CN103403132B - 用于干燥煤的方法和组合物 - Google Patents

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Abstract

本公开提供用于干燥煤粉的方法、组合物和系统。

Description

用于干燥煤的方法和组合物
背景技术
许多当前的采煤方法使用水来提取粉煤颗粒(也称为煤粉)。这些颗粒通常可具有大约100至800微米的直径，不过煤粉可具有更小的直径，例如50微米或更小的数量级。传统的干燥煤颗粒的方法(包括离心和加热技术)可以容易地将这些煤“粉”干燥至大约30％的水分。除此之外，干燥煤粉的方法通常采用吹风机和加热器，这些需要资本密集的投资，需要使用大量的能源并且从能源使用和煤粉的烟雾化产生环境问题和危害。
概述
本公开的实施方案提供通过采用容易与煤粉分离(例如通过筛分或筛选)的集水材料(如分子筛、吸附水的聚合物试剂、干燥剂等)来干燥湿煤粉的方法和组合物。这些材料可以通过物理和/或化学作用从湿煤粉除去所有或一部分水。例如，所述集水材料可以通过吸着作用(例如吸收或吸附)从湿煤粉汲取水。在本文中的方法和组合物的实施方案中，用于从煤粉收集水的材料可以循环和/或再次使用，从而在从集水材料除去一些或所有水之后干燥更多的煤粉。
附图简述
图1示出用于从六批煤粉吸附水的一批分子筛的重量。分子筛的重量在干燥每批煤粉之后测定并且在整个干燥过程的指定时间定时称量
详细描述
本文中描述的实施方案利用可从湿煤粉收集水分的集水材料，如吸附剂和吸收剂。有利的是，这些材料可以有效地从煤粉收集水分，并且随后可与煤粉分离，以便减少与煤粉相关联的水的量。在一些实施方案中，随后集水材料可以与煤粉分开干燥。与其它干燥湿煤粉的方法相比，所述方法可以提供一种或多种希望的益处，如降低时间、能量、成本和/或不利的环境影响中的一种或多种。此外，本公开的实施方案可以大大减少吹风机产生的可以造成健康、火灾和爆炸危害的煤粉烟雾。
虽然本文中描述的实施方案不需要干燥和再次使用这些集水材料，但是许多这些材料可以有效地与煤粉分开干燥并且再使用一次或多次。本文中描述的实施方案因此采用干燥并且再次使用集水材料，如吸收剂和吸附剂。在其它实施方案中，可以丢弃所有或一部分所述集水材料，例如在吸收剂降解并且不能有效地与煤粉分离时。在一个实施方案中，通过筛分或筛选分离集水材料颗粒，从而除去可能比煤粉颗粒大但是比希望用于处理湿煤粉小的降解的颗粒。在其它实施方案中，在从煤粉除去水分中使用的一些或所有吸收剂材料可以是可生物降解的。
集水材料也可以与水结合从而引起水与材料而不是煤粉相关联。
1.0从煤粉除去水分
煤粉可以通过任何一种或多种已知技术与开采/回收过程中使用的大体积的水(当煤粉沉降或被过滤或离心出混悬水溶液时超过与煤粉相关联的水)分离。这些技术包括但不限于一种或多种过滤(例如基于重力的过滤或离心力、压力或真空辅助的过滤)、沉降、离心等，这些可以单独使用或组合使用。其它量的水可以任选地通过第二轮这样的处理从煤粉除去。
在除去大体积的水的一个或多个分离步骤之后，湿煤粉随后与集水材料或不同类型集水材料的组合的颗粒(例如吸收剂或吸附剂的颗粒)混合，以进一步减少与粉末相关联的水的量。在一个实施方案中，集水材料颗粒大得足以通过尺寸(例如用适当尺寸的滤网或筛网筛选)与煤粉分离。在各种实施方案中，为了有助于其干燥，将湿煤粉与一种或多种类型的集水材料(包括但不限于分子筛、能水合的聚合物颗粒(例如聚丙烯酸酯或羧甲基纤维素/聚酯颗粒)或干燥剂(例如硅酸盐))混合。各种集水材料吸附、吸收或与存在于煤粉中的水反应的速率可能受温度的影响。每种类型的集水材料对于它们从煤粉蓄积水的速率可能具有不同的最佳温度。在一些情况下，如同分子筛，加热/加温分子筛与煤粉或使分子筛与煤粉混合之前立即加热/加温分子筛可以增加水变为与分子筛相关联的速率。在其它实施方案中，诸如氧化铝颗粒等材料在室温下(例如约20-25℃)可以合适的速率从煤粉蓄积水。随后可以用多种方法从煤粉除去含有原先与煤粉相关联的水的集水材料。
1.1使用分子筛作为吸附剂来减少煤粉的含水量
分子筛是用作气体和液体吸附剂的含有精确和均一尺寸的小孔(孔径通常为约3至约10埃)的材料。不希望受任何理论束缚，一般来讲足够小到通过小孔的分子被吸附而大的分子不能进入小孔。分子筛不同于普通过滤器在于它们在分子水平上操作。例如，水分子可能小得不足以通过而气体中的更小的分子通过。因此，它们往往起干燥剂的作用。一些分子筛可以吸附其干重的高达22％的水。分子筛往往由铝硅酸盐矿物质、粘土、多孔玻璃、微孔炭、沸石、活性炭(活性木炭或活性碳)或具有小分子(如氮气和水)可以扩散通过或进入的开放结构的合成化合物组成。在一些实施方案中，所述分子筛是铝硅酸盐矿物质(例如红柱石、蓝晶石、硅线石或富铝红柱石)。在其它实施方案中，所述分子筛包含约10％、20％、30％、40％、50％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、98％、99％或更多(基于重量)的铝硅酸盐矿物质。在一些实施方案中，包括其中分子筛包含铝硅酸盐矿物质的那些实施方案，分子筛颗粒可能含有其它矿物质，这些锆或钛的氧化物可增强诸如强度和耐磨等特性(例如氧化锆加强型铝硅酸盐或氧化铝-钛酸盐-富铝红柱石复合物)。在一些实施方案中，所述分子筛是3埃分子筛(例如来自DeltaEnterprises，Roselle，Illinois的具有2.5-4.5mm珠粒尺寸和14lb压碎强度的MS3A4825分子筛)或4埃分子筛(例如来自DeltaEnterprises，Roselle，Illinois的具有2.5-4.5mm珠粒尺寸和18lb压碎强度的MS4A4810分子筛)。
可以单独采用或组合采用多种分子筛来从煤粉除去水或水分。在一个实施方案中，分子筛可以选自铝硅酸盐矿物质、粘土、多孔玻璃、微孔炭、沸石、活性炭或具有小分子(如氮气和水)可以扩散通过或进入的开放结构的合成化合物。在其它实施方案中，分子筛可以选自铝硅酸盐矿物质、粘土、多孔玻璃或沸石。
可以有利地采用具有大得足以吸入水分子但是小得足以防止任何煤粉进入分子筛颗粒的小孔的分子筛。硬化分子筛或分子筛或那些具有特别硬的壳的分子筛在本文中描述的方法是有用的，因为这些分子筛不会容易地损耗并且可以在除去水分之后再次使用。
在一些实施方案中，分子筛颗粒的直径大于1、1.25、1.5、1.75、2.0、2.25或2.5mm并且小于约5mm或10mm。在其它实施方案中，分子筛颗粒的直径大于约12、14、16、18、20、22、24或26mm并且小于约28、30或32mm。当与具有过多水分(湿煤粉)的湿煤粉混合时，分子筛快速地从煤粉汲取水分。因为筛比煤粉大(例如直径超过一毫米)，筛和煤粉的混合物可以轻轻地在细网目栅格上弹跳，干煤粉可以在此与分子筛分离。分离的分子筛可能有点灰尘并且在其吸收水之后可能携带极少量的煤粉。一旦分离，可以将分子筛通过加热器(在其中干燥)并且除去足够的水分从而如果希望允许其再次使用。因此，所述分子筛可以在闭环系统中采用，它们在其中与煤粉混合，在它们除去水/水分(干燥)之后与煤粉分离并通过加热器且再次使用。在干燥分子筛期间需要最小量的搅拌。
1.2使用能水合的聚合材料来减少煤粉的含水量
可以采用能水合的聚合材料或包含一种或多种能水合的聚合物的组合物来减少煤粉的含水量(例如聚丙烯酸酯或羧甲基纤维素/聚酯颗粒/珠粒)。
在一个实施方案中，所述能水合的聚合材料是聚丙烯酸酯(例如聚丙烯酸的钠盐)。由于聚丙烯酸酯聚合物吸收高达其在水中的重量的400％，所以其是在多种商品(如婴儿尿布)中采用的超级吸收剂。聚丙烯酸酯可以作为半透明的凝胶或雪白色颗粒形式购买到。合适的量的聚丙烯酸聚合物(聚丙烯酸酯)足以从煤粉中吸附可以与煤粉混合的希望的量的水，从而快速干燥煤。聚丙烯酸酯(溶胀成颗粒或“小球”)可以在合适尺寸的过滤器或筛网上与煤粉分离。可以将所述颗粒或“小球”丢弃或通过使用任何合适的方法(直接加热、通过暴露于微波能量下加热等)干燥循环使用。
能水合的聚合物(包括聚丙烯酸酯聚合物)的特性可以根据用来干燥煤粉的方法的特性而变化。本领域技术人员将认识到，所述特性(凝胶强度、吸水能力、生物降解能力等)通过制备能水合的聚合物中采用的交联类型和程度来控制到了相当程度。本领域技术人员也将认识到，可能希望使交联度与干燥煤粉使用的方法的机械力度和(如果有)打算在干燥煤粉批次中再次使用颗粒中次数匹配。通常使用更多的交联聚合物(其通常是在机械上更稳定/坚硬的)将允许其在机械力度更强的方法中使用以及更多的再次使用颗粒。
在另一个实施方案中采用的能水合的聚合物组合物是羧甲基纤维素(CMC)和聚酯(例如自TexasTerraCeramicSupply，MountVernon，TX购得的CMC胶)的组合。这些组合物或其它超级吸附剂能水合的聚合物可用于以类似于上述分子筛或聚丙烯酸酯聚合物组合物的方式从煤粉除去水。
1.3使用干燥剂来减少煤粉的含水量
在其它实施方案中，干燥剂被用作集水材料来干燥煤粉。可以采用多种干燥剂来减少煤粉的含水量，包括但不限于二氧化硅、氧化铝和硫酸钙(Drierite，W.A.HammondDrieriteColLtdXenia，OH)和类似的材料。类似于上述组合物，干燥剂可用于以类似于上述分子筛或聚丙烯酸酯聚合物组合物的方式从煤粉除去水。
在一些实施方案中，干燥剂材料由活性氧化铝组成，活性氧化铝是一种有效吸收水的材料。不希望受任何理论束缚，活性氧化铝作为干燥剂的效率基于活性氧化铝大的和高亲水性表面积(数量级为200m2/g)和水对活性氧化铝表面的吸引(结合)。涵盖了其它具有高亲水性表面积的材料，例如具有亲水性表面和大于50m2/g、100m2/g或150m2/g的表面积的材料。在一些实施方案中，所述干燥剂包含约10％、20％、30％、40％、50％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、98％、99％或更多(基于重量)的氧化铝。
活性氧化铝是能够承受明显的磨损的非常硬的耐用陶瓷，然而，活性氧化铝的耐磨性和机械特性可以通过向包含氧化铝的集水材料颗粒中引入其它材料来提高。在一些实施方案中，包含氧化铝的干燥剂可以含有约0.5％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％或更多的其它矿物质，这些锆或钛的氧化物可增强诸如强度和耐磨等特性(例如氧化锆氧化铝或氧化锆加强型氧化铝ZTA)。
1.4集水材料颗粒
如上所述，在系统中可以采用多种集水材料来从湿(或湿润)煤粉除去水。这些集水材料包括吸收水的那些集水材料、吸附水的那些集水材料以及结合或与水反应的那些集水材料。通常所述集水材料是可以具有适于与湿(或湿润)煤粉形成混合物并且能够被回收的任何形状的颗粒的形式。这些颗粒可以是不规则的形状或具有规则的形状。颗粒为不规则的形状时，它们实际上可以是任何形状。在一个实施方案中，可以采用通常或大体上为球形或通常或大体上为扁球形或扁长形的颗粒。除了诸如二十面体颗粒、立方颗粒等的正多边形之外，合适的颗粒形状也包括圆柱形或圆锥形颗粒。在使用和再次使用期间，颗粒可能被磨损而改变其形状。
本文中所述的在从煤粉除去水(例如减少含水量)的方法和系统中使用的颗粒可以具有多种尺寸。在一个实施方案中，集水材料是颗粒的形式时，颗粒的平均尺寸比煤粉的平均尺寸大至少2、3、4、6、7、8、9、10、12、14、16、18、20、25或30倍，通常在100至800微米范围内。在一个实施方案中，尺寸中的差异基于颗粒和煤粉的最大维度的平均尺寸的差异。
集水材料颗粒(包括球形或大体上球形的那些)的平均直径(或最大维度)可以是至少1、至少1.25、至少1.5、至少1.75、至少2.0、至少2.25、至少2.5mm或至少4mm，其中所述平均直径(或最大维度)小于约5mm、7.5mm、10mm或15mm。在另一个实施方案中，所述系统可以采用平均直径(或最大维度)大于约4、5、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24或26mm并且小于约28、30或32mm的颗粒。
在颗粒具有不规则形状或不是球形或大体上球形的实施方案中，它们的最大维度可以是至少1、至少1.25、至少1.5、至少1.75、至少2.0、至少2.25、至少2.5mm或至少4mm并且小于约5mm、7.5mm、10mm或15mm。在另一个实施方案中，本文中描述的方法和系统可以采用最大维度大于约4、5、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24或26mm中的一个并且小于约28、30或32mm中的一个的不规则或非球形颗粒。
在一个实施方案中，所述集水材料是干燥剂，如活性氧化铝干燥剂，其被制造成多种形式。在一些实施方案中，用于集水材料的干燥剂颗粒(可以是球形或大体上球形)的直径大于约1、1.25、1.5、1.75、2.0、2.25或2.5mm并且小于约5mm或10mm。在其它实施方案中，所述干燥剂颗粒的平均直径或最大维度大于约4、5、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24或26mm并且小于约28、30或32mm。在一组实施方案中，所述干燥剂颗粒是直径(例如平均直径)在那些尺寸范围中的球体(或大体上球形)。在其它实施方案中，所述干燥剂颗粒是直径尺寸达到或约6mm的球体(或大体上球形)。在其它实施方案中，所述干燥剂是由氧化铝组成的球形或大体上球形的颗粒，其尺寸在选自约2mm至约4mm、约4mm至约8mm、约8mm至约16mm、约16mm至约32mm、约5mm至约10mm、约8mm至约20mm和约16mm至约26mm的范围中。在又一些其它实施方案中，所述集水材料是球形或大体上球形的氧化铝颗粒，其平均直径为约4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30或32mm。
2.0通过尺寸和/或磁性方法分离
可以通过包括过滤、筛分或筛选或使用气体流从较大和/或较重的颗粒集水材料带走煤粉的任何合适的技术将集水材料与煤粉分离。
集水材料包含能够被磁体吸引或对磁体吸引敏感的材料时，所有类型的集水材料(例如分子筛、干燥剂或能水合的聚合物)的分离也可以使用磁性分离设备来完成。使集水材料变得能够被磁体吸引的材料包括磁性材料和铁磁性材料(例如铁、钢或钕-铁-硼)。集水材料只需要包含允许其与煤粉分离的足够的磁性材料。除了别的以外，允许集水颗粒与煤粉分离采用的磁性材料的量将根据磁体强度、颗粒尺寸和待收集颗粒的煤粉床层的深度等发生变化。磁性材料的量可以大于约集水材料干重总重量的约10％、20％、30％、40％、50％、60％、65％、70％、75％、80％、85％或90％。在一些实施方案中，磁性材料为铁或含铁材料，如钢。
与采用的使集水材料变得对磁性收集敏感的磁性材料无关，磁性材料可以作为在所述集水材料内部的固体芯或分散颗粒或层布置在所述集水材料中。采用分散的颗粒时，它们可以均匀分布在整个集水材料中。在一个实施方案中，所述磁性材料包含在形成将被烧成陶瓷类型材料的小粒之前与集水材料(如氧化铝或富铝红柱石)混合的含铁颗粒。在又一些其它实施方案中，所述集水材料可以含有使所述颗粒变得对磁体吸引敏感的材料层(例如铁或钢)。可以用作集水材料的磁性氧化铝颗粒的实例可以在颁发给Pollock的标题为Iron-containingrefractoryballsforretortingoilshale的美国专利号4,438,161中找到。
3.0分离系统和方法
本公开还包括并且提供用于从湿煤粉除去水的系统和方法。本文中描述的系统和方法可以采用任何上述的用于从煤粉除去水的集水材料或集水材料颗粒。如上所述，所述集水材料可包含分子筛、能水合的聚合物或干燥剂。同样如上所述，不考虑集水材料颗粒的类型、尺寸和形状，所述颗粒还可包括使颗粒变得对磁体吸引敏感从而有助于颗粒从煤粉的磁性分离的材料。
在一个实施方案中，这些系统和方法包括：
第一位置，所述湿煤粉在其中与至少一种集水材料混合形成湿煤粉和所述集水材料的混合物，和
第二位置，所述集水材料的至少一部分在其中被从所述混合物除去。
在一个实施方案中，所述第二位置被构造成提供基于尺寸的分离。在另一个实施方案中，所述第二位置被构造成提供选自由过滤、筛分或筛选和/或使用气体流从较大和/或较重的集水材料带走煤粉组成的组的处理。
所述第二位置还可以被构造成提供集水材料与所述煤粉的磁性分离。可以采用单独的磁性分离或与过滤、筛分或筛选以及使用气体流将煤粉与集水材料颗粒分离的任一种或多种相结合的磁性分离。
用于从煤粉收集水的系统和方法可以进一步包括第三位置，水的至少一部分在其中被从所述集水材料除去。此外，所述系统可以进一步包括用于将从所述第三位置获得的所述集水材料的至少一部分输送回到所述第一位置与湿煤粉混合。使用具有对磁性吸引敏感的材料的颗粒时，这些输送系统还可以包括磁性输送设备。
在一个实施方案中，在形成煤粉与集水材料的混合物的步骤之后，所述组合物中的至少25％的水(以重量计)与所述集水材料相关联。在其它实施方案中，与所述集水材料相关联的水的量以重量计为至少30％、至少35％、至少40％、至少45％、至少50％、至少55％、至少60％、至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％或至少90％。
实施例1
将含水量为30重量％的煤粉(15g)与孔径为3埃(15g，来自DeltaAdsorbents的产品MS3A48252.5-4.5mm珠粒大小，DeltaAdsorbents是DeltaEnterprises，Inc.，Roselle，Illinois的分公司)的分子筛混合约60分钟从而将煤粉干燥至水分＜5重量％。通过筛选将煤粉与分子筛分离之后，将分子筛称重并且在100℃烘箱中干燥。定时称量煤粉以测定驱除从煤粉吸收的水需要的时间长度。第一批煤粉的数据在图1中绘制。第二至第六批煤粉使用相同分子筛重复所述过程。图1中的图表示出在干燥第一至第六批煤粉之后的整个干燥过程的分子筛的重量测量结果。图1证明所述分子筛可以有效地再次使用。
实施例2
将含水量为30重量％的煤粉(15g)与聚丙烯酸酯聚合物(0.5gOnlineScienceMall，Birmingham，Alabama)混合约1分钟从而干燥煤粉至水分＜5重量％。轻轻筛选混合物从聚合物分离煤粉之后，回收分子聚丙烯酸酯聚合物颗粒用于干燥之后再次使用。
实施例3
将含水量为21重量％的煤粉(100g)与活性氧化铝珠(6mm直径，AGMContainerControls，Inc，Tucson，AZ)混合约10分钟，从而干燥煤粉至水分为约7重量％。轻轻筛选混合物从聚合物分离煤粉之后，回收活性氧化铝珠用于干燥之后再次使用。
由附加的权利要求书界定的本发明不受本文中公开的实施方案的范围限制。实际上，根据以上说明书本文中所示和所述的实施方案的各种改进对本领域技术人员将变得显而易见，并且因此应该认为在附加的权利要求书的范围之内。

Claims (12)

1.一种用于减少与湿煤粉相关联的水的方法，所述方法包括使所述湿煤粉与至少一种集水材料接触，其中存在于该混合物中的水的至少一部分变为与所述集水材料相关联；
在所述接触后，从所述煤粉分离所述集水材料的至少一部分；
干燥所述集水材料以从所述集水材料的所述部分除去所述水的至少一部分；和
再次使用从所述干燥步骤获得的集水材料以减少与湿煤粉相关联的所述水；
其中所述集水材料包括氧化铝。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述集水材料是颗粒的形式。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述颗粒的平均直径为至少1mm并且小于10mm。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述颗粒包含以重量计大于90％的氧化铝。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述分离包括基于尺寸的分离。
6.如权利要求1所述的方法，其中在通过所述集水材料收集水之后，与所述煤粉相关联的水的量以重量计小于10％。
7.一种用于从湿煤粉除去水的系统，其包括：
第一位置，所述湿煤粉在其中与至少一种集水材料混合形成湿煤粉与所述集水材料的混合物；
第二位置，所述集水材料的至少一部分在其中被从所述混合物除去；
第三位置，所述水的至少一部分在其中被从所述集水材料除去；和
用于输送从所述第三位置获得的所述集水材料的至少一部分的输送器，以允许从所述第三位置获得的所述集水材料的一部分与额外的湿煤粉混合；
其中所述系统通过混合从所述第三位置获得的所述集水材料的所述部分与额外的湿煤粉来再次使用所述部分；并且
其中所述集水材料包含氧化铝。
8.根据权利要求7所述的系统，其中在形成所述混合物的步骤之后，所述组合物中的水的至少25％(重量)与所述集水材料相关联。
9.根据权利要求8所述的系统，其中与所述集水材料相关联的水的量以重量计为至少45％。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述集水材料是颗粒的形式。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述颗粒的平均直径为至少1mm。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述颗粒包含以重量计大于95％的氧化铝。
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