煤矸石活化劑及製備方法和應用的製作方法

2023-04-22 21:42:31

專利名稱：煤矸石活化劑及製備方法和應用的製作方法
技術領域：
本發明屬於無機混合物的製備方法，涉及到煤矸石活化劑及製備方法和應用。
背景技術：
煤矸石是採煤過程中和洗煤過程中排放的固體廢物，是ー種在成煤過程中與煤層伴生的ー種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石，包括巷道掘進過程中的掘進矸石、採掘過程中從頂板、底板及夾層裡採出來的矸石，以及洗煤氣過程中挑出來洗矸石，其主要成分為A1203、SiO2,另外還含有數量不等的Fe203、CaO、MgO, Na2O, K2O, P2O5> SO3和微量的稀有元素(鎵、銀、鈦、鈷)。
由於煤矸石中含有可燃成分，因此理論上是可以燃燒的。然而其燃燒點比普通的煤炭要高，起火難度大，鼓風時會造成溫度降低至燃點以下，是ー種難以持續燃燒的資源。目前關於將煤矸石的利用分成兩個方向，ー個方向是將其轉換成建築材料或者沸石等；另ー個方向是轉換成合格的燃料。轉換燃料的研究大多採用加入硝酸鹽或者高錳酸鹽等辦法，也就是利用助燃劑分解出氧氣提高煤矸石的燃燒效率。這種辦法雖然能夠在一定程度上促進煤矸石的燃燒，但是助燃劑往往比煤矸石內的可燃物質分解的快，造成燃燒不完全，同時硫和氮的化合物分解出來造成環境汙染。本研究採用的活化劑能夠催化分解煤矸石內部的無機和有機成分，讓煤矸石中的無機成分不會阻礙有機成分的燃燒，並且極大的減低有害氣體的揮發。本發明的發明人賈若琨曾於2005年在日本「材料快報」上發表了 製備表面具有疏水性質的花瓣形或葉片形Y2O3粉末(賈若瑕等，Template senthesis and wettabilityproperties of large-scale floer-J_ike and Ieaf-IiKe YoO^ materials, meterialslertters, 2005, 59，4010-4012)。該文描述了ー種表面具有微-納結構的高比表面積氧化釔粉末的製備方法。這種粉末不僅具有較大的比表面積，同時具有很強的催化活性。2007年在長春的《應用化學》上發表的ー篇論文，記載了 Y2O3的製備方法「1. 5gY2O3用硝酸溶解得到Y(NO3)3，加入2g尿素溶液，並將溶液稀釋至100ml，加熱沸騰3_5min至稍微渾濁，得到溶膠。溶膠冷卻後，室溫下浸泡使其進入模板，溶膠中的粒子留在模板中，將模板60°C烘乾6h，然後將模板在1000°C燒結lh。得到的粉末重新分散到水中(超聲波分散)，然後滴加在矽片上，蒸乾水分後得到花球形結構微粒。溶膠進入模板後用丙酮洗滌，最終烘乾、培燒得到葉片形微粒。」
ZL2007100555607也記載了「ー種表面具有微-納結構的超疏水Y2O3粉末材料，其特徵在於該材料是由下列前體製成Y(N03)3X5H20、六次甲基四肢、聚苯こ烯高分子模板、C3以下小分子醇；其中，Y(N03)3X5H20與六次甲基四胺摩爾比為I :3 ;Y(N03)3X5H20與所述的高分子模板質量比為I :1 I :2 ; C3以下小分子醇的用量為10暈升的95%的質量百分含量。將所述的Y (NO3)3X 5H20與六次甲基四胺在水反應後，加熱至68 85°C恆溫5 20分鐘，得到Y(OH) 3前驅體溶膠，將聚苯こ烯高分子模板浸在所述的溶膠中，離心後在40 50°C下烘乾6 7小時後，放在C3以下小分子醇中浸泡IO分鐘，取出在40 50°C下烘乾30分鐘，然後於750 900°C下燒lh，得到表面具有微-納結構的超疏水的Y2O3粉末材料。」。

發明內容
本發明的目的在於解決現有技術中存在的問題，提供一種能夠活化煤矸石中惰性成分，實現煤砰石的充分燃燒等。本發明的技術方案是一種煤矸石活化劑，是由煤矸石複合主劑、CaO粉末和鐵粉製成；所述的煤矸石複合主劑是由具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料構成；所述的Y2O3粉末功能材料是由無數5 10μ m的顆粒,顆粒表面分布著50 IOOnm的微孔,其中構成煤矸石複合主劑的Y2O3粉末功能材料與Y (NO3) 3*5H20和Zr (NO3) 4 ·5Η20的質量比I :1 I ;所述的煤矸石複合主劑與CaO粉末和鐵粉的質量比為(30% 80%) (5% 30%) (5% 30%)，煤矸石複合主劑與CaO粉末和鐵粉的質量之和為100%。上述的具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料的製備方法，它是由下列前驅體製成 Y(NO3) 3 · 5Η20、六次甲基四肢、聚苯こ烯高分子模板、97wt%的こ醇;其中，Y (NO3) 3 · 5H20與六次甲基四肢的摩爾比為I :3 ；Y (NO3)3 · 5Η20與所述的聚苯こ烯高分子模板質量比為I :1 I :2 ;97wt%的こ醇的用量為每克硝酸釔加入IOml ;經乾燥脫水和高溫焙燒製得所述的Y2O3粉功能材料；其製備方法如下將所述的Y (NO3) 3 · 5H20與六次甲基四胺在水中反應後，加熱至85°C恆溫20分鐘，得到Y(OH)3前驅體透明溶膠，將聚苯こ烯高分子模板加至上述溶膠中攪拌lh，離心後於85°C烘乾Ih後在IOml 97wt%的こ醇溶液中浸泡lOmin，再85°C烘乾6h，並於900°C以下溫度燒lh，得到無數5 10μ m的顆粒，顆粒表面分布著50 IOOnm微孔的表面具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料。上述的一種煤矸石活化劑的製備方法，取Y (NO3) 3 · 5H20和Zr (NO3) 4 · 5H20溶於水中，得到活性組分Y3 'Zr4 +溶液，再加入具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料載體，超聲分散，使Y3 +、Zr4+活性組分負載於具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料載體上；然後於90°C條件下蒸乾溶液中的水分，製得煤矸石複合主劑，其中，水與Y (NO3) 3*5H20,Zr2 (NO3)
4·5Η20和具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料的質量比為50:1:1:1 ;再向煤矸石複合主劑中加入CaO粉末和鐵粉，使它們之和為100%，其中，煤矸石複合主劑與CaO粉末和鐵粉的質量比為(30% 80%) (5% 30%) (5% 30%)，混合均勻得到煤矸石活化劑。如權利要求I所述的具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料的製備方法，它是由下列前驅體製成Y (NO3) 3 · 5Η20、六次甲基四肢、聚苯こ烯高分子模板、97wt%的こ醇；其中，
Y(NO3) 3 ·5Η20與六次甲基四胺的摩爾比為I :3 ；Y (NO3) 3 ·5Η20與所述的聚苯こ烯高分子模板質量比為I :1 I :2 ;97wt%的こ醇的用量為每克硝酸釔加入IOml ;經乾燥脫水和高溫焙燒製得所述的Y2O3粉功能材料；其製備方法如下將所述的Y (NO3) 3 · 5H20與六次甲基四肢在水中反應後，加熱至85°C恆溫20分鐘，得到Y (OH) 3前驅體透明溶膠，將聚苯こ烯高分子模板加至上述溶膠中攪拌lh，離心後於85°C烘乾Ih後在IOml 97wt%的こ醇溶液中浸泡lOmin，再85°C烘乾6h，並於900°C以下溫度燒lh，得到無數5 ΙΟμηι的顆粒，顆粒表面分布著50 IOOnm微孔的表面具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料。上所述的ー種煤矸石活化劑的應用，將煤矸石活化劑與黃泥、40 80目篩下的煤矸石粉，按照質量比I :1 :98的比例混合後，加入溼潤量的水攪均，用型煤機定型後的型煤矸石混合物，燃燒產生的熱量> 3500Kcal/Kg，並且燃燒過程中無任何煙氣產生，林格曼黑度接近為O級。本發明與現有技術相比具實質性特點和顯著進歩。本發明以具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料為載體，其表面負載Y3 'Zr4 +活性組分，使其表面増加了多種助燃成分，製備出催化燃燒煤矸石的活化劑。實驗表明，該活化劑與煤矸石粉體充分混合後，能夠促進可燃成分與助燃成分充分反應。同時與煤矸石中的鋁和矽元素反應生成新化合物並放出熱量，進ー步促進燃燒。本發明的煤矸石活化劑通過與煤矸石、粘合劑黃土以1% :1% :98%質量百分比的比列混合，能夠極大促進煤矸石的燃燒，發熱量達到3500Kcal/Kg以上，燃燒過程中沒有任何煙氣產生，林格曼黑度接近為O級。本發明每克硝酸釔中加入97wt%的こ醇溶液10ml，こ醇用量低於此量時，分散不好；用量高於此量，分散好，但是濃縮耗能、用時高；本發明使用的是親水性Y2O3，選取的烘乾溫度和烘乾時間是最佳的。只有在上述優選的こ醇用量，優選的烘乾溫度和時間條件下，產品的產率最高，並且Y2O3的親水性也最好。
具體實施例方式下面通過實施例對本發明作進ー步描述。I、具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料的製備方法。具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料是由下列前驅體製成Y (NO3) 3 · 5Η20、六次甲基四肢、聚苯こ烯高分子模板、こ醇；其中，Y (NO3)3- 5Η20與六次甲基四肢的摩爾比為I 3 ；Y (NO3) 3 · 5Η20與所述的聚苯こ烯高分子模板質量比為I :1 I :2 ;每克硝酸釔加入97wt%的こ醇溶液IOml ;經乾燥脫水和高溫焙燒製得所述的Y2O3粉功能材料；其製備方法如下將所述的Y (NO3) 3 · 5H20與六次甲基四肢在水中反應後，加熱至85°C恆溫20分鐘，得到Y (OH)3前驅體透明溶膠，將聚苯こ烯高分子模板加至上述溶膠中攪拌lh，離心後於85°C烘乾Ih後在IOml 97wt%的こ醇溶液中浸泡lOmin，再85°C烘乾6h，並於900°C以下溫度燒lh，得到無數5 ΙΟμηι的顆粒，顆粒表面分布著50 IOOnm微孔的表面具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料。本發明每克硝酸釔中加入97wt%的こ醇溶液10ml，こ醇用量少，分散不好；多了濃縮耗能、用時高；本發明使用的是親水性Y2O3，選取的烘乾溫度和烘乾時間是最佳的，只有在上述優選的こ醇用量，只有在這樣的溫度和時間條件下，產品的產率最高，並且Y2O3的親水性也最好。、煤矸石活化劑的組成。一種煤矸石活化劑是由煤矸石複合主劑、CaO粉末和鉄粉製成；所述的煤矸石複合主劑是由無數5 ΙΟμηι的顆粒，顆粒表面分布著50 IOOnm微孔的具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料構成；其中構成煤矸石複合主劑的Y2O3粉末功能材料與Y (NO3) 3和Zr(Ν03)4·5Η20的質量比I :1 1 ;所述的煤矸石複合主劑與CaO粉末和鐵粉的質量比為(30% 80%) (5% 30%) (5% 30%)。3、煤矸石活化劑的製備。上述的一種煤矸石活化劑的製備方法，取Y (NO3) 3 · 5Η20和Zr (NO3) 4 · 5Η20溶於水中，得到活性組分Y3 +、Zr4+溶液，再加入以具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料為載體，超聲分散，使Y3 'Zr3 +活性組分負載於具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料載體上；然後於90°C條件下蒸乾溶液中的水分，製得煤矸石複合主劑。其中，水與Y (NO3) 3·5Η20、Zr(NO3) 4 · 5Η20和具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料的質量比為50:1:1:1 ;再向煤矸石複合主劑 中加入CaO粉末和鐵粉，使它們之和為100%，其中，煤矸石複合主劑與CaO粉末和鐵粉的質量比為(30% 80%) (5% 30%) (5% 30%)，混合均勻得到煤矸石活化劑。4、煤矸石活化劑的應用。如以上所述的煤矸石活化劑的應用，將黃泥與40 80目篩下的煤矸石粉按照質量比I :1 98的比例混合後，加入溼潤量的水攪均，用型煤機定型後的製成型煤矸石可燃混合物，燃燒產生的熱量> 3500Kcal/Kg，並且燃燒過程中無任何煙氣產生，林格曼黑度接近為O級。實施例I
取O. 537gY (NO3)3 · 5H20溶於15ml水中，加入約O. 72g六次甲基四胺溶解後，在加熱套上加熱。加熱套的功率為800W。當溶液溫度達到85°C，保持30min，得到Y (OH)3前驅體透明溶液，將I. Illg的聚苯こ烯高分子模板浸入所述的溶膠中浸泡攪拌lh。離心之後在85°C烘箱中烘乾I h以脫除其中的水分，然後在5ml 97wt%的こ醇溶液浸泡lOmin，再於85°C烘乾6 h，然後在900°C燒lh，得到Y2O3功能材料。取O. 2gY (NO3) 3 · 5H20和O. 2gZr(Ν03)4·5Η20溶於IOml水中，加入上述的氧化釔粉末O. 2g超聲分散。90°C條件下蒸乾溶液中水分，得到活化主劑。向活化劑主劑中加入O. 2g鉄粉和O. 2g氧化鈣粉末，混合均勻得到煤矸石活化劑。取活化劑粉末Ig與Ig黃土 (粘土)粉末混合，加入到粉碎後40 80目篩下煤矸石粉98g中，製成煤矸石可燃混合物，然後混合均勻，再加入IOml水，攪拌後用型煤機擠壓定型，製成型煤矸石可燃料混合物。實施例2
取O. 537gY (NO3)3 · 5H20溶於15ml水中，加入約O. 72g六次甲基四胺溶解後，在加熱套上加熱。加熱套的功率為800W。當溶液溫度達到85°C，保持30min，得到Y (OH)3前驅體透明溶液，將I. Illg的聚苯こ烯高分子模板浸入所述的溶膠中浸泡攪拌lh。離心之後在85°C烘箱中烘乾I h以脫除其中的水分，然後在5ml 97wt%的こ醇溶液中浸泡lOmin，再於85°C烘乾6 h，然後在900°C燒lh，得到Y2O3功能材料。取O. 2gY (NO3) 3 · 5H20和O. 2gZr(Ν03)4·5Η20溶於IOml水中，加入上述的氧化釔粉末O. 2g超聲分散。90°C條件下蒸乾溶液中水分，得到活化主劑。向活化劑主劑中加入O. 04g鉄粉和O. 04g氧化鈣粉末，混合均勻得到煤矸石活化劑。取活化劑粉末Ig與Ig黃土粘劑粉末混合，加入到粉碎後40 80目篩下煤矸石粉98g中，製成煤矸石可燃混合物，然後混合均勻，再加入IOml水，攪拌後用型煤機擠壓定型，製成型煤矸石可燃料混合物。實施例3
取O. 537gY (NO3)3 · 5H20溶於15ml水中，加入約O. 72g六次甲基四胺溶解後，在加熱套上加熱。加熱套的功率為800W。當溶液溫度達到85°C，保持30min，得到Y (OH)3前驅體透明溶液，將I. Illg的聚苯こ烯高分子模板浸入所述的溶膠中浸泡攪拌lh。離心之後在85°C烘箱中烘乾I h以脫除其中的水分，然後在5ml 97wt%的こ醇溶液中浸泡lOmin，再於85°C烘乾6 h，然後在900°C燒lh，得到Y2O3功能材料。取O. 2gY (NO3) 3 · 5H20和O. 2gZr(NO3) 4·5Η20溶於IOml水中，加入上述的氧化釔粉末O. 2g超聲分散。90°C條件下蒸乾溶液中水分，得到活化主劑。向活化劑主劑中加入O. Ig鉄粉和O. Ig氧化鈣粉末，混合均勻得到煤矸石活化劑。取活化劑粉末Ig與Ig黃土粘合劑粉末混合，加入到粉碎後40 80目篩下煤矸石粉98g中，製成煤矸石可燃混合物，然後混合均勻，再加入IOml水，攪拌後用型煤機擠壓定型，製成型煤矸石可燃料混合物。實施例4 (乾燥煤矸石燃料發熱量的測定)
在燃燒皿中稱取粒度小於O. 2 mm的乾燥煤矸石燃料樣品I. lg，然後將燃燒皿裝入氧彈的乾鍋架上。取一段點火絲(直徑O. 12mm，長度90mm，熱值50焦耳)，兩端分別接在氧彈的兩個電極柱上，彎曲點火絲接近試樣。往氧彈中加入IOml蒸餾水，擰緊氧彈蓋。自動氧彈熱量儀採用北京同德創業科技有限公司生產的儀器(型號FX-DM3200)。啟動儀器進行熱量測定，經過測試並計算得到樣品的發熱量為3513Kcal/Kg。
實施例5 (煤矸石成型混合物的燃料氣黑度的測量)
試樣的燃燒實驗與傳統的燃燒過程一祥。稱取煤矸石成型燃料20kg放入手燒爐中，取燃燒的木炭投入引燃。手燒爐煙道開ロ處於室外高處。燃燒開始後用CN60M/HC10林格曼黑度計測量其黑度。觀測過程發生在睛朗的白天，觀測角度與太陽光呈90度。用林格曼黑度計左側目鏡將煙塵目標與該級灰度階梯塊比較，每隔5分鐘記錄一次，取十次觀測平均值，最後測得黑度介於O級與I級之間。
權利要求
1.一種煤矸石活化劑，是由煤矸石複合主體、CaO粉末和鉄粉製成；所述的煤矸石複合主劑是由具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料構成；所述的Y2O3粉末功能材料是由無數5 ΙΟμηι的顆粒,顆粒表面分布著50 IOOnm的微孔,其中構成煤砰石複合主劑的Y2O3粉末功能材料與Y (NO3) 3 · 5Η20和Zr (NO3) 4 · 5Η20的質量比1:1:1 ;所述的煤矸石複合主劑與CaO粉末和鐵粉的質量比為(30% 80%) (5% 30%) (5% 30%)，煤矸石複合主劑與CaO粉末和鐵粉的質量之和為100%。
2.如權利要求I所述的具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料的製備方法，它是由下列前驅體製成Y (NO3)3 · 5Η20、六次甲基四肢、聚苯こ烯高分子模板、97wt%的こ醇；其中，Y(NO3) 3 ·5Η20與六次甲基四胺的摩爾比為I :3 ；Y (NO3) 3 ·5Η20與所述的聚苯こ烯高分子模板質量比為I :1 I :2 ;97wt%的こ醇的用量為每克硝酸釔加入IOml ;經乾燥脫水和高溫焙燒製得所述的Y2O3粉功能材料；其製備方法如下將所述的Y (NO3) 3 · 5H20與六次甲基四胺在水中反應後，加熱至85°C恆溫20分鐘，得到Y (OH) 3前驅體透明溶膠，將聚苯こ烯高分子模板加至上述溶膠中攪拌lh，離心後於85°C烘乾Ih後，在IOml 97wt%的こ醇溶液中浸泡lOmin，再85°C烘乾6h，並於900°C以下溫度燒lh，得到無數5 ΙΟμηι的顆粒，顆粒表面分布著50 IOOnm微孔的表面具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料。
3.如權利要求I所述的ー種煤矸石活化劑的製備方法，取Y(Ν03)3·5Η20和Zr (NO3)4 · 5Η20溶於水中，得到活性組分Y3 +、Zr4 +溶液，再加入具有微-納結構Y2O3粉末功能材料的載體，超聲分散，使Y3 +、Zr3 +活性組分負載於具有微-納結構Y2O3粉末功能材料的載體上；然後於90°C條件下蒸乾溶液中的水分，製得煤矸石複合主劑，其中，水與Y(NO3)3 ·5Η20、Zr2 (NO3)3 · 5Η20和具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料的質量比為50:1:1:1 ;再向煤矸石複合主劑中加入CaO粉末和鐵粉，使它們之和為100%，其中，煤矸石複合主劑與CaO粉末和鐵粉的質量比為(30% 80%): (5% 30%): (5% 30%)，混合均勻得到煤矸石活化劑。
4.如權利要求3所述的具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料的製備方法，它是由下列前驅體製成Y (NO3)3 · 5Η20、六次甲基四肢、聚苯こ烯高分子模板、97wt%的こ醇；其中，Y(NO3) 3 ·5Η20與六次甲基四胺的摩爾比為I :3 ；Y (NO3) 3 ·5Η20與所述的聚苯こ烯高分子模板質量比為I :1 I :2 ;97wt%的こ醇的用量為每克硝酸釔加入IOml ;經乾燥脫水和高溫焙燒製得所述的Y2O3粉功能材料；其製備方法如下將所述的Y (NO3) 3 · 5H20與六次甲基四胺在水中反應後，加熱至85°C恆溫20分鐘，得到Y (OH)3前驅體透明溶膠，將聚苯こ烯高分子模板加至上述溶膠中攪拌lh，離心後於85°C烘乾Ih後在IOml 97wt%的こ醇溶液中浸泡IOmin,再85°C烘乾6h，並於900°C以下溫度燒lh，得到無數5 10μ m的顆粒，顆粒表面分布著50 IOOnm微孔的表面具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料。
5.如權利要求I所述的ー種煤矸石活化劑的應用，將煤矸石活化劑與黃泥、40 80目的煤矸石粉，按照質量比I :1 :98的比例混合後，加入溼潤量的水攪均，用型煤機定型後的型煤矸石混合物燃燒產生的熱量> 3500Kcal/Kg，燃燒過程中無任何煙氣產生，林格曼黑度接近為O級。
全文摘要
一種煤矸石活化劑及製備方法和應用，所述的活化劑是由煤矸石複合主劑、CaO粉末和鐵粉製成；煤矸石複合主劑是由具有微-納結構的Y2O3粉末功能材料構成；Y2O3粉末與Y(NO3)3·5H2O和Zr(NO3)4·5H2O的質量比111；煤矸石複合主劑與CaO粉末和鐵粉的質量比為(30%～80%)(5%～30%)(5%～30%)。取Y3＋、Zr4＋硝酸鹽溶於水中，再加入載體，超聲分散使Y3＋、Zr4＋負載於載體上；脫水製得煤矸石複合主劑；Y3＋、Zr4＋硝酸鹽和Y2O3粉末與水之比均為150；煤矸石活化劑與黃泥、煤矸石粉混合燃燒熱量＞3500Kcal/Kg，無煙氣，林格曼黑度近於0級。
文檔編號C10L9/10GK102839034SQ20121032393
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月5日 優先權日2012年9月5日
發明者賈若琨 申請人:吉林市熠華石化碳有限責任公司