CN115926813A - 一种原煤复合阻化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请属于煤阻燃技术领域，尤其涉及一种原煤复合阻化剂及其制备方法和应用；本申请提供的原煤复合阻化剂将化学阻化剂负载于水凝胶中，可以长效发挥化学阻化和物理阻化的性能，防止出现煤自燃现象，可有效解决仅依赖物理阻燃剂或化学阻化剂时，防止煤自燃效果不够理想的问题。
Description
技术领域
本申请属于阻燃剂技术领域，尤其涉及一种原煤复合阻化剂及其制备方法和应用。
背景技术
煤与氧气发生物理吸附和化学吸附，进而发生煤氧反应导致煤自燃发生。其原因是煤中活性较高的含氧基团容易氧化放热导致的，尤其是对于高挥发份原煤来说，由于活性高，更加容易发生氧化放热反应。
目前防止煤自燃发生的一个重要手段便是阻化剂，阻化剂根据其阻碍煤自燃的机理可分为物理阻化剂和化学阻化剂，物理阻燃剂包括盐类阻化剂、胶体阻化剂、泡沫阻化剂(惰性气体)、高聚物阻化剂等种类，其机理是通过物理降温来达到阻化效果，物理阻化剂存在各种缺陷，大多数的物理阻化剂通过物理降温发挥阻化的效果不持久，且某些物理阻化剂会自身发生分解反应放热，从而温度升高，反而促进了煤自燃；化学阻化剂包括抗氧化剂、离子液体等种类，其机理是通过改变煤碳的表面特性(如表面官能团特性)，降低氧气与煤的反应性和反应速度，达到减缓表面低温氧化过程，但化学阻燃剂也存在化学性质不稳定，存储运输过程容易分解，导致存储运输不方便；因此，目前单一的物理阻燃剂或化学阻化剂发挥的阻止煤自燃的效果不够理想，性能还有待提高。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种原煤复合阻化剂及其制备方法和应用，用于解决现有技术中单一的物理阻燃剂或化学阻化剂发挥的阻止煤自燃的效果不够优越，性能还有待提高的技术问题。
本申请第一方面提供了一种原煤复合阻化剂，包括复合水凝胶和化学阻化剂水溶液；
所述复合水凝胶负载所述化学阻化剂溶液。
优选的，所述化学阻化剂水溶液中溶剂水与原煤复合阻化剂的质量比为90～99％：100。
高含水量可以充分提高阻化剂物理降温效果，并且能溶解更多的化学阻化剂，提高化学阻化剂抑制煤低温氧化反应的效果。
优选的，所述化学阻化剂水溶液中阻化剂溶质包括聚乙二醇、次亚磷酸钠、维生素C。
优选的，以质量份计算，所述复合高吸水凝胶的组成包括10质量份羧甲基纤维素钠、0.5～10质量份聚乙二醇、0.5～10质量份次亚磷酸钠、0.5～25质量份维生素C。
优选的，以质量份计算，复合高吸水凝胶的组成包括10质量份羧甲基纤维素钠、6质量份聚乙二醇、6质量份次亚磷酸钠、6质量份维生素C。
需要说明的是，特定质量比的化学阻化剂有利于提高抑制煤低温氧化反应的效果。
优选的，所述复合高吸水凝胶的组成包括羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠以及氯化铝。
优选的，以质量份计算，所述复合高吸水凝胶的组成包括10质量份羧甲基纤维素钠、0.1～5质量份聚丙烯酸钠以及1～9质量份氯化铝。
优选的，以质量份计算，所述复合高吸水凝胶的组成包括10质量份羧甲基纤维素钠、1质量份聚丙烯酸钠以及4质量份氯化铝。
本申请第二方面提供了一种原煤复合阻化剂的制备方法，包括步骤：
步骤1、分别制备含溶质羧甲基纤维素钠和聚丙烯酸钠的水溶液(溶液1)和含溶质聚乙二醇、次亚磷酸钠、维生素C和氯化铝的水溶液(溶液2)；
步骤2、将溶液2加入到溶液1中，充分搅拌，得到原煤复合阻化剂；
步骤2中，所述搅拌反应的转速不低于600r/min，时间不低于15min，温度为20～30℃。
需要说明的是，本申请还提供的原煤复合阻化剂的制备方法，制备方法包括先配置羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠粘稠溶液，配置方法可以选择将羧甲基纤维素钠和聚丙烯酸钠溶解在水中，然后再将含有交联剂、化学阻化剂的水溶液加入到粘稠溶液中搅拌反应，随着搅拌反应的进行，羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠交联成三维网络结构并将化学阻化剂及其水溶液包裹在三维网络结构中，得到原煤复合阻化剂。
本申请第三方面提供一种原煤复合阻化剂在煤堆中的应用；
所述在煤堆中的应用具体为：将原煤复合阻化剂与煤堆混合。
需要说明的是，本申请提供的原煤复合阻化剂呈粘稠液态，与煤堆中煤颗粒混合后，防煤自燃效果更加优越。
综上所述，本申请提供了一种原煤复合阻化剂及其制备方法和应用，原煤复合阻化剂包括复合高吸水凝胶和化学阻化剂水溶液，且复合高吸水凝胶负载所述化学阻化剂溶液；其中，由于复合高吸水凝胶为三维网络结构，且构成三维网络结构的羧甲基纤维素钠上含有大量的吸水基团，从而可以将化学阻化剂溶液中溶剂水和溶质化学阻化剂包裹在水凝胶的三维结构中，化学阻化剂溶液中溶质化学阻化剂由于被水凝胶的三维结构中包裹，提高了化学稳定性，减缓了化学阻化剂在储存运算过程中分解导致的抑制煤低温氧化反应的效果减弱，从而提高了化学阻化剂的阻化效果，同时，水凝胶中化学阻化剂溶液中溶剂水也能发挥物理降温与灭火作用，从而使得本申请提供的原煤复合阻化剂阻止煤自燃的效果优越，并且作为载体的复合高吸水凝胶是生物降解材料，从而可以将载体化学阻化剂溶液中溶剂水和溶质化学阻化剂缓慢释放，长期发挥阻止煤自燃的效果，从而解决现有技术中单一的物理阻燃剂或化学阻化剂发挥的阻止煤自燃的效果不够优越，性能还有待提高的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的原煤复合阻化剂的制备流程图。
具体实施方式
本申请提供了一种原煤复合阻化剂及其制备方法和应用，用于解决现有技术中单一的物理阻燃剂或化学阻化剂发挥的阻止煤自燃的效果不够理想的问题。
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
实施例1
本申请实施例1一种原煤复合阻化剂，复合阻化剂的组成成分包括复合水凝胶和化学阻化剂水溶液，复合水凝胶的三维交联网络结构负载了化学阻化剂水溶液。
其中，由于复合水凝胶的三维交联网络结构负载了化学阻化剂水溶液使得化学阻化剂在储存、运输途中不易分解，有效的保持了化学阻化剂抑制低煤氧化反应的性能，同时复合水凝胶负载的化学阻化剂水溶液中的溶剂水也发挥了物理降温与灭火的作用，物理阻化和化学阻化协同发挥作用，大大提高了单一的物理阻燃剂或化学阻化剂发挥的阻止煤自燃的效果，同时，由于水凝胶属于生物降解材料，在喷涂到煤堆上时，会缓慢释放其负载的化学阻化剂溶液，长时间发挥防止煤自燃的效果。
同时，对于复合水凝胶中组成成分，本申请优选羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠以及氯化铝，氯化铝作为交联剂能够促进羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠交联成三维网络结构形成水凝胶，而羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠含有的丰富亲水基团也为负载的水含量提供了基础，本申请提供的原煤复合阻化剂中负载的水含量可以达到90～99％；而对于化学阻化剂的种类，本申请优选聚乙二醇、次亚磷酸钠和维生素C，聚乙二醇、次亚磷酸钠和维生素C都能发挥抑制煤低温氧化反应的效果，具体体现能够降低原煤表面甲基、亚甲基、羧基以及羟基等活性基团的含量，从而抑制煤低温氧化反应，发挥防止煤自燃的效果；对于原煤复合阻化剂中各组成成分比例，本申请优选10质量份羧甲基纤维素钠、1质量份聚丙烯酸钠、4质量份氯化铝以及6质量份聚乙二醇、6质量份次亚磷酸钠、6质量份维生素C，这样的比例下降低原煤表面甲基、亚甲基、羧基以及羟基等活性基团的含量效果最好。当然其他种类的水凝胶及其负载化学阻化剂用于发挥防止煤自燃的效果与本专利属于相同的发明构思，属于本专利的保护范围内。
实施例2
本申请实施例2提供了原煤复合阻化剂的制备方法，制备方法包括步骤：
步骤1、配置含羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠的粘稠水溶液和含溶质聚乙二醇、次亚磷酸钠、维生素C和氯化铝的混合溶液。
以质量份计算，将10质量份羧甲基纤维素钠和1质量份聚丙烯酸钠溶解在水中，制备得到含羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠的粘稠水溶液，再将6质量份聚乙二醇、6质量份次亚磷酸钠、6质量份维生素C以及4质量份的氯化铝溶解在水中得到含溶质聚乙二醇、次亚磷酸钠、维生素C和氯化铝的混合溶液。
步骤2、制备原煤复合阻化剂。
将含羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠的粘稠溶液和含溶质聚乙二醇、次亚磷酸钠、维生素C和氯化铝的混合溶液搅拌反应，搅拌反应的转速不低于600r/min，时间不低于15min，温度为20～30℃，使得羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠交联并将聚乙二醇、次亚磷酸钠、维生素C等化学阻化剂包裹制备得到原煤复合阻化剂。
需要说明的是，对于步骤1中的制备方法，本申请优选先配置含羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠的粘稠溶液，然后配置含溶质聚乙二醇、次亚磷酸钠、维生素C和氯化铝的混合溶液，这是由于含羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠的粘稠溶液稳定性好，储存时间长。
实施例3
本申请实施例3提供了原煤复合阻化剂的制备方法，制备方法与实施例2的区别在于，
步骤1、以质量份计算，将10质量份羧甲基纤维素钠和1质量份聚丙烯酸钠溶解在水中，制备得到含羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠的粘稠水溶液，再将6质量份聚乙二醇、4质量份次亚磷酸钠、4质量份维生素C以及4质量份的氯化铝溶解在水中得到含溶质聚乙二醇、次亚磷酸钠、维生素C和氯化铝的混合溶液。
实施例4
本申请实施例4提供了原煤复合阻化剂的制备方法，制备方法与实施例2的区别在于，
步骤1、以质量份计算，将10质量份羧甲基纤维素钠和1质量份聚丙烯酸钠溶解在水中，制备得到含羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠的粘稠水溶液，再将4质量份聚乙二醇、6质量份次亚磷酸钠、8质量份维生素C以及4质量份的氯化铝溶解在水中得到含溶质聚乙二醇、次亚磷酸钠、维生素C和氯化铝的混合溶液。
实施例5
本申请实施例5提供了原煤复合阻化剂的制备方法，制备方法与实施例2的区别在于，
步骤1、以质量份计算，将10质量份羧甲基纤维素钠和1质量份聚丙烯酸钠溶解在水中，制备得到含羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠的粘稠水溶液，再将8质量份聚乙二醇、4质量份次亚磷酸钠、6质量份维生素C以及4质量份的氯化铝溶解在水中得到含溶质聚乙二醇、次亚磷酸钠、维生素C和氯化铝的混合溶液。
实施例6
本申请实施例6提供了原煤复合阻化剂的制备方法，制备方法与实施例2的区别在于，
步骤1、以质量份计算，将10质量份羧甲基纤维素钠和1质量份聚丙烯酸钠溶解在水中，制备得到含羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠的粘稠水溶液，再将2质量份聚乙二醇、8质量份次亚磷酸钠、8质量份维生素C以及4质量份的氯化铝溶解在水中得到含溶质聚乙二醇、次亚磷酸钠、维生素C和氯化铝的混合溶液。
测试例1
本测试例对实施例2-6提供的原煤复合阻化剂、维生素C以及市售JPZ-1液体阻化剂进行性能测试和阻燃机理验证，以比较实施例2-6提供的原煤复合阻化剂、维生素C以及市售JPZ-1液体阻化剂在阻止煤自燃性能上的差异。
其中，原煤复合阻化剂性能测试包括：
1)将湛江电厂煤在空气中破碎，选择粒径为10目-40目煤，将其放入真空干燥箱，设置温度为70℃，干燥时间为3h，得到质量为3kg的煤样，并放入干燥器中进行备用；
2)将温度传感器用铁丝固定在铁盘上，将300g煤样倒入铁盘中心，使得传感器位于煤堆中心；
3)将铁盘放入烘干箱，设置一定的温度，当烘箱达到指定温度后，开启温度记录仪并记录数据；
4)测试周期为50小时；测试了阻燃剂施加、施加方法及不同环境温度下，煤堆内部的温度。结果见表1
表1不同因素下的煤堆在50h内的升温情况
从表1可以看出，将本申请提供的原煤复合阻化剂与煤堆内部混合后，原煤复合阻化剂能够延缓煤峰值温度的升温时间，并且随着原煤复合阻化剂混合含量的增加能够降低煤峰值温度，并且，与内部混合相比，将原煤复合阻化剂表面结壳延缓煤峰值温度的升温时间以及降低煤峰值温度的效果都略低。
为进一步探究本申请提供的原煤复合阻化剂放置煤自燃的机理，本测试例还进行机理探究实验，测试方法包括制样和测试两个步骤：
制样步骤包括：从煤自然发火严重的矿区采集煤样，将其密封后送至实验室，之后依据《煤样的制备方法GB474-2008》将其制备成10-40目粒径煤样；然后未经任何处理的原始煤样进行真空保存备用；以一部分未经处理的原煤作为测试样品，一部分原煤分别在其表面喷涂实施例2-6提供的原煤复合阻化剂、维生素C以及市售JPZ-1液体阻化剂作为测试样品。
测试步骤包括：按照科学出版社出版的《煤氧化动力学理论及应用》中所述的测试步骤，采用傅里叶变换红外光谱仪测得不同煤中基团分布及其含量，采用煤自燃倾向性氧化动力学测定仪测得不同煤氧化升温过程中交叉点温度并计算阻化率，其结果见表1。
表1原煤表面喷洒市售JPZ-1液体阻化剂、维生素C以及复合阻化剂前、后的实施例2-6提供的原煤、的原煤测试数据。
表1
从表1可以看出，未经处理的原煤中甲基、亚甲基、羧基以及羟基等活性基团的含量高，交叉点温度低，煤样容易发生自燃，而使用JPM-1阻化液和维生素C表面处理的煤样中甲基、亚甲基、羧基以及羟基等活性基团的含量降低，但维生素C降低了交叉点温度，这可能是维生素C受热分解导致的，因此，维生素C发挥的防止煤自燃的效果比不上JPM-1阻化液；进一步的，使用实施例2-6提供的原煤复合阻化剂表面处理的煤样后，煤样中甲基、亚甲基、羧基以及羟基等活性基团的含量大大降低，交叉点温度升高，说明本申请提供的化学阻化剂能够有效发挥防止煤自燃的效果，并且，与原煤相比，实施例2提供的原煤复合阻化剂表面处理后煤样的甲基/亚甲基含量降低了54％，羟基含量降低了40％，羧基含量降低了15％，交叉点温度升高了11.9℃，说明实施例2提供的原煤复合阻化剂发挥防止煤自燃的效果最优越。
并且，由于本申请提供的降低甲基、亚甲基、羧基以及羟基等活性基团的化学阻化剂的是负载在水凝胶中，能发挥长效去除甲基、亚甲基、羧基以及羟基等活性基团的效果，并且本申请中化学阻化剂及其水溶液是负载在水凝胶中，水凝胶中化学阻化剂溶液中溶剂水也能发挥物理降温与灭火作用，从而使得本申请提供的原煤复合阻化剂阻止煤自燃的效果优越，并且作为载体的复合高吸水凝胶是生物降解材料，从而可以将载体化学阻化剂溶液中溶剂水和溶质化学阻化剂缓慢释放，长期发挥阻止煤自燃的效果，
以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种原煤复合阻化剂，其特征在于，包括水凝胶和化学阻化剂水溶液；
所述复合水凝胶负载所述化学阻化剂溶液。
2.根据权利要求1所述的一种原煤复合阻化剂，其特征在于，所述化学阻化剂水溶液中溶剂水与原煤复合阻化剂的质量比为90～99％：100。
3.根据权利要求1所述的一种原煤复合阻化剂，其特征在于，所述化学阻化剂水溶液中阻化剂溶质包括聚乙二醇、次亚磷酸钠、维生素C。
4.根据权利要求1所述的一种原煤复合阻化剂，其特征在于，所述复合高吸水凝胶的组成包括羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠以及氯化铝。
5.根据权利要求4所述的一种原煤复合阻化剂，其特征在于，以质量份计算，所述复合高吸水凝胶的组成包括10质量份羧甲基纤维素钠、0.5～10质量份聚乙二醇、0.5～10质量份次亚磷酸钠、0.5～25质量份维生素C。
6.根据权利要求5所述的一种原煤复合阻化剂，其特征在于，以质量份计算，复合高吸水凝胶的组成包括10质量份羧甲基纤维素钠、6质量份聚乙二醇、6质量份次亚磷酸钠、6质量份维生素C。
7.根据权利要求4所述的一种原煤复合阻化剂，其特征在于，所述复合高吸水凝胶的组成包括10质量份羧甲基纤维素钠、0.1～5质量份聚丙烯酸钠以及1～9质量份氯化铝。
8.根据权利要求7所述的一种原煤复合阻化剂，其特征在于，以质量份计算，所述复合高吸水凝胶的组成包括10质量份羧甲基纤维素钠、1质量份聚丙烯酸钠以及4质量份氯化铝。
9.权利要求1-8任一项所述的一种原煤复合阻化剂的制备方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1、制备含溶质羧甲基纤维素钠和聚丙烯酸钠的粘稠溶液和含溶质聚乙二醇、次亚磷酸钠、维生素C和氯化铝的混合溶液；
步骤2、将混合溶液加入到粘稠溶液中搅拌反应，得到原煤复合阻化剂；
步骤2中，所述搅拌反应的转速不低于600r/min，时间不低于15min，温度为20～30℃。
10.权利要求1-8任一项所述的一种原煤复合阻化剂或权利要求9所述的制备方法制备得到的原煤复合阻化剂在煤堆中的应用；
所述在煤堆中的应用具体为：将原煤复合阻化剂与煤堆混合。
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