CN102834181A - 粉煤的清洁和脱水 - Google Patents

Abstract

通过将含有两者的水性浆料与疏水性液体混合、将混合物提供至相分离，粉煤被清洗掉了其矿物质杂质并被脱水。所得的疏水性液体相包括煤颗粒，该煤颗粒不含表面水分和被煤颗粒稳定的水液滴，而水相包含矿物质。通过从煤颗粒机械地分离夹带的水滴，得到矿物质和水分含量大幅减少的清洁煤产物。用过的疏水性液体被从清洁煤产物分离和再循环使用。该工艺还可被用于分离一种类型的疏水性颗粒与另一种选择性疏水性的颗粒。

Description

粉煤的清洁和脱水

相关应用的交叉参考

本申请要求2010年2月1日提交的题为“粉煤的清洁和脱水”的美国临时申请61/300270的优先权，其完整内容在此通过引用并入。

技术领域

本发明涉及在水性介质中清洗粉煤杂质并从清洗的煤和杂质产物中通过热干燥去除生产用水至通常可以达到的水平的方法。

背景技术

煤是一种有机物质，其燃烧产生的热量用于发电、工业和家庭应用。它夹杂有矿物质并可包含不希望的元素，如硫和汞。煤燃烧产生大量的灰和易散粉尘，需要妥善处理。因此，在使用之前，粗矿煤被进行清洗其矿物质，这有助于提高燃烧效率从而降低二氧化碳排放量。在一般情况下，粗大煤(50×0.15毫米)可以利用煤和矿物质之间的比重差异有效地进行清洗，而粉煤(约0.15毫米或更小的)则使用泡沫浮选法清洗。

在浮选法中，气泡被分散在水中，其中粉煤和矿物物质在水中悬浮。疏水性煤颗粒通过气泡流上升并在水相表面上形成泡沫相被选择性地收集，后面留下亲水性矿物质。较高等级的煤颗粒通常是疏水性的，因此，其可以通过作为疏水性相互作用已知的机制被吸引到同样是疏水性的气泡中。汇入泡沫相中的清洁的煤产物基本上不含有矿物质，但含有大量的水。湿煤难以应对，因此会导致很高的运输成本和较低的燃烧效率。因此，使用各种装置来对清洁的煤产物进行脱水，如旋风、增稠剂、过滤器、离心分离机和/或热机。在一般情况下，脱水的成本随粒径减小增加，并且对极其细小的颗粒变得不可能，例如，小于44μm的。在这种情况下，煤生产商被迫放弃它们。大量的优质煤炭已被丢弃到全球众多蓄水地，引发环境问题。

许多研究者探讨了清洁粉煤的替代方法。其中，选择性集聚备受关注。其也被称为油集聚或球状集聚，在这个工艺中，油被加入到水性悬浮液中同时搅拌。高剪切搅拌条件下，油分解成小液滴，与分散在表面上的煤颗粒碰撞，在不同的煤颗粒之间形成摆动桥，并产生附聚物。Nicol等人(美国专利第4209301号)发现，以不稳定的水包油乳液的形式添加油可以不进行激烈搅拌就产生附聚物。通过这些工艺形成的附聚物通常大到足以通过简单的筛选与分散在水中的矿物质分离。此外，选择性集聚比泡沫浮选法具有更低水分产物和更高煤炭回收率。在另一方面，它可经受从高剂量的油。

选择性集聚工艺中使用的油量通常在料煤重量的5％至30％的范围内(S，C.Tsai，煤炭选矿和使用基础，Elsevier，1982年，第335页)。在低剂量下，附聚物在组成附聚物的颗粒之间具有空隙，该空隙被水填充，其中矿物质如粘土被分散，这反过来使得很难得到低水分和低灰分的产物。人们尝试通过使用足够大量的油来克服这个问题，这样油填充空隙，从而最大限度地减少粉矿物质的包封。Capes等人(粉体技术，第40卷，1984，第43-52页)确实发现当所使用的油的量小于5％时水分含量重量超过50％。通过增加油剂量至35，水分含量被实质上降低到17％至18％的范围内。

Keller等人(胶体与界面，第22卷，1987年，第37-50页)将油的剂量体积增加至55％至56％来更完全填补空隙，其实际上消除了包封问题且生产的超清洁煤含有小于1％至2％的灰分。但是其水分含量仍然很高。Keller(加拿大专利第1198704号)使用氟化烃作为凝聚剂获得了40％的湿产物。根据试验到的煤的类型，约7-30％的水分是由于煤的表面上附着的水，而其余的是由于附聚物中附着的大量的水球(Keller共著，选煤，第8卷，1990年，第17页)。

Smith等人(美国专利第4244699号)和Keller(美国专利第4248698号，加拿大专利第1198704号)使用低沸点(40-159°F)的氟化的烃油，因此，用过的凝聚剂，可以容易地回收和再循环使用，众所周知这些试剂对大气臭氧层有不良影响。因此，Keller(美国专利第4484928号)和Keller等人(美国专利第4770766号)公开了几种方法，使用的短链烃，如2-甲基丁烷、戊烷和庚烷作为凝聚剂。这些试剂也具有相对低的沸点，使其能够被再循环使用。

能够再循环使用粘结剂，是选择性烧结进程中的商业化障碍消除的一个重要步骤。来实现这一目标的另一种工艺是，大幅减少所使用的油的量。Capes(矿物工艺挑战，K.V.S.Sastry与M.C.Fuerstenau编辑，社会采矿工程师，1989年，第237-251页)开发了低油集聚工艺，其中在低油剂量(0.5-5％)形成的较小的附聚物(＜1毫米)通过选浮而不是通过筛选被从矿物质中分离出来。同样地，Wheelock等人(美国专利第6632258号)开发了一种方法，使用微小的气泡选择性地附聚煤，来将油消耗限制在煤重量的0.3-3％。

Chang等人(美国专利第4613429号)公开了一种方法，通过选择性运载颗粒穿过水/液体二氧化碳界面来清洗粉煤的矿物质。液态二氧化碳可以再循环使用。有报告展示，使用该液体二氧化碳(LICADO)工艺获得的清洁的煤产物在过滤之后包含5-15％的水分(Cooper等人，第25届国际社会能源转换工程会议的会议记录，1990年，1990年8月12-17日，第137至142页)。

Yoon等人(美国专利第5459786号)公开了一种使用可再循环使用的非极性液体来将粉煤脱水的方法。脱水通过允许液体置换表面水分来实现。Yoon报告说，该由置换(DBD)进行的脱水工艺能够水平比基本上更低的能源成本的热干燥实现相同的或更好的水分减少，但没有展示出去除煤的矿物质更优。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种清洗悬浮在水中的粉煤的矿物质并将清洁的煤产物脱水的方法，该脱水通过用疏水性液体置换附着到煤的表面上的水实现。其另一个目的在于，通过在气相中高剪切搅拌(high-shear agitation)该颗粒物质来去除包封在煤颗粒之间的水。在本发明中，粉煤是指含有的颗粒的直径大多小于1毫米的煤，但可以实现本发明的最显着的优点的是含有的颗粒小于0.25毫米的粉煤。

根据本发明，疏水性液体被添加到水性介质中，在其中粉煤被分散，且悬浮液(或淤浆)被搅拌。疏水性液体的加入可在悬浮液(或淤浆)被搅拌时进行。疏水性液体被选择为通过水相测得的其在煤表面的接触角大于90°。使用这样的液体使得煤颗粒被吞没(或运载)入疏水性液相，留下亲水性矿物质在水相中。要添加的疏水性液体的量应该是足够大使得所有可回收的煤颗粒被吞没(或浸渍)到疏水性液相中。吞没到疏水性液相中的煤颗粒基本上是干燥的，因为在吞没过程中接触疏水性表面的水被疏水性液体自发置换。但是，置换脱水(DBD)工艺存在一个问题，就是大量的生产用水会以被疏水性煤颗粒稳定的水液滴的形式夹被带入有机相。众所周知，接触角大于90°的颗粒在油相中稳定水滴形成油包水乳液(Binks，胶体与界面科学的当前观点，第7卷，2002年，第21-41页)。已经发现，大部分夹带到疏水性液相中的水以大个小球存在。

正如Keller等人(选煤，第8卷，1990年，第1-17页)所指出的，水的较大的小球在传统的油集聚工艺中也会形成，其中，加入到粉煤的水性淤浆中的油的量在按体积5％至56％的范围内(本发明的实施中可以使用类似的范围，但其它范围也可被使用，例如，按重量5％至56％，按体积或重量大于20％，按体积或重量小于20％等)。显然，在油集聚工艺中仍会形成水包油乳液，其可以成为从这些工艺得到的清洁煤产物的高水分的解释。

作为油包水乳液的包含干燥的煤颗粒和夹带水疏水性液体，与包含亲水性矿物质的水相相分离(phase-separated)。在本发明的一个实施例中，疏水性液体被转移到尺码到尺码分离器(size-size separator)如筛、分类器和/或旋流器中，来从干煤颗粒中去除水的小球。较小尺码的馏分(例如筛下溢)包括干燥的煤颗粒，而较大尺码的馏分(如筛上溢)包括由煤颗粒稳定的水的小球。如果根据尺码到尺码分离的效率和煤尺码进行的干燥的煤产量低，那么较大尺码的馏分可被重新分散在水中并进行另一组搅拌和筛选，以回收额外的煤。在连续操作中，较大尺码的馏分可以被返回到进料流，以允许错位的煤颗粒有机会再次回收。在本实施例中，水的较大的小球可容易地被移除。但是使用目前可用的尺码到尺码分离技术很难去除由粉煤颗粒稳定的较小的液滴，使得难以有效得到含有小于1％水分的干燥的煤颗粒。如果不需要这么低的水分含量，那么可以增加尺码到尺码分离步骤的分割尺码，如，可通过增大筛的孔洞来获得更高的水分，如按重量5％至10％的。清洁的煤产物现在基本上不含有矿物质和表面水分，其之后被提供到少量残余疏水性液体的回收和再循环使用中。

在另一实施例中，使用适当的机械手段如超声波振动来将水滴(或小球)打碎，使得疏水性煤颗粒被从水滴(或小球)中脱离并进入分散入疏水性液体。分散有煤颗粒的有机液相被从水相分离，其中亲水性矿物质被分离，然后被提供至适当的固-液分离手段，如沉淀、过滤和/或离心分离。将回收的疏水性液体再循环使用。从固-液分离步骤中得到的可能附着在疏水性颗粒(或固体)表面上的少量疏水性液体，也被使用汽化和冷凝相关的工艺回收和再循环使用。

在另一实施例中，其中分散有干煤和水的小球的疏水性液体，被提供到使用离心分离机、过滤器、辊压机或其它合适的分离器的固-液分离。在这个实施例中，油包水乳液通过压出法和排水变得尺码更小，只留下非常小的水滴被包封在颗粒之间。在本发明中，包封的间隙水通过结块结构被释放，其中较小的液滴通过高剪切搅拌被套住。微小的水滴蒸发或退出系统。因此，结合压出法和排水的固-液分离与高剪切搅拌相关的额外步骤，使得水分含量被减至按重量少于8％，该水平通常还可通过热干燥得到。水分减少的程度，可以通过控制高剪切搅拌工艺来实现，如控制搅拌强度、持续时间和使用的装置。

本发明的大多数实施例中使用的疏水性液体可被回收和再循环使用。大部分液体回收不涉及相的变化，只有附着在疏水性颗粒(如煤)的表面上的少量残余疏水性液体通过汽化和冷凝回收。如果液体的沸点低于环境，许多上述处理步骤在加压反应器中进行。在这种情况下，所述的少量残余疏水性液体可以通过压力释放以气体形式释放回收，随后其被转换回液体再返回到回路中。如果沸点高于环境，那么该疏水性液体通过蒸发回收。热力学上，在本发明中所公开的蒸发和冷凝可再循环使用疏水性液体所需能量，基本上小于从煤颗粒的表面蒸发水所要求的。

据发现，高剪切脱水(HSD：high-shear dewatering)工艺也可以被用于不涉及本发明中所述的油集聚工艺或DBD工艺得到的清洁的煤产物，如浮选的清洁煤产物。但通过过滤、离心分离或任何其他方法来产生其中小水滴被夹在煤颗粒之间的结块是必要的。HSD工艺也可用于从由亲水性颗粒如二氧化硅和粘土形成的滤饼(filter cake)去除水分。

因此，本发明的一个目的在于，从粉煤去除无机矿物质，并同时使用疏水性液体从产物中去除水。本发明也可与不同类型的煤实施，包括但不限于烟煤、无烟煤、次烟煤。

本发明的另一个目的在于，进一步减少清洁煤产物的水分范围，使其可在不使用过多的热量的情况下被干燥。

本发明的另一个目的在于，使用通过将其提供至高剪切搅拌来脱水的方法，如过滤、离心或压出法，来进一步减少得到的颗粒物质的水分。

另一个目的在于，回收所用过的疏水性液体来用于再循环使用。

附图说明

参照本发明的所附的数字从下面的描述中将充分理解本发明的这些和其它目的。

图1a和1b示出通过煤置换来脱水的概念。

图2是曲线图，示出n-烷烃疏水性液体在浸在水中的疏水性煤的表面上的接触角。

图3是用于本发明的一个实施例的示意性示图。

图4是本发明的另一个实施例的示意性示图。

图5是本发明的又一实施例的示意性示图。

具体实施方式

在水性环境中，两个疏水实体彼此吸引。这种现象称为疏水相互作用。因此，参照图1a，当疏水性煤粒1遇到水3中的烃类液体2，后者会在表面上扩散，或前者会被吞没到后者中去，在这个过程中，其中的表面上的水分子被疏水性液体置换。

通过置换(DBD)脱水的工艺可通过图1a和图1b示意性地示出。与该工艺相关的在每单位面积吉布斯(Gibbs)自由能中的变化(dG/dA)由以下关系式给出，

dG/dA＝γ₁₂-γ₁₃    [1]

其中γ₁₂和γ₁₃分别是煤/疏水性液体和煤/水的界面张力。要使置换过程自发进行，dG/dA的必须小于零。

图1b示出通过位于水中的煤表面上的疏水性液体的水相测得的接触角(θ)。在3相接触中，可以应用杨氏方程(Young′s equation)：

γ₁₂-γ₁₃＝γ₂₃cosθ    [2]

其中，γ₂₃是水和疏水性液体之间的界面张力。通过结合这两个方程，得到下列关系：

dG/dA＝γ₂₃cosθ＜0    [3]

用于从煤表面自发置换水(脱水)。根据这个关系，θ＞90°时自由能变化变为负。

我们在来自弗吉尼亚州的莫斯3号选煤厂(Moss No.3coal preparation plant，Virginia)的烟煤样品的磨光面上测量了n-烷烃的接触角。如图2所示，随着链长的减小接触角增加，该接触角大于90°。因此，用于接触角测量的所有的n-烷烃均可被用来从煤表面置换水。随着烃链长度减少而接触角增加表明，较短链的n-烷烃将是用于从煤表面置换水的更好的疏水性液体。使用较短链n-烷烃的另外一个优点在于，由于其沸点较低它们比较长链的同系物可以更容易地再循环使用。也可以使用液体二氧化碳，这是公知的疏水性液体。

可以使用上面描述的工艺来同时从分散于水中的煤颗粒中去除矿物质和水。但是，没有被先前确认的是，该工艺的一个固有的问题在于，在选择性集聚(或油集聚)工艺的情况下，包封水进入清洁的煤产物。我们已经讨论了两种机制的包封水：一种是在包含附聚物的颗粒之间形成的空隙中的水的包封；另一种是油包水乳液的形成。Keller等人建议前者可通过使用更大量的油解决(胶体与表面，第22卷，1987年，第37至50页)，而后者可在本发明的公开中找到解决方法。

众所周知，具有通过水相测得的接近90°的接触角(θ)的胶体颗粒可很容易地吸附在油-水界面产生油包水或水-油乳液(Binks，胶体与界面科学的当前观点，第7卷，2002年，第21-41页)。对于球形颗粒，当θ＞90°时形成油包水乳液，而当θ＜90°时形成水包油乳液。界面张力是γ23，从油/水界面分离半径为r的球形颗粒所需的能量(E)由下式给出：

E＝πr²γ₂₃(1±cosθ)    [4]

用于进入水相的颗粒去除的支架上的符号是负的，用于进入油相的颗粒去除的支架上的符号是正的。等式[4]表明，如果θ略小于90°，那么颗粒将被保持在油/水界面并稳定水包油乳液。但是，如果θ略大于90°，那么颗粒将被保持在界面处形成油包水乳液。在这方面，Keller等人(选煤，第8卷，1990年，第17页)报告说观察到“大量的水球”也不足为奇，这是由于从选择性集聚工艺中获得的清洁煤产物的高水分含量造成的。这也许是Keller等人探讨使用所清洁的煤产物作为用于水煤浆生产进料的可能性的原因之一。

等式[4]表明，如果煤颗粒具有较大接触角，那么脱离能量(E)就会变小，因此，它们保持分散在油相中。如图2中所示，θ随n-烷烃碳原子数的减少而增加；因此，较短链的n-烷烃能更好地在本发明中所公开的DBD工艺中发挥作用。另一方面，接触角小于90°的颗粒(如粘土)会保持在水相中分散。此外，在料中的颗粒越细DBD工艺可越好地发挥作用，因为根据等式[4]，比较小的煤颗粒比较粗大的颗粒应更容易地分散在疏水性液体相中。

Binks等人(兰格缪尔(Langmuir)，第17卷，2001年，第4708页)指出，Janus颗粒，即包括亲水性和疏水性表面的双面颗粒，应改善由“固体表面活性剂”稳定的乳液的稳定性。Glaser等人(兰格缪尔(Langmuir)，第22卷，2006年，第5227页)展示，实际上Janus颗粒大大减小在油/水界面的张力(或过剩自由能)从而为形成稳定的水包油乳液创造有利的条件。因此，为清洗含有显着量Janus颗粒(或复合颗粒)的粗粉煤，作为高水分产物的后果，将很难避免形成油包水乳液。

由于夹带的水的存在，常规的油集聚工艺中得到的清洁的煤产物表现出高的水分含量，通常在按重量30-55％范围内。在本发明中，开发了去除夹带的水的方法，使水分可以容易地降低到基本上较低的水平。在一个实施例中，使用尺码到尺码分离方法来去除水的小球，该方法选自包括但不限定于筛、分类器和气旋的方法。这些方法可以移除大大大于煤颗粒的水的小球。

在另一实施例中，由疏水性煤颗粒稳定的水滴被适当的机械手段如超声波振动器、磁振动器、网格振动器等打碎，使煤炭颗粒被分散在疏水性液体中，而不含有煤颗粒的水滴被排出到水相中。中有煤颗粒分散的有机相，然后被从中有矿物质分散的水相中分离。前者进行适当的固-液分离，而后者则被排出。疏水性液体被从固-液分离步骤中再循环使用。从固/液分离步骤得到的清洁的煤颗粒基本上不含有表面水分。但是，少量的疏水性液体可能会存在于煤表面上，在这种情况下，煤颗粒可被提供至负压或温和加热中，来以蒸汽回收残余的疏水性液体，它随后被冷凝回液体相并被再循环使用。

在又一实施例中，使用选自包括但并限于过滤器、离心机、压力机中的一个的固-液分离方法去除水滴(或小球)。据认为，大部分夹带的水的小球被压出和/或在固-液分离过程中排出，只留下包封在包括滤饼的颗粒之间的间隙构成的水滴。之后将滤饼高剪切搅拌来从周围的煤颗粒撞出包封的水滴，并将它们释放到气相中，在气相中，由于大的表面与体积之比和由于大的曲率半径造成的较高的蒸汽压力，它们可以容易地蒸发。一些释放的水滴，可退出系统进入大气中。

选择性集聚清洁煤的工艺需要高强度的搅拌。Nicol等人(美国专利第4209301号)提出，需要能够提供大于10000rpm的高速搅拌器来观察相位反转，即煤附聚物的完成。还有人展示出，以6000rpm搅拌8分钟后观察到了相位反转，而在3000rpm下需要18分钟。与此相反，在本发明中，既不需要高速搅拌也不需要不长时间的搅拌。温柔的搅拌通常是足够的，但强烈搅拌或长时间搅拌形式的高能量输入也没有不良影响。

图3示出本发明第一实施例的一个例子。煤浆301被馈送到混合箱302中，与下游回收的疏水性液体303和少量的组制的疏水性液体304一起。在混合箱302中，疏水性液体被打碎成小液滴，这反过来会与煤颗粒进行疏水相互作用。混合的浆被转移到相分离器305中，在其中疏水性液体和水被相分离。当使用足够量的疏水性液体时，煤颗粒被吞没到液相中，而矿物质被留在水相中。含有矿物质的后者306被作为杂质去除，含有不带表面水分的煤颗粒和被煤颗粒稳定的水的小球的前者307上溢至尺码到尺码分离器(例如筛)308。疏水性液体和分散在其中的煤颗粒被汇入小尺码的馏分309，即下溢。分散在疏水性液体中煤颗粒几乎不含表面水分，因为图1中所描述的置换(DBD)机制脱水(或干燥)。另一方面，在混合302与相分离305过程中，水的小球形成并夹带到疏水性液相中，汇入较大尺码的馏分310，即上溢。所述溢出流310被返回到混合箱302来给予错位的煤颗粒被回收到尺码到尺码分离器308的下溢流309另一个机会。下溢流309包括清洁煤颗粒和所用过的疏水性液体。如果在本实施例中所用的疏水性液体303、304的量相对于进料流301中的煤较小，如油集聚，所述下溢309将包括煤颗粒的主要部分和附着在煤表面的相对较小量的消耗疏水性液体。在这种情况下，下溢309被直接馈送到所述疏水性液体回收系统311，其中，用过的疏水性液体通过汽化被回收，并随后在返回到混合器302之前通过压缩机和/或冷凝器312的手段转化为液体303。离开疏水性液体回收系统311的固体313呈现出具有低水分的清洁煤产物。煤回收量和产物煤的水分含量会有所不同，其取决于尺码到尺码分离器308的效率和由煤颗粒稳定的水滴的大小分布。在使用筛来进行尺码到尺码分离的情况下，多板筛的使用对控制煤回收量和产物水分很有用。如果汇入下溢309的疏水性液体的量很小或液体的消耗是不可克服的，那么可以绕过回收系统311、312。当使用大量的疏水性液体时，在将下溢流309供给回收系统310、311之前，其可被通过固-液分离从存在于下溢流309的煤中分离。

图4示出了本发明的另一实施例，在其中所使用的疏水性液体的量很大。前端与图3相同，其中煤浆401与疏水性液体回收的下游403被混合402并被添加作为组制源404。本实施例的一个新特征是，煤颗粒稳定的的水滴(或小球)在相分离器405中被由适当的机械手段406(如声波或磁力振动器)打碎，从而使煤颗粒更充分地分散在疏水性液相中。含有矿物质的水相被作为杂质407去除。来自相分离器405的上溢408被引导至沉淀器(如增稠器)409，在这里煤颗粒沉到底部且疏水性液体被作为上溢回收并返回到混合器402。沉淀的物质411之后被进行另一种类型的固-液分离(例如，过滤)412，分离的液体(或滤液)413被返回到混频器402。干燥的煤产物414之后被提供至疏水性液体回收系统415、416来以与图3相同的方式回收附在煤表面上的少量残余疏水性液体。从回收系统415出来的退出流417呈现为低灰分和低水分的清洁煤产物。

图5示出了本发明的又一实施例。工艺的前端与图3的第一实施例和图4的第二实施例相同，其中煤浆501被馈送到混合箱502，其接收疏水性液体回收下游503并被添加作为组制源504。该混合物被馈送入相分离器505，在这里含有煤的疏水性液体含有矿物质的水相被相分离。后者被作为杂质506去除，而前者507被馈送到固-液分离器508(如离心分离机)，其中作为下溢509回收的大部分用过的疏水性液体返回到混合器502。包含煤颗粒、粘附到煤表面的少量残留疏水性液体、夹杂在煤颗粒之间的微小水滴的上溢510然后被馈送到疏水性液体回收系统511、512来回收用过的疏水性液体503来用于再循环使用。来自回收系统511的放出物513可具有理想的量的水分，来用于下流工艺，如压块。如果不具有，那么它会被提供至高剪切脱水(HSD)装置514，在这里微小水滴由于大的表面积与体积比被迅速蒸发或被从煤中驱出。来自HSD装置514的退出物被馈送至干燥的煤收集装置515，如袋壳或旋流器，其中煤颗粒被作为下溢516收集，且驱出的水滴和/或水蒸汽517退出收集装置。HSD装置513可选自但不限于动态或静态混合器、旋转风扇、流化床、振动筛和喷气装置。HSD工艺可将煤的水分减少至小于8％，这是通过热干燥通常可以达到的水平。水分含量可通过调整高剪切搅拌速率和持续时间来控制。尽管HSD工艺在没有外部热源的条件下进行，但加热空气的使用可以促进该工艺进行或可将水分减少到更低的水平。

据发现，HSD工艺不仅可用于疏水性煤粉的干燥，也可用于干燥亲水性矿粉(如，图3至图5的杂质306、407、506中的矿物质。对于后者，矿物质或其他亲水性颗粒物质的水性悬浮液首先通过使用常规工艺来脱水，如离心机、过滤器或辊压机，来形成滤饼，在该滤饼中有少量的水被包封在微粒之间的空隙。该滤饼之后被进行上述HSD法。

可用于本发明中所描述的工艺的疏水性液体包括烃油，其包括碳原子数少于18的脂族烃和芳族烃。对于置换(DBD)工艺的脱水，可使用短链n-烷烃和烯烃，无支链的和支链的均可，还可使用碳原子数少于八个的环烷烃和环烯烃，这样可使得用过的烃油可以容易地回收和再循环使用。液态二氧化碳是可用于该DBD工艺的另一种疏水性液体。

当使用长链烷烃和烯烃时，再循环使用是很困难的。因此，在这些实例中，只有少量的该试剂被优选用作凝聚剂。通过使用来自未精制的石油源的疏水性液体，可以降低试剂的成本。对于该DBD工艺，也可使用轻石脑油(石油醚)、石脑油、石油石脑油、柴油以及它们的混合物。对于选择性集聚，也可使用碳原子数在12-18范围内的少量的煤油和加热油。

DBD和选择性集聚工艺非常适合从亲水性物质(如二氧化硅和粘土)中分离疏水性颗粒物质(如高级煤)，而其产生的疏水性物质具有非常低的表面水分。在本发明中所描述的工艺，可以被用于通过选择性地疏水其中的一个来从一种类型的亲水性物质中分离另一种类型的亲水性物质。例如，该工艺可通过使用烷基黄原酸酯(alkyl xanthate)或硫羰氨基甲酸酯(thionocarbaraate)作为硫化矿物的疏水化剂来用于从含硅脉石矿物分离铜硫化矿物。另外，该DBD概念还可用于粉煤或任何其他颗粒物质的适当疏水化后的非热干燥。

例子

例1

一定体积的戊烷被作为疏水性液体加入煤浆中，煤浆放置在350毫升的玻璃分液漏斗中。煤浆是从弗吉尼亚州的莫斯3号选煤厂(Moss No.3 coalpreparation plant，Virginia)得到的，按重量为15％的固含量。在有挡块的地方，漏斗中的物质通过手摇来剧烈搅拌4分钟，并被放置让相分离。煤颗粒被附聚(或被吞没到疏水性液体中)并在水相的顶部形成一个层。打开在底部的旋塞，去除水相和分散在水相中的矿物质。留在漏斗中的疏水性液体被再次搅拌很短一段时间并被放置。结果发现，被煤颗粒包围的水的大个小球在底部沉淀了。打开活塞，去除水球。此过程重复几次，直到没有可见的水的小球被观察到。留在漏斗中煤样被移除，在分析的样品的水分含量之前使戊烷完全蒸发。如表1所示，清洁煤产物仍含有25.9％的水分，表明较小水滴仍然以油包水乳液的形式与疏水性煤颗粒存在，作为固体表面活性剂。

表1

*重量回收

在另一试验中，以上面描述的方式得到的清洁煤产物被以60目进行筛选。结果发现，分析到筛下溢只有2.4％的水分，而分析到的筛上溢具有58.2％的水分。这个例子表明，清洁煤产物的高水分含量，是由于由疏水性煤颗粒稳定的水的小球的存在，其可以通过尺码与尺码到尺码分离步骤很容易地去除以基本上减少水分含量。

例2

对来自西弗吉尼亚州的Cardinal选煤厂(Cardinal coal preparation plant，WestVirginia)的粉煤样品(100目x0)以与例1同样的方式进行的另一项试验。本样品比例1中使用的更细，该物质的80％细于44微米。在这个例子中，固含量为4.3％的800毫升的淤浆被置于1升的分液漏斗中，用200磅/吨戊烷作为其疏水性液体。搅拌和沉淀后，将含有矿物质的水相排出，而与煤颗粒混合的戊烷被留在漏斗中。使过量的戊烷蒸发，对清洁煤产物进行灰分和水分分析。如表2所示，原料中的灰分含量从35.6％减少到了3.7％，可燃物回收率为83.7％，但水分高达48.7％。高水分含量仍是由于煤颗粒稳定的水滴的夹带。

上面描述的过程类似于Yoon等人(美国专利第5458786号)所公开的脱水方法，他们报告说，使用液态丁烷作为疏水性液体，匹兹堡(Pittsburgh)煤样的水分减少到了3.6％。但是，所报告的低水分值是由于抽样误差。在美国专利第5458786号中，水相排出直到“丁烷和煤的混合物开始从管道出来”。现在显示，排水过程停止时，沉淀在相边界的大部分的水小球已经被排出。不能看到相边界因为试验在铜管中进行。同时，稳定油包水乳液的疏水性颗粒的机制在那个时间是没有被知道的。Yoon等人在在这种情况下认识采样难度上失败了。

表2

产品	灰(％)	水分(％)	回收率(％)
				清洁的煤	3.7	48.7	83.7
杂质	76.2	-	16.3
				原料	35.6	-	100.0

*可燃物的回收率

例3

使用与例2中使用的样品相同的煤在相同的条件下进行另一试验，不同的是一个附加步骤，用来去除夹带的水球并得到低水分的产物。该附加步骤涉及使用筛来从图1所示的DBD工艺获得的干燥粉煤颗粒中分离水滴。在这个例子中，使用例2中描述的步骤得到的清洁的煤产物被过筛来得到作为筛下溢的干燥煤颗粒和作为上溢的水滴。最初，用140目筛来进行分离，在这种情况下，得到的干煤的量按原料的重量只有约25％。因此，筛上溢被提供至DBD工艺的另一阶段，且产物被再次过筛来得到干煤的额外回收。当使用100目筛时，回收率显着较高，但水分也更高，因为只有更小的水滴通过较大的筛。表3总结了几个阶段的过筛后得到的几个结果。如表所示，水分减少至4.6％，这基本上低于实施例2。还请注意，在本发明公开中描述的工艺也产生低灰分的清洁煤产物。因此，在本发明中描述的该DBD工艺，既能够从选煤厂制备的粉煤浆去除矿物质，也能够从清洁的煤产物中去除夹带的水。

表3

产品	灰(％)	水分(％)	回收率(％)
				清洁的煤	3.8	4.6	75.7
杂质	68.3	-	24.3
				原料	35.6	-	100.0

例4

来自Cardinal厂(Cardinal plant)的一定体积(600毫升)的粉煤浆(100目×0)被放置在1升的分液漏斗中，并加入煤的20％的量(按重量)的戊烷。在有挡块的地方，漏斗中的物质通过手摇来剧烈搅拌4分钟，并被放置来让相分离。包含矿物质的水相被从底部移除，而戊烷和煤的混合物被从顶部移除。在此过程中，矿物质基本上被从煤中去除了，将大部分戊烷蒸发离开清洁煤产物。但是，其水分含量仍高达52.2％，如表4所示，主要是由于疏水性煤颗粒稳定的水小球的夹带。清洁煤产物被用水平的篮式离心机进行脱水以降低水分含量至18.2％。离心机产物随后通过振动进料器被馈送到鼠笼式风扇。从风扇中出来的流收集在一个小的自制袋壳中。测到收集的煤样水分为1％，如表所示。因此，用在这个例子中所公开的方法生产的干煤水分为1％，灰含量从36.7减少到8.6％，具有90％的可燃物回收率。如果在离心和高剪切脱水(HSD)步骤开始之前清洁煤产物被重新制浆和再次清理，灰分含量可被进一步降低。

表4

产品	灰(％)	水分(％)	回收率(％)
				H.S.脱水	-	1.0	-
离心	-	18.2	95.3
				集聚	8.6	52.2	90.0
原料	36.7	-	100.0

在离心脱水步骤期间，水滴尺码被缩小，但仍然充满在煤颗粒之间的空隙中。包封水的微小液滴之后通过在空气中高剪切搅拌被从煤颗粒分离。由于水滴的高曲率和/或大的表面面积与体积比，无需加热微小的水滴就可以退出系统和/或迅速蒸发。

例5

Cardinal煤样被以例2和3中描述的相同的方式用200磅/吨戊烷处理。清洁的煤产物通过真空过滤器被脱水，而不是像例4那样使用离心机。滤饼然后被馈送到鼠笼式风扇以进一步减少水分至1.7％，如表5所示。产物煤的灰分含量是比较高的，其是由于矿物质的夹带。在一个连续的工艺中，可以通过安装适当的搅拌器或执行两个步骤工艺很容易地解决这个问题。

表5

产品	灰(％)	水分(％)	回收率(％)
				清洁的煤	12.1	1.7	87.2
杂质	86.6	-	12.8
				原料	49.3	-	100.0

例6

对来自Cardinal厂的煤样共使用360磅/吨戊烷进行两个阶段的集聚。清洁的煤产物被使用真空过滤器脱水，且滤饼在一个试验中使用鼠笼式风扇干燥，在另一个试验中使用喷气装置干燥，分别得到1.4％和2.1％的水分。这两个装置都是设计为在空气中提供高剪切搅拌，来从已通过图1所示的置换机制干燥的粉煤颗粒中驱出小水滴的。这两个机械装置对粉煤干燥似乎是同样有效的，并均无需使用外部热源。表6所示的结果呈现灰分含量均大大低于实施例5中得到的，这可以归因于两个阶段的清洗操作的施行。

表6

例7

来自西弗吉尼亚州的Trans Alta粉煤蓄池的煤样在100目进行筛选，测到24.9％灰分的筛下溢被用戊烷(煤重量的20％)处理以获得清洁的煤产物，测到其灰分8.1％，水分为57.1％，回收率为92.4％。产物的该高水分是由于由疏水性煤颗粒稳定的水的小球的存在。清洁的煤产物使用实验室规模的水平篮式离心机进行脱水来将水分减少至21.4％。然后将离心机产物提供至鼠笼式风扇提供的高剪切搅拌，得到0.9％的水分。离心和高剪切搅拌的回收率尚未确定。

表7

产品	灰(％)	水分(％)	回收率(％)
				H.S.脱水	-	0.9	-
离心	-	21.4	-
				集聚	8.1	57.1	92.4
原料	24.9	-	100.0

例8

从西弗吉尼亚州的Litwar选煤厂得到了名义上称作100目X0的煤样，测得其灰分为36.8％。样品的尺码分析显示，物质的7.8％是比150μm粗的，80.1％是比44μm细的。通过泡沫浮选来清除其形成灰分的矿物质，而不是使用上述例子中所述的DBD或选择性集聚工艺。使用具有4升不锈钢小室的Denver实验室浮选机械。浮选试验以3磅/吨柴油作为收集剂、固含量在2.6％的1.2磅/吨MIBC作为起泡剂进行。泡沫产物被提供至不使用额外的试剂的浮选试验的另一阶段，以获得4.2％灰分和8.3％固含量的清洁的煤产物。使用5磅/吨的山梨糖醇单油酸酯作为脱水助剂将该产物进行真空过滤脱水。然后将含有19.6％水分的滤饼提供至鼠笼式风扇提供的高剪切搅拌，来进一步将水分减少至按重量0.9％。

表8

产品	灰(％)	水分(％)	回收率(％)
				H.S.脱水	-	0.9	-
过滤	-	19.6	-
				浮选	4.2	91.7	95.8

原料

36.8

-

100.0

例9

将铜矿石样品在球磨机中研磨8至20分钟，对磨产物进行一系列的浮选试验。在固含量10％的杂质物质的复合物，通过气压过滤器在20psi被脱水至15.6％。然后滤饼被提供至鼠笼式风扇的高剪切搅拌以进一步将水分减少至0.7％，如表9所示。在另一个试验中，复合杂质物质被用固含量为30％的5磅/吨的阳离子表面活性剂(Armeen C)制约，然后在真空过滤前被用3磅/吨的山梨糖醇单油酸酯制约。然后将含有17.5％水分的滤饼进行高剪切脱水工艺来进一步将水分减少至0.6％，如表9所示。

表9

重量回收率

例10

在这个例子中，来自西弗吉尼亚州怀俄明县的Pinnacle粉煤蓄池的被以DBD工艺进行试验。煤样是来自含有大多为-44μm的物质的池塘回收厂的旋流器上溢，分析到其灰分为按重量占38％。在该厂中，超细粉煤由于回收和脱水的困难而没有在接受加工。在这个例子中，一定体积的煤浆被添加到厨房搅拌器中并被用自来水稀释至固含量约3％。混合器中的煤量约为20g。在混频器中加入20毫升戊烷后，在高速搅拌该浆料45秒，然后另外低速搅拌5分钟。在这段时间内，煤颗粒被疏水性液体附聚，而矿物质仍然分散在水相中。淤浆然后被倒到30目的筛上以去除作为下溢的分散的矿物质。除了煤颗粒稳定的最大水滴，大部分+30目的物质都被转移到包括50目和70目的筛层。+50目与-70目的馏分分析到分别含有9.8％和3.2％的水分。表10示出了试验结果，其示出，产物的水分和煤回收率可使用尺码到尺码的分离装置如多个筛来控制。

表10

产品	灰(％)	水分(％wt)	回收率(％)
				清洁的煤	3.57	4.28	87.27
杂质	91.97	-	12.73
				原料	37.93	-	100.00

例11

在这个例子中所用的煤样与例10中的相同。含有约40克的煤的一定体积(1升)的煤浆加入厨房搅拌器(混合器)。加入0.5升戊烷到混合器中后，以低转速(r.p.m)搅拌混合物。将搅拌的混合物淤浆慢慢地转移到1英寸直径的相分离器中，该相分离其由9英寸高的3/4-英寸直径的玻璃柱制成。在该柱的基底上安装有超声波探头，其提供一种机械能来从由于重力倾向于聚集在水和油相之间边界处的水滴的表面上撞出煤颗粒。该柱顶部还装配有上溢槽，用于收集半连续的清洁的煤产物。随着的超声波能量的应用，它可从水滴撞出煤颗粒并使它们更充分地分散在油相中。然后将水引入到沉降柱的基底来将有基相冲浮到槽中，而水相从底部去除。将收集的煤和灰分产物进行称重并分析，得到的灰分和水分结果示于表11。如表所示，本发明产生了94.3％的可燃物质回收率，测定的产物煤灰分为3.9％，水分为0.54％。

表11

产品	灰(％)	水分(％)	回收率(％)
				清洁的煤	3.9	0.54	94.3
杂质	87.9	-	5.7
				原料	31.2	-	100.00

Claims (35)

1.一种从包含0.15毫米直径的和更小颗粒的粉煤中去除矿物质并将其脱水的方法，其中所述粉煤包括矿物杂质，包括以下步骤：

在水性介质中将所述粉煤与疏水性液体混合，所述混合步骤使得所述矿物杂质从所述粉煤中分离进入到所述水性介质中，并使得所述疏水性液体从所述粉煤表面置换水；

对在所述混合步骤产生的混合物进行相分离，所述相分离步骤产生含有疏水性液体、粉煤和夹带的水液滴的第一相，和含有水性介质和矿物杂质的第二相；

在所述相分离步骤之后检索所述第一相；

以机械工艺从所述第一相中的所述粉煤中分离所述夹带的水液滴；和

从所述粉煤中去除所述疏水性液体以产生矿物杂质和水分含量减少了的粉煤产物。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

再循环使用在所述去除步骤中去除的所述疏水性液体。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述疏水性液体选自石油醚、石脑油、石油石脑油、石油醚、煤油、柴油、加热油以及它们的混合物。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述疏水性液体的使用量为粉煤料重量的5％至56％。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述疏水性液体选自无支链的和支链的短链n-烷烃和n-烯烃、碳原子数少于8个的环烷烃和环烯烃、液态二氧化碳。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述疏水性液体的使用量为足以使可收回煤颗粒被吞没(或浸渍)到疏水性液体相中。

7.如权利要求5所述的方法，其中，所述疏水性液体，在水中的粉煤表面上具有通过所述水测量超过90°的接触角。

8.如权利要求1所述的方法，其中，进行所述分离步骤尺码到尺码分离器。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述尺码到尺码分离器包括筛。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述分离步骤以固-液分离器进行。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述的固-液分离器是过滤器。

12.如权利要求10所述的方法，其中，所述的固-液分离器是离心分离机。

13.如权利要求1所述的方法，其中，所述分离步骤包括应用机械手段来从所述夹带的水微滴撞出煤颗粒使它们分散在疏水性液体中，同时无煤颗粒水滴排入所述第二相。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述机械手段包括声波振动器、超声波振动器、磁振动器、网格振动器中的一个或多个。

15.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

提供从所述去除步骤得到的所述粉煤产物至高剪切搅拌步骤；和

在颗粒收集器中收集水分较低的煤颗粒。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述高剪切搅拌使用选自动态混合器、静态混合器、旋转风扇、流化床、振动筛、喷气装置的设备进行。

17.如权利要求15所述的方法，其中，所述收集步骤使用袋壳或气旋进行。

18.如权利要求15所述的方法，其中，所述提供步骤和所述收集步骤，产生水分重量含量小于8％的干燥煤颗粒。

19.如权利要求15所述的方法，其中，所述高剪切搅拌在加热的空气中进行。

20.如权利要求1所述的方法，其中，所述粉煤选自无烟煤、烟煤、次烟煤。

21.一种从包含0.15毫米直径的和更小颗粒的粉煤中去除矿物质并将其脱水的系统，其中所述粉煤包括矿物杂质，包括：

混合器，其用于在水性介质中将所述粉煤与疏水性液体混合，所述混合器被配置为，使得所述矿物杂质从所述粉煤中分离进入到所述水性介质中，并使得所述疏水性液体从所述粉煤表面置换水；

相分离器，其用于对在所述混合步骤产生的混合物进行相分离，所述相分离步骤产生含有疏水性液体、粉煤和夹带的水的第一相，和含有水性介质和矿物杂质的第二相；

机械分离器，其用于以机械工艺从所述第一相中检索的所述粉煤中分离所述夹带的水；和

疏水性液体回收系统，其用于从所述粉煤中分离疏水性液体以产生矿物杂质和水分含量减少了的粉煤产物。

22.如权利要求21所述的系统，其中，所述相分离器是沉淀器。

23.如权利要求21所述的系统，其中，所述机械分离器是尺码到尺码分离器。

24.如权利要求23所述的系统，其中，所述尺码到尺码分离器包括筛。

25.如权利要求23所述的系统，其中，所述机械分离器是固-液分离器。

26.如权利要求25所述的系统，其中，所述的固-液分离器包括过滤器。

27.如权利要求27所述的系统，其中，所述的固-液分离器包括离心机。

28.如权利要求21所述的系统，其中，所述疏水性液体回收系统包括：组件，其被配置为回收残留附着到所述粉煤产物表面上的疏水性液体。

29.如权利要求21所述的系统，进一步包括：

高剪切脱水设备。

30.如权利要求29所述的系统，其中，所述高剪切脱水设备选自动态混合器、静态混合器、旋转风扇、流化床、振动筛和喷气装置组成的组中。

31.如权利要求21所述的系统，其进一步包括：

干燥颗粒收集器。

32.用于将分散在水相中的一种类型的亲水性颗粒物质与另一种类型的亲水性颗粒物质分离的方法，包括以下步骤：

使用疏水化剂渲染选择性疏水性的所述一种类型的颗粒物质；

在疏水性液体的存在下搅拌一种类型和另一种类型的颗粒物质，来使选择性疏水化的颗粒物质被分散在所述疏水性液体中而同时另一种类型的颗粒物质仍然分散在水相中；

将含有所述水相的第一相与第二相进行相分离，其中所述水相包括分散于其中的所述另一种类型的亲水性颗粒物质，所述第二相包括所述疏水性液体和所述选择性疏水化的颗粒物质，所述第二相还包括所述选择性疏水化的颗粒物质夹带的水；

向所述第二相提供机械能来从所述夹带的水中分离所述选择性疏水化的颗粒物质；和

从所述选择性疏水化的颗粒物质中分离所述疏水性液体。

33.如权利要求32所述的方法，进一步包括以下步骤：

将来自所述分离步骤的所述疏水性液体在所述搅拌步骤的所述混合物中再循环使用。

34.如权利要求32所述的方法，其中，所述步骤在不施加热的情况下进行。

35.用于去除粉煤颗粒中的水的方法，包括以下步骤：

产生含有亲水性颗粒大小为直径0.15毫米或更小的颗粒物质的结块；

提供从所述生产步骤得到的所述亲水性颗粒物质至高剪切搅拌步骤；和

在颗粒收集器中收集水分重量含量小于8％的从所述高剪切搅拌步骤产生的亲水性颗粒物质。

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