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高發射性節能材料在工業窯爐中的應用
  瀏覽量:6843 發布時間:2015-06-29

董開春

TNCR(天津新世紀耐火材料有限公司)

一、 介紹


自20世紀70年代起,國內外多種高發射性材料被嘗試應用到鋼鐵、玻璃、陶瓷、石化及其它工業窯爐領域,但是并未取得良好的節能效果,一直沒有被客戶所認可。大部分應用的失敗是因為使用者沒有正確理解發射系數這個概念而錯誤的使用了材料,尤其是材料本身耐物理和化學侵蝕的弱點,不能在苛刻的煉鋼、玻璃溶液等條件下長時間使用;同時,某些材料的發射系數隨時時間的延長而衰減,使用壽命只有5-10個月,而且涂層也在高溫條件下因粘結力不足而大面積脫落。

在1994年,美國宇航局(NASA)研發出一種高發射率的噴涂材料,用于新一代航天飛機X33(圖1)和X34(圖2)表面的隔熱保護。2年后,這項技術被授權使用到民用領域。

        

 

                     圖1   X33航天器                                   2   X34 航天器

 

二、  Emisshield材料


NASA研發的這項技術須滿足航天器在執行各項任務時發射率保持不變。NASA使用昂貴的不氧化的高發射性材料,將航天器返回大氣層時因與大氣摩擦產生的熱量(溫度1650oC)有效吸收并再發射回大氣層。NASA改進了原有的材料體系,新的陶瓷材料組份和粘結技術使其可以噴涂到金屬,陶瓷材料,耐火材料,陶瓷纖維基體。

因航天器要求涂層的厚度必須輕薄,所以新材料噴涂、固化后的厚度只有0.1~0.2mm;材料噴涂后與基體的粘結力高于涂層間的粘結力,噴涂后的材料不會因為熱震沖擊而脫落;當基體與材料受到熱震沖擊時,涂層內納米材料分子隨著噴涂基體的膨脹而延展,以抵消熱震產生的剝離力;此外,該材料使用的硅酸鹽質無機粘合劑,具有耐酸堿侵蝕性,同時該材料噴涂后可完全遮蓋金屬表面,無針眼,所以特別適合應用到腐蝕較嚴重的部位。


三、發射系數


高發射性材料的錯誤使用是因為使用者錯誤的理解了發射系數的含義。 高發射性材料的作用不是反射。反射可以將98%的熱量以同樣的低溫紅外波長反射回去,且反射不能反射對流的熱量。

高發射性材料也不是一種保溫材料。將高發射性材料噴涂到陶瓷纖維或者金屬基體的工作面后,可以減少通過熱傳導流失的熱量,這不是因為材料本身具有低熱傳導性,而事實上此材料反而比耐火磚具有更高的熱傳導效率。在工業窯爐中,熱量是由耐火材料內襯和水冷壁來保存的,而一部分的熱量根據耐材材料導熱系數的高低而有不同程度的流失(圖3)。

為了減少熱量流失,最典型的方法就是在耐火材料內襯的冷面使用保溫隔熱材料,同時提高熱面的材質,以吸收并積蓄更多熱量。


3 未噴涂Emisshield材料的窯爐內壁熱量流失示意圖

 

噴涂Emisshield材料后的內壁具有較高的發射系數,能夠在高溫條件下吸收輻射和對流的熱量,并將其中95%再輻射出去,這部分熱量會被溫度更低的內壁或者爐內氣氛吸收。 當內壁熱面噴涂Emisshield材料后,內壁表面的發射系數提高,由燒嘴和電弧輻射出的熱量和爐內氣氛對流的熱量會被Emisshield材料吸收并再輻射出去,從而被窯爐內的低溫物體(比如爐內低溫空氣,待加熱的鋼材、玻璃液或是電弧爐內的低溫原料)所吸收,從而使熱量得以保留而不是通過水冷壁或流失到爐外。例如,Emisshield在EAF電爐內壁與爐頂噴涂后,即可以減少爐內熱量流失,提高熔煉的熱利用率。如下圖4所示。

4 噴涂Emisshield材料后熱量流失減少


通過內壁表面高發射率材料再輻射的熱量可以以如下公式計算:


Q = Ew . δ. (TC4-TL4)


Q =再輻射的熱量

Ew =內壁材料的發射系數

δ=斯忒藩‐玻爾茲曼常數

TC4 = 內壁涂層的溫度

TL4= 爐內低溫產品的溫度


Emisshield 材料的發射系數Ew在0.85~0.95之間,即85%~95%的吸收的熱量會被再輻射回窯爐內的低溫產品。而Emisshield 材料在1650oC 的高溫條件下仍保持發射率不變。在鋼鐵制造過程中,所有的耐火材料和金屬基體的在高溫條件下的發射系數只有0.2~0.3 之間。δ 是一個不變的常數。另外的一個可變量,也是決定是否Emisshield 產生效果的關鍵因素是爐內的溫差,即內壁和被加熱產品的溫差:TC4 -TL4。爐內溫差越大,再輻射的熱量也就越大,但是如果爐內溫差較小或者沒有溫差,則噴涂高發射性節能材料即不起作用。

所以,使用高發射性節能材料需要取決于爐內是否存在輻射條件。如果窯爐內不存在熱量輻射環境,那么高發射性材料則不會起到預期的效果,例如在鋼包接觸鋼水的內壁噴涂高發射性節能材料即不會產生作用;同樣,如果在重質耐火磚和輕質內襯之間或是在耐火材料與爐殼之間噴涂此材料,或者在任何低溫產品與節能材料直接接觸的部位,材料也不能吸收、再輻射熱量。


四、Emisshield材料在鋼鐵行業的使用

 

從2004年11月份以來, 美國Harbison-Walker International (HWI) 公司開始將此高發射性材料應用到鋼鐵行業的不同窯爐中, 取得了良好的效果,目前已在鋼鐵、鑄造行業的多種爐型使用, 如加熱爐,熱處理爐,罩式退火爐,電弧爐,保溫爐等等。 如下是HWI公司在電弧爐水冷爐蓋的的案例分析。

此電爐用于熔化不銹鋼,爐頂水管裸露在工作熱面,使用壽命500爐次。爐頂侵蝕、結垢現象嚴重,尤其是水管因侵蝕漏水,須移除爐頂修補,客戶每次修補爐頂的費用包括停產損失共計25000美金。爐頂更換前需要修補兩次。客戶通過測量發現,出水溫度比進水溫度高11~13 oF,爐頂熱量損失嚴重。

爐頂及水管經過噴砂處理后,清理了表面的鋼渣和結垢。水管經打壓試水后,清潔爐頂,并噴涂Emisshield材料。如下圖5

 5  Emisshield在電弧爐水冷爐蓋的應用

使用效果:

1. 使用Emisshield? 后爐頂使用爐次從500爐增加到940爐,減少更換成本88%;

2. 使用Emisshield? 后無漏水現象, 免去了修補產生的維護及停產損失, 噴涂前通常需要4次修補漏水現象,需花費100,000美金;

3. 使用Emisshield? 后水管出水與進水溫差僅有2~5 oF;經爐頂損失的熱量減少了2 百萬瓦特/小時,折合100美金/小時

4. 單次電弧加熱時間縮短3分鐘,按照每個爐頂940爐次計算,共計節省電費美金$94,000。

5. 在整個940爐次的運行期間,經冷水流失的熱量并未改變這意味著Emisshield材料一直與爐頂緊密結合,再輻射性能自始至終均未受損。


五、 Emisshield材料在玻璃窯的使用

 

能耗巨大的玻璃窯是Emisshield材料使用最廣泛的領域之一,目前全世界已有80余座玻璃窯噴涂了Emisshield材料,其中包括12座在中國大陸噴涂的成功案例,節能效果均在6%以上。

圖6 為美國Owens Corning公司位于堪薩斯州的產能為150噸/天的純氧燃燒窯(又名K5窯)在2008年冷修進行Emisshield噴涂后前后能量消耗的對比,因為生產中碎玻璃加入有助熔作用,所以采用碎玻璃加入量數據作為橫軸。根據計噴涂Emisshield后燃料節省約7%-8%。

美國Owens Corning公司K5窯噴涂前后能耗數據表

Emisshield第一次應用在瓶罐玻璃窯上是Libbey利比玻璃的一座熔化潔凈玻璃的燃氣窯,圖7顯示了該窯噴涂后2009年6月至2010年6月的燃料成本和噴涂前2004-2008年的數據對比,Libbey計算出由小修和噴涂Emisshield帶來的燃料節省約為9%

Libbey利比玻璃窯噴涂前后能耗數據表

 

六、Emisshield材料在耐材、陶瓷隧道窯的使用

 

在國外, Emisshield已噴涂有20多座耐材、陶瓷行業的隧道窯和梭式窯,節能效果5-15%不等,同時可增產5-15%以上。

2015年36日, 江蘇新沂新世紀艾諾哈耐火材料公司在其隧道窯上使用了Emisshield材料。該隧道窯與2009218日投產使用,工作溫度為1200-1450oC, 使用發生爐煤氣作為燃料,噴涂了燒成帶內窯車以上的側墻和爐頂的高鋁磚。 如下圖8

8 Emisshield噴涂在隧道窯燒成帶


使用效果:

1.   噴涂前后能耗對比:


噴涂前2014年平均每月生產31.2萬塊,煤耗0.72kg/塊磚,噴涂后20154-5月平均煤耗0.64kg/塊(以31.2萬塊單月產量折算)節能 11.11%


2.    節能11%的同時,窯車速率提高,增產8.3%

噴涂前窯車車速60分鐘/車, 噴涂后55分鐘/車,速度提高8.3%


3.    溫度變化

燒成帶設定溫度降低20℃;

燃氣開度降低,助燃風風量開度降低15%

燒成帶進入冷卻帶的煙氣溫度降低30℃;

隧道窯排煙溫度降低10;


噴涂Emisshield材料后, 窯爐的設定溫度1260℃,分別在窯頂和窯車面火道中間位置放置了10#11#12#13#溫錐,燒成后,窯頂位置10#11#溫錐倒伏,窯車面位置10#溫錐倒伏(下圖9);設定溫度與窯車面溫度差通常在30℃左右,噴涂Emisshield材料后溫差達到了90℃,極易造成產品過燒,需要進一步調整窯爐溫度。

溫錐型號

對應軟化溫度

10#

1330

11#

1350

12#

1370

13#

1390

 

 

9: 測溫錐倒伏情況


七、Emisshield材料在其它工業窯爐的使用

 

Emisshield材料在其它工業窯爐中也已廣泛應用,比如石化行業的裂解爐、轉化爐、火炬、輻射管,熱電行業的鍋爐、燒嘴,食品工業的面包烤爐,殯葬行業的焚化爐等等。在國外取得了廣泛的業績,雪佛龍、沙特基礎工業、臺塑集團、歐文斯·康寧、韓國SK、賓堡食品等客戶都對Emisshield材料給予極高的評價。

 

八、結語

 

由于燃料成本持續上漲,國內生產型企業面臨的成本壓力正與日俱增。在持續霧霾天氣的影響下,民眾對節能減排的呼聲也越來越高,可以預見今后國家對生產型企業排放和節能方面的要求也會越發嚴格。2013年始,天津新世紀耐火材料有限公司(TNCR) 與美國EMISSHIELD 公司合作,將高發射性噴材料EMISSHIELD引入中國,已在國內玻璃、石化、陶瓷、耐材行業取得了良好的業績,為客戶節省能源,降低排放,帶來了可觀的經濟效益和良好的社會效益。

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