淺談節能涂料在工業加熱爐節能技術上的應用

高春旭，王 濤，黃家銘

(1.黑龍江省技能技術服務中心，哈爾濱150001;2.審計署哈爾濱特派員辦事處，哈爾濱150001)

1 工業加熱爐分類

加熱爐習慣上是指把金屬加熱到軋制成鍛造溫度的工業爐，包括有連續加熱爐和室式加熱爐等。金屬熱處理用的加熱爐另稱為熱處理爐。初軋前加熱鋼錠或使鋼錠內部溫度均勻的爐子稱為均熱爐。廣義而言，加熱爐也包括均熱爐和熱處理爐。

連續加熱爐廣義來說，包括推鋼式爐、步進式爐、轉底式爐、分室式爐等連續加熱爐，但習慣上常指推鋼式爐。連續加熱爐多數用于軋制前加熱金屬料坯，少數用于鍛造和熱處理。主要特點是:料坯在爐內依軋制的節奏連續運動，爐氣在爐內也連續流動;一般情況，在爐料的斷面尺寸、品種和產量不變的情況下，爐子各部分的溫度和爐中金屬料的溫度基本上不隨時間變化而僅沿爐子長度變化。

室式加熱爐，用于金屬坯或錠鍛壓前的加熱。物料加熱時不移動，爐內不分段，要求各處爐溫均勻，對于大鋼錠加熱采用周期性的溫度制度(即爐溫按時間分為預熱期、加熱期、均熱期等)。室式加熱爐有兩種:固定爐底室式爐和車底式爐。固定爐底室式爐，裝出料多靠人工或簡單機械，加熱較大工件的室式爐，也有用專門裝出料機的;燃料為煤、重油或煤氣。車底式爐用于重量為十幾噸至幾百噸的大鋼錠在鍛壓前的加熱，爐型為室式或隧道式，加熱物件放置在臺車上，爐外進行裝卸料，由車間吊車或其他牽引裝置把臺車拽入或拖出爐膛，大鋼錠加熱要求爐溫分布均勻，所以車底式爐常采用分散供熱和分散排煙。

2 工業加熱爐簡介

加熱爐是將物料或工件加熱的設備。按熱源劃分有燃料加熱爐、電阻加熱爐、感應加熱爐、微波加熱爐等。應用遍及石油、化工、冶金、機械、熱處理、表面處理、建材、電子、材料、輕工、日化、制藥等諸多行業領域。

工業加熱爐是石油化工等行業生產中的主要設備之一，它利用直接火焰加熱物料，可將物料加熱到很高的溫度(1000℃～1100℃)，亦可作為反應器使用。

加熱爐常采用管式加熱爐，爐型有多種，但其一般由四個部分構成，分別是輻射室、對流室、煙囪和燃燒器。在輻射室和對流室內裝有爐管;在輻射室的底部、側部或頂部裝有燃燒器。先進的加熱爐還有煙氣熱量回收系統，空氣和比的控制調節系統等。在設備運轉中，低溫物料經對流室爐管和輻射室爐管，在爐膛內吸熱升溫，出加熱爐時達到所需的工藝要求。

加熱爐所使用的燃料主要是液體和氣體燃料，有燃料油、液化石油氣、天然氣等。如果將燃料與空氣混合后再經燃燒器噴嘴進入輻射室燃燒，其燃燒速度快，燃燒完全，熱效率高，加熱均勻，爐管不易結焦與破裂。這種爐子燃燒時無火焰，稱為無焰燃燒爐，是一種較先進的加熱爐。

3 節能涂料在加熱爐內的應用

加熱爐通常是在高溫條件下工作的，爐墻則是其重要組成部分，它不僅起到高溫加熱空間的隔離機構作用，而且還直接參與爐內的傳熱過程，并在爐內總傳熱中占主導地位。歷來對爐墻砌筑材料的要求都側重于其作為隔離結構作用，因而只強調材料的耐火性能、力學性能、抗熱震性能、絕熱性能等，往往忽視了其直接參與爐內傳熱的作用。隨著工業爐爐內傳熱過程理論研究工作的不斷深入，爐墻在爐內傳熱過程中所起主導作用的問題已得到廣泛的認同，因而，在爐墻砌筑材料的性能要求方面自然就提出了有利于爐內傳熱方面的要求在以輻射傳熱為主的高溫工業爐內，爐襯表面輻射性能逐步被重視。

紅外輻射涂料是一種廣泛應用于工業爐的高效節能新型材料，可直接噴涂在各種高溫加熱爐的耐火材料表面，經燒結成膜后，形成一層堅硬的陶瓷釉面硬殼涂層，具有輻射率高(可達0.93以上)、導熱系數小、氣密性好、耐火度高、耐腐蝕、施工簡便迅速，可使燃料燃燒的更加充分，顯著增強爐內輻射傳熱，從而達到節能的目的。同時此涂層隔絕了耐火材料表面與燃燒空氣氣流的直接接觸，避免氣流的沖刷和腐蝕，從而起到保護爐體和延長保溫材料壽命的作用。

燃料爐內燃燒過程是一種化學反應過程，即燃料中的可燃成分與助燃空氣中的O2發生放熱反應，反應熱加熱燃燒產物—煙氣，從而獲得高溫煙氣。根據傳熱原理，煙氣與燃料爐的受熱面間進行的熱量傳遞有三種基本方式:對流、輻射、熱傳導，且有

即煙氣向爐內受熱面(爐管外壁)傳遞的總熱量由輻射熱、對流熱和傳導熱三部分構成，該熱量使得受熱面溫度上升，不過由于爐內傳熱過程是高溫流體與固體壁面間的傳熱，導熱量一般很小。通過三種基本傳熱方式傳到受熱面上的熱量，最后再以熱傳導的形式由爐管外壁傳給爐管的內壁，爐管的內壁則主要以對流的方式將熱量傳給被加熱介質。以Q總傳導表示爐管內外壁之間的總傳熱量，則單位受熱面的總傳熱量可表示為:

式中:TW1、TW2—分別表示爐管的外壁和內壁的溫度，K;λ—為爐管材料的導熱系數，W/(m·K);δ—為爐管壁厚，m。

對于固定的爐子，λ、δ都可認為是常數，而TW、TN則較復雜，與爐管外、內壁的煙氣、工藝介質的溫度有關，理論分析和實際測試都比較困難。但可以確定的是，隨著煙氣溫度的升高和工藝介質溫度的降低，二者之差將加大，總傳熱量隨之加大。

另一方面，式(1)右側的兩項分別代表對流熱和輻射熱對總傳熱量的貢獻大小，傳熱理論指出，總的傳熱過程可以認為是兩種傳熱過程相互獨立、互不影響單獨過程的疊加。這樣，為我們研究如何強化傳熱過程提供了一種可行的途徑，也就是研究對流傳熱與輻射傳熱在一個具體傳熱過程中所占份額的大小和影響因素，在根據兩種傳熱過程的特性制定強化傳熱的具體措施。

對流傳熱的機理是，高溫煙氣與溫度較低的受熱面接觸放熱后，溫度降低，密度加大，在爐膛內形成煙氣對流，顯然，煙氣的運動還只是宏觀的，速度很小，傳熱量受到限制。而輻射換熱則不同，輻射源與被輻射物體之間輻射能以光速行進，達到30萬千m，因此傳熱速度很快。根據輻射傳熱原理，投射到受熱面上的輻射能一部分被反射，一部分被吸收，具體吸收的份額則決定于受熱面的表面狀況。根據輻射換熱量計算方法，單位面積輻射換熱量為

式中Tf—為熱源(煙氣)溫度，K1;C0—黑體輻射系數;εn—當量黑度，取決于熱源特性和爐管外表面狀況。

式(3)表明，當輻射源與被輻射物體的溫差較小時，輻射能所占比例很小，尤其是在低溫范圍更是如此。這就是在一般的低溫范圍內如散熱器，一般不計輻射換熱的原因。但由于化工管式加熱爐這類溫度較高的換熱系統中，情況發生了根本性的改變。在爐膛內，Tw由于受爐管內側工藝介質的溫度限制，一般不高，而是爐內熱源(煙氣)Tf的溫度，可達1 600 K以上，于是二者的四次方差很大，當量黑度提高很小的幅度，就可以輻射換熱量得到明顯的增大。

4 結論

紅外輻射節能涂料的作用，就是增大受熱面的吸收率，使爐膛當量黑度增大，增大輻射換熱量。在對流換熱量不變(或變化很小)的條件下，輻射換熱量的增大，顯然增大了換熱強度，節約燃料，達到節能的目的。

［1］ 錢家麟，于遵宏，王蘭田，等.管式加熱爐.北京：烴加工出版社，1987.

［2］ 何英介.工業爐節能技術.濟南山東科學技術出版社，1984.

［3］ 馬永杰.高溫空氣燃燒技術的節能與環保［J］.科技創新導報，2008(18)：84.

［4］ 饒文濤.高溫空氣燃燒技術［J］.工業加熱，2006，(6)：1-4.

［5］ 榮杰，王作文，孟小平.熱應力耦合場作用下含缺陷壓力管道的應力強度因子研究［J］.森林工程，2010，26(3)：33-36.