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黑体涂料在蓄热式加热炉的使用分析论述

  钢铁工业一直是我国新型工业化进程中的基础产业,且在基础产业中起着重要支柱的地位。据相关部门的数据统计,2020年7月,中国粗钢产量为9340万吨,占世界总产量的61%,是世界上最大的钢材生产和消费国。同时钢铁工业也是资源能源密集型产业,在能源方面,我国钢铁产业能源一直是以煤炭为主,同世界主要产钢国的钢铁工业的能源结构对比,据统计我国的煤炭消耗量高与其他国家,而天然气和燃料油的比重明显低于发达国家。在能耗方面志盛威华高温涂料研发人员长期统计,我国目前的轧钢加热炉的资源回收利用率仅仅只有25%,而轧钢连续加热炉是钢铁行业中耗能较大的设备,它的热效率只有20-30%,大约有70-80%的热量均散失掉了。

  目前,轧钢厂的全线%的范围内,而降低烧损率的最大挖潜设备是加热炉,以年产200万t计,每降低0.1%的烧损,年节约600万元。在轧钢过程中采用蓄热式加热炉,蓄热式加热炉有如下优点:

  1)能将空气、煤气预热到800~1000℃的高温,有利于低热值燃料的利用;

  蓄热式加热炉的节能优势突出大力推进了钢铁冶炼行业的节能减排,在我国业正在普遍应用和发展。

  蓄热式加热炉按预热介质种类可分为如下两种方式:同时预热空气和煤气式和空气单预热方式。

  按结构形式来分可以分为烧嘴式和通道式,其中烧嘴式又分为全分散换向和群组换向两种方式。

  全分散换向烧嘴式蓄热加热炉能够实现单个烧嘴自动控制,与常规加热炉操作类似,能够满足各种钢种对炉温的不同要求,实现炉温的灵活控制;群组换向蓄热式加热炉一般将某一段的烧嘴作为一个整体进行集中控制,这种控制方式能够实现各段炉温的灵活控制,也能满足大多数钢种对炉温的不同要求。

  “第一代再生燃烧技术”的蓄热式燃烧法采用的是格子砖作为蓄热体,一直沿用至今的是20世纪90年代引进的“第二代再生燃烧技术”的新型蓄热式加热炉,这种蓄热式烧嘴的高温空气燃烧技术的重大突破,主要就体现在了蓄热体技术的改进,即改变传统格子砖式蓄热载体,采用陶瓷质地蓄热体,比表面积比格子砖大了几十甚至上百倍,因而传热效率也是大为提高。

  陶瓷式蓄热体主要有三种形式:蜂窝体、蓄热球和蓄热管。在成型方式上,蜂窝体和蓄热管采用挤注法成型,而蓄热球则为手工成型和机制成型,在材料上,蜂窝体主要有堇青石质和莫来石质,而蓄热球和蓄热管主要有高铝质和莫来石质。

  目前选用的蓄热体主要有陶瓷蓄热小球和蜂窝体两种。这两种蓄热体都能满足加热炉的使用要求,但它们又有各自的优缺点。蜂窝体单位体积的换热面积大,在相同条件下,蜂窝体的传热能力是陶瓷小球的4~5倍。同样换热能力时,蜂窝状蓄热体的体积只需陶瓷小球蓄热体1/3~1/4。采用蜂窝体的烧嘴结构紧凑轻巧。

  蓄热式加热炉的蓄热体在使用过程中经常出现的问题有熔化、软化、破裂、堵塞和腐蚀等,其中蓄热体材料的抗热震稳定性差具有普遍性。从材料问题分析,蜂窝体长期工作在急冷急热或带有腐蚀性气体的恶劣环境中,这对蓄热体的材料提出了苛刻的要求。为了增加蓄热量,减小蓄热室的体积,须增加蓄热体的密度。但抗热震稳定性与密度在一定程度上是互相排斥的,即密度越高,抗热震稳定性一般都比较差。

  以采用蜂窝状蓄热体的加热炉为例,在煤气通过蓄热体进入炉膛中的过程中,蜂窝蓄热体就像一个过滤筛网,杂质很容易就随着煤气的运动而吸附在蓄热体表面和孔洞中,有的在蓄热体靠近端盖一侧堵塞,有的在蓄热体孔洞中间堵塞,有的在靠近炉膛侧的一侧堵塞,此类物质的熔点较低,志盛威华高温涂料研究人员发自按约在800℃左右,蓄热体的排烟温度在1000℃左右,这些物质很容易熔化而粘附在蓄热体上面,造成靠近炉膛侧的蓄热体的熔化,吸附氧化铁皮,又不断堵塞,形成恶性循环。

  在使用过程中,蓄热体与气流进行热交换,一些带有腐蚀性的气体和颗粒会对蜂窝体产生不良影响。如氧化铁颗粒会降低铝硅材质的软熔温度,使蜂窝体熔化而堵死气孔;酸性气体会对蜂窝体产生腐蚀作用;微小颗粒会附着在蜂窝体表面而堵塞气体通道等。

  蓄热体由于堵塞得不到应有的冷却,在靠近炉膛侧的挡板砖和蓄热体在烟气排出过程中产生熔化,粘连,坍塌,最终导致加热炉燃烧系统瘫痪,结果就是煤气进不去,烟气出不来。

  保护加热炉蓄热体,延长蓄热体的使用寿命,体现的最直接效益就是减少蓄热体的更换周期,正常使用一年,如果蓄热体受损,半年更换一次,蓄热体的增加成本为加热炉蓄热体的装入量,暂估为60m*1万元=60万元;间接的效益就是停产的检修时间损失,以一般6-10天为例,创造的效益可以按照公司的小时利润进行计算。

  蓄热式加热炉对蓄热体材质的要求是密度大,热导率、比热容和耐压强度高,耐高温性能、高温体积稳定性、抗高温蠕变性和耐热冲击性能良好。蓄热体一般使用高铝质材料,根据使用条件不同,也有使用莫来石质、堇青石质、刚玉质材料的。

  通过对影响蓄热体损坏因素的分析,综合实际使用情况,有针对性地提出解决措施。1)在陶瓷蜂窝体材料的选用上,不应一味追求含铝量。含铝量越高,耐火度越高,但抗热震性却越差。在同一蓄热室内最好采用二种材料,达到抗热震性和耐火度的最佳优化。2)在实际生产中,应严格控制空燃比,减小钢坯的氧化烧损,控制氧化亚铁的生成量,进而阻止氧化亚铁被吸入蓄热烧嘴内,造成蜂窝体的损坏。3)煤气不完全燃烧,将在蓄热体内进行二次燃烧,造成蜂窝体损坏。设计烧嘴时,应充分考虑两喷口的角度、距离及两股射流的动量比。同时控制空燃比,保证煤气完全燃烧。这样在蜂窝体内,就不存在二次燃烧的问题。

  针对蓄热体加热炉的节能减排的问题,近几年引进了黑体节能技术,对加热炉的蓄热体进行黑体辐射节能改造,实现再节能。将众多的蓄热体元件安装于炉膛适当部位,选用黑体涂料ZS-1061高温远红外辐射涂料搭配蓄热元件实现既提加热炉膛的红外发射率,又延长蓄热体的使用寿命,更能对炉膛内的辐射热进行有效的调控利用,强化辐射传热,提高热量利用率,取得显著的增产和节能效果。

  北京志盛威华化工有限公司自2000年研发高温蓄热辐射材料,研究开发的ZS-1061高温远红外辐射涂料是在传热物体表面涂覆一层具有高发射率的材料,使物体表面具有更强的吸收和辐射热量的能力,使物体传热的效率提高。

  高吸收高蓄热的ZS-1061高温远红外辐射涂料由自主研发的高温无机树脂、及30余种高辐射率功能颜填料组成。ZS-1061高温无机树脂最高可长期耐温1800℃,完全能应对锅炉内的温度考验,而市面上的其他竞品成膜树脂实际耐温在800℃左右(在水冷壁正常工作时或热传递柔和区域,该类树脂还能应对,但对高温区、特殊异常工况时,该树脂会迅速失效);ZS-1061采用30余种颜填料应对锅炉不同区域、不同运行温度、不同升温阶段的辐射问题。每种物质因机构特性在不同的温度下会体现不同的辐射率(电子跃迁及能量释放后的还原需要的能量大小不同,辐射率不同),因此在承诺温度段内保持高辐射率是由颜填料的选配来实现的。市面上大多竞品的高辐射率只针对某一特定温度段,而非针对锅炉运行特点及热交换特点来合理科学的选配功能颜填料的(就此项研究大多数竞争厂家是缺失的),如果不是利用颜填料的电子跃迁来实现高辐射率,则此类涂料会随着涂层的老化而难以保持承诺的高辐射率;

  钢铁企业的摇钱树ZS-1061的专用底漆具有强渗透性,可渗透到基材表面2-3m下形成牢固的锚栓,增加涂层的附着力,同时该涂料的线膨胀系数随温度变化而变化的曲线基本跟钢材一致,因此可以做到很好的附着,不易因热振等原因产生脱落。其他竞品并不具备对钢材的渗透性只是简单的物理附着,同时线膨胀系数的变化曲线与钢材存在较大差异,在实际使用中显得娇气;

  ZS-1061高温固化后因其自身表面张力小、表面温度高等可有效减少甚至防止结焦,因此不会被焦质、灰质覆盖,不但可防止垢下腐蚀,同时还能杜绝因遮盖而导致辐射功能的不能实现(基尔霍夫定律表明:辐射能力的大小取决于物体表面材质的特性,表面被遮盖,则表现的是遮盖物质的辐射能力)。同类竞品包括高温金属热喷涂都会受结焦的影响而降低表面辐射力;

  ZS-1061涂层成膜致密,耐温幅度高,在高温二次固化后具有较好的防腐、防氧化效果,因此具备改善热交换的同时改善结焦现象,提高加热炉及蓄热体的使用寿命,提高炉膛运行的稳定性,降低维修成本。ZS-1061耐高温远红外辐射涂料无毒、无味、对人体无害、不污染环境、存放期长、粘接性能好、使用寿命长,施工方便、操作简单。

  ZS-1061高温远红外辐射涂料较好解决了红外辐射涂层与基体结合不牢固、在使用过程中涂层从基体表面整体脱落或部分剥落的问题。通过涂料粘合助剂及结合剂的优化设计,有效增强了涂层与基体的结合力。

  白线高温远红外辐射涂料涂层,白线以下为多孔耐火材料基体。红外辐射节能涂料在耐火材料基体表面形成渗透层,涂层与耐火材料基体基本无缝隙,紧密结合成一体。

  ZS-1061高温远红外辐射涂料较好解决了红外辐射节能涂料技术性能不稳定的问题。通过红外辐射填料的组成优化设计和预合成,有效提高了涂层性能的稳定性。

  ZS-1061高温远红外辐射涂料对基体具有保护作用。通过红外辐射节能涂料组分的优化设计,提高其涂层的致密性和硬度,能够很好地保护涂装部位,延长其使用寿命。

  ZS-1061高温远红外辐射涂料涂覆于基体表面,该涂层的结构致密,有效提高涂层的耐磨损和耐冲刷能力,能够对基体起到良好的保护作用。志盛涂料涂覆在基体上的ZS-1061高温远红外辐射涂料。涂层厚度均匀,表面致密,具有良好的热震稳定性。

  4).ZS-1061高温远红外辐射涂料涂装工艺无需对加热炉构造进行改变,简便易行。

  5).ZS-1061高温远红外辐射涂料的技术性能指标达到国内同类产品的领先水平,在使用的性价比上具有整体优势。

  节能辐射涂料涂刷热焓值蓄热体提高吸热,缩短受热物体受热时间,加快热交换:提高蓄热体1-5m波段的辐射率,其潜在吸收热能的能力提高20%左右。

  ZS-1061高温节能辐射涂料高辐射覆层用于蓄热体,如高炉热风炉格子砖表面。高辐射覆层通过强化辐射换热,提高了蓄热体表面温度,增加了蓄热体内外温度梯度,使蓄热体烧炉升温期吸热速度和吸热量增加,送风降温期放热速度和放热量也增加,从而提高热风温度,提高热风炉热能利用效率。

  由于ZS-1061高温远红外辐射涂料具有0.9以上的发射率,因而可以提高加热炉内热能1-5m波段的增加。同时,涂层发射率相对于蓄热体表面的发射率的提高,增强了炉膛内吸热面的辐射量,提高了灰分的搅动,确保炉膛内的温度均匀及减少灰分在吸热面上的附着,使燃烧更充分,降低了灰分中的含碳量。外加锅炉燃烧后排放的气体大多是三原子气体(如CO2,H2O,SO2等)。他们的黑度又较低,因而相对于黑度为0.9的涂层吸能较差,这也大大提高锅炉的热效率。

  ZS-1061高温远红外辐射涂料喷涂在蓄热体表面上,缓慢升温或者随炉升温,让涂层固相反应成陶,此时涂层很致密,使基材与外界介质隔离开来,以阻碍外界高温气氛及腐蚀物质如:O、S、Cl对基材表面的腐蚀。涂层烧结后,张力发生变化,积灰和结焦现象也得到缓解,冷热交替往复循环性能依然稳定,有效提高了蓄热体的物理性能。志盛威华研发人员对ZS-1061增黑剂进行了稳定化处理,提高了抗老化性能,大大延长了涂层使用寿命,使用寿命可达5年,延长加热炉蓄热体材料的使用寿命。

  ZS-1061高温节能辐射涂料高辐射覆层用于陶瓷炉窑等工业炉的炉衬时,炉衬表面吸热量增加(被加热物体的受热量60%来源于炉衬的辐射),由于炉墙由隔热材料砌筑,大量不能通过炉壁向外及时传递的热量会改变为1~5m的波长的热量向炉膛内辐射。1~5m波长的热量是极易被钢坯等工件吸收的,因此轧钢加热炉、陶瓷炉窑等工业炉的热效率提高8%以上。 上海卡斯马集团辊道窑内衬上使用12个月后,其节能率仍稳定保持在8%左右

  ZS-1061高温节能辐射涂料高辐射覆层用于锅炉管、水冷壁时,由于表面吸热快,增加了锅炉管、石化裂解炉加热管外壁和焦炉立火道与内部被加热物质的温度梯度,大大提高了向水、石脑油及焦炉炭化室传热的热动力,使锅炉管、换热器、石化裂解炉和焦炉的热效率提高。

  ZS-1061高温节能辐射涂料高辐射覆层用于蓄热体表面,如热风炉格子砖、炉膛蓄热球、加热炉蓄热体。高辐射覆层通过强化辐射换热,提高了蓄热体表面温度,增加了蓄热体内外温度梯度,使蓄热体烧炉升温期吸热速度和吸热量增加,送风降温期放热速度和放热量也增加,达到不投入设备就可提高热能利用效率。

  同样的供热条件下能减少蓄热体的吸热时间和放热时间。在不同温度下节能涂料对于蓄热体蓄热能力的提高效果是不同的,在低温状态下(600℃左右)能提高吸热量10%左右,高温状态(1200℃左右)则是20%,因此,在热风炉上采用ZS-1061节能涂料时就应选择温度较高的区域,即在热风炉格子砖的上部使用。

  ZS-1061涂层成膜致密,耐温幅度高,在高温二次固化后具有较好的防腐、防氧化效果,因此具备改善热交换的同时改善结焦现象,提高加热炉及蓄热体的使用寿命,提高炉膛运行的稳定性,降低维修成本。

  北京志盛威华化工有限公司成立于2000年,是部队转产企业,是北京市科委认证的高新技术企业,是专业研究节能技术、开发、推广及销售新型节能性功能涂料的高科技型企业。公司联合单位有北京京博涂元技术研究院、河北志盛威华特种涂料有限公司和北京志盛威华科技发展有限公司。

  2017年6月北京志盛威华化工有限公司在沧州临港国家经济技术开发区,投资1.5亿元建造15条特种涂料树脂和粉料合成螯合研磨自动化生产线,打造国际高科技特种功能涂料的研发生产基地。

  北京志盛威华化工有限公司以高新技术研发为核心,依托北京志盛博卡节能技术研究院和中科院、航天部、部队研究院等大型科研单位的合作支持,与石油大学等高校进行了长期科研深度合作、研发、生产、销售国内外前沿的节能性功能涂料,多种功能节能涂料技术领先,涂料并已申请专利,并通过ISO-9001国际质量体系认证,ZS系列涂料已获得工业隔热保温(LEADER)、工业防护防腐(ACCT)、工业能源管理(FP)、工业与民用建筑防护(POWF)、工业粘合剂(ADDO)体系认证。北京志盛威华化工有限公司是一家高科技节能涂料生产销售公司,ZS系列涂料广泛应用于石油化工、医药化工、冶炼制造、橡胶塑料、食品饮料、纺织印染、交通运输、电力通信、海洋桥梁、航天交通等领域,涂层发挥者不同的功能保护性。

  志盛威华提供高科技涂料、准确、及时、有效、周到的节能涂料与技术服务是志盛威华的一贯追求。志盛威华所有的工作人员均是化工专业出身,正是由于拥有一流的科技人才和一流的科研方法,再加上志盛威华人创造性的工作,保证了志盛威华的涂料在技术性能上的先进性与可靠性。公司秉承“创造一流产品,追求卓越服务”的经营理念,公司以技术领先、质量为首、用户至上、细微服务为宗旨。公司本着“为客户切实解决问题”的核心理念,不仅为客户提供专业的解决方案,并为客户提供快捷、专业、准确、热情的技术支持与涂料服务。

  王爱凤,化工专业硕士研究生,志盛威华资深高级工程师,专注特种涂料的在各行业的技术应用,擅长领域涉及各种工业防腐、高温节能、温控涂层的材料选配及方案设计、施工指导。


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