陶瓷纖維在節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

陶瓷纖維具有重量輕、耐磁性、穩(wěn)定性好、導(dǎo)率低、比熱小、耐機械振動等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于石化、冶金、能源、航空、航空航天、消防、汽車、船舶等領(lǐng)域。隨著應(yīng)用技術(shù)的提高,陶瓷纖維還在不斷拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域,如汽車行業(yè)的發(fā)動機、排氣管的隔熱消音,家電行業(yè)的絕緣、隔熱,以及航空航天、極地科考的絕熱與絕冷等領(lǐng)域。近年來陶瓷纖維在高溫?zé)筛G爐方面的應(yīng)用前景也日益擴大,陶瓷纖維制成的各類制品以隔熱效果好、使用簡便,特別是蓄熱小等特征,普遍應(yīng)用于各式窯爐中,大大顯示出很高的節(jié)能效率。目前由于全球能源價格的不斷上漲、節(jié)能已成為中國國家戰(zhàn)略,因此比隔熱磚與澆筑料等傳統(tǒng)耐材節(jié)能達10%～30%的陶瓷纖維在我國得到了更多更廣的應(yīng)用,發(fā)展前景十分看好。1多晶氧化鋁纖維產(chǎn)品的生產(chǎn)陶瓷纖維最早出現(xiàn)在1941年,美國巴布、維爾考克斯公司用天然高嶺土,用電弧爐熔融噴吹成纖維。20世紀40年代后期,美國兩家公司生產(chǎn)硅酸鋁系列纖維,并首次應(yīng)用于航空工業(yè);20世紀60年代,美國研制出多種陶瓷纖維制品,并用于工業(yè)窯爐壁襯。20世紀70年代,陶瓷纖維在我國開始生產(chǎn)使用,其應(yīng)用技術(shù)在20世紀80年代得到迅速推廣,但主要適用溫度范圍在1000℃以下,應(yīng)用技術(shù)相對簡單落后。進入20世紀90年代以后,隨著含鋯纖維和多晶氧化鋁纖維的推廣應(yīng)用,使用溫度提高到1000℃～1400℃,但由于產(chǎn)品質(zhì)量缺陷和應(yīng)用技術(shù)的落后,應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方式都受到局限。如多晶氧化鋁纖維不能制做成纖維毯,產(chǎn)品規(guī)格單一,以散棉、纖維塊為主,雖然使用溫度有所提高,但是強度很差,限制了使用范圍,也縮短了使用壽命。自從進入21世以來,一些大的陶瓷纖維生產(chǎn)企業(yè)為了增強抗風(fēng)險的能力,紛紛組建集團,并進行了內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整,淘汰了一些落后的工藝與設(shè)備及生產(chǎn)線,在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上作了較大的調(diào)整,大幅度壓縮了在國際市場上競爭力較差的普通硅酸鋁纖維產(chǎn)品,擴大了高純硅酸鋁纖維、含鉻纖維、含鋯纖維、多晶氧化鋁纖維和多晶莫耒石纖維等產(chǎn)品的生產(chǎn)能力。同時,一些大的陶瓷纖維企業(yè)開發(fā)成功并批量生產(chǎn)用于特殊應(yīng)用領(lǐng)域的多晶氧化鋯纖維、氮化硅纖維、碳化硅纖維、硼化物纖維等新產(chǎn)品,如美國DuPont(杜邦)公司生產(chǎn)的多晶氧化鋁長纖維(商品名為FP纖維),含有99.9%多晶α-Al2O3,纖維直徑為20μm,主要用于制造紡織物。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,先進的復(fù)合材料已研制開發(fā)成功,其增強體主要是連續(xù)長纖維和晶須,其中碳化硅纖維與晶須在復(fù)合材料中應(yīng)用最廣,由碳化硅纖維增強的金屬基(鈦基)復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料已用于制造航天飛機部件、高性能發(fā)動機等耐高溫結(jié)構(gòu)材料,是21世紀航空航天及高技術(shù)領(lǐng)域的新材料。2陶瓷纖維制品生產(chǎn)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變目前,國外在提高陶瓷纖維產(chǎn)量的同時,注意研制開發(fā)新品種,除1000型、1260型、1400型、1600型及混配纖維等典型陶瓷纖維制品外,近年來在熔體的化學(xué)組分中添加ZrO2、Cr2O3等成分,從而使陶瓷纖維制品的最高使用溫度提高到1300℃。此外,有些生產(chǎn)企業(yè)還在熔體的化學(xué)組分中添加CaO、MgO等成分,研制開發(fā)成功多種新產(chǎn)品。如可溶性陶瓷纖維含62%的高強陶瓷纖維及耐高溫陶瓷紡織纖維等。因此,目前在國外陶瓷纖維的應(yīng)用帶來了十分顯著的經(jīng)濟效益,導(dǎo)致陶瓷纖維的應(yīng)用范圍日益擴大,一些主要工業(yè)發(fā)達國家的陶瓷纖維產(chǎn)量繼續(xù)保持持續(xù)增長的發(fā)展勢頭,其中尤以玻璃態(tài)硅酸鋁纖維的發(fā)展最為迅速。隨著陶瓷纖維應(yīng)用范圍的不斷擴大,導(dǎo)致陶瓷纖維制品的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生重大改變,如陶瓷纖維毯(包括纖維塊)的產(chǎn)量由過去占陶瓷纖維產(chǎn)量的70%降至45%。陶瓷纖維深加工制品(如纖維繩、布等纖維制品)、纖維紙、纖維澆注料、可塑料、涂抹料等纖維不定形材料的產(chǎn)量大幅度增長,接近于陶瓷纖維產(chǎn)量的15%。陶瓷纖維新品種的開發(fā)生產(chǎn)和應(yīng)用,大大促進了陶瓷纖維的應(yīng)用技術(shù)和施工方法的發(fā)展。據(jù)報載,最近幾年日本開發(fā)生產(chǎn)出軍用發(fā)動機用新型陶瓷纖維復(fù)合材料,如日本三菱株式會社為戰(zhàn)斗機用發(fā)動機和火箭發(fā)動機研制了陶瓷纖維復(fù)合材料,該復(fù)合材料是將10微米的陶瓷纖維編織成三維結(jié)構(gòu),涂以一種玻璃狀的物質(zhì),這種陶瓷纖維耐熱,但易斷裂,將其制成復(fù)合材料,可提高其強度。碳纖維復(fù)合材料通常用于飛機及火箭箭體,但很少用于發(fā)動機,因為它大約只能用于300℃,所以一般用鎳基合金,而新的陶瓷纖維復(fù)合材料的耐高溫性比碳纖維復(fù)合材料好,而又比鎳基合金輕50%,該公司已在日本防衛(wèi)廳的戰(zhàn)斗機用發(fā)動機噴管上進行了外場試驗,并在火箭發(fā)動機上成功制造了一個原型件,該公司2005年還在火箭發(fā)動機上已經(jīng)實現(xiàn)了工程應(yīng)用。美國和加拿大是陶瓷纖維的生產(chǎn)大國,年產(chǎn)量達到了10萬噸左右,約占世界耐火纖維年總產(chǎn)量的1/3。歐洲的陶瓷纖維產(chǎn)量位于第三,年產(chǎn)量達到6萬噸左右。在年產(chǎn)30萬噸的陶瓷纖維中,各種制品的比例大致為:毯和纖維模塊45%;真空成型板、氈及異形制品25%;散狀纖維棉15%;纖維繩、布等織品6%;纖維不定形材料6%;纖維紙3%。3陶瓷纖維的生產(chǎn)我國陶瓷纖維生產(chǎn)起步較晚,在20世紀70年代初期,先后在北京耐火材料廠和上海耐火材料廠研制成功并投入批量生產(chǎn)。其后10余年主要以“電弧爐熔融、一次風(fēng)噴吹成纖、濕法手工制氈”的工藝生產(chǎn)陶瓷纖維制品,工藝落后,產(chǎn)品單一。自1984年首鋼公司耐火材料廠從美國CE公司引進電阻法甩絲成纖陶瓷纖維針刺毯生產(chǎn)線后,至1987年河南陜縣電器廠、廣東高明硅酸鋁纖維廠和貴陽耐火材料廠分別從美國BW公司和Ferro公司引進了3條不同規(guī)模、不同成纖方法的陶瓷纖維針刺毯生產(chǎn)線及真空成型技術(shù),從此改變了我國陶瓷纖維生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備落后和產(chǎn)品單一的面貌。從1986年開始,我國通過對引進的陶瓷纖維生產(chǎn)設(shè)備和工藝消化、吸收,并結(jié)合國情研制、設(shè)計建成了不同類型的電阻法甩絲(或噴吹)成纖干法針刺毯生產(chǎn)線82條,安裝在45家企業(yè)內(nèi)。年產(chǎn)量已達到10萬噸以上,成為世界最大的生產(chǎn)國。產(chǎn)品品種多樣化,除批量生產(chǎn)低溫型、標準型、高純型、高鋁型等多種陶瓷纖維針刺毯及超輕質(zhì)樹脂干法氈(板)外,還可生產(chǎn)14%～17%ZrO2的合鋯纖維毯。其使用溫度可達1300℃以上。20世紀80年代末期,日本直井機織公司、車鐵及英特萊等機織品公司相繼在北京投資建成了陶瓷纖維紡織品專業(yè)生產(chǎn)企業(yè),并批量生產(chǎn)陶瓷纖維布、帶、扭繩、套管、方盤根等陶瓷纖維紡織品,纖維織品生產(chǎn)所需的散狀纖維棉及工藝裝備均已實現(xiàn)了國產(chǎn)化。90年代初,北京、上海、遼寧鞍山、山東、河南三門峽等地先后從美國、法國、日本等國引進了陶瓷纖維的噴涂技術(shù)和設(shè)備;并在冶金、石化部門工業(yè)窯爐上應(yīng)用了陶瓷纖維噴涂爐襯,節(jié)省了能耗,取得了良好的經(jīng)濟效益,現(xiàn)已得到了普遍推廣,并在冶金、石化和機械等部門工業(yè)爐和加熱裝置中的應(yīng)用取得了成功的經(jīng)驗。與陶瓷纖維噴涂技術(shù)同步發(fā)展的陶瓷纖維澆注料、可塑料、涂抹料等纖維不定形材料,不僅已建有國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè),而且已在各類工業(yè)窯爐、加熱裝置和高溫管道上推廣應(yīng)用。鋼鐵工業(yè)屬原材料工業(yè),是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ),社會發(fā)展的重要支柱。鋼鐵工業(yè)的發(fā)展有賴于耐火材料工業(yè)技術(shù)的進步,特別是近幾年來,新型隔熱耐火材料—陶瓷纖維的技術(shù)進步,為冶金新技術(shù)的應(yīng)用提供了強有力的保障。陶瓷纖維的適用范圍覆蓋了950℃～1600℃的高溫工業(yè)窯爐、加熱裝置及高溫管道,并成為應(yīng)用領(lǐng)域的高效節(jié)能材料。陶瓷纖維在國內(nèi)冶金行業(yè)的需求量大約在25000噸/年。由于陶瓷纖維在冶金行業(yè)中應(yīng)用的層面和領(lǐng)域逐步深化和擴大,所以,它已經(jīng)為業(yè)內(nèi)人士所普遍認可。在冶金行業(yè)發(fā)展過程所面臨的挑戰(zhàn)中,調(diào)整產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),需要大量改造現(xiàn)有的生產(chǎn)裝備,這拉動了陶瓷纖維需求量的提高;降低能耗,需要不斷加大低導(dǎo)熱系數(shù)耐火材料的應(yīng)用力度,陶瓷纖維的導(dǎo)熱系數(shù)僅是傳統(tǒng)重質(zhì)耐火材料的四分之一,這就使陶瓷纖維需求量不斷攀升;而提高生產(chǎn)裝備的科技含量則更要求大量使用陶瓷纖維材料,以提高窯爐襯里的科技含量和爐體輕型化水平?？梢灶A(yù)見,隨著我國冶金行業(yè)的快速發(fā)展,陶瓷纖維的制造、銷售與應(yīng)用必將迎來一個前所未有的高峰,陶瓷纖維的產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用技術(shù)水平也將會有更大的飛躍。目前我國陶瓷纖維已處于持續(xù)調(diào)整發(fā)展的階段,陶瓷纖維的生產(chǎn)工藝與設(shè)備,尤其是干法針刺毯的生產(chǎn)工藝與設(shè)備具有世界先進水平,含鉻、含鋯硅酸鋁纖維板,多晶氧化鋁纖維,多晶莫耒石纖維及混配纖維制品等新型陶瓷纖維與制品相繼開發(fā)成功,并投放了工業(yè)化生產(chǎn),使纖維狀輕質(zhì)耐火材料構(gòu)成了完整的系列產(chǎn)品。陶瓷纖維應(yīng)用范圍的不斷擴大,致使高強度、抗風(fēng)蝕硬性纖維壁襯應(yīng)用日益普及。同時,陶瓷纖維生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,也大大推動了陶瓷纖維的應(yīng)用技術(shù)和施工方法的發(fā)展。含鋯纖維是用熔融法生產(chǎn)的一種用途廣泛、成本較低的硅酸鋁纖維,可大量用作砌筑各種熱工窯爐的熱面全纖維爐襯,目前國內(nèi)產(chǎn)品在這方面的質(zhì)量和應(yīng)用開發(fā)還相對落后,現(xiàn)在國外出現(xiàn)了含鉻纖維,使用溫度比含鋯纖維更高,國內(nèi)還沒有這方面的報道。4加強陶瓷纖維深加工產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用近些年,由于能源價格不斷上漲,燃料成本將會成為扼制陶瓷業(yè)發(fā)展的瓶頸,節(jié)能愈加重要。人們對窯爐熱損失愈來愈關(guān)心,有的直接在原有耐火內(nèi)襯表面加貼一層耐火陶瓷纖維以提高熱效率。在加貼前必須將窯壁上明顯的裂紋或剝落部位修復(fù)好。不過隔熱耐火磚與耐火纖維也不能任意濫用。迄今為止如堿性吹氧煉鋼爐、水泥回轉(zhuǎn)窯等內(nèi)襯,由于高溫化學(xué)侵蝕嚴重,都暫時不能用纖維作內(nèi)襯。對于連續(xù)加熱設(shè)備如陶瓷隧道窯,早已實現(xiàn)了采用耐火陶瓷纖維用作連續(xù)加熱設(shè)備的內(nèi)襯。據(jù)報道,快速推板窯與隧道窯中采用耐火陶瓷纖維節(jié)能效果都很顯著。尤其是超高溫加熱,如燒成溫度在1538℃～1649℃的窯爐中,采用耐火纖維的節(jié)能效果最佳。目前,歐美及日本的陶瓷窯爐設(shè)備全部采用陶瓷纖維內(nèi)襯。不久前日本將燃氣隧道窯分解為諸如車廂結(jié)構(gòu)進行分節(jié)制造、然后再運抵瓷廠施工現(xiàn)場組裝,這一切都是由于采用陶瓷纖維材料,大大節(jié)省了窯爐造價,更簡便的緣故。從材質(zhì)改型方面推進陶瓷纖維制品節(jié)能效果的研究也正在進行中。目前我國的在工業(yè)窯爐用陶瓷纖維的生產(chǎn)開發(fā)上正在和國外的水平迅速接近。從陶瓷纖維行業(yè)的發(fā)展規(guī)律來看,我國未來陶瓷纖維的發(fā)展方向:一是加速目前的陶纖產(chǎn)品的系列化、功效化研究。我國的陶瓷纖維棉系列產(chǎn)品已經(jīng)和國外基本同步,但是在后端深加工產(chǎn)品上與國外還存在相當(dāng)大的差距,這種差距嚴重影響了我國陶瓷纖維產(chǎn)品市場的進一步拓展,這也是近年來一直努力的方向;二是開展高、精、尖陶瓷纖維產(chǎn)品的開發(fā)。國外陶瓷纖維產(chǎn)品的快速擴張主要是得益于新產(chǎn)品開發(fā)。一些高、精、尖產(chǎn)品的開發(fā),使陶瓷纖維不再局限于工業(yè)窯爐領(lǐng)域,應(yīng)用范圍拓展到了石油、化工、建筑、電子,甚至航空航天領(lǐng)域。其中以3m的NEXTEL系列氧化物連續(xù)陶瓷纖維產(chǎn)品在航空航天領(lǐng)域的運用最為著名。這一領(lǐng)域是我國目前尚未涉足的領(lǐng)域,今后也將成為我國陶瓷纖維高端產(chǎn)品開拓的市場范圍。陶瓷纖維雖然為高溫工業(yè)領(lǐng)域的絕熱耐火起著重要作用,但也存在很大的生產(chǎn)弊端,尤其是它具有可吸人性,對環(huán)境及人體有一定的危害,國外一些企業(yè)加強了對非晶質(zhì)陶瓷纖維的限制使用。目前,一種生物溶解性非晶質(zhì)陶瓷纖維在絕熱耐火材料市場出現(xiàn),這種超級纖維屬無污染的環(huán)境友好型材料。陶瓷纖維最初是作為耐火保溫材料而發(fā)展起來的。由于其纖細的形狀,逐漸作為過濾材料而得到新的應(yīng)用,陶瓷纖維過濾器依賴于陶瓷纖維的發(fā)展和應(yīng)用。高溫?zé)煔鈨艋殉蔀椴牧?、冶金、化工、電力等行業(yè)實現(xiàn)“節(jié)能減排”的一個重要技術(shù)攻關(guān)課題。許多工業(yè)煙氣屬于高溫?zé)煔?如冶煉、焚燒、火力發(fā)電、燃煤鍋爐、工業(yè)爐窯、余熱回收利用等。采用傳統(tǒng)的布袋除塵器凈化高溫?zé)焿m,通常要將煙氣冷卻至250℃以下并控制在露點溫度以上。因此,采取降溫方法凈化高溫?zé)煔鈩荼卦斐稍O(shè)備、運行費用增加和熱能浪費。直接過濾高溫?zé)煔庥性S多優(yōu)點:可減少過濾前冷卻氣體的設(shè)備需要和費用;通過熱能和有價值副產(chǎn)品的回收利用,能增加總運行效率;減少用于降溫的稀釋氣流凈化;可避免結(jié)露引起的設(shè)備腐蝕;減少維護費和延長設(shè)備使用壽命;簡化處理過程;減少投資、安裝、維護費用和占地面積。因此,高溫?zé)煔膺^濾技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展一直引起世界各國的廣泛關(guān)注,呈現(xiàn)出很好的市場前景。高溫?zé)煔庵写嬖谘趸€原環(huán)境,且常伴有腐蝕性化合物,這就對高溫濾料的機械、熱力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性提出更高的要求?，F(xiàn)在人們普遍認識到:剛性陶瓷濾料將成為過濾高溫、高壓、具有腐蝕性氣體的一種主要方法。為了使除塵器既不受高溫條件限制,又能滿足嚴格的排放標準,陶瓷纖維過濾技術(shù)在高溫?zé)焿m凈化方面突顯出獨特的應(yīng)用前景。和其它高溫濾料相比較,陶瓷濾料在凈化效率、過濾阻力、清灰效果、使用壽命、運行維護等方面有明顯的優(yōu)勢,使陶瓷纖維濾料在高溫?zé)煔鈨艋械膽?yīng)用比例急速增長,陶瓷纖維過濾器研制、生產(chǎn)和應(yīng)用已成為高溫?zé)煔鈨艋夹g(shù)的發(fā)展主流。因此,有理由對陶瓷纖維過濾技術(shù)在我國的應(yīng)用和發(fā)展前景充滿期待。陶瓷纖維作為過濾器普遍強度較低,發(fā)展低成本高強度的連續(xù)纖維增強陶瓷纖維過濾器是今后的發(fā)展方向。陶瓷纖維過濾器由于其優(yōu)良的特性將會在高溫?zé)煔膺^濾等方面發(fā)揮越來越重要的作用,具有脫硫、脫硝、煙氣催化轉(zhuǎn)化等功能的陶瓷纖維過濾材料將是熱氣體凈化材料的發(fā)展方向。陶瓷纖維過濾在我國高溫?zé)煔鈨艋矫孢€沒有起步,但近幾年來的應(yīng)用情況表明,在世界范圍內(nèi)陶瓷過濾器用量呈現(xiàn)出高增長趨勢。陶瓷過濾器最突出的應(yīng)用是燃煤發(fā)電領(lǐng)域的煙塵凈化。最大限度地提高發(fā)電效率和減少對大氣造成的污染已成為世界各國,特別是中國這樣一個燃煤大國的主要任務(wù)。通過循環(huán)流化床