新型绝热材料在工业炉节能保温方面的设计与应用

何 凯，田苗苗，罗建海，胡蔚励

(1.金堆城钼业股份有限公司技术中心，陕西 西安 710077)(2.陕西省建筑职工大学，陕西 西安 710068)

新型绝热材料在工业炉节能保温方面的设计与应用

何 凯1，田苗苗2，罗建海1，胡蔚励1

(1.金堆城钼业股份有限公司技术中心，陕西 西安 710077)(2.陕西省建筑职工大学，陕西 西安 710068)

叙述了工业炉工作过程中热量传递的3种方式，介绍了保温材料和绝热材料的概念、特性及应用领域，以金堆城某车间一台管式炉体为例，详细计算了炉体各壁安装绝热板前后热量散失情况，通过对比得出：平壁炉体外壁温度在65～100 ℃时，每平米炉壁可节约热量0.4～1.1 kW，节电9.9～25.8度/天，节省费用6.9～18.1元/天，节能效率可达68%～85%，节能效果显著，同时提出了绝热板在炉壁上的施工工艺，安装简单、操作方便、经济效益优良。

保温材料;绝热材料;节能设计;工业炉体

0 引 言

传热是工业炉体工作过程中普遍存在的客观规律，根据其物理本质的不同可分为3种方式：传导传热、对流传热和辐射传热[1]。而在实际的传热过程中，很少有单一的传热方式存在，绝大多数情况下都是2种或3种传热方式同时进行的综合传热过程。

工业炉体在工作过程中其传热途径一般分两种情况：第一种情况是炉体内的电热体发出的热量通过辐射或传导传递给炉墙外壁，再通过炉墙外壁的热传递将热量传递给炉墙内壁，而炉墙内壁和置于炉腔内部的被加热物体之间则通过辐射和对流的方式，将热量传递给被加热物体；第二种情况是炉体内的电热体发出的热量也传递给了炉墙内壁，再通过炉墙内壁传导至炉墙外壁，然后炉墙外壁经传导、辐射或对流的方式将热量传递给炉体外壳，最后，炉体外壳将热量散失于周围的空气中。第一种传热是人们主观需求的增强性的传热，它可以提高炉体的单位生产率和被加热物体的升温效率。第二种传热是炉体客观存在的消弱性的传热，它的存在导致一部分热量的散失，不利于炉体热量的高效利用，带来能量损失同时降低了炉体的生产效率。如何提高增强性传热，降低削弱性传热，加强炉体的热量利用率，提升炉体的生产效率，同时响应国家对企、事业单位“节能减排，降本增效”的号召，这对炉体的保温性能提出了更高的要求。

1 保温、绝热材料概述

1.1 保温材料

工业炉体在高温下作业时，热量会经过炉墙向外扩散，而炉墙也在不断蓄热。在设计炉体结构时，保温层固定在耐火层的外部，用以减少炉体的热量损失，提升热量利用率同时降低炉体的能量消耗。而保温层为了节能增效的目的，一般会选用密度小(一般在0.5 g/cm3以下)、气孔率大(通常气孔率在70%以上)、导热系数小(一般低于0.23 W/(m·℃)的材料，即通常所说的保温材料[2]。

保温材料种类很多，按照使用温度的不同，可分为高温保温材料、中温保温材料以及低温保温材料三大类[3]，其温度界限划分分别为大于1 200 ℃、900～1 200 ℃以及小于900 ℃。炉体常用保温材料的技术性能指标见表1。

表1 炉体用保温材料的主要指标

1.2 绝热材料

绝热材料[4]是指平均温度等于或小于350 ℃时，导热系数小于0.14 W/(m·K)的材料。它能够阻滞热量在材料两面传递，又称热绝缘材料，既包括保温材料也包括保冷材料。按其成分的不同，绝热材料可分为有机绝热材料和无机绝热材料。热力设备及管道领域常用的保温材料多为无机绝热材料[5]，具有不腐烂、阻燃、耐高温的特点；低温保冷工程多选用有机绝热材料[6]，具有密度低、导热系数小、耐低温、易燃等特点。常用绝热材料的技术性能指标见表2。

表2 绝热材料的主要指标

2 绝热材料节能应用

2.1 问题描述

金钼股份X车间X型炉为长方体，如图1所示。其炉体部分主体结构的几何尺寸长×宽×高分别为：7 m×2 m×1.2 m，正常工作状态下，经多部位多点数温度数据采集，得其侧壁、顶部、底部及端面的温度分别为：90 ℃、100 ℃、65 ℃和70 ℃。由于该炉体外壁温度过高，不仅存在安全隐患，而且与公司“降本增效，节能减排”的大政方针相背。

图1 金钼股份X型炉体主体结构示意图

2.2 炉体节能设计

为了使上述炉型真正达到“节能环保”的目的，需要使炉体外壁温度统一降至40 ℃，甚至更低，以减少炉体外壁的热量散失，提高热量的利用率，在不大动炉体的情况下，初步方案是在炉体外表面平铺一层保温材料，该材料具有导热系数小、长期耐热温度满足炉体外壁使用条件并且便于安装和定型。经过对保温材料和绝热材料的相关技术指标比较，首选一款性价比较高的新型环保节能隔热材料：真空绝热板(Vacuum Insulation Panel,简称VIP)，它是由填充芯材(如超细玻璃纤维、气相二氧化硅或硅凝胶等)与真空保护表层复合而成，有效地避免了空气对流引起的热量传递，因此是目前世界上最高效的保温材料。其常规产品性能参数见表3。

表3 真空绝热板主要技术指标

2.3 节能计算

未在炉体外壁安装真空绝热板之前，炉体工作过程中外壁温度在65～100 ℃之间，和周围空气环境存在强烈的辐射和对流散热，热量损耗大。分别对炉体侧壁、炉顶部和炉端面的炉墙进行热量散失计算如下：

1)侧壁散失热量

炉墙侧壁与周围空气传热损失计算公式如下式(1)所示。

(1)

式(1)中，t1为炉墙侧壁温度，t0为炉体放置的车间温度，Q侧为炉墙侧壁的热量损失，α为综合传热系数，S侧为炉墙侧壁的表面积。经测量车间室温t0=25 ℃，炉体侧壁面积S侧=7×1.2=8.4 m2，当t1=90 ℃时，查炉体对空气传热系数表可知，侧壁综合传热系数α=14.2 W/m2·℃。

将已知数据代入式(1)中，可得侧壁散热损失Q侧=(90-25)×14.2×8.4=7.75 kW。

2)顶部散失热量

炉体顶部与周围空气存在对流和辐射散热，经过测量计算，其中车间温度t0=25 ℃，炉体顶部面积S顶=7×2=14 m2，顶部温度t2=100 ℃。当t2=100 ℃时，查炉体对空气传热系数表可知，顶部综合传热系数α=16.8 W/m2·℃。

将已知数据代入式(1)中，可得顶部散热损失Q顶=(100-25)×16.8×14=17.64 kW。

3)底部散失热量

炉体底部与周围空气存在对流和辐射散热，经过测量计算，其中车间温度t0=25℃，炉体底部面积S低=7×2=14 m2，底部温度t3=65 ℃。当t3=65 ℃时，查炉体对空气传热系数表可知，底部综合传热系数α=10.0 W/m2·℃。

将已知数据代入式(1)中，可得底部散热损失Q顶=(65-25)×10×14=5.60 kW。

4)端面散失热量

炉体端与周围空气存在对流和辐射散热，经过测量计算，其中车间温度t0=25 ℃，炉体端面面积S端=1.2×2=2.4 m2，端面温度t4=70 ℃。当t4=70 ℃时，查炉体对空气传热系数表可知，端面综合传热系数α=12.7 W/m2·℃。

将已知数据代入式(1)中，可得端面散热损失Q端=(70-25)×12.7×2.4=1.37 kW。

炉体在正常工作过程中，由于外壁温度在65～100 ℃之间，不仅存在安全隐患，也不符合我国进行炉体设计时对外壁温度限定的40～60 ℃范围要求，同时存在较大的热量散失。为了“节能减排、降本增效”，使该炉体真正达到“节能环保”的目的，需要使炉体外壁温度统一降至40 ℃，甚至更低，以减少炉体外壁的热量散失，提高热量利用率，选择在炉体外壁安装一层真空绝热板，由于其导热系数极低并且工作温度满足我公司炉体外壁的使用要求。按照节能目标，将炉体外壁温度统一降至40 ℃，炉体各个表面与环境空气的热量散失情况计算如下：

1)侧壁散失热量

炉体外壁安装真空绝热板之后，侧壁、顶部、底部及端面温度均为40 ℃，即t5=40 ℃，经测量计算，车间室温t0=25 ℃，炉体侧壁面积S侧=7×1.2=8.4 m2，当t5=40℃时，查炉体对空气传热系数表可知，侧壁综合传热系数α=10.6 W/m2·℃。

将已知数据代入式(1)中，可得侧壁散热损失Q侧=(40-25)×10.6×8.4=1.34 kW。

2)顶部散失热量

炉体顶部与周围空气存在对流和辐射散热，经过测量计算，其中车间温度t0=25 ℃，炉体顶部面积S顶=7×2=14 m2，顶部温度t5=40 ℃。当t5=40 ℃时，查炉体对空气传热系数表可知，顶部综合传热系数α=12.3W/m2·℃。

将已知数据代入式(1)中，可得顶部散热损失Q顶=(40-25)×12.3×14=2.58 kW。

3)底部散失热量

炉体底部与周围空气存在对流和辐射散热，经过测量计算，其中车间温度t0=25 ℃，炉体底部面积S低=7×2=14 m2，底部温度t5=40 ℃。当t5=40 ℃时，查炉体对空气传热系数表可知，底部综合传热系数α=8.4 W/m2·℃。

将已知数据代入式(1)中，可得底部散热损失Q顶=(40-25)×8.4×14=1.76 kW。

4)端面散失热量

炉体端面与周围空气存在对流和辐射散热，经过测量计算，其中车间温度t0=25 ℃，炉体端面面积S端=1.2×2=2.4 m2，端面温度t5=40 ℃。当t5=40 ℃时，查炉体对空气传热系数表可知，端面综合传热系数α=10.6 W/m2·℃。

将已知数据代入式(1)中，可得端面散热损失Q端=(40-25)×10.6×2.4=0.38 kW。

炉墙综合传热损失计算过程均可用式(2)进行计算：

(2)

式(2)中，QT为各炉墙的热量损失，t1为真空绝热板内壁温度，t0为车间室温，α为各炉墙的综合传热系数，δ为真空绝热板厚度，λ为真空绝热板导热系数。

将已知数据代入式(2)中，可分别求的侧壁所需真空绝热板厚度δ侧=2.5 mm，顶部所需真空绝热板厚度δ顶=2.6 mm，侧底部所需真空绝热板厚度δ底=2.1 mm，端面所需真空绝热板厚度δ端=2.2 mm。

2.4 经济指标

以炉体单面侧壁为例，为了使温度从t1=90 ℃降至t5=40 ℃，所安装真空绝热板的厚度不小于2.5 mm，加板前后热量损失从7.75 kW降至1.34 kW，节能约83%，该炉体实行3班倒作业，每天工作24 h，可节电153.8度/天，每度电按工业用电平时段0.7元计算，可节约107.7元/天。同理可计算出炉体顶部、底部和端面的经济效益，得出安装真空绝热板前后炉体节能经济效益指标对照情况(见表4)。

表4 炉体节能经济效益指标对照

由表4可以看出，该炉体的热量散失主要发生在侧壁和顶部，约占整个炉体散失热量的80%，这主要是因为炉体侧壁和顶部的表面积较大，约占整个炉体外表面积的50%，同时侧壁和顶部的综合传热系数也较高。炉体顶部和底部在散热表面积相同的情况下，综合传热系数越高，其热量散失情况越严重。综合可得出炉体外表面温度、综合传热系数及散热面积与散失的热量成正比。安装绝热板前后，其节能效率与散失热量有关，散失热量越大，其节能效果越显著，顶部散失热量最大，其节能效率高达85%，整个炉体安装绝热板后，综合节能效率可达81%，节能效果显著。

2.5 安装施工

由于炉体外壁由不锈钢钢板包覆，在不动整个炉体结构的情况下，要将真空绝热板安装在炉体的6个不锈钢外表面上，一般采用两种安装方式：粘结剂粘贴法或物理支架固定法。这两种方法都可以实现绝热板在炉体外壁钢板上的安装。粘结剂粘贴法固定绝热板，随着炉体工作时间的延长，绝热板易出现松动、脱落的状况，而物理支架固定法安装绝热板，会存在绝热板和炉体外壁结合不紧密，绝热板之间有缝隙，影响节能保温效果。

为了使绝热板在炉体外壁固定牢靠，减少绝热板与外壁之间以及绝热板之间的间隙，充分发挥绝热板的节能保温效果，本次安装采用粘结剂粘贴法和支架固定法相结合的方式安装。具体施工工艺见图2。

图2 炉壁安装绝热板施工工艺

绝热板在炉体外壁安装施工过程中，首先要保证炉体外壁的平整、顺直、坚实，清理干净外壁表面的凸起、空鼓及有碍污物，然后在平整表面确立横向及竖向基准线，根据基准线在待贴炉壁表面的分格设计图进行弹线，弹出绝热板的排列图。在绝热板粘贴面上均匀涂刷界面剂，有助于提高绝热板和炉壁的粘附力，然后在炉壁和绝热板粘贴面分别涂覆高温粘结浆料，绝热板在炉壁上的粘贴应按水平顺序进行，上下错缝粘贴，阴阳角做错茬处理，在绝热板粘贴接缝处采用无机保温砂浆填充找平，根据绝热板粘附情况，配置适量的高温粘结浆料，控制浆料在2 h内用完。待绝热板粘贴48 h高温胶凝固后，安装保温钉压盘压住真空绝热板，然后将加强玻纤网绷紧后贴于绝热板之上，再抹上保温粘结胶浆，最后安装外饰板，即起到炉体外壁美观的效果，也对保温层进行有效保护。

3 结 论

(1)作为一种新型节能环保材料，真空绝热板与其他保温材料相比，具有导热系数极低、保温层厚度薄、体积小、重量轻等优点，目前广泛应用于军工、船舶、航空航天、家电、冷藏冷冻、食品工业等保温保冷领域。由于其工作温度偏低，鲜有将其作为炉体的保温材料使用。本文通过对金钼股份车间工业炉体外壁温度的调研，结合公司倡导“节能减排、降本增效”的号召，提出了将绝热板应用于炉体保温节能增效方面的技术可行性。

(2)以金钼股份生产用长方形炉体为例，详细计算了安装真空绝热板前后，该炉体各表面以及整体的节能状况。现假设炉体按“三班倒”制工作，每天工作24 h，电费按本市工业用电平时段0.7元/度计算，安装绝热板后，整台炉体每天可节约电耗费用566.16元。目前市场上质量较好的真空绝热板价格为200元/m2，该长方形炉体外表面安装真空绝热板所需材料费用为9 920元，辅材及人工费用按市场价格70元/m2计算，人工及辅材需花费3 472元，在不大动该炉体结构的情况下，直接在炉体外壁安装绝热板总共需花费11 392元。而该炉体安装绝热板后只需正常工作23.65天就可以收回前期投入的成本费用，节能增效空间巨大。

(3)由于真空绝热板可定做成板状、异型板状、折弯状及弧形状等，所以其不仅在长方形炉体上可以应用，也可用在圆柱形等其他异型炉体上。

[1] 王秉铨，宋湛苹，孙昌楷，等.工业炉设计手册(第3版)[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2] 范才河，朱月兵，陈艺锋，等.粉末冶金电炉及设计[M].北京：冶金工业出版社，2013.

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专利名称：硫化钼复合物的制备方法及其在检测水中六价铬的应用

专利申请号：CN201510773124.8

公开号：CN105259243A

申请日：2015.11.13

公开日：2016.01.20

申请人：扬州大学

硫化钼复合物的制备方法及其在检测水中六价铬的应用，属于水环境的检测技术领域，在氮气气氛中，将六水合氯化铁及四水合氯化亚铁溶于去离子水并升温保持5～10 min后，以氨水调整混合体系的pH至7.5～8.5，然后老化、磁力分离，取固相用去离子水洗涤、烘干、研磨取得四氧化三铁粉末；再将含有四氧化三铁粉末的去离子水与二水合硫酸钼和硫脲溶混合反应；取反应产物用乙醇和去离子水洗涤后烘干，得铁磁性四氧化三铁颗粒负载的硫化钼复合物。检测方法成本较低，简单、可靠、灵敏度高，对于六价铬离子浓度为0.5～328 μmol·dm-3范围的都能准确检出具体含量。

专利名称：测定钼铁合金中磷含量的分析方法

专利申请号：CN201510683361.5

公开号：CN105259159A

申请日：2015.10.20

公开日：2016.01.20

申请人：武汉钢铁(集团)公司

本发明公开了一种测定钼铁合金中磷含量的方法。该方法包括制备试样溶液、制备标准溶液、绘制标准曲线和对照标准曲线计算试样中磷元素的含量，在试样溶液制备过程中，采用氢氧化铁共沉淀磷，将磷与基体钼分离，避免了大量的钼基体对磷元素含量测定引起的光谱干扰，降低了检测下限，保证了检测结果的准确性，有效降低了测试误差，重复性好。本发明避免了有机溶剂的使用，有效杜绝了有机试剂使用对人体及环境的危害；操作简便，测量快速，大大缩短了分析时间，提高了分析效率，节约了大量人力物力。

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 凯(1985—)，男，工程师，主要从事钼金属及化工设备的开发及研究工作。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