用反射絕熱復合結構優化爐窯作業環境

李學閔，李茂國

(1.濟南大學，山東 濟南 250022；2.山東華材工程檢測鑒定有限公司，山東 濟南 250022)

工業爐窯體外表面溫度高和爐窯門向外傳熱量大致使作業區長期置于強輻射散熱、強對流散熱和強熱傳導三者的共同作業之中，這是爐窯作業區溫度總是高于其他區域的主要原因。操作人員常年處于高溫作業環境則會對其身心健康造成不良影響。為了切實保護勞動者的正當權益，在積極實施相應職業衛生安全措施的同時應因地置宜地采用合理技術措施以有效減少強熱輻射、強熱對流和強熱傳導，降低作業區溫度，優化作業熱環境從根本上解決爐窯工作人員長期高溫作業的難題，以有效確保其身心健康和提高其工作效率。采用多層金屬箔/空氣間層反射絕熱復合結構就是一條切實可行經濟實惠的技術途徑。

1 爐窯作業區溫度與時間基本要求

1.1 高溫熱輻射對健康的不良影響

高溫輻射熱環境對人體生理指標及耐受力影響研究結果[1]表明，熱輻射除作用于人體表外還作用于人體深部組織并產生熱積累，因作業人員所處環境熱強度不同，接觸熱時間長短不同所產生的熱積累程度也不盡相同，對人體的生理指標和耐受力所產生的影響作用會有一定差異：輕者會使其體溫調節中樞功能發生障礙，出現頭昏、眼花、心慌等癥狀；稍重者則會導致人體熱能力降低，使其大腦的反應力、理解力下降，有引發昏厥的可能性，致使其工作效率和工作安全無法得到保證；重者會產生熱失調癥狀，出現中暑、熱痙攣、熱衰竭，造成血壓波動，心率紊亂，輕度脫水乃至暈厥；嚴重者會患熱射病，出現突然發病，伴有不同的意識障礙、昏迷等中樞神經系統癥狀，即使治療及時其死亡率仍可高達20%。上述癥狀應引起高度重視，積極預防，防患于未然。

1.2 爐窯工作區應對措施基本要求

高溫、干燥和強熱輻射是工業爐窯作業區的共同特點，且熱輻射只取決于輻射源的本身狀況而與空氣介質無關。因此在高溫熱輻射環境作業是不能用通風來消除或降低熱輻射對人體健康所產生的不良作用的。按作業環境熱強度的大小將高溫作業區分為四級，國標《高溫作業分級》[2]中又規定了高溫作業人員允許持續接觸熱時間限值，見表1。因此為了保證爐窯作業人員身心健康與人身安全并同時保持生產效率就必須爐窯作業區熱環境同時滿足工作地點溫度≤37℃和熱輻射強度低于2.093 kW/m2兩項基本要求。

表1 高溫作業允許持續接觸熱時間限值

表2 工業爐窯外表面允許最高溫度

2 降低爐窯墻輻射散熱

2.1 爐窯作業區現狀

如表1所列，國標所界定的高溫作業工作地點溫度為30～44℃，而國標《工業爐窯保溫技術通則》[3]所規定的工業爐窯側墻爐頂外表面不允許超過的最高溫度值范圍為60～140℃(見表2)仍比前者范圍要高出1倍多。實際上作業區所處的爐窯前墻溫度總是要高于側墻，再加上爐窯門及門扇的對外定向強輻射和高熱傳導的雙重作用會使作業區的溫度常年處于38℃以上的高溫和大于2.093 kW/m2的強熱輻射之中。如某化工廠的供熱爐采用硅酸鋁纖維保溫隔熱層后其側墻溫度實測為95℃達標，而工作區前墻在加大保溫層厚度后其實測溫度仍為145℃，爐門扇表面溫度為≥300℃，便是例證。事實充分表明，目前我國爐窯工作區的熱環境與基本要求之間尚存有較大差亟待解決，而解決的唯一途徑就是要有效降低爐窯外表面允許最高溫度，使其達到高溫作業區工作地點允許的溫度范圍。

2.2 降低作業區爐窯墻熱輻射強度

優化爐窯墻作業區熱環境的關鍵是通過采用科學合理的技術措施有效降低爐窯口所在前墻的表面溫度，減少輻射散熱、對流散熱，以確保作業區滿足兩個基本條件指標。因人的體溫與爐窯壁外表面溫度控制指標很相近，如此可將爐窯對人體的輻射熱降至最低水平。這一基本要求如果靠用常規的微孔狀、纖維狀保溫隔熱材料是難以實現的，尤其對間歇性爐窯采用常規保溫措施就意味著大量的爐體蓄熱能會被白白浪費掉，為此應選用在爐窯墻外設置多層金屬箔/空氣間反射絕熱復合結構以控制輻射散熱至理想程度。

表3 反射絕熱復合結構鋁箔層輻射強度計算表

注：n為鋁箔反射層，X為序數號，其中0為熱輻射源并設定其熱輻射強度為1。

輻射散熱是影響熱環境，減損熱效率的首要因素，輻射熱與溫差的4次方成比，熱工設施的熱損耗有60%以上是輻射散熱所致。被譽為“超級絕熱材料”的金屬反射材料箔與空氣間層共同組成的多層反射絕熱復合結構充分利用金屬箔熱輻射系數小、反射率高的特性可使絕大部分輻射熱流被金屬箔反射回熱源，而被金屬箔吸收的極小部分熱量在底導熱系數的密封空氣間層中其熱傳導損耗也大大降低，經數金屬箔/空氣間層的反射絕熱作用可使熱輻射散熱減小至理想的限度，其反射箔層數按設計要求計算得出，層間距一般為20～25 mm。該技術措施在實現減小熱輻射優化熱環境的同時還可提高爐窯熱效率節省能源，一舉數得，經濟實惠。如爐窯前墻溫度≤350℃可采用多層鋁箔/空氣間層反射絕熱復合結構，各層鋁箔的熱輻射強度計算結果如表3所示。隨著爐墻表面溫度的降低，其對流散熱也相應地大幅度降低[4]。

2.3 爐窯作業區熱環境優化效果

從技術經濟合理性出發采用多層反射絕熱復合結構將作業區爐窯墻熱輻射強度降低95%以上，不超過其峰值的5%是比較適宜的。經計算，在室外溫度30℃條件下采用多層鋁箔反射絕熱結構將國標規定的爐窯側墻、爐頂的外表面最高溫度和實測爐前墻外表面145℃均可降至35℃，而爐門扇可由300℃降至45℃，其優化作業區熱環境效果，如表4所示。隨著輻射散熱強度減小，對流散熱也大幅度降低，不僅使環境對人體更加舒適，且可收到良好的節能效果。這就是多層反射絕熱復合結構通過層層反射將輻射熱流反射回爐體所發揮的優化熱環境與節約能源同時并舉一專多能的功效。僅就相同隔熱保溫效果而論，反射絕熱復合結構的建造成本與常用的微孔狀、纖維狀蓄熱式保溫構造基本持平，如計入節能效果該復合結構的技術經濟效益則遠大于后者。如在設計建造工業爐窯時將金屬反射絕熱復合結構直接取代部分保溫磚或無定型無機保溫材料則可使爐窯墻成為蓄熱少、傳熱小、反射絕熱輕質結構，其熱效率大幅度提升，經濟社會效益更為客觀。

表4 反射絕熱復合結構優化環境效果表

注：1)原表面溫度中145℃為實測爐窯前墻表面溫度；300℃為爐門扇表面溫度；

2)60～140℃原表面溫度值均為國標中不同爐內溫度所對應的“側墻”與“爐頂”外表面最高溫度。

3 減小爐窯門熱傳遞總量

據調研，當前工業爐窯門一般都是將鋼鐵門扇直接安裝在門框上以便于其開啟、關閉與阻擋內部熱流外溢，而未見到對門扇進行隔熱處理者，致使門扇溫度大都在200℃以上，成為嚴重影響作業區熱環境的關鍵因素或稱“麻煩制造者”。發明專利技術[5]：多層復合反射絕熱工業爐窯門扇通過采用耐高溫金屬反射材料、無機多孔或纖維材料、耐中低溫金屬反射材料串聯與空氣層共同組成反射絕熱復合門扇，并在門扇厚度中部設置一圈無機材料隔熱環層可有效隔斷有內部高溫側向外部進行熱傳導的直接通道，兩項措施可以將門扇的熱輻射、熱傳導和門扇外側的熱對流都控制在所要求的限度之內，可使門扇的熱傳遞總能量降低95%以上，其表面溫度可控制在45℃左右，使人體的受熱輻射量可降低96%以上。

4 結論

(1)在按國標《工業爐窯保溫技術通則》建造的爐窯外側加設多層金屬/空氣間層反射絕熱復合結構可有效降低其外表輻射強度和對流散射強度，再用反射絕熱門扇與之配套，可優化作業區熱環境，使作業溫度≤37℃，有利于操作人員身心健康，且隨著絕大部分輻射散熱被反射回爐體還可收獲節能成效，屬一次投資多種功能，推廣應用前景很好。

(2)用多層金屬反射絕熱結構[6]替代工業爐窯的無機隔熱保溫層在不加大建造成本、優化熱環境的同時可大幅度提升爐窯的熱效率，其經濟社會效益會更加顯著。