CN106905929A - 一种固体蓄热材料及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
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。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。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。
Description
技术领域
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。
发明内容
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。
Claims (5)
1.一种固体蓄热材料,其特征在于,其原料按重量份数配比包括:铁矿石5-95份、镁铁砖5-50份、铁麟5-20份、碳化硅除尘粉5-20份,氮化铝1-20份,氮化铍1-5份,硼坭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。
2.如权利要求1所述的固体蓄热材料,其特征在于,所述的镁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%;所述的镁砖优选水泥窑废旧镁铁砖。
3.如权利要求1所述的固体蓄热材料,其特征在于,所述的镁铝高温胶结剂的成分及重量分数配比为氧化镁45g,三氧化二铝50.5g,二氧化硅2g,三氧化二铁1g,氧化钙1.5g。
4.如权利要求1-3所述的固体蓄热材料,其特征在于,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1小时,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。
5.如权利要求1-4任一所述的固体蓄热材料,其特征在于,可以应用于谷电蓄热设备。
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Effective date of registration: 20190820 Address after: Chen Jia Cun 115000 Liaoning Province, Yingkou City Economic Development Zone South Applicant after: Liaoning Zhongmei High-Temperature Materials Co., Ltd. Address before: 115103 Dongshi Street, Nanlou Economic Development Zone, Yingkou City, Liaoning Province Applicant before: Liaoning Zhongmei Holding Co., Ltd. |
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GR01 | Patent grant | ||
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