摘要在全社會倡導低碳理念，踐行低能耗、低排放、低汙染的今天，工業生產能源利用率的提高將對環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合到一起，研發出一種能利用餘熱發電的耐火材料，並且此種材料具有建築材料應有的效能。作為一種新型築爐材料，若將其應用到窯爐的修築上，熱電耐火材料能夠將餘熱轉化為電能，大大降低窯爐燃燒過程中的熱量散失，提高能源利用率。
關鍵詞低碳餘熱發電熱電效應耐火材料
引言隨著能源供需矛盾及環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注的問題。工業窯爐是工業生產中的主要耗能裝置，因此工業窯爐餘熱的合理利用是解決能源短缺問題的乙個重要方面。而這其中，新型優質特種耐火材料的研製開發更是關係到窯爐節能工作能否成功的關鍵環節之一。
高溫工藝所需的能量通常僅有一少部分是真正用於技術工藝的，這些工藝的能量損失比實際所需能量還要多。各種工業窯爐的熱效率僅在10%—60%範圍內，在大多數情況下不到30%。例如，陶瓷窯爐中相當多的一部分能量通過爐壁散失於空氣中，約佔燒結所需能耗的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境。我們對通過爐壁散失的熱量加以利用，將其轉化為電能，建造一種爐壁能夠自動利用餘熱發電的窯爐，在此種窯爐的建造過程中，我們首先要解決的問題就是：熱電轉換耐火材料的研發。
1 耐火材料的重要使用效能
耐火材料長期處在高溫條件下，還要經受熔融爐渣及高腐蝕性爐氣的沖刷、侵蝕，經受溫度驟變及各種應力的綜合影響，經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效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效能。表徵材料抵抗高溫作用的效能。
荷重軟化溫度：耐火材料承受恆定壓負荷並以一定公升溫速度的加熱條件下產生變形的溫度。表徵材料抵抗壓力和高溫共同作用而保持穩定的能力。
高溫體積穩定性：耐火材料在高溫下長期使用時，其外形尺寸保持穩定不發生變化的效能。
抗熱震性：耐火製品對溫度迅速變化或迴圈變化所產生損傷的抵抗效能。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，並且高溫體積穩定性、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。注重材料效能的同時也要結合經濟性原則，耐火材料的使用不僅關係到生產過程能否順利進行，而且在生產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用需要的條件下，我們對其進行進一步開發，在耐火磚內部建造一種能將熱能轉化為電能的結構。
2 設計原理
餘熱發電主要是利用熱電材料的熱電效應產生電流而設計的。熱電效應是電流引起的可逆熱效應和溫差引起的電效應的總稱，它包括塞貝克(seebeck)效應，帕爾帖(peltier)效應和湯姆遜(thomson)效應。這三個效應奠定了熱力學熱電理論發展的基礎。
在這裡我們應用的是溫差引起的電效應，並且此種熱電耐火材料主要理論基礎為塞貝克效應，下面介紹一下塞貝克效應。
塞貝克效應
半導體材料的兩端如果存在溫度差，那麼在較高溫度區有更多的電子被激發到導帶中去，但熱電子趨向於擴散到較冷的區域，結果在半導體兩端就產生溫差電動勢。這種現象首先由塞貝克發現，因此也稱之為塞貝克效應。
定義：在兩種不同導電材料構成的閉合迴路中，當兩個接點溫度不同時，迴路中產生的電勢使熱能轉變為電能的一種現象。
塞貝克效應是指由於兩種不同導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間存在電壓差的熱電現象。如圖1所示，n型和p型半導體材料兩端節點存在溫差⊿t 時，便會產生seebeck 電勢⊿v，定義seebeck 電勢率α=v/t,當⊿t→0 時,寫成
α = dv/dt=-（vh-vc）/(th-tc
α 稱為塞貝克係數,其符號、大小均於半導體材料本身的性質及兩節點的溫度差有關。（vh-vc）為半導體高溫區與低溫區之間的電位差，（th-tc）為溫度差.
圖1半導體的塞貝克效應圖
由於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電器。
1．單電偶臂溫差發電結構
溫差發電利用的是半導體的熱電效應。半導體溫差發電如圖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生塞貝克（seebeck）效應，故而在迴路中產生電流，
圖 2 單對電偶臂溫差發電結構
2．多電偶臂溫差發電結構
溫差的大小以及材料本身的效能決定只有單對電偶臂時，此結構輸出功率很低，所以我們考慮將數量不等的單電偶臂溫差發電結構串聯起來，再由金屬導電板和耐火材料封裝起來．就可以製成不同規格的溫差發電耐火磚，即耐火材料中間夾著串聯在一起的熱電偶（如圖3）。多電偶臂溫差發電結構中電流方向如圖4所示。由於每一對電偶都在相同的溫差下工作，並且每一電偶對之間是相互串聯的，因此整個發電結構的輸出功率就是單電偶臂輸出功率與電偶臂對數的乘積。
所以在較低溫差下也可以獲得較高輸出功率。
圖3 多對電偶臂溫差發電結構
圖4 電偶臂中電流的方向
通過控制耐火磚內熱電偶的對數即可控制其輸出功率。將此種耐火磚運用到窯爐修築上，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迴路中產生。這就是此種熱電耐火磚的熱—電能量轉換方式
單對pn型電偶臂溫差發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用範圍，可將其應用到較高溫度環境中，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係數，這樣也可以提高輸出功率，增大轉化效率。
由於此種磚的熱—電轉化過程中沒有廢液、廢氣等汙染物的產生，是一種對環境近乎零排放的轉換過程，而且提高能源利用率即相當於減少了對能源的消耗，也就減少了能源消耗過程中對環境的汙染，這對於環境保護、改善人類生存條件和可持續發展具有重要意義。此外，轉換過程中不需要機械運動部件，不需要附加的驅動、轉動系統，因而沒有震動和噪音產生。
結束語選用耐火材料時我們首先要掌握所要修建窯爐的結構特點、熱工制度和生產工藝條件。然後結合各種耐火材料具有的特性，正確選擇和合理使用相應的耐火材料，將合適的材料運用到合適的部位上，充分發揮各種耐火材料的優點。在保證窯爐正常執行的前提下，採取合理的措施，進一步提高窯爐的執行效率，提高能源的利用率。
本文所研究的熱電材料耐火磚正是提高工業能源利用率的有效措施之一。儘管目前溫差發電效率還較低，但因其利用的是餘熱，是對能源利用率的一種提高，具有良好的綜合社會經濟效益。相信隨著環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範圍廣、符合環保的綠色能源技術一定會受到越來越多的關注。
參考文獻
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