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淺析非金屬礦節能材料制備技術研發的意義 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2015-02-03 10:46:35 瀏覽次數: |
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1 開發非金屬礦節能材料制備技術的意義
(中國粉體技術網/班建偉)能源是人類社會生存和發展的基礎和動力,隨著工業和社會的發展,人類對能源的需求越來越大,導致世界能源的供給日趨緊張,能源價格大幅上漲,并不時顯現能源危機的跡象。因此,節能已經成為人類社會的重要課題。世界各國特別是工業發達國家都十分重視節能,采取了一系列措施,諸如開源節流、提高能源利用率、發展節能型建筑以及研制各種保溫、隔熱、節能等材料。
我國能源的利用效率較低,單位GDP的能耗顯著高于發達國家。如建筑能耗是西方發達國家的2~3倍?,F有的數百億平方米建筑中,節能建筑不足1%。目前在建筑節能領域,除了改進建筑結構設計以外,主要是通過應用聚苯、聚氨酯發泡保溫材料等來實現建筑節能,雖然隔熱保溫效果較好,但是存在施工性能和防火性能較差、壽命短、價格高等問題。節能技術做為我國的重大戰略需求和當前的緊迫任務,已經列為《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》(2006~2020年)中若干重點領域及優先主題的共性問題之一。但是,節能非金屬礦物材料制備技術的研發工作還沒有取得突破性進展,還需要政府、研發機構、高等院校、企業的共同關注。
非金屬礦具有優良的隔熱、保溫、儲能等功能。利用天然礦物或其深加工產品具有疏松多孔、容重小、吸濕性差、導熱率低等共性,可以采用多種技術制備成節能材料及制品,應用于建筑、電力、化工等領域,可以達到絕熱、節能的目的。目前我國非金屬礦在節能領域的利用水平不高,開發潛力巨大。因此,利用我國優勢非金屬礦產資源,大力研究和開發節能材料制備技術,不僅市場需求量大,可以發展成為一個新興產業,而且對于節能、減少碳排放、培育和發展低碳經濟具有重要意義。
2 節能用非金屬礦的種類
可以用來生產節能材料的非金屬礦種類很多。例如:①用珍珠巖、浮石、沸石、火山渣、浮石質流紋巖、蛭石、硅藻土、石棉等非金屬礦制成的節能產品不僅質輕,而且具有良好的保溫、絕熱、隔音等性能,且具價廉、來源廣等優點,較之有機保溫材料(聚氨酯等)有更大優越性,因而被建筑業廣泛利用,節能效果顯著;②做為陶瓷用的節能原料除了目前已普遍利用的硅灰石、透輝石和透閃石之外,鉀長石、絹英巖、霞石正長巖、響巖、玄武巖、凝灰巖、層凝灰巖、粗面巖、霏細巖、珍珠巖、石灰巖、泥灰巖等均可用做低溫燒成原料,達到節能的效果;③用于耐火材料的非金屬礦有藍晶石、矽線石、紅柱石、高鋁粘土、滑石、鋁土礦、橄欖巖、蛇紋石等;④在冶金工業領域具節能效果的非金屬礦有螢石、葉蠟石、石墨、鈉基膨潤土、硅灰石、蛭石、白云巖、橄欖巖、純橄欖巖、蛇紋石等;⑤多孔石墨、膨脹珍珠巖、膨潤土、硅藻土、海泡石、凹凸棒土、沸石、蛭石、蛇紋石、高嶺土、伊利石等可以做為儲能載體;⑥以輝綠巖、玄武巖、角閃巖、白云巖、菱鎂礦、石灰巖、螢石等非金屬礦為原料熔制成鑄石,做為耐磨材質替代鋼材也可節能。
3 非金屬礦在不同領域中的節能應用
非金屬礦在建筑、陶瓷、耐火材料、冶金等工業領域應用廣泛,節能效果明顯。
(1) 建筑業
非金屬礦在建筑業上的節能作用主要體現在制取保溫、隔熱材料上。如巖棉采用玄武巖等非金屬礦制得,巖棉板密度低(80~200kg/m3),導熱系數小[0.044~0.048W/(m·K)],墻體建筑采用巖棉保溫,采暖熱損失可減少20%。輕化磚墻使用礦棉板,隔熱能力提高1.5 ~2 倍,少用水泥70% ,少用磚50%,還可增加建筑面積10%。膨脹珍珠巖質輕、絕熱、吸音、無毒、無味、不燃燒、不發霉,是一種輕質、高效能保溫材料。如住宅無建筑保溫層,冬天取暖熱損失能源高達83%,夏季吸熱量占室內總熱量的57.9%。
膨脹蛭石堆積密度小(80~200kg/m3),熱導率低[0.046~0.06W/(m·K)],具有保溫、隔
熱、吸音等特性,可以做松散保溫填料。蛭石保溫隔音板密度僅為600~700kg/m3,抗彎強度可達1.5MPa,導熱系數為0.15~0.16W/(m·K),無毒性,可廣泛用在軍火庫、耐火隔板、防火天花板、鋼塔、鋼結構保護套等。
海泡石密度低(2.2g/cm3),小氣孔很多,與其他輔料合理配合,可制成硅酸鹽保溫涂料。熱導率低,保溫涂層薄,無毒、無塵、無污染、不腐蝕(pH值7~8),適應溫度范圍寬(-40~800℃)。
硅藻土質輕多孔, 對熱、聲、電的傳導性低,其比表面積大,吸附性能、熱穩定性好,保溫材料行業是其重要的應用領域。珍珠巖—硅藻土制品能在900℃溫度下做為保溫材料,制品不燃、無毒等。
硅灰石在1 200℃不會發生明顯的吸熱和放熱反應,也不會發生相變,燒失量小,膨脹率低,在建筑領域中的節能主要是硅酸鈣絕熱材料方面。
(2) 陶瓷工業
非金屬礦在陶瓷行業的節能作用主要體現在降低燒成溫度、縮短燒成周期等方面。陶瓷燒成溫度均在1 250℃以上,試驗表明燒成溫度從1 400℃降到1 350℃可降低能耗10%。陶瓷中加入20%~30%硅灰石,焙燒溫度由1 250~1 220℃降到1 000℃左右。燒成時間由46~76h降至約2h,而且能使陶瓷結構更致密、機械強度更高,并可提高釉的白度、改善流動性等,真正實現低溫快速燒成。
陶瓷坯體中加入透輝石,燒成溫度降低150~200℃,坯體可快速干燥、縮短燒成周期、減少燒成收縮、產品機械強度高、熱穩定性好、熱膨脹系數小。陶瓷坯釉中加入適量霞石正長巖, 可使燒成溫度比用長石降低300℃。陶瓷生產中添加5%~8%伊利石,燒成溫度降低約100~120℃;加入25%~30%伊利石配制的陶瓷、工藝美術瓷、其燒成溫度為1 260~1 280℃,燒成收縮率僅為9.53%~10.4%。
葉蠟石做瓷質磚原料,坯體強度高、白度高、干燥性能好、燒成收縮小、熱膨脹系數小,且質地輕,密度小。
螢石是強熔劑原料,能降低釉的熔融溫度和高溫粘度,提高釉面光澤度。用響巖做為陶瓷原料,可使燒成溫度由1 230℃降至1 080℃,且可減低產品收縮率。陶瓷原料中加入一定量玄武巖,可以在950~1 150℃下燒成,其產品的密實性、抗撓性也得到加強。在陶瓷配料中加入28%凝灰巖,可使焙燒溫度由原來的1 280℃降為1 l40℃。此外,粗面巖、霏細巖、珍珠巖、石灰巖、泥灰巖等均可用做低溫燒成原料。
(3) 耐火材料
非金屬礦在耐火材料業上的節能作用主要體現在降低煅燒溫度,提高耐火材料強度與耐火度。如藍晶石、矽線石和紅柱石等在高溫下轉化為莫來石,具有極高的耐火度、熱穩定性以及受熱后體積膨脹小等優點,達到節能效果。藍晶石、矽線石和剛玉等與硼酸、粘土、食鹽、水一起制取耐火材料,可以降低煅燒溫度。
(4) 冶金工業
非金屬礦在冶金工業上的節能作用主要體現在助熔、保溫上。如硅灰石具有低溫助熔特性,用其作冶金保護渣基料,具有配料種類少、熱穩定好、化學成分穩定、鑄件表面光潔等優點。鈉基膨潤土作冶煉球團的粘結劑,不僅使煉鐵爐生產能力提高4 0 % ~50%,而且還可節約熔劑和焦炭l0%~l5%。橄欖巖、純橄欖巖因燒失量低(分別為2%和10%),可替代白云巖(燒失量40%)作高爐熔劑和爐渣調節劑而實現節能目的。螢石或白云石可作冶金爐、玻璃熔化窯爐的助熔劑,煉鋼時加入螢石可形成易流動的爐渣,并能排除硫等有害雜質。在澆鑄鋼錠時用膨脹蛭石對鋼水液面保溫,使鋼材合格率提高20%、總成本減少10%~30%。
(5) 其他
非金屬礦還可以為熱核聚變、太陽能利用、磁流體發電以及燃料電池等新能源尖端技術提供主輔料,如用凹凸棒石、硼礦與芒硝的混合物,可以貯存太陽能。用非金屬礦生產的玻璃纖維可用作拋物面太陽能收集裝置及反射鏡的背襯結構材料、在風能開發中用作風車葉片的材料、在核能技術開發中用作絕緣材料、隔熱材料和結構材料。多孔石墨、膨脹珍珠巖、膨潤土、硅藻土、海泡石、凹凸棒土、沸石、蛭石等相變材料是新型節能材料,具有儲能密度大、效率高以及近似恒定溫度下吸熱與放熱等優點,可用于儲能和溫度控制。
4 加強開發非金屬礦節能材料制備技術的建議
(1) 做好非金屬礦節能材料開發利用的戰略規劃。非金屬礦節能材料具有多元多層次的節能功效和明顯的經濟、社會和環境效益,因此,非金屬礦物在節能領域的開發利用,具有重要的戰略意義。有關政府部門和行業協會應做好戰略規劃。
(2) 加大政策支持力度,為非金屬礦節能材料的研發及推廣創造一個良好的政策氛圍。政府部門可以從市場準入、稅收、自主知識產權保護等方面對非金屬礦節能材料研發機構、生產企業給予政策上的支持。
(3) 構建非金屬礦節能材料研發體系。以開發節能實用、高性能非金屬礦節能材料為目標,以研發機構、高等院校、生產企業為主體的研發體系為載體,國有及民營企業齊心攜手,大力發展非金屬礦節能材料。
(4) 加大研發投入力度。要多渠道籌措研發資金,政府部門在解決節能材料開發的共性問題上予以資金支持,研發機構、高等院校、生產企業在開發具體產品上也應加大投入。
(5) 建立示范工程,加大推廣力度。盡快建立研發和使用的示范工程,節能材料的使用要做到工程化,將新的節能材料快速加以推廣。
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