CN115066469A - 利用煤气化渣制备涂料用复合颜填料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了一种利用煤气化渣制备涂料用复合颜填料的方法，所述方法包括对煤气化渣进行预处理、超细粉碎、物理改性和化学改性四个处理步骤。所述预处理步骤包括对煤气化渣进行干燥、磁选和重力分选三个步骤中的任一步骤或它们的任意组合。在超细粉碎中，选用超细粉碎和分级设备将预处理加工后的煤气化渣粉碎，得到超细煤气化渣粉。在物理改性中，将物理改性剂、粘合助剂在机械力化学的作用下与超细煤气化渣粉混合，得到复合颜填料。在化学改性中，通过改性设备利用改性剂对物理改性后的复合颜填料进行化学改性，制得改性复合颜填料。

Description

利用煤气化渣制备涂料用复合颜填料的方法
技术领域
本发明属于工业固体废弃物绿色资源化利用领域，尤其涉及一种利用煤气化渣制备涂料用复合颜填料的方法。
背景技术
目前，炭黑是涂料领域应用最广泛着色剂(颜料)，常被用于生产黑色或灰色涂料。然而炭黑的成分、密度、粒度、亲水性等物化性质与常用无机填料(如碳酸钙、硫酸钡、煅烧高岭土、滑石、硅灰石等)差异较大，容易引起涂料中颜料、填料的分层，导致涂料的浮色和发花，进而影响涂料的储存稳定性。炭黑比表面积较大、吸油值高，易吸附大量的溶剂和助剂，造成油性涂料储存后的返粗、变稠和泛白等问题。目前，虽然通过物理包覆或化学包覆手段，制备出钛白粉基白色复合颜填料，但是由于炭黑和无机填料性质的差异，导致得到相应的复合颜填料难度较大，尚未有黑色复合颜填料的相关报道。
煤气化渣是煤气化过程中产生的残渣，颜色为深黑色，其化学成分包括Al2O3、CaO、Fe2O3、SiO2和残炭。气化渣量大约占气化煤总量的15-20％，据统计，2019年中国约产生6000万吨气化渣，预计到2022年气化渣的年产量将达到1亿吨，而气化渣的综合利用不足50％。大量的煤气化渣只能被堆存处理，占用大量耕地的同时，也会造成严重的环境污染和生态破坏。
当前，气化渣规模化处理利用主要聚焦在建工建材、生态治理和燃料领域，但是由于其自身特点导致经济效益较低，因此煤气化渣规模化安全处置技术亟待解决。
发明内容
鉴于上述的现有涂料中黑色颜料和煤气化渣综合利用方面存在的问题，本发明提供了一种利用煤气化渣制备涂料用复合颜填料的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种利用煤气化渣制备涂料用复合颜填料的方法，所述方法包括对煤气化渣进行预处理、超细粉碎、物理改性和化学改性四个处理步骤：
(1)预处理步骤：所述预处理步骤包括对煤气化渣进行干燥、磁选和重力分选三个步骤中的任一步骤或它们的任意组合；
(2)超细粉碎：选用超细粉碎和分级设备将预处理加工后的煤气化渣粉碎，得到超细煤气化渣粉；
(3)物理改性：将物理改性剂、粘合助剂在机械力化学的作用下与超细煤气化渣粉混合，得到复合颜填料；
(4)化学改性：通过改性设备利用改性剂对物理改性后的复合颜填料进行化学改性，制得改性复合颜填料。
通过上述可知，本发明所述的方法所涉及的生产流程都为纯物理过程，不涉及强酸强碱、高压等过程，生产工艺安全、绿色、环保，无三废排放，对不同类型的煤气化渣适应性较高。由本发明所述方法生产的复合颜填料，分散均匀、与树脂亲和性好、着色效果优异，可广泛应用于油漆、水漆和粉末涂料领域。本发明的技术方案在解决了涂料行业难题的同时，真正实现对煤气化渣的绿色高附加值利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为根据本发明的一个实施例所述的利用煤气化渣制备涂料用复合颜填料的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参见图1，根据本发明的一个实施例，提供了一种利用煤气化渣制备涂料用复合颜填料的方法，所述方法包括预处理、超细粉碎、物理改性和化学改性四个处理步骤：
(1)预处理步骤：所述预处理步骤包括干燥、磁选和重力分选三个步骤中的任一个或它们的任意组合。所述干燥步骤是选用干燥设备将煤气化渣水量干燥至1％以下。所述磁选步骤是利用磁选机将干燥后的物料中一部分富铁物料选出。磁选出的富铁物料可作为水泥原料，用于生产水泥。所述重力分选步骤是利用风力分选设备，将气化渣原料中高密度杂质颗粒选除，达到提纯目的。所述预处理步骤可以根据原料的实际情况合理选择干燥、磁选和重力分选中的0-3段工艺。
(2)超细粉碎：选用超细粉碎和分级设备将初加工后的物料粉碎至一定细度，得到超细煤气化渣粉，此时所述超细煤气化渣粉可用于粉末涂料、水性涂料和油漆。
(3)物理改性：将一定量物理改性剂，在少量粘合助剂和机械力化学的作用下，与超细煤气化渣粉混合(例如混合均匀并紧密结合)得到复合颜填料，此时得到的所述复合颜填料可用于粉末涂料、水性涂料和油漆。
(4)化学改性：利用改性设备，选择合适的改性剂及用量，对物理改性后的样品进行化学改性，制得改性复合颜填料，所述改性复合颜填料可用于粉末涂料、水性涂料和油漆。
具体地，煤气化渣本身来源于天然矿物，在形成过程经过高温煅烧，具有物化性质稳定、耐高温、耐酸碱腐蚀等特点。煤气化过程中的高温，使煤中无机矿物熔融，并形成对大量残炭的紧密包裹，因此煤气化渣具备生产涂料用复合颜填料的潜力。
本发明所述的方法能够针对煤气化渣的特性，通过合适的生产工艺制备出复合颜填料(即该复合颜填料同时具有颜料和填料的功能)，不仅解决涂料行业难题，也实现对煤气化渣的绿色高值化利用。
所述预处理包括对煤气化渣进行干燥、磁选和重力分选中的至少一种工艺，以达到降低煤气化渣中水分、有害金属和高密度杂质的目标。由干燥设备执行所述干燥煤气化渣原料的步骤以使得煤气化渣原料的含水量低于1％，所述干燥设备包括流化床式干燥机、回转干燥机和滚筒式干燥机中的任一种或它们的任意组合，所述干燥步骤的温度范围为80-300℃，优选地150℃。
另外地，将干燥后的煤气化渣进行磁选，其中磁选出的富铁物料用作水泥原料，磁选后的煤气化渣用于后续的超细粉碎。由干法磁选机执行对干燥后的煤气化渣进行磁选的步骤，所述干法磁选机的磁场强度的范围为0.02-2.0T。
另外地，所述重力分选由风力分选设备执行，分选次数为1-5次。
在一个示例中，由超细粉碎设备执行超细粉碎，预处理后煤气化渣的步骤。所述超细粉碎设备包括环辊磨、机械磨、球磨机、气流磨、蒸汽磨、热空气气流磨、搅拌磨和砂磨机中的任一种或它们的任意组合；所述分级设备为多转子或单转子离心式分级机；超细粉碎后煤气化渣颗粒的粒度在800-12500目之间，优选地8000目或10000目。
在一个示例中在超细粉碎步骤之后，所述方法还包括对超细煤气化渣粉进行物理改性，从而得到颜色可控、增强效果优异、防腐性能优越的复合颜填料。
此外，所述物理改性在超细粉碎设备的磨腔内完成。所述物理改性是将物理改性剂、粘合助剂和超细粉碎后的煤气化渣粉一起喂入磨内粉碎并混合(例如混合均匀)；所述物理改性剂包括红丹、锶铬黄、锌铬黄、钡铬黄、钙铬黄、磷酸盐、磷钼酸盐、三聚磷酸二氢铝、钼酸锌、硼酸锌、云母氧化铁、钛白粉、纳米氧化锌、石墨、群青、酞菁蓝、硫酸钡、铁红、铁黑、硫酸钡等物质中的任一种或到多种的混合物；所述物理改性剂为煤气化渣量的0％-60％；所述粘合助剂包括硅酸钠、硅酸钾、双硅烷偶联剂等中的任一种或它们的任意组合；所述粘合助剂为煤气化渣量的0％-10％。
在一个示例中，在物理改性煤气化渣步骤之后，对煤气化渣进行化学改性以得到改性复合颜填料。此外，由改性设备执行所述化学改性的步骤。所述改性设备包括三辊改性机、高速搅拌机和塔式改性机中的任一种或它们的任意组合，所述表面改性使用的改性剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂、稀土偶联剂、脂肪酸及其盐、聚醇类物质、高级醇类、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钠、六偏磷酸钠和三聚磷酸钠中的任一种或它们的任意组合；所述改性剂用量为超细粉碎后的煤气化渣粉体质量的0.01-25％(例如10％或15％)；所述表面改性的温度范围为50-300℃(例如200℃)。
在本发明中，所述涂料为粉末涂料、水性涂料或油漆。
以下提供了几个具体的实施例来详细说明本发明的方法的各个步骤，显然，本发明的技术方案不限于下述提供的实施例的限制。
实施例1
山西省襄垣县某厂煤气化渣原料含水量为0.5％其主要化学组成如表1所示。在本实施例中，采用的加工工艺为磁选、重力分选、超细粉碎、物理改性和化学改性。具体制备工艺参数如下：首先用干法磁选机在1.5T的磁场强度下对煤气化渣进行三次磁选，磁选后的煤气化渣物料化学组成如表1所示。然后对磁选后物料用风力分选设备分选两次，选除高密度杂质颗粒。然后对预处理后物料，以质量分数为0.7％的锶铬黄和质量分数为0.4％的磷酸铁为物理改性剂，用蒸汽动能磨，在1.5Mpa蒸汽压力、1700rpm的分级机转速和211℃的磨内温度下，完成超细粉碎和物理改性，制得复合颜填料A1(粒度分布如表2所示)。最后，对物理改性后的物料，通过三辊改性机，在100℃下，以质量分数为0.7％的硅烷偶联剂(KH560)和质量分数为0.3％的硅烷偶联剂(KH540)为改性剂，完成化学改性制得改性复合颜填料A2，其粒度分布如表2所示。
表1物料化学组成
Figure BDA0003790715390000051
表2不同填料粒度分布
Figure BDA0003790715390000052
实施例2
宁夏某厂煤气化渣原料含水量为1.4％其主要化学组成如表3所示。在本实施例中，采用的加工工艺为干燥、磁选、重力分选、超细粉碎、物理改性和化学改性。具体制备工艺参数如下：首先利用滚筒式干燥机在入口温度170℃，出口温度69℃的条件下，将煤气化渣含水量干燥至0.3％，然后用干法磁选机在1.5T的磁场强度下对干燥后的煤气化渣进行三次磁选，磁选后的物料化学组成如表3所示。对磁选后物料用风力分选设备分选两次，选除高密度杂质颗粒。然后以质量分数为1.2％锶铬黄为物理改性剂，以质量分数0.1％的水玻璃粘合剂，通过用流化床式气流磨在0.9Mpa压力和1720rpm的分级机转速下，对磁选后的煤气化渣进行超细粉碎和物理改性，得到复合颜填料B1(粒度分布如表4所示)。对物理改性后的物料利用高速搅拌机，以1.5％的硅烷偶联剂(KH560)为改性剂，在110℃下连续搅拌15min，制得改性复合颜填料B2，其粒度分布如表4所示。
表3物料化学组成
Figure BDA0003790715390000061
表4不同填料粒度分布
Figure BDA0003790715390000062
实施例3
利用实施例1和实施例2中制备的改性复合颜填料A2和B2，在灰色防腐油漆中与常用的颜填料体系(炭黑+钛白体+碳酸钙，对照例)进行对比实验，涂料配方和性能对比如表5所示：
表5灰色防腐油漆配方、涂料制备工艺及性能对比
Figure BDA0003790715390000063
Figure BDA0003790715390000071
实施例4
利用实施例1和实施例2中制备的复合颜填料A1和B1，在灰色防腐水性涂料中与常用的颜填料体系(炭黑+钛白体+碳酸钙，对照例)进行对比实验。涂料配方和性能对比如表6所示：
表6灰色防腐水性涂料配方、涂料制备工艺及性能对比
Figure BDA0003790715390000072
Figure BDA0003790715390000081
实施例5
利用实施例1和实施例2中制备的改性复合颜填料A2和B2，在灰色粉末涂料中与常用的颜填料体系(炭黑+钛白体+碳酸钙，对照例)进行对比实验，涂料配方和性能对比如表7所示：
表7粉末涂料配方、涂料制备工艺及性能对比
Figure BDA0003790715390000082
Figure BDA0003790715390000091
通过上述对比分析可知，通过本发明所述的方法制备的复合颜填料，能够起到颜料和填料的双重作用，而且能够显著提高与机树脂的亲和性和分散性。与常用的颜填料体系相比，本发明所述的方法不仅能够降低涂料生产成本，而且能够显著提高涂料的储存、防腐、耐候性等性能。本发明所述的方法具有显著的环保意义和经济效益，市场前景广阔。
虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (13)

1.一种利用煤气化渣制备涂料用复合颜填料的方法，所述方法包括对煤气化渣进行预处理、超细粉碎、物理改性和化学改性四个处理步骤：
(1)预处理步骤：所述预处理步骤包括对煤气化渣进行干燥、磁选和重力分选三个步骤中的任一步骤或它们的任意组合；
(2)超细粉碎：选用超细粉碎和分级设备将预处理加工后的煤气化渣粉碎，得到超细煤气化渣粉；
(3)物理改性：将物理改性剂、粘合助剂在机械力化学的作用下与超细煤气化渣粉混合，得到复合颜填料；
(4)化学改性：通过改性设备利用改性剂对物理改性后的复合颜填料进行化学改性，制得改性复合颜填料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
由干燥设备执行所述干燥煤气化渣原料的步骤以使得煤气化渣原料的含水量低于1％，所述干燥设备包括流化床式干燥机、回转干燥机和滚筒式干燥机中的任一种或它们的任意组合，所述干燥步骤的温度范围为80-300℃。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，
所述磁选步骤是利用磁选机将干燥后的煤气化渣中一部分富铁物料选出；
所述重力分选是利用风力分选设备，将气化渣原料中高密度杂质颗粒选除。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，
由超细粉碎设备执行超细粉碎预处理后煤气化渣的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，
所述超细粉碎设备包括环辊磨、机械磨、球磨机、气流磨、蒸汽磨、热空气气流磨、搅拌磨和砂磨机中的任一种或它们的任意组合；
所述分级设备为多转子或单转子离心式分级机；超细粉碎后煤气化渣颗粒的粒度在800-12500目之间。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，
所述物理改性在超细粉碎设备的磨腔内执行。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，
所述物理改性是将物理改性剂、粘合助剂和超细粉碎后的物料一起喂入磨内粉碎并混合均匀。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，
所述物理改性剂包括红丹、锶铬黄、锌铬黄、钡铬黄、钙铬黄、磷酸盐、磷钼酸盐、三聚磷酸二氢铝、钼酸锌、硼酸锌、云母氧化铁、钛白粉、纳米氧化锌、石墨、群青、酞菁蓝、硫酸钡、铁红、铁黑、硫酸钡中的任一种或更多种的混合物；
所述物理改性剂为煤气化渣量的0％-60％。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，
所述粘合助剂包括硅酸钠、硅酸钾、双硅烷偶联剂中任一种或它们的任意组合；
所述粘合助剂的质量分数为煤气化渣量的0％-10％。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，
由改性设备执行所述化学改性的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，
所述改性设备包括三辊改性机、高速搅拌机和塔式改性机中的任一种或它们的任意组合，
所述表面改性使用的改性剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂、稀土偶联剂、脂肪酸及其盐、聚醇类物质、高级醇类、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钠、六偏磷酸钠和三聚磷酸钠中的任一种或它们的任意组合。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，
所述改性剂用量为超细粉碎后的煤气化渣粉体质量的0.01-25％；
所述表面改性的温度范围为50-300℃。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中，
所述涂料为粉末涂料、水性涂料或油漆。
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