Транспортабельная горючая газообразная суспензия частиц твердого топлива
Владельцы патента RU 2756517:
ФИНИКС ЭДВАНСТ ТЕКНОЛОДЖИЗ, ЛИМИТЕД (CN)
Изобретение относится к области газообразных углеводородных топлив. Описывается транспортабельная горючая газообразная суспензия, включающая негорючий газообразный носитель и частицы твердого топлива, суспендированные в газообразном носителе, причем частицы твердого топлива состоят из частиц образованного из угля твердого углеродсодержащего материала, имеющих размер частиц менее 40 мкм. Также описываются способы транспортирования горючей газообразной суспензии. Технический результат – создание горючей газообразной суспензии частиц твердого топлива, которая имеет объемную удельную энергоемкость, сравнимую с характеристикой традиционных газообразных углеводородных топлив. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 пр., 3 табл.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к транспортабельной горючей газообразной суспензии частиц твердого топлива. Газообразная суспензия включает частицы твердого топлива, взвешенные в газообразном носителе. Газ может быть реакционноспособным, таким как воздух, кислород, их смеси, или газ может быть инертным, таким как азот. Газообразная суспензия частиц твердого топлива может быть конфигурирована имеющей энергетические характеристики, подобные стандартным газообразным углеводородным топливам.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Удельная энергоемкость горючих топливных материалов представляет собой меру количества тепловой энергии, выделяемой при сгорании в расчете на единицу объема. Приведенная ниже Таблица 1 перечисляет величины типичной объемной удельной энергоемкости для четырех обычных горючих газов при нормальных температуре и давлении (NTP). Нормальные температура и давление понимаются как составляющие 20°С и 1 атм (0,1 МПа).
[0003] Таблица 1. Объемная удельная энергоемкость избранных горючих газов
| Горючий газ | Теплосодержание (BTU/фунт) (МДж/кг) | Объемная удельная энергоемкость (BTU/м3) (МДж/м3) |
| Природный газ | 21000 (48,85) | 37038 (39,08) |
| Метан | 23811 (55,38) | 35698 (37,66) |
| Пропан | 21564 (50,16) | 89471 (94,4) |
| Бутан | 21640 (50,34) | 118745 (125,3) |
[0004] В технологии было бы прогрессивным создание доступного по стоимости заменителя традиционных горючих газов. Кроме того, было бы весьма полезным в технологии получение горючего газа, объемную удельную энергоемкость которого можно модифицировать, как это потребуется для соответствия энергетическим характеристикам горючего газа. Кроме того, развитием технологии было бы создание горючего газа, который является транспортабельным, будучи в этом отношении сравнимым с традиционными горючими газами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Это изобретение относится к транспортабельной горючей газообразной суспензии частиц твердого топлива. Горючая газообразная суспензия включает главным образом, по объему, газообразный носитель, в котором взвешены частицы твердого топлива, с образованием горючего газа, имеющего удельную энергоемкость, сравнимую с традиционными газообразными углеводородными топливами. Неограничивающие примеры газообразных углеводородных топлив включают природный газ, метан, этан, пропан, бутан, и газообразные производные их. Газообразный носитель может быть реакционноспособным или инертным. Неограничивающие примеры реакционноспособных газов включают воздух, кислород, и их смеси. Неограничивающий пример инертного газа включает азот.
[0006] Частицы твердого топлива имеют достаточно малый размер частиц, чтобы оставаться суспендированными во время транспорта и использования. Это обусловливается как плотностью частиц твердого топлива, так и плотностью газообразного носителя, внутри которого взвешены частицы твердого топлива. Частицы твердого топлива обычно будут иметь размер частиц менее 60 мкм, и предпочтительно менее 40 мкм. В некоторых неограничивающих вариантах исполнения частицы твердого топлива могут иметь размер частиц менее 30 мкм. В некоторых неограничивающих вариантах исполнения частицы твердого топлива имеют размер частиц менее 20 мкм. Частицы твердого топлива могут иметь размер частиц менее 10 мкм. Частицы твердого топлива могут иметь размер частиц менее 5 мкм. В некоторых вариантах исполнения частицы твердого топлива имеют средний размер частиц менее 20 мкм. В некоторых неограничивающих вариантах исполнения частицы твердого топлива имеют средний размер частиц менее 10 мкм. В других неограничивающих вариантах исполнения частицы твердого топлива имеют средний размер частиц менее 5 мкм. Частицы твердого топлива могут иметь средний размер частиц менее 2,5 мкм.
[0007] Частицы твердого топлива включают тонкодисперсные частицы энергоемкого или горючего топливного материала. Частицы твердого топлива могут иметь происхождение из единого источника энергоемких или горючих топливных материалов, или может быть использована комбинация или смесь различных энергоемких или горючих топливных материалов. В одном неограничивающем варианте исполнения частицы твердого топлива включают тонкодисперсные частицы угля, включающие образованный из угля углеродсодержащий материал. Когда образованный из угля углеродсодержащий материал имеет достаточно малый размер, чтобы по существу не содержать изначально присущий минеральный компонент, тогда он называется угольным твердым углеводородом. В некоторых вариантах исполнения частицы твердого топлива включают частицы угольного твердого углеводорода.
[0008] В некоторых вариантах исполнения образованный из угля твердый углеродсодержащий материал содержит пониженные количества находившегося в угле минерального компонента и сниженные количества серы. В одном неограничивающем варианте исполнения образованный из угля твердый углеродсодержащий материал содержит менее 1 масс.% находившегося в угле минерального компонента. В одном неограничивающем варианте исполнения образованный из угля твердый углеродсодержащий материал содержит менее 0,5 масс.% серы.
[0009] Раскрытые здесь частицы твердого топлива, суспендированные в газообразном носителе, иногда называются чистым углеродным микротопливом (Micro Clean Carbon Fuel (μCCF)).
[0010] Для предотвращения агломерирования тонкодисперсных частиц вместе с образованным из угля твердым углеродсодержащим материалом может быть использован диспергатор. В одном неограничивающем варианте исполнения диспергатор включает органическую кислоту. Диспергатор может представлять собой органическую кислоту, выбранную из линейной, циклической, насыщенной или ненасыщенной карбоновой кислоты и поликарбоновых кислот. В одном предпочтительном в данный момент варианте исполнения диспергатор представляет собой лимонную кислоту. В еще одном неограничивающем варианте исполнения диспергатор представляет собой поверхностно-активное вещество на основе лигносульфоната. Диспергаторы еще одного класса, которые могут быть использованы, включают неионные диспергаторы, такие как диспергаторы на основе полиэтиленоксида.
[0011] Частицы твердого топлива также могут быть получены из органических материалов, включающих материалы органических отходов. В еще одном дополнительном варианте исполнения частицы твердого топлива получаются из биомассы отходов. Кроме того, частицы твердого топлива могут представлять собой очищенный биопродукт, такой как сахара, крахмалы, целлюлоза, мука, и т.д. Кроме того, в дополнение, частицы твердого топлива могут состоять из любого встречающегося в природе или синтетического твердого топливного соединения, в том числе полимеров, например, любого углеродсодержащего материала.
[0012] Цель изобретения состоит в создании горючей газообразной суспензии частиц твердого топлива, которая имеет объемную удельную энергоемкость, сравнимую с характеристикой традиционных газообразных углеводородных топлив.
[0013] В одном неограничивающем варианте исполнения частицы твердого топлива имеют размер менее 30 мкм, и удельную энергоемкость свыше 5000 BTU/фунт (11,63 МДж/кг). В еще одном неограничивающем варианте исполнения частицы твердого топлива имеют размер менее 30 мкм, и плотность более 500 кг/м3. В еще одном дополнительном неограничивающем варианте исполнения частицы твердого топлива имеют удельную энергоемкость свыше 5000 BTU/фунт (11,63 МДж/кг) и плотность более 500 кг/м3. Будет понятно, что размер частиц твердого топлива, удельная энергоемкость и плотность могут варьировать. Например, битуминозные угли могут иметь удельную энергоемкость, в расчете на сухой материал, в диапазоне от 12500 до 15000 BTU/фунт (29-35 МДж/кг), тогда как угли более низкого сорта и твердые биоматериалы могут иметь удельную энергоемкость, в расчете на сухой материал, в диапазоне от 10000 до 13000 BTU/фунт (23,3-30,2 МДж/кг). Связанная с твердым топливом вода снижает удельную энергоемкость. Частично окисленные частицы твердого топлива имеют более низкую удельную энергоемкость по сравнению с частицами неокисленного топлива.
[0014] В одном неограничивающем варианте исполнения газообразный носитель представляет собой воздух, частицы твердого топлива включают образованный из угля твердый углеродсодержащий материал и имеют размер частиц менее 10 мкм, и горючая газообразная суспензия частиц твердого топлива имеет объемную удельную энергоемкость при атмосферном давлении, которая составляет величину в диапазоне от 25000 до 120000 BTU/м3 (26,4-126,6 МДж/м3).
[0015] В одном неограничивающем варианте исполнения горючая газообразная суспензия имеет давление в диапазоне от 2 до 10 атмосфер (0,2-1 МПа). Сжатие обеспечивает возможность транспортирования по газораспределительным трубопроводам под давлением. Например, в Китае природный газ распределяется под давлением около 60 атмосфер (6 МПа). В Соединенных Штатах природный газ распределяется под давлением около 100 атмосфер (10 МПа).
[0016] Способ транспортирования горючей газообразной суспензии может включать суспендирование частиц твердого топлива в газообразном носителе с образованием горючей газообразной суспензии. Горючая газообразная суспензия может быть подвергнута сжатию до пригодного для транспортирования давления. Такие давления обычно варьируют от около 60 до 100 атмосфер (атм) (6-10 МПа) для транспортирования на далекие расстояния. Газораспределительные трубопроводы в жилых районах имеют давление от около 1 до 7 атм (от 15 до 120 фунтов на квадратный дюйм (psi) (0,1-0,7 МПа). При подаче газа в дома давление часто регулируется на более низкое значение около 0,25 psi (1,72 кПа).
[0017] В одном неограничивающем варианте исполнения способа транспортирования горючей газообразной суспензии, горючая газообразная суспензия включает свыше 90 об.% газообразного носителя, и частицы твердого топлива включают образованный из угля твердый углеродсодержащий материал и имеют размер частиц менее 30 мкм.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ В ЧЕРТЕЖАХ
[0018] Для того чтобы был легко понятным порядок действий, которым получаются вышеуказанные и другие признаки и преимущества изобретения, будет представлено более конкретное описание вкратце обрисованного выше изобретения со ссылкой на конкретные варианты осуществления его, которые иллюстрированы сопроводительными чертежами. При понимании, что эти чертежи изображают только типичные варианты осуществления изобретения, и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие его область, изобретение будет описано и разъяснено с дополнительной конкретизацией и в подробностях применением сопроводительных чертежей, в которых:
[0019] Фиг. 1 показывает схематическое изображение циклона, применяемого в некоторых примерах для разделения частиц твердого топлива по размеру частиц.
[0020] Фиг. 2 представляет график дифференциального элемента объема по диаметру тонкодисперсных частиц, которые выходят из верха циклона, показанного в Фиг. 1, и более крупных частиц, которые выходят из нижней части циклона. Фиг. 2 также показывает гранулометрический состав частиц угля, подаваемых в циклон.
[0021] Фиг. 3 показывает схематическое изображение циклона, используемого в некоторых примерах для разделения частиц твердого топлива по размеру частиц.
[0022] Фиг. 4 представляет график дифференциального элемента объема по диаметру тонкодисперсных частиц, которые выходят из верха циклона, показанного в Фиг. 3, и более крупных частиц, которые выходят из нижней части циклона.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0023] Это изобретение относится к горючей газообразной суспензии частиц твердого топлива. Газообразная суспензия частиц твердого топлива может быть конфигурирована имеющей энергетические характеристики, подобные стандартным газообразным углеводородным топливам.
[0024] Тонкодисперсные частицы твердого топлива, такие как тонкодисперсные частицы угля, могут быть суспендированы в воздухе и транспортированы. Эта смесь тонкодисперсных частиц твердого топлива в воздухе ведет себя подобно горючему газу, когда транспортируется по трубопроводу, и сжигается при конечном использовании, чтобы генерировать тепло и производить работу. Такая используемая для транспортирования смесь по существу представляет собой новую композицию. Приведенная ниже Таблица 2 обрисовывает содержание в массовых процентах, в объемных процентах и объемную удельную энергоемкость примерных смесей тонкодисперсных частиц твердого топлива в воздухе при нормальных температуре и давлении. В качестве тонкодисперсных частиц твердого топлива в результатах приведенной ниже таблицы был использован тонкодисперсный уголь. Тонкодисперсные частицы угля имели плотность 1,2 кг/м3 и теплосодержание 14500 BTU/фунт (33,7 МДж/кг). Наиболее широко применяемым горючим газом является природный газ. Как раз описываемая смесь 50 масс.% тонкодисперсных частиц твердого топлива имеет объемную удельную энергоемкость 39120 BTU/м3 (41,3 МДж/м3), которая подобна природному газу. Содержание частиц твердого топлива в объемных процентах при 50 масс.% составляет 0,1%. Когда содержание в массовых и объемных процентах возрастает, объемная удельная энергоемкость горючего газа, образованного суспендированием тонкодисперсных частиц твердого топлива в воздухе, продолжает увеличиваться. Смесь 95 масс.% только частиц твердого топлива имеет содержание в объемных процентах 1,9% и объемную удельную энергоемкость 729877 BTU/м3 (770,1 МДж/м3), которая является почти в 20 раз большей, чем объемная удельная энергоемкость природного газа при нормальных температуре и давлении.
[0025] Таблица 2
| Горючий газ из воздуха и тонкодисперсных частиц твердого топлива | ||
| Масс.% μCCF | Об.% μCCF | Объемная удельная энергоемкость (BTU/м3) (МДж/м3) |
| 1% | 0% | 396 (0,42) |
| 10% | 0,01% | 4351 (4,6) |
| 20% | 0,03% | 9787 (10,3) |
| 30% | 0,04% | 16775 (17,7) |
| 40% | 0,07% | 26089 (27,5) |
| 50% | 0,10% | 39120 (41,3) |
| 60% | 0,15% | 58650 (61,9) |
| 70% | 0,24% | 91155 (96,2) |
| 80% | 0,41% | 156002 (164,6) |
| 85% | 0,58% | 220628 (232,8) |
| 90% | 0,91% | 349228 (368,5) |
| 95% | 1,90% | 729877 (770,1) |
[0026] Горючая газообразная суспензия частиц твердого топлива представляет собой многофазную топливную композицию, включающую смесь суспендированных частиц твердого топлива и газообразного носителя. Газообразный носитель может быть реакционноспособным или инертным. Неограничивающие примеры реакционноспособных газов включают воздух, кислород, и их смеси. Один неограничивающий пример инертного газа представляет азот.
[0027] Частицы твердого топлива включают тонкодисперсные частицы энергоемкого или горючего топливного материала. В одном неограничивающем варианте исполнения частицы твердого топлива включают тонкодисперсные частицы угля. Более конкретно, тонкодисперсные частицы угля включают образованный из угля углеродсодержащий материал. Будучи размолотым до достаточно малого размера, чтобы по существу не содержать изначально присущий минеральный компонент, образованный из угля углеродсодержащий материал существует как угольный твердый углеводород. В еще одном неограничивающем варианте исполнения частицы твердого топлива включают частицы угольного твердого углеводорода.
[0028] В еще одном варианте исполнения частицы твердого топлива получаются из органических материалов, в том числе материалов органических отходов. В еще одном дополнительном варианте исполнения частицы твердого топлива получаются из биомассы отходов. Неограничивающие примеры биомассы отходов включают опилки, растительные обрезки, древесные щепки и стебли растений. Кроме того, частицы твердого топлива могут представлять собой очищенный биопродукт. Неограничивающие примеры очищенного биопродукта включают сахара, крахмалы, целлюлозу, муку, и т.д. Кроме того, в дополнение, частицы твердого топлива могут состоять из любого синтетического твердого топливного вещества. Неограничивающие примеры синтетических твердых топливных веществ включают материалы, которые содержат полимеры, такие как полиэтилены, полипропилены, поликарбонаты, полистиролы, каучуки, и т.д. Синтетические твердые топливные вещества могут представлять собой отходы органических материалов, в том числе полимерные отходы. Неограничивающие примеры полимерных отходов включают использованные шины, полипропиленовые пакеты для бакалейных товаров, и пенопластовый упаковочный материал.
[0029] Частицы твердого топлива могут иметь происхождение из единого источника энергоемких или горючих топливных материалов. В альтернативном варианте, частицы твердого топлива могут быть получены из комбинации или смеси различных энергоемких или горючих топливных материалов.
[0030] Частицы твердого топлива имеют размер, который позволяет им более легко суспендироваться и оставаться во взвешенном состоянии в газообразном носителе в течение практически целесообразного периода времени при хранении, транспортировании и/или использовании. Закон Стокса определяет силу трения, или силу лобового сопротивления, когда число Рейнольдса является низким (например, для очень маленьких сферических частиц), когда частица проходит через текучую среду или газ. Когда силу лобового сопротивления регулируют на величину, равную ускорению силы тяжести, тогда для этих очень маленьких частиц может быть рассчитана предельная скорость. Таким образом, закон Стокса может быть использован для расчета скорости осаждения сферы с данной плотностью в воздухе или другом газе или жидкостях, если диаметр составляет меньше, чем около 250 микрон (мкм):
где d=геометрический диаметр сферы (м)
Ws=плотность сферы (кг/м3)
Wa=плотность воздуха (кг/м3)
g=ускорение силы тяжести (м/сек2)
η=вязкость текучей среды (кг/(м*сек))
[0031] Таблица 3 показывает рассчитанную скорость осаждения сферических частиц в воздухе при нормальных температуре и давлении для диаметров от 0,5 микрон (мкм) вплоть до 60 микрон (мкм), когда when Ws=1200 кг/м3, Wa=1,2 кг/м3, g=9,8 м/сек2, и η=1,81×10-5 кг/(м*сек), с использованием модели на основе закона Стокса.
[0032] Таблица 3
| Диаметр (мкм) | Скорость осаждения (м/сек) |
| 0,5 | 9,01×10-6 |
| 1 | 3,61×10-5 |
| 2,5 | 2,25×10-4 |
| 5 | 9,01×10-4 |
| 10 | 3,61×10-3 |
| 20 | 1,44×10-2 |
| 30 | 3,25×10-2 |
| 60 | 1,19×10-1 |
[0033] Газообразная горючая суспензия, движущаяся со скоростью, превышающей скорость осаждения частиц в суспензии, будет удерживать частицы во взвешенном состоянии.
[0034] Из закона Стокса и приведенного выше обсуждения также будет понятно, что частицы, имеющие более низкую плотность, также будут проявлять более низкую скорость осаждения. Можно суспендировать в газообразном носителе частицы твердого топлива, которые имеет больший размер частиц и более низкую плотность, по сравнению с более мелкими и имеющими более высокую плотность частицами твердого топлива. Таким образом, могут быть суспендированы частицы твердого топлива различных типов и размеров, и могут оставаться во взвешенном состоянии в горючем газообразном топливе.
[0035] Как отмечено выше, частицы твердого топлива должны иметь размер частиц менее 60 мкм, и более предпочтительно менее 40 мкм. В одном неограничивающем варианте исполнения частицы твердого топлива имеют диаметр менее 30 мкм. В еще одном варианте исполнения частицы твердого топлива имеют диаметр менее 20 мкм. В еще одном дополнительном варианте исполнения частицы твердого топлива имеют диаметр менее 10 мкм. В одном варианте исполнения частицы твердого топлива имеют диаметр менее 5 мкм. В некоторых вариантах исполнения частицы твердого топлива имеют средний размер частиц менее 20 мкм. В некоторых неограничивающих вариантах исполнения частицы твердого топлива имеют средний размер частиц менее 10 мкм. В дополнительном варианте исполнения частицы твердого топлива имеют средний диаметр менее 5 мкм. В еще одном дополнительном неограничивающем варианте исполнения частицы твердого топлива имеют средний размер менее 2,5 мкм. В неограничивающем варианте исполнения 99% частиц твердого топлива являются меньшими, чем 40 мкм. В одном неограничивающем варианте исполнения 99% всех частиц твердого топлива имеют величину менее 20 мкм. В еще одном неограничивающем варианте исполнения 99% всех частиц твердого топлива имеют величину менее 10 мкм. В других неограничивающих вариантах исполнения могут быть успешно использованы частицы твердого топлива большего размера и с меньшей плотностью.
[0036] Период времени, на протяжении которого частицы твердого топлива остаются суспендированными, может варьировать в зависимости от предполагаемого применения горючей газообразной суспензии. Например, если горючую газообразную суспензию получают с намерением немедленного использования, то период времени в суспендированном состоянии может быть коротким, таким как секунды, минуты или часы. Напротив, если горючая газообразная суспензия хранится в течение периода времени, то практически целесообразный период времени существования суспензии может измеряться днями, неделями или месяцами. Будет понятно, что более тонко диспергированные частицы твердого топлива, конечно, будут оставаться во взвешенном состоянии в течение более длительного периода времени, по сравнению с более крупноразмерными частицами твердого топлива. Частица, имеющая размер около 10 мкм, может оставаться во взвешенном состоянии в течение времени от минут до часов, тогда как частица, имеющая размер около 2,5 мкм, может оставаться во взвешенном состоянии в течение дней или недель.
[0037] В одном раскрытом варианте исполнения газообразный носитель включает воздух, и суспендированные частицы твердого топлива включают тонкодисперсные частицы угля, которые включают образованный из угля углеродсодержащий материал. Количество смешанных с воздухом частиц угля может быть в диапазоне от около 5 об.% или менее, при атмосферном давлении. Частицы угля могут иметь средний размер частиц менее 30 мкм.
[0038] Диспергатор может быть добавлен к тонкодисперсным частицам угля, чтобы сократить агломерирование частиц. В одном неограничивающем варианте исполнения диспергатор представляет собой органическую кислоту. Диспергатор может представлять собой органическую кислоту, выбранную из линейной, циклической, насыщенной или ненасыщенной карбоновой кислоты и поликарбоновых кислот. В одном предпочтительном в данный момент варианте исполнения диспергатор представляет собой лимонную кислоту. В еще одном неограничивающем варианте исполнения диспергатор представляет собой поверхностно-активное вещество на основе лигносульфоната. Диспергаторы еще одного класса, которые могут быть использованы, включают неионные диспергаторы, такие как диспергатор на основе полиэтиленоксида.
[0039] Нижеследующие неограничивающие примеры приведены, чтобы проиллюстрировать некоторые варианты осуществления, относящиеся к раскрытой горючей газообразной суспензии частиц твердого топлива. Должно быть понятно, что эти примеры не являются ни всесторонними, ни исчерпывающими в отношении многих типов вариантов исполнения, которые могут быть осуществлены на практике в соответствии с раскрытым теперь изобретением.
[0040] ПРИМЕР 1
[0041] Был разработан эксперимент, чтобы испытать, осаждаются ли тонкодисперсные частицы угля в спокойном воздухе, как прогнозируется законом Стокса. Во-первых, были получены тонкодисперсные частицы угля с определенным размером пропусканием угольных частиц через маленький циклон. Циклоны представляют собой устройства, которые могут быть использованы для сортировки частиц в текущих воде или воздухе на основе размера.
[0042] Циклон, использованный в этом эксперименте, изображен в Фигуре 1. Он имел нижнее отверстие величиной около 4,7 мм и верхнее отверстие с размером 14,5 мм, и имел высоту 105 мм. К верхнему выпускному каналу циклона был присоединен малый вакуумный насос, действующий с производительностью 1,9 литра в минуту. Крупные частицы, которые падали к нижнему выпускному каналу, собирались в колпачок или в пылесборник. Мелкие частицы, уносимые через верх циклона потоком воздуха, собирались на плотной фильтровальной бумаге перед поступлением в вакуумный шланг. Фигура 2 показывает график анализа размеров частиц для более мелких частиц, которые вышли с верха циклона, и более крупных частиц, которые вышли из нижней части циклона. В Фигуре 2 также показан гранулометрический состав частиц угля, которые подавались в циклон. Тонкодисперсные частицы, выходящие с верха, имели средний размер частиц 4,4 мкм. Крупные частицы, выходящие из нижней части циклона, имели средний размер частиц 18,8 мкм.
[0043] Затем циклон был конфигурирован так, как показано в Фигуре 3. В этой конфигурации тонкодисперсные частицы, выходящие из циклона, пропускались через кубическую камеру из нержавеющей стали с длинами внутренней стенки 2,25 дюйма (57,15 мм), с окошком с диаметром 1,5 дюйма (38,1 мм) на двух сторонах так, что через одно можно было заглядывать в камеру и видеть взвешенные частицы. Объемный расход потока воздуха от вакуумного насоса измеряли на уровне 1,9 литра в минуту. Трубопровод, проходящий от циклона до стальной камеры, и от стальной камеры до вакуумного насоса, имел внутренний диаметр 6,9 мм. На основе объемного расхода потока воздуха от вакуумного насоса скорость воздуха в трубопроводе была рассчитана составляющей 0,85 м/сек. Скорость воздуха в камере снижалась вследствие большей площади поперечного сечения контейнера, и была рассчитана с величиной 0,0096 м/сек.
[0044] Согласно Таблице 3, скорость осаждения суспендированных в воздухе частиц при диаметре частиц 60 мкм составляет 0,12 м/сек, скорость осаждения частиц с величиной 30 мкм составляет 0,033 м/сек, скорость осаждения частиц с величиной 20 мкм составляет 0,014 м/сек, и скорость осаждения частиц с величиной 10 мкм составляет 0,0036 м/сек. Согласно Фигуре 2, в подаваемых частицах присутствуют некоторые частицы величиной 30 и 60 мкм. Скорость воздуха в трубопроводе является более высокой, чем скорость осаждения частиц в этом диапазоне, и тем самым они должны быть способны транспортироваться по трубопроводу. Однако скорость воздуха внутри камеры является более низкой, чем скорость осаждения этих частиц. Тем самым не ожидалось, что частицы крупнее 30 микрон (мкм) будут оставаться во взвешенном состоянии внутри камеры при объемном расходе потока воздуха в этой экспериментальной установке.
[0045] Согласно Таблице 3, скорость осаждения частиц с размером 10 мкм составляет 0,0036 м/сек. Скорость воздуха внутри камеры составляет 0,0096 м/сек, которая является большей, чем скорость осаждения частиц величиной 10 мкм. Таким образом, ожидалось, что частицы величиной 10 мкм и более мелкие будут оставаться в суспензии в камере, когда воздух протекает через нее с объемным расходом 1,9 литра в минуту.
[0046] Когда описанная здесь и показанная в Фигуре 3 экспериментальная установка действовала, частицы, выходящие с верха циклона и перемещающиеся в камеру, имели средний размер частиц 4,4 мкм. Через заднее окошко камеры пропускался свет. Можно было наблюдать частицы, проходящие с потоком воздуха, когда он расширялся от объема трубопровода на входе в камеру до объема камеры. Пока насос оставался включенным, и частицы подавались из циклона, частицы поступали в камеру и выходили из нее без осаждения на дно камеры.
[0047] Когда насос отключили, течение воздуха прекратилось. Тогда можно было наблюдать, как частицы медленно перемещаются ко дну камеры. Время, необходимое для перемещения частиц на 1 см, было измерено с точностью приблизительно до 10 секунд, и соответствовало скорости осаждения 0,001 м/сек. Скорость осаждения согласовывалась с расчетной скоростью осаждения 0,0009 м/сек для частиц с диаметром 5 мкм.
[0048] Затем циклон удалили из экспериментальной установки так, что частицы в камеру подавались посредством всасывающей трубы. Как было указано выше, любые частицы величиной 30 мкм и 60 мкм, как ожидалось, переносятся по трубопроводу, но затем будут быстро осаждаться после поступления в камеру, как предполагалось на основе расчетной скорости осаждения для двух различных площадей поперечного сечения. Как ожидалось, частицы в диапазоне размеров около 10 мкм в подаваемом материале будут оставаться во взвешенном состоянии в камере, поскольку скорость воздуха в камере превышает скорость их осаждения.
[0049] Когда подаваемый материал вводился непосредственно в камеру при отсоединенном от экспериментальной установки циклоне, в камере визуально наблюдалась более высокая плотность частиц. Когда вакуумный насос отключали, и скорость воздуха снижалась до нуля, наблюдалось более быстрое осаждение частиц, показывая совокупность частиц большего диаметра. Время, необходимое для перемещения частиц на 1 см, было измерено с точностью приблизительно до 0,8 секунды, и соответствовало скорости осаждения 0,012 м/сек. Скорость воздуха внутри камеры, рассчитанная по объемному расходу потока и площади поперечного сечения, была рассчитана составляющей 0,0096 м/сек, которая является слегка более низкой, чем измеренная скорость осаждения 0,012 м/сек. Визуальный метод измерения скорости осаждения может быть недостаточно точным. Однако тот факт, что две скорости составляют величину одного и того же порядка и настолько близки друг к другу, обосновывает допущение, что скорость воздуха, превышающая скорость осаждения частиц, будет удерживать эти частицы во взвешенном состоянии в текущем газе. Скорость осаждения частиц с диаметром 10 мкм была рассчитана составляющей 0,0036 м/сек. Таким образом, частицы должны быть в среднем крупнее 10 мкм и мельче 30 мкм. Фактически частица с диаметром 18,25 мкм в воздухе при нормальных температуре и давлении имела бы скорость осаждения 0,012 м/сек.
[0050] ПРИМЕР 2
[0051] В качестве части системы улавливания порошка использовали более крупный циклон. Большой и малый размеры конуса составляли 27,5 см и 7,3 см, соответственно. Циклон имел высоту 61 см. Фигура 4 показывает график дифференциального элемента объема по диаметру крупных частиц, выходящих из малого отверстия в нижней части циклона, и мелких частиц, которые уносятся потоком воздуха, выходящим из верха циклона. Средние размеры частиц составляли 21,4 мкм и 6,2 мкм, соответственно. Следует отметить, что крупные частицы представляли собой сырьевой материал, использованный для эксперимента с малым циклоном, обсужденным выше в Примере 1. Тонкодисперсные частицы со средним размером частиц переносились в металлическом трубопроводе на расстояние свыше 50 футов (15,2 м) без существенной седиментации на боковые стенки трубопровода. Хотя трубопровод покрывался тонкой пленкой из тонкодисперсных частиц вследствие статических зарядов, потери были пренебрежимо малыми.
[0052] Все описанные варианты осуществления и примеры должны рассматриваться как только иллюстративные в любом отношении и не как ограничивающие. Поэтому область изобретения определяется скорее пунктами прилагаемой формулы изобретения, нежели приведенным выше описанием. Все изменения, которые находятся в пределах смысла и диапазона эквивалентности пунктов формулы изобретения, должны заключаться в этой области.
1. Транспортабельная горючая газообразная суспензия, включающая:
негорючий газообразный носитель и
частицы твердого топлива, суспендированные в газообразном носителе, причем частицы твердого топлива состоят из частиц образованного из угля твердого углеродсодержащего материала, имеющих размер частиц менее 40 мкм.
2. Суспензия по п. 1, в которой газообразный носитель выбран из воздуха, кислорода и их смесей.
3. Суспензия по п. 1, в которой частицы твердого топлива включают горючие частицы, имеющие теплосодержание более 5000 BTU/фунт (11,63 МДж/кг).
4. Суспензия по п. 1, в которой частицы твердого топлива включают горючие частицы, имеющие плотность более 500 кг/м3.
5. Суспензия по п. 1, в которой частицы твердого топлива включают горючие частицы, имеющие теплосодержание более 5000 BTU/фунт (11,63 МДж/кг) и плотность более 500 кг/м3.
6. Суспензия по п. 1, дополнительно включающая диспергатор, связанный с образованным из угля твердым углеродсодержащим материалом.
7. Суспензия по п. 6, в которой диспергатор включает органическую кислоту.
8. Суспензия по п. 7, в которой диспергатор представляет собой лимонную кислоту.
9. Суспензия по п. 7, в которой диспергатор выбран из линейной, циклической, насыщенной или ненасыщенной карбоновой кислоты и поликарбоновых кислот.
10. Суспензия по п. 1, в которой частицы твердого топлива имеют средний размер частиц менее 30 мкм.
11. Суспензия по п. 1, в которой частицы твердого топлива имеют размер частиц менее 20 мкм.
12. Суспензия по п. 1, в которой частицы твердого топлива имеют размер частиц менее 10 мкм.
13. Суспензия по п. 1, в которой частицы твердого топлива имеют размер частиц менее 5 мкм.
14. Суспензия по п. 1, причем горючая газообразная суспензия имеет давление в диапазоне от 2 до 100 атмосфер (0,2-10 МПа).
15. Суспензия по п. 1, в которой частицы твердого топлива имеют средний размер частиц менее 10 мкм и количество частиц твердого топлива выбрано так, что обеспечена транспортабельная горючая газообразная суспензия с объемной удельной энергоемкостью, составляющей величину в диапазоне от 25000 до 120000 BTU/м3 (26,4-126,6 МДж/м3).
16. Способ транспортирования горючей газообразной суспензии, включающий:
суспендирование частиц твердого топлива в негорючем газообразном носителе с образованием горючей газообразной суспензии, где частицы твердого топлива состоят из частиц образованного из угля твердого углеродсодержащего материала, имеющих размер частиц менее 40 мкм; и
сжатие горючей газообразной суспензии до пригодного для транспортирования давления в диапазоне от около 2 до 100 атмосфер (0,2-10 МПа), причем частицы твердого топлива имеют достаточно малый размер, позволяющий им оставаться во взвешенном состоянии в газообразном носителе во время транспортирования.
17. Способ по п. 16, в котором частицы твердого топлива состоят из частиц образованного из угля твердого углеродсодержащего материала, имеющих размер частиц менее 20 мкм.
18. Способ по п.16, в котором частицы твердого топлива остаются во взвешенном состоянии в газообразном носителе во время транспортирования посредством трубопровода для распределения газообразного топлива, находящегося под давлением.
19. Способ транспортирования горючей газообразной суспензии, включающий:
суспендирование частиц твердого топлива в негорючем газообразном носителе с образованием горючей газообразной суспензии, где частицы твердого топлива состоят из частиц образованного из угля твердого углеродсодержащего материала, имеющих размер частиц менее 40 мкм; и
протекание горючей газообразной суспензии через трубопровод для распределения газообразного топлива со скоростью, превышающей скорость осаждения частиц твердого топлива.
20. Способ по п. 19, в котором частицы твердого топлива имеют средний размер частиц менее 30 мкм и скорость превышает 3,25×10-2 м/с.
