用于廢巖棉處理的電阻爐設備研究與設計

田豐，寇麗萍，馬玉桂，張先珍，李帥，戰洪仁

用于廢巖棉處理的電阻爐設備研究與設計

田豐，寇麗萍，馬玉桂，張先珍，李帥，戰洪仁

（沈陽化工大學 機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110027）

廢棄巖棉的處理是目前工業垃圾處理的難題，大多數廢巖棉被掩埋處理，對土地環境造成污染和浪費。根據廢巖棉燃燒產物對環境無害以及燃燒后體積減少量可達85%的特性設計了一款高溫全纖維臺車電阻爐，用于廢巖棉的燃燒處理，廢巖棉在爐中加熱到800 ℃后進行保溫，然后再出爐空氣冷卻。設備環境溫度20 ℃，工作溫度1 100 ℃，爐膛尺寸16 m×3.4 m×2.2 m，臺車面尺寸 3.2 m×3.2 m，安裝功率2 500 kW，額定裝爐量4.5 t。電阻爐投產后穩定運行，達到設計目標，解決了廢巖棉嚴重浪費土地資源和污染環境的難題。

廢棄巖棉；工業垃圾；臺車式電阻爐

隨著我國工業水平的不斷發展，工業生產中產生的工業固體廢物急劇增加，組成成分復雜難辨，工業固廢的處理大多是露天堆放或者土地掩埋[1]。如何有效、節能、環保地處理這些固體廢物成為許多學者研究的內容。巖棉是一種天然環保的防火保溫材料，它以巖石玄武巖等為主要原料，以高爐礦渣等工業礦渣為輔助原料[2]，經過高溫熔融、纖維化等工序制成的一種無機纖維。巖棉產品是良好的隔熱、隔音材料[3]，被廣泛應用于建筑、冶金、電力、石油化工等領域，同時也是農業無土栽培的理想材料，在土壤中使用巖棉材料可以緩解土壤短期干旱問題[4]。

隨著巖棉制品的迅速推廣，巖棉產量不斷增加，2020年我國巖棉年產能超過400萬t，產能利用率在80%以上，是絕熱節能行業內產量最大的產業，因此每年產生的巖棉固體廢物也在不斷地增加。巖棉固體廢物主要來自于巖棉生產過程中的廢巖棉、熔化爐爐渣以及廢舊建筑和工業設備拆除后的固體廢物[1]。由于巖棉產品的化學性質穩定，降解性差，且密度小，含有有毒的苯酚和甲醛，簡單的堆放或掩埋都會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中的固廢進行回用的工藝方案，研究了黏結劑含量及破碎粒度對料塊抗壓強度的影響，結果發現當黏結劑添加量占比12%左右、破碎粒度控制在3 mm左右時，所得料塊具有最佳的抗壓強度。CAROLINA[6]等研究了廢巖棉水泥砂漿的耐火性，發現加入巖棉纖維后的砂漿表面硬度與參考砂漿相比沒有變化，但是彎曲強度顯著提高，添加這些回收纖維可以改善其火災后的機械熱性能，并防止砂漿的爆炸行為。綜上來看目前廢巖棉的再利用研究工作還是剛剛起步，并不能完全應用到實際生產中，而國內每年產生的廢巖棉固廢量達到百萬噸級以上，現有的利用技術還處于簡單的回收再加工階段，國內企業缺乏科學、有效的工業廢物處理體系[7]，不能對廢巖棉有效的利用。巖棉生產過程中產生的廢巖棉大都被回爐重新生產，應用電爐回收利用巖棉生產過程中產生的各種廢料，可以顯著提高巖棉原料資源的利用率[8]。但舊建筑和工業設備拆除產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重占用、污染土地資源的問題，本文運用實驗的方法，從減少廢巖棉的體積、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計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石油天然氣股份有限公司錦州石化分公司，化學成分（質量分數）見表1。廢巖棉在生產過程中還會加入酚醛樹脂作為黏合劑，酚醛樹脂中的苯酚和甲醛具有毒性。本課題組已進行了對廢巖棉燃燒處理的實驗研究，將廢巖棉磨碎處理后放入高溫實驗電爐（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物的狀態。結果發現，燃燒到800 ℃后的廢巖棉會呈黑色塊狀且不易捏碎；溫度達到1 100 ℃之后的廢巖棉呈土黃色塊狀并且非常容易捏碎，此時廢巖棉燃燒完全；當燃燒溫度達到1 200 ℃之后廢巖棉會完全融化，冷卻后呈黃色玻璃體。廢巖棉里的酚醛樹脂經過燃燒已經分解成氫氣、碳氫化合物、水蒸氣和碳氧化合物等無污染的氣體排放到大氣中，燃燒后的殘渣對土地資源無害。通過對廢巖棉不同溫度燃燒后的殘渣體積測量發現，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，此時的廢巖棉狀態有利于回收、運輸、處理和掩埋，節省了回收成本，減少了廢巖棉空間資源占用。

表1 廢巖棉的化學成分 質量分數/%

2 結構尺寸與功率的確定

基于以上的實驗結論，某公司需建設一臺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。該爐要求生產任務每次4.5 t，根據廢巖棉的密度計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到800 ℃，爐膛溫度分布均勻，最大限度節約能源，設計要安全，生產操作要簡便。

2.1 結構和尺寸

2.1.1 爐型的選擇

根據廢巖棉的結構特點和燃燒特點，選用高溫全纖維臺車電阻爐。臺車式爐是借助臺車運送原料的間接加熱設備[9]。加熱前臺車在爐外裝料，加熱時臺車傳動機構將臺車拉入爐內，加熱后由臺車傳動機構將臺車拉出爐外卸料，使用靈活、方便，且工人的勞動強度低[10]，是加熱廢巖棉這種長板件的一種理想爐型。

2.1.2 爐膛尺寸設計

由于巖棉導熱系數小，為了保證廢巖棉中心溫度不低于800 ℃，應用集中參數法分別計算在不同溫度與不同厚度下的廢巖棉中心溫度達到800 ℃所需時間，以便合理設計巖棉板的放置位置、爐膛的尺寸以及運行功率。圖1為分別計算了環境溫度10 ℃、空氣對流換熱系數在5 W·m-2·K-1時，爐溫在1 000、1 100、1 200 ℃時不同厚度的巖棉中心溫度達到800 ℃所需的時間。

圖1 不同溫度下廢巖棉中心加熱到800 ℃所需時間

由圖1可知，隨著巖棉厚度增加，加熱時間呈指數式增長，因此過厚的放置廢巖棉會造成加熱效率降低，經濟性下降。但是廢巖棉密度較小，如果放置過分散會導致空間占用嚴重，爐膛的尺寸也會相應增大，資金投入會增加，背離經濟性的原則。加熱溫度越高對廢巖棉加熱時間縮短幅度會降低，造成能源浪費。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 ℃，既保證了高生產效率，又使加熱爐有良好的經濟性。

因此設計廢巖棉的堆砌高度為56 cm，上部空10 cm間隙再進行堆放，1堆為3層廢巖棉（約 188 cm），選用尺寸為3.2 m×3.2 m的臺車，每個臺車放置9堆廢巖棉，約0.9 t。因此設計一爐放置5個臺車，可以一次處理約4.5 t的廢巖棉。巖棉在臺車上呈九宮格排列，橫向巖棉與巖棉以及巖棉與臺車壁之間的距離都是5 cm，縱向巖棉與巖棉以及巖棉與臺車壁之間的距離都是35 cm。爐體的設計要在臺車與爐墻之間留有10 cm空隙，在廢巖棉頂部與爐頂之間留有40 cm空隙，綜合以上設計結論，計算爐體有效尺寸為效=3.4 m、效=16 m、效=2.2 m。

2.1.3 爐墻結構設計

為保障爐體的保溫性能可以在1 100 ℃下長期使用，爐墻采用CBTX-342高純型全纖維爐襯。高純型等纖維產品技術性能見表2；保溫層采用巖棉結構，巖棉等保溫層材料的性能標準見表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，爐襯要使用機械固定或錨固夾緊裝置，緊密地疊放起來形成爐襯[11]。

表2 高純高鋁纖維產品性能標準

表3 保溫材料參考標準

爐內設計溫度1 100 ℃、室溫為20 ℃時計算得爐外壁溫度54.7 ℃，符合《評價企業合理用熱技術導則》（GBT3486—1993）規定，側墻、前墻、后墻和爐頂均采用相同爐襯材質與結構。

2.1.4 加熱元件和電控系統設計

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、較小的熱膨脹系數，本電爐的爐膛面積大，電熱元件的用量大，0Cr25Al5材料的功率穩定，經濟性好，應用廣泛，從經濟性的角度出發采用鉻鋁系的電熱元件。元件呈之字形分布在臺車、爐門、兩側爐墻和后墻，之字形分布可以使爐內熱量分布均勻，提高爐溫的均勻度，還可以延長元件的使用期限[12]。

本爐采用5點測溫儀表，由智能控溫儀記錄溫度，在爐內超溫時自動報警，以便于多點控制爐膛溫度，確保爐膛溫度均勻。在爐內的主電路設置斷路器，防止短路和過載。溫控系統在運行期需檢查外形結構完好，定期校準[13]。另外設置不易損壞的保護一體化模塊，保護設備和工人的安全。本爐主要處理廢巖棉，可忽略系統結焦和腐蝕問題，當需要處理危險廢物時需要考慮對系統影響，制定合理方案，延長爐子使用時間[14]。

2.2 安裝功率和使用規范

本爐的主要能量支出分別包含加熱工件所需熱量、加熱輔助構件所需熱量、加熱控制氣體所需熱量、通過爐襯的散熱損失、通過開啟爐門的熱損失、通過開啟爐門的溢氣熱損失、砌體蓄熱量和其他熱損失。計算該爐工作時總能量支出為7.59×106kJ，為爐子保留一個功率儲備系數后計算該爐的安裝功率為2 529 kW，確定實際安裝功率為2 500 kW。

使用爐子時應注意開始加熱的時候，為了防止過大功率負荷對各元件造成損傷，開啟時熱功率為總功率的60%，待爐內溫度升至約200 ℃時再全功率加熱，達到設計溫度1 100 ℃時保持加熱30 min，之后進行保溫操作，墻體內的加熱元件功率減少50%，爐膛頂部的加熱元件關閉，達到保溫時間后，將所有加熱元件關閉，冷卻至400 ℃左右可以打開爐門降溫[15]，待加熱后的廢巖棉冷卻完畢，臺車便可以推出處理。

3 結 論

1）廢巖棉生產過程中加入的酚醛樹脂對環境有害，并且廢巖棉密度小，堆放和掩埋會浪費土地資源，實驗中1 100 ℃以上溫度燃燒后的廢巖棉體積減少85%左右。

2）高溫全纖維臺車電阻爐的設計更加環保節能，隔熱性能好，操作方便，安全性高，在建造完成后該爐各項參數均達到設計要求，經過一次調試就成功生產，一次可處理廢巖棉4.5 t。

3）該爐加熱后的廢巖棉實際體積減少量能達到80%以上，并且廢巖棉中的酚醛樹脂加熱后分解成氫氣、碳氫化合物、水蒸氣和碳氧化合物等。爐子加熱過程中產生的煙氣較少，毒性低，不會對環境造成污染，解決了廢巖棉處理難題。

［1］巖棉固廢的清潔生產及循環利用[A]. 中國絕熱節能材料協會.“行業創新大會”暨協會六屆十次常務理事會論文集[C].中國絕熱節能材料協會:中國絕熱節能材料協會，2017.

［2］譚丹君，王瑩，王鵬起，趙金平.我國巖棉不燃型外墻外保溫材料的應用與存在問題[J].新型建筑材料，2011，38（11）：35-37.

［3］王曉磊，潘云.巖棉在建筑上的應用與發展[J].建筑節能，2016，44（4）：53-56.

［4］顧佳悅.基于巖棉材料的丘陵經濟林地和庭院盆栽土壤保水技術探究[D]. 杭州：浙江農林大學，2021.

［5］呂士武，劉春，孫振海.巖棉生產中的固廢回用技術研究[J].玻璃纖維，2017（4）：36-39.

［6］CAROLINA P R,ALEJANDRA V B, RUBéN S S,et al. Analysis of fire resistance of cement mortars with mineral wool from recycling[J]., 2020, 265 : 120349.

［7］李紅雙.工業廢物處理問題及環境保護對策分析[J].當代化工研究，2021（20）：119-120.

［8］方銘.淺談通過資源綜合利用提高巖棉綠色制造水平[J].墻材革新與建筑節能，2018（7）：34-37.

［9］祝琴.大型臺車式電阻爐溫度自適應控制系統[D].南昌：南昌大學，2006.

［10］底建永.高溫全纖維臺車式電阻爐[J].工業加熱，2000（2）：32-33．

［11］李世光，王曉紅.全纖維加熱爐爐襯的設計、施工及應用[J].應用能源技術，2014（4）：30-31.

［12］劉中陽.全纖維臺車電阻爐結構設計[J].金屬加工（熱加工），2014（7）：84-86.

［13］陸云，陳毓瑾，林科民.關于臺車爐校準方法及參數的一些探討[J].冶金管理，2020（7）：76-77.

［14］修德勇，王東博，張言.危險廢物配伍及其對焚燒系統的影響[J].遼寧化工，2021，50（8）：1193-1195.

［15］支左，王亞軍，韓學成.特大型全纖維臺車式電阻爐設計[J].石油化工設備技術，1999（6）：30-33.

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

,,,,,

（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。

戰洪仁（1964-），女，教授，博士，研究方向：多相流強化傳熱機理。

TM924.33

A

1004-0935（2022）06-0844-04