煤炭疏水涂层气相沉积系统以及沉积方法与流程

本技术涉及煤炭改性技术与功能材料表面工程交叉，特别是涉及一种煤炭疏水涂层气相沉积系统以及沉积方法。

背景技术：

1、煤炭作为我国主要的基础能源，其高效清洁利用是重大课题。在洗选、运输及储存过程中，细粒级煤炭（0.1-8mm，如末煤、煤泥）的水分复吸问题尤为突出。

2、这类物料比表面积大、表面能高，干燥后极易吸湿，导致热值下降、运输成本增加，并引发自燃风险，传统抑水技术对此效果有限。当前主流的物理覆盖法与化学喷涂法存在根本缺陷：前者无法阻止内部吸湿且易破损；后者使用的液态药剂会堵塞煤炭孔隙，影响其反应活性与燃烧效率，且难以在形状不规则的颗粒表面形成均匀、牢固的包覆，疏水涂层易在机械摩擦下脱落。疏水涂层技术为解决该问题提供了新思路，但将其应用于大宗、多孔的散体煤炭面临巨大挑战。现有方法（如溶胶-凝胶法）难以实现均匀涂覆且易堵塞孔隙，而高昂的处理成本与煤炭的大宗商品属性严重不匹配，制约了技术工业化。声悬浮技术虽能为均匀表面处理提供理想的非接触环境，但直接用于煤炭改性存在瓶颈：不规则、多粒径的颗粒对声场稳定性要求极高，且传统声悬浮装置处理通量极低，无法满足连续生产需求。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对细粒级煤炭水分复吸严重的问题，提供一种煤炭疏水涂层气相沉积系统以及沉积方法。

2、本技术实施例的第一方面提供一种煤炭疏水涂层气相沉积系统，包括：进料及分级预处理单元，用于对煤炭颗粒进行粒径分级，并输出细粒级颗粒；声悬浮与气相沉积单元，包括密封腔室、多频耦合相控阵超声换能器阵列、气相沉积装置、静电场发生装置以及原位固化装置；所述密封腔室的入口与所述进料及分级预处理单元连接；所述多频耦合相控阵超声换能器阵列被配置为在所述密封腔室内产生三维声场，以使得进入所述密封腔室的所述细粒级颗粒悬浮并受控行进；所述气相沉积装置被配置为向所述密封腔室输入前驱体雾汽；所述静电场发生装置被配置为向所述密封腔室施加电场，所述电场的方向与所述三维声场中所述细粒级颗粒的行进方向相交，以使所述前驱体雾汽能够在所述电场的作用下向悬浮的所述细粒级颗粒的表面定向迁移并沉积形成疏水涂层；所述原位固化装置用于对所述疏水涂层进行固化；出料单元，设置在所述密封腔室的出口，用于将处理后的所述细粒级颗粒排出。

3、在其中一个实施例中，所述进料及分级预处理单元包括依次设置的料仓、振动筛分给料机以及气流输送装置；所述料仓用于存储所述煤炭颗粒；所述振动筛分给料机包括至少一级筛网，用于将所述煤炭颗粒分为粗粒级和粒径为0.1-8mm的细粒级颗粒；所述振动筛分给料机的出口通过所述气流输送装置与所述密封腔室的入口连接，所述气流输送装置用于将所述细粒级颗粒送入所述密封腔室内。

4、在其中一个实施例中，所述进料及分级预处理单元还包括收集装置；所述振动筛分给料机包括第一筛网、第一缓存容器、第二筛网和第二缓存容器；所述料仓的出口连接到所述第一筛网，所述第一筛网用于将所述煤炭颗粒分为粗粒级颗粒和粒径为0.1-8mm的细粒级颗粒；所述收集装置用于收集处理所述粗粒级颗粒；所述第二筛网用于将所述细粒级颗粒进一步分为粒径为0.1-3mm的极细颗粒亚级和粒径为3-8mm的常规细颗粒亚级；所述第一缓存容器用于存储所述极细颗粒亚级，所述第二缓存容器用于存储所述常规细颗粒亚级；所述第一缓存容器和所述第二缓存容器分别通过管路与所述气流输送装置连接。

5、在其中一个实施例中，所述多频耦合相控阵超声换能器阵列包括多个声场发生器；多个声场发生器分别阵列布置在所述密封腔室的顶部和底部；至少部分所述声场发生器能够产生用于提供悬浮力的主声场，至少部分所述声场发生器能够产生用于调控所述细粒级颗粒的姿态的辅助声场；所述主声场的频率低于所述辅助声场的频率；多个所述声场发生器通过相位控制形成移动的声压波节，牵引所述细粒级颗粒沿预设路径行进。

6、在其中一个实施例中，所述气相沉积装置包括依次设置的前驱体溶液储罐、超声雾化器、气流分布器和载气预热系统；所述前驱体溶液储罐用于存储前驱体溶液；所述超声雾化器用于雾化所述前驱体溶液以形成所述雾汽；所述气流分布器连接所述超声雾化器和所述密封腔室，所述载气预热系统用于预热所述气流分布器内的惰性载气；所述惰性载气能够运转所述雾汽送入所述密封腔室。

7、在其中一个实施例中，所述前驱体包含无水乙醇溶剂、质量分数10%-20%的氟硅烷改性气相二氧化硅纳米颗粒、以及质量分数4%-8%的生物基疏水聚合物。

8、在其中一个实施例中，所述静电场发生装置施加的电场强度为1kv/cm-3kv/cm。

9、在其中一个实施例中，所述原位固化装置包括紫外led和低温等离子体发生器；所述紫外led阵列布设在所述密封腔室内；所述低温等离子体发生器为介质阻挡放电结构，并布设在所述密封腔室内。

10、在其中一个实施例中，所述出料单元包括气锁出料装置和产品收集仓，所述产品收集仓通过所述气锁出料装置连接所述密封腔室的出口。

11、本技术实施例的第二方面提供一种沉积方法，应用于上述的煤炭疏水涂层气相沉积系统，所述沉积方法包括：

12、s1、将原煤破碎形成煤炭颗粒，干燥后送入所述进料及分级预处理单元进行粒径分级，得到细粒级颗粒；

13、s2、以惰性气体为输送介质，在氧含量受控的条件下将所述细粒级颗粒送入所述密封腔室；

14、s3、在所述密封腔室内，通过多频耦合相控阵超声换能器阵列产生三维声场，使所述细粒级颗粒悬浮，并通过移动声压波节牵引所述细粒级颗粒行进；

15、s4、由所述气相沉积装置将前驱体溶液雾化，并通过预热惰性载气将所述前驱体雾汽送入所述密封腔室的沉积区域，并由所述静电场发生装置施加静电场，使所述前驱体雾汽定向沉积于所述细粒级颗粒的表面以形成疏水涂层；所述前驱体溶液包含无水乙醇溶剂、质量分数10%-20%的氟硅烷改性气相二氧化硅纳米颗粒，以及质量分数4%-8%的生物基疏水聚合物；

16、s5、由所述原位固化装置对所述细粒级颗粒表面沉积的所述疏水涂层进行原位固化处理；

17、s6、通过所述出料单元将具有疏水涂层的所述细粒级颗粒排出。

18、有益效果是：

19、本技术提供的煤炭疏水涂层气相沉积系统，通过设置进料及分级预处理单元、声悬浮与气相沉积单元以及出料单元，进料及分级预处理单元能够对干燥后的煤炭颗粒按粒径进行分级，仅输出抑水需求最迫切的细粒级颗粒进入后续深度处理流程，从系统层面优化了技术经济性，避免了对全部物料进行高昂处理，大幅降低了单位产品的能耗与物料消耗；声悬浮与气相沉积单元作为核心处理模块，其密封腔室可为整个沉积过程提供了与外界隔离的惰性气氛环境，从而消除了作为细粒级颗粒的煤粉处理中的粉尘爆炸风险；多频耦合相控阵超声换能器阵列可设置在密封腔室内；多频耦合相控阵超声换能器阵列可在密封腔室内产生三维声场，利用低频主声场提供悬浮力克服细粒级颗粒的自身重力，利用高频辅助声场对细粒级颗粒进行姿态微调和旋转控制，使细粒级颗粒的表面无死角暴露，解决了传统接触式处理中不规则颗粒表面难以均匀暴露的难题；同时通过相控阵技术形成移动的声压波节，牵引悬浮的颗粒沿预设路径行进，实现了非接触式连续传输；气相沉积装置向密封腔室内供给前驱体雾汽，使前驱体雾汽中的成膜物质能够在细粒级颗粒的裸露表面均匀附着，从工艺原理上规避了液相浸渍对煤炭孔隙结构的堵塞风险；静电场发生装置在沉积区域施加定向电场，电场的方向与细粒级颗粒的行进方向相交，前驱体雾汽能够在电场的作用下向细粒级颗粒的表面定向迁移并沉积形成疏水涂层，弥补了声场环境下微滴随气流扩散导致的沉积效率不足，强化了疏水涂层的均匀性与附着力；原位固化装置对湿态疏水涂层实施即时固化定型，缩短了成膜周期并避免了颗粒间粘连；出料单元连接于密封腔室出口，通常需隔绝外界空气，从而在维持密封腔室气氛下的条件下将成品移出，保障了生产过程的连续性与安全性，最终能够实现对细粒级颗粒煤炭的高效、均匀、连续化超疏水改性。