預(yù)熱器采用納米隔熱材料降耗效果定量分析

隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施和日益激烈的水泥市場競爭，節(jié)能降耗成為水泥行業(yè)更加迫切的需求和很多水泥廠生存的需要。納米隔熱材料（一般采用板狀，以下簡稱納米板）因具備隔熱性能優(yōu)良、易安裝、易更換等優(yōu)點(diǎn)，已受到越來越多水泥廠的關(guān)注和使用。采用納米板能降低設(shè)備表面溫度，降低熱耗，但相比常用的硅鈣板，具體效果究竟如何，目前還缺少有說服力的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，相關(guān)理論計(jì)算分析也不多見?？紤]一般性和代表性，筆者以某著名水泥設(shè)備技術(shù)公司開發(fā)的設(shè)計(jì)能力為6?000t/d的5級雙系列低氮型預(yù)熱器為例，對采用硅鈣板和納米板兩種情況進(jìn)行表面散熱計(jì)算和對比分析。1、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)1.1環(huán)境條件設(shè)定風(fēng)速：2.0m/s；海拔高度：0m；氣溫：0℃、10℃、20℃、30℃、40℃。1.2隔熱材料性能指標(biāo)（1）硅鈣板導(dǎo)熱系數(shù)按常用公式計(jì)算：λ=0.048+0.000?11t式中：λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；t——溫度，℃，取板面兩側(cè)溫度平均值。（2）納米板性能指標(biāo)選取國內(nèi)有代表性數(shù)據(jù)，如表1所示。（3）預(yù)熱器耐火磚主要選用高強(qiáng)耐堿磚和抗剝落高鋁磚，澆注料主要選用抗結(jié)皮澆注料、高強(qiáng)耐堿澆注料等，導(dǎo)熱系數(shù)一般為1.0~1.5W/（m·℃），由于此值對設(shè)備外表面溫度影響很小，為簡化計(jì)算，現(xiàn)取常用值1.3W/（m·℃）。表1納米板性能指標(biāo)1.3預(yù)熱器配置及參數(shù)預(yù)熱器配置及參數(shù)見表2。表2預(yù)熱器配置及參數(shù)*分解爐頂部為渦旋式。1.4預(yù)熱器熱工參數(shù)各部位內(nèi)表溫度取常規(guī)值，分布如表2所示，旋風(fēng)筒內(nèi)表面溫度取蝸殼、直段和錐部溫度平均值，連接風(fēng)管內(nèi)表面溫度取兩端氣溫平均值，C2~C5下料管內(nèi)表面溫度取料溫平均值。2、理論計(jì)算2.1計(jì)算方法1）旋風(fēng)筒/分解爐計(jì)算傳熱和表面散熱的公式如下：αr=εsCo[（Tw/100）4-（Tf/100）4]/（Tw-Tf）αc=K（Tw-Tf）0.25q=（αr+αc）×（Tw-Tf）Δt1=q×δ1/λ1Δt2=q×δ2/λ2Q=（Δt1+Δt2）/（δ1/λ1+δ2/λ2）式中：αr——輻射換熱系數(shù)，W/（m·℃）；εs——金屬黑度，取值0.8；Co——輻射系數(shù)，5.67W/（m2·K4）；Tw——外表面溫度，K；Tf——環(huán)境溫度，K；αc——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；K——系數(shù)，W/（m2·K），豎面取值2.56，頂面取值3.26，底面取值1.63；q——單位面積傳熱量，W/m2；Δt——冷熱面溫差，℃；δ——材料厚度，mm；λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；Q——單位表面散熱量，W/m2。2）下料管因管徑低于1.0m，采用的傳熱和表面散熱公式如下：as=1.163×（10+6w0.5）Q=（Tm-Tf）/[D3/（2λ1）×ln（D2/D1）+D3/（2λ2）

×ln（D3/D2）+1/as]式中：Tm——內(nèi)表溫度，℃；as——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；w——環(huán)境風(fēng)速，m/s；D3——隔熱層外徑，mm；D2——澆注料層外徑，mm；D1——澆注料層內(nèi)徑，mm。3）修正系數(shù)因預(yù)熱器布置上形成緊湊排列，各部位之間散熱相互影響，修正系數(shù)按0.90考慮。2.2計(jì)算結(jié)果在根據(jù)2.1所列公式進(jìn)行計(jì)算的過程中，需要進(jìn)行驗(yàn)算，以外表面預(yù)設(shè)溫度與計(jì)算溫度相差不大于2℃為準(zhǔn)。計(jì)算匯總結(jié)果如表3所示。表3預(yù)熱器外表面散熱匯總采用硅鈣板和納米板兩種情形下的外表面散熱分布見表4和表5，選擇3種代表性溫度。表4采用硅鈣板的外表面散熱分布表5采用納米板的外表面散熱分布3、分析及結(jié)論（1）環(huán)境溫度對外表面散熱的影響不太明顯，如散熱總量，0℃時(shí)為17.860×4.18kJ/kg.sh，40℃時(shí)為17.224×4.18kJ/kg.sh，僅減少3.6%。（2）C1散熱量占比約11%，超過C2~C5，其原因是表面積大及隔熱層較薄。需加強(qiáng)C1的保溫，建議采用外保溫措施，方便施工安裝和維護(hù)。（3）下料管散熱占比超10%，比重不小，其原因主要是隔熱層較薄，應(yīng)加厚隔熱層以減少散熱。建議可以適當(dāng)減少澆注料厚度或加大管徑以加厚隔熱層。（4）降耗效果。采用硅