對(duì)細(xì)顆粒進(jìn)行分離和脫水的方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的奪叉引用
[0002] 本申請(qǐng)是2013年1月17日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)13/576,067的部分繼續(xù)申請(qǐng) (CIP)，該部分繼續(xù)申請(qǐng)是2011年1月31日提交的PCT/US2011/023161的美國國家階段申 請(qǐng)，該P(yáng)CT申請(qǐng)要求2010年2月1日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)61/300,270和2012年6月11 日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)61/658, 153的優(yōu)先權(quán)；上述申請(qǐng)通過引用的方式并入本申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明屬于從細(xì)顆粒，特別是疏水性顆粒，例如煤，中清除其在水介質(zhì)中的雜質(zhì)， 并從產(chǎn)物中除去工藝用水，以達(dá)到通?？赏ㄟ^熱力干燥來實(shí)現(xiàn)的水平的方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 煤是燃燒產(chǎn)生用于發(fā)電和用于工業(yè)和家庭應(yīng)用的熱量的有機(jī)材料。它具有礦物質(zhì) 夾雜物并可能含有不想要的元素，如硫和汞。煤燃燒后產(chǎn)生大量需要妥善處理的灰燼和難 捕捉的粉塵。因此，粗煤在被利用之前先清除掉礦物質(zhì)，這也有助于提高燃燒效率從而減少 二氧化碳排放。一般來說，大塊煤（50X0. 15_)可以通過利用煤炭和礦物質(zhì)之間的比重差 異有效清潔，而粉煤（約〇. 15_和更?。┩ㄟ^泡沫浮選清潔。
[0005] 在浮選過程中，氣泡在水中分散，粉煤和礦物質(zhì)在水中懸浮。疏水性煤顆粒通過 氣泡的上升流被選擇性收集并在水相的表面形成泡沫相，留下親水性礦物質(zhì)。較高煤級(jí)的 煤顆粒通常是疏水性的，因此可以通過被稱為疏水相互作用的機(jī)制被也是疏水性的氣泡吸 弓丨。到達(dá)所述泡沫相并隨后到達(dá)最終產(chǎn)物流的所述疏水性煤顆?；旧喜缓V物質(zhì)，但含 有大量工藝用水。濕煤難以處理，并會(huì)產(chǎn)生高昂的運(yùn)輸成本和較低的燃燒效率。因此，使用 各種裝置如旋風(fēng)分離器、增稠劑、過濾器、離心機(jī)和/或熱干燥機(jī)對(duì)清潔煤產(chǎn)物進(jìn)行脫水。
[0006] 較細(xì)顆粒的浮選變得低效。在另一方面，低品位礦通常需要細(xì)磨以充分解離。在 礦物浮選過程中，礦物浮選效力迅速惡化到大約10到15ym以下，而在約44ym以下煤浮 選就變得困難。此外，由于大的比表面積和被限制在細(xì)顆粒之間的水的高毛細(xì)管壓力，對(duì)浮 選產(chǎn)物進(jìn)行脫水困難。當(dāng)?shù)V物粒徑大于約150ym以及煤的粒徑大于約500ym時(shí)，浮選也 變得低效。
[0007] 許多研宄者探索從粉煤中分離礦物質(zhì)的替代方法，其中選擇性團(tuán)聚受到很大關(guān) 注。在這個(gè)也被稱為油團(tuán)聚或球狀團(tuán)聚的方法中，將油加入到含水懸浮液中，同時(shí)進(jìn)行攪 拌。在高剪切攪拌條件下，油分解成小液滴，與顆粒碰撞，通過疏水相互作用選擇性地吸附 在煤上，與鄰近的煤顆粒形成擺動(dòng)橋，并形成團(tuán)聚體。高剪切攪拌對(duì)于團(tuán)聚體的形成至關(guān)重 要，其也被稱為相轉(zhuǎn)化。Nicol等人（美國專利號(hào)4, 209, 301)公開了不強(qiáng)烈攪拌、在不穩(wěn)定 的水包油乳劑的形態(tài)中加入油可產(chǎn)生團(tuán)聚體。通過這些方法所形成的團(tuán)聚體通常足夠大， 足以通過簡單的篩選從分散在水中的礦物質(zhì)中分離。通過使?jié){液料在受到高剪切攪拌后再 受到低剪切攪拌可增大團(tuán)聚體尺寸。
[0008] 一般來說，選擇性團(tuán)聚比泡沫浮選產(chǎn)生更低水分的產(chǎn)物和更高的煤回收率。在另 一方面，選擇性團(tuán)聚消耗高劑量油。
[0009] 用于選擇性團(tuán)聚方法中的油量通常在原料煤重量的5 %至30 %范圍內(nèi)（S， C.Tsai，inFundamentalsofCoalBeneficiationandUtilization，Elsevier，2982， p. 335)。在低劑量下，團(tuán)聚體在構(gòu)成被充滿水的團(tuán)聚體的顆粒之間具有空隙，其中細(xì)礦物質(zhì) 如粘土被分散，這反過來使得獲得低水分和低灰分產(chǎn)物困難。嘗試通過使用足夠大的油量 使得空隙充滿了油，從而將細(xì)礦物質(zhì)的限制最小化來克服這個(gè)問題。Capes等人（Powder Technology，vol. 40,184,pp. 43-52)公開了當(dāng)油使用量低于5%時(shí)水分含量以重量計(jì)超過 50%。通過增加油劑量至35%，水分含量大幅降低至17-18 %的范圍內(nèi)。
[0010] Keller等人（ColloidsandSurfaces，vol. 22,1987，pp. 37-50)增加油劑量以 體積計(jì)至55-56%以更完全地填滿空隙，這實(shí)際上消除了限制問題并產(chǎn)生含有灰分低于 1-2%的超清潔煤。然而，水分含量仍然很高。Keller(加拿大專利號(hào)1198704)采用氟化 烴類作為凝聚劑，獲得40 %水分的產(chǎn)物。根據(jù)測試煤的種類，約7-30 %的水分來自于附著 到煤的表面上的水，而其余的是來自于被限制在團(tuán)聚體內(nèi)的大量的水珠（Keller等人，Coal Preparation，vol. 8,1990,pp.1-17)〇
[0011] Smith等人（美國專利號(hào)4, 244, 699)和Keller(美國專利號(hào)4, 248, 698;加拿大 專利號(hào)1，198, 704)使用低沸點(diǎn)（40-159°F)的氟化烴油，以便于使用過的凝聚劑可以容易 地被回收并被循環(huán)利用，眾所周知這些試劑對(duì)大氣臭氧層有不良效應(yīng)。因此，Keller(美國 專利號(hào)4, 484, 928)和Keller等人（美國專利號(hào)4, 770, 766)公開了使用短鏈烴，例如2-甲 基丁烷，戊烷和庚烷作為凝聚劑的方法。像氟化烴，這些試劑具有相對(duì)低的沸點(diǎn)，這使其能 夠被回收并被循環(huán)利用。
[0012] 能夠循環(huán)利用凝聚劑是消除選擇性團(tuán)聚方法商業(yè)化的障礙的重要步驟。實(shí)現(xiàn)這個(gè) 目標(biāo)的另一種方法是大幅減少油的使用量。Capes(ChallengesinMineralProcessing， ed.byK.V.S.SastryandM.C.Fuerstenau,SocietyofMiningEngineers，Inc.，1989， pp.237-251)開發(fā)了低油團(tuán)聚方法，其中在油的低劑量下（0.5-5%)形成的較小的團(tuán)聚體 (< 1mm)通過浮選而不是通過篩選從礦物質(zhì)中被分離。同樣地，Wheelock等人（美國專利 號(hào)6, 632, 258)開發(fā)了利用顯微級(jí)別氣泡將耗油量限制到煤重量的0.3-3%的選擇性團(tuán)聚 粉煤的方法。
[0013]Chang等人（美國專利號(hào)4, 613, 429)公開了通過在水/液態(tài)二氧化碳界面的粒子 的選擇性運(yùn)輸將礦物質(zhì)從粉煤中清除的方法。液態(tài)二氧化碳可被回收和循環(huán)利用。報(bào)告顯 示，使用該液態(tài)二氧化碳（LICAD0)方法獲得的清潔煤產(chǎn)物經(jīng)過過濾后含有5-15%的水分 (Cooper等人，Proceedingsofthe25thIntersocietyEnergyConversionEngineering Conference，1990,August12-17,1990,pp. 137-142)〇
[0014]Yoon等人（美國專利號(hào)5, 459, 786)公開了使用可循環(huán)利用的非極性液體對(duì)粉煤 進(jìn)行脫水的方法。脫水作用通過使該液體替換表面水分來達(dá)到。Yoon等人報(bào)道了這種通過 替換進(jìn)行脫水（DBD)的方法能夠以比加熱干燥低得多的能源成本獲得相同或更好的水分 減少水平，但未說明從煤中去除礦物質(zhì)。
[0015] 如上所述，Keller(加拿大專利號(hào)1，198, 704)將從他的選擇性團(tuán)聚方法中獲得清 潔煤產(chǎn)物的高水分含量歸因于大量水珠的存在。因此，仍然需要可用于將具有低含水量的 親水性雜質(zhì)從疏水性顆粒，特別是煤，中清除的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明的一個(gè)目的是提供將親水性污染物從疏水性顆粒材料中清除的方法。本 發(fā)明另一個(gè)目的是提供水分含量遠(yuǎn)低于通過常規(guī)脫水方法可獲得的水分含量的清潔疏水 性細(xì)顆粒材料。在本發(fā)明中，所述顆粒材料包括但不限于，直徑小于約1mm、優(yōu)先小于約 0. 5_、更優(yōu)先小于約0. 15_的煤顆粒和礦物。本發(fā)明的顯著益處可使用難以通過浮選被 分離的超細(xì)顆粒來最優(yōu)地實(shí)現(xiàn)。
[0017] 在本發(fā)明中，疏水性液體被添加到含水介質(zhì)中，其中疏水性和親水性顆粒的混合 物（或漿料）是懸浮的。所述疏水性液體在高剪切攪拌條件下加入以產(chǎn)生小液滴。這里使 用的"高剪切"或類似的詞，指足以形成大的且可見的團(tuán)聚體的剪切速度，其被稱為相轉(zhuǎn)化。 如上所述，在高剪切攪拌條件下，油破碎成小液滴，其與細(xì)顆粒碰撞，并且選擇性地與鄰近 的疏水性顆粒形成擺動(dòng)橋，從而產(chǎn)生疏水性顆粒的團(tuán)聚體。形成所述團(tuán)聚體所需要的攪拌 強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)顆粒尺寸、顆粒的疏水性、顆粒形狀，顆粒的比重（S.G.)、使用的疏水性液體的 類型和用量等來變化。一般地，團(tuán)聚體的形成通常在葉輪外緣速度高于約35ft/s，優(yōu)選高于 約45ft/s，更優(yōu)選高于約60ft/s下發(fā)生。在某些實(shí)施例中，漿液料經(jīng)受高剪切攪拌后再經(jīng) 受低剪切攪拌以使所述團(tuán)聚體尺寸變大，這將有助于從分散在水相中的所述親水性顆粒中 分離所述團(tuán)聚體。
[0018] 團(tuán)聚的疏水性顆粒通過使用簡單的尺寸-尺寸分離方法，如篩選，從分散的親水 性顆粒中被分離。在這個(gè)階段，所述團(tuán)聚體基本不含所述親水性顆粒，但仍含有大量的被限 制在構(gòu)成所述團(tuán)聚體的疏水性顆粒之間產(chǎn)生的間隙中的工藝用水。被限制的水還含有分散 在其中的分散的親水性顆粒。
[0019] 為了去除被限制的水，第二疏水性液體被加入到所述團(tuán)聚體中以分散在液體中的 所述疏水性顆粒。該分散過程從所述團(tuán)聚體中釋放被限制的工藝用水和分散在其中的所述 親水性顆粒。分散在所述第二疏水性液體中的所述疏水性顆粒隨后從所述疏水性液體中被 分離。從這個(gè)最后的步驟中獲得的所述疏水性顆粒幾乎不含表面水和被夾帶的親水性顆 粒。通常地，與清潔疏水性顆粒相關(guān)聯(lián)的親水性顆粒的量以重量計(jì)小于10%，優(yōu)選小于約 7%，更優(yōu)選小于約3% ;和小于約10%的水，優(yōu)選小于約7%的水，更優(yōu)選小于約5%的水。 重要的是，本發(fā)明能夠從所述疏水性顆粒中去除90%以上的親水性顆粒，優(yōu)選95%，更優(yōu) 選98 % ;并從所述疏水性顆粒中去除95 %的水，優(yōu)選95 %，更優(yōu)選99 %的水。
[0020] 因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是從親水性顆粒中分離疏水性顆粒，并同時(shí)使用疏水性 液體從產(chǎn)物中去除水。以上所述的疏水-親水分離（HHS)方法