如何采用热导率高的致密耐火材料提高热效率

作者:1xbet发布日期:2020-06-15 21:50

  对于隔火焰的炉窑、换热器以及匣钵、坩埚等热容器,采用高热导率的耐火制品(与前叙的低热汙率隔热材料正好相反),可以提高热效率,节能环保。用以下实例具体说明。

  众所周知,砌筑焦炉所用的耐火材料是以硅砖为主,约占全部耐火材料的70%。焦炉燃烧室的热量通过硅砖砌的炉墙传到炭化室中,在加热温度和炉墙厚度不变情况下,在相同触煤面积,相同时间,高热导率硅砖传递的热量比普通硅砖多。所以在保证炭化室温度不变的情况下,高热导率硅砖的燃烧室内火焰温度可以低一些,所需燃料量也减少,排放到大气中的氮氧化物也必然减少。因此,高热导率硅砖能使焦炉生产节能环保。

  提高焦炉生产率是一贯正确的目标。高热导率硅砖能将燃烧室烟气的热量加速传递给炼焦煤,从而缩短炭化时间和提高焦炉产量。据测算:一座宽44cm的炭化室,隔墙厚11cm,当硅砖热导率为1.867W/(m·K)时,加热温度为1349℃时,焦炉生产率为9.8kg/(m2·h),当热导率提高到2.092时,其他条件相同,焦炉生产率可提高10%,如果热导率提高到2.904W/(m·K),则生产率可提高50%。为此要减薄燃烧室与炭化室之间的隔墙厚度,以前厚度125mm左右,现代化焦炉已把隔墙厚度减为95mm,甚至为70mm。

  据了解:某耐火材料公司研制的高热导率(2.4W/(m·K))硅砖及节能环保型炉门砖,使炉墙厚度仅为70mm,较普通硅砖热效率提高30%,由于产品具有强度高,保温性能好,耐性强,热膨胀率低,热震稳定性好和抗渗透侵蚀性优异等特性,焦炉的密封性、成焦率以及炭化室利用率都大幅度提高,主要表现为:没有焦炭烟尘排放,没有焦油从整体预制件炉门砖处渗出,解决了一直以来的冒烟、冒尘和漏煤气问题,延长炉门框架使用寿命。由于密封效果好,可使炼焦中废物及污染物充分回收利用,以提高效益,减少污染。其次是减少维护和修理,降低炉门厚度,在增大炭化室空间并提高炼焦炉利用率的基础上,对炉内温度起到保温节能效果。

  各种炉窑等热工设备在加热过程中排放大量的燃烧废气,带走热工设备一半以上的热量,排放烟气越高,造成的热氘损失也就越大,浪费大量能源。如果将这部分废热回收利用,既节约大量燃料,又减轻对环境的污染。通常是在热工设备的烟气出口安装热交换器,利用烟气余热预热燃烧所需的空气。回收烟气余热是一项重要的节能途径。热交换器的节能效率主要取决于制造热交换器的材料。金属热交换器使用温度低,寿命不长。

  高温陶瓷热交换器具有耐高温抗腐蚀的特点,特别是碳化硅质陶瓷热交换器,热导率高(热导率仅次于金属),高温强度高,抗热震性好,把它放置在烟道出口温度较高的地方,不像金属那样要掺冷风及高温保护。当热工设备温度1250~1450℃时,烟道出口10001300℃,换热器回收余热温度可达450750℃。将回收的热空气送至炉窑,与燃气形成混合气进行燃烧,可节能35%~55%。我国这方面的工作进展还比较缓慢,应该加强这方面的工作。

  按材质选择,C、BN、SiC、BeO、MgO和Al2O3等均为优良的高热导耐火材料,同时还具有耐高温、抗化学侵蚀、抗热震性能好等,在许多工业部门有广泛应用。如在马弗式隧道窑用高导热碳化硅板,把被烧的陶瓷制品与火焰隔开;熔融金属用的石墨或碳化硅坩埚,热量通过坩埚壁传入金属熔体,利用石墨或碳化硅材料的高热导率特性。从对能源的有效利用来说,这些材料有许多重要用途,如用做各种高温炉的炉管、炉衬、热电偶保护套管等。

  在热工炉窑中,炉衬对炉内的热交换起主要作用。燃烧产生的热量主要以辐射和对流方式传递给被加热物体。在低温阶段,以对流传热为主,高温阶段(800℃以上)则以辐射传热为主,随温度升高,辐射传热作用越来越大,由内衬传递给被加热物体的热量占其总换热量的60%。因此,增强炉衬对被加热物体的辐射,可以有效提高炉窑的热效率。由此可见,内衬耐火材料的辐射能力越高,传给被加热物体的能量也就越多。可是一般耐火材料的辐射能力都很小,对辐射传热不利,因此需用一些具有耐高温并具有高辐射能力的材料配制的涂料,涂刷炉壁的内表面,以提高炉壁的黑度,增强对加热物体的辐射能力,从而达到节能的目的。

  目前常用的有碳化硅质高辐射涂料,是采用极细的SiC粉末加水和结合剂混合配制而成,能耐1650℃高温,可用涂刷或喷涂法涂于各种耐火材料内衬上,既可涂在耐火砖内衬上,也可涂在耐火可塑料及耐火纤维内衬表面上。热工设备内壁涂刷碳化硅质高辐射涂料后,内衬内表面的黑度(辐射率)提高至接近SiC的黑度,因而提高了内壁吸收辐射热量和向被加热物体辐射热量的能力,从而实现节约能源及提高加热速度的目的。

  其次还有SiC-ZrO2系高辐射涂料、SiC-Al2O3系高辐射涂料、氧化铁质高辐射涂料等。高辐射涂料的适用范围和使用效果取决于热工设备的加热方式和采用燃料的品种质量。高辐射节能耐火涂料仅对使用常规燃料,如煤气、天然气、燃油和煤的热工设备,通过提高内壁的辐射能力实现节能效果。而对采用电能加热的炉窑,耐火涂料达不到预期效果。使用气体燃料的热工设备使用高辐射节能耐火涂料的节能效果最佳。由于高辐射节能耐火涂料可加快加热过程,缩短加热时间,因而在间歇式加热设备中使用节能效果更为显著。

  当炉壁表面温度很高时,改变炉壁表面的反射率对传热过程的影响不大。可是在温度较低时,炉壁表面的反射率就很重要了,并且与从炉壁经传导损失的热量和热源经对流传给炉壁的热量的相对值大小有关。如果从炉壁通过传导损失的热量比热源通过对流传给炉壁的热量多得多,那么高反射率炉壁表面就可使从炉壁表面反射回炉膛内的热量增加。不同类型加热炉加热到800℃所需时间的模拟计算结果,采用高反射炉壁,可以大大缩短被加热物件的加热时间,尤其以气体燃料的加热炉更显著。以碳化硅棒加热的电炉,采用高反射率炉壁时,从开始加热到保温时间,约可节约10%的能耗。

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