建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐熱工理論分析及關(guān)鍵部件選型

（北京天譽(yù)科技有限公司，北京 100024）

經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展離不開各類工程項(xiàng)目的建設(shè)，建筑工程質(zhì)量對(duì)人的生命財(cái)產(chǎn)安全有著重大影響。各類火災(zāi)的日益增多使得人們對(duì)建筑材料及制品、建筑構(gòu)件在火災(zāi)作用下的性能變化以及由此產(chǎn)生的危害也日益關(guān)注。利用耐火試驗(yàn)爐來評(píng)價(jià)建筑材料及制品、構(gòu)件耐火性能是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的手段之一。國(guó)內(nèi)外建有很多這類試驗(yàn)爐。

國(guó)內(nèi)不少科研人員對(duì)建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐的相關(guān)設(shè)計(jì)研發(fā)做出了貢獻(xiàn)。鑒于已有的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)，并參閱各類窯爐的設(shè)計(jì)理論，對(duì)建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐的經(jīng)驗(yàn)熱工理論進(jìn)行歸納總結(jié)，形成一套可實(shí)際操作的方式方法。在此理論指導(dǎo)下，于2017年在西安建成樣板試驗(yàn)爐，并對(duì)各種理論數(shù)據(jù)進(jìn)行了理論驗(yàn)證，現(xiàn)已投入使用。

1 標(biāo)準(zhǔn)要求[1]

按GB/T9978.1-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗(yàn)爐內(nèi)平均溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律必須符合以下關(guān)系式：

T=345lg（8t+1）+20

式中：T-爐內(nèi)平均溫度，攝氏度（℃）；t-時(shí)間，分鐘（min）

該關(guān)系式表示的建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-平均溫度曲線如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線

2 爐體整體結(jié)構(gòu)

建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐一般包括爐體、燃?xì)夤艿?、助燃空氣管道、燃燒裝置及溫度與壓力測(cè)試裝置、排煙風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)等組件[2]。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 耐火試驗(yàn)爐整體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 爐體結(jié)構(gòu)形式及尺寸

建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐的爐型主要有四種[3-4]：

1）水平爐,用于做梁、板、吊頂?shù)人浇ㄖ?gòu)件耐火試驗(yàn)；

2）墻爐,用于做墻、防火門、窗等非承重建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)；

3）柱爐,用于柱等承重建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)；

4）多功能爐,用于做梁、板、柱、墻等多種建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)。

建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐屬于墻爐，主要用于墻、門、窗等非承重建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)。爐體爐膛尺寸應(yīng)滿足GB/T9978－2008標(biāo)準(zhǔn)的要求，并結(jié)合1987年英國(guó)BS476Part20標(biāo)準(zhǔn)要求，其中GB/T9978－2008規(guī)定樣品受火面3m×3m，BS476Part20標(biāo)準(zhǔn)建議豎直試驗(yàn)受火面到爐內(nèi)壁的距離應(yīng)不小于0.6m，同時(shí)不大于1.3m[5]，考慮到燃燒器火焰對(duì)樣品的影響及整體燃燒功率，因此爐膛深度選擇1.2m，即：

V=3米寬×3米高×1.2米深

爐體選用聚輕高鋁磚、莫來石磚及鋯質(zhì)纖維棉塊耐火材料；爐底和爐壁采用砌筑方式，爐頂采用吊掛方式。

2.2 燃?xì)饪偣β?/h3>

建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐燃燒功率計(jì)算牽涉眾多參數(shù)，為了簡(jiǎn)化，計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式：

P理=c·t-0.5·S0.9·T1.55

式中：

P理-理論耗能總功率（kW）；

c-熱量損失系數(shù)；

t-升溫時(shí)間；

S-應(yīng)火面積（m2）;

T-爐膛最高溫度

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9978規(guī)定的溫升曲線，建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐前3小時(shí)溫升曲線曲率比較大，窯爐燃燒器屬于滿負(fù)荷運(yùn)行。根據(jù)溫升曲線計(jì)算公式可得：運(yùn)行時(shí)間3小時(shí)溫升1109.7℃。并以此為基本，對(duì)建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐功率進(jìn)行近似計(jì)算。

其中：t=3h；T=1109.7℃;S=6m2(標(biāo)準(zhǔn)立方體)；對(duì)于爐表溫升≤60℃的窯爐，熱量損失系數(shù)取c=7.5×10-4。

將相關(guān)參數(shù)代入經(jīng)驗(yàn)公式可得每立方米理論功率：

P理=7.5×10-4×3-0.5×60.9×1109.71.55≈113.6kW

一般取，P實(shí)=KP理, K=1.2-1.3，則：

P實(shí)=1.2×113.6kW～1.3×113.6kW≈136.3kW～147.68kW（每立方米）

取每立方米每小時(shí)需熱功140kW，建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐總功率即：

P總=V×P實(shí)=3*3*1.2*140=1512kW

2.3 燃燒器功率

借鑒國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，在爐體兩側(cè)爐壁安裝8個(gè)燒嘴（每側(cè)4個(gè)），向爐內(nèi)提供熱量，燃燒器燃燒產(chǎn)生火焰平行于試樣表面，而不撞擊試樣。

那么，每只燃燒器功率：

P燒=P總÷8=1512kW÷8=189kW

因此選用功率不低于200kw的燒嘴8只。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)考慮燒嘴的有效功率因數(shù)，選用240kW的燒嘴。

2.4 燃?xì)馊紵碚撚?jì)算

由前面熱工計(jì)算可得最大用氣量1512kW·h(1kW·h=860.04kcal), 則總功率約1512*860.04kcal=1300380.48kcal。天然氣每立方燃燒熱值8000-8500千卡，所以每小時(shí)最大用氣量需要消耗天然氣約152.98-162.54立方，取中間值155 立方，考慮不完全燃燒，過剩系數(shù)取1.15，即每小時(shí)需要天然氣量約180立方。

天然氣中主要成分為甲烷，燃燒方程式為：

CH4+2O2=CO2+2H2O

理論上，1立方甲烷燃燒需要2立方氧氣，釋放1立方二氧化碳和2立方水蒸氣，氧氣在空氣中含量為0.21，即燃燒1立方甲烷大概需要9.52立方空氣，產(chǎn)生10.52立方的煙氣。

根據(jù)天然氣特性查表得[6]:

1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方的天然氣，當(dāng)空氣過剩系數(shù)α=1時(shí)，單位空氣消耗量L0=9.371,單位燃燒生成煙氣量V0=10.382。

在180m3/h燃?xì)庑枨罅肯?，?duì)應(yīng)的空氣需求量為：

V空=180×L0=180×9.371=1686.78(m3/h)

實(shí)際過程中空氣過剩系數(shù)取α=1.2

即V空實(shí)=α×V空=1.2×1686.78=2024.76(m3/h)

產(chǎn)生的煙氣量：

V煙=1.2×180×V0=1.2×180×10.382=2242.51(m3/h)

排煙系統(tǒng)把煙氣從爐頂集煙罩、爐膛排煙管道匯集到不做保溫處理的304不銹鋼排煙主管道，并通過風(fēng)機(jī)排出。集煙罩把試驗(yàn)室泄露出的煙氣匯集并匯入高溫窯爐尾氣，以達(dá)到降低高溫窯爐尾氣的目的。市面上可購(gòu)高溫鍋爐引風(fēng)機(jī)最高耐溫400攝氏度。在實(shí)際運(yùn)行中，煙氣管道因?yàn)樽匀焕鋮^(qū)及管道散熱的影響，實(shí)際溫度遠(yuǎn)低于400攝氏度。因此選用400度作為高溫窯爐的最終溫度進(jìn)行模擬計(jì)算。

根據(jù)燃?xì)饧訜釥t的余熱資源量計(jì)算公式[6]

Qyz=BVpy(cpytpy-c'pyt'py)

式中：

Qyz-年煙氣余熱資源量，單位為千焦每年(kJ/a)

B-年平均燃料消耗量，立方米每年（m3/a）

Vpy-爐尾出口處每立方干燃?xì)獾臒煔怏w積，立方米每立方米（m3/m3)）

cpy-tpy溫度下煙氣的平均體積定壓熱容，千焦每立方米攝氏度（kJ/(m3·℃)）

tpy-爐尾出口處排煙平均溫度，攝氏度（℃）

其中，各溫段cpy值如表1所示。

表1 平均體積定壓熱容[6]

即：

cy1100=1.551;

ck400=1.3272;

cy400=1.423;

ck400=1.3063;

cy200=1.388;

ck20=1.2979

根據(jù)余熱資源量相等聯(lián)立等式可得：

實(shí)際補(bǔ)充空氣過程中，空氣阻力占比5%，水汽占比5%，泄露量5%，因此補(bǔ)充空氣有效值取85%可得：

V補(bǔ)=V補(bǔ)'÷85%=5049.3÷0.85=5940(m3)

取安全系數(shù)為1.2.可得總的排氣量：

V排=1.2×（V煙+V補(bǔ)）=1.2×（2242.51+5940）=9819（m3）

2.5 風(fēng)機(jī)選型

結(jié)合燃燒器助燃風(fēng)壓力要求、管道壓力損失及空氣的實(shí)際需求量選擇助燃風(fēng)機(jī)，安全系數(shù)取1.2，總風(fēng)量約1.2X2024.76=2428立方米。

建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐的燃燒功率是時(shí)時(shí)變化的，因此，高溫排煙風(fēng)機(jī)結(jié)合控制需要選用變頻控制。根據(jù)以上計(jì)算得出實(shí)際助燃風(fēng)量和排煙量，并考慮實(shí)際條件做出風(fēng)機(jī)選型。

表2 風(fēng)機(jī)選型

3 結(jié)論

基于此設(shè)計(jì)理論的建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐于2017年在西安建成，并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。圖3是某次實(shí)驗(yàn)中爐內(nèi)實(shí)際溫度曲線。由圖3可以看出，除了在剛開始的快速升溫階段溫度稍微超調(diào)之外，其他時(shí)段溫度曲線與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線幾乎重合，溫差在5℃以內(nèi)。

圖3 爐內(nèi)溫度曲線

選取其中4次試驗(yàn)時(shí)對(duì)煙道主管道補(bǔ)風(fēng)口前段及排煙風(fēng)機(jī)入風(fēng)口外殼進(jìn)行紅外測(cè)溫，數(shù)據(jù)為表3所示，從表3可以看出實(shí)際實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求。

表3 煙道及風(fēng)機(jī)外表溫度

該建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐設(shè)計(jì)理論及方式方法為建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐的生產(chǎn)企業(yè)提供了一套簡(jiǎn)單可行的燃燒理論指導(dǎo)。本文的數(shù)據(jù)選取結(jié)合了實(shí)際生產(chǎn)過程中的經(jīng)驗(yàn)積累，目的是簡(jiǎn)化復(fù)雜的燃燒理論計(jì)算，助力于建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)，以取得良好的社會(huì)效果。