本发明属于高温材料领域，尤其涉及一种固体蓄热材料及其制备方法和应用。
背景技术：
近几年，随着我国各地雾霾天气的现象日益加剧，降低甚至消除PM2.5指数成为环保部门的工作重点，雾霾天气不仅给人民日常生活带来诸多的不便，同时严重危害人们的身体健康。研究表明，PM2.5有6个重要来源，分别是土壤尘、燃煤、生物质燃烧、汽车尾气与垃圾焚烧、工业污染和二次无机气溶胶，其中燃煤占比约为18%。燃煤污染对雾霾天气的形成产生了巨大的影响。为了减少冬季燃煤污染、改善空气质量，我国北方许多城市开始推广“煤改电”，并且一系列政策补贴也相应出炉，激励相关行业将研发热点转向于“煤改电”政策中。固体电蓄热设备已经得到广泛应用，其中以固体电蓄热采暖器和固体电蓄热锅炉为主，与此同时，固体蓄热砖的市场需求量越来越大。据不完全统计，全国的蓄热砖需求量每年会达到40万吨，随着国家“煤改电”政策的逐步落实，这个数字会持续增加。目前，现有的固体蓄热材料主要成分为氧化镁，按照目前的生产工艺从菱镁石矿加工到氧化镁蓄热砖，已经不能满足现有的市场需求，而且现有蓄热砖，200℃的导温系数为2.8w/㎡.s，热量释放过快，固体蓄热电暖器不能满足白天的放热需求。 900℃的导温系数为0.9w/㎡.s，在高温段800-1000℃时，人为干预下的热量释放很不理想。因此，针对不同的蓄热设备，提高或降低固体蓄热材料的导温性，降低成本，提高生产量成为该领域必须解决的问题。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提供一种新型的固体蓄热材料，该材料成本低廉，高比热，根据不同的配料比来调节导热系数的高低，从而适应不同的蓄热设备的需求。
为了实现上述目的，本发明提供的蓄热材料，其原料按重量份数配比组成如下：铁矿石5-95份、镁铁砖5-50份、铁鳞5-20份、碳化硅除尘粉5-20份，氮化铝1-20份，氮化铍1-5份，硼泥0.5-5份，六偏磷酸钠1-2.5份，镁铝高温胶结剂1-2份和水1-4份。
优选的，所述的镁铁砖的成分及重量分数配比为氧化镁84.2%，三氧化二铁8.6%，二氧化硅3.13%，氧化钙1.85%，三氧化二铝2.22%；优选水泥窑废旧镁铁砖。
所述的镁铝高温胶结剂的成分及重量分数配比为氧化镁45%，三氧化二铝50.5%，二氧化硅2%，三氧化二铁1%，氧化钙1.5%。
为了实现上述目的，本发明提供该蓄热材料的制备方法，具体包括以下步骤：按组成原料的重量份称取各原料，首先将铁矿石破碎成粒径为3-5mm颗粒，备用；将镁铁砖破碎成粒径不大于3mm的颗粒，备用；将碳化硅除尘粉研磨成粉，粒度为200目，备用；铁磷破碎成不大于5mm粒径，备用；合并上述制备的备用原料，然后加入其它原料，在60-120转/分条件下搅拌15-60min，使各原料充分混合；取混合料在600-800吨压力机下压制成砖坯，置于温度为200-240℃烘干窑内，烘干16小时，即得。
所述固体蓄热材料应用于谷电蓄热设备。
本发明的有益效果。
本发明的蓄热材料成本低，生产周期短，具有高比热，热震稳定性好，使用寿命长等优点。本发明提供一种新型的固体蓄热砖，主要成分为铁矿石和废旧镁铁砖；由于铁矿石与水泥窑废旧镁铁砖头为300元/吨左右，成本低廉；不需要传统的高温烧成工艺，只需干燥后即可投入使用，生产周期短，产能达到每年几百万吨；根据不同设备的使用情况调节导热系数的高低，蓄热电暖气用蓄热砖，平均导热系数可由原来的8.5w/m.k降低到3.6w/m.k；高温蓄热锅炉用蓄热砖可由原来的9.2w/m.k提高到16.8w/m.k，增强人为操控性，从而满足工况的导温需求。
废旧镁铁砖的主要成分为氧化镁，氧化镁含量可达到80%以上，在金属氧化物中，氧化镁的比热容是最高的，且耐高温，性能稳定，无毒，无味，无挥发，是理想的固体蓄热材料，但氧化镁的导热系数随温度的增加会急剧下降，在20-1200℃的范围内，导热系数高低相差近6倍；由常温下的13w/m.k变为2.2w/m.k；导热系数的急剧下降，导致高温固体电蓄热设备，在高温放热阶段人为干预的操控难度大大提高，存储的热量不能有效的释放。用废旧镁铁砖做为原料，不仅解决了工业废料对环境的污染，还可以变废为宝，降低固体蓄热材料的生产成本；添加铁矿石与铁鳞，可以有效的降低蓄热材料导热性能，使得中温固体电蓄热设备能够大大增加释放热量的时间；添加碳化硅除尘粉，可以提高蓄热材料的机械强度；添加氮化铝，可以显著的提高蓄热材料的导热性，弥补氧化镁在高温区段900-1100℃导热性能差的不足之处；添加硼泥，提高混合料的常温固化强度；添加氮化铍，提高蓄热材料的硬度，在高速热风循环工况中无粉尘剥落；辅以中高温机械强度较好的六偏磷酸钠和镁铝胶结剂复合型结合剂，使混合料成坯干燥后，在中高温区段，不仅保证了比热，导热，还拥有很好的机械强度与硬度，从而达到设备工况长周期的蓄放热需求。
固体电蓄热设备在用的蓄热砖主要成分为氧化镁，由于氧化镁的导热性在高温与低温偏差很大，100℃蓄热镁砖的导热系数为13.5w/m.k，1000℃蓄热镁砖的导热系数为3.2w/m.k，使得其低温段热量放释放过快，达不到理想的放热时长，比如蓄热电暖气；蓄热7-8个小时，放热时长只有10小时左右。有很大一部分热量因为蓄热体导热性的问题，而没有存储到蓄热体里面，通过蓄热体达到保温材料层，大大增加了热损耗，造成了电能的二次浪费。采用本发明的蓄热材料，通过调节配方比例，可以生产符合电暖气用的低导热蓄热材料，既能达到蓄热温度，又能持久均匀的释放热量，同等质量的蓄热砖，在同样输出功率的前提下，本发明的蓄热砖可持续放热15小时，放热时长显著提升。在高温固体蓄热器中，现有电热热源，镍铬丝、铁铬铝、硅碳棒等普遍温度都可以超过1200℃，但蓄热砖最高温只能做到800℃；如果升到1000℃以上，蓄热砖的导温系数只有0.5w/㎡.k；需要热量的时候，释放不出来，人为干预效果极差，取热难的问题一直没有理想的解决方法；采用本发明的蓄热材料，通过降低氧化镁含量，混入高导热的氮化铝，导热系数为175w/m.k，可显著提高蓄热材料的导温性。由于高温段导热性的大大提高，使得人为干预的超控性显著提高，可使得该蓄热材料高温段能够在人为干预下迅速释放热量。
本发明的蓄热材料采用多种工业废料为原料，原料来源广泛，生产工艺简单，周期短，易操作，可实现大批量生产；是替代现有固体蓄热材料的理想产品，解决了蓄热设备的低温放热快，高温取热难的问题，为高温蓄热设备的制造提供了前提保障，比如高温蓄热蒸汽炉。提高了热量释放效率，节约了电能，有效避免了能源的二次浪费。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做详细的说明。
实施例1。
固体蓄热材料，其组成原料的重量份为：铁矿石30份、水泥窑废旧镁铁砖10份、氮化铝10份、铁鳞10份、碳化硅除尘粉20份、氮化铍2份、硼泥2份，六偏磷酸钠2.5份，镁铝高效胶结剂1.4份和水2.8份。
固体蓄热材料的制备方法，包括以下步骤。
（1）按组成原料的重量份称取各原料，首先将铁矿石、矿热炉炉底废料破碎成粒径3-5mm颗粒，备用；（2）水泥窑废旧镁铁砖破碎成粒径1-3mm的颗粒，备用；（3）碳化硅除尘粉研磨成粉，细度200目，备用；（4）铁磷破碎成1-5mm粒径，备用；（5）合并（1）（2）（3）（4）的备用料，然后加入其它剩余组合原料，在60-120转/分搅拌15分钟，使各原料充分混合。（6）取混合料在600-800吨压力机下压制成砖坯，入温度为200-240℃烘干窑内烘干12小时，即得。
上述实施例1制得的固体蓄热材料数据：烧碱0.18%，SiO2：8.96%，Fe2O3：69.11%，Al2O3：3.06%，MgO：16.73%，CaO：1.96%；体积密度3.72g/cm³，常温耐压强度（110℃x24h）76.3MPa；比热容（100℃）0.96Kj/（kg.k），（400℃）1.02Kj/（kg.k），（700℃）1.08Kj/（kg.k），导热系数（100℃）4.6w/（m.k），（400℃）3.8w/（m.k）（700℃）3.2w/（m.k）。
该蓄热砖颗粒分布均匀，成型良好，表面无裂纹，干燥后砖体强度大大加强。最高加热温度732℃，砖体发红，砖体结构无变化，空置24小时后，置于沸水中2小时，再浸泡72小时，取出后空置120天，砖体强度无变化，无水化。
实施例2。
固体蓄热材料，其组成原料的重量份为：铁矿石5份、水泥窑废旧镁铁砖30份、铁鳞15份、碳化硅除尘粉20份、氮化铝15份、氮化铍5份、硼泥2份，六偏磷酸钠1.5份，镁铝高效胶结剂1份和水4份。
上述实施例2制得的固体蓄热材料数据：烧碱 0.13%，SiO2 46.52%，SiC 9.13%，Fe2O3 5.01%，MgO 38.25%，CaO 0.96%。体积密度3.16g/cm³，常温耐压强度（110℃x24h）108.32MPa；比热容（100℃）1.01Kj/（kg.k），（400℃）1.08Kj/（kg.k），（700℃）1.16Kj/（kg.k），导热系数（100℃）19.5w/（m.k），（400℃）17.4w/（m.k）（700℃）16.8w/（m.k）。
该蓄热砖颗粒分布均匀，成型良好，表面无裂纹；干燥后，用切砖机切开没有发现重坯；最高加热温度1073℃，保温12小时后取出，砖体结构无变化，空置12小时后，置于沸水中2小时，再浸泡72小时，取出后空置120天，砖体强度无变化，无水化。
实施例3。
固体蓄热材料，其组成原料的重量份为：铁矿石5份、水泥窑废旧镁铁砖50份、碳化硅除尘粉10份、铁鳞10份、氮化铝5份、氮化铍1份、硼泥2份、六偏磷酸钠1份、镁铝高效胶结剂2份和水3.5份。
上述制得的固体蓄热材料数据：烧碱 0.23%，SiO2 14.02%，Al2O31.13%，Fe2O316.01%，MgO 66.35%，CaO 2.20%，其他0.06%；体积密度3.22g/cm³，常温耐压强度（110℃*24h）68.32MPa；比热容（100℃）1.08Kj/（kg.k），（400℃）1.12Kj/（kg.k），（700℃）1.21Kj/（kg.k），导热系数（100℃）10.3w/（m.k），（400℃）4.6w/（m.k）（700℃）3.4w/（m.k）。
该蓄热砖颗粒分布均匀，成型良好，表面无裂纹；干燥后，用切砖机切开没有发现重坯。最高加热温度823℃，保温10小时后取出，砖体结构无变化，空置12小时后，置于沸水中2小时，再浸泡72小时，取出后空置90天，砖体强度无变化，无水化。
市售普通的镁铁蓄热砖蓄热材料数据：烧碱0.27%，SiO2 2.86%，Al2O32.69%，Fe2O38.76%，MgO 83.64%，CaO 1.78%。体积密度2.91g/cm³，常温耐压强度（110℃*24h）88.32MPa；比热容（100℃）1.13Kj/（kg.k），（400℃）1.18Kj/（kg.k），（700℃）1.24Kj/（kg.k），导热系数（100℃）13.3w/（m.k），（400℃）5.3w/（m.k）（700℃）3.7w/（m.k）。
由上述蓄热材料数据得知，同体积的蓄热砖，实例1的常温蓄热量为：0.96×3.72=3.57，而市售镁铁蓄热砖的常温蓄热量为：1.13×2.9=3.227，前者比后者的蓄热量提高了10.3%。高温蓄热量实例1：1.08×3.72=4.01，市售高温镁铁蓄热砖蓄热量为：1.24×2.9=3.59，前者比后者的蓄热量提高了11.6%。由于实例1常温到高温段的导热系数变化较小，低温段实例1的导热系数只有镁铁蓄热砖导热系数的4.6/13.3=0.34倍，所以可以均匀的释放热量。释放热量的时间更长，可以显著改善目前蓄热电暖气放热时间短的问题。
实例2的常温蓄热量为：1.01×3.16=3.19，而市售镁铁蓄热砖的常温蓄热量为：1.13×2.9=3.227，前者与后者的蓄热量基本持平。高温蓄热量实例2：1.16×3.16=3.66，市售高温镁铁蓄热砖蓄热量为：1.24×2.9=3.59，前者与后者的蓄热量基本持平。由于实例2常温到高温段的导热系数变化较小，高温段实例2的导热系数是镁铁蓄热砖导热系数的16.8/3.7=4.54倍，所以高温段在人为的操控下可以迅速释放热量，显著改善目前蓄热电锅炉在高温段热量释放不出来的问题。
实例3的各项指标与市售镁铁蓄热砖基本相同；为低导热和高导热蓄热砖提供了数据支撑。