[發明專利]以粉煤灰為主要原料的無機纖維及其制造方法

有效

• 申請號: 201210235970.0
• 申請日: 2012-07-09
• 公開（公告）號: CN103539361A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發明（設計）人: 李鵬;吳秋芳;陳國建;王漢斌;朱鳴航;馬新勝
• 申請（專利權）人: 浙江軒鳴新材料有限公司;上海華明高技術（集團）有限公司
• 主分類號: C03C13/06
• 分類號: C03C13/06;C03B37/00;C04B28/04
• 代理公司: 上海金盛協力知識產權代理有限公司 31242
• 代理人: 羅大忱

技術領域

本發明涉及利用工業固體廢棄物粉煤灰為主要原料，制造的無機纖維和制造這種無機纖維的工業生產方法。更具體的，涉及一種具有特定應用性能的無機纖維及其制造方法。

技術背景

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，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SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃占大部分，因而大多數情況下呈較強的酸性。中國對煤炭燃料的依存度大，粉煤灰排放也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。

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。為提高粉煤灰的應用的附加值，更好的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，并且其中提到的甩絲和噴絲成型方法已經是較成熟的技術，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，可能是一種設想。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，但沒有指出具體的配方和成纖工藝；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特例。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、成纖對熔體粘度、析晶性能、表面張力等的要求、產品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，將其制備成為纖維的工藝方法和工藝條件就格外重要。

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玻璃纖維。工藝概要如下：以粉煤灰為基料，配合SiO₂、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。（1）粉煤灰混合料的配比為：粉煤灰45～65%，Al₂O₃～20%，R₂O：0～8%。混合料的SiO₂/Al₂O₃的比2.5～5.0。（2）預燒溫度和預燒時間分別為900℃～1000℃和5h。預燒能完全除去殘留碳分，得到澄清的玻璃料。（3）在1400℃～1550℃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，用電爐或鉑金坩堝爐，將玻璃粒料在1300℃～1350℃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鉑金，而且經過兩次熔融，能耗大，效率低。

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極其復雜，而且不同的煤礦、不同的電廠得到的粉煤灰的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，用現有技術尚無法預測這種影響。

粉煤灰制備無機纖維的第二個難題是高溫的實現問題。粉煤灰的酸度系數很高，熔融溫度在1700°C以上。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。比如用電熔爐、煤氣爐、燃油爐等等。這些設備無疑可以達到很高的溫度，但是，會同時增加設備成本和燃料成本。粉煤灰的熔融溫度與其組成有很大的關系，因此需要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。