陶瓷纤维在节能领域的应用

陶瓷纤维在节能领域的应用

陶瓷纤维具有重量轻、耐磁性、稳定性好、导率低、比热小、耐机械振动等优点。广泛应用于石化、冶金、能源、航空、航空航天、消防、汽车、船舶等领域。随着应用技术的提高,陶瓷纤维还在不断拓展新的应用领域,如汽车行业的发动机、排气管的隔热消音,家电行业的绝缘、隔热,以及航空航天、极地科考的绝热与绝冷等领域。近年来陶瓷纤维在高温烧成窑炉方面的应用前景也日益扩大,陶瓷纤维制成的各类制品以隔热效果好、使用简便,特别是蓄热小等特征,普遍应用于各式窑炉中,大大显示出很高的节能效率。目前由于全球能源价格的不断上涨、节能已成为中国国家战略,因此比隔热砖与浇筑料等传统耐材节能达10%～30%的陶瓷纤维在我国得到了更多更广的应用,发展前景十分看好。1多晶氧化铝纤维产品的生产陶瓷纤维最早出现在1941年,美国巴布、维尔考克斯公司用天然高岭土,用电弧炉熔融喷吹成纤维。20世纪40年代后期,美国两家公司生产硅酸铝系列纤维,并首次应用于航空工业;20世纪60年代,美国研制出多种陶瓷纤维制品,并用于工业窑炉壁衬。20世纪70年代,陶瓷纤维在我国开始生产使用,其应用技术在20世纪80年代得到迅速推广,但主要适用温度范围在1000℃以下,应用技术相对简单落后。进入20世纪90年代以后,随着含锆纤维和多晶氧化铝纤维的推广应用,使用温度提高到1000℃～1400℃,但由于产品质量缺陷和应用技术的落后,应用领域和应用方式都受到局限。如多晶氧化铝纤维不能制做成纤维毯,产品规格单一,以散棉、纤维块为主,虽然使用温度有所提高,但是强度很差,限制了使用范围,也缩短了使用寿命。自从进入21世以来,一些大的陶瓷纤维生产企业为了增强抗风险的能力,纷纷组建集团,并进行了内部结构调整,淘汰了一些落后的工艺与设备及生产线,在产品结构上作了较大的调整,大幅度压缩了在国际市场上竞争力较差的普通硅酸铝纤维产品,扩大了高纯硅酸铝纤维、含铬纤维、含锆纤维、多晶氧化铝纤维和多晶莫耒石纤维等产品的生产能力。同时,一些大的陶瓷纤维企业开发成功并批量生产用于特殊应用领域的多晶氧化锆纤维、氮化硅纤维、碳化硅纤维、硼化物纤维等新产品,如美国DuPont(杜邦)公司生产的多晶氧化铝长纤维(商品名为FP纤维),含有99.9%多晶α-Al2O3,纤维直径为20μm,主要用于制造纺织物。随着科学技术的发展,先进的复合材料已研制开发成功,其增强体主要是连续长纤维和晶须,其中碳化硅纤维与晶须在复合材料中应用最广,由碳化硅纤维增强的金属基(钛基)复合材料、陶瓷基复合材料已用于制造航天飞机部件、高性能发动机等耐高温结构材料,是21世纪航空航天及高技术领域的新材料。2陶瓷纤维制品生产结构发生改变目前,国外在提高陶瓷纤维产量的同时,注意研制开发新品种,除1000型、1260型、1400型、1600型及混配纤维等典型陶瓷纤维制品外,近年来在熔体的化学组分中添加ZrO2、Cr2O3等成分,从而使陶瓷纤维制品的最高使用温度提高到1300℃。此外,有些生产企业还在熔体的化学组分中添加CaO、MgO等成分,研制开发成功多种新产品。如可溶性陶瓷纤维含62%的高强陶瓷纤维及耐高温陶瓷纺织纤维等。因此,目前在国外陶瓷纤维的应用带来了十分显著的经济效益,导致陶瓷纤维的应用范围日益扩大,一些主要工业发达国家的陶瓷纤维产量继续保持持续增长的发展势头,其中尤以玻璃态硅酸铝纤维的发展最为迅速。随着陶瓷纤维应用范围的不断扩大,导致陶瓷纤维制品的生产结构随之发生重大改变,如陶瓷纤维毯(包括纤维块)的产量由过去占陶瓷纤维产量的70%降至45%。陶瓷纤维深加工制品(如纤维绳、布等纤维制品)、纤维纸、纤维浇注料、可塑料、涂抹料等纤维不定形材料的产量大幅度增长,接近于陶瓷纤维产量的15%。陶瓷纤维新品种的开发生产和应用,大大促进了陶瓷纤维的应用技术和施工方法的发展。据报载,最近几年日本开发生产出军用发动机用新型陶瓷纤维复合材料,如日本三菱株式会社为战斗机用发动机和火箭发动机研制了陶瓷纤维复合材料,该复合材料是将10微米的陶瓷纤维编织成三维结构,涂以一种玻璃状的物质,这种陶瓷纤维耐热,但易断裂,将其制成复合材料,可提高其强度。碳纤维复合材料通常用于飞机及火箭箭体,但很少用于发动机,因为它大约只能用于300℃,所以一般用镍基合金,而新的陶瓷纤维复合材料的耐高温性比碳纤维复合材料好,而又比镍基合金轻50%,该公司已在日本防卫厅的战斗机用发动机喷管上进行了外场试验,并在火箭发动机上成功制造了一个原型件,该公司2005年还在火箭发动机上已经实现了工程应用。美国和加拿大是陶瓷纤维的生产大国,年产量达到了10万吨左右,约占世界耐火纤维年总产量的1/3。欧洲的陶瓷纤维产量位于第三,年产量达到6万吨左右。在年产30万吨的陶瓷纤维中,各种制品的比例大致为:毯和纤维模块45%;真空成型板、毡及异形制品25%;散状纤维棉15%;纤维绳、布等织品6%;纤维不定形材料6%;纤维纸3%。3陶瓷纤维的生产我国陶瓷纤维生产起步较晚,在20世纪70年代初期,先后在北京耐火材料厂和上海耐火材料厂研制成功并投入批量生产。其后10余年主要以“电弧炉熔融、一次风喷吹成纤、湿法手工制毡”的工艺生产陶瓷纤维制品,工艺落后,产品单一。自1984年首钢公司耐火材料厂从美国CE公司引进电阻法甩丝成纤陶瓷纤维针刺毯生产线后,至1987年河南陕县电器厂、广东高明硅酸铝纤维厂和贵阳耐火材料厂分别从美国BW公司和Ferro公司引进了3条不同规模、不同成纤方法的陶瓷纤维针刺毯生产线及真空成型技术,从此改变了我国陶瓷纤维生产工艺、生产设备落后和产品单一的面貌。从1986年开始,我国通过对引进的陶瓷纤维生产设备和工艺消化、吸收,并结合国情研制、设计建成了不同类型的电阻法甩丝(或喷吹)成纤干法针刺毯生产线82条,安装在45家企业内。年产量已达到10万吨以上,成为世界最大的生产国。产品品种多样化,除批量生产低温型、标准型、高纯型、高铝型等多种陶瓷纤维针刺毯及超轻质树脂干法毡(板)外,还可生产14%～17%ZrO2的合锆纤维毯。其使用温度可达1300℃以上。20世纪80年代末期,日本直井机织公司、车铁及英特莱等机织品公司相继在北京投资建成了陶瓷纤维纺织品专业生产企业,并批量生产陶瓷纤维布、带、扭绳、套管、方盘根等陶瓷纤维纺织品,纤维织品生产所需的散状纤维棉及工艺装备均已实现了国产化。90年代初,北京、上海、辽宁鞍山、山东、河南三门峡等地先后从美国、法国、日本等国引进了陶瓷纤维的喷涂技术和设备;并在冶金、石化部门工业窑炉上应用了陶瓷纤维喷涂炉衬,节省了能耗,取得了良好的经济效益,现已得到了普遍推广,并在冶金、石化和机械等部门工业炉和加热装置中的应用取得了成功的经验。与陶瓷纤维喷涂技术同步发展的陶瓷纤维浇注料、可塑料、涂抹料等纤维不定形材料,不仅已建有国内生产企业,而且已在各类工业窑炉、加热装置和高温管道上推广应用。钢铁工业属原材料工业,是国民经济的基础,社会发展的重要支柱。钢铁工业的发展有赖于耐火材料工业技术的进步,特别是近几年来,新型隔热耐火材料—陶瓷纤维的技术进步,为冶金新技术的应用提供了强有力的保障。陶瓷纤维的适用范围覆盖了950℃～1600℃的高温工业窑炉、加热装置及高温管道,并成为应用领域的高效节能材料。陶瓷纤维在国内冶金行业的需求量大约在25000吨/年。由于陶瓷纤维在冶金行业中应用的层面和领域逐步深化和扩大,所以,它已经为业内人士所普遍认可。在冶金行业发展过程所面临的挑战中,调整产品的结构,需要大量改造现有的生产装备,这拉动了陶瓷纤维需求量的提高;降低能耗,需要不断加大低导热系数耐火材料的应用力度,陶瓷纤维的导热系数仅是传统重质耐火材料的四分之一,这就使陶瓷纤维需求量不断攀升;而提高生产装备的科技含量则更要求大量使用陶瓷纤维材料,以提高窑炉衬里的科技含量和炉体轻型化水平。可以预见,随着我国冶金行业的快速发展,陶瓷纤维的制造、销售与应用必将迎来一个前所未有的高峰,陶瓷纤维的产品研发与应用技术水平也将会有更大的飞跃。目前我国陶瓷纤维已处于持续调整发展的阶段,陶瓷纤维的生产工艺与设备,尤其是干法针刺毯的生产工艺与设备具有世界先进水平,含铬、含锆硅酸铝纤维板,多晶氧化铝纤维,多晶莫耒石纤维及混配纤维制品等新型陶瓷纤维与制品相继开发成功,并投放了工业化生产,使纤维状轻质耐火材料构成了完整的系列产品。陶瓷纤维应用范围的不断扩大,致使高强度、抗风蚀硬性纤维壁衬应用日益普及。同时,陶瓷纤维生产技术的发展,也大大推动了陶瓷纤维的应用技术和施工方法的发展。含锆纤维是用熔融法生产的一种用途广泛、成本较低的硅酸铝纤维,可大量用作砌筑各种热工窑炉的热面全纤维炉衬,目前国内产品在这方面的质量和应用开发还相对落后,现在国外出现了含铬纤维,使用温度比含锆纤维更高,国内还没有这方面的报道。4加强陶瓷纤维深加工产品的开发和应用近些年,由于能源价格不断上涨,燃料成本将会成为扼制陶瓷业发展的瓶颈,节能愈加重要。人们对窑炉热损失愈来愈关心,有的直接在原有耐火内衬表面加贴一层耐火陶瓷纤维以提高热效率。在加贴前必须将窑壁上明显的裂纹或剥落部位修复好。不过隔热耐火砖与耐火纤维也不能任意滥用。迄今为止如碱性吹氧炼钢炉、水泥回转窑等内衬,由于高温化学侵蚀严重,都暂时不能用纤维作内衬。对于连续加热设备如陶瓷隧道窑,早已实现了采用耐火陶瓷纤维用作连续加热设备的内衬。据报道,快速推板窑与隧道窑中采用耐火陶瓷纤维节能效果都很显著。尤其是超高温加热,如烧成温度在1538℃～1649℃的窑炉中,采用耐火纤维的节能效果最佳。目前,欧美及日本的陶瓷窑炉设备全部采用陶瓷纤维内衬。不久前日本将燃气隧道窑分解为诸如车厢结构进行分节制造、然后再运抵瓷厂施工现场组装,这一切都是由于采用陶瓷纤维材料,大大节省了窑炉造价,更简便的缘故。从材质改型方面推进陶瓷纤维制品节能效果的研究也正在进行中。目前我国的在工业窑炉用陶瓷纤维的生产开发上正在和国外的水平迅速接近。从陶瓷纤维行业的发展规律来看,我国未来陶瓷纤维的发展方向:一是加速目前的陶纤产品的系列化、功效化研究。我国的陶瓷纤维棉系列产品已经和国外基本同步,但是在后端深加工产品上与国外还存在相当大的差距,这种差距严重影响了我国陶瓷纤维产品市场的进一步拓展,这也是近年来一直努力的方向;二是开展高、精、尖陶瓷纤维产品的开发。国外陶瓷纤维产品的快速扩张主要是得益于新产品开发。一些高、精、尖产品的开发,使陶瓷纤维不再局限于工业窑炉领域,应用范围拓展到了石油、化工、建筑、电子,甚至航空航天领域。其中以3m的NEXTEL系列氧化物连续陶瓷纤维产品在航空航天领域的运用最为著名。这一领域是我国目前尚未涉足的领域,今后也将成为我国陶瓷纤维高端产品开拓的市场范围。陶瓷纤维虽然为高温工业领域的绝热耐火起着重要作用,但也存在很大的生产弊端,尤其是它具有可吸人性,对环境及人体有一定的危害,国外一些企业加强了对非晶质陶瓷纤维的限制使用。目前,一种生物溶解性非晶质陶瓷纤维在绝热耐火材料市场出现,这种超级纤维属无污染的环境友好型材料。陶瓷纤维最初是作为耐火保温材料而发展起来的。由于其纤细的形状,逐渐作为过滤材料而得到新的应用,陶瓷纤维过滤器依赖于陶瓷纤维的发展和应用。高温烟气净化已成为材料、冶金、化工、电力等行业实现“节能减排”的一个重要技术攻关课题。许多工业烟气属于高温烟气,如冶炼、焚烧、火力发电、燃煤锅炉、工业炉窑、余热回收利用等。采用传统的布袋除尘器净化高温烟尘,通常要将烟气冷却至250℃以下并控制在露点温度以上。因此,采取降温方法净化高温烟气势必造成设备、运行费用增加和热能浪费。直接过滤高温烟气有许多优点:可减少过滤前冷却气体的设备需要和费用;通过热能和有价值副产品的回收利用,能增加总运行效率;减少用于降温的稀释气流净化;可避免结露引起的设备腐蚀;减少维护费和延长设备使用寿命;简化处理过程;减少投资、安装、维护费用和占地面积。因此,高温烟气过滤技术的应用与发展一直引起世界各国的广泛关注,呈现出很好的市场前景。高温烟气中存在氧化还原环境,且常伴有腐蚀性化合物,这就对高温滤料的机械、热力学性能和化学稳定性提出更高的要求。现在人们普遍认识到:刚性陶瓷滤料将成为过滤高温、高压、具有腐蚀性气体的一种主要方法。为了使除尘器既不受高温条件限制,又能满足严格的排放标准,陶瓷纤维过滤技术在高温烟尘净化方面突显出独特的应用前景。和其它高温滤料相比较,陶瓷滤料在净化效率、过滤阻力、清灰效果、使用寿命、运行维护等方面有明显的优势,使陶瓷纤维滤料在高温烟气净化中的应用比例急速增长,陶瓷纤维过滤器研制、生产和应用已成为高温烟气净化技术的发展主流。因此,有理由对陶瓷纤维过滤技术在我国的应用和发展前景充满期待。陶瓷纤维作为过滤器普遍强度较低,发展低成本高强度的连续纤维增强陶瓷纤维过滤器是今后的发展方向。陶瓷纤维过滤器由于其优良的特性将会在高温烟气过滤等方面发挥越来越重要的作用,具有脱硫、脱硝、烟气催化转化等功能的陶瓷纤维过滤材料将是热气体净化材料的发展方向。陶瓷纤维过滤在我国高温烟气净化方面还没有起步,但近几年来的应用情况表明,在世界范围内陶瓷过滤器用量呈现出高增长趋势。陶瓷过滤器最突出的应用是燃煤发电领域的烟尘净化。最大限度地提高发电效率和减少对大气造成的污染已成为世界各国,特别是中国这样一个燃煤大国的主要任务。通过循环流化床