以粉煤灰為主要原料的無(wú)機(jī)纖維及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種以粉煤灰為主要原料的無(wú)機(jī)纖維及其制造方法，以粉煤灰為主要原料的無(wú)機(jī)纖維，550℃灼燒30min后，殘余物包含下列重量百分比的組分：SiO2?39.0～48.0%；Al2O3?10.0～20.0%；CaO?20.0～28.0%；Fe2O3?2.5～10.5%；MgO?3.5～10.5%；Na2O?0.2~2%；K2O?0.2～2.0%；TiO2?0.2～2.5％；本發(fā)明的無(wú)機(jī)纖維，具有良好的耐水性和耐久性，可用作吸聲材料、隔熱材料等，具有較高的酸度系數(shù)、較低的渣球含量和較細(xì)的纖維直徑，具有很高的抗拉強(qiáng)度和較低的導(dǎo)熱系數(shù)，可以完全替代現(xiàn)有技術(shù)用玄武巖纖維制作的巖棉板絕熱材料。
【專利說(shuō)明】以粉煤灰為主要原料的無(wú)機(jī)纖維及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及利用工業(yè)固體廢棄物粉煤灰為主要原料，制造的無(wú)機(jī)纖維和制造這種無(wú)機(jī)纖維的工業(yè)生產(chǎn)方法。更具體的，涉及一種具有特定應(yīng)用性能的無(wú)機(jī)纖維及其制造方法。
技術(shù)背景
[0002]粉煤灰泛指煤炭燃燒后的固態(tài)殘余物。煤炭在爐中燃燒后，未燃燒的殘余物有渣和飛灰(Fly Ash)兩種形態(tài):隨煙氣排出的固體顆粒殘余物稱為飛灰，從爐底排出的顆粒度較大或呈塊狀的固態(tài)殘余物稱為煤渣或底渣。除了原煤和煤矸石自燃之外，粉煤灰的主要來(lái)源依次為煤炭作為能源的火力發(fā)電廠燃煤爐、大型工業(yè)企業(yè)和城市供熱的燃煤爐、化工煤制氣爐，用煤作為燃料的城市垃圾焚燒爐也產(chǎn)生類似粉煤灰的固態(tài)殘余物。粉煤灰的化學(xué)成分除了繼承煤炭中不燃性無(wú)機(jī)礦物成分之外，通常含有未燃盡的碳，在固硫粉煤灰中還增加了大量的鈣和少量的鎂。因此，粉煤灰中的元素成分主要是硅、鋁、鈣、鐵、鎂、鈦、硫、碳和氧，其次是鈉、鉀和磷。其中Si02、Al2O3和Fe2O3占大部分，因而大多數(shù)情況下呈較強(qiáng)的酸性。中國(guó)對(duì)煤炭燃料的依存度大，粉煤灰排放也帶來(lái)了巨大的污染和土地占用問(wèn)題。在我國(guó)北方大多數(shù)城市，燃煤飛灰是大氣中懸浮顆粒物的貢獻(xiàn)源之一。
[0003]迄今為止，粉煤灰利用還處于較低級(jí)的應(yīng)用層次。在中國(guó)主要大量用于水泥和混凝土以及制磚。為提高粉煤灰的應(yīng)用的附加值，更好的解決粉煤灰污染環(huán)境等問(wèn)題，利用粉煤灰制備纖維已經(jīng)有人提出過(guò)方案。如專利文獻(xiàn)CN 101289274A提出一種利用高爐渣和粉煤灰制備無(wú)機(jī)纖維的方法，粉煤灰作為添加劑，其主要的廢物利用對(duì)象是高爐渣，并且其中提到的甩絲和噴絲成型方法已經(jīng)是較成熟的技術(shù)，其創(chuàng)新在于如何利用高爐渣，但是文獻(xiàn)沒(méi)有公開(kāi)具體的工藝參數(shù)，可能是一種設(shè)想。專利文獻(xiàn)CN 1579978A提出了一種主要利用粉煤灰為原料采用熔融噴絲的方法制備無(wú)機(jī)纖維的方法，但沒(méi)有指出具體的配方和成纖工藝；專利文獻(xiàn)CN 1071649提出了一種主要利用玄武巖為原料，用在較高熔融溫度、較高粘度下的內(nèi)離心方法制備纖維的方法，還給出了一些玄武巖為主要原料的礦物棉的化學(xué)組成特例。但是玄武巖纖維體系和粉煤灰在原料特點(diǎn)、配方組成、熔融工藝、成纖對(duì)熔體粘度、析晶性能、表面張力等的要求、產(chǎn)品特點(diǎn)有非常大的區(qū)別。因此，找到一種針對(duì)粉煤灰為主要原料，適合粉煤灰熔融體系，將其制備成為纖維的工藝方法和工藝條件就格外重要。
[0004]將粉煤灰制備粉煤灰纖維且工業(yè)化的案例很少，日本新興化學(xué)工業(yè)公司與東電環(huán)境工程公司有工業(yè)化的報(bào)道。其主要是利用粉煤灰生產(chǎn)耐水耐堿的玻璃纖維。工藝概要如下:以粉煤灰為基料，配合Si02、R’ O和R2O校正原料(R’:Ca、Mg ;R:Na、K和Li)，制備混合料，預(yù)燒，一次熔融，制成粒料，經(jīng)過(guò)再次熔融等工序拉成纖維。(I)粉煤灰混合料的配比為:粉煤灰45~65%, Al2O3~20%, R2O:0~8%?；旌狭系腟iO2Al2O3的比2.5~5.0。(2)預(yù)燒溫度和預(yù)燒時(shí)間分別為900°C~1000°C和5h。預(yù)燒能完全除去殘留碳分，得到澄清的玻璃料。(3)在1400°C~1550°C下進(jìn)行2小時(shí)的一次熔融，制成玻璃粒料。該次熔融使熔融物均勻化，充分脫泡。(4)按需要，用電爐或鉬金坩堝爐，將玻璃粒料在1300°C~1350°C下再次熔融。(5)將再次熔融的玻璃液經(jīng)適當(dāng)?shù)睦z設(shè)備拉絲。這種方法不僅要用到極其昂貴的鉬金，而且經(jīng)過(guò)兩次熔融，能耗大，效率低。 [0005]粉煤灰作為礦物纖維制造的主要原料，用于制造高性能無(wú)機(jī)纖維之所以難于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，首先是由于粉煤灰的化學(xué)組成極其復(fù)雜，而且不同的煤礦、不同的電廠得到的粉煤灰的化學(xué)組成的差別很大。根據(jù)我們的工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果知道，制備礦物纖維或者成纖最主要的工藝條件為熔融溫度和熔融粘度。粉煤灰中微量成分對(duì)粘度的影響很大，用現(xiàn)有技術(shù)尚無(wú)法預(yù)測(cè)這種影響。
[0006]粉煤灰制備無(wú)機(jī)纖維的第二個(gè)難題是高溫的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。粉煤灰的酸度系數(shù)很高，熔融溫度在1700° C以上。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題以前人們一直追尋如何在高溫實(shí)現(xiàn)設(shè)備上著手。比如用電熔爐、煤氣爐、燃油爐等等。這些設(shè)備無(wú)疑可以達(dá)到很高的溫度，但是，會(huì)同時(shí)增加設(shè)備成本和燃料成本。粉煤灰的熔融溫度與其組成有很大的關(guān)系，因此需要將粉煤灰中的化學(xué)組成調(diào)到合適配比的，從而控制粉煤灰的熔融溫度。
[0007]粉煤灰制備無(wú)機(jī)纖維的第三個(gè)難題就是成纖過(guò)程中的工藝控制問(wèn)題。對(duì)于一定的纖維成型設(shè)備，對(duì)熔體的粘度和表面張力的特性指標(biāo)都要求維持在一個(gè)很狹小的區(qū)間。因此對(duì)如何保證成纖時(shí)的粘度等特性指標(biāo)的穩(wěn)定性就是一個(gè)決定纖維能否成型以及纖維產(chǎn)品一致性的關(guān)鍵因素。為了保證粘度的穩(wěn)定性，同時(shí)還應(yīng)該對(duì)原料關(guān)鍵成分進(jìn)行嚴(yán)格的控制。此外不同組成的熔體，其析晶性能、流變性能和硬化速度也強(qiáng)烈地與熔體溫度相關(guān)聯(lián)。
[0008]上述的將粉煤灰等廢棄物制備纖維過(guò)程中的難點(diǎn)及上述熔體性能:黏度、表面張力、析晶性能、流變性和硬化速度，可以歸結(jié)于上述熔體特性與熔體組合物組成的影響關(guān)系尚無(wú)定論。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于公開(kāi)一種以粉煤灰為主要原料的無(wú)機(jī)纖維及其制造方法，以最大限度的利用粉煤灰等固體廢棄物。
[0010]所述的粉煤灰為主要原料的無(wú)機(jī)纖維，其特征在于，550°C灼燒30min后殘余物包含下列重量百分比的組分:
[0011]SiO239.0 ~48.0%;
[0012]Al2O310.0 ~20.0%;
[0013]CaO20.0 ~28.0%;
[0014]Fe2O32.5 ~10.5% ；
[0015]MgO3.5 ~10.5% ；
[0016]Na2O0.2~2.0%;
[0017]K2O0.2 ~2.0% ；
[0018]TiO20.2 ~2.0%;
[0019]進(jìn)一步，所述以粉煤灰為原料的無(wú)機(jī)纖維的酸度系數(shù)為1.65^2.05 ；
[0020]進(jìn)一步，所述以粉煤灰為原料的無(wú)機(jī)纖維的Fe2O3與MgO組分質(zhì)量百分比之和為8% ~20% ；
[0021]其中所述的酸度系數(shù)的定義如下:
[0022]
【權(quán)利要求】
1.以粉煤灰為主要原料的無(wú)機(jī)纖維，其特征在于，550°C灼燒30min后，殘余物包含下列重量百分比的組分: SiO239.0 ~48.0% ； Al2O310.0 ~20.0% ； CaO20.0 ~28.0% ； Fe2O32.5 ~10.5% ；
MgO3.5 ~10.5% ； Na2O0.2~2.0% ； K2O0.2 ~2.0% ； TiO20.2 ~2.0% ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉煤灰為主要原料的無(wú)機(jī)纖維，其特征在于，所述以粉煤灰為原料的無(wú)機(jī)纖維的酸度系數(shù)為1.65^2.05 ； 所述以粉煤灰為原料的無(wú)機(jī)纖維的Fe2O3與MgO組分質(zhì)量百分比之和為8%~20%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的粉煤灰為主要原料的無(wú)機(jī)纖維，其特征在于，所述以粉煤灰為原料的無(wú)機(jī)纖維的平均直徑為3.(Te.5μπι;所述無(wú)機(jī)纖維的渣球重量含量不大于8%。
4.以粉煤灰為原料無(wú)機(jī)纖維的制造方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)將粉煤灰塊、助熔劑和焦炭投入熔爐； 各個(gè)組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為:粉煤灰塊:57~69% ;助熔劑:12~24% ;焦炭:18~20% ； 所述助熔劑選自白云石或鋼渣； 所述粉煤灰塊的酸度系數(shù)為2.3~5.5 ; (2)將從熔爐的下部連續(xù)地鼓入50(T600°C的熱空氣或富氧熱空氣，焦炭燃燒使粉煤灰和助熔劑熔融，熔體從爐底部的爐口溢出； (3)所述熔體離心成型，獲得無(wú)機(jī)纖維； 所述熔體從爐口溢出到離心設(shè)備的停留時(shí)間為0.8~1.5s。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述粉煤灰塊的形狀為圓柱形、方塊、直角六面體或球形，塊的特征尺寸為70mnTl40mm，表觀密度160(Tl800kg/m3，900°C灼燒Ih后殘余物包含下列質(zhì)量百分比的組分: SiO242 ~56% ； Al2O311 ~24%; CaO10 ~23% ； Fe2O33 ~13% ； MgO2 ~7% ； Na2O0.2~1.5% ； K2O0.2 ~2% ； TiO20.2~2%。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述方法，其特征在于，所述白云石為塊，其特征尺寸為40mnT80mm，超過(guò)該尺寸范圍的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于10% ;含:CaC03質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不小于26%，MgCO3質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不小于16% ；所述鋼洛為塊狀物,特征尺寸為60mnTl20mm,超過(guò)該尺寸范圍的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于10%;900°C灼燒Ih后殘余物包含下列質(zhì)量百分比的組分: SiO228 ~40% ； Al2O32 ~12% ； CaO40 ~58% ； Fe2O30.5 ~4% ； MgO4 ~12% ； Na2O0.1~1% ； K2O0.1 ~1% ； 所述焦炭為塊，特征尺寸為90mnTl40mm,超過(guò)該尺寸范圍的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不大于10%,其熱值不小于7000kcal/kg。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，熔融時(shí)間為90~240min； 所述熱空氣或富氧熱空氣的用量按照空燃比為7.2^8.3kg干氣體/kg焦炭； 所述富氧空氣的氧氣體積含量不大于25%。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述的離心設(shè)備為外離心式離心機(jī)，例如三輥離心甩絲成纖機(jī)或四輥離心甩絲成纖機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述離心機(jī)的成纖輥的最低線速度為25~33m/s ； 所述離心機(jī)的最高線速度棍的線速度與最低線速度棍的線速度之比為4.5~5.6。
10.根據(jù)權(quán)利要求4~9任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，粉煤灰塊的制備方法，包括如下步驟: (I)將粉煤灰、熔劑、水泥和聚乙烯醇水溶液按配比拌和； 所述的粉煤灰選自流化床鍋爐或煤粉爐的飛灰或底渣；優(yōu)選干法排灰收集的粉煤灰； 所述熔劑選自電石渣，白云石、赤泥中的一種或兩種； 所述電石渣選自含水量小于10%(wt)的堆放電石渣或含水量小于2% (wt)的干燥電石渣； 所述白云石為碎石塊，平均顆粒度l(T20mm，超過(guò)該粒度范圍的質(zhì)量百分比不大于25% ； 所述赤泥為拜爾法或聯(lián)合法氧化鋁生產(chǎn)排放的廢渣，選自含水量小于15% (wt)的堆放赤泥； 所述水泥為標(biāo)號(hào)32.5R或42.5的普通硅酸鹽水泥； 所述聚乙烯醇優(yōu)選醇解度大于99%的聚乙烯醇樹(shù)脂；所說(shuō)聚乙烯醇水溶液中樹(shù)脂的重量百分比濃度0~4% ； 所述配比為如下質(zhì)量百分?jǐn)?shù):粉煤灰:63~84%;熔劑:0~19%;水泥:6-10%；聚乙烯醇溶液:10~14%;(2)上述拌和料在壓強(qiáng)22~48MPa下模制成塊狀； (3)將上述塊狀原料在遮陽(yáng)擋雨的條件下養(yǎng)護(hù)4~7天得到所述的粉煤灰塊；所述粉煤灰塊在所述條件下養(yǎng)護(hù)7天 的抗壓強(qiáng)度為6~12MPa。
【文檔編號(hào)】C03C13/06GK103539361SQ201210235970
【公開(kāi)日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2012年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月9日
【發(fā)明者】李鵬, 吳秋芳, 陳國(guó)建, 王漢斌, 朱鳴航, 馬新勝 申請(qǐng)人:浙江軒鳴新材料有限公司, 上海華明高技術(shù)（集團(tuán)）有限公司