太阳能高温陶瓷窑——改变千年陶瓷业的革命性技术

时间:2023-01-12 21:17来源:国家光热联盟
  “太阳能热利用技术创新奖”
  由国家太阳能光热产业技术创新战略联盟和国家能源太阳能热发电技术研发中心共同主办,中国广核新能源控股有限公司承办的“中广核新能源光热杯”太阳能热利用技术创新大赛已经圆满落幕。大赛吸引了包括浙江大学、上海交通大学、西安交通大学、中南大学、南京理工大学、武汉理工大学、合肥工业大学等985和211大学,中国科学院的研究所以及企业团队参加。参赛技术内容丰富,涵盖了太阳能热发电、太阳能中低温利用、储热、太阳热能综合利用、太阳能高温热化学以及涂层材料等。经过初赛、复赛和公示,共有22项技术和团队荣获“太阳能热利用技术创新奖”。
  为更好地推动我国太阳能热利用技术创新发展,太阳能光热联盟将陆续对获奖技术进行特别介绍。本篇为中国科学院电工研究所太阳能热利用团队的“太阳能高温陶瓷窑”技术(特等奖)。
  传统陶瓷的烧制通常采用木柴、煤、石油以及天然气等作为燃料,烧制过程耗能高,碳排放量大。作为陶瓷生产大国,双碳背景下,我国陶瓷行业面临着巨大的节能减排压力。 
  中国科学院电工研究所太阳能热利用技术团队积极探索,将太阳能热利用技术应用于陶瓷领域。经过近6年不懈努力,攻克了非均匀高密度能流下脆性材料的热应力控制和温度调节、高空气过剩系数条件下陶瓷釉面玻化等技术难题,研制出由超高精度柔性太阳聚光器和四自由度实时控温陶瓷烧结腔等关键部件组成的太阳能高温陶瓷窑,实现了陶瓷在均匀受热与高精度控温条件下的快速烧结,1400℃烧结控温精度达±20℃。
太阳能高温陶瓷窑实物图
  2022年4月,太阳能高温陶瓷窑成功烧制出首批太阳能陶瓷器皿,实现了陶瓷烧结全过程的零碳排放。 
图:太阳能烧制的直径23厘米的圆盘(由于能流分布的非均匀特性,表面釉层呈现出独特的效果)
图:太阳能和电炉烧制陶瓷对比(左为太阳能烧制)
烧制的首批太阳能陶瓷器皿 
  太阳能高温陶瓷窑项目负责人、中国科学院电工研究所太阳能热利用团队博士研究生郭东介绍说,太阳能高温陶瓷窑烧制的太阳能陶瓷具有以下特色:
  1、太阳能全光谱(300~3000nm)被陶瓷表面釉料吸收,与目前气炉电炉等发射5000nm波段的炉子加热陶瓷的机理不同,会加快烧陶速度,并由不同波长光造成具有特殊矿物结构及特殊釉面纹理的陶瓷;
  2、太阳能聚集的最高温度可达2500℃,可形成特殊的高温陶瓷工艺,特别是对表面釉和釉下裂纹的作用;
  3、太阳能的传播方向是直线,被烧结的陶瓷与太阳辐射,即热源的接触有很强的方向性特征,从而造成特殊的非均匀釉面,这与陶瓷窑炉利用热空气对流和均匀辐射分布加热的方式有很大不同;
  4、利用抛物面聚集的太阳辐射分布是中间高,两边低的高斯分布形式,且分布可调,这与目前辐射式陶瓷窑的均匀热分布有区别,这种差别有助于产生所有炉型都无法产生的烧制效果。
太阳能高温陶瓷窑效果图
四自由度实时控温陶瓷烧结腔效果图
  该技术经科技部和生态环境部严格筛选,参展了第27届联合国气候大会(COP27)。
  双碳背景下,太阳能高温陶瓷窑技术的实现,将为我国陶瓷企业带来新的生命力,将能有效缓解陶瓷行业对化石燃料的过度依赖,节能减排作用显著,具有广阔应用前景。

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