CN107337468A - 一种泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于多孔燃烧技术领域，具体涉及一种泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备方法及应用。以聚氨酯泡沫塑料为骨架，经挂料、固化、热解、渗硅烧结的工艺程序得到泡沫陶瓷多孔燃烧介质。本发明的泡沫陶瓷多孔燃烧介质具有三维网状多孔结构，孔隙率高(80％以上)，比重小，比表面积大，孔径分布均匀，具有强度高、耐磨损、耐腐蚀等性能，具有优异的高温强度和热稳定性能，具有抗热震、抗热疲劳、使用寿命长的特点。采用本发明的泡沫陶瓷多孔燃烧介质不仅可以提高预混气体燃烧装置的燃烧效率，降低污染物的排放，而且能够显著拓宽燃料贫燃极限，同时在减小设备体积、实现燃烧设备小型化方面具有强大的优势。

Description

一种泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备方法及应用
技术领域
本发明属于多孔燃烧技术领域，具体涉及一种泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备方法及应用。
背景技术
目前，在我国燃气利用上存在着效率低、浪费严重等问题，而且大量的低品位能源未得到开发和利用。在钢铁工业、石油化工工业、煤炭工业等领域不断产生低热值气体，包括高炉煤气、低浓度煤矿瓦斯气、化工过程低热值尾气、石油化工行业尾气等。而在自然界和日常生活中同样存在大量的物质热解气化气等低热值气体，比如酿造和养殖行业产生的沼气，生物质热解过程中产生的CO、CH4、C2H2等可燃气体，以及垃圾填埋场里产生的以甲烷为主的低热值可燃气体。长期以来，这些气体燃料由于可燃成分含量少，热值低，在传统的自由火焰燃烧条件下难以点燃和控制，燃烧非常困难，且容易出现回火、吹熄等现象，常常被当作废气直接排入大气中。多孔介质燃烧是一种新型、高效的燃烧强化技术，实现低热值气体燃料的高效清洁利用。中国发明专利CN201110428993.9、CN201120535933.2和CN201310015505.0分别提出了基于多孔介质燃烧的燃烧装置以提高燃烧效率和低热值气体燃料的高效利用。
目前，常用的多孔介质材料主要包括金属材料和陶瓷材料。但由于多孔介质燃烧区域火焰温度高，可达到1400～1600℃，甚至1700℃，多孔介质金属材料的耐热性能不足，且在高温下存在氧化和腐蚀的问题。而传统的多孔陶瓷材料抗热震性能不佳，影响和制约其在高温燃烧领域的应用。
发明内容
为了避免现有材料的不足之处，本发明的目的在于提供一种泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备方法及应用，克服现有多孔燃烧介质中存在的热稳定性能差、抗热震性能不好、使用寿命短等问题。
本发明的技术方案是：
一种泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备方法，包括如下步骤：
第一步，将聚氨酯泡沫塑料裁剪成所需的形状和尺寸，并浸入以高残炭率配置的料浆中，取出挤压、吹扫除去多余料浆；
第二步，将上述浸渍料浆的聚氨酯泡沫塑料烘干固化，并重复浸渍、挤压、吹扫的过程以获得所需的体积分数；
第三步，将固化后的聚氨酯泡沫塑料热解，热解气氛为真空或惰性保护气氛，升温速率为1～10℃/min，热解温度800～1000℃，保温10～300min；
第四步，将热解后的泡沫状前驱体渗硅烧结处理，烧结气氛为真空或惰性保护气氛，温度为1400～1900℃，保温时间10～300min，得到中间材料SiC/Si泡沫陶瓷材料；
第五步，在真空条件下，对SiC/Si泡沫陶瓷材料除硅处理获得纯净的SiC泡沫陶瓷多孔燃烧介质。
所述的泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备方法，以高残炭率配置的料浆包含碳化硅粉、酚醛树脂、固化剂和乙醇，酚醛树脂、微米级碳化硅粉、固化剂和乙醇的重量比例为100：(130～140)：(10～15)：(30～40)。
所述的泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备方法，热解后的泡沫状前驱体以碳为主要成分，并可精确机加工处理。
所述的泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备方法，泡沫陶瓷多孔燃烧介质成分为碳化硅。
所述方法制备的泡沫陶瓷多孔燃烧介质的应用，泡沫陶瓷多孔燃烧介质应用在红外线燃气燃烧器。
所述方法制备的泡沫陶瓷多孔燃烧介质的应用，泡沫陶瓷多孔燃烧介质应用在照明用燃气燃烧器。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明提出一种泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备方法，采用高分子热解结合可控熔渗反应烧结的方法制备具有一定孔隙率、一定孔径尺寸的SiC/Si泡沫陶瓷材料，再除Si处理，最终获得纯净的SiC泡沫陶瓷多孔燃烧介质。
2、泡沫陶瓷多孔燃烧介质具有三维网状多孔结构，孔隙率高(80％以上)，具有良好的流通特性，流动阻力低；
3、泡沫陶瓷多孔燃烧介质比表面积大，孔径分布均匀，燃烧反应区域拓宽，燃烧区内温度梯度减小，温度分布均匀；
4、泡沫陶瓷多孔燃烧介质比重小，无需固定装置可在任意角度下运行，方便应用；
5、泡沫陶瓷多孔燃烧介质强度高、耐磨损、耐腐蚀，具有抗热震、抗热疲劳、使用寿命长的优点。
附图说明
图1：泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备工艺流程。
图2：中间材料SiC/Si泡沫陶瓷材料的局部结构图和XRD图谱。a，SiC/Si泡沫陶瓷材料的局部结构图；b，SiC/Si泡沫陶瓷材料的XRD图谱。
图3：泡沫陶瓷多孔燃烧介质的局部结构图和XRD图谱。a，泡沫陶瓷多孔燃烧介质的局部结构图；b，泡沫陶瓷多孔燃烧介质的XRD图谱。
图4：高效率红外燃气燃烧器的结构示意图。a，燃烧器腔体剖面图；b，燃烧器俯视图。图中，1、引射器；2、点火喷嘴；3、炉腔壳；4、多孔燃烧介质；5、点火针；6、多孔换热介质。
图5：高效照明用燃气燃烧器的结构示意图。图中，10、蓄热器；20、混合腔；30、分流器；40、燃烧室；50、多孔燃烧介质；60、泡沫陶瓷热辐射器；70、滤光器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所提出的泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备和应用做进一步说明。
实施例一：
如图1所示，本实施例中，泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备流程为：
第一步，选择合适尺寸、形状和孔径的聚氨酯泡沫，将聚氨酯泡沫塑料裁剪成所需的形状和尺寸，并浸入以高残炭率配置的料浆中浸挂料浆，取出挤压、吹扫除去多余料浆；其中，酚醛树脂、微米级碳化硅粉、固化剂和乙醇按照100：(130～140)：(10～15)：(30～40)的重量比例配制成树脂料浆，固化剂为粒状固体颗粒对甲苯磺酸或液态NL固化剂。料浆的残炭率在70％以上，本实施例料浆的残炭率为75％。
第二步，将上述浸渍料浆的聚氨酯泡沫塑料烘干固化，并重复浸渍、挤压、吹扫的过程以获得所需的体积分数(体积分数20％以上，本实施例体积分数为30％)；
第三步，将固化后的聚氨酯泡沫塑料热解，热解气氛为真空或惰性保护气氛，升温速率为1～10℃/min(本实施例为5℃/min)，热解温度800～1000℃(本实施例为900℃)，保温10～300min(本实施例为120min)；
第四步，将热解后的泡沫状前驱体渗硅烧结处理，烧结气氛为真空或惰性保护气氛，温度为1400～1900℃(本实施例为1600℃)，保温时间10～300min(本实施例为120min)，得到中间材料同样是三维网络结构的SiC/Si泡沫陶瓷材料(图2a和图2b)；
第五步，在真空条件下，对SiC/Si泡沫陶瓷材料除硅处理获得纯净的SiC泡沫陶瓷多孔燃烧介质(图3a和图3b)。
本实施例的泡沫陶瓷多孔燃烧介质具有三维网状多孔结构，孔隙率高(80％以上)，比重小，比表面积大，孔径分布均匀，具有强度高、耐磨损、耐腐蚀等性能；具有良好的流通特性，流动阻力低；无需固定装置可在任意角度下运行；优异的高温强度和热稳定性能，具有抗热震、抗热疲劳、使用寿命长的特点。采用本发明的泡沫陶瓷多孔燃烧介质不仅可以提高预混气体燃烧装置的燃烧效率，降低污染物的排放，而且能够显著拓宽燃料贫燃极限，同时在减小设备体积、实现燃烧设备小型化方面具有强大的优势。
实施例二：
如图4所示，本实施例中，一种高效率红外燃气燃烧器，由引射器1、点火喷嘴2、炉腔壳3、多孔燃烧介质4、点火针5和多孔换热介质6组成，多孔燃烧介质4和多孔换热介质6都为本发明提供的碳化硅泡沫陶瓷。当燃气燃烧器点火时，燃气空气混合气从多孔燃烧介质4孔内溢出，主燃烧器可迅速被点燃，由于点火火焰分散度与集中度合适，也不会有明显的燃烧不完全、无黑烟、点火着火率很高。燃烧产生的热量可通过多孔换热介质6传递，预热炉腔内的燃气空气混合气，保障了燃气的高效燃烧。本实施例具有点火性能好、可靠性高、结构简单、燃烧效率高、燃气适应范围广的优点。
实施例三：
如图5所示，本实施例中，一种高效照明用燃气燃烧器，由蓄热器10、混合腔20、分流器30、燃烧室40、多孔燃烧介质50、泡沫陶瓷热辐射器60和滤光器70组成。压缩空气和燃气在混合腔20内预混均匀，经由分流器30进入燃烧室40，在多孔燃烧介质50内高效燃烧释放高热量，燃烧热量经泡沫陶瓷热辐射器60向外辐射，经滤光器处理后发射可见光。燃烧余热被蓄热器10吸收存储，用于预热压缩空气，提高燃烧效率，尾气经出口排出。本实施例充分发挥多孔燃烧介质燃烧效率高、热辐射性能优异的特点，可以释放极高的辐射能和高密度的光能。此实施例作为低眩光产品的替代可以应用于热-光合并的体系内。

Claims (6)

1.一种泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，将聚氨酯泡沫塑料裁剪成所需的形状和尺寸，并浸入以高残炭率配置的料浆中，取出挤压、吹扫除去多余料浆；
第二步，将上述浸渍料浆的聚氨酯泡沫塑料烘干固化，并重复浸渍、挤压、吹扫的过程以获得所需的体积分数；
第三步，将固化后的聚氨酯泡沫塑料热解，热解气氛为真空或惰性保护气氛，升温速率为1～10℃/min，热解温度800～1000℃，保温10～300min；
第四步，将热解后的泡沫状前驱体渗硅烧结处理，烧结气氛为真空或惰性保护气氛，温度为1400～1900℃，保温时间10～300min，得到中间材料SiC/Si泡沫陶瓷材料；
第五步，在真空条件下，对SiC/Si泡沫陶瓷材料除硅处理获得纯净的SiC泡沫陶瓷多孔燃烧介质。
2.根据权利要求1所述的泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备方法，其特征在于：以高残炭率配置的料浆包含碳化硅粉、酚醛树脂、固化剂和乙醇，酚醛树脂、微米级碳化硅粉、固化剂和乙醇的重量比例为100：(130～140)：(10～15)：(30～40)。
3.根据权利要求1所述的泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备方法，其特征在于：热解后的泡沫状前驱体以碳为主要成分，并可精确机加工处理。
4.根据权利要求1所述的泡沫陶瓷多孔燃烧介质的制备方法，其特征在于：泡沫陶瓷多孔燃烧介质成分为碳化硅。
5.一种权利要求1至4之一所述方法制备的泡沫陶瓷多孔燃烧介质的应用，其特征在于：泡沫陶瓷多孔燃烧介质应用在红外线燃气燃烧器。
6.一种权利要求1至4之一所述方法制备的泡沫陶瓷多孔燃烧介质的应用，其特征在于：泡沫陶瓷多孔燃烧介质应用在照明用燃气燃烧器。
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