新型絕熱材料在工業爐節能保溫方面的設計與應用

何 凱，田苗苗，羅建海，胡蔚勵

(1.金堆城鉬業股份有限公司技術中心，陜西 西安 710077)(2.陜西省建筑職工大學，陜西 西安 710068)

新型絕熱材料在工業爐節能保溫方面的設計與應用

何 凱1，田苗苗2，羅建海1，胡蔚勵1

(1.金堆城鉬業股份有限公司技術中心，陜西 西安 710077)(2.陜西省建筑職工大學，陜西 西安 710068)

敘述了工業爐工作過程中熱量傳遞的3種方式，介紹了保溫材料和絕熱材料的概念、特性及應用領域，以金堆城某車間一臺管式爐體為例，詳細計算了爐體各壁安裝絕熱板前后熱量散失情況，通過對比得出：平壁爐體外壁溫度在65～100 ℃時，每平米爐壁可節約熱量0.4～1.1 kW，節電9.9～25.8度/天，節省費用6.9～18.1元/天，節能效率可達68%～85%，節能效果顯著，同時提出了絕熱板在爐壁上的施工工藝，安裝簡單、操作方便、經濟效益優良。

保溫材料;絕熱材料;節能設計;工業爐體

0 引 言

傳熱是工業爐體工作過程中普遍存在的客觀規律，根據其物理本質的不同可分為3種方式：傳導傳熱、對流傳熱和輻射傳熱[1]。而在實際的傳熱過程中，很少有單一的傳熱方式存在，絕大多數情況下都是2種或3種傳熱方式同時進行的綜合傳熱過程。

工業爐體在工作過程中其傳熱途徑一般分兩種情況：第一種情況是爐體內的電熱體發出的熱量通過輻射或傳導傳遞給爐墻外壁，再通過爐墻外壁的熱傳遞將熱量傳遞給爐墻內壁，而爐墻內壁和置于爐腔內部的被加熱物體之間則通過輻射和對流的方式，將熱量傳遞給被加熱物體；第二種情況是爐體內的電熱體發出的熱量也傳遞給了爐墻內壁，再通過爐墻內壁傳導至爐墻外壁，然后爐墻外壁經傳導、輻射或對流的方式將熱量傳遞給爐體外殼，最后，爐體外殼將熱量散失于周圍的空氣中。第一種傳熱是人們主觀需求的增強性的傳熱，它可以提高爐體的單位生產率和被加熱物體的升溫效率。第二種傳熱是爐體客觀存在的消弱性的傳熱，它的存在導致一部分熱量的散失，不利于爐體熱量的高效利用，帶來能量損失同時降低了爐體的生產效率。如何提高增強性傳熱，降低削弱性傳熱，加強爐體的熱量利用率，提升爐體的生產效率，同時響應國家對企、事業單位“節能減排，降本增效”的號召，這對爐體的保溫性能提出了更高的要求。

1 保溫、絕熱材料概述

1.1 保溫材料

工業爐體在高溫下作業時，熱量會經過爐墻向外擴散，而爐墻也在不斷蓄熱。在設計爐體結構時，保溫層固定在耐火層的外部，用以減少爐體的熱量損失，提升熱量利用率同時降低爐體的能量消耗。而保溫層為了節能增效的目的，一般會選用密度小(一般在0.5 g/cm3以下)、氣孔率大(通常氣孔率在70%以上)、導熱系數小(一般低于0.23 W/(m·℃)的材料，即通常所說的保溫材料[2]。

保溫材料種類很多，按照使用溫度的不同，可分為高溫保溫材料、中溫保溫材料以及低溫保溫材料三大類[3]，其溫度界限劃分分別為大于1 200 ℃、900～1 200 ℃以及小于900 ℃。爐體常用保溫材料的技術性能指標見表1。

表1 爐體用保溫材料的主要指標

1.2 絕熱材料

絕熱材料[4]是指平均溫度等于或小于350 ℃時，導熱系數小于0.14 W/(m·K)的材料。它能夠阻滯熱量在材料兩面傳遞，又稱熱絕緣材料，既包括保溫材料也包括保冷材料。按其成分的不同，絕熱材料可分為有機絕熱材料和無機絕熱材料。熱力設備及管道領域常用的保溫材料多為無機絕熱材料[5]，具有不腐爛、阻燃、耐高溫的特點；低溫保冷工程多選用有機絕熱材料[6]，具有密度低、導熱系數小、耐低溫、易燃等特點。常用絕熱材料的技術性能指標見表2。

表2 絕熱材料的主要指標

2 絕熱材料節能應用

2.1 問題描述

金鉬股份X車間X型爐為長方體，如圖1所示。其爐體部分主體結構的幾何尺寸長×寬×高分別為：7 m×2 m×1.2 m，正常工作狀態下，經多部位多點數溫度數據采集，得其側壁、頂部、底部及端面的溫度分別為：90 ℃、100 ℃、65 ℃和70 ℃。由于該爐體外壁溫度過高，不僅存在安全隱患，而且與公司“降本增效，節能減排”的大政方針相背。

圖1 金鉬股份X型爐體主體結構示意圖

2.2 爐體節能設計

為了使上述爐型真正達到“節能環保”的目的，需要使爐體外壁溫度統一降至40 ℃，甚至更低，以減少爐體外壁的熱量散失，提高熱量的利用率，在不大動爐體的情況下，初步方案是在爐體外表面平鋪一層保溫材料，該材料具有導熱系數小、長期耐熱溫度滿足爐體外壁使用條件并且便于安裝和定型。經過對保溫材料和絕熱材料的相關技術指標比較，首選一款性價比較高的新型環保節能隔熱材料：真空絕熱板(Vacuum Insulation Panel,簡稱VIP)，它是由填充芯材(如超細玻璃纖維、氣相二氧化硅或硅凝膠等)與真空保護表層復合而成，有效地避免了空氣對流引起的熱量傳遞，因此是目前世界上最高效的保溫材料。其常規產品性能參數見表3。

表3 真空絕熱板主要技術指標

2.3 節能計算

未在爐體外壁安裝真空絕熱板之前，爐體工作過程中外壁溫度在65～100 ℃之間，和周圍空氣環境存在強烈的輻射和對流散熱，熱量損耗大。分別對爐體側壁、爐頂部和爐端面的爐墻進行熱量散失計算如下：

1)側壁散失熱量

爐墻側壁與周圍空氣傳熱損失計算公式如下式(1)所示。

(1)

式(1)中，t1為爐墻側壁溫度，t0為爐體放置的車間溫度，Q側為爐墻側壁的熱量損失，α為綜合傳熱系數，S側為爐墻側壁的表面積。經測量車間室溫t0=25 ℃，爐體側壁面積S側=7×1.2=8.4 m2，當t1=90 ℃時，查爐體對空氣傳熱系數表可知，側壁綜合傳熱系數α=14.2 W/m2·℃。

將已知數據代入式(1)中，可得側壁散熱損失Q側=(90-25)×14.2×8.4=7.75 kW。

2)頂部散失熱量

爐體頂部與周圍空氣存在對流和輻射散熱，經過測量計算，其中車間溫度t0=25 ℃，爐體頂部面積S頂=7×2=14 m2，頂部溫度t2=100 ℃。當t2=100 ℃時，查爐體對空氣傳熱系數表可知，頂部綜合傳熱系數α=16.8 W/m2·℃。

將已知數據代入式(1)中，可得頂部散熱損失Q頂=(100-25)×16.8×14=17.64 kW。

3)底部散失熱量

爐體底部與周圍空氣存在對流和輻射散熱，經過測量計算，其中車間溫度t0=25℃，爐體底部面積S低=7×2=14 m2，底部溫度t3=65 ℃。當t3=65 ℃時，查爐體對空氣傳熱系數表可知，底部綜合傳熱系數α=10.0 W/m2·℃。

將已知數據代入式(1)中，可得底部散熱損失Q頂=(65-25)×10×14=5.60 kW。

4)端面散失熱量

爐體端與周圍空氣存在對流和輻射散熱，經過測量計算，其中車間溫度t0=25 ℃，爐體端面面積S端=1.2×2=2.4 m2，端面溫度t4=70 ℃。當t4=70 ℃時，查爐體對空氣傳熱系數表可知，端面綜合傳熱系數α=12.7 W/m2·℃。

將已知數據代入式(1)中，可得端面散熱損失Q端=(70-25)×12.7×2.4=1.37 kW。

爐體在正常工作過程中，由于外壁溫度在65～100 ℃之間，不僅存在安全隱患，也不符合我國進行爐體設計時對外壁溫度限定的40～60 ℃范圍要求，同時存在較大的熱量散失。為了“節能減排、降本增效”，使該爐體真正達到“節能環保”的目的，需要使爐體外壁溫度統一降至40 ℃，甚至更低，以減少爐體外壁的熱量散失，提高熱量利用率，選擇在爐體外壁安裝一層真空絕熱板，由于其導熱系數極低并且工作溫度滿足我公司爐體外壁的使用要求。按照節能目標，將爐體外壁溫度統一降至40 ℃，爐體各個表面與環境空氣的熱量散失情況計算如下：

1)側壁散失熱量

爐體外壁安裝真空絕熱板之后，側壁、頂部、底部及端面溫度均為40 ℃，即t5=40 ℃，經測量計算，車間室溫t0=25 ℃，爐體側壁面積S側=7×1.2=8.4 m2，當t5=40℃時，查爐體對空氣傳熱系數表可知，側壁綜合傳熱系數α=10.6 W/m2·℃。

將已知數據代入式(1)中，可得側壁散熱損失Q側=(40-25)×10.6×8.4=1.34 kW。

2)頂部散失熱量

爐體頂部與周圍空氣存在對流和輻射散熱，經過測量計算，其中車間溫度t0=25 ℃，爐體頂部面積S頂=7×2=14 m2，頂部溫度t5=40 ℃。當t5=40 ℃時，查爐體對空氣傳熱系數表可知，頂部綜合傳熱系數α=12.3W/m2·℃。

將已知數據代入式(1)中，可得頂部散熱損失Q頂=(40-25)×12.3×14=2.58 kW。

3)底部散失熱量

爐體底部與周圍空氣存在對流和輻射散熱，經過測量計算，其中車間溫度t0=25 ℃，爐體底部面積S低=7×2=14 m2，底部溫度t5=40 ℃。當t5=40 ℃時，查爐體對空氣傳熱系數表可知，底部綜合傳熱系數α=8.4 W/m2·℃。

將已知數據代入式(1)中，可得底部散熱損失Q頂=(40-25)×8.4×14=1.76 kW。

4)端面散失熱量

爐體端面與周圍空氣存在對流和輻射散熱，經過測量計算，其中車間溫度t0=25 ℃，爐體端面面積S端=1.2×2=2.4 m2，端面溫度t5=40 ℃。當t5=40 ℃時，查爐體對空氣傳熱系數表可知，端面綜合傳熱系數α=10.6 W/m2·℃。

將已知數據代入式(1)中，可得端面散熱損失Q端=(40-25)×10.6×2.4=0.38 kW。

爐墻綜合傳熱損失計算過程均可用式(2)進行計算：

(2)

式(2)中，QT為各爐墻的熱量損失，t1為真空絕熱板內壁溫度，t0為車間室溫，α為各爐墻的綜合傳熱系數，δ為真空絕熱板厚度，λ為真空絕熱板導熱系數。

將已知數據代入式(2)中，可分別求的側壁所需真空絕熱板厚度δ側=2.5 mm，頂部所需真空絕熱板厚度δ頂=2.6 mm，側底部所需真空絕熱板厚度δ底=2.1 mm，端面所需真空絕熱板厚度δ端=2.2 mm。

2.4 經濟指標

以爐體單面側壁為例，為了使溫度從t1=90 ℃降至t5=40 ℃，所安裝真空絕熱板的厚度不小于2.5 mm，加板前后熱量損失從7.75 kW降至1.34 kW，節能約83%，該爐體實行3班倒作業，每天工作24 h，可節電153.8度/天，每度電按工業用電平時段0.7元計算，可節約107.7元/天。同理可計算出爐體頂部、底部和端面的經濟效益，得出安裝真空絕熱板前后爐體節能經濟效益指標對照情況(見表4)。

表4 爐體節能經濟效益指標對照

由表4可以看出，該爐體的熱量散失主要發生在側壁和頂部，約占整個爐體散失熱量的80%，這主要是因為爐體側壁和頂部的表面積較大，約占整個爐體外表面積的50%，同時側壁和頂部的綜合傳熱系數也較高。爐體頂部和底部在散熱表面積相同的情況下，綜合傳熱系數越高，其熱量散失情況越嚴重。綜合可得出爐體外表面溫度、綜合傳熱系數及散熱面積與散失的熱量成正比。安裝絕熱板前后，其節能效率與散失熱量有關，散失熱量越大，其節能效果越顯著，頂部散失熱量最大，其節能效率高達85%，整個爐體安裝絕熱板后，綜合節能效率可達81%，節能效果顯著。

2.5 安裝施工

由于爐體外壁由不銹鋼鋼板包覆，在不動整個爐體結構的情況下，要將真空絕熱板安裝在爐體的6個不銹鋼外表面上，一般采用兩種安裝方式：粘結劑粘貼法或物理支架固定法。這兩種方法都可以實現絕熱板在爐體外壁鋼板上的安裝。粘結劑粘貼法固定絕熱板，隨著爐體工作時間的延長，絕熱板易出現松動、脫落的狀況，而物理支架固定法安裝絕熱板，會存在絕熱板和爐體外壁結合不緊密，絕熱板之間有縫隙，影響節能保溫效果。

為了使絕熱板在爐體外壁固定牢靠，減少絕熱板與外壁之間以及絕熱板之間的間隙，充分發揮絕熱板的節能保溫效果，本次安裝采用粘結劑粘貼法和支架固定法相結合的方式安裝。具體施工工藝見圖2。

圖2 爐壁安裝絕熱板施工工藝

絕熱板在爐體外壁安裝施工過程中，首先要保證爐體外壁的平整、順直、堅實，清理干凈外壁表面的凸起、空鼓及有礙污物，然后在平整表面確立橫向及豎向基準線，根據基準線在待貼爐壁表面的分格設計圖進行彈線，彈出絕熱板的排列圖。在絕熱板粘貼面上均勻涂刷界面劑，有助于提高絕熱板和爐壁的粘附力，然后在爐壁和絕熱板粘貼面分別涂覆高溫粘結漿料，絕熱板在爐壁上的粘貼應按水平順序進行，上下錯縫粘貼，陰陽角做錯茬處理，在絕熱板粘貼接縫處采用無機保溫砂漿填充找平，根據絕熱板粘附情況，配置適量的高溫粘結漿料，控制漿料在2 h內用完。待絕熱板粘貼48 h高溫膠凝固后，安裝保溫釘壓盤壓住真空絕熱板，然后將加強玻纖網繃緊后貼于絕熱板之上，再抹上保溫粘結膠漿，最后安裝外飾板，即起到爐體外壁美觀的效果，也對保溫層進行有效保護。

3 結 論

(1)作為一種新型節能環保材料，真空絕熱板與其他保溫材料相比，具有導熱系數極低、保溫層厚度薄、體積小、重量輕等優點，目前廣泛應用于軍工、船舶、航空航天、家電、冷藏冷凍、食品工業等保溫保冷領域。由于其工作溫度偏低，鮮有將其作為爐體的保溫材料使用。本文通過對金鉬股份車間工業爐體外壁溫度的調研，結合公司倡導“節能減排、降本增效”的號召，提出了將絕熱板應用于爐體保溫節能增效方面的技術可行性。

(2)以金鉬股份生產用長方形爐體為例，詳細計算了安裝真空絕熱板前后，該爐體各表面以及整體的節能狀況?，F假設爐體按“三班倒”制工作，每天工作24 h，電費按本市工業用電平時段0.7元/度計算，安裝絕熱板后，整臺爐體每天可節約電耗費用566.16元。目前市場上質量較好的真空絕熱板價格為200元/m2，該長方形爐體外表面安裝真空絕熱板所需材料費用為9 920元，輔材及人工費用按市場價格70元/m2計算，人工及輔材需花費3 472元，在不大動該爐體結構的情況下，直接在爐體外壁安裝絕熱板總共需花費11 392元。而該爐體安裝絕熱板后只需正常工作23.65天就可以收回前期投入的成本費用，節能增效空間巨大。

(3)由于真空絕熱板可定做成板狀、異型板狀、折彎狀及弧形狀等，所以其不僅在長方形爐體上可以應用，也可用在圓柱形等其他異型爐體上。

[1] 王秉銓，宋湛蘋，孫昌楷，等.工業爐設計手冊(第3版)[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2] 范才河，朱月兵，陳藝鋒，等.粉末冶金電爐及設計[M].北京：冶金工業出版社，2013.

[3] 何 凱，胡蔚勵，崔玉青，等.硅酸鋁纖維模塊在高純氧化鉬制備爐體應用中的節能設計[J].中國鉬業，2015，39(3)：45-48.

[4] 凡雙玉，韓衛濟.絕熱保溫材料研究進展[J].科技創新與應用，2013(8)：18-19.

[5] 徐 帥，周張健，張笑歌，等.新型無機保溫材料的研究進展[J].硅酸鹽通報，2015，34(5)：1302-1306.

[6] 王萬卷，葉元堅，余巧玲，等.有機保溫材料熱解行為的研究進展[J].材料導報，2014，28(23)：100-103.

專利名稱：硫化鉬復合物的制備方法及其在檢測水中六價鉻的應用

專利申請號：CN201510773124.8

公開號：CN105259243A

申請日：2015.11.13

公開日：2016.01.20

申請人：揚州大學

硫化鉬復合物的制備方法及其在檢測水中六價鉻的應用，屬于水環境的檢測技術領域，在氮氣氣氛中，將六水合氯化鐵及四水合氯化亞鐵溶于去離子水并升溫保持5～10 min后，以氨水調整混合體系的pH至7.5～8.5，然后老化、磁力分離，取固相用去離子水洗滌、烘干、研磨取得四氧化三鐵粉末；再將含有四氧化三鐵粉末的去離子水與二水合硫酸鉬和硫脲溶混合反應；取反應產物用乙醇和去離子水洗滌后烘干，得鐵磁性四氧化三鐵顆粒負載的硫化鉬復合物。檢測方法成本較低，簡單、可靠、靈敏度高，對于六價鉻離子濃度為0.5～328 μmol·dm-3范圍的都能準確檢出具體含量。

專利名稱：測定鉬鐵合金中磷含量的分析方法

專利申請號：CN201510683361.5

公開號：CN105259159A

申請日：2015.10.20

公開日：2016.01.20

申請人：武漢鋼鐵(集團)公司

本發明公開了一種測定鉬鐵合金中磷含量的方法。該方法包括制備試樣溶液、制備標準溶液、繪制標準曲線和對照標準曲線計算試樣中磷元素的含量，在試樣溶液制備過程中，采用氫氧化鐵共沉淀磷，將磷與基體鉬分離，避免了大量的鉬基體對磷元素含量測定引起的光譜干擾，降低了檢測下限，保證了檢測結果的準確性，有效降低了測試誤差，重復性好。本發明避免了有機溶劑的使用，有效杜絕了有機試劑使用對人體及環境的危害；操作簡便，測量快速，大大縮短了分析時間，提高了分析效率，節約了大量人力物力。

DESIGNANDAPPLICATIONOFNEWINSULATIONMATERIALINTHEINDUSTRIALFURNACEENERGYSAVINGANDHEATPRESERVATION

HE Kai1，TIAN Miao-miao2，LUO Jian-hai1，HU Wei-li1

(1.Technical Center，Jinduicheng Molybdenum Co.，Ltd.，Xi’an 710077，Shaanxi，China)(2.Architecture University for Staff of Shaanxi Province，Xi’an 710068，Shaanxi，China)

Three ways of heat transfer were described in the working process of industrial furnace.The concept，characteristics and application field of heat preservation materials and thermal insulation materials were introduced .In the case of a tubular furnace in a workshop, the thermal loss situation of each wall of the furnace was calculated in detail before and after the installation of the vacuum insulation panel.The calculation results showed that when the outer wall temperature of flat wall furnace reached 65～100 ℃，each square meter of furnace wall could save heat energy by 0.4～1.1 kW，electric quantity by 9.9～25.8 kWh/day，cost by 6.9～18.1 ￥/day，energy efficiency up to 68%～85%，after installation of the vacuum insulation panel.At the same time，the construction technology of installation of vacuum insulation panel on outer wall of industrial furnace was proposed，which featured installation simpleness，operation convenience and economic efficiency choiceness.

heat preservation materials；thermal insulation materials；energy saving design；industrial furnace

2017-04-17；

2017-05-25

何 凱(1985—)，男，工程師，主要從事鉬金屬及化工設備的開發及研究工作。E-mall：jdcjszxhekai@163.com

10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2017.06.012

TG146.4+12

A

1006-2602(2017)06-0055-05