泡沫镍焚烧炉的设计和改进

1、2008年 第3期 2008年 3月化学工程与装备Chemical Engineering & Equipment87泡沫镍焚烧炉的设计和改进王钢成（长沙力元新材料股份有限公司，湖南 长沙 410100）摘 要：本文论述了泡沫镍的焚烧过程中造成产品质量缺陷的原因、早期焚烧炉存在的问题、关键部位的设计和改进、以及改进后达到的效果。关键词：泡沫镍；焚烧炉；内应力；裂纹；聚氨酯基材1 前言泡沫镍是近年来发展起来的一种镍氢电池材料，其生产流程包括聚氨酯导电化、电沉积镍和烧结热处理等三个主要工序。在生产过程中，电沉积工序后的半成品是一种内含聚氨酯有机物基材的海绵网孔状的纯镍金属，具有很大的内应力，性脆且

2、硬，必须经过烧结工序，将其内部的聚胺脂有机物基材去除，并且进行高温热处理，把在高温下被氧化的镍原子还原为金属镍，同时消除其内应力使泡沫镍产品最终具有一定的柔韧性、抗拉强度和其原有的金属光泽。烧结线是泡沫镍生产中的主要设备之一，焚烧炉又是烧结线中的关键设备。焚烧炉的性能优劣对产品质量、产能、能耗以及环境保护影响重大。 2 设备组成及工艺参数对产品质量的影响焚烧炉由炉体、烟窗、电加热器、传动装置等组成。早期的焚烧炉如图1所示：由炉体、加热装置、风门等组成。焚烧过程的关键是控制好焚烧炉的温度和产品走速，从理论上来说，温度高有利于有机物基材的去除，使其燃烧得更充分更快；走速高，则可以提高产能，降低产品

3、成本。但是升温过急，会使产品内部的内应力释放过快且不均匀，出现局部形变，导致镍原子之间的结合力小于内应力，而使产品出现裂纹；另外，温度过高，会使有机物的燃烧过于猛烈，燃火中心和附近部位的泡沫镍温度急剧升高，由于热胀冷缩的原理，这部分的泡沫镍体积迅速膨胀，与邻近的泡沫镍相互产生挤压，从而使产品出现拱状波纹，严重时拱形高度可达到炉口的挡板，以致产出现擦伤，同时也进一步促使了裂纹的扩大。可见，迅速升温对内应力的释放极为不利。温度过低，则会导致焚烧不完全，产品会出现局部炭黑和黄斑等缺陷，甚至会出现油块状污染，这种油块状污染是由于有机物从泡沫镍中裂解挥发出来后，未能充分燃烧分解成为二氧化碳和水，在炉内温

4、度低于其气化温度时便出现冷凝，形成油状物滴落到产品上造成的。这些缺陷一旦产生，其后的还原工序中也很难消除。走速对于产品质量也有很大影响，在加热功率一定的情况下，走速过快也会使得有机物燃烧不完全，而出现碳黑，黄斑等缺陷；另外，走速过块会使泡沫镍在炉内经过的时间缩短，内应力释放时间不够，会使得内应力释放不充分和不均匀，而导致裂纹的出现。温度和走速是焚烧过程中重要的工艺参数，合理调配才能使焚烧工序处于最佳状态。焚烧炉中，理想的工艺温度曲线如图2所示：图1：早期的焚烧炉结构88王钢成：泡沫镍焚烧炉的设计和改进图2：理想的温度变化曲线泡沫镍进入焚烧炉后，由室温开始升温，达到100（b）后，维持在100左

5、右一段时间。这是因为上道工序完成后，泡沫镍含有大量的水分，这些水份在达到100左右开始气化，气化完毕之前温度将维持在100，去除水份之后，泡沫镍继续升温，达到有聚氨酯机物基材的燃点（d），开始着火燃烧，并一直维持该温度直至燃烧完毕出炉。 3 早期的焚烧炉存在的问题以上的燃烧过程是理论分析的理想状况，但实际情况并不如此。早期的焚烧炉其实际测得温度曲线如图3：图3： 实际的温度变化曲线图3与图2的不同之处在于，当泡沫镍有机物基材达到燃点（d）起火后，燃烧产生的热量又加热泡沫镍本身，使泡沫镍温度从d点急剧地再上升至e点，燃烧完毕后，温度又会降至f点，之后维持该温度至出炉。从炉口或观察孔可以看到，火焰

6、中心的泡沫镍已经被烧成红色。df点温度剧烈波动导致了裂纹、拱形等一系列产品质量缺陷的产生。此外，早期的焚烧炉结构不甚合理，还存着以下问题：（1） 炉子结构过于简单，炉壳保温性能很差，大量的热能经炉壳散发出来，既浪费能源又恶化车间的工作环境。（2） 由于炉子保温不良，炉膛内温度差别很大，靠近炉壁的温度下降很多，炉内温度不均匀，使得焚烧不稳定，工艺参数难以控制，产品中的内应力不能均匀释放，导致产品裂纹等缺陷的增多。（3） 炉顶的烟窗本是用来排出燃烧产生的烟尘废气，但是由于烟窗风门开启后，炉内气流扰动加速，带出的热量增多，引起温度波动加大，也使得产品质量缺陷大量增加，如裂纹起拱等。因此，一般情况下烟

7、窗风门是关闭的，以此来减少炉内气流扰动，于是大量的烟气出炉口散发到车间里，严重的污染了工作环境。（4） 能耗高，效率底，烧结成本居高不下。 4 焚烧炉的设计改进根据上述分析，针对早期焚烧炉还存的问题，我们对焚烧炉进行了重大的改进，新设计的焚烧炉如图4所示：图4： 改进后的焚烧炉结构 4.1 主要的改进点如下： （1）为了使热量不易散失，保持炉内温度的稳定和均匀，采用了加强保温的封闭式炉膛，填充了足够厚度的隔热材料，实际情况表明，保温效果非常明显，炉内的温差大幅减小，炉外壁温度也由原来的300多度降为50多度。 （2）查阅有关资料可以得知，聚氨酯是一种高分子有机聚合物，在高温缺氧的情况下，聚氨酯

8、会产生裂解，其高分子聚合物裂变为低分子可燃气体而逸出。为了减少泡沫镍达到燃点后被火焰直接灼烧而剧烈升温，避免曲线图中df段的情况，在炉内设置一个隔火罩。隔火罩上有许多小孔，目的王钢成：泡沫镍焚烧炉的设计和改进89是把火焰与泡沫镍隔开，使火焰处于隔火罩的上方。实际情况表明，这是个十分有效的措施。我们从观察孔可以看到，泡沫镍在隔火罩下面其聚氨酯有机物只是在高温下产生了裂解气化，并不燃烧，淡白色的裂解气体在泡沫镍和隔火罩之间升腾，穿过隔火罩小孔之后，遇到空气才开始燃烧，形成蜡烛状火焰。火焰产生的高温不直接灼烧泡沫镍，而是通过隔火罩均匀地辐射下来。从实测的温度曲线来看（见图5），df点的情况已大为改善

9、，实际上，由于泡沫镍上不产生明火，d点已不明显。同时，泡沫镍的氧化程度也大为降低，减轻了以后的还原压力。 （3）为了减少气流扰动对产品温度造成影响，我们改变了进气方式。炉体封闭后，燃烧所需要的空气只能从炉子两端的产品进出口的缝隙处进入，达到隔火罩上方使可燃气体燃烧。而不再是以前那样从炉底直接进入，穿过产品使其焚烧，并带走热量，使温度不稳定，造成产品质量缺陷。 （4）烟囱移到炉子的前部，燃烧后的废气要经过一段距离才从烟囱排出，可以利用废气中的余热来预热刚进入炉子的泡沫镍，充分利用其热量，降低能耗。 （5）改进了加热装置的结构，延长电热丝的寿命，减轻维修工作。改进后测得的工艺温度曲线如图5：图5：

10、改进后的温度变化曲线图5 改进达到的效果（1） 由于采用了封闭式隔火炉膛和加强保温以及改变进气方式等措施，开启烟囱风门后，炉内气流不再穿过产品，气流扰动对产品质量已经没有大的影响，因此可以完全排出烟尘废气，车间空气因而变得清新；同时炉壁温升降低，散发的热量大大减少，车间温度大为降低，夏天效果尤其显著。(2) 由于充分利用了热能和保证了产品质量，使得增加燃烧产品层数和加快运行速度成为可能，实际上在生产中达到了四层烧0.6m/min速度以上的产能（以前只有两层烧0.5m/min速度），提高240%；(3) 提高产能的同时，能耗也大幅降低，经过实测，平均耗电从以前的每天1280度降为现在的每天870

11、度，降低了410度/天，降幅达32%。(4) 产品质量稳定，没有发现任何负面效应。 6 实际应用产生的效益 6.1 经济效益新设计的泡沫镍烧结线被应用到公司的二期工程项目上，按早期的设备生产能力计算：应当新增6条燃烧线，采用改进烧结线后，只需3条烧结线就可满足生产要求，减少了设备数量，也减少了厂房占地，节省设备厂房投资共计在280万元以上。由于产能的成倍提升，使得生产成本大为降低，同时还减少了电、水、人工、维修等开支，此项每年可为公司增加效益235万元左右。 6.2 环境效益改进设计后的新烧结炉完全排出焚烧所产生的烟尘废气，不再污染车间的空气，同时炉子散发的热量也大为减少，工作环境得到极大地改善，有效保护了生产员工的身体健康。 7 结束语控制焚烧区的工艺温度曲线，平滑、稳定，不使其出现急剧波动，