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天然气直燃燃烧器培训教材.docx

1、天然气直燃燃烧器培训教材涂装设备培训教程烘干及冷却设备机械工业第四设计研究院2008年3月1 涂料组成及其作用 31.1 涂料组成 31.2 溶剂 31.3 裂变产物 31.4 结合剂 41.5 颜料 41.6 添加剂 42 涂料的干燥过程 42.1 涂料的固化方法 42.2 涂料的固化过程 72.3 涂料固化应具备的条件 93 烘干设备简介 93.1 烘干设备的分类 93.2 确定烘房规格和配置的先决条件 103.3 热源的选择 103.4 烘干室的形状 113.5 烘干室的断面结构 113.6 烘干室的工作区 123.7 烘干室内被涂物的加热方式 123.8 烘干室供热系统方式 133.9

2、 集成式加热箱 133.10 烘干室排废气系统 153.11 烘干室新鲜空气补充方法 153.12 烘干炉空气平衡 163.13 烘干室对流区循环风量的选取原则 183.14 废气处理方式 183.15 烘干设备主要构件 193.16 操作系统 194 热风循环固化设备 204.1 热风循环固化的机理 204.2 热风循环固化的特点及适用范围 204.3 热风循环固化设备的性能要求 214.4 热风循环固化设备的主要结构 214.5 热风循环固化设备使用注意事项 295 远红外线辐射固化设备 305.1 远红外线辐射固化的机理 305.2 远红外线辐射固化的特点及适用范围 315.3 影响辐射

3、烘干的因素 325.4 远红外线辐射对流固化设备 335.5 紫外光固化设备 336 废气处理 346.1 各种废气处理方法及其特点 346.2 直接燃烧法 356.3 催化燃烧法 366.4 活性炭吸附法 397 强冷室 417.1 用途 417.2 工件在强冷室内的冷却时间 417.3 强冷室的设置 417.4 工件经过强制冷却后的表面温度 417.5 强冷室组成 417.6 强冷室的空气平衡 427.7 强冷室的典型结构 427.8 强冷室主要构件 431 涂料组成及其作用1.1 涂料组成涂料,一般包括挥发性和非挥发性成分。两种类型的成分都有其用途。在经过干燥和固化过程后,非挥发性成分保

4、留在涂装物上,而挥发性成分释放到周围的空气中。挥发性成分包括溶剂和裂变产物。挥发性物质的比例取决于具体使用的涂装系统和应用状况。用于汽车工业的涂料大体上含有50-80%的溶剂(取决于具体的涂料类型)。填料包含大约50%的溶剂,面漆达80%,而清漆则在35-50%之间。 涂料配方 挥发性成分 非挥发性成分 溶剂 裂变产物 颜料 结合剂 添加剂1.2 溶剂首先,溶剂使涂料的应用成为可能。使用的溶剂类型影响或决定应用步骤。溶剂可以分成多种化学物质:烃类,水,酒精,醚/乙醇醚,酯。涂料在使用时开始散发溶剂。在烘房里的干燥过程中,溶剂的散发变得更明显。1.3 裂变产物结合剂成分经历一个交联(缩聚)过程,

5、在此期间裂变产物释放。裂变产物也可以是热干燥/固化过程的结果。这些产物可以包括水、面漆酒精和甲醛。1.4 结合剂结合剂使应用的涂料结合并形成涂膜。就是该结合剂主要决定了涂膜属性的类型。涂膜特性根据涂料类型和组成可以有很大变化。因为结合剂,分布细致的颜料、填料和其他涂料成分在干燥和固化后形成紧密结合的涂层。在汽车涂装应用中,当前使用的厚度电泳浸涂(KTL)约为20-25m,填料约为25-30m,涂面漆约为10-15m,清漆约为35-45m。根据上面的定义,涂料中的树脂和增塑剂与结合剂群聚在一起。涂料系统中的树脂是固化干燥涂料的成分。增塑剂使涂料有足够的弹性,以致于移动所涂装的物体而不裂损。1.5

6、 颜料颜料是具有体结构的无机和有机物质,它在使用的涂料结合剂和溶剂中保持不可溶。颜料决定了涂料的颜色,不同的颜料或颜料混和物用来获得需要的颜色。无机颜料包括碳酸钙、铁氧化物、钛氧化物、铝、铜、烟灰、石墨和其他东西。有机颜料可以是人工合成的,也可以是天然的物质。1.6 添加剂添加剂影响某些涂料属性,如流动或干燥特性。它们只少量地与涂料混和。添加剂的精确成分和使用的浓度通常是涂料制造商的商业秘密。2 涂料的干燥过程2.1 涂料的固化方法涂料的成膜过程就是涂层的固化过程,对溶剂型涂料俗称涂料的干燥。表2-1 涂料的固化方法固化方法分类固 化 方 法固化(干燥)自然干燥在常温状态下干燥,俗称自干或气干

7、加热固化低温固化100以下烘干中温固化100150烘干高温固化150以上烘干照射固化紫外线固化紫外线照射电子束固化电子束照射2.1.1 自然干燥自然干燥只适合挥发型涂料、自干型涂料和触媒聚合型涂料。气温、湿度、风速对涂料的自干速度产生显著影响,一般是气温高、湿度低、通风条件好自干速度快、光照对涂料的自干也有利。温度越高溶剂的蒸汽压就高,溶剂的挥发速度就快,氧化、聚合等涂料固化反应的速度也随温度的升高而加快。因此涂料自干场所的气温增高有利于涂料的干燥。一般要求自干场所的气温在5以上。湿度高也就是空气中含水蒸汽多,水蒸汽对涂料中的溶剂挥发起抑制作用,另外湿度高时随着溶剂的挥发被涂物表面冷却,从而使

8、空气中的水蒸汽冷凝容易造成涂层泛白。所以要求涂料自干场所的空气湿度要低,一般要求相对湿度不大于80%。通风有利于涂料中溶剂的挥发和溶剂蒸汽的排除,并能保证自干场所的安全。阳光中的紫外线对氧化聚合型涂料的自干有促进作用。必须指出,自然干燥并不是指被涂物在露天场所自然晾干。自然干燥同样需要采取一定的措施来确保施工符合环保、消防和劳动卫生的法规。2.1.2 加热固化加热固化包括强制干燥和加热烘干。强制干燥指加热能自然干燥的涂料,目的是缩短涂料的干燥时间提高涂层的性能。强制干燥一般采用低温固化,固化温度在60100左右,温度过高涂层容易起皱、起泡;加热烘干指加热只能在一定温度下固化的涂料,使其完全成膜

9、。加热烘干所常用的温度一般在120以上。加热固化的烘干规范(温度和时间)取决于被烘干的涂料类型、被涂物的材质。 硝基漆的烘干条件为6080,10min30min; 醇酸树脂漆为90100,30min60min; 丙烯酸树脂涂料为120140,20min40min; 环氧粉末涂料为170190,20min30min; 一般水性电泳涂料为170190,20min40min。必须注意:涂料固化技术要求中的“温度”指的是涂层表面温度或涂层底材的温度,而不是烘干环境温度。金属制品的烘干温度一般为80300;受热相对容易变形的塑料和木材的烘干温度一般为6080。相对工件而言,加热方式有:对流、辐射、电感应

10、三种。 对流加热是以热空气为媒介,将热对流给涂层和被涂物而加热。其优点是加热均匀、温度控制精度高,适合于高质量的涂层、形状和结构复杂的被涂物烘干,是涂层烘干的主要方式,但对流加热的升温速度相对较慢。 辐射加热通常使用红外线、远红外线,它们从热源辐射出来呈电磁波在空气中传播,辐射到物体后直接吸收转换成热能,使底材和涂层同时加热,升温速度快、热效率高是其长处,但温度不易均匀。 电感应加热是利用电感应作用,使电能转变为热能。被涂金属件放在通交流电300400Hz/s的线圈内,通过电磁感应使金属件受热,其特点是加热效率高,涂层干燥从基体下开始,使涂料中的溶剂完全散逸,但仅适合外形简单、规则的小金属件。

11、2.1.3 照射固化照射固化法是指紫外线、电子束固化有机涂料成膜的新技术,紫外线固化技术的应用近期得到了较大的发展。2.1.4 紫外线固化当用特定波长的光照射含有光敏剂的光固化涂料的涂层时,光敏剂分解产生活性的游离基因,随即引发聚合反应,在短时间内使涂层固化成膜。因为通常采用波长为(300450)nm的紫外线,所以称为紫外线固化。一般生产线上使用高压水银灯和紫外线荧光灯。紫外线固化的特点是固化时间短(几十秒至几分钟),在常温下固化、装置价格相对较低。适合于加热容易变形的木材、塑料等材料的涂装,当然也适用于金属件的涂装。紫外线固化仅适合光固化专用涂料,而且只适合透明或易反射的颜料的涂料固化,目前

12、使用较多的是紫外线光固化清漆。其缺点是:有照射盲点,只适合形状简单的被涂物固化。涂料的固化速度取决于照射的强度,增加光源的强度可缩短涂料的固化时间。2.1.5 电子束固化电子束固化的机理是用高能量的电子束照射,使被照射涂层的分子内产生活性基团,引发聚合反应而使涂层成膜。电子束固化的特点是:固化时间极短(几秒)、常温下固化、能固化到涂层底部,因此适合于木材、塑料、金属、纸、布和皮革的涂装,而且它可固化不透明的涂料。其缺点是:有照射盲点,只适合形状简单的被涂物固化;照射装置的价格高、安全管理严格。2.2 涂料的固化过程2.2.1 涂装作业中判定涂层的固化程度表2-2 涂层固化程度的区分名 程状态(

13、干燥程度)触指干燥轻触涂层涂料不附手指不粘尘干燥干燥到不粘尘的程度表面干燥干燥到无粘尘的状态半硬干燥轻压涂层涂料不附手指全硬干燥强压涂层涂料不附手指打磨干燥干燥到可打磨状态完全干燥无缺陷的完全干燥状态2.2.2 涂层在烘干室内的固化过程在涂料干透和固化后,溶剂和裂变产物从涂料中蒸发,只有颜料和结合剂保留在表面。这些物质的晶界之间的结合由温度触发。干燥和固化过程需要固定的温度值。涂装的车身必须在烘房内在合适的温度下保持足够的时间。在此期间涂料固化,那就是说,它不再受外界影响了。涂层在烘干室内的整个固化过程中,工件涂层的温度随着时间的变化,通常分为升温、保温和冷却三个阶段,温度与时间的关系即涂层固

14、化温度曲线如图所示。图2-1 涂层固化温度曲线1工作温度 2烘干室空气温度3溶剂挥发率涂层从室温升至所要求的烘干温度为升温阶段,所需的时间为升温时间。在这段时间里,需要用大量的热量来加热工件,而大部分溶剂在此段迅速挥发,因此需要在此段加强通风,排除溶剂蒸汽和补充新鲜空气。升温时间根据涂料溶剂沸点进行选择。沸点高,升温时间宜短(即升温速度较快)以加速溶剂的挥发。但升温速度过快,溶剂挥发不均匀,涂层可能出现不平整等缺陷。当然,升温时间放长,涂层溶剂慢慢地挥发,涂层质量好,但生产率降低,运行成本增加;涂料溶剂沸点低,升温时间宜长,这样可以防止溶剂沸腾造成涂层的缺陷。一般涂层内90%的溶剂在(510)

15、min内逸出,因此升温时间一般在(510)min内选择。涂层达到所要求的烘干温度后,延续的时间称为保温阶段,所需要的时间为保温时间(即烘干时间)。在这阶段时间里,主要是使涂层起化学作用而成膜,但也有少量溶剂蒸发,所以不但需要热量,还需要新鲜空气。但热量和新鲜空气的需要量都比升温段少。保温时间的长短根据涂层材料、涂层质量要求和烘干方法等因素选择,具体数据可参考涂料供应商提供的资料,也可以通过实验确定。涂层温度从烘干温度开始下降,这段时间称为烘干室的冷却时间,一般指烘干室的出口段区域。工件离开烘干室时的温度一般只比烘干温度降低几十度,对于工件烘干后马上就要喷漆的情况(一般要求工件温度不超过40),

16、烘干室后需要设置强制冷却室。2.2.3 被涂物的烘干温度曲线涂料的精确温度只能在涂装的物体上测量。要完成此直接测量,“Datapaq”测量仪器随着车身通过烘房。Datapaq包括一个隔热的记录装置和附在车身上的6到8个传感器。这些传感器将温度传输到记录装置。一旦测量仪器通过烘房,计算机数据测定可以完成,并且绘制出一张曲线图(烘房曲线)。薄金属板和顶部需要的加热时间相对较少,而门槛、车底和柱件需要的加热时间较多。2.3 涂料固化应具备的条件 固化场所必须满足环保、消防和劳动卫生的法规。 涂层固化前已经充分流平。 固化场所的温度、湿度必须符合涂料的固化技术要求。 固化场所应清洁、无灰尘。3 烘干设

17、备简述3.1 烘干设备的分类涂装过程中,固化工艺和设备占有重要的地位。前处理后的脱水干燥,湿打磨涂层后的水分干燥、涂层的加热固化等都要用到固化(或烘干)设备。如果对各种涂料的温度和烘干时间掌握不准确,就不能使涂层性能得到充分地发挥。由于涂层的固化在涂装过程中占比较长的时间,一般也是涂装生产线耗能的最主要工序,因此涂层的固化过程对产品的质量和成本有很大的影响。固化设备必须向高效率、低耗能、少污染的方向发展。固化设备的分类如下:3.1.1 按形状分类可分为通过式烘干室和间歇式烘干室。连续通过式烘干室分为直通式和桥式两种。通过式烘干室可以是单行程或多行程式,其出入口端的结构也不尽相同。连续式烘干室通

18、常与前处理设备、涂漆设备、冷却设备、机械化输送设备等一起组成涂装生产流水线。间歇式烘干室一般适用于非流水线涂装作业。3.1.2 按热源分类烘干室常用的热源有: 蒸汽 电能 气体燃料(城市煤气、液化气、天然气等) 液体燃料(煤油、柴油) 热油3.1.3 按加热方式分类辐射式烘干室 用辐射方式来加热被涂物,如远红外线烘干室、紫外线烘干室。对流式烘干室 用热源产生的燃烧气体或加热后的高温空气在烘干室内循环,使被涂物对流受热。对流式烘干室还可分为直接燃烧加热型和使用热交换器的间接加热两种。烘干设备可根据工件固化质量要求,结合多种加热方式使用。3.1.4 按用途分类根据烘干室在涂装过程中的使用目的,以它

19、们的用途名称进行分类。例如:脱水烘干室、底漆烘干室、PVC烘干室等。3.2 确定烘房规格和配置的先决条件烘房中最重要的设定值由与过程有关的因素决定:干燥温度、干燥周期、溶剂和裂变产物的散发;同时,工件的外形尺寸和机械化输送方式,要求充分考虑工件在烘房内的通过性。这些设定值用于计算烘房长度、确定烘房的断面结构,计算排风和新鲜空气量,加热系统热负荷额定值。3.3 热源的选择固化设备可选择的能源种类较多。常用的热源有蒸汽、电能、柴油、城市煤气、天然气、液化气、导热油等。热源的选择受需要固化涂料的温度、涂层的质量要求、当地的能源政策及综合经济效果等因素的限制。表3-1 常用热源的使用范围热 源种 类常

20、用的固化温度/适 用 范 围主 要 特 点蒸汽100脱水烘干、预热、自干和低温烘干型涂料的固化可靠的使用温度90。热源的运行成本较低,系统控制简单燃气220直接燃烧适用于装饰性要求不高的涂层;间接加热适用于大多数涂料的固化热源的运行成本较低,但系统的投资相对较高。系统控制及管理要求较高燃油220直接燃烧适用于装饰性要求不高的涂层;间接加热适用于大多数涂料的固化热源的运行成本较低、但系统的投资相对较高。系统控制及管理要求较高电能220适用于大多数涂料的固化运行环境清洁,控制精度高。运行成本相对较高热油200适用于大多数涂料的固化使用不普遍,运行成本较低。系统投资较高,系统控制及管理要求较高3.4

21、 烘干室的形状烘干室形状的确定在满足工艺布局需要的前提下,应尽可能考虑节省能耗、缩小烘干室有效烘干区的温差、减少占地面积、节约设备的用材、方便设备的安装运输及设备将来改造扩建的可能性。3.5 烘干室的断面结构断面结构,取决于: 工件的输送方式和机械化尺寸。 工件在烘道内的通过性。 烘干室内部风箱的布置方式。 热空气在烘道内的流动方式。其影响因素包括辐射区辐射传热面位置,对流区热空气送、回风口的位置,排废气系统抽气口位置等。 烘房内的排废气方式等。断面结构的合理性直接影响工件的干燥质量,影响烘干室的气流平衡;同时,关系到烘干设备的投资,运行时的能源消耗指标。3.6 烘干室的工作区根据被涂工件的烘

22、干温度曲线,工件温度由室温升到工艺温度这段区域,通常称为升温区,时间为1015min;工件表面温度到达工艺温度后,需要一段保温时间,一般为1520min;精确的保温时间是由涂料制造商指定的。对于JPH较高的生产线,连续式烘干室在其有效长度区域内一般分成多个工作区。烘干室在划分工作区时,需要综合考虑加热箱热容量(燃烧设备尺寸),风量(风机型号,循环空气过滤器安装尺寸)和烘房内的送风均匀性等因素。一般情况,单区为辐射时长度不得超过18m,对流区长度不得超过35m。因而,升温区和保温区都可以由多个工作区组成。3.7 烘干室内被涂物的加热方式一般来说,相对于被涂物,在汽车涂装应用中有两种加热方式:辐射

23、和对流。辐射一般用于升温区,对流用于保温区。3.7.1 辐射方式辐射换热方式主要用于加热区域,其能量来源可以是一个暗辐射,或者是采用红外线辐射灯。这两种情况都是通过纯热辐射进行能量传送。在暗辐射区域,来自废气热处理净化装置或辐射加热箱的热空气通过在烘房内部侧面的密闭风箱输送,热空气温度在300左右。辐射风箱辐射出的能量传送到汽车车身。在此区域没有空气循环,热空气和车身之间没有任何直接接触。采用红外线辐射灯时,其发出红外光谱中的短波光束。此光束迅速地加热车身表面。优点:通过辐射换热减少扬尘的风险,因此在必需无尘环境时尤其适合。缺点:这种干燥方法需要大量的能量。它也总是伴有过热的风险。在这种情况下

24、,涂料过热并脱色。光在红外线范围内散发,因此对人眼来说是不可见的。3.7.2 对流方式对流方式是指被涂工件通过与其周围的热空气循环换热而被加热。在此过程中,干净的空气通过热交换器被加热,并由离心风机送入烘房内部。热空气在烘道内与工件对流换热,然后被抽出,并送回加热箱。故称此处的空气也被称为循环空气。在此过程中,循环空气在加热箱中被加热到所需的温度,当该空气在车身周围循环流动时释放能量。优点:快速、均匀地加热具有复杂几何结构部件。由于能量的直接传送,所以非常经济。过热的风险降低。缺点:由于空气的运动及热载体和汽车车身之间的直接接触,有污染的风险。空气必须过滤,烘房必须完全无尘。3.8 烘干室供热

25、系统方式烘干室选用电,导热油或蒸汽等作热源时,一般采用独立供热装置分区供热, 每区具有各自独立的自动化控制,并有序构成烘干室整体自动化控制系统。柴油或燃气(天然气,LPG)作为热源时,烘干室供热有两种方式:集中供热系统或单区燃烧器独立供热。单区域采用燃烧器的烘干炉的设计应确保在1小时内从一次冷态起动达到操作温度;由中央热源集中供热,并分区加热的烘干炉设计应确保在2小时内从一次冷态起动达到操作温度。 3.9 集成式加热箱烘干室供热设备一般制作成集成式的单元体,在其制造厂进行组装和测试并整体或分块运到施工现场安装。加热箱单元使用一个整体结构的底座,底座为风机、电机和驱动等构件提供必要的支撑。加热箱

26、一般按加热空气介质的方式分为直接加热和间接加热两种形式。3.9.1 直燃式加热箱a 直燃式加热箱的两种用途 用于采用直接加热方式的烘干室。一般直接加热烘干室是将燃油或燃气在燃烧室燃烧时所生成的高温空气送往混合室,在混合室内燃烧产生的高温烟气与来自烘干室内的循环空气直接混合,混合空气由循环风机送往烘干室加热工件涂层使之固化。直接加热的烘干室结构简单、热损失小、投资少并能获得较高的温度,但是燃烧生成的高温空气,往往带有烟尘,如除尘不尽很容易污染工件涂层。直接加热的热风循环烘干室仅适用于质量不高的涂层固化,如脱水烘干、腻子固化等。当燃气作为热源时,燃烧器的燃料燃烧充分,电泳烘干室可采用直燃方式,一方

27、面加热装置具有很高的热效率;另一方面,产生的热空气还有利于工件的固化。 作为烘干室的辐射区热源(暗箱辐射)混合后的热空气(温度在300左右),在烘房内部侧面的密闭风箱内输送。风箱辐射出的能量传送到汽车车身。在此区域,热空气和车身之间没有任何直接接触。b 直燃式加热箱组成直燃式加热箱包含保温箱体(设有维修门)、高温燃烧区(桶)、燃烧器和阀组、离心风机、空气过滤段(仅用于采用直燃方式的烘干室;作辐射区热源时,不需要循环空气过滤器)、新鲜空气补充口(包括预热结构) 、电控和所有其它必要的部件,形成一个完整的单元。3.9.2 间接式加热箱间接式加热箱,其组成包括保温箱体(设有维修门)、加热段、耐高温空

28、气过滤器、 嵌入式离心风机及监测构件等。所选风机叶轮为插入式结构,整体耐高温,低噪音,系统配有风压开关;其加热段根据热源的不同,设计有导热油散热器、电加热器、燃油或燃气燃烧室和高温烟气换热器(对采用中心热源集中供热的烘干室,仅配置高温烟气换热器和温度调节电动阀);在过滤段上,装有耐高温、中效过滤器,配有压差计。间接加热烘干室是利用热源在空气加热器内加热空气,加热后的空气通过循环风机在烘干室内进行循环,通过对流换热方式加热工件涂层。间接加热的热风循环烘干室相对直接加热的热风循环烘干室,其热效率较低、设备投资较高,但是其热空气比较清洁,适合表面质量要求较高的涂层固化,在汽车、摩托车领域应用最为广泛

29、。近年来,随着市场对涂层质量要求的提高,间接加热热风循环烘干室的占有率正在迅速提高。3.9.3 加热箱的性能和结构特点 室体应为双层墙结构,型钢之间完全焊接,墙内铺保温层。在保证室体整体强度的情况下,支撑内部衬里的支撑梁应使用最小的金属支架,以减少金属热传导。保温材料采取两层或多层搭缝交错铺设,并用钉固定。 90%的外壁温度不能超过周围环境10C,所有外壁的任何位置温度不能超过60。 取压管道、热电偶、燃烧器等在室体上的开孔应密封。 室体应有维修门,其尺寸应能满足风机叶片移出。加热装置室体维修门应设置在循环风机的负压侧。 其构造使用的材料应和加热装置室体的材料一样。内部正压的维修门开门方向应为

30、向里侧开,且使用双层垫片和凸轮式门锁。 间接加热装置的运行热效率应达到80%或以上。 热交换器的尺寸应设计为一小时升温时间且其热负荷应最低有25%的余量。热交换器的使用寿命应该和烘房的使用寿命相同。热交换器的设计应避免烟气冷凝。 每一个热交换器设计的表面换热面积用平方英尺来表示。如果全部换热系数“U”大于5.7W/m2C(6 BTU/ft2Fhr)。 热交换器的压降(在正常使用的空气流量和温度下)不能超过每侧0.37kPa(1.5英寸水柱) 热交换器焊接封装以分隔气流。 热交换器能够清洗或修理更换。 每侧热交换器的出口和入口,提供压力和温度检测点。 3.10 烘干室排废气系统汽车车身在烘干过程中,烘干室排放出含有VOC的废气。按环保要求,废气不能直接排放到大气中,必须送入废气处理设备处理,达到国家和当地环保要求后才能排放。考率到安全,烘干室一般设有独立的排废气系统,包括专用的离心风机和管路,对其排气量也有严格的规定,电控方面也设有完善的保护。排气量的确定满足两方面要求:一方面应大于按工件带入烘干室的最大溶剂量和爆炸下限计算出的安全排气量;另一方面,满足考虑烘房内空气洁净度要求而设定的新鲜空气率指标。实际操作中,按新鲜空气率指标选取抽废气量,其值远大于按溶剂挥发安全指标确定的排气量。3.11

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