TWI434923B - 生質水煤漿之製造方法及以該方法製造之生質水煤漿 - Google Patents

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生質水煤漿之製造方法及以該方法製造之生質水煤漿
本發明關於水煤漿之製造方法及其所製造之水煤漿，特別是關於生質水煤漿之製造方法及其所製造之生質水煤漿。
水煤漿是由煤、水及少量添加劑調配而成的漿液，為新興發展的替代燃料之一。水煤漿保留了煤的燃燒特性，並具有如石油的液體流動性和穩定性。由於煤炭具有儲量豐富和價格低廉的優點，水煤漿的成本相對較燃料油低，而且基於流動性好、儲存穩定、運輸方便、安全性高、燃燒效率高與污染物(SO2 、NOX )排放低等特點，使水煤漿可替代鍋爐和窯爐中所使用的油、煤或燃氣等燃料，作為氣化原料之用。
水煤漿的使用限制主要在於煤炭粒子在水煤漿中的均質懸浮及長期儲存的穩定性。習知的水煤漿配製技術一般考慮先行調製分散劑與穩定劑等添加劑，之後再將分散劑與穩定劑等添加劑加入含有煤炭及水等原料的球磨機中，與煤炭粒子均勻混合，以獲得品質穩定及煤炭粒子良好懸浮且具有分散性的水煤漿。
例如第1圖所示之習知水煤漿的製造方法，以木材、硫化鈉(Na2 S)及水作為起始物加入反應器(11)中，經混合、反應後，在過濾器(12)中除去混合物中的纖維素。該混合物再經過乾燥器(13)乾燥及濃縮，進入含有磺酸鹽溶液之反應器(14)，進行反應，使該混合物中的木質素磺酸化(sulfonated lignin)。之後，含有磺酸化木質素之混合物在球磨機(15)中加入煤炭顆粒、穩定劑及水，經混合後形成習知的水煤漿。
又例如中國專利公告號1194802記載之水煤漿的改性木質磺酸鹽分散劑及其製備方法，以物理及化學變性使木質素磺酸鹽之官能基含量、分子量及分佈改變，利用變性的木質素磺酸鹽作為分散劑及穩定劑，製造水煤漿。
再者，如美國專利US5,100,438記載之水煤漿，添加經由聚羧酸與聚醚二醇及脂肪族胺反應產生的酯-胺產物作為留變添加物(rheological additives)，以獲得具有長期儲存穩定性之含有高固體成份的水煤漿。
其次，美國專利US5,482,517記載不使用合成添加劑之水煤漿的製造方法，包括在煤炭粉末中添加來自褐煤的腐植酸衍生物，利用煤炭粒子的羧基與添加的無機酸形成具有穩定性的有機鐵錯合物(organic ferrum complexes)，使形成的水煤漿粒子具有良好的懸浮特性。
美國專利US4,721,778也記載適合作為水煤漿添加物之磺甲基化木質素之銨鹽，以改善水煤漿的液體流動性及協助維持煤炭粒子的懸浮狀態。
本發明人有鑑於上述水煤漿的限制以及使用再生能源的環保概念，提出以生質物改良水煤漿的發明構想。所謂生質物包括生物產生的有機物，例如木材、木屑等，是目前廣泛使用的再生能源。然而生質物內含水的問題，在習知的濕式水煤漿製造方法中無法直接混合生質物。
本發明為解決上述問題所研發之技術，根據本發明所製造之水煤漿，具有煤炭粒子的良好懸浮性、長期儲存穩定性、及減少煤炭使用量，並且不使用分散劑或穩定劑，可省略製造分散劑或穩定劑及調配其適當添加比例之步驟，有效簡化製程及降低成本。
本案提供一種生質水煤漿之製造方法，包含：提供一生質物溶液，該生質物溶液包含：一生質物材料；一鹼化劑；以及一溶劑；加入過氧化氫於該生質物溶液中；將該生質物溶液升溫，進行反應；以及混合煤碳至該反應後的生質物溶液中，以獲得一生質水煤漿。
本案更提供一種生質水煤漿，由上述之生質水煤漿之製造方法所製造。
本發明之具體實施詳細說明如下，然而以下的實施例僅用於進一步揭露本發明之技術內容，不應藉以限制本案的發明範疇。
本發明一實施型態，如第2圖所示，將生質物材料、過氧化氫及水加入反應器(1)中，使其混合、反應。反應後之混合物注入過濾器(2)中，使該混合物中的固體物質濾出。經過濾的上述混合物再注入蒸發器(3)中進行蒸發、濃縮。蒸發的水可再循環回到上述之反應器(1)中，重複使用。經蒸發、濃縮之混合物進入球磨機(4)中，同時加入煤炭，使該混合物與煤炭均質混合後，形成本案所述之水煤漿。
本案所使用之生質物材料沒有特別限制，包括所有由生物所生產的有機物，例如木材、木屑、草本植物等，較佳包含木質素(lignin)。該生質物材料可為乾燥固體、懸浮或溶解於溶劑中。本案一實施例，以所配置的生質物溶液之總重作為基準，添加5重量%以上的生質物材料，較佳為5~60重量%，更佳為10~20重量%的生質物材料。從生質物材料較佳包含木質素的條件來看，上述經過濾器(2)濾出的固體物質以纖維素為主。濾出的纖維素可利用於其他用途，例如造紙、紡織等。
上述過氧化氫(H2 O2 )的添加量可依據生質物材料的含量適當調配，例如以該生質物溶液之總重作為基準，添加0.1~5重量%以上的過氧化氫，具體地為0.5~5重量%的過氧化氫，但不限於此。
本發明所述之生質水煤漿之製造方法，更包括在鹼性環境下加入上述過氧化氫。該鹼性環境可藉由加入鹼性化合物，例如有機鹼或無機鹼包括氫氧化鈉、氫氧化鉀等所形成，沒有特別限定，但以形成pH值11~13的鹼性環境為佳。
該反應器(1)的反應溫度，較佳維持在60℃以上，更佳為60~90℃，尤以80~90℃為佳。在該反應器中的反應時間較佳為10~20小時。
添加的煤炭較佳為經磨碎的煤炭顆粒。煤炭顆粒的粒徑可為習知常用的粒徑大小，例如20~200μm。添加的煤炭量，可佔最終該生質水煤漿的30重量%以上。本發明一實施例中，所得之生質水煤漿的組成為60重量%的煤炭及5重量%的生質物，以所得之生質水煤漿之總重為基準。然而，本案之生質水煤漿的組成不限於上述比例範圍，亦可包含10~70重量%的煤炭及5~60重量%的生質物，以所得生質水煤漿之總重為基準。
本案所述之生質水煤漿之製造方法的特徵之一在於，在含有生質物材料的溶液中加入過氧化氫，以降低生質物材料中木質素的分子量，並改變木質素之官能基而提高分散性。再者，本案之生質水煤漿之製造方法的特徵之一在於，在鹼性環境下加入過氧化氫，鹼性環境可破壞木質素中的半纖維素(hemicellulose)的結構，提升木質素的溶解度，進而提升所得水煤漿的穩定性。
因此，根據本案之生質水煤漿之製造方法所得的水煤漿，在儲存2週以上仍具有煤炭粒子均質分散之穩定性。而且本案之生質水煤漿在煤炭濃度60重量%時，黏度與一般水煤漿相近。以達到相同的燃燒效率來看，本案之生質水煤漿所含煤炭量較習知者減少10~15%，可有效達到節能減碳之功效。
再者，本案之生質水煤漿之製造方法，不額外添加分散劑或穩定劑，可省略製造分散劑或穩定劑之步驟及調配分散劑或穩定劑之比例的步驟，有效簡化製程及降低成本。
[實施例1]
將6g氫氧化鈉加入400ml水溶解後，再加入40g廢木屑後配成生質物溶液混合液體。將10ml(3.5g)過氧化氫以滴管滴入該混合液體中，反應溫度升至85℃，反應16小時，可得反應後之溶液其具有濃度5.6%(wt)的生質物，pH值為9.65。將該反應後的生質物溶液200g，加入300g研磨成通過200 mesh之粉煤煤碳混合，可得生質水煤漿(a)，具有黏度362pa‧s。
[實施例2]
將6g氫氧化鈉加入450ml水溶解後，再加入60g乾燥狼尾草後配成生質物溶液混合液體。將10ml(3.5g)過氧化氫以滴管滴入該混合液體中，反應溫度升至85℃，反應16小時，可得反應後之溶液其具有濃度7.2%(wt)的生質物，pH值為9.4。將該反應後的生質物溶液200g加入300g研磨成通過200 mesh之粉煤煤碳混合，可得生質水煤漿(b)，具有黏度984pa‧s。
[實施例3]
將8g氫氧化鈉加入600ml水溶解後，再加入75g乾燥狼尾草後配成生質物溶液混合液體。將10ml(3.5g)過氧化氫以滴管滴入該混合液體中，反應溫度升至85℃，反應16小時，可得反應後之溶液其具有濃度6.4%(wt)的生質物，pH值為9.6。將該反應後的生質物溶液200g，加入300g研磨成通過200 mesh之粉煤煤碳混合，可得生質水煤漿(c)，具有黏度563pa‧s。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1,11．．．反應器
2,12．．．過濾器
3,13．．．蒸發器
4,15．．．球磨機
14．．．含磺酸鹽溶液之反應器
第1圖顯示習知水煤漿之製造方法，包括添加分散劑及穩定劑之製程。
第2圖顯示本案一實施型態之生質水煤漿之製造方法。
1．．．反應器
2．．．過濾器
3．．．蒸發器
4．．．球磨機

Claims (17)

  1. 一種生質水煤漿之製造方法，包含：提供一生質物溶液，包含：一生質物材料；一鹼化劑；以及一溶劑；加入過氧化氫於該生質物溶液中；將該生質物溶液升溫，進行反應；以及混合煤炭至該反應後的生質物溶液中，以獲得一生質水煤漿。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之生質水煤漿之製造方法，其中，該過氧化氫的添加量為該生質物溶液之總重的0.1~5重量%的過氧化氫水溶液。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之生質水煤漿之製造方法，其中，該鹼化劑包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、或其混合物。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之生質水煤漿之製造方法，其中，該生質物溶液之pH值為8~13。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之生質水煤漿之製造方法，其中，該生質物材料包括木材、木屑、或草本植物。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之生質水煤漿之製造方法，其中，該生質物材料於該生質物溶液中之重量%為5~60重量%。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之生質水煤漿之製造方法，其中，該溶劑包含水。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之生質水煤漿之製造方法，其中，該升溫之步驟係升溫至60℃~90℃。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之生質水煤漿之製造方法，其中，該生質物溶液與該過氧化氫的反應時間為10~20小時。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之生質水煤漿之製造方法，在該混合煤碳步驟前，更包括一過濾步驟，以去除反應後之該生質物溶液中的固體物質。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之生質水煤漿之製造方法，其中該固體物質包括纖維素。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之生質水煤漿之製造方法，在該過濾步驟後且該混合煤碳步驟前更包括一蒸發及濃縮該生質物溶液之步驟。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之生質水煤漿之製造方法，其中，該煤炭包括磨碎的煤炭顆粒。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之生質水煤漿之製造方法，其中，該煤炭顆粒具有20~200μm的粒徑。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之生質水煤漿之製造方法，其中，該煤炭的添加量係佔該生質水煤漿之30重量%以上。
  16. 一種生質水煤漿，其係由申請專利範圍第1項所述之水煤漿之製造方法所製得。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之生質水煤漿，其包括10~70重量%的煤炭及5~60重量%的生質物，以該生質水煤漿之總重為基準。
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