碳质材料加工
发明背景
1. 技术领域
本发明一般涉及增强的煤加工，并且更具体涉及作为煤加工的部分的对碳质材料的分析、配制和加工。
2. 相关技术描述
煤加工系统是本领域已知的。涉及生产焦炭的煤加工系统已知包括“回收”和“非回收”方法两者。例如，一种煤加工方法是本领域已知的，如授予Eatough等人的美国专利号7,785,447中所公开的。该专利提出与洁净煤加工相关的概念，诸如由低级材料持续生产高级焦炭而不造成污染问题。
在某些现代煤加工实施方案中，可构建非回收系统。例如，在非回收煤加工系统中，煤加工可使用可在加工期间产生的诸如气体、焦油或油的附随材料作为燃料，以支持焦炭生产中可能需要的加热。
以下公开内容涉及对本领域的改进，该改进尤其利用了环境问题。
发明内容
已发现通过如本文所公开的方法即时进行分析、配制和加工的改进的煤加工系统。在查看本公开内容后，本领域普通技术人员将理解对碳质材料的分析、配制和加工的变型表明根据本发明的原理。
例如，在一个本发明的实施方案中，公开了用于生产定制碳质材料的方法。该方法包括将第一碳质材料源作为第一原料引入成型器中。然后对该第一原料改性以使得碳质材料的性质允许生产至少一种暂时性产出物(output)。分析该暂时性产出物以确定是否期望另外的改性以生产所需碳质材料产出物。
在该方法的变型中，第二碳质材料源可充当第二原料，第二碳质材料源是来自碳质材料产出物的焦油回料。
在公开的实施方案的另一个变型中，所述方法由已由第一碳质材料源产生的焦油材料生产至少一种暂时性原料进料(input)。该暂时性原料协助确定未来系统原材料的性质。
在公开的实施方案的又一个变型中，所述方法包括生产被称为BTX的定制碳质材料。
本发明的第二实施方案包括用于加工碳质材料的另一种方法。所述方法包括将第一碳质材料源作为第一原料引入混合器中。然后，将第二碳质材料源作为第二原料引入混合器中。值得注意的，第二原料是对第一碳质材料源进行加工的产出物之一。将这些碳质材料混合成定制成预定材料组合物的单一碳质材料原料，并且然后在热解器中使该预定混合物热解以产生定制碳质产出物。
在本发明的又一个实施方案中，公开了用于生产定制碳质材料的另一种方法。该方法包括将碳质原材料与其他原材料一起引入混合器中。这些原材料被成型和加热。然后，基于对原材料加热的产出物，对原材料进行改性。该产出物也可由冷却原材料产生。
以上是概述，因此必然地包括对细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员将理解该概述仅为例示性的并且不意图以任何方式限制。如仅由权利要求书所定义的本发明的其他方面、发明特征和优点将在下文阐述的非限制性详述中变得明显。
附图简述
通过参考附图，可更好地理解本发明，并且使其众多目的、特征和优点对本领域技术人员而言变得明显。
图1是示出根据本发明的原理的碳质材料定制加工系统的第一实施方案的流程图；
图2是示出图1的加工的更多细节的流程图；
图3是示出图1的加工的又更多细节的流程图；并且
图4是例示根据本发明的原理的碳质材料定制加工系统的第二实施方案的流程图。
详述
下文提供对本发明的实施例的详述，并且不应被视为对发明本身的限制。相反，许多变型可落入在本详述之后的权利要求书中定义的本发明的范围内。
本领域普通技术人员将理解，在任何这样的实际实施的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须作出许多针对实施的决定以实现开发者的特定目标，诸如遵从系统相关、冶金相关的制约，这可因实施而异。对于本领域普通技术人员而言这将是设计、制作和制造的日常保证，并且具有本公开内容的益处。
一般而言，所公开的方法包括在分子水平操纵碳质材料以产生所需结果。该分子操纵在加工的所需阶段期间、诸如预加工或即时加工期间发生。
该加工不需要高品质煤来产生所需结果，但在加工某些焦油、油、气体或流体时这种煤可为优选的。诸如“煤合成油”的流体包括不同类型的材料，本领域普通技术人员鉴定为诸如BTX、芳族油等的液体。值得注意的，与来自石油的脂族油相对的，产自煤的BTX和其他芳族油是塑料和药物的优选来源。
此外，除生产诸如肥料的常见煤加工副产物以外，所公开的方法更有效地使用原材料(包括“新”或“旧”煤)，因为可调整副产物而用来产生不同水平的各向同性和中间相沥青，用以最终生成如碳纤维的产物。
又一个实例是用于焦炭生产的煤共混，其在所用的煤的数量上变化。它还随着煤组分的比例、龄期、等级、组成和地理起源变化。煤选择和共混物组成是控制物理和化学焦炭性质的主要因素。这些因素促成有时被称作脱挥发分的行为。
作为用于产出物品质预测的煤选择的辅助，可利用数种数学模型。这些可被分成至少两组。例如，在计划焦炭产出物时，第一组模型集中致力于冷机械“冶金”焦炭强度和反应性的预测。
值得注意的，几乎所有当今的煤加工厂都使用某种模型以设法利用所测煤等级、岩石学、流变学性质和灰分化学来预测产物性能和特征。但在过去，在运行数组回收或非回收炉之前，在试验炉中的试错测试是需要的。利用这类炉，甚至不会设想尝试实现由本发明的模型预测的结果和在加工期间定制碳质材料。
现将详细地提及例示于附图中的本发明的实施方案。只要可能，附图和说明书中使用相同或相似的参考数字来指称相同或相似的部件、行为或步骤。附图为简化形式。
图1是示出根据本发明的原理的碳质材料定制加工系统的第一实施方案的流程图100。在例示的实施方案中，加工以原料加工块102开始。原料加工块102表示可进入系统的不同类型的原料。
例如，原料可为碳质材料，诸如不同类型的煤，例如相对新或旧的煤或它们的混合物，碳质煤废料粉末，或甚至是来自系统100自身的碳质材料的定制配制物，以微调进料原料来获得所需系统产出物。
在原料加工块102后，例示出阶段I加工块104，在该处发生碳质材料的混合和成型，为阶段I加工块106处的加工作准备。
阶段I加工块106被例示为包括至少两种不同的产出物——固体产出物108和气体产出物110。例如，固体产出物108可为诸如美国专利号7,785,447中所公开的焦炭，而气体产出物110可采取各种形式，诸如可被用作回料的蒸气，以协助微调在阶段I加工块106中发生的对混合物的加工。
图1中还例示出流体产出物112，或阶段I加工块106的第三产出物。流体产出物112通向流体加工块114，其包括可产生回料回路的进一步加工，所述回料回路用于在系统运行期间微调原料加工块102。
如例示的，在运行期间，系统产出物108、110和112可用来定制系统运行，这在只是选择系统操作员认为将产生所需结果的系统进料之外增加了一层产出物控制。在运行期间分析混合器成分，并且在特定的实施方案中，将针对未来热解步骤定制混合物，在热解步骤处可形成诸如焦炭的产物。
在焦炭实施方案中，定制可包括待在热解中使用的碳质粉末的形状、大小、百分比和类型，等等。例如，在操作员使用混合物指示将经由未来热解步骤产生的产出物类型的情况下，如果操作员如此指示，则碳质混合物可在加热步骤前成型为填充有碳质粉末的坚硬的壳。
图2是示出图1的阶段I加工块106的更多细节的流程图。在图2中，阶段I加工块106以开始椭圆形框(oval)200开始，之后继续至加热加工块202，在该处示出固体产出物108。例如，阶段I加工块106可被配置成生产在加热原料时产生的焦炭。
在加热加工块202之后是蒸气加工块204，并且随后是冷却加工块206，在该处不同的煤加工成分可“沉降”诸如气体产出物108或不同的煤流体，之后阶段I加工块在返回椭圆形框208处返回。
图3是示出图1的流体加工块114的更多细节的流程图。在图3中，流体加工块114以开始椭圆形框300开始，之后继续至流体加工块304，在该处“煤合成油”被加工。
在由流体加工块304进行加工之后，就是否应对流体进行改性作出决定。例如，如果所需流体产出物需要被改性以获得可被配制成允许生成诸如具有一百万psi拉伸强度的碳纤维的材料的各向同性沥青，改性产出物菱形框306为下一步骤提供两个选项。
如果采取改性产出物菱形框306的“是”支路，则采取处理加工块308，以通过对系统的原料进行改性来根据所需性质对流体改性，并且采取返回至原料加工块310以实施所需改性。
若不，在改性产出物菱形框306处采取“否”支路，并且采取返回椭圆形框312以返回加工至流体加工块114，而不尝试任何流体改性。
图4是例示根据本发明的原理的碳质材料定制加工的第二实施方案的流程图400。加工以加工块402开始，在该处将碳质材料引入系统中。该碳质材料被称为原料，并且可包括诸如煤、煤粉、煤加工废产物、焦油、水或诸如BTX的芳族油的碳质材料。
将来自原材料加工块402的原料进料至混合器/成型器加工块404中，在该处碳质原材料被混合并成型为所需形状用于图4的系统的预期目的。
混合器/成型器加工块404进料至加热工艺块406中，在该处可产生固体产出物108。加热工艺块406还产生如蒸气加工块408中所示的蒸气，然后蒸气如冷却工艺块410中所示地被冷却。
冷却工艺块410进料至多种产出物中，所述产出物包括用于回料至加热工艺块406中的气体产出物110，并且冷却工艺块410还进料至流体产出物加工块412中。
流体产出物加工块412产生至少三种不同的煤合成油——焦油414，液体416和沥青418。如例示的，可对焦油414进行分析并且发现具有期望回料至原材料加工块402中用于微调未来系统产出物的性质。
在查看本公开内容后，本领域普通技术人员将理解其它等同材料和步骤可替代来实现目前公开的发明。
虽然已在前文的详细描述中描述并在附图中例示各种公开实施方案，但将理解的是目前公开的发明不限于所公开的实施方案，而确实可在不脱离本文中阐述的本发明的精神和预期范围的情况下采取各要素或步骤的众多布置、重新布置、修改和替代。随附权利要求书将在其范围内涵盖所有如在本发明的真正精神和范围内的这类变化和修改。
此外，应理解本发明仅由随附权利要求书来定义。本领域技术人员将理解，如果意图特定数目的引入的权利要求要素，这种意图将在该权利要求中明确记载，并且在缺乏这种记载的情况下不存在这种限制。
对于作为辅助理解的非限定性实例，以下随附的权利要求书包括使用引导性短语“至少一个/种”和“一个/种或更多个/种”来引入权利要求要素。但使用这类短语不应被解释为表示用不定冠词“一个”或“一种”引入权利要求要素将含有这样的引入的权利要求要素的任何特定权利要求限制为发明仅含有一个/一种这样的要素，即使当同一权利要求包括引导性短语“一个/种或更多个/种”或“至少一个/种”和诸如“一个”或“一种”的不定冠词时也是如此；这对于权利要求中定冠词的使用同样适用。
