陽(yáng)極焙燒爐周墻新型保溫結(jié)構(gòu)探討與分析

呂 博

(沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110001)

陽(yáng)極焙燒爐邊火道較中間火道溫度低,導(dǎo)致邊料箱焙燒品品質(zhì)較差,一級(jí)品率低,是目前各陽(yáng)極企業(yè)普遍面臨的生產(chǎn)難題。提高邊火道焙燒溫度的做法雖然一定程度上增加了炭塊一級(jí)品率,但帶來(lái)的后果是邊料箱及周墻因長(zhǎng)期高溫而變形嚴(yán)重,甚至出現(xiàn)磚體開裂、燒蝕、坍塌等。為提高溫度需供給更多的燃料,也增加了焙燒品的能耗和煙氣量,導(dǎo)致生產(chǎn)成本和尾氣治理成本居高不下。為解決這一難題,最有效的措施就是降低周墻的散熱損失和蓄熱損失,同時(shí)加強(qiáng)周墻的密封性和整體強(qiáng)度。

1 爐子周墻保溫層現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)陽(yáng)極焙燒爐周墻的保溫結(jié)構(gòu)大多以輕質(zhì)保溫磚、耐火纖維制品和輕質(zhì)保溫澆注料(噴涂料)為主。雖然近年來(lái)出現(xiàn)了如納米復(fù)合板、蛭石保溫磚等新型隔熱材料,但受價(jià)格、整體強(qiáng)度、使用溫度影響,基本以局部的材料替換為主,并未取得明顯的預(yù)期效果。圖1是國(guó)內(nèi)焙燒爐常用的周墻保溫結(jié)構(gòu)?；鸬缐χ粱炷粱A(chǔ)依次采用輕質(zhì)隔熱磚、硅藻土磚、纖維板、硅酸鈣板或輕質(zhì)保溫噴涂料。實(shí)踐證明,經(jīng)過詳細(xì)的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算和選材對(duì)比,精準(zhǔn)選擇低導(dǎo)熱、低容重、具有一定強(qiáng)度的新型絕熱材料并根據(jù)其物性參數(shù)優(yōu)化保溫結(jié)構(gòu)是解決焙燒爐墻體保溫和密封性差的最有效途徑。

圖1 周墻常用保溫層結(jié)構(gòu)

2 周墻采用新材料對(duì)比分析

2.1 新型保溫材料特性

用于焙燒爐周墻保溫的新型材料是一種整體成型的以陶瓷纖維為基體的復(fù)合材料,具有良好的絕熱性能和較高的整體強(qiáng)度,使用溫度高,施工接縫少,明顯增強(qiáng)了爐室密封性。通過增強(qiáng)預(yù)熱爐室密封提高1P溫度,在火焰最高溫度不變的情況下,可以提高陽(yáng)極終溫13℃[1]。該新型保溫材料理化指標(biāo)見表1,外觀如圖2所示。

表1 新型保溫材料物性參數(shù)

圖2 新型保溫材料外觀

2.2 采用新型保溫材料的周墻結(jié)構(gòu)

根據(jù)新材料的使用溫度和耐壓強(qiáng)度,將其用于焙燒爐周墻背襯層,位于混凝土爐殼和輕質(zhì)保溫磚之間。設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)砌筑情況見圖3、圖4。

圖3 新材料使用部位示意圖

圖4 新材料現(xiàn)場(chǎng)施工

2.3 溫度分布情況對(duì)比

根據(jù)各材料的設(shè)計(jì)厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、實(shí)測(cè)溫度等物性參數(shù),計(jì)算兩種保溫結(jié)構(gòu)周墻的最高溫度分布情況,見表2所示。

表2 周墻各層溫度對(duì)比

2.4 最大散熱量和蓄熱量

(1)熱平衡分析結(jié)果顯示,焙燒爐散熱損失占熱量支出的15%。因此,做好焙燒爐保溫與密封工作,減少冷空氣進(jìn)入量、減少爐體表面散熱損失,有利于提高焙燒爐熱效率、降低能耗[2]。按爐室達(dá)到最高溫度穩(wěn)態(tài),計(jì)算傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)的最大熱流量分別為347和267 W/m2,兩者熱流量之差為80 W/m2。

(2)新型材料一般替代的是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的纖維或硅酸鈣制品,還有一部分低密度保溫磚,由于其密度與纖維、硅酸鈣制品相當(dāng),所以這部分的蓄熱量也基本相同。僅需計(jì)算其替代的低密度0.8保溫磚的蓄熱量之差,按每個(gè)系統(tǒng)中6個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)爐室加熱終了的平均溫度600℃計(jì)算,每套系統(tǒng)(6個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)爐室)墻體蓄熱量之差為0.85×600×40 000=20.4(GJ)。

(3)由于焙燒爐在運(yùn)行過程中始終都是以非穩(wěn)態(tài)的周期運(yùn)行為主,同一時(shí)刻各個(gè)爐室運(yùn)行情況不盡相同,更為準(zhǔn)確的熱工計(jì)算還需要借助計(jì)算機(jī)輔助模擬,充分考慮非穩(wěn)態(tài)過程中,各時(shí)刻散熱量和蓄熱量隨溫度的變化曲線,這樣才能更準(zhǔn)確的建立可靠的物理模型,科學(xué)計(jì)算出采用新型保溫材料后噸產(chǎn)品的天然氣消耗數(shù)據(jù)。根據(jù)幾個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的粗略反饋數(shù)據(jù),每噸合格焙燒品節(jié)約的天然氣在2～8 m3之間。

2.5 周墻拉磚結(jié)構(gòu)

采用新型保溫材料后,為保證周墻整體強(qiáng)度不降低,還需配合新材料的結(jié)構(gòu)特性,相應(yīng)優(yōu)化原設(shè)計(jì)的墻體拉磚結(jié)構(gòu),新保溫材料可以在對(duì)應(yīng)拉磚位置預(yù)先開槽,以滿足在砌筑過程中拉桿的安裝和調(diào)整要求,詳見圖5所示。

3 結(jié) 論

通過上述幾個(gè)方面的對(duì)比分析,可以得到如下結(jié)論:

1)通過溫度分布計(jì)算和結(jié)構(gòu)分析,焙燒爐周墻采用新型保溫材料可行。

2)采用新型保溫材料后,周墻的散熱和蓄熱損失明顯降低,理論計(jì)算并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),噸產(chǎn)品降低天然氣能耗在2～8 m3之間。以年產(chǎn)15萬(wàn)噸預(yù)焙陽(yáng)極的54室(8箱)焙燒爐為例,平均每臺(tái)爐子年節(jié)約天然氣75×104m3,燃料成本減少約220萬(wàn)元,每年減排CO2約1 400噸,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

3)根據(jù)表2的溫度分布情況,中間層保溫磚的平均溫度超過900℃,超過硅藻土保溫磚的最高使用溫度,該位置需選擇使用溫度更高的其他輕質(zhì)粘土或莫來(lái)石保溫磚。

4)為提高墻體強(qiáng)度,整體纖維外圍建議采用高強(qiáng)度高密度纖維板做框架,以承受墻體在受熱過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和側(cè)推力。

5)新型保溫材料施工方便,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,大幅減少了施工周期和施工費(fèi)用。