CN110759704A - 一种二氧化硅绝热复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种二氧化硅绝热复合材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于绝热复合材料技术领域，具体涉及一种二氧化硅绝热复合材料，并进一步公开其制备方法与应用。本发明所述二氧化硅绝热复合材料以纳米级超细二氧化硅等为主要原料，并辅以适当的稀土元素和添加剂，制备得到微孔结构的绝热复合材料。所述复合材料基于独特的超细孔隙结构和红外散射原理，在热传导、热辐射、热对流等三个传热机理上都可以减少热传递，达到绝热目的。本发明所述具有耐高温超低导热系数的绝热复合材料，通过将高强度板材制品和所述绝热复合材料以适当的比例进行复合得到，得到耐高温、高强度、低导热的绝热新材料，可以满足焦炉炉顶及工业高温窑炉等热工设备既节能又轻量化的应用要求。

Description

一种二氧化硅绝热复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于绝热复合材料技术领域，具体涉及一种二氧化硅绝热复合材料，并进一步公开其制备方法与应用。
背景技术
焦炭是烟煤在隔绝空气的条件下，加热到950-1050℃后经过干燥、热解、熔融、粘结、固化、收缩等阶段最终制成的产品。由高温炼焦得到的焦炭可用于高炉冶炼、铸造和气化等领域，而炼焦过程中产生的经回收、净化后的焦炉煤气则是一种高热值的燃料，也是重要的有机合成工业原料。
据报道，2018年中国焦炭产量约为4.4亿元，共有约880座焦炉在使用。据报道，一般工业锅炉、窑炉和焦炉的散热损失由五部分组成，分别是排烟热损失、机械不完全燃烧热损失、化学不完全燃烧热损失、散热损失和排渣损失。其中，焦炉散热损失部位很多，而通常解决散热损失的难点是炉顶、铁件(炭化室孔、燃烧室孔、上升管、炉门、废气开闭器)和烟道三个工艺部分，尤其以炉顶散热损失最为严重。在一般高温炼焦工艺中，焦炉中几乎所有焦炉的炉顶表面平均温度均超过了100℃，而炉顶铁件的表面温度更是在300℃左右，这就造成整个高温炼焦工艺的热损失较大，同时也造成了严重的热污染，鉴于此，解决焦炉炉顶的散热损失问题势在必行。
目前，解决焦炉炉顶散热损失最有效的措施之一就是采用高效的绝热材料以减少焦炉的散热损失，尤其是炉顶的散热损失。但是，传统的耐火材料已难以满足工业企业高效节能以及军用装备等对绝热材料提出的更高的性能要求，迫切需要开发新的高效绝热材料，以降低工业锅炉、窑炉和焦炉等设备的散热损失。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种二氧化硅绝热复合材料，以解决现有技术中焦炉热损失较大的问题；
本发明所要解决的第二个技术问题在于提供上述二氧化硅绝热复合材料制备的具有耐高温超低导热系数的绝热复合板材。
本发明所要解决的第三个技术问题在于提供了上述绝热复合材料和绝热复合板材在减少焦炉热损失领域中的应用。
为解决上述技术问题，本发明所述的一种二氧化硅绝热复合材料，以其制备原料总量计，包括如下质量含量的组分：
Figure BDA0002291593770000021
具体的，所述稀土化合物包括稀土氧化物、稀土氯化物和/或复合稀土添加剂。优选稀土元素的金属氧化物，更优选添加氧化钪、氧化铽等。
具体的，所述粘结剂包括含铬粘结剂，优选含铬系高纤维粘结剂。
具体的，所述添加剂包括硅酸铝纤维可塑料。
具体的，所述纤维材料包括含锆陶瓷纤维。
本发明还公开了一种制备所述二氧化硅绝热复合材料的方法，包括如下步骤：
(1)按照选定的比例取所述纳米SiO2粉料、纤维材料、粘结剂、添加剂和稀土化合物混合，并进行高速搅拌混匀；
(2)将所得混合料进行压制成型，干燥，即得所需绝热复合材料。
本发明还公开了所述二氧化硅绝热复合材料用于制备具有耐高温超低导热系数的绝热复合材料的用途。
本发明还公开了一种具有耐高温超低导热系数的绝热复合材料，由所述二氧化硅绝热复合材料和高强纤维制品经复合形成。
具体的，所述二氧化硅绝热复合材料和所述高强纤维制品的厚度比例为1：2-4，并优选1：3，且控制二者总厚度不超过200mm。
本发明还公开了所述的具有耐高温超低导热系数的绝热复合材料在减少焦炉热损失领域中的应用。
本发明所述二氧化硅绝热复合材料以纳米级超细二氧化硅等为主要原料，并辅以适当的稀土元素和添加剂，制备得到微孔结构的绝热复合材料。所述复合材料基于独特的超细孔隙结构和红外散射原理，在热传导、热辐射、热对流等三个传热机理上都可以减少热传递，达到绝热目的。所述绝热复合材料在高温下隔热性能是传统材料3-4倍，具有极好的绝热性能，在特定条件下，其导热系数比静态空气还要小，是国内导热系数最小一种绝热新材料，可以有效减少施工中热量的散失，提高作业生产安全并降低环保设施的运营成本，同时节约煤气并降低单位焦炭的煤气比。而且，由于所述绝热复合材料在高温下导热系数低，所以在同样热工条件下，使用该新材料可减薄炉衬厚度，减轻设备重量，降低炉外壁温度，既可以节能降耗还可改善工人操作环境，同时也可以减小隔热层厚度，从而减小设备设施的体积，达到节能和美观协调的效果，在已广泛应用于各种热工设备上，解决了诸多工艺难题。
本发明所述具有耐高温超低导热系数的绝热复合材料，通过将高强度板材制品和所述绝热复合材料以适当的比例进行复合得到，得到耐高温、高强度、低导热的绝热新材料，产品兼具高强纤维制品的耐高温性能，又具有绝热复合材料的绝热性能，具有超低的导热系数和较高耐压强度、良好的韧性及优良的耐热性，保证该复合绝热新材料既能克服高强度板导热系数略高的缺点，又解决了微孔绝热板在焦炉炉顶使用强度较低的问题，既实现了高温热工装备节能又节省了高温热工装备空间，安装施工极为方便，可以满足焦炉炉顶及工业高温窑炉等热工设备既节能又轻量化的应用要求。所述具有耐高温超低导热系数的绝热复合材料，其超低的导热性能够适用于焦炉热污染技术改造，尤其适用于散热损失大、焦炉炉顶温度高的传统焦炉的安全生产、环保生产、节能生产，有效减少焦炉的高级能源损耗、降低炉体表面温度、改善工人的操作环境。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，
图1为所述炉顶在改造前和改造后的设计结构示意图。
具体实施方式
本发明下述实施例中：
所述粘结剂为磷酸铬铝粘结剂，具体选择不同厂家不同型号产品性能无差异。
所述添加剂为硅酸铝纤维可塑料，不同厂家不同型号产品性能无差异。
所述纤维材料为含锆陶瓷纤维，不同厂家不同型号产品性能无差异。
实施例1
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料，包括如下含量的原料组分：
Figure BDA0002291593770000051
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照选定的比例取所述纳米SiO2粉料、纤维材料、粘结剂、添加剂和稀土化合物混合，并进行高速搅拌混匀；
(2)将所得混合料进行于常温下、1.581MPa-5.5MPa压力下进行压制成型，并将压制后用铝箔纸固定成型下线，干燥，即得所需绝热复合材料。
实施例2
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料，包括如下含量的原料组分：
Figure BDA0002291593770000052
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照选定的比例取所述纳米SiO2粉料、纤维材料、粘结剂、添加剂和稀土化合物混合，并进行高速搅拌混匀；
(2)将所得混合料进行于常温下、1.581MPa-5.5MPa压力下进行压制成型，并将压制后用铝箔纸固定成型下线，干燥，即得所需绝热复合材料。
实施例3
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料，包括如下含量的原料组分：
Figure BDA0002291593770000061
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照选定的比例取所述纳米SiO2粉料、纤维材料、粘结剂、添加剂和稀土化合物混合，并进行高速搅拌混匀；
(2)将所得混合料进行于常温下、1.581MPa-5.5MPa压力下进行压制成型，并将压制后用铝箔纸固定成型下线，干燥，即得所需绝热复合材料。
实施例4
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料，包括如下含量的原料组分：
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照选定的比例取所述纳米SiO2粉料、纤维材料、粘结剂、添加剂和稀土化合物混合，并进行高速搅拌混匀；
(2)将所得混合料进行于常温下、1.581MPa-5.5MPa压力下进行压制成型，并将压制后用铝箔纸固定成型下线，干燥，即得所需绝热复合材料。
实施例5
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料，包括如下含量的原料组分：
Figure BDA0002291593770000071
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料的制备方法同实施例1。
实施例6
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料，包括如下含量的原料组分：
Figure BDA0002291593770000072
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料的制备方法同实施例1。
实施例7
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料，包括如下含量的原料组分：
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料的制备方法同实施例1。
实施例8
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料，包括如下含量的原料组分：
Figure BDA0002291593770000074
Figure BDA0002291593770000081
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料的制备方法同实施例1。
实施例9
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料，包括如下含量的原料组分：
Figure BDA0002291593770000082
本实施例所述二氧化硅绝热复合材料的制备方法同实施例1。
经检测，本发明上述实施例1-9中制得的绝热复合材料的性能指标如下表1所示。
表1绝热复合材料的性能指标
指标 检测结果
SiO<sub>2</sub>含量 ≥70％
导热系数(W/m.K) 0.015～0.04(800～1200℃)
体积密度(Kg/m3) 250～350
使用温度范围(℃) 600～1800
最佳使用温度(℃) 800～1200
耐压强度(MPa) 1.58～5.5
实施例10
本实施例所述具有耐高温超低导热系数的绝热复合材料，由实施例1制备的所述二氧化硅绝热复合材料和高强纤维制品(高强度版)经错层错峰复合施工复合形成，控制所述二氧化硅绝热复合材料的厚度为50mm，所述高强度板的厚度为145mm。
实施例11
本实施例所述具有耐高温超低导热系数的绝热复合材料，由实施例2制备的所述二氧化硅绝热复合材料和高强纤维制品(高强度版)经错层错峰复合施工复合形成，控制所述二氧化硅绝热复合材料和高强纤维制品的厚度比为1：3，且二者的厚度总和不超过200mm。
实施例12
本实施例所述具有耐高温超低导热系数的绝热复合材料，由实施例3制备的所述二氧化硅绝热复合材料和高强纤维制品(高强度版)经错层错峰复合施工复合形成，控制所述二氧化硅绝热复合材料和高强纤维制品的厚度比为1：3，且二者的厚度总和不超过200mm。
实施例13
本实施例所述具有耐高温超低导热系数的绝热复合材料，由实施例4制备的所述二氧化硅绝热复合材料和高强纤维制品(高强度版)经错层错峰复合施工复合形成，控制所述二氧化硅绝热复合材料和高强纤维制品的厚度比为1：3，且二者的厚度总和不超过200mm。
应用例
通过降低炉顶和蓄热室表面温度，降低单位焦炭所消耗的煤气比，达到改善一线员工的工作环境，降低单位产品环保设施的运营成本，从安全、环保、节能三方面达到文明生产、安全生产、节约生产的目标。北京中环鑫汇科技有限公司于2019年5月15日至2019年5月31日期间对4#焦炉72#&74#的炭化室和燃烧室炉顶、4#蓄热室(侧墙10平米和5个废气开闭器)进行绝热工程改造。
一、工况现状与要求
1、工况现状
炉顶外表面平均温度为97℃(2018年12月～2019年5月)；
焦炉内工作温度1250℃；
燃料介质：煤气(煤气热值16000KJ/m3)。
2、设计要求
炉顶外表面温度为：<环境温度+30℃；
环境温度为：炉顶对应位置的大气温度。
3、试验项目设计方案
以实施例10制备的复合绝热新材料195mm替代原设计衬里中紧邻缸砖的红砖和轻质砖，所述炉顶及结构在改造前和改造后的设计结构示意图见附图1所示。
4、施工要求
4#焦炉72#&74#炭化室和燃烧室炉顶和蓄热室(侧墙10平米和5个废气开闭器)复合绝热新材料改造项目由北京中环鑫汇科技有限公司负责，共计2个炉顶对应24个坑的绝热改造和蓄热室10平米侧墙和5个废气开闭器进行改造，现场工程从安全、质量、施工三个方面进行了部署，具体如下：
(1)安全方面：施工方人员劳保用品穿戴齐全，按时按规定***票证，制作各种所需的标识号牌，安放于规定位置。配置专门的现场负责人及安全员，施工前双方人员共同确认落实安全措施，各级管理部门每周检点一次；检修时间安排加煤车加煤间隙进行，由施工方的安全员和第二炼焦车间所派出的监护员对检修作业同时进行安全监护；
(2)质量方面：第二炼焦车间每天派出2名有热修经验的员工进行现场质量监管，同施工方员工一同上下班，对炉顶和蓄热室施工的(炉顶原有耐火材料拆除、新材料的施工、炉顶表面缸砖砌筑等)每道工序、每个环节严把质量关；并且在每一部分工程施工完成后的第三天或更长时间进行炉顶缸砖和蓄热室改造部分表面温度的测定，检测记录见竣工资料；
(3)施工方面：
炉顶：在保证安全和质量的前提下，施工前期部分炭化室炉顶耐火材料的拆除、新材料的铺设及表面缸砖的砌筑进度较慢，在确保施工安全及质量不受影响的情况下，检修进度逐步加快，同时还要兼顾生产，所以在尽可能的利用加煤间隙进行炉顶检修作业的同时，在加煤时间则完成其它的辅助工作，统筹利用时间。为了保证检修质量，每天的检修时间尽可能的安排在白天进行，同时做好检修工艺调节工作，做到了检修生产两不误；
蓄热室：在保证安全和质量的前提下，蓄热室侧墙的施工前期准备工作比较充分，所有侧墙施工工期很快按照业主要求完成。废气开闭器由于涉及到图纸尺寸、材料匹配、生产等环节，但在克服一切困难情况下，如期按照业主要求完工并取得较好的改造效果。
矾土浇注料用于最底层找平以及高强度板和超级微孔绝热板周边。
高强度板专用粘结剂用于高强度板之间、高强度板与超级微孔绝热板之间、超级微孔绝热板与高强隔热砖之间及其与防水层之间的粘结。
火泥用于缸砖复原时缸砖之间的溜缝用料(200-300目粘土粉+磷酸盐+氯酸盐水泥)。
5、理论热工计算
热力学计算条件：工作层温度1250℃，风速0。
(1)72#改造前
如图1所示，炉顶衬里结构：205mm硅砖+70mm粘土砖+350mm漂珠砖+417mm轻质砖+53mm红砖+135mm缸砖。
根据运行工况计算各材料导热系数(通过实测炉顶温度后计算值)如下：
硅砖：2.1w/m·k；
粘土砖：1.3w/m·k；
漂珠砖：0.8w/m·k；
轻质砖：0.8w/m·k；
红砖：1.0w/m·k；
缸砖：5w/m·k。
热损失计算过程为：
设Tl＝97.7℃，取α＝14.305W/㎡·K，当工作温度温度T1＝1250℃，炉外环境温度T2＝30℃计算过程如下：
Figure BDA0002291593770000121
总温降△T＝1152.1K，则炉顶表面温度为Tl＝1250－1152.1＝97.9℃；
误差
故炉顶表面温度约为97.7℃。
(2)72#改造后
如图1所示，试验项目炉顶衬里结构：205mm硅砖+70mm粘土砖+350mm漂珠砖+280mm轻质砖+195mm高强绝热复合板(实施例5)+150mm缸砖。
各材料导热系数取值：
硅砖：2.1w/m·k；
粘土砖：1.3w/m·k；
漂珠砖：0.8w/m·k；
轻质砖：0.8w/m·k；
高强板：0.12w/m·k；
微孔板：0.02w/m·k；
缸砖：5w/m·k。
热损失计算过程：
设Tl＝52.2℃，取α＝11.544W/㎡·K。
当工作温度温度T1＝1250℃，炉外环境温度T2＝30℃计算过程如下：
Figure BDA0002291593770000131
总温降△T＝1197.8K，则炉顶表面温度为Tl＝1250－1197.8＝52.2℃
误差
故炉顶表面温度约为52.2℃。
6、炉顶整改过程数据测试
在改造第二天(5月31日)，对部分新材料表面进行了测温，现场测温分别为53.8℃、46.4℃、49.8℃。
炉顶工程整改结束后测试数据如下表2-1～2-4所示。
表2-1 72#炭化室测温(测温时间5月20日～5月26日，℃)
Figure BDA0002291593770000133
表2-2 74#炭化室测温(测温时间5月20日～5月26日，℃)
Figure BDA0002291593770000134
表2-3 72#炭化室测温(测温时间5月30日～6月1日，℃)
Figure BDA0002291593770000135
Figure BDA0002291593770000141
表2-4 74#炭化室测温(测温时间5月30日～6月1日，℃)
Figure BDA0002291593770000142
通过以上测试数据，炉顶所有测试点的测试数据全部满足考核指标即表面温度<环境温度+30℃，且与理论值相符。
7、验收情况
1、验收时间：2019年6月6日上午。
2、验收人员：业主(机动处、技术中心、焦化厂机动科、4#焦炉车间)、中环鑫汇、施工方等相关人员10人。
3、验收方法：对照检修方案、国家及行业规范对施工过程及检修效果进行验收，验收内容见下表3。
表3验收内容
验收内容 验收标准 说明
缸砖砌筑 缸砖砌筑平整，无明显凹凸不平
炉顶表面温度 改造部位缸砖表面温度：<环境温度+30℃ 24个坑
蓄热室侧墙 表面温度<50℃ 10平米
蓄热室废气开闭器 表面温度<50℃ 5个
其中，4#焦炉72号和74号炉顶验收数据见下表4。
表4炉顶绝热改造部位表面温度测量统计(℃)：测试时间6月6日，上午9点左右
Figure BDA0002291593770000143
可见，考核测点处上升管周围改造部分外，全部符合合同要求，达到考核标准。
另外，4#焦炉蓄热室验收数据见下表5-1～5-2。
表5-1焦炉烟道侧墙温度测量统计(℃)，测试时间6月6日上午9:30
Figure BDA0002291593770000152
Figure BDA0002291593770000161
表5-2烟道废气开闭器表面温度测量统计(℃)，测试时间6月6日上午9:15
可见，蓄热室侧墙和废气开闭器可拆卸保温衣的表面温度均<50℃。
有上述结果可见，本发明所述绝热复合材料可有效减少焦炉炉顶的散热损失，可用于焦炉的改造。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种二氧化硅绝热复合材料，其特征在于，以其制备原料总量计，包括如下质量含量的组分：
Figure FDA0002291593760000011
2.根据权利要求1所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于，所述稀土化合物包括稀土氧化物、稀土氯化物和/或复合稀土添加剂。
3.根据权利要求1或2所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于，所述粘结剂包括含铬粘结剂。
4.根据权利要求1-3任一项所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于，所述添加剂包括硅酸铝纤维可塑料。
5.根据权利要求1-4任一项所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于，所述纤维材料包括含锆陶瓷纤维。
6.一种制备权利要求1-5任一项所述二氧化硅绝热复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照选定的比例取所述纳米SiO2粉料、纤维材料、粘结剂、添加剂和稀土化合物混合，并进行高速搅拌混匀；
(2)将所得混合料进行压制成型，干燥，即得所需绝热复合材料。
7.权利要求1-5任一项所述二氧化硅绝热复合材料用于制备具有耐高温超低导热系数的绝热复合板材的用途。
8.一种具有耐高温超低导热系数的绝热复合材料，其特征在于，由权利要求1-5任一项所述二氧化硅绝热复合材料和高强纤维制品经复合形成。
9.根据权利要求8所述的具有耐高温超低导热系数的绝热复合材料，其特征在于，所述二氧化硅绝热复合材料和所述高强纤维制品的厚度比例为1：2-4，且控制二者总厚度不超过200mm。
10.权利要求8或9所述的具有耐高温超低导热系数的绝热复合材料在减少焦炉热损失领域中的应用。
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