JP4276281B2 - マイクロメートルサイズ又はナノメートルサイズ石炭材料の制御されたバッチを提供するための方法と処理 - Google Patents
マイクロメートルサイズ又はナノメートルサイズ石炭材料の制御されたバッチを提供するための方法と処理 Download PDFInfo
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Description
炭素は、通常、反応性の無いカラムに収容されるが、あるカラムや他の収容材には、またイオン交換活性が供される。これらのうちのいくつかはセラミック又はポリマ性である。活性炭素は、又、ニッケル、銅、パラジウム、ルテニウム、チタンを含む種々の金属触媒と使用することも可能である。フェノールやその他の化学物質を除去するために塩素がよく活性炭素と使用される。
本発明の別の課題は、制御された石炭材料の更なる処理のための機能化されキャラクタリゼーションされたフィードストックを提供する、マイクロメートルサイズ又はナノメートルサイズの石炭材料の制御されたバッチを提供することにある。
本発明の更に別の課題は、所望の所定範囲内において指定の物理又は化学パラメータを有するように構成された、マイクロメートルサイズ又はナノメートルサイズの石炭材料の制御されたバッチを提供することにある。
本発明の更に別の課題は、ミクロ化又はナノ化され、活性化された石炭材料を更なる処理のための前駆物質として利用するため、および/又は、従来技術の欠点を克服する下流側処理に於ける機能化のための方法とシステムと装置とを提供することにある。
本発明の更に別の課題は、ミクロ化又はナノ化され、活性化された石炭材料を更なる処理のための前駆物質として利用するため、および/又は、それらの下流側処理において追加の有利な特性を提供する下流側処理に於ける機能化のための方法とシステムと装置とを提供することにある。
(a)前記石炭材料の制御バッチの少なくとも1つの所望の物理パラメータおよび/又は化学パラメータを指定する工程、
(b)前記石炭材料の制御バッチの前記物理パラメータおよび/又は化学パラメータの所定範囲を指定する工程、
(c)以下のうち少なくとも1つにより、最終製品について前記指定された物理パラメータおよび/又は化学パラメータを得る際に使用する石炭材料のフィードストックバッチを得る工程:
1)炭素、水素、硫黄および酸素の組成について元素分析を行うこと、
2)灰分、揮発性物質、固定炭素分および水分のうち少なくとも1つについて近似分析を行うこと、
3)バルク純度測定を行うこと、
4)マセラル組成の測定を行うこと、
5)篩によるおよび/又は電子的な粒子サイズ測定により粒子サイズ選定を行うこと、
6)灰分融解温度の測定を行うこと、
7)灰分組成の測定を行うこと、
8)以上のいずれかの組合せ、そして、
(d)以下により、石炭材料のフィードストックバッチを処理して、前記少なくとも1つの指定された物理パラメータおよび/又は化学パラメータをその前記所定範囲で有する石炭材料の前記制御バッチを得る工程:
1)石炭材料のフィードストックバッチを、不要な材料を排除する選鉱工程に導入することにより、選鉱材料を作ること、
2)前記選鉱材料を、以下のいずれかの工程に導入すること、
a)石炭材料のフィードストックバッチにおける粒子を標的平均粒子サイズに濃縮することにより、直接分級された材料を作る直接分級工程、又は
b)石炭材料のフィードストックバッチに対する粒子サイズ縮小および/又は粒子成形を行うことにより、縮径を行う縮径工程、
3)前記直接分級工程に選鉱材料が導入された場合、直接分級された材料を、石炭材料の前記制御バッチの物理パラメータおよび/又は化学パラメータを測定するキャラクタリゼーション工程に進めること、並びに
4)前記縮径工程に選鉱材料が導入された場合、
(i)縮径された材料を、大径の粒子から汚染物質および/又は新たに遊離した内在不純物を削減又は除去するための精製工程に進めることにより、精製された材料を作り、
(ii)前記精製された材料を、その粒子を標的平均粒径に濃縮する分級工程に進めることにより、分級された材料を作り、
(iii)前記分級された材料を、石炭材料の前記制御バッチの物理特性および/又は化学特性を測定するためのキャラクタリゼーション工程に進めること。
(a)前記石炭材料の制御バッチのパラメータとして粒径を指定する工程;
(b)前記石炭材料の制御バッチの粒径パラメータの所定範囲を指定する工程;
(c)石炭材料の第1フィードストックバッチを得る工程;
(d)前記石炭材料の前記第1フィードストックバッチを処理して、石炭材料の第2フィードストックバッチを得る工程、この処理工程は以下を有する:
1)以下の工程からなる縮径:
i)流動床ジェットミルを提供する工程;
ii)前記石炭材料の制御されたバッチを、二重フラップバルブ、インジェクタ又はこれらの組合せを介して、前記流動床ジェットミルの共通ハウジングに導入する工程;および
iii)前記流動床ジェットミルの乱流自由噴流を使用してこの流動床ジェットミルの粉砕ゾーンにおいて石炭のフィードストックバッチの粒子を加速することにより、粒子を衝突させ、破壊し、縮径粒子を形成する工程;並びに
2)以下の工程からなる分級:
i)前記流動床ジェットミルを備えた共通ハウジング内に位置するロータを有する高効率遠心空気分級器を提供する工程;
ii)縮径粒子を前記分級器の分級ゾーンにさらす工程;
iii)ロータの速度に応じて、縮径粒子がロータを通過することを可能にすることにより、所定粒径パラメータをその所定範囲で有する前記石炭材料の制御バッチを作る工程;そして
(e)水平ディスクミルを使用して石炭材料の前記第2フィードストックバッチを処理し、指定された粒径パラメータをその指定された範囲で有する石炭材料の制御バッチを得る工程。
例えば、1つの好適で非限定的な実施例において、石炭材料の前記フィードストックバッチがマイクロメートルサイズ又はナノメートルサイズの石炭材料である場合、前記処理工程は、少なくとも一部の前記マイクロメートルサイズ又はナノメートルサイズの石炭材料において、前記少なくとも1つの物理および/又は化学パラメータを測定する工程を含む。一旦このパラメータが測定されると、前記方法は、好ましくは、前記マイクロメートルサイズ又はナノメートルサイズの石炭材料を濃縮して前記所望範囲内で前記所望の物理又は化学パラメータを得る追加工程を有することができる。この濃縮工程は、様々な態様のものとすることができる。例えば、前記マイクロメートルサイズ又はナノメートルサイズの石炭材料は、(1)重力分離、(2)フロスフロック形成(froth flocculation)、(3)カラム浮選(column flotation)、(4)選択凝集、(5)選択フロック形成(flocculation)、又はこれらの任意の組み合わせ、によって濃縮することができる。
本発明は、キャラクタリゼーション・縮径・分級・分析又はその他の処理工程によって、前記方法が所望の粒径分布を達成するために使用されることを可能にする。従って、一実施例において、本発明は、指定された粒径分布を有するマイクロメートルサイズ又はナノメートルサイズのアンスラサイト及びその他の石炭材料を供給し、そして、この石炭材料の制御されたバッチも、その他の物理的および/又は化学的特性を備えるべく処理又はキャラクタリゼーションすることができる。従って、更なる処理及び利用のために、最終製品の効用性と性能は向上される。
上述したように、もう一つの所望の物理特性はマイクロメートルサイズ又はナノメートルサイズ石炭材料の表面積とすることができる。たとえ表面積測定のBET法がそれ自身欠点があるものであっても、それは、マイクロメートルサイズ及びナノメートルサイズ石炭材料の比表面積の測定に関して利用可能である。一般に、粉体又は多孔性材料の比表面積の制御は、吸着材としてのそれらの潜在的利用性の決定において主要な役割を演じる。典型的な市販の吸着製品は、500−2000m2g−1の範囲のBET測定表面積を有するが、それよりも遥かに大きなBET面積を有する「超活性炭素(super active carbon)」を製造することは技術的により困難である。具体的には、超活性炭素(2,000m2g−1以上)の表面積を有する活性炭素)は、これらの大きなBET面積を達成するために、比表面積制御、を含む高度な製造方法の使用を必要とする。
本発明の方法は、最終製品の効用性と性能とを高める、指定設計粒子形状を示す石炭材料の制御されたバッチを得ることに関連して使用することができる。従来技術に関しては、粉砕石炭について形状要件も粒子形状基準も現時点においては存在していない。しかしながら、本発明は、粒子形状が重要な物理特性であるかもしれないことを認識している。例えば、このような要望に合わせた(tailored)パラメータは、粒子対粒子の接触密度効果反応率(contact intimacy effecting reaction rates)・粒子間結合能力・バルクパッキング密度等の決定、に使用することが可能である。粒径の影響を除いて、粒子形状によってバルク石炭粉体の流動性に影響を与えることができる。図4−6は、それぞれ#9のマイクロメートルサイズアンスラサイト石炭のバッチと、#18のマイクロメートルサイズアンスラサイト石炭のバッチと、#37のマイクロメートルサイズアンスラサイト石炭のバッチと、の走査型電子顕微鏡写真であって、これらはすべて粒子形状分析を示している。
本発明の方法を使用して制御し提供することが可能なもう一つの特性は粒子表面積である。材料の表面積を増大させる1つの効率的な方法は、その粒径を減少させることである。表面積を増大させるもう1つの方法は、材料を空隙又は空間で満たすことである。アンスラサイトやその他の石炭は非常に大きな内部粒子孔構造を有するので、一実施例において、大幅に増大された表面積を有する材料を作り出すべく、マイクロメートルサイズ又はナノメートルサイズのアンスラサイトや他の石炭材料を製造することが有用である。これにより、これらのマイクロメートルサイズ及びナノメートルサイズ石炭材料は、活性炭素、触媒及び触媒担体材料等の用途のための理想的な前駆物質となるであろう。更に、これらの石炭材料は、それらのサイズ、組成及び構造により、たとえ追加の機能化又は処理無しでも、上述した用途において「そのままの価値(as-is value)」を有するものとなるであろう。石炭は比較的豊富な資源であり、又その価格により、触媒・分子篩・カーボンブラック・ガス化原料及びその他多くの用途において、但しミクロン又はナノメートルサイズの領域において、「経済的な」代替製品を製造するための理想的な原材料である。表4は、本発明の方法を使用して達成されるいくつかの制御され規定された表面積を示している。
S(r)=6×103/ρd 直径(d)の球
S(r)=6×103/ρa 辺(a)の立方体
ここで、長さパラメータa及びdはナノメートル単位であり、密度 ρはg/cm3の単位である。
更に別の望ましいパラメータはバルク純度であるかもしれない。バルク純度を決める最終製品の要件は、更なる処理における意図される最終利用によって異なるであろう。ベリリウムの上の周期表における元素の検出及び定性的化学分析のためにはエネルギー分散方式又はX線分光法を使用することが可能である。この技術は、投入される原材料の認定、最終製品の縮径、精製処理の認定を構成し制御するために使用することが可能である。
更に別の望ましいパラメータは、石炭材料の制御されたバッチの化学組成である。この組成の分析は、非金属及び金属内在性不純物の濃度測定のための原材料カスタマイゼーション処理に組み込むことができる。これらの不純物は、投入原材料 (既存の不純物)として導入されたものである。最終製品要件は、意図される用途に応じて異なったものとなるであろう。誘導結合プラズマ-光学発光分光法(ICP−OES)を周期律表の少なくとも70の元素の検出と定性的化学分析との両方に使用することができる。得られる生産物の所望の特性を最適化するために、指定的に選択されるそれらの化学的(及び場合によっては物理的)特性に対してカスタマイズされる元の(parent)石炭材料を効果的に選択し同定するために、供給原料カスタマイゼーションを利用することが可能である。これにより続いて付加的な縮径が起こる。
本発明の方法によれば、新しい材料科学によって必要となるであろう、より精密な材料プロファイルによる効果的で斬新な原料キャラクタリゼーションが可能となる。今日のより高度な用途は、石炭の燃料としての利用と燃料以外としての利用との両方に対してより高い性能を要求している。従って、特定の用途の必要性に対して石炭をキャラクタリゼーションするためにより有意義な化学的情報の必要性が生じてきている。図7は、全てのマイクロメートルサイズ又はナノメートルサイズの石炭が同じというわけではないというとをはっきりと示している。例えば、高い灰分濃度に対してより許容性のある、又は、最大触媒活性のために特定の濃度を必要とする用途では、#18.5μm含有低灰分に対して#9μのほうがより望ましいものとなるであろう。これらの特別設計された製品が従来の粉砕石炭製品と異なる点は、粒子形状・表面純度等(物理及び化学特性)と共に、平均サイズと灰分含有率を制御できる能力にある。
上述したように、最終製品又は用途の要件に基づいて、本発明は、更に、石炭材料の制御されたバッチの検定を提供する。この発明は、ロットにおけるマイクロメートルサイズおよび/又はナノメートルサイズ最終製品の要約を含む。ロット製品検定シートの具体例が図9及び図10に図示されている。図9は、#5.0(3−7μ)マイクロメートルサイズのアンスラサイト石炭製品のロット検定例であり、図10は、#5.0(3−7μ)マイクロメートルサイズのアンスラサイト石炭製品の、化学元素分析、灰分及びマセラル組成の製品検定例である。この情報は、各最終製品ユーザ毎にカスタマイズすることができる。新規な製品コンセプトは、現在のキャラクタリゼーション技術とその中でデータを報告するためのフォーマットを必要とする。
Claims (18)
- ナノメートルサイズの石炭材料の制御されたバッチを提供する方法であって、以下の工程を有する方法:
(a)前記石炭材料の制御バッチの少なくとも1つの所望の物理パラメータおよび/又は化学パラメータを指定する工程、
(b)前記石炭材料の制御バッチの前記物理パラメータおよび/又は化学パラメータの所定範囲を指定する工程、
(c)以下のうち少なくとも1つにより、最終製品について前記指定された物理パラメータおよび/又は化学パラメータを得る際に使用する石炭材料のフィードストックバッチを得る工程:
1)炭素、水素、硫黄および酸素の組成について元素分析を行うこと、
2)灰分、揮発性物質、固定炭素分および水分のうち少なくとも1つについて近似分析を行うこと、
3)バルク純度測定を行うこと、
4)マセラル組成の測定を行うこと、
5)篩によるおよび/又は電子的な粒子サイズ測定により粒子サイズ選定を行うこと、
6)灰分融解温度の測定を行うこと、
7)灰分組成の測定を行うこと、
8)以上のいずれかの組合せ、そして、
(d)以下により、石炭材料のフィードストックバッチを処理して、前記少なくとも1つの指定された物理パラメータおよび/又は化学パラメータをその前記所定範囲で有する石炭材料の前記制御バッチを得る工程:
1)石炭材料のフィードストックバッチを、不要な材料を排除する選鉱工程に導入することにより、選鉱材料を作ること、
2)前記選鉱材料を、以下のいずれかの工程に導入すること、
a)石炭材料のフィードストックバッチにおける粒子を標的平均粒子サイズに濃縮することにより、直接分級された材料を作る直接分級工程、又は
b)石炭材料のフィードストックバッチに対する粒子サイズ縮小および/又は粒子成形を行うことにより、縮径を行う縮径工程、
3)前記直接分級工程に選鉱材料が導入された場合、直接分級された材料を、石炭材料の前記制御バッチの物理パラメータおよび/又は化学パラメータを測定するキャラクタリゼーション工程に進めること、並びに
4)前記縮径工程に選鉱材料が導入された場合、
(i)縮径された材料を、大径の粒子から汚染物質および/又は新たに遊離した内在不純物を削減又は除去するための精製工程に進めることにより、精製された材料を作り、
(ii)前記精製された材料を、その粒子を標的平均粒径に濃縮する分級工程に進めることにより、分級された材料を作り、
(iii)前記分級された材料を、石炭材料の前記制御バッチの物理特性および/又は化学特性を測定するためのキャラクタリゼーション工程に進めること。 - 前記所望の物理パラメータは粒径分布である請求項1に記載の石炭材料の制御されたバッチを提供する方法。
- 前記所望の物理パラメータは、平均粒径・中位粒径・粒子モード径・粒子平均:中位比率・最大粒径・最小粒径又はそれらの組み合わせである請求項2に記載の石炭材料の制御されたバッチを提供する方法。
- 前記指定された物理パラメータは粒子形状である請求項1に記載の石炭材料の制御されたバッチを提供する方法。
- 前記指定された物理パラメータは粒子表面積である請求項1に記載の石炭材料の制御されたバッチを提供する方法。
- 前記所定範囲は約2000m2/g以上である請求項5に記載の石炭材料の制御されたバッチを提供する方法。
- 前記指定された化学パラメータはバルク純度である請求項1に記載の石炭材料の制御されたバッチを提供する方法。
- 前記指定された化学パラメータは化学組成である請求項1に記載の石炭材料の制御されたバッチを提供する方法。
- 前記化学組成は、灰分含有率・硫黄含有率・岩石含有率・不純物含有率又はそれらの組み合わせである請求項8に記載の石炭材料の制御されたバッチを提供する方法。
- 前記石炭材料のフィードストックバッチは、廃材石炭・マイクロメートルサイズ石炭材料・ナノメートルサイズ石炭材料・粉砕石炭材料・アンスラサイト・リグナイト・亜瀝青炭・瀝青炭又はそれらの組み合わせである請求項1に記載の石炭材料の制御されたバッチを提供する方法。
- 前記石炭材料のフィードストックバッチは、約300ミクロン〜約500ミクロン、メッシュサイズ、メッシュサイズ以上の範囲の、バックウィート・バックウィートNo.4・バックウィートNo.5、又はそれらの組み合わせである請求項1に記載の石炭材料の制御されたバッチを提供する方法。
- 前記縮径工程は、以下の使用:
ジョークラッシャ・ジャイレータラッシャ・回転インパクタ・自生粉砕ミル・スタンプミル・回転クラッシャ・大型パックミル・パンミル・ハンマーミル・ロッド装填回転ミル・超ロテータ・リングロール又はボールミル、ボール装填回転ミル・振動ミル・パックミル・流体エネルギーミル・コロイドミル・水平ディスクミル・高エネルギピンミル・回転ブレーカ又はこれらの任意の組み合わせ、を含む請求項1に記載の石炭材料の制御されたバッチを提供する方法。 - 前記精製工程は以下:
(i)化学的消化法、(ii)少なくとも1つの選択された構成成分の削減、(iii)少なくとも1つの処理汚染物の除去、(iv)酸処理、又はこれらの組み合わせ、
を含む請求項1に記載の石炭材料の制御されたバッチを提供する方法。 - 前記石炭材料のフィードストックバッチは廃材石炭である請求項1に記載の石炭材料の制御されたバッチを提供する方法。
- 更に、前記石炭材料の制御されたバッチを活性化する工程を有する請求項1に記載の石炭材料の制御されたバッチを提供する方法。
- 前記活性化工程は、スチーム活性化・化学活性化・触媒活性化又はこれらの組み合わせを含む請求項15に記載の石炭材料の制御されたバッチを提供する方法。
- 更に、前記石炭材料の制御されたバッチを少なくとも1つの許容基準に従って認証する工程を有する請求項1に記載の石炭材料の制御されたバッチを提供する方法。
- マイクロメートルサイズ又はナノメートルサイズの石炭材料の制御されたバッチを提供する方法であって、以下の工程を有する方法:
(a)前記石炭材料の制御バッチのパラメータとして粒径を指定する工程;
(b)前記石炭材料の制御バッチの粒径パラメータの所定範囲を指定する工程;
(c)石炭材料の第1フィードストックバッチを得る工程;
(d)前記石炭材料の前記第1フィードストックバッチを処理して、石炭材料の第2フィードストックバッチを得る工程、この処理工程は以下を有する:
1)以下の工程からなる縮径:
i)流動床ジェットミルを提供する工程;
ii)前記石炭材料の制御されたバッチを、二重フラップバルブ、インジェクタ又はこれらの組合せを介して、前記流動床ジェットミルの共通ハウジングに導入する工程;および
iii)前記流動床ジェットミルの乱流自由噴流を使用してこの流動床ジェット ミルの粉砕ゾーンにおいて石炭のフィードストックバッチの粒子を加速することにより、粒子を衝突させ、破壊し、縮径粒子を形成する工程;並びに
2)以下の工程からなる分級:
i)前記流動床ジェットミルを備えた共通ハウジング内に位置するロータを有する高効率遠心空気分級器を提供する工程;
ii)縮径粒子を前記分級器の分級ゾーンにさらす工程;
iii)ロータの速度に応じて、縮径粒子がロータを通過することを可能にすることにより、所定粒径パラメータをその所定範囲で有する前記石炭材料の制御バッチを作る工程;そして
(e)水平ディスクミルを使用して石炭材料の前記第2フィードストックバッチを処理し、指定された粒径パラメータをその指定された範囲で有する石炭材料の制御バッチを得る工程。
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