一種固體廢棄物為原料的無機纖維及其制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種固體廢棄粉末為原料的無機纖維及其制造方法，在550℃灼燒30min后殘余物包括如下質量百分比的組分：SiO2:36～48%，Al2O3:8～21%，CaO:22～32%，Fe2O3:2～12%，MgO:4～14%，Na2：O:0.1～2%，K2O:0.1～2%，TiO2?0.5～3%；本發明最大限度的利用粉煤灰，制造所得無機纖維產物具有優良的耐水性、耐酸性和耐久性，纖維的渣球含量低，適用于建筑外保溫制品、吸音隔聲材料、隔熱保溫板、工業管道的隔熱材料等。本發明提供的無機纖維制備方法克服了原料熔融及成型粘度控制問題，為以粉煤灰為原料制備無機纖維的工業化應用提供了可行的方案。
【專利說明】一種固體廢棄物為原料的無機纖維及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及以粉煤灰為原料的無機纖維及其工業制造 方法。
【背景技術】
[0002]粉煤灰泛指煤炭燃燒后的固態殘余物。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: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，粉煤灰的主要來源依次為煤炭作為能源的火力發電廠燃煤爐、大型工業企業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生類似粉煤灰的固態殘余物。粉煤灰的化學成分除了繼承煤炭中不燃性無機礦物成分之外，通常含有未燃盡的碳。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，因而大多數情況下呈較強的酸性。在固硫粉煤灰中還增加了大量的鈣、硫和少量的鎂。所謂的固硫粉煤灰是指在燃煤爐中直接噴入含鈣礦物進行干法脫硫得到的含有大量硫酸鈣的粉煤灰。中國對煤炭燃料的依存度大，粉煤灰排放給我國帶來了巨大的污染和土地占用問題。在我國北方大多數城市，燃煤飛灰是大氣中懸浮顆粒物的貢獻源之一。
[0003]迄今為止，粉煤灰利用還處于較低級的應用層次。在中國主要大量用于水泥和混凝土以及制磚。為提高粉煤灰應用的附加值，解決粉煤灰污染環境等問題，利用粉煤灰制備纖維已經有人提出過方案。如專利文獻CN 101289274A提出一種利用高爐渣和粉煤灰制備無機纖維的方法，粉煤灰作為添加劑，其主要的廢物利用對象是高爐渣，其創新在于如何利用高爐渣，但是文獻沒有公開具體的工藝參數。專利文獻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機纖維的方法，按照這個文件提供的方法，除了固硫粉煤灰之外難以制得無機纖維；專利文獻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組成。但是玄武巖纖維體系和粉煤灰在原料特點、配方組成、熔融工藝、成型對熔體粘度、析晶性能、表面張力等的要求、產品中渣球含量等特點有非常大的區別。因此，找到一種針對粉煤灰為主要原料，適合粉煤灰熔融體系，將其制備成型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化的案例很少，日本新興化學工業公司與東電環境工程公司有工業化的報道。其主要是利用粉煤灰生產耐水耐堿的長玻璃纖維。主要工藝如下: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，預燒，一次熔融，制成粒料，經過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%。混合料的 SiO2Al2O3 的比 2.5 ~5.0。(2)預燒溫度和預燒時間分別為900°C~1000°C和5h。粉煤灰一般殘留I~5%碳分，預燒能完全除去殘留碳分，得到澄清的玻璃料。(3)在1400°C~1550°C下進行2小時的一次熔融，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適當的拉絲設備拉絲。這種方法不僅要用到極其昂貴的鉬金，而且經過兩次熔融，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機纖維之所以難于大規模的工業化生產，首先是由于粉煤灰的化學組成復雜多變，而且不同的煤礦、不同的電廠燒出來的粉煤灰在化學組成的差別很大。根據我們的工業試驗結果知道，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粘度的影響很大，現有技術尚無法預測這種影響。因此，本發明的第一個目的是解決組合物配比調控以滿足不同成纖設備對各種粉煤灰來源的適應性問題。
[0006]粉煤灰制備無機纖維的第二個難點是高溫的實現問題。粉煤灰的酸度系數很高，熔融溫度在1700°C左右。對于這個問題以前人們一直追尋如何在高溫實現設備上著手。粉煤灰的熔融溫度與其組成有很大的關系，因此本發明的第二個目的是將粉煤灰中的化學組成調到合適配比的，從而控制粉煤灰的熔融溫度。
[0007]粉煤灰制備無機纖維的第三個技術難點就是成纖過程中的工藝控制問題。對于一定的纖維成型設備，對熔體的粘度和表面張力的特性指標都要求維持在一個很狹小的區間。因此對如何保證成纖時的粘度等特性指標的穩定性就是一個決定纖維能否成型以及纖維產品一致性的關鍵因素。
[0008]上述的將粉煤灰等廢棄物制備纖維過程中的難點及上述熔體性能:黏度、表面張力、析晶性能、流變性和硬化速度，可以歸結于上述熔體特性與熔體組合物組成的影響關系尚無定論。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是提供一 種以粉煤灰為原料的無機纖維及其制備方法，具體的說，提供了一種粉煤灰制造的無機纖維的配方及其組成調配、熔融以及成纖的工業制造方法，用以解決上述現有技術存在的缺陷和不足。
[0010]為實現上述目的，本發明所述的一種以粉煤灰為原料的無機纖維，在550°C灼燒30min后殘余物包括如下質量百分比的組分:
[0011]
SiO2:36 ~48%
AI2O3:8~21%
CaO:22 ~32%
Fe20.;:2 ~12%
VIgO:4~14%
Na2O:0.1 - 2%;
K2O:0.卜 2%
TiO0.5-3%；
[0012]進一步，所述以粉煤灰為原料的無機纖維的酸度系數為1.6~1.9 ;
[0013]進一步，所述以粉煤灰為原料的無機纖維的Fe2O3和MgO組成的質量百分比之和為8%~18% ；[0014]
【權利要求】
1.一種固體廢棄粉末為原料的無機纖維，其特征在于，在550°C灼燒30min后殘余物包括如下質量百分比的組分:SiO2:36~48%Al2O;,:8~21%CaO:22 ~32%Fe2O3:2 - 12%MgO:4~14%Na2O:0.1-2%;K.0:0.1-2%TiO20.5 ~3%。
2.根據權利要求1所述的固體廢棄粉末為原料的無機纖維，其特征在于，酸度系數為1.6~1.9 ；Fe203和MgO組成的質量百分比之和為8%~18%。
3.根據權利要求2所述的固體廢棄粉末為原料的無機纖維，其特征在于，平均直徑為3.0~7.0微米；渣球含量不大于8 %。
4.權利要求1~3任一項所述以粉煤灰為原料的無機纖維的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:(1)將粉煤灰和助熔劑按重量比為1.3~7.0的配方比例混和后得到混合原料； 所述助熔劑選自電石渣、水萃渣、白云石或石灰石中的一種或兩種；(2)將所述混合原料與含碳導電劑一起送入1450~1700°C的電熔爐內熔融得到熔體； (3)將熔體離心成型獲得無機纖維。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(1)中，所述粉煤灰選自流化床鍋爐或煤粉爐的飛灰或底渣；所說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； 所述水萃渣、白云石和石灰石的平均顆粒粒徑10~20mm，最大顆粒粒徑不大于30~40mmo
6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(2)中，所述含碳導電劑選自焦炭，其添加量使入爐原材料中碳的質量百分數6%~15%。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(2)中，熔融的過程是連續的，或者是間歇的；熔融的時間為80~240min。
8.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(3)中，所述熔體從電熔爐經流道入離心設備的停留時間為0.8~1.5s。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，步驟(3)中，所述的離心設備為外離心式離心機，例如三輥離心甩絲成纖機或四輥離心甩絲成纖機； 所述離心機的成纖棍的最低線速度為25~33m/s ；所述離心機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。
【文檔編號】C03C13/00GK103539347SQ201210236727
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月9日 優先權日:2012年7月9日
【發明者】吳秋芳, 李鵬, 何迪歡, 王漢斌, 徐康輝, 朱鳴航 申請人:上海華明高技術（集團）有限公司, 浙江軒鳴新材料有限公司