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CN101802133A - 用于控制焦煤的堆密度的方法和组合物 - Google Patents

用于控制焦煤的堆密度的方法和组合物 Download PDF

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Abstract

提供了用于调节煤的堆密度的组合物和使用该组合物的方法。在一个实施方案中，本发明提供了利用该组合物调节煤的堆密度的方法。该组合物可以包括选自由植物油、动物脂、甘油三酯、脂肪酸、脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯和甘油组成的组的一种或多种组分。这些组合物可以从生物柴油制造工艺或涉及甘油三酯的酯交换反应获得。

Description

用于控制焦煤的堆密度的方法和组合物
相关申请的交叉引用
本申请是2006年11月17日提交的系列号11/561,150的部分继续申请和2006年7月20日提交的系列号11/490,193的部分继续申请，后者是2004年5月14日提交的系列号10/846,218(现在的专利号为7,108,800)的部分继续申请。
技术领域
本发明涉及控制焦煤的堆密度(bulk density)。更具体地说，本发明涉及控制焦煤的堆密度的组合物，该组合物包括由生物质衍生的液烃。生物质液烃可以包括植物油、动物脂、甘油三酯、脂肪酸、脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯和甘油。将液烃应用于焦煤以调节煤的堆密度。
发明背景
通过在无氧气氛中加热煤，直到煤中的所有挥发性组分蒸发来制备冶金焦炭。冶金煤主要用在钢铁业中作为高炉、烧结车间以及将铁矿石还原成铁的铸造车间的燃料。
煤的焦化发生在焦炉中且不会在炉中与空气接触，这被设计成在最佳壁压下进行操作。在操作过程中，炉经受膨胀和收缩的循环应力。在炉内测量和控制煤的堆密度以防止压力过大并使炉在最佳容量下运行，这是基本要求。
原焦煤很少具有必需的堆密度，这主要是因为煤上存在表面水分。表面水分降低了原先干燥的焦煤的堆密度。为了使焦煤的堆密度达到期望的值，广泛使用的措施是将柴油机燃料应用于煤。燃料增大了煤的堆密度且由此控制可能损坏炉的膨胀。
使用柴油机燃料存在若干不足。柴油机燃料是由石油烃得到的且在焦化过程中排放污染物。柴油机燃料的成本最近也在迅速上涨。因此，期望确定用于调节煤的堆密度的组合物，这些组合物由可再生源获得、排放较少的污染物、对人身健康和环境危害较少以及是有成本效益的。
发明概述
本发明涉及控制焦煤的堆密度的方法和组合物。
在一个实施方案中，本发明是调节焦煤的堆密度的方法，该方法包括将有效堆密度增加量的处理组合物应用于煤，该处理组合物包括约10重量百分比到约99重量百分比的选自由植物油、动物脂、甘油三酯、脂肪酸、脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯和甘油组成的组的一种或多种组分。
根据本发明的组合物可以用于替代柴油机燃料或包含显著减少量的柴油机燃料。该组合物由可再生资源获得且包括绿色化学品。该组合物可以包括生物柴油制造工艺的副产物以及肥皂和洗涤剂制造工艺的副产物。这使得使用该组合物是有成本效益的。
而且，包括全部未燃烧的烃、一氧化碳、颗粒、硫酸盐、聚芳烃(PAH)以及硝化的PAH在内的污染物排放物可以比当柴油机燃料用于在焦化过程中调节堆密度时低。
本发明可以具有进一步的益处，这是因为该组合物可以因此减少煤的含水量，从而改善煤的生产量特征(through put characteristic)。
发明的详细描述
本发明使用包括生物质液体的处理组合物，生物质液体诸如植物油、动物脂、甘油三酯、脂肪酸、脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯和甘油。本文中描述的植物油、动物脂、甘油三酯、脂肪酸、脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯和甘油是“绿色的”，即无害的、无毒的、可生物降解的、环境友好的且从可再生源得到。
正如本文中使用的，“甘油三酯”指的是甘油、三元醇和与特定的油或脂肪有关的变化分子量的不同脂肪酸的酯。甘油三酯是脂肪、脂油、黄油脂和/或植物油的主要组分。来源于天然脂肪和油的最常见的脂肪酸包括棕榈酸、硬脂酸和亚油酸。
“脂肪酸”意指由动物或植物脂肪或油得到的或包含在其内的羧酸。脂肪酸包括末端COOH基和长链饱和的或不饱和的烷基链。代表性的脂肪酸包括丁酸、月桂酸、棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸以及类似物。
“甘油(glycerin)”和“甘油(glycerol)”意指1，2，3-丙三醇。
甘油、脂肪酸、脂肪酸甲酯和/或脂肪酸乙酯可以作为副产物从涉及甘油三酯的酯交换反应获得，酯交换反应包括涉及本文描述的生物柴油制造工艺的酯交换反应。
“甲酯”或“乙酯”意指本文描述的脂肪酸的酯。
“植物油”意指从植物的种子、果实或叶子提取的甘油三酯，植物油包括玉米油、大豆油、低芥酸菜子油(canola oil)、棕榈油、椰子油、菜籽油以及类似物。
“柴油机燃料”包括燃料油#1和燃料油#2以及类似物。
“涉及甘油三酯的酯交换反应”指的是在碱或诸如甲醇或乙醇的一羟基醇的存在下，产生包括原甘油三酯的脂肪酸的单酯的由植物油和/或动物脂获得的甘油三酯的裂解。
“表面活性剂”是用于降低另一种物质的表面张力的任何物质。在一个实施方案中，本发明与表面活性剂一起使用以增大煤的堆密度且改善煤的流动特征。
在一个实施方案中，甲酯、乙酯、甘油和脂肪酸由涉及甘油三酯的酯交换反应获得。
本文描述的酯交换反应中使用的代表性的脂肪和油包括牛脂、粗妥尔油、初榨植物油、大豆、芥末、芥花籽、椰子、菜籽、棕榈、猪下水、鱼油、黄油脂、废食用油和/或润滑脂(trap grease)以及类似物。
在一个实施方案中，甘油、脂肪酸、乙酯和甲酯由生物柴油制造工艺获得。
生物柴油是由天然的、可再生源制备的清洁燃烧的柴油替代燃料。例如，生物柴油可以包括用作由诸如新的和废的植物油和动物脂的来源制备的清洁燃烧的柴油替代燃料的脂肪酸烷基酯。
根据美国能源部的美国燃料数据中心，约55％的生物柴油目前由包括回收的热制润滑脂(recycled cooking grease)在内的回收的脂肪或油原料生产。此行业的另一半被限制到植物油，其中最便宜的植物油是大豆油。大豆业因其生产量过量、产品过剩和价格降低而一直是支持生物柴油商业化的驱动力。类似的问题适于回收的润滑脂和动物脂行业，虽然这些原料比大豆油更廉价。基于两个行业的总资源，存在足够的原料来供给19亿加仑的生物柴油。
生物柴油通常是通过称为酯交换反应的化学过程来制备的，植物油或动物脂在此酯交换反应中被转化成脂肪酸烷基酯和甘油副产物。脂肪酸和脂肪酸烷基酯可以由油和脂肪通过油的碱催化的酯交换反应、油的直接酸催化酯化以及油转化成脂肪酸且随后酯化成生物柴油来生产。
大多数脂肪酸烷基酯是通过碱催化法来生产的。一般而言，任何碱可以用作用于油的酯交换反应以生产生物柴油的催化剂，然而，氢氧化钠或氢氧化钾用在大多数化学过程中。
在生物柴油制造工艺中，可以过滤并预处理油和脂肪以去除水和污染物。如果存在游离脂肪酸，那么可以去除它们或利用诸如酸催化酯化的特殊预处理技术将它们转化成生物柴油。接着，可以将预处理的油和脂肪与醇和催化剂(如，碱)混合。用于该反应的碱通常是氢氧化钠或氢氧化钾，将它们溶解在所使用的醇(通常是乙醇或甲醇)中以形成相应的醇盐，且进行标准的搅拌或混合。应该理解，可以使用任何合适的碱。接着，可以将醇盐加装到密闭的反应容器中并添加油和脂肪。然后可以密闭系统，并使其保持在约71℃(160°F)下约1小时到8小时的时段，尽管一些系统推荐在室温下发生反应。
一旦反应完成，油分子(如，甘油三酯)被水解并产生两种主要产物：1)粗脂肪酸烷基酯相(即，生物柴油相)和2)甘油副产物相。通常，粗脂肪酸烷基酯相形成在较密实的甘油副产物相之上的层。由于甘油副产物相比生物柴油相更密实，所以两者可以进行重力分离。例如，可以简单地从沉降容器的底部排出甘油副产物相。在一些情形中，可以利用离心机来加速两种相的分离。
甘油副产物相通常由甘油、甲酯、甲醇、mong和无机盐以及水的混合物组成。mong是“非甘油有机物质(matiere organique non glycerol)”。mong通常由肥皂、游离脂肪酸和其他杂质组成。甲酯或乙酯通常以约0.01重量百分比到约5重量百分比的量存在。
甲醇可以以约0.1重量百分比到约35重量百分比的量存在于甘油副产物中。
含甘油的副产物可以包括约30重量百分比到约95重量百分比的甘油。在某些情形中，可能需要在使用之前例如通过洗涤、酸化或蒸馏进一步精制甘油副产物，以调节甘油浓度和/或去除杂质。
脂肪酸副产物可以来自于生物柴油制造工艺过程中的粗脂肪酸烷基酯相和/或粗甘油相的精制。例如，粗脂肪酸烷基酯相通常包括脂肪酸烷基酯、水和脂肪酸盐组分的混合物。这些脂肪酸盐组分通常与水相(如，肥皂水)形成溶液，在溶液中它们可以进一步与脂肪酸烷基酯组分分离。一旦与脂肪酸烷基酯组分分离，则可以向包含脂肪酸盐组分的水相中添加任何合适的酸如盐酸，以产生本发明的脂肪酸副产物。
脂肪酸副产物可以是蜡或固体形式。脂肪酸副产物还可以包含脂肪酸酯。酯是本发明的有益的组分。甲酯或乙酯有时候通过包括洗涤或蒸馏的进一步的处理来浓缩。甲酯或乙酯副产物可以包含其他组分，其他组分包括甘油三酯、甘油二酯、单酸甘油酯、甾醇、脂肪酸、生育酚以及其他杂质。
类似地，粗甘油相通常包括甘油、水和脂肪酸盐组分的混合物。此脂肪酸盐组分与水相形成溶液或悬浮液，在溶液或悬浮液中，可以通过添加任何合适的酸使脂肪酸盐组分进一步与甘油组分分离以回收适于本发明的脂肪酸副产物。
应该理解，本发明的脂肪酸副产物可以从包含脂肪酸盐组分(如，肥皂水)的生物柴油制造工艺流/阶段中的任一个的酸化获得，脂肪酸盐组分包括，如洗涤水。由生物柴油制造工艺的不同阶段/流中的任一个获得的这些脂肪酸副产物可以用作调节煤的堆密度的组合物。
由煤生产焦炭发生在不存在空气的炉中。当处于操作中时，这些炉是气密性的且经受膨胀和收缩的循环应力。每一个炉由三个区域组成：焦化室、加热室和蓄热室(regenerative chamber)。所有室都内衬有耐火砖。焦化室在顶部上具有口以便加装煤。
焦炭的制造由制备煤、加装煤和加热煤；去除和冷却焦炭产物；以及冷却、清洁和循环炉气组成。约40％的干净炉气(去除了其副产物之后)用于加热焦炉。
用于焦化的煤的制备包括粉碎以引起转移通过3.2毫米的筛。可以共混若干类型的煤以产生期望的特性，或控制炉内的煤混合物的膨胀。可以向煤中添加包括柴油机燃料的水或油以调节煤的密度。此目的是控制膨胀、防止炉损坏。
向炉中添加干的或湿的煤。在加装和实际的焦化过程中，壁温是约2000°F。在加装煤之后，闭合口，并加热煤约12小时到20小时。
包括颗粒、挥发性有机化合物、一氧化碳和其他化合物的空气污染物从不同的焦化操作中排放，这些焦化操作即煤制备、煤预热、煤加装、炉泄漏、焦炭去除、热焦炭骤冷和燃烧堆。
本发明采用新的处理组合物来调节煤的堆密度，该处理组合物包括由可再生资源得到的生物质液体。与采用柴油机燃料来调节煤的密度相比，本发明利用绿色的、排放更少的污染物和有成本效益的组合物。
在一个实施方案中，处理组合物包括用于调节煤的堆密度的一种或多种脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯或其组合。
如上所述，脂肪酸甲酯和脂肪酸乙酯也被称作生物柴油且已经用于替代柴油机燃料来使用在交通工具发动机中和锅炉中。据报道，当生物柴油替代柴油机燃料使用时，来自这些应用中的排放物更少。国家生物柴油委员会报道总的未燃烧的烃减少了67％，一氧化碳减少了48％，颗粒物质减少了47％，硫酸盐减少了100％，聚芳烃减少了80％，硝化的PAH减少了90％以及生成物种烃的臭氧潜能(ozone potential of speciatedhydrocarbon)减少了50％。
在一个实施方案中，处理组合物包括约30重量百分比到约99重量百分比的脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯或其组合。
在一个实施方案中，处理组合物包括约40重量百分比到约85重量百分比的脂肪酸甲酯、约3重量百分比到约50重量百分比的脂肪酸、约0.5重量百分比到约5重量百分比的生育酚以及约0.5重量百分比到约5重量百分比的甾醇。
在一个实施方案中，处理组合物包括约10重量百分比到约99重量百分比的甘油。
在一个实施方案中，处理组合物包括约95重量百分比到约99重量百分比的甘油、约0.05重量百分比到约1重量百分比的甲醇以及约0.05重量百分比到约1重量百分比的水。
在一个实施方案中，处理组合物还包括柴油机燃料。
在一个实施方案中，处理组合物包括约30重量百分比到约70重量百分比的柴油机燃料。
如上所述，柴油机燃料可以被应用于煤以调节煤的堆密度并抵消煤上的表面水分。因此，在一个实施方案中，处理组合物还包括柴油机燃料。
在一个实施方案中，处理组合物包括约30重量百分比到约70重量百分比的柴油机燃料。
在一个实施方案中，处理组合物包括约30重量百分比到约99.9重量百分比的脂肪酸甲酯和约0.1重量百分比到约70重量百分比的柴油机燃料。
可以向处理组合物中添加一种或多种表面活性剂以便增大组分的铺展系数。表面活性剂可以是油溶性的或水溶性的，这取决于处理组合物是含水的还是非水的。代表性的表面活性剂包括长链伯醇和仲醇、直链醇、烷基芳基磺酸盐及其混合物，它们应该用于非水的处理组合物。
在使用油溶性表面活性剂的情形中，可以有利地将一种或多种C1-C8醇包括在处理组合物中。代表性的C1-C8醇包括甲醇、乙醇、异丙醇、辛醇以及类似物。对于合适的表面活性剂和醇的详细论述，参见专利第4,304,636号，该专利在此以引用方式并入。
在一个实施方案中，处理组合物包括约5重量百分比到约30重量百分比的表面活性剂、约70重量百分比到约95重量百分比的脂肪酸甲酯以及约0.1重量百分比到约25重量百分比的柴油机燃料。
在将煤置于焦炉中之前，可以在任何阶段将处理组合物喷涂、倾倒或以其他方式应用于煤。
为实现期望的堆密度的增加，每吨煤所需的处理组合物的量可以由本领域的技术人员将待处理的煤的类型和其表面含水量考虑后依经验确定。在一个实施方案中，将每吨煤约1品脱到约20品脱的所述处理组合物应用于煤。
通过参考下面的实施例可以更好地理解前述内容，呈现各实施例是为了阐释的目的，而不是预期限制本发明的范围。
实施例：调节煤的堆密度
由生物柴油合成工艺获得粗甘油溶液。在此实施方案中，粗甘油组分包括约80重量百分比的甘油、约10-11重量百分比的水、约7重量百分比的氯化钠和约1-2重量百分比的脂肪酸及其甲酯。用42重量百分比的水稀释该产品以提供58重量百分比的粗甘油副产物的溶液。将每吨品脱数(ppt)为2的组合物应用于煤。形成两个样品：一个是具有处理过的煤；而一个是无甘油处理。接着，以相同的油浓度向两个样品中添加2号燃料油。在4ppt的油浓度范围时，用甘油处理过的样品呈现出更高的堆密度，约为1磅每立方英尺。
可以对本文描述的本发明的组合物、方法的操作和布置做出变化，而并不偏离由权利要求所界定的本发明的原理和范围。

Claims (15)

1.一种调节焦煤的堆密度的方法，所述方法包括将有效堆密度增加量的处理组合物应用于煤，所述处理组合物包括约10重量百分比到约99重量百分比的选自由植物油、动物脂、甘油三酯、脂肪酸、脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯和甘油组成的组的一种或多种组分。
2.如权利要求1所述的方法，其中将每吨煤约1品脱到约20品脱的所述处理组合物应用于煤。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述处理组合物包括选自由下述物质组成的列表的一种物质：至少一种脂肪酸甲酯、至少一种脂肪酸乙酯、从生物柴油制造工艺得到的至少一种脂肪酸甲酯、从生物柴油制造工艺得到的至少一种脂肪酸乙酯、从酯交换反应得到的至少一种脂肪酸甲酯、从酯交换反应得到的至少一种脂肪酸乙酯、10重量百分比到约99重量百分比的甘油、柴油机燃料、至少一种表面活性剂及其任何组合。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述处理组合物包括约30重量百分比到约99重量百分比的脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯或其组合。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述处理组合物包括约40重量百分比到约85重量百分比的脂肪酸甲酯、约3重量百分比到约50重量百分比的脂肪酸、约0.5重量百分比到约5重量百分比的生育酚以及约0.5重量百分比到约5重量百分比的甾醇。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述处理组合物包括约95重量百分比到约99重量百分比的甘油、约0.05重量百分比到约1重量百分比的甲醇以及约0.05重量百分比到约1重量百分比的水。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述甘油是从生物柴油制造工艺或酯交换反应得到的。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述处理组合物包括约30重量百分比到约70重量百分比的柴油机燃料。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述处理组合物包括约30重量百分比到约99.9重量百分比的脂肪酸甲酯和约0.1重量百分比到约70重量百分比的柴油机燃料。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述处理组合物包含约5重量百分比到约30重量百分比的表面活性剂。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述处理组合物还包括一种或多种C1-C8醇。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述处理组合物包括约5重量百分比到约30重量百分比的表面活性剂、约70重量百分比到约95重量百分比的脂肪酸甲酯以及约0.1重量百分比到约25重量百分比的柴油机燃料。
13.一种处理组合物，所述处理组合物用于改善焦煤的堆密度和生产量特性，所述处理组合物包括约95重量百分比到约99重量百分比的甘油、约0.05重量百分比到约1重量百分比的甲醇以及约0.05重量百分比到约1重量百分比的水。
14.一种处理组合物，所述处理组合物用于改善焦煤的堆密度和生产量特性，所述处理组合物包括约30重量百分比到约99.9重量百分比的脂肪酸甲酯和约0.1重量百分比到约70重量百分比的柴油机燃料。
15.一种处理组合物，所述处理组合物用于改善焦煤的堆密度和生产量特性，所述处理组合物包括约5重量百分比到约30重量百分比的表面活性剂、约70重量百分比到约95重量百分比的脂肪酸甲酯以及约0.1重量百分比到约25重量百分比的柴油机燃料。
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