对细颗粒进行分离和脱水的方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请是2013年1月17日提交的美国临时申请13/576,067的部分继续申请 (CIP)，该部分继续申请是2011年1月31日提交的PCT/US2011/023161的美国国家阶段申 请，该PCT申请要求2010年2月1日提交的美国临时申请61/300,270和2012年6月11 日提交的美国临时申请61/658, 153的优先权；上述申请通过引用的方式并入本申请。
技术领域
[0003] 本发明属于从细颗粒，特别是疏水性颗粒，例如煤，中清除其在水介质中的杂质， 并从产物中除去工艺用水，以达到通常可通过热力干燥来实现的水平的方法。
【背景技术】
[0004] 煤是燃烧产生用于发电和用于工业和家庭应用的热量的有机材料。它具有矿物质 夹杂物并可能含有不想要的元素，如硫和汞。煤燃烧后产生大量需要妥善处理的灰烬和难 捕捉的粉尘。因此，粗煤在被利用之前先清除掉矿物质，这也有助于提高燃烧效率从而减少 二氧化碳排放。一般来说，大块煤（50X0. 15_)可以通过利用煤炭和矿物质之间的比重差 异有效清洁，而粉煤（约〇. 15_和更小）通过泡沫浮选清洁。
[0005] 在浮选过程中，气泡在水中分散，粉煤和矿物质在水中悬浮。疏水性煤颗粒通过 气泡的上升流被选择性收集并在水相的表面形成泡沫相，留下亲水性矿物质。较高煤级的 煤颗粒通常是疏水性的，因此可以通过被称为疏水相互作用的机制被也是疏水性的气泡吸 弓丨。到达所述泡沫相并随后到达最终产物流的所述疏水性煤颗粒基本上不含矿物质，但含 有大量工艺用水。湿煤难以处理，并会产生高昂的运输成本和较低的燃烧效率。因此，使用 各种装置如旋风分离器、增稠剂、过滤器、离心机和/或热干燥机对清洁煤产物进行脱水。
[0006] 较细颗粒的浮选变得低效。在另一方面，低品位矿通常需要细磨以充分解离。在 矿物浮选过程中，矿物浮选效力迅速恶化到大约10到15ym以下，而在约44ym以下煤浮 选就变得困难。此外，由于大的比表面积和被限制在细颗粒之间的水的高毛细管压力，对浮 选产物进行脱水困难。当矿物粒径大于约150ym以及煤的粒径大于约500ym时，浮选也 变得低效。
[0007] 许多研宄者探索从粉煤中分离矿物质的替代方法，其中选择性团聚受到很大关 注。在这个也被称为油团聚或球状团聚的方法中，将油加入到含水悬浮液中，同时进行搅 拌。在高剪切搅拌条件下，油分解成小液滴，与颗粒碰撞，通过疏水相互作用选择性地吸附 在煤上，与邻近的煤颗粒形成摆动桥，并形成团聚体。高剪切搅拌对于团聚体的形成至关重 要，其也被称为相转化。Nicol等人（美国专利号4, 209, 301)公开了不强烈搅拌、在不稳定 的水包油乳剂的形态中加入油可产生团聚体。通过这些方法所形成的团聚体通常足够大， 足以通过简单的筛选从分散在水中的矿物质中分离。通过使浆液料在受到高剪切搅拌后再 受到低剪切搅拌可增大团聚体尺寸。
[0008] 一般来说，选择性团聚比泡沫浮选产生更低水分的产物和更高的煤回收率。在另 一方面，选择性团聚消耗高剂量油。
[0009] 用于选择性团聚方法中的油量通常在原料煤重量的5 %至30 %范围内（S， C.Tsai，inFundamentalsofCoalBeneficiationandUtilization，Elsevier，2982， p. 335)。在低剂量下，团聚体在构成被充满水的团聚体的颗粒之间具有空隙，其中细矿物质 如粘土被分散，这反过来使得获得低水分和低灰分产物困难。尝试通过使用足够大的油量 使得空隙充满了油，从而将细矿物质的限制最小化来克服这个问题。Capes等人（Powder Technology，vol. 40,184,pp. 43-52)公开了当油使用量低于5%时水分含量以重量计超过 50%。通过增加油剂量至35%，水分含量大幅降低至17-18 %的范围内。
[0010] Keller等人（ColloidsandSurfaces，vol. 22,1987，pp. 37-50)增加油剂量以 体积计至55-56%以更完全地填满空隙，这实际上消除了限制问题并产生含有灰分低于 1-2%的超清洁煤。然而，水分含量仍然很高。Keller(加拿大专利号1198704)采用氟化 烃类作为凝聚剂，获得40 %水分的产物。根据测试煤的种类，约7-30 %的水分来自于附着 到煤的表面上的水，而其余的是来自于被限制在团聚体内的大量的水珠（Keller等人，Coal Preparation，vol. 8,1990,pp.1-17)〇
[0011] Smith等人（美国专利号4, 244, 699)和Keller(美国专利号4, 248, 698;加拿大 专利号1，198, 704)使用低沸点（40-159°F)的氟化烃油，以便于使用过的凝聚剂可以容易 地被回收并被循环利用，众所周知这些试剂对大气臭氧层有不良效应。因此，Keller(美国 专利号4, 484, 928)和Keller等人（美国专利号4, 770, 766)公开了使用短链烃，例如2-甲 基丁烷，戊烷和庚烷作为凝聚剂的方法。像氟化烃，这些试剂具有相对低的沸点，这使其能 够被回收并被循环利用。
[0012] 能够循环利用凝聚剂是消除选择性团聚方法商业化的障碍的重要步骤。实现这个 目标的另一种方法是大幅减少油的使用量。Capes(ChallengesinMineralProcessing， ed.byK.V.S.SastryandM.C.Fuerstenau,SocietyofMiningEngineers，Inc.，1989， pp.237-251)开发了低油团聚方法，其中在油的低剂量下（0.5-5%)形成的较小的团聚体 (< 1mm)通过浮选而不是通过筛选从矿物质中被分离。同样地，Wheelock等人（美国专利 号6, 632, 258)开发了利用显微级别气泡将耗油量限制到煤重量的0.3-3%的选择性团聚 粉煤的方法。
[0013]Chang等人（美国专利号4, 613, 429)公开了通过在水/液态二氧化碳界面的粒子 的选择性运输将矿物质从粉煤中清除的方法。液态二氧化碳可被回收和循环利用。报告显 示，使用该液态二氧化碳（LICAD0)方法获得的清洁煤产物经过过滤后含有5-15%的水分 (Cooper等人，Proceedingsofthe25thIntersocietyEnergyConversionEngineering Conference，1990,August12-17,1990,pp. 137-142)〇
[0014]Yoon等人（美国专利号5, 459, 786)公开了使用可循环利用的非极性液体对粉煤 进行脱水的方法。脱水作用通过使该液体替换表面水分来达到。Yoon等人报道了这种通过 替换进行脱水（DBD)的方法能够以比加热干燥低得多的能源成本获得相同或更好的水分 减少水平，但未说明从煤中去除矿物质。
[0015] 如上所述，Keller(加拿大专利号1，198, 704)将从他的选择性团聚方法中获得清 洁煤产物的高水分含量归因于大量水珠的存在。因此，仍然需要可用于将具有低含水量的 亲水性杂质从疏水性颗粒，特别是煤，中清除的方法。
【发明内容】
[0016] 本发明的一个目的是提供将亲水性污染物从疏水性颗粒材料中清除的方法。本 发明另一个目的是提供水分含量远低于通过常规脱水方法可获得的水分含量的清洁疏水 性细颗粒材料。在本发明中，所述颗粒材料包括但不限于，直径小于约1mm、优先小于约 0. 5_、更优先小于约0. 15_的煤颗粒和矿物。本发明的显著益处可使用难以通过浮选被 分离的超细颗粒来最优地实现。
[0017] 在本发明中，疏水性液体被添加到含水介质中，其中疏水性和亲水性颗粒的混合 物（或浆料）是悬浮的。所述疏水性液体在高剪切搅拌条件下加入以产生小液滴。这里使 用的"高剪切"或类似的词，指足以形成大的且可见的团聚体的剪切速度，其被称为相转化。 如上所述，在高剪切搅拌条件下，油破碎成小液滴，其与细颗粒碰撞，并且选择性地与邻近 的疏水性颗粒形成摆动桥，从而产生疏水性颗粒的团聚体。形成所述团聚体所需要的搅拌 强度应根据颗粒尺寸、颗粒的疏水性、颗粒形状，颗粒的比重（S.G.)、使用的疏水性液体的 类型和用量等来变化。一般地，团聚体的形成通常在叶轮外缘速度高于约35ft/s，优选高于 约45ft/s，更优选高于约60ft/s下发生。在某些实施例中，浆液料经受高剪切搅拌后再经 受低剪切搅拌以使所述团聚体尺寸变大，这将有助于从分散在水相中的所述亲水性颗粒中 分离所述团聚体。
[0018] 团聚的疏水性颗粒通过使用简单的尺寸-尺寸分离方法，如筛选，从分散的亲水 性颗粒中被分离。在这个阶段，所述团聚体基本不含所述亲水性颗粒，但仍含有大量的被限 制在构成所述团聚体的疏水性颗粒之间产生的间隙中的工艺用水。被限制的水还含有分散 在其中的分散的亲水性颗粒。
[0019] 为了去除被限制的水，第二疏水性液体被加入到所述团聚体中以分散在液体中的 所述疏水性颗粒。该分散过程从所述团聚体中释放被限制的工艺用水和分散在其中的所述 亲水性颗粒。分散在所述第二疏水性液体中的所述疏水性颗粒随后从所述疏水性液体中被 分离。从这个最后的步骤中获得的所述疏水性颗粒几乎不含表面水和被夹带的亲水性颗 粒。通常地，与清洁疏水性颗粒相关联的亲水性颗粒的量以重量计小于10%，优选小于约 7%，更优选小于约3% ;和小于约10%的水，优选小于约7%的水，更优选小于约5%的水。 重要的是，本发明能够从所述疏水性颗粒中去除90%以上的亲水性颗粒，优选95%，更优 选98 % ;并从所述疏水性颗粒中去除95 %的水，优选95 %，更优选99 %的水。
[0020] 因此，本发明的一个目的是从亲水性颗粒中分离疏水性颗粒，并同时使用疏水性 液体从产物中去除水。以上所述的疏水-亲水分离（HHS)方法