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

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

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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:

БТЕ/фунт	<4900	до	>15400;
Влажность	<3,0%	до	>50%;
Зольность	<3,0%	до	>35% и
Общее содержание серы	<0,25%	до	>6,0%.

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 Bulleti