燃氣輻射加熱技術(shù)在耐火材料干燥的應用

摘 要

摘要：介紹了燃氣輻射加熱技術(shù)在耐火材料干燥中的應用，探討了燃氣輻射加熱裝置的設(shè)計，對燃氣輻射干燥窯進行了測試，研究了干燥窯內(nèi)部的溫度分布，對燃氣輻射加熱和電輻射加熱進行經(jīng)
摘要：介紹了燃氣輻射加熱技術(shù)在耐火材料干燥中的應用，探討了燃氣輻射加熱裝置的設(shè)計，對燃氣輻射干燥窯進行了測試，研究了干燥窯內(nèi)部的溫度分布，對燃氣輻射加熱和電輻射加熱進行經(jīng)濟性比較。
關(guān)鍵詞：燃氣輻射加熱；耐火材料；電輻射加熱；溫度分布；經(jīng)濟性比較
Application of Gas Radiation Heating Technology to Drying of Refractory Material
SHEN Hai-bo，REN Qing-sheng，YANG Jun-jie，F(xiàn)U Hao-ka，PENG Shi-ni，LIA0 Xiong
Abstract：The application of gas radiation heating technology to drying of refractory material is introduced，the design of gas radiation heating device is discussed，and the gas radiation drying kiln is tested. The temperature distribution in the drying kiln is studied，and the economic comparison between gas radiation heating and electric radiation heating is performed.
Key words：gas radiation heating；refractory material；electric radiation heating；temperature distribution；economic comparison
1 概述
目前，耐火材料廠采用的干燥技術(shù)主要為傳統(tǒng)熱風加熱技術(shù)和電輻射加熱技術(shù)[1、2]。熱風加熱技術(shù)是利用氣體作為干燥介質(zhì)，以一定的速度吹拂耐火磚表面，使耐火磚得以干燥，干燥時間較長，效率較低；電輻射加熱技術(shù)是利用電能釋放紅外線，耐火磚吸收紅外線產(chǎn)生激烈的共振現(xiàn)象，使耐火磚迅速變熱而干燥，干燥均勻，效率高，但是電輻射加熱耗電量大，在用電高峰生產(chǎn)往往無法正常進行。
燃氣輻射加熱技術(shù)是利用燃氣燃燒釋放紅外線來輻射加熱耐火磚，避免了高溫煙氣或熱風直接與耐火磚接觸，提高了熱效率和產(chǎn)品質(zhì)量，比電輻射加熱技術(shù)成本低，節(jié)約能源，緩解用電負荷對生產(chǎn)的影響，因此研究燃氣輻射加熱技術(shù)具有廣泛的市場價值和社會意義。在此就燃氣輻射加熱技術(shù)應用于耐火材料的生產(chǎn)進行探討。
2 燃氣輻射加熱裝置的設(shè)計
    20世紀90年代以來，國內(nèi)的耐火行業(yè)一改以往的傳統(tǒng)熱風干燥工藝，采用電輻射加熱技術(shù)，取得了良好的效果。本文以電干燥窯為參考，建造一座燃氣輻射干燥窯，其寬度和高度與電干燥窯相同，寬度為1530mm，高度為1870mm，長度縮短為2300mm。干燥窯中燃氣輻射加熱裝置的設(shè)計至關(guān)重要，直接影響到燃氣輻射加熱技術(shù)的實現(xiàn)和干燥效果。
    ① 紅外輻射元件的選擇
   需要干燥的耐火磚是由樹脂等高分子有機材料結(jié)合劑結(jié)合的鎂碳磚和鎂鋁碳磚，其主要成分為氧化鎂、氧化鋁和高分子樹脂，幾乎所有的高分子材料在波長3～4μm和6～15μm都有強烈的吸收[3]。
    紅外輻射元件是將燃料燃燒釋放的熱能輻射給被加熱物體的關(guān)鍵部件，其表面與燃燒火焰及高溫煙氣直接接觸，工作環(huán)境惡劣，容易被局部灼燒和氧化，導致材料失效。因此，在設(shè)計時選用石英玻璃紅外發(fā)射管作為加熱元件，它不需要涂層，純度高，化學穩(wěn)定性好，耐高溫，熱膨脹系數(shù)小，發(fā)射率高達0.90以上。石英玻璃紅外發(fā)射管經(jīng)燃氣燃燒加熱后，表面溫度為250～500℃，此溫度下主要的輻射能量波長為5～12μm(而一般被加熱物體都對波長為3～15μm的輻射能量有較強的吸收)，價格也不高，是一種理想的紅外輻射元件。
   ② 燃氣燃燒器
   燃氣燃燒器是燃氣輻射加熱裝置的核心部件，根據(jù)燃料的種類和干燥窯的加熱負荷開發(fā)出專用的燃氣燃燒器，該燃燒器是一種低壓引射式半預混燃燒器，燃燒負荷調(diào)節(jié)范圍為3～12kW，過剩空氣系數(shù)為1.16～1.17，具有良好的火焰穩(wěn)定性，在頻繁開關(guān)的情況下，不至于回火或嚴重積碳。
3 燃氣輻射干燥窯的試驗測試
    燃氣輻射干燥窯的底部鋪設(shè)2道鋼軌，將耐火磚放置于小車架被推入窯中，在加熱過程中，耐火磚原地不動，吸收紅外輻射能量而升溫。耐火磚的擺放位置及溫度測點布置見圖1。
 

    由圖1可見，小車架自上而下共擺放5層耐火磚，每層耐火磚的中部布置1個溫度測點，第3層耐火磚橫向布置4個溫度測點，以各溫度測點為控制點，研究干燥窯內(nèi)部的溫度分布情況。
    干燥窯內(nèi)耐火磚縱向測點和橫向測點的溫度隨保溫時間的變化分別見圖2和圖3。
 

    由圖2可知，上層耐火磚的溫度比下層耐火磚的溫度高，這是由于在輻射加熱過程中，熱空氣上升導致耐火磚上層溫度較高，但是隨著保溫時間的延長，下層耐火磚的溫度明顯上升，從而縮小了各層耐火磚的溫度差異。由圖3可知，靠近輻射管的耐火磚(如測點8處)溫度較高，隨著與輻射管的距離增大，耐火磚的溫度逐漸降低，但是總體溫度分布相差不大，可以認為耐火磚在水平方向上是被均勻加熱的。
    總體而言，耐火磚采用燃氣輻射加熱技術(shù)后，縱向的溫度分布有一定的差異，但是通過延長保溫時間可以縮小溫差，橫向的溫度分布比較均勻，滿足耐火磚的加熱工藝要求。
4 燃氣與電輻射加熱的經(jīng)濟性分析
    燃氣輻射干燥窯的燃氣輻射管和燃燒器可拆卸，可以將燃氣輻射管和燃燒器替換為電輻射管實現(xiàn)電輻射加熱，即在同一座干燥窯內(nèi)可以實現(xiàn)燃氣輻射加熱和電輻射加熱2種加熱方式。
    分別采用燃氣輻射加熱方式和電輻射加熱方式對耐火磚進行干燥試驗測試，測試條件基本相同。
   ① 燃氣輻射加熱方式：加熱時間為14.38h，耐火磚的總質(zhì)量為950.3kg，窯內(nèi)控制溫度為170℃。
   ② 電輻射加熱方式：加熱時間為15.00h，耐火磚的總質(zhì)量為950.3kg，窯內(nèi)控制溫度為170℃。
   分別對2種加熱方式進行了能耗、熱效率和費用的分析比較，結(jié)果見表1。其中，燃氣價格以3元/m3計，電價格以0.6元/(kW·h)計；熱效率等于耐火磚吸熱量、水的潛熱、水的升溫顯熱三者的和除以消耗的總熱量。
表1 2種加熱方式的經(jīng)濟性分析
加熱方式
燃氣消耗量/m3
電消耗量/(kW·h)
熱效率/%
費用/元
燃氣輻射加熱
20.007
0
48.3
60
電輻射加熱
0.000
147
72.0
88
   試驗結(jié)果表明，燃氣輻射加熱方式比電輻射加熱方式熱效率低，這是因為燃氣燃燒產(chǎn)生的煙氣全部排放，產(chǎn)生了熱損失，而電輻射加熱不存在煙氣排放，效率較高。但從經(jīng)濟性分析可見，燃氣輻射加熱比電輻射加熱節(jié)省費用約30%。
5 結(jié)論
   ① 由于紅外線具有一定的穿透能力，因此采用燃氣輻射加熱技術(shù)可使耐火磚表里基本上均勻受熱，其熱擴散和濕擴散幾乎一致，避免了耐火磚的開裂和變形，是一種理想的加熱方法。而直接加熱烘干的方法，由于表面水分蒸發(fā)過快，與耐火磚內(nèi)部水分擴散不相適應，造成耐火磚表里含水不均，容易開裂和變形。
   ② 燃氣輻射加熱技術(shù)避免了熱風或煙氣直接與耐火磚接觸，不會導致局部燒損或煙塵侵襲，有助于提高產(chǎn)品的質(zhì)量。
    ③ 燃氣輻射加熱技術(shù)相比于電輻射加熱技術(shù)，熱效率較低，但經(jīng)濟性較好，同時緩解了用電負荷對生產(chǎn)的影響。
參考文獻：
[1] 秦朝葵，徐吉浣，任興超.燃氣紅外技術(shù)在陶瓷生產(chǎn)中的應用[J].煤氣與熱力，2001，21(5)：416-419.
[2] 高季忠，蔡天榮，孫繼宗，等.電熱遠紅外線干燥木材的試驗與分析[J].南京林產(chǎn)工業(yè)學院學報，1982，(2)：65-75.
[3] 王剛.遠紅外加熱技術(shù)在耐火材料干燥生產(chǎn)中的應用及干燥窯設(shè)計[J].鞍鋼技術(shù)，2006，(4)：39-43.
 
(本文作者：申海波1 任勃生1 楊俊杰1 付浩卡2 彭世尼2 廖雄1 1.新奧燃氣技術(shù)研究發(fā)展有限公司 河北廊坊 065001；2.重慶大學 城市建設(shè)與環(huán)境工程學院 重慶 400045)