热工设备用耐火材料节能环保的发展方向
发布日期： 2019-12-03 08:19:17 阅读量（353） 作者：张红耐火材料是高温工业不可缺少的基础材料。钢铁、有色金属、建材、玻璃、轻工、石化、陶瓷和电力等工业都用耐火材料作为热工设备的内衬和部件。热工设备都是耗能大户，对于能量消耗，耐火材料起着关键的作用。在工业生产中，是燃料燃烧或电能转换产生的热量将物料或工件进行冶炼、煅烧、烧结、熔炼、加工等的热工设备，其热量损失一般都很大。随着经济发展，能源消耗及各种热工设挤热损失与日俱增。因此，节能环保成为热工设备发展的重要方向。
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，热风炉高温冈普遍选择硅砖;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、电热储能用耐火材料的节能
节约电力对国民经济和人民生活都很重要。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(如下半夜)，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。在用电高峰时向储能装置送入空气，经过温度调节，向用户供给热风，减轻高峰电力负荷。对于储能用耐火材料，要求具有高的热容量，这取决于材料的比热和容重。为了快速加热储能和释放储存的能量，要求耐火材料热导率要高，而且因为冷热循环数千次，要求耐火材料热震稳定性要好，比较合适的耐火材料有镁砖、镁橄榄石砖、镁铁砖等。
3、高温陶瓷发热体(也称特种耐火材料)的节能环保
为了保护环境，各国都在改革油气、煤炭等旧能源，发展电力新能源。我国的能源消费结构明显改善，2016年煤炭消费量占总消费量的61.30%，较2012年下降7.19个百分点，电力等非化石能源消费量占总消费量的13.37%，较2012年上升3.67个百分点。电加热最容易实现控制和调节，而且不污染环境，操作简单，容易实现自动化，有利于提高产品质量和降低废品率。电热转换有不同的方式方法，如电阻式、感应式、微波和电弧等加热方法，其中以电阻发热体作为电热转换元件的电阻式加热方法最为简便，在工业上应用最广。金属电阻式发热体材料，一般使用镍铬丝(Ni-Cr系合金)及铁铬钔系高电阻合金，使用温度低于1200℃，而且价格昂贵。非金属高温陶瓷发热体具有耐火性能好、价格便宜、具有适当的电阻值、化学稳定性好、热膨胀系数小、高温强度大等优点，广泛用作高温电阻式电炉的发热元件，以及某些感应加热炉的感应发热元件非金属高温陶瓷发热体分为非氧化物(如:SiC、MoSi2、C)和氧化物(如：ZrO2、ThO2、LaCrO4)两类发热体。其中SiC发热体使用温度可达1600℃，MoSi2发热体可达1800℃，ZrO2发热体可在1800℃以上的高温下使用，LaCrO4质发热体在氧化气氛中可在1600〜1800℃范围内使用，C素发热体在中性或还原性气氛中使用，使用温度可达3300℃，ThO2发热体的最高使用温度可达2500℃。但ThO2有放射性，使用时应该注意防护。
需注意的是，传统的节能型发热体为柄型，两端粗中间细，其目的是增大断面面积以减小电阻，但炉墙的安装孔也会随之加大。这样一方面安装孔散热损失的热量增加，另一方面发热体端部散热损失也增加。为了提高能源的利用率，采用等直径的直棒型发热体，端部采用电阻小的碳化硅和金属硅配料制成，并把端部的气孔率提高，以降低端部的热导率，同时把安装孔用耐火纤维填塞。还有一种提高发热体热效率的办法是将发热体的中间发热段改为U型，发热段的长度约增加1倍，非发热段的长度相对缩短，而安装孔的数量可减少一半。如果将发热体的发热段制成螺旋形，则可进一步增长发热体的发热段。
我们应该用节能和科学用能来促进降低能耗，包括依靠技术创新，取代传统工艺过程，节约化石资源，改变能源结构，确保能源持续发屐和减排温室气体，优化产业结构。
结语
工业炉窑等热工设备内衬是由耐火材料构成的。热工设备是耗能大户，对于能源消耗和环境保护，使用的耐火材料起关键作用。耐火材料品种繁多，性能各异，不同结构，热量传递方式不同的热工设备，要使用材质及性能不同的耐火材料。当要阻止设缶内热量损失吋，应使用热导率低的耐火材料;当隔焰传递热量时应使用热导率高的耐火材料;当用于蓄热与储能时，同样使用热导率高的耐火材料，并且热容量要大;当用辐射方式传递热量为主时，可在耐火内衬上涂刷或喷涂具有高辐射能力的高温涂料;具有高反射率炉壁表面，可以使从表面反射回炉膛内的热量增加，为了提高反射率，可在炉壁表面喷涂高反射涂料;最好的能源是电能转换的热能，其发热体的高温陶瓷是性能优良的特种耐火材料。总之热工设备的节能环保要靠耐火材料，而耐火材料企业应该按用户要求，制造性能更好的耐火材料。
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