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人工宝石相关知识


试论焰熔法合成刚玉晶体行业的可持续发展
2011-09-06
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钮天然

合成刚玉晶体的物理、化学、电学、光学、热学、声学、美学与机械性能优良,已广泛地应用于高新技术、军事与工业领域。优质无色蓝宝石晶体,在LED中发射蓝、白光,已应用于高亮度显示屏、芯片、光电子产业、大规模集成电路外延硅基片、光纤接头、高科技武器轴承、导弹窗口、特定波长的窗口材料、光波导技术的耦合棱镜、复合材料的加强材料和各种精密仪表与仪器等,在国家现代化建设中,具有不可替代的作用和重要的现实意义。
在人工合成晶体的方法中,用焰熔法(以H2与O2为核心能源合成晶体的方法)合成高温晶体,设备简单、操作方便、投资省、生长速度快,是一种有生气、有活力的方法。用焰熔法合成刚玉晶体的最大问题是耗费能量大, 所用的核心能源——H2与O2的来源,大致有以下二方面:(1)电解水同时获得H2与O2;(2)从相关工厂生产过程中排放出的、并经过纯化处理获得H2,O2用制氧机从空气中分离出来获得。
我国在21世纪头二十年里,处于工业化和城镇化加速发展阶段,能源已成为关系国家可持续发展的大问题,对耗能大的合成刚玉晶体行业来说,核心能源——H2、O2资源形势十分严峻。如何解决这个难题,促进合成刚玉晶体行业持续发展和探索新的发展思路,是这个行业的共同任务。我们应当根据国务院国发(2005)22号《关于加快发展循环经济的若干意见》与国发(2006)28号《关于加强节能工作的决定》精神,坚定不移地开展自主创新,实施综合利用,发展循环经济,是解决该行业可持续发展的出路与支撑点。对此,以我们公司的部分实践,谈点个人的体会。
一、做好减量化的工作
在合成刚玉晶体行业中(本文主要指焰熔法合成红宝石),节省用电、节省用水、节省用H2和O2、节省劳力等等项目很多,空间很大,例如:
1H2O2减量化
每公斤合成刚玉晶体,耗H2、O2量在生产成本中,占的比重较大,减量化不仅现实意义很大,而且空间也很大。国内、外合成刚玉晶体行业H2耗量在100±10M3/kg左右,O2耗量在50±3M3/kg左右。H2与O2在烧结炉中混合燃烧,大量的热能未得到充分利用,扩散到车间内,不仅浪费能源,而且会对车间的环境造成热污染。H2、O2减量化和热能利用的空间很大,大有文章可做。
2、用电减量化
H2净化提纯、制氧、焙烧硫酸铝铵和烧结刚玉晶体等,都要用电,在用电减量化方面,是大有作为的。
1制氧车间,在制氧过程中,吸收空气,进行压缩,放出大量的热,需通过冷却器降温,冷却器降温性能的好坏决定着产出O2量的多少与O2质量好坏。我们对关键设备——冷却器进行创新,用同样的电能,O2多产出20%以上,且O2质量明显提高,使生产每一立方米O2的耗电量,降低20%以上。
2焙烧车间,我们运用新材料、创建新设备、创造新工艺,从二次脱水分解,改为一次脱水分解,收到省电50%以上,省工50%的效果。
3烧结车间,对电器进行了三次调整,从直流电改为交流电,又从交流电改为变频调速,技改后可节电30%左右。
二、做好再利用、资源化工作
在焰熔法合成刚玉晶体中,H2是核心能源,H2的费用,至关重要。做好资源再利用,资源化与再使用,意义重大,其循环示意图如下:

利用回收化工厂生产过程中的废H2,进行净化、提纯,作为核心能源利用,是一条化害为利,变废为宝的路子。
我们回收的废H2,是氯酸盐化工厂生产过程中排放出来的,它与碱厂等工厂排放的废H2不同,废H2中含O2和有害气体——Cl2,Cl2在一定条件下,会生成次氯酸钾或次氯酸钠(KClO或NaClO),次氯酸钾(钠)严重影响树木、庄稼的光合作用而枯萎,严重影响生态良性循环。在选择适合的净化方法与设备(我们注意到H2中含O2,如采用变压吸附的方法会发生爆炸,不安全,为此,我们采用了催化法),H2经净化、提纯后,Cl2含量小于0.1ppm。
不仅将这些废H2变成了核心能源,用于合成刚玉晶体,创造出物质财富,而且彻底消除了Cl2对环境的污染,使化工厂四周的山变青了,水变绿了,有效地改善了当地生态循环,受到当地政府支持与广大群众的赞扬,实现了经济、环境与社会效益的相统一。
三、做好资源综合循环使用工作
实施综合利用,发展循环经济,是一个永恒的课题,涉及到企业的方方面面,要解放思想,不断学习新知识,运用新材料,创造新工艺,积极开动脑筋,许多资源是可以循环使用的。
例如:我们在制氧过程中,有更多的N2排出,对我厂是无用的废气,而给我们提供H2的化工厂,又需要大量N2,我们安装了专用输N2管道,为他们提供大量与优质的N2,使废N2得到了综合利用。
又如:烧结炉膛内的刚玉砂和插籽晶的刚玉砂头、制氧用的分子筛和焙烧原料的废γ—Al2O3,我们都分门别类地加以综合利用,节省了大量资金,收到良好的效果。
以上例举了我们开展自主创新,实施综合利用,发展循环经济中的个例,仅用于交流,如有引证不当,说法不妥之处,敬请有关专家指正。

作者介绍:
钮天然――中宝协人工宝石专业委员会第一届和第二届副主任委员、第三届常务副主任委员

福建鑫磊晶体有限公司董事长、总经理,高级工程师



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