[发明专利]煤颗粒的热破碎和微碳分离

说明书

用于使煤颗粒破碎和脱挥发分的方法快速地将煤颗粒暴露于高温贫氧的工作区达足以使煤颗粒内的挥发分汽化并破碎煤颗粒的时间段。工作区的温度在600℃至2000℃的范围内。将煤颗粒暴露于高温贫氧的工作区达小于1秒并且优选小于0.3秒的时间段。将汽化的挥发分冷凝并且作为微碳颗粒回收。

发明背景

本公开内容涉及煤颗粒(煤粒子，coal particle)的快速热破碎。快速热破碎还使得能够分离较大颗粒和较小颗粒，包括纳米尺寸和分子尺寸的颗粒。所得煤颗粒具有大幅减小的平均粒度以及具有显著不同的碳(或碳质)和矿物性质的颗粒级分(粒级，particlefraction)。

传统的煤粉碎通过物理手段凭借各种磨损方法来进行。煤被研磨用于不同的最终用途，例如进入燃煤发电厂的粉煤喷吹或者作为焦化工艺的添加剂。

煤是由碳质物质、夹带矿物质和一些表面结合的微结构结合水组成的天然复合材料。在煤燃烧后，由夹带矿物质形成灰分。煤的“灰分”含量是指煤沉积物中的夹带矿物质的含量。碳质物质被分解为两种另外的类别：固定碳和挥发分(挥发性物质，volatilematter)。挥发分在对于无烟煤来说的小于10质量％至对于烟煤来说的35质量％的范围内，以及对于次烟煤和褐煤来说高达大约55质量％。含碳物质百分比的余量被认为是固定碳。

简单地说，煤中的挥发分的量通过以下方式测定：将煤颗粒在其上具有盖子的石英容器中加热至950℃，并且在950℃下保持7分钟。质量损失为以质量计的挥发分百分比(D3175-11-煤和焦炭分析样品中的挥发分的标准测试方法(D3175-11-Standard TestMethod for Volatile Matter in the Analysis Sample of Coal and Coke))。大部分的挥发分为煤焦油。煤焦油包含具有足够低的分子量以在工艺温度下汽化(vaporize)而不是作为固体保留的大分子。盖子确保在热解条件(缺乏氧气)下加热煤颗粒。如果在高温下存在氧气，则煤颗粒将燃烧并转化为CO₂。

当在缺乏氧气的情况下加热例如热解时，低分子量有机分子和煤焦油在约200℃至250℃下开始进入到汽相(vapor phase)中。高于700℃的质量损失通常归因于碳化，其中煤变成纯碳，失去氧、氢、硫和氮，以及在碳质基质内结合的任何挥发性少量元素成分。

进入汽相的分子可以作为离散分子存在于碳质基质中。分解蒸馏(干馏，destructive distillation)几乎在任何温度下都可以发生，特别是当温度超过350℃时。分解蒸馏是发生键断裂以将较大的大分子分裂为较小的分子的过程。然后这些较小分子可以进入到汽相中。分解蒸馏通常在缺乏氧气的情况下进行。其是一种分解或“裂解”大的大分子的方式。进入汽相的有机分子通常被称为“煤焦油”。煤焦油是多环芳烃、酚类以及杂环、氮、硫和氧化合物的复杂混合物。大部分煤焦油可能经由分解蒸馏来制备。

煤粒度减小的常规方法包括球磨、锤磨、辊磨等。所有这些方法都得到相同尺寸或减小尺寸的颗粒，所述颗粒具有相同的化学组成，具体为碳、氮、氧、硫、氢和挥发分。这些方法都不利用热量来减小粒度，并且这些方法都不通过化学组成或碳类型来分离颗粒。当前没有利用热量来减小固体粒度并且分离碳类型的有效方式。

存在两种用于煤的高温处理的常规方法。第一种工艺是为了煤的能量而燃烧煤。所有四种主要的煤等级(褐煤、次烟煤、烟煤和无烟煤)被燃烧或可以被燃烧。在较大的粒度和增加的杂质(具体为水、硫、氮、氧和矿物质)的情况下，燃烧效率降低。粒度减小和杂质去除提高燃烧效率并且减少有害排放。第二种是在焦化炉中加热煤。常规加热过程耗费数分钟或数小时，并且不会得到减小的粒度。通常，存在颗粒的软化，然后是产生长程(longrange)焦炭结构的融合步骤。焦化过程得到固体煤成(来源于煤的，coal-derived)材料，例如焦炭，其具有与原始煤化学组成不同的均匀化学组成。具有“恰当”性质的煤用于制备焦炭。这样的煤被称为冶金级煤。这些煤在烟煤的中等至高挥发分范围内，并且共混在一起以制备焦炭。通常，褐煤、次烟煤和无烟煤不能用于制备焦炭，或者作为用于制备焦炭的非常少量的煤共混物使用。