梭式窑内烟气温度测量装置的研究

1 引 言

    梭式窑由于具有投资小、烧成周期短、烧成制度  调节灵活等特点, 已成为了耐火材料烧成设备中应用最广泛的间歇式炉窑之一, 其烧成温度一般为( 1000~1750) ℃, 超高温梭式窑的温度还高达1800℃^[1]。为了保证生产的成品符合产量及质量的要求, 必须按照已经确定的操作制度进行操作, 窑内气体温度就是其中一个重要的工艺操作条件, 它对产品的质量、设备的生产率及设备的使用寿命等均有重要意义,准确测量窑内气体温度变化与分布, 对改善操作与设计十分重要^[2]。

    本文提出了一种以热电偶为测温元件的温度测量装置, 具有结构简单、操作方便、测量准确等特点。

2 测温装置的设计与计算

    该测温装置主要是由遮热罩、热电偶及补偿导线、水冷管和风机四个部件组成, 结构如图 1 所示。

    由于以热电偶为测温元件, 根据传热学原理, 在利用热电偶进行温度测量时, 使用遮热罩可以提高测温的准确度, 采用多层遮热罩的时候效果更加明显, 计算可知: 裸露热电偶的相对测温误差为20.7%, 而单层遮热罩抽气热电偶的相对测温误差为 4.88%, 双层遮热罩抽气热电偶的相对测量误差为 1.22%, 但遮热罩数量一般不超过 4 层[3]。考虑到窑内测温孔的尺寸限制和实现的难度, 决定采用双层遮热罩来提高测温精度。

    遮热罩一般用耐热钢或耐火材料制成, 金属遮热罩虽然加工比较方便, 装配也较容易, 但只能在气流温度低于 1100℃的条件下使用[4], 而梭式窑内的气体温度在 1000℃以上, 有的竟高达 1800℃, 因此只能选择耐火材料。综合考虑各种耐火材料的性能, 由于碳化硅耐火材料具有耐磨性和耐蚀性好,高温强度大, 热导率高, 热膨胀系数小, 抗热震性好等优点[7], 选择这种材料来制作遮热罩。

    耐火材料遮热罩多做成多孔型或细管型, 是一个整体结构, 但此处的双层遮热罩采用两个部分组装的形式, 如图 2 所示, 由碳化硅管和一个有三角支架的遮热罩组成, 碳化硅管内壁和三角支架均存在一定的坡度, 这样既能固定内层遮热罩在碳化硅管中的位置, 又尽可能地增大了烟气在遮热罩内的流通面积, 减少了抽气所需要克服的流动阻力。此外, 在内层遮热罩内有一个凸台结构, 用来固定热电偶的位置进行测温。

    由于使用风机来增加烟气与测量端的对流换热, 提高温度的测量精度, 需要在烟气进入风机之前, 将其温度快速下降到风机能够承受的范围之内, 这就要事先使用水冷套管来对烟气进行强制降温, 保证风机的正常工作。水冷套管一般采用不锈钢材料, 考虑水冷管与遮热罩的连接方式, 如果采用卡口连接, 由于材料的不同, 很有可能使二者的连接不够紧密, 出现管道中漏气的现象, 从而增加风机的工作负荷, 另一方面, 如果水冷管伸入窑内工作, 不仅有测温孔尺寸的限制, 还有可能带来安全隐患, 一旦水冷管的设计出现问题, 不仅不能及时对烟气进行降温, 还有可能水冷管中的水在高温烟气的作用下蒸发膨胀, 造成爆炸。鉴于以上所述,合理的办法是对伸入窑内的测量管道均采用碳化硅材料, 水冷套管只在窑外工作, 采用不锈钢材料制作, 两管段在窑炉外用法兰连接, 并使用密封垫圈来提高管路的密闭性。