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高发射性节能材料在工业窑炉中的应用
  浏览量:6848 发布时间:2015-06-29

董开春

TNCR(天津新世纪耐火材料有限公司)

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,尤其是材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,某些材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)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                                   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0.1~0.2mm;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,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。


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。

4 喷涂Emisshield材料后热量流失减少


通过内壁表面高发射率材料再辐射的热量可以以如下公式计算:


Q = Ew . δ. (TC4-TL4)


Q =再辐射的热量

Ew =内壁材料的发射系数

δ=斯忒藩‐玻尔兹曼常数

TC4 = 内壁涂层的温度

TL4= 炉内低温产品的温度


Emisshield 材料的发射系数Ew在0.85~0.95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0.2~0.3 之间。δ 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:TC4 -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。


四、Emisshield材料在钢铁行业的使用

 

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11~13 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

 5  Emisshield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2~5 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合,再辐射性能自始至终均未受损。


五、 Emisshield材料在玻璃窑的使用

 

能耗巨大的玻璃窑是Emisshield材料使用最广泛的领域之一,目前全世界已有80余座玻璃窑喷涂了Emisshield材料,其中包括12座在中国大陆喷涂的成功案例,节能效果均在6%以上。

图6 为美国Owens Corning公司位于堪萨斯州的产能为150吨/天的纯氧燃烧窑(又名K5窑)在2008年冷修进行Emisshield喷涂后前后能量消耗的对比,因为生产中碎玻璃加入有助熔作用,所以采用碎玻璃加入量数据作为横轴。根据计喷涂Emisshield后燃料节省约7%-8%。

美国Owens Corning公司K5窑喷涂前后能耗数据表

Emisshield第一次应用在瓶罐玻璃窑上是Libbey利比玻璃的一座熔化洁净玻璃的燃气窑,图7显示了该窑喷涂后2009年6月至2010年6月的燃料成本和喷涂前2004-2008年的数据对比,Libbey计算出由小修和喷涂Emisshield带来的燃料节省约为9%

Libbey利比玻璃窑喷涂前后能耗数据表

 

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36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2009218日投产使用,工作温度为1200-1450oC, 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8

8 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/块砖,喷涂后20154-5月平均煤耗0.64kg/块(以31.2万块单月产量折算)节能 11.11%


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20℃;

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30℃;

隧道窑排烟温度降低10;


喷涂Emisshield材料后, 窑炉的设定温度1260℃,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,窑顶位置10#11#温锥倒伏,窑车面位置10#温锥倒伏(下图9);设定温度与窑车面温度差通常在30℃左右,喷涂Emisshield材料后温差达到了90℃,极易造成产品过烧,需要进一步调整窑炉温度。

温锥型号

对应软化温度

10#

1330

11#

1350

12#

1370

13#

1390

 

 

9: 测温锥倒伏情况


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,将高发射性喷材料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。

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