增强固体燃料性质的燃烧前、干处理方法及系统

摘要

测量任何各种原料固体燃料的水分、BTU/lb(每磅英国热量单位)、灰分、硫形式、挥发分物质、易磨性和吸收性质。使用上述资料，开发了可以受控和受监控的干式电磁处理技术，以可选择地改变和提高用于应用的固体燃料性质。特定的变化包括改变诸如煤、煤焦炭和石油焦的固体燃料的机械结构和化学组成，将BTU/lb提到到最佳水平，降低所有形式的硫，降低灰分，而保持燃料的BTU/lb。通过这些方法和设备产生在自然界未被发现的固体燃料设计煤的新家族。

权利要求

1.处理原料固体燃料批次的方法，包括：

接收用于处理的原料固体燃料批次；

测量所述原料固体燃料批次的一种或多种性质，所述性质选自：水分百分比、BTU/1b、灰分百分比、全硫百分比、各种形式硫中每一种的百分比、挥发物质百分比、固定碳百分比、Hardgrove易磨指数、微量元素重量含量和燃料及其各自的组成对电磁辐射的响应；

确定所需要的处理后所述固体燃料批次的燃料性质；

基于所测量的原料固体燃料性质，设计系统配置并在所选择的频率选择功率水平分布，并选择电磁辐射暴露的持续时间，其会产生具有所需燃料性质的处理的固体燃料批次；

以及

通过将所述固体燃料批次暴露于具有所选择的频率和功率水平分布的电磁辐射以及所述电磁辐射的持续时间来处理所述固体燃料批次，其中在所述处理期间，根据测量所述原料固体燃料的一种或多种性质，改变所述确定一系列电磁辐射发生器中的每一个电磁辐射发生器的电磁辐射的持续时间和功率水平。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在处理程序中使用多种功率水平，以从所述固体燃料样品获得不同组分的目标释放。

3.根据权利要求1所述的方法，其中对多个所述原料固体燃料批次的性质进行测量，并应用于选择所述功率水平分布。

4.根据权利要求1所述的方法，其中测量所述原料固体燃料批次的性质，并应用于选择所述功率水平分布。

5.根据权利要求1所述的方法，其中测量所述原料固体燃料批次的所有性质，并应用于选择所述功率水平分布。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述固体燃料是煤。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述煤不是浆液的形式。

8.根据权利要求6所述的方法，其中对所述固体燃料进行破碎或筛选，以将所述批次限制为直径8英寸或更小的固体燃料颗粒。

9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在将所述原料固体燃料批次暴露于所选频率和功率水平分布的电磁辐射前，预热所述原料固体燃料批次，其中按顺序应用所述预热和电磁能量及持续时间，以处理所述固体燃料将其破碎并控制随后作为目标的水分释放。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述预热的频率与随后暴露的电磁辐射的频率不同。

11.根据权利要求10所述的方法，其中通过热源提供预热。

12.根据权利要求9所述的方法，其中在舱室中处理所述固体燃料批次，所述方法包括在处理期间使干空气流过所述舱室。

13.根据权利要求12所述的方法，其中以充分的流量供应所述干空气，以带走所述舱室中饱和了水分的气体并有助于防止所述舱室内的火花。

14.根据权利要求13所述的方法，其中通过所述舱室尺寸和结构以及待从所述固体燃料脱除的水量来确定所述干空气流量。

15.根据权利要求1所述的方法，其中应用所述电磁能量和持续时间来进一步处理所述固体燃料并控制作为目标的灰分释放。

16.根据权利要求15所述的方法，其中在舱室中处理所述炉固体燃料，所述方法进一步包括在处理期间使干空气流过所述舱室。

17.根据权利要求16所述的方法，其中以充分的流量供应所述干空气，以带走所述舱室中饱和了灰分的气体和细小颗粒并有助于防止所述舱室内的火花。

18.根据权利要求17所述的方法，其中通过待从所述固体燃料脱除的灰分量确定所述干空气的流量。

19.根据权利要求1所述的方法，其中将所述电磁能量和持续时间应用于所述固体燃料以使其破碎并释放水分，并然后进一步在更高的温度将煤处理更长的时间，以获得作为目标的固体燃料的硫释放。

20.根据权利要求19所述的方法，其中用于作为目标的硫释放的更高温度为

130-240℃。

21.根据权利要求19所述的方法，其中在所述舱室中处理所述固体燃料批次，所述方法进一步包括处理期间使惰性气体流过所述舱室。

22.根据所述权利要求21所述的方法，其中以充分的流量供应所述惰性气体，以防止所述舱室内的火花和燃烧。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述流量为每立方英尺舱室体积每小时至少15立方英尺。

24.根据权利要求21所述的方法，进一步包括在所述处理的硫降低阶段供应氢。

25.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁辐射处理能将所述固体燃料的BTU/磅提高至少1000BTU/磅。

26.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁辐射处理能选择性地将所述固体燃料中的水分百分比降低至少1％至98％。

27.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁辐射处理使得固体燃料灰分降低至少

2％至60％。

28.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁辐射处理使得固体燃料全硫百分比降低至少2％至70％。

29.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁辐射处理将所述固体燃料中硫铁矿的百分比降低至少3％至95％。

30.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁辐射处理将所述固体燃料中硫酸盐的百分比降低至少5％至95％。

31.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁辐射处理将所述固体燃料中有机硫的百分比降低至少1％至60％。

说明书

增强固体燃料性质的燃烧前、干处理方法及系统

背景技术

[0001] 当前，美国所耗的电量半数以上产自低效率的燃煤公用工程厂(utility plant)。尽管增加了对石油和天然气资源的使用，但煤的价格低廉、易得且广泛分布、大储藏量，以及煤工业巨大的劳动力确保了煤仍将是工业应用，特别是可见的未来的全世界能源生产的重要资源。可是，煤是多种类、成分复杂的并且通常含有大量水分、灰分、硫以及无机杂质，所有这些都减损了其目前成为有效且清洁的燃料的潜能。

[0002] 科学和技术文献、工艺工程和专利在改进固体燃料的全部燃烧性质上都充满了失败的尝试。采用了物理和化学的方法、甚至生物有机体进行煤的清洁和废物的去除。洗煤被广泛用于除去较高比重的灰分和硫化铁矿形式的硫，可是在该过程中通常会导致高达20％的煤流失。采用了各种昂贵的煤干燥方法来努力提高煤的BTU/lb(英国热量单位每磅)，并且在努力显著降低硫方面已经研究了许多方法。

[0003] 煤甚至诸如无烟煤和烟煤的较高等级的煤的锻烧或燃烧，产生了显著的排放，并由于环境和全球变暖的考虑而受到关注。在东欧、中国和其他地方，高硫煤的燃烧使大气负担很重，并很大方面是由于在过去25年来在寻求有效并可负担的脱硫方法方面的广泛但不成功的努力。许多这种努力采用电磁；即，使用紫外线、光学、红外线、无线电、微波、x-射线以及甚至γ射线频率及其组合。大多数是失败的。事实上，就我们所知，在商业实践、电磁或其它方面，还没有单独、有效并经济可行的燃烧前处理技术来除去煤中的硫或任何其它主要的成分。

[0004] 不管出于任何目的对煤进行燃烧或者加热时，所有煤中均存在的含量不同的水分、灰分、硫和其它成分导致了许多问题。煤燃烧产生的诸如氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)的有害气体会破坏环境，包括酸雨、烟雾污染、含有硫的不健康的空气(产生了在中国的很多区域常见的黄色天空)，以及有毒微粒的沉积、一些被上部气流携带而远离发源地。另外，煤燃烧留下了含有其诸如汞的微量元素的无机灰分，当灰被处理或用作诸如马路建设和维护的广泛长期应用的填料时，其问题很少被考虑到。由于在煤燃烧时产生大量二氧化碳(CO2)，现在增加了关注，其显著并直接造成了全球变暖。最后，在很多煤中存在的明显的水分导致了低效率的燃烧，致使燃烧了更多的煤，并因此使得排放增加。对脱水的重视程度较低(即，致力于增加BTU/lb，其直接导致可以燃烧较少量的煤而产生相同量的能量，并因此降低了其产生的全部排放)。

[0005] 很多年来作出许多尝试来除去或降低煤中的灰分和硫的含量，并籍此通过改进煤的质量和燃烧特性来降低各种形式的污染。不幸的是，这些尝试已证实是耗时、昂贵并且不切实际。

[0006] 例如，尝试了在燃烧之前进行“洗”煤。这些尝试费用很高并需要多方面的添加和改造工厂设备。

[0007] 在洗煤系统中，进入洗煤机之前，必须用筛子、粉碎机、球磨机、压碎机或其它类似的碾碎设备对煤进行碾碎或选出合适的尺寸。一般地，使用这些类型的设备来降低煤的尺寸采用了相当重和大型的设备，这些设备购买、维护和操作都很昂贵。

[0008] 在其它的例子中，在锻烧或燃烧煤或燃料之前，清洗系统和方法包括用离心分离机、转筒式过滤机、流化床干燥机或其它类似的干燥设备昂贵地干燥煤。通常，用这样的设备干燥煤采用联合或多级设备，这些设备购买、维护以及操作也很昂贵。

[0009] 其它的尝试利用对煤添加一种或多种催化剂，努力降低在煤燃烧中产生的不需要的副产品的量。例如，在煤的燃烧中添加到煤中的某些催化剂可以降低硫排放的量。这些努力的目标在于改进所要燃烧的煤的燃烧性质，例如增加BTU/lb。可是，这些尝试会产生不同的副产品，这些副产品有毒性，且处理或储存很昂贵。

[0010] 对这种长期存在的问题没有燃烧前的解决方法存在时，燃烧后的净化是当前燃煤发电工业优选的方法。例如，安装净化器清洁燃烧后烟道气体，从烟道气体中除去SOx和NOx化合物。这种设备和其它类似系统及工艺在安装、维护和操作上很昂贵。不幸的是，这并不能解决CO2问题，并且最近俘获并及改变CO2气体路线的努力没有前途或实用性。

[0011] 最后，许多燃煤企业掺混低硫煤与高硫煤以降低全硫分以便符合政府规定的每百万BTU SO2磅数的指标。这通常需要长途运输沉重的、含水分的煤，其运输费用经常等于或超过煤的费用。

[0012] 发明简述

[0013] 本文描述的方法、系统和工艺采用电磁能(例如微波能)来改变煤的机械结构，并通过设计来分别和/或集中改变核心的煤组成以增强煤燃料的燃烧质量(例如降低水分并增加BTU/lb以达到所讨论的应用的最佳水平，降低所有形式的硫，包括更难去除的有机硫，并降低灰分，而保持或提高煤的热值)。

[0014] 可以根据煤的种类和所寻求的性质上的改变来设计本发明的实施方案。该系统可以是模块化的、可缩放的和便携的或固定的，并可用在地下或地面采矿的管线内(in-line)或管线外(off-line)位置，或公用工程厂。可以选择工艺参数来满足特定应用的需要，同时除去和收集有价值的副产品，例如水、硫和灰。在线和离线方法可以用于确定处理后的煤的性质，具有反馈系统用于改变过程控制参数，例如停留时间(流速)、动力、气流等，以获得所需的预选的燃料增强性质，并且不过处理(over-process)或欠处理(under-process)。

[0015] 过程开始于收集具体煤的资料，包括其位置(井口、露天矿、河流混合设备(river blending facility)或者最终粉碎前公用工程厂的任何地方等)。另一个考虑是使用处理煤的目的(例如，可以将更高效、更清洁的燃料用于燃煤锅炉，可以将低硫及高挥发性的燃料用于炼钢和其它工艺，用于化学工艺的特殊目的的燃料)及所寻求的性质。其次，确定考虑处理的吨位量，及需要考虑的任何现有的处理方法，如煤的研磨或筛选。再次，测量原料的样品以确定它们的性质。最后，设计系统以提供所寻求的特定处理燃料的性质。可以预设或实时改变该系统的设计参数包括：加煤系统的容量以适合要加入处理器的量和尺寸；处理舱室/传送带系统的尺寸、形式和类型以在处理所分配或需要的时间内处理所要求的尺寸和流量；为了获得所寻求的所关注的煤的性质所需要的电磁频率或频数及功率水平和持续时间；以及透入(penetration)深度，以确保将煤处理成平均达到所需范围。

[0016] 电磁、燃烧前、干燥和单级煤处理技术表现为：改变煤的机械结构，并因此显著提高研磨性；降低水分并增加BTU/lb达到目标应用的最佳水平；降低所有形式的硫，包括更难除去的有机硫；降低灰分；并显著降低lbSO2/MMBTU排放指标，同时保持煤的热值。另外，不像许多更早的尝试那样，在辐射煤之前，可以通过这些方法处理煤而不形成煤浆或加入溶剂或其它液体。如前述方法所尝试的，本文所述的方法远不止简单地从煤中去除硫或任何其它单一成分；相反，所述方法可用于实现与煤的众多性质中任意项相关的目标，例如上述确定的那些。

[0017] 本文所讨论的工艺方法能改变工艺参数，以将固体燃料的特定燃烧性质作为目标。例如，即使对样品具有大小和性质分布的一批煤(每批煤)，均可有效地将水分降低比率及产生相对窄范围的BTU/lb作为目标。

[0018] 附上了脱水方面的有代表性(有代表性并不是“最好”)的结果，汇编后的结果显示了所述方法的广泛应用性。以水分降低％的升序对结果进行排列，进一步证实，使用这些方法和设备，任何煤都可以被处理至所需的水分降低水平。另外，使用简单的预处理试验我们也可以估算未处理的煤中的灰和硫的含量，以及具体的煤对所述工艺技术会产生何种反应，结果是，如果需要，所述系统也可以提高煤的其它燃烧性质。

[0019] 这里列出并描述的材料进一步证明这些以间歇或连续方式设计和操作的系统可以提供所需的脱水或其它煤燃烧性质；特别是，具有如下性质的煤：

[0020] ●在任何等级的煤中，水分％降低到任意所需水平，低至大约1％或更低；

[0021] ●在任何等级的煤中，BTU/lb增长至任意水平，高达至少其水分含量0％时的水平或至少1000BTU/lb(由于该过程也降低灰分％和全硫％，其进一步增加了BTU/lb)；

[0022] ●在任何等级的煤中，灰分％降低(例如，至少大约2％)；在具体实施方案中，降低范围从大约10％至超过50％；以及

[0023] ●降低每种和所有形式的硫(例如全硫降低至少大约2％，硫铁矿降低至少大约3％，硫酸盐降低至少大约5％，以及有机硫降低至少大约1％)；在具体实施方案中，全硫可降低25-50％，对一些煤种，甚至更多。

[0024] 另外，对于这些系统和方法，电弧(和点燃)的危险可以降低或解除。过去采用小尺寸的片和样品尺寸来试图降低电弧的危险，而在以下所述的本发明方法的实施方案中使用在线测量、监控和反馈系统以及伴随的功率水平、气流水平和停留时间的调节来控制表面温度，从而降低电弧。

[0025] 另外，发明人对电磁能怎样透入煤，以及在较高功率水平可获得的较大透入深度的更深入的理解开启了有效处理更大(例如商业水平)通量的煤以及具有更大粒度的煤的大门。

[0026] 附图的简要说明

[0027] 以下所描述的附图中，同样的附图标记指示所有不同图中相同或相似的部分。附图不必是按比例缩放的，重点在于说明在详细描述部分中所述的方法和设备的具体原理。

[0028] 图1是坐标图，显示了特定褐煤中的电磁辐射吸收与频率的函数关系。

[0029] 图2是在25℃水中的电磁辐射透入深度与频率的函数关系的坐标图。

[0030] 图3是一般性地描述本发明实施方案的工艺方法的流程图。

[0031] 图4是本发明实施方案的工艺系统元件的流程图。

[0032] 图5说明了传送带系统。

[0033] 图6说明了与图5的传送带系统一起使用的送料装置。

[0034] 图7提供了图5和图6设备的传送带端部视图。

[0035] 图8提供了图5和图6设备的传送带端部视图。

[0036] 图9和图10所示为用于图5所示设备的移动台罩的主视图。

[0037] 图11和图12示出了用于图5所述示设备移动台罩的主视图。

[0038] 图13说明了本发明实施方案的间歇处理组件。

[0039] 图14和图15显示了图13所示的间歇处理组件的俯视图和侧视图。

[0040] 图16显示了试验生产装置。

[0041] 详细描述

[0042] I.煤

[0043] A.综述

[0044] 煤是由腐化植物形成的可燃燃料；煤含有与各种有机化合物和一些无机化合物结合的无定形碳。像Harold H.Schobert在“Coal，theEnergy Source of the Past and Future(煤，过去和将来的能源)”(American Chemical Society，1987)中所描述的，“煤涵盖了软的、潮湿的、褐色物质到非常硬的、光滑的、黑色固体”，且其物理和化学性质可以根据该物质如何、何时以及在何处沉积，初始存在的有机物质类型，及其随时间的变化而发生显著的改变，本文将该文献的全部教导引入作为参考。因此，为了在商业实务中开采、交易和使用煤，对煤的类型和性质分类并标准化已经是很必要的。已经将煤从最低品质到最佳品质分别划分为以下主要的“等级”：

[0045] 1)褐煤(brown coal)；

[0046] 2)黑褐煤(lignite)；

[0047] 3)次烟煤；

[0048] 4)烟煤；和

[0049] 5)无烟煤。

[0050] 褐煤水分含量很高，在开采时具有很低的BTU/lb值(大约3000BTU/lb)。黑褐煤是水分含量为20％至超过50％，且BTU/lb值为4000至大约7000的褐黑色煤。次烟煤是在黑褐煤中发现的没有木质质地的黑色的煤；次烟煤含有高水分(通常为30-35％)，且BTU/lb值介于黑褐煤和烟煤之间。烟煤是化学成分变化最广的软质煤；烟煤的水分从5％至20％变化，并且BTU/lb值在10000至超过14000。在美国，烟煤主要发现于东部地区。无烟煤非常硬并具有相对低的水分含量(通常5％)，并且在开采时BTU/lb值在14000区域。这些等级中每一个还进一步分为亚类(参考ASTM，1981，D-2796，以及U.S.GeologicalSurvey)。在所有情况下，均发现煤从矿到矿、从煤层到煤层、以及在每个煤层中都是变化的，且经常变化很显著。

[0051] 一般说来，所有等级煤变化的最大范围是：

[0052] BTU/lb ＜4900至＞15400；

[0053] 水分 ＜3.0％至＞50％；

[0054] 灰分 ＜3.0％至＞35％；以及

[0055] 全硫 ＜0.25％至＞6.0％。

[0056] 在单个的煤矿内部：BTU/lb可以变化2500之多；水分可以变化13％之多；灰分可以变化13％之多；以及全硫可以变化3％之多。

[0057] 因为煤在外观、组成和性质上(从褐煤到黑褐煤到次烟煤到烟煤到无烟煤，以及每一等级内和每个矿或煤层或一撮煤之中)有很大不同，所以对于怎样增强作为燃料的特定的煤性质的概括很难并且通常不可靠。这里，煤是唯一地在个案分析的基础上评价的。

[0058] B.煤数据库

[0059] 数据库是根据对大量的未处理煤和处理煤的测量而汇集的，这些煤包括但不限于，澳大利亚、中国和韩国的低硫煤，印度的多种煤、以及加拿大和美国的煤(包括阿拉巴马州、佛罗里达州、伊利诺斯州、俄亥俄州、俄克拉荷马州、宾夕法尼亚州、德克萨斯州和怀俄明州)。

[0060] 首先测试所有的原煤(mine-run coal)批次，以确定它们的平均性质。为了更好地接近于商业实务，从每一批次中选取额外的但独立的原煤样品进行处理；即选择未以任何方式初次改变的样品。对于这样的过程，选择足够的样品以确保它们的性质平均起来是有代表性的原煤。

[0061] 已经使用前后一致的统计取样方法来对数百种未处理样品和处理样品进行研究，如对其外观、颜色、硬度、均匀性、大小和重量，以及对于处理的样品其表面和内部温度。该数据库的一部分包括来自美国西弗吉尼亚的南查尔斯顿标准实验室(Standard Laboratories of SouthCharleston)对450种未处理及处理样品的试验结果，其中样品测量包括水分百分比、灰分百分比、挥发分百分比、固定碳百分比、BTU/lb(原始，干基，无水分和灰分；在下面定义)，硫的形式(全硫、硫铁矿、硫酸盐、有机硫中每一个的百分比，原始以及干基)，Hardgrove易磨性指标(HGI)，总汞量，灰熔点和灰的矿物分析。

[0062] C.评价煤的测试方法和定义

[0063] 第一步是将样品研磨成粉末，并用一小部分测定水分百分比。然后同一样品的另一部分用于测定灰分百分比(“原始(as received)”意思是试验前未对样品作任何处理)。“干基”是采用原始测量值并将它调整为假定样品中没有水分时的计算值。BTU/lb是采用相同的方式计算的；即，该值是由部分原始样品确定，然后以无水分的基准(干基)计算。然后进行相似的计算得到“无M-A”，该值是假定没有水分(M)和灰分(A)的值。类似地，对原始样品确定“硫的形式”，然后也以干基计算。

[0064] 在间歇和连续处理方式中进行随机取样，并比较目测的特征和测量的性质，以便进一步验证该结果代表了可从处理商业规模的量(每小时数十到数百吨或更多)得到的结果。

[0065] 作为汇集该数据库的一部分，对多种未处理和处理的煤，及其各自的组成如灰分、硫铁矿和有机硫进行了实验室测量。测量包括对宽范围的电磁频率的吸收和反射。使用介电性质监控系统测量煤的介电性质的改变，例如由对化学成分的处理效果引起的变化。该介电性质影响了该物质怎样对电磁辐射作出反应。

[0066] 在特别设计的自由空间微波配置(configuration)中首先试验少量的各种煤，其中使用波导管来将微波辐射从微波舱室引导出至开放表面，在那里可用各种低功率水平和时间对小样品进行辐射，并观察、监控和称重。另外，在各种微波炉舱室中试验更大的样品。这些炉系统具有不同的舱室尺寸，并能够改变应用的功率和时间。当观察到小的和中等尺寸(达到5磅)的煤样品的大多数燃料性质改善后，设计更大的舱室系统来改变可应用的功率范围，并提供以间歇模式处理高达接近40磅的样品的能力(见图13-15所示的设备)。
当这些试验证明了用较小的处理系统和较小的样品可获得所追求的燃料性质的同等增强，则通过设计连续的、流通(flow-through)处理系统来实施进一步放大的步骤，每小时可以处理大约1000磅(见图5-12)。用流通处理系统的处理试验证明了燃料性质可以像在较小样品尺寸的间歇模式处理试验中那样被改变；即，本发明处理方法可以很容易地应用于宽范围的煤种和所需流量，同时获得所需的燃料增强性质。

[0067] II.工艺方法

[0068] A.整个工艺的概述

[0069] 整个工艺的步骤顺序可以概括如下。

[0070] 1)在宽的电磁频率范围测量煤及其成分电磁吸收

[0071] 选择电磁辐射作为核心活性试剂来处理固体燃料/煤，必须理解它对煤及其各个成分都有作用。该信息可以从测量电磁吸收和反射以及特别是材料的介电常数而获得。介电常数是物质的固有性质，并且它可以用于预测材料对微波和任何其它电磁辐射的反应。在本文中，术语“电磁”和“微波”辐射某种程度上可相互替换。在所有的情况下，可使用的电磁辐射范围包括本文别处描述的、按某些标准可能认为属于较低的“无线电”频率范围而非更高的微波频率范围的频率，像有时使用的那些术语。

[0072] 对几种不同的煤(未处理的和处理过的)测量吸收和反射；并且也对煤的几种成分进行测量，例如灰分、硫铁矿和有机硫。在0.5-18GHz(500MHz-18,000MHz)的频率范围对东德克萨斯黑褐煤的同一未处理煤(上部曲线)和处理煤各自的两个样品测量电磁辐射吸收，报告于图1中。在这些测量以及所有我们的吸收测量中，以下特征是明显的：

[0073] ●从右到左吸收的整体下滑趋势定量地显示，当向低频率移动时这种煤(及所有煤)吸收电磁辐射的效率更低；因此，辐射对煤的穿透在较低频率时更大。

[0074] ●在0.8GHz、2.45GHz、5.75GHz和11.6GHz所看到的，以及明显从18GHz附近起始的峰点显示为彼此相关；例如，11.6GHz附近的吸收峰频率几乎正好是前面吸收峰的频率5.75GHz的两倍。这些特征出现在每个试验煤的电磁辐射吸收测量中。我们相信这些特征反应了对煤的一种或多种主要成分，或可能是对大分子(碳氢化合物或硫)，或两者的特异应答。特别有趣的是，在所有我们的吸收测量中看到，(a)这些特征在处理过的煤中仍然很明显，但与背景相比显著降低，并且(b)相对于背景(结合水)和峰值频率的吸收水平，对处理过的煤而言显著较低。

[0075] 对这些测量所选择的频率范围涵盖了大多数的微波频率，具有可能并入无线电频率的较低频率，依赖于这些术语怎样定义。0.322、0.460、0.915和2.45GHz的知名的频率对应于此范围内的主要的电磁频率，该范围被批准用于国内并且某些用于国际应用。2.45GHz是最普通的，是全世界广泛使用的厨房微波炉的频率。0.915GHz是全世界微波干燥应用所选择的频率，例如固化陶瓷制品，干燥意大利面食、猫狗食品、花生和无纺布等。注意它们接近于上述两个峰值。在大约5.75GHz、大约11.6GHz和大约18GHz的峰表明这些频率是该过程所用微波的额外选择。

[0076] 所述数据库提供了足够的输入以继续限定核心电磁辐射系统设计中要求的下一个步骤。下面(第7项)说明这种信息的使用。

[0077] 2)对在微波应用中能够获得的且批准用于国内和国际应用的电磁频率，计算电磁辐射透入湿煤和干煤中的深度。

[0078] 为进一步支持为理解电磁辐射与煤的相互作用进行的努力，在我们于多个实验室对电磁辐射与材料的相互作用的进行研究基础上，进行了大范围的理论计算，这些实验室在从20世纪60年代开始的整个期间内都致力于这类研究。这些计算包括对干煤和湿煤、不同煤层、接触和带有的气隙的情况，使用不同物理参数的电磁辐射吸收和反射的作用，以及对很多种输入参数的温度作用以及透入深度。支持实验室的电磁辐射测量包括颗粒尺寸、形状、表面粗糙度和电磁性质的影响的研究。

[0079] 上述四个频率的透入深度的计算提供在图2中。尽管该计算是在25℃对非结合水或自由水(性质随温度变化)进行的，但在不同频率透入深度的差值也应用于煤、特别是高水分的煤得到第一个近似值。换句话说，当移动到较低频率，渗透增长非常显著；例如，在0.322GHz电磁辐射透入水中超过它在2.45GHz时的30倍。很显然，在我们的实验室过程中，我们能够在2.45GHz透入各种煤中比预期深3到4倍。我们将这种不同主要归结于水被随机地分配至整个煤中并且不在单煤层或多个煤层中；即，有通过煤的通道，在其中电磁辐射将遇到很少水或没有水，因此在那些区域更容易透过或者在有些情况下直接通过煤。另外，当煤和它捕集的水分温度增长时渗透增长非常显著。额外的但更小的因素来自自由水和结合水在性质上的不同。重要的是要注意，在处理时煤的表面温度经常发现是在70℃以及以上，当还寻求降低硫和灰分时，为后者。由于内部温度甚至高于表面温度，在处理时可以通过选择合适的电磁操作频率和仔细注意测量的温度来确保深度渗透。

[0080] 这类测量的重要性，特别是对于脱水的重要性，源自以下事实，即当移到较低频率时渗透深度的增长超过了对于相对较小的水吸收效率(图1)降低的补偿。如果可以实现大型的工业化可行的生产量，这种关系直接导致了对增加待处理的煤深度的需要。

[0081] 3)未处理煤性质的测定

[0082] 煤的范围从软的、潮湿的褐色材料到非常硬的、有光泽的黑色固体，并且其物理和化学性质根据该材料如何、何时及在何处沉积，初始存在的有机物质类型、及其随时间的变化而显著改变。尺寸和形状、硬度、挥发性、碳含量、微量元素、燃烧和其它性质在每个煤等级内、从矿到矿以及每个矿内或煤层内均有大幅变化。

[0083] 测定用于处理的所选未处理煤的以下性质：水分、BTU/lb、灰分、硫的形式(例如硫铁矿、硫酸盐、有机硫)、尺寸、结构和硬度(易磨性)。测定考虑进行处理的任何未处理煤或原煤性质的第一步是按照公认的标准对煤取样。这些标准包括ASTM标准D388(按等级对煤分类(Classification of Coals by Rank))、D2013(制备用于分析的煤样品的方法(Method of Preparing Coal Samples for Analysis))、D3180(按测定的不同基准计算煤和焦炭分析的标准方法(Standard Practice forCalculating Coal and Coke Analyses from As-Determined to DifferentBases))以及美国地理勘察报告(Geological Survey Bulletin)1823(煤的取样和无机分析方法(Methods for Sampling and Inorganic Analysis ofCoal))。对一些煤和黑褐煤，在结构(例如，光滑或粗糙或片状)、颜色(例如，像一些粉状的亚洲黑褐煤的褐色，黑色及坚硬的东德克萨斯黑褐煤，线状或条纹的或杂乱的)和组成(例如，在一些黑褐煤中，重的或轻的具有明显的灰或硫铁矿片或甚至植物的木质质地的片或看得见的木材)、干或湿、样品尺寸的分布等有很大的可观察到的不同。仅根据这类观察到的特性也选择一些用于试验的未处理样品，并且也选择一些具有随机混合的这些特征的样品，以充分测试在煤中观察到的每种不同。由于没有提供这种多样性的单一的取样标准，因此开发了可理解的和一致的取样方法，由此这样的不同都经过测试。

[0084] 继续本发明煤处理技术的增强煤的所有燃烧性质的目的，下一步是选择富有经验并广泛公认的实验室(例如Standard Laboratories，Inc.)，该实验室经认证可以最广泛地测试煤的可能类型的物理和化学性质。可以测量以下的性质：水分百分比、灰分百分比、挥发分百分比、固定碳百分比、BTU/lb(原始、干基和无水及无灰的)、硫的形式(全硫、硫铁矿、硫酸盐和有机硫的百分比，原始以及干基)、HardgroveGrindability指标(HGI)、汞含量(PPM干燥的)、灰熔点以及灰的元素分析。这里所用的术语是由Standard Laboratories所定义的并且在煤测试界是通用的，而且已经在别处定义了。

[0085] 以下各项是很重要的：(a)由于它们不同的外观，所以要测试足够的样品以超过覆盖所选择的那些样品，(b)每个样品都发送更大的超过试验要求的量，(c)每种情况仔细地记录用于取样的标准，并且(d)保持送往试验的没批未处理料的对照样品。收到试验结果和实验室未使用的剩余样品后，仔细地将结果输入计算机是很重要的，例如，通过允许各TM种统计取样、平均等的计算程序(例如，使用Excel 软件)。仔细研究试验结果以便揭示试验结果和所使用的取样标准(包括观察到的外观上的不同)之间的可能的相互关系也是很重要的。以这种方式，可能全面并适当地表征性质的分布或范围，这些性质可视为代表所取样的煤批次的平均水平。

[0086] 4)处理目标的确定(例如，寻求的性质和要处理的量)

[0087] 下一步，处理目标一般是(并不总是)由团体所确定的，该团体为自己的煤或根据他们特定的需要而引进的外地煤寻求改进的性质。这些目标可以包括对煤的一种或多种燃烧性质的改进，对所有的煤进行相同的改进，或处理一些煤达到更高性质阈值并将它与未处理的煤掺混以获得需要的平均的整体性质。例如，燃烧低等级、低BTU/lb黑褐煤的公用工程厂经常引进更高等级的西部煤与低等级煤掺混，以获得较低的排放和增加操作效率。

[0088] 其它重要的考虑涉及寻求的通量。对于一些每年仅消耗25000-50000吨的小型用户，可以间歇模式或间歇/连续模式进行较低成本的选择。后一方法采用了装煤的箱子或圆筒，其移至电磁辐射处理环绕系统(surround-system)下部的位置、处理、从处理器分开、以及沿着工艺路线移动到出口，当后续的装煤容器移动至处理位置时卸料。对于多数煤处理和处理所要求的非常高的通量，采用连续的即时(on-the-fly)方式处理煤。这是对任何处理系统提出的最难的要求之一，并且是科学家们和工艺工程师不知疲倦地工作数十年，努力开发在燃烧前处理煤的有用的可负担的方法的几个原因之一，可是没有成功。通量对于处理系统的设计和操作的重要性在以下的第7部分示例性地进行了描述。

[0089] 5)使用小型(10-40磅)实验室试验测定每种煤对关键工艺参数的实际反应[0090] 该煤是在实验室控制的装置中进行处理前测试的，以直接测定煤对设计用于该领域的处理系统的反应。来自这个试验的资料确保了处理系统可以真正地实现所设计的目标。对该煤批次进行系统取样并处理，以确保该结果为核心处理系统的设计提供了重要的输入。

[0091] 该试验利用了为此目的特别设计的通用的实验室处理系统。该实验室系统具有以下特性：

[0092] ●微波频率为2.45GHz。根据图1和图2所得到的资料，研究者可以在不同于为场(field)应用设计的处理系统的频率来“预处理”该煤，并且随后研究者可以将在此频率的结果与在场系统频率的期望值联系起来。这种相互关系已经被进一步证实，其证据为从同一批次得到的处理煤，两个以连续模式使用不同频率及一个以间歇模式使用与其中之一相同的频率，在性质上具有良好的一致性。

[0093] ●提供具有简易的前部装载并能处理10-40磅的密封微波炉防漏室用于照射所述样品；处理的更小则更难确保处理了足够量的样品以合适地评价它们对为煤的场处理所设计的多参数系统的反应。

[0094] ●该系统提供了能将应用的电磁功率改变到从数百瓦至3000瓦范围的任意量的能力。这个灵活性部分地由于我们所使用的三个磁控管，由此，功率在这样短的时间间隔中是循环(duty-cycled)的，以便大致相当于能瞬时改变功率水平。

[0095] ●上述的三个磁控管被小心地定位以获得“合适”的场方位。例如，可以将三个磁控管1002的每个输出分别通过矩形波导管引导进入处理腔，在其路径上有调谐器1003和功率监控端口1004(见图13)。微波偏振方向(沿其方向电场振动)垂直于腔入口处的波导口的较宽的侧面。任意两个相邻的输入偏振必须合适地定向，例如，为了使每两个磁控管源的耦合最小化，而互相垂直。同样地，三个入口合适地定位于腔内，以便使不必要的磁控管相互作用最小化。磁控管可以单独使用或一起使用，每个的功率水平均可选择。移动探测器在前述调谐器中的位置以及深度的调节(或设定)，通过源和负载之间所谓的“感应匹配”提供了有效的微波功率流。如图13所示，通过与功率监控端口1004连接的探测器容易地监控调谐。使用水进行广泛的定时和温度试验，其中在每个微波功率监控端口1004测量流入所述腔中的功率数值，以及在腔中各个位置测量给定量的水的温度升高，得出吸收的准确功率。测试和验证了混合方式[即，在微波舱室中电磁波的图形和波形]。进行校准。将广泛的空气调节用于该舱室，并单独用于电源，以确保它们的稳定性。

[0096] ●该系统也提供了控制含有或不含有惰性气体的气流量的能力。设置了入口端口来迫使气流进入和离开端口/为气流携带的液体和从该处理舱室散出的气体设置了俘获槽(capture cell)。在处理过程时，有一个端口可用于进行煤表面温度的舱室内(in-chamber)遥感测量是有益的。

[0097] 这个系统并不需要实时测量水分含量、灰分含量、硫含量或微量元素含量，或与处理控制相匹配的反馈系统。具有相似能力的任何系统均可实现本文提出的目的。

[0098] 通过Standard Laboratories和其它煤测试实验室进行的煤测试的第一步在于对样品进行研磨，然后测定所寻求的性质。处理返回的研磨样品与工业化实践中处理煤的方式产生冲突，使得有必要表明，通过处理相同的煤但在处理前对其进行研磨来处理原煤可以得到相同的结果。

[0099] 基于上述涉及的内容，我们选择总是处理原煤而不研磨在它们的试验后从Standard Laboratories返回的煤。为了提供比相同的煤在处理测试前及测试后更有代表性的结果，为每批次要处理的煤选择两套不同的未处理原煤。这个方法要求，在每套未处理的煤中以及处理过的煤中测试足够的样品，以确保该方法是真正统计学显著的，并确保它合适地表征了未处理煤和处理煤的平均性质。这些测量的显著再现性强烈地支持了这个方法；例如，当以相同方式处理时，具有准确起始重量的不同样品总是损失了相同重量。另外，当处理相同煤的研磨样品时，在结果中我们不能获得相同的处理系统的效率或一致性。

[0100] 注意，在该方法中的这个步骤是要进一步确定和改进为其目标煤而设计的核心处理系统，而不是取代最终处理系统的全部试验。

[0101] 6)每种煤原始资料的收集

[0102] 收集原始资料，例如考虑处理的每种煤的位置(煤矿或煤应用)、它们的量以及它们的运输(传送带或卡车或驳船和/或运煤火车等)、可利用的系统安置(footprint)空间、可用的电力和成本，以及怎样最好地将煤送往处理机及运回。场所因素、处理系统尺寸、构造和设计会直接受一些考虑的影响，例如在矿山或电厂位置是否有足够的动力和水的、可利用的系统安置空间(在电厂通常会受限)、以及当地的煤运输装置和速度。在很多矿山和电厂都采用传送带，它们具有各种规格、速度和带材料。由于期望现有的传送带可运输煤往返于处理系统，并且在一些情况下，甚至要经过处理舱室，所以要根据所关注的输送系统设计和制定处理系统送入和送出原料的尺寸。如果传送带经过处理舱室，它们的材料就变得特别重要，并且在处理系统的设计和操作时必须加以考虑；例如，金属(电磁反射)或非金属(电磁吸收)带材料引入了非常不同的电磁效果，并且筛网遗漏了细小的颗粒，其可导致运输系统中的机械问题。

[0103] 无论该传送带是否通过处理舱室送料，还是接入处理系统的煤送料系统，该传送带的装载量和速度也直接决定了处理系统的通量能力和操作。

[0104] 7)使用得自上述1至6的信息，开发为所选择进行处理的每个煤批次所设计的核心处理系统

[0105] 以下试图作为基于电磁辐射的处理系统的设计实例的初排(walk-through)，该处理系统用于对给定的固体燃料或煤类型获得特定的处理后燃烧性质。

[0106] 初始的假定、要求和选择：

[0107] 以含水23％及BTU/lb 8000为目标处理含水36％及BTU/lb 7300的未处理黑褐煤(与下文试验结果部分表3的煤匹配)。然而表3列出了在中等功率(5-20kW)短时间(10-120秒)处理很小量样品(几磅)的结果，这个实例的目的是为如何处理以大得多的量、进而以高得多的功率及相当的停留时间来处理相同的煤提供指导。

[0108] 设定通量为每小时10吨(TPH)或每年66000吨(基于330天每天20小时)，并且黑褐煤是以连续或即时基准处理的。速率(这里是10TPH)通常由用户根据现有的矿山输出量或要处理的部分输出量，以及现有的煤处理系统或处理待处理的煤量所需对其进行的改造而选择。

[0109] 由于从第一煤矿研磨岗位出口的尺寸最大的黑褐煤块的最大尺寸接近8英寸，因此处理舱室入口狭槽和其它煤通道间隙是高度为9-10英寸。否则，需要用预处理步骤来筛出大块或将其破碎成更小块。工作间尺寸很重要，并经常会限制电磁辐射系统设计参数(参见以下)。

[0110] 对于电磁频率的选择参考图1和图2。

[0111] 2.45GHz的磁控管(产生微波的基本元件)主要用于相对低功率的实验室，商品和厨房微波炉应用，并且未制造成具有根据本文所述方法有效处理煤所需要的高功率(例如75kW或更高)。另外，2.45GHz并不提供所述煤量和煤承载深度所需的渗透。用于在此频率最佳设计的电磁辐射系统(高效率、均匀且安全)的波导管和工作间的尺寸太小而不能容纳大于1-2英寸的煤。

[0112] 0.915GHz是许多电磁辐射干燥应用的频率选择，且75kW和100kW的磁控管已得到证实，并且有广泛应用，并能组合在一起获得大规模煤处理所需的功率水平(见下文)。有限的渗透深度和很小的电磁辐射系统尺寸限制了将这个频率用于相对小尺寸的煤的低通量处理。

[0113] 在美国不制造产生0.460GHz电磁辐射的磁控管，并且在其性能、维修以及满足承诺的交货时间表上都存在困难。

[0114] 在美国生产对于商业市场相对新的、具有多种功率的能产生0.322GHz的磁控管。

[0115] 其中，例如每小时处理10吨(20000磅)煤，降低13％的水分相当于每吨脱除260lbs的水，或者在此情况下每小时2600lbs的水。

[0116] 处理前及处理后立刻测量样品重量，可提供与降低的水分百分比直接相关的信息。处理结束后30分钟以及24小时之后再次测量重量，发现重量进一步降低。合计后处理后重量的降低为3-5％。我们非常保守地估计，在活性电磁辐射处理前，使用预加热段(例如，采用热辐射或红外线辐射，其频率与后来在独立的舱室中或在舱室中独立的部分所使用的电磁辐射的频率不同)可以进一步降低重量2-3％。将此处采用的实施例综合起来，需要通过该过程的电磁辐射段达到的水分降低13％的目标可以被保守地降低到大约8％。由预加热而产生的降低导致用电磁辐射处理需要每吨脱除160磅水，而不是该实施方案所需要的260磅。

[0117] 以100％的效率，在环境温度下1kW的电磁能量每小时可以蒸发3.05lbs的水。对于设计合理的电磁辐射系统，98％的能量被吸收并转化为热量。用于参考，1kW应用的电磁能需要大约1.15kW的电并蒸发2.989lbs的水。因此，每脱除160磅的水需要61.6kW的电(即，160磅乘以1.15kW/100kW施加的电磁功率除以2.989磅)。从上述内容，我们得到每小时需要的功率是533kW(20,000磅除以300lbs的水乘以8％/100kW)。因此，可以使用三个独立的200kW系统。依据系统可用的安置空间和适合该位置的材料处理系统，处理系统可并联或串联使用。

[0118] 其它的处理参数和观察资料：

[0119] ●在传送带处理系统中的处理时间和停留时间：

[0120] 依赖于处理工作间的尺寸和结构、可用的电磁功率和样品尺寸，处理时间(在此期间对样品进行辐射)通常为5-45秒。小的样品需要较短的处理时间等(见表3)。处理高通量的停留时间可以适当地缩放，可是现有功率的限制要求仅能通过结合几个独立的处理系统来得到高通量(每小时数百吨)。

[0121] ●工作间气氛(atmosphere)：

[0122] 提供明显的气流带走处理所产生的液体和气体。不足的气流会导致工作间墙面上凝结水分，导致电磁效率的损失以及电弧和可能的燃烧，这些必须要避免。要求的气流量依赖于处理工作间的尺寸、处理的样品大小、释放入工作间的副产品量、空气温度等。检查气流足够的最简单的方法是，定时停止处理以观察工作间表面，看看表面是否潮湿。同时，观察可能由热点导致的煤的断裂和任何可能的泛灰或变红也是有益的。最后，如果看见副产品通过管道系统或捕获盘管(capture coil)离开工作间，那么气流基本是适当的。

[0123] ●煤的温度：

[0124] 仅仅为了降低水分，煤表面温度应该保持在或低于100℃。这很容易用手持(红外线)温度传感器监测或位于处理工作间内的测温探针远程监控。

[0125] ●惰性气体的使用：

[0126] 如果煤的温度保持用于在降低水分的推荐水平，应该没有发光和燃烧，并且也不需要惰性气体。在使用惰性气体的实施方案中，惰性气体可以每小时至少15立方英尺的速度流过该工作间。

[0127] ●氢：

[0128] 氢气对于降低水分不是必需的。尽管在该过程的降硫段期间可以供应氢气。

[0129] ●水分、灰分、硫、微量元素和温度的在线测量：

[0130] 实际中，将测量和反馈系统偶合来处理参数，例如电功率、施加的电磁功率(和改变功率水平及其开/关工作循环的能力)和处理时间，以确保获得性质的目标水平，并且不会欠处理或过处理。

[0131] 对于这里给出的实例，并且如果所有其它的都按照上述推荐，那么仅需要改变施加的电磁功率和曝露时间，且仅需要监控表面温度。

[0132] ●燃烧性质的室内和煤认证的测试实验室的测试：

[0133] 由于重量损失和水分百分比降低之间有直接关联，在处理前和处理后以及甚至在处理期间进行重量测量是处理进程的一部分。最后，煤测试实验室可以提供水分百分比和BTU/lb的快速准确的测量，以进一步验证达到了目标水平。

[0134] 8)研究当地的、州的和联邦许可及规章的要求，以及它们对处理系统设计和操作的影响，包括副产品的收集和处理

[0135] 是否可能设计能满足上述所有要求的干式单步处理系统？答案是，可能。可是在结束能对特定煤提供所寻求的特定性质的智能处理系统的设计之前，首先要仔细研究所有当地的、州的和联邦的许可和规章对处理系统应用区域的要求是很必要的；那些要求能够并经常影响煤处理系统的设计和操作。考虑了这些要求之后，就可以按需要修改上述核心处理系统。

[0136] 煤矿和燃煤公用工程厂具有不同的要求，经常会导致用于这两类运行地点甚至一指定类的系统的设计和操作的不同。例如，即使“新”煤被证明是更清洁并对环境更好的，许多公用工程厂也必须寻求进一步的批准，以处理和燃烧任何与当前许可使用的煤具有不同性质的煤。这甚至会要求设计的处理系统单独地或集中地满足某些燃烧的要求，例如SO2或NOX或CO2的限制排放。一些要求类似于经常使用的术语“环境影响报告”。这些要求的例子包括：

[0137] ●该过程中排放的液体、固体和气体排放物

[0138] 液体、固体和气体排放物可以用图4所示的元件控制。即使包括其处理的所有副产品的系统也必须进行认证，以满足强制的处理和收集的要求。

[0139] ●该过程中散发的气味：

[0140] 过程副产品的密封本身并不能消除气味；但必须通过副产品气流系统使气味最小。如果有明显的残留气味，那么必须通过空气载体添加材料来吸收或最小化气味。

[0141] ●燃烧和爆炸的控制：

[0142] 标准过程和系统可用于满足这些要求，例如温度传感器、红外线探测器和成象系统。

[0143] ●粉尘的控制：

[0144] 虽然在任何煤处理环境都是一个顾虑，粉尘的产生主要伴随着煤进入和离开工作间。由于预期这种煤的运输部分是通过使用已有的现场传送带来完成的，外部的粉尘应该是很小的。产生于系统的粉尘将通过副产品处理系统控制。

[0145] ●空气污染(包括雾气和烟雾)、化学品和危险品：

[0146] 进行装船前合格测试以验证系统是无空气污染或基本上无污染。除了可能使用惰性气体(其不被认为是危险品)，在系统未使用或引入化学品或危险品。

[0147] ●电磁辐射的安全和密封：

[0148] 严格制定了暴露于微波辐射的安全等级，要求每个及所有使用微波辐射的处理系统需经认证满足这些等级和指导方针。许多大规模微波干燥系统的制造者都通过配置他们的系统来满足这些规定，然而其配置方式无法实践也不适合煤处理所要求的大通量。

[0149] 一种解决方案是使用其中一个微波系统制造者，其集中于最小化或完全容纳微波；即，没有可检测的泄漏。重要的是需注意，处理后从微波舱室中取出的物质甚至在微波辐射离开后仍会在短期内释放一定程度的微波辐射，包括从厨房微波炉取出的食物，尽管这些水平已经很低。除了阻止微波排出的内部系统设计，可以用适当安装的金属屏或金属粉尘带从外部屏蔽系统。在任何情况下，可以进行规则的和系统的测量搜寻微波泄漏，以确保安全的系统不受损害。可以对特定引用购买或设计并建立微波泄漏检测器。

[0150] 9)核心处理系统的修改

[0151] 基于上述8的资料，可以按需要修改核心处理系统的设计。

[0152] 10)四个主要处理子系统的设计、安装和试验

[0153] 设计、建造和分别试验四个主要处理子系统(即，预热系统、电磁辐射系统、多参数测量和反馈系统以及副产品处理系统)。

[0154] 11)当一起操作时，四个子系统的结合与功能试验

[0155] 下一步是，当四个子系统一起操作时，对其进行集成并进行功能性测试，接着进行完整的端端相连的(end-to-end)处理系统的合格和验证性试验，采用该过程设计目标的煤批次的样品进行端端试验。

[0156] 当开发由几个子系统组成的，使用实验室和工业化设置，甚至用于需要经常对设备进行远程操作的海洋、大气和空间环境中的主要系统，上述步骤10和步骤11提供了被证实的、有效并且标准化的使用方法。

[0157] 12)现场安装

[0158] 下面成功地完成了整个处理系统性能测试，定制并完整测试的智能处理系统运送至其目标操作位置。到达后，该系统被进一步测试以确保没有因为处理和运输导致的变化。然后，根据需要，将该处理系统搬至预想的位置并连接已有的现场煤处理系统或其适当改装的系统，电路连接，水、气和惰性气体发生系统，并在使用前进一步测试。

[0159] B.控制、监控和管理

[0160] 如果不进行控制以通过选择频率或其它过程参数来改变顺序，该过程会导致煤基岩(coal matrix)的破裂，及随后的水、然后是灰、然后是硫的释放。对于一些煤，各阶段是独立并明显区别的，而对于其它煤各阶段是有重叠的；例如，对一些煤，当水分仍在释放时，灰分和硫开始释放。

[0161] 为了提供对处理过程的整体均匀性的某些测量和监控，当处理煤时，在处理工作间内的几个位置测量煤的表面温度。因为煤的大小、形状和性质是不均匀的，并且不均匀分布在传送带上，所以可以考虑用这类温度测量来提供有代表性的平均数据。另外，因为该煤经过了破碎，所以一些测量温度可以接近内部温度，而内部温度通常较高。通过调整这类区域所需要的微波功率，目的是要具有避免温度大变化的能力。

[0162] 从煤中的水分释放可以通过几种方法中的任意方法来收集，例如但不限于：

[0163] ●水分可以凝结在工作间的墙上，并被干空气向下压而进入处理舱室下部的收集和存储系统；

[0164] ●饱和了水分的空气可以用强迫干空气(正压)沿着处理舱室的轴线排出该处理舱室，并随后通过凝结收集空气中的水分；并且

[0165] ●饱和了水分的空气可以用强迫干空气(负压)抽出该处理舱室，并随后通过凝结收集空气中的水分；小颗粒(不是微细)和气体被空气推动到俘获槽，在那里对其进行收集、分离和储存。

[0166] 如果脱水和BTU/lb上升是所寻求的性质的主要或仅有的变化，那么可以包括在线水分分析器和反馈系统。这个系统可以测定处理过程何时达到提供所需BTU/lb所要求的水分水平，并且，然后根据需要，该系统可以改变或停止处理。

[0167] 如果灰分和硫的特定降低是寻求的主要改变，那么可以包括在线化学品(硫和灰)标记(signature)水平分析器。以前，可以任意地使用反馈系统来改变或停止处理。任选地，也可以按需要使用离线取样、称重和测试站。

[0168] 在实践中并且对于大多数煤，需要在线或离线进行最小的取样和试验，并且处理的操作者能使用已有的经验去判断何时达到需要的煤性质水平。离开处理舱室的煤进入为适合系统位置和处理流速(吨/小时)而设计的卸料溜槽；例如，该溜槽可以设计为向装载站给料，与其它传送带匹配等。

[0169] 整体结果是，具有定制系统能力的这种处理方法能产生设计的煤；即，可以根据每个客户的选择，将任何等级或形式的煤处理成具有众多性质中任意性质的新的和不同的煤。亦即，这些方法可以用于产生具有多种在原始、未处理煤中未发现的增强燃料性质的新煤。

[0170] C.方法的实施方案

[0171] 图3说明了示范的方法100的流程图。方法100说明了改进诸如煤或其它碳基燃料的燃料燃烧性质的处理和操作步骤。方法100可用任意的系统和设备来执行或实施。以下示例性地，按图4所示对采用系统200实施的方法100进行描述；并且系统200的各个部件在解释图3的示例性方法时进行了引用。本发明也可以在其它系统和过程中实施和执行。附图中所示的标记，将详细引用以示例性地描述本发明的实施方案。相同的附图标记在所有图中和以下的描述中指相同或相似的部分。

[0172] 在图3中所示的每个块代表了一个或多个在示例的方法100中实施的步骤。在块102中，示例的方法100开始于块102，在此，接收原料燃料用于处理。例如，如下所述，可以通过方法100在图4所示及以下描述的原料燃料部分202中接收原料煤用于处理。

[0173] 在一些例子中，限定原料燃料的尺寸。通过破碎装置将原料燃料取成预定的大小。例如，可以通过图4所示及以下描述的原料燃料部分202确定原料煤的大小。

[0174] 块104接着块102，在其中确定燃料的组成性质。分析该燃料以确定组成性质，例如燃料的水分含量。例如，可以将水分分析器与处理传送部分204和/或反馈系统206(示于图4)使用确定燃料的水分含量。

[0175] 块106接着块104，在其中确定客户需要的煤的性质。使用所需的燃料性质和原料煤组成来建立所选处理系统的“设计”参数。应用能量的功率和持续时间可以基于所需的诸如水分含量的燃烧特性，并且也可以基于燃料相对于电磁辐射发生器208(示于图4)的相对速度和通量。应用能量的“持续时间”可以是工作循环的形式，由此循环开启和关闭功率以提供降低的平均功率水平。在上述实例中，用原料煤的水分含量和需要的性质来确定波能的量和其它需要产生所“设计”的煤的工艺参数。利用水分分析器，反馈系统206可以监控燃料并选择性地调整电磁能量的功率和持续时间，以获得需要的水分水平。

[0176] 在以下所描述的系统实施方案中，一系列电磁辐射发生器(类似于208)可以被激活以对煤床提供所选量的电磁能量，该煤床位于经过电磁辐射发生器附近的传送床或过程传送装置204上，以便有效地渗透该煤床以从煤床除去特定量的水分、灰分和硫。

[0177] 块108接着块106，在其中将电磁频率、波能和惰性气体的量应用于该燃料。如以下系统实施方案所描述的，该系列电磁辐射发生器可以被激活以对该燃料应用特定量的波能。

[0178] 块110、112和114接着块108，在其中从该燃料中除去或收集副产品。作为电磁能被电磁辐射发生器208应用于该燃料的结果，可以从该燃料中产生一种或更多种副产品，例如过量的水分、灰分或硫。如下面进一步的描述，这些副产品被收集在块110、112、114之一。例如，在块110中，从该燃料除去或收集一定量的水分。在块112中，从该燃料除去或收集一定量的硫。在块114中，从该燃料除去或收集其它副产品。作为电磁能量应用于该燃料的直接结果，该燃料的燃烧特性得到改进。该改进的燃料被收集或接收在增强燃料部分116。

[0179] D.处理燃料的参数

[0180] 煤的大小、形状、硬度、挥发分、碳含量、微量元素、燃烧和其它性质变化很广泛。因此，选择的煤处理参数也将变化很广泛，其根据以下因素而变化：欲处理的煤量、用于处理的有效时间和空间、处理煤是否以单炉模式还是以连续模式还是其结合方式、执行处理的目的和想要使用的煤。与上述不同的，关于处理参数不容易作出归纳，尽管如下面概括的，可以鉴定用于处理的适于使用的范围。

[0181] 1)电磁波能量

[0182] 电磁发生器的合适频率可以在100MHz以下到20,000MHz以上的范围。可以同时或交替或分阶段使用单一频率或者多频率。该单一频率或多频率可以是连续的或脉冲的或循环工作(即，以与厨房微波炉功能非常相似的方式定时开/关电源)。

[0183] 2)功率

[0184] 电磁发生器的功率可以是100瓦至100,000瓦，延伸到兆瓦。

[0185] 3)处理时间

[0186] 根据处理目标，适合的电磁辐射时间持续时间是5秒至45分钟。

[0187] 4)能力

[0188] 当系统被设计为间歇模式，系统的能力可以从数盎司至数吨。在连续处理系统中，每小时可以处理数十磅至数百吨。工作间的气氛可以是干燥的氧气以在波能和处理结果上提供更多的均匀性。惰性气体的气氛阻止了处理时诸如SO2、CO2和NOX的产生，并降低或消除了发光和/或燃烧的危险。

[0189] 5)煤和空气的温度

[0190] 处理时，煤的表面和内部温度可为环境温度至大约250℃。

[0191] 有关的处理参数是处理煤的表面温度以及处理舱室内空气的温度。如果定期测量煤的表面温度，那么能更好地评价和理解实验室试验装置中的电磁辐射处理；很容易采用手持红外线传感器和位于该舱室内的测温探针进行这些测量。对于大规模，连续的煤处理，这样的温度测量和监测甚至更为重要。为每套不同的待处理煤分别预设温度阈值，并根据处理的目标决定(例如单独降低水分水平或与其它的降低结合)。高水分煤会比低水分煤更容易吸收电磁辐射，并且因此更快达到给定的温度。即使用惰性气体避免燃烧，达到或超过点燃阈值温度也会产生煤的BTU/lb的损失。因此，处理系统提供了偶合的温度测量和反馈系统，以确保如果温度达到这些阈值，会引发诸如应用微波能或停留时间或气流的处理参数立刻改变。这样的温度阈值可以是为每套明显不同的煤批次性质而实验室预定的；可选择的是，可以根据处理经验确定温度阈值。

[0192] 另一类型的温度阈值与材料的变化有关，这里特别关注的是硫。硫蒸汽的主要形式在119℃融化并且是黄色的，在高达160℃时是透明的液体，其中硫经过分子的转变，由此硫原子产生了黑的粘性液体。换而言之，119℃以下或160℃以上的温度在煤中产生了物理和化学性质非常不同的游离硫和结合硫，并且如果能以任何可预知的方式降低硫含量就必须考虑。在处理试验时我们已经观察到每种这些不同形式的硫。作为另一个实例，在开始处理的几秒钟内，甚至在释放水分之前，取样的许多种煤的一批次煤散发了黄色烟云。没有其它煤以这种方式反应。相似的预处理试验的考虑也适用于灰，通过这种处理方法其一般先于硫释放。为了方便，最大的温度限制可设置在大约200℃，并且因为较高温度可能引入其它的、不需要的煤变化或可以导致煤的性质变化太快而不易控制。

[0193] 最后，检测到高于预期的舱室温度可以是燃烧的迹象，并且可能成为安全的顾虑也是处理的顾虑(即，提供更多的理由来包括温度监测和反馈系统作为所有处理系统的组成部分)。视觉监测和远程成象系统也可以用于确保足以满足安全和处理的顾虑。

[0194] 6)气流

[0195] 气流是重要且多用途的处理参数。干燥的、过滤了颗粒的空气是特别合适的，气流的量依赖于处理舱室的结构和尺寸，以及煤怎样进入和离开该处理舱室。

[0196] 控制的气流有助于在处理舱室中混合空气，确保该处理舱室中加热分布更均匀。空气是处理过程中产生的诸如水分、细小颗粒物质和任何气体的过程副产品的载体。在所处理(即装载)的批次对于处理舱室的尺寸、形状和使用的功率水平而言足够大时，足够的气流消除了处理过程中任何电弧和火花的可能性。

[0197] 没有气流，水分凝结在处理舱室墙壁上，有几个负面影响。湿的表面吸收一些电磁辐射，并因此降低了系统的总体效率，而需要更长的处理。另外，水滴在煤上并产生了不均匀的加热，和电磁辐射通过煤的不均匀渗透，使得更难获得一致性的或代表整个处理的煤批次的结果。结果是接近被处理的煤批次底部的一些煤不会被微波辐射完全渗透，而且也不会破裂到与更接近于该批次顶部的煤相同的程度，并因此，不会有相同量的成分释放。最后，上述不均匀的加热会产生所述的热点，其是火花、点燃和燃烧的前兆，在处理时所有这些都需要被避免。

[0198] 设有气流但未使用副产品收集和储存系统，可以看见蒸汽从过程中散出。对于仅仅短期的处理，在处理时就可看见无色的水蒸汽在处理舱室散出。当处理继续和/或使用其它的处理参数以除去其它成分时，蒸汽变成有颜色的，蒸汽首先有微黄的颜色并有硫和硫化合物存在所特有的气味。继续的处理会产生载有释放的其它形式的硫和灰的暗黑色的气体和液体。例如，硫可以在130℃-240℃的温度释放。如果处理足够长的时间，碳氢化合物和焦油最终也会释放，由于会导致煤的热量损失，因而最后的两种物质是不希望的。

[0199] 7)惰性气体

[0200] 在处理舱室中使用惰性气体是任选的。当在处理舱室中使用惰性气体，惰性气体的量依赖于处理目的。

[0201] 使用惰性气体(优选干氮气和氩气)具有几个目的。几种因素中任何一个都对导致煤批次或样品或部分大块煤的过热部分到达会点燃和燃烧的程度。处理时，在处理舱室中使用氮气或氩气会阻止煤的燃烧。氮气易以干燥、气态形式获得，罐装并计量用于实验室使用，并且20-25CFH(每小时立方英尺)提供了足够的流动以带走在小的厨房尺寸的微波舱室中进行的处理过程中产生的液态和气态的副产品，从而阻止燃烧。较大的舱室要求适当比例的更大体积的氮气流。在其它应用中可以且广泛应用可商业购得的变压系统；当需要大量的氮气，例如在煤矿或燃煤公用工程厂处理煤时，这些系统直接从空气中获取氮气。如果仅仅想确保在达到不想要的碳氢化合物及特别是焦油相(其中由过高的温度阈值或处理太长时间而产生的化合物可形成有害物质)之前就停止煤的处理，由于相比氩气，氮气的来源广泛且价格更低廉，因而氮气是惰性气体的选择。在处理舱室中使用惰性气体气氛也可阻止处理期间诸如SO2、CO2和NOX的氧化物的产生。

[0202] 8)氢

[0203] 在处理舱室内使用氢(例如通过氢发生器引入)是任选的。可以引入氢以进一步控制处理煤时煤中存在的变化。

[0204] 9)处理舱室中的气压

[0205] 处理舱室中的压力通常是一个大气压，在一定海拔(超出海平面)处理时，当/如果需要，处理参数可以改变。有些情况下也可以使用真空。

[0206] 10)在线测量系统

[0207] 可以设置在线测量系统用于测量水分、灰分、硫、微量元素和处理舱室的温度。按需要，设计所有这些用于提供反馈以调节过程参数，以确保可以获得目标水平并且不会过度，并因此确保煤不会欠处理或过处理。

[0208] III设备-实施方案A

[0209] A.原料燃料部分

[0210] 图4所示的系统200包括原料燃料部分202。原料燃料部分102可以是个储存容器以收集原料煤或接收被设备处理过的原料煤。一般地，原料燃料从诸如煤矿的远方接收，并在原料燃料部分202收集直到进一步处理。原料燃料，例如黑褐煤、无烟煤、烟煤、次烟煤、低硫煤、高硫煤和掺混煤，可以存于原料燃料储槽直到需要时。所选量的原料燃料通过原料燃料部分202控制尺寸以利于由系统200的其它部分处理。原料燃料部分202也可以包括一系列的一个或多个煤破碎机设备，其将相对大块的煤破碎成较小块的煤。原料燃料部分202可以包括设备，例如但不限于粉碎机、煤破碎机、球磨机或研磨机。通过实例的方式，煤破碎机可被用于将原料煤尺寸控制在大约4英寸(10cm)直径。根据本发明的各种实施方案，可以采用更大或更小尺寸的煤或其它燃料。

[0211] B.其它互相协作(interact)系统

[0212] 原料燃料部分202之后是过程传送装置部分204。过程传送装置部分与原料燃料部分202互相协作以接收预定量的待处理燃料。

[0213] 过程传送装置部分204也与反馈系统部分206，电磁辐射发生器部分208，空气处理系统部分210和处理燃料部分212互相连接。

[0214] C.反馈系统

[0215] 反馈系统部分206与过程传送装置互相协作以确定燃料的特性，例如燃料中的水分百分比或灰分百分比。反馈系统部分206包括水分传感器214、温度传感器216、灰分分析器218和光谱化学分析器(spectro-chemical analyzer)220。例如，使用一些或全部这些部件，可以确定用以脱除燃料中特定量的水分所需的微波能量的近似量和持续时间。其它的可被确定的成分性质是特定量的灰分、硫、氢、碳、氮和燃料中的其它化合物和元素。

[0216] 需说明的是，其它的设备或方法也适用于确定燃料的一个或多个燃烧特性。这类设备或方法可以在线或离线使用。这类设备和方法包括但不限于，水分分析仪、灰分分析仪、温度传感器和光谱化学分析仪。

[0217] 反馈系统部分206和过程传送装置部分204还与过程控制部分222互相协用。过程控制部分222与电磁辐射发生器部分208互相协作以提供反馈控制或来自反馈控制部分206的其它指示，以控制电磁辐射发生器部分208。

[0218] D.电磁辐射发生器

[0219] 电磁辐射发生器部分208对过程传送装置部分204处的燃料应用微波能量。电磁辐射发生器部分208包括一系列相对于在过程传送装置部分204处的燃料定位的磁控管；根据预定的特性如寻求的水分百分比，该磁控管将电磁辐射能量引入燃料中。

[0220] 例如，电磁辐射发生器部分208的每个磁控管可以受控制以调节功率、持续时间和其它参数，来提供足够量或品质的波能来渗透燃料并脱除目标量的水分。电磁辐射发生器对本发明的燃料提供了特定的、预设量的波能。使用通过反馈控制部分206收集的信息，例如水分含量测量，过程控制部分222可以选择性的调节每个发生器以对过程传送装置部分204处的煤床提供特定量的能量，直到从煤中脱除了特定量的水分。

[0221] 应说明的是，可使用其它的设备和方法作为波能装置来对燃料应用预定量的波能。这类设备和方法包括但不限于，磁控管、速调管和振动陀螺仪。

[0222] 应说明，较低频率的电磁能量比更高频率更深地渗透入诸如煤的燃料。适合系统200的电磁辐射发生器产生了100MHz-20GHz的频率输出。根据本发明的其它实施方案，可以使用其它频率的波能。

[0223] 波能的功率可以是脉冲的或连续的。在上述提供的实例中，发生器可以连续的功率提供波能。为了调整用于燃料的波能，波能输出也可以恒定的频率和规则的时间间隔形成脉冲。在特定的实施方案中，每个来源的功率为至少15kW频率928MHz或者更低，且其它的实施方案是在至少75kW频率902MHz或更高。

[0224] 另外，根据在由一系列发生器输出的波能范围内输送的特定燃料的“通量”速率，可对每一发生器进行控制。通量速率可以定义为在特定时间段内，特定量的燃料通过所述波反应器的速度。例如，诸如煤的燃料的通量可以是每分钟200-400磅(90-180kg)。

[0225] 应注意，根据燃料的类型、燃料的条件和燃料环境或煤本身的其它特性，可以用各种量和性质的电磁能处理每种燃料。

[0226] E.空气处理系统

[0227] 空气处理系统部分210为过程传送装置部分210提供副产品收集。空气处理系统部分210包括水分收集/储存部分224、气体收集/储存部分226和副产品收集/储存部分228。空气处理系统部分210从处理过的燃料收集并储存副产品。例如，对原料煤应用电磁能量在过程传送装置部分204产生水蒸气和凝结水。水分收集/储存部分224收集凝结水进行储存和后续使用。可以通过气体收集/储存部分226收集水蒸气和气体用于后续使用。通过副产品收集-储存部分228收集来自过程传送装置部分204的其它副产品用于后续使用。

[0228] F.后处理设备

[0229] 来自过程传送装置部分204的处理后燃料的剩余物被转移或收集至处理燃料部分212。这类设备可以是，但不限于储存斗、机动轨道车、储料堆或传送带，直接输送至燃烧过程(未示出)。

[0230] 然后，从处理燃料部分212来的燃料可以用于燃烧过程，例如燃烧炉和蒸汽锅炉结合。本发明处理后的燃料也可用于其它普通的燃烧过程。

[0231] G.进料器和传送装置系统

[0232] 图5是现有的传送装置系统300的透视图，该装置可以根据本发明进行修改。示TM出的传送装置系统300是由Triple/S Dynamics，Inc.设计和建造的Slipstick 传送带。
可以使用图4示出的过程传送装置部分204利用或包括示出的传送装置系统300。本发明的各种设备可使用图5所示的传送带系统构建。其它的传送带系统也可用于本发明的[0233] 实施方案。

[0234] 图5-10说明了本发明示例性的设备400。设备400可被结合入任何不同的系统并按照本发明的实施方案执行不同的方法。示例性地，设备400可引入或用于上面描述的系统200。在解释图5-12的示例设备时引用了系统200的各个元件。另外，示例性地，上面描述的方法200可通过图5-12所示的设备400来实施。图5-12所示的设备400包括进料器装置402、驱动部件404、传送带装置406、反应器部件408。进料器装置402用于接收燃料，例如预定尺寸的煤，并进一步用于将燃料引向反应器部件406。驱动部件404用于输送燃料通过反应器部件406。反应器部件406用于对燃料使用特定量的电磁能量。设备400的不同部分402、404、406、408和功能在下面进一步详细描述。

[0235] 图6说明了用于设备400的进料器装置402。进料器装置402正好位于滑尺驱动机构(slipstick drive mechanism)前部的传送间入口端的上部。进料器装置402包括输入部分418，转移部分420和适配器部分422。进料器装置402及其各自的部分418、420、422通常是由大约0.13英寸(3mm)厚的铝板制成。根据系统200的处理能力，可根据本发明设计可选择的用于进料器装置的配置。确定输入部分418的尺寸，以从图4的原料燃料部分202接收燃料。在示出的实例中，输入部分418是具有正方形截面的漏斗，其从燃料测量端到转移部分端组件收缩。应说明，根据原料燃料部分202，系统200的处理能力和/或转移部分420的形状，输入部分418可以具有可选择的结构、形状和尺寸。

[0236] 确定转移部分420的尺寸以接收从上述输入部分418来的预定尺寸的燃料。在所示的实例中，转移部分420是从输入部分端到适配器部分端的具有一致的正方形截面的输送管。一套滑动门416可以安装在输入部分端和适配器部分端的位置或其附近，以提供对来自原料燃料部分202的原料流的控制。应注意，根据系统200的处理能力、输入部分418的形状和/或适配器部分422的形状，转移部分420可以有可选择的结构、形状和尺寸。其它类型的门或阀可以与进料器装置402一起使用。

[0237] 设定适配器部分422的尺寸以接收从上述转移部分420来的燃料。在所示的实例中，适配器部分422是凹形片，其适用于与驱动部件404的相应开口配合。应说明，根据系统200的处理能力、转移部分420的形状和驱动部分404，适配器部分422可以有可选择的构造、形状和尺寸。

[0238] 在一些实施方案中，扩展接合部(未示出)可以与进料器装置402的各种部件418、420、422一起安装或使用，以适应进料器装置402或接近进料器装置402操作的部件的任何热膨胀。

[0239] 传送带装置406包括移动台424。移动台424用于从进料器装置402接收燃料，并进一步用于将燃料沿着移动台424长度的一部分朝位于移动台424的相对一端的收集区426转移。示出的移动台424是水平定位、侧部开口的槽。根据系统200的能力，移动台424可以有其它的结构、形状和尺寸。

[0240] 图7-12说明了用于图5所示设备的移动台罩的外表。如图7-12所示，反应器组件408包括移动台罩500和一系列磁控管(在图4中显示为电磁辐射发生器部分208)。移动台罩500用于覆盖移动台424的开口端部分。该磁控管系列沿着移动台罩500的长度方向安装，并定位以向位于移动台424内的燃料提供电磁能量。在以前所讨论的，反馈系统部分206、过程控制部分222和电磁辐射发生器208与过程传送装置部分204互相协作，以控制、监控和调整由系列磁控管提供的电磁能量，该系列磁控管沿移动台罩500和移动台424对齐。本发明反应器部件408的其它结构可用系统200或相似的系统执行。

[0241] 激活后，传送带装置406对移动台424施加重复的刺激力，并且诸如煤的固体燃料从进料器装置402送往移动台424的近端。当每个刺激力被施加到移动台424时，该力将燃料移向移动台424的末端(向着收集点426)。当燃料沿着移动台424的长度移动时，磁控管被激活向移动台342中的燃料提供特定量的电磁能量。电磁能量的量由反馈系统206和/或过程控制部分222确定，其部分基于移动台中的燃料量和燃料沿着移动台424的移动速率。

[0242] H.间歇处理设备

[0243] 图13-15说明了用于煤或其它固体燃料的间歇处理的设备1000。这个设备1000可与图5-12中所示的设备联合使用，也可单独使用。图3所述的处理方法，特别是块108，也可以通过设备1000执行。在示出的实例中，磁控管1002被用于向装于该设备内的诸如煤的燃料施加特定量的电磁能量。波能直接通过波导管到达该设备上的WG(波导)输入。设备1000包括电磁辐射监控端口1004和用于将煤装入该间的前门1006。根据本发明也可以存在间歇处理设备的其它结构。

[0244] IV.设备-实施方案B

[0245] 图16示出了试验工厂的实施方案。该工厂展示了与用于将原料煤输送到进料槽1106的链斗升降机1104匹配的链斗升降机供料1102。进料槽1106安装在梭形滑阀1110、储料器1112和储料器阀门1114的上部。当煤从进料槽1106流下通过储料器阀门1114，煤被倒入螺旋给料器1116，其输送煤通过微波处理舱室1118。在送出微波处理舱室1118时，煤通过煤接收器1120和阀1122进入储存器1124。

[0246] 处理舱室1118也安装排出管1126，其送料进入通风管线1128。通风管线1128导入硫液封1130。另一个管线1132将该流动从硫液封1130引到冷凝器1134，然后进入水储槽1136，最后到废气扇以及排放控制系统1138。

[0247] 下面简单描述通过这个工厂的工艺。

[0248] 首先，废气扇1138开始控制倾倒操作产生的粉尘。废气扇1138抽吸来自链斗升降机1104的空气通过系统，并释放产生的清洁空气。

[0249] 使用装有圆筒货装运设备(drum-handler)/卸料器的滑移装载机(skid-steer loader)或叉车将煤送入圆筒并倒入链斗升降机进料斗1102。对要处理的批次，链斗升降机1104将煤样品转移到进料槽1106。根据试验进行的规模，几个55加仑的煤圆筒可以被装卸入(dump-loaded)系统中。

[0250] 一旦该煤批次被装入进料槽1106，氮气吹洗就开始，并且进料槽1106关闭以隔离该处理系统。在该过程中废气扇1138继续操作，包括处理系统的冷却。

[0251] 用测压元件(load cell)1108监控移送到进料槽1106的煤量，其也供给进料速度信息。梭形滑阀1110用于控制从进料槽1106向原料传送系统的流动。为了以恒定速率维持煤流，阀1110前后往返将小量的煤移到旋转储料器阀门1114。梭形滑阀(shuttle valve)1110的水压圆筒提供了足够的力将该梭通过煤并按需要破碎较大的块。

[0252] 由于梭形滑阀1110和储料器阀门1114的尺寸设计成防止超量装填储料器1112，所以储料器1112能连续旋转并因此向螺旋给料器1116供给恒定量的煤。螺旋给料器1116调整将煤供给到微波处理舱室1118的速度。

[0253] 将过程控制和反馈系统以及传送带设计为确保煤在处理舱室中的停留时间内接收所需的平均辐射剂量。每个供应单元(梭形滑阀1110、储料器阀门1114和螺旋给料器1116)的移动速度独立地控制成在微波处理舱室1118对原料移送系统提供恒定的煤送料速度。

[0254] 在到达处理舱室1118的出口端之前，处理过的煤进入用于在排出之前使其继续发射和冷却的区域(未示出)，以帮助控制处理过的煤的气味和收集其它的排放物。在产物冷却之后，氮气吹洗停止，可是继续排气扇的操作，以捕获在将处理过的煤移送到圆筒时产生的粉尘。水压阀1122用于帮助处理过的煤移送入圆筒1124。所有的煤都被处理、冷却并移送到圆筒1124之后，废气扇1138停止。

[0255] 在处理操作期间，从微波处理舱室1118除去任何挥发性物质(水、硫、碳氢化合物、汞和其它挥发分)。从处理舱室“拱形(over-arched)”墙排出的水和其它流体被捕获于硫液封1130中。然后挥发物质(水和碳氢化合物)从硫液封1130吸出通过冷凝器1134并流入水储槽1136。在排放该物质前，检测汞。

[0256] 在氮气通风之前，残留的挥发物被吸入过滤器除去颗粒并排到活性炭床去除有机物、汞和气味。过滤器和活性炭床位于废气扇和排放控制1138中。活性炭床可再生或作为有害废物处置。

[0257] V.处理后煤的性质

[0258] 通过持续监控以及与本文所述处理系统密切相关的适当的反馈调节来适应原料煤性质的变化，以确保产生具有均匀性质的固体燃料。一些燃煤锅炉受限制于其最高温度。在这种情况下，将降低水分和灰分作为目标并加以控制，以获得最佳的BTU/lb而不会超过最大BTU/lb以及所关注的锅炉的相关的最高温度。

[0259] 通过这些方法和设备可以产生在自然界中未发现的固体燃料设计煤的新家族。这些处理过的煤可以有下列一种或多种特性：

[0260] ●任何等级的煤的水分含量降低到任何需要的水平，低至1％或更低；

[0261] ●任何等级的煤的BTU/lb增长到任何水平，高达至少如果不含水时(灰分含量和全硫含量也被降低，这些降低使BTU/lb进一步提高)其所具有的水平；

[0262] ●任何等级煤的灰分含量降低，降低大约10％至超过65％(见表1和表2所示的实施例)；以及

[0263] ●降低每个和每种形式的硫，全硫降低50-75％，并且对于一些煤甚至更多。

[0264] 以下给出的每种煤，“新燃料”包括任何这些处理过的具有一种或几种性质的煤，所述性质任意包含在所述七种性质的范围内。

[0265] 烟煤：

[0266] 美国煤：

[0267] 普通原料到最好

[0268] BTU/lb 12537到14301

[0269] 水分％ 3.39降到0.44

[0270] 灰分％ 10.94降到2.65

[0271] 总S％ 3.73降到1.21

[0272] 硫铁矿％ 1.88降到0.32

[0273] 硫酸盐％ 0.14降到0.01

[0274] 有机S％ 1.73降到0.62

[0275] 国际煤(参考下面的表1和表2)：

[0276] 普通原料到最好

[0277] BTU/lb 12737到14537

[0278] 水分％ 2.00降到0.83

[0279] 灰分％ 10.29降到2.24

[0280] 总S％ 3.94降到1.84

[0281] 硫铁矿％ 0.88降到0.11

[0282] 硫酸盐％ 0.13降到0.01

[0283] 有机S％ 2.94降到1.65

[0284] 黑褐煤：

[0285] 美国黑褐煤：

[0286] 普通原料到最好

[0287] BTU/lb 7266到11550

[0288] 水分％ 38.27降到3.73

[0289] 灰分％ 7.29降到5.22

[0290] 总S％ 2.18降到1.13

[0291] 硫铁矿％ 0.68降到0.01

[0292] 硫酸盐％ 0.02降到0.01

[0293] 有机S％ 1.48降到1.12

[0294] 国际黑褐煤：

[0295] 普通原料到最好

[0296] BTU/lb 8195到11729

[0297] 水分％ 25.58降到5.67

[0298] 灰分％ 10.68降到6.76

[0299] 总S％ 5.86降到1.78

[0300] 硫铁矿％ 2.60降到0.23

[0301] 硫酸盐％ 0.45降到0.07

[0302] 有机S％ 2.81降到1.31

[0303] 类似地，还要求保护由本文公开的方法和设备处理的其它煤和煤种，并且进一步的处理试验结果使得对任何等级或煤种的煤鉴别和产生新燃料成为可能。最终的结果可以是所有煤等级和种类及所有可以用本发明的处理获得的“新燃料”的矩阵。

[0304] VI.试验结果

[0305] 经过下述试验产生了具有上述概括的性质的煤。通过比较来自相同样品批次的相同等级和种类的原料煤和处理煤的性质，我们能确定由于用这些方法和设备处理带来的七种燃料性质中每一种的增强量。更明确地，并实例性地，下面对烟煤及褐煤的几个原料煤和处理煤的样品组示出了第三方(即，Standard Laboratories)的试验结果。对于原料煤，使用平均的或“典型”性质。因为这里给出的处理煤的结果是作为我们计划的一部分得到的，该计划测试了改变过程参数的效果，所以它们不证明本发明的整个范围。与所述不同的是，可以期望为获得目标或最佳性质进行的控制处理会产生比评价该处理时所得到的那些更好的性质。由于这个理由，对每个处理燃料性质给出了“最好的”处理值；并且，出于验证的目的，那些值与原料煤、未处理的煤的“典型”值相比较。

[0306] 三组不同的煤、原料煤和处理过的煤已经被处理以说明该过程方法能怎样降低水分、增长BTU/lb并降低灰分和所有硫形式。从大样品批次中随机选择所有这些样品，并且所有这些结果都来自在西弗吉尼亚南查尔斯顿的Standard Laboratories作出的试验。

[0307] 在下面的表1和表2中，原料国际煤的性质与通过以上描述的电磁辐射方法处理的相同地方的煤的性质一起列出。

[0308] 这种原料样品国际煤批次的性质在每个种类都是一致的，除了样品#20731110。对于处理过的国际煤其灰分的较大降低产生了比处理过的美国煤更高的BTU/lb。如原料煤中一样，一种样品(即，样品#20925107)具有显著不同的性质，该情况下每种硫形式具有最高的硫。可是，注意，较高的硫含量并未对BTU/lb产生影响，其主要是由水分含量和灰分含量所确定的。样品在性质上一般具有较小的变化。这些煤也通过相似但不同的方法处理(参数和时间)。

[0309] 表1：

[0310] 国际煤，原料：20221116 12182 12428 14415 1.98 13.78 4.31 1.02 0.14 3.15
20221117 12711 12970 14475 2.00 10.40 4.12 0.81 0.12 3.19
20221118 12627 12886 14562 2.01 11.51 4.32 0.92 0.13 3.27
20221110 14074 14334 14895 1.82 3.77 2.19 0.41 0.08 1.70
20221111 12361 13120 14624 1.97 10.29 3.97 1.29 0.13 2.55
平均 12736.75 13059 14553 2.00 10.29 3.94 0.88 0.13 2.94[0311] 表2：

[0312] 国际煤，处理过的：

[0313] 国际煤处理详细描述

[0314] 表2列出了处理过的煤的Standard Laboratories(SL)试验结果。这些初步处理试验用于确定这些煤对处理参数的特性反应。使用小的厨房尺寸的电磁辐射舱室，小的电磁功率(1000瓦及以下)和相对小的样品(2-5磅)。我们对于“新”煤的每一实验室第一处理试验都以这种方式得出。

[0315] 在开始的处理中，一般选择不同尺寸、颜色的煤测试对它们的后处理性质的反应和效果(如果有)。这里所描述的试验，每个样品批次也分成几部分，一些堆很高一些是一TM个扁平层，并且这些部分放在不同的盛载容器上或内部，例如由Pyrex 制成；可选择地，该容器可以是高温陶瓷板、铝制的盘或其它高温材料形成的。该容器的位置在该舱室中变化；
也改变应用的电磁功率和工作循环(电源开或关的次数)。对细小的、中到大块的和混合好的样品等进行分别试验，确定它们分别的和结合的性质。在下面，对表2样品的前4个的处理顺序的每一和所有步骤及评价和观察列在一起。

[0316] 样品20731112和20731113(参考表2)

[0317] 处理前，这些样品全部由小到中块煤组成。将透明管与舱室出口连接以排出液体和气体，但处理这些样品时不使用强制气流，只增加舱室内温度/压力，以迫使副产品从舱室中排出。

[0318] 将原样品的过程顺序概括如下：

[0319] 表3：功率 时间 注解
水平 (分钟)
除非另外提示，在每个列出的时间后关闭电源10秒，
5 1
除了舱室门打开期间。
在1分钟时在舱室内看到黄色的烟雾但在舱室中或管
8 2 中没有水分。在1分40秒看到浓厚的烟雾。加热太多；
关闭重设功率到较低水平。
5 1 在30秒时看见黄色烟雾；没有明显的水分。
5 2 管道充满了黄色烟气
5 2 浓重的烟流动
6 1
6 1
6 2 在管中形成凝结
6 2 很浓重的冒烟，带有很浓的黄色和硫磺气味
6 2 在出口管的下部收集到棕色残留物
6 2
6 2 听到舱室内碎裂的声音并看见管内流动着暗黄色烟雾
6 2 打开舱室观察。煤很热、舱室内充满烟雾
6 2 烟雾排出该舱室。在1分20秒停止。舱室内没有水分，
但整个舱室都有暗黑色残留物，大概碳氢化合物开始释
放。结束处理试验。

[0320] (1)在处理舱室系统的功率水平(1)为1-10，10相当于使用的最高功率水平(大约1000瓦)，但不是精确的数据，特别是在较高水平。

[0321] 上述处理顺序应用于单独样品，其在送入Standard Laboratories进行测验之前被分为两个等尺寸部分(‘1112和’1113)。SL试验数据在表2中给出，该表显示在该试验系列中灰分和硫的百分比都降低了超过50％。两个处理样品部分性质的不同都在可接受的限度内，特别是上面所提示的，样品放置和其它条件改变了，且这是这个煤批次第一个测定试验。24分钟的总暴露时间与样品尺寸、应用的功率水平和观察到的下列处理期间及其后的烟雾量和颜色有关。

[0322] 样品20731114和20731115完全由很小块的细小颗粒组成，被放在两个1/2到3/4英寸高的陶瓷板上，扁平板靠近离磁控管最近的墙，而圆板靠近对面的墙。

[0323] 表4：功率 时间 注解
水平 (分钟)
2 1 有意将功率水平设定得比上述试验所设的更低。
2 1
2 2
2 2
2 2
3 1
3 2 观察到管中稍微浑浊
3 2
4 2
4 2
4 2 现在在管中有可见的一些凝结。24分钟累计暴露时停
止并打开舱室(与用更高功率水平的上述试验相比)。没
有水分也没有烟雾存在，舱室空气温度和煤表面是温的
但不热。观察的外观和烟雾量明确依赖于煤块尺寸、放
置和分布、工作循环和时间。烟雾开始从该管中散出。
5 1
5 1 观察到更多烟雾
5 1 该舱室顶部摸着很热；重新设在较低功率。
4 1
4 2
4 2 停止处理并观察。舱室内充满烟雾，但舱室壁上没有水
分，也没有碳氢化合物颜色，煤只是温的但不烫。
4 2 1分钟40秒之后观察烟雾
4 2 烟雾充满舱室和管
4 2
4 2
4 2
4 2
4 2 管上还没变成棕色
4 2 停止并打开舱室。有一些烟雾但不是棕色
4 2
4 2
4 2
4 2
4 2 停止并打开舱室。除去出现过热的小块。
4 2
5 1 烟雾很快重新出现。
5 1
5 1
5 1
5 1
5 1 停止并打开舱室。全是黄色烟雾。
5 1 没有烟雾。
5 1 烟雾重现。
5 9 连续开1分钟关闭10秒钟的时间段，第9段后舱室打
开。
5 2 浓重的烟雾。79分钟累计暴露(样品1114)后停止并取
出圆板，并单独对扁平板(样品1115)继续处理。
4 2 黄色烟雾重现。
4 2 停止并打开舱室。离磁控管最近的小块煤烟雾很浓。
4 2 再次停止并将板移向舱室中央。
4 2
4 2 从陶瓷板发出碎裂的声音，是过热并碎裂。
5 1
5 2 管中没有观察到烟雾
7 1
7 1 从管中散出烟雾。
7 1 继续散发烟雾。
7 1 在舱室中和管中有浓重的烟雾。更多的碎裂的声音。停
止并打开舱室。在陶瓷板中有很多碎裂。96分钟累计
暴露样品1115后停止进行试验。

[0324] 更为经常地，在处理开始就出现断裂，接着按顺序释放水分、灰分和硫。对于这种国际煤，硫释放先于水分释放，可是这种煤的低水分百分比可能已经掩盖了首先释放的小量水分。

[0325] 性质比较：

[0326] 样品‘1112和‘1113证明了其灰分和全硫的百分比比样品‘1114和‘1115灰分和全硫的百分比有显著的更大的降低。灰分和硫的改进的降低的直接原因是使用更高的功率水平(5-6，产生大约600-700瓦)，并因此对‘1112和‘1113更短的暴露时间。

[0327] 参考对‘1114和‘1115使用的较低功率(大多为4和5)和显著较长的暴露时间仍然不能得到接近于列出的前两个样品的降低。所有这些试验测量表明每种煤对所应用的功率都具有很高的敏感性；即，每个都具有功率阈值，在该阈值观察到显著的、有时是突然的变化。对煤确定了这些阈值后，接着可以试验处理参数的组合以确定获得这些阈值的参数组合。然后通过利用所确定的参数组合来控制煤的处理以达到那些阈值。

[0328] 功率和时间参数的变化：

[0329] 对德克萨斯黑褐煤进行下面归纳的试验。这些试验的意图是表明通过在该舱室内使用应用的电磁功率与处理停留时间的几种组合，可能细致调节水分降低量和得到BTU/lb。

[0330] 在控制的步骤中通过功率和时间上小的变化，所追求的BTU/lb处理值试图从超过7000的目标开始，并被降到8000BTU/lb以下，以8381BTU/lb及26.11％水分开始并结束于7926BTU/lb及23.21％水分。在下面的表5中看到，5/70的功率/时间参数设置的障碍太高，使用相同的功率但多处理50秒(恢复表中每个数据线对应于来自相同批次(A)黑褐煤的不同样品)以获得BTU/lb的降低。由于时间总是处理中的要素，因此下一个调节增加的功率和减少的时间对BTU/lb得到期望的额外降低的结果。以设定的相同功率/时间处理随后的两个样品，而缩短时间还会进一步使应用的功率适当“平衡”地增加。当处理不同样品，这两个样品(30728125和30728126)结果的差值在可接受的范围内并进一步显示处理方法的内部一致性。最后，将相同的前面的功率水平(见下面)用于最后的样品，处理延长了额外的5秒钟，由此获得了目标的BTU/lb。

[0331] 表5(黑褐煤，E)：SL#代表E BTU/lb 改变 改变 功率 处理时间
水分
(处理过的) 作为参考 ％ ％ (kW) (秒)
原料平均 7294 36.35
30728122.00 8381 14.9 26.11 (28.17) 5 70
30728123.00 8278 13.49 22.42 (38.32) 5 120
30728124.00 8151 11.75 22.86 (37.11) 10 45
30728125.00 8074 10.69 24.27 (33.23) 20 10
30728126.00 8016 9.9 25.9 (28.75) 20 10
30728127.00 7926 8.66 23.21 (36.15) 20 15

[0332] 给出表5的实例来显示两个主要过程参数单独怎样用于靶向BTU/lb和水分百分比的特定性质。需要注意我们很早已经在我们的实验室系统中测量并处理过这些黑褐煤炉，并因此对它们的性质和它们对多参数电磁辐射处理的反应已有了预先的了解，这是很重要的。借助这个资料，我们能指出可仅由功率和时间引起的预期的改变。在工业规模处理任何煤之前，可以将相似的方法用于对每一所需性质的实验室或区域设定。在下面的表6中提供的时间-功率比较中，给出了使用与表5试验相似方法的实例。除了应用的电磁功率和处理的时间外所有参数保持恒定，对11种来自相同黑褐煤(标号A)批次的独立样品进行了处理。该黑褐煤的使用者的目的是水分降低的百分比为8-12％，以及相应的BTU/lb增长到7000。对于11个处理的样品，30728111和‘119的BTU/lb值与其它样品显著不同(较低)，第一个样品也有最高的水分百分比。5kW和30秒组合的第一试验配置显然对那个样品所要获得的水分降低而言太小，这一点也得到处理期间处理舱室出口的相对少量的水蒸气证明。除了提供所需水平的20/15配置之一，该表显示使用功率和时间的各种组合与所有其它组合的结果。三组样品‘113/‘114和‘115/‘116以及‘119/‘120/‘121使用了完全相同的过程参数，包括功率和时间。这些设置中每一个的样品性质的不同是由于样品本身内在性质的不同导致的，而不是由于处理的不同。

[0333] 表6(黑褐煤，A)：30728116.00 8034 26.40 24.42 (32.26) 10 45
30728117.00 8189 28.84 25.08 (30.43) 20 17
30728118.00 7948 25.05 25.26 (29.93) 20 9
30728119.00 7243 13.96 21.41 (40.61) 20 15
30728120.00 7905 24.37 23.90 (33.70) 20 15
30728121.00 8121 27.77 23.54 (34.70) 20 15
平均值(所有) 7861 24.89
平均值(少111) 7956 24.09

[0334] 表7(黑褐煤，F)：

[0335] 这些结果以另外的方式清楚地说明，所述处理方法处理参数的变化能力可以有效地用于达到水分的特定降低和产生相对窄范围BTU/lb的目标，即使是对样品具有尺寸和性质分布的煤批次(每个煤批次)。另外，结果显示相对小的试验设定可以确定用于获得所需性质的各种功率/时间组合。最后，对于直接预处理的试验，也可以评定原料煤中灰分和硫的量以及特定的煤将怎样对处理产生反应，结果是，如果需要，除了降低水分，系统还可以改进煤的所有燃烧性质。

[0336] 任何进行有意义的实验室试验的尝试需要考虑样品大小、舱室尺寸和结构、使用的电磁功率及其频率和多种频率、改变功率和工作循环的能力、实验室系统的稳定性和实验室系统的再现性，且至少预计煤表面射入的实际电磁功率。实验室试验，例如本文显示的试验，可以提供基础的预处理煤反应输入数据，该数据是用户定制能获得目标的特定煤性质的整个处理系统所需要的。

[0337] 下面的表8提供了本发明公开的方法处理的多种煤的水分、硫、灰分和排放指数的降低，以及BTU/lb的增加。

[0338] 表8：原料 Proc， M％ S％ 灰％ 原料 Proc Inc％ EI
样品
M％ M％ Redn Redn Redn BTU/lb BTU/lb BTU/lb Redn％
IL1 47.87 44.32 07 ND ND 5851 6269 07 ND
IL2 52.92 46.94 11 ND ND 5363 5949 11 ND
PRB1 26.10 22.46 14 NA 14 8960 9608 07 05
TL1 36.05 29.22 19 ND ND 6356 7788 22 ND
WY1 21.65 17.05 21 05 06 10251 11345 11 10
WY2 20.16 15.66 22 10 18 10232 11431 12 16
IB1 2.00 1.43 29 46 67 12737 14096 11 51
TL2 36.05 24.89 31 ND ND 6356 7861 24 ND
WY3 20.16 11.45 33 10 13 10232 11537 13 24
IB2 2.15 1.10 48 37 61 12969 14326 09 05
TL3 36.35 17.44 52 NC NA 7294 7722 06 05
PA 3.36 1.35 60 21 08 13792 13991 01 21
PRB2 26.10 8.69 67 12 NA 8960 11129 24 28
IL3 25.58 8.16 68 68 25 8195 11282 38 76
WY4 20.16 5.81 71 07 13 10232 12254 20 22
OB 3.40 0.89 74 47 26 12537 13442 07 51
TL4 32.97 6.28 81 12 NA 6849 10127 48 42
TL5 38.30 4.99 87 34 09 7266 11040 52 57
PRB3 26.10 2.86 89 12 10 8960 11916 33 28
ILPC 6.49 0.69 89 02 NC 14365 15196 06 07
OK 3.96 0.42 89 04 04 13871 14377 14 07
AL 14.89 1.34 91 NC 20 12247 14112 15 14

[0339] 表8中缩写的识别：

[0340] M，S 水分，硫

[0341] Proc 处理过

[0342] Redn 降低

[0343] Inc 增加

[0344] EI 排放指数；LbSO2/MMBTU

[0345] ND 无数据或无效的数据

[0346] NA 不可应用的

[0347] NC 无可应用的变化

[0348] IL1 印度Neyveli(SW)黑褐煤

[0349] IL2 印度Neyveli(SW)黑褐煤

[0350] IL3 印度Gujarat(NW)黑褐煤

[0351] IB 印度Assam(NE)黑褐煤

[0352] WY 怀俄明州次烟煤

[0353] PA 宾夕法尼亚州(NW)烟煤

[0354] PRB 怀俄明州保德河Basin次烟煤

[0355] OB 俄亥俄州(SE)烟煤

[0356] TL 东德克萨斯州黑褐煤

[0357] ILPC 伊利诺斯州新出炉的石油焦

[0358] OK 俄克拉荷马州烟煤

[0359] AL 阿拉巴马州软烟煤

[0360] 在本发明描述的实施方案中，为了清楚而使用特定的术语。为了描述的目的，每个特定的术语都至少包括以相似方式操作完成相似目的所有等同的技术和功能。例如，本文对微波的称谓也应该解释为包括技术上表现为无线电微波的有些较低频率，其提供同样影响固体燃料样品的频率。同样的，尽管这些方法也应用于其它固体有机燃料，但一般对煤作参考。另外，在本发明具体实施方案的一些例子中包括可以用单独的部件或步骤替换的许多系统部件和方法步骤，或者同样地，可以用多个用于相同目的的部件或步骤替换单独的部件或步骤。而且，当参考其具体实施方案对本发明进行描述时，本领域所属技术人员可以理解，在不偏离本发明保护范围的前提下，可以对本发明的形式和细节进行其它变化。