熱電耐火材料

摘要 在全社會倡導低碳理念踐行低能耗、低排放、低污染的今天工業(yè)生產(chǎn)能源利用率的提高將對環(huán)境保護起到非常重要的作用。作者將熱電材料與耐火材料有機的結(jié)合到一起研發(fā)出一種能利用余熱發(fā)電的耐火材料，并且此種材料具有建筑材料應(yīng)有的性能。作為一種新型筑爐材料若將其應(yīng)用到窯爐的修筑上熱電耐火材料能夠?qū)⒂酂徂D(zhuǎn)化為電能大大降低窯爐燃燒過程中的熱量散失提高能源利用率。

關(guān)鍵詞 低碳 余熱發(fā)電 熱電效應(yīng) 耐火材料

引言

隨著能源供需矛盾及環(huán)境惡化問題的日趨突出如何最大限度的提高能源的利用率已成為世界各國普遍關(guān)注的問題。工業(yè)窯爐是工業(yè)生產(chǎn)中的主要耗能設(shè)備因此工業(yè)窯爐余熱的合理利用是解決能源短缺問題的一個重要方面。而這其中新型優(yōu)質(zhì)特種耐火材料的研制開發(fā)更是關(guān)系到窯爐節(jié)能工作能否成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。高溫工藝所需的能量通常僅有一少部分是真正用于技術(shù)工藝的這些工藝的能量損失比實際所需能量還要多。各種工業(yè)窯爐的熱效率僅在10%—60%范圍內(nèi)在大多數(shù)情況下不到30%。例如陶瓷窯爐中相當多的一部分能量通過爐壁散失于空氣中約占燒結(jié)所需能耗的15%—30%。此種熱量的散失不僅造成巨大的能源浪費而且惡化了窯爐周圍的工作環(huán)境。我們對通過爐壁散失的熱量加以利用將其轉(zhuǎn)化為電能建造一種爐壁能夠自動利用余熱發(fā)電的窯爐在此種窯爐的建造過程中我們首先要解決的問題就是熱電轉(zhuǎn)換耐火材料的研發(fā)。

1 耐火材料的重要使用性能

耐火材料長期處在高溫條件下還要經(jīng)受熔融爐渣及高腐蝕性爐氣的沖刷、侵蝕經(jīng)受溫度驟變及各種應(yīng)力的綜合影響經(jīng)受機械和物料的撞擊和磨損作用。因此首先了解一下耐火材料的重要使用性能對材料的選取是非常有用的。

耐火度：耐火材料在無荷重時抵抗高溫作用而不熔融和軟化的性能。表征材料抵抗高溫作用的性能。

荷重軟化溫度：耐火材料承受恒定壓負荷并以一定升溫速度的加熱條件下產(chǎn)生變形的溫度。表征材料抵抗壓力和高溫共同作用而保持穩(wěn)定的能力。

高溫體積穩(wěn)定性：耐火材料在高溫下長期使用時其外形尺寸保持穩(wěn)定不發(fā)生變化的性能。

抗熱震性：耐火磚等制品對溫度迅速變化或循環(huán)變化所產(chǎn)生損傷的抵抗性能。包括抗熱震斷裂性、抗熱震損傷性。

抗渣性：耐火材料在高溫下抵抗爐渣及其他熔融液的侵蝕和沖刷作用的能力。

在設(shè)計和修建窯爐時要求所選用材料具有較高的耐火度、荷重軟化溫度并且高溫體積穩(wěn)定性、抗熱震性、抗渣性要好也要具有高的密實性和常溫、高溫耐磨性。注重材料性能的同時也要結(jié)合經(jīng)濟性原則耐火材料的使用不僅關(guān)系到生產(chǎn)過程能否順利進行而且在生產(chǎn)成本中也占有一定比重。通過合理選材保證耐火材料滿足實際應(yīng)用需要的條件下我們對其進行進一步開發(fā)在耐火磚內(nèi)部建造一種能將熱能轉(zhuǎn)化為電能的結(jié)構(gòu)。

2 設(shè)計原理

余熱發(fā)電主要是利用熱電材料的熱電效應(yīng)產(chǎn)生電流而設(shè)計的。熱電效應(yīng)是電流引起的可逆熱效應(yīng)和溫差引起的電效應(yīng)的總稱它包括塞貝克（Seebeck）效應(yīng)帕爾帖（Peltier）效應(yīng)和湯姆遜（Thomson）效應(yīng)。這三個效應(yīng)奠定了熱力學熱電理論發(fā)展的基礎(chǔ)。在這里我們應(yīng)用的是溫差引起的電效應(yīng)，并且此種熱電耐火材料主要理論基礎(chǔ)為塞貝克效應(yīng)下面介紹一下塞貝克效應(yīng)。

塞貝克效應(yīng)

半導體材料的兩端如果存在溫度差那么在較高溫度區(qū)有更多的電子被激發(fā)到導帶中去但熱電子趨向于擴散到較冷的區(qū)域結(jié)果在半導體兩端就產(chǎn)生溫差電動勢。這種現(xiàn)象首先由塞貝克發(fā)現(xiàn)因此也稱之為塞貝克效應(yīng)。

定義：在兩種不同導電材料構(gòu)成的閉合回路中當兩個接點溫度不同時回路中產(chǎn)生的電勢使熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N現(xiàn)象。

塞貝克效應(yīng)是指由于兩種不同導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間存在電壓差的熱電現(xiàn)象。如圖1所示n型和p型半導體材料兩端節(jié)點存在溫差⊿T 時便會產(chǎn)生Seebeck 電勢⊿V定義Seebeck 電勢率αV/T當⊿T→0 時寫成:

α=dV/dt=﹣（Vh-Vc）/（Th-Tc）

α稱為塞貝克系數(shù)其符號、大小均于半導體材料本身的性質(zhì)及兩節(jié)點的溫度差有關(guān)。（Vh-Vc）為半導體高溫區(qū)與低溫區(qū)之間的電位差（Th-Tc）為溫度差。

由于半導體材料的溫差電動勢較大所以可用半導體作成溫差發(fā)電器。

1單電偶臂溫差發(fā)電結(jié)構(gòu) 溫差發(fā)電利用的是半導體的熱電效應(yīng)。半導體溫差發(fā)電如圖2。所示它由N型和P型半導體電偶臂、導熱覆蓋基板、導流層三部分構(gòu)成。當電偶臂兩端存在溫差時P、N 兩種不同半導體材料將產(chǎn)生塞貝克Seebeck效應(yīng)故而在回路中產(chǎn)生電流。

?2多電偶臂溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)

溫差的大小以及材料本身的性能決定只有單對電偶臂時，此結(jié)構(gòu)輸出功率很低，所以我們考慮將數(shù)量不等的單電偶臂溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)串聯(lián)起來再由金屬導電板和耐火材料封裝起來，就可以制成不同規(guī)格的溫差發(fā)電耐火磚即耐火材料中間夾著串聯(lián)在一起的熱電偶（如圖3）。多電偶臂溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)中電流方向如圖4所示。由于每一對電偶都在相同的溫差下工作并且每一電偶對之間是相互串聯(lián)的因此整個發(fā)電結(jié)構(gòu)的輸出功率就是單電偶臂輸出功率與電偶臂對數(shù)的乘積。所以在較低溫差下也可以獲得較高輸出功率。

通過控制耐火磚內(nèi)熱電偶的對數(shù)即可控制其輸出功率。將此種耐火磚運用到窯爐修筑上電偶臂兩端便會一直維持在一定的溫差下電流就會源源不斷地在回路中產(chǎn)生。這就是此種熱電耐火磚的熱—電能量轉(zhuǎn)換方式。

單對PN型電偶臂溫差發(fā)電器主要包括電絕緣導熱耐火材料覆蓋片、導流片和PN 電偶臂。導熱耐火材料覆蓋層需要有較高的耐火度這樣就可以增大熱電材料耐火磚的應(yīng)用范圍，可將其應(yīng)用到較高溫度環(huán)境中獲得較大溫差提高輸出功率。導流層需要有較高電導率電偶臂半導體材料也要有較高的塞貝克系數(shù)這樣也可以提高輸出功率增大轉(zhuǎn)化效率。

由于此種磚的熱—電轉(zhuǎn)化過程中沒有廢液、廢氣等污染物的產(chǎn)生是一種對環(huán)境近乎零，排放的轉(zhuǎn)換過程而且提高能源利用率即相當于減少了對能源的消耗，也就減少了能源消耗過程中對環(huán)境的污染，這對于環(huán)境保護、改善人類生存條件和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。此外轉(zhuǎn)換過程中不需要機械運動部件不需要附加的驅(qū)動、轉(zhuǎn)動系統(tǒng)因而沒有震動和噪音產(chǎn)生。

結(jié)束語

選用耐火材料時我們首先要掌握所要修建窯爐的結(jié)構(gòu)特點、熱工制度和生產(chǎn)工藝條件。然后結(jié)合各種耐火材料具有的特性正確選擇和合理使用相應(yīng)的耐火材料將合適的材料運用到合適的部位上充分發(fā)揮各種耐火材料的優(yōu)點。在保證窯爐正常運行的前提下采取合理的措施進一步提高窯爐的運行效率提高能源的利用率。熱電材料耐火磚正是提高工業(yè)能源利用率的有效措施之一。盡管目前溫差發(fā)電效率還較低但因其利用的是余熱是對能源利用率的一種提高具有良好的綜合社會經(jīng)濟效益。相信隨著環(huán)保意識的加強以及對未來能源匱乏問題的擔心此種熱電材料耐火磚作為一種適用范圍廣、符合環(huán)保的綠色能源技術(shù)一定會受到越來越多的關(guān)注。

參考文獻

關(guān)振鐸等《無機材料物理性能》北京清華大學出版社1992。

張旭東等《無機非金屬材料學》濟南山東大學出版社2000

宋希文、安勝利《耐火材料概論》北京化學工業(yè)出版社2009

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