专利名称：压制成型方法
技术领域：
本发明涉及将材料压制成型的方法和系统，特别是但不限于含有水分的材料。本发明尤其适用于将含有水分的有机材料，如泥煤、褐煤(lignite、brown coal)、次烟煤、烟煤和无烟煤压制成型。
背景技术：
本发明具体适用于将含有水分的有机材料，如泥煤、褐煤、次烟煤和烟煤压制成型。本发明尤其适用于将次烟煤和烟煤压制成型，并且，为便于说明起见，本发明将参照次烟煤和烟煤的压制成型进行描述。然而，应该理解，本发明不仅限于将烟煤和次烟煤压制成型，并且本发明可用于将其他有机或无机材料，以及事实上可含或可不含水分的任何其他材料压制成型。
次烟煤具有较高的湿度水平(至多35重量％的水分)。这不但降低了煤的发热量，而且由于与运输这些水分含量非常高的煤相关的不经济，导致次烟煤几乎被完全排除出出口市场。由于大多数水分以化学结合力存在于次烟煤中，因此水分的移除需要热干燥过程。然而，水的移除还会导致其他问题，使这种煤不能具有更好的适用性和用途。具体而言，一旦被干燥，次烟煤就会遭遇严重的自燃问题和相当大尺度的崩解。因此，干燥过程倾向于增加与煤相关的粉末量。
烟煤是较高品质的煤，与次烟煤相比，具有较高的发热量和较低的固有含水量。虽然与次烟煤相比烟煤更容易运输，但是烟煤会在开采、洗涤和加工操作中产生过多粉末。这些粉末难于使用，并且表现为产品损耗。游离的表面水分也会导致产生粉烟煤的困难，并且可多达25重量％。由此引起的问题是因为它减少了煤的可用含能量并可对煤的加工性产生严重影响。
对于许多冶金级或者更高品质的锅炉用煤来说，煤的易磨性会使粉末材料在精煤总量中的百分比足以导致销售困难，即使煤的含水量降低至其他可接受的值。克服该困难的可能解决方法包括将煤压制成更大的煤颗粒。然而，压制成型的解决方法必须能够使粉末重构成为具有商业竞争力的、易加工的和耐久的形式，同时不增加超出总收益阈值的生产成本。
自从19世纪末期，就已经实现了煤的压制成型。煤压制成型的传统方法包括使煤颗粒与粘结剂混合，以将煤颗粒粘结到一起形成更大的团块。试用过的粘结剂包括有机粘结剂如煤焦油沥青、石油沥青和柏油、木焦油、合成和天然树脂、淀粉、亚硫酸盐废液、糖和糖浆、纤维素化合物、植物浆、藻酸盐、动物胶或树胶、清蛋白化物、酪蛋白、泥煤、褐煤和木材。所用的无机粘结剂包括水泥、粘土、石灰、氧化镁、石膏、钠或其他碱金属的硅酸盐。还试用过包括两种或多种上述物质的混合物的化合物粘结剂。
判断粘结剂是否可用于煤压制成型的标准包括·所要压制成型的煤的类型·型煤强度和加工性·耐水性和耐气候性·燃烧特性·对煤的物理性能的影响·燃烧过程中型煤的物理完整性·粘结剂或其分解和燃烧产物的毒性·粘结剂成本·使用粘结剂的加工成本，如混合和固化。
对包含粘结剂的型煤进行的试验已经表明，还未发现符合上述所有标准的通常可用的煤粘结剂。例如，焦油沥青、石油沥青和柏油提供足够的强度和耐水性，但是导致发烟燃烧、毒性问题、变为成焦性、高成本和高加工成本。淀粉提供良好的强度和完全的燃烧，但是昂贵并且耐气候性差。亚硫酸盐废液粘结剂燃烧时几乎无烟，但是产生有毒的二氧化硫排放物并且具有差的耐气候性。糖，尤其是糖浆，具有差的耐水性和耐气候性并会在储存过程中长霉。纤维素型粘结剂通常具有低强度并且迅速变质，使型煤在燃烧初期即倾向于崩解。据报导，无机粘结剂都具有较低的强度、较差的耐气候性，并且燃烧后具有较高的灰份含量。
将粘结剂组分加入到型煤中的需要也不可避免地增加了型煤生产的复杂性和成本。
为了尽力避免使用粘结剂生产型煤时的一些困难，人们已经进行了各种尝试来生产无粘结剂的型煤。
例如，以Komarek等人名义的美国专利No.2,937,086描述了一种通过将煤颗粒输送到快速干燥器的热气流中的煤压制成型方法。煤颗粒被气流夹带，并且被气流加热，使水从煤中蒸发。煤颗粒被气流输送到旋风分离器中，在此处使热的、干燥的煤颗粒从气流中分离出来。分离出来的煤颗粒落入料斗中并经过成型设备的轧辊而形成型煤。该专利声称，为了实现最高效率和最优操作，在煤就要到达压块机之前时煤的温度应正好低于其软化点，例如煤刚刚具有塑性的温度点。该专利还声称可以在约300-700°F(约149-371℃)的温度范围内将许多煤压制成合适的团块。
以Kalb名义的美国专利No.5,046,265描述了干燥和压制成型次烟煤的一体化方法。在该方法中，在促进煤颗粒崩解的条件下，在快速干燥器中对煤进行干燥。特别地，煤颗粒被输送到快速干燥器中的热气流中，颗粒进入热气流时的热冲击导致煤颗粒的崩解。然后利用一系列旋风分离器将这样处理的煤颗粒从气流中分离出来。分离气体至少被部分回收到快速干燥器中。干燥的煤颗粒在被输送到压块机中之前，先输送到压缩煤并去除其中气体的脱气/预压缩螺旋推运器中。在此，优越之处在于，干燥的煤颗粒有填充于煤颗粒之间的间隙中的气体，并且预压缩螺旋推运器压缩煤并减小间隙体积，从而将气体从煤中驱走。利用小容量风机和集尘器处理通过预压缩螺旋推运器从煤中释放出的气体。随后将预压缩煤输送到压块机中。
美国专利No.5,046,265详细说明了对于型煤工艺最重要的七个参数，它们是1.材料的温度——随着温度从环境温度升高到约160-180°F(71-82℃)，注意到耐水性和型煤的总体质量显著提高。然而，还发现，如果材料被加热到超过220°F(104℃)的温度，型煤质量开始下降。
2.进料尺寸一致性。
3.脱气和预压。
4.压缩压力。
5.缺氧环境的保持——该专利声称，已知并且已被证明的事实是，已经热干燥至含水量为10％或更小(基本上低于未干燥次烟煤材料的固有含水量，但高于本发明可达到的优选水平4-5％)的次烟煤粉末，即使是在常温条件下暴露于正常大气的氧浓度中，也极易快速自燃，接近于自发爆炸。为此，必要的是，包含热且干燥的粉煤的整个工艺系统必须保持在惰性(缺氧)条件下。在该专利中，通过从干燥器中可控“泄漏”惰性气体而使整个系统保持在惰性气体环境中。
6.压制成型产品的冷却。
7.在压制成型系统的进料中保持最少量的燃烧灰份材料。
US 5,046,265中描述的整个工艺系统声称能够将高固有含水量(30-35％)、低BTU值(每磅8,200-8,800BTU)的次烟煤等转化成高BTU(每磅11,000-11,500BTU)、低含水量(约5-8％)产物，同时具有在目前市场和用户基础设施系统的环境中可接受的易加工性特征。
国际专利申请No.PCT/CA90/00056(国际公开No.WO90/10052)描述了不使用额外粘结剂而压制成型烟煤的压制成型方法。该系统在包含高压辊型压块机的设备中使用高温、高压模具成型煤粉材料。该系统包含正压、可控氧、气体循环快速干燥器和为实现高系统效率而将型煤产品直接输送到热交换系统。
发明内容
在第一方面，本发明提供将含有水分的颗粒物质压制成型的方法，包括以下步骤部分干燥颗粒物质，在一定条件下将部分干燥的颗粒物质输送到压制成型设备中，所述条件应使水蒸汽在进料和使颗粒物质经过压制成型设备而形成团块的过程中使水蒸汽从颗粒物质中释放出来。
术语“将部分干燥的颗粒材料输送到压制成型设备中”包括在颗粒物质从干燥器气流中分离出来直到颗粒物质进入压制成型设备时，转移部分干燥的颗粒物质的步骤。它可以包括通过管道或斜槽转移、在料斗或容器中短期贮存以及最终输送到压制成型设备中。
优选地，在一定条件下将部分干燥的颗粒物质输送到压制成型设备中，所述条件应使水蒸汽从颗粒物质中释放出来，由此释放的水蒸汽基本上置换和/或防止大部分其他气体组分进入，所述其他气体组分来自于包围颗粒物质和/或与颗粒物质混合的气氛。更优选地，在输送到压制成型设备中的颗粒物质进入压制成型设备的团块成型部分处，所述颗粒物质被含有以体积计70-100％水蒸汽的气体组分包围和/或与该气体组分混合。结果，当颗粒物质在团块成型过程中被压缩时，水蒸汽冷凝或液化，并使在这样成型的团块中的气体材料的压力累积减到最小。本发明人也已发现由于存在大比例的与颗粒物质混合的不可冷凝气体所导致的前述困难(包括穿过颗粒原材料的气体的后泄可以使颗粒物质向压制成型设备的流动中断、从压制成型设备中除去该气体时团块的爆炸性碎裂和强度减小的多孔团块)在本发明中被最小化或者避免了。
在第二方面，本发明提供了将颗粒物质压制成型的方法，包括-将颗粒物质输送到压制成型设备中；-在进料过程中，将可冷凝气体引入到压制成型设备，和-在压制成型设备的团块成型部分处形成团块，其中团块在一定的温度和压力条件下由颗粒物质形成，所述的温度和压力条件使得可冷凝气体冷凝，从而减少团块形成过程中气体组分的气压积累。
本发明还涉及将颗粒物质压制成型的系统，包括-压制成型设备；-用于将颗粒物质输送到压制成型设备的装置；-用于将可冷凝气体引入到压制成型设备的装置，其中压制成型设备包括团块成型部分，其中团块在一定的温度和压力条件下由颗粒物质形成，所述的温度和压力条件使得可冷凝气体在团块形成过程中冷凝，从而减少气压累积。
虽然水蒸汽是最常用的可冷凝气体，但其他可冷凝气体如氟利昂也可以用在颗粒物质对温度和水分更加敏感的情况下。此外，术语“可冷凝气体”是指在团块成型过程中任何易于冷凝的气体。
本发明的方法可用于压制成型有机和无机材料，以及诸如淤泥的部分有机和部分无机的材料。无机材料的实例包括氧化镁和氧化钙、氧化铝和赤泥。该方法和系统特别适用于压制成型有机材料，如木屑、植物性物质、泥煤、褐煤、次烟煤和烟煤。本发明的方法尤其适用于压制成型褐煤、次烟煤和烟煤。
本发明的方法包括部分干燥颗粒物质的步骤。部分干燥颗粒物质的步骤优选在快速干燥器中进行，尤其是在气体循环快速干燥器中。在该过程中，将颗粒物质注入流经管道的热气流中。颗粒物质被热气流夹带，这使得颗粒物质的温度升高。干燥过程由此开始。然后，夹带有颗粒物质的气流经过一个或多个旋风分离器，在其中，颗粒物质从气流中分离出来。
离开一个或多个旋风分离器的分离气流被部分循环回到气体循环快速干燥器中，过量气体被排出。排出部分的气流优选经过集尘室或其他合适的装置，以去除与气流一起穿过旋风分离器的粉末。
循环回至气体循环快速干燥器中的那部分气流适当地经过风机、压缩机或其他类似设备和气体加热器或加热炉，从而在将颗粒物质注入快速干燥器之前再次提高气流温度。通过集尘室排出的气体量大致相当于气体加热器中所产生的燃烧产物气体的体积加上从系统内颗粒物质中排出的未冷凝水蒸汽的体积。从旋风分离器中再生的颗粒物质处于部分干燥状态。就“部分干燥”而言，是指颗粒物质的含水量已经与原料颗粒物质的含水量相比有所减小，但是仍然能够从中去除更多水分。
然后将部分干燥的颗粒物质转移并输送至压制成型设备。颗粒物质从旋风分离器到压制成型设备的转移和输送可以利用本领域技术人员已知的适于转移颗粒物质的任何设备进行。一些实例包括螺旋推运器、传送系统和气动输送机。
本发明第一方面的特征在于，部分干燥的颗粒物质的进一步干燥发生在将颗粒物质输送到压制成型设备的过程中。正如本领域技术人员容易理解的那样，在向压制成型设备输送的过程中进一步干燥颗粒物质导致水分从颗粒物质中释放出来。水分以水蒸汽的形式释放，并且水蒸汽起到置换不可冷凝气体的作用，所述不可冷凝气体如氮气、二氧化碳和来自于包围颗粒物质或者与颗粒物质混合的气氛的其他气体。结果，输送到压制成型设备中的颗粒物质与气体的混合物中的气体组分具有高含量的水蒸汽。优越之处在于，水蒸汽是可冷凝气体，在压制成型工艺过程中对颗粒物质所施加的压力能够使水蒸汽液化，从而大大减少穿过压制成型设备的气体组分的体积。这有助于防止气体穿过正输送至压制成型设备的颗粒物质而后泄，以及使孔隙率(由于截留不可冷凝气体所导致)最小化并使团块发生爆炸性碎裂的可能性(由于截留于煤块内部的压缩不可冷凝气体的凹槽所导致)最小化，从而有助于提高由此形成的团块的质量。
根据本发明的再一方面，提供用来将含有水分的颗粒物质压制成型的系统，包括
-具有团块成型部分的压制成型设备；-用来部分干燥颗粒物质的装置；-将部分干燥的颗粒物质输送到压制成型设备的装置，和-产生使水蒸汽在进料过程中从颗粒物质中释放出来的条件的装置。
合适的压制成型设备是包括压辊的一类设备。在这类压制成型设备中，将颗粒物质输送到辊中。辊压缩颗粒物质。一个或多个辊优选具有形成于其中的凹槽，这些凹槽有助于限定团块的形状。当颗粒物质通过压制成型设备时，辊还对颗粒物质施加一定量的剪切。在由特定原材料如烟煤和次烟煤成型团块的过程中，施加剪切和压缩相信是重要的。
为了有助于将颗粒物质输送到压制成型设备或压辊中，优选使用一个或多个进料螺旋推运器来输送颗粒物质。进料螺旋推运器是有利的，因为它们对颗粒物质进行预压缩，减小空隙度并且确保颗粒物质向压制成型设备的可靠供给。而且，进料螺旋推运器产生更加弯曲的通道，以使压缩过程中颗粒之间被置换的气体通过该通道逸出，这也有助于最小化或避免气体穿过正输送至压制成型设备中的颗粒物质而后泄。
在本发明的优选实施方案中，将颗粒物质沿基本水平的方向输送至压制成型设备的辊间。
本发明人还发现，辊的尺寸和团块凹槽宽度与辊直径之间的关系在压制成型中十分重要，尤其是在由褐色次烟煤或烟煤形成型煤时。因此，在第二方面，本发明提供将颗粒材料压制成型的方法，其中将颗粒材料输送至包括两个或多个使颗粒物质通过的辊的压制成型设备中，至少一个所述辊包括一个或多个成型凹槽，其特征在于辊的直径为100mm-600mm，团块凹槽宽度与辊的直径之比为0.05-0.15。
在本发明第二方面的一个优选实施方案中，辊的直径为400mm-550mm，团块凹槽宽度与辊的直径之比为约0.08。
在一个特别优选的实施方案中，将本发明第二方面的方法与本发明第一方面的方法结合使用。
图1示出由烟煤或次烟煤形成团块的方法和系统的示意流程图；
图1A示出图1中压制成型设备的团块成型部分更详细的示意性截面侧视图；图2示出本发明压制成型设备的团块成型部分的第二实施方案的示意性截面侧视图；图3示出描述使用本发明的方法和系统所压制成型的团块的典型尺寸分布范围的曲线。
具体实施例方式
为了更全面地解释本发明，现在将参照图1描述本发明的实施方案，图1示出由烟煤或次烟煤形成团块的方法的示意流程图。尽管图1所示方法设计用于烟煤或次烟煤，但优越之处在于本发明第一和第二方面的方法完全可以用来形成来自其他颗粒材料的团块。
在图1所示流程图中，湿煤从湿煤料斗10经过螺旋输送机12输送到快速加热提升管14中。热气流穿过快速加热提升管14。该热气流通过使气体从风机16经过气体加热器18进入快速加热提升管14而产生。
当将湿煤原料输送到快速加热提升管14中时，煤被气流夹带。由于气体是热的，因而煤的温度升高，这导致包含在煤中的一些水分转化为水蒸汽。
随后将气流和所夹带的煤输送到旋风分离器20、22中。第一旋风分离器20将大部分煤从气流中分离出来。分离出来的大部分煤经过管道24进入集料斗26。离开第一旋风分离器20的气体经过管道28进入第二旋风分离器22。在第二旋风分离器22中，更细的煤颗粒从气体中分离出来。该更细的煤颗粒经过管道30，进入集料斗26。也可以将一些更细的煤作为燃料输送到加热器18中。
离开第二旋风分离器22的气体经过管道32。一部分经过管道32的气体通过集尘室34和通风孔36排出。其余部分的气体经过风机16和气体加热器18循环至快速加热提升管14。
由于快速干燥器或加热提升管中的一部分气流是循环使用的，因此优越之处在于，快速干燥器中的气流中存在大量的水蒸汽。而且，气流中水蒸汽的量将随着湿煤注入气流而增加，这是因为水将从湿煤中排出到气流中。循环经过快速干燥器14的气流中大量水蒸汽的存在，以及气流中其他组分尤其是氧含量的严格控制，能够确保最小化或者避免快速干燥器中的爆炸危险。
还有，最好将在气体加热器18中加入的燃烧产物气体，连同由产物干燥所产生的水蒸汽来取代经通风孔36排出的气体，以保持恒定的系统压力。经通风孔36排出的气体量与在气体加热器18中注入的燃烧气体加上由干燥颗粒物质所产生的水蒸汽的量相当。
然后将收集于集料斗26中的部分干燥的煤利用进料螺旋推运器37输送到压制成型设备38中。部分干燥的煤在一定条件下从进料螺旋推运器37进入进料斗39，所述条件应使水蒸汽继续从煤中释放出来。这进一步减少了煤中的含水量，也使得释放出来的水蒸汽置换了尤其是来自进料斗39周围的不可冷凝气体，如氮气、二氧化碳和其他气体。结果，与输送到压制成型设备38的煤混合的不可冷凝气体量减少，与这些煤混合的气体气氛中的水蒸汽的量增加。此处的气体气氛优选包含以体积计70％-100％、更优选80％-100％的H2O。在气体气氛没有充分饱和的情况下，可直接向压制成型设备38中引入补充水蒸汽，进入进料斗39或39A。
从图1A中可以更清楚地看到，进料斗39与由螺旋推运器发动机42驱动的螺旋推运器40装配。螺旋推运器40确保将煤确实输送到压制成型设备中。在利用压辊压缩煤之前，螺旋推运器40对煤进行部分压缩。
压制成型设备38提供有两个辊44、46。其中一个辊44具有形成于其中的成型凹槽44A，另一个辊优选是光滑的，如46A所示，但也可以具有凹槽。当煤经过这些辊时，煤被压缩并且承受剪切。所施加的剪切量可以利用两辊之间的差速进行改变。通常，辊以20rpm-100rpm，优选80-90rpm的速度旋转。两辊之间的速度差通常在+10％和-10％之间。辊44安装在液压油缸45上，所述液压油缸45装配有具有气体弹簧45A的蓄力器，以在两辊之间的辊隙处提供压缩力，用于压缩煤颗粒以及与煤颗粒混合和包围煤颗粒的气体气氛。由于该气体气氛包含绝大部分的水蒸汽，因此压缩使得水蒸汽液化。这极大地减少了压缩过程中的气压增加量。将意识到如果与煤混合的气体气氛包含更大部分的不可冷凝气体，则限压冷凝效应就会减少。气体中的压力累积将因此而更大，导致气体试图在压制成型设备中压缩时通过向进料斗39方向的回流而逸出。这将倾向于导致气体后泄，中断煤向压制成型设备的输送。作为选择，或者是作为补充，不可冷凝气体可被压缩到煤块中所包含的压缩气体凹槽中。当煤块47从辊44、46中释放出来时，对煤块所施加的外部压力被释放。结果，压缩气体凹槽有可能导致煤块爆破。因此，与本发明人所知的现有技术方法相比，本发明体现出重大进步。
尽管图1和图1A所示实施方案表明向压制成型设备38输送的煤沿基本向下垂直的方向移动，但图2所示本发明的另一优选实施方案提供了当将其输送到压制成型设备时沿基本水平的方向移动的煤。在图2中，进料斗39A与由螺旋推运器发动机42驱动的水平定向的螺旋推运器40A装配。该螺旋推运器将煤从料斗39A的底部经过水平螺旋推运管41输送到辊44和46之间的辊隙中。由于管41与螺旋推运器形成较紧密的配合，因此这用来帮助形成背压和减少气体后泄，这归功于由螺旋推运器和颗粒物质在螺旋推运器中的合成预压缩所定义的迂回通道。上部开口41A不与大气相通，但是与图1的进料螺旋推运器37形成固定接合。图1所示系统通常为封闭系统，只有集尘室通风孔36与大气相通。这使得整个系统在相对于周围大气为正压的条件下工作，气体通过集尘室通风孔36逸出。现在将描述本申请用于由烟煤和次烟煤制造煤块的方法的具体实例。
用于本方法的煤通过筛分或研磨制备成具有0mm-5mm尺寸的颗粒。在与湿原料煤混合之前，干燥气体的温度由原料煤和装入快速加热提升管中的固体的湿度所控制。通常，调整图1所示点19处(即与湿煤混合之前)的气流温度，使得煤离开干燥器并进入集料斗26中时的最终煤温为90℃-150℃、更优选105℃-110℃。通常，图1中点19处干燥气体温度为约300℃-400℃。
干燥器中的气体组成也优选进行严格控制。气流优选具有非常低的氧含量(如低于2％，更优选1％或更少)和绝大部分的水蒸汽。干燥器中气体组成的典型数据如下表1所示。
本发明方法中输送的原料煤的颗粒尺寸分布可在宽范围内变化。实际上，尺寸上限取决于易于在快速干燥器中干燥和转移的颗粒最大尺寸，可为5mm或更大。图3示出了本发明人已经成功压制成型的典型的尺寸分布范围。在该图中，所有范围的最大颗粒尺寸均小于3mm。
干燥后煤颗粒的尺寸分布优选几乎与干燥前相同。干燥过程中，会由于热和机械效应导致有些崩解，但是这通常被视为是无关紧要的。在这方面，本发明的方法不同于美国专利No.5,046,265，美国专利No.5,046,265有意使得较大煤块在被夹带之前，在干燥器的下部发生热崩解。这种方法已被证明是不令人满意的。
从干燥器中分离并收集于集料斗26中的煤是部分干燥的煤。因而，它仍然包含一定量的水分，其可以通过进一步干燥而除去。对于烟煤来说，输送到压制成型设备中的煤的湿度优选为超过煤固有湿度的0％-3％。这将意味着烟煤的总含水量通常为以重量计1％-10％，更优选为以重量计1％-8％。
对于次烟煤来说，压制成型设备原料的总湿度将低于煤的固有湿度，通常为以重量计3％-10％。对于从西澳大利亚Collie Mine开采的、固有湿度为以重量计25-30％的次烟煤来说，已发现最适宜的压制成型设备原料含水量为5％-7％。
通常，将要粘结在一起的颗粒的表面应该基本上不含表面水分和其他杂质。
本发明的方法的一个重要特征是，离开干燥器之后的，即连接到压制成型设备的进料斗39中的煤颗粒之间的气体包含50-100％的H2O，更优选70-100％的H2O，最优选80-100％的H2O。这通过确保离开干燥器的煤仍然具有一些水分并且在高于80℃的温度下而实现。当位于压制成型设备进料斗中时，该煤继续释放水蒸汽，并且该水蒸汽置换残留的N2、CO2和O2。通过确保充满煤之间空隙的气体主要是水蒸汽，可以避免煤粉压缩时的脱气问题。
特别优选的是，进入压制成型设备时，充满煤颗粒之间的空隙或间隙的气体是能够在100-200kPa(绝对压力)的压力下冷凝的气体。尤其优选的是，进入压制成型设备时，充满煤颗粒之间的空隙的气体包含50-100％，更优选70-100％，最优选80-100％的水蒸汽。温度优选为100-120℃，更优选为105-110℃，这对应于120-143kPa(绝对压力)的蒸汽压。
将煤输送到压制成型设备的螺旋推运器40和40A起预压缩机的作用。优选的是，该预压缩机提供用于逸出气体的足够迂回的通道，使得预压缩机螺杆顶部的煤颗粒之间的蒸汽压为100-200kPa(绝对压力)，更优选为120-143kPa，如前所述。
优选的是，对于压辊和预压缩螺旋推运器40的总输入功率应为每吨煤15-30千瓦小时。
所述两个相对辊44、46的直径优选在100mm-600mm范围内，辊的优选直径为400mm-550mm。煤块凹槽宽度与辊的直径之比应在0.05-0.15范围内，优选比率为约0.08。
所述辊优选施加每厘米辊宽60kN-150kN的载荷，对460mm直径的辊来说，优选载荷是每厘米辊宽115-130kN。已经利用这些辊压缩力由烟煤和次烟煤制得了符合要求的煤块。
压制产品47必须以合适的温度和湿度退出加工，以减少发生自燃的可能性。产品的贮存温度应不高于50℃，优选低于40℃。如果该煤干燥至低于其平衡湿度，它会倾向于从周围大气中吸收水分，导致大量的热(吸收热)产生，从而使煤块温度升高，达到可自燃水平。因此，压制成型产品必须冷却到低于50℃，同时保持其湿度水平接近于其平衡湿度。
当从压块机上卸下时，压制/压缩产品的温度将会稍高于引入的热干粉煤原料的温度，这是由于高压压制过程本身在煤块上消耗能量所致。虽然与原材料相比，结构重整后材料的暴露表面积大大减小(这有利于减少发生自发着火的倾向)，但是已经证明，一定的后期结构调整/压制冷却对于防止自燃并使得产品在正常生产条件下易于加工是必要的。
仅仅空气冷却是不令人满意的，因为它也会导致产品的残留湿度水平下降，这对于产品在贮存过程中自燃的可能性产生不利影响。
由图1可见，该冷却通过一个系统实现，所述系统向刚刚形成的产品表面施加可控量的水，以利用蒸发冷却降低该产品的温度。该冷却水利用置于产品流传送带50上方的喷水喷头49施加到煤块上。施加到产品上的冷却水量与必须除去的总热量相平衡，以得到所需的团聚产品流温度，防止自燃并提供易加工性。所施加冷却水的量取决于产品温度和所生产产品的总量，产品温度即进入压块机的进料温度加上由于压缩而附加的热，所生产产品的总量利用产品传送带50上的带秤测量。这两个参数是统一的，因此，应控制利用喷水喷头向产品施加的喷水量，使得冷却通过蒸发有效实现，而不是通过利用过量水进行无效浸透而实现，否则会导致产品质量下降，加工性变差，并需要进行排水处理。
在用于压制次烟煤的具体实例中，其中次烟煤在其原始状态的固有湿度为25％-30％，生产出的煤块需要具有约9％-11％的平衡湿度水平。因此，冷却时，产品湿度应为6％-10％，优选7％-9％，此时温度低于40℃。
本发明的方法提供由大量颗粒材料形成团块的手段。本发明的第一方面避免了现有技术压制成型方法中与脱气相关的问题。本发明的第二方面避免了压制成型方法在从实验室规模扩大到工业规模时所遇到的放大的问题。这两个方面提供了颗粒材料的无粘结剂压制成型。
本领域的技术人员将会了解，本发明可以进行不同于具体描述的变化和改进。应该理解，本发明包含所有在其实质和范围内的变化和改进。
权利要求
1.一种将颗粒物质压制成型的方法，包括—将颗粒物质输送至压制成型设备；—在进料过程中，将可冷凝气体引入压制成型设备，和—在压制成型设备的团块成型部分形成团块，其中团块在一定条件下由颗粒物质形成，所述条件使得可冷凝气体冷凝，从而减少在团块成型过程中的气压累积。
2.根据权利要求1的方法，其中使可冷凝气体置换或阻止大部分其他不可冷凝气体组分进入团块成型过程，所述其他不可冷凝气体组分来自于颗粒物质周围或者与颗粒物质混合的气氛。
3.根据前述权利要求1或2中任一项的方法，其中颗粒物质包含液体，并且所述方法包括将颗粒物质在形成气体的温度和压力条件下输送至压制成型设备，在所述条件下，可冷凝气体基本上是通过在将颗粒物质输送至压制成型设备的过程中从颗粒物质中释放出来的包含在颗粒物质中的液体而引入的。
4.根据权利要求3的方法，其包括在将颗粒物质输送至压制成型设备之前部分干燥颗粒物质。
5.根据前述权利要求任一项的方法，其中所述颗粒物质被含有以体积计70-100％，优选80-100％可冷凝气体的气体组分所包围和/或与该气体组分混合。
6.根据前述权利要求任一项的方法，其中所述可冷凝气体的冷凝起到减少在团块成型过程中团块内部气体材料压力累积的作用。
7.根据前述权利要求任一项的方法，其中所述气压累积的减少起到减少在煤粉成型为团块之前气体穿过颗粒材料后泄的作用。
8.根据权利要求7的方法，其包括在将颗粒物质输送至压制成型设备时，向颗粒物质施加背压，以帮助减少或避免气体后泄。
9.根据前述权利要求任一项的方法，其中至少一部分可冷凝气体不是源自颗粒物质中的液体，并且是单独引入到压制成型设备中的。
10.根据前述权利要求任一项的方法，其中可冷凝气体是水蒸汽。
11.一种将含有水分的颗粒物质压制成型的方法，包括—部分干燥颗粒物质，—在一定条件下将部分干燥的颗粒物质输送至压制成型设备，所述条件使水蒸汽在输送过程中从颗粒物质中释放出来，和—使颗粒物质通过压制成型设备的团块成型部分，以形成团块。
12.根据权利要求11的方法，其中所释放的水蒸汽基本上置换或阻止大部分其他气体组分进入，所述其他气体组分来自于颗粒物质周围和/或与颗粒物质混合的气氛。
13.根据权利要求11或12中任一项的方法，其中所述团块在一定温度和压力条件下由颗粒物质形成，所述温度和压力条件使得可冷凝气体在团块成型过程中冷凝，从而减少气压累积。
14.根据权利要求11-13任一项的方法，其中在进入压制成型设备的团块成型部分处，输送至压制成型设备的颗粒物质被含有以体积计70-100％水蒸汽的气体组分所包围并与该气体组分混合，从而使得在团块成型过程中压缩颗粒物质时，水蒸汽液化，并使得如此形成的团块中的气体材料体积减到最少。
15.根据前述权利要求任一项的方法，其中所述颗粒物质选自有机材料，包括木屑、泥煤、褐煤(lignite、brown coal)、无烟煤以及烟煤和次烟煤。
16.根据前述权利要求任一项的方法，其中所形成的团块经过蒸发冷却，以防止自燃。
17.根据权利要求16的方法，其中所述蒸发冷却通过喷淋装置实现，以使团块温度降低至50℃以下，并使其湿度水平接近于团块的平衡湿度水平。
18.根据权利要求4或11-14中任一项的方法，其中部分干燥颗粒物质的步骤发生在快速干燥器中，在其中，将颗粒物质注入流经管道的热气流中，该颗粒物质被热气流夹带，这使得颗粒物质温度上升，然后气流连同被夹带的颗粒物质穿过一个或多个旋风分离器，将颗粒物质从气流中分离出来。
19.根据权利要求18的方法，其中离开一个或多个旋风分离器的分离气流被部分循环至快速干燥器，过量气体被排出，排出部分的气流穿过粉末去除装置，以去除与气流一起穿过旋风分离器的粉末。
20.根据权利要求19的方法，其中在将颗粒物质注入快速干燥器之前，再次加热循环至快速干燥器中的那部分气流，其中排出的气体量相当于燃烧产物气体的体积和从颗粒物质中排出的未冷凝水蒸汽的体积。
21.根据前述权利要求任一项的方法，其中压制成型设备的团块成型部分包括两个或多个辊，颗粒材料从中穿过，至少一个辊具有形成于其中的凹槽，用于帮助限定团块的形状，该方法包括使辊以不同速度旋转，以在颗粒物质从辊间穿过并形成为团块时，对颗粒物质施加预定量的剪切。
22.根据权利要求21的方法，其中辊的直径范围为100mm-600mm，团块凹槽宽度与辊直径的比率在0.05-0.15范围内。
23.根据权利要求22的方法，其中辊的直径范围为400mm-550mm，团块凹槽宽度与辊直径的比率为约0.08。
24.根据前述权利要求任一项的方法，其包括利用至少一个预压缩螺旋推运器将颗粒物质输送至压制成型设备，并利用所述预压缩螺旋推运器向所述颗粒材料施加背压，经过预压缩的颗粒物质用于限定弯曲通道，以帮助最小化或避免气体穿过正在向压制成型设备输送的颗粒物质而后泄。
25.根据前述权利要求19-24中任一项的方法，其中沿基本水平的方向，将颗粒物质输送至压制成型设备的辊中。
26.根据前述权利要求任一项的方法，其中在90℃-150℃的气体形成温度下，将颗粒物质输送至压制成型设备。
27.根据权利要求26的方法，其中颗粒物质的气体形成温度为105℃-110℃。
28.根据前述权利要求任一项的方法，其中可冷凝气体在压制成型设备中产生100-200kPa(绝对压力)的压力。
29.根据权利要求28的方法，其中可冷凝气体在压制成型设备中产生120-143kPa(绝对压力)的压力。
30.一种将颗粒物质压制成型的系统，包括—压制成型设备；—将颗粒物质输送至压制成型设备的装置；—将可冷凝气体引入到压制成型设备的装置，其中压制成型设备包括团块成型部分，在团块成型部分中，团块在一定的温度和压力条件下由颗粒物质形成，所述温度和压力条件使得可冷凝气体冷凝，从而减少团块成型过程中的气压累积。
31.根据权利要求30的系统，其中所述颗粒物质包含液体，可冷凝气体引入装置包括产生一定温度和压力条件的装置，在所述温度和压力条件下，可冷凝气体基本上来源于包含在颗粒物质中的液体，并通过在将颗粒物质输送至压制成型设备的过程中从颗粒物质中释放出来而引入到压制成型设备中。
32.根据权利要求30或31任一项的系统，其包括在将颗粒物质输送至压制成型设备之前部分干燥颗粒物质的装置。
33.一种用于将包含水分的颗粒物质压制成型的系统，包括—具有团块成型部分的压制成型设备；—部分干燥颗粒物质的装置；—将部分干燥的颗粒物质输送至压制成型设备的装置，和—用来产生条件的装置，所述条件使水蒸汽在输送过程中从颗粒物质中释放出来以引入到压制成型设备的团块成型部分中。
34.根据权利要求32或33任一项的系统，其中在进入压制成型设备的团块成型部分处，输送至压制成型设备的颗粒物质被含有以体积计70-100％水蒸汽的气体组分所包围并与该气体组分混合，该设备的团块成型部分设置来在团块成型过程中压缩颗粒物质，以使得水蒸汽液化，并使得如此形成的团块中的气压累积最小化。
35.根据权利要求32-34任一项的系统，其中干燥装置包括快速干燥器和一个或多个旋风分离器，在快速干燥器中，将颗粒物质注入流经管道的热气流中，颗粒物质被热气流夹带，这使得颗粒物质温度上升；而旋风分离器用于接收气流连同被夹带的颗粒物质，并将颗粒物质从气流中分离出来。
36.根据权利要求35的系统，其中干燥装置包括循环装置、排气装置和粉末去除装置，循环装置用于使离开一个或多个旋风分离器的分离气流部分地循环至快速干燥器；排气装置用于排出过量气体，所述过量气体包括燃烧产物气体和从颗粒物质中排出的可冷凝气体；粉末去除装置用于去除与气流一起穿过一个或多个旋风分离器的粉末。
37.根据权利要求36的系统，其包括再加热装置，用于在将颗粒物质注入快速干燥器之前，再加热循环至快速干燥器中的那部分气流。
38.根据前述权利要求30-37任一项的系统，其包括具有喷淋装置的冷却调节部分，用于使所形成的团块经过蒸发冷却，以防止其自燃，并用于使其湿度水平接近于团块的平衡湿度水平。
39.根据前述权利要求30-38任一项的系统，其中压制成型设备的团块成型部分包括两个或多个辊和使辊旋转的装置，颗粒材料从辊间穿过，至少一个辊具有形成于其中的凹槽，用于帮助限定团块的形状；所述使辊旋转的装置使辊以不同速度旋转，以在颗粒物质从辊间穿过并形成为团块时，对颗粒物质施加预定量的剪切。
40.根据权利要求39的系统，其中辊的直径范围为100mm-600mm，团块凹槽宽度与辊直径的比率在0.05-0.15范围内。
41.根据权利要求40的系统，其中辊的直径范围为400mm-550mm，团块凹槽宽度与辊直径的比率为约0.08。
42.根据权利要求30-41任一项的系统，其中进料装置包括至少一个预压缩螺旋推运器，用于向所述颗粒材料施加背压，以帮助最小化或避免气体穿过正在向压制成型设备输送的颗粒物质而后泄。
43.根据权利要求42的系统，其中预压缩螺旋推运器设置为水平方向，并用来将颗粒物质输送至一对团块成型辊之间的辊隙中。
44.一种压制成型方法，基本上如本文所描述和说明的。
45.一种压制成型系统，基本上如本文所描述和说明的。
全文摘要
一种用于将颗粒物质如含有水分的烟煤和次烟煤压制成型的方法和系统。该方法包括部分干燥颗粒物质和在一定条件下将部分干燥的颗粒物质输送至压制成型设备(38)，所述条件使得水蒸汽在输送过程中从颗粒物质中释放出来。该颗粒物质穿过团块成型辊(44、46)以形成团块(47)。释放出的水蒸汽基本上置换或阻止大部分其他气体组分进入，所述其他气体组分来自于包围颗粒物质和/或与颗粒物质混合的气氛。在进入压制成型设备的团块成型部分处，输送至压制成型设备的颗粒物质被含有以体积计70－100％水蒸汽的气体组分所包围并与该气体组分混合，从而使得在团块成型过程中压缩颗粒物质时，水蒸汽液化，并使得如此形成的团块中气体材料的压力累积减到最小。气体组分压力累积的减少也起到减少在煤粉形成为团块时气体后泄的作用。
文档编号C10L5/08GK1748021SQ200480003944
公开日2006年3月15日 申请日期2004年2月11日 优先权日2003年2月11日
发明者基思·诺曼·克拉克, 乔治·威廉·卡尔布, 理查德·科马雷克, 罗斯·劳伦斯·米金斯, 阿瑟·克莱夫·皮尔逊 申请人:联邦科学和工业研究组织, 特拉-德有限公司, K.R.科马雷克有限公司, 格里芬煤业有限公司