耐火材料对热工设备节能环保作用的探讨

耐火材料对热工设备节能环保作用的探讨

发表时间：2019-08-08T09:44:50.657Z 来源：《建筑模拟》2019年第26期作者：邓勇

[导读] 耐火材料应用于钢铁、有色、建材、化工、电力、环保、航天等领域的高温过程，是所有高温工业新工艺和新技术实施的重要基础和支撑材料，对高温工业产品质量提升与品种开发、高效生产和节能减排具有重要作用。

邓勇

贵州省六盘水市水钢集团公司博宏石灰矿业分公司贵州六盘水 553028

摘要：耐火材料应用于钢铁、有色、建材、化工、电力、环保、航天等领域的高温过程，是所有高温工业新工艺和新技术实施的重要基础和支撑材料，对高温工业产品质量提升与品种开发、高效生产和节能减排具有重要作用。钢铁、有色和石化等高温行业的高速发展，关键装备和技术的进步，极大地带动了我国耐火材料的科技创新和产业发展。文章针对耐火材料对热工设备节能环保的应用和作用进行了研究，以供参考。

关键词：耐火材料；热工设备；节能环保

1采用热导率低的隔热保温耐火材料，降低热工设备的热损失

1.1热工设备热损失

热工设备的热损失一般有以下几项：（1）热工设备体表面各部位散失的热量，可达产品单位能耗的10%～40%；（2）热工设备体的蓄热损失，对连续操作的热工设备不太重要，对间歇式作业的热工设备蓄热损失达5%～25%；（3）水冷损失的热量，如连续式轧钢加热炉的滑轨水冷管，不做耐火材料包扎，热量损失达25%以上；（4）接缝、孔眼和炉门等部位密封不严泄漏损失的热量，如电弧炉门热量损失达35%以上；（5）排烟带走的热损失。以上热损失都与耐火材料有关，特别是（1）～（4）项与耐火材料的隔热保温性能有很大关系。减少炉体表面热损失的基本途径就是选用合适的隔热保温材料，降低炉体外表面温度。在炉膛温度一定的情况下，外表面温度主要取决于炉墙厚度和炉墙材料的热导率。加大炉墙厚度将导致炉体的蓄热量增加，可使蓄热损失增大。因此，合理利用隔热保温材料成为最佳选择。近年来，我国隔热保温材料发展很快，不但有各种材质，不同体积密度，不同热导率的定型产品，还有相应的不定形耐火材料，各种材质的耐火纤维及制品，硅钙板，纳米绝热板等。这些保温隔热产品的外形规格，理化指标，隔热保温效果不同，市售价格也不同。因此，应该根据热工设备的使用条件进行内衬设计。收集原始资料，其中包括温度参数（热工设备的热面温度，冷面温度），物理常数（隔热材料的热导率，体积密度，最高使用温度），经济参数（耐火材料价格，燃料价格，发热量，利用系数等），然后进行计算节能效果，并分析对比，选择合适的隔热保温材料并制定合理的方案。

1.2降低热工设备散热损失

钢包的隔热保温目前，我国钢铁行业平均能耗比日本高50%，大型企业高30%。钢包是钢铁行业的重要热工设备。为了钢包保温，经过对钢包散热计算及对隔热保温材料的研究发现，钢包内衬应该采用四层材料砌筑，即在钢壳内表面涂层节能涂料，向内是10mm纳米绝热板，再向内是75mm的高强纳微米隔热浇注料，再向内是工作层。渣线工作层采用低热导率的镁碳砖，熔池工作层采用刚玉—尖晶石质不烧砖。这种方法应用在120t精炼钢包上，使渣线处钢包壳温度约225℃，熔池处钢包壳约200℃，包底壳约170℃。这种节能结构取得了良好的使用效果：①高强纳微米浇注料和低导热工作层能有效保护纳米板，使之长期处于安全工作温度内，显著提高保温层和永久层的使用寿命；②完全可以使包壳温度降低100℃以上，提高包壳使用寿命，减少烤包用燃气，钢液温度降低速度显著减慢，降低出钢温度，提高金属收得率，提高劳动生产率，达到节能环保和降低成本的目的。

（2）水泥回转窑过渡带用低导热复合砖水泥回转窑是高耗能的热工设备，特别是前后过渡带，耐火材料内衬没有窑皮保护，直接与水泥物料接触，窑体温度偏高，增加了热损失及燃料消耗，降低窑体和托轮的使用寿命，同时使耐火材料也容易损坏。为了减少散热和安全隐患，采用工作层、保温层、隔热层三层结构。如果采用三种不同热导率的耐火砖砌筑，在回转窑运转时，往往容易发生内衬掉砖事故。因此，研究了低导热多层复合砖，即砖采用三层结构：工作层（硅莫砖厚0.140m），保温层（轻质莫来石砖厚0.035m），这两层的结合界面采用正弦曲面结合方式，而第三层为隔热层（含ZrO2的陶瓷纤维板，厚0.025m），保温层与隔热层的结合面采用135°坡形结合方式，可使复合砖中间层（保温层）的应力集中较少，多层复合砖综合热导率由原来硅莫砖的2.74W/（m·K）降低到1.50W/（m·K），使窑外壳温度降低50～70℃。

2 蓄热与储能耐火材料的节能环保

2.1高炉热风炉用耐火材料的节能环保

高炉热风炉是兼有储能与换热功能的能源有效利用装置，以高炉煤气为燃料，利用耐火材料作为储能与换热元件为高温提供热风，高炉的鼓风热风每提高100℃，大约相应降低焦比20kg/t铁水。热风炉是典型的蓄热式换热器，热风炉蓄热室内的格子砖是热风炉进行热交换的载体，承担着将燃烧煤气产生的热量传递到高炉鼓风的重要作用。格子砖蓄热量和放热效率的高低直接影响到热风温度和热风炉热效率。在不改变格子砖面积和材质的情况下，研究了材料本身的热导率对热风炉换热效率的影响。结果是：提高格子砖的热导率，显著提高热风炉的换热效率。当硅砖的热导率由1.8W/（m·K）提高到2.3W/（m·K）时，使热风炉燃烧期时间缩短8.2%。热风炉分为高、中、低温和高低温交换等几个区域，按耐火材料的不同特性，在我国一般选择硅砖、高铝砖和粘土砖组合。高温区（800～1500℃）包括拱顶和格子砖上部等稳定为高温区，以硅砖砌筑为主。因为硅砖高温性能稳定，真密度小，可以减轻质量，而且具有荷重软化温度高、高温蠕变率低、热导率大等特性，热风炉高温区普遍选择硅砖；中温区域（600～1150℃）普遍选择低蠕变高铝砖或红柱石砖；低温区（350～900℃）在燃烧室和蓄热室的下部，以粘土砖为主。蓄热式高温空气燃烧技术是一种回收余热的技术，在很多炉窑上应用，如塔式锌精馏炉、玻璃池窑等热工设备都设有蓄热室，既可节能降耗，又不降低出炉膛烟气温度。采用热导率较大的蓄热材料，降低蓄热体内部的热阻，有利于内部传热，同时强化蓄热室内部整体换热，提高换热效率。

2.2电热储能用耐火材料的节能

众所周知，当一个地方在用电高峰时，有时会造成电力不足或停电，而在用电低峰期间，会造成发电效率降低，浪费电厂燃煤。利用耐火材料的高热容特性，建立电热储能装置，就是用来拉平电力负荷的技术设施。其中以蓄热能力大的耐火砖作为蓄热元件，外壳用隔热耐火材料进行隔热保温，在下半夜电力需求量小时，蓄热耐火砖通过电阻加热系统被加热到800℃左右，把电能转变成热能储存起来。在用