_高温红外辐射涂料的节能效果试验研究

高温红外辐射涂料的节能效果试验研究

赵立英，李雪峰，肖

鹏，刘平安

（广东省超硬与电磁功能材料工程技术研究开发中心，广东佛山528216）

摘要：分析了高温红外辐射涂料的节能原理，介绍了研制的KTW 高温红外辐射节能涂料在实验室、工业锅炉、工业炉窑上的节能试验效果。该涂料成本低，施工工艺简单，涂层发射率稳定，耐热震稳定性良好，使用寿命长，综合效益明显。

关键词：红外辐射涂料；辐射强化传热；工业炉；节能中图分类号：TQ 637.6

文献标识码：A

文章编号：1001－6988（2013）05-0053-03

Experiment Study on Energy Saving Effect of High Temperature

Infrared Radiant Coating

ZHAO Li -ying ，LI Xue -feng ，XIAO Peng ，LIU Ping -an

（The Superhard and Electromagnetic Materials Engineering and Technology Research Centers of

Guangdong Province ，Foshan 528216，China ）

Abstract ：The energy saving mechanism of high temperature infrared radiant coating was analyzed ，and the energy saving experimental effect of the developed KTW high temperature infrared radiation energy saving coatings in test room ，industrial boiler and industrial kiln was introduced．The coating has low cost ，simple construction process ，stable coating emissivity ，good thermal shock resistance ，long service life and obvious comprehensive benefit．

Key words ：infrared radiant coating ；radiant heat transfer enhancing ；industrial furnace ；energy saving

收稿日期：２０１３－０５－０７

基金项目：广东省省部产学研基金资助项目（２０１３０９０１）；粤港关

键领域重点突破基金资助项目（２０１０Ｚ５１０７）．

作者简介：赵立英（１９７８—），男，工学博士，主要从事表面涂层材料

的研究与应用工作．

工业炉窑和工业锅炉是生产中能耗量最大的设备，其能源消耗约占全国工业能源消耗的60％［1－3］。影响工业炉能耗的因素有很多，但是节能措施一般都离不开设备改进、余热利用和采用新技术、新工艺等几个重要方面。

高温红外辐射节能技术是在炉内壁和吸热面涂覆高温红外辐射涂层材料，强化炉内辐射传热，以提高工业炉的能源利用率和产能，延长工业窑炉使用寿命，实现节能减排和降低生产成本的目的［4－5］。国内早期主要是将多种辐射粉体基料和粘接剂采用简单的机械混合方式制备红外辐射涂料，实际应用中出现辐射性能不佳、衰减速度快和涂层脱落等问题，使其应用和推广受到一定影响［6］。随着材料制备技

术和红外辐射机理研究的不断发展，材料设计及其复合技术给红外辐射材料的研制注入了新的活力，使红外辐射材料的构成逐步从单种物质或混合物向复合材料发展［7］。作者以过渡金属氧化物经高温固相反应形成尖晶石结构的红外陶瓷粉料和堇青石高温焙烧制备了发射率稳定的复合红外辐射陶瓷粉料，在2～25μm 波段范围内具有高的红外光谱辐射率，通过掺加堇青石后的烧结材料克服了过渡金属氧化物烧结料膨胀系数大的缺点，涂层具有良好的耐热震稳定性。同时开展了该红外辐射涂料节能效果的试验研究工作和节能机理探讨。

1红外辐射涂料节能机理的定性分析

对于工业锅炉来说，水冷壁管向火面吸收的热

量主要来自炉墙辐射方式传递的热量，然后以热传导的方式与水冷壁管内部流动的水进行热量交换。以前锅炉节能改造主要是强调炉壁耐火材料的绝热性能等减少热量损失，而忽视了锅炉水冷壁管直接

Industrial Furnace

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Furnace

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参与炉内传热方面的作用和其表面辐射性能对炉内传热和热交换的影响。

众所周知，金属材料的红外辐射性能较差，一般都远低于耐火材料的红外辐射性能，且与表面状况紧密相关。在相同的炉温条件下，有效地提高炉衬黑度，可以减少排烟热损失，通过表面辐射传热的强化将有效地缩短炉子的升温时间，收到良好的节能效果。红外辐射涂料作为一种表面辐射性能的改性材料，具有施工简便、成本低廉的优点，很容易使工业炉的表面辐射性能得到改善和推广应用［8］。

2试验方法

2．1红外辐射涂料辐射强化传热

为了考核研制红外辐射涂料的强化传热性能，在两个功率相同的盘式电炉上放不锈钢碗，容器内加水800g，并将其中一个涂覆涂料，另一个不涂。加热时先将电炉预热5min，然后同时将容器置于电炉上。试验装置如图1所示。用温度计进行水温对比测试，根据达到相同温度的所用时间来分析涂料的辐射强化传热能力。

图1红外辐射涂层节能实验装置示意图

2．2小型锅炉的辐射强化传热试验

选用常德市林宏锅炉有限公司生产的一台DZL4－1．25－AⅡ卧式链条炉排蒸汽锅炉产品进行能效测试。该锅炉的热效率以往通常不超过76％，排烟温度在230℃以上。根据研制的红外辐射涂料可同时适应金属基材和耐火材料基体的特点，在炉墙表面和锅炉水冷壁管向火面进行了涂料涂层施工。施工后，经湖南省特种设备检验检测院对锅炉的运行情况进行跟踪，了解涂料的使用效果。

2．3热电锅炉的工业应用

选用金川集团动力厂的BG－75／39－MI煤粉锅炉，锅炉炉膛内布置有256根Ф60m×4m的水冷壁管，水平烟道56根过热器管屏逆流布置。锅炉经过20多年运行后结焦全部位于过热器位置，炉膛吸热能力不足的特征比较突出，导致部分未凝结飞灰粘附在过热器管壁上，形成结焦。该锅炉原设计排烟温度为143℃，经过长时间的运行后锅炉的排烟温度逐年上升，现排烟温度平均在170～200℃之间。根据研制的红外辐射涂料的特点，在炉墙表面和锅炉水冷壁管向火面进行了涂料涂层施工，涂层厚度约80μm。

2．4钢铁行业加热炉的工业应用

在武钢热轧厂3＃步进梁式高温加热炉和唐钢热轧二厂轧钢加热炉进行节能技术改造，二者均以高炉煤气为燃料，通过炉子两侧均匀布置的高速烧嘴对炉子进行加热。其中武钢热轧厂3＃步进梁式高温加热炉中心火焰温度可达1360℃，存在炉膛吸热能力不足，废气排烟温度较高的问题。项目改造中在炉墙和步进梁涂覆红外节能涂料约380m2，厚度约为1mm。唐钢热轧加热炉炉膛内衬两侧和炉顶耐火纤维表面施工总面积约300m2，涂层厚度分别为1mm和0．5mm。

2．5陶瓷行业辊道窑加热炉的工业应用

在上海斯米克建陶P4辊道窑20到38节两侧内壁及窑顶施工总面积为157．5m2，湖南衡利丰5＃全自动辊道窑炉高温段两侧内壁及窑顶施工总面积约为600m2，二者均以天然气为燃料，通过炉子两侧均匀布置的高速烧嘴对炉膛进行加热。

3试验结果分析与讨论

3．1盘式电炉上的实验结果分析

盘式电炉烧水实验结果表明，涂覆红外辐射节能涂料后，水温达到100℃所需时间由原来的9 min缩短为5．8min。这是因为不锈钢的发射率为0．35～0．4，而高温红外辐射涂料在2．5～5μm近红外区波段平均发射率超过0．88，由传热学斯蒂芬－玻尔兹曼定律可知，黑体的热能吸收与绝对温度的四次方成正比，即E b＝σ0×T4，随着温度和发射率的升高，辐射传热和吸热能力急剧增强，涂层与介质的温差增加使热传导能力明显提高。工业锅炉炉膛内水冷壁管吸热与烧水试验类似，主要是通过吸收高温火焰中心的辐射热量使管内水汽化蒸发，通过涂覆红外辐射节能涂料可增加水冷壁管吸热能力，提高锅炉的热效率。

3．2小型锅炉的辐射强化传热试验结果

在实验室盘式电炉烧水对比实验的基础上，选

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