新型無機(jī)非金屬陶瓷換熱器材料的制備與應(yīng)用

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意，開發(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)。本文簡要分析了無機(jī)非金屬陶瓷換熱材料的制備步驟和要點(diǎn)，并通過實(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，目前中國有許多無機(jī)非金屬陶瓷換熱器的專業(yè)制造商，但僅限于生產(chǎn)技術(shù)。與國外產(chǎn)品相比，仍有許多差異。對(duì)于中國相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者，他們對(duì)國內(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使用的金屬熱交換器。

1 無機(jī)非金屬陶瓷換熱器材料的研究現(xiàn)狀與種類

1.1總體而言，中國對(duì)無機(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家。目前，國內(nèi)外用于制備陶瓷換熱器的主要材料有：莫來石，鋯石，粘土，SiC，剛玉，堇青石等，而我國的研究方向主要是堇青石和莫來石。就方面而言，作者將簡要討論這兩種材料。

1.1堇青石

堇青石的耐火性比莫來石稍差，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)。總體而言，堇青石無機(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莫來石

莫來石屬于斜方晶系，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，莫來石主要用于制造窯頂柱或板坯，因?yàn)槟獊硎哂辛己玫哪突鹦院湍蜔釠_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，因此莫來石是重要的無機(jī)材料，是制備無機(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。據(jù)統(tǒng)計(jì)，窯爐的能耗約占該國工業(yè)能耗的20%左右總和，主要是由于排煙。中國每年的煙氣損失相當(dāng)于4500萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，能源消耗問題非常嚴(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，無機(jī)非金屬陶瓷換熱器材料應(yīng)運(yùn)而生。通常，無機(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;（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機(jī)非金屬材料不會(huì)因其引起粉塵固溶反應(yīng)。

3 無機(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，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)。具體過程和設(shè)備如下：

莫來石以高嶺土、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，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

總之，在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，能源消耗問題不容忽視，能源消耗過大，生產(chǎn)成本較高，環(huán)境污染問題也更加嚴(yán)重。抗震性能差，降低能耗和節(jié)能效果不理想。陶瓷熱交換器由無機(jī)非金屬材料制成。經(jīng)過大量實(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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