快速溫度下降。在溫度下降以后，在不停機和重新啟動熱解器12的情況下，燃燒的重新啟動將會是不可能的。這將導致燃燒室排出氣體18的溫度降、和供給到熱解器12的熱能的減少。本發(fā)明的方法由溫度元件29監(jiān)視貧燃料燃燒室17的溫度。如果這個溫度降到所需的設置點以下，則以增量方式升高用于經(jīng)加熱的流出氣體流束15的溫度設置點。這又強迫來自輔助燃料燃燒室24的更多熱能通過貧燃料熱交換器16，直到經(jīng)加熱的流出氣體流束15的溫度到達其新設置點(由溫度元件43測量)。結果是，更熱的流出氣體流束15進入貧燃料燃燒室17。燃燒反應因此在更高溫度下開始，產(chǎn)生更高溫度(由溫度元件29測量)的排出氣體18。控制系統(tǒng)按照需要重復這個過程，以恢復排出氣體18的溫度和供給到熱解器12的熱量的量。在氣流15中的非常富(very rich)烴氣體的波動將產(chǎn)生相反效果，降低溫度設置點。
[0046]當探測到在用于經(jīng)加熱的流出氣體流束15的設置點下面的預定度數(shù)的下降時，通過燃燒器空氣閥51和第二空氣閥53的打開，將燃燒器空氣和燃料的增量式增大提供給礦物燃料燃燒室24。第二空氣閥53自動地打開，以保持由流量傳感器52和55所確定的適當空氣燃料比。去往熱交換器16的熱量的這種初始脈動，升高經(jīng)加熱的流出氣體流束15的溫度。然后將空氣閥51逐步關閉，然后燃料空氣閥53返回到由溫度傳感器29確定的閥位置。這個動作將典型地使在燃燒室17中的溫度降逆轉。然而，觀察到，通常與溫度降相關聯(lián)的條件是在烴氣體流束14中的烴成分的過量，導致在貧燃料燃燒室17中的富條件。在正進行這樣的調整以改變燃燒器排出氣體19的流量的同時，在氧氣分析儀28處監(jiān)視貧燃料燃燒氧氣。如果氧氣濃度以一個設定時間段停留在百分之O處，則將空氣閥34逐步打開，以使主空氣流量逐步增大。如果濃度以另一個時間段保持在百分之O處，則重復這種增大。
[0047]在用來加熱煤炭或油頁巖的熱解器12中，當探測到在設置點以下的50 °F的溫度降時，預料到陷坑。在這時，將閥51運動到百分之70敞開狀態(tài)，緊接著將燃料空氣閥53相應地打開，以將顯熱脈動提供給熱交換器16。緊接著將閥51和53每五秒關閉百分之1，直到它們到達在溫度元件29處當前需要的位置。另外，如果在探測到陷坑之后，氧氣濃度在基本上百分之O下保持15秒，則將閥34打開另外的百分之10，以增大在流動路徑22中的主空氣流量。如果氧氣濃度在基本上百分之O下保持另外15秒，則將重復這個動作?？蛇x擇地，如果選擇性的燃料探測器27連接到燃燒室17上，則低氧氣/高燃料比(即，百分之O氧氣和大于百分之0.5的燃料)可以用來觸發(fā)閥34的開啟?？梢灶A料到的是，燃料探測裝置27可以與氧氣探測器27結合成一個裝置。
[0048]最終控制方案涉及，僅在氣體引入到熱解器12中之前控制燃燒室離開氣體流束18B的溫度，如在流動路徑59處所示的那樣。這種控制通過使用溫度元件58 (該溫度元件58將溫度信號反饋回控制器70)檢測最終過程氣體溫度而實現(xiàn)?？刂破?0控制再循環(huán)閥56，以調節(jié)冷卻過程氣體41 (該冷卻過程氣體41引入到燃燒室離開氣體流束18B中，以形成氣體流動路徑59)的量 。要理解，可以使用任何適當裝置來測量由含碳材料處理系統(tǒng)10所要求的溫度、壓力或流量。
[0049]例I
[0050]每小時13，700磅(每小時6，210千克)的煤粉在礦物燃料燃燒室24中燃燒，這些煤粉具有每磅7，190BTU (每千克16.7兆焦耳)的熱值。來自輔助燃料燃燒室24的燃燒氣體19在它們進入熱交換器16時具有2，100 0F (I, 150°C)的溫度。這種熱氣體將每小時159，000磅(每小時72，100千克)的熱解器流出氣體流束14從190 0F (88°C )加熱到1，500 0F(810°C)。第二熱交換器13將每小時141，000磅(每小時64，000千克)的貧煙氣燃燒空氣22從100 0F (38°C)加熱到450 0F (230°C)。通過閥60重新循環(huán)回到燃燒室的貧燃料燃燒室煙氣18的部分是在3，200 °F (1，760°0下每小時65，000磅(每小時29，000千克)。經(jīng)加熱的流出氣體流束15在貧燃料燃燒室17中與熱的燃燒空氣和重新循環(huán)氣體23相混合，在該處，氣體燃燒以產(chǎn)生熱的過程氣體18。熱的過程氣體18是在3，200 0F (I, 760°C)的溫度下，并且包含比可探測水平小的烴、和百分之0.5的氧氣濃度。引導到熱解器12的熱過程氣體流束18B通過與通過閥56的每小時1，800，000磅的熱解器離開氣體41混合而調和，以產(chǎn)生在620 °F的溫度下的每小時2，100，000磅的過程進入氣體59。
[0051]例2
[0052]每小時14，400磅(每小時6，530千克)的煤粉在輔助燃料燃燒室24中燃燒，這些煤粉具有每磅7，190BTU(每千克16.7兆焦耳)的熱值。來自輔助燃燒室的燃燒氣體流束19在它進入熱交換器16時是在2，OOO °F(1, 090°C)的溫度下。這種熱氣體將每小時163，000磅(每小時73，900千克)的熱解器出流氣體14從190 0F (88°C)加熱到1，500 0F (820°C)。經(jīng)加熱的流出氣體流束15在貧燃料燃燒室17中與燃燒空氣22相混合，在該處，貧燃料燃燒以產(chǎn)生熱的過程氣體18。熱的過程氣體是在3，000 0F (I, 650°C)的溫度下，并且包含比可探測水平小的烴、和百分之0.5的氧氣濃度。將這種熱的過程氣體流束引向熱解器12，作為流動流束18B。這些氣體通過與每小時1，800，000磅(每小時816，000千克)的從處理器離開的氣體41相混合而調和，以產(chǎn)生在600 0F (315°C)的溫度下的每小時2，100，000磅(每小時953，000千克)的過程進入氣體59。
[0053]例3
[0054]運行在例I中描述的上述過程，并且在升級過程之前和之后都測量煤炭的熱值。業(yè)已確定，該過程將低發(fā)熱量煤炭的熱值從小于或等于約8，000BTU Permobil磅(每千克
18.6兆焦耳)的熱含量有效地升高到經(jīng)處理的煤炭(焦炭)的生成流束所具有的熱含量為至少約11, 000BTU Pe rmobil磅(每千克25.6兆焦耳)的熱值。
[0055]本發(fā)明的操作原理和模式已經(jīng)在其優(yōu)選實施例中描述。然而，應該注意，可以采用除具體示出和描述的之外而不脫離其范圍的方式實踐本發(fā)明。
【權利要求】
1.一種使煤炭和其它含碳燃料升級的方法，包括: 使含碳燃料經(jīng)歷熱解過程，由此形成升級含碳燃料和貧燃料氣體流； 在輔助燃料燃燒室中燃燒輔助燃料，以產(chǎn)生輔助燃料燃燒氣體； 用輔助燃料燃燒氣體加熱貧燃料氣體； 在貧燃料燃燒室中燃烷烴加熱的貧燃料氣體，由此產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物的氣體流束；以及 將燃燒產(chǎn)物的氣體流束的至少一部分引導到熱解器。
2.如權利要求1所述的方法，其中，用輔助燃料氣體加熱貧燃料氣體包括用輔助燃料氣體間接地加熱貧燃料氣體，而不將貧燃料氣體與輔助燃料燃燒氣體相結合。
3.如權利要求1所述的方法，其中，提供給熱解器的熱量的至少約60%由來自熱解器的貧燃料氣體的燃燒而提供，而熱量的剩余部分由輔助燃料燃燒室提供。
4.如權利要求3所述的方法，其中，提供到熱解器中的熱量的量在從約70%至約90%的范圍內，而熱量的剩余部分由輔助燃料燃燒室提供。
5.如權利要求1所述的方法，包括:確定被引入到貧燃料燃燒室中的貧燃料氣體的溫度；以及響應被引入到貧燃料燃燒室中的貧燃料氣體的溫度而控制在輔助燃料燃燒室中的輔助燃料的燃燒。
6.如權利要求1所述的方法，包括:確定被引入到貧燃料燃燒室中的貧燃料氣體的溫度；以及響應被引入到貧燃料燃燒室中的燃燒空氣的溫度而控制在輔助燃料燃燒室中的輔助燃料的燃燒。
7.如權利要求1所述的方法，其中，將被引入到貧燃料燃燒室中的貧燃料氣體的溫度控制成處于貧燃料燃燒室中的空氣-燃料混合物的點燃溫度以上。
8.如權利要求7所述的方法，其中，將被引入到貧燃料燃燒室中的貧燃料氣體的溫度控制成處于貧燃料燃燒室中的空氣-燃料混合物的點燃溫度以上至少約50 0F (約10°C)。
9.如權利要求1所述的方法，包括:將燃燒空氣引導到貧燃料燃燒室；以及使用并聯(lián)布置的兩個流量閥，控制到貧燃料燃燒室的燃燒空氣的流量。
10.如權利要求9所述的方法,包括:響應溢流閥而控制流量閥。
11.一種使煤炭和其它含碳燃料升級的方法，包括: 使含碳燃料經(jīng)歷熱解過程，由此形成升級含碳燃料和貧燃料氣體流； 將貧燃料氣體流和主燃燒空氣流引導到貧燃料燃燒室中； 使貧燃料氣體在貧燃料燃燒室中燃燒，由此產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物的氣體流束； 測量貧燃料燃燒過程的氣體流束的氧氣濃度；以及 響應在貧燃料燃燒過程的氣體流束中的測得的氧氣濃度而控制進入貧燃料燃燒室中的主燃燒空氣的流量。
12.如權利要求11所述的方法，其中，主燃燒空氣的流量由兩級式空氣流量控制系統(tǒng)控制，該兩級空氣流量控制系統(tǒng)包括主流量閥和微調流量閥，微調流量閥構造成用以在主流量閥中進行小量調整。
13.如權利要求11所述的方法，包括:將氣體流束的至少一部分引導到主燃燒空氣流中。
14.如權利要求11所述的方法，其中，提供給熱解器的熱量的至少約60%由來自熱解器的貧燃料氣體的燃燒而提供，而熱量的剩余部分由輔助燃料燃燒室提供。
15.如權利要求14所述的方法，其中，提供給熱解器的熱量的量在從約70%至約90%的范圍內，而熱量的剩余部分由輔助燃料燃燒室提供。
16.如權利要求11所述的方法，其中，含碳燃料是煤炭，并且煤炭的加工將具有小于或等于約8，OOOBtu/磅(18.6MJ/kg)的熱含量的低發(fā)熱量煤炭的熱值有效地升高到經(jīng)處理的煤炭的生成流束所具有的熱含量為至少約11，OOOBtu/磅(25.6MJ/kg)的熱值。
17.一種使煤炭和其它含碳燃料升級的方法，包括: 使含碳燃料經(jīng)歷熱解過程，由此形成升級含碳燃料和貧燃料氣體流； 將貧燃料氣體流和主燃燒空氣流引導到貧燃料燃燒室中； 使貧燃料氣體在貧燃料燃燒室中燃燒，由此產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物的氣體流束； 將氣體流束的至少一部分引入到主燃燒空氣流中； 確定引入到貧燃料燃燒室中的貧燃料流和主燃燒空氣流的溫度；以及 響應貧燃料流和主燃燒空氣流的溫度而控制氣體流束的引入部分的流量。
18.如權利要 求17所述的方法，其中，含碳燃料是煤炭。
19.一種使煤炭和其它含碳燃料升級的方法，包括: 使含碳燃料經(jīng)歷熱解過程，由此形成升級含碳燃料和貧燃料氣體流； 將貧燃料氣體流和主燃燒空氣流引導到貧燃料燃燒室中； 使貧燃料氣體在貧燃料燃燒室中燃燒，由此產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物的氣體流束； 將氣體流束的至少一部分引入到主燃燒空氣流中； 引導氣體流束的剩余部分去往熱解器，其中，提供給熱解器的熱量的至少約60%由來自熱解器的貧燃料氣體的燃燒而提供，而熱量的剩余部分由輔助燃料燃燒室提供。
20.如權利要求19所述的方法，其中，提供到熱解器中的熱量的量在從約70%至約90%的范圍內，而熱量的剩余部分由輔助燃料燃燒室提供。
【文檔編號】C10J3/72GK104024384SQ201280040692
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年6月29日 優(yōu)先權日:2011年7月12日
【發(fā)明者】D·W·庫利奇, D·A·霍恩, L·C·懷特, R·G·史密斯 申請人:Mr&E有限公司