蜂 窩 陶 瓷 蓄 熱 體 的 研 究 現 狀

  蓄熱式換熱技術是 21 世紀節能和環保*具有發展潛力的技術之一 , 是國家重點推廣的節能環保項目。在高溫窯爐中 , 熱損失的很大部分是排煙的熱量損失。當煙氣溫度為 900 ～ 1 300 ℃時 , 煙氣余熱占爐子總能耗的 50% ～ 70% 。因此 , 積極采用先進的煙氣余熱回收技術 , 在工業窯爐燃燒系統中安裝換熱器 , 將煙氣的余熱回收用于預熱助燃空氣 , 可以從根本上提高工業爐的能源利用率 , 對低熱值燃料 ( 如煤氣等 ) 進行合理利用 , *大限度地減少污染物排放 , 降低環境負荷 , 是實現工業節能降耗的有效措施。蜂窩陶瓷是一種性能優越的蓄熱體 , 是蓄熱節能技術中的關鍵材料。它的性能決定了余熱回收體系的整體性能。

1 　發展概況

  1828 年 , Jame Nieson 發明了管式換熱器 , 世界上**出現了回收煙氣余熱來產生高溫熱風的余熱回收技術。 1858 年 ,W illian Siemens 發明了蓄熱室 , 許多大型工業爐改用了這種技術 , 如高爐熱風爐、玻璃爐窯、均熱爐等。此時的蓄熱室采用格子磚作為蓄熱體 , 蓄熱室體積龐大 , 造價高 , 換向時間很長 , 預熱氣體的溫度波動也大。

  1982 年 , 英國的 Hotwork Development 公司和British Gas 公司合作開發出一種在工業爐和鍋爐上節能潛 力 巨大的蓄 熱 式 陶 瓷 燃 燒 器 ( RegenerativeCeramic Burner, 簡稱 RCB) , 其蓄熱體采用陶瓷小球 ,無論在材料、尺寸、形狀、體積、換熱面積等方面皆有質的飛躍 , 標志著小型高效蓄熱式燃燒系統的真正來臨。此時的換向時間大大縮短 , 由分鐘計算縮短到由秒計算 , 極大地提高了余熱回收和空氣預熱能力 , 節能效果明顯。但是 RCB 系統的 NO x 排放量仍然很大 , 同時因切換時間縮短而使系統可靠性也存在一些問題 , 并且預熱風溫比爐溫低 200 ℃ , 不能實現所謂的余熱極限回收 , 所以 , RCB 也被稱為**代蓄熱式燃燒器。

  20 世紀 90 年代初 , 日本 NKK 和日本工業爐公司開發出集極限余熱回收與低 NO x 燃燒于一體的蓄熱式燃燒器 , 蓄熱體采用蜂窩陶瓷體 , 并提出了與傳統燃燒機理完全不同的高溫低氧燃燒技術。由于將節能與環保結合了起來 , 使用這種蓄熱式燃燒器的燃燒技術被稱為**代蓄熱式燃燒技術 , 也稱高溫空氣燃燒技術。日本一些大鋼鐵公司將該技術應用于大型軋鋼加熱爐上 , 普遍收到了節能 30% , 產量提高20% ,NO x 排放遠低于環保標準的效果。蜂窩陶瓷作為蓄熱體 , 使傳統的蓄熱室發生了巨大的變化。從原來的格子磚發展成為陶瓷小球 , 又發展為蜂窩陶瓷體 , 蓄熱室的比表面積急劇增大 , 體積明顯減小 , 換向時間大大縮短 , 換熱性能得到極大提高 ,污染物排放量也遠低于環保標準。與之相結合的高溫低氧燃燒技術也被譽為 21 世紀的關鍵技術之一。

2 　蓄熱體

  蓄熱體安裝在蓄熱室內或直接安裝在燃燒器內 ,是蓄熱燃燒系統中的關鍵部件之一 , 也是*具技術含量和體現工業制造水平的部件。蓄熱換熱系統溫度效益及熱效率的高低 , 直接取決于蓄熱體的性能。蓄熱體主要有蜂窩陶瓷、蓄熱球和蓄熱管 3 種。

 蓄熱球具有耐高溫、強度高、使用壽命長、重復使用性好、成本低的優點 , 在蓄熱式加熱爐上得到了廣泛的應用。缺點是熱效率比蜂窩體低 , 同等產量的加熱爐 , 填充小球的蓄熱箱要比填充蜂窩體的蓄熱箱體積大 , 即蓄熱室的橫斷面積要大 , 箱體個數要增加。

  蜂窩陶瓷采用硅鋁系耐火材料 , 體積小 , 質量輕 ,比表面積大 , 耐火度高 , 傳熱能力大 , 直氣流通道使得氣流阻力損失很小。所以 , 蜂窩陶瓷比蓄熱球更有利于實現低氧燃燒 , 使爐溫均勻、傳熱迅速 , 大大降低氧化損耗和 NO x 氣體的生成 , 顯著提高環保節能效果。采用蜂窩陶瓷的蓄熱室體積大大減小 , 可布置足夠量的燒嘴 , 滿足熱負荷需要。而蜂窩陶瓷的直氣流通道

與蓄熱球的迷宮式通道相比更不易堵塞 , 自潔性好 ,適用于我國燃燒不潔凈的特點。蜂窩體與蓄熱球的性能比較見表 1。

  根據目前蜂窩陶瓷蓄熱體在蓄熱節能技術中存在的問題和研究趨勢來看 , 有關蜂窩陶瓷蓄熱體的研究工作一方面集中在其材質和結構的改進上 , 另一方面集中在蜂窩陶瓷蓄熱體的換熱性能研究上。這兩方面也是這一領域各國研究者的工作重點。

3 　蜂窩陶瓷蓄熱體的材質研究

3. 1 　蜂窩陶瓷蓄熱體的性能要求

  根據蜂窩陶瓷蓄熱體蓄熱、換熱的工作原理 , 對蓄熱材料提出了很高要求。

3. 1. 1 　高溫要求

  耐高溫是蜂窩陶瓷蓄熱體的優點之一 , 在于能夠克服常規金屬換熱器不能在高溫下長期工作的弱點。無論是高溫余熱回收 , 還是實現高溫預熱 , 蜂窩陶瓷蓄熱體必須首先滿足長期在高溫下工作的要求 , 因此 , 作為蓄熱介質的蜂窩陶瓷材料的耐火度一般不能低于 1 250 ℃。

3. 1. 2 　高抗熱震性

  由于蜂窩陶瓷蓄熱體始終處于加熱和冷卻交替循環的工作狀態 , 經常承受著因內外溫差變化而引起的應力的作用 , 因此對蜂窩體的抗熱震性提出了較高的要求。如果達不到相應的要求 , 蜂窩體會因為溫度波動而破裂甚至粉碎 , 使熱交換器不能正常工作。

3. 1. 3 　良好的導熱性

  蜂窩蓄熱體具有及時吸熱、放熱的特性 , 必須具有良好的導熱性能。導熱性能越好 , 其體積利用率越高 , 蓄熱設備的體積及用材可以減少到*少。

3. 1. 4 　密度和比熱要求

  作為蓄熱體 , *主要的是要求其具有盡可能高的貯熱能力 , 無論是提高體積密度還是提高比熱 , 都可以達到增加物理蓄熱能力的目的。由于物體的體積密度和比熱與物體的組成及溫度密切相關 , 一般難以人為改變。蜂窩體為多種單一物質復合而成的耐火陶瓷材料 , 根據耐火材料的有關性能 , 其配料中密度大的物料的含量越高 , 材料的體積密度越大 , 其致密度越高。但是材料的致密度對材料的抗熱震性有很大影響 , 一般而言 , 致密度越高 , 其抗熱震性越差。因此 , 在確定蜂窩陶瓷蓄熱體材料的配方時 , 應在保證材料具有良好抗熱震性的前提下 , 盡可能提高其致密度。

3. 2 　蜂窩陶瓷蓄熱體材料的選配

  目前普遍采用的蓄熱體材料是堇青石蜂窩陶瓷 ,其典型物性為 : 孔壁密度 1. 6 g · cm

- 3, 熱膨脹系數 1. 0× 10- 6℃- 1, 室溫下的熱導率 9. 2 × 10- 3W ·

(m·K)- 1,耐壓強度 12. 4 MPa( 平行于孔道 ) 、 1. 7 MPa ( 垂直于孔道) ;后續又開發了鈦酸鋁、鋰輝石、氧化鋁、碳化硅、莫來石等的蜂窩陶瓷產品。常見的蜂窩陶瓷材料的物理性能見表 2, 化學與力學性能見表 3 。

3. 3 　高性能蜂窩陶瓷蓄熱體

  在實際應用中發現 , 由于我國燃料的潔凈性較差 , 大部分冶金窯爐廢氣中含有各種雜質 , 導致在高溫使用時 , 堇青石蜂窩陶瓷會與廢氣中的部分物質發生反應 , 從而降低其使用壽命。為了提高其高溫穩定性 , 相繼研制的莫來石質、氧化鋁質、氮化硅質、氧化鋯質等蜂窩陶瓷大大提高了載體材料的機械強度、使用溫度和高溫時的化學穩定性 , 但是 , 由于這些材料的熱膨脹系數隨強度的提高而增大 , 在蓄熱燃燒要求的溫度急劇變化 ( 在空氣中急冷溫差在 800 ℃以上 )的惡劣環境條件下 , 其使用壽命還是受到較大的影響。

  近年來 , 開發高性能的蜂窩陶瓷蓄熱體是提高蓄熱換熱技術、節能減排的一個熱點。雖然在蜂窩式蓄熱體材質和配方上加大了研制力度 , 但在結構和制造工藝上改變不大 , 蜂窩體的使用壽命還是不太理想。

張克銘等[10 ]在制造工藝上, 把模壓和擠出兩種成型法合為一體 , 即模擠壓方法。這消除了蜂窩式蓄熱體在成型時坯料頻繁流變現象 , 使已經困好的坯料在模具內靠脹壓法自然成型 , 這種方法可制出任意孔徑和任意壁厚的蜂窩體。在配料上 , 選用耐火度高、膨脹性能好的原料 , 如紅柱石材料 , 其耐火度為1 780 ℃ ( 而傳統所用堇青石的耐火度 1 380 ℃) ,在高溫下產生不可逆的微膨脹 , 使制品中產生不規則的顯微裂紋 , 當制品受壓時有利于消耗和釋放應力 , 起到陶瓷增韌的作用。實驗證明 , 紅柱石蜂窩蓄熱體具有高抗熱震性和高蓄熱量。

  文獻 [11 ] 公布了一種通過“復相改性 ”的工藝方法制得的鈦酸鋁 - 莫來石蜂窩陶瓷材料 , 其高溫(1 300 ～ 1 350 ℃下 ) 抗折強度和抗熱震性遠優于莫來石材料的 , 適宜在凈化氣氛下工作。

4 　蜂窩陶瓷蓄熱體的換熱性能研究

4. 1 　蜂窩陶瓷蓄熱體的換熱過程

  當煙氣流過蜂窩體時 , 煙氣把自身的熱量傳給蜂窩體 , 蜂窩體存儲熱量 , 溫度逐漸升高 ; 當冷流體流過時 , 冷流體從蜂窩體得到熱量 , 蜂窩體的溫度逐漸降低。如此反復 , 形成一個非穩態的傳熱過程。這樣 通過蜂窩體的助燃空氣達到了預定高溫 , 通過的煙氣又下降到了預定低溫 , 蜂窩體就把高溫煙氣中的顯熱轉移到了助燃空氣中。蓄熱體換熱過程工作原理圖見圖 1 。蜂窩體傳熱面結構緊湊 , 比表面積大 , 流通性能好 , 不易積灰、堵塞 , 冷、熱流體摻混少 , 即使蓄熱體產生裂紋也不會對換熱有大的影響 ; 而且換向周期短 , 經過蓄熱體預熱后的空氣溫度比較均勻。

4. 2 　蜂窩陶瓷蓄熱體換熱性能的影響因素

4. 2. 1 　蜂窩體孔道尺寸與壁厚的影響

  蜂窩體的孔道尺寸與壁厚是蜂窩體的重要結構參數 , 其值的大小對換熱性能的影響很大。熱回收效率及溫度效率都是蜂窩體蓄熱室的換熱性能指標。

  熱回收率表示在一個換向周期內空氣流經蜂窩體所獲得的熱量或煙氣所釋放的熱量占煙氣帶入總熱量的百分比 , 熱回收率越高 , 表示蜂窩體蓄熱室能夠回收的煙氣熱量越多 , 能夠釋放給空氣的熱量越多。其中溫度效率又包括冷卻期溫度效率和加熱期溫度效率 , 冷卻期溫度效率表示空氣出口平均溫度接近煙氣入口溫度的程度 , 而加熱期溫度效率表示煙氣出口平均溫度接近空氣入口溫度的程度。冷卻期溫度效率越高 , 表示空氣出口溫度越接近煙氣的入口溫度 , 加熱期溫度效率越高 , 表示煙氣出口溫度越接近空氣的入口溫度。

  根據文獻 [14 ] 的換熱比表面積基本相同的三角形與方形格孔蓄熱體的試驗結果 , 在相同的氣體流速下 , 方形格孔蓄熱體的流動阻力小 , 熱回收效率高。隨著格孔尺寸的增大 , 流動阻力減小。

  文獻 [15 ] 指出 , 當蜂窩體壁厚從 0. 8 mm 減小到0. 2 mm 時 , 溫度效率先升后降 ( 見圖2)。孔徑與壁厚比例相同時 , 溫度效率隨著孔徑壁厚的減小而增大 ( 見圖3)。這樣 , 在確定蜂窩體的壁厚時 , 就并不是非要選用很薄或很厚的壁厚 , 而是要考慮到其他結構參數和操作參數的影響 , 應先確定蜂窩體孔徑和壁厚的*佳比例后 , 盡可能地使它們同時減小 , 以提高溫度效率。

4. 2. 2 　蜂窩體長度的影響

  蜂窩體的長度是結構參數的重要參數之一 , 它的變化將直接改變蓄熱室的換熱面積 , 也就直接影響了溫度效率和壓力損失。歐陽德剛等由不同蓄熱體長度的試驗結果得出 , 隨著蓄熱體長度的增大 , 蓄熱室的流動阻力增大 , 熱回收率和溫度效率升高 , *佳換向時間延長。文獻認為 , 增加蜂窩體的長度 ,蓄熱室的溫度效率會增大 , 但是隨著長度的增加 , 溫度效率增加的幅度將越來越小。而且長度越長 , 蓄熱室的體積也越大 , 會造成現場的操作不便并增大蜂窩體蓄熱室的初次投資及其更換維修費用。

4. 2. 3 　換向時間的影響

  換向時間是高溫空氣燃燒系統中*重要的操作參數 , 它的大小直接影響空氣、煙氣的出口溫度和蜂窩體的熱回收效率及溫度效率。

  在蜂窩體結構參數及其他操作參數都一定的前提下 , 換向時間越長 , 則預熱空氣出口平均溫度越低 ,煙氣出口平均溫度越高 , 熱回收率和溫度效率也就越低。反之換向時間越短 , 則預熱空氣出口平均溫度越高 , 煙氣出口平均溫度越低 , 熱回收率和溫度效率也就越高。這是因為若換向時間增長 , 在加熱期的一個換向時間內 , 煙氣帶進蜂窩體的熱量增加 , 蜂窩體蓄熱量增加 , 平均溫度升高 , 這樣煙氣與蜂窩體的溫差就會減小 , 單位時間內煙氣與蜂窩體的換熱量減小 ,所以 , 煙氣出口平均溫度增高 , 熱回收率和溫度效率降低。

  圖 4 給出了不同換向時間下蜂窩體的溫度效率曲線圖。從圖中可以看到 : 換向時間越短 , 溫度效率越高 , 但是增加的幅度越來越小 , 溫度效率趨于一個極限值。當換向時間約為 45 s 時 , 若換向時間再減小 , 那么溫度效率增大的幅度已經不再明顯 , 對蜂窩體換熱效果的提高己經起不到很好的效果了 , 而且蜂窩體的蓄熱能力將沒有被充分利用。

  從蓄熱室的熱回收率和溫度效率考慮 , 不同孔結構與尺寸的蜂窩蓄熱體具有不同的*佳換向時間。張先珍等通過試驗測定孔尺寸為2 mm × 2 mm, 壁厚 1. 64 mm 的方孔蜂窩蓄熱體的換熱特性 , 確定了該種結構尺寸蜂窩蓄熱體的*佳換向時間為 40 s 。寧棣槐等19 ] 研究了孔為正三角形, 邊長 2. 6 mm, 壁厚0. 3 mm 的蜂窩蓄熱體的換熱特性 , 確定了該種結構尺寸蜂窩蓄熱體的*佳換向時間為 29 s 。當換向時間大于*佳換向時間 , 隨著換向時間的延長 , 溫度效率和熱回收率下降 ; 當換向時間小于*佳換向時間 ,隨著換向時間的延長 , 氣體預熱溫度下降 , 排煙溫度上升 , 供風效率提高。根據文獻 [18 ] 的換向時間對空氣預熱溫度和排煙溫度的動態關系 , 隨著換向時間的延長 , 空氣預熱溫度和排煙溫度周期性幅度增大。

4. 2. 4 　氣體流速的影響

  不同氣體流速對蜂窩體換熱性能的影響是很大的 , 氣體流速越高 , 則空氣出口平均溫度越低 , 煙氣出口平均溫度越高 , 溫度效率越低。這是因為高的氣體流速增加了氣體流量以及單位時間內帶入蜂窩體的熱量 , 但蜂窩體的蓄熱放熱能力并沒有發生變化 , 這樣煙氣多帶入蜂窩體的熱量因無法被蜂窩體及時吸收而浪費掉了 , 熱回收率和溫度效率也就降低了。氣體流速的降低 , 也會帶來不便 , 這是因為 , 為了保證氣體的充足供應 , 氣體速度的降低必然要求蜂窩體蓄熱室橫截面積的增大 , 也就增加了蓄熱室的體積 , 這會造成現場操作的不便、增大蜂窩體蓄熱室的初次投資及更換維修費用 , 所以 , 氣體流速的*小值值是有一定限制的。總之 , 根據相關文獻 , 影響蜂窩陶瓷蓄熱體換熱性能的因素較多 , 除了上述影響因素外 , 蜂窩體的材料物性、供風效率等也是影響傳熱過程的因素。因而 , 有必要對具體的蓄熱室進行相關的試驗研究 ,以改善蓄熱換熱系統的節能效果。

5 　結語

  目前 , 國內對蜂窩陶瓷蓄熱體的研究與國際水平之間還存在不小的差距 , 對蜂窩陶瓷蓄熱體的換熱特性研究較少 , 有必要大力推進相應的研究工作。而且 , 隨著科技的發展,人們對環保和節能也越來越重視 , 熱穩定好 , 熱膨脹系數小的蜂窩陶瓷蓄熱體在這些領域的應用也會越來越廣泛 , 必將擁有巨大的社會價值和經濟效益。

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