高性能蜂窩陶瓷蓄熱體--中源瓷業
高性能蜂窩陶瓷蓄熱體
一、 蜂窩陶瓷蓄熱體的用途
20世紀90年代初，日本科學家首先發明了高溫空氣貧氧燃燒技術（HTAC），該技術被譽為21世紀*具發展潛力的技術之一。該技術的關鍵之一是制備高性能的蓄熱材料——蜂窩陶瓷。蜂窩陶瓷蓄熱體具有耐高溫、搞腐蝕、熱震穩定性好、強度高、蓄熱量大、導熱性能好等顯著優點，節能效果和使用壽命大大提高。蓄熱式高溫空氣燃燒是一項具有巨大節能和環保雙重功效的新型燃燒技術，蜂窩陶瓷蓄熱體是蓄熱式燃燒器的關鍵部件，廣泛用于鋼鐵、機械、建材、石化、有色金屬冶煉等行業的各種加熱爐、熱風爐、熱處理爐、裂解爐、烘烤器、熔化爐、均熱爐、油氣鍋爐等窯爐中。該技術通過換向裝置使兩個蓄熱室交替吸熱放熱，*大限度地回收煙氣的熱量，再把爐內的助燃空氣和煤氣加熱到1000℃以上，即使低熱值的劣質燃料也能實現穩定著火和高效燃燒，可節省燃料達40%-70%，產量提高15%以上，鋼坯氧化燒損下降40%以上，NOx排放小于100ppm, 排放的煙氣溫度低于150℃，大大降低了地球大氣的溫室效應。如果國內大多數工業窯爐都采用HTAC技術，其經濟效益和社會效益不可估量，將極大地緩解能源緊缺的狀況，羨慕改善人類的生存環境。
二、 蜂窩陶瓷蓄體在使用中存在的問題
蓄熱箱內蓄熱體的損壞通常表現在高溫側，其損毀的原因主要有以下幾點：
⑴高溫重燒線變化大
在實際使用中，如果蓄熱體的重燒線變化過大，蓄熱箱內出現異常高溫時，前排蓄熱體因為處于高溫下，尺寸收縮后會形成大的間隙，易使蓄熱體破碎，形成過大的間隙。煙氣在蓄熱箱內流過時，可能會繞過蓄熱體，使后排蓄熱體接觸高溫煙氣，后排蓄熱體再收縮后，高溫煙氣會直接進入排煙管道，造成煙溫過高，使蓄熱箱失去蓄熱作用。
⑵荷重軟化溫度低
如果荷重軟化溫度過低，在正常使用的高溫下或是當出現異常高溫時，前排蓄熱體會出現塌縮變形，在蓄熱箱上部會出現較大空隙。
⑶耐侵蝕性能不佳
新開發的材料應當是純度更高的材料，對氧化鐵粉末及煙氣中的粉塵有較好的抗侵蝕性，減少附著，出可減少反應后造成的蓄熱體耐火性能下降，繼之發生損毀。
⑷熱震穩定性欠佳
蓄熱體在使用中，要交替通過高溫煙氣和冷空氣，對于蓄熱箱中某一點來講，其溫度要周期性地快速升高和降低100-200℃，這種熱沖擊對蓄熱體材料有一定的破壞作用。對于某一時刻來講，蓄熱箱內各處有較大溫差，對于單塊蓄熱體來講，各部位的溫差會在材料內部形成熱應力。如果材料的熱震穩定性欠佳，便會在投入使用后不久，由于這些熱沖擊和熱應力面產生裂紋，甚至破碎。一般來說，裂紋并不對使用造成明顯影響，但如果破損嚴重，則會堵塞流通道或是被吹出蓄熱室后在蓄熱室內形成空洞，使蓄熱室不能正常發揮作用。
三、 蜂窩陶瓷蓄熱體性能指標
高性能蜂窩式蓄熱體，是針對我國加熱爐實際燃燒狀況研制的，能適應我國加熱爐大多控制水平低、燃燒狀況惡劣的實際條件。高性能蜂窩式蓄熱體的蓄熱式換熱過程中，蓄熱體的質量密度與比熱容乘積越大，蓄熱體的蓄、放熱量就越大，再加上換向周期和使用壽命，單位體積換熱面積，綜合這些參數才能完成蓄熱換熱技術的*佳選擇。較頻繁的換向，也影響蜂窩式蓄熱體的換向設備的使用壽命。蓄熱體具有壓力損失小、比表面積大、傳熱速度快等優點。從理論上講，采用高性能蜂窩狀蓄熱體的蓄熱式燃燒系統更易對現有爐子進行改造，熱回收率也更高。如果蜂窩狀蓄熱體能夠有較強的適應性和較長的使用壽命，必將推動蓄熱式熱交換技術在工業爐上的廣泛應用。
1.耐火度高
對于蓄熱式燃燒系統，助燃空氣或（和）煤氣的預熱溫度效率較高，一般可達僅比煙氣溫度低100-200℃的水平，因而蓄熱體長期工作在高溫狀態下，故對其耐火度有要求。對于一般小鋼坯加熱爐，其煙氣溫度為1250-1300℃，對于高溫大型鋼坯加熱爐，煙氣溫度可達1400℃，甚至更高，由此可見，不同的應用條件對蓄熱體材料耐火度有不同的要求。
2.熱震穩定性
根據蓄熱室的換熱過程，蓄熱體是在反復加熱和冷卻的工況下長期運行，其表面與內部的溫度始終隨時間作周期的變，若蓄熱體的熱震穩定性達不到一定的要求，剛會在頻繁交替的熱脹冷縮作用下，導致蓄熱體破碎而堵塞氣流通道，使壓力損失增加，影響蓄熱室的換熱效果，嚴重時將引起蓄熱室不能正常工作，被迫進行蓄熱體更換。根據耐火材料的性質，材料的致密度超市，熱膨脹系數越大，其熱震穩定性越差，同時，致密度高的材料，其密度一般也較大，蓄熱能力也大，因此，在選擇蓄熱材料的配方時，應在保證材料熱震穩定性的前提下，盡可能提高其致密度。
3.結構強度
蓄熱室是由單個蓄熱體分層和分排組裝而成，在實際的高溫工作條件下，底層蓄熱體需承受上層及自身的重量，因此，要求蓄熱體必須具有足夠的高溫抗壓強度和蠕變性能，否則，將導致蓄熱體變形和破碎，使氣體的流通阻力增大，換熱效率下降，甚至影響到蓄熱式燃燒系統的**運行。同時，在高溫含塵氣體高速沖刷作用下，易導致蓄熱體孔壁磨損和缺陷剝離破損，因而，要求蓄熱體具有較高的高溫結構強度和荷重軟化溫度。根據經驗，耐火材料長期工作溫度一般比其荷重軟化溫度低100℃左右。
4.抗渣性
因為在加熱爐的爐氣中含有氧化鐵粉塵，通過與耐火材料的接觸與高溫固相反應，形成低熔點物質，降低了材料的軟熔溫度。因此，在正常使用過程中，造成低熔點物質粘附孔壁，增大了氣體的流動阻力，降低了蓄熱體的換熱效率，同時，孔壁低熔點物質的粘附，增強了孔壁對粉塵的捕捉能力，推進了孔壁粉塵粘附進程，進一步惡化了熱體的使用性能，甚至造成大面積堵塞蓄熱體通孔，導致蓄熱室無法正常工作。因此，蓄熱材料同樣必須具有良好抗氧化鐵侵蝕的能力。
5.比熱容
比熱容C 反映了材料內部積聚一定熱量而產生的溫度變化。質量相同而C 不同的材料，當從外界吸收相同的熱量時其表征值-溫度則不同，C值大的材料，在換熱過程中，與截熱介質之間的溫度差較大，熱交換量增加，與同溫度下C值小的材料相比，所蓄積的熱量更多。
6.材料熱導率
在蓄熱體吸熱與放熱過程中，熱能在物質內部傳遞時所遇阻力大小直接影響蓄熱室的換熱效率。材料的熱導率是物質進行能量傳遞難易程度的一種物理性質。熱導率大的材料，熱量從表面到中心，或從內部到表面的傳遞速度快。根據復合換熱牛頓公式，蓄熱體與氣體進行換熱過程的界面綜合換熱系數a:a=(1/ａ+-Sλ)-1式中，α為氣體（空氣或煙氣）與蓄熱體對流換熱系數，W/（m2·K）；-S為蓄熱體固體內部熱量流量流動平均距離m; λ為蓄熱體材料的熱導率，W/（m·K）。由式可見，材料λ值高，綜合換熱系數a上升；熱量傳遞速度快，交換的熱量增加;熱蓄室的溫度效率E值上升，有利于設備的微型化與設備的布置安裝。
7.密度
對于顯熱式蓄熱材料來說，密度越大，單位體積的材料重量也越大。在比熱容相同的條件下，吸收同等熱量的蓄熱材料重量相等，因而材料密度大的材料可以減小蓄熱室的體積，在蓄熱室額定蓄熱量的條件下，采用體積密度大的蓄熱材料，蓄熱室占用體積小，便于蓄熱式燃燒系統的安裝與布置，為此，在蓄熱體選材時應盡量選擇高密度的材料。
四、 高性能蜂窩陶瓷蓄熱體的特點
①高性能蜂窩式蓄熱體，是針對我國加熱爐實際燃燒狀況研制的。能適應我國加熱爐大多控制水平低，燃燒狀況惡劣的實際條件；
②蓄熱量是普通蜂窩陶瓷蓄熱體的1.2-1.5倍，因此換向周期比普通蜂窩陶瓷提高1.2-1.5倍左右，相對又提高了換向裝置和蜂窩體的使用壽命，使用壽命大幅度的提高，，滿足了加熱爐維修周期的要求，可與加熱爐小修周期同步。
③耐熱沖擊性佳，導熱性能好，機械強度大，可較好適應蓄熱式加熱爐的工作條件，即使在加熱爐因異常情況蓄熱室內出現異常情況蓄熱室內出現異常高溫的情況下，也不易變形、塌縮渣蝕，粘蝕和高溫變形，仍能正常發揮蓄熱體的作用；
④孔型薄、孔壁光滑、背壓小、容重大、蓄熱量大、占用空間體積小；
⑤材質多樣，可根據客戶和使用環境的不同，選用不同材質和規格的產品；
⑥產品質量規格高，安裝時，蓄熱體之間排放整齊，錯位小。
HTAC技術蓄熱體規格
六角孔型蜂窩陶瓷
|
外形尺寸（㎜） |
孔徑（對邊㎜） |
壁厚（㎜） |
傳熱面積（m2/m3） |
開孔率（％） |
|
150×100×100 |
3.1 |
1.0 |
673 |
53 |
|
150×100×100 |
3.1 |
1.5 |
625 |
49 |
|
150×100×100 |
3.5 |
1.0 |
655 |
58 |
|
150×100×100 |
3.9 |
1.1 |
624 |
58 |
|
100×100×100 |
3.1 |
1.0 |
673 |
53 |
|
100×100×100 |
3.5 |
1.0 |
655 |
58 |
|
100×100×100 |
3.9 |
1.1 |
624 |
58 |
方孔型蜂窩陶瓷
|
外形尺寸（㎜） |
孔徑（㎜） |
壁厚（㎜） |
傳熱面積（m2/m3） |
開孔率（％） |
|
150×100×100 |
Ф2.5 |
1.0 |
784 |
49 |
|
150×100×100 |
Ф3.0 |
1.1 |
691 |
52 |
|
150×100×100 |
Ф5.0 |
2.0 |
392 |
49 |
|
100×100×100 |
Ф2.5 |
1.0 |
784 |
49 |
|
100×100×100 |
Ф3.0 |
1.1 |
691 |
52 |
|
100×100×100 |
Ф5.0 |
2.0 |
392 |
49 |
|
165×110×100 |
Ф3.0 |
1.1 |
670 |
52 |
圓柱型蜂窩陶瓷
|
外形尺寸（㎜） |
孔徑（㎜） |
壁厚（㎜） |
備 注 |
|
直徑220×100 |
方孔Ф3.0 |
1.0 |
四塊扇形 |
|
直徑200×100 |
六角孔 4.0 |
1.0 |
整塊 |
|
直徑120×100 |
方孔Ф3.0 |
1.0 |
整塊 |
RTO/RCO蜂窩陶瓷蓄熱體
方孔型蜂窩陶瓷
|
外形尺寸 mm |
孔數 N×N |
孔密度 cpsi |
孔徑 mm |
壁厚 mm |
比表面積 （m2/m3） |
空隙率 % |
單重 Kg |
|
150×150×300 |
13×13 |
4.8 |
9.9±0.1 |
1.5±0.1 |
297 |
74 |
3.8-4.8 |
|
150×150×300 |
15×15 |
6.5 |
8.4±0.1 |
1.4±0.1 |
336 |
70 |
3.8-4.8 |
|
150×150×300 |
20×20 |
11 |
6.0±0.1 |
1.4±0.1 |
427 |
64 |
4.0-5.0 |
|
150×150×300 |
25×25 |
18 |
4.9±0.1 |
1.0±0.1 |
540 |
67 |
4.0-5.0 |
|
150×150×300 |
30×30 |
35 |
4.0±0.1 |
1.1±0.1 |
640 |
64 |
4.5-5.5 |
|
150×150×300 |
40×40 |
46 |
3.0±0.1 |
0.73±0.1 |
825 |
64 |
4.7-5.7 |
|
150×150×300 |
43×43 |
53 |
2.79±0.1 |
0.67±0.1 |
920 |
64 |
4.8-5.8 |
|
150×150×300 |
50×50 |
72 |
2.4±0.1 |
0.60±0.1 |
1050 |
64 |
4.8-5.8 |
|
150×150×300 |
60×60 |
100 |
2.1±0.1 |
0.43±0.1 |
1280 |
64 |
4.7-5.7 |
材質
|
理化指標 |
堇青石 |
致密堇青石 |
堇青石-莫來石 |
莫來石 |
剛玉莫來石 |
|
|
化 學 成 份 |
SiO2 % |
45~55 |
45~55 |
35~45 |
25~38 |
20~32 |
|
AI2O3 % |
30~38 |
33~43 |
40~50 |
50~65 |
65~73 |
|
|
MgO % |
10~15 |
5~13 |
3~13 |
- |
- |
|
|
K2O+Na2O % |
<1.0 |
<1.0 |
<1.0 |
<1.0 |
<1.0 |
|
|
Fe2O3 % |
<1.5 |
<1.5 |
<1.5 |
<1.5 |
<1.5 |
|
|
熱膨脹系數10-6/K-1 |
<2 |
<4 |
<4 |
<5 |
<7 |
|
|
比熱容J/kg·K |
830~900 |
850~950 |
850~1000 |
900~1050 |
900~1100 |
|
|
使用溫度℃ |
1300 |
1300 |
1400 |
1450 |
1500 |
|
|
軟化溫度℃ |
1350 |
1350 |
1450 |
1500 |
1550 |
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