新型无机非金属陶瓷换热器材料的制备与应用

摘要

无机非金属陶瓷换热器材料主要应用于高温换热领域。在工业窑炉内安装陶瓷换热器，将烟气的余热回收用来预热助燃空气，能源利用率可提高20％～30％，从而达到节能降耗的目的。由于某些无机材料换热器热稳定性、抗热震性差、导热系数低，换热效果不理想，对如何进一步提高无机非金属陶瓷换热器材料的抗热震性和导热性，降低生产成本成为时下研究的热点。本文采用不同原料制备无机非金属陶瓷换热器材料，借助于XRD、SEM、导热测试、抗热震测试、力学测试等手段分析研究了配方组成、制备工艺和添加剂对无机非金属陶瓷换热器材料物相、微观结构及强度、抗热震性、导热等性能的影响。
　　 研究了莫来石的制备工艺，分别采用氧化铝为铝质原料与苏州土、高岭土反应形成莫来石相，研究了氟化铝、五氧化二钒的加入量对莫来石性能和微观结构的影响。结果表明，采用氧化铝与苏州土，0.75％的氟化铝、0.75％的五氧化二钒，在烧成温度1450℃保温2h，均可以得到形貌均匀的莫来石，其抗折强度可达到85.4MPa。根据莫来石含量的不同，研究了莫来石结合碳化硅复合材料的强度、抗震性能和导热性能。莫来石分布均匀，与碳化硅形成网络结构。当莫来石含量为25％时，抗热震次数达到47次，导热系数为12.8 W/(m·k)。
　　 研究了堇青石的制备工艺，采用氧化铝、滑石、高岭土等反应生成堇青石。根据氧化铝含量的不同，研究了氧化铝.堇青石复相陶瓷材料物相、微观结构及碳化硅、石墨添加剂对氧化铝-堇青石复相陶瓷材料的性能的影响；当氧化铝-堇青石复相陶瓷中氧化铝与堇青石的比例为2:8时，复合陶瓷材料抗折强度最高达到56.7MPa，抗热震次数达到21次，导热系数为4.69W/(m·k)。
　　 同时针对湖北省烟草公司“新型无机非金属材料换热器的研究与应用”的研究项目，与湖北宣都惠宜陶瓷有限公司合作，采用注浆成型制备氧化铝-堇青石质陶瓷换热器。氧化铝-堇青石陶瓷换热器复合材料在1340℃、保温2h烧结，抗热震次数可以达到23次，导热系数为3.865 W/(m·k)。通过90天现场实验证实氧化铝-堇青石质陶瓷换热器热学性能良好，煤耗小于一千克烟/一千克煤，煤耗成本降低约8％，使用寿命长，制造成本降低约30％，性价比高，可以替代金属换热器，应用前景广阔。