热辐射节能涂料在陶瓷窑炉中的应用

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。

3.2 热辐射节能涂料的化学成分

任何物质由于其独特的分子结构,都有其固有的辐射率(俗称黑度)。而热辐射节能涂料是以自然资源中被公认为辐射率最高的铬铁矿(FeCr2O4)为主要成分,配上已获取专利的特种粘接剂精研调制而成,其化学成分见表2。

3.3热辐射节能涂料的辐射率

一般工业炉用耐火砖、浇铸料的辐射率在0.6～0.7,而热辐射涂料的辐射率在200～800℃时为0.95以上,炉内温度在950～1100℃以上时,更高达0.96 以上。炉内温度越高,其自身的辐射能越强,其中一种热辐射涂料(HRC)的辐射率见图5。

3.4 热辐射涂料的节能原理

表3为一种热辐射涂料(HRC)的节能效果,根据热工学著名的辐射热4次方原理即斯蒂芬-波尔兹曼公式:

Eβ=δ(T/100)4kcal/(m2·h) ,δ=4.88kcal/(m2·h·k4)(1)

Eω=εω×4.88×(Tω/100)4kcal/(m2·h·k4)

Eω=εω×4.88×()4

Tω=×100-273

式中:

Eβ——黑体的全辐射热能;

Eω——炉壁全辐射热能;

εω——炉壁全辐射率;

Tω——炉内壁面温度。

分析表3可知:

(1) 窑炉内壁为耐火砖时,其辐射率为0.7以下,炉壁温度在1100℃时的辐射热为507621kJ/(m2·h);涂上热辐射涂料后,辐射率上升为0.96,辐射能量升为696178 kJ/(m2·h)。由于瓷砖烧结所需热能可认为是常数,即507621 kJ/(m2·h),当辐射率升为0.96时,炉壁温度则可以下降为995℃即可。

(2) 从表3可知,在高温段A中,涂上热辐射涂料后,由于辐射率从0.7上升为0.96,炉温可从1100℃降至995℃,温度相差105℃,每平方米每小时节能为:507621-369265=138356kJ(平均每降低1℃可节能1318kJ/(m2·h)。

在低温段 B中,热辐射涂料喷涂层使炉壁辐射率从0.7升高为0.91,温度相差55℃,每平方米每小时节能为:82967-63953=19014kJ(平均每降低1℃仅可节能345 kJ/m2·h)。

(3) 如果投入的热能不变而需求能耗为常数,则另一个函数h即加工时间可以大幅度地缩短,即可以加快生产速度、提高生产量(但利用此项时,须与被加工物内部物理、化学特性及下一道工序相匹配)。

图6为热辐射涂料HRC节能原理示意图,图中,上面的线条为涂上热辐射涂料HRC后,在相应温度情况下的热能曲线;而下面的线为耐火砖在相应温度条件下的热能曲线,很明显,两线之间的落差就是使用热辐射涂料HRC带来的热能增加量。如果认为所需要的热能为常数,比如要求释放的热能是67万kJ,耐火砖炉面温度要求在1200℃,而在一个水平线上的热辐射涂料HRC只有1100℃左右,即不需要那么高的温度就可以获取同样的热能。而在高温下,将炉子内壁温度每升高一度都要花费很多的燃料,换句话讲,使用了热辐射涂料HRC就可以减少大量的燃料投入,且炉子使用的温度越高,节能效果就越为显著。

4热辐射节能涂料的四大特点

(1) 高辐射率:由于热辐射涂料的分子结构稳定,辐射率极高,且对温度的依赖性较小,因此可在大范围温度区域发挥节能效率,即使在1600℃仍可保持稳定的辐射。

(2) 保护墙体:热辐射涂料的涂厚一般为0.7mm,液体涂料在1100℃时,会烧结成金属瓷釉状,密固化在热材料表面,不易剥离。它对耐火砖、浇铸料,尤其是对陶瓷纤维材料起到了很好的保护作用,有效减少了高温气流对耐火保温材料及炉壳的直接侵害,不仅提高了隔热效果,而且大幅度延长了炉内壁的使用寿命。

(3) 阻止落尘:施工中采用特殊喷涂工艺及取得专利的粘结剂,经过烧结,使炉墙表层形成坚固的金属状保护层,彻底解决了窑炉业界多年来一直深感头痛的掉渣落脏问题,大大提高了产品的档次。

(4) 高回报率:在辊道窑、隧道窑、梭式窑上使用,一般节能可达5%～10%,投入的成本在3～6个月内即可收回。在一般情况下炉子不翻新、不自损破坏时,高质量的热辐射涂料使用寿命可达3～5年,因此投资回报率高达10～20倍。

5热辐射节能涂料节能效果的对比实验

5.1 在电炉中的节能对比实验

表4为在佛山市华雄陶瓷有限公司所做的热辐射节能涂料HRC在电炉中的节能对比实验,试验采用同一工厂生产的电功率完全相同的两个炉子,其中一个内壁喷涂了HRC节能涂料,而另一个炉子的内壁仍然是采用一般的耐火砖。设定相同的预定温度1120℃,达到温度后自动停电,然后根据使用的时间、电压、电流来计算耗电量,以进行节能对比。由于电炉内部完全是靠辐射热进行升温,没有对流热和导热的因素影响,因此效果很直观。

节能对比结论:

两个炉子同样升温到1120℃的情况下,HRC炉的节能率=(对比炉耗电量-HRC炉耗电量)/对比炉耗电量

=(5.045-3.923)/5.045×100%=22.24%。

5.2 在燃料炉中的节能对比实验

表5为东北大学池桂兴教授利用节能涂料所做的两座炉子的试验结果。

由表5可见,在其他条件不变的条件下,炉子采用涂料后与涂料前相比,节能效果如下:

(1) 在热负荷和炉膛温度相同的情况下,炉子内壁温度明显升高,出炉膛废气温度显著降低,而炉子外壁温度变化很小。

(2) 炉膛热平衡中有效热的相对值Q有效/Q烧增大,出炉膛废气热Q废气/Q烧值减小,其两者增加和减小的绝对值大致相当,而炉膛热损失值Q损失/Q烧却变化不大。

(3) 炉子热效率提高,单位热耗降低,而燃料节约率则随炉膛温度的升高而增加。

5.3 热辐射涂料与同类产品比较

热辐射涂料HRC的节能效果显著,且不易剥落,但其单价相对于其它节能涂料要高,一次性投入的成本大。而从性价比的角度比较,热辐射涂料HRC则比其它一些廉价涂料的经济价值要高得多。在投资一个项目时,首要考虑的应该是整个项目的投资回报,而不是投资成本本身。如对于一个炉子,选用高质量的价值几十万元的热辐射涂料HRC后,能牢牢地结合于炉墙内壁上不脱落,可长期发挥它优秀的节能作用,这样连续数年,就可得到十倍以上甚至几十倍的回报。而若使用廉价涂料,虽然前期投入仅几万元,但每年只收到十万元的回报,而且这种涂料每年都要花费几万元重新再喷涂,使用七年以上其总成本还要高于高质量节能涂料的一次性投资成本。另外,每年还要投入大量的人工进行再施工,且涂料的剥落不仅不能对炉墙起到保护作用,还会影响产品质量,严重时甚至造成巨大的经济损失。

6热辐射涂料在陶瓷行业的应用实例

我国的陶瓷业是最大的能源消耗产业之一,窑炉数量之多,令世人瞠目结舌,如果这些窑炉都使用了热辐射涂料,节能总额将是惊人的。陶瓷窑炉推广应用热辐射涂料的市场潜力巨大,这给我们指明了热辐射涂料的应用方向。当然,要顺利地将热辐射涂料引入陶瓷窑炉并非易事,因为陶瓷窑炉中,最大的问题是不允许有一点的剥落,甚至尘埃也不允许。

为此,日本日上公司自行建立了小型加热炉,在涂料的粘接剂及喷涂工艺方面做了大量反复的试验,终于研究出最佳的调制方法和切实可行的喷涂工艺,达到了涂料喷涂烧结之后不掉尘埃的性能,对生产炉窑内墙起到了加固保护、延长使用寿命的作用,同时还大幅度节约燃料,降低了生产成本。在此基础上,该公司将其研制的热辐射涂料逐步推向生产应用。

6.1 应用实例1:新中源陶瓷集团

6.1.1 四川新中源陶瓷集团

2003年,四川新中源陶瓷集团的22条辊道窑应用了热辐射涂料HRC,2003年9月12 日,日上公司首先对四川新中源陶瓷8#素烧窑进行了热辐射涂料HRC的喷涂作业,获得了圆满成功。四川新中源陶瓷有限公司针对8#素烧窑喷涂热辐射节能涂料HRC前后两个月的燃气耗量进行实际跟踪统计,经计算,实际节能效果达 7.07%(见表6),而且炉墙表面涂层无落尘现象,对生产的水晶釉面砖无任何不良影响。

同一时间段,佛山市能源利用监测中心对工况完全相同的喷涂过HRC的8#炉及未喷涂过HRC的5#炉进行了热平衡测试,获得的数据按热平衡计算归纳如下:

(1) 未喷涂HRC和已喷涂HRC的窑炉,最高烧成温度由1120℃下降至1091℃;

(2) 炉墙外壁各点温度也下降2～10℃;

(3) 喷涂热辐射节能涂料后的Q有效(36.92%)>未喷涂的Q有效(34.25%);

(4) 节能率达6.84%,热效能提高7.80%。

根据烧成温度从1120℃下降到1091℃,从理论上可以做如下简单的推算:

温度下降:1120-1091=29℃

根据在窑内温度为1100℃左右时,每降低1℃大约节能315kcal/m2,喷涂面积在130m2左右情况下,减少热能消耗量计算为:

29×315kcal/(m2·h)×130m2=1187550kcal/h

1kcal=4.187kJ

换算为:

1187550kcal/h×4.187=4972272kJ/h = 4972.3 MJ/h

5#窑炉未喷涂HRC时, 燃气输入热能为:

Q入=21928.7MJ/h,则

节能率=×100%=22.6%

从理论上推算,节能率可达22.6%,但由于炉子的热效率仅在35%左右,所以实际节能率应在7.7%左右,热平衡计算数据详见表7。

随后,2005年,四川新中源陶瓷有限公司又对二车间的5条生产线(1#、2#、3#、5#、7#窑炉)进行了日上公司热辐射节能涂料的喷涂,经在相同工况条件下的对比考核,去掉工厂方面采用了其他节能措施产生的节能效果后,经计算,日上节能涂料的节能效果为8%以上。为此,公司决定全面采用节能涂料,在以后的几年中,每年都进行节能涂料的施工,并且对新建立的窑炉也立即喷涂了该涂料,从而使全厂22条窑炉全部使用了日上公司的节能涂料。

6.1.2佛山三水白坭新中源陶瓷有限公司

日上公司分别于2006年1月19日对三水白坭新中源公司的1组窑炉和2008年1月29日对剩下2组窑炉共6条生产线进行了热辐射节能涂料HRC的喷涂,通过前后4年的数据跟踪、分析,节能效果达到了所要求的指标。

考核在同工况的条件下进行,也就是说,对比考核月的产品规格、产量、产品单件重量在基本相同或者差别不大的条件下才能进行对比考核。首先,从表8中的产品数据分析中得知,产品的平均单件重量每年比上一年大8%左右,从陶瓷生产的规律来讲,“烧制大件陶瓷比烧制小件陶瓷耗能大”,换句话说,每年的平均能耗应该是一年比一年大很多。但是由于喷涂了节能涂料,从同工况条件对比结果来看,2007年和2008年的陶瓷生产能耗都比前一年度显示有5%以上的节能,综合分析起来,节能效果非常显著,见表9与表10。

我们选取产量或者耗粉量很相近(差别最大值在0.5%范围内)的数据,如表9～10的三组数据进行分析。如表10所示,在2007年与2008年的生产对比考核中,选取耗粉重量相近的生产月份进行对比分析:

在第一组的对比数据中,消耗粉料量仅相差0.16%,但是2007年10月份生产的砖产量比2008年12月份生产的大了近62%。即2008年12月份每生产1m2砖的重量和厚度都比2007年10月份生产的大了60%以上,在此情况下,能耗应该相应地增加很多,但由于使用了节能涂料,却得到了4.89%的节能效果。

在第二组的对比数据中,砖的产量仅相差了0.11%,但是2008年10月份生产消耗粉料量比2007年11月份生产消耗粉料量大了18.11%,即2008年10月份生产的砖的重量和厚度都比2007年11月份生产的大了18.11%,能耗也应该相应地增加,但由于使用了节能涂料,却得到了4.61%的节能效果。

在第三组的对比数据中,生产砖的产量仅相差了0.36%,但是2008年6月份消耗粉料量比2007年12月份仅多了1.19%,这组对比数据非常接近,却得到了10.81%的节能效果。

6.2 应用实例2:广东新明珠陶瓷集团

从2005年3月起,日上公司就连续在广东新明珠陶瓷集团新明珠一厂、二厂、三水基地等使用热辐射节能涂料,喷涂了32条辊道窑炉,其中在新明珠二厂的使用情况如下:

我们从新明珠二厂的七条窑炉的生产能耗月报表中,将完全满足以下三个条件的全部有效数据都找出来,按以下条件进行对比考核:

(1) 提取同一窑炉喷涂前、喷涂后生产同规格、同品种砖的月份能耗来进行对比考核;

(2) 提取当月产量大于窑炉年度平均月产量的月份能耗进行对比考核;

(3) 提取对应月份的日平均产量偏差应在±3%以内。

新明珠二厂在同工况条件下的5条窑炉节能分析如表11所示,从表中数据看,在参与对比的5条窑炉中,有3条窑炉3#、5#和6#,其节能率分别为7.70%、6.25%和8%,总节能率为4.57%。

7结 语

热辐射涂料经过工程技术人员的反复研究和改进,已成为优秀的节能减排产品,被应用于我国和其他一些国家的钢铁、石化、汽车、陶瓷企业的炉窑中,取得了较好的节能效果。

经改进后的热辐射涂料,应用于陶瓷行业窑炉中,解决了涂料的剥离落脏及发尘问题,从而使其在陶瓷行业中的应用普及率上有了很大的推进。经部分陶瓷企业的应用实践表明,喷涂有热辐射涂料的窑炉,窑壁的热幅射能力大大增强,在同样的生产状况下,可降低最高烧成温度或加快烧成速度,达到了降低烧成能耗的目的。

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