發(fā)展隔熱耐火材料的意義及前景

施永益 張新財(cái) 江群英 朱振華

摘要：總書(shū)記在“領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會(huì)”上宣布：“中方力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！碧歼_(dá)峰是指全國(guó)溫室氣體排放達(dá)到頂峰，碳中和是指碳生產(chǎn)和碳消納的平衡，實(shí)現(xiàn)碳負(fù)荷歸零。由于中國(guó)承諾實(shí)現(xiàn)從碳達(dá)峰到碳中和的時(shí)間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于發(fā)達(dá)國(guó)家所有時(shí)間，需要付出艱苦的努力。“十四五”是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期。按照中央決策部署，中國(guó)將重點(diǎn)聚焦在構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系、實(shí)施重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域減污降碳行動(dòng)、推動(dòng)綠色低碳技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大突破、完善綠色低碳政策和市場(chǎng)體系、倡導(dǎo)綠色低碳生活、提升生態(tài)碳匯能力等方面。

關(guān)鍵詞：隔熱耐火材料;分類(lèi);高效節(jié)能;發(fā)展前景

引言

在水泥生產(chǎn)過(guò)程中，一般將水泥生產(chǎn)工藝分為“兩磨一燒”，其中一燒為熟料燒成工藝。熟料制備完成過(guò)程全部在燒成系統(tǒng)完成。耐火材料在燒成系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用在預(yù)熱器、回轉(zhuǎn)窯、三次風(fēng)管及篦冷機(jī)系統(tǒng)等高溫部位。在生產(chǎn)實(shí)踐中因?yàn)槟突鸩牧蠐p壞造成的停窯、減產(chǎn)等事故層出不窮。近年來(lái)隨著水泥窯產(chǎn)量的不斷提高，對(duì)耐火材料的使用壽命提出了更高的要求。通過(guò)實(shí)踐證明，對(duì)耐火材料施工過(guò)程中進(jìn)行優(yōu)化，可以延長(zhǎng)使用壽命。

1隔熱耐火材料的分類(lèi)

隔熱耐火材料根據(jù)其使用溫度、體積密度、生產(chǎn)方法、原料和使用方法的不同分為五大類(lèi)。隔熱耐火材料不同于普通致密耐火材料，輕質(zhì)隔熱耐火材料的明顯特點(diǎn)就是氣孔率比較高，大部分都高于45%，并且氣孔孔徑比較粗大;而普通致密耐火材料是燒結(jié)相對(duì)徹底的耐火產(chǎn)品，其氣孔率不到20%，且有較小的氣孔孔徑，例如：黏土磚的孔徑在2～60μm之間，硅磚的孔徑在19～21μm之間，鎂磚的孔徑在26～28μm之間。耐火纖維主要有耐高溫及耐腐蝕性兩大特點(diǎn)，這兩點(diǎn)是普通纖維不能比擬的。它特定的纖維狀結(jié)構(gòu)，使其不僅柔軟而且還有一定的抗拉強(qiáng)度和彈性。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步加工，可以加工成很多種實(shí)用型制品，比如紙張、毯、線等，也可用作爐襯。它作為爐襯具備以下優(yōu)點(diǎn)：不需要接觸高速氣流和熔渣，可以直接與火焰觸碰;密封性和隔音、過(guò)濾效果好;廣泛應(yīng)用于航空、建造業(yè)等工業(yè)部門(mén)。

2發(fā)展隔熱耐火材料的意義

雙碳背景下耐火材料所服務(wù)的主要高溫行業(yè)的發(fā)展據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)制造業(yè)占GDP比重為27.2%，典型流程工業(yè)包括石化、化工、鋼鐵、有色、建材等行業(yè)總產(chǎn)值占全國(guó)企業(yè)年總產(chǎn)值的51.98%。規(guī)模龐大的流程制造業(yè)背后是巨高的碳排放，其中，基礎(chǔ)原材料工業(yè)對(duì)CO2排放的貢獻(xiàn)占比70%，因?yàn)槲覈?guó)制造過(guò)程中高碳排放的生鐵、粗鋼、氧化鋁、水泥、10種有色金屬以及石化和化工產(chǎn)品等產(chǎn)量連續(xù)多年位居世界第一，這也是我國(guó)單位GDP能耗是世界平均水平的130%、碳排放量占世界的28%的主要原因之一。據(jù)測(cè)算，我國(guó)單位GDP能耗要達(dá)到目前世界的平均水平，意味著每年需減少10億t標(biāo)煤的消耗，節(jié)能減碳潛力巨大。因此，電力、鋼鐵、有色、化工、建材等高溫行業(yè)是我國(guó)節(jié)能降碳的重點(diǎn)領(lǐng)域，目前這些高碳排放行業(yè)已制定和推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和行動(dòng)方案和技術(shù)路線圖，在碳中和與去產(chǎn)能的巨大壓力驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)業(yè)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、科技創(chuàng)新等全面發(fā)力，其碳達(dá)峰、碳中和時(shí)間表上均超前2030年和2060年。耐火材料是高溫工業(yè)的重要支撐，不可或缺，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科技創(chuàng)新與節(jié)能降碳重點(diǎn)高溫行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)路徑息息相關(guān)，在雙碳背景下耐火材料的發(fā)展充滿了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

3窯內(nèi)耐火磚受熱應(yīng)力情況

回轉(zhuǎn)窯是一個(gè)高溫設(shè)備，耐火磚在不同溫度下晶型轉(zhuǎn)變帶來(lái)的體積熱膨脹變化必須給予足夠重視。熱負(fù)荷是指窯內(nèi)襯在烘爐溫升過(guò)程中，耐火材料因受高溫產(chǎn)生的熱膨脹，造成相鄰耐火材料之間相互擠壓。以鎂鋁尖晶石磚為例，1 400℃時(shí)的膨脹率按1.6%計(jì)算，長(zhǎng)198mm的耐火磚其膨脹量可達(dá)3.16mm。在回轉(zhuǎn)窯大量使用堿性轉(zhuǎn)的情況下，其膨脹量是很大的，有文獻(xiàn)指出在回轉(zhuǎn)窯烘窯至1 000℃時(shí)，如果沒(méi)有窯筒體和環(huán)縫對(duì)膨脹的補(bǔ)償，可導(dǎo)致耐火磚承受300MPa的壓應(yīng)力，這差不多相當(dāng)于耐火磚所承受耐壓強(qiáng)度的6倍，為此，回轉(zhuǎn)窯點(diǎn)火烘窯初期嚴(yán)格按照升溫制度進(jìn)行升溫保溫就特別重要，如果升溫過(guò)快，窯筒體的溫度來(lái)不及升上去，就不能補(bǔ)償耐火磚的膨脹，造成耐火磚的壓應(yīng)力急劇升高。為確保耐火磚的使用壽命，必須嚴(yán)格按照升溫曲線升溫，在點(diǎn)火初期采用油為燃料，升溫速度﹤30℃/h，>400℃時(shí)，采用煤為燃料，升溫速度控制在﹤50℃/h，實(shí)踐中由于煤燃燒的可控性差，很不容易控制穩(wěn)定的升溫速度，所以建議延長(zhǎng)油煤混燒的時(shí)間，以便較好地控制升溫速度，這對(duì)保護(hù)耐火材料是極其有利的。

4隔熱耐火材料的發(fā)展前景

20世紀(jì)90年代末，隔熱保溫材料技術(shù)在中國(guó)開(kāi)始發(fā)展，現(xiàn)在隔熱保溫材料在國(guó)內(nèi)的發(fā)展已相對(duì)成熟，并被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)品類(lèi)型多達(dá)20多種。比如，粉粒狀保溫隔熱耐火材料（漂珠隔熱材料）用于制造航天飛機(jī)用的隔熱保護(hù)層材料，與耐火纖維材料相比，漂珠隔熱制品的使用壽命長(zhǎng)、不老化、不脫落，漂珠隔熱材料的原料來(lái)源豐富、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、能耗少，其能耗僅為傳統(tǒng)輕質(zhì)磚的1/2、耐火纖維的1/20。不言而喻，隔熱保溫材料已經(jīng)迎來(lái)了全面應(yīng)用的時(shí)代。目前，世界各國(guó)對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)和環(huán)保相當(dāng)重視，在自然資源越來(lái)越緊缺的大背景下，我們必須順應(yīng)形勢(shì)，不斷加強(qiáng)原料的開(kāi)發(fā)創(chuàng)新，積極推進(jìn)相關(guān)基礎(chǔ)研究工作的進(jìn)一步發(fā)展，加大力度調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高隔熱耐火材料行業(yè)的集中度，從而有效提升原料利用率，并可利用新型技術(shù)開(kāi)發(fā)出更有價(jià)值、滿足更多需求的新型隔熱保溫材料。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)多年來(lái)對(duì)耐火材料施工實(shí)踐，對(duì)施工工藝及關(guān)鍵部位耐火材料施工優(yōu)化，嚴(yán)格按照相關(guān)工藝施工，可以保證耐火材料施工完畢后可靠耐用。對(duì)不同公司施工后的耐火材料使用跟蹤表明，優(yōu)化施工后的耐火材料使用壽命大幅度提高。以前經(jīng)常發(fā)生的耐火磚脫落、扭曲、擠壓變形，耐火材料表面炸裂、脫落、變形等情況基本上不再發(fā)生。通過(guò)對(duì)耐火材料施工優(yōu)化可以有效延長(zhǎng)耐火材料使用壽命，給生產(chǎn)提產(chǎn)增效提供了保障，使水泥企業(yè)達(dá)到了節(jié)能降耗、節(jié)約成本等目的。

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