高輻射覆層節(jié)能技術(shù)改善蓄熱體蓄熱性能與節(jié)能長(zhǎng)效性的研究

劉常富，張紹強(qiáng)，楊秀青，吳康康，石建

（山東慧敏科技開發(fā)有限公司，山東濟(jì)南，250100）

摘要：高輻射覆層節(jié)能技術(shù)解決了傳統(tǒng)紅外涂料脫落以及高溫穩(wěn)定性的問題，其性能指標(biāo)至今未被超越，在熱風(fēng)爐和焦?fàn)t的應(yīng)用為世界首創(chuàng)，開辟了節(jié)能新途徑。該技術(shù)目前已寶武集團(tuán)、河鋼集團(tuán)、首鋼集團(tuán)、鞍鋼集團(tuán)、沙鋼集團(tuán)、浦項(xiàng)制鐵、安塞樂米塔爾、建龍集團(tuán)、柳鋼集團(tuán)、三鋼集團(tuán)、日鋼、津西、九江線材及翅冀鋼鐵、晉南鋼鐵、石橫特鋼等國(guó)內(nèi)外100余家鋼鐵企業(yè)1000余座熱風(fēng)爐應(yīng)用。近二十年的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)可以提升蓄熱體蓄熱性能10%以上，在生產(chǎn)實(shí)際表現(xiàn)為綜合節(jié)約煤氣5%以上，降低碳排放2.62kg/噸鐵，實(shí)現(xiàn)噸鐵綜合效益3元左右，同時(shí)可改善蓄熱體荷軟、蠕變等物理性能，減緩耐材渣化，延長(zhǎng)耐材使用壽命。多家企業(yè)熱風(fēng)爐應(yīng)用一代爐役之后，拆除的舊蓄熱體顯示覆層依然存在，蓄熱量依然可提高10%以上，物理性能指標(biāo)依然有所改善，均充分反應(yīng)了該技術(shù)的長(zhǎng)效性，

關(guān)鍵詞：高輻射覆層節(jié)能技術(shù)；蓄熱體；蓄熱量；節(jié)能

1.高輻射覆層節(jié)能技術(shù)概述

20世紀(jì)80年末紅外涂料在鍋爐、加熱爐等工業(yè)窯爐逐步應(yīng)用， 鋼鐵工業(yè)作為能耗大戶，高爐煉鐵系統(tǒng)是鋼鐵企業(yè)的主要用能單位，為降低煉鐵工序的能耗，2003年慧敏科技提出將高溫紅外涂料應(yīng)用于熱風(fēng)爐蓄熱體的創(chuàng)意，經(jīng)過精心研究，不斷優(yōu)化，成功開發(fā)出“杰能王”納微米高溫紅外節(jié)能涂料和前處理技術(shù)，并形成了核心技術(shù)--高輻射覆層節(jié)能技術(shù)，突破了傳統(tǒng)紅外涂料高溫易脫落、附著力差的技術(shù)壁壘，獲得了涂料產(chǎn)品、施工工藝、產(chǎn)品檢測(cè)等多個(gè)發(fā)明專利。該技術(shù)在高爐熱風(fēng)爐和焦?fàn)t的應(yīng)用為世界首創(chuàng)，實(shí)現(xiàn)了涂料在熱風(fēng)爐冷熱交替頻繁的惡劣工況條件下不脫落，強(qiáng)化了熱風(fēng)爐蓄熱體吸熱和放熱速率，提高熱風(fēng)爐熱效率，降低煙氣溫度，填補(bǔ)了行業(yè)空白，開辟了熱風(fēng)爐節(jié)能減排的新途徑。

圖1 熱風(fēng)爐應(yīng)用高輻射覆層節(jié)能技術(shù)示意圖

高輻射覆層節(jié)能技術(shù)應(yīng)用初期，為判定覆層技術(shù)的應(yīng)用效果，同座高爐選取兩座熱風(fēng)爐采用覆層技術(shù)，一座熱風(fēng)爐未采用作為對(duì)比檢測(cè)的結(jié)果節(jié)能率均在5%以上，且一年內(nèi)收回投資。有覆層的熱風(fēng)爐抗拉能力明顯提升，但是無覆層的熱風(fēng)爐熱效率低，與有覆層的熱風(fēng)爐不匹配而形成兩高一低的 “短板”現(xiàn)象。為了避免出現(xiàn)上述的短板現(xiàn)象，通過《高輻射覆層蓄熱量的測(cè)定與計(jì)算方法》(GB/T 31934-2015)實(shí)現(xiàn)了覆層技術(shù)節(jié)能功效的判定。該方法規(guī)定了高輻射覆層在設(shè)定的溫度和規(guī)定的時(shí)間條件下蓄熱量性能的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法，通過蓄熱量自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)能夠快速有效的反映覆層技術(shù)的節(jié)能功效，已成為成熟可靠的檢測(cè)方式。

圍繞高輻射覆層節(jié)能技術(shù)，慧敏科技獲得了國(guó)家發(fā)明專利9項(xiàng)、日本和俄羅斯發(fā)明專利各1項(xiàng)，制修訂國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)14項(xiàng)，形成了涵蓋高輻射覆層節(jié)能技術(shù)、產(chǎn)品、施工、應(yīng)用和檢測(cè)等全方位的知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系和標(biāo)準(zhǔn)化體系。該技術(shù)獲得科技部、發(fā)改委等十余項(xiàng)國(guó)家、省市級(jí)項(xiàng)目支持，被列入《鋼鐵極致能效工程能力清單》（2023版），被中鋼協(xié)評(píng)為 “鋼鐵好技術(shù)”，獲得全國(guó)工商聯(lián)、山東省政府等部門的多項(xiàng)科技獎(jiǎng)勵(lì)。該技術(shù)被列入了“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄，產(chǎn)品被認(rèn)定為國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品。

2.高輻射覆層節(jié)能技術(shù)對(duì)蓄熱體蓄熱性能的影響

    2.1 熱風(fēng)爐蓄熱體蓄熱能力的分析

蓄熱體蓄熱能力是熱風(fēng)爐熱轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要指標(biāo)。目前蓄熱體趨于小孔化，蓄熱體小孔化之后，強(qiáng)化了蓄熱體的對(duì)流傳熱，但弱化了輻射傳熱，通過蓄熱式熱風(fēng)爐的蓄熱體在一個(gè)工作周期內(nèi)每1m²加熱面積所能儲(chǔ)存的熱量公式來分析^[1]：

2.2 高輻射覆層節(jié)能技術(shù)對(duì)蓄熱體蓄熱性能的影響

根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律   E = ε0C0T4，式中，E表示輻射的能量，ε0為發(fā)射率，C0為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度^[2] 。通常耐火材料表面發(fā)射率為0.4-0.7左右，隨著爐溫升高，黑度會(huì)有不同程度的下降，另外，隨著溫度的升高，輻射力峰值波長(zhǎng)會(huì)向短波段移動(dòng)，高溫輻射能大多集中在1~5μm波段，而一般耐火材料在這一波段的發(fā)射率很低，對(duì)高溫輻射不利，而采用高輻射覆層節(jié)能技術(shù)后，表面發(fā)射率提高至0.89以上，可以避免這種趨勢(shì)，理論上可提高輻射傳熱量27%以上。

熱風(fēng)爐蓄熱體是蓄存和轉(zhuǎn)換熱量的載體，燃燒期吸收并儲(chǔ)存煤氣燃燒產(chǎn)物的熱量，送風(fēng)期放出熱量加熱空氣，其蓄熱能力對(duì)熱風(fēng)爐熱效率有著重要的影響。通過國(guó)標(biāo)GB/T 31934-2015《高輻射覆層蓄熱量的測(cè)定與計(jì)算方法》對(duì)蓄熱體蓄熱性能進(jìn)行測(cè)試：在同一高溫條件，加熱相同的時(shí)間條件下，蓄熱體所吸收熱量的多少，即蓄熱量的多少。此方法可直接、快速、有效地判定覆層技術(shù)功效，測(cè)試結(jié)果顯示有覆層的蓄熱體可以提高蓄熱量10%以上，目前多家企業(yè)采用此方法對(duì)高輻射覆層節(jié)能技術(shù)進(jìn)行功效判定。

表1 多家高爐熱風(fēng)爐蓄熱體蓄熱量測(cè)試結(jié)果

3.高輻射覆層節(jié)能技術(shù)改善蓄熱性能與節(jié)能效果的研究

3.1  改善蓄熱性能與節(jié)約煤氣

高輻射覆層節(jié)能技術(shù)提高了蓄熱體表面的發(fā)射率，提高了蓄熱體表面吸熱能力，加大了蓄熱體表面與內(nèi)部的溫差，增強(qiáng)了傳熱驅(qū)動(dòng)力，提高蓄熱體蓄熱能力10%以上，根據(jù)高輻射覆層技術(shù)在熱風(fēng)爐二十年的應(yīng)用，生產(chǎn)實(shí)際表現(xiàn)為有覆層的熱風(fēng)爐綜合節(jié)約煤氣5%以上，采集同時(shí)進(jìn)行蓄熱量測(cè)試和節(jié)能測(cè)試的數(shù)據(jù)情況進(jìn)行對(duì)比研究，具體情況如下：

圖2 蓄熱量提高率與節(jié)約煤氣關(guān)系圖

熱風(fēng)爐蓄熱體采用高輻射覆層節(jié)能技術(shù)后，提高了蓄熱體表面發(fā)射率，強(qiáng)化了高溫?zé)煔馀c蓄熱體之間的輻射傳熱，使得蓄熱體蓄熱速率提高，熱風(fēng)爐蓄熱室蓄熱量快速增加；同時(shí)，降低了廢氣溫度和爐殼外壁溫度，減少熱損失，提高熱效率。根據(jù)基爾霍夫定律 ε吸= ε發(fā)，材料的吸收率與發(fā)射率相等，當(dāng)材料表面的發(fā)射率提高后，吸收熱量的能力也相應(yīng)提高。在熱風(fēng)爐送風(fēng)期，由于蓄熱體燃燒期吸收的熱量更多，蓄熱體與冷風(fēng)之間的傳熱動(dòng)力增強(qiáng)，更多的熱量傳遞給冷風(fēng)，從而提高熱風(fēng)爐熱效率，節(jié)約煤氣消耗。

4.高輻射覆層節(jié)能技術(shù)節(jié)能長(zhǎng)效性研究

以下為某鋼鐵企業(yè)高爐熱風(fēng)爐停爐后對(duì)舊蓄熱體進(jìn)行蓄熱量測(cè)試，為降低切割對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，采取半磚的方式進(jìn)行測(cè)試，具體結(jié)果如下：

表2有、無覆層舊蓄熱體蓄熱量對(duì)比

并且對(duì)拆除的有覆層、無覆層舊蓄熱體進(jìn)行氣孔率、體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度的物理性能測(cè)試，具體結(jié)果如下：

表3 有、無覆層舊蓄熱體物理性能對(duì)比

高輻射覆層節(jié)能技術(shù)通過專利技術(shù)讓納微米高輻射覆層材料在蓄熱體表面形成一層致密的膜層，并且可以滲透到蓄熱體開氣孔中，形成釘扎結(jié)構(gòu)，與蓄熱體有機(jī)結(jié)合在一起，有效緩解了有害氣體的侵蝕，改善了物理性能，延長(zhǎng)了使用壽命。

長(zhǎng)期跟蹤多個(gè)應(yīng)用案例的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用覆層技術(shù)的熱風(fēng)爐始終保持著蓄放熱能力增強(qiáng)，煤氣消耗降低，送風(fēng)溫度提高和廢氣溫度降低等節(jié)能特征，且有覆層的熱風(fēng)爐具有明顯的抗拉能力，送風(fēng)末期的拱頂溫度依然保持較高溫度；熱風(fēng)爐停爐后，對(duì)長(zhǎng)期使用的覆層蓄熱體取樣測(cè)試，蓄熱能力依然提高10%以上，并且物理性能有不同程度的改善，從側(cè)面反應(yīng)了高輻射覆層節(jié)能技術(shù)穩(wěn)定的長(zhǎng)效性。

5.結(jié)論

高輻射覆層節(jié)能技術(shù)是我公司自主研發(fā)的專利技術(shù)，解決了高溫下覆層易脫落的世界性難題，處于國(guó)際領(lǐng)先水平，通過提高表面發(fā)射率有效提升蓄熱體的蓄熱性能，并且可以改善蓄熱體的物理性能，主要應(yīng)用于高爐熱風(fēng)爐等工業(yè)窯爐，蓄熱能力提高10%以上，綜合節(jié)能5%以上，提高熱風(fēng)爐熱效率，降低CO2排放，并且具有穩(wěn)定的節(jié)能長(zhǎng)效性。

在“雙碳”形式和條件下，降低鋼鐵企業(yè)每一道工序的能耗是勢(shì)在必行的，“節(jié)能就是降碳”也是實(shí)現(xiàn)企業(yè)降低碳排放的重要途徑。高輻射覆層節(jié)能技術(shù)經(jīng)過二十余年的實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)驗(yàn)證，已成為熱風(fēng)爐優(yōu)選的節(jié)能技術(shù)，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和貢獻(xiàn)綿薄之力。 

參考文獻(xiàn)：

[1] 煉鐵設(shè)計(jì)參考資料  1974. 冶金工業(yè)出版社  p.456

[2] Alfred  Schack: “Der Industrielle Wärmeǘbergang ”(俄文版  國(guó)立科學(xué)技術(shù)黑色和有色冶金出版社 莫斯科 1961  P.400;P.389)