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 高溫熱輻射對健康的不良影響

高溫輻射熱環(huán)境對人體生理指標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，輕度脫水乃至暈厥；嚴重者會患熱射病，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)。因此在高溫熱輻射環(huán)境作業(yè)是不能用通風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《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，國標所界定的高溫作業(yè)工作地點溫度為30～44℃，而國標《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℃達標，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。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(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熱源，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爐窯墻成為蓄熱少、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《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。