CN102399082B - 刚玉莫来石质蜂窝陶瓷蓄热体 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无机非金属领域，涉及用于高温窑炉尾气余热回收的一种刚玉莫来石蜂窝陶瓷蓄热体，是以刚玉、莫来石、氧化铝、粘土等组成陶瓷粉末，再加入纤维素、甘油、胶水、水制备可塑性泥料。通过混料、调泥、真空练泥、成型、烘干、高温烧结制成蜂窝陶瓷蓄热体。本发明方法制备的蜂窝陶瓷蓄热体高温强度好、蓄热能力高、换热速度快、热震稳定性好。具有成本低、操作简单，适应于工业化生产的特点。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属领域，涉及工业窑炉尾气余热的净化和回收，具体涉及蜂窝陶瓷蓄热体。更具体地说，本发明涉及含有莫来石、刚玉作为陶瓷组分的蜂窝陶瓷蓄热体，本发明制备的蓄热体用于工业窑炉高温烟气余热的过滤净化处理和回收利用。
背景技术
从19世纪中期开始，规模大且温度高的炉子如高炉、热风炉、焦炉等就开始采用蓄热燃烧技术回收高温烟气余热。使用蓄热室回收烟气余热后炉子的热效率明显提高。但刚开始的蓄热室内采用格子砖为蓄热体，但传热效率低，蓄热室体积庞大，换向时间长，使用很不灵活，限制了蓄热燃烧技术在其它工业炉上的推广与普及。
上世纪90年代以来，随着能源的紧张，环境污染的严重，节能与环保越来越引起人们的重视。控制系统与蓄热材料的更新使蓄热式燃烧技术得到了重大发展。英国HotWork Development公司与British Gas研究院于1982年合作开发了一座使用陶瓷小球作为蓄热体的新型蓄热式加热炉，其节能效果显著。它可以将助燃空气加热到燃气的燃点以上，使平均燃烧温度和热利用效率提高，但由于温度高导致氮氧化物排放浓度增加。采用陶瓷小球或蜂窝陶瓷体代替格子砖用于工业炉的余热回收是蓄热方式的一个飞跃，不仅提高了蓄热效率，也使高温空气燃烧技术的推广成为可能。
蓄热燃烧技术是高温燃烧领域一种古老而年轻的节能环保技术，蓄热燃烧系统温度效益及热效益的高低，直接取决于蓄热体的性能。20世纪80年代，蓄热体开发取得突破，出现了小直径球状及点焊状(卵石状)陶瓷体，使蓄热结构紧凑，与烧咀成一体，但使用中产生的压降大，热面积也有限。本发明制备的蓄热体，在国内解决了比表面积比球体陶瓷蓄热体大，抗压强度大于40MPa，最高使用温度＞1600℃，比热1100～1400等方面的突破。
上世纪90年代初，日本科学家首先发明了高温空气燃烧技术(HTAC)，该技术通过换向装置使两个蓄热室交替吸热放热，最大限度地回收烟气的热量，再把炉内的助燃空气和煤气加热到1000℃以上，即使低热值的劣质燃料也能实现稳定着火和高效燃烧。而应用实践表明，HTAC技术的关键是能否研制出高性能的蜂窝陶瓷蓄热体。高性能的蜂窝陶瓷蓄热体必须具有耐高温、抗腐蚀、热震稳定性好、强度高、蓄热量大、导热性能好等优点。
目前HTAC技术被广泛用于钢铁、机械、建材、石化、有色金属冶炼等行业的各种加热炉、热风炉、热处理炉、裂解炉、烘烤器、熔化炉、均热炉、油气锅炉等窑炉中。如果全国大多数工业窑炉都采用HTAC技术，其经济效益和社会效益不可估量，将极大在缓解能源紧缺的状况，并改善人类的生存环境。
蜂窝陶瓷蓄热体采用严格的配料配方，对粉体进行球磨，添加粘结剂，助烧结剂等进行搅拌捏合，经过时效处理、练泥处理、挤压成型、定型、切坯高温焙烧而成。
目前，从国内相关行业使用本项技术调查是，蜂窝陶瓷蓄热体有的是使用温度达不到预期要求的温度，有的是使用周期短，最短的不达一月，最长时间也就半年左右。该热燃烧技术的蜂窝陶瓷蓄热体长期使用温度达1500℃，抗压强度高(在蓄热室不倒塌12个月)。比表面积是球的5倍以上，传热能力大4～5倍，气流阻力只有球的1/3。该技术通过换向装置使两个蓄热室交替吸热放热，最大程度的回收烟气。再把炉内的助燃空气和煤气加热到1000℃以上，即使低热值的劣质燃料也能实现稳定着火和高效燃烧，节约燃料可达40～70％，产量提高15％以上，钢坯氧化烧损下降40％以上，NOx排放小于100ppm，排放的烟气温度低于150℃，大大降低了地球大气的温室效应。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温强度好、蓄热能力高、换热速度快、热震稳定性好，使用温度超过1600℃的蜂窝陶瓷蓄热体，以适合于钢铁、冶金等工业部门工业窑炉的余热回收。
提供一种上述蜂窝陶瓷蓄热体的制备方法，使制得的蓄热体具有良好的烧结和综合物理性能，是本发明的另一发明目的。
本发明的蜂窝陶瓷蓄热体是以下述重量百分数的原料
莫来石 40～60％
刚玉 10～20％
粘土 5～10％
滑石 3～10％
氧化铝 5～10％
组成陶瓷粉末，以此为基础，再按照以下重量百分数：
胶水 5～10％
甘油 3～7％
水 5～10％
纤维素 3～5％
向陶瓷粉末中加入辅料，制备塑性泥料
将上述塑性泥料，经过粗练、陈腐、真空练泥、挤压成型，干燥后经烧结得到蜂窝陶瓷蓄热体。
由于莫来石和刚玉等均属于耐火度很高的耐火材料，刚玉熔点为2045℃，莫来石熔点为1800℃。采用常规方法将其致密化需要很高的烧结温度，为了降低烧结温度和生产成本，在不影响使用的条件下，本发明采用一些较低熔点的材料将刚玉与莫来石包覆起来，作为它们的基质部分，通过合理选择低熔点材料，使基质部分完全成了莫来石相，从而提高了产品的抗热震性。
蜂窝陶瓷蓄热体多采用油脂等高分子作为粘结剂。油脂粘结剂在烧结过程中过产生有害气体排出，对环境造成污染。
本发明经过反复对比实验，采用水性粘结剂作为蜂窝陶瓷蓄热体的粘结剂。
采用此粘结剂的优势表现在以下几个方面：第一、烧结过程中有机粘结剂全部氧化，无有害气体排出，有利于环境保护；蓄热体产品中无残留有机粘结剂原料，有利于保证产品质量。第二、粘结剂制备以及产品成型、干燥过程中无有害气体挥发，有利于员工操作。第三、陶瓷蓄热体坯体(半成品)干燥速度快，有利于工业规模化生产和防止原料的浪费。
本发明的蜂窝陶瓷蓄热体的具体制备方法包括以下步骤：
a)按照以下重量百分数混合各种原料得到陶瓷粉末：
莫来石 40～60％
刚玉 10～20％
粘土 5～10％
滑石 3～10％
氧化铝 5～10％
以上述陶瓷粉末为基础，再按照以下重量百分数：
胶水 5～10％
甘油 3～7％
水 5～10％
纤维素 3～5％
向陶瓷粉末中加入辅料，制备塑性泥料；
b)将上述泥料经过真空练泥后经成型机真空挤压成坯体；
c)坯体放入微波炉中干燥定型；
d)将定型后的坯体放入烘房，在100～110℃干燥；
e)将干燥后的坯体进行端面加工，获得整齐的蜂窝端面；
f)将加工好的完整蜂窝陶瓷坯体装入烧结炉，升温至1350～1450℃高温烧结，得到蜂窝陶瓷蓄热体。
本发明中将坯体高温烧结为蜂窝陶瓷蓄热体的具体工艺过程是：将坯装入烧结炉中，以60℃/h的升温速度升温至550℃低温排胶，待粘结剂挥发后，再以200℃/h的升温速度快速升温至1200℃，再以40℃/h的升温速度升温至1350～1450℃的烧结温度，并在此温度下保温2～4h。
本发明制备的蜂窝陶瓷蓄热体呈直孔中通结构，使用温度可达1600℃。
本发明制备的蜂窝陶瓷蓄热体有较大的比表面积，耐高温、抗腐蚀、热震稳定性好、强度高、蓄热量大、导热性能好等优点。对工业窑炉高温烟气有良好的过滤净化和回收利用能力。
本发明制备的蜂窝陶瓷蓄热体经钢厂高温烟气的过滤净化试验，各项性能良好。
具体实施方式
实施例1
按照58∶19∶8∶6∶9的重量比，将莫来石、刚玉、粘土、滑石、氧化铝充分混合制成陶瓷粉末。
将陶瓷粉末、胶水、甘油、水、纤维素按照75∶8∶5∶8∶4的重量比混合，加入搅拌机中搅拌1h，使搅拌均匀，制成陶瓷泥料。
将陶瓷泥料经练泥机粗练、精练，然后经真空机处理，采用挤压成型工艺，在成型机中经模具挤压制成陶瓷坯体。
将陶瓷蓄热体坯体放入微波定型后，再送入烘房内，温度控制在100～110℃范围内，干燥24h使之硬化，将干燥后的坯体进行端面加工，获得整齐的蜂窝端面。
将加工好的完整蜂窝陶瓷坯体装入烧结炉，以60℃/h的升温速度升温至550℃低温排胶，待粘结剂挥发后，再以200℃/h的升温速度快速升温至1200℃，再以40℃/h的升温速度升温至1450℃的烧结温度，并在此温度下保温3h，自然冷却至室温出炉，即可获得刚玉莫来石蜂窝陶瓷蓄热体。
实施例2
按照59∶18∶9∶6∶8的重量比，将莫来石、刚玉、粘土、滑石、氧化铝充分混合制成陶瓷粉末。
将陶瓷粉末、胶水、甘油、水、纤维素按照73∶8∶5∶10∶4的重量比混合，加入搅拌机中搅拌1h，使搅拌均匀，制成陶瓷泥料。
将陶瓷泥料经练泥机粗练、精练，然后经真空机处理，采用挤压成型工艺，在成型机中经模具挤压制成陶瓷坯体。
将陶瓷蓄热体坯体放入微波定型后，再送入烘房内，温度控制在100～110℃范围内，干燥24h使之硬化，将干燥后的坯体进行端面加工，获得整齐的蜂窝端面。
将加工好的完整蜂窝陶瓷坯体装入烧结炉中，以60℃/h的升温速度升温至550℃低温排胶，待粘结剂挥发后，再以200℃/h的升温速度快速升温至1200℃，再以40℃/h的升温速度升温至1400℃的烧结温度，并在此温度下保温2h，自然冷却至室温出炉，即可获得刚玉莫来石蜂窝陶瓷蓄热体。
实施例3
按照56∶20∶9∶7∶8的重量比，将莫来石、刚玉、粘土、滑石、氧化铝充分混合制成陶瓷粉末。
将陶瓷粉末、胶水、甘油、水、纤维素按照72∶9∶7∶9∶4的重量比混合，加入搅拌机中搅拌1h，使搅拌均匀，制成陶瓷泥料。
将陶瓷泥料经练泥机粗练、精练，然后经真空机处理，采用挤压成型工艺，在成型机中经模具挤压制成陶瓷坯体。
将陶瓷蓄热体坯体放入微波定型后，再送入烘房内，温度控制在100～110℃范围内，干燥24h使之硬化，将干燥后的坯体进行端面加工，获得整齐的蜂窝端面。
将加工好的完整蜂窝陶瓷坯体装入烧结炉中，以60℃/h的升温速度升温至550℃低温排胶，待粘结剂挥发后，再以200℃/h的升温速度快速升温至1200℃，再以40℃/h的升温速度升温至1430℃的烧结温度，并在此温度下保温4h，自然冷却至室温出炉，即可获得刚玉莫来石蜂窝陶瓷蓄热体。
Claims (3)
1.一种刚玉莫来石质蜂窝陶瓷蓄热体，是以下述重量百分数的原料：
组成陶瓷粉末，陶瓷粉末的各组分重量百分数之和等于100％，再按照以下重量百分数：
向陶瓷粉末中加入辅料，制备塑性泥料；
以上述泥料经成型机挤压成坏体，干燥后烧结得到刚玉莫来石质蜂窝陶瓷蓄热体。
2.权利要求1所述刚玉莫来石质蜂窝陶瓷蓄热体的制备方法，包括以下步骤：
a)按照以下百分数混合各种原料得到陶瓷粉末，陶瓷粉末的各组分重量百分数之和等于100％：
以上述陶瓷粉末为基础，再按照以下重量百分数：
向陶瓷粉末中加入辅料，制备塑性泥料；
b)将上述泥料经过处理后经成型机挤压成坯体；
c)坯体放入微波炉中干燥定型；
d)将定型后的坯体放入烘房，在100～110℃干燥；
e)将干燥后的坯体进行端面加工，获得整齐的蜂窝端面；
f)将加工好的完整蜂窝陶瓷坯体装入烧结炉，升温至1350～1450℃高温烧结，得到蜂窝陶瓷蓄热体。
3.根据权利要求2所述的刚玉莫来石质蜂窝陶瓷蓄热体的制备方法，其特征是所述的高温烧结是以60℃/h的升温速度升温至550℃低温排胶，待粘结剂挥发后，再以200℃/h的升温速度快速升温至1200℃，再以40℃/h的升温速度升温至1350～1450℃的烧结温度，并在此温度下保温2～4h。
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Denomination of invention: Corundum-mullite honeycomb ceramic heat accumulator Effective date of registration: 20141030 Granted publication date: 20130220 Pledgee: Shanxi small & medium enterprises Venture Capital Co., Ltd. Pledgor: Jincheng Fuji New Material Co., Ltd. Registration number: 2014990000911 |
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Date of cancellation: 20220307 Granted publication date: 20130220 |
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