高发射率节能材料在工业窑炉中的应用

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1、高发射性节能材料在工业窑炉中的应用Paul C. SheilNorth American Refractories Company 17830 Englewood Dr., Suite 1 Middleburg Heights, OH 44130 Tel: 330-697-1126 Fax: 440-239-2435 E-mail: paul.sheilThomas R. KleebHarbison-Walker Refractories Company 400 Fairway Drive Moon Township., PA 15108 Tel: 412-375-6901 Fax: 412-

2、375-6783 E-mail: tom.kleeb一、 介绍自20世纪70年代起，国内外多种高发射性材料被尝试应用到钢铁、玻璃、陶瓷、 石化及其它工业窑炉领域，但是并未取得良好的节能效果，一直没有被客户所认 可。大部分应用的失败是因为使用者没有正确理解发射系数这个概念而错误的使 用了材料，尤其是涂料本身耐物理和化学侵蚀的弱点，不能在苛刻的炼钢、玻璃 溶液等条件下长时间使用；同时，某些涂料的发射系数随时时间的延长而衰减， 使用寿命只有5-10个月，而且涂层也在高温条件下因粘结力不足而大面积脱落。在1994年，美国宇航局（NASA）研发出一种高发射率的喷涂材料，用于新一代 航天飞机X33 （图1

3、）和X34 （图2）表面的隔热保护。2年后，这项技术被授权 使用到民用领域。图1 X33航天器图2 X34航天器二、 Emisshield 材料NASA研发的这项技术须满足航天器在执行各项任务时发射率保持不变。NASA使 用昂贵的不氧化的高发射性材料，将航天器返回大气层时因与大气摩擦产生的热 量（温度1650OC）有效吸收并再发射回大气层。NASA改进了原有的材料体系， 新的陶瓷材料组份和粘结技术使其可以喷涂到金属，陶瓷材料，耐火材料，陶瓷 纤维基体。因航天器要求涂层的厚度必须轻薄，所以新材料喷涂、固化后的厚度只有 0.10.2mm ；材料喷涂后与基体的粘结力高于涂层间的粘结力，喷涂后的材料不

4、 会因为热震冲击而脱落；当基体与材料受到热震冲击时，涂层内纳米材料分子随 着喷涂基体的膨胀而延展，以抵消热震产生的剥离力；此外，该材料使用的硅酸 盐质无机粘合剂，具有耐酸碱侵蚀性，同时该材料喷涂后可完全遮盖金属表面， 无针眼，所以特别适合应用到腐蚀较严重的部位。三、 发射系数高发射性材料的错误使用是因为使用者错误的理解了发射系数的含义。高发射 性材料的作用不是反射。反射可以将98%的热量以同样的低温红外波长反射回去， 且反射不能反射对流的热量。高发射性材料也不是一种保温材料。将高发射性材料喷涂到陶瓷纤维或者金属基 体的工作面后，可以减少通过热传导流失的热量，这不是因为材料本身具有低热 传导性，

5、而事实上此材料反而比耐火砖具有更高的热传导效率。在工业窑炉中， 热量是由耐火材料内衬和水冷壁来保存的，而一部分的热量根据耐材材料导热系 数的高低而有不同程度的流失（图3）。为了减少热量流失，最典型的方法就是在耐火材料内衬的冷面使用保温隔热材料， 同时提高热面的材质，以吸收并积蓄更多热量。Vu-LiisuLatd Substrate 未mis shield.材料 J图3未喷涂Emisshield材料的窑炉内壁热量流失示意图喷涂Emisshield材料后的内壁具有较高的发射系数，能够在高温条件下吸收辐射 和对流的热量，并将其中95%再辐射出去，这部分热量会被温度更低的内壁或者 炉内气氛吸收。当内壁

6、热面喷涂Emisshield材料后，内壁表面的发射系数提高， 由烧嘴和电弧辐射出的热量和炉内气氛对流的热量会被Emisshield材料吸收并再 辐射出去，从而被窑炉内的低温物体（比如炉内低温空气，待加热的钢材、玻璃 液或是电弧炉内的低温原料）所吸收，从而使热量得以保留而不是通过水冷壁或 流失到炉外。例如，Emisshield在EAF电炉内壁与炉顶喷涂后，即可以减少炉内 热量流失，提高熔炼的热利用率。如下图4所示。Substrate n itti E mLssive Co a dug 啧涂Ettiisshield （蓝色）的金炉内壁图4喷涂Emisshield材料后热量流失减少通过内壁表面高发射

7、率材料再辐射的热量可以以如下公式计算:Q=E w. & 气气）Q =再辐射的热量Ew 二内壁涂料的发射系数 6=斯忒藩-玻尔兹曼常数 T4 =内壁涂层的温度 T，二炉内低温产品的温度Emisshield材料的发射系数Ew在0.850.95之间，即85%95%的吸收的热量会被再 辐射回窑炉内的低温产品。而Emisshield材料在1650oC的高温条件下仍保持发射 率不变。在钢铁制造过程中，所有的耐火材料和金属基体的在高温条件下的发射 系数只有0.20.3之间。6是一个不变的常数。另外的一个可变量，也是决定是 否Emisshield产生效果的关键因素是炉内的温差，即内壁和被加热产品的温差： TC

8、4-Tl4。炉内温差越大，再辐射的热量也就越大，但是如果炉内温差较小或者没 有温差，则喷涂高发射性节能材料即不起作用。所以，使用高发射性节能材料需要取决于炉内是否存在辐射条件。如果窑炉内不 存在热量辐射环境，那么高发射性材料则不会起到预期的效果，例如在钢包接触 钢水的内壁喷涂高发射性节能材料即不会产生作用；同样，如果在重质耐火砖和 轻质内衬之间或是在耐火材料与炉壳之间喷涂此材料，或者在任何低温产品与节 能材料直接接触的部位，材料也不能吸收、再辐射热量。从 2004 年 11 月份以来，美国 Harbison-Walker International (HWI) 公司开始 将此高发射性材料应用到

9、钢铁行业的不同窑炉中，取得了良好的效果，目前已 在钢铁、铸造行业的多种炉型使用，如加热炉，热处理炉，罩式退火炉，电弧 炉，保温炉等等。如下是HWI公司在电弧炉水冷炉盖的的案例分析。此电炉用于熔化不锈钢，炉顶水管裸露在工作热面，使用寿命500炉次。炉顶侵 蚀、结垢现象严重，尤其是水管因侵蚀漏水，须移除炉顶修补，客户每次修补炉 顶的费用包括停产损失共计25000美金。炉顶更换前需要修补两次。客户通过测 量发现，出水温度比进水温度高1113 oF，炉顶热量损失严重。炉顶及水管经过喷砂处理后，清理了表面的钢渣和结垢。水管经打压试水后，清洁炉顶，并喷涂Emisshield材料。如下图5图5 Emissh

10、ield在电弧炉水冷炉盖的应用使用效果：1, 使用Emisshield后炉顶使用炉次从500炉增加到940炉，减少更换成本88%；2, 使用Emisshield后无漏水现象，免去了修补产生的维护及停产损失，喷涂 前通常需要4次修补漏水现象，需花费100,000美金；3, 使用Emisshield后水管出水与进水温差仅有25 oF；经炉顶损失的热量减少 了2百万瓦特/小时，折合100美金/小时4, 单次电弧加热时间缩短3分钟，按照每个炉顶940炉次计算，共计节省电费美 金 $94,000。5, 在整个940炉次的运行期间，经冷水流失的热量并未改变这意味着Emisshield 材料一直与炉顶紧密结

11、合，再辐射性能自始至终均未受损。六、Emisshield材料在耐材、陶瓷隧道窑的使用 在国外，Emisshield已喷涂有20多座耐材、陶瓷行业的隧道窑和梭式窑，节 能效果5-15%不等，同时可增产5-15%以上。2015年3月6日，江苏新沂新世纪艾诺哈耐火材料公司在其隧道窑上使用了 Emisshield材料。该隧道窑与2009年2月18日投产使用，工作温度为 1200-1450，使用发生炉煤气作为燃料，喷涂了烧成带内窑车以上的侧墙和炉 顶的高铝砖。如下图6图6： Emisshield喷涂在隧道窑烧成带使用效果：1.喷涂前后能耗对比：喷涂前2014年平均每月生产31.2万块，煤耗0.72kg/

12、块砖，喷涂后2015年4-5 月平均煤耗0.64kg/块（以31.2万块单月产量折算）；节能11.11%；产量与单位能耗历史数据岸月产盘淳位：万块）隼月用媒量r毕位吨） 单耗（晏斤惘（，埃）2. 节能11%的同时，窑车速率提高，增产8.3%喷涂前窑车车速60分钟/车，喷涂后55分钟/车，速度提高8.3%。3. 温度变化烧成带设定温度降低20C；燃气开度降低，助燃风风量开度降低15%；烧成带进入冷却带的烟气温度降低30C；隧道窑排烟温度降低10 C ;喷涂Emisshield材料后，窑炉的设定温度1260C，分别在窑顶和窑车面火道 中间位置放置了 10#、11#、12#、13#温锥，烧成后，窑顶

13、位置10#、11#温锥倒 伏，窑车面位置10#温锥倒伏（下图7）；设定温度与窑车面温度差通常在30C 左右，喷涂Emisshield材料后温差达到了 90C，极易造成产品过烧，需要进一 步调整窑炉温度。图7：测温锥倒伏情况温锥型号对应软化温度10#1330C11#1350C12#1370C13#1390C七、Emisshield材料在其它工业窑炉的使用Emisshield材料在其它工业窑炉中也已广泛应用，比如石化行业的裂解炉、转 化炉、火炬、辐射管，热电行业的锅炉、烧嘴，食品工业的面包烤炉，殡葬行业 的焚化炉等等。在国外取得了广泛的业绩，雪佛龙、沙特基础工业、台塑集团、 欧文斯康宁、韩国SK、宾堡食品等客户都对Emisshield材料给予极高的评价。八、结语由于燃料成本持续上涨，国内生产型企业面临的成本压力正与日俱增。在持续雾 霾天气的影响下，民众对节能减排的呼声也越来越高，可以预见今后国家对生产 型企业排放和节能方面的要求也会越发严格。2013年始，天津新世纪耐火材料有 限公司（TNCR）与美国EMISSHIELD公司合作，将高发射性喷涂料EMISSHIELD引入 中国，已在国内玻璃、石化、陶瓷、耐材行业取得了良好的业绩，为客户节省能 源，降低排放，带来了可观的经济效益和良好的社会效益。