用于廢巖棉處理的電阻爐設(shè)備研究與設(shè)計(jì)

田豐，寇麗萍，馬玉桂，張先珍，李帥，戰(zhàn)洪仁

用于廢巖棉處理的電阻爐設(shè)備研究與設(shè)計(jì)

田豐，寇麗萍，馬玉桂，張先珍，李帥，戰(zhàn)洪仁

（沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110027）

廢棄巖棉的處理是目前工業(yè)垃圾處理的難題，大多數(shù)廢巖棉被掩埋處理，對(duì)土地環(huán)境造成污染和浪費(fèi)。根據(jù)廢巖棉燃燒產(chǎn)物對(duì)環(huán)境無(wú)害以及燃燒后體積減少量可達(dá)85%的特性設(shè)計(jì)了一款高溫全纖維臺(tái)車電阻爐，用于廢巖棉的燃燒處理，廢巖棉在爐中加熱到800 ℃后進(jìn)行保溫，然后再出爐空氣冷卻。設(shè)備環(huán)境溫度20 ℃，工作溫度1 100 ℃，爐膛尺寸16 m×3.4 m×2.2 m，臺(tái)車面尺寸 3.2 m×3.2 m，安裝功率2 500 kW，額定裝爐量4.5 t。電阻爐投產(chǎn)后穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，解決了廢巖棉嚴(yán)重浪費(fèi)土地資源和污染環(huán)境的難題。

廢棄巖棉；工業(yè)垃圾；臺(tái)車式電阻爐

隨著我國(guó)工業(yè)水平的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的工業(yè)固體廢物急劇增加，組成成分復(fù)雜難辨，工業(yè)固廢的處理大多是露天堆放或者土地掩埋[1]。如何有效、節(jié)能、環(huán)保地處理這些固體廢物成為許多學(xué)者研究的內(nèi)容。巖棉是一種天然環(huán)保的防火保溫材料，它以巖石玄武巖等為主要原料，以高爐礦渣等工業(yè)礦渣為輔助原料[2]，經(jīng)過(guò)高溫熔融、纖維化等工序制成的一種無(wú)機(jī)纖維。巖棉產(chǎn)品是良好的隔熱、隔音材料[3]，被廣泛應(yīng)用于建筑、冶金、電力、石油化工等領(lǐng)域，同時(shí)也是農(nóng)業(yè)無(wú)土栽培的理想材料，在土壤中使用巖棉材料可以緩解土壤短期干旱問(wèn)題[4]。

隨著巖棉制品的迅速推廣，巖棉產(chǎn)量不斷增加，2020年我國(guó)巖棉年產(chǎn)能超過(guò)400萬(wàn)t，產(chǎn)能利用率在80%以上，是絕熱節(jié)能行業(yè)內(nèi)產(chǎn)量最大的產(chǎn)業(yè)，因此每年產(chǎn)生的巖棉固體廢物也在不斷地增加。巖棉固體廢物主要來(lái)自于巖棉生產(chǎn)過(guò)程中的廢巖棉、熔化爐爐渣以及廢舊建筑和工業(yè)設(shè)備拆除后的固體廢物[1]。由于巖棉產(chǎn)品的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，降解性差，且密度小，含有有毒的苯酚和甲醛，簡(jiǎn)單的堆放或掩埋都會(huì)占用和污染大量的土地資源。呂士武[5]等提出一種將巖棉生產(chǎn)中的固廢進(jìn)行回用的工藝方案，研究了黏結(jié)劑含量及破碎粒度對(duì)料塊抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)黏結(jié)劑添加量占比12%左右、破碎粒度控制在3 mm左右時(shí)，所得料塊具有最佳的抗壓強(qiáng)度。CAROLINA[6]等研究了廢巖棉水泥砂漿的耐火性，發(fā)現(xiàn)加入巖棉纖維后的砂漿表面硬度與參考砂漿相比沒(méi)有變化，但是彎曲強(qiáng)度顯著提高，添加這些回收纖維可以改善其火災(zāi)后的機(jī)械熱性能，并防止砂漿的爆炸行為。綜上來(lái)看目前廢巖棉的再利用研究工作還是剛剛起步，并不能完全應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，而國(guó)內(nèi)每年產(chǎn)生的廢巖棉固廢量達(dá)到百萬(wàn)噸級(jí)以上，現(xiàn)有的利用技術(shù)還處于簡(jiǎn)單的回收再加工階段，國(guó)內(nèi)企業(yè)缺乏科學(xué)、有效的工業(yè)廢物處理體系[7]，不能對(duì)廢巖棉有效的利用。巖棉生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢巖棉大都被回爐重新生產(chǎn)，應(yīng)用電爐回收利用巖棉生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種廢料，可以顯著提高巖棉原料資源的利用率[8]。但舊建筑和工業(yè)設(shè)備拆除產(chǎn)生的廢巖棉大部分被露天堆放或掩埋，因此廢巖棉的回收空間還十分巨大。為了解決其回收困難并且嚴(yán)重占用、污染土地資源的問(wèn)題，本文運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的方法，從減少?gòu)U巖棉的體積、去除有害物等方面著手研究處理廢巖棉的新工藝，為某巖棉回收公司設(shè)計(jì)一款新型全纖維室式加熱爐用于廢巖棉的處理。

1 廢巖棉的成分與特性

廢巖棉樣品取自中國(guó)石油天然氣股份有限公司錦州石化分公司，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）見(jiàn)表1。廢巖棉在生產(chǎn)過(guò)程中還會(huì)加入酚醛樹(shù)脂作為黏合劑，酚醛樹(shù)脂中的苯酚和甲醛具有毒性。本課題組已進(jìn)行了對(duì)廢巖棉燃燒處理的實(shí)驗(yàn)研究，將廢巖棉磨碎處理后放入高溫實(shí)驗(yàn)電爐（上海鉅晶精密儀器制造有限公司SXL-1700型）中，將廢巖棉加熱到不同溫度觀察廢巖棉加熱產(chǎn)物的狀態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，燃燒到800 ℃后的廢巖棉會(huì)呈黑色塊狀且不易捏碎；溫度達(dá)到1 100 ℃之后的廢巖棉呈土黃色塊狀并且非常容易捏碎，此時(shí)廢巖棉燃燒完全；當(dāng)燃燒溫度達(dá)到1 200 ℃之后廢巖棉會(huì)完全融化，冷卻后呈黃色玻璃體。廢巖棉里的酚醛樹(shù)脂經(jīng)過(guò)燃燒已經(jīng)分解成氫氣、碳?xì)浠衔?、水蒸氣和碳氧化合物等無(wú)污染的氣體排放到大氣中，燃燒后的殘?jiān)鼘?duì)土地資源無(wú)害。通過(guò)對(duì)廢巖棉不同溫度燃燒后的殘?jiān)w積測(cè)量發(fā)現(xiàn)，800 ℃溫度下燃燒后的廢巖棉體積平均減少80%以上，1 100 ℃燃燒后的廢巖棉體積平均減少85%以上，此時(shí)的廢巖棉狀態(tài)有利于回收、運(yùn)輸、處理和掩埋，節(jié)省了回收成本，減少了廢巖棉空間資源占用。

表1 廢巖棉的化學(xué)成分 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

2 結(jié)構(gòu)尺寸與功率的確定

基于以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，某公司需建設(shè)一臺(tái)室式加熱爐用于處理廢棄巖棉。廢巖棉呈板狀，尺寸為1 000 mm×600 mm×70 mm，密度約為100 kg·m-3。該爐要求生產(chǎn)任務(wù)每次4.5 t，根據(jù)廢巖棉的密度計(jì)算出每次處理的廢巖棉的量為45 m3，約1 070塊。為保證在最大限度節(jié)約能源的前提下完成廢巖棉處理工作，要求廢巖棉中心溫度達(dá)到800 ℃，爐膛溫度分布均勻，最大限度節(jié)約能源，設(shè)計(jì)要安全，生產(chǎn)操作要簡(jiǎn)便。

2.1 結(jié)構(gòu)和尺寸

2.1.1 爐型的選擇

根據(jù)廢巖棉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和燃燒特點(diǎn)，選用高溫全纖維臺(tái)車電阻爐。臺(tái)車式爐是借助臺(tái)車運(yùn)送原料的間接加熱設(shè)備[9]。加熱前臺(tái)車在爐外裝料，加熱時(shí)臺(tái)車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將臺(tái)車?yán)霠t內(nèi)，加熱后由臺(tái)車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將臺(tái)車?yán)鰻t外卸料，使用靈活、方便，且工人的勞動(dòng)強(qiáng)度低[10]，是加熱廢巖棉這種長(zhǎng)板件的一種理想爐型。

2.1.2 爐膛尺寸設(shè)計(jì)

由于巖棉導(dǎo)熱系數(shù)小，為了保證廢巖棉中心溫度不低于800 ℃，應(yīng)用集中參數(shù)法分別計(jì)算在不同溫度與不同厚度下的廢巖棉中心溫度達(dá)到800 ℃所需時(shí)間，以便合理設(shè)計(jì)巖棉板的放置位置、爐膛的尺寸以及運(yùn)行功率。圖1為分別計(jì)算了環(huán)境溫度10 ℃、空氣對(duì)流換熱系數(shù)在5 W·m-2·K-1時(shí)，爐溫在1 000、1 100、1 200 ℃時(shí)不同厚度的巖棉中心溫度達(dá)到800 ℃所需的時(shí)間。

圖1 不同溫度下廢巖棉中心加熱到800 ℃所需時(shí)間

由圖1可知，隨著巖棉厚度增加，加熱時(shí)間呈指數(shù)式增長(zhǎng)，因此過(guò)厚的放置廢巖棉會(huì)造成加熱效率降低，經(jīng)濟(jì)性下降。但是廢巖棉密度較小，如果放置過(guò)分散會(huì)導(dǎo)致空間占用嚴(yán)重，爐膛的尺寸也會(huì)相應(yīng)增大，資金投入會(huì)增加，背離經(jīng)濟(jì)性的原則。加熱溫度越高對(duì)廢巖棉加熱時(shí)間縮短幅度會(huì)降低，造成能源浪費(fèi)。綜合考慮下選擇廢巖棉堆放厚度在50～60 cm，約8塊，加熱爐的溫度選擇在1 100 ℃，既保證了高生產(chǎn)效率，又使加熱爐有良好的經(jīng)濟(jì)性。

因此設(shè)計(jì)廢巖棉的堆砌高度為56 cm，上部空10 cm間隙再進(jìn)行堆放，1堆為3層廢巖棉（約 188 cm），選用尺寸為3.2 m×3.2 m的臺(tái)車，每個(gè)臺(tái)車放置9堆廢巖棉，約0.9 t。因此設(shè)計(jì)一爐放置5個(gè)臺(tái)車，可以一次處理約4.5 t的廢巖棉。巖棉在臺(tái)車上呈九宮格排列，橫向巖棉與巖棉以及巖棉與臺(tái)車壁之間的距離都是5 cm，縱向巖棉與巖棉以及巖棉與臺(tái)車壁之間的距離都是35 cm。爐體的設(shè)計(jì)要在臺(tái)車與爐墻之間留有10 cm空隙，在廢巖棉頂部與爐頂之間留有40 cm空隙，綜合以上設(shè)計(jì)結(jié)論，計(jì)算爐體有效尺寸為效=3.4 m、效=16 m、效=2.2 m。

2.1.3 爐墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保障爐體的保溫性能可以在1 100 ℃下長(zhǎng)期使用，爐墻采用CBTX-342高純型全纖維爐襯。高純型等纖維產(chǎn)品技術(shù)性能見(jiàn)表2；保溫層采用巖棉結(jié)構(gòu)，巖棉等保溫層材料的性能標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。全纖維爐墻總厚度為250 mm，其中高純高鋁耐火纖維（耐火層）厚80 mm，巖棉保溫層厚160 mm，爐襯要使用機(jī)械固定或錨固夾緊裝置，緊密地疊放起來(lái)形成爐襯[11]。

表2 高純高鋁纖維產(chǎn)品性能標(biāo)準(zhǔn)

表3 保溫材料參考標(biāo)準(zhǔn)

爐內(nèi)設(shè)計(jì)溫度1 100 ℃、室溫為20 ℃時(shí)計(jì)算得爐外壁溫度54.7 ℃，符合《評(píng)價(jià)企業(yè)合理用熱技術(shù)導(dǎo)則》（GBT3486—1993）規(guī)定，側(cè)墻、前墻、后墻和爐頂均采用相同爐襯材質(zhì)與結(jié)構(gòu)。

2.1.4 加熱元件和電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

加熱元件需要有良好的耐熱性、較大的電阻率、較小的電阻溫度系數(shù)、較小的熱膨脹系數(shù)，本電爐的爐膛面積大，電熱元件的用量大，0Cr25Al5材料的功率穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)性好，應(yīng)用廣泛，從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)采用鉻鋁系的電熱元件。元件呈之字形分布在臺(tái)車、爐門、兩側(cè)爐墻和后墻，之字形分布可以使?fàn)t內(nèi)熱量分布均勻，提高爐溫的均勻度，還可以延長(zhǎng)元件的使用期限[12]。

本爐采用5點(diǎn)測(cè)溫儀表，由智能控溫儀記錄溫度，在爐內(nèi)超溫時(shí)自動(dòng)報(bào)警，以便于多點(diǎn)控制爐膛溫度，確保爐膛溫度均勻。在爐內(nèi)的主電路設(shè)置斷路器，防止短路和過(guò)載。溫控系統(tǒng)在運(yùn)行期需檢查外形結(jié)構(gòu)完好，定期校準(zhǔn)[13]。另外設(shè)置不易損壞的保護(hù)一體化模塊，保護(hù)設(shè)備和工人的安全。本爐主要處理廢巖棉，可忽略系統(tǒng)結(jié)焦和腐蝕問(wèn)題，當(dāng)需要處理危險(xiǎn)廢物時(shí)需要考慮對(duì)系統(tǒng)影響，制定合理方案，延長(zhǎng)爐子使用時(shí)間[14]。

2.2 安裝功率和使用規(guī)范

本爐的主要能量支出分別包含加熱工件所需熱量、加熱輔助構(gòu)件所需熱量、加熱控制氣體所需熱量、通過(guò)爐襯的散熱損失、通過(guò)開(kāi)啟爐門的熱損失、通過(guò)開(kāi)啟爐門的溢氣熱損失、砌體蓄熱量和其他熱損失。計(jì)算該爐工作時(shí)總能量支出為7.59×106kJ，為爐子保留一個(gè)功率儲(chǔ)備系數(shù)后計(jì)算該爐的安裝功率為2 529 kW，確定實(shí)際安裝功率為2 500 kW。

使用爐子時(shí)應(yīng)注意開(kāi)始加熱的時(shí)候，為了防止過(guò)大功率負(fù)荷對(duì)各元件造成損傷，開(kāi)啟時(shí)熱功率為總功率的60%，待爐內(nèi)溫度升至約200 ℃時(shí)再全功率加熱，達(dá)到設(shè)計(jì)溫度1 100 ℃時(shí)保持加熱30 min，之后進(jìn)行保溫操作，墻體內(nèi)的加熱元件功率減少50%，爐膛頂部的加熱元件關(guān)閉，達(dá)到保溫時(shí)間后，將所有加熱元件關(guān)閉，冷卻至400 ℃左右可以打開(kāi)爐門降溫[15]，待加熱后的廢巖棉冷卻完畢，臺(tái)車便可以推出處理。

3 結(jié) 論

1）廢巖棉生產(chǎn)過(guò)程中加入的酚醛樹(shù)脂對(duì)環(huán)境有害，并且廢巖棉密度小，堆放和掩埋會(huì)浪費(fèi)土地資源，實(shí)驗(yàn)中1 100 ℃以上溫度燃燒后的廢巖棉體積減少85%左右。

2）高溫全纖維臺(tái)車電阻爐的設(shè)計(jì)更加環(huán)保節(jié)能，隔熱性能好，操作方便，安全性高，在建造完成后該爐各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)一次調(diào)試就成功生產(chǎn)，一次可處理廢巖棉4.5 t。

3）該爐加熱后的廢巖棉實(shí)際體積減少量能達(dá)到80%以上，并且廢巖棉中的酚醛樹(shù)脂加熱后分解成氫氣、碳?xì)浠衔?、水蒸氣和碳氧化合物等。爐子加熱過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣較少，毒性低，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，解決了廢巖棉處理難題。

［1］巖棉固廢的清潔生產(chǎn)及循環(huán)利用[A]. 中國(guó)絕熱節(jié)能材料協(xié)會(huì).“行業(yè)創(chuàng)新大會(huì)”暨協(xié)會(huì)六屆十次常務(wù)理事會(huì)論文集[C].中國(guó)絕熱節(jié)能材料協(xié)會(huì):中國(guó)絕熱節(jié)能材料協(xié)會(huì)，2017.

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Research and Design of Resistance Furnace Equipment for Waste Rock Wool Treatment

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（Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang Liaoning 110027, China）

The disposal of waste rock wool is a difficult problem of industrial waste disposal at present. Most waste rock wool is buried, causing pollution and waste to the land environment. According to the characteristics that waste rock wool combustion products are harmless to the environment and the volume reduction after combustion can reach 85%, a high-temperature all-fiber trolley resistance furnace was designed for the combustion treatment of waste rock wool. The waste rock wool was heated to 800℃ in the furnace for heat preservation, and then came out of the furnace for air cooling. Device parameters were as follows: equipment ambient temperature 20℃,working temperature 1100℃, furnace size 16m×3.4m×2.2m, kiln car surface size 3.2m×3.2m, installation power 2500kW, rated furnace capacity 4.5t. The resistance furnace ran stably after being put into operation, achieved the design goal, and solved the problem of waste rock wool seriously wasting land resources and polluting the environment.

Waste rock wool; Industrial waste; Trolley resistance furnace

2021-11-05

田豐（1998-），男，河北省邯鄲市人，在讀碩士，研究方向：固廢資源化和清潔利用。

戰(zhàn)洪仁（1964-），女，教授，博士，研究方向：多相流強(qiáng)化傳熱機(jī)理。

TM924.33

A

1004-0935（2022）06-0844-04