目前,我國共有各類工業(yè)爐約12萬臺,年總耗能達2.5億噸標準煤,約占全國總能耗的1/4,占工業(yè)總能耗的60%。因此,工業(yè)爐的節(jié)能具有很大潛力。近十多年來迅速發(fā)展起來的隔熱材料節(jié)能技術,由于其節(jié)能效益顯著,發(fā)展前景誘人而引人矚目。許多國家的數(shù)據(jù)表明,在工業(yè)爐上用新型高效隔熱材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的隔熱耐火磚,一般可節(jié)能15%~30%。對于工業(yè)爐爐襯的蓄熱和散熱,一般占爐子總能耗的20%~45%,選用優(yōu)質、節(jié)能的耐火材料可減少爐體的蓄熱和散熱損失,提高熱效率,從而達到節(jié)能的目的。
一、復合納米級微孔隔熱材料特性
復合納米級微孔隔熱材料具有極低的導熱系數(shù),這種基于氣相SiO2的超細顆粒物、金屬氧化物和強化纖維的微孔隔熱材料是不同于任何傳統(tǒng)的纖維或陶瓷隔熱材料的。這些顆粒和纖維形成一種納米級的微孔結構,該結構能夠限制空氣對流、熱傳導和輻射,從而使這種材料保證了在所有應用溫度范圍內的超低傳熱性能。
復合納米級微孔隔熱材料的優(yōu)點較為明顯。首先,這種材料通過減少爐襯厚度達到增加容器體積、減少成本的目的;其次,材料可使爐壁疲勞度最小化,同時消除熱點,降低外殼操作溫度;再次,材料可降低操作成本,降低臨界操作溫度,減少熱量散失,增加客戶操作的靈活性。
隨著各行業(yè)對工藝設備隔熱要求越來越苛刻,復合納米級微孔隔熱材料的應用也越來越受到重視。在國外,這種材料的發(fā)展和應用已經(jīng)相對成熟,在重工、民用、軍工、航空航天、建筑方面的應用水平已逐步提高。國內微孔隔熱材料的研發(fā)起步較晚,但勢頭迅猛。
二、隔熱原理
1材料的組成結構
復合納米級微孔隔熱材料主要由超細SiO2顆粒、遮光劑和外圍的包裹材料組成。
一般來說,微孔材料的氣孔孔隙小于100 nm,這屬于納米材料的研究范圍;同時,材料的體積密度適當,會使導熱系數(shù)保持較低值;構成微孔絕熱材料的是超細SiO2顆粒,這種微小顆粒的尺寸范圍是5~25 nm,具有超低導熱系數(shù),其獨特的無定形結構使其成為微孔結構隔熱材料的核心部分。
這些顆粒之間由于化學鍵作用而形成很長的顆粒鏈,這些鏈條最后經(jīng)過混合形成絕熱材料的一部分。除SiO2本身結構的特殊性外,該隔熱材料的其他結構也在隔熱過程中起到關鍵性作用。
遮光劑的加入很好地降低了材料的輻射傳熱。典型的遮光顆粒包括炭黑、TiO2等,這種均勻分布在材料內部的遮光顆?；咀柚沽思t外輻射的路徑,與超細SiO2顆粒摻混來達到阻隔輻射的目的。根據(jù)玻耳茲曼定律,紅外輻射量與材料冷熱面溫差的四次方成正比,這種由紅外輻射帶來的影響在溫差大于100°C時尤為突出,因此遮光劑對于隔熱材料來說是不可或缺的關鍵因素。
由于納米尺寸的孔隙度范圍很小,這就決定了氣體分子會失去自由流動或者相互碰撞的能力,很大程度上控制了氣體對流,使空氣分子間的對流換熱基本停止。
根據(jù)分子運動及碰撞理論,氣體熱量的傳遞主要通過高溫側的高速運動分子向低溫側的低速運動分子相互碰撞完成。由于微孔隔熱材料的孔隙度都在納米級別,這些氣孔大部分都小于氣體分子的平均自由程,這樣,氣體分子將只能與氣孔壁發(fā)生彈性碰撞而無法參與熱傳遞。同時,對于固體熱傳導來說,這種納米級的空隙只能允許熱流在分子接觸點方向上進行傳導。然而,SiO2超低的導熱系數(shù)和由大量氣孔造成的分子接觸點的排布程度決定了這種導熱方式基本被阻斷。
2隔熱參數(shù)與性能
復合納米級微孔隔熱材料的導熱系數(shù)在各類傳統(tǒng)隔熱材料中優(yōu)勢明顯。如圖2所示,這種材料的導熱性能在各溫度區(qū)間都有上佳表現(xiàn)。而且,使用溫度越高這種優(yōu)勢越明顯。
復合納米級微孔隔熱材料的性能參數(shù)見表2。由復合納米級微孔隔熱材料性能分析可知:最高承熱溫度較高,材料中心在溫度高達982°C時仍有良好表現(xiàn);抗壓性較好,由材料密度所決定,與蛭石板類似;加熱線收縮率較小,這是衡量隔熱產(chǎn)品最高使用溫度的重要指標。這種材料在927°C時收縮不超過1%,982°C時約為3%。
三、節(jié)能效果與收益
近年來,復合納米級微孔隔熱材料產(chǎn)品形式和功能不斷發(fā)展,承現(xiàn)多樣化和普及化,且在鋼鐵、建筑、軍工、民用等領域都有廣闊的應用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?。由于在化工、冶金行業(yè)中,工業(yè)爐窯和高溫管道等設備對隔熱要求的特殊性,在滿足相對穩(wěn)定和高效隔熱的前提下,隔熱材料還應盡量做到安全和環(huán)境友好。因此,隨著行業(yè)內部競爭的日益激烈和市場壓力的陡增,傳統(tǒng)意義上的隔熱材料已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)應用的需求,復合納米級微孔隔熱材料由此成為工業(yè)領域的新興力量。
復合納米級微孔隔熱材料在工業(yè)上的應用主要包括:鋼包、混鐵爐、鐵水罐、流水槽、中間包、管道外包等,其在工業(yè)爐上的應用優(yōu)勢尤為明顯。從圖3中可看出,在應用這種材料后,冷面溫度較應用傳統(tǒng)蛭石板的情況減少16%,也就是說熔體能夠在此基礎上保留更多熱量,這也是節(jié)能降耗的另一種體現(xiàn)。
復合納米級微孔隔熱材料種類多樣,包括各類型號的板材、面板、柔性板和層壓板等,內部最高承熱溫度均可達982℃。材料的密度和尺寸可視具體應用情況而定,能夠完全滿足市場需求。
復合納米級微孔隔熱材料用于管道外包時較之于傳統(tǒng)材料表現(xiàn)優(yōu)異。如圖4所示,從隔熱效果看,當環(huán)境溫度處于25℃,管道中心溫度處于650℃時,外包材料的冷面溫度可低至56℃,完全達到人員安全標準(≤60℃)。此外,如表4,在材料厚度、冷面溫度、熱損、重量及體積等方面,微孔材料較之于傳統(tǒng)礦物棉均能夠達到不錯的節(jié)省效果。
需要注意的是,由于微孔隔熱材料結構的特殊性,氣溶膠顆粒對液體較敏感,因此,當材料暴露在水、油等液體中時,微孔材料結構會部分分解。因此,應盡量在操作時保持與液體隔絕。
以某公司鋁熔煉爐為例,對應用本產(chǎn)品后的情況進行效益分析:將原始內襯中改換25.4 mm的復合納米級微孔隔熱材料,其他結構不變。改進后效果明顯:氣體使用量減少13%,每年可節(jié)約成本5.45萬元,9個月可收得回報,總收益約為21.8萬元?？傊?在其他產(chǎn)品中適量加入本產(chǎn)品后能夠較使用之前獲得較大收益。
結 語
針對復合納米級微孔隔熱材料的隔熱原理、材料性能、節(jié)能效果、應用前景等方面進行了較為全面的分析,尤其在工業(yè)爐中的應用功效顯著。因此,復合納米級微孔隔熱材料是值得深入研究并大力推廣的隔熱材料,具有廣闊的市場前景和應用價值。
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