目前,我国共有各类工业炉约12万台,年总耗能达2.5亿吨标准煤,约占全国总能耗的1/4,占工业总能耗的60%。因此,工业炉的节能具有很大潜力。近十多年来迅速发展起来的隔热材料节能技术,由于其节能效益显著,发展前景诱人而引人瞩目。许多国家的数据表明,在工业炉上用新型高效隔热材料代替传统的隔热耐火砖,一般可节能15%~30%。对于工业炉炉衬的蓄热和散热,一般占炉子总能耗的20%~45%,选用优质、节能的耐火材料可减少炉体的蓄热和散热损失,提高热效率,从而达到节能的目的。
一、复合纳米级微孔隔热材料特性
复合纳米级微孔隔热材料具有极低的导热系数,这种基于气相SiO2的超细颗粒物、金属氧化物和强化纤维的微孔隔热材料是不同于任何传统的纤维或陶瓷隔热材料的。这些颗粒和纤维形成一种纳米级的微孔结构,该结构能够限制空气对流、热传导和辐射,从而使这种材料保证了在所有应用温度范围内的超低传热性能。
复合纳米级微孔隔热材料的优点较为明显。首先,这种材料通过减少炉衬厚度达到增加容器体积、减少成本的目的;其次,材料可使炉壁疲劳度最小化,同时消除热点,降低外壳操作温度;再次,材料可降低操作成本,降低临界操作温度,减少热量散失,增加客户操作的灵活性。
随着各行业对工艺设备隔热要求越来越苛刻,复合纳米级微孔隔热材料的应用也越来越受到重视。在国外,这种材料的发展和应用已经相对成熟,在重工、民用、军工、航空航天、建筑方面的应用水平已逐步提高。国内微孔隔热材料的研发起步较晚,但势头迅猛。
二、隔热原理
1材料的组成结构
复合纳米级微孔隔热材料主要由超细SiO2颗粒、遮光剂和外围的包裹材料组成。
一般来说,微孔材料的气孔孔隙小于100 nm,这属于纳米材料的研究范围;同时,材料的体积密度适当,会使导热系数保持较低值;构成微孔绝热材料的是超细SiO2颗粒,这种微小颗粒的尺寸范围是5~25 nm,具有超低导热系数,其独特的无定形结构使其成为微孔结构隔热材料的核心部分。
这些颗粒之间由于化学键作用而形成很长的颗粒链,这些链条最后经过混合形成绝热材料的一部分。除SiO2本身结构的特殊性外,该隔热材料的其他结构也在隔热过程中起到关键性作用。
遮光剂的加入很好地降低了材料的辐射传热。典型的遮光颗粒包括炭黑、TiO2等,这种均匀分布在材料内部的遮光颗粒基本阻止了红外辐射的路径,与超细SiO2颗粒掺混来达到阻隔辐射的目的。根据玻耳兹曼定律,红外辐射量与材料冷热面温差的四次方成正比,这种由红外辐射带来的影响在温差大于100°C时尤为突出,因此遮光剂对于隔热材料来说是不可或缺的关键因素。
由于纳米尺寸的孔隙度范围很小,这就决定了气体分子会失去自由流动或者相互碰撞的能力,很大程度上控制了气体对流,使空气分子间的对流换热基本停止。
根据分子运动及碰撞理论,气体热量的传递主要通过高温侧的高速运动分子向低温侧的低速运动分子相互碰撞完成。由于微孔隔热材料的孔隙度都在纳米级别,这些气孔大部分都小于气体分子的平均自由程,这样,气体分子将只能与气孔壁发生弹性碰撞而无法参与热传递。同时,对于固体热传导来说,这种纳米级的空隙只能允许热流在分子接触点方向上进行传导。然而,SiO2超低的导热系数和由大量气孔造成的分子接触点的排布程度决定了这种导热方式基本被阻断。
2隔热参数与性能
复合纳米级微孔隔热材料的导热系数在各类传统隔热材料中优势明显。如图2所示,这种材料的导热性能在各温度区间都有上佳表现。而且,使用温度越高这种优势越明显。
复合纳米级微孔隔热材料的性能参数见表2。由复合纳米级微孔隔热材料性能分析可知:最高承热温度较高,材料中心在温度高达982°C时仍有良好表现;抗压性较好,由材料密度所决定,与蛭石板类似;加热线收缩率较小,这是衡量隔热产品最高使用温度的重要指标。这种材料在927°C时收缩不超过1%,982°C时约为3%。
三、节能效果与收益
近年来,复合纳米级微孔隔热材料产品形式和功能不断发展,承现多样化和普及化,且在钢铁、建筑、军工、民用等领域都有广阔的应用前景和巨大的发展潜力。由于在化工、冶金行业中,工业炉窑和高温管道等设备对隔热要求的特殊性,在满足相对稳定和高效隔热的前提下,隔热材料还应尽量做到安全和环境友好。因此,随着行业内部竞争的日益激烈和市场压力的陡增,传统意义上的隔热材料已无法满足现代工业应用的需求,复合纳米级微孔隔热材料由此成为工业领域的新兴力量。
复合纳米级微孔隔热材料在工业上的应用主要包括:钢包、混铁炉、铁水罐、流水槽、中间包、管道外包等,其在工业炉上的应用优势尤为明显。从图3中可看出,在应用这种材料后,冷面温度较应用传统蛭石板的情况减少16%,也就是说熔体能够在此基础上保留更多热量,这也是节能降耗的另一种体现。
复合纳米级微孔隔热材料种类多样,包括各类型号的板材、面板、柔性板和层压板等,内部最高承热温度均可达982℃。材料的密度和尺寸可视具体应用情况而定,能够完全满足市场需求。
复合纳米级微孔隔热材料用于管道外包时较之于传统材料表现优异。如图4所示,从隔热效果看,当环境温度处于25℃,管道中心温度处于650℃时,外包材料的冷面温度可低至56℃,完全达到人员安全标准(≤60℃)。此外,如表4,在材料厚度、冷面温度、热损、重量及体积等方面,微孔材料较之于传统矿物棉均能够达到不错的节省效果。
需要注意的是,由于微孔隔热材料结构的特殊性,气溶胶颗粒对液体较敏感,因此,当材料暴露在水、油等液体中时,微孔材料结构会部分分解。因此,应尽量在操作时保持与液体隔绝。
以某公司铝熔炼炉为例,对应用本产品后的情况进行效益分析:将原始内衬中改换25.4 mm的复合纳米级微孔隔热材料,其他结构不变。改进后效果明显:气体使用量减少13%,每年可节约成本5.45万元,9个月可收得回报,总收益约为21.8万元。总之,在其他产品中适量加入本产品后能够较使用之前获得较大收益。
结 语
针对复合纳米级微孔隔热材料的隔热原理、材料性能、节能效果、应用前景等方面进行了较为全面的分析,尤其在工业炉中的应用功效显著。因此,复合纳米级微孔隔热材料是值得深入研究并大力推广的隔热材料,具有广阔的市场前景和应用价值。
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