郝卓雅 柴華 張錦濤 王艷林 劉濤
摘 要:在高溫?zé)峤粨Q領(lǐng)域,無(wú)機(jī)非金屬陶瓷熱交換器材料是常用的材料。其主要功能是回收煙氣余熱,進(jìn)行預(yù)熱和支持燃燒,可以提高能源利用率,達(dá)到節(jié)能減排的目的。鑒于目前的無(wú)機(jī)材料熱交換器的穩(wěn)定性差,導(dǎo)熱性差以及熱交換效果不令人滿(mǎn)意,開(kāi)發(fā)新型的熱交換器材料以提高導(dǎo)熱性和耐熱沖擊性,節(jié)能和減少排放已成為當(dāng)前的趨勢(shì)。這方面的重要任務(wù)。本文簡(jiǎn)要分析了無(wú)機(jī)非金屬陶瓷換熱材料的制備步驟和要點(diǎn),并通過(guò)實(shí)例,討論了該材料的實(shí)際應(yīng)用效果,供同行參考。
關(guān)鍵詞:無(wú)機(jī)非金屬;陶瓷換熱器;制備;應(yīng)用
引言
鑒于能源緊張的局面,目前中國(guó)有許多無(wú)機(jī)非金屬陶瓷換熱器的專(zhuān)業(yè)制造商,但僅限于生產(chǎn)技術(shù)。與國(guó)外產(chǎn)品相比,仍有許多差異。對(duì)于中國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者,他們對(duì)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品配方,工藝,添加劑等進(jìn)行了科學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)不同的配方和添加劑對(duì)生產(chǎn)的無(wú)機(jī)非金屬陶瓷換熱器有很大的性能和組織結(jié)構(gòu)的影響。無(wú)機(jī)非金屬陶瓷換熱器材料高度環(huán)保,是新一代換熱器的理想選擇。有望完全替代目前在中國(guó)使用的金屬熱交換器。
1 無(wú)機(jī)非金屬陶瓷換熱器材料的研究現(xiàn)狀與種類(lèi)
1.1總體而言,中國(guó)對(duì)無(wú)機(jī)非金屬陶瓷換熱器材料的研究起步較晚,總體水平落后于西方國(guó)家。目前,國(guó)內(nèi)外用于制備陶瓷換熱器的主要材料有:莫來(lái)石,鋯石,粘土,SiC,剛玉,堇青石等,而我國(guó)的研究方向主要是堇青石和莫來(lái)石。就方面而言,作者將簡(jiǎn)要討論這兩種材料。
1.1堇青石
堇青石的耐火性比莫來(lái)石稍差,化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱沖擊性也優(yōu)異。堇青石的合成范圍有明顯的局限性,耐腐蝕性不理想。尤其是面對(duì)高腐蝕性氣體(例如SO2)時(shí),堇青石材料容易揮發(fā)或熔化,從而導(dǎo)致氣流阻塞。在正常狀態(tài)下,堇青石大部分是無(wú)色透明的。氧離子的密度不高。它連接了氧化鎂八面體和氧化鋁體,化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)??傮w而言,堇青石無(wú)機(jī)材料的合成范圍有限,對(duì)于抗彎曲性不是理想的,并且具有多孔結(jié)構(gòu)。不建議將它們用于要求高抗熱震性的陶瓷熱交換器。
1.2莫來(lái)石
莫來(lái)石屬于斜方晶系,排列順序?yàn)殡p鏈,六配位鋁離子,具有化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng),抗熱震性好,耐火性好等特點(diǎn),在化學(xué),防御,玻璃等行業(yè)應(yīng)用廣泛。在陶瓷工業(yè)中,莫來(lái)石主要用于制造窯頂柱或板坯,因?yàn)槟獊?lái)石具有良好的耐火性和耐熱沖擊性,并且在高溫下衰減不明顯。即使經(jīng)歷嚴(yán)重的氧化,其化學(xué)性質(zhì)仍然穩(wěn)定,因此莫來(lái)石是重要的無(wú)機(jī)材料,是制備無(wú)機(jī)非金屬陶瓷熱交換器的理想選擇。
2 陶瓷換熱器對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料的內(nèi)質(zhì)要求
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,中國(guó)社會(huì)對(duì)能源的總體需求在增加,已逐漸成為主要的能源消費(fèi)國(guó)。據(jù)統(tǒng)計(jì),窯爐的能耗約占該國(guó)工業(yè)能耗的20%左右總和,主要是由于排煙。中國(guó)每年的煙氣損失相當(dāng)于4500萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤,能源消耗問(wèn)題非常嚴(yán)重。鑒于此,為了達(dá)到理想的節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)的效果,必須從提高工業(yè)爐燃料利用率的角度出發(fā)。通過(guò)熱交換設(shè)備回收工業(yè)爐廢熱是非常有效的方法之一,熱交換器是熱交換裝置的重要部分,它與回收工業(yè)爐廢熱的效果密切相關(guān),并且也是熱交換裝置原理的重要實(shí)施。換熱器的常規(guī)材料是金屬材料,其化學(xué)穩(wěn)定性不強(qiáng),在高溫下易發(fā)生氧化問(wèn)題,耐化學(xué)性差,廢熱回收率差,難以真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
鑒于此,無(wú)機(jī)非金屬陶瓷換熱器材料應(yīng)運(yùn)而生。通常,無(wú)機(jī)非金屬陶瓷換熱器的材料要求可歸納為六點(diǎn),即:(2)儲(chǔ)熱率和導(dǎo)熱系數(shù)高;(2)耐熱沖擊性較好;(3)符合經(jīng)濟(jì)原則的使用壽命長(zhǎng);(4)理想的機(jī)械強(qiáng)度,即使在高溫環(huán)境下也能保持正常狀態(tài);(5)耐高溫,使用溫度必須> 1280℃;(6)耐化學(xué)性強(qiáng),工業(yè)爐廢煙中含有大量的腐蝕性化學(xué)物質(zhì)。用于制造陶瓷熱交換器的無(wú)機(jī)非金屬材料不會(huì)因其引起粉塵固溶反應(yīng)。
3 無(wú)機(jī)非金屬陶瓷換熱器材料的制備方法分析
根據(jù)使用環(huán)境的溫度,無(wú)機(jī)非金屬陶瓷換熱器材料可分為非氧化物材料和氧化物材料。不同的材料有不同的制備方法。非氧化物材料主要使用反應(yīng)燒結(jié)法,而氧化物材料使用常壓燒結(jié)法。兩種方法的具體分析如下:
(1)大氣壓燒結(jié)法
大氣壓燒結(jié)是目前中國(guó)最常用的燒結(jié)方法。它的主要特征是它不會(huì)對(duì)材料施加壓力。使它在大氣壓下燒結(jié),操作方法更加方便。該方法的應(yīng)用對(duì)象主要是富鋁紅柱石等氧化物材料。首先,將材料進(jìn)行精細(xì)研磨和均勻混合,然后向其中加入一定量的添加劑,在沸騰爐進(jìn)行燒結(jié)。讓它自己冷卻。與燒結(jié)法相比,常壓燒結(jié)法的燒結(jié)時(shí)間更長(zhǎng),因此燒結(jié)成本也較高,但由于添加了適量的添加劑和黏土,所得產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度更高。
(2)反應(yīng)燒結(jié)法
所謂反應(yīng)燒結(jié)法主要是將兩種以上的粉末以一定的比例,形狀和形狀混合,然后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在此過(guò)程中,其內(nèi)部的至少兩個(gè)成分會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。用于非氧化物材料,例如碳化硅。通過(guò)反應(yīng)燒結(jié)法得到的產(chǎn)品的燒結(jié)質(zhì)量很好,形狀和尺寸幾乎不變,在靜態(tài)冷卻過(guò)程中不會(huì)發(fā)生收縮的不良反應(yīng),燒結(jié)時(shí)間短,燒結(jié)成本低,符合經(jīng)濟(jì)原則,在燒制形狀復(fù)雜的產(chǎn)品時(shí)也能取得良好的效果。
4 無(wú)機(jī)非金屬陶瓷換熱器材料的制備實(shí)驗(yàn)探討
鑒于掌握無(wú)機(jī)非金屬陶瓷換熱器材料的制備方法難度大,復(fù)雜度高的特點(diǎn),筆者以莫來(lái)石的制備方法為例,并采用常壓燒結(jié)法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。具體過(guò)程和設(shè)備如下:
莫來(lái)石以高嶺土、氧化鋁、蘇州土、等為原材料加以合成,同時(shí)添加一定劑量的氟化鋁以及五氧化二釩,以提高莫來(lái)石的機(jī)械強(qiáng)度與抗腐蝕性能等。所用的原材料具體有:氟化鋁(純度為AlF3≥99.50%)、氧化鋁(純度為Al2O3≥98%)、五氧化二釩(純度為V2O5≥99.68%)、蘇州土(純度為Al2O3≥45.8%)、高嶺土(純度為Al2O3≥29.5%)。所用的設(shè)備具體為:壓力機(jī)、球磨機(jī)、硅鋁棒爐、熱導(dǎo)率測(cè)定儀、電子天平、干燥箱、電動(dòng)抗折儀。
制備完成之后進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試的方法包括抗熱震性測(cè)試、導(dǎo)熱性測(cè)試、抗折強(qiáng)度測(cè)試,具體如下:
(1)抗熱震性測(cè)試。將所得的制品放置于電爐當(dāng)中加熱,加熱至1000-1200℃,隨后停止加熱保溫靜置約25min,最后放入到約25℃的活水當(dāng)中。循環(huán)上述步驟,直至樣品破裂,循環(huán)次數(shù)越多,抗熱震性能越強(qiáng)。(2)導(dǎo)熱性測(cè)試。將樣品放置于干燥箱中進(jìn)行干燥處理,控制水域溫度,打開(kāi)電源。平衡狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)為兩測(cè)點(diǎn)間的溫度波動(dòng)<0.2℃,保持平衡狀態(tài)時(shí)間越長(zhǎng),導(dǎo)熱性越佳。(3)抗折強(qiáng)度測(cè)試。采用三點(diǎn)抗彎法對(duì)樣品進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試,。
結(jié)束語(yǔ)
總之,在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天,能源消耗問(wèn)題不容忽視,能源消耗過(guò)大,生產(chǎn)成本較高,環(huán)境污染問(wèn)題也更加嚴(yán)重??拐鹦阅懿?,降低能耗和節(jié)能效果不理想。陶瓷熱交換器由無(wú)機(jī)非金屬材料制成。經(jīng)過(guò)大量實(shí)際應(yīng)用和科學(xué)分析,其導(dǎo)熱系數(shù)和抗熱震性能良好,抗彎強(qiáng)度大。在高溫環(huán)境下仍保持穩(wěn)定的化學(xué)形態(tài),具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
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