煤成固态烃粒子的制作方法

本申请要求于2016年11月11日提交且名称为coal-derivedsolidhydrocarbonparticles(煤成固态烃粒子)的美国临时申请号62/421,128的权益。将这个在先申请通过引用并入。

发明背景

本公开内容涉及煤成(煤衍生的或煤来源的，coal-derived)固态烃粒子(固体烃颗粒，solidhydrocabonparticle)以及制备这样的粒子的方法。煤成固体粒子包括煤成含碳物质和煤成矿物质。煤成固态烃粒子包括源自任何煤源的离散的固态煤成含碳物质粒子，其被研磨至足够小的尺寸从而基本上不含固有或夹带的矿物质。公开了用于将煤成含碳物质粒子与煤成矿物质粒子分离的系统和方法。所得煤成固态烃粒子基本上不含固有或夹带的煤成矿物质。

煤是由古代植物材料形成的固态化石燃料。煤含有不同量的碳、氢、氮、氧和硫，以及不同量的其他元素和化合物，包括矿物质。开采的煤岩是由以下三种一般类别的物质组成的复合材料：有机含碳物质，包括煤素质；无机矿物质；和流体。含碳物质包括不同分子量的固态烃。矿物质包括煤的成灰矿物成分。分散在煤成固态含碳基质中的矿物质被称为固有矿物质或固有灰分。在开采期间来源于层间带或顶板和底板岩层的矿物质被称为外来灰分。流体存在于在其他两种固态组分之内和之间的孔隙中。在开采前煤中的流体主要是水和甲烷。水典型地在10重量％至50重量％的范围。

使开采的煤穿过制备装置以将煤粉碎至适合于运送的尺寸并且去除与开采的煤相关联的大块外来灰分(无机矿物形成层、凝团、裂缝和岩屑)。此外，还经由密度分离技术筛出具有过多固有灰分(在固态烃基质中的散布或夹带的矿物质、矿物质的细包含物)的煤岩。将在制备装置中从开采的煤岩去除的材料作为废煤矸石送到堆存。

煤是世界上最重要的能源之一。美国每年生产大约10亿吨煤。典型地将煤粉碎。在开采和粉碎操作期间，产生煤废物细粉(coalwastefines)(也称为煤尘)。此外，典型地在运输之前洗涤煤以去除表面尘土。煤粉定义为尺寸小于1毫米的煤，并且超细煤粉定义为尺寸小于500微米的煤。当前的去除尺寸小于1mm的煤粒子的工业过程比其他煤加工昂贵。粒子越小，加工成本越高。另外，当前没有回收和销售小于100微米(0.1mm)的粒子的商业过程。美国每年产生并且堆存大约2至3亿吨煤废物细粉。据估计，中国每年生产超过30亿吨煤，并且每年堆存超过5亿吨相关的煤粉。

基于矿物质灰分含量、水分、煤素质、烃和挥发性物质可以有许多等级的煤。无论是什么等级的煤，煤的能量含量都直接与其水分和成灰矿物质含量相关。煤的成灰矿物质和水分含量越低，煤的能量含量越高，并且价值越大。任何等级的煤都可以通过降低煤的矿物质成分含量来改善。

尽管煤粉与大尺寸的开采煤产品具有相同的组成，但是其被认为是废物，因为常规的煤回收过程没有设计用于处理小粒子。废煤粉被闲置，因为它们一般太湿而无法燃烧，太脏而不值得干燥，并且太细而无法运输。在全世界存在在数千个煤矿处堆存的数十亿吨的废煤粉。据估计，在美国和中国存在超过100亿吨，并且在在澳大利亚、印度、印度尼西亚、俄罗斯、哥伦比亚和其他国家存在另外的数十亿吨。

如本文中使用的，煤粉通常含有三种成分：(1)固态烃；(2)固态矿物质，其包括成灰成分粒子，如粘土、石灰岩和砂；以及(3)水。这些煤粉典型地具有大约30重量％(约15体积％)的矿物质含量和大于30重量％的水分含量。通常将它们作为环境有害物质堆存。

在煤炭工业中特别具有挑战性的是具有典型的成灰矿物质成分的煤的燃烧。所述成分是最有害排放物如sox的主要来源，并且降低能量值和传热效率。将固态矿物质成分与固态烃成分分离将使得能够制备更清洁的燃煤产品并且将是能量领域中的显著进步。煤的基本上纯的固态烃成分也可以用于化学、工业和能量应用，在固态煤处于煤岩和煤粒子状态时，所述化学、工业和能量应用先前不适合于固态煤。

提供获得基本上不含煤成矿物质的煤成固态烃粒子的方法将会是本领域中的进步。

发明概述

天然存在的固态煤是由固态有机含碳物质和分散在含碳物质基质中的固态无机矿物质组成的复合固态材料。在煤中还可以存在水和挥发性流体。因此，煤成固体粒子包括煤成固态含碳物质和煤成固态矿物质。本公开内容涉及用于将煤成固态矿物质粒子与固态含碳物质分离以得到基本上不含固有矿物质的煤成固态烃粒子的方法和系统。

如本文中使用的，煤成固体包括可以来源于任何煤源的离散粒子。它们包括但不限于：离散的煤成含碳物质粒子、离散的非烃矿物质粒子、含有固态含碳物质和矿物质粒子的煤成团聚体粒子、含有固态含碳物质和矿物质相的煤成复合粒子，它们全都可以来源于任何经加工或未加工的煤源。煤成复合粒子在本文中也被称为“复合煤”。

如本文中使用的，煤成固态烃粒子包括来源于任何煤源的离散的固态煤成含碳物质粒子，其基本上不含固有矿物质。煤源可以包括但不限于开采煤、煤矸石、原煤、升级的原煤、来自煤加工的煤矸石、煤泥浆池中的煤矸石、开采煤的粉碎和研磨。

如本文中使用的，煤成固态矿物质包括来源于任何煤源的离散的固态非烃矿物质粒子。煤源可以包括但不限于来源于开采煤、煤矸石、原煤、升级的原煤、来自煤加工的煤矸石、煤泥浆池中的煤矸石、开采煤的粉碎和研磨的矿物质。

如本文中使用的，煤成固态烃粒子基本上不含固有或夹带的矿物质粒子。在一个实施方案中，煤成固态烃粒子包括粒度小于约20μm的离散的煤成含碳物质的粒子。在另一个实施方案中，离散的煤成含碳物质的粒子具有小于约10μm的粒度。煤成含碳物质的粒子可以具有在1μm至4μm范围内的平均粒度。煤成含碳物质的粒子被研磨至与煤源中固有的煤成矿物质的尺寸大致相同的尺寸以释放固有的煤成矿物质粒子，使得含碳物质的粒子和矿物质的粒子是离散的固体粒子。由于是独立的、个体不同的或未连接的，煤成含碳物质粒子与煤成矿物质粒子分离而得到基本上纯的煤成含碳物质粒子，或如本文中使用的煤成固态烃粒子。由于与将离散的煤成含碳物质粒子与离散的煤成矿物质粒子分离的过程相关的限制，可能存在少量的保持未与离散的煤成含碳物质粒子分离的离散煤成矿物质粒子。典型地，低于1.5重量％的离散煤成矿物质粒子与煤成含碳物质粒子未分离。随着开发出改善的分离过程，保持未与煤成矿物质粒子分离的煤成矿物质粒子的量将降低。这样的基本上纯的煤成含碳物质粒子在本文中被称为煤成固态烃。因为煤成固态烃粒子基本上不含固有或夹带的矿物质，所以煤成固态烃不是复合煤。如本文中使用的，表述“离散的粒子”或“离散的固体粒子”意指独立的、个体不同的或未连接的固体粒子。

在一些非限制性实施方案中，可以存在低于1重量％的保持未与煤成含碳物质的粒子分离的离散煤成矿物质粒子。在一些非限制性实施方案中，可以存在低于0.7重量％的保持未与煤成含碳物质的粒子分离的离散煤成矿物质粒子。

在包含煤成含碳物质的粒子和液态烃的滤饼中可以存在煤成含碳物质的粒子。液态烃的非限制性实例包括煤油、柴油、燃料油和原油。

煤成固态烃粒子可以用于多种不同的应用。在一个实施方案中，煤成含碳物质的粒子与烃燃料共混以形成两相烃燃料原料。烃燃料可以是液态或气态的。在另一个实施方案中，煤成含碳物质的粒子与水共混以形成两相液态燃料原料。

本文公开了用于获得煤成固态烃粒子的方法。在一个非限制性方法中，使用泡沫浮选将包含离散的煤成复合物的粒子的煤成固体与离散的煤成矿物质的粒子分离，所述煤成复合物由固态含碳物质基质和该含碳物质基质中的固有矿物质组成。可用的泡沫浮选分离技术的非限制性实例在共同未决的美国专利申请号14/495,657(作为美国公开号us2016/0082446a1公开)中披露，将其公开内容通过引用并入。

在泡沫浮选中使用的含水浆料进料的品质和特性影响所生产的煤-泡沫。在一个非限制性实施方案中，获得煤成固体的含水浆料，其包含离散的煤成复合物的粒子、离散的煤成矿物质的粒子和一定量的水，所述煤成复合物由固态含碳物质基质和在含碳物质基质中的固有矿物质组成。含水浆料可以含有大于25重量％的包含离散的煤成复合物的粒子和离散的煤成矿物质的粒子的固体粒子。离散的煤成复合物的粒子和离散的煤成矿物质的粒子具有小于约100μm的粒度。

可以经由泡沫浮选分离将煤成复合物的粒子与煤成矿物质的粒子分离以得到煤-泡沫。煤-泡沫典型地含有以干基计(基于干重，onadrybasis)低于8重量％的煤成矿物质。在一些实施方案中，煤-泡沫含有以干基计低于5重量％的煤成矿物质。在其他实施方案中，煤-泡沫含有以干基计低于2.5重量％的煤成矿物质。从煤-泡沫的一部分机械地去除水以得到湿滤饼。可以使用任何合适的机械液/固分离技术来将液体与固体粒子分离。压滤机和真空过滤是本文中可以使用的机械液体去除技术的两个非限制性实例。优选地将湿滤饼与煤-泡沫的另一部分共混以形成含有45重量％至55重量％固体的混合物。

优选地将分散剂加入到混合物中以减少粒子团聚并且使得能够进行后续的泡沫浮选(如果需要的话)。在一个非限制性实施方案中，分散剂是有机酸。分散剂可以是选自直链、环状、饱和或不饱和的羧酸和多元羧酸的有机酸。在一个当前优选的实施方案中，分散剂是柠檬酸。分散剂优选地抑制煤成复合粒子的含碳物质基质的氧化。

可以研磨混合物以形成具有在1μm至8μm范围内的平均粒度的离散的煤成固态烃的粒子和离散的煤成矿物质的粒子。在一个非限制性实施方案中，使用具有小于5mm的尺寸的陶瓷介质研磨混合物。

在一个实施方案中，将经研磨的混合物与液态烃合并以形成悬浮液。液态烃的非限制性实例包括柴油、煤油、燃料油和原油。相对于液态烃，悬浮液可以包含至少50重量％的固体粒子。含有悬浮的亲水性煤成矿物质的水密度较大并且从底部排出。含有悬浮的固态烃的液态烃密度较小并且在顶部漂浮。一旦体相水(大量水，bulkwater)被排出，就经由机械液/固分离过程如压滤机去除过量的液态烃和任何剩余水以得到包含煤成固态烃的粒子和液态烃的烃滤饼。滤饼可以包含以干基计低于2重量％的煤成矿物质。在另一个实施方案中，烃滤饼可以包含以干基计低于1重量％的煤成矿物质。压滤机和真空过滤是可以用于将液体与固体粒子分离的机械液/固分离技术的两个非限制性实例。

烃滤饼可以用于多种不同的工业、化学和能量应用。在一个非限制性实施方案中，可以将烃滤饼与液态烃燃料共混以形成两相烃燃料原料。

在另一个实施方案中，使经研磨的混合物进行第二泡沫浮选分离过程以将经研磨的煤成固态烃的粒子与煤成矿物质的粒子分离。产生煤成固态烃(cdsh)-泡沫，其含有以干基计低于2重量％的煤成矿物质。在一个实施方案中，从cdsh-泡沫机械地去除水以得到湿cdsh滤饼，其含有适合用于水-燃料悬浮液的煤成固态烃粒子。

在另一个实施方案中，将含有煤成固态烃粒子的湿cdsh滤饼干燥以产生干燥的cdsh粉末。此粉末状煤成固态烃可以作为原料用于工业、化学和能量的过程和应用。可以将干燥的cdsh粉末直接注入到燃烧器中作为燃料源。可以将干燥的cdsh粉末悬浮在空气或气态燃料中作为两相燃料源。

在另一种所公开的用于获得煤成固态烃粒子的方法中，获得煤成固体的含水浆料，其包含离散的煤成复合物的粒子、离散的煤成矿物质的粒子和一定量的水，所述煤成复合物由固态含碳物质基质和在该含碳物质基质中的固有矿物质组成。将处于约50重量％固体的煤成固体的含水浆料研磨至小于20微米，并且平均粒度为约2微米至4微米。优选地在研磨之前将分散剂加入到含水浆料中以减少粒子团聚并且使得能够进行后续的泡沫浮选。在一个非限制性实施方案中，使用具有小于5mm的尺寸的陶瓷介质研磨混合物。将经研磨的浆料引入到泡沫浮选槽中。然后在第二浮选步骤中使所产生的泡沫再次漂浮。第二浮选主要地去除所有游离的漂浮煤成矿物质，使得第二泡沫含有非常少的游离煤成矿物质。因为第二泡沫含有煤成固态烃(cdsh)，所以其被称为cdsh-泡沫。

任选地对经研磨的混合物进行单一泡沫浮选分离过程以将经研磨的煤成固态烃的粒子与煤成矿物质的粒子分离。在此情况下，可以不断地将煤浆(pulp)中的煤成矿物质固体含量稀释至低于4重量％固体，以使可用于在正在产生的cdsh-泡沫中夹带的游离煤成矿物质最小化。泡沫的煤成矿物质含量以干基计低于1.5重量％。此外，可以将逆流洗涤水滴在cdsh-泡沫上。具有逆流洗涤水的cdsh-泡沫可以为以干基计低于0.5重量％的煤成矿物质粒子。

可以任选地使用合适的机械液/固分离技术(如以上提到的那些)从cdsh-泡沫机械地去除水以得到湿cdsh滤饼。

可以将湿滤饼与水共混以形成两相液态燃料。

可以将湿滤饼干燥以得到干燥的煤成固态烃粉末。可以将这样的cdsh粉末与烃燃料共混并且悬浮在烃燃料中以形成两相烃燃料原料。烃燃料可以是气态的，如天然气、甲烷、丙烷、丁烷或其他气态烃燃料。可以将干燥的煤成固态烃粒子与空气共混并且悬浮在空气中以形成两相气态燃料。

如上所述，代替从cdsh-泡沫机械地去除水，可以将其与液态烃合并以形成悬浮液。液态烃的非限制性实例包括柴油、煤油、燃料油和原油。相对于液态烃，悬浮液可以包含至少50重量％的固体粒子。含有悬浮的亲水性煤成矿物质的水相密度较大并且从底部排出。含有悬浮的cdsh的液态烃相密度较小并且在顶部漂浮。一旦体相水被排出，就通过机械液/固分离过程如压滤机去除过量的液态烃和任何剩余水，以得到包含煤成固态烃的粒子和液态烃的烃滤饼。可以将烃滤饼作为固体输送以作为原料用于其他工业和化学的过程和应用。此外，其可以用于制备基于液态烃的燃料。

附图的若干图示简述

为了将容易理解获得本发明的上述和其他特征和优点的方式，以上简述的本发明的更具体描述将参照在附图中举例说明的其具体实施方案来提供。应理解这些附图仅描绘本发明的典型实施方案，因此不被认为是限制其范围，将通过使用附图以另外的具体说明和细节来描述和解释本发明，其中：

图1是一个所公开的用于获得煤成固态烃泡沫的过程的流程图。

图2是另一个所公开的用于获得煤成固态烃泡沫的过程的流程图。

图3是又一个所公开的用于获得煤成固态烃泡沫的过程的流程图。

图4是一个所公开的用于获得煤成固态烃滤饼的过程的流程图。

图5是一个所公开的用于制备煤成固态烃和水燃料的过程的流程图。

图6是一个所公开的使用烃团聚的过程的流程图。

图7是一个所公开的用于获得干燥煤成固态烃粉末的过程的流程图。

图8是涉及其中最初泡沫浮选在研磨之前发生的用于获得和利用煤成固态烃的过程的流程图。

图9是涉及其中研磨在最初泡沫浮选之前发生的用于获得和使用煤成固态烃的过程的流程图。

图10a-10e是直径在25至100μm范围内的阿帕拉契亚波卡洪塔斯(appalachianpocahontas)煤层冶金级煤粒子的sem-bsi图像。

图10f是左侧到右侧距离为380μm的阿帕拉契亚波卡洪塔斯煤粒子的光学显微照片。

图11a-12c是直径在50至200μm范围内的澳大利亚煤层冶金级煤粒子的sem-bsi图像。

图11d是左侧到右侧距离为380μm的澳大利亚煤粒子的光学显微照片。

图12a是元素组成与石英(sio2)一致的煤粒子的一种细粉粒尺寸矿物质内含物的sem-edx谱。

图12b是元素组成与伊利石-绢云母型粘土一致的煤粒子的另一种细粉粒尺寸矿物质内含物的sem-edx谱。氯(cl)的存在是由于用于浸渍样品的环氧树脂所致。

图13a是直径小于5μm的阿帕拉契亚波卡洪塔斯煤层冶金级煤粒子的sem-bsi图像。

图13b是利用薄片分析(thin-sectionanalysis)软件处理的图13a的sem-bsi图像。

图14a是直径小于5μm的澳大利亚煤层冶金级煤粒子的sem-bsi图像。

图14b是利用薄片分析软件处理的图14a的sem-bsi图像。

图14c是左侧到右侧距离为380μm的澳大利亚煤粒子的光学显微照片。

发明详述

将通过参照附图最好地理解本发明的实施方案，其中在全文中相同的部件用相同的附图标号指示。将容易理解，本文中一般描述和在附图中举例说明的本发明的组成部分可以以各种不同配置来布置和设计。因此，本发明的实施方案的以下更详细描述不打算限制所要求保护的本发明的范围，而仅是本发明的实施方案的典型。

所公开的本发明的一个方面涉及用于将煤中固有或夹带的煤成矿物质与固态含碳物质分离以得到基本上不含固有矿物质的煤成固态烃粒子的方法和系统。这是通过形成离散的煤成矿物质的粒子和离散的煤成含碳物质的粒子来促进的。

由于是独立的、个体不同的或未连接的，将煤成含碳物质粒子与煤成矿物质粒子分离而得到基本上纯的煤成含碳物质粒子。

给出以下非限制性实施例以举例说明与所公开的煤成固态烃粒子和相关方法有关的几个实施方案。应理解，这些实施例对于可以根据本发明所公开的发明实施的许多类型的实施方案来说既不全面也不穷尽。

实施例1

如图1所示，获得煤成固体的含水浆料，所示煤成固体可以来源于任何煤源。含水浆料包含离散的复合煤的粒子、离散的煤成矿物质的粒子和一定量的水，所述复合煤由固态含碳物质基质和在该含碳物质基质中的固有矿物质组成。将含有大约五十重量百分比(重量％)固体粒子的浆料引入到高剪切混合器中。

然后在轨道筛(orbitalsieve)上的300微米(μm)筛网上方将浆料排出。将来自300μm筛网的底流引入到煤-泡沫浮选槽中，其中通过泡沫浮选分离将复合煤的粒子与煤成矿物质的粒子分离。在水-气泡区域中附接至细泡的复合煤粒子通常被称为浮选槽的煤浆。气泡的浮力将气泡和复合煤粒子提升到被称为水-气泡线(water-bubbleline)的浮选槽的顶部。在水-气泡线处，小气泡合并成大气泡，形成煤-泡沫。复合煤粒子在煤-泡沫中保持附接至合并的气泡。在煤浮选槽的上部区域中在水-气泡线处的煤浆上方形成煤-泡沫。煤成矿物质粒子保留在煤浮选槽的下部区域的煤浆中，这是因为它们是亲水性的。随着更多的负载煤的气泡到达水-气泡线并且合并成煤-泡沫，进来的负载煤的气泡的净向上力将泡沫向上推并且推到浮选槽的顶部上方，在那里收集该泡沫用于进一步加工。

在一个实施方案中，煤-泡沫包含以干基计大约4.5重量％的固态煤成矿物质粒子。在另一个实施方案中，煤-泡沫包含以干基计大约8重量％的固态煤成矿物质粒子。此范围取决于初始煤矸石的品质。

然后使煤-泡沫通过研磨机以减小其粒度。离开研磨机的复合煤粒子的平均粒度可以基于进入的粒度、进入的煤-泡沫的固体含量、煤-泡沫在研磨机中的停留时间和在研磨机中使用的介质尺寸来确定。

然后使经研磨的煤-泡沫再次漂浮。研磨过程释放较大复合煤粒子中夹带的煤成矿物质。与由在较大粒度的第一浮选获得的煤相比，使经研磨的先前漂浮的煤-泡沫重新漂浮产生煤的煤成矿物质含量更低。在研磨和第二次浮选之后，泡沫含有煤成固态烃(cdsh)，并且被称为cdsh-泡沫。在此实施例中，当粒度小于20微米并且平均粒度为2至4微米时，cdsh-泡沫分别包含以干基计0.47重量％至1.42重量％的煤成矿物质粒子。通常，来自第二次浮选的cdsh-泡沫含有75重量％至50重量％的水分以及以干基计0.5重量％至1.5重量％的煤成矿物质粒子含量。

在第二次浮选的cdsh-泡沫中的包含低于1.5重量％离散的煤成矿物质粒子、包含低于1重量％离散的煤成矿物质粒子和包含低于0.5重量％离散的煤成矿物质粒子的固体粒子被认为是与其来源的天然存在的复合煤材料不同的新材料，因为已经经由精制或纯化过程将矿物质大部分地去除。此新的烃材料在本文中被称为煤成固态烃(cdsh)。如之后将利用sem数据示出的，cdsh粒子与煤成矿物质粒子是离散的。保留的矿物质不再是在复合煤粒子中固有的或夹带的。cdsh是离散的源自煤的含碳材料的粒子的新材料，其不再具有任何固有的或夹带的矿物质。

实施例2

作为实施例1中描述的过程的一种替代方案，并且如图2所示，在第一次泡沫浮选之前，将处于约50重量％固体的煤成固体的整个含水浆料研磨至小于20微米，并且平均粒度为约2微米至4微米。然后将此经研磨的浆料引入到泡沫浮选槽中。类似于实施例1，然后在第二浮选步骤中使所产生的泡沫再次漂浮。第一浮选去除大部分游离的煤成矿物质。然而，游离的煤成矿物质中的一些与水中的第一泡沫有关联。其原因是泡沫中的水的来源是在浮选槽中的煤浆中的水。浮选槽的煤浆也含有悬浮的亲水性煤成矿物质。因为水包含在泡沫相中，所以是水中的煤成矿物质。第二浮选用于主要去除所有游离漂浮的煤成矿物质，使得第二泡沫含有非常少的游离煤成矿物质。

在此实施例中，将要用于泡沫浮选的所有粒子研磨至小于20微米。使其中所有粒子都小于20微米的浆料漂浮以产生第一泡沫。第一泡沫具有过多的煤成矿物质(约8重量％至10重量％)，因此接着立即使第一泡沫重新漂浮以产生第二泡沫，该第二泡沫大部分不含释放的煤成矿物质。第二泡沫含有煤成固态烃(cdsh)，并且被称为cdsh-泡沫。当粒度小于20微米，并且平均粒度为2至4微米时，cdsh-泡沫分别包含以干基计0.49重量％至1.48重量％的煤成矿物质粒子。

如此实施例中证实的，可以通过以下方式产生煤成固态烃粒子：首先研磨煤成固体的含水浆料，以使所有粒子都小于20微米，并且平均粒度为约2微米至4微米，然后使经研磨的浆料漂浮以得到煤-泡沫。然后使该煤-泡沫漂浮以得到包含煤成固态烃的cdsh-泡沫。

将理解，实施例1(图1)和实施例2(图2)之间的主要差别在于研磨在泡沫浮选步骤之前还是之后进行。

实施例3

作为实施例1和2中描述的过程的一种替代方案，并且如图3所示，在第一次浮选之前，将煤成固体的整个含水浆料研磨至小于10微米，并且平均尺寸为约2微米。然后将此经研磨的浆料引入到泡沫浮选槽中。在此情况下，可以不断地将煤浆中的固体含量稀释至低于4重量％固体，以使可用于在所产生的泡沫中夹带的游离煤成矿物质最小化。泡沫的煤成矿物质含量为以干基计1.08重量％。此外，将逆流洗涤水滴在cdsh-泡沫上。具有逆流洗涤水的cdsh-泡沫含有以干基计0.46重量％的煤成矿物质粒子。

在此实施例中，可以通过以下方式产生煤成固态烃：首先研磨浆料，以使所有粒子都小于10微米，并平均尺寸为约2微米。通过在浮选期间保持适当的条件，使浆料漂浮，并且不需要另外的泡沫的浮选来产生含有煤成固态烃的cdsh-泡沫。含有水和煤成固态烃粒子的cdsh-泡沫是可泵送两相体系。

实施例4

参照图4，使用压滤机将含有煤成固态烃粒子的cdsh-泡沫(如以上在实施例1-3中产生的)机械地脱水以产生cdsh-水滤饼。cdsh-水滤饼具有35重量％至45重量％的水分含量。cdsh-水滤饼是由煤成固态烃粒子和液态水组成的两相体系。cdsh-水滤饼可以作为原料，用于其他过程，包括粒化、水基液态燃料和制作干燥煤成固态烃的粉末。

实施例5

参照图5，煤-水燃料是赋予可以泵送并且作为燃料消耗的煤粒子和水的混合物的名称，即使燃料源中包含大量的水是违反直觉的。如果存在足够的尺寸使得浆料能够被泵送的煤粒子，并且如果使用适当的燃烧器，则可以燃烧煤-水燃料。水确实对热含量具有负面影响，因为在水的蒸发中消耗煤的能量中的一些。作为结果，在仍保持粒子的稳定悬浮液的同时，水含量越低，煤水燃料的能量含量越高。水分含量通常为40重量％至55重量％水。已知煤-水燃料的煤成矿物质含量通常为10重量％以上，因为其是正在使用的煤粒子的标准煤成矿物质含量。

类似地，制备由液态水和煤成固态烃组成的新的两相、可泵送燃料。煤成固态烃粒子的直径全都小于20微米，并且平均粒度为4微米。使用分散剂来保持粒子悬浮并且使悬浮液的粘度最小化。取决于所期望的粘度，水分含量范围为38重量％水分至55重量％水分。可以用于制备由液态水和分散的煤成固态烃粒子组成的稳定、可泵送燃料的分散剂的非限制性实例包括：有机酸例如柠檬酸，聚醚例如聚环氧乙烷，和木质素磺酸盐。以在约0.5重量％和1重量％范围内的负载水平使用分散剂。

由于煤成固态烃的煤成矿物质含量以干基计低于1.5重量％，并且在一些情况下低于0.5重量％，所以当在适当的燃烧器(例如，脉冲射流燃烧器是一个实例)中燃烧由水和煤成固态烃组成的可泵送燃料时，煤完全燃烧并且所有的水被蒸发。燃烧过程的产物几乎全是co2和水蒸气，以及少量的sox和nox，这取决于在煤成固态烃粒子中痕量硫和氮的存在。

实施例6

除了使用粒子填充(粒子压实，particlepacking)来降低稳定可泵送cdsh-水燃料的水含量以外，类似于实施例5，制备由水和煤成固态烃粒子组成的可泵送cdsh-水燃料。使用煤成固态烃粒子的双模态分布来制备可泵送燃料。根据粒子填充原理，均匀形状的球形粒子将填充约65体积％的空间，其余35％的体积是空隙或自由空间。在所有这些粒子之间的空隙空间可以被较小粒子填充。如果使用直径至少小10倍的粒子，则空隙空间可以被认为是该较小粒子的自由空间。作为结果，65％的自由空隙空间可以用该较小粒子填充。由于35％的体积是粒子之间的空隙空间，并且较小粒子可以填充此空间的65％，所以22体积％(35％自由空隙空间*65％填充因数)被该较小粒子填充(直径至少比较大粒子小10x)。

在此双模态体系中，65％的体积是较大粒子，并且22％的体积是较小粒子。作为结果，87体积％的自由空间被cdsh粒子填充。将水(15体积％至至多25体积％)和分散剂(0.5％至1％)与双模态分布的煤成固态烃粒子共混以产生具有所需粘度的由水和煤成固态烃粒子组成的稳定、可泵送且液态的燃料。

与仅具有一种粒度的体系相比，使用双模态分布的煤成固态烃来制备水含量更低的由液态水和煤成固态烃粒子组成的可泵送两相液态燃料。取决于目标粘度，水分含量为15体积％至25体积％。

实施例7

除了采用粒子填充来降低稳定、可泵送cdsh-水燃料的水含量以外，类似于实施例5，制备由水和煤成固态烃粒子组成的可泵送cdsh-水燃料。使用煤成固态烃粒子和水的三模态分布来制备可泵送燃料。换言之，使用三种不同的粒度来形成用于粒子填充目的的三模态分布粒度。基于上述粒子填充理论，65％的体积被大粒子填充，22％的体积(35％自由空隙空间*65％填充因数)被中等粒子(比大粒子小10倍)填充，并且8％的体积(13％自由空隙空间*65％填充因数)被小粒子(直径最大比大粒子小100倍并比中等粒子小10倍)填充。

在一种三模态体系中，可泵送燃料由水以及65体积％的大粒子、22体积％的中等粒子和8体积％的小粒子组成。作为结果，95体积％的自由空间被煤成固态烃填充。剩下5体积％保持为自由空隙空间。平均粒度分别为10微米、1微米和0.1微米。将水(7体积％直至12体积％)和分散剂(0.5重量％至1％重量％)与三模态分布的煤成固态烃粒子共混以产生具有所需粘度且低于15体积％水的水分含量的由水和煤成固态烃粒子组成的稳定、可泵送燃料。

在另一种三模态体系中，制备由水和三模态分布的粒子组成的可泵送燃料，其中大粒子是平均粒度为100微米的复合煤粒子。这些粒子的煤成矿物质含量为约4.5重量％。中等粒子的平均粒度为约10微米，并且煤成矿物质含量为0.9重量％。小粒子的平均粒度为约1微米，并且煤成矿物质含量为0.3重量％。中等粒子和小粒子是煤成固态烃，因为它们不含有固有的或夹带的矿物质，并且保持与煤成固态烃未分离的煤成矿物质粒子以低于1重量％存在。将水(7体积％直至12体积％)和分散剂(0.5重量％至1重量％)与三模态分布的粒子共混以产生具有所需粘度且低于15体积％水的水分含量的由水、煤成固态烃粒子和复合煤粒子组成的稳定、可泵送燃料。这是混合型燃料，其将复合煤粒子和煤成固态烃粒子共混到一起以产生稳定、可泵送液态燃料。

与仅具有一种粒度的体系相比，使用三模态分布的煤成固态烃制备水含量更低的由液态水和煤成固态烃粒子组成的可泵送两相液态燃料。取决于目标粘度，水分含量为约7体积％至12体积％。

实施例8

参照图6，使用多种液态烃进行利用液态烃的团聚步骤以将cdsh与水和煤成矿物质分离。在此实施例中使用的不同液态烃为煤油、柴油、甲苯、己烷、戊烷、机油和植物油。本发明不限于这些液态烃。团聚步骤的关键要求是：液态烃不与水混溶使得液态烃和水在混合后将分成两个不同的液相。另外，液态烃优选地在性质方面是疏水性的以驱动该过程。

将来自实施例1的经研磨的产物、来自实施例2的煤-泡沫(第一泡沫)、来自实施例3的经研磨的产物以及由实施例1、2或3产生的煤成固态烃作为原料用于团聚步骤。将这些水和固体粒子悬浮液中的一种与液态烃例如柴油混合，使得相对于液态烃将会有大于40重量％固体的煤成固态烃粒子。将水固体粒子悬浮液充分与液态烃混合。在一个非限制性实施方案中，所使用的混合器为高速在线混合器。接着将混合器关闭。然后混合物分成在底部的密度较大的水/煤成矿物质相和在顶部的密度较小的液态烃/煤成固态烃相。煤成固态烃在水顶部上的密度较小的疏水相中经由疏水相互作用团聚。悬浮液中释放的矿物质由于亲水相互作用保持悬浮在水相中。将具有在下部相中的悬浮矿物质的水排出。在此实施例中保持与煤成固态烃未分离的煤成矿物质的量显示为以干基计0.3重量％至0.8重量％。

为了加速水从液态烃和煤成固态烃的去除，可以使用油水分离器。

在团聚步骤之后制备新的两相可泵送浆料，其由液态烃和煤成固态烃组成。其固体含量为大于40重量％固体。

实施例9

参照图6，将来自实施例8的液态烃和煤成固态烃粒子的两相浆料泵送到压滤机中。去除过量的液态烃以产生由液态烃和煤成固态烃组成的滤饼。滤饼含有约20重量％至30重量％的液态烃。在实施例8中描述的没有从液态烃和煤成固态烃悬浮液完全去除水的情形下，在此实施例中，因为压滤机中的高压条件优先从液态烃和煤成固态烃的疏水性团聚体中排出亲水性水，所以水被完全去除。

滤饼是液态烃和煤成固态烃的固态两相体系。如图6所示，可以将其作为固体送输，以作为原料用于其他工业和化学的过程和应用。另外，可以将其用于制备基于液态烃的燃料，其中的一些在实施例10-13中描述。

实施例10

根据实施例8的烃团聚过程制备液态烃和煤成固态烃的两相、可泵送体系。存在的液态烃大于40体积％。

制备三种不同粒度的煤成固态烃：10微米的平均尺寸，1微米的平均尺寸，和0.1微米的平均尺寸。

与仅具有一种粒度的体系相比，使用双模态分布的煤成固态烃制备液态烃含量更低的由液态烃和煤成固态烃粒子组成的可泵送两相液态燃料。将根据实施例9的过程程序制备的大粒子和中等粒子的滤饼分别以约65体积％和22体积％的量共混到一起，以产生煤成烃粒子在液态烃中的双模态悬浮液。取决于可泵送燃料的所需粘度，液态烃量为约15体积％至22体积％。

与仅具有一种粒度的体系相比，使用三模态分布的煤成固态烃制备液态烃含量更低的由液态烃和煤成固态烃粒子组成的可泵送两相液态燃料。制备大粒子、中等粒子和小粒子的滤饼。将这些滤饼以约65体积％大粒子、22体积％中等粒子和8体积％小粒子的量共混到一起以产生液态烃和煤成烃的三模态悬浮液。与仅具有一种粒度的体系相比，使用三模态分布的煤成固态烃制备液态烃含量更低的由液态烃和煤成固态烃粒子组成的可泵送两相液态燃料。取决于目标粘度，液态烃含量为约7体积％至12体积％。

实施例11

将煤成固态烃粒子与乙醇共混以制备两相、可泵送液态燃料。根据目标粘度和最终使用者所期望的固体粒子或液态乙醇的量，可以采用单模态粒子分布、双模态粒子分布和三模态分布。由乙醇和煤成固态烃组成的两相液态燃料是将可再生燃料如乙醇与煤成固态烃共混以减少乙醇消耗并且提高液态燃料的能量含量的实施例。也可以使用其他液态生物燃料，如生物柴油。

实施例12

将煤成固态烃与汽油、燃料油如煤油或柴油、或者残余燃料油共混以制备两相、可泵送液态燃料。根据目标粘度和最终使用者所期望的固体粒子或液态烃的量，可以采用单模态粒子分布、双模态粒子分布和三模态分布。新的液态烃和煤成固态烃的两相可泵送液态燃料可以作为用于它们工业应用中的单相对应物的替代物。

实施例13

将煤成固态烃与原油混合以制备两相、可泵送液态燃料。目标粘度和根据最终使用者所期望的固体粒子或原油的量，可以采用单模态粒子分布、双模态粒子分布和三模态分布。新的原油和煤成固态烃的两相可泵送液态燃料可以作为原料用于炼油厂。在此情况下，将煤中的挥发性物质连同原油中的多种液态级分一起提取并且精制。

实施例14

参照图7，来自实施例4的cdsh-水滤饼是由煤成固态烃和液态水组成的两相体系。将此滤饼引入到粉末干燥器中以产生煤成固态烃的细粉。该细粉是由煤成固态烃燃料的粒子组成的单相体系。此粉末状煤成固态烃可以作为原料用于其他工业、化学和能量的过程和应用。

实施例15

将根据实施例14的程序制备的细粉状煤成固态烃经由粉末递送系统如螺旋钻直接注入到燃烧器如脉冲喷射燃烧器中。煤成固态烃的致密粉末燃料直接燃烧。所产生的能量用于加热粪肥干燥器。

实施例16

将根据实施例14的程序制备的细粉状煤成固态烃夹带在空气中并且在空气中输送。将此具有夹带的煤成固态烃粒子的空气直接注入到燃烧器如锅炉中以产生热量。然后可以利用热量中的能量用于设计锅炉的目的，所述目的为热交换、干燥、能量产生等。以此方式，没有热值的空气现在具有根据夹带的煤成固态烃的量的热值。

实施例17

将根据实施例14的程序制备的细粉状煤成固态烃在真空室中抽空以去除所有空气并且仅留下煤成固态烃的固体粒子。将室用天然气填充并且加压。随着从加压的室释放天然气，煤成固态烃被夹带在天然气中。天然气的热含量可以通过夹带小体积％的煤成固态烃显著提高。与单独的天然气相比，天然气和煤成固态烃的两相体系提供增高的热含量，其可以在当前输送天然气的相同管道中被输送。

图8是关于其中最初泡沫浮选在研磨之前进行的用于获得和利用煤成固态烃的过程的流程图。其包括来自图1和4-7的要素。图9是关于其中研磨在最初泡沫浮选之前进行的用于获得和利用煤成固态烃的过程的流程图。其包括来自图2-7的要素。

实施例18

制备煤粒子的抛光薄片。经由煤矸石的泡沫浮选获得煤粒子。使用两种煤样品：含有阿帕拉契亚波卡洪塔斯煤层冶金级煤的矸石和含有澳大利亚冶金级煤的矸石。通过将煤粒子(干燥的泡沫)嵌入在环氧树脂基质中并且使其固化来制备薄片。使用载玻片作为环氧树脂基质的载体。然后将薄片抛光以使粒子的抛光横截面在环氧树脂薄片的表面处。

对嵌入在环氧树脂基质中的细煤粒子的抛光薄片进行具有背散射成像的扫描电子显微镜检查(sem-bsi)。较重的元素比较轻的元素背散射更多的电子。例如，背散射检测器测得比来自碳的电子多的来自硅的电子，这是因为硅具有更高的分子量。煤和煤成固态烃粒子主要由碳组成。环氧树脂由碳组成。矿物质粒子其中具有硅、氧化铝和铁。

在来自煤粒子的薄片的sem-bsi的图像中，煤成固态烃和环氧树脂基质显示为灰色。有时煤粒子边缘和cdsh边缘无法与环氧树脂基质区分开，这是因为两者都是基于碳的并且几乎不存在对比度。对于较大的粒子，通常可以区分煤粒子的边缘。在sem-bsi图像中，矿物质呈现为白色，因为较大分子量的元素在检测器处背散射更多的电子。

图10a-10e示出了对于经由泡沫浮选获得的阿帕拉契亚波卡洪塔斯冶金煤粒子，直径为25微米至100微米的煤粒子的sem-bsi图像。在图10f中包括薄片样品的光学显微照片作为参考。图11a-11c示出了对于澳大利亚冶金煤粒子，直径为50微米至200微米的煤粒子的sem-bsi图像。在图11d中包括薄片样品的光学显微照片作为参考。在煤粒子的边缘外侧存在少量白色粒子，但是总体上，这些图像显示已经经由泡沫浮选大部分地从煤粒子去除独立的且离散的矿物质粒子。然而，如煤粒子的横截面图像显示的，指示矿物质的白色是煤粒子的有效组成部分(integralpart)。换言之，在此粒度下，矿物质保持夹带在煤粒子中。图像显示矿物质夹带有时作为薄沉淀层并且有时作为聚集体是明显的。

具有能量弥散性x射线光谱的扫描电子显微镜检查(sem-edx)聚焦于在sem-bsi中观察到的白色斑点中的一些以验证白色斑点实际上是矿物质而不是充电效应。发现指示sio2(图12a)和伊利石-绢云母型粘土(图12b)的结果，两者都符合煤中的矿物质的性质。

图13a示出了通过将经由泡沫浮选获得的阿帕拉契亚波卡洪塔斯冶金煤粒子研磨至小于5微米的直径(d99)而得到的细粒子的sem-bsi图像。平均直径为约1.5微米。图14a示出了通过将经由泡沫浮选获得的澳大利亚冶金煤粒子研磨至5微米的d99而得到的细粒子的sem-bsi图像。直径为约1.5微米。在图14c中包括薄片样品的光学显微照片作为参考。在d99为5微米的粒子的薄片的光学显微照片中，细粒子非常紧密地填充在抛光薄片中，在煤粒子之间留下非常少的可见环氧树脂。图13a-13b中的d99为5微米的粒子的sem-bsi图像的标尺为20微米。图14a-14b中的d99为5微米的煤粒子的sem-bsi图像的标尺为10微米。

在图10a-10f和图11a-11d中的直径为约25微米至200微米的煤粒子sem-bsi图像中，数倍的夹带或嵌入的矿物质的存在有助于界定煤粒子的边缘，并且由此界定其尺寸。在图13a-13b和图14a-14b中的d99为5微米的粒子的sem-bsi图像中，矿物质粒子不再可用于界定细煤粒子。相反，指示矿物质粒子的白色斑点看上去是独立的且离散的，并且与sem-bsi图像中的所有其他粒子尺寸相同。作为基于碳的粒子现在非常小(d99直径为5微米，并且平均直径为约1.5微米)，使得难以将细的基于碳的粒子与基于碳的环氧树脂基质区分开。相反，观察到微小的对比度差别和模糊，因为环氧树脂和独立且离散的基于碳的粒子围绕独立的且离散的矿物质粒子。独立的且离散的基于碳的粒子现在不含夹带的矿物质。换言之，它们是已经由通常称为煤的原料进行纯化并且制备的固态烃材料。此新的固态烃材料被称为煤成固态烃。

利用jmicrovision薄片分析软件处理图13b和14b中的d99为5微米的粒子的sem-bsi图像以突出指示矿物质的白色区域。在两种情况下，发现约2％的区域是矿物质。对于阿帕拉契亚和澳大利亚冶金级煤样品两者，研磨至的d99为5微米的泡沫的成灰矿物质含量为4重量％至5重量％的矿物质。由于矿物质粒子的密度是固态烃粒子的密度的大约两倍，因此当约2％的横截面区域是矿物质粒子时会预测的灰分矿物质含量将在约4％矿物质的范围内。

然后，通过在本文中描述的方法进一步加工这些d99为5微米的阿帕拉契亚和澳大利亚冶金级煤样品的样品以制备煤成固态烃产物，测得其为低于1重量％灰分，通常约0.5重量％灰分。

上述过程产生非常细的煤成固态烃粒子，其可以具有约0.5重量％至1.5重量％的离散的未分离煤成矿物质粒子。随着煤成含碳物质粒子的尺寸下降到低于10至20微米，并且固有矿物质含量下降到低于1重量％，该材料从在本文中通常称为煤或复合煤的天然原料变化为在本文中称为煤成固态烃的制造材料。

将理解，本文中公开的煤成固态烃是新的、精制的材料，其可以用于多种不同的工业、化学和能量的应用。关于煤成固态烃的使用描述的实施方案和实施例在每个方面都将被当作仅是举例说明性的，而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是前述描述决定。落入权利要求的等同的含义和范围内的所有变化都被涵盖在它们的范围内。