热辐射节能涂料在陶瓷窑炉中的应用
时间：2021-01-08 12:00:34 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要:本来介绍了热辐射节能涂料的发展过程、该涂料的节能性能与特点,通过节能对比试验与具体的应用案例,说明热辐射节能涂料在陶瓷行业具有巨大的应用前景,应大力推广使用,为陶瓷行业的节能减排提供方向。
关键词:涂料;节能;窑炉
1概 述
热辐射节能涂料已应用于钢铁、石化、陶瓷、机械加工等许多行业的加热炉的内壁上,以其优秀的近红外线辐射率,加强了炉内的热辐射强度,通过此项措施改进了原有的烧成工艺,从而大幅度提高了炉子的热效率和生产率,降低了热损失,延长了窑炉炉墙的使用寿命,达到节能减排的目的。
近年来,研究人员通过一系列的技术革新与研制实验,解决了热辐射材料在窑炉内壁烧结后表面剥离的现象,使热辐射材料得到更加广泛的应用。本文从热辐射节能涂料的发展过程、理化特性分析、节能原理、应用方法等方面作了介绍,并列举了具体实例作分析,希望能为企业的节能工作带来新的亮点。
2热辐射节能涂料的应用发展过程
自上世纪七十年代的石油危机以来,世界各国都投入了大量的精力和经费,开发研究节能热辐射涂料。70年代,日本有几十家企业专门从事节能涂料的开发研究,但由于各种因素的影响,到了80年代仅剩下4家,而日本热辐射材料研究所是首先取得突破性进展的一个机构。研究所的创办人三宅辰男博士、荻原博士、佑山博士都是毕业于东京大学冶金工学专业的专家,他们多年致力于这项研究工作,终于在80年代中期,率先研制成功了极具实效的热辐射涂料,并在80年代末期至90年代初将此产品迅速工业化应用。先是在日本六大世界知名钢铁厂家开始使用,诸如神户制钢、川崎制铁、日本制钢、住友金属、新日铁等,在连续加热炉、连续淬火炉、锻造炉、热轧钢炉等广泛使用。短短几年内,此项措施在上述企业中收到了巨大的经济效益。
随后,这种热辐射节能涂料在大型石油化工企业,诸如九州石油、三井石油、西部石油、三菱石油、窒素石油化学等大型企业中的反应炉、轻油加热炉、重/轻油分解炉、精炼油加热炉等大型设备内广泛采用。事实上,日本国内数百座工业炉在使用了热辐射节能涂料后,钢铁行业节能效果在5%～16%,一般平均在8%以上;在石油化工行业,加热炉及分解炉中的节能率一般在2%～5%。
在我国,国外的热辐射材料推向国内市场后,也引起了众多企业的关注。如上海宝钢、沙钢、兴澄钢铁厂、金山石化、武钢、鞍钢、攀枝花钢厂、首钢等数十家企业先后也进行了热辐射材料的推广使用,并取得了极大的成绩。我国的陶瓷行业是一个巨大的耗能产业,陶瓷企业规模之大、数量之多令世界震惊。仅仅佛山市的一个大型陶瓷企业,每年的陶瓷产量比日本全国众多陶瓷厂产量的总和还要大。一条大型的陶瓷窑炉生产线,其能耗相当于一个中型的钢铁加热炉。仅佛山地区52家重点陶瓷企业2008年度的能源消费总量就达193万吨标准煤,其中按陶瓷企业的用能分配,企业能源消费总量的70%以上(即135万吨标准煤)是以水煤气或燃油在窑炉中消耗掉的。如果热辐射节能涂料在陶瓷窑炉中的应用能够像在钢铁石化行业一样,发挥其优秀的节能效果,将为企业和全社会带来极大的效益。若按5%的节能效果计算,仅佛山地区52家重点陶瓷企业采用,该材料每年就可为国家和企业节约6.75万吨标准煤,即8500万元以上的节能效益。
其实,从2002年末开始,已有将热辐射节能涂料试用于陶瓷行业的先例,但日本将陶瓷行业列为节能涂料的禁区,原因在于陶瓷行业对节能涂料有一个更高的要求:即不得出现剥离现象。因为热辐射涂料是黑色的,生产的陶瓷产品是白色的或淡颜色的,黑色的涂料若脱落下来,将会使产品报废。当时日本的类似产品还是存在少量剥离的问题,为攻克此技术难关,使节能涂料能够顺利进入陶瓷产业,日上公司在节能涂料的原料生产上进行了数百次的调配,在工厂中专门制作出加热模拟炉,对各种配比的涂料进行反复试验和烧结,历时一年多,经历了上百次的失败和挫折,终于制造出符合陶瓷企业要求的涂料。新的热辐射节能涂料于2004年底正式投放于陶瓷生产线上,截至今日,热辐射节能涂料已经在100多条陶瓷窑炉上使用,达到了预期的节能效果,为这些企业带来了巨大的节能效益。
3热辐射节能涂料的节能原理与性能简介
3.1 辐射能的基本理论
导热、对流热及辐射热是热传导的三种方式,而在工业加热炉中,由于各种炉如陶器辊窑、钢铁热轧加热炉、石油裂解炉的炉体结构的不同,其热传导的方式也多少有些差异,其中部分热能的传递是以辐射传导形式。热辐射能的大小,随着炉内的温度上升而急剧增大。在高温时,热辐射在传热中起了绝对的支配作用,可占到全体热传导能的90%以上,因此,设法提高炉子的热辐射能量,是提高加热炉热效应的关键。
辐射热一般是以光束(电磁波的一种)进行传递,光束由大量携带与波长相对应能量的光子所组成,运动形式是直线传播。随着波长长短的不同,其能量也不同,波长越短能量越大。电磁波的特性取决于波长或频率。在热辐射分析中,通常用波长来描述电磁波。
电磁波的波长有很宽的变化范围,如图1、图2所示:波长<0.38μm的是紫外线、伦琴射线、宇宙射线等;波长=0.38～6μm之间的电磁波是可见光;波长=0.76～1000μm之间的电磁波是红外线,通常也称作热射线;波长>1000μm的电磁波通常称为无线电波。包括可见光、部分紫外线和红外线,它们投射到物体上能产生热效应。
表1为不同温度下可见光与红外线所占的比例,从表中可看出,物体温度约在550℃以下时,实际上没有可见光辐射,其热射线中主要是红外线。太阳温度接近6000K,则可见光在其热射线中占有很大比例。
在工业炉中,当炉内温度在800℃附近时,近红外线与远红外线几乎各占一半。而当炉内温度在1000～1300℃时,近红外线将占到90%以上(波长0.8～4μm,在此领域中光子所带的能量为0.4～1.5eV),其他5%为可视光。在可视光领域相近的800nm附近,光子携带能量为1.5eV,而在4μm时是0.4eV,相差了4倍。所以,提高辐射率要注重可视光附近的近红外线。如果不是吸收红外线的物质,热辐射的效果就不大。物体被红外线照射后会引起共鸣振动并产生热量,被吸收的红外线能量和物体原子、分子振动的能量是一样的,物体的原子、分子不断地振动,热量不断升高。
含有大量能量的光束,以红外线形式由众多光子组成,打在炉墙内壁表面上。内壁表面的物质吸收光子,光子由于能量被表面物质的电子所夺走而消失(光子“死”去)。但电子获取能量之后开始剧烈震动(励起状态),从而产生新的光子向外扩散传播,新的光子则打到被加工件如瓷器的表面上,又被吸收,其能量能够被加工物表面物质吸收,从而使加工物的表面升温。再经热传导将热能传播给被加工物的内部并不断地积蓄,从而提高被加工物的整体温度,直到达到所需温度,进而走向下一道生产环节(见图3)。
由于辐射能和辐射距离的平方成反比,和辐射角度成cosΦ关系,所以加热炉体的容积越大,炉顶墙面和被加工物距离越远,辐射强度和效果就会越差。辊道式瓷砖窑炉(图4)的窑顶面距离瓷砖表面比较近(仅30～50cm),所以辐射性能远远比钢铁行业的加热炉强,更能达到接收辐射的效果。
