Методология сухого обогащения перед сжиганием и системы для улучшения характеристик твердого топлива - RU2366689C2

Чертежи

Показать все 16 чертежа(ей)

Описание

Уровень техники

В настоящее время более половины электроэнергии, потребляемой в США, вырабатывается на неэффективных электростанциях, работающих на угле. Несмотря на возрастающее использование нефтяных и газовых ресурсов, благодаря низкой стоимости, легкой и широкой доступности, большим резервам угля и большой численности работающих в угольной промышленности существует гарантия, что в обозримом будущем уголь будет оставаться важным природным ресурсом для промышленных целей и особенно для выработки энергии в мировом масштабе. Однако угли являются весьма разнообразными и разнородными и обычно содержат значительные количества влаги, золы, серы и минеральных примесей, и все эти примеси снижают его существующую потенциальную возможность быть эффективным и полностью сгорающим топливом.

В научно-технической литературе, литературе по технологии производства и патентах представлено множество безуспешных попыток улучшить общие характеристики горения твердых топлив. При очистке угля и удалении отходов используют физические и химические способы и даже биологические организмы. Мокрое обогащение угля широко применяют для удаления золы и пиритной серы с более высокой удельной массой, но обычно это приводит к потерям около 20% угля при обогащении. В попытке повысить БТЕ/фунт (Британскую тепловую единицу/фунт) угля используют различные, но дорогостоящие способы сушки угля, а в попытке существенно снизить содержание серы исследуют многочисленные способы.

При сжигании или горении угля даже высоких категорий, такого, как антрацит или битуминозный уголь, создаются значительные выбросы, и существует возрастающая озабоченность, обусловленная соображениями относительно локального и глобального потепления климата. Сжигание углей с высоким содержанием серы наносит серьезный ущерб атмосфере в восточной Европе, Китае и в других местах и в большой мере содействует широко распространенным, но безуспешным попыткам в течение последних 25 лет отыскать эффективные и доступные способы удаления серы. Многие их этих попыток включают в себя электромагнитные способы; а именно, использование частот ультрафиолетового, оптического, инфракрасного, радиочастотного, микроволнового, рентгеновского излучений и даже гамма-лучей и сочетания излучений. Большая часть способов оказалась неудачной. В действительности, по имеющимся у заявителя сведениям в промышленной практике нет ни одной эффективной и экономически жизнеспособной технологии обогащения перед сжиганием, электромагнитной или другой, предназначенной для удаления серы или любого компонента из числа других основных компонентов угля.

Наличие во всех углях влаги, золы, серы и других компонентов в разнообразных количествах приводит к появлению различных проблем, когда уголь сжигают или же нагревают с любой целью. Токсичные газы, такие, как оксиды азота (NO_x) и оксиды серы (SO_x), являющиеся следствием сжигания угля, оказывают неблагоприятные воздействия на окружающую среду, включая появление кислотного дождя, смога, загрязненного воздуха с большим содержанием серы (приводящего в результате к обычно желтому небу в большом количестве регионов Китая) и осаждение токсичных частиц, при этом некоторые переносятся далеко от мест их возникновения воздушными течениями в верхних слоях атмосферы. Кроме того, после сжигания угля остается неорганическая зола с примесными элементами, такими, как ртуть, с последствиями которых изредка считаются, когда золу перерабатывают или используют в качестве наполнителя при широко распространенных применениях, рассчитанных на длительный период, например, при прокладке и ремонте дорог. В настоящее время дополнительное беспокойство вызывают большие количества диоксида углерода (СО₂), образующегося во время сжигания угля, который вносит значительный и непосредственный вклад в глобальное потепление климата. Наконец, наличие значительного количества влаги во многих углях имеет результатом неэффективное сжигание, приводящее к сжиганию большего количества угля, последствием которого являются повышенные выбросы. Относительно небольшое значение придавалось обезвоживанию (то есть, вкладу в повышение БТЕ/фунт, которое непосредственно приводит к возможности сжигания меньших количеств угля для выработки того же количества энергии и в результате этого, само по себе, к снижению выбросов).

На протяжении многих лет делались попытки удалять или же снижать количества серы и золы в угле и тем самым уменьшать загрязнения различных видов за счет повышения качества и характеристик горения углей. К сожалению, такие попытки оказались требующими больших затрат времени, дорогостоящими и непрактичными.

Например, делались попытки «промывать» уголь до сжигания. Эти попытки приводили к большим затратам и к необходимости больших усовершенствований оборудования электростанции и к модификациям оборудования. В системах промывки до подачи угля в аппарат для промывки уголь необходимо измельчать или доводить до заданного размера, используя грохоты, угольные мельницы, шаровые мельницы, дробилки или оборудование для измельчения других аналогичных видов. Обычно оборудование таких видов, используемое для дробления угля, представляет собой относительно тяжелое и крупное оборудование, которое требует больших затрат для приобретения, технического обслуживания и эксплуатации.

В других примерах системы и способы очистки включают в себя экстенсивную сушку угля до сжигания или горения угля или топлива путем использования центрифуг, вращающихся барабанных фильтров, сушилок с кипящим слоем или сушильного оборудования других аналогичных видов. Обычно оборудование таких видов, используемое для сушки угля, представляет собой сложное или многоступенчатое оборудование, которое также требует больших затрат для приобретения, технического обслуживания и эксплуатации.

При других попытках использовали добавку к углю одного или нескольких катализаторов, стремясь уменьшить количество нежелательных побочных продуктов, образующихся при горении угля. Например, катализаторы некоторых видов, добавляемые к углю, могут снижать количество серы, выделяемой во время горения угля. Эти попытки также предназначались для улучшения характеристик горения сжигаемого угля, например БТЕ/фунт. Однако при осуществлении этих попыток могут образовываться побочные продукты в различных сочетаниях, которые могут быть опасными и требующими больших затрат для ликвидации или хранения.

В отсутствие решений этой давнишней проблемы очистки до сжигания в настоящее время в отрасли электростанций, работающих на угле, предпочтительной методологией является очистка после сжигания. Например, газоочистители устанавливают для очистки газообразных продуктов после сгорания, удаления соединений SO_x и NO_x из газообразных продуктов сгорания. Оборудование этого вида и другие аналогичные системы и процессы являются дорогостоящими при внедрении, техническом обслуживании и эксплуатации. К сожалению, этим не решается проблема СО₂, а последние работы, направленные на улавливание и перенаправление газообразного СО₂, не являются многообещающими или практически осуществимыми.

Наконец, на многих электростанциях, работающих на угле, смешивают уголь с низким содержанием серы и уголь с высоким содержанием серы для снижения общего содержания серы с тем, чтобы удовлетворить требованиям регулируемого государством показателя количества фунтов SO₂ на миллион БТЕ. Для этого обычно необходима перевозка на большие расстояния тяжелого, с большим содержанием влаги угля, при этом затраты на перевозку часто равны стоимости угля или превышают ее.

Сущность изобретения

В настоящей заявке описаны методологии, системы и процессы, согласно которым электромагнитная энергия (например, микроволновая энергия) используется для изменения механической структуры угля и для преднамеренного раздельного и/или совместного изменения основных компонентов угля с целью улучшения характеристики горения угольного топлива (например, для применения, о котором шла речь, с целью уменьшения влаги и повышения БТЕ/фунт до оптимальных уровней, снижения содержания серы всех форм, включая более трудно удаляемые сераорганические соединения, и уменьшения зольности при сохранении или улучшении теплотворной способности углей).

Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть рассчитаны на конкретный вид угля и на изменения требуемых характеристик. Системы могут быть модульными, масштабируемыми и переносными или стационарными и могут быть использованы в местах подземной добычи или в открытых карьерах или на электростанциях, или автономно. Параметры процесса могут быть выбраны с учетом удовлетворения требований, предъявляемых при конкретных применениях, наряду с удалением и сбором ценных побочных продуктов, таких, как вода, сера и зола. Способы измерения в составе системы и вне системы могут быть использованы для определения характеристик обогащаемых углей, при этом системы обратной связи используют для изменения параметров управления процессом, таких, как время пребывания в системе (скорость потока), мощность, воздушный поток и т.д., чтобы получать ожидаемые, заранее заданные улучшенные характеристики топлива и не осуществлять излишнее обогащение или недостаточное обогащение.

Процесс начинают со сбора информации о конкретном угле, включая место его нахождения (рудник, карьер, оборудование для раскалывания и смешивания до конечного измельчения или электростанция в любом месте и т.д.). Другое соображение связано с целью, с которой обогащенный уголь с требуемыми характеристиками будет использоваться (например, более эффективное и более чистое топливо может быть использовано для пылеугольных энергетических котлов, топливо с низким содержанием серы и с высокой летучестью может быть использовано для производства стали и других процессов обработки, топливо специального назначения для химической обработки и т.д.). Затем определяют количество в тоннах, намеченное для обогащения, и любые существующие процедуры обработки, которые необходимо учитывать, такие, как измельчение и просеивание угля. Далее осуществляют измерения образцов рядовых углей для определения их характеристик. Наконец, проектируют систему для получения необходимых определенных характеристик обогащенного топлива. Проектные параметры системы, которые могут быть заданными или изменяемыми в реальном времени, включают в себя: пропускную способность входной системы транспортировки угля, необходимую для согласования с количествами и объемами, подаваемыми в технологическую установку; размер, форму и тип рабочей камеры и конвейерной системы для транспортировки в объемах и при расходе (расходах), необходимых во время распределения или необходимых при обогащении; частоту или частоты и уровни мощности, и длительности электромагнитного излучения, необходимые для получения требуемых характеристик рассматриваемых углей; и глубины проникновения, необходимые для гарантии того, что угли в среднем будут обогащены в нужной степени.

Электромагнитная технология сухого и одностадийного обогащения углей до сжигания зарекомендовала себя для изменения механической структуры углей и тем самым существенного повышения способности к размолу; уменьшения влажности и повышения БТЕ/фунт до оптимальных уровней для рассматриваемого применения; снижения содержания серы всех форм, включая более трудные для удаления сераорганические соединения; снижения зольности и значительного снижения показателя выбросов, отношения SO₂ в фунтах к миллиону БТЕ при сохранении теплотворной способности углей. Кроме того, в отличие от многих предшествующих попыток, уголь может быть обогащен способами, не требующими до облучения угля образования пульпы или же добавления растворителя или другой жидкости. Способы, описанные в настоящей заявке, могут также далеко выходить за пределы просто удаления из угля серы или другого единственного компонента, как предпринималось в предшествующих способах; вместо этого способы могут быть использованы для достижения целей относительно каждой из различных характеристик угля, таких, как указанные выше.

Методология обогащения, рассматриваемая в настоящей заявке, обеспечивает возможность изменения параметров процесса для планирования определенных характеристик горения твердых топлив. Например, можно эффективно планировать определенное снижение влажности и получающийся в результате относительно узкий диапазон БТЕ/фунт даже для партии угля (каждой партии угля) с образцами, имеющими распределение размеров и характеристик.

Прилагаются типичные результаты по удалению влаги, типичные, но не «лучшие», результаты, собранные для показа широкой применимости процесса. Результаты скомпонованы в порядке возрастания снижения процентного содержания влаги, чтобы дополнительно показать очевидность того, что посредством этих способов и установки любой уголь может быть обогащен до желаемого уровня снижения влажности. Кроме того, путем исчерпывающих исследований перед обогащением также можно определять количество золы и серы в рядовых углях и то, каким образом конкретный уголь будет реагировать во время технологического процесса, следствием чего является то, что при желании с помощью системы можно улучшить также и другие характеристики горения угля.

Перечисленные и описанные в настоящей заявке материалы дополнительно демонстрируют, что эти спроектированные системы, работающие в порционном или непрерывном режиме, могут обеспечивать удаление влаги или улучшение других требуемых характеристик горения угля; конкретно, обеспечивать получение углей с:

- пониженным процентным содержанием влаги до любого желаемого уровня при любой категории угля, до около 1% или ниже;

- повышенным БТЕ/фунт при любой категории угля, до любого уровня, до по меньшей мере уровня, при котором он будет иметь нулевое процентное содержание влаги, или на по меньшей мере 1000 БТЕ/фунт (поскольку при обогащении также снижается процентное содержание золы и процентное содержание общей серы, что вносит вклад в дальнейшее повышение БТЕ/фунт);

- пониженным процентным содержанием золы при любой категории угля (например, на по меньшей мере около 2%); согласно конкретным вариантам осуществления диапазон снижений составляет от около 10% до более чем 50%; и

- пониженным содержанием серы каждой формы и всех форм (например, снижение на по меньшей мере около 2% общего содержания серы, на по меньшей мере около 3% пирита, на по меньшей мере около 5% сульфата и на по меньшей мере около 1% сераорганического соединения); согласно конкретным вариантам осуществления общее содержание серы снижается в пределах от 25% до 50%, а для некоторых углей даже больше.

Кроме того, в этих системах и способах опасность образования дуги (воспламенения) может быть снижена или исключена. В то время как ранее при экспериментах для уменьшения опасности образования дуги использовали малоразмерные куски и образцы, то согласно вариантам осуществления способов, описанным ниже, встроенные системы измерения, контроля и обратной связи, наряду с дополняющими регулировками уровней мощности, уровней воздушного потока и времени пребывания в установке, применяемыми для управления температурой поверхности, служат для снижения вероятности образования дуги.

Кроме того, достигнутое заявителем улучшенное понимание процесса проникновения электромагнитной энергии в уголь и понимание того, что большие глубины проникновения могут быть получены при более высоких уровнях мощности, открывает путь для эффективного обогащения при большей скорости прохождения угля через установку (например, соответственно промышленному масштабу) и угля, имеющего большие размеры частиц.

Краткое описание чертежей

В сопровождающих чертежах, описанных ниже, одинаковые позиции относятся к одним и тем же или аналогичным деталям на различных видах. Чертежи необязательно выполнены в масштабе, вместо этого сделан акцент на иллюстрацию конкретных принципов способов и установки, охарактеризованных в разделе «Подробное описание».

На чертежах:

фиг.1 - график, иллюстрирующий поглощение электромагнитного излучения в конкретном лигните в зависимости от частоты;

фиг.2 - график зависимости глубины проникновения электромагнитного излучения от частоты в воду при 25 °С;

фиг.3 - блок-схема последовательности операций, в общих чертах описывающая методологию процесса согласно вариантам осуществления изобретения;

фиг.4 - структурная схема системы обогащения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

фиг.5 - вид конвейерной системы;

фиг.6 - вид узла загрузочного устройства, предназначенного для использования совместно с конвейерной системой из фиг.5;

фиг.7 - вид сзади конвейера установки из фигур 5 и 6;

фиг.8 - вид сзади конвейера установки из фигур 5 и 6;

фигуры 9 и 10 - перспективные виды крышки передаточного лотка для установки, показанной на фиг.5;

фигуры 11 и 12 - перспективные виды крышки передаточного лотка для установки, показанной на фиг.5;

фиг.13 - вид периодического узла согласно вариантам осуществления изобретения;

фигуры 14 и 15 - вид сверху и сбоку периодического узла, показанного на фиг.13; и

фиг.16 - вид опытной установки.

Подробное описание

I. Уголь

А. Общие положения

Уголь представляет собой горючий материал, образовавшийся из окаменелых растений; уголь содержит аморфный углерод в сочетании с разнообразными органическими и некоторыми неорганическими соединениями. Как описал Harold H. Schobert в “Coal, the energy source of the past and future” (American Chemical Society, 1987), все указания которого включены в настоящую заявку посредством ссылки, «уголь относится к числу материалов от мягкого, влажного, бурого материала до очень твердого, блестящего, черного плотного», а его физические и химические свойства могут значительно изменяться в зависимости от того, как и где материалы были осаждены, видов органических материалов, имевшихся на ранней стадии, и их изменения с течением времени. Поэтому, чтобы разрабатывать месторождение, продавать и использовать уголь в промышленной практике, необходимо выполнить классификацию и стандартизацию угля по видам и свойствам. Уголь может быть подразделен на следующие основные «категории», начиная от наихудшего качества до наилучшего качества, соответственно:

1) бурый уголь;

2) лигнит;

3) суббитуминозный уголь;

4) битуминозный уголь и

5) антрацит.

Бурый уголь сразу после добычи имеет очень высокое содержание влаги при низких значениях БТЕ/фунт (около 3000 БТЕ/фунт). Лигнит представляет класс буро-черных углей, имеющих содержание влаги в диапазоне от 20% до больше 50% и БТЕ/фунт в диапазоне от более 4000 до около 7000. Суббитуминозный уголь представляет собой черный уголь без древесной текстуры, обнаруживаемой в лигнитах; суббитуминозный уголь имеет высокую влажность (обычно от 30% до 35%), а БТЕ/фунт перекрывает промежуток между лигнитами и битуминозными углями. Битуминозный уголь представляет собой мягкий уголь, имеющий самое широкое изменение химического состава; влажность битуминозного угля может изменяться от 5% до 20%, и он имеет уровни БТЕ/фунт приблизительно от 10000 до больше, чем 14000. В США битуминозный уголь первоначально был обнаружен в западных областях. Антрацитовые угли являются очень твердыми и сразу после добычи имеют относительно низкое содержание влаги (обычно <5%) и БТЕ/фунт в районе 14000. Каждая из категорий подразделяется еще дальше на подкатегории (обратитесь к ASTM, 1981, D-2796 и U.S. Geological Survey). Обнаружено, что во всех случаях уголь изменяется от шахты к шахте, от пласта к пласту и часто существенно изменяется в пределах каждого пласта.

Вообще говоря, максимальные пределы изменчивости для углей всех категорий составляют:

В пределах отдельной шахты БТЕ/фунт может изменяться на 2500; влажность может изменяться на 13%; зольность может изменяться на 13%; и общее содержание серы может изменяться на 3%.

Поскольку угли являются очень изменчивыми по внешнему виду, составу и свойствам (от бурых углей к лигнитам, к суббитуминозным, к битуминозным, к антрацитам, и изменчивыми в пределах каждой категории, и в пределах каждой шахты или каждого пласта или небольшого количества), трудно и обычно нереально обобщить, каким образом улучшать конкретные характеристики углей как топлива. В настоящей заявке угли однозначно оцениваются в индивидуальном порядке.

В. База данных об углях

База данных собрана по результатам измерений на широком ассортименте рядовых и обогащенных углей, включая, но без ограничения ими, угли с низким содержанием серы из Австралии, КНР и Южной Кореи, ассортимент углей из Индии и углей из Канады и США (в том числе из Алабамы, Флориды, Иллинойса, Огайо, Оклахомы, Пенсильвании, Техаса и Вайоминга).

Сначала все партии несортированного угля были исследованы для определения их усредненных характеристик. Для наилучшего приближения к промышленной практике дополнительные, но отдельные несортированные образцы были отобраны из каждой партии для обогащения, а именно, были отобраны те образцы, которые не были изменены каким-либо способом. С помощью такой процедуры было отобрано достаточно образцов для гарантии того, что их характеристики в среднем являются представительными для углей.

Самосогласованный статистический метод выборочного обследования использовали для исследования сотен рядовых и обогащенных образцов относительно их внешнего вида, цвета, твердости, однородности, размеров и массы и дополнительно для обогащенных образцов относительно температур их поверхностей и внутренних температур. Часть этой базы данных содержит результаты исследований в Standard Laboratories из Саут-Чалстона, Западная Виргиния, США, проведенных на около 450 рядовых или обогащенных образцах, при этом результаты измерений на образцах включают в себя процентное содержание влаги, процентное содержание золы, процентное содержание летучих веществ, процентное содержание связанного углерода, БТЕ/фунт (до обработки, в пересчете на сухое вещество, без влаги и золы; как определено ниже), формы серы (процентное содержание каждого вещества из общей серы, пирита, сульфата, сераорганического соединения, до обработки, в пересчете на сухое вещество), показатель Хардгрова способности к размолу, общее содержание ртути, температуры плавления золы и данные анализа минералогического состава золы.

С. Процедуры исследований и категории, предназначенные для оценки угля

Первый этап заключался в размельчении образца и использовании небольшой части для определения процентного содержания влаги. Затем другую часть того же самого образца использовали для определения процентного содержания золы («до обработки» означает, что до того, как образец исследовали, с ним ничего не делали). «В пересчете на сухое вещество» характеризует вычисленное значение, которое принимают за результат измерения до обогащения и приводят его к тому, каким он должен быть в случае, если в образце нет влаги. Аналогичным образом вычисляют БТЕ/фунт; а именно, значение определяют для части образца до обогащения, а затем производят вычисление на основе отсутствия влаги (на сухое вещество). После этого осуществляют аналогичное вычисление, «без В-З», значения, которое должно быть при условии отсутствия влаги (В) и золы (З). «Формы серы» для образцов до обогащения определяют аналогично и затем также пересчитывают на сухое вещество.

Осуществляли случайную выборку и выполняли сравнения визуальных характеристик и измеренных характеристик в режимах периодического и непрерывного обогащения, чтобы получить дополнительную уверенность в том, что результаты являются представительными, такими, какие должны получаться при обогащении количеств, имеющих промышленное значение (от десятков до сотен тонн в час и больше).

Как часть сбора базы данных были выполнены лабораторные измерения на группе рядовых и обогащенных углей и на их отдельных компонентах, таких, как зола, пирит и сераорганическое соединение. Измерения включают в себя поглощение и отражение электромагнитных волн в широком диапазоне частот. Система контроля диэлектрических свойств использовалась для измерения изменений диэлектрических свойств углей, таких, как изменения, которые происходят в результате влияний процесса на химический состав. Диэлектрические свойства влияют на то, как материал будет реагировать на электромагнитное излучение.

Сначала небольшие количества различных углей были исследованы на специально спроектированной установке со свободным пространством для микроволн, при этом волновод использовали для вывода микроволнового излучения из микроволновой камеры на открытую поверхность, на которой небольшие образцы могли быть облучены при изменяющихся небольших уровнях мощности и временах облучения и могли наблюдаться, контролироваться и взвешиваться. Затем более крупные образцы были исследованы в различных камерах микроволновых печей. Эти системы печей представляли собой камеры различных размеров с возможностью изменения мощности и времени подведения мощности. Когда было обнаружено, что большая часть характеристик топлива для образцов угля небольших и средних размеров (до 5 фунтов) улучшается, то для изменения диапазона подводимой мощности и обеспечения возможности обогащения образцов до приблизительно 40 фунтов в периодическом режиме была спроектирована система более крупных камер (см. установку, показанную на фигурах 13-15). В случае, если эти исследования обеспечивали получение таких улучшений характеристик топлива, которые были необходимы и которые были получены с помощью небольших систем обогащения и на небольших образцах, то выполнялись дополнительные этапы в промышленном масштабе, при этом проектировались поточные системы непрерывного обогащения, способные обогащать около 1000 фунтов в час (см. фигуры 5-12). Исследования процесса, осуществляемого в поточной системе обогащения, показали, что характеристики топлива можно изменять, как и при исследованиях обогащения образцов меньшего размера в порционном режиме, то есть, методология обсуждаемого процесса может быть без труда приспособлена к углям широкого диапазона типов и к требуемым скоростям потока с получением ожидаемых улучшенных характеристик топлива.

II. Методология процесса

А. Основные принципы общего процесса

Последовательность этапов общего процесса может быть изложена в следующем виде.

1. Измерение поглощения электромагнитного излучения углями и их компонентами в широком диапазоне частот электромагнитного излучения

Имея выбранное электромагнитное излучение в качестве основного активного агента для обогащения твердых топлив/угля, необходимо понимать его действие на угли и их отдельные компоненты. Эта информация может быть получена на основании измерений поглощения и отражения электромагнитного излучения и, особенно, диэлектрической проницаемости материалов. Диэлектрическая проницаемость представляет собой внутреннее свойство материала и может быть использована для предсказания реакции материала на микроволны или любое другое электромагнитное излучение. Термины «электромагнитное» и «микроволновое» излучение на протяжении этого рассмотрения иногда используются как взаимозаменяемые. Когда эти термины иногда используются, то во всех случаях отвечающий требованиям диапазон электромагнитного излучения включает в себя частоты, перечисляемые в других местах настоящего описания, которые могут быть в соответствии с некоторыми стандартами считаться низкими «радиочастотами», а не более высокими «микроволновыми» частотами.

Измерения поглощения и отражения осуществляли для нескольких различных углей, рядовых и обогащенных; при этом также могут быть осуществлены измерения для нескольких компонентов угля, таких, как зола, пирит и сераорганическое соединение. Результаты измерений поглощения электромагнитного излучения в диапазоне частот от 0,5 ГГц до 18 ГГц (от 500 МГц до 18000 МГц) представлены на фиг.1 для двух образцов одного и того же рядового лигнита (верхние кривые) и обогащенного лигнита из восточного Техаса. Следующие особенности являются очевидными в этих результатах измерений и во всех результатах измерений поглощения, выполненных заявителем:

- Общая тенденция снижения степени поглощения справа налево свидетельствует о том, что эффективность поглощения электромагнитного излучения этим углем (и всеми углями) уменьшается по мере перемещения к более низким частотам; следовательно, проникновение излучения в уголь сильнее на более низких частотах.

- Пики, видимые вблизи 0,8; 2,45; 5,75 и 11,6 и, несомненно, начинающиеся вблизи 18 ГГц, представляются связанными друг с другом; например, частота около 11,6 ГГц пика поглощения почти точно равна удвоенной частоте 5,75 ГГц предшествующего пика поглощения. Эти особенности имеются во всех результатах измерений поглощения электромагнитного излучения исследовавшимися углями. Заявитель считает, что эти особенности отражают реакции, специфические для одного или нескольких компонентов угля или, возможно, связанные с вращательной энергией больших молекул (углеводорода или серы) или реакции обеих видов. Особый интерес представляют явления, заметные на всех результатах измерений, выполненных заявителем, заключающиеся в том, что (а) эти особенности все еще различимы для обогащенного угля, но значительно ослаблены по сравнению с фоном, и в том, что (b) зависимости уровней поглощения от частоты для фона (связанной воды) и для пиков значительно меньше для обогащенных углей.

Диапазон частот, выбранный для этих измерений, охватывает большую часть микроволновых частот, при этом более низкие частоты, возможно, переходят в область радиочастот, что зависит от того, как определять эти термины. Отмеченные частоты 0,322; 0,460; 0,915 и 2,45 ГГц соответствуют основным частотам электромагнитного излучения в пределах этого диапазона, который выделен для бытового и отчасти для международного использования. Частота 2,45 ГГц является наиболее употребительной, будучи частотой широкого использования в кухонных микроволновых печах. Частота 0,915 ГГц является частотой выбора во всем мире для устройств индукционной сушки, например, сушки отверждающейся керамики, макаронных изделий, кормов для домашних животных, земляных орехов, нетканого полотна и т.д. Отметим их близость к двум упомянутым выше пикам. Пики приблизительно на 5,75, приблизительно на 11,6 и приблизительно на 18 ГГц позволяют рекомендовать эти частоты в качестве параметров выбора для микроволн в этом процессе.

Данные обеспечивают достаточную информацию для перехода к следующему этапу, необходимому для расчета основной системы электромагнитного излучения. Использование этой информации поясняется ниже (пункт 7).

2. Вычисление глубин проникновения электромагнитного излучения в мокрые и сухие угли на отвечающих требованиям частотах электромагнитных волн и выделенных для национального и международного использования в микроволновых устройствах

При дальнейшей попытке понять взаимодействие электромагнитного излучения с углями были выполнены обширные теоретические вычисления, основанные на проведенных заявителем исследованиях взаимодействия электромагнитного излучения и материалов в нескольких лабораториях, которые организовывались для таких исследований на протяжении всего периода, берущего начало в конце 1960-х годов. Эти вычисления включают в себя расчет эффектов поглощения и отражения электромагнитного излучения путем использования различных физических параметров, относящихся к мокрым и сухим углям, к слоям углей, находящимся в контакте и с воздушными промежутками, и температурных эффектов и глубин проникновения для большого числа входных параметров. Измерения электромагнитного излучения в обеспечивающих лабораториях включают в себя исследования влияний размера и формы частиц, шероховатости поверхности и электромагнитных свойств.

Результаты вычислений глубин проникновения на каждой из упомянутых выше четырех частот приведены на фиг.2. Хотя результаты вычислений представлены для несвязанной или свободной воды при 25°С (свойства изменяются с температурой), в первом приближении различия в глубинах проникновения на различных частотах также применимы к углю, особенно к очень влажному углю. Говоря иначе, проникновение очень сильно возрастает по мере перемещения к более низким частотам; как например показано, проникновение электромагнитного излучения в воду на 0,322 ГГц более чем в 30 раз больше проникновения на 2,45 ГГц. Существенно, что при лабораторном обогащении заявитель обнаружил, что на 2,45 ГГц проникновение в различные угли может быть от 3 до 4 раз больше, чем предсказываемое. Заявитель приписывает это различие главным образом тому, что вода в угле распределена случайным образом и отсутствует в одном или нескольких слоях; то есть, имеются пути, пролегающие сквозь уголь, по которым электромагнитное излучение будет встречать слабое сопротивление, или вода отсутствует, и в результате проникновение происходит более легко, или в некоторых случаях оно осуществляется непосредственно сквозь уголь в этих областях. Кроме того, проникновение очень сильно возрастает по мере повышения температуры угля и захваченной им влаги. Дополнительный, но менее значительный фактор вытекает из различий в свойствах свободной и связанной воды. В данном случае важно отметить, что температуры поверхностей угля во время обогащения чаще всего составляют 70°С и выше, последнее происходит, когда также необходимо снизить содержание серы и золы. Поскольку внутренние температуры могут быть еще выше, чем температуры поверхности, глубокое проникновение может гарантироваться путем соответствующего выбора рабочей частоты электромагнитных волн и путем обращения пристального внимания на температуры, измеряемые во время обогащения.

Важность таких измерений, особенно при удалении влаги, вытекает из того, что повышение глубины проникновения по мере приближения к более низким частотам более чем компенсирует относительно небольшое понижение эффективности поглощения в воде (фиг.1). Эта взаимосвязь непосредственно влияет на необходимость повышения глубины проникновения в обогащаемый уголь, если должны пропускаться большие количества материала, обеспечивающие рентабельность.

3. Определение характеристик рядового угля

Диапазон углей простирается от мягкого влажного бурого материала до очень твердого, блестящего черного, плотного, а их физические и химические свойства могут в значительной степени изменяться в зависимости от того, как, когда и где материалы были осаждены, от видов органических материалов, имевшихся первоначально, и их изменения со временем. Размеры и формы, твердость, способность улетучиваться, содержание углерода, следовых минералов, возгорание и другие свойства изменяются очень широко в пределах каждой категории угля, от шахты к шахте и в пределах каждой шахты или пласта.

Ниже определяются следующие характеристики рядовых углей, выбранных для обогащения: влажность, БТЕ/фунт, зольность, формы серы (например, пирит, сульфат, сераорганическое соединение), размеры, структура и твердость (способность к размолу). Первый этап при определении характеристик любого рядового или несортированного угля, обогащение которого предполагается, заключается в выборе образцов угля в соответствии с принятыми стандартами. Эти стандарты включают в себя стандарты Американского общества по испытанию материалов, D 338 (классификация углей по категориям), D 2013 (способ подготовки образцов угля для анализа), D 3180 (стандартная практика вычисления результатов анализов угля и кокса на основании различных баз) и стандарты в US Geological Survey Bulletin 1823 (способы отбора проб и неорганический анализ угля). Для некоторых углей и лигнитов имеются значительные заметные различия, касающиеся структуры (например, гладкая или шероховатая, или пластинчатая), цвета (например, коричневый, как некоторых пылевидных азиатских лигнитов, черные и твердые лигниты из восточного Техаса с нитями или прожилками, или мозаичные) и состава (например, тяжелые или легкие с заметными фрагментами золы или пирита, или даже с фрагментами древесной структуры растительного вещества или древесины, видимыми в некоторых лигнитах), увлажнения или обезвоживания, распределения размеров образцов и т.д. Кроме того, некоторые исходные образцы отбирают для исследования на основании только таких поддающихся наблюдению характеристик, а некоторые образцы, которые имеют эти признаки, случайным образом перемешанные, также отбирают для полного исследования каждого из многочисленных различий, замеченных в углях. Поскольку нет единственного стандарта, который предусмотрен для такого многообразия, то был разработан всесторонний и согласованный способ выборки, при помощи которого такие различия не остаются неисследованными.

При следовании к цели представления на рассмотрение технологии обогащения угля следующим этапом является выбор известной по опыту и общепризнанной исследовательской лаборатории (например, Standard Laboratories, Inc.), которая сертифицирована на проведение исследований насколько возможно самого широкого ряда физических и химических характеристик угля. Может измеряться каждая из нижеследующих характеристик: процентное содержание влаги, процентное содержание золы, процентное содержание летучих веществ, процентное содержание связанного углерода, БТЕ/фунт (до обработки, в пересчете на сухое вещество и без влаги и золы), формы серы (процентное содержание общей серы, пирита, сульфата и сераорганического соединения, до обработки и в пересчете на сухое вещество), показатель Хардгрова способности к размолу, содержание ртути (число частей на миллион), температура плавления золы и анализ минералогического состава золы. Термины, используемые в настоящей заявке, определены Standard Laboratories и являются общеупотребительными среди специалистов по испытанию угля, и охарактеризованы в другом месте.

Важно (а) исследовать достаточное количество образцов, чтобы их было больше, чем число образцов, отобранных вследствие их различных внешних видов, (b) передать большее количество образцов каждого вида, чем требуется для исследования, (с) тщательно документировать в каждом случае критерии, использованные для отбора, и (d) сохранять контрольный образец из каждой партии исходных образцов, переданных на исследование. После получения результатов исследования и оставшихся образцов, не использованных в исследовательской лаборатории, важно тщательно занести результаты, например, в электронную таблицу (например, используя программное обеспечение Excel™), что даст возможность осуществлять различные статистические выборки, усреднение и т.д. Важно тщательно изучать результаты исследований с тем, чтобы обнаруживать возможные корреляции между результатами исследований и различными использованными критериями отбора, включая замеченные различия во внешнем виде. Таким путем можно полностью и надлежащим образом охарактеризовать распределение или диапазон характеристик, который может быть указан для представления средней выбранной партии угля.

4. Описание обогащения угля (например, требуемых характеристик и количеств, подлежащих обогащению)

Затем определяют задачи обогащения обычно, но не всегда, отчасти исходя из стремления получить улучшенные характеристики для собственных углей или зарубежных углей, ввезенных для конкретных нужд. Эти задачи могут включать в себя улучшение одной или нескольких характеристик горения углей, при этом одни и те же улучшения осуществляют для всего угля или обогащают часть угля до более высоких пороговых значений характеристик и смешивают его с необогащенным углем, чтобы в среднем получить требуемые общие характеристики. Например, на электростанции, где сжигают низкосортные лигниты с невысоким БТЕ/фунт, часто доставляют высокосортные западные угли для смешивания с низкосортными углями, пытаясь получать меньшие выбросы отходов и повышать рабочий коэффициент полезного действия.

Другие важные соображения относятся необходимой пропускной способности. Для мелкомасштабных потребителей, которые расходуют от 25000 до 50000 т в год, дешевая поставляемая партия может быть обогащена в периодическом режиме или в периодическом/непрерывном режиме. При последнем способе можно использовать ящики или барабаны, которые загружают углем, перемещают в заданное положение под систему обогащения с объемным электромагнитным излучением, обогащают, отделяют от обрабатывающего устройства и перемещают вдоль технологической линии для вывода и выгрузки в то время, как следующие загруженные углем контейнеры перемещают в заданное положение для обогащения. При очень высокой пропускной способности, необходимой в большинстве случаев транспортировки и обогащения, уголь обогащают непрерывным способом, в потоке. Это налагает одно из наиболее сложновыполнимых требований на любую систему обогащения и это является одной из нескольких причин, по которым группы ученых и инженеров-технологов неустанно работают в течение десятилетий, пытаясь разработать, но без успеха, полезное и доступное средство для обогащения угля до сжигания. Значимость пропускной способности для конструкции и работы системы обогащения показана примером в разделе 7 ниже.

5. Использование мелкомасштабных (от 10 до 40 фунтов) лабораторных исследований для определения реальной реакции каждого угля на ключевые параметры процесса

Угли предварительно обогащали и исследовали в управляемой лабораторной установке для определения в первую очередь реакции углей в системе обогащения, рассчитанной для использования в эксплуатационных условиях. Информация, полученная в результате этого исследования, гарантирует, что система обогащения может в действительности решать задачи, для которых она предназначена. Из партии угля систематически отбирали пробы и обогащали для получения уверенности в том, что результаты обеспечат эти значащие входные данные для проектирования основной системы обогащения.

При исследовании использовали усовершенствованную лабораторную систему обогащения, специально спроектированную для этой цели. Лабораторная система имеет следующие характеристики:

- Частота микроволнового излучения составляет 2,45 ГГц. Из информации, полученной из фигур 1 и 2, следует, что можно «предварительно обогащать» уголь на частоте, отличной от частоты системы обогащения, предназначенной для использования в эксплуатационных условиях, и после этого можно связать результаты на этой частоте с результатами, которые можно ожидать на частоте эксплуатационной системы. Такая корреляция была дополнительно подтверждена хорошим соответствием характеристик, полученных в результате обогащения углей одной той же партии при использовании двух различных частот в непрерывном режиме и одной из этих частот в порционном режиме.

- Для облучения образцов была предусмотрена герметичная, не допускающая утечек микроволновая камера с легкой фронтальной загрузкой и с возможностью обогащения от 10 до 40 фунтов; при обогащении меньших количеств становится более трудно гарантировать обогащение достаточного количества образцов для получения соответствующей оценки их реакций в системе со многими параметрами, предназначенной для обогащения углей в эксплуатационных условиях.

- Система обеспечивает возможность изменения мощности подводимого электромагнитного излучения в любой степени во всем диапазоне от сотен ватт до свыше 3000 Вт. Отчасти эта гибкость обусловлена тем, что заявитель использовал три магнетрона, в результате чего изменение рабочего цикла мощности происходит на таких коротких интервалах, что это приблизительно эквивалентно возможности мгновенно изменять уровень мощности.

- Упомянутые выше три магнетрона тщательно располагают в заданных местах для получения «надлежащих» ориентаций полей. Например, выходная мощность каждого из трех магнетронов 1002 может быть индивидуально направлена по прямоугольному волноводу в рабочий резонатор с настроечным устройством 1003 и отверстием 1004 в его части для контроля мощности (см. фиг.13). Направление поляризации микроволн, вдоль которого электрическое поле совершает колебания, перпендикулярно к более широкой раскрытой стороне волновода на вводе резонатора. Любые две соседние входные поляризации должны быть ориентированы соответствующим образом, например перпендикулярно друг к другу, чтобы минимизировать связь между соответствующими двумя магнетронными источниками. Точно так же три ввода соответствующим образом располагают на резонаторе с тем, чтобы минимизировать нежелательные взаимодействия магнетронов. Магнетроны могут быть использованы поодиночке или совместно, при этом уровень мощности может выбираться на каждом. Регулировкой (или заданием) положения и глубины перемещающегося зонда в упомянутом выше настроечном устройстве обеспечивается эффективный поток энергии микроволнового излучения с помощью так называемого «согласования полного сопротивления» между источником и нагрузкой. Настройка легко контролируется посредством детектора, связанного с отверстием 1004 для контроля мощности, показанным на фиг.13. Обширные временные и температурные испытания проводили с использованием воды, при этом величину мощности, входящей в резонатор, измеряли на каждом отверстии 1004 для контроля мощности микроволнового излучения, а результаты измерения роста температуры определенного количества воды в различных местах в резонаторе давали значения реальной поглощенной мощности. Исследовалось и было подтверждено смешение мод (то есть конфигурации (конфигураций) или формы (форм) электромагнитной волны в камере). Выполнялись калибровки. Значительное перемещение воздуха относительно камеры и отдельно относительно источников питания применялось для обеспечения их стабильности.

- Кроме того, система обеспечивает возможность управления интенсивностью воздушного потока с инертным газом или без него. Входное отверстие предусмотрено для принудительной подачи воздушного потока внутрь, а выходные отверстия/улавливающие ячейки предусмотрены для переносимых воздушным потоком жидкостей и газов, выходящих из камеры обогащения. Полезно иметь одно отверстие, пригодное для доступа в камеру, для выполнения дистанционных измерений температур поверхностей угля во время обогащения.

Для этой системы не требуются устройства для измерений в реальном времени содержания влаги, содержания золы, содержания серы или содержания следовых минералов, или системы обратной связи, соединенные с органами управления процессом. Любая система с аналогичными возможностями будет отвечать требованиям, изложенным в настоящей заявке.

Первый этап исследования угля в Standard Laboratories и других лабораториях по исследованию углей заключается в измельчении образцов и после этого в определении ожидаемых характеристик. Обогащение возвращенных измельченных образцов вступает в противоречие с тем, как угли должны обрабатываться в промышленной практике, при этом возникает необходимость показать, что обогащение несортированного угля даст те же самые результаты, какие получаются при обогащении того же самого угля, но измельченного до обогащения. На шахте или электростанции для измельчения угля до обогащения потребуется найти дополнительное непредусмотренное время и увеличить затраты.

Основываясь на указанной выше озабоченности, заявитель выбрал проведение при всех обстоятельствах обогащения несортированного угля, а не измельченного угля, возвращаемого из Standard Laboratories после исследования в ней. Для получения результатов, которые являются более представительными, чем результаты до и после исследований по обогащению тех же самых углей, два различных набора из несортированных рядовых углей выбирали для каждой партии угля, подлежащего обогащению. При таком подходе необходимо, чтобы в каждом наборе рядовых углей исследовалось достаточное количество образцов, а для обогащенного набора гарантировалось, что методология действительно является статистически значимой и что она в среднем должным образом отражает характеристики рядового и обогащенного углей. Этот подход убедительно поддерживается исключительной воспроизводимостью результатов этих измерений; например, различные образцы с совершенно одинаковой начальной массой почти всегда теряют совершенно одинаковое количество массы при обогащении одним и тем же способом. Кроме того, заявитель не смог получить ту же самую эффективность системы обогащения или непротиворечивость результатов при обогащении измельченных образцов тех же самых углей.

Отметим, что этот этап процесса предназначается для дополнительного определения и уточнения конструкции основной системы обогащения предназначенных для нее углей и не заменяет полномасштабных испытаний конечной системы обогащения.

6. Сбор исходной информации для каждого угля

Собирают исходную информацию, такую, как место нахождения каждого угля, предназначенного для обогащения (угольная шахта или электростанция общего пользования), количества углей и как они транспортируются (конвейерные ленты или грузовые автомобили, или баржа, и/или угольный поезди т.д.), имеющееся пространство для размещения системы, доступная электрическая энергия и ее стоимость и как лучше перемещать уголь в обрабатывающее устройство и из него. Факторы места, габариты, конфигурация и конструкция системы обогащения непосредственно находятся под влиянием обстоятельств, таких, как доступность достаточной энергии и воды на шахте или на площадке электростанции, имеющееся пространство для размещения системы (обычно ограниченное на электростанциях) и средство транспортировки и скорости, с которыми уголь транспортируется на площадку. Конвейерные ленты используют для транспортировке угля на большинстве шахт и электростанций, при этом они имеют различные размеры, скорости и материалы лент. Поскольку ожидается, что существующими конвейерами уголь будет транспортироваться в систему обогащения и из нее, а в некоторых случаях даже передаваться в рабочую камеру, то входное подающее и выходное разгрузочное устройство и их размеры рассчитывают под рассматриваемые конвейерные системы. Если конвейерными лентами осуществляется передача в рабочие камеры, то их материалы становятся имеющими особое значение и должны приниматься в расчет как при проектировании, так и при работе системы обогащения; например, металлические (отражающие электромагнитные волны) или неметаллические (поглощающие электромагнитные волны) материалы лент создают очень различные электромагнитные эффекты, а грохоты пропускают угольную пыль и угольную мелочь, что может привести к механическим проблемам в системе транспортировки.

Кроме того, нагрузочной способностью и скоростью конвейерной ленты непосредственно определяются пропускная способность и работа системы обогащения, независимо от того, проходит ли лента через рабочую камеру или связана с системой подачи угля системы обогащения.

7. Использование информации, полученной в соответствии с пунктами с 1 по 6, указанными выше, для разработки конструкции основной системы обогащения, предназначенной для каждой партии угля, выбранной для обогащения

Нижеследующее представляет собой тщательное рассмотрение примера расчета основанной на электромагнитном излучении системы обогащения, предназначенной для получения конкретной характеристики или характеристик горения после обогащения определенного твердого топлива или угля.

Исходные предположения, требования и выбираемые параметры:

Рядовой лигнит с влажностью 36% и 7300 БТЕ/фунт (соответствует углю из таблицы 3 в разделе «Экспериментальные результаты» ниже) обогащали с целью получения влажности 23% и 8000 БТЕ/фунт. Хотя в таблице 3 приведены результаты обогащения очень небольших образцов (в несколько фунтов) при умеренной мощности (от 5 до 20 кВт) в течение короткого времени (от 10 до 120 с), цель этого примера заключается в обеспечении руководства в части того, каким образом можно обогатить тот же самый уголь, но во много раз больших количествах и, следовательно, при более высокой мощности, но при сравнимых временах пребывания в системе.

Объем производства задают равным 10 т/ч или 66000 т в год (на основе 20 ч ежедневно в течение 330 дней), а лигнит обогащают на непрерывной основе или на лету. Норму (в данном случае 10 т/ч) обычно выбирает потребитель на основе текущей продукции шахты или той части продукции, которая должна быть обогащена, а для транспортировки количества угла, подлежащего обогащению, необходимы существующие системы транспортировки угля или их модификации.

Поскольку самые крупные куски лигнита на выходе типичных первых шахтных дробильных станций имеют наибольший размер около восьми дюймов, высота входной щели и других просветов для прохождения угля в рабочую камеру составляет от 9 до 10 дюймов. В других случаях используют этап предварительной обработки для удаления более крупных кусков или разламывания их на более мелкие куски. Размеры камеры имеют значение и часто ограничивают конструктивный параметр системы электромагнитного излучения (см. ниже).

Для выбора частоты электромагнитного излучения обратимся к фигурам 1 и 2.

Магнетроны (основные элементы, которые генерируют микроволны) на 2,45 ГГц, используют преимущественно для лабораторных, промышленных и кухонных печей относительно небольшой мощности, и их не производят для больших мощностей (например, 75 кВт или выше), необходимых для эффективного обогащения угля в соответствии со способами, описываемыми в настоящей заявке. Кроме того, на 2,45 ГГц не обеспечивается проникновение, необходимое для дозы угля и глубины переносчика угля. Размеры волновода и камеры для оптимально спроектированных систем электромагнитного излучения (с высокой эффективностью, равномерностью и безопасностью) на этой частоте слишком малы, чтобы соответствовать размерам угля, превышающим 1-2 дюйма.

Частота 0,915 ГГц является частотой выбора для многочисленных устройств сушки электромагнитным излучением, а магнетроны на 75 кВт и 100 кВт доказали свою пригодность и широко поставляются, и могут быть объединены для получения уровней мощности, необходимых для крупномасштабного обогащения угля (см. ниже). Ограниченная глубина проникновения и небольшие размеры системы электромагнитного излучения сужают область применения этой частоты до осуществления обогащения с небольшой пропускной способностью относительно малоразмерных углей.

Магнетроны, которые генерируют электромагнитное излучение на 0,460 ГГц, не производятся в США, и имеются трудности в их эксплуатации и обслуживании и соблюдении указанных в договоре сроков поставки.

Относительно новые на свободном рынке магнетроны, которые генерируют на 0,322 ГГц в широком диапазоне мощностей, производятся в США.

При обогащении, например, 10 т (20000 фунтов) угля в час снижение влажности на 13% соответствует удалению 260 фунтов воды на каждую тонну или в этом случае 2600 фунтов воды каждый час.

Измерения масс образцов до и сразу же после обогащения дают информацию, которая может быть непосредственно связана со снижением процентного содержания влаги. При дополнительных измерениях массы спустя 30 мин после окончания обогащения обнаруживаются снижения массы и еще спустя 24 ч всегда обнаруживаются еще большие снижения массы, дающие в сумме снижение массы после обогащения от 3 до 5%. По очень приблизительным подсчетам заявителя использование фазы предварительного нагревания (например, путем использования теплового или инфракрасного излучения на частоте, которая отличается от частоты подводимого позднее электромагнитного излучения, в отдельной камере или в отдельной части камеры) до активного обогащения электромагнитным излучением может дополнительно снизить массу от 2 до 3%. Взятое в сумме для использованного здесь примера намеченное снижение влажности на 13% может быть осторожно уменьшено до приблизительно 8%, которое необходимо запланировать на сегмент обогащения электромагнитным излучением. Это снижение, вытекающее из предварительного нагревания, приводит к необходимости удаления 160 фунтов воды на каждую тонну при обогащении электромагнитным излучением вместо 260 фунтов, необходимых в варианте осуществления.

При коэффициенте полезного действия 100% и температуре окружающей среды электромагнитная энергия при мощности 1 кВт может испарить 3,05 фунта воды за час. В случае хорошо спроектированных систем электромагнитного излучения энергия в количестве 98% поглощается и преобразуется в теплоту. Для справки, для 1 кВт подводимой электромагнитной энергии требуется приблизительно 1,15 кВт электроэнергии, и при этом испаряются 2,989 фунта воды. Поэтому для удаления 160 фунтов влаги требуются 61,6 кВт электроэнергии (то есть, 160 фунтов, умноженные на 1,15 кВт на каждые 100 кВт подводимой мощности электромагнитного излучения, деленные на 2,989 фунтов). Из указанного выше вытекает необходимость мощности 533 кВт в час (20000 фунтов, деленные на 300 фунтов воды, умноженные на 8% на каждые 100 кВт). Поэтому могут быть использованы три отдельные системы, каждая мощностью 200 кВт. В зависимости от имеющегося пространства для размещения систем и устройств загрузки и погрузки, которые устанавливаются по месту, системы обогащения используют параллельно или на одной линии.

Другие параметры процесса и результаты наблюдений:

- Время обогащения или время пребывания в конвейерной системе обогащения:

Время обогащения (в ходе которого образец подвергают облучению) в зависимости от размера и конфигурации камеры обогащения, имеющейся в распоряжении мощности электромагнитного излучения и размера образцов, обычно составляет от 5 с до 45 мин. Для небольших образцов требуются более короткие времена обогащения и т.д. (см. таблицу 3). Времена пребывания в системе при высокопроизводительном обогащении могут быть масштабированы соответствующим образом, но существующими ограничениями по мощности накладываются требования, заключающиеся в том, что высокая производительность (сотни тонн в час) может быть получена только путем сочетания нескольких отдельных систем обогащения.

- Атмосфера камеры:

Сильный воздушный поток создают для отведения жидкостей и газов, возникающих в результате обогащения. Следствием недостаточного воздушного потока будет конденсация влаги на поверхности стенок камеры, приводящая к потере электромагнитной эффективности и образованию дуги и, возможно, к возгоранию, которое должно быть исключено. Необходимая величина воздушного потока зависит от размера рабочей камеры, размера обогащаемых образцов, количества побочных продуктов, выделяющихся в камере, температуры воздуха и т.д. Самый простой путь контроля достаточности воздушного потока заключается в периодической приостановке обогащения для обследования поверхностей камеры, чтобы посмотреть, не являются ли они мокрыми. Одновременно полезно наблюдать за образованием трещин и любым возможным посерением или покраснением углей, которое может быть следствием возникновения горячих точек. Наконец, если побочные продукты будут замечены выходящими из камеры через патрубок или улавливающие поглотители-змеевики, то, скорее всего, воздушный поток является адекватным.

- Температура угля:

Исключительно для снижения влажности температуры поверхностей углей должны поддерживаться около 100°С или ниже. Это без труда контролируют переносными (инфракрасными) датчиками температуры или на расстоянии с помощью тепловых зондов, располагаемых внутри рабочей камеры.

- Использование инертного газа:

Если температуры углей поддерживаются на уровнях, рекомендованных для снижения влажности, то не должно быть воспламенения и горения, а инертный газ не требуется. В вариантах осуществления, в которых используют инертный газ, его можно пропускать через камеру со скоростью по меньшей мере 15 футов³/ч.

- Водород:

Газообразный водород не является необходимым для снижения влажности. Однако газообразный водород может подаваться в течение фазы процесса, на которой происходит восстановление серы.

- Работающая в реальном времени система измерения влажности, зольности, содержания серы, следовых минералов и температур:

На практике, для гарантии того, что намеченные уровни характеристик будут достигаться, а обогащение не будет недостаточным или чрезмерным, системы измерения и обратной связи связаны с параметрами процесса, такими, как электрическая мощность, подводимая мощность электромагнитного излучения (и возможность изменения уровня мощности и продолжительности включения и выключения) и время обогащения.

В случае примера, приведенного в настоящей заявке, и при соблюдении рекомендованного выше необходимо изменять только подводимую мощность электромагнитного излучения и время облучения и следует контролировать только температуры поверхностей.

- Исследование характеристик горения в собственной и сертифицированной по углю испытательных лабораториях:

Поскольку имеется прямая корреляция между потерями массы и снижением процентного содержания влаги, выполнение измерений массы до и после обогащения и даже в течение обогащения должно быть частью режима обогащения. Наконец, в лабораториях по испытанию углей могут быть обеспечены быстрые и точные измерения процентного содержания влаги и БТЕ/фунт для дополнительного подтверждения того, что намеченные уровни были достигнуты.

8. Изучение местных, на уровне штатов и федеральных разрешающих и регулирующих требований и влияния их на проектирование и работу системы обогащения, включая сбор и обработку побочных продуктов

Возможно ли спроектировать систему сухого и одноэтапного обогащения, которая может удовлетворять всем указанным выше требованиям? Одним словом, да. Но до окончания проектирования интеллектуальной системы обогащения, посредством которой можно придать определенные необходимые характеристики конкретному углю, следует прежде всего тщательно изучить все местные, на уровне штатов и федеральные разрешающие и регулирующие требования относительно места, на котором система обогащения должна будет использоваться; эти требования могут влиять и часто влияют на конструкцию и работу системы обогащения угля. После принятия во внимание этих требований указанная выше основная система обогащения может быть при необходимости видоизменена.

К шахтам и работающим на угле электростанциям предъявляются различные наборы требований, часто являющиеся результатом различий в конструкции и эксплуатации системы для двух классов рабочих площадок и даже в пределах данного класса. Например, на многих электростанциях стремятся получать и сжигать любой ранее опробованный уголь с характеристиками, отличными от характеристик углей, в настоящее время одобренных для использования, даже если документировано, что «новые» угли являются более чистыми и более безвредными для окружающей среды. При этом может даже потребоваться проектирование систем обогащения так, чтобы они удовлетворяли определенным требованиям к процессу горения, одному или в совокупности, таким, как ограниченные выбросы SO₂ или NO_x, или СО₂. Некоторые из требований аналогичны часто используемому термину «заключение о воздействии на окружающую среду». Примеры таких требования включают в себя:

- Выбросы жидкостей, твердых частиц и газов в результате осуществления процесса:

Выбросы жидкостей, твердых частиц и газов могут регулироваться элементами, представленными на фиг.4. Даже система, которая заключает в себе все побочные продукты процесса, должна быть сертифицирована на соответствие обязательным требованиям по обработке и сбору.

- Испускание запахов во время обогащения:

Изоляция образования побочных продуктов сама по себе исключает запахи; однако запахи должны быть минимизированы посредством системы воздушной продувки побочных продуктов. Если имеются сильные остаточные запахи, то может возникнуть необходимость добавления материалов с помощью воздушного носителя для поглощения или же минимизации запахов.

- Контроль воспламенения и взрыва:

Для удовлетворения этим требованиям имеются стандартные процедуры и системы, такие, как датчики температуры, инфракрасные детекторы и системы отображения.

- Контроль пыли:

При любых условиях транспортировки угля образование пыли всегда в основном связано с введением угля в камеру и выпуском из нее. Поскольку ожидается, что такая транспортировка угля будет осуществляться отчасти путем использования существующих на месте транспортеров, то содержание внешней пыли должно быть минимальным. Пыль, образующаяся в системе, должна контролироваться в системе обработки побочных продуктов.

- Загрязнение воздуха (включая дым или туман), химикаты и опасные материалы:

До отгрузки должны проводиться квалификационные испытания для подтверждения того, что система не загрязняет воздуха или по существу не загрязняет. Никакие химикаты или опасные материалы не должны использоваться или вводиться в систему, за исключением возможного использования инертного газа, который не считается опасным.

- Безопасность и защита от электромагнитного излучения:

Безопасные уровни воздействия микроволнового излучения являются определенными и регламентированными, при этом требуется, чтобы каждая и всякая система обогащения, в которой используется микроволновое излучение, была сертифицирована на предмет соответствия этим уровням и стандартам. Многие производители крупных микроволновых систем сушки обеспечивают соблюдение этих норм путем конструирования систем таким способом, который делает системы непрактичными и непригодными для использования при большой пропускной способности, необходимой при обогащении угля.

Одно решение, используемое одним из производителей микроволновых систем, заключается в сосредоточении внимания на минимизации или полной изоляции микроволн; то есть, поддающаяся обнаружению утечка отсутствует. Важно отметить, что материалы, выходящие из микроволновой камеры после обогащения, все еще испускают микроволновое излучение некоторого уровня в течение короткого периода времени даже после выхода из-под действия микроволн, включая пищевые продукты, удаляемые из кухонных микроволновых печей, хотя эти уровни очень небольшие. В дополнение к внутренним конструкциям системы, которые блокируют выход микроволн, можно экранировать системы снаружи соответствующим образом размещаемыми металлическими экранами и металлической клейкой лентой. В любом случае проводят регулярные и систематические наблюдения в поиске утечки микроволн для гарантии того, что безопасность системы не нарушилась. Детекторы утечки микроволн могут быть приобретены или спроектированы и изготовлены для конкретного применения.

9. Модификация основной системы обогащения

При необходимости основную систему обогащения модифицируют на основании информации из пункта 8 выше.

10. Проектирование, изготовление и испытание каждой из четырех основных технологических подсистем

Каждую из четырех основных технологических подсистем (а именно, систему предварительного нагревания, систему электромагнитного излучения, систему измерения многих параметров и обратной связи и систему обработки побочных продуктов) проектируют, изготавливают и отдельно испытывают.

11. Объединение и проверка работоспособности четырех подсистем при совместной работе

Следующий этап заключается в объединении и проверке работоспособности четырех подсистем при совместной работе с последующей оценкой качества и проверочными испытаниями по полной программе, при этом для проверочных испытаний по полной программе используют образцы из партии угля, для которой процесс был предназначен.

Этапы 10 и 11, указанные выше, представляют собой проверенную эффективную и стандартизованную методологию, предназначенную для использования при разработке основной системы, которая состоит из нескольких подсистем и используется в лабораторных и промышленных условиях и даже в океане, атмосфере и в условиях космоса, где оборудование часто должно управляться дистанционно.

12. Установка на месте эксплуатации

После успешного завершения исследования характеристик полной системы обогащения изготовленную по заказу и полностью испытанную интеллектуальную систему отправляют к предполагаемому месту эксплуатации. После получения систему дополнительно проверяют для обеспечения гарантии отсутствия изменений вследствие отгрузки и транспортировки. Затем систему обогащения перемещают на предназначенное для нее место и объединяют с существующей на месте системой транспортировки угля (или производят изменения в существующей системе), а при необходимости с электрическим оборудованием, с системами, подающими воду, воздух или вырабатывающими инертный газ, и дополнительно проверяют до ввода в эксплуатацию.

В. Управление, контроль и эксплуатация

Если не осуществлять управление с тем, чтобы изменять порядок выбора частоты или других параметров процесса, то обогащение приводит к растрескиванию матрицы угля с последующим выделением влаги и затем золы, и затем серы. Для некоторых углей этапы разделяются и обособляются, тогда как для других существует перекрытие этапов; например, для некоторых углей выделение золы и серы начинается, когда влага все еще высвобождается.

Для получения некоторых характеристик и контроля общей равномерности обогащения температуры поверхностей угля измеряют в нескольких местах в рабочей камере в то время, когда уголь обогащают. Поскольку угли не являются одинаковыми по размеру, форме или характеристикам и неравномерно распределяются на конвейере, такие температурные измерения могут рассматриваться как обеспечивающие в среднем представительные данные. Кроме того, поскольку угли подвергаются растрескиванию, некоторые из измеренных температур могут приближаться к внутренним температурам, которые обычно несколько выше. Имеет смысл обеспечивать возможность исключения значительных изменений температуры путем регулирования при необходимости мощности микроволн в таких зонах.

Влага, высвобождаемая из угля, может быть собрана любым из нескольких способов, таких, как, но без ограничения ими:

- влага может быть сконденсирована на стенках камеры и вытеснена вниз сухим воздухом в систему сбора и хранения, находящуюся под рабочей камерой;

- влажный воздух может быть вытеснен из камеры сухим воздухом принудительной подачи (при положительном давлении) вдоль оси рабочей камеры, а затем влага из воздуха может быть собрана конденсацией; и

- влажный воздух может быть вытянут из камеры сухим воздухом принудительной подачи (при отрицательном давлении), а затем влага из воздуха может быть собрана конденсацией; небольшие частицы (не мелкие) и газы приводятся в движение к улавливающему элементу, где они собираются, разделяются и хранятся.

Если обезвоживание и повышение БТЕ/фунт имеют первостепенное значение или, вернее, изменения желаемых характеристик, то в состав может быть включена работающая в реальном времени система анализа влажности и обратной связи. Посредством этой системы можно определять, когда при обогащении достигаются уровни влажности, при которых обеспечивается нужное значение БТЕ/фунт, и в таком случае при необходимости может изменять режим обогащения или прекращать его.

Если конкретные величины уменьшения золы и серы относятся к основным требуемым изменениям, то в состав может быть включен работающий в реальном времени анализатор уровня химических сигнатур (серы и золы). Как и раньше, по усмотрению может быть использована система обратной связи для изменения или прекращения обогащения. По усмотрению, при необходимости также может поставляться для использования станция отбора проб, взвешивания и контроля.

На практике и для большей части углей требуются минимальные выборочные исследования и испытания, в реальном времени или автономные, и оператор-технолог может использовать предшествующий опыт для составления мнения о моменте достижения необходимых уровней характеристик углей. Угли выходят из камеры обогащения в выгрузной лоток, который предназначен для установки на месте нахождения системы и рассчитан на поточное производство (тонны в час); например, лоток может быть предназначен для подачи на погрузочную станцию, для связи с другим конвейером и т.д.

Общий результат заключается в том, что эта методология обогащения с ее возможностью реализации адаптированных систем позволяет получать угли с индивидуальными характеристиками; то есть, уголь любой категории или формы может быть обогащен с тем, чтобы он стал новым и иным углем с любым широким рядом характеристик по выбору заказчика. Говоря иначе, эти методологии могут быть использованы для создания новых углей с разнообразными улучшенными топливными характеристиками, не обнаруживаемыми у рядовых, необогащенных углей.

С. Варианты осуществления способа

На фиг.3 показана блок-схема последовательности операций примерного способа 100. В способе 100 отражены этапы транспортировки и обогащения, предназначенные для улучшения характеристик горения топлива, такого, как уголь или другого топлива на углеродной основе. Способ 100 может быть осуществлен или же выполнен на различных системах и установках. Способ 100, описываемый ниже, осуществляют в системе 200, схематически показанной для примера на фиг.4; и различные элементы системы 200 упоминаются при пояснении примерного способа фиг.3. Изобретение может быть реализовано и может быть осуществлено в других системах, а также с помощью других процессов. Теперь обратимся к подробному описанию примерных вариантов осуществления изобретения, иллюстрированных сопровождающими чертежами. В нижеследующем описании одни и те же позиции используются на всех чертежах для обозначения одинаковых или аналогичных деталей.

В каждом блоке, показанном на фиг.3, отражен один или несколько этапов, осуществляемых в способе 100. Примерный способ 100 начинается в блоке 102, при этом согласно блоку 102 неочищенное топливо принимают для обработки. Например, рядовой уголь может быть принят для обогащения способом 100 в секцию 202 неочищенного топлива, показанную на фиг.4 и описанную ниже.

В некоторых случаях неочищенное топливо сортируют по размеру. Неочищенное топливо сортируют по размеру, чтобы довести до заданного размера посредством дробильного устройства. Например, рядовой уголь может быть сортирован по размеру в секции 202 неочищенного топлива, показанной на фиг.4 и описанной ниже.

После блока 102 следует блок 104, согласно которому определяют характеристику состава топлива. Топливо анализируют для определения характеристики состава, такой, как содержание влаги в топливе. Например, анализатор влажности может быть использован в технологической конвейерной секции 204 и/или в системе 206 обратной связи (показанной на фиг.4) для определения содержания влаги в топливе.

За блоком 104 следует блок 106, согласно которому определяют характеристики угля, требуемые потребителю. Требуемые характеристики угля и состав рядового угля используют для определения «конструктивных» параметров выбранной системы обогащения. Мощность и продолжительность подвода энергии могут быть основаны на требуемых характеристиках горения, таких, как содержание влаги, и также могут быть основаны на относительной скорости или количестве топлива, пропускаемого относительно генератора 208 электромагнитного излучения (показанного на фиг.4). «Продолжительность» подвода энергии может быть выражена в виде относительной длительности включения, в результате чего мощность циклически изменяется с включением и выключением для обеспечения пониженного уровня средней мощности. В приведенном выше примере содержание влаги в рядовом угле и требуемые характеристики используют для определения количества волновой энергии и других параметров процесса, необходимых для получения угля, «отвечающего замыслу». Используя анализатор влаги, посредством системы 206 обратной связи можно контролировать топливо и избирательно регулировать мощность и длительность воздействия электромагнитной энергии для получения требуемого уровня влажности.

В варианте осуществления системы, описываемом ниже, группа генераторов электромагнитного излучения (аналогичных 208) может быть возбуждена для подведения выбранного количества электромагнитной энергии к слою угля на настиле конвейера или на технологическом конвейере 204, проходящем вблизи генераторов электромагнитного излучения так, что слой угля пронизывается в достаточной степени для удаления конкретного количества влаги, золы и серы из слоя угля.

После блока 106 следует блок 108, согласно которому к топливу подводят электромагнитное излучение с заданными частотой и волновой энергией и инертные газы. Как ниже описано относительно варианта осуществления системы, группа генераторов электромагнитного излучения может быть возбуждена для подведения определенного количества волновой энергии к топливу.

За блоком 108 следуют блоки 110, 112 и 114, согласно которым побочные продукты удаляют или же отбирают из топлива. В результате подведения к топливу электромагнитной энергии посредством генератора электромагнитного излучения 208 один или несколько побочных продуктов, таких, как избыточная влага, зола или сера, могут быть получены из топлива. Как будет описано дополнительно ниже, согласно одному из блоков 110, 112, 114 эти побочные продукты собирают. Например, согласно блоку 110 количество влаги удаляют или же отбирают из топлива. Согласно блоку 112 из топлива удаляют или же отбирают количество серы. Согласно блоку 114 из топлива удаляют или же отбирают другие побочные продукты. Непосредственным результатом подведения электромагнитной энергии к топливу является улучшение характеристик горения топлива. Очищенное топливо собирается или же принимается в секцию 116 очищенного топлива.

D. Параметры обогащения топлива

Размеры и формы, твердость, летучесть, содержание углерода, следовых минералов, горение и другие характеристики углей изменяются в широких пределах. Поэтому выбираемые параметры обогащения угля также будут изменяться в широких пределах, при этом на изменение влияют следующие факторы: количество угля, подлежащего обогащению, время и места, имеющиеся для обогащения, будет ли уголь обогащаться в порционном режиме или непрерывно или при некотором сочетании режимов, цель, с которой осуществляют обогащение, и предполагаемое применение (применения) угля. Указанные раздельно общие характеристики не могут быть легко сделаны параметрами процесса, хотя, как изложено ниже, диапазоны, пригодные для использования при осуществлении процесса, могут быть идентифицированы.

1. Энергия электромагнитных волн

При осуществлении процесса могут быть использованы подходящие частоты электромагнитных генераторов, находящиеся в диапазоне от ниже 100 МГц до выше 20000 МГц. Можно использовать одну частоту или несколько частот, одновременно или поочередно, или поэтапно. Излучение частоты или частот может быть непрерывным или импульсным, или циклическим (то есть, синхронизированным так, чтобы осуществлялось включение и отключение во многом таким же способом, как при работе кухонных микроволновых печей).

2. Мощность

Мощность электромагнитных генераторов может быть от 100 Вт до 100000 Вт, продолжаясь до мегаватт.

3. Продолжительность обогащения

В зависимости от обогащаемого угля подходящий диапазон продолжительности электромагнитного излучения составляет от 5 с до 45 мин.

4. Производительность

Когда система рассчитана на работу в порционном режиме, вместимость системы может быть в пределах от унций до тонн. В системах непрерывного обогащения можно обрабатывать от десятков фунтов до сотен тонн в час. Для обеспечения большей однородности волновой энергии и результатов процесса атмосферой камеры может быть сухой кислород. Атмосферой инертных газов предотвращается образование окислов, таких, как SO₂, CO₂ и NO_x, во время обогащения и уменьшается опасность воспламенения и/или горения.

5. Температура угля и воздуха

Температура угля на его поверхности и внутри во время обогащения может быть в диапазоне от окружающей до приблизительно 250°С.

Относящимися к процессу параметрами являются температуры поверхностей обогащаемых углей и температура воздуха внутри рабочей камеры. Обогащение электромагнитным излучением в условиях лабораторных испытаний можно лучше оценить и понять, если осуществлять периодические измерения температур поверхностей углей; эти измерения могут быть легко осуществлены переносными инфракрасными датчиками или температурными зондами, располагаемыми внутри камеры. При крупномасштабном непрерывном обогащении угля такие измерения и контроль температур являются еще более важными. Пороговые значения температур предварительно определяют отдельно для каждой другой группы обогащаемых углей, и они зависят от задач обработки (например, только уменьшение влажности или в сочетании со снижением содержания дополнительных компонентов). Угли с высокой влажностью будут легче поглощать электромагнитное излучение, чем угли с низкой влажностью, и поэтому заданная температура может достигаться более быстро. Достижение или превышение пороговых температур воспламенения может приводить к снижению БТЕ/фунт углей, даже если горение исключают путем использования инертного газа. Поэтому системы обогащения снабжают связанными системами измерения температур и обратной связи для гарантии того, что, если температуры достигнут этих пороговых значений, будет немедленно инициировано изменение параметров процесса, таких, как мощность подводимых микроволн или продолжительность облучения, или воздушный поток. Такие пороговые значения температур могут быть предварительно определены в лаборатории для каждой группы характеристик существенно различающихся партий угля, при этом пороговое значение температуры может быть определено на основании опыта проведения обогащения.

Пороговым значением температуры другого вида является то, которое связано с изменениями в материалах, при этом в данном случае особый интерес представляет сера. Преобладающей формой, когда сера плавится при 119°С, является желтая прозрачная жидкость до температур 160°С, когда сера претерпевает молекулярное преобразование, в результате чего атомы серы образуют темную вязкую жидкость. Иначе говоря, температуры ниже 119°С или выше 160°С приводят к существенно различным физическим и химическим свойствам свободной серы или сернистой связи в угле и должны учитываться, чтобы иметь возможность снижать содержание серы любым предсказуемым образом. Во время исследования процесса заявитель наблюдал серу в каждой из этих различных форм. В качестве еще одного примера следует указать, что из одной партии угля из числа многочисленных отобранных углей испускались плотные облака желтых газов спустя несколько секунд после начала обогащения даже до выделения влаги. Не было другого исследовавшегося угля с аналогичной реакцией. Подобные соображения, касающиеся исследования предварительной обработки, применимы к золе, выделение которой в соответствии с этой методологией обогащения обычно предшествует выделению серы. Для удобства максимальный температурный предел может быть задан около 200°С, поскольку при более высоких температурах в угле могут создаваться другие, нежелательные изменения, или они могут слишком быстро вызывать изменение характеристик угля для того, чтобы их можно было контролировать.

Наконец, обнаружение более высокой температуры камеры, чем ожидаемая, может быть признаком горения и может выдвигать проблему безопасности, а также проблему, связанную с обогащением (то есть, возникает дополнительная причина для включения систем контроля температуры и обратной связи в качестве составной части всей системы обогащения). Системы для визуального контроля и дистанционного получения изображений также могут быть использованы для гарантии избыточности при решении проблем безопасности и обогащения.

6. Воздушный поток

Воздушный поток представляет собой важный и многоцелевой параметр процесса. Сухой воздух после фильтрации частиц является особенно пригодным, при этом интенсивность воздушного потока зависит от конфигурации и размера рабочей камеры и от того, каким образом уголь вводят в камеру и выводят из нее. Управляемый воздушный поток способствует перемешиванию воздуха в рабочей камере, обеспечивая более равномерное распределение теплоты в камере. Воздух является переносчиком побочных продуктов процесса, таких, как влага, мелкие частицы вещества и любые газы, которые возникают в результате обогащения. Достаточный воздушный поток сводит на нет любую возможность возникновения электрической дуги или искрообразования во время обогащения в случаях, когда обогащаемая партия (то есть, загрузка) является достаточно большой для формы, размера камеры и используемых уровней мощности.

Без воздушного потока влага конденсируется на стенках камеры, при этом создаются несколько отрицательных эффектов. Мокрые поверхности поглощают некоторую часть электромагнитного излучения, и в результате этого снижается общая производительность системы, при этом требуется более длительная обработка. Кроме того, влага попадает по каплям на уголь и приводит к неравномерному нагреванию и неравномерному проникновению электромагнитного излучения сквозь уголь, делая более трудным получение результатов, которые являются воспроизводимыми или типичными для всей партии обогащаемого угля. Следствием будет то, что через некоторые из углей внизу обрабатываемой партии не будет полностью проникать микроволновое излучение, и угли не будут растрескиваться в той же степени, как угли ближе к верхней части партии, и поэтому компоненты не будут высвобождаться в таком же количестве. Наконец, упомянутое выше неравномерное нагревание будет приводить к появлению так называемых горячих точек, которые являются предвестниками воспламенения, возгорания и горения, которые все должны быть исключены во время обогащения.

При наличии воздушного потока и без использования системы сбора и хранения побочных продуктов можно видеть пар, выходящий в ходе процесса. В течение только небольшого времени обогащения можно видеть бесцветный водяной пар, выходящий из камеры во время обогащения. Когда обогащение продолжают и/или используют другие параметры процесса для удаления других компонентов, пар изменяет цвет, при этом сначала пар имеет желтоватый оттенок и чувствуется другой запах, который является характерным признаком присутствия серы и сернистых соединений. Продолжающееся обогащение приводит к выделению темноокрашенных газов и жидкостей, содержащих серу в иных формах, и золы. Сера может выделяться, например, при температурах в диапазоне от 130°С до 240°С. Если обогащение достаточно продолжительное, в конечном счете также выделяются углеводороды и смолы, при этом выделение последних двух является нежелательным, поскольку это будет очевидной потерей теплосодержания углей.

7. Инертный газ

Использование инертного газа в камере является необязательным. Когда инертный газ используют в камере, количество инертного газа зависит от целей обогащения.

Инертный газ (предпочтительно, сухой азот или аргон) используют для нескольких целей. Любой из нескольких факторов может приводить к перегреву части партии угля или образца, или части глыбы угля до уровня, при котором могут быть воспламенение и горение. Использование атмосферы азота или аргона в камере будет предотвращать любое возгорание угля во время обогащения. Азот является легкодоступным в сухом газообразном виде, сохраняется в резервуаре и дозируется для использования в лаборатории, и поток от 20 до 25 футов³/ч является достаточным для выноса жидких и газообразных побочных продуктов во время обогащения в небольших микроволновых камерах кухонного размера и в то же время предотвращает горение. Могут быть использованы серийно выпускаемые системы разделения газов, используемые в обычной практике для других применений; когда требуются большие количества, например, для обогащения угля на шахте или работающей на угле электростанции, в этих системах азот отбирается непосредственно из воздуха. Азот представляет собой предпочтительный инертный газ вследствие его широкой доступности и низкой стоимости по сравнению с аргоном, но только в случае, если гарантируется, что обогащение угля будет прекращено до начала нежелательного выделения углеводорода и особенно до смолистых фаз, когда опасные соединения могут образовываться из химических соединений, являющихся следствием превышения пороговых значений температур или слишком длительного обогащения. Кроме того, использование атмосферы инертного газа в камере предотвращает образование оксидов, таких, как SO₂, CO₂ и NO_x, во время обогащения.

8. Водород

Использование водорода (например, подаваемого от генератора водорода) в камере является необязательным. Водород может вводиться для дополнительного сдерживания изменений, происходящих в угле во время обогащения.

9. Атмосферное давление в рабочей камере

Давление в рабочей камере обычно составляет одну атмосферу, но параметры процесса могут быть изменены, когда это необходимо, или при обогащении на высоте (выше уровня моря). В некоторых случаях также может быть применено разрежение.

10. Встроенные системы измерений

Встроенные системы измерений могут быть предусмотрены для измерения влажности, зольности, содержания серы, следовых минералов и температур в камерах. Все они спроектированы с обеспечением обратной связи для регулирования при необходимости параметров процесса для гарантии достижения намеченных уровней и непревышения их и тем самым для того, чтобы уголь не был недостаточно обогащенным или излишне обогащенным.

III. Установка. Вариант осуществления А

А. Секция неочищенного топлива

Система 200, показанная на фиг.4, включает в себя секцию 202 неочищенного топлива. Секция 202 неочищенного топлива может быть накопительным бункером, предназначенным для сбора рядового угля или же приема рядового угля, подлежащего обогащению посредством установки. Обычно рядовой уголь получают с удаленного места, такого, как угольная шахта, и собирают в секции 202 неочищенного топлива до тех пор, пока он не будет затребован для дальнейшей обработки. Неочищенное топливо, такое, как лигнит, антрацит, битуминозный, суббитуминозный уголь, с низким содержанием серы, с высоким содержанием серы и усредненный уголь, может сохраняться в хранилище неочищенного топлива до тех пор, пока не потребуется. Отобранные количества неочищенного топлива отмеряются в секции 202 неочищенного топлива для обогащения посредством других частей системы 200. Секция 202 неочищенного топлива может также включать в себя одно или несколько угледробильных устройств, которые разбивают относительно крупные глыбы угля на мелкие кусочки угля. Секция 202 неочищенного топлива может включать в себя оборудование, такое, как, но без ограничения им, мельница тонкого помола, угольная дробилка, шаровая мельница или дисковая дробилка. Например, угольная дробилка может быть использована для доведения размера рядового угля приблизительно до четырех дюймов (10 см) в диаметре. В соответствии с различными вариантами осуществления изобретения можно использовать уголь или другое топливо больших или меньших размеров.

В. Дополнительные взаимосвязанные системы

После секции 202 необогащенного топлива следует технологическая конвейерная секция 204. Технологическая конвейерная секция 204 взаимодействует с секцией 202 необогащенного топлива для приема заданного количества топлива, подлежащего обогащению.

Кроме того, технологическая конвейерная секция 204 взаимосвязана с секцией 206 системы обратной связи, секцией 208 генератора электромагнитного излучения, секцией 210 системы обработки воздуха и секцией 212 обогащенного топлива.

С. Система обратной связи

Секция 206 системы обратной связи взаимодействует с технологическим конвейером с целью определения характеристики топлива, такой, как процентное содержание влаги или процентное содержание золы в топливе. Секция 206 системы обратной связи включает в себя датчик 214 влажности, датчик 216 температуры, анализатор 218 зольности и спектрохимический анализатор 220. Используя некоторые из этих составных частей, можно определять, например, примерное количество и продолжительность воздействия микроволновой энергии, необходимые для удаления конкретного количества влаги из топлива. Другие характеристики состава, которые могут быть определены, представляют собой конкретные количества золы, серы, водорода, углерода, азота и других соединений или элементов в топливе.

Отметим, что для определения одной или нескольких характеристик горения топлива пригодны другие устройства или способы. Такие устройства и способы могут быть использованы совместно с основным оборудованием или автономно. Такие устройства и способы включают в себя, но без ограничения ими, анализаторы влажности, анализаторы зольности, датчики температуры и спектрохимические анализаторы.

Секция 206 системы обратной связи и секция 206 технологического конвейера также взаимодействуют с секцией 222 управления процессом. Секция 222 управления процессом взаимодействует с секцией 208 генератора электромагнитного излучения для обеспечения управления с обратной связью или получения других инструкций из секции 206 системы обратной связи для управления секцией 208 генератора электромагнитного излучения.

D. Генератор электромагнитного излучения

Микроволновая энергия секции 208 генератора электромагнитного излучения подводится к топливу в секции 204 технологического конвейера. Генератор 208 электромагнитного излучения включает в себя группу магнетронов, расположенных в заданных местах относительно топлива в секции 204 технологического конвейера; энергия электромагнитного излучения магнетронов направляется на топливо с учетом заранее определенной характеристики, такой, как процентное содержание влаги, которое является желаемым.

Например, каждый из магнетронов секции 208 генератора электромагнитного излучения может управляться посредством регулирования мощности, продолжительности действия и других параметров с целью обеспечения количества или качества волновой энергии, достаточных для проникновения в топливо и для удаления заданного количества влаги. В соответствии с изобретением генераторы электромагнитного излучения обеспечивают для топлива конкретное, заранее определенное количество волновой энергии. Путем использования информации, собранной в секции 206 системы обратной связи, такой, как результаты измерений содержания влаги, посредством секции 222 управления процессом можно избирательно подстраивать каждый из генераторов с целью обеспечения конкретного количества энергии для слоя угля в секции 204 технологического конвейера до тех пор, пока определенное количество влаги не будет удалено из угля.

Отметим, что другие устройства или способы могут быть использованы в качестве средства волновой энергии, предназначенного для подведения заданного количества волновой энергии к топливу. Такие устройства и способы включают в себя, но без ограничения ими, магнетроны, клистроны и гиротроны.

Отметим, что электромагнитная энергия на более низких частотах глубже проникает в топливный материал, такой, как уголь, чем это происходит на более высоких частотах. Подходящий генератор электромагнитного излучения для системы 200 генерирует выходные колебания частотой от 100 МГц до 20 ГГц. В соответствии с другими вариантами осуществления изобретения могут быть использованы другие частоты волновой энергии.

Мощность волновой энергии может быть импульсной или непрерывной. В примере, приведенном выше, генераторы могут создавать волновую энергию при непрерывной мощности. Для регулирования волновой энергии, подводимой к топливу, вывод волновой энергии также может быть импульсным на регулярных временных интервалах при постоянной частоте. В отдельных вариантах осуществления мощность на один источник составляет по меньшей мере 15 кВт на частоте 928 МГц или более низкой, а в других вариантах осуществления составляет по меньшей мере 75 кВт на частоте 902 МГц или более высокой.

В дополнение к этому, каждый из генераторов может управляться на основании скорости «прохождения» транспортируемого конкретного топлива в пределах диапазона мощности волновой энергии группы генераторов. Скорость прохождения может быть определена как скорость прохождения конкретного количества топлива через волновой реактор в течение конкретного периода времени. Например, скорость прохождения топлива, такого, как уголь, может быть от 200 до 400 фунтов (90-180 кг) в минуту.

Отметим, что топливо каждого вида может обрабатываться при отличающихся количествах и качествах электромагнитной энергии, зависящих от вида топлива, кондиции топлива и других характеристик топливной среды или самого топлива.

Е. Система обработки воздуха

Секция 210 системы обработки воздуха обеспечивает сбор побочных продуктов из секции 210 технологического конвейера. Система 210 обработки воздуха включает в себя секцию 224 сбора и хранения влаги, секцию 226 сбора и хранения газов и секцию 228 сбора и хранения побочных продуктов. В секции 210 обработки воздуха собираются и хранятся побочные продукты из обогащенного топлива. Например, при подведении электромагнитной энергии к рядовому углю образуются водяной пар и водяной конденсат в секции 204 технологического конвейера. В секции 224 сбора и хранения влаги водяной конденсат собирается для хранения и последующего использования. Водяной пар и газы могут быть собраны в секции 226 сбора и хранения газов для последующего использования. Другие побочные продукты из секции 204 технологического конвейера собираются в секции 228 сбора и хранения побочных продуктов для последующего использования.

F. Установка последующей обработки

Оставшаяся часть обогащенного топлива из секции 204 технологического конвейера передается в секцию 212 обогащенного топлива или же собирается в ней. Такими устройствами могут быть, но без ограничения ими, бункер, железнодорожный вагон, отвал или конвейер, который транспортирует его непосредственно для осуществления процесса сжигания (не показанного).

Затем топливо из секции 212 обогащенного топлива может быть использовано для осуществления процесса сжигания, например, в сочетании камеры сгорания и парового котла. Обогащенное топливо согласно изобретению также может быть использовано при осуществлении других известных процессов сжигания.

G. Загрузочное устройство и конвейерная система

На фиг.5 представлен перспективный вид существующей конвейерной системы 300, которая может быть модифицирована в соответствии с изобретением. Показанная конвейерная система 300 представляет собой конвейер Slipstick™, спроектированный и изготовленный Triple/S Dynamic, Inc. Показанная конвейерная система 300 может быть использована совместно с секцией 204 технологического конвейера, показанной на фиг.4, или включена в ее состав. Различные установки в соответствии с изобретением могут быть сконструированы с использованием конвейерной системы, показанной на фиг.5. В соответствии с вариантами осуществления изобретения также могут быть использованы другие конвейерные системы.

На фигурах 5-10 показана примерная установка 400 согласно изобретению. Установка 400 может быть встроена в любую из различных систем, и посредством нее можно осуществлять различные способы согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Например, установка 400 может быть включена в состав системы 200, описанной выше, или же использована совместно с ней. При пояснении примерной установки из фигур 5-12 упоминаются различные элементы системы 200. Кроме того, например, способ 200, описанный выше, может быть осуществлен посредством установки 400, показанной на фигурах 5-12. Установка 400, показанная на фигурах 5-10, включает в себя узел 402 загрузочного устройства, приводной элемент 404, конвейерный узел 406 и реакторный элемент 408. Узел 402 загрузочного устройства выполнен с возможностью приема топлива, такого, как предварительно рассортированный по размеру уголь, и также выполнен с возможностью направления топлива в реакторный элемент 406. Приводной элемент 404 выполнен с возможностью транспортировки топлива через реакторный элемент 406. Реакторный элемент 406 выполнен с возможностью подведения определенного количества электромагнитной энергии к топливу. Различные части 402, 404, 406, 408 и функции установки 400 описываются более подробно ниже.

На фиг.6 показан узел 402 загрузочного устройства для установки 400. Узел 402 загрузочного устройства находится сразу над входной стороной камеры конвейера перед приводным механизмом периодического действия. Узел 402 загрузочного устройства включает в себя входную секцию 418, переходную секцию 420 и соединительную секцию 422. Узел 402 загрузочного устройства и его соответствующие секции 418, 420, 422 обычно изготавливают из алюминиевой пластины толщиной около 0,13 дюйма (3,2 мм). В соответствии с изобретением в зависимости от пропускной способности системы 200 могут быть спроектированы альтернативные конструкции для узла загрузочного устройства. Размер входной секции 418 рассчитан на прием топлива из секции 202 неочищенного топлива из фиг.4. В показанном примере входная секция 418 представляет собой воронку, имеющую квадратное сечение, которая сужается от конца измерения топлива к концу переходной секции. Отметим, что в зависимости от вида секции 202 неочищенного топлива, пропускной способности системы 200 и/или формы переходной секции 420 входная секция 418 может иметь альтернативные конфигурации, формы и размеры.

Размер переходной секции 420 рассчитывают из условия приема предварительно рассортированного по размеру топлива из входной секции 418, описанной выше. В показанном примере переходная секция 420 представляет собой трубу с соответствующим квадратным сечением от конца входной секции к концу соединительной секции. Набор шиберных заслонок 416 может быть установлен на конце входной секции и конце соединительной секции или вблизи этих концов для обеспечения регулирования потока топлива из секции 202 неочищенного топлива. Отметим, что в зависимости от пропускной способности системы 200, формы входной секции 418 и/или формы соединительной секции 422 переходная секция 420 может иметь альтернативные конфигурации, формы и размеры. В сочетании с узлом 402 загрузочного устройства могут быть использованы заслонки и клапаны других видов.

Размер соединительной секции 422 рассчитывают из условия приема топлива из переходной секции 420, описанной выше. В показанном примере соединительная секция 422 представляет собой деталь вогнутой формы, которая выполнена с возможностью прилегания к соответствующему отверстию приводного элемента 404. Отметим, что в зависимости от пропускной способности системы 200, формы переходной секции 420 и приводной секции 404 соединительная секция 422 может иметь альтернативные конфигурации, формы и размеры.

В некоторых вариантах осуществления для компенсации любого теплового расширения узла 402 загрузочного устройства или элементов, работающих вблизи узла 402 загрузочного устройства, температурные компенсаторы (не показанные) могут быть установлены относительно различных элементов 418, 420, 422 узла 402 загрузочного устройства или в сочетании с ними.

Конвейерный узел 406 включает в себя передаточный лоток 424. Передаточный лоток 424 выполнен с возможностью приема топлива из узла 402 загрузочного устройства и также выполнен с возможностью перемещения топлива вдоль части длины передаточного лотка 424 к сборному участку 426 на противоположном конце передаточного лотка 424. Передаточный лоток 424 показан в виде горизонтально ориентированного желоба с открытой стороной. В зависимости от пропускной способности системы 200 передаточный лоток 424 может иметь другие конфигурации, формы и размеры.

На фигурах 7-12 показаны разновидности крышки передаточного лотка для установки, показанной на фиг.5. Как показано на фигурах 7-12, реакторный элемент 408 включает в себя крышку 500 передаточного лотка и группу магнетронов (показанных на фиг.4 в виде секции 208 генератора электромагнитного излучения). Крышка 500 передаточного лотка выполнена с возможностью закрывания открытой концевой части передаточного лотка 424. Группа магнетронов установлена по длине крышки 500 передаточного лотка и позиционирована для передачи электромагнитной энергии к топливу, расположенному в передаточном лотке 424. Как обсуждалось выше, секция 206 системы обратной связи, секция 222 управления процессом и генератор 208 электромагнитного излучения находятся во взаимодействии с технологической конвейерной секцией 204 для обеспечения управления, контроля и регулирования количества электромагнитной энергии, создаваемой группой магнетронов, расположенных в линию вдоль крышки 500 передаточного лотка и передаточного лотка 424. В соответствии с изобретением совместно с системой 200 или аналогичными системами могут быть реализованы другие конфигурации реакторного элемента 408.

В случае приведения в действие посредством узла 406 конвейера прикладывается повторяющееся усилие срабатывания к передаточному лотку 424, и твердое топливо, такое, как уголь, подается из узла 402 загрузочного устройства к проксимальному концу передаточного лотка 424. При каждом приложении усилия срабатывания к передаточному лотку 424 этим усилием топливо побуждается перемещаться к дистальному концу передаточного лотка 424 (к месту 424 сбора). В то время как топливо перемещается по длине передаточного лотка 424, магнетроны возбуждают для передачи определенного количества электромагнитной энергии топливу в передаточном лотке 424. Количество электромагнитной энергии, определяемое посредством секции 206 системы обратной связи и/или секции 222 управления процессом, основано отчасти на количестве топлива в передаточном лотке и отчасти на скорости перемещения топлива по передаточному лотку 424.

Н. Установка порционного обогащения

На фигурах 13-15 показана установка 1000 для порционного обогащения углей или других твердых топлив. Установка 1000 может быть использована в сочетании с установкой, показанной на фигурах 5-12, или отдельно от нее. Методология процесса пояснена на фиг.3, в частности, процесс согласно блоку 108 может быть реализован посредством установки 1000. В показанном примере магнетроны 1002 используются для подведения определенного количества электромагнитной энергии к топливу, такому, как уголь, размещенному внутри установки. Волновая энергия направляется по волноводу к вводу волновода в установку. Установка 1000 включает в себя отверстия 1004 для контроля электромагнитной энергии и переднюю дверку 1006 для загрузки угля в камеру. В соответствии с изобретением могут существовать другие конфигурации установки порционного обогащения.

IV. Установка. Вариант осуществления В

Опытная установка согласно варианту осуществления показана на фиг.16. Характерным признаком установки является подающее устройство 1102 ковшового элеватора, связанное с ковшовым элеватором 1104, предназначенным для транспортировки рядового угля в расходный резервуар 1106. Расходный резервуар 1106 установлен поверх челночного клапана 1110, бункера 1112 и клапана 1114 бункера. Когда уголь продвигается из расходного резервуара 1106 вниз через клапан 1114 бункера, то уголь сваливается на шнековый транспортер 1116, который транспортирует уголь через микроволновую рабочую камеру 1118. После выхода из микроволновой рабочей камеры 1118 уголь продвигается через приемник 1120 угля и клапан 1122 в резервуары-хранилища 1124.

Кроме того, рабочая камера 1118 снабжена отводными трубами 1126, которые осуществляют подачу в выпускную линию 1128. Выпускная линия 1128 ведет в ловушку 1130 серы. По другой линии 1132 поток направляется из ловушки 1130 серы в конденсатор 1134, затем в бак 1136 для хранения воды и, наконец, к вытяжному вентилятору 1138 и системе контроля выбросов.

Ниже кратко описывается процесс, протекающий в этой установке.

Сначала приводят в действие вытяжной вентилятор 1138 для регулирования пыли, которая будет образовываться при выполнении операции сброса. Вытяжной вентилятор 1138 вытягивает воздух из ковшового элеватора 1104 через систему и выпускает получающийся в результате чистый воздух.

Уголь поставляют в цилиндрических контейнерах и разгружают в бункерное загрузочное устройство 1102 ковшового элеватора, используя погрузчик с бортовым поворотом или погрузчик с вилочным захватом, снабженный бочкоопрокидывателем/опрокидывателем. Ковшовым элеватором 1104 образцы угля передаются в расходный резервуар 1106 для образования партии, подлежащей обогащению. В зависимости от размера опытной партии в систему можно загрузить уголь из нескольких 55-галонных цилиндрических резервуаров.

После того как партия угля загружена в расходный резервуар 1106, начинают продувку азотом, и расходный резервуар 1106 закрывают, чтобы изолировать систему обогащения. В течение этого процесса вытяжной вентилятор 1138 продолжает работать, в том числе охлаждая систему обработки.

Количество угля, передаваемого в расходный резервуар 1106, контролируется датчиками 1108 веса, которые также выдают информацию о скорости загрузки. Челночный клапан 1110 используется для регулирования потока из расходного резервуара 1106 в систему передачи исходного материала. Для поддержания постоянной скорости потока угля этот клапан 1110 совершает челночное возвратно-поступательное движение, чтобы небольшие количества угля перемещались к поворотному клапану 1114 бункера. Гидравлические цилиндры челночного клапана 1110 обеспечивают мощность, достаточную для перемещения челнока сквозь уголь и при необходимости раздробления крупных глыб.

Поскольку размеры челночного клапана 1110 и клапанов 1114 бункера рассчитаны так, что переполнение бункера 1112 исключается, то бункер 1112 может вращаться непрерывно и тем самым обеспечивать постоянную подачу угля в шнековый транспортер 1116. Шнековый транспортер 1116 работает в соответствии со скоростью подачи угля в микроволновую рабочую камеру 1118.

Системы управления процессом и обратной связи и конвейер спроектированы так, что гарантируется получение углями средней необходимой дозы облучения за время пребывания в рабочей камере. Для обеспечения постоянной скорости подачи угля в систему передачи материала микроволновой рабочей камеры 1118 скорости перемещения каждого из подающих устройств (челночного клапана 1110, клапана 1114 бункера и шнекового транспортера 1116) регулируются независимо.

До достижения выходного конца камеры 1118 обогащаемый уголь входит в зону (не показанную), в которой обеспечивается возможность дополнительного выделения выбросов и охлаждения до удаления с тем, чтобы содействовать регулированию запахов и сбору других выбросов из обогащенного угля. После охлаждения продукта продувку азотом прекращают, но работа вытяжного вентилятора 1138 продолжается для улавливания пыли, образующейся во время передачи обогащенного угля в цилиндрические резервуары. Гидравлический клапан 1122 используется для содействия передачи обогащенного угля в цилиндрические резервуары 1124. После того как весь уголь обогащен, охлажден и передан в цилиндрические резервуары 1124, вытяжной вентилятор 1138 останавливают.

Во время операции обогащения любые летучие материалы (воду, серу, углеводороды, ртуть и другие летучие вещества) удаляют из микроволновой рабочей камеры 1118. Вода и другие текучие среды, спускающиеся по выгнутым стенкам камеры, улавливаются в ловушке 1130 серы. Летучие материалы (вода и углеводороды) затем вытягиваются из ловушки 1130 серы через конденсатор 1134 и попадают в бак 1136 для хранения воды. До выпуска материала должна быть выполнена проверка на содержание ртути.

Оставшиеся летучие вещества вытягиваются к фильтру для удаления частиц и угольному слою для удаления органических веществ, ртути и запахов до продувки азотом. Фильтр и угольный слой расположены в системе 1138 контроля выбросов и вытяжного вентилятора. Угольные слои могут использоваться повторно или уничтожаться как опасные отходы.

V. Характеристики обогащенного угля

Непостоянству характеристик рядового угля противопоставляются постоянный контроль и соответствующие регулировки с обратной связью, относящиеся к системам обработки, описанным в настоящей заявке, для гарантии получения твердого топлива с единообразными характеристиками. Для некоторых пылеугольных котлов существуют ограничения относительно максимальных температур. В таких случаях задают и контролируют снижение влажности и зольности с тем, чтобы получать оптимальное БТЕ/фунт без превышения максимального БТЕ/фунт и связанных с ним максимальных температур для указанного котла (котлов).

С помощью этих способов и установки может быть получено новое семейство твердых топлив в виде углей по техническим требованиям заказчика, не встречающихся в природе. Эти обогащенные угли могут быть охарактеризованы одним или несколькими признаками из следующих:

- содержание влаги снижено до любого желаемого уровня для любой категории угля, до 1% или ниже;

- БТЕ/фунт повышено для любой категории угля до любого уровня, вплоть до по меньшей мере уровня, который имеет уголь, свободный от влаги (содержание золы и содержание общей серы также снижено, этими снижениями вносится вклад в дополнительное повышение БТЕ/фунт);

- содержание золы снижено в любой категории угля, диапазон снижения составляет от около 10% до более чем 65% (см. пример, показанный в таблицах 1 и 2 ниже); и

- снижено содержание серы каждой формы и всех форм, при этом содержание общей серы снижено от 50% до 75%, а для некоторых углей даже больше.

«Новый уголь» включает в себя любой из этих обогащенных углей, имеющих характеристику или характеристики, охваченные любым из диапазонов семи характеристик для угля каждого типа, приведенных ниже.

Битуминозные угли:

Уголь США:

Зарубежный уголь (обратитесь к таблицам 1 и 2 ниже):

Лигниты:

Зарубежный лигнит:

Аналогичные утверждения могут быть сделаны для других углей и классов углей, обогащаемых посредством способов и установки этого раскрытия, а дополнительные результаты исследования процесса дадут возможность идентификации и создания таких новых топлив из угля любой категории и класса. Конечным результатом будет матрица углей всех категорий и классов и всех «новых углей», которые могут быть получены в результате обогащения посредством изобретения.

VI. Экспериментальные результаты

Угли с указанными выше свойствами получали посредством экспериментов, описываемых ниже. Путем сравнения характеристик рядового и обогащенного углей одной и той же категории или класса и из одной выборочной партии можно определить степень улучшения каждой из семи характеристик топлива вследствие обогащения посредством этих способов и установки. Более конкретно, в качестве примера ниже представлены результаты исследования посторонней стороной (например, Standard Laboratories) каждой из нескольких выборочных групп рядовых и обработанных углей из числа битуминозных углей и лигнитов. Для рядовых углей использованы средние или «типичные» характеристики. Поскольку результаты обогащения углей, приведенные в настоящей заявке, были получены как часть программы заявителя по исследованию влияния изменения параметров процесса, то они не демонстрируют полного объема изобретения. Иначе говоря, можно ожидать, что выполнение управляемого обогащения для получения заданных или оптимальных характеристик приведет к характеристикам, которые будут лучше, чем характеристики, полученные во время оценочного обогащения. По этой причине в настоящей заявке показаны «лучшие» значения после обогащения для каждой характеристики обогащенного топлива; и с демонстрационной целью эти значения сравниваются с типичными значениями для рядового, необогащенного угля.

Три различные группы углей, рядовых и обогащенных, были обогащены для иллюстрации того, каким образом благодаря использованию методологии процесса можно снизить влажность, можно повысить БТЕ/фунт и можно снизить содержание золы и всех форм серы. Все эти образцы были выбраны случайным образом из большого числа выборочных партий, и все эти результаты являются следствием исследований, проведенных в Standard Laboratories из Саут-Чалстона, Западная Виргиния.

В таблицах 1 и 2 ниже соответственно приведены характеристики рядового зарубежного угля, сопоставленные с характеристики угля из того же самого места, обогащенного способами электромагнитного излучения, описанными выше.

Характеристики этой партии образцов рядового зарубежного угля сопоставимы в каждой категории, исключая образец №20731110. Большее снижение зольности для обогащенных зарубежных углей приводит к более высокому БТЕ/фунт по сравнению с обогащенными углями из США. Как и в случае рядовых углей, один образец (а именно, образец №20925107) имеет существенно иные характеристики, и в этом случае более высокие содержания серы каждой формы. Однако отметим, что более высокие содержания серы вообще не оказывают влияния на БТЕ/фунт, которое в основном определяется содержанием влаги и содержанием золы. В общем образцы имеют небольшую вариацию характеристик. Кроме того, эти угли были обогащены аналогичными, но не идентичными способами (различающимися параметрами и продолжительностями).

Детали обогащения зарубежного угля

В таблице 2 приведены результаты исследований обогащенных углей, выполненных в Standard Laboratories. Эти первоначальные исследования процесса были использованы для определения чувствительности характеристик этих углей к параметрам процесса. Использовали небольшую камеру электромагнитного излучения кухонного размера при небольшой мощности (1000 Вт и ниже) электромагнитного излучения и относительно небольшие образцы (от двух до пяти фунтов). Каждое исследование относительно «нового» угля на первом этапе лабораторной обработки проводили следующим образом.

Обычно на начальном этапе обработки отбирали угли различных размеров, цвета и т.д., чтобы изучить их индивидуальные чувствительности и влияния, если они имеются, на характеристики после обогащения. При исследованиях, описанных в настоящей заявке, каждую выборочную партию также разделяли на части, некоторые из которых укладывали в толстый, а некоторые в тонкий слой, и части помещали на или в различные удерживающие сосуды, изготовленные, например, из пирекса (Pyrex™); в качестве альтернативы сосудами могут быть тарелки из высокотемпературной керамики, алюминированные чашки или образованные из других высокотемпературных материалов. Места расположения сосудов в камере изменяли; также изменяли подводимую мощность электромагнитного излучения и относительные продолжительности включения (продолжительности включения и выключения). Отдельные исследования были выполнены на небольших кусках, на кусках от средних до больших, и на нескольких хорошо перемешанных образцах и т.д., чтобы изучить каждый из них отдельно и оценить совокупные эффекты. Ниже каждый этап и все этапы в последовательности операций для первых четырех образцов из таблицы 2 перечислены вместе с комментариями и замечаниями.

Образцы 20731112 и 20731113 (см. таблицу 2)

Эти образцы до обогащения включали в себя куски исключительно от небольших до средних. Прозрачную трубку присоединяли к выходному отверстию камеры для отведения жидкостей и газов, но при обогащении этих образцов принудительный поток воздуха не использовали, а только повышение температуры и давления атмосферы камеры, которое вынуждало побочные продукты выходить из камеры.

Последовательность операций для исходного образца приведена ниже:

Уровень (1) мощности в рабочей камере системы находится в пределах от 1 до 10, при этом значение 10 соответствует наивысшему достижимому уровню мощности (около 1000 Вт), но уровни не изменяются строго линейно, особенно в случае высоких уровней.

Указанная выше последовательность операций была применена к одному образцу, который был разделен на две равные по размеру части ('1112 и '1113) до отправки в Standard Laboratories для исследования. Тестовые данные Standard Laboratories приведены в таблице 2, в которой документально подтверждается, что процентное содержание золы и серы снижается более чем на 50% в этой испытательной установке. Различия в характеристиках двух обогащенных частей образцов находятся в приемлемых пределах, особенно потому, что, как отмечено выше, размещение образцов и другие условия изменялись, и это было первое и определительное исследование этой партии угля. Общее время облучения 24 мин связано с размером образца, уровнями подводимой мощности и наблюдаемыми количествами и окраской дымов во время текущего и последующего обогащения.

Образцы 207311114 и 207311115 целиком состояли из набора от небольших кусочков до мелких гранул, которые помещали на две керамические тарелки высотой от 1/2 до 3/4 дюйма, на удлиненную тарелку вблизи стенки, ближайшей к магнетрону, и на скругленную тарелку вблизи противоположной стенки.

При обогащении наиболее часто происходит растрескивание, за которым следует выделение влаги, золы и серы в указанном порядке. В случае этого зарубежного угля выделение серы обнаруживается раньше, чем влаги, но из-за низкого процентного содержания влаги в этом угле небольшие количества влаги, которые могут выделяться раньше, могут быть незамеченными.

Сравнение характеристик:

Для образцов '1112 и '1113 очевидны значительно большие снижения процентного содержания золы и общей серы по сравнению с полученными для образцов '1114 и '1115. Повышенное снижение золы и серы можно прямо отнести за счет использования для '1112 и '1113 более высоких уровней мощности (от 5 до 6, при этом генерируются приблизительно от 600 до 700 Вт) и, следовательно, более коротких продолжительностей облучения. При упомянутой меньшей мощности (большей частью 4 и 5) для '1114 и '1115 и значительно больших продолжительностях облучения, чем прежде, не достигаются снижения, близкие к снижениям для указанных первых двух образцов. Все такие тестовые измерения свидетельствуют о том, что каждый уголь является высокочувствительным к подводимой мощности; а именно, каждый имеет пороговое значение мощности, при котором наблюдаются значительные и иногда неожиданные изменения. После того как эти пороговые значения идентифицированы для угля, далее могут быть исследованы сочетания параметров процесса для идентификации сочетаний параметров, при которых будут достигаться эти пороговые значения. Затем обогащение угля может быть ориентировано на достижение этих пороговых значений путем использования идентифицированных сочетаний параметров.

Вариация мощности и временных параметров:

Исследования, представленные ниже, были выполнены на техасских лигнитах. Есть намерение показать с помощью этих исследований, что можно плавно регулировать снижение количества влаги и получающееся в результате БТЕ/фунт путем использования нескольких сочетаний мощности подводимой электромагнитной энергии и времени пребывания в камере.

Оценки после обогащения, заданные для БТЕ/фунт, были преднамеренно выбраны от выше 7000 и до чуть ниже 8000, а при выполнении управляемых этапов путем небольших изменений мощности и времени были получены, начиная от 8381 БТЕ/фунт и влажности 26,11% и кончая 7926 БТЕ/фунт и влажностью 23,21%. Как видно из таблицы 5, при задании отношения 5/70 величин мощность/время предел БТЕ/фунт слишком высокий, при этом снижение БТЕ/фунт можно обеспечить, используя ту же самую мощность, но осуществляя обогащение в течение дополнительных 50 с (напомним, что каждая линия данных в таблице соответствует другому образцу из одной и той же партии (А) лигнита). Поскольку при обогащении время всегда является важным, при следующем регулировании повышали мощность и уменьшали время и как ожидаемый результат получали дополнительное снижение БТЕ/фунт. Следующие два образца были обработаны при задании одинаковых отношений мощность/время, при этом время еще больше уменьшено и осуществлена соответствующая «балансировка» повышением подводимой мощности. Различия результатов для этих двух образцов (30728125 и 307282260) находятся в допустимых пределах при обогащении различных образцов и дополнительно иллюстрируют внутреннюю состоятельность методологии процесса. Наконец, тот же самый уровень мощности (см. ниже) был использован для последнего образца, но обогащение было продлено на дополнительные 5 с, в результате чего было получено намеченное БТЕ/фунт.

В таблице 5 примеры приведены для того, чтобы показать, каким образом два из главных параметров процесса сами по себе могут быть использованы для достижения конкретных характеристик, БТЕ/фунт и процентного содержания влаги. Важно отметить, что заявитель ранее измерял характеристики и обогащал те же самые партии лигнита в своих лабораторных системах и поэтому заранее имел сведения об их характеристиках и их чувствительности к процессу обогащения электромагнитным излучением с многими изменяемыми параметрами. При наличии такой информации заявитель смог точно определить эти ожидаемые изменения в отличие от изменений, обусловленных только мощностью и временем. Аналогичная методология может быть использована в лабораторных и полевых условиях для каждой из указанных характеристик, при этом они заранее определяются для любых углей, подлежащих обогащению в промышленном масштабе.

Пример, в котором использована методология, аналогичная использованной при исследованиях, результаты которых приведены в таблице 5, показанный для сравнения по мощности и времени, представлен в таблице 6 ниже. Одиннадцать отдельных образцов лигнита из одной и той же партии, обозначенной «А», были обогащены при поддержании всех параметров процесса постоянными, исключая подводимую мощность электромагнитного излучения и время обогащения. Целью для потребителя этого лигнита было решение задачи снижения процентного содержания влаги в пределах от 8% до 12% и соответствующего повышения БТЕ/фунт до выше чем 7000. Для двух из 11 обогащенных образцов, 30728111 и '119, значение БТЕ/фунт существенно отличается (ниже) от значений для других образцов, при этом первый образец также имеет наибольшее процентное содержание влаги. Очевидно, что первое сочетание тестовой последовательности из 5 кВт и 30 с было слишком малым для достижения желаемого снижения влажности этого образца, и об этом также свидетельствовало относительно небольшое количество видимого водяного пара, существовавшего в рабочей камере во время обогащения. В таблице представлены результаты использования различных сочетаний мощности и времени, при этом все другие сочетания, исключая одно из 20/15, обеспечивают заданные уровни. Для каждой из трех групп образцов, '113/'114 и '115/'116, и '119/'120/'121, использованы полностью одинаковые параметры процесса, включая мощность и время. Различия в характеристиках среди образцов в каждой из этих групп может быть отнесено на счет различий во внутренних свойствах самих образцов, а не различий, обусловленных обогащением.

Эти результаты ясно указывают на еще один путь, заключающийся в том, что возможность изменять параметры процесса в соответствии с методологией процесса может быть эффективно использована для достижения конкретного снижения влажности и получающегося в результате относительно узкого диапазона БТЕ/фунт даже для партии угля (каждой партии угля) с образцами, имеющими распределение размеров и характеристик. Кроме того, результаты свидетельствуют о том, что с помощью относительно небольшого набора исследований можно идентифицировать ряд сочетаний мощности и времени, которые можно будет использовать для получения желаемых характеристик. Наконец, с помощью простых исследований перед обогащением можно также определять количество золы и серы в рядовых углях и то, как конкретный уголь будет реагировать на обогащение, при этом результат будет заключаться в том, что при желании посредством системы можно улучшать общие характеристики горения угля не только путем снижения влажности.

При любой попытке выполнить представительные лабораторные исследования необходимо принимать во внимание размер образцов, размер и конфигурацию камеры, достижимую мощность электромагнитного излучения и его частоту или частоты, возможность изменения мощности и относительную продолжительность включения, стабильность и воспроизводимость лабораторной системы и по меньшей мере оценочное значение реальной мощности электромагнитного излучения, попадающего на поверхность угля. Лабораторные исследования, такие, как представленные в настоящей заявке, могут дать до обогащения основные входные данные о чувствительности характеристик угля, необходимые для проектирования по заказу всей системы обогащения, посредством которой можно намечать и получать конкретные характеристики угля.

В таблице 8 приведен перечень снижений влажности, содержания серы, зольности и показателя выбросов, а также повышений БТЕ/фунт для широкого ряда углей, обогащенных способами этого раскрытия.

Обозначение сокращений в таблице 8:

В, С - влажность, сера;

Об. - обогащен;

Сн. - снижение;

Пов. - повышение;

ПВ - показатель выбросов; количество фунтов SO₂/миллион БТЕ;

НД - нет данных или недостаточно данных;

НУ - не установлено;

НИ - нет заметного изменения;

ЛИ1 - индийский лигнит из Нейвели (юго-запад);

ЛИ2 - индийский лигнит из Нейвели (юго-запад);

ЛИ3 - лигнит из индийского штата Гуджарат (северо-запад);

БИ - битуминозный уголь из индийского штата Ассам (северо-восток);

СБВ - суббитуминозный уголь из штата Вайоминг;

БП - битуминозный уголь из штата Пенсильвания (северо-запад);

СБП - суббитуминозный уголь из бассейна реки Паудер (штат Вайоминг);

БО - битуминозный из штата Огайо;

ЛТ - лигнит из восточного Техаса;

КНИ - не полностью готовый нефтяной кокс из штата Иллинойс;

БОК - битуминозный уголь из штата Оклахома;

МБА - мягкий битуминозный уголь из штата Алабама.

Ради ясности в описанных вариантах осуществления изобретения использована специфическая терминология. Для целей описания предполагается, что каждый специфический термин включает в себя по меньшей мере все технические и функциональные эквиваленты, которые используются таким же образом для достижения аналогичной цели. Например, ссылки в настоящей заявке на микроволны также должны интерпретироваться как включающие в себя несколько более низкие частоты, которые можно технически охарактеризовать как радиоволны, при условии, что эти частоты действуют аналогичным образом на образцы твердого топлива. Точно так же, обращения в основном делаются к углю, хотя эти способы также применимы к другим твердым органическим топливам. Кроме того, в отдельных случаях, когда конкретный вариант осуществления изобретения охватывает множество элементов системы или этапов способа, эти элементы или этапы могут быть заменены одним элементом или этапом; точно так же, один элемент или этап может быть заменен множеством элементов или этапов, которые служат той же самой цели. Более того, хотя это изобретение было пояснено и описано со ссылками на конкретные варианты осуществления его, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что различные другие измерения в форме и деталях могут быть сделаны без отступления от объема изобретения.

Реферат

Изобретение относится к улучшению качества твердого топлива, используемого для электростанций. Способ обогащения партии рядового твердого топлива заключается в том, что получают рядовое твердое топливо для обогащения; измеряют одну или несколько характеристик партии рядового твердого топлива, выбранных из следующих: процентное содержание влаги, БТЕ/фунт, процентное содержание золы, процентное содержание общей серы, процентное содержание каждой из различных форм серы, процентное содержание летучего материала, процентное содержание связанного углерода, показатель размалываемости Хардгрова, количество следовых минералов по массе и реакция топлива и его отдельных компонентов на электромагнитное излучение; определяют характеристики топлива, ожидаемые от твердого топлива после обогащения; на основании желаемого процентного содержания влаги твердого топлива выбирают, по меньшей мере, один рабочий параметр системы и конфигурационный параметр системы, который приведет к получению твердого обогащенного топлива, имеющего желаемый процент влаги; обогащают твердое топливо путем облучения его электромагнитным излучением в соответствии с указанным, по меньшей мере, одним параметром и изменяют выбранный параметр в ответ на измерение процентного содержания влаги в твердом топливе в ходе обогащения. Достигается получение нового семейства твердотопливных заказных углей, отсутствующих в природе. 16 з.п. ф-лы, 16 ил., 8 табл.

Формула