高辐射覆层节能技术改善蓄热体蓄热性能与节能长效性的研究

刘常富，张绍强，杨秀青，吴康康，石建

（山东慧敏科技开发有限公司，山东济南，250100）

摘要：高辐射覆层节能技术解决了传统红外涂料脱落以及高温稳定性的问题，其性能指标至今未被超越，在热风炉和焦炉的应用为世界首创，开辟了节能新途径。该技术目前已宝武集团、河钢集团、首钢集团、鞍钢集团、沙钢集团、浦项制铁、安塞乐米塔尔、建龙集团、柳钢集团、三钢集团、日钢、津西、九江线材及翅冀钢铁、晋南钢铁、石横特钢等国内外100余家钢铁企业1000余座热风炉应用。近二十年的应用研究发现，该技术可以提升蓄热体蓄热性能10%以上，在生产实际表现为综合节约煤气5%以上，降低碳排放2.62kg/吨铁，实现吨铁综合效益3元左右，同时可改善蓄热体荷软、蠕变等物理性能，减缓耐材渣化，延长耐材使用寿命。多家企业热风炉应用一代炉役之后，拆除的旧蓄热体显示覆层依然存在，蓄热量依然可提高10%以上，物理性能指标依然有所改善，均充分反应了该技术的长效性，

关键词：高辐射覆层节能技术；蓄热体；蓄热量；节能

1.高辐射覆层节能技术概述

20世纪80年末红外涂料在锅炉、加热炉等工业窑炉逐步应用， 钢铁工业作为能耗大户，高炉炼铁系统是钢铁企业的主要用能单位，为降低炼铁工序的能耗，2003年慧敏科技提出将高温红外涂料应用于热风炉蓄热体的创意，经过精心研究，不断优化，成功开发出“杰能王”纳微米高温红外节能涂料和前处理技术，并形成了核心技术--高辐射覆层节能技术，突破了传统红外涂料高温易脱落、附着力差的技术壁垒，获得了涂料产品、施工工艺、产品检测等多个发明专利。该技术在高炉热风炉和焦炉的应用为世界首创，实现了涂料在热风炉冷热交替频繁的恶劣工况条件下不脱落，强化了热风炉蓄热体吸热和放热速率，提高热风炉热效率，降低烟气温度，填补了行业空白，开辟了热风炉节能减排的新途径。

图1 热风炉应用高辐射覆层节能技术示意图

高辐射覆层节能技术应用初期，为判定覆层技术的应用效果，同座高炉选取两座热风炉采用覆层技术，一座热风炉未采用作为对比检测的结果节能率均在5%以上，且一年内收回投资。有覆层的热风炉抗拉能力明显提升，但是无覆层的热风炉热效率低，与有覆层的热风炉不匹配而形成两高一低的 “短板”现象。为了避免出现上述的短板现象，通过《高辐射覆层蓄热量的测定与计算方法》(GB/T 31934-2015)实现了覆层技术节能功效的判定。该方法规定了高辐射覆层在设定的温度和规定的时间条件下蓄热量性能的实验室检测方法，通过蓄热量自动化检测系统能够快速有效的反映覆层技术的节能功效，已成为成熟可靠的检测方式。

围绕高辐射覆层节能技术，慧敏科技获得了国家发明专利9项、日本和俄罗斯发明专利各1项，制修订国家、行业标准14项，形成了涵盖高辐射覆层节能技术、产品、施工、应用和检测等全方位的知识产权体系和标准化体系。该技术获得科技部、发改委等十余项国家、省市级项目支持，被列入《钢铁极致能效工程能力清单》（2023版），被中钢协评为 “钢铁好技术”，获得全国工商联、山东省政府等部门的多项科技奖励。该技术被列入了“十二五”国家科技支撑计划、国家重点节能低碳技术推广目录，产品被认定为国家重点新产品。

2.高辐射覆层节能技术对蓄热体蓄热性能的影响

    2.1 热风炉蓄热体蓄热能力的分析

蓄热体蓄热能力是热风炉热转换效率的一个重要指标。目前蓄热体趋于小孔化，蓄热体小孔化之后，强化了蓄热体的对流传热，但弱化了辐射传热，通过蓄热式热风炉的蓄热体在一个工作周期内每1m²加热面积所能储存的热量公式来分析^[1]：

2.2 高辐射覆层节能技术对蓄热体蓄热性能的影响

根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律   E = ε0C0T4，式中，E表示辐射的能量，ε0为发射率，C0为玻尔兹曼常数，T为热力学温度^[2] 。通常耐火材料表面发射率为0.4-0.7左右，随着炉温升高，黑度会有不同程度的下降，另外，随着温度的升高，辐射力峰值波长会向短波段移动，高温辐射能大多集中在1~5μm波段，而一般耐火材料在这一波段的发射率很低，对高温辐射不利，而采用高辐射覆层节能技术后，表面发射率提高至0.89以上，可以避免这种趋势，理论上可提高辐射传热量27%以上。

热风炉蓄热体是蓄存和转换热量的载体，燃烧期吸收并储存煤气燃烧产物的热量，送风期放出热量加热空气，其蓄热能力对热风炉热效率有着重要的影响。通过国标GB/T 31934-2015《高辐射覆层蓄热量的测定与计算方法》对蓄热体蓄热性能进行测试：在同一高温条件，加热相同的时间条件下，蓄热体所吸收热量的多少，即蓄热量的多少。此方法可直接、快速、有效地判定覆层技术功效，测试结果显示有覆层的蓄热体可以提高蓄热量10%以上，目前多家企业采用此方法对高辐射覆层节能技术进行功效判定。

表1 多家高炉热风炉蓄热体蓄热量测试结果

3.高辐射覆层节能技术改善蓄热性能与节能效果的研究

3.1  改善蓄热性能与节约煤气

高辐射覆层节能技术提高了蓄热体表面的发射率，提高了蓄热体表面吸热能力，加大了蓄热体表面与内部的温差，增强了传热驱动力，提高蓄热体蓄热能力10%以上，根据高辐射覆层技术在热风炉二十年的应用，生产实际表现为有覆层的热风炉综合节约煤气5%以上，采集同时进行蓄热量测试和节能测试的数据情况进行对比研究，具体情况如下：

图2 蓄热量提高率与节约煤气关系图

热风炉蓄热体采用高辐射覆层节能技术后，提高了蓄热体表面发射率，强化了高温烟气与蓄热体之间的辐射传热，使得蓄热体蓄热速率提高，热风炉蓄热室蓄热量快速增加；同时，降低了废气温度和炉壳外壁温度，减少热损失，提高热效率。根据基尔霍夫定律 ε吸= ε发，材料的吸收率与发射率相等，当材料表面的发射率提高后，吸收热量的能力也相应提高。在热风炉送风期，由于蓄热体燃烧期吸收的热量更多，蓄热体与冷风之间的传热动力增强，更多的热量传递给冷风，从而提高热风炉热效率，节约煤气消耗。

4.高辐射覆层节能技术节能长效性研究

以下为某钢铁企业高炉热风炉停炉后对旧蓄热体进行蓄热量测试，为降低切割对试验结果的影响，采取半砖的方式进行测试，具体结果如下：

表2有、无覆层旧蓄热体蓄热量对比

并且对拆除的有覆层、无覆层旧蓄热体进行气孔率、体积密度、常温耐压强度的物理性能测试，具体结果如下：

表3 有、无覆层旧蓄热体物理性能对比

高辐射覆层节能技术通过专利技术让纳微米高辐射覆层材料在蓄热体表面形成一层致密的膜层，并且可以渗透到蓄热体开气孔中，形成钉扎结构，与蓄热体有机结合在一起，有效缓解了有害气体的侵蚀，改善了物理性能，延长了使用寿命。

长期跟踪多个应用案例的生产数据，应用覆层技术的热风炉始终保持着蓄放热能力增强，煤气消耗降低，送风温度提高和废气温度降低等节能特征，且有覆层的热风炉具有明显的抗拉能力，送风末期的拱顶温度依然保持较高温度；热风炉停炉后，对长期使用的覆层蓄热体取样测试，蓄热能力依然提高10%以上，并且物理性能有不同程度的改善，从侧面反应了高辐射覆层节能技术稳定的长效性。

5.结论

高辐射覆层节能技术是我公司自主研发的专利技术，解决了高温下覆层易脱落的世界性难题，处于国际领先水平，通过提高表面发射率有效提升蓄热体的蓄热性能，并且可以改善蓄热体的物理性能，主要应用于高炉热风炉等工业窑炉，蓄热能力提高10%以上，综合节能5%以上，提高热风炉热效率，降低CO2排放，并且具有稳定的节能长效性。

在“双碳”形式和条件下，降低钢铁企业每一道工序的能耗是势在必行的，“节能就是降碳”也是实现企业降低碳排放的重要途径。高辐射覆层节能技术经过二十余年的实验室和工业验证，已成为热风炉优选的节能技术，为企业实现碳中和贡献绵薄之力。 

参考文献：

[1] 炼铁设计参考资料  1974. 冶金工业出版社  p.456

[2] Alfred  Schack: “Der Industrielle Wärmeǘbergang ”(俄文版  国立科学技术黑色和有色冶金出版社 莫斯科 1961  P.400;P.389)