CN113308282A - 一种水煤浆及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水煤浆及其制备方法和应用，所述水煤浆包括煤粉、微塑料、分散剂及水，所述煤粉与微塑料的重量比例为(1‑9)：1；所述分散剂的重量与煤粉和塑料总重量比例为(0.05‑5)：100；所述水的重量与微塑料与煤粉总重量的比例为(0.3‑1)：1。本发明所述的水煤浆，由于微塑料的加入使得最终制备的水煤浆浓度显著提高，流动性改善。
Description
技术领域
本发明涉及煤化工技术领域，尤其涉及一种水煤浆及其制备方法和应用。
背景技术
塑料已成为日常生活和工业生产中的必需品，2020年我国塑料制品产量为7603.2万吨，其中只有9％的塑料被回收，12％被焚烧，79％在填埋场和自然环境中。由于塑料难以降解，在环境中长期存在的塑料对自然环境造成了巨大的危害。因此，将废弃塑料进行资源化利用具有重要意义。
多数塑料只含有碳、氢、氧元素，与煤炭的组成类似，且塑料具有较好的疏水性，因此，将处理后的塑料与煤粉共制浆，不仅能降低水煤浆的粘度，还能提高塑料的利用价值，而关于塑料水煤浆的研究尚属空白。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水煤浆及其制备方法和应用，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了达成上述的目的，本发明提供了一种水煤浆，其包括煤粉、微塑料、分散剂及水，所述煤粉与微塑料的重量比例为(1-9)：1；所述分散剂的重量与煤粉和塑料总重量比例为(0.05-5)：100；所述水的重量与微塑料与煤粉总重量的比例为(0.3-1)：1。
进一步地，其中所述煤粉中粒径小于74μm的煤粉不小于75wt％。
进一步地，其中所述微塑料的平均粒径不小于20μm，粒度过小，粘度将会变大；而粒度过大，则会导致燃烧不充分且容易堵塞喷嘴。
进一步地，其中所述微塑料选自聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸(PET)、聚丙烯(PP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)中的至少一种，其只含有C、H、O元素，与煤的性质相同，燃烧过程不产生污染物。
进一步地，其中所述分散剂选自木质素系分散剂、聚羧酸系分散剂、萘系分散剂、腐殖酸系分散剂、聚烯烃系分散剂和聚丙烯酸系分散剂中的至少一种，一般根据其成浆成本进行选择。
进一步地，其中所述水选自自来水或工业废水，优选为自来水，自来水的制浆效果优于工业废水，但有时工业废水无法处理时也可用于制浆。
进一步地，其中所述水煤浆还包括稳定剂和助剂中的至少一种。
进一步地，其中当所述水煤浆还包括稳定剂时，其添加量为煤粉和塑料总重量的0.01％。
进一步地，其中所述稳定剂选自天然多糖类高分子聚合物、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺絮凝剂和有机膨润土中的至少一种，其可以有助于提高最终得到的水煤浆的稳定性。
进一步地，其中当所述水煤浆还包括助剂时，其添加量为煤粉和塑料总重量的0.01％。
进一步地，其中所述助剂选自消泡剂、pH调整剂和表面活性剂中的至少一种。
为了达成上述的目的，本发明还提供了一种水煤浆的制备方法，包括以下步骤：按照上述比例将煤粉、微塑料、分散剂及水混合均匀，得到所述水煤浆。
进一步地，其中所述煤粉是煤块通过棒磨机或球磨机磨后制得的，粒径小于74μm的煤粉不小于75％。
进一步地，其中所述微塑料是废弃塑料经过粉碎后制得的，微塑料的平均粒径不小于20μm。
为了达成上述的目的，本发明还提供了一种水煤浆的气化方法，包括以下步骤：
将上述的水煤浆和氧气输入水煤浆气化炉的燃烧室进行气化即可。
若水煤浆浓度过低，过多水的气化会浪费系统能量，为了维持气化炉的温度，系统只有增加更多的氧气，反应生成更多的二氧化碳，放出更多的热量维持系统热量平衡，但这会降低有效气体的含量。因此，本发明通过在煤粉中掺混适量微塑料，降低水煤浆的粘度或提高水煤浆的浓度，这有利于提高有效气的成分含量。
此外，气化的氧碳比越高，则生成的二氧化碳越多，气化温度越高，有效气成分就越低。虽然水分解率随温度升高有所增加，甲烷含量有所降低，但如果水分解产生的氢气以及甲烷的降低不足以弥补生成二氧化碳所消化的有效碳，则有效气产量和有效成分摩尔比就比较低，气化的整体效果就比较差。反之，若氧碳比越低，则气化温度越低，二氧化碳含量降低，有效气成分会增高，但甲烷会增加，灰渣中残碳量增加，碳转化率降低，如果二氧化碳的降低不足以弥补甲烷和残碳增加而消耗的有效碳和氢，则有效气产量和有效成分摩尔比也不会高。另一方面，过低的气化温度可能会造成气化炉出口堵渣，影响其正常运作。因此，所述气化的氧碳比选择为1：(0.9～1.1)，优选为1:1，这样优选后可使一定浓度的水煤浆气化率更高；其中，所述氧碳比为所述氧气的含量与所述水煤浆的碳含量之比。为了提高气化温度和气化效率，缩短反应时间，应该采用较高的气化温度，且通常高于煤的灰熔点，以便实现液态排渣。但温度也不能过高，否则会缩短气化炉气冷壁的寿命，并消耗更多的氧气和煤碳，其经济性会下降。因此，在本发明中，对于气化温度一般维持在1200～1600℃之间，通常比煤的灰熔点高50～80℃。当灰熔点高于1500℃时，就要添加助熔剂，使其灰熔点降低到1500℃以下。考虑到节能及气化率优选气化温度为1250-1350℃。
气化炉的生产能力与压力P的1/2次方成正比。升高压力，有利于提高气化炉的单炉生产能力，一般在10MPa以下。炉内气化压力高低的确定还取决于产品煤气的用途；所述水煤浆的气化压力可以为4-7Mpa，优选为4.5MPa；所述水煤浆的浓度一般在60wt％-70wt％之间。所述氧气为纯度为99.99％的高压氧气(6-7Mpa)。
本发明相比于现有技术具有以下有益效果：
本发明所述的水煤浆，由于微塑料的加入使得最终制备的水煤浆浓度能显著提高，流动性改善；
本发明所述的水煤浆，可提高废弃塑料的综合利用价值，有效解决废弃塑料对环境的污染问题；
相比于未添加微塑料的水煤浆，本发明所述的水煤浆，其表观粘度可显著降低，例如可达到1181mPa s以下，最低可达到401mPa s以下；流动性可达到二级以上，甚至达到一级；稳定性达到B以上，甚至可以达到A。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种水煤浆及其制备方法和应用其具体实施方式、特征及其性能，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
以下材料或试剂，如非特别，均为市购。
对比例1-2及实施例1-4
将原煤粉采用棒磨机碎成粒径小于74μm不小于75％的煤粉；
将PET塑料粉碎成与小于74μm不小于75％的粒度；
将煤粉与塑料按质量比分别为100：0、95：5、90：10、80：20、70：30、50：50充分混合均匀，得到混合固体；将所述混合固体、木质素系分散剂与自来水按重量比为62.5：0.16：37.34搅拌均匀，形成浓度为62.5wt％的水煤浆；
以下对上述添加不同比例微塑料的水煤浆进行粘度、流动性和稳定性测试，测试结果如表1所示，其中分散剂为木质素系分散剂。
表1
从表1的测试数据可以看出，随着微塑料质量比的增加，水煤浆的粘度有大幅度降低，而且流动性有较好的改善。相比于对比例1-2，本发明实施例1-4所述的水煤浆的表观粘度小于1200mPa s，且流动性至少达到二级，稳定性至少达到B，满足工业应用需求。
对比例3及实施例5-6
将原煤粉采用棒磨机碎成粒径小于74μm不小于75％的煤粉；
将PS塑料粉碎成平均粒度为20μm，50μm，200μm的微塑料；
将上述三种粒度的微塑料与煤粉按照质量比为1:9进行充分混合，得到混合固体；将所述混合固体、自来水与木质素系分散剂按重量比为62:0.15：37.85搅拌均匀，形成浓度为62wt％的水煤浆。
不同微塑料粒径的水煤浆的粘度、流动性和稳定性测试结果如表2所示。
表2
| 微塑料平均粒度/μm | 浓度/wt％ | 粘度/(mPa s) | 流动性 | 稳定性 | |
| 对比例3 | 20 | 62 | 1622 | 四级 | B |
| 实施例5 | 50 | 62 | 1011 | 二级 | B |
| 实施例6 | 200 | 62 | 873 | 一级 | B |
从表2的测试数据可以看出，随着微塑料粒径的减小，水煤浆的粘度增加，流动性变差。相比于对比例3，本发明实施例5-6所述的水煤浆的粘度小于1200mPa s，且流动性至少达到二级，稳定性至少达到B，满足工业应用的要求。
对比例4及实施例7-8
将煤粉与塑料按质量比分别为100：0、80：20、70：30充分混合均匀，得到混合固体；将所述混合固体、木质素系分散剂：羧甲基纤维素稳定剂与自来水按重量比为62.5：0.15：0.01：37.34搅拌均匀，形成浓度为62.5wt％的水煤浆。
以下对上述添加不同比例微塑料的水煤浆进行粘度、流动性和稳定性测试，测试结果如表3所示，其中分散剂为木质素系分散剂，稳定剂为羧甲基纤维素稳定剂。
表3
从表3的测试数据可以看出，随着微塑料质量比的增加，水煤浆的粘度有大幅度降低，而且流动性有较好的改善。相比于对比例4，本发明实施例7-8所述的水煤浆的表观粘度小于1200mPa s，且流动性达到一级，稳定性达到A，满足工业应用需求。
对比例5及实施例9-10
将煤粉与塑料按质量比分别为100：0、80：20、70：30充分混合均匀，得到混合固体；将所述混合固体、萘系分散剂：羧甲基纤维素稳定剂与自来水按重量比为62.5：0.15：0.01：37.34搅拌均匀，形成浓度为62.5wt％的水煤浆。
以下对上述添加不同比例微塑料的水煤浆进行粘度、流动性和稳定性测试，测试结果如表4所示，其中分散剂为萘系分散剂，稳定剂为羧甲基纤维素稳定剂。
表4
从表4的测试数据可以看出，随着微塑料质量比的增加，水煤浆的粘度有大幅度降低，而且流动性有较好的改善。相比于对比例5，本发明实施例9-10所述的水煤浆的表观粘度小于700mPa s，且流动性达到一级，稳定性达到B，满足工业应用需求。
对比例6及实施例11-12
将煤粉与塑料按质量比分别为100：0、80：20、70：30充分混合均匀，得到混合固体；将所述混合固体、聚羧酸系分散剂：羧甲基纤维素稳定剂与自来水按重量比为62.5：0.15：0.01：37.34搅拌均匀，形成固含率为62.5％的水煤浆；
以下对上述添加不同比例微塑料的水煤浆进行粘度、流动性和稳定性测试，测试结果如表5所示，其中分散剂为聚羧酸系分散剂，稳定剂为羧甲基纤维素稳定剂。
表5
从表5的测试数据可以看出，随着微塑料质量比的增加，水煤浆的粘度有大幅度降低，而且流动性有较好的改善。相比于对比例5，本发明实施例11-12所述的水煤浆的表观粘度小于800mPa s，且流动性达到一级，稳定性达到B，满足工业应用需求。
综上，将实施例1-12及对比例1-6的粘度、流动性和稳定性测试数据比较可知，微塑料的添加有助于降低最终水煤浆的粘度；微塑料粒径的大小与最终水煤浆的粘度负相关；不同分散剂对水煤浆的性能影响不大；稳定剂的加入有助于提高最终制备的水煤浆的稳定性。
将实施例1-12及对比例1-6的水煤浆和6.5MPa的高压氧气输入现有的水煤浆气化炉(如texaco气化炉)的燃烧室进行气化即可。所述气化的氧碳比为1:1，其中，所述氧碳比为所述氧气的含量与所述水煤浆的碳含量之比。所述气化的温度为1300℃；所述气化压力为4.5MPa，其中实施例1-12的水煤浆的气化效率可达到85％以上，而对比例1-6的水煤浆的气化效率仅达到80％。
以上实施例仅用于本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种水煤浆，其特征在于，其包括煤粉、微塑料、分散剂及水，所述煤粉与微塑料的重量比例为(1-9)：1；所述分散剂的重量与煤粉和塑料总重量比例为(0.05-5)：100；所述水的重量与微塑料与煤粉总重量的比例为(0.3-1)：1。
2.如权利要求1所述的水煤浆，其特征在于，所述煤粉中粒径小于74μm的煤粉不小于75wt％；所述微塑料的平均粒径不小于20μm。
3.如权利要求1所述的水煤浆，其特征在于，所述微塑料选自聚苯乙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯中的至少一种。
4.如权利要求1所述的水煤浆，其特征在于，所述分散剂选自木质素系分散剂、聚羧酸系分散剂、萘系分散剂、腐殖酸系分散剂、聚烯烃系分散剂和聚丙烯酸系分散剂中的至少一种；所述水选自自来水或工业废水。
5.如权利要求1所述的水煤浆，其特征在于，所述水煤浆还包括稳定剂和助剂中的至少一种。
6.如权利要求5所述的水煤浆，其特征在于，当所述水煤浆还包括稳定剂时，其添加量为煤粉和塑料总重量的0.01％；所述稳定剂选自天然多糖类高分子聚合物、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺絮凝剂和有机膨润土中的至少一种。
7.如权利要求5所述的水煤浆，其特征在于，当所述水煤浆还包括助剂时，其添加量为煤粉和塑料总重量的0.01％。
8.如权利要求7所述的水煤浆，其特征在于，所述助剂选自消泡剂、pH调整剂和表面活性剂中的至少一种。
9.一种权利要求1-8任一项所述的水煤浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按照上述比例将煤粉、微塑料、分散剂及水混合均匀，得到所述水煤浆。
10.一种水煤浆的气化方法，其特征在于，包括以下步骤：
将权利要求1-9任一项所述的水煤浆和氧气输入水煤浆气化炉的燃烧室进行气化即可。
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