用反射絕熱復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化爐窯作業(yè)環(huán)境

李學(xué)閔，李茂國

(1.濟南大學(xué)，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(yè)爐窯體外表面溫度高和爐窯門向外傳熱量大致使作業(yè)區(qū)長期置于強輻射散熱、強對流散熱和強熱傳導(dǎo)三者的共同作業(yè)之中，這是爐窯作業(yè)區(qū)溫度總是高于其他區(qū)域的主要原因。操作人員常年處于高溫作業(yè)環(huán)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(dāng)權(quán)益，在積極實施相應(yīng)職業(yè)衛(wèi)生安全措施的同時應(yīng)因地置宜地采用合理技術(shù)措施以有效減少強熱輻射、強熱對流和強熱傳導(dǎo)，降低作業(yè)區(qū)溫度，優(yōu)化作業(yè)熱環(huán)境從根本上解決爐窯工作人員長期高溫作業(yè)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(fù)合結(jié)構(gòu)就是一條切實可行經(jīng)濟實惠的技術(shù)途徑。

1 爐窯作業(yè)區(qū)溫度與時間基本要求

1.1 高溫?zé)彷椛鋵】档牟涣加绊?/h3>

高溫輻射熱環(huán)境對人體生理指標(biāo)及耐受力影響研究結(jié)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(chǎn)生熱積累，因作業(yè)人員所處環(huán)境熱強度不同，接觸熱時間長短不同所產(chǎn)生的熱積累程度也不盡相同，對人體的生理指標(biāo)和耐受力所產(chǎn)生的影響作用會有一定差異：輕者會使其體溫調(diào)節(jié)中樞功能發(fā)生障礙，出現(xiàn)頭昏、眼花、心慌等癥狀；稍重者則會導(dǎo)致人體熱能力降低，使其大腦的反應(yīng)力、理解力下降，有引發(fā)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(chǎn)生熱失調(diào)癥狀，出現(xiàn)中暑、熱痙攣、熱衰竭，造成血壓波動，心率紊亂，輕度脫水乃至?xí)炟?；?yán)重者會患熱射病，出現(xiàn)突然發(fā)病，伴有不同的意識障礙、昏迷等中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，即使治療及時其死亡率仍可高達(dá)20%。上述癥狀應(yīng)引起高度重視，積極預(yù)防，防患于未然。

1.2 爐窯工作區(qū)應(yīng)對措施基本要求

高溫、干燥和強熱輻射是工業(yè)爐窯作業(yè)區(qū)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(zhì)無關(guān)。因此在高溫?zé)彷椛洵h(huán)境作業(yè)是不能用通風(fēng)來消除或降低熱輻射對人體健康所產(chǎn)生的不良作用的。按作業(yè)環(huán)境熱強度的大小將高溫作業(yè)區(qū)分為四級，國標(biāo)《高溫作業(yè)分級》[2]中又規(guī)定了高溫作業(yè)人員允許持續(xù)接觸熱時間限值，見表1。因此為了保證爐窯作業(yè)人員身心健康與人身安全并同時保持生產(chǎn)效率就必須爐窯作業(yè)區(qū)熱環(huán)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(yè)允許持續(xù)接觸熱時間限值

表2 工業(yè)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(yè)區(qū)現(xiàn)狀

如表1所列，國標(biāo)所界定的高溫作業(yè)工作地點溫度為30～44℃，而國標(biāo)《工業(yè)爐窯保溫技術(shù)通則》[3]所規(guī)定的工業(yè)爐窯側(cè)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(yè)區(qū)所處的爐窯前墻溫度總是要高于側(cè)墻，再加上爐窯門及門扇的對外定向強輻射和高熱傳導(dǎo)的雙重作用會使作業(yè)區(qū)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(cè)墻溫度實測為95℃達(dá)標(biāo)，而工作區(qū)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(qū)的熱環(huán)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(dá)到高溫作業(yè)區(qū)工作地點允許的溫度范圍。

2.2 降低作業(yè)區(qū)爐窯墻熱輻射強度

優(yōu)化爐窯墻作業(yè)區(qū)熱環(huán)境的關(guān)鍵是通過采用科學(xué)合理的技術(shù)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(yè)區(qū)滿足兩個基本條件指標(biāo)。因人的體溫與爐窯壁外表面溫度控制指標(biāo)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(guī)的微孔狀、纖維狀保溫隔熱材料是難以實現(xiàn)的，尤其對間歇性爐窯采用常規(guī)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(yīng)選用在爐窯墻外設(shè)置多層金屬箔/空氣間反射絕熱復(fù)合結(jié)構(gòu)以控制輻射散熱至理想程度。

表3 反射絕熱復(fù)合結(jié)構(gòu)鋁箔層輻射強度計算表

注：n為鋁箔反射層，X為序數(shù)號，其中0為熱輻射源并設(shè)定其熱輻射強度為1。

輻射散熱是影響熱環(huán)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(shè)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(fù)合結(jié)構(gòu)充分利用金屬箔熱輻射系數(shù)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?zé)嵩?，而被金屬箔吸收的極小部分熱量在底導(dǎo)熱系數(shù)的密封空氣間層中其熱傳導(dǎo)損耗也大大降低，經(jīng)數(shù)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(shù)按設(shè)計要求計算得出，層間距一般為20～25 mm。該技術(shù)措施在實現(xiàn)減小熱輻射優(yōu)化熱環(huán)境的同時還可提高爐窯熱效率節(jié)省能源，一舉數(shù)得，經(jīng)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(fù)合結(jié)構(gòu)，各層鋁箔的熱輻射強度計算結(jié)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(yīng)地大幅度降低[4]。

2.3 爐窯作業(yè)區(qū)熱環(huán)境優(yōu)化效果

從技術(shù)經(jīng)濟合理性出發(fā)采用多層反射絕熱復(fù)合結(jié)構(gòu)將作業(yè)區(qū)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(jīng)計算，在室外溫度30℃條件下采用多層鋁箔反射絕熱結(jié)構(gòu)將國標(biāo)規(guī)定的爐窯側(cè)墻、爐頂?shù)耐獗砻孀罡邷囟群蛯崪y爐前墻外表面145℃均可降至35℃，而爐門扇可由300℃降至45℃，其優(yōu)化作業(yè)區(qū)熱環(huán)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(huán)境對人體更加舒適，且可收到良好的節(jié)能效果。這就是多層反射絕熱復(fù)合結(jié)構(gòu)通過層層反射將輻射熱流反射回爐體所發(fā)揮的優(yōu)化熱環(huán)境與節(jié)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(fù)合結(jié)構(gòu)的建造成本與常用的微孔狀、纖維狀蓄熱式保溫構(gòu)造基本持平，如計入節(jié)能效果該復(fù)合結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟效益則遠(yuǎn)大于后者。如在設(shè)計建造工業(yè)爐窯時將金屬反射絕熱復(fù)合結(jié)構(gòu)直接取代部分保溫磚或無定型無機保溫材料則可使?fàn)t窯墻成為蓄熱少、傳熱小、反射絕熱輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其熱效率大幅度提升，經(jīng)濟社會效益更為客觀。

表4 反射絕熱復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化環(huán)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(biāo)中不同爐內(nèi)溫度所對應(yīng)的“側(cè)墻”與“爐頂”外表面最高溫度。

3 減小爐窯門熱傳遞總量

據(jù)調(diào)研，當(dāng)前工業(yè)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(guān)閉與阻擋內(nèi)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(yán)重影響作業(yè)區(qū)熱環(huán)境的關(guān)鍵因素或稱“麻煩制造者”。發(fā)明專利技術(shù)[5]：多層復(fù)合反射絕熱工業(yè)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(lián)與空氣層共同組成反射絕熱復(fù)合門扇，并在門扇厚度中部設(shè)置一圈無機材料隔熱環(huán)層可有效隔斷有內(nèi)部高溫側(cè)向外部進行熱傳導(dǎo)的直接通道，兩項措施可以將門扇的熱輻射、熱傳導(dǎo)和門扇外側(cè)的熱對流都控制在所要求的限度之內(nèi)，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(jié)論

(1)在按國標(biāo)《工業(yè)爐窯保溫技術(shù)通則》建造的爐窯外側(cè)加設(shè)多層金屬/空氣間層反射絕熱復(fù)合結(jié)構(gòu)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(yōu)化作業(yè)區(qū)熱環(huán)境，使作業(yè)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(jié)能成效，屬一次投資多種功能，推廣應(yīng)用前景很好。

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