KR20140045297A - 석탄을 건조하기 위한 방법 및 조성물 - Google Patents

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필립 하쉬
미첼 헐리
앤드류 케이. 존스
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조셉 더블유. 리치글리아노
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로스 테크놀로지 코포레이션
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Abstract

본 개시는 분탄을 건조하기 위한 방법, 조성물 및 시스템을 제공한다.

Description

석탄을 건조하기 위한 방법 및 조성물{METHODS AND COMPOSITIONS FOR DRYING COAL}
배경
현재의 많은 채탄 방법은 미세한 석탄 입자 (또한 분탄(coal fine)으로 지칭됨)을 추출하기 위해 물을 사용한다. 그러한 입자는 전형적으로 비록 분탄이 예컨대, 50 마이크론 이하 정도의 더 작은 직경을 가질 수 있으나 직경이 대략 100 내지 800 마이크론인 직경을 가질 수 있다. 원심분리 및 가열 기술을 포함하는 석탄 입자를 건조하는 전통적인 방법은 이들 석탄 "미분"을 대략 30% 습도까지 쉽게 건조할 수 있다. 이러한 정도를 초과하여 분탄을 건조하는 방법은 전형적으로 송풍기 및 가열기를 사용하며, 이는 자본 집약적인 설비를 요하며, 상당한 에너지 사용을 요구하고, 에너지 사용 및 분탄의 에어로졸화 둘다로부터 환경적인 문제 및 위험요소를 생성한다.
요약
본 개시의 구체예는 분탄으로부터, 예컨대 체거름 또는 체질(sifting)에 의해 쉽게 분리되는 물-수집성 물질 가령 분자체, 물 흡수 고분자 물질, 건조제, 등을 이용함으로써 축축한 분탄을 건조하기 위한 방법 및 조성물을 제공한다. 그러한 물질은 물리적 및/또는 화학적 작용에 의해 축축한 미분으로부터 전부 또는 일부의 물을 제거할 수 있다. 예를 들면, 물-수집성 물질은 수착, 예컨대, 흡수 또는 흡착에 의해 축축한 미분으로부터 물을 끌어낼 수 있다. 본 명세서의 방법 및 조성물의 구체예에서, 분탄으로부터 물을 수집하기 위해 사용된 물질은 재활용되거나 및/또는 물-수집성 물질로부터 일부 또는 전부의 물을 제거한 후에 추가적인 분탄을 건조하기 위해 재사용될 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 여섯 회분의 분탄으로부터 물을 흡착하기 위해 사용된 한 회분의 분자체의 중량을 나타낸다. 분자체의 중량은 각 회분의 분탄을 건조한 후 그리고 주기적으로 칭량되는 건조 공정 전반에 걸쳐 지정된 시간에 측정된다
상세한 설명
본 명세서에 기술된 구체예는 축축한 분탄으로부터 수분을 수집할 수 있는 물-수집성 물질 가령 흡착제 및 흡수제를 이용한다. 유리하게는, 그러한 물질은 분탄으로부터 수분을 효율적으로 수집할 수 있고, 이후 분탄과 회합된 물의 양을 줄이기 위해, 미분으로부터 분리될 수 있다. 일부 구체예에서, 물-수집성 물질은 이후 분탄과 별도로 건조될 수 있다. 이런 공정은 축축한 분탄을 건조하는 다른 공정에 비해 시간, 에너지, 비용, 및/또는 유해한 환경 영향 중 하나 이상의 감소와 같은 하나 이상의 바람직한 이익을 제공할 수 있다. 게다가, 본 개시의 구체예는 건강, 화재 및 폭발 위험을 야기할 수 있는 송풍기에 의한 분탄의 에어로졸화를 상당히 줄일 수 있다.
비록 본 명세서에 기술된 구체예가 그러한 물-수집성 물질의 건조 및 재사용을 요구하지 않지만, 많은 그러한 물질은 분탄과 별도로 효율적으로 건조되고 한 회이상 재사용될 수 있다. 본 명세서에 기술된 구체예는 따라서 흡수제 및 흡착제와 같은 물-수집성 물질의 건조 및 재사용을 활용한다. 다른 구체예에서 전부 또는 일부의 물-수집성 물질은, 예컨대, 흡수제가 분해되고 분탄으로부터 효과적으로 분리될 수 없는 경우 폐기될 수 있다. 한 구체예에서, 물-수집성 물질의 입자는 분탄의 입자보다 더 크지만, 축축한 분탄을 가공하기에 바람직한 것보다는 작을 수 있는 분해된 입자를 제거하기 위해 체거름 또는 체질에 의해 분리된다. 다른 구체예에서, 분탄으로부터 수분을 제거하는데 사용하기 위해 사용된 일부 또는 전부의 흡수제 물질은 생분해성일 수 있다.
물-수집성 물질은 또한 물과 결합하여 물이 분탄 대신에 상기 물질에 결합하도록 유도할 수 있다.
1.0 분탄으로부터 수분의 제거
분탄은 임의의 하나 이상의 다양한 공지 기술에 의한 채탄 /회수 공정에서 사용되는 벌크 물 (분탄이 침전, 또는 수성 현탁액으로부터 여과되거나 원심분리된 경우 분탄과 회합된 과량의 물)로부터 분리될 수 있다. 그러한 기술은 단일적으로 또는 조합되어 사용될 수 있는 하나 이상의 여과 (예컨대, 중력 기반 여과, 또는 원심력, 압력 또는 진공에 의해 보조되는 여과), 침전, 원심분리 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 추가적인 양의 물은 임의로 그러한 처리의 이차 실시에 의해 분탄으로부터 제거될 수 있다.
벌크 물을 제거하기 위한 하나 이상의 분리 단계 후에, 축축한 분탄은 이후 물-수집성 물질 또는 상이한 유형의 물-수집성 물질의 조합의 입자, 예컨대, 흡수제 또는 흡착제의 입자와 혼합되어, 미분과 회합된 물의 양을 더욱 감소시킨다. 한 구체예에서, 물-수집성 물질의 입자는 크기(예컨대, 적절한 크기 스크린 또는 메쉬로의 체질)에 의해 분탄으로부터 분리되도록 충분히 크다. 다양한 구체예에서, 이들의 건조를 촉진하기 위해, 축축한 분탄은 분자체, 수화성 고분자의 입자 (예컨대, 폴리아크릴레이트 또는 카르복시메틸 셀룰로스/폴리에스테르 입자), 또는 건조제 (예컨대, 실리케이트)를 포함하지만, 이에 제한되지 않는 하나 이상의 유형의 물-수집성 물질과 혼합된다. 다양한 물-수집성 물질이 분탄에 존재하는 물을 흡착, 흡수 또는 이와 반응하는 속도는 온도에 의해 영향받을 수 있다. 각 유형의 물-수집성 물질은 이들이 분탄으로부터의 물을 축적하게 될 속도에 대한 상이한 최적 온도를 가질 수 있다. 일부 경우에, 분자체를 이용한 경우, 분탄을 갖는 분자체를 가열/가온하는 단계, 또는 이들을 분탄과 혼합하기 직전에 분자체를 가열/가온하는 단계가 물이 분자체와 회합되게 되는 속도를 증가시킬 수 있다. 다른 구체예에서, 알루미나 입자와 같은 물질은 실온 (예컨대, 약 20-25℃)에서 분탄으로부터 적절한 속도로 물을 축적할 수 있다. 분탄과 기존에 회합되었던 물을 함유하는 물-수집성 물질은 이후 다양한 수단에 의해 분탄으로부터 제거될 수 있다.
1.1 분탄의 수분 함량을 줄이기 위한 흡착제로서 분자체의 사용
분자체는 기체 또는 액체를 위한 흡착제로서 사용되는 정확하고 균일한 크기의 공극을 함유하는 물질이다 (공극 크기는 전형적으로 약 3 내지 약 10 옹스트롬이다). 어떠한 이론에도 구속됨을 바라지 않고, 일반적으로 공극을 통해 통과하기에 충분히 작은 분자는 흡착되는 반면 더 큰 분자는 공극에 들어갈 수 없다. 분자체는 이들이 분자 수준으로 작동한다는 점에서 일반적인 여과기와 상이하다. 예를 들면, 물 분자는 통과하기에 충분히 작지 못한 반면 기체 내의 더 작은 분자는 통과할 수 있다. 이 때문에, 이들은 흔히 건조제로서 기능한다. 일부 분자체는 이들 건조 중량의 최대 22% 물을 흡착할 수 있다. 분자체는 흔히 알루미노실리케이트 미네랄, 점토, 다공성 유리, 미세다공성 챠콜, 제올라이트, 활성탄 (활성화 챠콜 또는 활성탄), 또는 질소 및 물과 같은 소형 분자가 이들을 통해 또는 이들 내로 확산될 수 있는 개방된 구조를 가지는 합성 화합물로 이루어진다. 일부 구체예에서, 분자체는 알루미노실리케이트 미네랄이다 (예컨대, 홍주석, 남정석, 규선석, 또는 물라이트). 다른 구체예에서, 분자체는 약 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 65%,70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 98%, 99% 또는 그 이상(중량 기준)의 알루미노실리케이트 미네랄을 포함한다. 분자체가 알루미노실리케이트 미네랄을 포함하는 이들 구체예를 비롯한, 일부 구체예에서, 분자체의 입자는 다른 미네랄, 가령 강도 및 마모와 같은 특성을 강화하기 위해 지르코늄 또는 티타늄의 산화물 (예컨대, 지르코니아 강화된 알루미노실리케이트 또는 알루미나-티타네이트-물라이트 복합체)를 함유할 수 있다. 일부 구체예에서 분자체는 3 옹스트롬 분자체 (예컨대, Delta Enterprises사, Roselle, Illinois로부터의 2.5 - 4.5 mm 비드 크기 및 14 lb 크러쉬 강도를 갖는 MS3A4825 분자체) 또는 4 옹스트롬 분자체 (예컨대, Delta Enterprises사, Roselle, Illinois로부터의 2.5 - 4.5 mm 비드 크기 및 18 lb 크러쉬 강도를 갖는 MS4A4810 분자체)이다.
다양한 분자체가 분탄으로부터 물 또는 수분을 제거하기 위해 단독으로 또는 조합되어 사용될 수 있다. 한 구체예에서, 분자체는 알루미노실리케이트 미네랄, 점토, 다공성 유리, 미세다공성 챠콜, 제올라이트, 활성탄, 또는 질소 및 물과 같은 소형 분자가 이들을 통해 또는 이들 내로 확산될 수 있는 개방된 구조를 가지는 합성 화합물로부터 선택될 수 있다. 다른 구체예에서, 분자체는 알루미노실리케이트 미네랄, 점토, 다공성 유리, 또는 제올라이트로부터 선택될 수 있다.
물 분자를 끌어당기기에 충분히 크지만, 임의의 분탄이 체 입자에 편입되는 것을 방지하기에 충분히 작은 공극을 갖는 분자체가 유리하게 사용될 수 있다. 경화된 분자체 또는 분자체, 또는 특히 단단한 껍질을 갖는 것들이 본 명세서에 기술된 방법에서 유용하며 이는 그러한 체가 쉽게 분해되지 않을 것이며 수분의 제거 후에 재사용할 수 있기 때문이다.
일부 구체예에서 분자체 입자는 직경이 1, 1.25, 1.5, 1.75, 2.0, 2.25 또는 2.5 mm를 초과하며 약 5 mm 또는 10 mm 미만이다. 다른 구체예에서 분자체 입자는 직경이 약 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 또는 26 mm를 초과하며 직경이 약 28, 30 또는 32 mm 미만이다. 과량의 수분을 가지는 축축한 분탄(축축한 분탄)과 혼합되는 경우, 분자체는 분탄으로부터 수분을 빠르게 끌어낸다. 체가 분탄보다 더 크기 때문에 (예컨대, 직경으로 일 밀리미터 초과), 체 및 분탄의 혼합물은 미세한 메쉬 망에 가볍게 부착될 수 있고, 여기서 건조 분탄은 분자체로부터 분리될 수 있다. 분리된 분자체는 약간 분이 날릴 수 있고 이들이 물을 흡착한 후에 미량의 분탄을 내부에 지닐 수 있다. 일단 분리되면, 분자체는 가열기로 전달될 수 있고 여기서 이들이 건조될 수 있고 바람직한 경우 이들의 재사용이 허가될 정도로 충분한 수분이 제거된다. 따라서, 분자체는 폐-루프(close-loop) 시스템에서 사용될 수 있고, 여기서 이들은 분탄과 혼합되고, 물/ 수분의 제거 (건조) 후에 분탄으로부터 분리되고 가열기를 통해 통과하고 재사용된다. 체를 건조하는 동안 최소의 교반이 요구된다.
1.2 분탄의 수분 함량을 줄이기 위한 수화성 고분자 물질의 사용
수화성 고분자 물질 또는 하나 이상의 수화성 고분자를 포함하는 조성물이 분탄의 수분 함량을 줄이기 위해 사용될 수 있다 (예컨대, 폴리아크릴레이트 또는 카르복시메틸 셀룰로스/폴리에스테르 입자/비드).
한 구체예에서 수화성 고분자 물질은 폴리아크릴레이트이다 (예컨대, 폴리아크릴산의 나트륨 염). 폴리아크릴레이트 고분자는 물에서 이들의 중량의 최대 400%까지 흡수하는 이들의 능력으로 인해 베이비 냅킨과 같은 다양한 시판 제품에 사용되는 초강력 흡수제이다. 폴리아크릴레이트는 끈적한 반투명한 겔 또는 순백색 과립 형태로 구입할 수 있다. 분탄으로부터 요망되는 양의 물을 흡착하기에 충분한 적절한 양의 폴리아크릴산 고분자(폴리아크릴레이트)는 미분과 혼합되어 석탄을 빠르게 건조할 수 있다. 입자 또는 "볼"로 팽창하는 폴리아크릴레이트는 적절한 크기 여과기 또는 체에서 분탄으로부터 분리될 수 있다. 상기 입자 또는 "볼"은 폐기되거나 임의의 적절한 방법(직접 가열, 마이크로파 에너지에의 노출에 의한 가열, 등)을 이용하여 건조시킴으로써 재사용될 수 있다.
폴리아크릴레이트 고분자를 비롯한 수화성 고분자의 특성은 분탄을 건조하기 위해 사용되는 공정의 구체사항에 따라 달라질 수 있다. 숙련된 기술자는 상기 특성(겔 강도, 물 흡수 능력, 생분해성 등)이 많게는 수화성 고분자의 제조에서 사용된 가교-결합의 유형 및 정도에 따라 제어됨을 인식할 것이다. 숙련된 기술자는 또한 가교-결합의 정도를 분탄의 건조에 사용되는 공정의 기계적인 힘 및 만약 해당되는 경우에는, 입자가 분탄의 건조 회분에서 재사용되도록 의도되는 횟수와 일치시키는 것이 바람직할 수 있음을 인식할 것이다. 전형적으로, 전형적으로 기계적으로 더 안정한/견고한 더 가교-결합된 고분자의 사용은 더 기계적으로 강한 공정에서 이들의 사용 및 입자의 가능한 재사용을 허용할 것이다.
또다른 구체예에서 사용된 수화성 고분자 조성물은 카르복시메틸셀룰로스 (CMC) 및 폴리에스테르 (예컨대, Texas Terra Ceramic Supply, Mount Vernon, TX으로부터 입수가능한 CMC 검)의 조합이다. 그러한 조성물, 또는 다른 초강력 흡착제 수화성 고분자 물질은 분자체 또는 폴리아크릴레이트 고분자 조성물에 대해 상기 기술된 것과 유사한 방식으로 분탄으로부터 물을 제거하기 위해 사용될 수 있다.
1.3 분탄의 수분 함량을 줄이기 위한 건조제의 사용
다른 구체예에서, 건조제가 분탄을 건조하기 위한 물-수집성 물질로서 사용된다. 실리카, 알루미나, 및 황산칼슘 (Drierite, W.A. Hammond Drierite Col Ltd Xenia, OH) 및 유사한 물질을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 다양한 건조 물질(건조제)가 분탄의 수분 함량을 줄이기 위해 사용될 수 있다. 상기 기술된 조성물과 같은 건조제가 분자체 또는 폴리아크릴레이트 고분자 조성물에 대해 상기 기술된 것과 유사한 방식으로 분탄으로부터 물을 제거하기 위해 사용될 수 있다.
일부 구체예에서, 건조제 물질은 물을 흡수하는데 효과적인 물질인 활성화 알루미나로 이루어진다. 어떠한 이론에도 구속됨을 바라지 않고, 활성화 알루미나의 건조제로서의 효능은 활성화 알루미나의 크고 매우 친수성인 표면적 (200 m2/g 정도) 및 물의 활성화 알루미나 표면에 대한 인력(결합)을 기초로 한다. 친수성인 높은-표면적을 가지는 다른 물질, 예컨대, 친수성 표면을 가지고 50 m2/g, 100 m2/g 또는 150 m2/g 초과의 표면적을 가지는 물질이 포함된다. 일부 구체예에서 건조제는 약 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 65%,70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 98%, 99% 또는 그 이상의 (중량 기준)의 알루미나를 포함한다.
활성화 알루미나는 상당한 마찰 및 마모를 견딜 수 있는 매우 강한, 내구성 세라믹이지만, 그러나, 활성화 알루미나의 내마모성 및 기계적 특성은 알루미나를 포함하는 물-수집성 물질의 입자 내에 다른 물질을 포함시킴으로써 증강될 수 있다. 일부 구체예에서, 알루미나를 포함하는 건조제는 강도 및 마모와 같은 특성을 향상시키기 위해 약 0.5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 또는 90% 또는 그 이상의 다른 미네랄, 가령 지르코늄 또는티타늄의 산화물을 함유할 수 있다 (예컨대, 지르코니아 알루미나 또는 지르코니아 강화된 알루미나 ZTA).
1.4 물 수집성 물질의 입자
상기 기술된 바와 같이, 다양한 물-수집성 물질이 축축한 (또는 습한) 분탄으로부터 물을 제거하기 위한 시스템에서 사용될 수 있다. 그러한 물-수집성 물질은 물을 흡수하는 것들, 물을 흡착하는 것들, 및 물에 결합하거나 이와 반응하는 것들을 포함한다. 전형적으로 물-수집성 물질은 축축한 (또는 습한) 분탄과 혼합되기에 적절한 임의 형상일 수 있고 회수될 수 있는 입자의 형태일 것이다. 그러한 입자는 불규칙한 형상이거나, 일정한 형상을 가질 수 있다. 입자가 불규칙한 형상인 경우에 이들은 사실상 임의의 형상일 수 있다. 한 구체예에서, 일반적으로 또는 실질적으로 구체, 또는 일반적으로 또는 실질적으로 편구체, 또는 장구체인 입자가 사용될 수 있다. 적절한 입자 형상은 또한 20면체 입자, 입방체 입자 등과 같은 일반적인 다각형 외에도 원통형 또는 원뿔형 입자를 포함한다. 사용 및 재사용 도중에 입자가 마멸되어 이들의 형상이 변하게 될 수 있다.
본 명세서에 기술된 분탄으로부터 물을 제거하기 위한 (예컨대, 수분 함량의 감소) 방법 및 시스템에서 사용하기 위한 입자는 다양한 크기일 수 있다. 물-수집성 물질이 입자의 형태인 한 구체예에서, 입자는 분탄의 평균 크기보다 적어도: 2, 3, 4, 6, 7, 8; 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 25, 또는 30 배 더 큰 평균 크기를 가지며, 이는 전형적으로 100 내지 800 마이크론의 범위이다. 한 구체예에서 크기의 차이는 입자 및 분탄의 가장 큰 크기의 평균 크기에서의 차이를 기준으로 한다.
구체이거나 실질적으로 구체인 것들을 포함하는 물-수집성 물질의 입자는 적어도: 1, 적어도 1.25, 적어도 1.5, 적어도 1.75, 적어도 2.0, 적어도 2.25, 적어도 2.5 mm, 또는 적어도 4 mm인 평균 직경 (또는 최대 크기)를 가질 수 있고 여기서 평균 직경(또는 최대 크기)은 약 5 mm, 7.5mm, 10mm 또는 15 mm 미만이다. 또다른 구체예에서, 시스템은 약 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 또는 26 mm 초과이며 약 28, 30 또는 32 mm 미만인 평균 직경 (또는 최대 크기)을 가지는 입자를 사용할 수 있다.
입자가 불규칙적인 형상을 가지거나, 구체 또는 실질적으로 구체가 아닌 구체예에서, 이들은 적어도: 1, 적어도 1.25, 적어도 1.5, 적어도 1.75, 적어도 2.0, 적어도 2.25, 적어도 2.5 mm, 또는 적어도 4 mm이고, 약 5 mm, 7.5 mm, 10mm 또는 15 mm 미만인 최대 크기를 가질 수 있다. 또다른 구체예에서, 본 명세서에 기술된 방법 및 시스템은 약 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 또는 26 mm 중 하나를 초과하고 및 약 28, 30 또는 32 mm 중 하나 미만인 최대 크기를 가지는 불규칙적 또는 비-구체 입자를 사용할 수 있다.
한 구체예에서 물-수집성 물질은 활성화 알루미나 건조제와 같은 건조제이고, 이것은 복수의 형태로 제조된다. 구체이거나 실질적으로 구체일 수 있는 일부 구체예에서 물-수집성 물질을 위해 사용된 건조제 입자는 직경이 약 1, 1.25, 1.5, 1.75, 2.0, 2.25 또는 2.5 mm을 초과하고 직경이 약 5 mm 또는 10 mm 미만이다. 다른 구체예에서 건조제 입자는 약 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 또는 26 mm 를 초과하고 약 28, 30 또는 32 mm 미만인 평균 직경 또는 최대 크기를 갖는다. 구체예의 한 세트에서 건조제 입자는 상기 크기 범위의 직경 (예컨대, 평균 직경)을 갖는 구체 (또는 실질적으로 구체)이다. 다른 구체예에서, 건조제 입자는 직경이 최대 또는 약 6mm 크기인 구체 (또는 실질적으로 구체)이다. 다른 구체예에서 건조제는 다음 중에서 선택되는 범위의 크기를 가지는 알루미나로 이루어진 구체 또는 실질적으로 구체 입자이다: 약 2mm 내지 약 4 mm, 약 4 mm 내지 약 8 mm, 약 8 mm 내지 약 16 mm, 약 16 mm 내지 약 32 mm, 약 5 mm 내지 약 10 mm, 약 8 mm 내지 약 20 mm, 및 약 16 mm 내지 약 26 mm. 또다른 구체예에서, 물 수집성 물질은 약: 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 또는 32 mm의 평균 직경을 가지는 구체 또는 실질적으로 구체인 알루미나 입자이다.
2.0 크기 및/또는 자기적 수단에 의한 분리
물-수집성 물질은 여과, 체거름 또는 체질을 비롯한 임의의 적절한 기술, 또는 더 크고 및/또는 더 무거운 입자 물-수집성 물질로부터 분탄을 수송하기 위한 기체 스트림의 사용에 의해 분탄으로부터 분리될 수 있다.
모든 유형의 물-수집성 물질 (예컨대, 분자체, 건조제, 또는 수화성 고분자)의 분리는 또한 자기적 분리 장치를 이용하여 달성될 수 있고 여기서 물-수집성 물질은 자석에 부착할 수 있거나 자석에 끌릴 수 있는 물질을 포함한다. 물-수집성 물질을 자석에 부착될 수 있도록 하는 물질은 자성 물질 및 강자성 물질을 포함한다 (예컨대, 철, 스틸, 또는 네오디뮴-철-붕소). 물-수집성 물질은 분탄으로부터 이들의 분리를 허용하기 위해 충분한 자성 물질만 충분히 포함하면 된다. 분탄으로부터 물-수집성 입자의 분리를 허용하는 사용된 자성 물질의 양은 그 중에서도, 자석의 강도, 입자의 크기, 및 입자가 수집되게 되는 분탄 층의 깊이에 따라 달라질 것이다. 자성 물질의 양은 건조 중량 기준으로 물-수집성 물질의 총 중량의 약 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 또는 90%을 초과할 수 있다. 일부 구체예에서 자성 물질은 철 또는 스틸과 같은 철 함유 물질일 것이다.
물-수집성 물질이 자기 수집에 끌리도록 하기 위해 사용된 자성 물질과 관계없이, 자성 물질은 고체 중심 또는 물-수집성 물질 내부의 분산된 입자 또는 층으로서 물-수집성 물질 내에 배열될 수 있다. 사용된 분산된 입자가 사용되는 경우, 이들은 물-수집성 물질 전체에 걸쳐 균일하게 퍼질 수 있다. 한 구체예에서 자성 물질은 철 함유 입자를 포함하고 이것은 세라믹 유형의 물질로 화입되게 될 펠렛을 형성하기 전에 알루미나 또는 물라이트와 같은 물-수집성 물질과 혼합된다. 또다른 구체예에서 물-수집성 물질은 물질의 입자를 자석에 의해 끌릴수 있게 하는 물질 (예컨대 철 또는 스틸)의 층을 함유할 수 있다. 물-수집성 물질로서 사용될 수 있는자기 알루미나 입자의 예는 Pollock에 의해 Iron-containing refractory balls for retorting oil shale라는 명칭으로 간행된 미국 특허 번호 제4,438,161호에서 찾을 수 있다.
3.0 분리 시스템 및 방법
본 개시는 또한 축축한 분탄으로부터 물을 제거하기 위한 시스템 및 방법을 포함하며 가능하게 한다. 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법은 분탄으로부터 물을 제거하기 위해 임의의 상기-기술된 물-수집 물질 또는 물 수집성 물질의 입자를 사용할 수 있다. 상기 기술된 바와 같이 물-수집성 물질은 분자체, 수화성 고분자 또는 건조제를 포함할 수 있다. 그리고 역시 상기 기술된 바와 같이, 물-수집성 물질의 입자의 유형, 크기 및 형상에 관계없이, 입자는 또한 입자를 분탄으로부터 입자의 자기적 분리를 촉진하기 위해 자석에 의해 끌릴수 있게 하는 물질을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 그러한 시스템 및 방법은 하기를 포함한다:
축축한 분탄이 적어도 하나의 물-수집성 물질과 혼합되어 축축한 분탄 및 상기 물-수집성 물질의 혼합물을 형성하는 첫 번째 장소, 및
적어도 일부의 상기 물-수집성 물질이 상기 혼합물로부터 제거되는 두 번째 장소.
한 구체예에서 두 번째 장소는 크기-기반 분리를 제공하도록 구성된다. 또다른 구체예에서, 두 번째 장소는 여과, 체거름 또는 체질, 및 더 크고 및/또는 더 무거운 물-수집성 물질로부터 분탄을 수송하기 위한 기체 스트림의 사용으로 이루어진 군에서 선택된 처리를 제공하도록 구성된다.
두 번째 장소는 또한 분탄으로부터 물-수집성 물질의 자기적 분리를 제공하도록 구성될 수 있다. 자기적 분리는 단독으로 또는 임의의 하나 이상의 여과, 체거름 또는 체질, 및 물-수집성 물질의 입자로부터 분탁을 분리하기 위한 기체 스트림의 사용과 조합되어 사용될 수 있다.
분탄으로부터 물을 수집하기 위한 시스템 및 방법은 추가로 적어도 일부의 물이 물-수집성 물질로부터 제거되는 세 번째 장소를 포함할 수 있다. 또한, 시스템은 추가로 세 번째 장소로부터 수득된 적어도 일부의 물-수집성 물질을 다시 축축한 분탄을 갖는 혼합물을 위한 첫 번째 장소로 수송하기 위한 수송장치를 포함할 수 있다. 자기에 의해 끌릴 수 있는 물질을 가지는 입자가 사용되는 경우, 그러한 수송 시스템은 또한 자기 수송 장비를 포함할 수 있다.
한 구체예에서, 분탄과 물-수집성 물질의 혼합물을 형성하는 단계에 이어서, 조성물 내의 적어도 25%의 물(중량 기준)이 물-수집성 물질과 회합된다. 다른 구체예에서, 물-수집성 물질과 회합된 중량으로 물의 양은 적어도 30%, 적어도 35%, 적어도 40%, 적어도 45%, 적어도 50%, 적어도 55%, 적어도 60%, 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 또는 적어도 90%이다.
실시예 1
중량으로 30%의 수분 함량을 가지는 분탄 (15 g)을 3 옹스트롬의 공극 크기를 가지는 분자체 (15 g, Delta Enterprises, Inc., Roselle, Illinois의 한 부서인, Delta Adsorbents로부터의 제품 MS3A4825 2.5-4.5 mm 비드 크기)와 약 60분간 혼합하여 이를 통해 분탄을 중량으로 <5% 수분까지 건조한다. 체질에 의해 체로부터 분탄을 분리한 후에, 분자체를 칭량하고 100℃ 오븐에서 건조하였다. 분탄을 주기적으로 칭량하여 석탄으로부터 흡수된 물을 날려보내기 위해 필요한 길이의 시간을 측정하였다. 석탄의 첫 번째 회분에 대한 데이터가 도 1에 도시된다. 상기 공정을 두 번째 내지 여섯 번째 회분의 분탄으로 동일한 분자체를 이용하여 반복한다. 도 1의 그래프는 첫 번째 내지 여섯 번째 회분의 분탄을 건조한 후에 건조 공정 전반에 걸친 분자체의 중량 측정을 나타낸다. 도 1은 상기 분자체가 효과적으로 재사용될 수 있음을 입증한다.
실시예 2
중량으로 30%의 수분 함량을 가지는 분탄 (15 g)을 폴리아크릴레이트 고분자 (0.5 g Online Science Mall, Birmingham, Alabama)와 약 1분간 혼합하여 이를 통해 분탄을 중량으로 <5% 수분까지 건조한다. 혼합물을 부드럽게 체질하여 고분자로부터 분탄을 분리한 후에, 분자적인 폴리아크릴레이트 고분자 입자를 건조 후 재사용을 위해 회수한다.
실시예 3
중량으로 21%의 수분 함량을 가지는 분탄 (100g)을 활성화 알루미나 비드(6mm 직경, AGM Container Controls, Inc, Tucson, AZ)와 약 10분간 혼합하여 이를 통해 분탄을 중량으로 약 7% 수분까지 건조한다. 혼합물을 부드럽게 체질하여 고분자로부터 분탄을 분리한 후에, 활성화 알루미나 비드를 건조 후 재사용을 위해 회수한다.
첨부된 청구범위에 의해 정의되는 바와 같은 본 발명(들)은/은 본 명세서에 개시된 구체예에 의해 그 범위가 제한되지 않는다. 실제로, 본 명세서에 나타나고 기술된 구체예의 다양한 변형이 당해 분야의 숙련가에게 전술된 설명으로부터 명백하게 될 것이며 따라서 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (70)

  1. 축축한 분탄과 회합된 물을 감소시키는 방법이되 상기 방법은 상기 축축한 분탄을 적어도 하나의 물-수집성 물질과 접촉시키는 단계를 포함하고, 여기서 혼합물에 존재하는 적어도 일부의 물은 물-수집성 물질과 회합되게 되는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 흡수 및/또는 흡수에 의해 물을 수집하는 방법.
  3. 제1항에 있어서 상기 물은 화학적으로 물-수집성 물질과 반응하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축축한 분탄을 상기 물-수집성 물질과 접촉시키는 단계 전에, 분탄은 물을 제거하기 위한 예비 처리를 겪는 물을 포함하는 혼합물에 있는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 예비 처리는 공기 또는 다른 기체를 이용한 처리, 여과, 침전, 및 원심분리로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 처리에 의해 수행되는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 예비 처리는 중력-기반 여과, 원심력에 의해 보조된 여과, 압력-보조된 여과 및 진공-보조된 여과로 이루어진 군에서 선택되는 여과 처리에 의해 수행되는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 입자의 형태인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 입자는 상기 분탄의 평균 크기보다 적어도: 2, 3, 4, 6, 7, 8; 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 25, 또는 30배 더 큰 평균 크기를 가지는 방법.
  9. 제7항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자는 적어도 1, 적어도 1.25, 적어도 1.5, 적어도 1.75, 적어도 2.0, 적어도 2.25 및 적어도 2.5 mm이고, 약 5 mm 또는 10 mm 미만인 평균 직경을 가지는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 입자는 약 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 또는 26 mm을 초과하는 평균 직경을 가지는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 평균 직경은 약 28, 30 또는 32 mm 미만인 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 분자체, 수화성 고분자 및 건조제로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 폴리아크릴레이트 및 카르복시메틸 셀룰로스로 이루어진 군에서 선택되는 수화성 고분자 물질을 포함하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 실리카, 알루미나, 및 황산칼슘으로 이루어진 군에서 선택되는 건조제를 포함하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접촉 단계 이후에, 방법은 추가로 적어도 일부의 상기 물-수집성 물질이 상기 분탄으로부터 분리되는 분리 단계를 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 분리는 크기-기반 분리를 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 크기-기반 분리는 여과, 체거름 또는 체질, 및 더 크고 및/또는 더 무거운 물-수집성 물질로부터 분탄을 수송하기 위한 기체 스트림의 사용으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 절차를 포함하는 방법.
  18. 제16항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리 후에, 방법은 추가로 상기 분탄과 기존에 회합되었던 적어도 일부의 물을 물-수집성 물질로부터 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 적어도 일부의 물을 물-수집성 물질로부터 제거하는 상기 단계 후에, 상기 물-수집성 물질은 축축한 분탄으로부터 물을 수집하기 위해 재-사용되는 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축축한 분탄은 약 10% 내지 약 15%, 약 15% 내지 약 20%, 약 20% 내지 약 25%, 약 25 내지 약 30%, 약 30% 내지 약 35%, 및 35% 초과로 이루어진 군에서 선택되는 중량으로 물의 양을 포함하는 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 물-수집성 물질에 의한 물의 수집 후에, 중량으로 분탄과 회합된 물의 양은 약 10% 미만, 약 8% 미만, 약 6% 미만, 약 5% 미만 및 약 4% 미만으로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
  22. 축축한 분탄, 및 적어도 하나의 물-수집성 물질을 포함하는 조성물이되, 여기서 조성물 내 적어도 25%의 물 (중량 기준)은 물-수집성 물질과 회합되는 조성물.
  23. 제22항에 있어서, 물-수집성 물질과 회합되는 중량으로 물의 양은 적어도 30%, 적어도 35%, 적어도 40%, 적어도 45%, 적어도 50%, 적어도 55%, 적어도 60%, 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 및 적어도 90%으로 이루어진 군에서 선택되는 조성물.
  24. 제22항 및 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 물을 흡수하는 물질을 포함하는 조성물.
  25. 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 물을 흡착하는 물질을 포함하는 조성물.
  26. 제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 물-수집성 물질과 화학적으로 반응하는 물질을 포함하는 조성물.
  27. 제22항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 입자의 형태인 조성물.
  28. 제22항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 분탄의 평균 크기보다 적어도: 2; 3; 4; 6; 7; 8; 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 25, 또는 30배 더 큰 평균 크기를 가지는 입자의 형태인 조성물.
  29. 제27항 및 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자는 적어도 1, 적어도 1.25, 적어도 1.5, 적어도 1.75, 적어도 2.0, 적어도 2.25 및 적어도 2.5 mm이고, 약 5 mm 또는 10 mm 미만인 평균 직경을 가지는 조성물.
  30. 제27항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 입자는 약 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 또는 26 mm을 초과하는 평균 직경을 가지는 조성물.
  31. 제29항에 있어서, 상기 평균 직경은 약 28, 30 또는 32 mm 미만인 조성물.
  32. 제22항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 분자체, 수화성 고분자 및 건조제로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 조성물.
  33. 제22항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 폴리아크릴레이트 및 카르복시메틸 셀룰로스로 이루어진 군에서 선택되는 수화성 고분자 물질을 포함하는 조성물.
  34. 제22항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 실리카, 알루미나 및 황산칼슘으로 이루어진 군에서 선택되는 건조제를 포함하는 조성물.
  35. 하기
    제22항 내지 제34항 중 어느 한 항에 따른 조성물, 및
    상기 조성물로부터 적어도 일부의 상기 물-수집성 물질을 분리하기 위한 장치
    를 포함하는 조합.
  36. 제35항에 있어서, 상기 장치는 크기-기반 분리 공정에 의해 상기 분탄으로부터 상기 물-수집성 물질을 분리하도록 구성되는 장치인 조합.
  37. 제36항에 있어서, 상기 장치는 여과, 체거름 또는 체질, 및 더 크고 더 무거운 물-수집성 물질로부터 분탄을 수송하기 위한 기체 스트림의 사용으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 처리를 제공하도록 구성되는 조합.
  38. 축축한 분탄으로부터 물을 제거하기 위한 시스템이되
    축축한 분탄이 적어도 하나의 물-수집성 물질과 혼합되어 축축한 분탄 및 상기 물-수집성 물질의 혼합물을 형성하는 첫 번째 장소, 및
    적어도 일부의 상기 물-수집성 물질이 상기 혼합물로부터 제거되는 두 번째 장소를 포함하는 시스템.
  39. 제38항에 있어서, 상기 혼합물을 형성하는 단계 이후에, 조성물 내 적어도 25%의 물 (중량 기준)은 물-수집성 물질과 회합되는 시스템.
  40. 제39항에 있어서, 물-수집성 물질과 회합되는 중량으로 물의 양은 적어도 30%, 적어도 35%, 적어도 40%, 적어도 45%, 적어도 50%, 적어도 55%, 적어도 60%, 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 및 적어도 90%으로 이루어진 군에서 선택되는 시스템.
  41. 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 물을 흡수하는 물질을 포함하는 시스템.
  42. 제38항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 물을 흡착하는 물질을 포함하는 시스템.
  43. 제38항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 물과 결합하는 물질을 포함하는 시스템.
  44. 제38항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 입자의 형태인 시스템.
  45. 제38항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 물-수집성 물질은 분탄의 평균 크기보다 적어도: 2, 3, 4, 6, 7, 8; 9, 10, 12 14 16, 18, 20, 25, 또는 30배 더 큰 평균 크기를 가지는 입자의 형태인 시스템.
  46. 제44항에 있어서, 상기 입자의 평균 크기는 적어도: 1, 적어도 1.25, 적어도 1.5, 적어도 1.75, 적어도 2.0, 적어도 2.25 및 적어도 2.5 mm이고, 약 5 mm 또는 10 mm 미만인 평균 직경을 가지는 시스템.
  47. 제44항에 있어서, 상기 입자는 약 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 또는 26 mm을 초과하는 평균 직경을 가지는 시스템.
  48. 제47항에 있어서, 평균 직경은 약 28, 30 또는 32 mm 미만인 시스템.
  49. 제38항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 분자체, 수화성 고분자 및 건조제로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 시스템.
  50. 제38항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 폴리아크릴레이트 및 카르복시메틸 셀룰로스로 이루어진 군에서 선택되는 수화성 고분자 물질을 포함하는 시스템.
  51. 제38항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 실리카, 알루미나, 및 황산칼슘으로 이루어진 군에서 선택된 건조제를 포함하는 시스템.
  52. 제38항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 두 번째 장소는 크기-기반 분리를 제공하도록 구성되는 시스템.
  53. 제52항에 있어서, 상기 두 번째 장소는 여과, 체거름 또는 체질, 및 더 크고 및/또는 더 무거운 물-수집성 물질로부터 분탄을 수송하기 위한 기체 스트림의 사용으로 이루어진 군에서 선택되는 처리를 제공하도록 구성되는 시스템.
  54. 제38항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 추가로 물-수집성 물질로부터 적어도 일부의 물이 제거되는 세 번째 장소를 포함하는 시스템.
  55. 제54항에 있어서, 추가로 세 번째 장소로부터 수득된 적어도 일부의 물-수집성 물질을 다시 축축한 분탄을 갖는 혼합물을 위한 첫 번째 장소로 수송하기 위한 수송장치를 포함하는 시스템.
  56. 축축한 분탄과 회합된 물을 감소시키는 방법이되 상기 방법은 상기 축축한 분탄을 적어도 하나의 물-수집성 물질과 접촉시키는 단계를 포함하고, 여기서 혼합물에 존재하는 적어도 일부의 물은 물-수집성 물질과 회합되게 되며; 여기서 상기 물-수집성 물질은 자석에 의해 끌릴 수 있는 입자의 형태인 방법.
  57. 제56항에 있어서, 상기 접촉시키는 단계 이후에, 방법은 추가로 적어도 일부의 상기 물-수집성 물질이 단독으로 또는 상기 자기적 분리 전 또는 후에 상기 입자에 적용되는 크기 기반 분리와 조합으로 자기적 분리에 의해 상기 분탄으로부터 분리되는 분리 단계를 포함하는 방법.
  58. 분탄 및 자석에 의해 끌릴 수 있는 적어도 하나의 물-수집성 물질의 입자를 포함하는 조성물.
  59. 제58항에 있어서, 조성물 내 적어도 25%의 물 (중량 기준)은 물-수집성 물질과 회합되는 조성물.
  60. 하기
    제58항 또는 제59항에 따른 조성물, 및
    상기 조성물로부터 적어도 일부의 상기 물-수집성 물질을 분리하기 위한 장치;
    를 포함하는 조합이되 여기서 상기 장치는 단독으로 또는 크기-기반 분리와 조합되어 사용되는 자기-기반 분리 공정에 의해 상기 분탄으로부터 상기 물-수집성 물질을 분리하도록 구성되는 조합.
  61. 축축한 분탄으로부터 물을 제거하기 위한 시스템이되
    축축한 분탄이 자석에 의해 끌릴 수 있는 적어도 하나의 물-수집성 물질과 혼합되어 축축한 분탄 및 상기 물-수집성 물질의 혼합물을 형성하는 첫 번째 장소, 및
    적어도 일부의 상기 물-수집성 물질이 단독으로 또는 상기 자기적 분리 전 또는 후에 상기 입자에 적용되는 크기 기반 분리와 조합으로 자기적 분리를 이용하여 상기 혼합물로부터 제거되는 두 번째 장소를 포함하는 시스템.
  62. 제61항에 있어서, 상기 혼합물을 형성하는 단계 후에, 조성물 내 적어도 25%의 물 (중량 기준)은 물-수집성 물질과 회합되는 시스템.
  63. 제61항 또는 제62항에 있어서, 물-수집성 물질은 적어도: 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 25, 또는 30배 더 큰 평균 크기를 가지는 입자의 형태인 시스템.
  64. 제61항 또는 제62항에 있어서, 상기 입자의 평균 크기는 적어도: 1, 적어도 1.25, 적어도 1.5, 적어도 1.75, 적어도 2.0, 적어도 2.25 및 적어도 2.5 mm이고, 약 5 mm 또는 10 mm 미만인 평균 직경을 가지는 시스템.
  65. 제61항 또는 제62항에 있어서, 상기 입자는 약 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 또는 26 mm을 초과하는 평균 직경을 가지는 시스템.
  66. 제65항에 있어서, 평균 직경은 약 28, 30 또는 32 mm 미만인 시스템.
  67. 제61항 내지 제66항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 분자체, 수화성 고분자 및 건조제로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 시스템.
  68. 제61항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물-수집성 물질은 실리카, 알루미나, 및 황산칼슘으로 이루어진 군에서 선택된 건조제를 포함하는 시스템.
  69. 제61항 내지 제68항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 두 번째 장소는 단독으로 또는 상기 분탄으로부터 상기 물-수집성 물질의 크기-기반 분리와 조합된, 상기 분탄으로부터 상기 물-수집성 물질의 자기적 분리를 제공하도록 구성되는 시스템.
  70. 제61항 내지 제69항 중 어느 한 항에 있어서, 추가로 적어도 일부의 물이 물-수집성 물질로부터 제거되는 세 번째 장소를 포함하고; 상기 시스템은 추가로 세 번째 장소로부터 수득된 적어도 일부의 물-수집성 물질을 다시 축축한 분탄을 갖는 혼합물을 위한 첫 번째 장소로 수송하기 위한 자석을 포함하는 수송장치를 포함하는 시스템.
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