JPH0745673B2 - 同時細分化および凝集による固体分離方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、細分化と凝集によって、固体をその疎液性構
成成分と親液性構成成分とに分離する技術に関する。

浄化または選別を目的として、親液性および疎液性の両
成分を、それら各成分へ分離したいことがよくある。こ
うした分離プロセスを最も煩雑に必要とするひとつの場
合は、石炭または石炭−水スラリーを選別し、その灰含
量を減じることにある。選別した石炭スラリーは燃料と
して使われ、発熱値の増大、低いイオン含有量、摩滅の
減少、および灰の取扱いとボイラーの定格減少の最小限
化という利点を有する。

これまでに確立された石炭浄化方法には、洗浄、重媒体
分離、浮選、さらには、もっと最新の「球状凝集法」が
ある。この最後の方式は、カナダ全国研究協議会（NRC
C）により開発されたもので、たとえば1982年２月９日
付でCapesらに与えられたカナダ特許第1,117,804号、名
称「石炭の選別用直列方法および同方法を用いたコール
・イン・オイル燃焼燃料の形成」などの文献に記されて
いる。現在のところ、この方法が、微細の石炭粒子を浄
化し回収する最良の方法と考えられている。

NRCC法を要約すれば、水媒体中の微細粉砕石炭を石油ま
たは炭化水素媒体と接触させ、次にこの混合物を強く混
合して石油を微細滴に細分化し、これらの微滴上に疎水
性の石炭粒子を凝集させる。親水性の灰成分は水中に残
される。この工程後の、一定の期間おだやかに攪拌し、
石油を結合液体として作用させながら、石炭−石油粒子
をより大きな球状塊に成長させる。次いでこれらの凝集
塊が、フルイ選別によって水相から分離される。カナ
ダ、ニューブルンズウィック州のチャタムで採掘された
高灰分（20％）ミント（Minto）炭を用いてNRCC法を検
討した結果、方法で灰を良好に分離するためには、石炭
をまず平均約10μｍのサイズへ細分化すなわち粉砕しな
ければならないことが示された。このため、攪拌媒体ミ
ルの後にボールミルを用い、条件に応じて灰を約10％に
まで減少させた。

従って、NRCC法を首尾よく動作させるのに必要な設備に
は、一般的に、粗粉砕ミル、微粉砕ミル、強力な高剪断
系、低剪断混合タンク、および分離フルイが含まれる。
このためNRCC法で高灰分右灰の細分化および凝集を行な
うには、多くの容器と多くの工程を必要とする。さら
に、粉砕は比較的効率の悪い作業である。つまりエネル
ギー消費が大きく、かなりのエネルギーがミルとその内
部の物質を移動させるのに浪費されている。実際のサイ
ズ減少には、そのエネルギーの一部だけでよい。

従って、たとえば混合、石炭−石油の接触および凝集の
各工程におけるエネルギーを利用し、上記粉砕エネルギ
ーの浪費を最小限化することが望ましい。しかし、ボー
ルミルなどほとんどの従来の粉砕装置では、ミルを通っ
て移動しない粘性のペースト状凝集塊が形成されるとい
う問題が生じる。

本発明者は、固体をその疎水性構成成分と親液性構成成
分とに分離することが望ましいプロセスにおいて、細分
化と凝集の両工程を確動的輸送能力をもつミル内で行な
うことにより、これら両方の作業を組み合わせることが
可能なことを見出した。これら二つの作業の組み合わせ
は、分離プロセスに必要なエネルギーおよび設備を減少
させる。

この明細書の目的上、確動的輸送能力をもつミルとは、
次に記すように理解すべきである。すなわち、凝集性の
混合物を輸送できるように可動のチャネルを有するミル
が、輸送能力をもつと称される。また、混合物をミルを
通して流れの方向に輸送し、重力を助長するようにチャ
ネルが配置されている場合、あるいは加圧送りを用いず
に、他の何らかの媒介物が混合物をミル内へ、およびそ
こから給油する場合に、その輸送が確動的と称される。

ミルは確動的な輸送能力を有するほか、高速の高剪断ミ
ルであることが好ましい。

一例として、好ましい高速、高剪断の確動的輸送ミル
は、ジェネラル・コミニューション社に1979年12月25日
付で与えられたカナダ特許、名称「凝集装置」に記載さ
れている。このミルは、当該分野で、スゼゴミル（Szeg
o Mill）として知られている。

本発明の広い視点によれば、少なくとも１成分が疎水性
で少くとも１成分が親液性の、２以上の成分を有する固
体を分離する方法が提供される。

本方法は、単一の工程として、成分が親液性で他の成分
が疎水性の第１液およびこの第１液と混合不能であって
疎水性成分を湿潤させる第２液中で固体の混合物を細分
化し、確動的輸送能力をもつミル内で疎水性成分と第２
液の凝集塊を形成する工程、およびその後凝集塊を混合
物から分離する工程から成る。一般に、分離すべき固体
の成分は疎水性と親水性の両方で、従って使用する２種
の液体は、水と、たとえば炭化水素または石油等、水と
混合不能であって疎水成分と湿潤し凝集する液体から成
る。

本発明の別の視点によれば、灰を含む石炭を選別する方
法が提供される。本方法は、単一の工程として、石炭、
水および石油の混合物を細分化し、灰と石炭の少くとも
一部を粒子の形状で分離するとともに、確動的輸送能力
をもつミル内で石炭粒子と石油の凝集塊を形成する工
程、およびその後凝集塊を混合物から分離する工程から
成る。

以下本発明を、添付の図面に示した例示としての実施例
を参照しながら、さらに詳しく説明する。

本発明の方法は、少くとも１種の疎液性成分と少くとも
１種の親液性成分とを有する鉱物または金属などの固体
を分離したい、どのような場合にも適用できる。分離に
用いる液体およびプロセスの動作パラメータは、分離す
べき個々の固体の特性に応じて変化する。ただし本方法
は、１成分が疎液性で他の成分が疎液性の第１液および
この第１液と混合不能であって疎液性成分を湿潤させる
第２液の中で固体を細分化することを含む。

通常使われる場合のように、各成分が親水性と疎水性で
あるならば、第１液は水であり、第２液は石油などの水
と混合不能な炭化水素であることが好ましい。

以下、本方法を石炭選別という好ましい実施例に従って
説明するが、本発明はこれに限定されるわけではない。

本方法が第１図に図式的に示してある。粒状の灰を含む
石炭が、水および石炭と一緒に確動的輸送能力をミル内
に送り込まれる。ミル内でこの混合物が細分化され、粒
状の灰成分を水相に解離するとともに、石油を含む石炭
の凝集塊を形成する。次いで凝集塊を含む混合物がミル
から取り出され、凝集塊が適当なメッシュのフルイで分
離されて、灰−水の流れと石炭−石油凝集塊製品を生ず
る。

確動的輸送能力をもつ例示のミルが、第２図、第３図に
示してある。このミルは当該分野でスゼゴミルとして知
られているので、簡単に説明する。ミル10は、内側の静
止円筒状粉砕面14を形成するハウジング12から成る。回
転組体16がハウジング12内に位置し、モータ（図示して
ない）によって回転駆動される中心シャフト18を有す
る。中心シャフト18には、上下駆動プレー22A,22Bがそ
れぞれキー止めされている。両駆動プレート22A,22B間
には、３個のラセン状溝付ローラ24が垂直方向に取付け
られている。各ローラ24はシャフト18に平行な軸を中心
に、プレート22A,22Bに対して自由に回転する。このた
め、ローラ24はプレート22A,22Bへ回転可能に接続され
た垂直シャフト26へ、粉砕面に対してフレキシブルに移
動でき半径方向の可動性を生ずるように垂下されてい
る。

シャフト18とプレート22A,22Bが回転すると、各ローラ2
4は粉砕面14に沿って転動する。フレキシブルな接続に
より、回転の遠心力の結果ローラ24が粉砕面14に対して
押圧される。

動作時、細分化および凝集すべき固体と液体、ここでは
石炭、石油および水が、重量の作用で、送りシリンダー
（図示していない）から駆動プレート22Aを通りミル10
の頂部に供給される。

この混合物はプレート22Aと粉砕面14の間の環状ギャッ
プ28内に落下し、ミルを通過しながら粉砕面14に対する
ローラ24の転動によって細分化され、固体が細分化され
ミルを通って下方に輸送されるにつれ凝集塊を形成し、
そして底部プレート22Bと粉砕面14の間のギャップ（図
示せず）を通じ、ミルから放出される。

ミル10は、それぞれのローラ24にラセン状溝30が形成さ
れていることにより、本発明でいう確動的輸送能力を有
する。つまり、ラセン状溝の作用が粉砕粒子をミル内で
下方に移動させ、従って混合物をミルを通して移動させ
る。

従って確動的輸送能力が、滞留時間すなわちミル内で達
成される細分化と凝集の度合を制御する手段を与える。
最も重要なことは、確動的輸送能力がミルの詰まりを生
じずにミル内で凝集塊を形成することで、このような詰
まりは同じ作業を攪版媒体ミルで行なおうとすると生じ
やすいものであった。

ミル10はさらに、灰の分離を改善する点でも有利なこと
がわかった。ミルの転動動作は一般に、球状粒子より薄
片状粒子を形成する。球状粒子は、ボールミルおよび
（または）攪拌媒体ミル内での粉砕を含む従来のNRCC法
から一般に生ずる。灰の分離は、細分化粒子の露出表面
積に依存する。従って、薄片の厚さの方が薄片の直径よ
り通常の計測パラメータとしての重要なため、薄片状粒
子による方が灰の分離が改善される。

換言すれば、良好な灰の分離と除去を得るためには、ボ
ールミルでと同じように細かく確動的輸送ミルで粉砕す
る必要はない。

本方法で用いる炭化水素または石油は、水と混合不能
で、疎水性の石炭粒子を湿潤させる。炭化水素または石
油の選択は、使用石炭の種類、適切な液の入手可能性、
および、もちろんプロセスに所望される効率と経済性に
依存する。好ましい液には、軽油、たとえばNO.2燃料
油、ディーゼル油、軽溜留分、灯油、コークス炉軽油、
軽重油、および残留・廃油が含まれる。

本方法で用いられる石油と水の量は、供給原料の種類、
石炭の種類、プロセスの目的、およびプロセスに所望さ
れる経済性と効率によって変る。

しかしいずれにせよ、凝集塊を形成するのに充分な石油
と水とを用いなければならない。

本明細書での目的上、水、石油および石炭含有量の値
は、別に定めない限り、全混合物に対する重量値とす
る。

本方法が灰を含む石炭の選別に使われる場合、プロセス
のパラメータはプロセスの目的によって変化する。たと
えば、比較的ドライな凝集塊を生成させたいときは、一
般に約５〜10％の範囲の高い比率で石油を使うのが好ま
しい。また、コストを最小限としたいなら、たとえば約
３〜５％の、もっと少い量の石油を用いる。使用する水
の量は少くとも約40％、好ましくは約45〜55％である。
石炭の種類と細分の程度に応じ、約35〜40％以下の水で
も、厚いペースト状の混合物をミル内で形成できる。但
しこのような混合物では、連続した水相における凝集が
容易に識別し得ない。従って本方法は、上記レベル以上
の水含有量で実行するのが好ましい。石炭が非常に細か
く細分化されていると、もっと多くの水が必要である。

上記のほか、分離すべき供給原料は石炭の廃石池から回
収される流れとしてもよい。石炭が長年廃石池上に置か
れていると、石炭の表面が酸化され、新しい石炭の表面
よりもっと親水性となる。

本方法の細分化工程では、前述のように、ミル内で凝集
される新しい石炭表面を同一量の石油と水に露出させ
る。

分離すべき供給原料は、たとえば通常石炭調整工場から
廃石池へポンプ吸収される石炭の廃石流等、非常に薄い
石炭−水スラリーでもよい。このような廃石流は一般
に、約90％の水と10％の石炭から成る。この希釈供給原
料を本方法に従って処理するときは、0.05のの石炭／石
油比を与えるのに必要な量より多い約１〜２重量％の石
油を加えれば、凝集塊を形成するのに充分である。

ミルから放出された混合物は、大部分の凝集塊を保持す
るメッシュサイズをもったフルイで分離される。自由な
水と灰を取除いた後、別の容器に凝集塊を入れて新鮮な
水で攪拌し、灰をさらに分離させるのが好ましい。こう
して得た最終混合物が別のフルイに通され、灰が顕著に
減少された凝集塊を生じる。

可燃性材料を製造するには、凝集塊を洗浄剤または表面
活性材で処理し、当業界で周知のように均質な石炭−石
油−水スラリーを得る。このスラリー燃料製品の燃焼時
における二酸化イオウの放出を減少させるため、燃料の
調製中に粒状の石灰を加えてもよい。この場合には、最
終的な燃料調製の工程が第二のスゼゴミル内で行われ、
凝集塊、洗浄添加剤および粒状石灰がミルに通される。

本方法の動作性、効率および好ましい動作パラメータを
実証するのもとして、以下の実施例を示す。

実施例 Ｉ 本方法の粉砕（細分化）効率および固体含有量が本方法
に及ぼす影響を実証するため、多数の石炭サンプルを２
相の石炭−水スラリーと３相の石炭−石油−水スラリー
の状態で確動的輸送ミルに通した。手順は次のとおりで
ある。

長さ30cmの微細溝付ローラを備えた直径22cmのスゼゴミ
ルを用いた。このミルが一定の回転速度800rpmで運転さ
れた。石炭は、カナダ、ニューブルンズウィック州産の
ミント（Minto）炭を用いた。石炭は硬質で、ハードグ
ローブ（Hardgrove）指数65であった。この石炭は約26
％の微細分散灰（約10μｍのサイズで解離と報告されて
いる）を含んでいた。供給石炭はまず、約4mmの大きさ
に破砕された。石油としてはNo.2燃料油を用いた。5Kg
の石炭が、乾燥基準270Kg/hrの送り速度でミルに供給さ
れた。石油／石炭比と水／石炭比とは、それぞれ0.1〜
0.36の間および0.5〜1.7の間で変化した。

ミルから放出された製品が集められ、計量され、分析さ
れた。フルイ分析は、63μｍより大きい範囲の粒子サイ
ズに対して用いられた。サンプル製品はヴァーソル（va
rsol）、ついで洗浄剤と水で洗浄された。上記より小さ
い粒子についは、60μｍセンサを備えた「HIAC」（登録
商標）タイプPC320を用いた。

灰の分析は、ASTM D 2760法に従った。約1gの乾燥凝集
塊をルツボ内に入れた。温度は最初の１時間500℃と
し、さらに少くとも追加の１時間の間750℃へ上昇させ
た。

２相と３相破砕の粒度の分布が、第４図に比較してあ
る。石炭が50％および55％での粉砕効率はどちらも３相
粉砕において改善されたこと、つまりより微細な製品が
得られたことに注目されたい。性能改善の理由は凝集塊
内における高い局部的な固体濃度およびそれにもとづく
きわめて高い粘性にあると考えられるが、これに限られ
るものではない。つまり、ミルの破砕作用が変化しない
一方、剪断と凝集塊内における粒子−粒子間摩擦によっ
て大量の微細粉砕が生じている。

ミル内の固体含有量を関数とした製品の平均粒度分布
を、第５図に示す。２相の固体粉砕では、固体含有量が
低いと粉砕効率が減少しているのに対し、影響は３相粉
砕で大幅に減少していることに注目されたい。これは凝
集塊自体がミル内で粉砕作用下に置かれたものと考えら
れるが、これに限られるものではない。凝集塊は一般に
粘性で、それらの移動は禁じられていると見られる。

この結果、水はより速くミルを通過するが、凝集塊のミ
ル内における滞留時間は増加する。

石炭の選別では、次の理由から微細な製品ほど望まし
い。第一に、微細な製品ほど灰の分離が良好になる。第
二に、粒子における新鮮な疎水性表面積を増加させるほ
ど、良好な凝集が達成される。

実施例 II 水／石灰比が本方法に及ぼす影響を実証するため、例Ｉ
の手順を約0.12と0.20の石油／石炭比で繰返し、水／石
灰比を約0.4〜1.7の範囲で変化させた（数値はすべて全
混合物に対する重量）。これらの結果を、水／石灰比を
関数とした灰の減少率として、第６図および第７図に示
す。円と３角形は、異なった時点で累積されたデータを
あらわす。

両方の石油／石炭比率における好ましい水含有量は、全
混合の約45〜50重量％であったことに注目されたい。
（約40％以下の）低い水含有量および（約60％以上の）
高い水含有量では、プロセスの効率が低下する。

実施例 III 石油／石炭比が本方法に及ぼす影響を実証するため、例
Ｉの手順を1.0の水／石炭比で繰返し、石油／石炭比を
約0.1〜0.4の範囲で変化させた。この結果を、石油／石
炭比を関数とした灰の減少率として第８図に示す。各点
を通る曲線は、別の交差点および石油の量がゼロに近づ
くにつれ、灰レベルは供給原料の値に近づくという事実
に一部依拠して描いた。

多量の石油が凝集塊から水をより駆除することは知られ
ているが、灰の除去には多量の石油を用いてもわずかし
か寄与しないことに注目されたい。コストを減じるに
は、石油の使用最小限にすることができる。0.1（５
％）の石油／石炭比が適切と見なされるが、それにより
低い値（約３％）でも凝集を生じるのには有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のNRCC石炭選別方法と本発明の同時細分
化および凝集方法を示す概略フロー図である。 第２図、確動輸送能力をもつミルの平断面図である。 第３図は、第２図のミルの部分斜視図である。 第４〜８図は、いくかのパラメータが本発明の方法に及
ぼす影響を示すグラフであって、 第４図は２相の石炭−水粉砕と３気相の石炭−水−石油
粉砕との粒度減少を比較するグラフであり、 第５図は２相の石炭−水と３相の石炭−水−石油中で、
固体含有量の比率を変えながら粉砕したときの粒度減少
を比較するグラフであり、 第６図および第７図は、それぞれ0.12および0.20の石油
／石炭比において、石炭／水の変化が灰の減少率に及ぼ
す影響を示すグラフである。 第８図は1.0の水／石炭比で、石炭／石油比の変化が灰
の減少率に及ぼす影響を示すグラフである。 10……ミル

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】灰を含む炭素質原料の灰と炭素質物とを分
   離する方法であって、単一の工程として、炭素質物、水
   および石油の混合物を細分化し、灰と炭素質物の少くと
   も一部を粒子の形状で分離するとともに、確動的輸送能
   力をもつ高速・高剪断ミル内で炭素質物の粒子と石油と
   の凝集塊を形成する工程、および、その後上記凝集塊を
   混合物から分離する工程からなる固体分離方法。
2. 【請求項２】炭素質原料が石炭である特許請求の範囲第
   １項の固体分離方法。
3. 【請求項３】凝集塊を形成するに充分な量の水を使用す
   る特許請求の範囲第１項の固体分離方法。
4. 【請求項４】全混合物に対し少くとも約40重量％の量の
   水を使用する特許請求の範囲第３項の固体分離方法。
5. 【請求項５】凝集塊を形成するに充分な量の石油を使用
   する特許請求の範囲第１項の固体分離方法。
6. 【請求項６】全混合物に対し少くとも約３重量％の量の
   石油を使用する特許請求の範囲第５項の固体分離方法。
7. 【請求項７】全混合物に対し少くとも約45重量％の量の
   水と全混合物に対し少くとも約５％の量の石油を使用す
   る特許請求の範囲第１項の固体分離方法。
8. 【請求項８】確動的輸送能力をもつ高速・高剪断ミルと
   してスゼゴミルを使用する特許請求の範囲第１項の固体
   分離方法。