热电耐火材料

热电耐火材料

摘要 在全社会倡导低碳理念践行低能耗、低排放、低污染的今天工业生产能源利用率的提高将对环境保护起到非常重要的作用。作者将热电材料与耐火材料有机的结合到一起研发出一种能利用余热发电的耐火材料，并且此种材料具有建筑材料应有的性能。作为一种新型筑炉材料若将其应用到窑炉的修筑上热电耐火材料能够将余热转化为电能大大降低窑炉燃烧过程中的热量散失提高能源利用率。

关键词 低碳 余热发电 热电效应 耐火材料

引言

随着能源供需矛盾及环境恶化问题的日趋突出如何最大限度的提高能源的利用率已成为世界各国普遍关注的问题。工业窑炉是工业生产中的主要耗能设备因此工业窑炉余热的合理利用是解决能源短缺问题的一个重要方面。而这其中新型优质特种耐火材料的研制开发更是关系到窑炉节能工作能否成功的关键环节之一。高温工艺所需的能量通常仅有一少部分是真正用于技术工艺的这些工艺的能量损失比实际所需能量还要多。各种工业窑炉的热效率仅在10%—60%范围内在大多数情况下不到30%。例如陶瓷窑炉中相当多的一部分能量通过炉壁散失于空气中约占烧结所需能耗的15%—30%。此种热量的散失不仅造成巨大的能源浪费而且恶化了窑炉周围的工作环境。我们对通过炉壁散失的热量加以利用将其转化为电能建造一种炉壁能够自动利用余热发电的窑炉在此种窑炉的建造过程中我们首先要解决的问题就是热电转换耐火材料的研发。

1 耐火材料的重要使用性能

耐火材料长期处在高温条件下还要经受熔融炉渣及高腐蚀性炉气的冲刷、侵蚀经受温度骤变及各种应力的综合影响经受机械和物料的撞击和磨损作用。因此首先了解一下耐火材料的重要使用性能对材料的选取是非常有用的。

耐火度：耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔融和软化的性能。表征材料抵抗高温作用的性能。

荷重软化温度：耐火材料承受恒定压负荷并以一定升温速度的加热条件下产生变形的温度。表征材料抵抗压力和高温共同作用而保持稳定的能力。

高温体积稳定性：耐火材料在高温下长期使用时其外形尺寸保持稳定不发生变化的性能。

抗热震性：耐火砖等制品对温度迅速变化或循环变化所产生损伤的抵抗性能。包括抗热震断裂性、抗热震损伤性。

抗渣性：耐火材料在高温下抵抗炉渣及其他熔融液的侵蚀和冲刷作用的能力。

在设计和修建窑炉时要求所选用材料具有较高的耐火度、荷重软化温度并且高温体积稳定性、抗热震性、抗渣性要好也要具有高的密实性和常温、高温耐磨性。注重材料性能的同时也要结合经济性原则耐火材料的使用不仅关系到生产过程能否顺利进行而且在生产成本中也占有一定比重。通过合理选材保证耐火材料满足实际应用需要的条件下我们对其进行进一步开发在耐火砖内部建造一种能将热能转化为电能的结构。

2 设计原理

余热发电主要是利用热电材料的热电效应产生电流而设计的。热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称它包括塞贝克（Seebeck）效应帕尔帖（Peltier）效应和汤姆逊（Thomson）效应。这三个效应奠定了热力学热电理论发展的基础。在这里我们应用的是温差引起的电效应，并且此种热电耐火材料主要理论基础为塞贝克效应下面介绍一下塞贝克效应。

塞贝克效应

半导体材料的两端如果存在温度差那么在较高温度区有更多的电子被激发到导带中去但热电子趋向于扩散到较冷的区域结果在半导体两端就产生温差电动势。这种现象首先由塞贝克发现因此也称之为塞贝克效应。

定义：在两种不同导电材料构成的闭合回路中当两个接点温度不同时回路中产生的电势使热能转变为电能的一种现象。

塞贝克效应是指由于两种不同导体或半导体的温度差异而引起两种物质间存在电压差的热电现象。如图1所示n型和p型半导体材料两端节点存在温差⊿T 时便会产生Seebeck 电势⊿V定义Seebeck 电势率αV/T当⊿T→0 时写成:

α=dV/dt=﹣（Vh-Vc）/（Th-Tc）

α称为塞贝克系数其符号、大小均于半导体材料本身的性质及两节点的温度差有关。（Vh-Vc）为半导体高温区与低温区之间的电位差（Th-Tc）为温度差。

由于半导体材料的温差电动势较大所以可用半导体作成温差发电器。

1单电偶臂温差发电结构 温差发电利用的是半导体的热电效应。半导体温差发电如图2。所示它由N型和P型半导体电偶臂、导热覆盖基板、导流层三部分构成。当电偶臂两端存在温差时P、N 两种不同半导体材料将产生塞贝克Seebeck效应故而在回路中产生电流。

 2多电偶臂温差发电结构

温差的大小以及材料本身的性能决定只有单对电偶臂时，此结构输出功率很低，所以我们考虑将数量不等的单电偶臂温差发电结构串联起来再由金属导电板和耐火材料封装起来，就可以制成不同规格的温差发电耐火砖即耐火材料中间夹着串联在一起的热电偶（如图3）。多电偶臂温差发电结构中电流方向如图4所示。由于每一对电偶都在相同的温差下工作并且每一电偶对之间是相互串联的因此整个发电结构的输出功率就是单电偶臂输出功率与电偶臂对数的乘积。所以在较低温差下也可以获得较高输出功率。

通过控制耐火砖内热电偶的对数即可控制其输出功率。将此种耐火砖运用到窑炉修筑上电偶臂两端便会一直维持在一定的温差下电流就会源源不断地在回路中产生。这就是此种热电耐火砖的热—电能量转换方式。

单对PN型电偶臂温差发电器主要包括电绝缘导热耐火材料覆盖片、导流片和PN 电偶臂。导热耐火材料覆盖层需要有较高的耐火度这样就可以增大热电材料耐火砖的应用范围，可将其应用到较高温度环境中获得较大温差提高输出功率。导流层需要有较高电导率电偶臂半导体材料也要有较高的塞贝克系数这样也可以提高输出功率增大转化效率。

由于此种砖的热—电转化过程中没有废液、废气等污染物的产生是一种对环境近乎零，排放的转换过程而且提高能源利用率即相当于减少了对能源的消耗，也就减少了能源消耗过程中对环境的污染，这对于环境保护、改善人类生存条件和可持续发展具有重要意义。此外转换过程中不需要机械运动部件不需要附加的驱动、转动系统因而没有震动和噪音产生。

结束语

选用耐火材料时我们首先要掌握所要修建窑炉的结构特点、热工制度和生产工艺条件。然后结合各种耐火材料具有的特性正确选择和合理使用相应的耐火材料将合适的材料运用到合适的部位上充分发挥各种耐火材料的优点。在保证窑炉正常运行的前提下采取合理的措施进一步提高窑炉的运行效率提高能源的利用率。热电材料耐火砖正是提高工业能源利用率的有效措施之一。尽管目前温差发电效率还较低但因其利用的是余热是对能源利用率的一种提高具有良好的综合社会经济效益。相信随着环保意识的加强以及对未来能源匮乏问题的担心此种热电材料耐火砖作为一种适用范围广、符合环保的绿色能源技术一定会受到越来越多的关注。

参考文献

关振铎等《无机材料物理性能》北京清华大学出版社1992。

张旭东等《无机非金属材料学》济南山东大学出版社2000

宋希文、安胜利《耐火材料概论》北京化学工业出版社2009

本文由河南耐火材料厂整理，如需转载请注明出处：

http://www.zzhoudd.com/news/8092.html