CN103525376A - 一种工业余热回收用储热材料、制备方法及用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工业余热回收用储热材料、制备方法及用途。所述方法以无机盐和陶瓷基质为主要原料，添加粘土和高导热材料后，直接干混均匀，然后冷压成型，干燥、烧结、冷却后得到所述工业余热回收用储热材料。本发明从选材着手，对材料组分及制备工艺进行优化设计，从而能够降低成本地生产出工业余热回收用储热材料。所述储热材料包括潜热、导热率和耐压强度等在内的综合性能得到了大幅度提高，同时充分利用有限资源，变废为宝。
Description
技术领域
本发明属于热能工程和能源材料科学技术领域，特别涉及到一种工业余热回收用储热材料、制备方法及用途。
背景技术
余热是指被考察体系（某特定系统或设备）排出的热载体可释放的高于环境温度的热量和可燃性废物的低发热量。例如锅炉排出的烟气；炉渣中未完全燃烧颗粒可释放的热量等；以潜热形式存在于蒸汽轮机排气中的热量；冶金工业中的高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、石化工业中的碳黑尾气等可燃性废气可释放的热量；高温固态、液态产品所携带的热量等等都可称为余热。工业余热可认为是一种资源，甚至有把这种资源作为是继煤、石油、天然气、水力之后的第五大常规能源的提法。余热的随意排放不仅是能源资源的严重浪费，而且也造成了环境污染，所以工业余热的有效回收和利用正成为节能减排的主要课题之一。由于很多情况下的工业余热存在着间歇性、不稳定性、能量密度低等特点，目前在低成本高效余热回收，特别是低能级余热和高温渣余热的回收方面主要依靠储热技术。然而储热材料的性能及成本是决定余热回收的效率及运行成本的主要因素之一。
目前储热材料主要有显热储热材料和潜热储热材料。但显热储热材料的储热密度小、导热率低，很多情况下不能满足间歇性余热回收的要求。而潜热储热材料，尤其是复合结构储热材料，兼顾了显热和潜热材料的优点，有效地解决了材料的腐蚀性，具有性能稳定、储热能力强、温域可控等诸多优点，是用于余热回收理想候选储热材料之一，但是这类储热材料一般强度不高、易粉化，导热率仍需提高。F.Pitié等（F.Pitié,C.Y.Zhao,and G.Cáceres,Thermo-mechanical analysis of ceramic encapsulated phase-change-material(PCM)particles.Energy Environ.Sci.,4(2011)2117-2124）采用包覆方法，潜热材料当作芯，弹性物质为壳体进行包覆，复合材料整体强度低。F.Yavari等（F.Yavari,H.R.Fard,K.Pashayi,M.A.Rafiee,A.Zamiri,Z.Yu,R.Ozisik,T.Borca-Tasciuc,andN.Koratkar,Enhanced thermal conductivity in a nanostructured phase changecomposite due to low concentration graphene additives.J.Phys.Chem.C,115(2011)8753-8758）采用液相法制备高导热率的复合储热材料，先将石墨烯分散在丙酮中，再将1-octadecanol加入，并升温至150℃，进行强烈搅拌至丙酮挥发完为止。再将温度降至室温，最后制备出纳米结构复合储热材料。这种制备过程难控制，原料昂贵。
CN102585775A公开了一种高温复合相变储热材料及其制备方法，以无机盐、陶瓷基质和高导热率材料原料进行混合烧结而成，虽然导热率提高了，但只是三种原料复合，无粘结剂，复合储热材料耐压强度低。
CN101649185A公开了一种储热材料及其制备方法，以赤铁矿为主料、高岭土选矿尾渣为成型料、粘土为辅料，加水混合，置于钢模24h，脱模后置于水中养护72h。由于加入水，后续程序复杂，耗时长。
作为工业余热回收用储热材料，必须要在原料易得、低成本、易规模化生产前提下，考虑其综合使用性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备工业余热回收用储热材料的方法，用这种方法可制备高能量密度、高强度、化学稳定性好且成本低、工艺简单、原料易得的工业余热回收用的储热材料。该方法从选材、材料组分、配料及制备工艺等方面进行了优化设计，从而能够低成本生产工业余热回收用的储热材料，且该材料的综合性能通过优化得到显著提高。
本发明还提供了一种工业余热回收用储热材料及其用途。
本发明提供的工业余热回收用储热材料的制备方法，以无机盐（硝酸钠、硫酸钠、氯化钾等）、陶瓷质材料（二氧化硅、高岭土、硅藻土等）、粘土和高导热材料（石墨、炭黑、活性炭粉末等）为主要原料，采用干法制备，无需加水浸湿。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种工业余热回收用储热材料的制备方法，以无机盐和陶瓷基质为主要原料，添加粘土和高导热材料后，直接干混均匀，然后冷压成型，干燥、烧结、冷却后得到所述工业余热回收用储热材料。
所述无机盐与陶瓷基质的质量比为1:4～20:1，例如可选择1:3.8～19.6:1，1:2～15:1，3:1～13.5:1，5.5:1～11:1，7:1～10:1，8.6:1等，优选15:17～3:2，进一步优选1:1。
所述粘土的加入量为0.01～0.5g/（无机盐-陶瓷基质体系），例如可选择0.011～0.49g/（无机盐-陶瓷基质体系），0.03～0.42g/（无机盐-陶瓷基质体系），0.086～0.36g/（无机盐-陶瓷基质体系），0.2～0.3g/（无机盐-陶瓷基质体系），0.24g/（无机盐-陶瓷基质体系）等，进一步优选0.017～0.13g/（g无机盐-陶瓷基质体系），最优选0.1g/（g无机盐-陶瓷基质体系）。
所述高导热材料的加入量为0.001～0.3g/（g无机盐-陶瓷基质-粘土体系），例如可选择0.0012～0.29g/（g无机盐-陶瓷基质-粘土体系），0.04～0.264g/（g无机盐-陶瓷基质-粘土体系），0.053～0.24g/（g无机盐-陶瓷基质-粘土体系），0.01～0.2g/（g无机盐-陶瓷基质-粘土体系），0.08～0.17g/（g无机盐-陶瓷基质-粘土体系），0.11～0.15g/（g无机盐-陶瓷基质-粘土体系），0.12g/（g无机盐-陶瓷基质-粘土体系）等，进一步优选0.013～0.22g/（g无机盐-陶瓷基质-粘土体系），最优选0.15g/（g无机盐-陶瓷基质-粘土体系）。
本发明首先将无机盐和陶瓷基质进行球磨混合均匀得到无机盐-陶瓷基质体系。其球磨时间优选5～30min，例如可选择5.02～29.8min，5.8～26.3min，7～25min，7.8～22.8min，10～20min，11.7～18.6min，13～16min，14.8min等，进一步优选15min。
向无机盐-陶瓷基质体系中加入粘土进行球磨2～15min得到无机盐-陶瓷基质-粘土体系。球磨时间可选择2.02～14.9min，2.8～12.6min，3.5～12min。5.2～10.8min，7～10min，7.3～9.2min，8min等，进一步优选为8min。
向无机盐-陶瓷基质-粘土体系中加入高导热材料进行球磨20～90min得到无机盐-陶瓷基质-粘土-高导热材料体系。球磨时间可选择20.02～89.6min，25～85.4min，30.1～80min，34.8～71.3min，42～63min，46.6～60min，50～57.6min，53min等，进一步优选为30～60min。
所述冷压成型的压力为2～30kPa，例如可选择2.03～29.6kPa，4～26.8kPa，6.3～24kPa，8～21.3kPa，10.2～18.6kPa，13～16.4kPa，14.2～15kPa等，优选10～15kPa，进一步优选12kPa。
所述冷压成型的保压时间为0.5～15min，例如可选择0.51～14.8min，0.7～13min，1.6～11.4min，3～10min，4.1～8.9min，6～7.6min等，进一步优选1～10min，最优选5min。
所述烧结是在惰性气体保护下，以1～30℃/min的升温速率，加热到280～400℃，保温30～120min。
所述惰性气体的流量为3～30mL/min，例如可选择3.01～29.7mL/min，4～26.3mL/min，6.3～25mL/min，7～23.4mL/min，8.8～21.7mL/min，10～19.6mL/min，13.2～16.4mL/min，15mL/min等，进一步优选5～20mL/min，最优选15mL/min。
所述升温速率可选择1.03～29℃/min，1.8～26.4℃/min，3～24℃/min，5.5～22.1℃/min，8～20℃/min，9.7～16.8℃/min，10.2～14.6℃/min，13℃/min等，优选为5～15℃/min，进一步优选为10℃/min。
所述加热终点温度可选择280.5～390℃，294～374℃，300～360℃，314～352℃，325～340℃，336℃等，优选为360℃。
所述保温时间可选择30.2～118min，37～110min，42～101min，48.5～92.3min，52～90min，58.5～82.3min，63～74min，70min等，优选为60min。
所述冷却是以1～10℃/min的降温速率进行降温至30～50℃。所述降温速率可选择1.02～9.8℃/min，3～9.2℃/min，4.2～8.5℃/min，4.7～8℃/min，5.3～7℃/min，6℃/min等，优选为5℃/min。所述降温终点温度可选择30.2～49.7℃，35.6～46℃，38～43℃等，40℃等，优选为40℃。
所述无机盐选自硝酸钠、硫酸钠或氯化钾中的一种或至少两种的混合物，典型但非限制性的例子包括：硝酸钠，硫酸钠，氯化钾，硝酸钠和氯化钾的组合，硫酸钠和氯化钾的组合，硝酸钠和硫酸钠的组合，硫酸钠、氯化钾和硝酸钠的组合等，优选为硝酸钠。
所述陶瓷基质选自高岭土、二氧化硅或硅藻土中的一种或至少两种的混合物，典型但非限制性的例子包括：高岭土，二氧化硅，硅藻土，高岭土和硅藻土的组合，二氧化硅和硅藻土的组合，高岭土、硅藻土和二氧化硅的组合等，进一步优选二氧化硅。
所述高导热材料选自炭黑、石墨或活性炭粉末中的一种或至少两种的混合物，典型但非限制性的例子包括：炭黑，石墨，活性炭粉末，炭黑和石墨的组合，活性炭粉末和石墨的组合，炭黑、石墨和活性炭粉末的组合等，进一步优选石墨。
本发明所述一种工业余热回收用储热材料的制备方法以粘土和高导热率材料为载体，采用干法制备储热材料，包括以下步骤：
1）将无机盐和陶瓷基质按质量比1:4～20:1混合，进行球磨混合均匀得到无机盐-陶瓷基质体系；然后每g无机盐-陶瓷基质体系中加入0.01～0.5g粘土，进行球磨2～15min得到无机盐-陶瓷基质-粘土体系，每g无机盐-陶瓷基质-粘土体系中加入0.001～0.3g高导热材料，进行球磨20～90min后形成无机盐-陶瓷基质-粘土-高导热材料体系；
2）将上述无机盐-陶瓷基质-粘土-高导热材料体系取出放入模具中，以2～30kPa的压力，保压0.5～15min，压制成圆柱状，脱模为成型样品；
3）将上述成型样品干燥后，放在碳化硅隔板上置于管式炉内，通入3～30mL/min惰性气体，在惰性气体保护下以1～30℃/min的升温速率，加热到280～400℃，保温30～120min，进行高温烧结；
4）烧结反应完毕后，以1～10℃/min的速率进行降温至30～50℃，制备出工业余热回收用储热材料。
本发明的目的之二在于提供一种通过如上所述的制备方法得到的工业余热回收用储热材料，所述工业余热回收用储热材料的最大耐压强度达20MPa，导热率达2.5W/(m.K)。
本发明的目的之三在于提供一种所述工业余热回收用储热材料的用途，所述储热材料不仅可以用于工业余热回收，同时还可以用于太阳能光热利用以及储热的大型弃风电利用、冷-热-电联用等系统。
本发明与采用无机盐负载在多孔陶瓷基质如（SiO2）形成的二元或三元或四元复合储热材料的方法不同，是采用干法制备，通过添加粘土和高导热率材料，合成出无机盐-陶瓷基质-粘土-高导热材料体系工业余热回收用储热材料，可以大幅度提高储热材料的耐压强度，最大耐压强度可达20MPa，且导热率可达2.5W/(m.K)。由于制备过程无需加水浸湿，制备工艺简单，耐压强度和导热率均优于湿法所制备。与在同样制备和测试条件下，没添加粘土的储热材料（例如硝酸钠-二氧化硅-石墨储热材料）最大耐压强度为11MPa，而没添加石墨储热材料（例如硝酸钠-二氧化硅-粘土储热材料）的导热率为1.42W/(m.K)。
与已有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：
与现有技术相比，本发明不需要将无机盐和陶瓷基质进行预处理，只需加入廉价易得的粘土，过程包括添加粘土和高导热材料、干法混合、成型、烧结，简单高效，储热材料制备成本较低，耐压强度大，导热率高。
附图说明
图1为实施例2合成的工业余热回收用储热材料放大3000倍的SEM图；
图2为实施例1合成的工业余热回收用储热材料的DSC曲线；
图3为实施例2合成的工业余热回收用储热材料的DSC曲线；
图4为实施例3合成的工业余热回收用储热材料的DSC曲线；
图5为现有合成的NaNO3-SiO2的DSC曲线。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
为了使测试数据具有可比性，在相同的测试条件下对不同工业余热回收用储热材料进行DSC测试，其测试条件统一为：升温速率为：10℃/min；Ar为保护气和吹扫气。
实施例1
称取650g硝酸钠和850g二氧化硅，混合球磨均匀，配制成1500g无机盐-陶瓷基质体系，球磨5min；接着向该二元体系加入25g粘土，继续研磨2min制成无机盐-陶瓷基质-粘土体系；然后向该三元体系加入20g石墨，进行球磨60min。称取该四元体系150g，加入钢质模具（
）中，在液压机上设定成型压力为10MPa，保压5min。脱模取出压制后的试样置入干燥箱中，在100℃下进行干燥后，放在碳化硅隔板上置于管式炉内，在通入30mL/min氮气条件下，以10℃/min的升温速率，加热至290℃，保温30min后以10℃/min的降温速率开始降温，降温至50℃。最终产物为硝酸钠-二氧化硅-粘土-石墨储热材料，收率在98%以上。扫描电子显微镜和X射线衍射实验结果表明储热材料颗粒在2μm左右。其导热系数为1.49W/(m.K)，耐压强度为13.2MPa。其DSC曲线如图2所示。
实施例2
称取1000g氯化钾和1000g高岭土，混合研磨均匀，配制成2000g无机盐-陶瓷基质体系，球磨15min；接着向该二元体系加入1000g粘土，继续研磨15min制成无机盐-陶瓷基质-粘土体系；然后向该三元体系加入100g炭黑，进行球磨90min。称取该四元体系450g，加入钢质模具（
）中，在液压机上设定成型压力为30MPa，保压1min。脱模取出压制后的试样置入干燥箱中，在150℃下进行干燥后，放在碳化硅隔板上置于管式炉内，在通入20mL/min氮气条件下，以5℃/min的升温速率，加热至360℃，保温120min后以5℃/min的降温速率开始降温，降温至30℃。最终产物为硝酸钠-二氧化硅-粘土-石墨储热材料，收率在98%以上。扫描电子显微镜和X射线衍射实验结果表明储热材料颗粒在2μm左右。其导热系数为2.45W/(m.K)，耐压强度为19.8MPa。工业余热回收用储热材料的形貌和DSC曲线分别如图1和图3所示。
实施例3
称取1800g硝酸钠和1200g二氧化硅，混合研磨均匀，配制成3000g无机盐-陶瓷基质体系，球磨30min；接着向该二元体系加入400g粘土，继续研磨8min制成无机盐-陶瓷基质-粘土体系；然后向该三元体系加入750g石墨，进行球磨30min。称取该四元混合物600g，加入钢质模具（）中，在液压机上设定成型压力为15Mpa，保压10min。脱模取出压制后的试样置入干燥箱中，在200℃下进行干燥后，放在碳化硅隔板上置于管式炉内，在通入5mL/min氮气条件下，以30℃/min的升温速率，加热至400℃，保温60min后以1℃/min的降温速率开始降温，降温至40℃。最终产物为硝酸钠-二氧化硅-粘土-石墨储热材料，收率在98%以上。扫描电子显微镜及X光衍射实验结果表明储热材料颗粒在5μm左右。其导热系数为1.81W/(m.K)，耐压强度为15.2MPa。其DSC曲线如图4所示。
实施例4
称取600g硫酸钠和2400g硅藻土，混合研磨均匀，配制成3000g无机盐-陶瓷基质体系，球磨30min；接着向该二元体系加入30g粘土，继续研磨6min制成无机盐-陶瓷基质-粘土体系；然后向该三元体系加入3g炭黑，进行球磨20min。称取该四元混合物300g，加入钢质模具（
）中，在液压机上设定成型压力为2Mpa，保压10min。脱模取出压制后的试样置入干燥箱中，在200℃下进行干燥后，放在碳化硅隔板上置于管式炉内，在通入3mL/min氮气条件下，以30℃/min的升温速率，加热至390℃，保温90min后以1℃/min的降温速率开始降温，降温至40℃。最终产物为硫酸钠-硅藻土-粘土-炭黑储热材料，收率在98%以上。扫描电子显微镜及X光衍射实验结果表明储热材料颗粒在5μm左右。其导热系数为1.5W/(m.K)，耐压强度为14.1MPa。
实施例5
称取2857g氯化钾和143g高岭土，混合研磨均匀，配制成3000g无机盐-陶瓷基质体系，球磨30min；接着向该二元体系加入300g粘土，继续研磨8min制成无机盐-陶瓷基质-粘土体系；然后向该三元体系加入495g活性炭粉末，进行球磨50min。称取该四元混合物300g，加入钢质模具（
）中，在液压机上设定成型压力为12Mpa，保压0.5min。脱模取出压制后的试样置入干燥箱中，在250℃下进行干燥后，放在碳化硅隔板上置于管式炉内，在通入1mL/min氮气条件下，以30℃/min的升温速率，加热至400℃，保温80min后以15℃/min的降温速率开始降温，降温至30℃。最终产物为氯化钾-高岭土-粘土-活性炭储热材料，收率在98%以上。扫描电子显微镜及X光衍射实验结果表明储热材料颗粒在5μm左右。其导热系数为2.43W/(m.K)，耐压强度为14.7MPa。
通过实施例1-3所制备的硝酸钠-二氧化硅-粘土-石墨工业余热回收用储热材料（DSC曲线如图2至图4）与同样方法制备的硝酸钠-二氧化硅储热材料相比（DSC曲线如图5），采用添加粘土和石墨作为载体，干法制备出的工业余热回收用储热材料热流明显提高，具有更好的导热传热性。同时，材料耐压强度大大提高。同时由图1所示，制备出的工业余热回收用储热材料颗粒大小均一、粒径为0.5～5μm。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的制备方法，但本发明并不局限于上述制备步骤，即不意味着本发明必须依赖上述制备步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种工业余热回收用储热材料的制备方法，其特征在于，以无机盐和陶瓷基质为主要原料，添加粘土和高导热材料后，直接干混均匀，然后冷压成型，干燥、烧结、冷却后得到所述工业余热回收用储热材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无机盐与陶瓷基质的质量比为1:4～20:1，优选15:17～3:2，进一步优选1:1；
优选地，所述粘土的加入量为0.01～0.5g/（无机盐-陶瓷基质体系），进一步优选0.017～0.13g/（g无机盐-陶瓷基质体系），最优选0.1g/（g无机盐-陶瓷基质体系）；
优选地，所述高导热材料的加入量为0.001～0.3g/（g无机盐-陶瓷基质-粘土体系），进一步优选0.013～0.22g/（g无机盐-陶瓷基质-粘土体系），最优选0.15g/（g无机盐-陶瓷基质-粘土体系）。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，首先将无机盐和陶瓷基质进行球磨混合均匀得到无机盐-陶瓷基质体系；其球磨时间优选5～30min，进一步优选15min；
优选地，向无机盐-陶瓷基质体系中加入粘土进行球磨2～15min得到无机盐-陶瓷基质-粘土体系，进一步优选为8min；
优选地，向无机盐-陶瓷基质-粘土体系中加入高导热材料进行球磨20～90min得到无机盐-陶瓷基质-粘土-高导热材料体系，进一步优选为30～60min。
4.如权利要求1-3之一所述的制备方法，其特征在于，所述冷压成型的压力为2～30kPa，优选10～15kPa，进一步优选12kPa；
优选地，所述冷压成型的保压时间为0.5～15min，进一步优选1～10min，最优选5min。
5.如权利要求1-4之一所述的制备方法，其特征在于，所述烧结是在惰性气体保护下，以1～30℃/min的升温速率，加热到280～400℃，保温30～120min；
优选地，所述惰性气体的流量为3～30mL/min，进一步优选5～20mL/min，最优选15mL/min；
优选地，所述升温速率为5～15℃/min，进一步优选为10℃/min；
优选地，所述加热终点温度为360℃；
优选地，所述保温时间为60min。
6.如权利要求1-5之一所述的制备方法，其特征在于，所述冷却是以1～10℃/min的降温速率进行降温至30～50℃；
优选地，所述降温速率为5℃/min；
优选地，所述降温终点温度为40℃。
7.如权利要求1-6之一所述的制备方法，其特征在于，所述无机盐选自硝酸钠、硫酸钠或氯化钾中的一种或至少两种的混合物，优选为硝酸钠；
优选地，所述陶瓷基质选自高岭土、二氧化硅或硅藻土中的一种或至少两种的混合物，进一步优选二氧化硅；
优选地，所述高导热材料选自炭黑、石墨或活性炭粉末中的一种或至少两种的混合物，进一步优选石墨。
8.如权利要求1-7之一所述的制备方法，其特征在于，所述方法以粘土和高导热率材料为载体，采用干法制备储热材料，包括以下步骤：
1）将无机盐和陶瓷基质按质量比1:4～20:1混合，进行球磨混合均匀得到无机盐-陶瓷基质体系；然后每g无机盐-陶瓷基质体系中加入0.01～0.5g粘土，进行球磨2～15min得到无机盐-陶瓷基质-粘土体系；每g无机盐-陶瓷基质-粘土体系中加入0.001～0.3g高导热材料，进行球磨20～90min后形成无机盐-陶瓷基质-粘土-高导热材料体系；
2）将上述无机盐-陶瓷基质-粘土-高导热材料体系取出放入模具中，以2～30kPa的压力，保压0.5～15min，压制成圆柱状，脱模为成型样品；
3）将上述成型样品干燥后，放在碳化硅隔板上置于管式炉内，通入3～30mL/min惰性气体，在惰性气体保护下以1～30℃/min的升温速率，加热到280～400℃，保温30～120min，进行高温烧结；
4）烧结反应完毕后，以1～10℃/min的速率进行降温至30～50℃，制备出工业余热回收用储热材料。
9.一种通过如权利要求1-8之一所述制备方法得到的工业余热回收用储热材料，其特征在于，所述工业余热回收用储热材料的最大耐压强度达20MPa，导热率达2.5W/(m.K)。
10.一种如权利要求9所述工业余热回收用储热材料的用途，其特征在于，所述储热材料不仅可以用于工业余热回收，同时还可以用于太阳能光热利用以及储热的大型弃风电利用、冷-热-电联用等系统。
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