CN102276141B

CN102276141B - 一种利用热态煤渣制备无机矿渣纤维的方法

Info

Publication number: CN102276141B
Application number: CN 201110171216
Authority: CN
Inventors: 王习东; 张作泰; 刘丽丽; 王景峰; 赵大伟
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2031-06-23
Also published as: CN102276141A

Abstract

本发明提供了一种利用热态煤渣制备无机矿渣纤维的方法。该方法是将所述热态煤渣与粉煤灰经过固态混匀后，加热至熔融状态，得到熔融液，再将所述熔融液制成丝，即得到所述无机矿渣纤维。该发明的优点是：方法简单易行，实施方便，制得的无机矿渣纤维具有较强的柔性和强度，实现了能量与物质的同时充分利用，从而大幅度降低了生产成本，能耗低、无污染，最大程度的实现资源的循环和高效利用，在具有广阔的应用前景的同时，还具有积极的社会意义和环境意义。

Description

一种利用热态煤渣制备无机矿渣纤维的方法

技术领域

本发明属于无机非金属材料制备技术领域，具体地说，涉及一种无机矿渣纤维的制备方法，特别涉及一种利用热态煤渣制备无机矿渣纤维的方法。

背景技术

煤渣是工业固体废物的一种，火力发电厂、工业和民用锅炉及其他设备燃煤排出的废渣，又称炉渣。煤渣的主要化学成分为SiO₂40～50％、Al₂O₃30～35％、Fe₂O₃4～20％、CaO 1～5％及少量镁、硫、碳等。其矿物组成主要有：钙长石、石英、莫来石、磁铁矿和黄铁矿、大量的含硅玻璃体(Al₂O₃·2SiO₂)和活性SiO₂、活性Al₂O₃以及少量的未燃煤等。

随着我国工业的发展，每年产生大量的煤渣。在我国，煤渣一直被认为是一种废渣。煤炭燃烧后产生的煤矸石、煤渣是国内年排放量最大的工业废弃物。每年排放的煤渣超过亿吨，这些煤渣占用大量土地，污染人类生存环境，经雨水冲刷后，大量的流入河道，使河道壅塞狭窄，是河道污染的主要物质之一。而且，其在多风的季节到处漂移，造成空气环境污染，影响人类健康。因此，如何利用煤渣，变废为宝，是摆在人们面前的重要课题。

国内外对于煤渣的综合利用，做过相关的探索。总的来说，主要有以下几种方式：

(1)煤渣用于建筑业：利用煤渣生产空心墙体砖。

(2)生产煤渣烧结砖：是以煤渣和粘土为原料，经搅拌、成型、焙烧等制成的砖。

(3)煤渣陶粒：是以煤渣为原料，加入一定量的胶结料和水，经成球、烧结而成的轻骨料。

(4)煤渣代替粘土做生产水泥的原料或混合材料。

(5)煤渣用于农业。

(6)煤渣用于回填。

尽管为了利用煤渣做出了种种尝试，但不可忽略的是，从炉膛中排除的煤渣的大量显热均没有被充分利用。据统计，我国煤渣的温度在900～1100℃左右，而现在的处理方式大多为自然冷却或水冲冷却，这样大量的热能就被白白浪费了。

粉煤灰是指燃煤(低热值燃料)锅炉在燃烧过程中产生的固体颗粒物，包括火和渣。2005年我国燃煤电厂的低热值电厂产生的粉煤灰量达3.3亿吨，占全国工业固体废弃物的40％。

煤渣，尤其是热态煤渣的余热利用一直是冶金和能源工业的重要问题，目前一直没有很好地做到资源与余热能源的双重利用。因此，如何同时对它们进行充分利用，需要经过研究，建立起一套可行的方法，这对提高废弃物利用效率、充分利用废弃能源，促进我国的经济与社会、人与自然的和谐发展，实现资源经济向循环经济的跨越具有极其深远的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用热态煤渣制备无机矿渣纤维的方法，该方法发生了能质耦合，实现了能量与物质的同时充分利用，具有较好的经济价值。

为了实现上述目的，本发明提供的利用热态煤渣制备无机矿渣纤维的方法，是将所述热态煤渣与粉煤灰经过固态混匀后，加热至熔融状态，得到熔融液，再将所述熔融液制成丝，即得到所述无机矿渣纤维。

具体来说，热态煤渣和粉煤灰的固态物质混匀，加热至熔融，可在热态煤渣中加入粉煤灰，通过加热，并控制温度与物料组成，从而控制熔融液的黏度与表面张力。

其中，所述热态煤渣的重量百分比为30％～90％。

其中，所述粉煤灰的重量百分比为70％～10％。

其中，加热至熔融状态的温度为1100℃～1800℃。

其中，所述熔融液的黏度控制在：0.5～3.5Pa·S之间；表面张力控制在250～600N/m之间。

其中，所述热态煤渣包括：火力发电厂、工业和民用锅炉及其他设备燃煤排出的废渣中的一种或其混合物。所述热态煤渣的主要成分包括：SiO₂40～50％、Al₂O₃20～35％、Fe₂O₃4～20％、CaO 1～5％及少量镁、硫、碳等。所述热态煤渣的温度为900～1100℃。

其中，所述粉煤灰包括：燃煤电厂、锅炉等，煤炭燃烧时产生的飞灰、固态残留物、废弃物或它们的混合物。所述粉煤灰的元素组成包括：O 40～47％、Si 10～30％、Al 6～24％、Fe 1～20％和Ca 0～25％。

粉煤灰可以作为添加剂对热态煤渣进行调质，对其起改性作用，两者发生了能质耦合。

所述的固态混匀，是指在混合装置中，固态的热煤渣和粉煤灰进行固态物质间的混合，混匀机制是机械式的，这样避免出现液固态混合的难题。

上述制备方法中，将所述熔融液制成丝是通过喷吹或甩丝制备得到丝，再将所述丝冷却，即得所述无机矿渣纤维。

其中，所述的喷吹是在加压下(0.75～1.5MPa)由多孔喷丝板将所述熔融液喷出成丝，然后将得到的丝冷却，制得所述无机矿渣纤维。

其中，所述的甩丝是将所述熔融液流入甩丝机，在甩丝辊离心力的作用下，根据不同的线速度使该液体形成长短不同的丝，将这些丝冷却即得到无机矿渣纤维。

还可在上述煤渣和粉煤灰的熔融液中加入添加剂。

其中，所述添加剂选自：耐火砖粉、矾土、高岭土和石英砂等中的任一种或多种。这些添加剂具有不同功能，其中耐火砖粉和矾土可以用来制作具有耐火性能的无机矿渣纤维；高岭土、石英砂等可以用来制备用于建筑外墙保温的无机矿渣纤维制品。

其中，所述添加剂耐火砖粉的用量可以为：1％～10％；其他添加剂的用量均可以为：1％～30％。

根据本发明内容所述方法制得的无机矿渣纤维的直径优选为0.01mm～100mm的范围，长径比优选为4～2000；主要成分包括：O40％～65％、Si 13～25％、Al 5％～24％、Fe 1～15％和Ca 0～8％等。

可以理解，本发明诸多技术手段解决了由于工业废弃物热态煤渣与粉煤灰的成分各有不同，除制备本发明所述无机矿渣纤维所需要的主要原料和元素外，其中还可能含有不同成分的氧化钙、氧化镁和氧化铁等成分从而影响无机矿渣纤维的形貌以及性能的问题，制得的无机矿渣纤维具有较强的柔性和强度；单丝拉伸强度大于60MPa，已超过传统矿渣棉的强度，比玄武岩纤维略高。并且，使用不同种类的添加剂及用量，可以获得不同性能与规格的无机矿渣纤维。

本发明制得的无机矿渣纤维可制备建筑保温材料(尤其是高层建筑的外墙保温、管道保温等领域)，工业窑炉的隔热材料等，部分精选的超细纤维还可用于造纸纤维。与有机材料相比，这种纤维制品具有不燃、耐久性好、导热系数低等优势；与现有的无机保温材料制备方法相比，此纤维制备方法简单易行，实施方便，实现了能量与物质的同时充分利用，从而大幅度降低了生产成本。本发明利用热态煤渣为主要原料制备无机矿渣纤维，是资源、能源循环与再生利用的新技术，对提高废弃物利用效率、充分利用废弃能源、促进我国的经济与社会、人与自然的和谐发展，实现资源经济向循环经济的跨越具有极其深远的意义。

附图说明

图1是本发明实施例所给方法统一的流程图。

图2是本发明实施例1制备得到的无机矿渣纤维显微镜下的形貌照片。

图3是本发明实施例2制备得到的无机矿渣纤维显微镜下的形貌照片。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

下述实施例的制备方法流程如说明书附图中的图1所示。使用的热态煤渣均为：火力发电厂、工业和民用锅炉及其他设备燃煤排出的废渣中的一种或其混合物，主要成分包括：SiO₂40～50％、Al₂O₃20～35％、Fe₂O₃4～20％、CaO 1～5％及少量镁、硫、碳等。热态煤渣的温度为900～1100℃。

使用的粉煤灰包括：燃煤电厂、锅炉等，煤炭燃烧时产生的飞灰、固态残留物、废弃物或它们的混合物。元素组成包括：O 40～47％、Si 10～30％、Al 6～24％、Fe 1～20％和Ca 0～25％。

实施例1

将重量百分比为70％的热态煤渣和30％的粉煤灰在混合装置中进行固态混合，机械混匀后，加入到温度为1600℃的熔化电阻炉中，待完全熔化后，使熔融液流入甩丝机，在甩丝辊离心力的作用下，得到无机矿渣纤维，同时喷吹压缩空气冷却得到纤维，此纤维显微镜下形貌如图2所示。纤维平均直径为6.4μm，单丝拉伸强度为65MPa。

实施例2

采用和实施例1相同的制备方法，其区别在于，热态煤渣在混合物中的重量百分比为50％，最后得到的无机矿渣纤维形貌如图3所示。纤维平均直径为5.6μm，单丝拉伸强度为75MPa。

实施例3

采用和实施例1相同的制备方法，其区别在于，熔化电阻炉的温度为1550℃，并在1.2MPa喷吹的条件下，使用多孔喷丝机将熔融液喷制成丝，冷却后获得无机矿渣纤维。纤维平均直径为5.2μm。

实施例4

将重量百分比为90％的热态煤渣和重量百分比为10％的粉煤灰在混合装置中进行固态混合，机械混匀后，加入到温度为1450℃的熔化电阻炉中，熔化后，使熔融液流入甩丝机，在甩丝辊离心力的作用下，得到无机矿渣纤维，同时喷吹压缩空气冷却得到纤维。纤维平均直径为6.0μm。

实施例5

将重量百分比为30％的热态煤渣和重量百分比为70％的粉煤灰在混合装置进行固态混合，机械混匀后，加入到温度为1550℃的熔化电阻炉中，熔化后，使熔融液从炉中流出，使用多孔喷丝机，在1.0MPa的高压空气下喷吹形成无机矿渣纤维。纤维平均直径为6.0μm。

实施例6

使用重量百分比为60％的热态煤渣、30％的粉煤灰和10％的高岭土，在混合装置进行固态混合，机械混匀后，加入到温度为1500℃的熔化炉中，溶化后进入多孔喷丝机，在1.2MPa的高压空气下喷吹形成无机矿渣纤维。纤维平均直径为5.8μm。

本发明实施例利用热态煤渣和粉煤灰制备得到了性能优良的无机矿渣纤维。此纤维直径在4～8μm之间，复合国家标准中对于矿物棉单丝直径的要求。纤维还具有优良的力学性能，单丝拉伸强度大于60MPa，已超过传统矿渣棉的强度，比玄武岩纤维略高。

Claims

1.一种利用热态煤渣制备无机矿渣纤维的方法，其特征在于：将所述热态煤渣与粉煤灰经过固态混匀后，加热至熔融状态，得到熔融液，再将所述熔融液制成丝，即得到所述无机矿渣纤维；

所述热态煤渣的重量百分比为30%~90%；所述粉煤灰的重量百分比为70%~10%；所述熔融液的黏度控制在：0.5~3.5Pa·S之间，表面张力控制在250~600N/m之间；所述热态煤渣的温度为900～1100℃；

所述热态煤渣的成分包括：SiO₂ 40～50%、Al₂O₃ 20～35%、Fe₂O₃4～20%和CaO 1～5%；所述粉煤灰的元素组成包括：O 40~47%、Si10~30%、Al 6~24%、Fe 1~20%和Ca 0~25%。

2.如权利要求1所述的利用热态煤渣制备无机矿渣纤维的方法，其特征在于，加热至熔融状态的温度为1100℃～1800℃。

3.如权利要求书1所述的利用热态煤渣制备无机矿渣纤维的方法，其特征在于，所述将熔融液制成丝的方法为：喷吹或甩丝；其中喷吹时的压力为0.75～1.5兆帕。

4.如权利要求书1所述的利用热态煤渣制备无机矿渣纤维的方法，其特征在于，在所述熔融液还包含添加剂，所述添加剂选自：耐火砖粉、矾土、高岭土和石英砂中的任一种或多种。

5.根据权利要求书1所述方法制得的无机矿渣纤维，其特征在于，所述无机矿渣纤维的直径为0.01mm~100mm，长径比为4~2000；元素成分包括：O 40%~65%、Si 13~25%、Al 5%~24%、Fe 1~15%和Ca 0~8%。