燃气辐射加热技术在耐火材料干燥的应用_工程实践

摘要

摘要：介绍了燃气辐射加热技术在耐火材料干燥中的应用，探讨了燃气辐射加热装置的设计，对燃气辐射干燥窑进行了测试，研究了干燥窑内部的温度分布，对燃气辐射加热和电辐射加热进行经

摘要：介绍了燃气辐射加热技术在耐火材料干燥中的应用，探讨了燃气辐射加热装置的设计，对燃气辐射干燥窑进行了测试，研究了干燥窑内部的温度分布，对燃气辐射加热和电辐射加热进行经济性比较。

关键词：燃气辐射加热；耐火材料；电辐射加热；温度分布；经济性比较

Application of Gas Radiation Heating Technology to Drying of Refractory Material

SHEN Hai-bo，REN Qing-sheng，YANG Jun-jie，FU 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，耐火材料厂采用的干燥技术主要为传统热风加热技术和电辐射加热技术^[1、2]。热风加热技术是利用气体作为干燥介质，以一定的速度吹拂耐火砖表面，使耐火砖得以干燥，干燥时间较长，效率较低；电辐射加热技术是利用电能释放红外线，耐火砖吸收红外线产生激烈的共振现象，使耐火砖迅速变热而干燥，干燥均匀，效率高，但是电辐射加热耗电量大，在用电高峰生产往往无法正常进行。

燃气辐射加热技术是利用燃气燃烧释放红外线来辐射加热耐火砖，避免了高温烟气或热风直接与耐火砖接触，提高了热效率和产品质量，比电辐射加热技术成本低，节约能源，缓解用电负荷对生产的影响，因此研究燃气辐射加热技术具有广泛的市场价值和社会意义。在此就燃气辐射加热技术应用于耐火材料的生产进行探讨。

2 燃气辐射加热装置的设计

20世纪90年代以来，国内的耐火行业一改以往的传统热风干燥工艺，采用电辐射加热技术，取得了良好的效果。本文以电干燥窑为参考，建造一座燃气辐射干燥窑，其宽度和高度与电干燥窑相同，宽度为1530mm，高度为1870mm，长度缩短为2300mm。干燥窑中燃气辐射加热装置的设计至关重要，直接影响到燃气辐射加热技术的实现和干燥效果。

① 红外辐射元件的选择

需要干燥的耐火砖是由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，几乎所有的高分子材料在波长3～4μm和6～15μm都有强烈的吸收^[3]。

红外辐射元件是将燃料燃烧释放的热能辐射给被加热物体的关键部件，其表面与燃烧火焰及高温烟气直接接触，工作环境恶劣，容易被局部灼烧和氧化，导致材料失效。因此，在设计时选用石英玻璃红外发射管作为加热元件，它不需要涂层，纯度高，化学稳定性好，耐高温，热膨胀系数小，发射率高达0.90以上。石英玻璃红外发射管经燃气燃烧加热后，表面温度为250～500℃，此温度下主要的辐射能量波长为5～12μm(而一般被加热物体都对波长为3～15μm的辐射能量有较强的吸收)，价格也不高，是一种理想的红外辐射元件。

② 燃气燃烧器

燃气燃烧器是燃气辐射加热装置的核心部件，根据燃料的种类和干燥窑的加热负荷开发出专用的燃气燃烧器，该燃烧器是一种低压引射式半预混燃烧器，燃烧负荷调节范围为3～12kW，过剩空气系数为1.16～1.17，具有良好的火焰稳定性，在频繁开关的情况下，不至于回火或严重积碳。

3 燃气辐射干燥窑的试验测试

燃气辐射干燥窑的底部铺设2道钢轨，将耐火砖放置于小车架被推入窑中，在加热过程中，耐火砖原地不动，吸收红外辐射能量而升温。耐火砖的摆放位置及温度测点布置见图1。

由图1可见，小车架自上而下共摆放5层耐火砖，每层耐火砖的中部布置1个温度测点，第3层耐火砖横向布置4个温度测点，以各温度测点为控制点，研究干燥窑内部的温度分布情况。

干燥窑内耐火砖纵向测点和横向测点的温度随保温时间的变化分别见图2和图3。

由图2可知，上层耐火砖的温度比下层耐火砖的温度高，这是由于在辐射加热过程中，热空气上升导致耐火砖上层温度较高，但是随着保温时间的延长，下层耐火砖的温度明显上升，从而缩小了各层耐火砖的温度差异。由图3可知，靠近辐射管的耐火砖(如测点8处)温度较高，随着与辐射管的距离增大，耐火砖的温度逐渐降低，但是总体温度分布相差不大，可以认为耐火砖在水平方向上是被均匀加热的。

总体而言，耐火砖采用燃气辐射加热技术后，纵向的温度分布有一定的差异，但是通过延长保温时间可以缩小温差，横向的温度分布比较均匀，满足耐火砖的加热工艺要求。

4 燃气与电辐射加热的经济性分析

燃气辐射干燥窑的燃气辐射管和燃烧器可拆卸，可以将燃气辐射管和燃烧器替换为电辐射管实现电辐射加热，即在同一座干燥窑内可以实现燃气辐射加热和电辐射加热2种加热方式。

分别采用燃气辐射加热方式和电辐射加热方式对耐火砖进行干燥试验测试，测试条件基本相同。

① 燃气辐射加热方式：加热时间为14.38h，耐火砖的总质量为950.3kg，窑内控制温度为170℃。

② 电辐射加热方式：加热时间为15.00h，耐火砖的总质量为950.3kg，窑内控制温度为170℃。

分别对2种加热方式进行了能耗、热效率和费用的分析比较，结果见表1。其中，燃气价格以3元/m³计，电价格以0.6元/(kW·h)计；热效率等于耐火砖吸热量、水的潜热、水的升温显热三者的和除以消耗的总热量。

表1 2种加热方式的经济性分析

加热方式	燃气消耗量/m³	电消耗量/(kW·h)	热效率/%	费用/元
燃气辐射加热	20.007	0	48.3	60
电辐射加热	0.000	147	72.0	88

试验结果表明，燃气辐射加热方式比电辐射加热方式热效率低，这是因为燃气燃烧产生的烟气全部排放，产生了热损失，而电辐射加热不存在烟气排放，效率较高。但从经济性分析可见，燃气辐射加热比电辐射加热节省费用约30%。

5 结论

① 由于红外线具有一定的穿透能力，因此采用燃气辐射加热技术可使耐火砖表里基本上均匀受热，其热扩散和湿扩散几乎一致，避免了耐火砖的开裂和变形，是一种理想的加热方法。而直接加热烘干的方法，由于表面水分蒸发过快，与耐火砖内部水分扩散不相适应，造成耐火砖表里含水不均，容易开裂和变形。

② 燃气辐射加热技术避免了热风或烟气直接与耐火砖接触，不会导致局部烧损或烟尘侵袭，有助于提高产品的质量。

③ 燃气辐射加热技术相比于电辐射加热技术，热效率较低，但经济性较好，同时缓解了用电负荷对生产的影响。

参考文献：

[1] 秦朝葵，徐吉浣，任兴超.燃气红外技术在陶瓷生产中的应用[J].煤气与热力，2001，21(5)：416-419.

[2] 高季忠，蔡天荣，孙继宗，等.电热远红外线干燥木材的试验与分析[J].南京林产工业学院学报，1982，(2)：65-75.

[3] 王刚.远红外加热技术在耐火材料干燥生产中的应用及干燥窑设计[J].鞍钢技术，2006，(4)：39-43.

(本文作者：申海波¹ 任勃生¹ 杨俊杰¹ 付浩卡² 彭世尼² 廖雄¹ 1.新奥燃气技术研究发展有限公司河北廊坊 065001；2.重庆大学城市建设与环境工程学院重庆 400045)