CN110627367A - 一种煤化工废渣基纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种煤化工废渣基纤维及其制备方法，涉及废弃物综合利用技术领域。煤化工废渣基纤维的制备原料按照重量份数计包括：100份煤化工废渣、20‑30份粉煤灰、3‑5份玻璃渣和2‑3份铁渣，其中，煤化工废渣的化学元素按质量百分数计包括：硅15％‑20％、铝10％‑25％。该煤化工废渣基纤维的制备方法是将制备原料粉碎混合，在熔融状态下进行拉丝，进行表面改性处理。煤化工废渣基纤维及其制备方法，采用煤化工废渣、粉煤灰等固体废弃物为原料，对固体废弃物的利用率高，制得性能优异的纤维产品。

Description

一种煤化工废渣基纤维及其制备方法
技术领域
本申请涉及废弃物综合利用技术领域，具体而言，涉及一种煤化工废渣基纤维及其制备方法。
背景技术
随着煤气化、煤油化、煤电化等煤化工技术的推广应用，会产生大量的煤化工废渣。比如在煤制油过程中，每制成1万吨油就会产生约1.5万吨的煤制油废渣。目前对这些煤化工废渣的利用率并不高，多数煤化工废渣进行堆放、填埋处理，占用大量土地的同时，还污染水源和空气，给环保带来较大压力。
另外，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物，主要成分为SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、MgO等，随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，成为我国当前排量较大的固体废物之一。目前对粉煤灰的综合利用主要是作为建材辅料，生产水泥空心砖、混凝土等，但是利用率只有不到1/3，剩余部分则就地堆积，占用大面积土地，对环境造成严重污染。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种煤化工废渣基纤维及其制备方法，采用煤化工废渣、粉煤灰等固体废弃物为原料，对固体废弃物的利用率高，制得性能优异的纤维产品。
第一方面，本申请实施例提供了一种煤化工废渣基纤维，其制备原料按照重量份数计包括：100份煤化工废渣、20-30份粉煤灰、3-5份玻璃渣和2-3份铁渣，其中，煤化工废渣的化学元素按质量百分数计包括：硅15％-20％、铝10％-25％。
在上述技术方案中，采用煤化工废渣、粉煤灰、玻璃渣和铁渣等固体废弃物为原料，对固体废弃物的利用率高，提高了固体废弃物的经济附加值，变废为宝，制得纤维产品防水、防滑、耐磨、抗氧化性能优异，具有良好的应用前景。具体地，煤化工废渣含有丰富的二氧化硅、氧化铝等成分，尤其是硅含量达到15％-20％，铝含量达到10％-25％；粉煤灰也含有二氧化硅、氧化铝等成分，二氧化硅和氧化铝和含量高且稳定，二氧化硅的质量含量通常在40％-60％之间，氧化铝的质量含量通常在20％-30％之间；玻璃渣含有氧化钠和氧化钾；铁渣含有丰富的氧化铁和氧化亚铁。二氧化硅和氧化铝作为纤维硅铝骨架的核心结构，构成纤维的结构网络，从而煤化工废渣和粉煤灰形成纤维，尤其是连续无机纤维，保证纤维的稳定性和力学性能；氧化钠和氧化钾能够提高纤维的防水、防滑、耐磨等性能；氧化铁和氧化亚铁能够提高纤维的耐高温、抗氧化性能。
在一种可能的实现方式中，煤化工废渣选自煤制油废渣和煤气化渣中的至少一种。
在上述技术方案中，煤制油废渣和煤气化渣均是以煤为原料进行化工生产后的废弃物，排放量大，均含有二氧化硅、氧化铝，能够回收利用制造纤维。
在一种可能的实现方式中，煤制油废渣的成分按质量百分数计包括：SiO235.3％-42.1％、Al2O3 21.4％-27.3％、Fe2O3 1.2％-7.2％、CaO 1.5％-6.4％和MgO0.6％-3.1％；
煤气化渣的成分按质量百分数计包括：SiO2 27.1％-35.8％、Al2O3 8.9％-18.5％、Fe2O3 8.1％-21.0％、CaO 8.1％-19.8％、MgO 4.1％-5.1％、Na2O 1.1％-2.3％和TiO2 1.0％-1.4％。
在上述技术方案中，煤制油废渣和煤气化渣的成分均含有二氧化硅、氧化铝，容易控制硅和铝的含量在特定范围内。
在一种可能的实现方式中，煤化工废渣包括按照重量比20-30：3-6的煤制油废渣和煤气化渣。
在上述技术方案中，采用煤制油废渣和煤气化渣按照重量比20-30：3-6组成煤化工废渣，能够充分利用不同种类的煤制油废渣，减少煤制油废渣对环境的污染。
在一种可能的实现方式中，其制备原料按照重量份数计还包括5-10份电解锰渣。
在上述技术方案中，电解锰渣是电解锰生产过程中产生的酸浸压滤渣，其含有丰富的氧化锰，在制备原料中加入特定量的电解锰渣，能够增大电解锰渣的利用率，减少电解锰渣对土地和水的污染，而且通过电解锰渣引入氧化锰，有助于提高纤维的表面张力和高温稳定性，从而有利于形成长纤维。
在一种可能的实现方式中，单丝直径为7-12μm。
在上述技术方案中，煤化工废渣基纤维的应用领域广。
第二方面，本申请实施例提供了一种第一方面提供的煤化工废渣基纤维的制备方法，其包括以下步骤：将制备原料的混合料在熔融状态下进行拉丝，进行表面改性处理。
在上述技术方案中，利用现有的固体废弃物煤化工废渣、粉煤灰、玻璃渣和铁渣作为原料，对其进行粉碎、混合，利用上述固体废弃物的特定成分，结合制备工艺进行掺杂改性、熔融拉丝，得到性能优良的纤维产品，具有良好的应用前景。
在一种可能的实现方式中，将制备原料的混合料在熔融状态下进行拉丝的步骤包括：
将混合后的制备原料在1400-1600℃下熔融，并进入拉丝设备进行拉丝；
或者，将混合后的制备原料在1450-1600℃下熔融，冷却至300℃以下，制成混合料；将混合料再在1400-1600℃下进行熔融，并进入拉丝设备进行拉丝。
在上述技术方案中，按照特定制备原料及配比，采用直接熔融拉丝的一步法，或者先熔融冷却、再熔融拉丝的两步法，均可以制成性能优异的连续长纤维。
在一种可能的实现方式中，表面改性处理的步骤包括：采用浸润剂对拉丝形成的纤维进行表面改性处理，浸润剂选自改性环氧树脂、聚乙烯乳液和聚醋酸乙烯酯中的一种或两种。
在上述技术方案中，拉丝经过浸润剂表面改性处理，能够显著增强纤维的强度和韧性，保证后续应用需求。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请实施例的煤化工废渣基纤维及其制备方法进行具体说明。
本申请实施例提供了一种煤化工废渣基纤维，其制备原料按照重量份数计包括：100份煤化工废渣、20-30份粉煤灰、3-5份玻璃渣和2-3份铁渣，其中，煤化工废渣的化学元素按质量百分数计包括：硅15％-20％、铝10％-25％，通常情况下，煤化工废渣的化学元素按质量百分数计还包括：钙3％-15％、镁5％-10％、铁2％-8％、钠1％-3％、钾1％-2％。在本申请的一些实施例中，制备原料按照重量份数计还包括5-10份电解锰渣。可选地，煤化工废渣基纤维的制备原料按照重量份数计包括：100份煤化工废渣，20份、22份、25份、27份或30份粉煤灰，3份、4份或5份玻璃渣，2份、2.5份或3份铁渣，以及5份、6份、7份、8份或10份电解锰渣。
上述制备原料中，煤化工废渣选自煤制油废渣和煤气化渣中的至少一种。在本申请的一些实施例中，煤化工废渣为煤制油废渣或煤气化渣；在本申请的其他一些实施例中，煤化工废渣为煤制油废渣和煤气化渣的混合物，比如，煤化工废渣为按照重量比20-30：3-6的煤制油废渣和煤气化渣。
需要说明的是，煤制油废渣的成分一般按质量百分数计包括：SiO2 35.3％-42.1％、Al2O3 21.4％-27.3％、Fe2O3 1.2％-7.2％、CaO 1.5％-6.4％和MgO 0.6％-3.1％；煤气化渣的成分一般按质量百分数计包括：SiO2 27.1％-35.8％、Al2O3 8.9％-18.5％、Fe2O3 8.1％-21.0％、CaO 8.1％-19.8％、MgO 4.1％-5.1％、Na2O 1.1％-2.3％和TiO21.0％-1.4％。
粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰中的氧化硅的质量含量为40％-60％、氧化铝的质量含量为20％-30％、氧化铝的质量含量为5％-10％、氧化钙的质量含量为10％-15％、氧化镁的质量含量为1％-1.5％、氧化钾的质量含量为2％-2.5％、氧化钠的质量含量为1％-2％。
铁渣的成分一般按质量百分数计包括：CaO 10％-12％、SiO2 20％-30％、Fe3O47％-8％、Fe2O3 3％-7％、MgO 8％-10％和FeO 1％-3％。
电解锰渣的成分一般按质量百分数计包括：SiO2 23％-32％、CaO 12％-17％、Al2O3 7％-10％、Fe2O3 5％-6％、MnO 3％-5％、MgO 2％-3％、Na2O 0.2％-0.8％和TiO20.5％-1.0％。
通常情况下，本申请实施例的煤化工废渣基纤维的单丝直径为7-12μm，例如单丝直径为7μm、8μm、9μm、10μm、11μm或12μm，该产品可应用于建筑装饰材料、纤维纸浆、涂料、纤维玻璃钢、纤维隔音材料、纤维电磁器件、纤维防震材料等。
本申请实施例还提供一种上述的煤化工废渣基纤维的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将制备原料粉碎、混合。本申请具体可以是将制备原料：煤化工废渣、粉煤灰、玻璃渣和铁渣破碎研磨，过30-50目筛子，再按照本申请的特定配比配料、混合均匀得混合料，其中混合均匀的方式可以采用均质机实现；还可以将原料按照特定配比加入到粉碎混合均质机中，使各原料组分充分混合均质。
为了使制备原料的成分可控，且在预定的范围内，将制备原料粉碎之前，需要先将一些制备原料经过预处理，尤其是煤化工废渣的元素配比可能与纤维的元素配比差异较大，因此需要经过预处理，去除其中的有机物，优化元素的配比，特别是重要的氧化物成分的含量在控制范围内。比如煤制油废渣的预处理方法为：将煤制油废渣经初步烘干处理后，用破碎机破碎至粒度15-25mm；将破碎后的样品在高温熔融炉中，在800-850℃条件下，保留2-3小时；自然冷却至室温，备用。
(2)将混合料在熔融状态下进入拉丝试验设备窑炉中进行拉丝，控制纤维单丝直径为7-12μm，一般是通过拉丝漏板的孔数(即具有特定孔径的拉丝漏板)控制纤维单丝直径。具体的，上述拉丝的方法可以采用一步法，也可以采用两步法。
一步法：将混合料在1400-1600℃下熔融，具体可以是将制备原料加入熔融炉中，在1400-1600℃熔化，保温30-60min，制成成纤材料，再使成纤材料进入拉丝设备进行拉丝，具体可以是将成纤材料加入拉丝设备的加热炉中，在温度1400-1600℃下拉丝制成纤维。
两步法：将混合料在1450-1600℃下熔融，具体可以是将制备原料加入熔融炉中，在1450-1600℃熔化，保温30-60min，冷却至300℃以下，制成混合料；将混合料再在1400-1600℃下进行熔融，具体可以是将混合料加入熔融炉中，在1400-1600℃熔化，保温30-60min，并进入拉丝设备进行拉丝，具体可以是将成纤材料加入拉丝设备的加热炉中，在温度1400-1600℃下拉丝制成纤维。
(3)将拉丝形成的纤维经浸润剂进行表面改性处理，浸润剂选自改性环氧树脂、聚乙烯乳液和聚醋酸乙烯酯中的一种或两种。
在上述过程中，还可以经过物理化学改性，比如增加制备原料中的部分金属元素含量，调整制备原料配比，改变纤维的性能；调整浸润剂的配方，改变纤维表面的物理特性，以满足各种不同的应用领域。
(4)还可以将上述步骤所得纤维经过合股、切断等后续工序得到纤维产品。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
本申请实施例使用的粉煤灰由宁夏某电厂提供，其主要化学成分分析见表1(以质量百分数计)。
表1粉煤灰的主要化学成分(wt％)
组成 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO MgO K<sub>2</sub>O Na<sub>2</sub>O
含量(％) 48.00 24.08 7.07 11.96 1.32 2.34 1.82
本申请实施例使用的玻璃渣的主要化学成分分析见表2(以质量百分数计)。
表2玻璃渣的主要化学成分(wt％)
组成 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO MgO K<sub>2</sub>O Na<sub>2</sub>O
含量(％) 57.56 0.70 11.12 7.22 3.04 0.20 12.81
本申请实施例使用的煤制油废渣的主要化学成分分析见表3(以质量百分数计)。
表3煤制油废渣的主要化学成分(wt％)
组成 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO MgO
含量(％) 38.3 25.4 3.2 5.5 2.6
本申请实施例使用的煤气化渣的主要化学成分分析见表4(以质量百分数计)。
表4煤气化渣的主要化学成分(wt％)
组成 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO MgO Na<sub>2</sub>O TiO<sub>2</sub>
含量(％) 32.1 16.8 15.1 18.1 4.7 1.8 1.2
本申请实施例使用的电解锰渣的主要化学成分分析见表5(以质量百分数计)。
表5电解锰渣的主要化学成分(wt％)
实施例1
本实施例提供一种长纤维，其具体制备步骤如下：
(1)原料组成：100重量份煤制油废渣(硅质量含量15％-20％、铝质量含量10％-25％)、20重量份粉煤灰、5重量份玻璃渣、2重量份铁渣。
(2)制备方法：将煤制油废渣、粉煤灰、玻璃渣和铁渣破碎研磨，过30-50目筛子，混合均匀后送入高温炉加热至1500℃，冷却至300℃以下，制备得到混合料，再一次于1500℃熔融，在1500-1600℃下进入拉丝设备拉丝，经浸润剂改性环氧树脂处理后得到长纤维。
实施例2
本实施例提供一种长纤维，其具体制备步骤如下：
(1)原料组成：100重量份煤制油废渣(硅含量15％-20％、铝含量10％-25％)、25重量份粉煤灰、3重量份玻璃渣、2重量份铁渣。
(2)制备方法：将煤制油废渣、粉煤灰、玻璃渣和铁渣破碎研磨，过30-50目筛子，混合均匀后送入高温炉加热至1500℃，冷却至300℃以下，制备得到混合料，再一次于1500℃熔融，在1500-1600℃下进入拉丝设备拉丝，经浸润剂改性环氧树脂处理后得到长纤维。
实施例3
本实施例提供一种长纤维，其具体制备步骤如下：
(1)原料组成：100重量份煤制油废渣(硅含量15％-20％、铝含量10％-25％)、30重量份粉煤灰、5重量份玻璃渣、3重量份铁渣。
(2)制备方法：将煤制油废渣、粉煤灰、玻璃渣和铁渣破碎研磨，过30-50目筛子，混合均匀后送入高温炉加热至1500℃，冷却至300℃以下，制备得到混合料，再一次熔融，在1500-1600℃下进入拉丝设备拉丝，经浸润剂聚乙烯乳液处理后得到长纤维。
实施例4
本实施例提供一种长纤维，其制备步骤与实施例1的具体制备步骤大致相同，不同之处在于：
原料组成：80重量份煤制油废渣和20重量份煤气化渣(硅质量含量15％-20％、铝质量含量10％-25％)、20重量份粉煤灰、5重量份玻璃渣、2重量份铁渣。
实施例5
本实施例提供一种长纤维，其制备步骤与实施例1的具体制备步骤大致相同，不同之处在于：
原料组成：100重量份煤制油废渣(硅质量含量15％-20％、铝质量含量10％-25％)、20重量份粉煤灰、5重量份玻璃渣、2重量份铁渣、5重量份电解锰渣。
实施例6
本实施例提供一种长纤维，其制备步骤与实施例1的具体制备步骤大致相同，不同之处在于：
将煤制油废渣、粉煤灰、玻璃渣和铁渣破碎研磨，过30-50目筛子，混合均匀后送入高温炉加热至1500℃，在1500-1600℃下进入拉丝设备拉丝，经浸润剂改性环氧树脂处理后得到长纤维。
以下对上述实施例1-实施例6的长纤维进行性能测试，性能测试结果如表6所示。
表6不同实施例的长纤维的性能测试结果
另外，采用与本申请实施例不同的制备原料配比进行连续纤维的生产，具体对比例如下：
对比例1的制备方法与实施例1的制备方法大致相同，不同之处在于：本对比例的原料组成：100重量份煤制油废渣(硅质量含量15％-20％、铝质量含量10％-25％)、10重量份粉煤灰、5重量份玻璃渣、2重量份铁渣。本对比例采用上述原料进行制备，发现无法形成连续长纤维，拉丝失败。
对比例2的制备方法与实施例1的制备方法大致相同，不同之处在于：本对比例的原料组成：100重量份煤制油废渣(硅质量含量15％-20％、铝质量含量10％-25％)、40重量份粉煤灰、5重量份玻璃渣、2重量份铁渣。本对比例采用上述原料进行制备，发现无法形成连续长纤维，拉丝失败。
对比例3的制备方法与实施例1的制备方法大致相同，不同之处在于：本对比例的原料组成：100重量份煤制油废渣(硅质量含量15％-20％、铝质量含量10％-25％)、20重量份粉煤灰、7重量份玻璃渣、2重量份铁渣。本对比例采用上述原料进行制备，发现虽然可以得到连续长纤维，但是与实施例1的产品相比，单丝强度减小。
对比例4的制备方法与实施例1的制备方法大致相同，不同之处在于：本对比例的原料组成：100重量份煤制油废渣(硅质量含量15％-20％、铝质量含量10％-25％)、20重量份粉煤灰、5重量份玻璃渣、5重量份铁渣。本对比例采用上述原料进行制备，发现虽然可以得到连续长纤维，但是与实施例1的产品相比，断裂伸长率减小。
以下采用相同的方式对上述对比例3-对比例4的长纤维进行性能测试，性能测试结果如表7所示。
表7不同对比例的长纤维的性能测试结果
项目 对比例3 对比例4
单丝直径μm 6.5 6.6
单丝强度MPa 1558 1793
断裂伸长率％ 2.52 2.38
耐酸性(2mol/L HCL，5h) 87.2 87.5
耐碱性(2mol/L NaOH，5h)％ 84.1 84.0
耐热性％ 82.7 82.9
吸水率％ 0.22 0.20
综上所述，本申请实施例的煤化工废渣基纤维及其制备方法，采用煤化工废渣、粉煤灰等固体废弃物为原料，对固体废弃物的利用率高，制得性能优异的纤维产品。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种煤化工废渣基纤维，其特征在于，其制备原料按照重量份数计包括：100份煤化工废渣、20-30份粉煤灰、3-5份玻璃渣和2-3份铁渣，其中，所述煤化工废渣的化学元素按质量百分数计包括：硅15％-20％、铝10％-25％。
2.根据权利要求1所述的煤化工废渣基纤维，其特征在于，所述煤化工废渣选自煤制油废渣和煤气化渣中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的煤化工废渣基纤维，其特征在于，所述煤制油废渣的成分按质量百分数计包括：SiO2 35.3％-42.1％、Al2O3 21.4％-27.3％、Fe2O3 1.2％-7.2％、CaO1.5％-6.4％和MgO 0.6％-3.1％；
所述煤气化渣的成分按质量百分数计包括：SiO2 27.1％-35.8％、Al2O38.9％-18.5％、Fe2O3 8.1％-21.0％、CaO 8.1％-19.8％、MgO 4.1％-5.1％、Na2O 1.1％-2.3％和TiO21.0％-1.4％。
4.根据权利要求1或2所述的煤化工废渣基纤维，其特征在于，所述煤化工废渣包括按照重量比20-30：3-6的煤制油废渣和煤气化渣。
5.根据权利要求1所述的煤化工废渣基纤维，其特征在于，其制备原料按照重量份数计还包括5-10份电解锰渣。
6.根据权利要求1所述的煤化工废渣基纤维，其特征在于，单丝直径为7-12μm。
7.一种如权利要求1所述的煤化工废渣基纤维的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：将所述制备原料的混合料在熔融状态下进行拉丝，进行表面改性处理。
8.根据权利要求7所述的煤化工废渣基纤维的制备方法，其特征在于，所述将所述制备原料的混合料在熔融状态下进行拉丝的步骤包括：
将混合后的所述制备原料在1400-1600℃下熔融，并进入拉丝设备进行拉丝；
或者，将混合后的所述制备原料在1450-1600℃下熔融，冷却至300℃以下，制成混合料；再将所述混合料在1400-1600℃下进行熔融，并进入拉丝设备进行拉丝。
9.根据权利要求7所述的煤化工废渣基纤维的制备方法，其特征在于，所述表面改性处理的步骤包括：采用浸润剂对拉丝形成的纤维进行表面改性处理，所述浸润剂选自改性环氧树脂、聚乙烯乳液和聚醋酸乙烯酯中的一种或两种。
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