红外加热技术在耐火行业的应用

红外加热技术在耐火行业的应用

1远红外加热干燥水泥生产技术在19世纪初发现的情况下，它通常被称为红棕色。它在20世纪40年代的生产和生活中得到了充分应用。此后又发现了远红外线,多数含有水分的有机物质、高分子材料等在远红外区具有更多的吸收带。从20世纪70年代起,远红外加热技术被广泛应用于工农业生产中。这项新技术具有高效、温控精度高、节能、环保等优点,多年来被国内外机电、化学、电子纺织、印染、塑料、印刷、粮食、食品加工、医学卫生、皮革等许多行业广泛应用。将远红外加热技术应用于耐火材料的干燥生产中,也取得了较好的效果。自20世纪90年代开始,国内的耐火行业一改以往用烧煤、重油等传统干燥器的干燥工艺,而采用这项新技术来干燥砖坯。鞍钢耐火材料公司油砖车间有两条生产线,一条是炉罐衬生产线,一条是滑动水口生产线。因缺少合适的干燥设备,生产能力受到了制约,产品质量也受到了影响。为了提高产品质量,充分发挥生产能力,需要建设一条干燥生产线。结合干燥工艺要求,我们为该车间设计并建成了两条远红外隧道干燥窑,这是鞍钢第一次将远红外加热技术应用于耐火行业。几年来的生产实践证明,采用远红外加热技术可使干燥温度实现自动控制,温控精度高、干燥后产品质量稳定、生产环境良好、无烟尘污染、节省能源,取得了预期的效果。现以本设计为例,对远红外加热技术在耐火材料领域的应用及干燥窑设计中各种设备的选择等进行探讨。2加热方式远红外线辐射加热方法与传统加热方法不同,它是以辐射为主,靠物体本身吸收红外线光能达到内部升温,在升温过程中内外温度比较均匀;而传统的加热方法是以靠热气体对流和传导加热为主,当被加热物件较大时,容易出现物体内外温差大、产品易产生变形等缺陷。传统的加热方式能耗大、热效率低,而远红外辐射加热热效率相对较高。2.1输工具及辅助设施(1)干燥对象与生产指标。(2)生产工艺流程与技术要求。(3)干燥窑的生产率。(4)被干燥产品干燥时挥发性气体情况。(5)传输工具及辅助设施的选择:包括设备的形式、干燥制度、入炉出炉温度。(6)隧道干燥窑的形式及有关参数:干燥窑结构特点、窑壁结构、窑门形式、通风方式;金属及保温材料的性能(应尽量减少炉体热损失);通过加强窑壁材料的反射,提高窑壁热阻和减轻窑墙自重,加强窑体封闭,防止不必要的辐射损失和对流损失,提高热效率。(7)厂内电网电压波动范围、波峰波谷用电、自动化控制等。(8)车间内温度的常年波动范围,采暖通风要求。2.2工艺设计2.2.1远红外隧道干燥窑考虑到该车间镁碳砖和滑板砖的产量以及长远发展,结合现场调查及生产实际进行工艺布置,确定建设两条并列的远红外隧道干燥窑,并预留一条隧道干燥窑的位置。工艺流程为:生产的砖坯→码入砖架→10t桥式钓钩起重机将砖架放在干燥车上→钢绳返车机推动干燥车→3t带推杆电拖车运送、推入干燥窑→两条远红外隧道干燥窑加热→3t无推杆电拖车运送→10t桥式钓钩起重机将砖架放入成品库→成品码垛。2.2.2隧道干燥槽的设计(1)小体积、小间隙的挡墙工艺在满足被加热物体进出条件下,原则上窑门越小越好,以减少窑门散热。根据进入窑内的小车和砖架的宽度,每侧加必要的间隙50～100mm。入窑侧采用提升窑门,出窑侧采用对开窑门,均采用钢结构内衬硅酸铝耐火纤维板保温,在窑门对接等缝隙处采用耐热橡胶密封。(2)窑车数量的确定窑长L=nL1+2L2式中n——一条窑内窑车的数量,一般根据产量和场地布置情况确定;L1——窑车长度;L2——两端窑门距离窑车的间隙,一般取200～300mm。(3)小体积、热元件距离窑宽B=b1+2b2+2b3+2b4式中b1——窑内干燥小车宽度;b2——加热元件距离小车的距离;b3——加热元件距离窑内壁的距离;b4——窑壁厚度。(4)姚高窑高H=h1+h2+h3式中h1——窑车装载物件后高度;h2——窑车上端距窑顶间隙;h3——窑顶的窑壁厚度。(5)窑壳的选择隧道式干燥窑外壳可采用红砖砌筑、金属轻型窑壳等。红砖砌筑投资少,但占地面积相对较大;金属轻型窑壳采用镀锌铁板与槽钢焊接而成,成本相对较高,但占地面积小,施工方便,只需将焊接的窑壳组装即可。在投资条件允许的情况下,从长远打算,选择金属轻型窑壳较理想。本设计选择的是金属轻型窑壳,设计时将窑体分成若干段,制造后现场组装。各段窑体间留有膨胀缝,膨胀缝采用耐火纤维毡填充。从当时施工及投产后使用看,效果均很好,施工方便,在使用过程中窑体密封性好,干燥过程中挥发性气体不能从窑壁向厂房内扩散,确保了操作者良好的工作环境,也减少了热能从窑壁的散失。(6)纤维喷涂技术①耐火材料物料和砖坯的干燥温度都要求在200～400℃,如果干燥窑外壳选用红砖砌筑,由于红砖本身有一定的保温性能,所以一般不另加保温层。但红砖的导热系数比耐火纤维高得多,所以采用红砖砌筑的窑体通过窑壁损失的热能相对较大。②如果选择金属外壳,需要在内外壁间加上一定厚度的保温材料(耐火隔热砖、耐火纤维等)。从隔热砖与耐火纤维的综合性能比较看,耐火纤维热容小、导热系数低、热稳定性好,可减薄保温层的厚度,减少占地面积。耐火纤维层厚度可通过窑内最高加热温度及窑壁外温度(35℃左右)来确定。③耐火纤维预制块、耐火纤维毡、耐火纤维毯等材料的传统施工方法存在一些缺点,如施工中其内衬和外包层不可避免地造成纤维块间接缝以及拐角、异型面等处施工困难,此外,使用过程中因纤维材料的热收缩性,使保温层接缝处间隙加大、密封性差,造成热能流失。另一方面,因为人体与耐火纤维直接接触,散落的耐火纤维碎屑对职工身体健康构成威胁,并且易污染环境。为克服这些弊端,近几年来新开发了纤维喷涂技术,即在耐火纤维中加入适量的添加剂,通过专用的纤维喷涂设备,将专用高温结合剂均匀喷入纤维流,使二者同时喷到窑壳的内表面上,经干燥后即可。该方法可以一次喷涂施工,施工所得的窑衬无接缝,并且由于散状的耐火纤维在喷涂过程中形成了三维网状结构,使内衬层较坚固,具有一定的整体强度和较强的抗撕裂能力,寿命大大提高,加快了施工速度,缩短了工期。(7)反射系数的选择对采用远红外加热元件的干燥窑来说,其内壁材质也是不可缺少的防止远红外线散失的关键之一。传统的干燥窑窑体材料只要保温即可,对内壁材料无特殊要求。但采用红外线作为加热手段的远红外隧道干燥窑却不同,除了考虑保温要求外,还要考虑内壁材料对红外线的吸收、反射和透过能力。为了充分利用能源,希望内壁材料对红外线的反射率越高越好,而吸收和透过率越低越好,以确保红外线不被窑体吸收、不透过窑体,在窑体内反复反射,使加热物体吸收更多的红外线辐射能,降低能源损耗,提高能源利用率。因此,选择反射系数高的金属板制作窑体内壁最佳。红外线在电磁波谱中的位置决定了它与微波和可见光的共性——直线传播。当一束红外线投射到物体表面(或介质的分界面)时,一部分被物体表面反射,使一部分入射的辐射红外线被返回到原来的介质,其余部分射入物体内部。而进入物体内部的红外线,一部分将透过物质,一部分被物体吸收,转变为热能(如图1,P=PR+PA+PT)。也就是说,加热元件所辐射的远红外线在干燥窑内壁会有反射、吸收和透过现象。此外,除了考虑远红外线干燥窑内壁应有高反射系数外,还应从耐热、耐腐蚀、表面稳定性和经济性能等几方面综合考虑。各种金属的反射系数见表1和图2。从表1和图2可看出,镀金表面的反射系数最大,但太昂贵;银和抛光的铝反射系数虽大,但使用后反射系数很快会因表面黯淡而降低;镀铬表面反射效果也不好;纯铝和白铁皮很快会因失去光泽而使反射系数降低;钢的反射系数偏低;只有电氧化处理后的铝反射系数高且较经济。从图2中特种合金铝的反射曲线可以看出,这种铝的反射率很大,在波长0.5μm以上很宽的波段内反射率变化不大,也很稳定,因此选用铝板作为远红外线隧道干燥窑的内壁,是一种较理想的选择。2.2.3加热系统的设计(1)砖体保温能耗在设计热工炉窑时,需要进行热平衡计算,通过热平衡计算来确定加热元件的功率,以便选用合适的加热元件。计算时需考虑以下能耗:①砖坯加热到指定干燥温度(酚醛树脂结合的镁碳砖或铝镁碳砖最佳干燥温度按200℃计算)时的耗热量;②通过干燥窑壁和地面的散热量;③加热传送装置(如小车、砖架等)的耗热量;④通过窑门缝隙散失的热量;⑤为控制窑内挥发物浓度而换气时的耗热量;⑥考虑到其它耗热量,在计算中应对结果乘1.1～1.2的储备系数。(2)远红外辐射元件的布置和确定①远红外加热元件类型的选择远红外加热元件即远红外辐射元件的选定主要是由热源的类别和被加热物体的形态决定的。热源类别为燃油、煤气、电等。在电力供应充足地区,从方便、自动化控制程度等方面考虑,选择电作为热源较理想。电热式辐射元件形状主要分三类:一是管状元件,适合加热小型和平面状工件;二是灯泡状元件,适合加热大型和非平面状工件;三是板状元件,通用于二者之间。需要干燥的物体是指树脂等高分子有机材料结合剂结合的镁碳砖和镁铝碳砖,其主要成分为氧化镁、氧化铝和高分子树脂。通过查主要有机物或高分子材料吸收(或透射)光谱(以忽略反射率计算),透射率为100%时,吸收率为0;透射率为0时,相当于吸收率为100%。几乎所有的高分子材料在3～4μm和6～15μm都有强烈的吸收带,如氧化镁、氧化铝在3～7μm之间有强烈的吸收带,各类树脂在波长范围5～12μm之间有强烈的吸收带。我们在设计中选用型号为SHQ的乳白石英管红外发射管作为加热元件,它不需要涂层,无污染、无有害辐射、化学稳定性好、耐高温、热惯性小,辐射波长为3～13μm(而一般被加热物体都在3～15μm区域有较强的吸收),价格也不高,通电后第一热源电阻丝产生可见光和红外光,其中95%以上被乳白石英玻璃所阻挡并吸收,使管壁温度升高。在乳白石英管的管壁上,每平方厘米有2000～8000个直径为0.3～0.8mm的气泡,气泡在石英玻璃中形成二相系,气泡折射率为1.0,玻璃相为1.5。光波在两相系界面产生多次折射和反射,光子能量传递给Si-O分子,产生纯硅氧键的分子振动,辐射出远红外线,使95%以上的可见光和远红外光转为远红外辐射,提高了电能利用率。对于远红外辐射元件安放的位置,设计中从以下几方面加以考虑:a)根据热平衡和升温到最高温度的时间计算所需远红外辐射元件的总功率,如果考虑不同的升温时间要求,可将所有石英管分成多路控制电源,以达到控制升温速度的目的。此外,多路电源控制可为石英管在设计时留有较大余量提供条件,避免个别石英管过早损坏。b)从维修替换方便考虑,所有石英管规格、功率选择应一致。c)石英管在窑长度方向上均匀布置,以确保在干燥窑内温度相同。d)应根据被加热物体高度,将石英管布置在适中偏下位置;考虑到干燥器内部因空气自然对流的关系造成干燥窑内上部气温高于底部气温,也会使被干燥物体上部和下部产生温差,影响干燥质量,因此,原则上按总功率分配为:下部1/2、中部1/3、上部1/6。本设计分三排布置远红外辐射元件,高度方向上上疏下密,上下间距大致为3∶2∶2。②远红外辐射元件的布置和总支数的确定远红外幅射元件在干燥窑高度方向分三排布置在窑内壁两侧,长度方向上按间隔50～100mm均匀布置,两侧距离窑门200～300mm。根据生产厂家的参数及干燥制度、安装和检修条件等,选定远红外辐射元件长度为1.1m左右,以此确定每条干燥窑的远红外辐射元件总数为P。③远红外幅射元件单支功率的确定为便于检修和更换,窑内远红外辐射元件宜采用相同功率,根据布置总数P和总功率W总,求得单支功率:W=W总/P同时,结合生产厂家提供的远红外辐射元件参数对单支功率进行取整。3干燥窑及焦炉烟气(1)通过在窑顶热电偶所测量的窑内温度,设计了计算机自动控制系统,在超过给定的温度区间190±10℃时,电源执行断电、给电动作。(2)为了确保隧道干燥窑加热制度和升温控制灵活,考虑不同的升温时间要求,将所有远红外辐射元件分成两路或多路控制电源(本设计分成三路控制电源),以达到控制升温速度的目的,既可通过三路电源同时控制加热,提高升温速度,又可在保温阶段只用一路电源,避免电路系统的频繁断电和启动。现场使用证明,三路电源控制系统方便控制,可满足多种干燥制度要求。(3)远红外隧道干燥窑在干燥砖坯的过程中,砖坯中的水分和其它结合剂等产生挥发性气体,因此在远红外窑中间部位窑顶上设置了一个高于地面15m的烟囱,烟囱入口处安装一调节阀门,通过控制阀门的开闭,调节排气量的大小。如有特殊需要,当加热干燥产生强烈刺激性有毒气体时,也可设置风机机械引风,在窑内造成微弱的负压操作。当排放有害、毒性气体超过国家标准时,还应该考虑安装净化除尘装置。本设计采用了自然通风方式,并在烟囱底部安装了手动蝶阀来调节排气量。运行中发现,挥发树脂类容易在蝶阀上挂油,时间长了给手动操作蝶阀带来困难,应该采用电动阀门。(4)干燥窑内壁布满了远红外电热元件,从安全生产考虑,窑内壁和外壁必须安全接地,接地电阻不大于4Ω,并设置漏电保护装置。(5)对干燥窑厂房内的采暖、采光、给排水、照明等均按国家规范进行了设计,满足了生产岗位操作需求。4制备远红外隧道热窑的技术特点远红外隧道干燥窑具有下列特点:(1)外形为长方形,两端有门,炉膛底部铺设两条铁轨,受热物件放置于小车架推入窑中,在加热过程中,受热物体原地静止不动,吸收远红外辐射能量加热升温。(2)采用隧道窑式布局,受热物体排成一列,互不遮挡,能受到较均匀的辐射,采用间歇式作业,克服了两端窑门频繁开关造成进风而散失热量的缺点。(3)加热完毕打开两端窑门,从一端推入小车,待加热产品的小车依次进入窑内后,已干燥完产品的