附聚的颗粒状低煤阶煤原料及其用途

摘要

本发明总体上涉及用于制备粒度适合于在某些气化反应器中的反应并且特别是适合于煤的气化的附聚的颗粒状低煤阶煤原料的工艺。本发明还涉及包括制备和利用这样的附聚的颗粒状低煤阶煤原料的集成的煤的气化工艺。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于制备粒度适合于在某些气化反应器中的反应并且特别是适合于煤的气化的附聚的颗粒状低煤阶煤(low-rank coal)原料的工艺。本发明还涉及包括制备和利用这样的附聚的颗粒状低煤阶煤原料的集成的煤的气化工艺。

背景技术

鉴于众多因素例如较高的能源价格和环境顾虑，从较低燃料价值的碳质原料(例如石油焦炭(petroleum coke)、渣油(resid)、沥青质、煤和生物质)生产增值产品(例如管道品质代用天然气、氢气、甲醇、高级烃、氨和电力)正重新受到关注。

可将这样的较低燃料价值的碳质原料在升高的温度和压力下气化以生产合成气体(synthesis gas)物流，所述合成气体物流可随后被转化为这样的增值产品。

某些气化工艺，例如，基于碳源在升高的温度和压力下的部分燃烧/氧化和/或蒸汽气化的那些(热气化)，产生作为主要产物的合成气(syngas)(一氧化碳+氢气，低级BTU合成气体物流)(未直接产生甲烷或直接产生的甲烷很少)。所述合成气可直接燃烧用于热能，和/或可进一步加工以生产甲烷(经由催化甲烷化，参见以下反应(III))、氢气(经由水煤气变换，参见以下反应(II))和/或许多其它高级烃产物。

这样的较低燃料价值的碳质原料可替代地被直接燃烧而用于获得它们的热值，典型地用于产生蒸汽和电能(直接地或者经由产生的蒸汽间接地)。

在以上用途中，原始的(raw)颗粒状原料典型地通过如下进行加工：至少研磨至适合于特定的气化操作的规定粒度分布曲线(轮廓，profile)(包括粒度分布的dp(50)以及上端和下端)。典型地，粒度分布曲线将取决于床的类型、流化条件(在流化床的情况下，例如流化介质和速度)和其它条件例如原料组成和反应性、原料物理性质(例如密度和表面积)、反应器压力和温度、反应器构造(例如几何结构和内部构件)、以及相关领域的普通技术人员普遍承认的各种各样的其它因素。

“低煤阶”煤典型地为具有暗淡的、泥土状外观的较软的、易碎的材料。它们特征在于相对较高的水分水平和相对较低的碳含量，并且因此，较低的能量含量(内能)。低煤阶煤的实例包括泥煤、褐煤和次烟煤。“高煤阶”煤的实例包括烟煤和无烟煤。

除了它们相对低的热值之外，低煤阶煤的使用还具有其它缺点。例如，这样的煤的易碎性可导致在原料制备(研磨和其它加工)中和在这样的煤的气化/燃烧中高的细屑损失。必须管理或者甚至除掉这样的细屑，这通常意味着对于这样的煤的使用而言经济和效率打击(经济和加工障碍因素)。对于非常高度易碎的煤例如褐煤，这样的细屑损失可接近或者甚至超过最初材料的50％。换而言之，低煤阶煤的加工和使用可导致所开采出的低煤阶煤中的碳含量的实质(显著)百分数的损失(或者较不期望的使用)。

因此，期望找到有效地加工低煤阶煤以减少在原料加工以及这样的低煤阶煤材料在各种气化和燃烧工艺中的最终转化两者中的细屑损失的途径。

包含显著量杂质例如钠和氯(例如，NaCl)的低煤阶煤由于这样的组分的高度腐蚀性的和结垢的性质而可能实际上不能用在气化工艺中，因此需要预处理以除去这样的杂质。典型地，增加这样的预处理使得钠和/或氯污染的低煤阶煤的使用在经济上不可行。

因此，期望找到更有效地预处理这些污染的低煤阶煤以除去相当大(substantial)部分的至少无机钠和/或氯含量的途径。

低煤阶煤还可具有提高的灰分水平，并且因此每单位的原始原料更低的可用碳含量。

因此，期望找到更有效地预处理这些低煤阶煤以降低总灰分含量的途径。

而且，与高煤阶煤相比，低煤阶煤倾向于具有更低的堆积密度和在单个颗粒密度方面更多的可变性，这对于设计和操作气化和燃烧工艺而言可产生挑战。

因此，期望找到提高低煤阶煤的颗粒密度和颗粒密度一致性两者以最终改善利用这样的低煤阶煤的工艺的操作性的途径。

发明内容

在第一方面中，本发明提供用于制备规定粒度分布的自由流动的附聚的颗粒状低煤阶煤原料的工艺，所述工艺包括如下步骤：

(a)选择所述自由流动的附聚的颗粒状低煤阶煤原料的粒度分布的规格，所述规格包括

(i)约72600微米或更小的目标上端粒度，

(ii)约6350微米或更大的目标下端粒度，和

(iii)在所述目标上端粒度和所述目标下端粒度之间的目标dp(50)；

(b)提供具有初始颗粒密度的原始的颗粒状低煤阶煤原料；

(c)将所述原始的颗粒状低煤阶煤原料研磨至目标dp(50)的从约2％到约50％的经研磨的dp(50)，以产生经研磨的低煤阶煤原料；

(d)将所述经研磨的低煤阶煤原料用水和粘合剂造粒以产生具有目标dp(50)的从约90％到约110％的经造粒的dp(50)和比所述初始颗粒密度大至少约5％的颗粒密度的自由流动的附聚的低煤阶煤颗粒，其中所述粘合剂选自水溶性粘合剂、水分散性粘合剂、及其混合物；和

(e)从所述自由流动的附聚的低煤阶煤颗粒除去如下的约90重量％或更大以产生所述自由流动的附聚的低煤阶煤原料

(i)大于所述上端粒度的颗粒，和

(ii)小于所述下端粒度的颗粒。

在第二方面中，本发明提供将低煤阶煤原料气化为包括一氧化碳和氢气的粗制合成气体物流的工艺，所述工艺包括如下步骤：

(A)制备规定粒度分布的低煤阶煤原料；

(B)将如下进料到固定床气化反应器中

(i)步骤(A)中制备的低煤阶煤原料，和

(ii)包括蒸汽和氧气之一或两者的气体物流；

(C)使步骤(B)中进料到气化反应器中的低煤阶煤原料在升高的温度和压力下与所述气体物流反应，以产生包括一氧化碳和氢气的粗制气体；和

(D)将在步骤(C)中在所述气化反应器中产生的所述粗制气体的物流作为粗制合成气体物流除去，

其中所述低煤阶煤原料包括自由流动的附聚的颗粒状低煤阶煤原料，且步骤(A)包括如下步骤：

(a)选择所述自由流动的附聚的颗粒状低煤阶煤原料的颗粒分布的规格，所述规格包括

(i)约72600微米或更小的目标上端粒度，

(ii)约6350微米或更大的目标下端粒度，和

(iii)在所述目标上端粒度和所述目标下端粒度之间的目标dp(50)；

(b)提供具有初始颗粒密度的原始的颗粒状低煤阶煤原料；

(c)将所述原始的颗粒状低煤阶煤原料研磨至目标dp(50)的从约2％到约50％的经研磨的dp(50)，以产生经研磨的低煤阶煤原料；

(d)将所述经研磨的低煤阶煤原料用水和粘合剂造粒以产生具有目标dp(50)的从约90％到约110％的经造粒的dp(50)和比所述初始颗粒密度大至少约5％的颗粒密度的自由流动的附聚的低煤阶煤颗粒，其中所述粘合剂选自水溶性粘合剂、水分散性粘合剂、及其混合物；和

(e)从所述自由流动的附聚的低煤阶煤颗粒除去如下的至少约90重量％，以产生所述自由流动的附聚的低煤阶煤原料：(i)大于所述上端粒度的颗粒，和(ii)小于所述下端粒度的颗粒。

根据本发明的工艺例如对于如下是有用的：从各种低煤阶煤材料以降低的资本和操作强度以及更大的总体工艺效率更有效地生产更高价值产品和副产品。

本领域普通技术人员从阅读以下具体实施方式将更容易地理解本发明的这些和其它实施方式、特征和优点。

附图说明

图1为根据本发明第一方面的制备自由流动的附聚的颗粒状低煤阶煤原料的工艺的实施方式的概要图。

图2为根据本发明的气化工艺的实施方式的概要图。

具体实施方式

本发明涉及从低煤阶煤制备适合用于某些气化工艺中的原料的工艺和将那些原料最终转化为一种或更多种增值产品的工艺。以下提供进一步的细节。

在本说明书的上下文中，本文中所提及的所有的出版物、专利申请、专利和其它参考文献，如果未另有说明的话，则明确地通过引用而全部引入本文中用于所有目的，如同其被充分阐述一样。

除非另有定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有与本公开内容所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。在冲突的情况下，包括定义的本说明书将进行支配。

除了清楚地指出以外，商标以大写字母显示。

除非另有说明，所有的百分数、份、比率等以重量计。

除非另有说明，以psi单位表示的压力为表压，和以kPa单位表示的压力为绝对压力。但是，压力差是作为绝对值表示的(例如，压力1比压力2高25psi)。

当量、浓度、或者其它值或参数作为范围、或者上限值和下限值的列表给出时，这应被理解为具体公开了由任意对的任意范围上限和下限形成的所有范围，而不管范围是否被单独公开。当在本文中叙述数值范围时，除非另有说明，否则所述范围意图包括其端点、以及在该范围内的所有整数和分数。本公开内容的(保护)范围不意图局限于在定义(值)范围时所叙述的具体值。

当在描述值或者范围端点中使用术语“约”时，本公开内容应被理解为包括所涉及的具体值或端点。

如本文中使用的，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其它变型意图涵盖非排他的内含物。例如，包括要素列表的工艺、方法、制品、或设备不一定局限于仅那些要素，而是可包括未明确列出的或者这样的工艺、方法、制品、或设备所固有的其它要素。

进一步地，除非明确地相反说明，否则“或”与“和/或”指的是包容性的，而不是排他性的。例如，以下的任一个均满足条件A或B、或者A和/或B：A为真(或存在)且B为假(或不存在)、A为假(或者不存在)且B为真(或存在)、以及A和B两者均为真(或存在)。

使用“(某)一个(种)(a，an)”来描述本文中的各种要素和组分(部件，component)仅是为了方便以及提供本公开内容的一般意义。该描述应被解读为包括一个(种)或至少一个(种)并且该单数还包括复数，除非其明显另有意味。

除非在本文中另有定义，否则如本文中使用的术语“相当大(的)”指的是，所涉及材料的大于约90％，优选地所涉及材料的大于约95％，和更优选地所涉及材料的大于约97％。如果未指明，百分数在涉及分子(例如甲烷、二氧化碳、一氧化碳和硫化氢)时基于摩尔，否则基于重量(例如对于碳含量)。

除非在本文中另有定义，否则如本文中使用的术语“主要部分”指的是所涉及材料的大于50％。如果未指明，百分数在涉及分子(例如氢气、甲烷、二氧化碳、一氧化碳和硫化氢)时基于摩尔，否则基于重量(例如对于碳含量)。

术语“贫化(的)(depleted)”是与比最初存在的减少同义的。例如，从物流除去相当大部分的材料将产生基本上贫化了该材料的材料贫化的物流。相反，术语“增浓(的)(富含，enriched)”是与大于最初存在的同义的。

如本文中使用的术语“碳质(的)”是与烃同义的。

如本文中使用的术语“碳质材料”是含有有机烃内容物的材料。碳质材料可分为如本文中所定义的生物质或非生物质材料。

如本文中使用的术语“生物质”指的是由最近(例如，在过去的100年内)活着的生物体得到的碳质材料，包括基于植物的生物质和基于动物的生物质。为了清楚起见，生物质不包括基于化石的碳质材料，例如煤。例如，参见US2009/0217575A1、US2009/0229182A1和US2009/0217587A1。

如本文中使用的术语“基于植物的生物质”指的是由如下得到的材料：绿色植物、农作物、藻类、和树木，例如，但不限于，高粱、甘蔗渣、甘蔗、竹子、杂交杨、杂交柳、合欢树、桉树、苜蓿、三叶草、油棕属、柳枝稷、苏丹草、黍(粟)、麻风树、和芒草(例如，巨芒(Miscanthus xgiganteus))。生物质进一步包括来自农业耕作、加工、和/或降解的废弃物例如玉米棒子和壳、玉米秸秆、稻草、坚果壳、植物油、低芥酸菜子油、菜子油、生物柴油、树皮、木片、锯屑、和庭院废弃物。

如本文中使用的术语“基于动物的生物质”指的是由动物养殖和/或利用产生的废弃物。例如，生物质包括，但不限于，来自家畜养殖和加工的废弃物例如动物粪便、鸟粪、家禽巢厩废弃物(poultry litter)、动物脂肪、和市政固体废弃物(例如，污物)。

如本文中使用的术语“非生物质”指的是未被如本文中定义的术语“生物质”所涵盖的那些碳质材料。例如，非生物质包括，但不限于，无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤、石油焦炭、沥青质、液体石油残留物(残渣，residue)、或其混合物。例如，参见US2009/0166588A1、US2009/0165379A1、US2009/0165380A1、US2009/0165361A1、US2009/0217590A1和US2009/0217586A1。

“液体重质烃材料”是在环境条件下能流动的或者可在升高的温度条件下变成能流动的粘滞性的液体或半固体材料。这些材料典型地为来自烃材料例如原油的加工的残留物。例如，原油炼制中的第一步骤通常是蒸馏以将烃的复杂混合物分离为不同挥发性的级分(馏分)。典型的第一步骤蒸馏要求在大气压下加热以在不超过约650°F(约343℃)的实际温度的情况下使尽可能多的烃内容物蒸发，因为较高的温度可导致热分解。在大气压下未被蒸馏的级分通常被称为“常压石油残留物”。可进一步将所述级分在真空下蒸馏，使得最高达约650°F(约343℃)的实际温度可使甚至更多的材料蒸发。剩留的不能蒸馏的液体被称为“减压石油残留物”。对于本发明而言，常压石油残留物和减压石油残留物两者被认为是液体重质烃材料。

液体重质烃材料的非限制性实例包括减压渣油；常压渣油；重质拔顶油(heavy and reduced petroleum crude oil)；沥青(pitch)、柏油(asphalt)和沥青(bitumen)(天然存在的以及从石油炼制工艺得到的)；焦油砂油；页岩油；来自催化裂化工艺的塔底物；煤液化塔底物；和包含显著量的重质的或者粘滞性的材料的其它烃进料物流例如石油蜡级分。

如本文中使用的术语“沥青质”在室温下为芳族碳质固体，并且可例如从原油和原油焦油砂的加工得到。沥青质也可被认为是液体重质烃原料。

所述液体重质烃材料可内在地包含较少量的固体碳质材料，例如石油焦炭和/或固体沥青质，其通常分散在所述液体重质烃基质内并且在作为用于本工艺的进料条件使用的升高的温度条件下保持固态。

如本文中使用的术语“石油焦炭”和“石油焦(petcoke)”包括(i)在石油加工中获得的高沸点烃级分的固态热分解产物(重质残渣–“渣油石油焦(resid petcoke)”)，和(ii)加工焦油砂的固态热分解产物(沥青砂或油砂–“焦油砂石油焦”)两者。这样的碳化产物包括，例如，绿色的(green)、经煅烧的、针状的和流化床石油焦。

渣油石油焦也可由原油例如通过用于提升重比重残留原油(例如液体石油残留物)品质的炼焦工艺得到，所述石油焦包含作为较少组分的灰分，其典型地为基于所述焦炭的重量的约1.0重量％或更少、和更典型地约0.5重量％或更少。典型地，在这样的较低灰分焦炭中的灰分主要包括金属例如镍和钒。

焦油砂石油焦可由油砂例如通过用于提升油砂品质的炼焦工艺得到。焦油砂石油焦包含作为较少组分的灰分，其典型地在基于所述焦油砂石油焦的总重量的从约2重量％到约12重量％的范围内，和更典型地在从约4重量％到约12重量％的范围内。典型地，在这样的较高灰分焦炭中的灰分主要包括例如二氧化硅和/或氧化铝的物质。

石油焦炭可包括基于石油焦炭的总重量的至少约70重量％碳、至少约80重量％碳、或至少约90重量％碳。典型地，石油焦炭包括基于石油焦炭重量的小于约20重量％的无机化合物。

如本文中使用的术语“煤”指的是泥煤、褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤、或其混合物。在某些实施方式中，所述煤具有基于总的煤重量的小于约85％、或者小于约80％、或者小于约75％、或者小于约70％、或者小于约65％、或者小于约60％、或者小于约55％、或者小于约50％(以重量计)的碳含量。在其它实施方式中，所述煤具有范围基于总的煤重量最高达约85％、或者最高达约80％、或者最高达约75％(以重量计)的碳含量。有用的煤的实例包括，但不限于，Illinois#6、Pittsburgh#8、Beulah(ND)、UtahBlind Canyon、和Powder River Basin(PRB)煤。无烟煤、烟煤、次烟煤、和褐煤可分别含有约10重量％、从约5到约7重量％、从约4到约8重量％、和从约9到约11重量％的灰分，基于干重以所述煤的总重量计。然而，如本领域技术人员熟悉的，任何特定的煤来源的灰分含量将取决于煤的煤阶(等级，rank)和来源。参见例如“Coal Data:A Reference”，EnergyInformation Administration,Office of Coal,Nuclear,Electric and Alternate Fuels,U.S.Department of Energy,DOE/EIA-0064(93),1995年2月。

如本领域技术人员熟悉的，由煤的燃烧产生的灰分典型地包括飞灰和底灰两者。来自烟煤的飞灰可包括基于所述飞灰的总重量的从约20到约60重量％二氧化硅和从约5到约35重量％氧化铝。来自次烟煤的飞灰可包括基于所述飞灰的总重量的从约40到约60重量％二氧化硅和从约20到约30重量％氧化铝。来自褐煤的飞灰可包括基于所述飞灰的总重量的从约15到约45重量％二氧化硅和从约20到约25重量％氧化铝。参见例如，Meyers等，“Fly Ash.A Highway Construction Material”，Federal HighwayAdministration,Report No.FHWA-IP-76-16,Washington,DC,1976。

来自烟煤的底灰可包括基于所述底灰的总重量的从约40到约60重量％二氧化硅和从约20到约30重量％氧化铝。来自次烟煤的底灰可包括基于所述底灰的总重量的从约40到约50重量％二氧化硅和从约15到约25重量％氧化铝。来自褐煤的底灰可包括基于所述底灰的总重量的从约30到约80重量％二氧化硅和从约10到约20重量％氧化铝。参见例如，Moulton,Lyle K.“Bottom Ash and Boiler Slag”，Proceedings of the Third International AshUtilization Symposium,U.S.Bureau of Mines,Information Circular No.8640,Washington,DC,1973。

材料例如甲烷取决于其起源的来源而可为根据以上定义的生物质或非生物质。

“非气态(的)”材料在环境条件下基本上为液体、半固体、固体、或者混合物。例如，煤、石油焦、沥青质和液体石油残留物为非气态材料，而甲烷和天然气为气态材料。

术语“单元”涉及单元操作。当超过一个“单元”被描述为存在时，那些单元以平行(并行)方式操作，除非另有说明。然而，取决于上下文，单个“单元”可包括串联或并联的超过一个的该单元。例如，旋流器单元可包括：内部旋流器，其后串联地跟着外部旋流器。作为另一实例，造粒单元可包括：用于造粒至第一粒度/颗粒密度的第一造粒机，其后串联地跟着用于造粒至第二粒度/颗粒密度的第二造粒机。

如本文中使用的术语“自由流动的”颗粒指的是，所述颗粒没有由于水分含量而实质上附聚(例如，没有实质上聚集、结块(cake)或凝集(clump))，如相关领域普通技术人员充分理解的。自由流动的颗粒无需为“干燥的”，但是期望地，所述颗粒的水分含量基本上包含在内部，使得存在最低限度的(或者不存在)表面水分。

术语“碳质原料的一部分”涉及的是未反应的原料以及部分反应的原料、以及可全部或部分地从碳质原料得到的其它组分(例如一氧化碳、氢气和甲烷)的碳内容物。例如，“碳质原料的一部分”包括可存在于副产物炭和再循环的细屑中的碳内容物，所述炭最终得自最初的碳质原料。

本发明上下文中的术语“过热蒸汽”指的是在所利用的条件下为非冷凝性的蒸汽物流，如相关领域的普通技术人员通常理解的。

本发明上下文中的术语“干饱和蒸汽”或“干蒸汽”指的是非冷凝性的略微过热的饱和蒸汽，如相关领域的普通技术人员通常理解的。

术语“HGI”指的是如根据ASTM D409/D409M-11ae1测量的哈格罗夫可磨性指数(Hardgrove Grinding Index)。

术语“dp(50)”指的是如根据ASTM D4749-87(2007)测量的粒度分布的中间粒度(mean particle size)。

术语“颗粒密度”指的是如根据ASTM D4284-12通过压汞式孔隙率测定法测量的颗粒密度。

当描述粒度时，“+”的使用意味着大于或等于(例如，近似最小值)，和“-”的使用意味着小于或等于(例如，近似最大值)。

虽然在本公开内容的实践或试验中可使用与本文中描述的方法和材料类似或等同的那些，但是本文中描述了合适的方法和材料。本文中的材料、方法和实例因此仅是说明性的，并且除了具体说明之外，不意图为限制性的。

总的原料制备工艺信息

本发明部分地涉及用于制备适合于某些固定/移动床气化工艺的自由流动的附聚的颗粒状低煤阶煤原料的各种工艺。

典型地，在固定/移动床气化应用中，使用通常粗大的颗粒，但是所述粗大的颗粒限于分别为约72600微米和约6350微米的颗粒上限和下限。

本发明在步骤(a)中提供针对最终的自由流动的附聚的颗粒状低煤阶煤原料的最终用途的期望的最终粒度分布的设置，包括目标dp(50)、目标上端粒度(大的或“粗大物(bigs)”)和目标下端粒度(小的或“细屑”)。典型地，目标上端粒度应为目标dp(50)的至少200％、或者至少三倍即300％、和在一些情况下最高达1000％；和目标下端粒度应为目标dp(50)的不大于50％、或者不大于33％、和在一些情况下不小于10％。

相关最终用途领域中的普通技术人员将容易地能够对于期望的最终用途确定期望的粒度分布曲线。例如，以下详述用于某些气化工艺的期望的粒度分布曲线。

在步骤(b)中，提供原始的颗粒状低煤阶煤原料。

术语“低煤阶煤”为相关领域的普通技术人员通常所理解。低煤阶煤包括典型的次烟煤、以及褐煤和泥煤。低煤阶煤通常被认为是与高煤阶烟煤和无烟煤相比“更年轻的”煤，并且与这样的高煤阶煤相比，往往具有更低的颗粒密度、更高的孔隙率、更低的固定碳含量、更高的水分含量、更高的挥发物含量、和在许多情况下更高的无机灰分含量。

在一个实施方式中，原始的“低煤阶煤”具有约25重量％或更大的内在(总)水分含量(如根据ASTM D7582-10e1测量的)、约6500kcal/kg(以干重计)或更少的热值(如根据ASTM D5865-11a测量的)、和约45重量％或更少的固定碳含量(如根据ASTM D7582-10e1测量的)。

低煤阶煤包括典型的次烟煤、以及褐煤和泥煤。低煤阶煤通常被认为是与高煤阶烟煤和无烟煤相比“更年轻的”煤，并且与这样的高煤阶煤相比，往往具有更低的颗粒密度、更高的孔隙率、更低的固定碳含量、更高的水分含量、更高的挥发物含量、和在许多情况下更高的无机灰分含量。

典型地，所述原始的颗粒状低煤阶煤原料将具有约50或更大的HGI。本发明中使用的低煤阶煤的一个实施方式为具有约70或更大、或者从约70到约130的HGI的煤。在一个实施方式中，所述低煤阶煤为褐煤。

典型地，本工艺中使用的原始的颗粒状低煤阶煤原料将基本上为低煤阶煤、或者仅为低煤阶煤。也可使用两种或更多种不同的低煤阶煤的混合物。

也可使用主要量的一种或多种低煤阶煤与较少量的一种或多种其它非气态碳质原料的混合物作为所述原始的颗粒状低煤阶煤原料。这样的其它非气态原料包括，例如，高煤阶煤、石油焦炭、液体石油残留物、沥青质和生物质。在低煤阶煤与另一类型的非气态碳质材料的组合的情况下，为了被认为是对于本发明而言的“原始的颗粒状低煤阶煤原料”，来自低煤阶煤组分的热值必须为所述组合的主要部分。换而言之，所述原始的颗粒状低煤阶煤原料的总热值是有大于50％、或大于约66％、或大于约75％、或大于约90％来自低煤阶煤来源的。

如以下更详细地讨论的，可在所述工艺中的各个其它步骤加入某些其它非气态碳质材料。例如，这样的材料可用于辅助经研磨的低煤阶煤原料的造粒(粘合)，其例如液体石油残留物、沥青质和某些生物质例如鸡粪。

步骤(b)中提供的原始的低煤阶煤原料然后通过如下进行加工：研磨至小的粒度，造粒至期望的最终粒度，然后最终分级(size)，其实施方式描绘于图1中。

根据该实施方式，将原始的颗粒状低煤阶煤原料(10)在原料制备单元(100)中加工以产生经研磨的低煤阶煤原料(32)，其在造粒单元(350)中与粘合剂(35)组合、造粒并且最终分级，以产生根据本发明的自由流动的附聚的低煤阶煤原料(32+35)。

原料制备单元(100)利用研磨步骤，并且可利用其它任选的操作，所述其它任选的操作包括但不限于：用于从经研磨的低煤阶除去某些杂质的洗涤步骤，和调节水含量的脱水步骤以进行后续的造粒。

在研磨步骤中，可将原始的低煤阶煤原料(10)在研磨单元(110)中根据本领域中已知的任何方法(例如冲击破碎以及湿法或者干法研磨)破碎、研磨和/或粉碎以产生粒度适合于后续造粒的粗制的(raw)经研磨的低煤阶煤原料(21)，其典型地是至dp(50)为最终的目标dp(50)的从约2％、或者从约5％、或者从约10％最高到约50％、或者到约40％、或者到约33％、或者到约25％。

提供至研磨步骤的颗粒状的原始的低煤阶煤原料(10)可为如从矿直接获取的那样或者可为经初始加工的，例如通过粗略破碎至粒度足够大到在研磨步骤中更精细地研磨。

与典型的研磨工艺不同，经研磨的低煤阶煤原料(21)没有在研磨之后立即(直接)分级来除去细屑，而是如所研磨的那样用于后续造粒。换而言之，根据本发明，原始的颗粒状低煤阶煤原料(10)被完全研磨至较小的粒度，然后重构(附聚)直至目标粒度。

本工艺因此利用了颗粒状的原始的低煤阶煤原料(10)的碳内容物的基本上全部(约90重量％或更大、或者约95重量％或更大、或者约98重量％或更大)，这与常规研磨操作中分离出细小或粗大材料(其另外需要单独加工(或除掉))相反。换而言之，最终的自由流动的附聚的颗粒状低煤阶煤原料包含原始的颗粒状低煤阶煤原料(10)的碳内容物的约90重量％或更大、或者约95重量％或更大、或者约98重量％或更大，并且存在引入所述工艺中的颗粒状的原始的低煤阶煤原料(10)的碳内容物(热值)的几乎完全的利用。

在一个实施方式中，通过将含水介质(40)加入到研磨工艺中而对颗粒状的原始的低煤阶煤原料(10)进行湿法研磨。用于煤原料的湿法研磨的合适方法的实例是相关领域的普通技术人员公知的。

在另一实施方式中，在湿法研磨工艺中加入酸以使可存在于颗粒状的原始的低煤阶煤原料(10)中的无机灰分的至少一部分分解，从而使得那些无机灰分组分为水溶性的，使得它们可在后续的洗涤阶段(如以下讨论的)中被除去。这对于制备用于加氢甲烷化和其它催化工艺的原料是特别有用的，因为灰分组分的某些(例如，二氧化硅和氧化铝)可结合对于加氢甲烷化典型地使用的碱金属催化剂，从而使得那些催化剂为无活性的。合适的酸包括盐酸、硫酸和硝酸，并且典型地以足以将含水研磨介质的pH降低至其中有害的灰分组分将至少部分地溶解的点的较少的量使用。

粗制的经研磨的低煤阶煤原料(21)可然后任选地被送至洗涤单元(120)，在洗涤单元(120)中使其与含水介质(41)接触以除去各种水溶性污染物，并且产生经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料(22)，所述水溶性污染物被作为废水物流(42)取出。该洗涤步骤对于如下是特别有用的：处理被无机钠和无机氯污染的煤(例如，具有高的NaCl含量)，因为钠和氯两者在气化和燃烧工艺中均是高度有害的污染物；以及除去可能已经经由(如以上讨论的)研磨阶段中的任选的酸处理而成为水溶性的灰分成分。

合适的煤洗涤工艺的实例是相关领域的普通技术人员公知的。一种这样的工艺涉及利用一个或一系列的真空带式过滤器，其中将经研磨的煤在真空带上输送，同时向其喷射含水介质(典型地，从来自所述工艺的废水物流(例如，废水物流(42))的处理回收的再循环水)。在该阶段也可施加添加剂例如表面活性剂、絮凝剂和造粒助剂。例如，可施加表面活性剂和絮凝剂以辅助在真空带式过滤器和/或任何后续脱水阶段中的脱水。

所得经洗涤的经研磨的低煤阶煤原料(22)将典型地为具有这样的水含量的湿滤饼或者浓淤浆的形式：其典型地需要额外的脱水阶段(脱水单元(130))来除去一部分水含量和产生具有适合于后续的在造粒单元(350)中的造粒的水含量的经研磨的低煤阶煤原料(32)。

适合用于在该脱水阶段中使湿的煤滤饼和浓的煤淤浆脱水的方法和设备为相关领域的普通技术人员公知的并且包括例如过滤(重力或真空)、离心、液压和热干燥(热空气和/或蒸汽)方法和设备。可使用对于所述煤颗粒具有亲和性的疏水性有机化合物和溶剂来促进脱水。

从脱水阶段产生的废水物流(43)可例如被再循环至洗涤单元(120)和/或送去废水处理。从废水物流(43)的处理回收的任何水可被再循环用于工艺中的其它地方。

来自原料制备单元(100)的所得物为具有适合于在造粒单元(350)中造粒和进一步加工的适当粒度和水分含量的经研磨的低煤阶煤原料(32)。

来自其它来源的适当粒度的另外的细屑材料(未示出)可在各种位置处加入到原料制备单元(100)中和/或可与经研磨的低煤阶煤原料(32)组合。例如，可将来自其它煤和/或石油焦加工操作的细屑材料与经研磨的低煤阶煤原料(32)组合以改变(例如，进一步降低)经研磨的低煤阶煤原料(32)的水含量和/或提高其碳含量。

造粒单元(350)利用造粒步骤和最终的分级步骤，并且可利用其它任选操作，包括但不限于为了最终用途而调节水含量的脱水步骤。

造粒步骤利用造粒单元(140)以借助于水溶性的或水分散性的粘合剂(35)使经研磨的低煤阶煤原料(32)在含水环境中附聚。所述附聚通过相关领域的普通技术人员公知的造粒机的任一种或组合以机械方式进行。这样的造粒机的实例包括销棒混合器(pin mixer)、圆盘造粒机和转鼓造粒机。在一个实施方式中，所述造粒为通过如下进行的两阶段造粒：第一类型的造粒机，之后串联地跟着第二类型的造粒机，例如销棒混合器，之后跟着圆盘和/或转鼓造粒机，该组合容许附聚的低煤阶煤颗粒的最终粒度和致密化的更好控制。

合适的粘合剂也是相关领域的普通技术人员公知的并且包括有机和无机粘合剂。有机粘合剂包括，例如，各种淀粉、絮凝剂、天然和合成聚合物、生物质例如鸡粪、以及分散的/乳化的油材料例如分散的液态石油渣油。

无机粘合剂包括矿物粘合剂。在一个实施方式中，所述粘合剂材料为这样的碱金属：其是作为碱金属化合物并且特别是钾化合物例如氢氧化钾和/或碳酸钾提供的，其在催化蒸汽气化和加氢甲烷化工艺中是特别有用的，因为碱金属起到(以下讨论的)那些反应的催化剂的作用。在其中回收和再循环碱金属催化剂的那些蒸汽气化和加氢甲烷化工艺中，所述粘合剂可包括再循环的碱金属化合物以及视需要的补给催化剂。

造粒步骤应导致具有尽可能接近目标dp(50)、但是通常至少在目标dp(50)的从约90％到约110％范围内的dp(50)的湿的附聚的低煤阶煤颗粒(23)。期望地，湿的附聚的低煤阶煤颗粒(23)具有在目标dp(50)的从约95％到约105％范围内的dp(50)。

取决于湿的附聚的低煤阶煤颗粒(23)的水分含量，那些颗粒可能是或可能不是自由流动的，和/或可能不是结构上稳定的，和/或可能具有对于期望的最终用途而言太高的水分含量，并且可任选地需要经历额外的在脱水单元(150)中的脱水阶段以产生经脱水的附聚的低煤阶煤原料(24)。适合用于使湿的附聚的低煤阶煤颗粒(32)在脱水阶段中脱水的方法是相关领域的普通技术人员公知的并且包括例如，过滤(重力或真空)、离心、液压和热干燥(热空气和/或蒸汽)。在一个实施方式中，将湿的附聚的低煤阶煤颗粒(23)热干燥，其合意地用干或过热蒸汽进行。

从该脱水阶段产生的废水物流(44)可例如被再循环至造粒步骤(140)(与粘合剂(35)一起)和/或被送去废水处理。从废水物流(44)的处理回收的任何水可被再循环用在该工艺的其它地方。

造粒单元(350)包括在分级单元(160)中的最终分级阶段，其中将高于目标上端尺寸(大的或“粗大物”)和低于目标下端粒度(细屑或“细小物”)的颗粒的全部或一部分除去以导致自由流动的附聚的低煤阶煤原料(32+35)。适合用于分级的方法是相关领域的普通技术人员公知的，并且典型地包括具有适当尺寸的(sized)筛子的筛分单元。在一个实施方式中，粗大物和细小物的任一种或两种(期望地)的至少90重量％、或至少95重量％在该最终分级阶段中被除去。

为了使碳的利用最大化和使浪费最小化，合意的是将高于目标上端尺寸的颗粒作为物流(26)回收并且直接再循环回研磨单元(110)，和/或可将其在单独的研磨单元(170)中研磨以产生经研磨的粗大物物流(27)，所述经研磨的粗大物物流(27)可被直接再循环回造粒单元(140)中。同样地，合意的是将低于目标下端尺寸的颗粒作为物流(25)回收并且直接再循环回造粒单元(140)。

除了任何热干燥之外，原料制备阶段中的所有操作通常在环境温度和压力条件下进行。然而，在一个实施方式中，洗涤阶段可在升高的温度条件下(例如，使用加热的洗涤水)进行以促进在该洗涤工艺期间除去的污染物的溶解。

所得自由流动的附聚的低煤阶煤原料(32+35)将有利地具有与原始的颗粒状低煤阶原料的初始颗粒密度相比提高的颗粒密度。所得颗粒密度应比所述原始的颗粒状低煤阶原料的初始颗粒密度大至少约5％、或者大至少约10％。

在一个实施方式中，所得自由流动的附聚的低煤阶煤原料具有目标dp(50)。

气化工艺

可利用根据本发明的附聚的低煤阶煤原料的工艺包括某些气化工艺。

作为一般概念，气化工艺将碳质原料中的碳转化为这样的粗制合成气体物流：其通常包含一氧化碳和氢气，并且取决于具体的气化工艺，还可包含各种量的甲烷和二氧化碳。所述粗制合成气体物流再一次地取决于具体的气化工艺以及所采用的任何共反应物和原料还可包含其它组分例如未反应的蒸汽、硫化氢、氨和其它污染物。

所述粗制合成气体物流是在气化反应器中产生的。合适的气化技术是相关领域的普通技术人员公知的，并且许多可应用的技术是可商购获得的。

以下讨论不同类型的合适的气化工艺的非限制性实例。这些可单独或者组合使用。所有的合成气体产生工艺将涉及反应器(其在图2中概要地描述为(180))，其中使自由流动的附聚的颗粒状低煤阶煤原料(或者其经热解的或经脱挥发分的炭)反应以产生所述粗制合成气体物流。在以下描述的各种合成气体产生工艺的情况下，可大体上参照图2。

在一个实施方式中，气化工艺基于热气化工艺，例如，其中使用氧气和/或蒸汽作为氧化剂的部分氧化气化工艺，例如蒸汽气化工艺。

潜在地适合于与本发明一道使用的气化器在通常意义上是相关领域的普通技术人员已知的并且包括，例如，基于可从Lurgi AG(Sasol)得到的技术的那些等。

当应用于煤时并且参照图2，这些工艺将附聚的颗粒状低煤阶煤原料(32+35)、或者其经热解的或经脱挥发分的炭在反应器(180)例如鼓氧式(oxygen-blown)气化器或蒸汽气化器中转化为作为粗制合成气体物流(195)的合成气(氢气加一氧化碳)，其取决于具体的工艺和碳质原料将具有不同的氢气:一氧化碳比率，将通常含有较少量的二氧化碳，并且可包含较少量的其它气态组分例如甲烷、蒸汽、焦油、硫化氢、硫氧化物和氮氧化物。

取决于具体工艺，可将附聚的颗粒状低煤阶煤原料(32+35)在针对具体的气化工艺优化的一个或多个不同的位置处进料到反应器(180)中，如相关领域的普通技术人员将认识到的。

在这些工艺的某些中，将空气或者氧气增浓的气体物流(14)与附聚的原料(32+35)一起进料到反应器(180)中。任选地，也可将蒸汽(12)，以及其它气体例如二氧化碳、氢气、甲烷和/或氮气进料到反应器(180)中。

在这些工艺的某些中，蒸汽(12)可在升高的温度下用作氧化剂来代替空气或氧气增浓的气体物流(14)的全部或部分。

反应器(180)中的气化将典型地发生在被空气或氧气增浓的气体物流(14)、蒸汽(12)和/或可进料至反应器(180)的其它气体(例如二氧化碳和/或氮气)所接触的附聚的原料(32+35)的床(182)中。

在一个实施方式(如以下提及的Lurgi工艺)中，气化发生在床(182)中，床(182)在文献中称作“固定”床或“移动”床，其不是在流化床反应器意义上流化的。

典型地，热气化为非催化过程，因此不需要将气化催化剂加入至附聚的原料(32+35)或加入到反应器(180)中；然而，可使用促进合成气形成的催化剂。

典型地，在热气化过程中碳转化率是非常高的，并且任何残留的残留物主要为无机灰分且有很少的或者没有碳残留物。取决于反应条件，热气化可为造渣的(slagging)或不造渣的(non-slagging)，其中将残留物(197)作为熔融的(造渣的)或固体的(不造渣的)灰分或炭(就在残留物中仍然存在明显的碳含量而言)从反应器(180)取出。典型地，残留物(197)在位于床(182)和栅板(188)下面的段(186)中收集并且从反应器(180)的底部取出，但是灰分/炭也可与粗制合成气体物流(195)一起从反应器(180)的顶部(184)取出。

粗制合成气体物流(195)典型地从反应器(180)的顶部或上部部分取出。

离开反应器(180)的床(182)的热的气体流出物可穿过如下的细屑除去器单元(例如旋流器组件(190))：其结合到反应器(180)内和/或外部，其起到分离区的作用。太重而无法被离开反应器(180)的气体所夹带的颗粒可被返回至反应器(180)，例如，返回至床(182)。

残留的所夹带的细屑通过例如如下的任何合适的装置被基本上除去以产生细屑贫化的粗(制)产物物流(193)：内部的和/或外部的旋流器分离器(190)，其任选地之后跟着文丘里涤气器。这些细屑的至少一部分可经由再循环管线(192)、(194)和/或(196)被返回至床(182)，特别是就这样的细屑仍然包含实质的碳内容物(可被视为炭)而言。替代地，可将任何细屑或灰分经由管线(192)和(198)除去。

这些热气化工艺典型地在相对高的温度和压力条件下操作，并且如上所示，取决于工艺和碳质原料，可在造渣或不造渣的操作条件下运行。

例如，Lurgi气化器具有这样的固定/移动床段：其在从约750℃到约1000℃的温度和从约150psig(1136kPa)到约600psig(4238kPa)的压力下操作。合适的粒度是相对粗大的，范围从约+6350微米到约-76200微米，其中-6350微米颗粒由于较小颗粒显著的加工/结垢问题而以最小量存在。用于Lurgi工艺的目标dp(50)在如以上讨论的目标上部粒度和下部粒度之间。参见例如WO2006/082543A1和US2009/0158658A1。

各种反应器和技术的反应和其它操作条件、以及设备和构造在通常意义上是相关领域的普通技术人员已知的，并且对本发明而言在其最广意义上不是关键的。

多组列(Multi-Train)工艺

在本发明的工艺中，各工艺可在一个或多个加工单元中进行。例如，可向一个或多个气化反应器供应来自一个或多个原料制备单元操作的原料。类似地，通过一个或多个反应器产生的粗产物物流可取决于具体的系统构造在多个下游点处单独地或者经由它们的组合被加工或纯化。

在某些实施方式中，所述工艺利用两个或更多个气化反应器。在这样的实施方式中，所述工艺可在所述反应器之前包含渐扩的(分叉的，divergent)多个加工单元(即，小于气化反应器的总数)用于最终将所述碳质原料提供至所述多个反应器，和/或可在所述反应器之后包含收敛的(convergent)多个加工单元(即，小于加氢甲烷化反应器的总数)用于加工通过所述多个反应器产生的多股粗制气体物流。

当系统包含收敛的多个加工单元时，所述收敛的多个加工单元各自可选择成具有接受大于去往所述收敛的多个加工单元的总进料物流的1/n份的能力(容量，capacity)，其中n为收敛的多个加工单元的数量。类似地，当该系统包含渐扩的多个加工单元时，所述渐扩的多个加工单元各自可选择成具有接受大于供应所述收敛的多个加工单元的总进料物流的1/m份的能力，其中m为渐扩的多个加工单元的数量。