CN114231330A - 一种高热值铁粉复合燃料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高热值铁粉复合燃料及其制备方法，复合燃料主要由硅粉与铁粉混合烧结制得的复合粉末，和复合粉末外部包覆的铁粉组成，其中复合粉末中硅粉的重量比为30％～50％，铁粉的重量比为50％～70％，复合粉末外部包覆的铁粉占复合粉末的重量比为10％～30％。制备方法包括制备粘结剂，制备浆料，制备复合粉末，复合粉末润湿，混粉，干燥包装。本发明通过铁粉与硅粉的复合，常温状态下性能稳定，运输及使用过程安全可靠，具有燃烧性好、不团聚、热值高的特点，解决现有单一铁粉燃料燃烧热值低，不足以提供充足热能的问题。

Description

一种高热值铁粉复合燃料及其制备方法

技术领域

本发明涉及新材料制备领域，尤其涉及一种高热值铁粉复合燃料及其制备方法。

背景技术

中国作为全球最大的碳排放国，在应对气候变化上责任重大。面对日益突出的能源安全和温室气体减排压力，研究“替代燃料”成为当前迫切任务。金属燃料作为一种高热值的新型燃料，其能量密度远远高于煤、石油、天然气等化石燃料，并且在燃烧的过程中不会产生硫氧化物、氮氧化物等有害气体。

地球上拥有丰富的金属矿产资源，且金属冶炼技术成熟，能够为金属燃料的应用提供坚实的基础。专利《一种纳米铁粉燃料发电方法及其装置》(申请号： 201710378169.4，公开号：CN107355300A)。公开了一种纳米铁粉燃料发电方法及其装置，该方案以纳米铁粉为燃料，纳米铁粉与氧气混合后被点燃，产生的热能转化为电能实现发电；对于燃烧产物Fe₃O₄，通过通入氢气还原Fe₃O₄，实现对燃烧产物的回收。该发明的纳米铁粉发电方案绿色环保、无污染、可重复利用，可替代现有不可再生能源。但是该方法需要纳米级铁粉，纳米级铁粉成本较高，不利于工业应用，此外纳米铁粉应用过程会出现团聚现象，有可能造成燃烧不充分或热值低的问题。该燃料为单一铁粉，铁粉燃烧热值相对于碳、硅元素相对较低，不足以提供充足热能。

基于金属燃料现状，现急需一种方便、实用的金属燃料制品来满足社会需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高热值铁粉复合燃料及其制备方法，通过铁粉与硅粉的复合，常温状态下性能稳定，运输及使用过程安全可靠，具有燃烧性好、不团聚、热值高的特点，解决现有单一铁粉燃料燃烧热值低，不足以提供充足热能的问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

一种高热值铁粉复合燃料，主要由硅粉与铁粉混合烧结制得的复合粉末，和复合粉末外部包覆的铁粉组成，其中复合粉末中硅粉的重量比为30％～50％，铁粉的重量比为50％～70％，复合粉末外部包覆的铁粉占复合粉末的重量比为 10％～30％。其中所述复合粉末中硅粉的重量比为大于30％可提高复合粉末燃烧热值，而小于50％是为了保证硅粉能燃烧充分。铁粉的重量比大于50％可保证铁粉燃烧产物足以破坏硅粉表面的SiO₂保护膜，使硅粉顺利燃烧，而小于70％是为了保证复合粉中有足够硅粉含量可提高复合粉末燃烧热值。复合粉末外部包覆的铁粉占复合粉末的重量比大于10％，可保证表面层能够有足量铁粉燃烧放热点燃内部复合粉末，而重量比大于30％又会引起硅粉含量下降导致燃烧热值降低。

进一步的，所述复合粉末粒径为300～500μm，复合粉末外部包覆的铁粉厚度为2～6μm。所述硅粉纯度为97％以上，其余为不可避免杂质；所述铁粉纯度为 Fe≥97％，C<1.0％，余量为不可避免杂质。所述硅粉粒径为10～30μm，铁粉粒径小于1μm。其中所述复合粉末粒径大于300μm有利于表面包覆超细铁粉，另一方面也防止粉末粒径太小引起团聚问题，复合粉末粒径小于500μm有利于复合粉末充分燃烧和提高燃烧效率。所述硅粉粒径10～30μm和铁粉粒径小于1μm是为了保证二者混合后硅粉颗粒之间缝隙充满铁粉颗粒，有利于铁粉点燃硅粉及铁粉燃烧产物破坏SiO₂保护膜。

一种高热值铁粉复合燃料的制备方法，包括以下内容：

制备粘结剂：粘结剂为浓度在5％～10％的聚乙烯醇水溶液；

制备浆料：将硅粉和铁粉混合，混合粉末中硅粉重量比为30％～50％，将混合粉末加入到球磨罐中，同时加入占混合粉末重量比3％～6％的粘接剂，然后再加水球磨，水的加入量为混合粉末的30％～40％，球磨20～30min制得浆料；其中所述球磨时间为大于20min可保证混合均匀，而小于30min是为了避免将聚乙烯醇的分子链打断，降低粘结效果。

制备复合粉末：将制得的浆料利用高速离心喷雾干燥机进行喷雾造粒处理，雾化盘转速为5000～8000r/min，收集复合粉末，然后在氩气保护下对复合粉末进行烧结处理，烧结温度为500～700℃，之后筛分出复合粉末；其中所述雾化盘转速小于8000r/min是为了保证制备的复合颗粒有足够的尺寸，但小于5000r/min，又会导致颗粒成形性不好及颗粒太大。烧结温度为500～700℃是为了保证颗粒有足够强度及去除粘结剂。

复合粉末润湿：润湿剂为硬脂酸或酚醛树脂质量百分比为3％～5％的乙醇溶液，润湿剂加入量为经烧结筛分工艺处理后复合粉末重量的1％～2％，采用搅拌机进行搅拌使润湿剂均匀分布于复合粉末表面，搅拌时间为10～20min；

混粉：按比例将铁粉与润湿的复合粉末混合，混合比例为复合粉末的重量百分比为70％～90％，铁粉的重量百分比为10％～30％；混粉过程保证混合粉末温度在50～70℃，搅拌时间为20～30min，得到表面包覆铁粉的复合粉末。其中所述复合粉末的重量百分比为70％～90％，大于70％是为了提高燃烧热值，小于90％是为了能够配加足量铁粉包覆其表面。混粉过程保证混合粉末温度在50～70℃，避免润湿剂(硬脂酸、酚醛树脂)大量固相析出，降低其粘附铁粉能力。

干燥包装：复合粉末在室温放置5～8小时，待干燥后进行包装，包装采用密闭包装。

进一步的，制备浆料中，将粒径10～30μm的硅粉和粒径小于1μm的铁粉混合；制备复合粉末中，筛分出的复合粉末粒径为300～500μm；混粉中，铁粉粒径小于1μm，铁粉粒径小于1μm是为了提高复合燃料的可燃性，应用时易被点燃。

进一步的，所述硅粉纯度为97％以上，其余为不可避免杂质；所述铁粉纯度为Fe≥97％，C<1.0％，余量为不可避免杂质。

本发明复合燃料为铁粉加硅粉混合物，单纯Fe的燃烧热值为6460kJ/kg，而 Si的燃烧热值为29202kJ/kg，可见相同质量的Si燃烧释放热量大约是Fe燃烧释放热量的5倍，差距明显。但是Si不易燃烧，需要易燃烧物点燃，而铁在氧气中非常容易燃烧，铁粉燃烧提供的热量促进硅同时也产生剧烈燃烧，从而放出大量热。此外单一硅粉氧化时在其表面生成一层薄的、致密的、与基体结合牢固的 SiO₂保护膜，阻止燃烧反应顺利进行。而此时铁粉燃烧生成的氧化铁可以作为助燃剂促进反应顺利进行，而氧化铁助燃机理是氧化铁可以与氧化硅反应，从而破坏致密氧化硅外壳，反应式如下：

SiO₂+2FeO＝2FeO·SiO₂

二氧化硅会与氧化铁化合，形成低熔点的铁橄榄石(2FeO·SiO₂)，铁橄榄石熔点较低，在1173℃以液态形式出现，相比较SiO₂保护膜的熔点很高，高达1650℃以上。可见，随着SiO₂保护膜被破坏掉，可保证燃烧反应顺利进行。本发明的复合颗粒内部为较大颗粒硅粉与较小颗粒铁粉混合物，既可以保证硅粉颗粒被铁粉点燃又能够保证硅粉颗粒顺利燃烧，而在混合颗粒外部又包覆一层细颗粒铁粉，使得复合燃料在初期很容易燃烧，然后点燃内部复合粉末。

本发明提供的铁粉+硅粉复合燃料，该粉末具有燃烧性好、不团聚、热值高的特点，不仅易于生产，且反应产物中仅存在微量二氧化碳，相比较煤、石油类碳基燃料，其碳排放已显著下降。由于硅粉、铁粉常温状态下性能稳定，因此运输及使用过程安全可靠。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种高热值铁粉复合燃料，主要由硅粉与铁粉混合烧结制得的复合粉末，和复合粉末外部包覆的铁粉组成，其中复合粉末中硅粉的重量比为30％～50％，铁粉的重量比为50％～70％，复合粉末外部包覆的铁粉占复合粉末的重量比为 10％～30％。进一步的，所述复合粉末300～500μm，复合粉末外部包覆的铁粉厚度为2～6μm。所述硅粉纯度为97％以上，其余为不可避免的杂质；所述铁粉纯度为Fe≥97％，C<1.0％，余量为不可避免杂质。所述硅粉粒径为10～30μm，铁粉粒径小于1μm。具体高热值铁粉复合燃料组成见表1。

高热值铁粉复合燃料具体制备方法如下：

制备粘结剂：取质量比为5～10％的粘结剂聚乙烯醇粉末溶质加入溶剂水中，待聚乙烯醇粉末完全溶解在水中后，去除表面的泡沫，制得聚乙烯醇溶液。

制备浆料：将粒径10～30μm的硅粉和粒径小于1μm的铁粉混合，混合粉末中硅粉重量比为30％～50％，然后将混合粉末加入到球磨罐中，同时加入占上述混合粉末重量比3％～6％的粘接剂聚乙烯醇溶液，然后再加入水球磨，水的加入量为混合粉末的30％～40％，球磨时间为20～30min。所述硅粉纯度为97％以上，其余为不可避免杂质；所述铁粉化学成分重量百分比为：C<1.0％，余量为Fe和不可避免杂质。

制备复合粉末：将制得的浆料利用高速离心喷雾干燥机进行喷雾造粒处理，雾化盘转速为5000～8000r/min。收集粉末，然后在氩气保护下对复合颗粒进行烧结处理，烧结温度为500～700℃。然后筛分出300～500μm复合粉末待用。

复合粉末润湿：润湿剂为硬脂酸或酚醛树脂质量百分比为3％～5％的乙醇溶液，润湿剂加入量为复合粉重量的1％～2％，采用搅拌机进行搅拌使润湿剂均匀分布于复合粉表面，搅拌时间为10～20min。

混粉：按比例将铁粉与润湿剂的复合粉末混合，混合比例为复合粉末的重量百分比为70％～90％，铁粉的重量百分比为10％～30％；所述铁粉纯度为Fe≥97％， C<1.0％，余量为不可避免杂质，粒径小于1μm；混粉过程保证混合粉末温度在 50～70℃，搅拌时间为20～30min。得到表面包覆超细铁粉的复合粉末。

干燥包装：复合粉末在室温放置5～8小时，待充分干燥后进行包装，包装采用密闭包装。

具体制备工艺参数及效果见表2。

表1 复合燃料组成

表2 具体制备工艺参数及效果

比较例选用400μm铁粉为原料进行测试，铁粉化学成分重量百分比为： C＝0.004％，余量为Fe和一些杂质元素。经检测铁粉粉流动性为25s(50g)，流动性较差。经量热仪测定，铁粉燃烧热值为4.2MJ/Kg。可见纯铁粉放热量要远小于本发明的复合粉末燃料。

本发明高热值铁粉复合燃料属于一种“零煤耗、低碳排”的绿色新能源，社会效益和经济效益非常可观，具有推广使用价值。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (8)

1.一种高热值铁粉复合燃料，其特征在于，主要由硅粉与铁粉混合烧结制得的复合粉末，和复合粉末外部包覆的铁粉组成，其中复合粉末中硅粉的重量比为30％～50％，铁粉的重量比为50％～70％，复合粉末外部包覆的铁粉占复合粉末的重量比为10％～30％。

2.根据权利要求1所述的一种高热值铁粉复合燃料，其特征在于，所述复合粉末粒径为300～500μm，复合粉末外部包覆的铁粉厚度为2～6μm。

3.根据权利要求1所述的一种高热值铁粉复合燃料，其特征在于，所述硅粉纯度为97％以上，其余为不可避免杂质；所述铁粉纯度为Fe≥97％，C<1.0％，余量为不可避免杂质。

4.根据权利要求1所述的一种高热值铁粉复合燃料，其特征在于，所述硅粉粒径为10～30μm，铁粉粒径小于1μm。

5.一种权利要求1～4任一项所述的高热值铁粉复合燃料的制备方法，其特征在于，包括以下内容：

制备粘结剂：粘结剂为浓度在5％～10％的聚乙烯醇水溶液；

制备浆料：将硅粉和铁粉混合，混合粉末中硅粉重量比为30％～50％，将混合粉末加入到球磨罐中，同时加入占混合粉末重量比3％～6％的粘接剂，然后再加水球磨，水的加入量为混合粉末的30％～40％，球磨20～30min制得浆料；

制备复合粉末：将制得的浆料利用高速离心喷雾干燥机进行喷雾造粒处理，雾化盘转速为5000～8000r/min，收集复合粉末，然后在氩气保护下对复合粉末进行烧结处理，烧结温度为500～700℃，之后筛分出复合粉末；

复合粉末润湿：润湿剂为硬脂酸或酚醛树脂质量百分比为3％～5％的乙醇溶液，润湿剂加入量为经烧结筛分工艺处理后复合粉末重量的1％～2％，采用搅拌机进行搅拌使润湿剂均匀分布于复合粉末表面，搅拌时间为10～20min；

混粉：按比例将铁粉与润湿的复合粉末混合，混合比例为复合粉末的重量百分比为70％～90％，铁粉的重量百分比为10％～30％；混粉过程保证混合粉末温度在50～70℃，搅拌时间为20～30min，得到表面包覆铁粉的复合粉末；

干燥包装：复合粉末在室温放置5～8小时，待干燥后进行包装。

6.根据权利要求5所述的高热值铁粉复合燃料的制备方法，其特征在于，制备浆料中，将粒径10～30μm的硅粉和粒径小于1μm的铁粉混合；制备复合粉末中，筛分出的复合粉末粒径为300～500μm；混粉中，铁粉粒径小于1μm。

7.根据权利要求5所述的高热值铁粉复合燃料的制备方法，其特征在于，所述硅粉纯度为97％以上，其余为不可避免杂质；所述铁粉纯度为Fe≥97％，C<1.0％，余量为不可避免杂质。

8.根据权利要求5所述的高热值铁粉复合燃料的制备方法，其特征在于，所述包装采用密闭包装。