專利名稱：抑制煤塵的方法和組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及抑制煤塵的方法和組合物。這種方法和組合物也同時包括促進煤燃燒的添加劑。具體的講，這種方法和組合物涉及含錳化合物與粉塵抑制劑在煤處理過程及在煤燃燒前的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
煤塵問題廣為人知。整個煤處理工業(yè)——礦井、轉(zhuǎn)換點、公用事業(yè)或其他利用到煤的地方都面臨這個問題。由于轉(zhuǎn)換點和公用事業(yè)接近居民區(qū)和環(huán)境敏感區(qū)域，這個問題可能會變得復(fù)雜。
傳統(tǒng)的粉塵抑制系統(tǒng)包括機械和化學(xué)方法。例如，粉塵收集設(shè)備包括捕集殘留粉塵、誘導(dǎo)粉塵沉淀、或容納粉塵的裝置。然而，最常用的抑制粉塵的方法是用水把煤弄濕。水并不昂貴，并可大量加入來消除粉塵，但是水的加入會減小煤的比熱值。
除了單獨加水外，也已知有其他含水的添加劑在使用，包括含表面活性劑的溶液。含水的泡沫是已知的。更進一步，包含瀝青乳液或其他有機涂層材料的含水組合物也可能用到。
應(yīng)用油類和樹脂來減少或消除粉塵也是已知的。油噴淋包括對原油、殘油、廢油或燃料油的使用。
其他可應(yīng)用在煤上來減少粉塵的液體包括合成和天然的聚合物。例如，已知的含植物材料的液體，包括糖及與糖相關(guān)的產(chǎn)品。也使用其他收集或黏附粉塵微粒的聚合物。
雖然促進煤的完全燃燒與減少煤塵無關(guān)，但也是所希望的。飛塵中的碳是由煤的不完全燃燒造成的。所以，減少灰塵中的碳來減少煤燃燒室的飛塵排放總量是可取的。并且，低碳飛塵比高碳飛塵更容易被處理，也更易被靜電除塵器捕集，所述靜電除塵器常用于控制微粒排放。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在通過向液體中加入含金屬化合物來加強該液體對煤塵的抑制。含金屬的添加劑是燃燒促進劑。燃燒促進劑與粉塵抑制劑同時加入使煤處理者只使用單一工藝步驟就能解決抑制粉塵和促進燃燒的問題。這個步驟是指在一個煤應(yīng)用中加入并應(yīng)用單一的混合物。
文獻中詳細描述了大量可加到煤中來抑制由煤產(chǎn)生的粉塵的液體。這些液體包括水、油、表面活性劑、聚合物分散體、聚合物溶液、凝聚劑和樹脂，以及上述或多種物質(zhì)的混合物。特別的，參看Membry，W.B.，“煤處理中粉塵抑制的基本原理”，Australian Coal IndustryResearch Laboratories Limited(1981)，P.R.82-2，ISBN 0 86772 072 7.可將含錳化合物添加到任何粉塵抑制劑液體中，包括上述那些常規(guī)液體。得到的物質(zhì)可能是溶液、乳劑、混合物，或上述物質(zhì)的任何其他組合。
如前所述，粉塵抑制劑可在煤處理過程中的不同階段使用。它們可在該過程中多次使用。由含金屬(包括但不僅限于錳)化合物與液體粉塵抑制劑結(jié)合而成的混合物可應(yīng)用于煤處理過程中的任何階段。包含含金屬化合物的該混合物可在煤處理的終端用戶階段，即在公用燃燒設(shè)備或其他鍋爐加入?；蛘撸傻V作業(yè)也可在其操作中結(jié)合使用液體粉塵抑制劑和含金屬化合物來改進其所銷售的煤的品質(zhì)。所述金屬可包括錳、鐵、鈰、銅、鉬、鉑族金屬、堿金屬和堿土金屬，以及其他已知在燃燒系統(tǒng)中可催化碳氧化的金屬。
為了加強作為催化劑的錳在燃燒反應(yīng)中的效力，與煤混合的錳化合物必須使錳達到單核或小團形式，這樣在燃燒過程中就有更多的錳分散在煤(碳)顆粒上。
假定在煤中自然存在的可觀水平的錳對于促進燃燒和減少飛塵含碳量并無明顯的影響，因為這種錳與諸如硫或磷以結(jié)晶形式鍵合在一起。因此，沒有大量的單核或小團錳原子存在，來包圍和催化煤(碳)顆粒的燃燒。因此，自然存在的錳對于燃燒的影響看來可忽略。
在加入含金屬添加劑(單原子至3個金屬原子大小的化合物)的燃料時，火焰中會動態(tài)形成大小為3至50及更多個原子的團。這些團在大氣條件下通常由于太過活潑而無法分離。
Linteris，G.，Rumminger，M.，Babushok，V.，Chelliah，H.，Lazzarini，T.，和Wanigarathne，P.在Final ReportNon-Toxic Metallic FireSuppressants.(美國商業(yè)部技術(shù)局，國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院(NIST)，2002年五月，http//fire.nist.gov/bfrlpubs/fire02/PDF/f02011.pdf.，3.5節(jié)，從報告53頁起，題為“在Fe(CO)5-抑制的火焰中的微粒激光散射試驗”)中測量了火焰中金屬團尺度分布與預(yù)期金屬催化作用的關(guān)系。
術(shù)語“單核”化合物包括一種與一個錳原子鍵合的基本可溶的化合物，例如可溶于各種有機溶劑的有機金屬錳化合物。具有“小團”金屬原子的化合物包括那些具有2-50個錳原子的化合物。在這種情況下，金屬原子仍然充分分散或可分散以形成對燃燒反應(yīng)有效的催化劑。當(dāng)討論到單核和小原子團的溶解性時，術(shù)語“溶解性”既指傳統(tǒng)意義上的完全溶解，也指在液體介質(zhì)中部分溶解或懸浮。只要錳原子以單原子或多至大約50個原子的團充分分散，錳原子就足以為燃燒反應(yīng)提供積極的催化效應(yīng)。
具體實施例方式
2-50個原子團的金屬化合物的例子在環(huán)境條件下很少見，但在正在添加含有金屬原子且金屬原子以單原子至三個金屬原子團的形式存在的燃料的火焰中很常見。對于錳，存在大量單原子化合物，包括甲基環(huán)戊二烯三羰基錳(MMT)，manganocene，以及文獻中的許多其它單錳有機金屬化合物。也有雙金屬化合物，如七氧化二錳(Mn2O7)，十羰基二錳[Mn2(CO)10]等。三核錳團的一個例子是檸檬酸錳II，[Mn3(C6H5O7)2].2-50個及更多個原子形成的團作為燃燒工藝的一個功能在火焰前緣動態(tài)生成。這些物質(zhì)是不穩(wěn)定的活潑物種，其尺度分布通過其參與的燃燒過程在動力學(xué)和熱力學(xué)上達到平衡。
從單原子錳化合物如MMT開始，有可能就地產(chǎn)生尺度范圍在3個金屬原子一直到多于500個金屬原子的原位團。這是一個熱力學(xué)有利的過程，任何使有機配體脫離金屬原子的機理都可促進該過程。這些配體使金屬穩(wěn)定在原子狀態(tài)，而它們的脫離迫使金屬原子互相靠近并且結(jié)合在一起，使團的尺寸增大，從而達到穩(wěn)定。通過這種方式，越多原子聚在一起，團就越穩(wěn)定。團越大，金屬作為燃燒催化劑的效果就越不好。燃燒集合了促進金屬團形成的幾種因素，如溫度、氧氣和與燃料有關(guān)的自由基，這些自由基與離開金屬原子的配體反應(yīng)。
另一方面，溫度的增加通過去除起穩(wěn)定作用的配體來促進團的形成。然而，如果保持很高的溫度，如火焰前緣溫度，即2500℃及以上，那么，原子就會由于動力學(xué)作用在這個區(qū)域保持分離狀態(tài)。
在火焰前緣的任何一側(cè)(燃料入口側(cè)或尾氣排放側(cè))都形成了從火焰前緣開始下降的溫度梯度。在火焰前緣形成的金屬裸原子按照熱動力學(xué)(thermophoretically)要求從火焰前緣流出并沿這些溫度梯度流動。當(dāng)溫度降低時，保持原子分離狀態(tài)的動力減弱，原子凝結(jié)在一起形成尺寸不斷增長的團以達到熱力學(xué)穩(wěn)定。金屬作為燃燒催化劑最有效的形式是單原子形式，這種形式對于氣相反應(yīng)(燃燒)提供最大表面積。由于已知溫度和氧氣在燃燒中是很復(fù)雜的因素，所以團生成速率不能通過這兩個參數(shù)來調(diào)節(jié)。這就要通過調(diào)整其他因素來保持或增加催化活性，這些因素包括初始有機金屬化合物的熱和空氣穩(wěn)定性，燃燒中燃料-空氣物料的稀釋，以及燃燒火焰前緣的進料壓力。
單核化合物的例子包括有機金屬化合物，其具有一個有機基團和至少一個金屬離子或原子。本發(fā)明實施方案中有機金屬化合物的優(yōu)選有機基團包括醇、醛、酮、酯、酸酐、磺酸鹽(酯)、膦酸鹽(酯)、螯合物、酚、冠醚、環(huán)烷酸鹽(酯)、羧酸、酰胺、丙酮酸乙酯，以及上述化合物的混合物。含錳有機金屬化合物可包括如三羰基錳的化合物。這些化合物在許多專利中被教導(dǎo)，如美國專利Nos.4,568,357；4,674,447；5,113,803；5,599，357；5,944,858和歐洲專利No.466 512 B1。
合適的可用的三羰基錳化合物包括環(huán)戊二烯三羰基錳、甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、二甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、三甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、四甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、五甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、乙基環(huán)戊二烯三羰基錳、二乙基環(huán)戊二烯三羰基錳、丙基環(huán)戊二烯三羰基錳、異丙基環(huán)戊二烯三羰基錳、叔丁基環(huán)戊二烯三羰基錳、辛基環(huán)戊二烯三羰基錳、十二烷基環(huán)戊二烯三羰基錳、乙基甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、茚基三羰基錳等，包含兩種或多種這些物質(zhì)的混合物。一個例子為在室溫下為液體的環(huán)戊二烯三羰基錳類，例如甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、乙基環(huán)戊二烯三羰基錳，以及環(huán)戊二烯三羰基錳與甲基環(huán)戊二烯三羰基錳的液體混合物、甲基環(huán)戊二烯三羰基錳與乙基環(huán)戊二烯三羰基錳的混合物等。
文獻中有這些化合物制備方法的描述，例如，美國專利No.2,818,417，在此引入其公開內(nèi)容作為參考。
含有2-50個原子的小團錳化合物的例子包括上述引用的化合物。其余的例子包括非揮發(fā)性的、小團尺寸的(1-3個金屬原子)錳化合物，如雙-環(huán)戊二烯錳、雙-甲基環(huán)戊二烯錳、環(huán)烷酸錳、檸檬酸錳II等，它們都可溶于水或有機溶劑。更進一步的例子包括嵌入高聚和/或寡聚有機基質(zhì)的非揮發(fā)性小團錳化合物，如那些存在于粗MMT經(jīng)過柱精餾后留下的重殘渣中的化合物。其他不含錳的例子包括選自鐵、鈰、銅、鉬、鉑族金屬、堿金屬和堿土金屬、以及在燃燒系統(tǒng)中可催化碳氧化的其他金屬的非揮發(fā)性小團化合物。
錳化合物對煤的處理率在1-約500ppm(以重量計)之間，另外處理率也可在約5-100ppm(以錳重量計)之間。在進一步的實施方案中，處理率按錳對煤的重量計是20ppm。
應(yīng)該了解的是，這里在說明書和權(quán)利要求書中任何地方以化學(xué)名提及的反應(yīng)物和組分，不管是以單數(shù)或復(fù)數(shù)形式出現(xiàn)，都是以在與以化學(xué)名或化學(xué)型提及的另一物質(zhì)(如基礎(chǔ)燃料、溶劑等)接觸之前的存在形式來鑒別的。不管在得到的混合物或溶液或反應(yīng)介質(zhì)中發(fā)生什么樣的化學(xué)變化、轉(zhuǎn)化和/或反應(yīng)(如果有的話)，這些變化、轉(zhuǎn)化和/或反應(yīng)是把指定反應(yīng)物和/或組分放在一起，在本發(fā)明內(nèi)容要求的條件下產(chǎn)生的自然結(jié)果。因此，這些反應(yīng)物和組分可被認為是一些配料，它們被放在一起用來完成預(yù)期化學(xué)反應(yīng)(如生成有機金屬化合物)或形成預(yù)期組合物(如濃縮添加劑或添加到燃料里形成的混合物)。而且還要說明，添加劑的組分可本身單獨的和/或作為組分(用于完成添加劑組合和/或亞組合的組分)加入基礎(chǔ)燃料中，或混合入基礎(chǔ)燃料中，或與基礎(chǔ)燃料混合。因此，即使在下文的權(quán)力要求書中會以現(xiàn)在時提及物質(zhì)、組分和/或配料(“包含(comprises)”，“是(is)”等)，但是該物質(zhì)、組分或配料是指其按照本發(fā)明內(nèi)容第一次與一種或多種物質(zhì)、組分和/或配料混和或混合之前存在的狀態(tài)。因此，該物質(zhì)、組分或配料可能在混和或混合操作的過程中或緊隨其后的時間里由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或轉(zhuǎn)化而失去其原先的特征的事實，對于正確理解和評價本發(fā)明內(nèi)容及其權(quán)力要求變得完全不重要了。
本說明書在很多地方參考了很多美國專利、已發(fā)表的外國專利申請和已發(fā)表的技術(shù)論文。所有這些被引用的文件都像在這里充分的闡述一樣，清楚完整地編入了本發(fā)明內(nèi)容。
在實際應(yīng)用中，本發(fā)明易受到相當(dāng)多變量的影響，所以前面的描述并不想，也不應(yīng)當(dāng)被解釋為將本發(fā)明限制在如上所述的實施例中。需要保護的內(nèi)容在后面的權(quán)力要求及其在法律允許下的等同物中有更確切的闡述。
申請人并不想向公眾展示任何已公開的實施方案，并且任何公開的修改或變更可能在字面上不會落入權(quán)力要求的范圍內(nèi)，但是基于等同原則，它們都被認為是本發(fā)明的一部分。
權(quán)利要求
1.抑制煤粉塵的方法，該方法包含的步驟有提供含錳化合物；提供粉塵抑制液體；將該粉塵抑制液體與該含錳化合物結(jié)合以形成混合物；和將該含錳化合物和粉塵抑制液體的混合物與煤接觸；其中將該混合物在抑制煤粉塵產(chǎn)生的有效量下與煤接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含錳化合物是含有有機基團和至少一個金屬離子或原子的有機金屬化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述有機金屬化合物中的有機基團選自醇、醛、酮、酯、酸酐、磺酸鹽、膦酸鹽、螯合物、酚、冠醚、環(huán)烷酸鹽、羧酸、酰胺、丙酮酸乙酯，以及上述物質(zhì)的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中有機金屬化合物包括甲基環(huán)戊二烯三羰基錳。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中含錳化合物選自環(huán)戊二烯三羰基錳、甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、二甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、三甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、四甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、五甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、乙基環(huán)戊二烯三羰基錳、二乙基環(huán)戊二烯三羰基錳、丙基環(huán)戊二烯三羰基錳、異丙基環(huán)戊二烯三羰基錳、叔丁基環(huán)戊二烯三羰基錳、辛基環(huán)戊二烯三羰基錳、十二烷基環(huán)戊二烯三羰基錳、乙基甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、茚基三羰基錳等，包括兩種或多種以上物質(zhì)的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中以重量計，含錳化合物在煤中的含量約為20ppm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中以重量計，含錳化合物在煤中的含量約為5-100ppm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中以重量計，含錳化合物在煤中的含量約為1-500ppm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中含錳化合物是單核金屬化合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中含錳化合物包含大約二至不多于五十個金屬原子的團。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中粉塵抑制液體選自水、油、表面活性劑、聚合物分散體、聚合物溶液、凝聚劑和樹脂，以及上述一種或多種物質(zhì)的混合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中更進一步的，所述混合物以促進煤燃燒的有效劑量來與煤接觸。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中更進一步的，所述含錳化合物包含至少一種非揮發(fā)性的、小團尺寸(1-3個金屬原子)的錳化合物，該化合物選自雙-環(huán)戊二烯錳、雙-甲基環(huán)戊二烯錳、環(huán)烷酸錳和檸檬酸錳II。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中更進一步的，所述含錳化合物包含嵌入高聚物和/或寡聚有機基質(zhì)的非揮發(fā)性小團錳化合物。
15.抑制煤的粉塵的方法，該方法包括以下步驟提供含錳化合物和粉塵抑制液體的混合物；和將該含錳化合物和粉塵抑制液體的混合物與煤接觸；其中該混合物以抑制煤中粉塵產(chǎn)生的有效劑量與煤接觸。
16.一種用來抑制由煤產(chǎn)生的粉塵的液體，該液體包含含錳化合物，其中以煤的重量計，含錳化合物以約1-500ppm的處理率加入。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用來抑制由煤產(chǎn)生的粉塵的液體，其中以煤的重量計，含錳化合物以約5-100ppm的處理率加入。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用來抑制由煤產(chǎn)生的粉塵的液體，其中以煤的重量計，含錳化合物以約20ppm的處理率加入。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用來抑制由煤產(chǎn)生的粉塵的液體，其中含錳化合物是含有一個有機金屬基團和至少一個金屬離子或原子的有機金屬化合物。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的用來抑制由煤產(chǎn)生的粉塵的液體，其中有機金屬化合物的有機基團選自醇、醛、酮、酯、酸酐、磺酸鹽、膦酸鹽、螯合物、酚、冠醚、環(huán)烷酸鹽、羧酸、酰胺、丙酮酸乙酯，以及它們的混合物。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用來抑制由煤產(chǎn)生的粉塵的液體，其中所述含錳化合物包括甲基環(huán)戊二烯三羰基錳。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用來抑制由煤產(chǎn)生的粉塵的液體，其中含錳化合物選自環(huán)戊二烯三羰基錳、甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、二甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、三甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、四甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、五甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、乙基環(huán)戊二烯三羰基錳、二乙基環(huán)戊二烯三羰基錳、丙基環(huán)戊二烯三羰基錳、異丙基環(huán)戊二烯三羰基錳、叔丁基環(huán)戊二烯三羰基錳、辛基環(huán)戊二烯三羰基錳、十二烷基環(huán)戊二烯三羰基錳、乙基甲基環(huán)戊二烯三羰基錳、茚基三羰基錳等，包括兩種或多種以上物質(zhì)的混合物。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用來抑制由煤產(chǎn)生的粉塵的液體，其中含錳化合物是單核金屬化合物。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用來抑制由煤產(chǎn)生的粉塵的液體，其中含錳化合物包括大約二至不多于五十個金屬原子的團。
25.抑制煤的粉塵的方法，該方法包括以下步驟提供含金屬化合物；提供粉塵抑制液體；將含金屬的化合物與粉塵抑制液體結(jié)合以形成混合物；和將該含金屬的化合物與粉塵抑制液體形成的混合物與煤接觸；其中該混合物以抑制煤中粉塵產(chǎn)生的有效劑量與煤接觸，并且其中的含金屬化合物含有至少一種非揮發(fā)性的小團尺寸金屬，這些金屬選自鐵、鈰、銅、鉬、鉑族金屬、堿金屬和堿土金屬，以及其它已知在燃燒系統(tǒng)中催化碳氧化的金屬。
全文摘要
一種用于抑制煤粉塵的方法和組合物，其包括含有金屬的化合物，如有機錳，其作為燃燒促進劑提供了額外的益處。該有機金屬化合物與任何合適的粉塵抑制劑液體混合。該有機金屬化合物可包括甲基環(huán)戊二烯三羰基錳。
文檔編號C10L9/00GK1597832SQ200410064470
公開日2005年3月23日 申請日期2004年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月28日
發(fā)明者W·J·科盧茨 申請人:乙基石油添加劑有限公司