制备无机纤维和镍铁合金的方法及无机纤维
阅读说明：本技术 制备无机纤维和镍铁合金的方法及无机纤维 (Method for preparing inorganic fiber and nickel-iron alloy and inorganic fiber ) 是由 毕大鹏 杨文玲 胡振中 张晋玲 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了制备无机纤维和镍铁合金的方法及无机纤维,该方法包括：(1)将粉煤灰、红土镍矿和生物质进行混合,以便得到混合后料；(2)将所述混合后料在缺氧环境下进行熔炼,以便得到镍铁合金和矿渣；(3)将所述矿渣进行熔融和离心,以便得到无机纤维。采用该方法实现了粉煤灰和生物质固体废弃物的高附加值利用,具有显著的环境效益和经济效益。(The invention discloses a method for preparing inorganic fiber and nickel-iron alloy and the inorganic fiber, the method comprises the following steps: (1) mixing the fly ash, the laterite-nickel ore and the biomass to obtain a mixed material; (2) smelting the mixed material in an anoxic environment so as to obtain a nickel-iron alloy and slag; (3) the slag is melted and centrifuged to obtain inorganic fibers. The method realizes high value-added utilization of the fly ash and the biomass solid waste, and has obvious environmental benefit and economic benefit.)
技术领域
本发明属于冶金领域，具体而言，本发明涉及制备无机纤维和镍铁合金的方法及无机纤维。
背景技术
粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，成为我国当前排量较大的工业废渣之一。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。实现粉煤灰的资源化利用是解决粉煤灰问题的最佳途径。目前，我国粉煤灰的利用率一直徘徊在70％上下，边远地区和煤炭主产区面临的粉煤灰利用率低的问题十分严峻。并且，我国对粉煤灰利用方式主要是作为制造水泥、混凝土的添加剂等低附加值的应用方式。深一步挖掘粉煤灰的资源化特性，大力开发粉煤灰的高附加值利用技术具有重要意义。
生物质主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素(简称木质素)、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。生物质含丰富的C、H等元素，是可替代化石能源的巨大资源库。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出制备无机纤维和镍铁合金的方法及无机纤维，采用该方法实现了粉煤灰和生物质固体废弃物的高附加值利用，具有显著的环境效益和经济效益。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备无机纤维和镍铁合金的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：
(1)将粉煤灰、红土镍矿和生物质进行混合，以便得到混合后料；
(2)将所述混合后料在缺氧环境下进行熔炼，以便得到镍铁合金和矿渣；
(3)将所述矿渣进行熔融和离心，以便得到无机纤维。
根据本发明的实施例的制备无机纤维和镍铁合金的方法，通过将粉煤灰、红土镍矿和生物质混合后得到的混合后料在缺氧环境下进行熔炼，生物质在缺氧环境条件下，经高温热解气化可产生大量还原性气体，如一氧化碳和氢气等，该还原性气体能够将红土镍矿中的铁氧化物和镍氧化物还原，从而形成镍铁合金，而粉煤灰中富含SiO2和Al2O3，SiO2和Al2O3在高温状态下有利于造渣，从而有利于镍铁合金的分离。然后将矿渣进行熔融和离心，在高温状态下，矿渣中的SiO2和Al2O3经离心成纤后，可以制备无机纤维，从而实现粉煤灰的高附加值利用，并且降低了制备无机纤维的原料成本，同时以生物质热解产生的还原气体作为红土镍矿中镍氧化物和铁氧化物还原过程的还原剂，与常规红土镍矿还原技术中采用焦炭等还原剂相比，本申请不仅降低了还原剂成本，而且实现了生物质的资源化利用。由此，采用该方法实现了粉煤灰和生物质固体废弃物的高附加值利用，具有显著的环境效益和经济效益。
另外，根据本发明的上述实施例的制备无机纤维和镍铁合金的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述红土镍矿的粒径不高于25mm。由此，可以保证红土镍矿与粉煤灰和生物质均匀混合，以使镍氧化物和铁氧化物的还原反应的顺利进行。
在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述生物质的粒径不高于50mm。由此，可以保证生物质的热解气化的顺利进行。
在本发明的一些实施例中，所述生物质选自秸秆和玉米芯的至少之一。由此，生物质在热解气化过程中能够产生更多的氢气和一氧化碳等还原性气体。
在本发明的一些实施例中，将所述粉煤灰、所述红土镍矿和所述生物质按照质量比为(2～2.2)：(0.8～1)：(2～2.5)进行混合。
在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述熔炼的温度为1450～1500摄氏度，时间为250～300分钟。由此，更有利于镍铁合金与矿渣的分离。
在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，所述熔融的温度为1550～1650摄氏度。由此，可以保证矿渣的充分熔融，从而更有利于制备无机纤维。
在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，所述矿渣进行所述熔融形成的熔渣的粘度为71～85泊。由此，更有利于制备无机纤维。
在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，利用离心成纤机进行所述离心，所述离心成纤机的机线速度为180～200米/秒，压力为0.7～0.9MPa。由此，可以提高无机纤维的产出率，具有很高的经济效益。
在本发明的第二个方面，本发明提出了一种无机纤维。根据本发明的实施例，所述无机纤维是由上述所述的方法制备得到。由此，得到的无机纤维的成纤率可以达到68.43～72.16％，纤维直径为8.32～10.64微米，长径比为89～151。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的制备无机纤维和镍铁合金的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的第一个方面，本发明提出了一种制备无机纤维和镍铁合金的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：
S100：将粉煤灰、红土镍矿和生物质进行混合
在该步骤中，将粉煤灰、红土镍矿和生物质进行混合，以便得到混合后料。优选地，红土镍矿的粒径不高于25mm；进一步优选地，生物质的粒径不高于50mm；更进一步优选地，生物质选自秸秆和玉米芯的至少之一；更进一步优选地，将粉煤灰、红土镍矿和生物质按照质量比为(2～2.2)：(0.8～1)：(2～2.5)进行混合，例如(2、2.01、2.02……2.19、2.2)：(0.8、0.81、0.82……0.99、1)：(2、2.01、2.02……2.49、2.5)。发明人发现，粉煤灰是制备无机纤维中的Al、Si等元素的主要来源，生物质是这个过程中还原剂CO和H2的主要来源，若粉煤灰配比过高会导致混合物熔点变高，不利于节约能源，降低经济效益，而若生物质配比过高，会导致混合物中K、Na含量高，降低无机纤维成纤率，同时若红土镍矿配比高，会降低后续镍铁合金的还原率。具体地，预先使用破碎机分别将红土镍矿和生物质进行破碎，使得破碎后的红土镍矿的粒径不高于25mm，生物质的粒径不高于50mm，以使后续粉煤灰、红土镍矿和生物质均匀混合；而后将粉煤灰、红土镍矿和生物质进行混合。需要说明的是，本领域技术人员可以根据需要选择破碎机的规格和型号，只要能够将红土镍矿和生物质破碎至上述各自需要的粒径即可，此处不再赘述。
S200：将混合后料在缺氧环境下进行熔炼
在该步骤中，将混合后料在缺氧环境下进行熔炼，以便得到镍铁合金和矿渣。具体地，在缺氧环境下，将混合后料置于反应炉中进行熔炼，优选地，熔炼的温度为1450～1500摄氏度，例如1450摄氏度、1451摄氏度、1452摄氏度……1498摄氏度、1499摄氏度、1500摄氏度；并且熔炼的时间为250～300分钟，例如250分钟、251分钟、252分钟……298分钟、299分钟、300分钟。发明人发现，若熔炼温度过高，熔炼时间过长，熔液粘度降低，纤维直径不易控制，而若熔炼温度过低，熔炼时间不足，熔液粘度大，无法成纤，且生物质反应不完全，还原性气体产量不足，红土镍矿还原率低。在缺氧环境下，生物质热解产生的还原气体，如一氧化碳和氢气等，具体反应过程如下所示：
C+O2→CO2；C+O2→2CO；2CO+O2→2CO2；2H2+O2→2H2O；C+CO2→2CO；C+H2O→CO+H2：
红土镍矿具有导电性，并且含有SiO2、MgO、Ni、Fe等有用成份，生物质的热解气化为红土镍矿中的镍氧化物和铁氧化物的还原反应提供还原剂，从而制备镍铁合金，具体反应过程如下所示：
(NiO)+CO→Ni+CO2
(NiO)+H2→Ni+H2O
FexOy+yCO→xFe+yCO2
FexOy+yH2→xFe+yH2O
而粉煤灰中富含SiO2和Al2O3，SiO2和Al2O3在高温状态下有利于造渣，从而有利于镍铁合金的分离，其中，分离得到的镍铁合金产品，镍铁合金成份中的主要指标：Ni：12.75～14.31wt％，Fe：76.32～80.59wt％，Si：1.37～2.62wt％，C：1.21～2.55wt％，S：0.132～0.237wt％；并且镍的回收率为87.32～92.38％，具有显著的经济效益。需要说明的是，本领域技术人员可以采用常规技术手段将熔炼后的镍铁合金和矿渣进行分离，此处不再赘述。
S300：将矿渣进行熔融和离心
在该步骤中，将矿渣进行熔融和离心，以便得到无机纤维。具体地，首先将矿渣在反应炉中进行熔融，优选地，熔融的温度为1550～1650摄氏度，例如1550摄氏度、1551摄氏度、1552摄氏度……1649摄氏度、1659摄氏度；进一步优选地，矿渣进行熔融形成的熔渣的粘度为71～85泊，例如71泊、72泊、73泊……83泊、84泊、85泊。发明人发现，若熔渣粘度过高，熔液无法成纤，而降低熔渣粘度需要提高熔炼温度或添加助熔剂，提高熔炼温度能耗增加，成本上升，添加过多助溶剂，降低纤维弹性模量及耐腐蚀性能；由此，本申请中保持熔渣粘度在71～85泊可以保证熔液成纤的同时降低能耗以及避免降低纤维弹性模量及耐腐蚀性能。然后将熔融后的矿渣输送至离心成纤机中进行离心成纤，优选地，离心成纤机的机线速度为180～200米/秒，例如180米/秒、181米/秒、182米/秒……198米/秒、199米/秒、200米/秒；压力为0.7～0.9MPa，例如0.7MPa、0.71MPa、0.72MPa……0.88MPa、0.89MPa、0.9MPa。发明人发现，成纤机转速和压力需配合熔液粘度进行设计，若成纤机转速过高，压力低，不利于提高成纤长度，易形成短纤，而若成纤机转速低，压力高，容易造成成纤机入料口堵塞，降低成纤率。需要说明的是，本领域技术人员根据实际需要选择离心成纤机的规格和型号，只要能够实现制备无机纤维即可，此处不再赘述。
根据本发明的实施例的制备无机纤维和镍铁合金的方法，通过将粉煤灰、红土镍矿和生物质混合后得到的混合后料在缺氧环境下进行熔炼，生物质在缺氧环境条件下，经高温热解气化可产生大量还原性气体，如一氧化碳和氢气等，该还原性气体能够将红土镍矿中的铁氧化物和镍氧化物还原，从而形成镍铁合金，而粉煤灰中富含SiO2和Al2O3，SiO2和Al2O3在高温状态下有利于造渣，从而有利于镍铁合金的分离。然后将矿渣进行熔融和离心，在高温状态下，矿渣中的SiO2和Al2O3经离心成纤后，可以制备无机纤维，从而实现粉煤灰的高附加值利用，并且降低了制备无机纤维的原料成本，同时以生物质热解产生的还原气体作为红土镍矿中镍氧化物和铁氧化物还原过程的还原剂，与常规红土镍矿还原技术中采用焦炭等还原剂相比，本申请不仅降低了还原剂成本，而且实现了生物质的资源化利用。由此，采用该方法实现了粉煤灰和生物质固体废弃物的高附加值利用，具有显著的环境效益和经济效益。
在本发明的第二个方面，本发明提出了一种无机纤维。根据本发明的实施例，该无机纤维利用上述方法制备得到。具体的，无机纤维中的主要成份：SiO2：53.14～53.62wt％、Al2O3：12.81～14.51wt％、CaO：15.42～16.35wt％、MgO：6.96～7.18wt％；纤维直径为8.32～10.64微米；长径比为89～151；成纤率为68.43～72.16％。由此，实现了粉煤灰和生物质固体废弃物的高附加值利用，具有显著的环境效益和经济效益。需要说明的是，上述针对制备无机纤维和镍铁合金的方法所描述的特征和优点同样适用于该无机纤维，此处不再赘述。
下面详细描述本发明的实施例，需要说明的是下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。另外，如果没有明确说明，在下面的实施例中所采用的所有试剂均为市场上可以购得的，或者可以按照本文或已知的方法合成的，对于没有列出的反应条件，也均为本领域技术人员容易获得的。
实施例1
首先使用破碎机分别将红土镍矿和生物质进行破碎，使得破碎后的红土镍矿的粒径不高于25mm，生物质的粒径不高于50mm；再将粉煤灰与破碎后的红土镍矿和生物质按照质量比为2.2：1：2进行混合，并得到混合后料；然后在缺氧环境下，将混合后料在温度为1450摄氏度下熔炼250分钟，并通过静置分离将镍铁合金和矿渣进行分离；并将矿渣在温度为1650摄氏度下进行熔融，矿渣进行熔融形成的熔渣的粘度为71泊，然后使用离心成纤机进行离心，离心成纤机线速度为200米/秒，压力为0.7MPa，从而得到无机纤维。
结论：所得到的镍铁合金中，各组分含量如下所示：Ni：13.86wt％，Fe：80.25wt％，Si：2.07wt％，C：1.53wt％，S：0.139wt％；其中，镍的回收率为87.32％。所得到的无机纤维中，各组分含量如下所示：SiO2：53.45wt％、Al2O3：14.28wt％、CaO：15.26wt％、MgO：7.03wt％；其中，纤维直径为9.36微米；长径比为121；成纤率为71.89％。
实施例2
首先使用破碎机分别将红土镍矿和生物质进行破碎，使得破碎后的红土镍矿的粒径不高于25mm，生物质的粒径不高于50mm；再将粉煤灰与破碎后的红土镍矿和生物质按照质量比为2：0.8：2.5进行混合，并得到混合后料；然后在缺氧环境下，将混合后料在温度为1500摄氏度下熔炼300分钟，并通过静置分离将镍铁合金和矿渣进行分离；并将矿渣在温度为1550摄氏度下进行熔融，矿渣进行熔融形成的熔渣的粘度为85泊，然后使用离心成纤机进行离心，离心成纤机线速度为180米/秒，压力为0.9MPa，从而得到无机纤维。
结论：所得到的镍铁合金中，各组分含量如下所示：Ni：13.87wt％，Fe：79.98wt％，Si：2.53wt％，C：2.07wt％，S：0.193wt％；其中，镍的回收率为86.79％。所得到的无机纤维中，各组分含量如下所示：SiO2：53.14～53.62wt％、Al2O3：12.81～14.51wt％、CaO：15.42～16.35wt％、MgO：6.93wt％；其中，纤维直径为9.35微米；长径比为139；成纤率为70.32％。
实施例3
首先使用破碎机分别将红土镍矿和生物质进行破碎，使得破碎后的红土镍矿的粒径不高于25mm，生物质的粒径不高于50mm；再将粉煤灰与破碎后的红土镍矿和生物质按照质量比为2.1：0.9：2.3进行混合，并得到混合后料；然后在缺氧环境下，将混合后料在温度为1475摄氏度下熔炼276分钟，并通过静置分离将镍铁合金和矿渣进行分离；并将矿渣在温度为1600摄氏度下进行熔融，矿渣进行熔融形成的熔渣的粘度为78泊，然后使用离心成纤机进行离心，离心成纤机线速度为190米/秒，压力为0.8MPa，从而得到无机纤维。
结论：所得到的镍铁合金中，各组分含量如下所示：Ni：13.42wt％，Fe：79.51wt％，Si：1.56wt％，C：1.97wt％，S：0.197wt％；其中，镍的回收率为88.32％。所得到的无机纤维中，各组分含量如下所示：SiO2：53.54wt％、Al2O3：13.91wt％、CaO：16.32wt％、MgO：7.07wt％；其中，纤维直径为9.68微米；长径比为137；成纤率为69.48％。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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