用来自热解步骤的贫燃料气流升级煤炭和其它含碳材料的制作方法
【专利摘要】用来使煤炭和其它含碳燃料升级的方法和设备，包括使含碳燃料经历热解过程，由此形成升级含碳燃料和贫燃料气体流。辅助燃料在辅助燃料燃烧室中燃烧，以产生辅助燃料燃烧气体，并且贫燃料气体用辅助燃料燃烧气体加热。加热的贫燃料气体在贫燃料燃烧室中燃烧，由此产生燃烧产物的气体流束，并且将燃烧产物的气体流束的至少一部分引导到热解器。
【专利说明】用来自热解步骤的贫燃料气流升级煤炭和其它含碳材料
[0001]对于相关申请的交互参考
[0002]无。【技术领域】
[0003]本发明涉及一种处理煤炭和其它含碳燃料以改进其当经历后续燃烧过程时的热含量的方法。更具体地说，本发明与一种用来从煤炭和其它含碳燃料除去挥发物以增大其热能含量的过程和设备有关。本发明涉及一种用来加工含碳材料的选矿(benefication)过程，例如加工不结块、不结焦的煤以形成炭、和例如加工油页岩以生产合成原油。
【背景技术】
[0004]煤炭选矿的主要目的，是增大煤炭在后续燃烧过程期间可释放的热值或热能的量。增大在煤炭燃烧期间释放的热能的一种方法是，通过使煤炭经历干燥过程而减小水分的量。将会被认识到的是，在煤炭中的水分没有热值，并且尽管不是对环境有害的，但其会加快损耗，因为水分的蒸发消耗在煤炭燃烧期间释放的热能的一部分。
[0005]增大在煤炭燃烧期间释放的热能的另一种已知方法是，减小在煤炭内的挥发性物质的量，并由此增大在煤炭中的固定碳的相对量。可以借助于使煤炭经历热解过程而使得在煤炭内的挥发性物质的量减小。煤炭在缺氧气氛中的热解，借助于在加热过程期间断开化学键而除去挥发性物质，例如低沸点有机化合物和一些较重有机化合物。在加热过程期间断开在煤炭内的化学键，能够增大碳元素(当煤炭燃烧时，该碳元素提供热值的大部分)的相对百分比。
[0006]常规煤炭升级过程的各个方面要求供给燃料，以便提供操作过程必需的热量。在缺少容易获得的天然气供给源的一些地区，燃料必须装运到煤炭处理地点，或者必须使用一些替代性燃料。这些替代性燃料中的每一种会燃料都会呈现在操作高效煤炭升级过程方面的问题。
[0007] 当原煤经历热解过程时，生成的挥发物流束常常经历冷凝过程，以除去各种焦油和各种油，作为煤炭加工过程的有价值副产品。在一些情况下，在热解过程中从煤炭汽提的挥发物用作在整个煤炭加工过程中的燃料。在很多情况下，从煤炭汽提的挥发物是贫燃料，并且具有随时间推移而变化的性质，即随时间推移，其化学成分和热值不一致。如果能开发出一种改进的煤炭升级过程，其中，来自热解步骤的贫燃料挥发物能够高效并且可靠地用作在整个煤炭处理操作中的燃料源，则将会是有帮助的。
【发明内容】
[0008]根据本发明，提供一种用来使煤炭和其它含碳燃料升级的方法和设备，这种方法和设备包括使含碳燃料经历热解过程，由此形成升级含碳燃料和贫燃料气体流。辅助燃料在辅助燃料燃烧室中燃烧，以产生辅助燃料燃烧气体，而贫燃料气体用辅助燃料燃烧气体加热。经加热的贫燃料气体在贫燃料燃烧室中燃烧，由此产生燃烧产物的气体流束，并且将燃烧产物的气体流束的至少一部分引导到热解器。
[0009]根据本发明，也提供一种用来使煤炭和其它含碳燃料升级的方法，这种方法包括使含碳燃料经历热解过程，由此形成升级含碳燃料和贫燃料气体流。将贫燃料气体流和主燃烧空气流(flow of primary combustion air)引导到贫燃料燃烧室中，并且贫燃料气体在贫燃料燃烧室中燃烧，由此产生燃烧产物的气体流束。测量贫燃料燃烧过程的气体流束的氧气浓度，并且响应在贫燃料燃烧过程的气体流束中的测得的氧气浓度而控制进入贫燃料燃烧室中的主燃烧空气的流量。
[0010]根据本发明，还提供一种用来使煤炭和其它含碳燃料升级的方法，这种方法包括使含碳燃料经历热解过程，由此形成升级含碳燃料和贫燃料气体流。将贫燃料气体流和主燃烧空气流引导到贫燃料燃烧室中，并且贫燃料气体在贫燃料燃烧室中燃烧，由此产生燃烧产物的气体流束。将气 体流束的至少一部分引入到主燃烧空气流中。确定引入到贫燃料燃烧室中的贫燃料流和主燃烧空气流的温度，并且响应贫燃料流和主燃烧空气流的温度而控制气体流束的引入部分的流量。
[0011]根据本发明，还提供一种用来使煤炭和其它含碳燃料升级的方法，这种方法包括使含碳燃料经历热解过程，由此形成升级含碳燃料和贫燃料气体流。将贫燃料气体流和主燃烧空气流引导到贫燃料燃烧室中。贫燃料气体在贫燃料燃烧室中燃烧，由此产生燃烧产物的气体流束，并且将气体流束的至少一部分引入到以上提到的主燃烧流中。将气体流束的剩余部分引导到热解器，其中，提供给热解器的热量的至少约60%由来自热解器的贫燃料气体的燃烧而提供，而热量的剩余部分由辅助燃料燃烧室提供。
[0012]本领域的技术人员结合附图阅读优选实施例的如下详细描述时，将知晓本发明的各种优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是用来加工低发热量煤炭和其它含碳燃料的设备和过程的示意图。
[0014]图2是图1的一部分的放大图。
【具体实施方式】
[0015]处理劣质煤炭的一种广泛已知方法是，通过使煤炭经历热解过程而减少在煤炭内的挥发性物质的量。来自热解过程的挥发性材料可以转化成有价值的液体燃料和其它副产品、和贫燃料气体流束。这种贫燃料流束可以用作用于煤炭加工过程的燃料源，但必需供给辅助热量，以补充由内部热源产生的任何热量，并且保证内部产生燃料可以适当地燃烧。
[0016]如由煤炭处理领域的技术人员熟知的那样，具有丰富含碳材料(例如煤炭和油页岩)的很多地方不会也具有高热值支持燃料的容易供给源。美国专利N0.5，730，069描述了一种煤炭加工过程，在这种煤炭加工过程中，将包括天然气的高热值支持燃料用来帮助低热值基本燃料的燃烧。诸如丙烷、液化石油气(LPG)、或低灰分燃油之类的可运输燃料的使用，由于为了在含碳材料处理地点处的使用而运输和存储这样的辅助燃料的成本，在成本方面不是经济的。因此希望的是，在整个煤炭加工过程中，尽可能多地使用内部产生的燃料。
[0017]材料处理领域的技术人员也将会被认识到的是，包含矿物质的燃料由于灰分(该灰分由燃烧过程产生)对于材料处理设备的潜在堵塞，不适于用作直接支持燃料。而且，这样的燃料难以在低过量空气燃烧室(low excess air combustor)中燃烧。
[0018]除煤炭之外，为了从矿物质中得到的燃料的高效使用要求处理的另一种矿物质是油页岩。油页岩处理的主要目的是，释放被拘限的油母岩，以生产合成原油。从页岩中释放油母岩的一种方法是，用高显热缺氧过程气体，对被压碎并且确定尺寸的页岩进行加工。
[0019]尽管处理含碳材料(例如不结块煤炭和油页岩)的各种方法是已知的，但很多已知方法为了对流传热而需要大体积的高温连续流动缺氧气体流束。在本说明书中所使用的缺氧气体是指按重量包括小于约0.5%氧气的气体。
[0020]缺氧气体流束典型地已经使用诸如低温蒸馏、薄膜分离及压力回转吸收之类的空气分离技术而生产。尽管生产用于煤炭干燥和柔和(mild)气化过程的已知方法已被证明在某些用途中有令人满意的表现，但当考虑到像柔和煤炭气化、焦炭预热等之类的大型处理需要时，这些技术在成本方面并非是经济的。大型柔和煤炭气化系统的范围可以高达约8，000平方英尺(约750平方米)或更大，并且为了煤炭和/或油页岩的热处理，不管煤炭和/或油页岩是干燥还是裂解成固相和气相成分，可能要求的缺氧气体量为每小时每平方英尺的横截面约5，000至约10，000标准立方英尺的缺氧气体(每小时每平方米1，440至约2，880标准立方米的缺氧气体)的范围内。
[0021]使用本文公开的过程，可以用诸如煤粉之类的低值燃料代替高值辅助燃料(例如天然气、LPG、及低灰分燃油)，以使在贫燃料燃烧室中的贫烟气的燃烧稳定。这采用辅助燃料燃烧室——该辅助燃料燃烧室将贫燃料和贫燃料燃烧空气间接地加热到自燃点以上——来完成。将低值燃料直接注入到贫燃料燃烧室中这种方案，由于与飞灰(该飞灰将被拘限在离开热解器的处理煤炭中)相关联，并非是有利的。与这种变化关联的是管理过程的控制方案。也公开了用来执行这种过程的设备。
[0022] 如图1和2所示，用于诸如煤炭之类的含碳材料的一种处理系统10包括热解器12，该热解器12用来加工煤炭流，该煤炭流用13A指代。热解器12生产焦炭13B，该焦炭13B具有的碳元素的百分比高于原始输入的煤炭的碳元素的百分比。热解过程也生产热解器流出气体流束14，该热解器流出气体流束14称作贫烟气气体流束或贫烟气燃料。选择性地，可以将液体和焦油从热解器流出气体流束14中除去，如在11处所示的那样。将热解器流出流束14引导到贫燃料燃烧室17，以燃烧来自离开热解器12的气体流束14的烃成分，并且也将热量供给回到热解器12。在这个实施例中，热解器12为了加热含碳材料(例如不结块、不结焦煤或油页岩)的目的而操作。然而，将会被认识到的是，这个设备可以供要求在气体流束中的烃燃烧和显热回收的任何过程使用。
[0023]热解器流出气体流束14是按挥发性成分的形式生产的贫烃气体流束，这些挥发性成分随着含碳材料在主热解过程中(即在热解器12中)被加热而转化。流出气体流束14通过间接点火热交换器16，以升高贫燃料气体的温度。热交换器16由来自辅助燃料燃烧室24的热气体加热。辅助燃料燃烧室24燃烧矿物燃料，该矿物燃料可以是辅助燃料(例如丙烷或各种等级的燃油)、或诸如煤粉之类的在内部产生的燃料。辅助燃料燃烧室24采用过量空气操作，以保证燃料的完全燃烧。来自辅助燃料燃烧室24的燃烧气体19具有在从约1，900 °F至约2，300 °F (1，040至1，300°C )的范围内的温度，该温度也可以更高或更低。在一个实施例中，温度可以在从约2，000 °F至约2，200 °F (1，090°C至1，200°C)的范围内。[0024]热交换器16设置用以使用来自燃料燃烧室24的燃烧气体19将流出气体流束14加热到约1400 0F (约760°C)的温度。在一个实施例中，将流出气体流束14加热到在从约1，400 °F至约1，600 0F (约760°C至约870°C )的范围内的温度。在一个具体实施例中，将流出气体流束14加热到约1，500 0F (约816°C)的温度。然后将经加热的流出气体流束15引导到贫燃料燃烧室17。
[0025]如所示的那样，将主燃烧空气流22供给到贫燃料燃烧室17。主燃烧空气流22由鼓风机21驱动。在燃烧空气22输送到贫燃料燃烧室17之前，它由第二热交换器13加热到在从约300 °F至约500 °F (150°C至260°C)的范围内的温度。在另一些实施例中，将空气流22加热到更高温度。第二热交换器13被供给有来自间接点火的热交换器16的废热。热交换器13升高燃烧空气流束22的温度，并且产生热的主燃烧空气流束23。选择性地，热的主空气被导引通过增压鼓风机61，以在热交换器13中的任何可能压力损失之后，保持对于热主气体流束23的可接受压力级。尽管所示的实施例包括的热交换器16相对于来自辅助燃料燃烧室17的燃烧气体19而言位于热交换器13的上游，但要理解，热交换器13和16可以颠倒。用于燃烧空气的热交换器13可以在管线中首先接收燃烧气体19，而向热交换器16其次地供给来自热交换器13的废热。
[0026]在贫燃料燃烧室17中，来自离开热交换器16的经加热的流出气体流束15的燃料与热的主燃烧空气23相混合，并且燃烧。由附图标记18指代的燃烧室气体流束是从燃烧室17离开的热的气体流束。这种气体流束包含很少的烃或者不包含烃，并且具有低的含氧量。在一个实施例中，含氧量在 从约0.2%至约0.8%的范围内，并因此具体地讲是惰性的。离开燃烧室17的燃烧室离开气体流束18的温度典型地在从约1，800 °F至约2，200 °F(980°C至约1，200°C)的范围内，也可以更高或更低。在一个实施例中，离开气体流束在从约1，950°F至约2，050 0F (1，070°C至约1，120°C)的范围内。
[0027]燃烧室离开气体流束18的一部分通过旁通管线18A重新循环回到贫燃料燃烧室
17。通过旁通管线18A重新循环的燃烧气体的量由阀60控制，并且由增压鼓风机61的抽吸部分地影响。未流过旁通管线18A的气体流束18的剩余部分经管线18B引导回到热解器12，以加热含碳材料。因此，通过在贫燃料燃烧室17中的挥发物的燃烧产生的回收热的一部分用作在热解器12中的热解过程的一体化部分。在一个实施例中，在热解器12中需要的热量的至少约60%通过在热解器流出气体流束14中的挥发物的燃烧而提供，而热量的剩余部分由辅助燃料燃烧室24提供。在另一个实施例中，在热解器12中需要的热量的至少约70%通过在热解器流出气体流束14中的挥发物的燃烧而提供，使剩余部分由辅助燃料燃烧室24提供。在一个具体实施例中，通过在热解器流出气体流束14中的挥发物的燃烧而提供的热量的量在从约70%至约90%的范围内，而热量的剩余部分由辅助燃料燃烧室24提供。
[0028]如上文公开的那样，高温增压鼓风机61设置用以增大来自流束22的空气和来自流束18A的重新循环热气体的混合物(在23处指示)的压力，以便注入到烟气燃烧室17中。进入增压鼓风机61的气体混合物的温度在从约1，400 °F至约1，500 0F (760至820°C )的范围内，其也可以更高或更低。在一个实施例中，混合温度在从约1，350 °F至约1，600 °F(730至780°C)的范围内。将燃烧室烟气18的一部分通过管线18A重新循环的目的是，将气体流束23和经加热的流出气体流束15的混合平均温度保持在近似1，450 0F (790°C)的点燃温度以上。这导致经加热的流出气体流束15当该气体流束在燃烧室17中与空气/再循环气体23相混合时的贫烟气的自燃。在一些情况下，点燃温度高于或低于1，450 °F(790°C)。如果进入的燃料和空气/氧气基本上恒定地超过点燃温度以避免在贫燃料燃烧室17中未点燃的情况，则可能是有利的。要理解，空气/再循环气体23和经加热的流出气体流束15的混合可以或者发生在贫燃料燃烧室17内，或者短暂地发生在将空气和气体引入到贫燃料燃烧室17中之前。
[0029]通过旁通管线18A的再循环气流的控制借助于温度控制阀60实现，该温度控制阀60响应在燃烧室17的进口处的经计算的气体/空气混合物温度。这个温度可以按多种方式确定。在一个实施例中，用温度元件(例如与燃烧室17相关联的热电偶或温度元件66)测量温度。测得的温度由控制器70接收，并且将信号发送到控制阀60。在另一个实施例中，这个温度由如下五个不同因素中的一些或全部因素而计算得出:
[0030].I)由流量传感器30测得的燃烧室烟气18的气体流量，
[0031].2)由流量传感器67测得的热解器流出气体流束14的流量测量值，
[0032].3)由温度元件43测得的经加热的流出气体流束15的贫气流温度，
[0033].4)由控制阀60的位置对于气流流束18的部分(该部分通过管线18Α重新循环)确定的重新循环气体流量，及
[0034].5)由温度元件63测得的流束23的混合贫烟气/气体温度。
[0035]可以使用用来测量这些流量和温度的任何适当装置。测量值可以发送到控制器70，该控制器70可以被编程成用以接收和存储数据，并且包括用于系统的各种元件的操作的软件。控制阀60的位置由控制器70调整，以强迫这个计算温度以某个预定安全系数超过点燃温度。在一个实施例中，系统的操作使得将进入贫燃料燃烧室17的在管线23中的空气/气体混合物和在管线15中的贫燃料的温度被设置成超过点燃温度至少约50 T (IO0C)0安全系数反映测量系统的不确定性。控制阀60可以手动地设置，或者可以由来自控制器70的信号控制。
[0036]在所公开的系统中，为了高效和无故障操作而控制在燃烧室17中的温度和氧气浓度。在这个系统中可得到的控制方面之一是，来自辅助燃料燃烧室24的排出气体19的温度和流量可被控制，以管理经加热的流出气体流束15的温度。辅助燃料燃烧室24可以设置成产生气体流束19，只有该气体流束19的温度受到限制，因为它一定不能超过热交换器16的冶金极限。气体流束19的流量和温度又确定经热交换器16传递给贫气体流束14的热量的量。例如，如果由经加热的流出气体流束15的温度元件43所指示的温度低于所需的温度，那么控制系统会使阀51和53打开，以分别将更多燃烧燃料和空气带到辅助燃料燃烧室24。由鼓风机62驱动的燃烧空气流50和54的增大的质量流量可以分别由流量传感器52和55检测。控制器70也可以按使得空气流50和54的流量的比值保持基本上恒定这样一种方式而控制阀5 1和53的打开，当然，如果需要，则控制器也可被编程成用以改变该比值。
[0037]操作阀53以打开阀，会进一步增大在空气流动管线54中的流量，这又会从燃料供给源49带走更多矿物燃料。同时，阀51可以打开足够的量，以将在辅助燃料燃烧室24中的空气与燃料的比率保持恒定。进入辅助燃料燃烧室24中的空气和燃料的流量的增大，具有将较热气体和和较大质量流量提供给贫燃料热交换器16的效果。这又增大了供给到在热交换器16中的流出气体流束14的热量。尽管系统10示出燃料49到辅助燃料燃烧室24的供给是借助于来自流动54的携带，但要理解，燃料流49可以借助于任何其它适当手段而被控制和引入到辅助燃料燃烧室。
[0038]在辅助燃料燃烧室24中的温度由温度元件25指示。如有必要，则可以通过打开阀53 (打开阀53可以使更多燃料被带入到燃烧室中)而升高这个温度。辅助燃料燃烧室24的温度必须被控制以使得热交换器16不超过其安全操作温度。在所示的实施例中，对排出气体19的温度的控制是通过预置空气与燃料的比率和在辅助燃料燃烧室24中生成恒定过量空气而实现或达到的。空气与燃料的比率设置点可以手动或自动地修改，以计入辅助燃料质量的变化。例如，如果要将辅助燃料的热密度增大，则辅助燃料燃烧室24会烧得更热，并且排出气体19的温度会升高。控制器可被编程成响应这样一种升高(如由温度元件25检测的那样)而升高空气与燃料的比率设置点，增加在矿物燃料燃烧室24中的过量空气，并且将排出气体19的温度降低到其原始设置点。可选择地，燃烧空气阀51可以直接地由温度元件25控制，以便增大在管线50中的空气流量，由此限制进入热交换器16的排出气体19的温度。这种方法可以间接地控制空气与燃料的比率。
[0039] 贫燃料燃烧室离开气体流束18的氧气浓度可以由布置在燃烧空气流22上的两级式(two-stage)空气流量控制系统33部分地控制。如所示的那样，空气流量阀34和微调空气流量阀35设置在燃烧空气管线22中。而且，氧气浓度分析仪28设置在贫燃料燃烧室17的下游，以估计在燃烧室离开气体流束18中的氧气浓度。阀34和35响应由在燃烧离开气体流束18中的分析仪28确定的氧气浓度而被部分地管理，以控制主燃烧空气(该主燃烧空气经热主气体流束23添加到直接进入燃烧室17的经加热的流出气体流束15上)的适当量。流过阀34和35的空气流量由流量传感器38测量。在气体流束18中的氧气浓度由氧气浓度分析仪28测量，并且来自分析仪28的数据供给到控制器70。在所需的氧气浓度(设置点)与实际或测量氧气浓度之间的误差用来计算用于微调流量阀35的位置，并且将适当信号发送到阀34和35。阀35进行主空气流量的小量调整，以将在燃烧室中的设置点氧气浓度保持成靠近所需的设置点。空气流量阀34供给通过燃烧空气管线22的最大量的主空气。在一个实施例中，空气流量阀34对于微调空气阀35按伺服模式操作。当微调空气阀35打开到选定位置时，空气流量阀34缓慢地打开，以供给更多空气。相反，当微调空气阀35接近预定位置时，空气流量阀34缓慢地关闭，以将更少空气供给到燃烧室。
[0040]在一个例子中，在用来热解煤炭的热解器12中，阀34是16英寸直径(约40cm)致动蝶形阀，该蝶形阀用来供给主空气的大部分。微调空气阀35是8英寸直径(约20cm)的被致动蝶形阀。当微调阀35达到百分之60敞开时，阀34开始从其当前位置逐步打开，并且继续逐步打开，直到:a)阀35关闭到小于或等于百分之60敞开；或者b)在燃烧室中的测得的氧气浓度超过设置点氧气浓度。相反，当微调阀35关闭到小于百分之30敞开的位置时，阀34开始逐步关闭，并且继续逐步关闭，直到:a)微调阀35打开到大于或等于百分之30敞开；或者b)测得的在燃烧室中的氧气浓度变得小于设置点氧气浓度。用于在热解器12中的煤炭加热过程的典型氧气浓度设置点在百分之0.2至百分之0.8的范围中。
[0041]将会被认识到的是，因为经加热的流出气体流束15的流量和烃浓度都不能被可靠地测量，所以不能准确地计算在贫燃料燃烧室17中燃烧烃需要的添加空气的量。用两级式空气流量控制系统33，保持了空气流量的准确量，而不需要知道经加热的流出气体流束15的进入流量或气体成分。在阀34与阀35之间的分级是有用的，用以提供在宽范围流量上的精确空气流量控制。在一个实施例中，用于来自主热解器12的进入烃成分的燃烧范围是每小时O至36百万BTU (O至38，OOO兆焦耳每小时)。关于更大规模，这个热量速率的范围可以为O至180百万BTU (每小时O至190，000兆焦耳)。
[0042]除刚描述的基本控制之外，几种预期控制功能可以用来保持在贫燃料燃烧室17中的燃烧过程的稳定性、和保持来自辅助燃料燃烧室24的燃烧气体19的稳定性。由于在主热解器12中的含碳材料床深度的变化、由温度波动引起的气体密度变化、及在过程控制的多样性之间的相互作用，进入贫燃料 燃烧室17中的经加热的流出气体流束15的压力和流量会发生变化。此外，烃浓度的变化由在主热解器12中的变化和由在热解器12中被处理的含碳材料的条件和质量而引起。
[0043]烃气体流14的压力的变化往往通过将较大或较小背压施加到阀34和35上，而改变进入燃烧室17中的空气流量。这些压力变化可以按如下方式减轻。空气压力由压力控制阀40控制，该压力控制阀40能够起作用以便分散由鼓风机21产生的气流的一些。贫燃料气体15的压力由压力分析仪65测量。空气和重新循环气体的混合物23的压力由压力传感器64测量。跨过空气预热器13的压力降可以由空气流量确定，该空气流量在用于空气供给流束22的流量传感器38处被测量。在流量路径18A中的重新循环热气流量可以由控制阀60的位置确定。借助于这些测量，可以计算所需的空气压力，从而跨过阀34和35和跨过喷嘴44 (空气和气体混合物在那里进入燃烧室17)保持恒定压差。压力控制阀40被打开或关闭，以在第二压力分析仪46处保持这个计算压力。这提供在空气流量(流动路径22)与对于阀34和35的阀位置之间的可重复的并且稳定的关系，并且使空气流量的变化和校正最小化。因而，借助于在过程中的压力变化而预期到潜在空气流量变化，并且通过调整一个阀，即溢流阀40，而采取校正动作。
[0044]可选择地，在系统中的空气压力可以通过主空气源(即变速鼓风机21)的致动而调整，所述变速鼓风机21由来自压力分析仪46的反馈和计算压力而致动。在这个实施例中，避免了对于阀34和35的频繁调整和在阀34和35之间的可能相互作用。
[0045]在去往燃烧室的经加热的流出气体流束15中的非常贫化的(verylean)烃气体的波动，将引起对于燃烧反应的可得到燃料的迅速减少。在小于30秒内可以看到超过700 T(超过370°C)的温度降或“陷坑”。陷坑典型地具有初始向下漂移，该初始向下漂移跟随有快速温度下降。在温度下降以后，在不停机和重新启动热解器12的情况下，燃烧的重新启动将会是不可能的。这将导致燃烧室排出气体18的温度降、和供给到热解器12的热能的减少。本发明的方法由温度元件29监视贫燃料燃烧室17的温度。如果这个温度降到所需的设置点以下，则以增量方式升高用于经加热的流出气体流束15的温度设置点。这又强迫来自辅助燃料燃烧室24的更多热能通过贫燃料热交换器16，直到经加热的流出气体流束15的温度到达其新设置点(由温度元件43测量)。结果是，更热的流出气体流束15进入贫燃料燃烧室17。燃烧反应因此在更高温度下开始，产生更高温度(由温度元件29测量)的排出气体18。控制系统按照需要重复这个过程，以恢复排出气体18的温度和供给到热解器12的热量的量。在气流15中的非常富(very rich)烃气体的波动将产生相反效果，降低温度设置点。
[0046]当探测到在用于经加热的流出气体流束15的设置点下面的预定度数的下降时，通过燃烧器空气阀51和第二空气阀53的打开，将燃烧器空气和燃料的增量式增大提供给矿物燃料燃烧室24。第二空气阀53自动地打开，以保持由流量传感器52和55所确定的适当空气燃料比。去往热交换器16的热量的这种初始脉动，升高经加热的流出气体流束15的温度。然后将空气阀51逐步关闭，然后燃料空气阀53返回到由温度传感器29确定的阀位置。这个动作将典型地使在燃烧室17中的温度降逆转。然而，观察到，通常与温度降相关联的条件是在烃气体流束14中的烃成分的过量，导致在贫燃料燃烧室17中的富条件。在正进行这样的调整以改变燃烧器排出气体19的流量的同时，在氧气分析仪28处监视贫燃料燃烧氧气。如果氧气浓度以一个设定时间段停留在百分之O处，则将空气阀34逐步打开，以使主空气流量逐步增大。如果浓度以另一个时间段保持在百分之O处，则重复这种增大。
[0047]在用来加热煤炭或油页岩的热解器12中，当探测到在设置点以下的50 °F的温度降时，预料到陷坑。在这时，将阀51运动到百分之70敞开状态，紧接着将燃料空气阀53相应地打开，以将显热脉动提供给热交换器16。紧接着将阀51和53每五秒关闭百分之1，直到它们到达在温度元件29处当前需要的位置。另外，如果在探测到陷坑之后，氧气浓度在基本上百分之O下保持15秒，则将阀34打开另外的百分之10，以增大在流动路径22中的主空气流量。如果氧气浓度在基本上百分之O下保持另外15秒，则将重复这个动作。可选择地，如果选择性的燃料探测器27连接到燃烧室17上，则低氧气/高燃料比(即，百分之O氧气和大于百分之0.5的燃料)可以用来触发阀34的开启。可以预料到的是，燃料探测装置27可以与氧气探测器27结合成一个装置。
[0048]最终控制方案涉及，仅在气体引入到热解器12中之前控制燃烧室离开气体流束18B的温度，如在流动路径59处所示的那样。这种控制通过使用温度元件58 (该温度元件58将温度信号反馈回控制器70)检测最终过程气体温度而实现。控制器70控制再循环阀56，以调节冷却过程气体41 (该冷却过程气体41引入到燃烧室离开气体流束18B中，以形成气体流动路径59)的量 。要理解，可以使用任何适当装置来测量由含碳材料处理系统10所要求的温度、压力或流量。
[0049]例I
[0050]每小时13，700磅(每小时6，210千克)的煤粉在矿物燃料燃烧室24中燃烧，这些煤粉具有每磅7，190BTU (每千克16.7兆焦耳)的热值。来自辅助燃料燃烧室24的燃烧气体19在它们进入热交换器16时具有2，100 0F (I, 150°C)的温度。这种热气体将每小时159，000磅(每小时72，100千克)的热解器流出气体流束14从190 0F (88°C )加热到1，500 0F(810°C)。第二热交换器13将每小时141，000磅(每小时64，000千克)的贫烟气燃烧空气22从100 0F (38°C)加热到450 0F (230°C)。通过阀60重新循环回到燃烧室的贫燃料燃烧室烟气18的部分是在3，200 °F (1，760°0下每小时65，000磅(每小时29，000千克)。经加热的流出气体流束15在贫燃料燃烧室17中与热的燃烧空气和重新循环气体23相混合，在该处，气体燃烧以产生热的过程气体18。热的过程气体18是在3，200 0F (I, 760°C)的温度下，并且包含比可探测水平小的烃、和百分之0.5的氧气浓度。引导到热解器12的热过程气体流束18B通过与通过阀56的每小时1，800，000磅的热解器离开气体41混合而调和，以产生在620 °F的温度下的每小时2，100，000磅的过程进入气体59。
[0051]例2
[0052]每小时14，400磅(每小时6，530千克)的煤粉在辅助燃料燃烧室24中燃烧，这些煤粉具有每磅7，190BTU(每千克16.7兆焦耳)的热值。来自辅助燃烧室的燃烧气体流束19在它进入热交换器16时是在2，OOO °F(1, 090°C)的温度下。这种热气体将每小时163，000磅(每小时73，900千克)的热解器出流气体14从190 0F (88°C)加热到1，500 0F (820°C)。经加热的流出气体流束15在贫燃料燃烧室17中与燃烧空气22相混合，在该处，贫燃料燃烧以产生热的过程气体18。热的过程气体是在3，000 0F (I, 650°C)的温度下，并且包含比可探测水平小的烃、和百分之0.5的氧气浓度。将这种热的过程气体流束引向热解器12，作为流动流束18B。这些气体通过与每小时1，800，000磅(每小时816，000千克)的从处理器离开的气体41相混合而调和，以产生在600 0F (315°C)的温度下的每小时2，100，000磅(每小时953，000千克)的过程进入气体59。
[0053]例3
[0054]运行在例I中描述的上述过程，并且在升级过程之前和之后都测量煤炭的热值。业已确定，该过程将低发热量煤炭的热值从小于或等于约8，000BTU Permobil磅(每千克
18.6兆焦耳)的热含量有效地升高到经处理的煤炭(焦炭)的生成流束所具有的热含量为至少约11, 000BTU Pe rmobil磅(每千克25.6兆焦耳)的热值。
[0055]本发明的操作原理和模式已经在其优选实施例中描述。然而，应该注意，可以采用除具体示出和描述的之外而不脱离其范围的方式实践本发明。
【权利要求】
1.一种使煤炭和其它含碳燃料升级的方法，包括: 使含碳燃料经历热解过程，由此形成升级含碳燃料和贫燃料气体流； 在辅助燃料燃烧室中燃烧辅助燃料，以产生辅助燃料燃烧气体； 用辅助燃料燃烧气体加热贫燃料气体； 在贫燃料燃烧室中燃烷烃加热的贫燃料气体，由此产生燃烧产物的气体流束；以及 将燃烧产物的气体流束的至少一部分引导到热解器。
2.如权利要求1所述的方法，其中，用辅助燃料气体加热贫燃料气体包括用辅助燃料气体间接地加热贫燃料气体，而不将贫燃料气体与辅助燃料燃烧气体相结合。
3.如权利要求1所述的方法，其中，提供给热解器的热量的至少约60%由来自热解器的贫燃料气体的燃烧而提供，而热量的剩余部分由辅助燃料燃烧室提供。
4.如权利要求3所述的方法，其中，提供到热解器中的热量的量在从约70%至约90%的范围内，而热量的剩余部分由辅助燃料燃烧室提供。
5.如权利要求1所述的方法，包括:确定被引入到贫燃料燃烧室中的贫燃料气体的温度；以及响应被引入到贫燃料燃烧室中的贫燃料气体的温度而控制在辅助燃料燃烧室中的辅助燃料的燃烧。
6.如权利要求1所述的方法，包括:确定被引入到贫燃料燃烧室中的贫燃料气体的温度；以及响应被引入到贫燃料燃烧室中的燃烧空气的温度而控制在辅助燃料燃烧室中的辅助燃料的燃烧。
7.如权利要求1所述的方法，其中，将被引入到贫燃料燃烧室中的贫燃料气体的温度控制成处于贫燃料燃烧室中的空气-燃料混合物的点燃温度以上。
8.如权利要求7所述的方法，其中，将被引入到贫燃料燃烧室中的贫燃料气体的温度控制成处于贫燃料燃烧室中的空气-燃料混合物的点燃温度以上至少约50 0F (约10°C)。
9.如权利要求1所述的方法，包括:将燃烧空气引导到贫燃料燃烧室；以及使用并联布置的两个流量阀，控制到贫燃料燃烧室的燃烧空气的流量。
10.如权利要求9所述的方法,包括:响应溢流阀而控制流量阀。
11.一种使煤炭和其它含碳燃料升级的方法，包括: 使含碳燃料经历热解过程，由此形成升级含碳燃料和贫燃料气体流； 将贫燃料气体流和主燃烧空气流引导到贫燃料燃烧室中； 使贫燃料气体在贫燃料燃烧室中燃烧，由此产生燃烧产物的气体流束； 测量贫燃料燃烧过程的气体流束的氧气浓度；以及 响应在贫燃料燃烧过程的气体流束中的测得的氧气浓度而控制进入贫燃料燃烧室中的主燃烧空气的流量。
12.如权利要求11所述的方法，其中，主燃烧空气的流量由两级式空气流量控制系统控制，该两级空气流量控制系统包括主流量阀和微调流量阀，微调流量阀构造成用以在主流量阀中进行小量调整。
13.如权利要求11所述的方法，包括:将气体流束的至少一部分引导到主燃烧空气流中。
14.如权利要求11所述的方法，其中，提供给热解器的热量的至少约60%由来自热解器的贫燃料气体的燃烧而提供，而热量的剩余部分由辅助燃料燃烧室提供。
15.如权利要求14所述的方法，其中，提供给热解器的热量的量在从约70%至约90%的范围内，而热量的剩余部分由辅助燃料燃烧室提供。
16.如权利要求11所述的方法，其中，含碳燃料是煤炭，并且煤炭的加工将具有小于或等于约8，OOOBtu/磅(18.6MJ/kg)的热含量的低发热量煤炭的热值有效地升高到经处理的煤炭的生成流束所具有的热含量为至少约11，OOOBtu/磅(25.6MJ/kg)的热值。
17.一种使煤炭和其它含碳燃料升级的方法，包括: 使含碳燃料经历热解过程，由此形成升级含碳燃料和贫燃料气体流； 将贫燃料气体流和主燃烧空气流引导到贫燃料燃烧室中； 使贫燃料气体在贫燃料燃烧室中燃烧，由此产生燃烧产物的气体流束； 将气体流束的至少一部分引入到主燃烧空气流中； 确定引入到贫燃料燃烧室中的贫燃料流和主燃烧空气流的温度；以及 响应贫燃料流和主燃烧空气流的温度而控制气体流束的引入部分的流量。
18.如权利要 求17所述的方法，其中，含碳燃料是煤炭。
19.一种使煤炭和其它含碳燃料升级的方法，包括: 使含碳燃料经历热解过程，由此形成升级含碳燃料和贫燃料气体流； 将贫燃料气体流和主燃烧空气流引导到贫燃料燃烧室中； 使贫燃料气体在贫燃料燃烧室中燃烧，由此产生燃烧产物的气体流束； 将气体流束的至少一部分引入到主燃烧空气流中； 引导气体流束的剩余部分去往热解器，其中，提供给热解器的热量的至少约60%由来自热解器的贫燃料气体的燃烧而提供，而热量的剩余部分由辅助燃料燃烧室提供。
20.如权利要求19所述的方法，其中，提供到热解器中的热量的量在从约70%至约90%的范围内，而热量的剩余部分由辅助燃料燃烧室提供。
【文档编号】C10J3/72GK104024384SQ201280040692
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年6月29日 优先权日:2011年7月12日
【发明者】D·W·库利奇, D·A·霍恩, L·C·怀特, R·G·史密斯 申请人:Mr&E有限公司