CN103305040A

CN103305040A - 一种复合红外辐射涂料及其制备方法和一种红外辐射涂层

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Publication number: CN103305040A
Application number: CN2013102726831A
Authority: CN
Inventors: 赵立英; 廖应峰; 王刚; 刘平安; 李正曦; 陈进
Original assignee: GUANGDONG KING-STRONG MATERIAL ENGINEERING Co Ltd
Current assignee: GUANGDONG KING-STRONG MATERIAL ENGINEERING Co Ltd
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-07-01
Also published as: CN103305040B

Abstract

本发明提供了一种复合红外辐射涂料，所述复合红外辐射涂料由组分A与组分B按重量比为100：（6～15）混合而成；其中，所述组分A中含有具有稳定尖晶石结构的复合红外粉料、刚玉粉、气相法白炭黑和水玻璃；所述组分B为氟硅酸盐促凝剂。本发明还提供了所述复合红外辐射涂料的制备方法和由该复合红外辐射涂料形成的红外辐射涂层。本发明提供的复合红外辐射涂料，具有良好的高温稳定性和红外辐射性能，全波段辐射率长期稳定在0.9以上。采用该复合红外辐射涂料涂覆与锅炉炉衬耐火材料和水冷壁管热交换器表面，能有效提高锅炉的热效率。

Description

一种复合红外辐射涂料及其制备方法和一种红外辐射涂层

技术领域

本发明涉及新材料和节能技术领域，具体涉及一种复合红外辐射涂料及其制备方法和一种红外辐射涂层。

背景技术

众所周知，热量传递以传导、对流和辐射三种方式进行。在低温阶段热量传递以对流为主，而在高温阶段（800℃以上）则以辐射传热为主。对于工业炉中的锅炉来说，水冷壁管向火面吸收的热量主要来自炉墙辐射方式传递的热量，然后主要以辐射和热传导的方式与水冷壁管内部流动的水进行热量交换。以前锅炉节能改造主要是提高炉壁耐火材料的绝热性能来减少热量损失，而忽视了锅炉水冷壁管和炉衬直接参与炉内传热方面的作用和其表面辐射性能对炉内传热和热交换的影响。此外，金属材料的红外辐射性能远低于耐火材料，且与表面状况紧密相关。因此，可通过有效提高锅炉水冷壁管的黑度，强化表面辐射传热和提高水冷壁管的传导换热能力，从而有效地缩短炉子的升温时间和减少排烟热量损失，也可以达到良好的节能效果。

国外性能较好的红外节能原材料主要采用辐射率较高的过渡金属氧化物、氮化物、碳化物和硼化物的多元体系，红外辐射材料的开发重点主要集中在通过高温烧结提高红外辐射率及其稳定性方面。国内实现工程应用的红外辐射涂料产品对红外辐射材料的组成与结构的控制则比较粗放，往往是将各种氧化物经过简单的机械混合后直接用于配制涂料，通过在高温使用过程中各种氧化物之间的固相反应，来形成所需要的红外辐射组分。而简单的将各种红外辐射粉料通过机械混合方式的工艺方法，其难以从根本上控制涂层中红外辐射组分的组成与结构，造成涂层的红外辐射性能与节能效果产生波动、涂层的耐热震稳定性差等缺陷，在实际应用中涂层经常出现脱落等问题，影响了其推广应用。而且煤粉等含硫量较高的燃料容易腐蚀基材或在涂层表面形成大量结焦，使涂层的节能效果明显下降，导致锅炉的热效率较低。

发明内容

本发明解决了现有技术中的红外辐射涂料存在的红外辐射性能与节能效果差导致锅炉热效率较低的技术问题。

本发明提供了一种复合红外辐射涂料，所述复合红外辐射涂料由组分A与组分B按重量比为100：（6～15）混合而成；

其中，所述组分A中含有具有稳定尖晶石结构的复合红外粉料、刚玉粉、气相法白炭黑和水玻璃；所述组分B为氟硅酸盐促凝剂。

本发明还提供了所述的复合红外辐射涂料的制备方法，包括按各组分按比例混合均匀即可。

最后，本发明一种红外辐射涂层，所述红外辐射涂层通过将本发明提供的复合红外辐射涂料涂覆至基材表面形成。

本发明提供的复合红外辐射涂料，采用具有尖晶石结构的复合红外粉料作为增黑剂，使涂层具有高且稳定的辐射率和吸收率；采用水玻璃作为粘接剂，并加入氟硅酸盐促凝剂，通过氟硅酸盐的水解，增加了SiO₂胶体的浓度，水解生成的HF可以中和水玻璃水解产物中的NaOH，解决强碱性水玻璃腐蚀和污染基材的问题；同时中和反应生成的NaF具有极低的表面能，可以显著降低飞灰在涂层表面的附着、有效减少结焦；在涂料中加入刚玉粉作为增硬耐磨剂，能有效提高涂层的硬度、耐磨和抗冲刷性能，延长了涂层的使用寿命。将本发明提供的复合红外辐射涂料涂覆于炉衬耐火材料和水冷壁管热交换器表面，通过提高炉衬辐射能力和水冷壁管受热面的升温速度，从而提高水冷壁管与液体介质的热交换能力，降低锅炉的排烟热损失，从而提高锅炉的热效率。

具体实施方式

本发明提供的复合红外辐射涂料，采用具有尖晶石结构的复合红外粉料作为增黑剂，使涂层具有高且稳定的辐射率和吸收率；采用水玻璃作为粘接剂，并加入氟硅酸盐促凝剂，通过氟硅酸盐的水解，增加了SiO₂胶体的浓度，水解生成的HF可以中和水玻璃水解产物中的NaOH，解决强碱性水玻璃腐蚀和污染基材的问题；同时中和反应生成的NaF具有极低的表面能，可以显著降低飞灰在涂层表面的附着、有效减少结焦；在涂料中加入刚玉粉作为增硬耐磨剂，能有效提高涂层的硬度、耐磨和抗冲刷性能，延长了涂层的使用寿命。

本发明中，所述复合红外粉由过渡金属氧化物MnO₂、Fe₂O₃、CuO、Co₂O₃、Cr₂O₃、NiO中的至少一种烧结而成。

本发明中，为便于涂料体系中各组分的均匀分散，优选情况下，所述组分A中所有粉料的粒径均≥320目。

优选情况下，所述组分A中，复合红外粉料的含量为40～60wt%，刚玉粉的含量为5～20wt%，气相法白炭黑的含量为1～3wt%，水玻璃的含量为25～50wt%。

本发明中，所述刚玉粉作为硬耐磨剂，其能有效提高涂层的硬度、耐磨和抗冲刷性能，延长涂层的使用寿命。所述刚玉可采用现有技术中常用的白刚玉、棕刚玉、黑刚玉中的一种或多种，但不局限于此。

其中，所述水玻璃的作用为粘接剂，其可采用现有技术中常见的各种水玻璃，例如可以选自水溶性硅酸钠、水溶性硅酸钾中的至少一种，但不局限于此。

本发明中，所述氟硅酸盐促凝剂选自氟硅酸钠、氟硅酸钾、氟硅酸锂中的至少一种。

本发明中，采用水玻璃作为粘接剂，并加入氟硅酸盐促凝剂，其中以硅酸钠水玻璃和氟硅酸钠促凝剂为例，粘接剂和促凝剂按以下机理反应：

NaOH+HF→NaF+H₂O

通过氟硅酸盐的水解，增加了SiO₂胶体的浓度，提高了粘接剂的耐高温性和粘接强度；同时水解生成的HF可以中和水玻璃水解产物中的NaOH，解决强碱性水玻璃腐蚀和污染基材的问题；同时，中和后生成NaF具有极低的表面能，具有自润滑性，飞旋的物料与涂层接触时，会产生滑落，可以显著降低飞灰在涂层表面的附着、有效减少结焦；促凝剂的加入，可缩短涂料成膜和硬化时间，提高施工效率。

综上，本发明提供的复合红外辐射涂料，具有良好的高温稳定性和红外辐射性能，全波段辐射率长期稳定在0.9以上。

本发明还提供了所述的复合红外辐射涂料的制备方法，包括按各组分按比例混合均匀即可。例如，可以直接先将组分A、B分别混合均匀后，再将二者混合，也可直接将所有组分一次性混合，本发明没有特殊限定。

最后，本发明一种红外辐射涂层，所述红外辐射涂层通过将本发明提供的复合红外辐射涂料涂覆至基材表面形成。本发明中，所述基材为炉衬耐火材料和水冷壁管热交换器。

锅炉炉膛中辐射换热占总换热量的95%以上，而采用本发明提供的红外辐射涂层可以改变光谱特性，并在整个波长范围内都具有很高的辐射能量，而高温烟气中由CO₂和H₂O等三原子气体组成的不发光火焰只在极窄的光谱带内具有辐射和吸收能力。因此，本发明中在炉衬耐火材料和水冷壁管热交换器表面涂覆本发明体固定复合红外辐射涂料（其发射率高于基材发射率），可明显提高炉衬和水冷壁管吸热和辐射能力，加快受热面升温速度，提高炉膛与水冷壁管的辐射换热以及水冷壁管与液体介质的热交换能力，减少高温烟气的排烟热损失，从而提高锅炉的热效率。

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

将以下重量份数称取各原料，其中组分A中所有粉料粒径均≥320目，混合得到后得到本实施例的复合红外辐射涂料S1：

组分A：尖晶石结构的复合红外粉料 40重量份；

白刚玉 5重量份、

棕刚玉 5重量份、

黑刚玉 10重量份、

气相法白炭黑 1重量份、

硅酸钠水玻璃 39重量份，

其中，尖晶石结构的复合红外粉由50%MnO₂、30%Fe₂O₃、10%CuO、5%Co₂O₃、5%Cr₂O₃混合均匀后压制成块，在1300℃烧结2h后冷却至室温，粉碎制成粒径D90≥325目的粉末。

组分B：氟硅酸钠促凝剂；

组分A与组分B的重量比为100：9。

在热电BG-75/39-MI型75吨煤粉锅炉的炉衬耐火材料表面涂覆上述复合红外辐射涂料S1，涂层厚度为0.5mm；在水冷壁管热交换器表面涂覆上述复合红外辐射涂料S1，涂层厚度为100μm，形成的红外辐射涂层的辐射率为0.90；该锅炉节能5%以上，排烟温度降低14℃，锅炉受热面的耐磨和结焦情况得到明显改善。

实施例2:

将以下重量份数称取各原料，其中组分A中所有粉料粒径均≥320目，混合得到后得到本实施例的复合红外辐射涂料S2：

组分A：尖晶石结构的复合红外粉料 60重量份；

棕刚玉 12重量份；

气相法白炭黑 3重量份；

硅酸钠水玻璃 25重量份；

其中，尖晶石结构的复合红外粉由60%MnO₂、20%Fe₂O₃、10%CuO、5%Co₂O₃、5%NiO混合均匀后压制成块，在1250℃烧结2h后冷却至室温粉碎制成粒径D90≥400目的粉末。

组分B：氟硅酸钾促凝剂；

组分A与组分B的重量比为100：6。

在制药企业DZL4-1.25-AⅡ（SW）卧式快装链条炉排燃煤锅炉的炉衬耐火材料涂覆上述复合红外辐射涂料S2，涂层厚度为1mm；在水冷壁管热交换器表面涂覆上述复合红外辐射涂料S2，涂层厚度为80μm，形成的红外辐射涂层的辐射率为0.92；该锅炉的热效率提高为4%，排烟温度降低64℃。

实施例3:

将以下重量份数称取各原料，其中组分A中所有粉料粒径均≥320目，混合得到后得到本实施例的复合红外辐射涂料S3：

组分A：尖晶石结构的复合红外粉料 50重量份；

白刚玉 10重量份；

气相法白炭黑 2重量份；

硅酸钾水玻璃 38重量份；

其中，尖晶石结构的复合红外粉由70%MnO₂、20%Fe₂O₃、5%CuO、5%Co₂O₃混合均匀后压制成块，在1280℃烧结2h后冷却至室温粉碎制成粒径D90≥500目的粉末。

组分B：氟硅酸锂促凝剂；

组分A与组分B的重量比为100：11。

在钢厂自备电站用75吨燃气锅炉炉衬耐火材料表面涂覆上述复合红外辐射涂料S3，涂层厚度为0.3mm；在水冷壁管热交换器表面涂覆上述复合红外辐射涂料S3，涂层厚度为60μm，形成的红外辐射涂层的辐射率为0.91；该锅炉单位时间蒸汽产量增加6.7%，节能4.3%以上，排烟温度降低13℃，受热面的结焦情况得到明显改善。

实施例4:

将以下重量份数称取各原料，其中组分A中所有粉料粒径均≥320目，混合得到后得到本实施例的复合红外辐射涂料S4：

组分A：尖晶石结构的复合红外粉料 43重量份；

黑刚玉 5重量份；

气相法白炭黑 2重量份；

水玻璃 50重量份；

其中，尖晶石结构的复合红外粉由50%MnO₂、20%Fe₂O₃、10%CuO、5%Cr₂O₃、5%Co₂O₃、10%NiO混合均匀后压制成块，在1260℃烧结2h后冷却至室温粉碎制成粒径D90≥325目的粉末。

组分B为氟硅酸钠促凝剂；

组分A与组分B的重量比为100：15。

在KZL4-13-AⅡ型4吨燃煤锅炉炉衬耐火材料表面涂覆上述复合红外辐射涂料S4，涂层厚度为0.6mm；水冷壁管热交换器表面涂覆上述复合红外辐射涂料S4，涂层厚度为80μm，形成的红外辐射涂层的辐射率为0.90；该锅炉热效率提高4.767%，节煤率为6.87%。

以上实施例仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，所作出的若干改进，也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种复合红外辐射涂料，其特征在于，所述复合红外辐射涂料由组分A与组分B按重量比为100：（6～15）混合而成；

其中，所述组分A中含有具有稳定尖晶石结构的复合红外粉料、刚玉粉、气相法白炭黑和水玻璃；

所述组分B为氟硅酸盐促凝剂。

2.根据权利要求1所述的复合红外辐射涂料，其特征在于，所述复合红外粉料由过渡金属氧化物MnO₂、Fe₂O₃、CuO、Co₂O₃、Cr₂O₃、NiO中的至少一种烧结而成。

3.根据权利要求1所述的复合红外辐射涂料，其特征在于，所述组分A中所有粉料的粒径均≥320目。

4.根据权利要求1所述的复合红外辐射涂料，其特征在于，所述组分A中，复合红外粉料的含量为40~60wt%，刚玉粉的含量为5~20wt%，气相法白炭黑的含量为1~3wt%，水玻璃的含量为25~50wt%。

5.根据权利要求1或4所述的复合红外辐射涂料，其特征在于，所述水玻璃选自水溶性硅酸钠、水溶性硅酸钾中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的复合红外辐射涂料，其特征在于，所述组分B中，氟硅酸盐促凝剂选自氟硅酸钠、氟硅酸钾、氟硅酸锂中的至少一种。

7.权利要求1所述的复合红外辐射涂料的制备方法，其特征在于，包括按各组分按比例混合均匀即可。

8.一种红外辐射涂层，其特征在于，所述红外辐射涂层通过将权利要求1-7任一项所述的复合红外辐射涂料涂覆至基材表面形成。

9.根据权利要求8所述的红外辐射涂层，所述基材为炉衬耐火材料和水冷壁管热交换器。