一种利用高铝粉煤灰制备陶瓷纤维的方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用高铝粉煤灰制备陶瓷纤维的方法，所述方法包括如下步骤：A、配料；B、造球；C、熔化、除铁除碳；D、成纤。通过选择合适的配料原料和用量比，以及控制各个工序步骤的工艺参数，而得到了性能良好、直径分布均匀的陶瓷纤维，经过检测，由如此方法得到的陶瓷纤维制得的各种纤维制品性能优良，完全满足了隔热、耐火、防潮等诸多应用指标，在节能减排、环境领域废弃物循环利用领域具有广阔的应用前景和工业化潜力。
【专利说明】一种利用高铝粉煤灰制备陶瓷纤维的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种煤炭燃烧残留物的废物利用方法，更具体而言，本发明涉及一种利用高铝粉煤灰制备陶瓷纤维的方法，属于固体废弃物的再加工利用和陶瓷纤维生产领域。
【背景技术】
[0002]粉煤灰是燃煤电厂生产过程中产生的一种固体废弃物，其产量约占燃煤总量的5-20%,因此其产生量巨大。
[0003]目前，世界上粉煤灰年排放量约5亿吨，而我国由于长期以来煤炭一直都是能源来源的最主要构成部分，因此每年都产生数量巨大的粉煤灰，目前我国粉煤灰堆放量在15亿吨以上，储灰场占用土地4万多公顷。
[0004]长期以来，粉煤灰的综合利用都是环境保护领域的一个重要课题，到现在为止，粉煤灰已经被广泛应用于建材、建工、筑路等领域，但高附加值的利用尚未大规模推广。
[0005]由于不同的产煤区域中，构成煤炭的无机矿物和含量高低均有所不同，从而导致了燃烧所产生的粉煤灰在组分构成上也有所不同。其中，我国山西省北部、陕西省及内蒙古自治区等地的粉煤灰中的CaO含量偏低，属于低钙灰，依质量百分含量计，主要由SiO2 (40-60%)、Al2O3 (30-50%)、Fe2O3 (2-10%)、CaO (1-10%)和未燃的炭(1-2.6%)组成，此外还有少量的MgO、Na2O, K2O, SO3以及砷、铜、锌等微量元素，其中Si02、A1203、Fe2O3和CaO这四者之和占90%以上，属于高铝粉煤灰，这些地区的高铝粉煤灰年产生量超过5000万吨，堆放粉煤灰需数百公顷土地，不仅严重污染环境，而且占用大量土地，同时与巨大产量相对应的尴尬事实是这些地区的高铝粉煤灰的综合利用率小于30%，且主要是在附加值很低的蒸压砖和砌块等方面，进而导致资源再利用水平不高、经济效益较差。
[0006]正是由于高附加值处理手段的匮乏和再利用程度的低下，导致高铝粉煤灰主要以堆存为主，这不仅严重污染了环境，也耗费了大量的土地资源，已经成为这些地区不得不面临并亟需解决的主要问题和难题之一。
[0007]对此，众多的科研工作者和生产厂家进行了积极的研究，并开发出了多种使用粉煤灰来制备各种制品的方法。
[0008]例如，CN1260336A公开了一种高掺量粉煤灰烧结砖的生产工艺；CN1065650A公开了一种黄土红土质粉煤灰墙地砖的配方；CN1070177A公开了一种用粉煤灰制造陶瓷饰面砖的方法；CN1410386A公开了一种高掺量粉煤灰瓷质砖及其制备方法；CN102701716A公开了一种粉煤灰质陶瓷砖及其制备方法；CN101164962A公开了一种利用粉煤灰制备得到的陶瓷墙地砖。
[0009]但迄今为止，尚未有利用粉煤灰制备陶瓷纤维，尤其是适用于节能、隔热、耐火等建筑保温材料领域的技术报道。
[0010]陶瓷纤维材料是一种无机耐高温纤维状轻质新型绝热节能材料，具有耐高温、热稳定性好、重量轻、节能效果显著(I吨陶瓷纤维节能相当于200吨标准煤的热能)等特点，而被广泛应用于工业、民用和航天军工领域，陶瓷维正在取代传统的石棉制品、耐火砖和硅酸钙板等耐火材料。因此，在我国的现状下，陶瓷纤维制品的广泛应用，对节能减排具有重大的现实意义和社会意义。
[0011]更进一步，使用我国产量巨大的粉煤灰来制备陶瓷纤维，一方面能够最大限定的利用粉煤灰，实现其高附加值利用度。另一方面，更是资源、能源循环与再生利用领域的创新项目，对提高废弃物利用效率、充分利用废弃能源，促进我国的经济与社会、人与自然的和谐发展，实现资源经济向循环经济的跨跃具有极其深远的意义。所有的这些，均成为本发明的研究动力和得以完成的基础所在。
【发明内容】
[0012]针对如上所述的现实需求和技术发展，本发明人经过大量的深入研究，在付出了充分的创造性劳动后，开发了一种利用高铝粉煤灰制备陶瓷纤维的方法，从而完成了本发明。
[0013]具体而言，本发明涉及一种利用高铝粉煤灰制备陶瓷纤维的方法，所述方法包括如下步骤:A、配料；B、造球；C、熔化、除铁除碳；D、成纤。
[0014]进一步具体而言，本发明提供了一种利用高铝粉煤灰制备陶瓷纤维的方法，所述方法包括如下步骤:
[0015]A、配料
[0016]分别称取高铝粉煤灰和铝矾土，按照一定组分进行配比，然后将两者混合均匀，得到配料；
[0017]B、造球
[0018]将配料进行造球，得到球粒；
[0019]C、溶化、除铁除碳
[0020]将球粒熔化、除铁除碳，得到高温熔融液；
[0021]D、成纤
[0022]将高温熔融液吹丝或甩丝成纤，得到最终产品陶瓷纤维。
[0023]在本发明的利用高铝粉煤灰制备陶瓷纤维的方法中，步骤A中的高铝粉煤灰和铝矾土的配比应使得所得配料中的氧化铝质量含量(即高铝粉煤灰和铝矾土中的氧化铝含量之和)为43-50%，例如可为43%、45%、47%、49%或50%。
[0024]在本发明的利用高铝粉煤灰制备陶瓷纤维的方法中，步骤A中高铝粉煤灰中的氧化铝质量百分含量为30-45%，例如可为30%、35%、40%或45%。例如可为来自山西朔州化学组成如下表I所示的高铝粉煤灰:
[0025]表1.高铝粉煤灰的化学组成
[0026]
成分 SiO2 八12(.); K2O Na2O CaO Fc20.; MgO TiO2 S LOT 高铝粉煤灰 41.97 39.90 0.501 0.197 6.41 1.96 ().60().1.20 3.1.5 4.112
[0027]其中:L0I为烧失量。
[0028]在本发明的利用高铝粉煤灰制备陶瓷纤维的方法中，在步骤B中，将配料进行造球，得到球粒。在造粒时加入有机粘结剂，所述有机粘结剂为配料质量的1_5%，例如为1%、2%、3%、4% 或 5% ο
[0029]其中，所述有机粘结剂为造粒领域中常用的常规粘结剂，例如为聚乙烯醇或者其它的类似大分子粘结剂。
[0030]其中，所得球粒的直径为3_6cm,例如为3cm、4cm、5cm或6cm。
[0031]该造粒操作所使用的装置均为造粒领域的常规装置，在此不再一一赘述。
[0032]在本发明的利用高铝粉煤灰制备陶瓷纤维的方法中，在步骤C中进行熔化、除铁除碳操作时使用除铁除碳装置，所述除铁除碳装置包括熔融槽，所述熔融槽顶部敞口，所述熔融槽的槽底倾斜设置，所述槽底的中部位置设有出料口，所述槽底的最低位置设有铁液出口，所述熔融槽内设有三根用于加热所述熔融槽内物料的熔融电极，三根所述熔融电极之间互成60-120°夹角，例如可为60°、80。UOO0或120。。
[0033]该步骤C的除铁除碳操作后的所得熔融液中的碳质量含量小于0.1%、铁质量含量小于0.5%。若不能达到该含量要求，则可以重复进行该步骤操作，直至所得熔融液中的碳质量含量和铁质量含量满足上述指标要求(例如可将第一次除铁除碳后的熔融液重新粉碎，然后再次熔化、除铁除碳)。
[0034]在所述除铁除碳装置中，作为一种优选技术方案，优选三根所述熔融电极之间互成80°夹角或120°夹角。
[0035]在所述除铁除碳装置中，作为一种优选技术方案，所述出料口内设有一防止熔融液凝固的防凝电极。
[0036]在所述除铁除碳装置中，作为一种优选技术方案，所述铁液出口内设有一防止铁液凝固的防凝电极。
[0037]在所述除铁除碳装置中，作为一种优选技术方案，所述熔融槽包括内槽体和外槽体，所述内槽体与外槽体之间设有冷却夹层，所述冷却夹层通过管道连接冷却水源，所述管道上设有截止阀。
[0038]在所述除铁除碳装置中，作为一种优选技术方案，所述熔融槽内设有若干横向布置且由陶瓷材料制成的曝气管，所述曝气管上开设有若干通气孔，所述曝气管贯穿所述熔融槽且所述曝气管一端封闭，另一端连接压缩空气源。
[0039]其中，对本领域技术人员来说，曝气管和数量以及通气孔的数量可根据操作需求而合理地确定，以能将熔融体进行合适的或者最大程度的充分搅拌即可。
[0040]在所述除铁除碳装置中，作为一种优选技术方案，所述曝气管设置成靠近所述槽底，从而具有最大的曝气效率。
[0041]在所述除铁装置中，除非另有规定，自始至终，术语“熔融液”是指球粒熔化后包括氧化铝、氧化硅、除去了氧化铁和残留碳的液体，除去了杂质后的该熔融液从出料口流出，可用于随后的工序中。而原来粉煤灰中的残存碳与氧化铁在高温加热中发生反应生成气体排出，生成的铁液则从铁液出口排出。
[0042]在所述除铁除碳装置中，除非另有规定，自始至终，术语“熔融体”是指包含了铁液和熔融液的最初的熔融混合物，而随着处理的进行，慢慢物理分层成为所述铁液和所述熔融液。
[0043]在进行所述除铁、除碳操作时，熔融槽的温度控制在1800-200(TC之间，例如可为1800 0C、1850 0C、1900 0C、1950。。或 2000 V。[0044]在本发明的利用高铝粉煤灰制备陶瓷纤维的方法中，在步骤D中，成纤温度为1500-1700°C，例如可为 1500°C、1550°C、1600°C、1650°C 或 1700。。。
[0045]当吹丝成纤时，喷吹风速≥200米/秒。
[0046]当甩丝成纤时，甩丝机的转速为6000-7200转/分钟，例如为6000转/分钟、6200转/分钟、6400转/分钟、6600转/分钟、6800转/分钟、7000转/分钟或7200转/分钟。
[0047]如上所述，通过使用本发明的上述操作步骤和各个工艺参数，可使用高铝粉煤灰制得高附加值的陶瓷纤维，且所得的陶瓷纤维具有良好的性能，能够满足多个领域的具体应用指标。
[0048]总体而言，本发明具有如下的优点和特点:
[0049]1.实现了高铝粉煤灰的高附加值、高效综合利用，可产生巨大的经济效益和社会价值；
[0050]2.减少了固体废弃物总量，保护了环境，从而促进了经济、环境的和谐发展，实现了由资源型社会向循环经济的跨越。
【专利附图】
【附图说明】
[0051]图1是本发明步骤A中所使用的除铁除碳装置一的结构示意图；
[0052]图2是本发明步骤A中所使用的除铁除碳装置二的另种结构示意图。
[0053]其中，在图1和图2中，各个数字标号分别指代如下的具体含义、元件或部件。
[0054]图中:1、外槽体，2、内槽体，3、冷却夹层，4、出料口，5、铁液出口，6、熔融电极，7、截止阀，8、防凝电极，9、曝气管。
[0055]图3是本发明实施例1所得陶瓷纤维的电镜显微照片。
【具体实施方式】
[0056]下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明，但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。
[0057]其中，所有实施例中所使用的高铝粉煤灰均为具有上述表1中化学组成的高铝粉煤灰。
[0058]除铁除碳装置一
[0059]如图1所示，本发明的除铁除碳装置，包括熔融槽，熔融槽顶部敞口，熔融槽的槽底倾斜设置，槽底的中部位置设有出料口 4，槽底的最低位置设有铁液出口 5，熔融槽内设有三根用于加热熔融槽内物料的熔融电极6，三根熔融电极6之间互成60°夹角，铁液出口5内设有一防止铁液冷凝的防凝电极8，熔融液出料口 4中也可以设有防止熔融液凝固的防凝固电极(附图中未示出)。当然，熔融槽的加热方式并无特别的限定，例如可以采用高频熔融，本领域技术人员可根据需要而自行选择。
[0060]所述熔融槽包括内槽体2和外槽体1，内槽体2与外槽体I之间设有冷却夹层3，冷却夹层3通过管道连接冷却水源，管道上设有截止阀7。
[0061]众所周知，氧化铝与氧化硅的二元相图可知，熔点可以控制在1800-2000°C之间使用，使用时，熔融槽的温度控制在1800-2000°C之间，这在铁的熔点以上，将球粒通过加料装置(未示出)加入内槽体2中之后，对三根熔融电极6通电，随着通电的进行，熔融电极6周围区域慢慢融化，并逐渐扩大，由于所形成的熔融体本身具有很高的电阻，从而可以通过自身的电流加热，这时可以慢慢上提熔融电极6，而依靠熔融体的自身电流继续对未融化的球粒进行加热。在加热过程中，球粒中的杂质氧化铁与碳发生还原反应，其中碳转化为碳氧化物如二氧化碳或一氧化碳排出，而铁氧化物杂质则在内槽体2内融化形成铁液，并在自身重力作用下顺着槽底的倾斜而汇集到铁液出口 5，由铁液出口 5排出进行收集或进一步成型，分离得到的高品质熔融液可由出料口 4而排出，可后续用来制备高性能陶瓷纤维。其中，出料口 4中可设有防止熔融液凝固的防凝电极(未示出)。
[0062]除铁除碳装置二
[0063]如图2所示，本发明的一种除铁除碳装置，其结构与除铁除碳装置一基本相同，其区别在于:熔融槽内还额外设有若干横向布置且由陶瓷材料制成的曝气管9，曝气管9的数量根据熔融槽的容积设定，曝气管9上开设有若干通气孔，曝气管9贯穿熔融槽且靠近槽底设置，曝气管9 一端封闭，另一端连接压缩空气源。
[0064]使用时，当内槽体2内形成熔融体时，可以使用高压气体形成气泡进行搅拌，使得反应更加充分，除杂更加彻底。除杂完毕后，排料时，打开截止阀7，冷却夹层3中加入循环冷却水，回收熔融体的热量后再利用。
[0065]除铁除碳操作
[0066]使用图1所示的除铁除碳装置进行除铁操作，其中三根熔融电极之间互成60-120°夹角，操作过程中保持熔融槽的温度在1800-2000°C之间，从出料口得到的纯度提高的熔融液用于后续步骤中。
[0067]还可以使用图2所示的除铁除碳装置进行除铁操作，其中三根熔融电极之间互成60-120°夹角，操作过程中保持熔融槽的温度在1800-2000°C之间。操作期间，通过曝气管使用高压气体进行鼓泡搅拌，从而使得反应更加充分、完全，提高了除杂效率。从出料口得到的纯度提高的熔融液用于后续步骤中。
[0068]实施例1
[0069]A、配料
[0070]分别称取上表I的高铝粉煤灰和铝矾土，进行配比，然后将两者混合均匀，得到配料，其中配料中的氧化铝质量含量(即高铝粉煤灰和铝矾土中的氧化铝含量之和)为43%。
[0071]B、造球
[0072]向步骤A所得的配料中加入聚乙烯醇，其中聚乙烯醇的质量为配料质量的1%，造球后得到直径为3cm的球粒。
[0073]C、熔化、除铁除碳
[0074]将球粒加入到上述除铁除碳装置一中，其中三根熔融电极之间为80°夹角，通电熔融，使得熔融槽的温度为1800-2000 V之间，将球粒熔化、除铁除碳，得到高温熔融液。该操作可进行一次或多次，直至其中的碳质量含量小于0.1%、铁质量含量小于0.5%。
[0075]D、成纤
[0076]将步骤C的高温熔融液进行吹丝成纤，其中成纤温度为1500°C，喷吹风速为200米/秒，得到最终产品陶瓷纤维，命名为XW1。
[0077]实施例2[0078]A、配料
[0079]分别称取上表I的高铝粉煤灰和铝矾土，进行配比，然后将两者混合均匀，得到配料，其中配料中的氧化铝质量含量(即高铝粉煤灰和铝矾土中的氧化铝含量之和)为46%。
[0080]B、造球
[0081]向步骤A所得的配料中加入聚乙烯醇，其中聚乙烯醇的质量为配料质量的3%，造球后得到直径为5cm的球粒。
[0082]C、熔化、除铁除碳
[0083]将球粒加入到上述除铁除碳装置二中，其中三根熔融电极之间为100°夹角，通电熔融，使得熔融槽的温度为1800-2000 V之间，将球粒熔化、除铁除碳，得到高温熔融液。该操作可进行一次或多次，直至其中的碳质量含量小于0.1%、铁质量含量小于0.5%。
[0084]D、成纤
[0085]将步骤C的高温熔融液进行甩丝成纤，其中成纤温度为1600°C，甩丝机的转速为6000转/分钟，得到最终产品陶瓷纤维，命名为XW2。
[0086]实施例3
[0087]A、配料
[0088]分别称取上表I的高铝粉煤灰和铝矾土，进行配比，然后将两者混合均匀，得到配料，其中配料中的氧化铝质量含量(即高铝粉煤灰和铝矾土中的氧化铝含量之和)为48%。
[0089]B、造球
[0090]向步骤A所得的配料中加入聚乙烯醇，其中聚乙烯醇的质量为配料质量的5%，造球后得到直径为6cm的球粒。
[0091 ] C、溶化、除铁除碳
[0092]将球粒加入到上述除铁除碳装置一中，其中三根熔融电极之间为120°夹角，通电熔融，使得熔融槽的温度为1800-2000 V之间，将球粒熔化、除铁除碳，得到高温熔融液。该操作可进行一次或多次，直至其中的碳质量含量小于0.1%、铁质量含量小于0.5%。
[0093]D、成纤
[0094]将步骤C的高温熔融液进行吹丝成纤，其中成纤温度为1700°C，喷吹风速250米/秒，得到最终产品陶瓷纤维，命名为XW3。
[0095]实施例4
[0096]A、配料
[0097]分别称取上表I的高铝粉煤灰和铝矾土，进行配比，然后将两者混合均匀，得到配料，其中配料中的氧化铝质量含量(即高铝粉煤灰和铝矾土中的氧化铝含量之和)为50%。
[0098]B、造球
[0099]向步骤A所得的配料中加入聚乙烯醇，其中聚乙烯醇的质量为配料质量的2%，造球后得到直径为4cm的球粒。
[0100]C、溶化、除铁除碳
[0101]将球粒加入到上述除铁除碳装置一中，其中三根熔融电极之间为60°夹角，通电熔融，使得熔融槽的温度为1800-2000 V之间，将球粒熔化、除铁除碳，得到高温熔融液。该操作可进行一次或多次，直至其中的碳质量含量小于0.1%、铁质量含量小于0.5%。
[0102]D、成纤[0103]将步骤C的高温熔融液进行甩丝成纤，其中成纤温度为1550°C，甩丝机的转速为7000转/分钟，得到最终产品陶瓷纤维，命名为XW4。
[0104]实施例5
[0105]A、配料
[0106]分别称取上表1的高铝粉煤灰和铝矾土，进行配比，然后将两者混合均匀，得到配料，其中配料中的氧化铝质量含量(即高铝粉煤灰和铝矾土中的氧化铝含量之和)为45%。
[0107]B、造球
[0108]向步骤A所得的配料中加入聚乙烯醇，其中聚乙烯醇的质量为配料质量的3%，造球后得到直径为5cm的球粒。
[0109]C、溶化、除铁除碳
[0110]将球粒加入到上述除铁除碳装置二中，其中三根熔融电极之间为120°夹角，通电熔融，使得熔融槽的温度为1800-2000 V之间，将球粒熔化、除铁除碳，得到高温熔融液。该操作可进行一次或多次，直至其中的碳质量含量小于0.1%、铁质量含量小于0.5%。
[0111]D、成纤
[0112]将步骤C的高温熔融液进行吹丝成纤，其中成纤温度为1650°C，喷吹风速300米/秒，得到最终产品陶瓷纤维，命名为XW5。
[0113]纤维检测
[0114]实用扫描电镜观察实施例1-5所得陶瓷纤维的直径和形态，例如图3是XWl的扫描电镜图，由该图可见:所得的陶瓷纤维直径均匀、表面光滑，具有良好的物理形态。
[0115]实用扫描电镜观察实施例2-5所得的陶瓷纤维XW2-XW5，发现它们具有与图3所示XWl高度类似的直径，且同样直径均匀、表面光滑，具有良好的物理形态。
[0116]纤维制品性能
[0117]按照目前现有技术中的已知陶瓷纤维板生产工艺(例如采用真空成型法)，使用本发明实施例1-5的XW1-5来制备陶瓷纤维板，然后检测所得陶瓷纤维板的各种物性参数，具体数据见下表2。
[0118]表2.陶瓷纤维板技术性能
[0119]
【权利要求】
1.一种利用高铝粉煤灰制备陶瓷纤维的方法，所述方法包括如下步骤: A、配料 分别称取高铝粉煤灰和铝矾土，按照一定组分进行配比，然后将两者混合均匀，得到配料； B、造球 将配料进行造球，得到球粒； C、熔化、除铁除碳 将球粒熔化、除铁除碳，得到高温熔融液； D、成纤 将高温熔融液吹丝或甩丝成纤，得到最终产品陶瓷纤维。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤A中的高铝粉煤灰和铝矾土的配比应使得所得配料中的氧化铝质量含量为43-50%。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于:步骤A中高铝粉煤灰中的氧化铝质量百分含量为30-45%。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于:步骤B中，在造粒时加入有机粘结齐U，所述有机粘结剂为配料质量的1_5%。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于:在步骤C中进行熔化、除铁除碳操作时使用除铁除碳装置，所述除铁除碳装置包括熔融槽，所述熔融槽顶部敞口，所述熔融槽的槽底倾斜设置，所述槽底的中部位置设有出料口，所述槽底的最低位置设有铁液出口，所述熔融槽内设有三根用于加热所述熔融槽内物料的熔融电极，三根所述熔融电极之间互成60-120° 夹角。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于:所述熔融槽内设有若干横向布置且由陶瓷材料制成的曝气管，所述曝气管上开设有若干通气孔，所述曝气管贯穿所述熔融槽且所述曝气管一端封闭，另一端连接压缩空气源。
7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于:步骤C的除铁除碳操作后的所得熔融体中的碳质量含量小于0.1%、铁质量含量小于0.5%。
8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于:进行步骤C的所述除铁除碳操作时，熔融槽的温度控制在1800-2000°C之间。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于:在步骤D中，成纤温度为1500-1700。。。
10.如权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于:在步骤D中，当吹丝成纤时，喷吹风速> 200米/秒；当甩丝成纤时，甩丝机的转速为6000-7200转/分钟。
【文档编号】C04B35/00GK103820881SQ201410046021
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月8日 优先权日:2014年2月8日
【发明者】张作泰, 王习东, 刘丽丽 申请人:北京大学