高輻射覆層節能技術改善蓄熱體蓄熱性能與節能長效性的研究

劉常富，張紹強，楊秀青，吳康康，石建

（山東慧敏科技開發有限公司，山東濟南，250100）

摘要：高輻射覆層節能技術解決了傳統紅外涂料脫落以及高溫穩定性的問題，其性能指標至今未被超越，在熱風爐和焦爐的應用為世界首創，開辟了節能新途徑。該技術目前已寶武集團、河鋼集團、首鋼集團、鞍鋼集團、沙鋼集團、浦項制鐵、安塞樂米塔爾、建龍集團、柳鋼集團、三鋼集團、日鋼、津西、九江線材及翅冀鋼鐵、晉南鋼鐵、石橫特鋼等國內外100余家鋼鐵企業1000余座熱風爐應用。近二十年的應用研究發現，該技術可以提升蓄熱體蓄熱性能10%以上，在生產實際表現為綜合節約煤氣5%以上，降低碳排放2.62kg/噸鐵，實現噸鐵綜合效益3元左右，同時可改善蓄熱體荷軟、蠕變等物理性能，減緩耐材渣化，延長耐材使用壽命。多家企業熱風爐應用一代爐役之后，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，物理性能指標依然有所改善，均充分反應了該技術的長效性，

關鍵詞：高輻射覆層節能技術；蓄熱體；蓄熱量；節能

1.高輻射覆層節能技術概述

20世紀80年末紅外涂料在鍋爐、加熱爐等工業窯爐逐步應用， 鋼鐵工業作為能耗大戶，高爐煉鐵系統是鋼鐵企業的主要用能單位，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用于熱風爐蓄熱體的創意，經過精心研究，不斷優化，成功開發出“杰能王”納微米高溫紅外節能涂料和前處理技術，并形成了核心技術--高輻射覆層節能技術，突破了傳統紅外涂料高溫易脫落、附著力差的技術壁壘，獲得了涂料產品、施工工藝、產品檢測等多個發明專利。該技術在高爐熱風爐和焦爐的應用為世界首創，實現了涂料在熱風爐冷熱交替頻繁的惡劣工況條件下不脫落，強化了熱風爐蓄熱體吸熱和放熱速率，提高熱風爐熱效率，降低煙氣溫度，填補了行業空白，開辟了熱風爐節能減排的新途徑。

圖1 熱風爐應用高輻射覆層節能技術示意圖

高輻射覆層節能技術應用初期，為判定覆層技術的應用效果，同座高爐選取兩座熱風爐采用覆層技術，一座熱風爐未采用作為對比檢測的結果節能率均在5%以上，且一年內收回投資。有覆層的熱風爐抗拉能力明顯提升，但是無覆層的熱風爐熱效率低，與有覆層的熱風爐不匹配而形成兩高一低的 “短板”現象。為了避免出現上述的短板現象，通過《高輻射覆層蓄熱量的測定與計算方法》(GB/T 31934-2015)實現了覆層技術節能功效的判定。該方法規定了高輻射覆層在設定的溫度和規定的時間條件下蓄熱量性能的實驗室檢測方法，通過蓄熱量自動化檢測系統能夠快速有效的反映覆層技術的節能功效，已成為成熟可靠的檢測方式。

圍繞高輻射覆層節能技術，慧敏科技獲得了國家發明專利9項、日本和俄羅斯發明專利各1項，制修訂國家、行業標準14項，形成了涵蓋高輻射覆層節能技術、產品、施工、應用和檢測等全方位的知識產權體系和標準化體系。該技術獲得科技部、發改委等十余項國家、省市級項目支持，被列入《鋼鐵極致能效工程能力清單》（2023版），被中鋼協評為 “鋼鐵好技術”，獲得全國工商聯、山東省政府等部門的多項科技獎勵。該技術被列入了“十二五”國家科技支撐計劃、國家重點節能低碳技術推廣目錄，產品被認定為國家重點新產品。

2.高輻射覆層節能技術對蓄熱體蓄熱性能的影響

    2.1 熱風爐蓄熱體蓄熱能力的分析

蓄熱體蓄熱能力是熱風爐熱轉換效率的一個重要指標。目前蓄熱體趨于小孔化，蓄熱體小孔化之后，強化了蓄熱體的對流傳熱，但弱化了輻射傳熱，通過蓄熱式熱風爐的蓄熱體在一個工作周期內每1m²加熱面積所能儲存的熱量公式來分析^[1]：

2.2 高輻射覆層節能技術對蓄熱體蓄熱性能的影響

根據斯蒂芬-玻爾茲曼定律   E = ε0C0T4，式中，E表示輻射的能量，ε0為發射率，C0為玻爾茲曼常數，T為熱力學溫度^[2] 。通常耐火材料表面發射率為0.4-0.7左右，隨著爐溫升高，黑度會有不同程度的下降，另外，隨著溫度的升高，輻射力峰值波長會向短波段移動，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射率很低，對高溫輻射不利，而采用高輻射覆層節能技術后，表面發射率提高至0.89以上，可以避免這種趨勢，理論上可提高輻射傳熱量27%以上。

熱風爐蓄熱體是蓄存和轉換熱量的載體，燃燒期吸收并儲存煤氣燃燒產物的熱量，送風期放出熱量加熱空氣，其蓄熱能力對熱風爐熱效率有著重要的影響。通過國標GB/T 31934-2015《高輻射覆層蓄熱量的測定與計算方法》對蓄熱體蓄熱性能進行測試：在同一高溫條件，加熱相同的時間條件下，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功效，測試結果顯示有覆層的蓄熱體可以提高蓄熱量10%以上，目前多家企業采用此方法對高輻射覆層節能技術進行功效判定。

表1 多家高爐熱風爐蓄熱體蓄熱量測試結果

3.高輻射覆層節能技術改善蓄熱性能與節能效果的研究

3.1  改善蓄熱性能與節約煤氣

高輻射覆層節能技術提高了蓄熱體表面的發射率，提高了蓄熱體表面吸熱能力，加大了蓄熱體表面與內部的溫差，增強了傳熱驅動力，提高蓄熱體蓄熱能力10%以上，根據高輻射覆層技術在熱風爐二十年的應用，生產實際表現為有覆層的熱風爐綜合節約煤氣5%以上，采集同時進行蓄熱量測試和節能測試的數據情況進行對比研究，具體情況如下：

圖2 蓄熱量提高率與節約煤氣關系圖

熱風爐蓄熱體采用高輻射覆層節能技術后，提高了蓄熱體表面發射率，強化了高溫煙氣與蓄熱體之間的輻射傳熱，使得蓄熱體蓄熱速率提高，熱風爐蓄熱室蓄熱量快速增加；同時，降低了廢氣溫度和爐殼外壁溫度，減少熱損失，提高熱效率。根據基爾霍夫定律 ε吸= ε發，材料的吸收率與發射率相等，當材料表面的發射率提高后，吸收熱量的能力也相應提高。在熱風爐送風期，由于蓄熱體燃燒期吸收的熱量更多，蓄熱體與冷風之間的傳熱動力增強，更多的熱量傳遞給冷風，從而提高熱風爐熱效率，節約煤氣消耗。

4.高輻射覆層節能技術節能長效性研究

以下為某鋼鐵企業高爐熱風爐停爐后對舊蓄熱體進行蓄熱量測試，為降低切割對試驗結果的影響，采取半磚的方式進行測試，具體結果如下：

表2有、無覆層舊蓄熱體蓄熱量對比

并且對拆除的有覆層、無覆層舊蓄熱體進行氣孔率、體積密度、常溫耐壓強度的物理性能測試，具體結果如下：

表3 有、無覆層舊蓄熱體物理性能對比

高輻射覆層節能技術通過專利技術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，形成釘扎結構，與蓄熱體有機結合在一起，有效緩解了有害氣體的侵蝕，改善了物理性能，延長了使用壽命。

長期跟蹤多個應用案例的生產數據，應用覆層技術的熱風爐始終保持著蓄放熱能力增強，煤氣消耗降低，送風溫度提高和廢氣溫度降低等節能特征，且有覆層的熱風爐具有明顯的抗拉能力，送風末期的拱頂溫度依然保持較高溫度；熱風爐停爐后，對長期使用的覆層蓄熱體取樣測試，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，從側面反應了高輻射覆層節能技術穩定的長效性。

5.結論

高輻射覆層節能技術是我公司自主研發的專利技術，解決了高溫下覆層易脫落的世界性難題，處于國際領先水平，通過提高表面發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，主要應用于高爐熱風爐等工業窯爐，蓄熱能力提高10%以上，綜合節能5%以上，提高熱風爐熱效率，降低CO2排放，并且具有穩定的節能長效性。

在“雙碳”形式和條件下，降低鋼鐵企業每一道工序的能耗是勢在必行的，“節能就是降碳”也是實現企業降低碳排放的重要途徑。高輻射覆層節能技術經過二十余年的實驗室和工業驗證，已成為熱風爐優選的節能技術，為企業實現碳中和貢獻綿薄之力。 

參考文獻：

[1] 煉鐵設計參考資料  1974. 冶金工業出版社  p.456

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