[发明专利]由包含飞灰的煤得到经处理的煤和二氧化硅的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种除去存在于包含粒状飞灰的煤中的矿物杂质的方法，所述飞灰包括金属氧化物(例如Al₂O₃、SiO₂，Fe₂O₃)以及硫、钙和煤灰中常见的其他氧化物。所述方法产生经处理且更清洁的煤产物，同时可分离和回收较纯的(商品级)二氧化硅(SiO₂)作为有价值的副产物。

发明背景

长期以来已知在工业上使用未经处理的煤(特别是包含硫和飞灰的煤)作为燃料导致潜在的不可接受水平的空气污染以及靠煤作为主要烃燃料来源的工厂的高维修成本。煤飞灰中污染物(例如基于氮和基于硫的化合物)的存在具有两个显著的缺点。第一点，飞灰的存在往往降低煤潜在的热值，使其在工厂过程中的热效率低。第二点，飞灰在工业应用(例如用于产生电的直接烧煤涡轮工厂)中可引起显著的环境和/或操作问题。因此，由于增加的生产成本和严格的环境顾虑，多年来需要降低和/或消除基于碳的燃料中污染物导致含飞灰的煤在民用用途中的减少。

此外，由于需要污染控制设备来洗涤和/或消除废气以遵守日益严格的联邦和州立环境控制规章，因此使用含有飞灰的煤的发电厂的安装和操作成本通常较高。用煤发电的工厂通常还承受与清洁被暴露于煤燃烧的表面上的积灰(coating)所污染的工厂设备相关的较高维修成本。

尽管多年来在提高烧煤工艺的效率方面已有一些进展，但是明显仍需要开发用于联合循环发电体系的更清洁和更有效的煤，以提高每单位排放的CO₂的发电量。遗憾的是，为了有效操作，适用于涡轮工厂的煤不能含有多于非常少量的粒状飞灰。在过去的十年间采用众多研发程序来降低飞灰含量，其中大多数程序致力于化学处理以制备超低灰的煤。通常，那些方法涉及煤原料的某种形式的腐蚀性和/或酸处理来致力于以可溶性物质形式萃取灰组分，并将已溶解的灰组分与煤燃料分离。这种方法的实例仅获得了有限的成功，且包括，例如，形成可溶性铝硅酸钠的腐蚀性处理，或形成氟-络合物的基于氢氟酸的处理。

这些早期体系的一个缺点在于其通常涉及高操作温度、高酸性以及大量水不经二次处理不能排放至环境，这是由于流出物含有污染其他自然资源的可溶性有机和无机物质。需要大量水也对位于任何生产设备下游的水处理所需的资源造成压力，从成本的角度致使大多数工艺不实用。许多强制性污染控制规章需要实现从煤中除去的物质几乎零排放和用于煤处理的水回收的工艺。

目前可用的煤处理体系的另一明显的缺陷在于其不能回收存在于飞灰中的有潜在价值的二氧化硅。目前，全世界二氧化硅的产量为约40,000吨/年，而需求稳定增长并接近75,000吨/年。由于对替代性太阳能源的持续需求且由于现有的商品SiO₂工艺成本昂贵，因此商品级二氧化硅的成本增加。

本发明在本领域提供了显著的进步，做法是，由相同的原料煤进料产生两种独立的且工业上有价值的产物，即，使用本文所述的氢氟酸/硝酸盐法生产经处理的煤，和生产可用于太阳能板和半导体行业的商品级二氧化硅。由本文所述的方法生产的经处理的煤对需要满足环境控制标准以在联合循环发电厂中发电的烧煤涡轮工厂提供了特别的优势。同样，比起常规煤处理工艺，由相同的原料回收商品级二氧化硅提供了附加的成本益处和工业优势。

使用经处理的煤本身作为潜在的能源是已知的。但是，迄今为止还没有在经济上可行的方法使用包含存在于飞灰颗粒中的不需要的组分特别是硫或不期望的氧化物(例如，铝、铁、钙和硅)的原料来生产这种煤，同时生产商品级(较纯的)二氧化硅作为副产物。通常，将来自煤的灰转化为矿渣/飞灰，随后收集，并以低价值产物销售用于其他用途，例如水泥生产、建筑填充材料或沥青铺路组分。不同位置的煤的灰含量不同，但是在美国灰含量通常在约5-7％重量范围内。在2001年，美国电力行业产生超过70,000,000吨飞灰，其中约25,000,000吨可能用作水泥生产和相关行业的成分。因此，大量飞灰未使用，且最终必须以废物形式处置。

除了发电以外，经处理的煤的潜在用途为众所周知的，且包括生产重燃料油、石墨和碳纤维。煤本身还具有非燃料用途，例如，用作制备高纯度基于碳的产物的原料，包括用于铝行业的电极。同样，纯二氧化硅可用于制备多种产品，例如硅芯片和太阳能电池。

发明内容