蜂 窩 陶 瓷 蓄 熱 體 的 研 究 現(xiàn) 狀

  蓄熱式換熱技術(shù)是 21 世紀(jì)節(jié)能和環(huán)保*具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一 , 是國(guó)家重點(diǎn)推廣的節(jié)能環(huán)保項(xiàng)目。在高溫窯爐中 , 熱損失的很大部分是排煙的熱量損失。當(dāng)煙氣溫度為 900 ～ 1 300 ℃時(shí) , 煙氣余熱占爐子總能耗的 50% ～ 70% 。因此 , 積極采用先進(jìn)的煙氣余熱回收技術(shù) , 在工業(yè)窯爐燃燒系統(tǒng)中安裝換熱器 , 將煙氣的余熱回收用于預(yù)熱助燃空氣 , 可以從根本上提高工業(yè)爐的能源利用率 , 對(duì)低熱值燃料 ( 如煤氣等 ) 進(jìn)行合理利用 , *大限度地減少污染物排放 , 降低環(huán)境負(fù)荷 , 是實(shí)現(xiàn)工業(yè)節(jié)能降耗的有效措施。蜂窩陶瓷是一種性能優(yōu)越的蓄熱體 , 是蓄熱節(jié)能技術(shù)中的關(guān)鍵材料。它的性能決定了余熱回收體系的整體性能。

1 　發(fā)展概況

  1828 年 , Jame Nieson 發(fā)明了管式換熱器 , 世界上**出現(xiàn)了回收煙氣余熱來(lái)產(chǎn)生高溫?zé)犸L(fēng)的余熱回收技術(shù)。 1858 年 ,W illian Siemens 發(fā)明了蓄熱室 , 許多大型工業(yè)爐改用了這種技術(shù) , 如高爐熱風(fēng)爐、玻璃爐窯、均熱爐等。此時(shí)的蓄熱室采用格子磚作為蓄熱體 , 蓄熱室體積龐大 , 造價(jià)高 , 換向時(shí)間很長(zhǎng) , 預(yù)熱氣體的溫度波動(dòng)也大。

  1982 年 , 英國(guó)的 Hotwork Development 公司和British Gas 公司合作開發(fā)出一種在工業(yè)爐和鍋爐上節(jié)能潛 力 巨大的蓄 熱 式 陶 瓷 燃 燒 器 ( RegenerativeCeramic Burner, 簡(jiǎn)稱 RCB) , 其蓄熱體采用陶瓷小球 ,無(wú)論在材料、尺寸、形狀、體積、換熱面積等方面皆有質(zhì)的飛躍 , 標(biāo)志著小型高效蓄熱式燃燒系統(tǒng)的真正來(lái)臨。此時(shí)的換向時(shí)間大大縮短 , 由分鐘計(jì)算縮短到由秒計(jì)算 , 極大地提高了余熱回收和空氣預(yù)熱能力 , 節(jié)能效果明顯。但是 RCB 系統(tǒng)的 NO x 排放量仍然很大 , 同時(shí)因切換時(shí)間縮短而使系統(tǒng)可靠性也存在一些問題 , 并且預(yù)熱風(fēng)溫比爐溫低 200 ℃ , 不能實(shí)現(xiàn)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(jì) 90 年代初 , 日本 NKK 和日本工業(yè)爐公司開發(fā)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(tǒng)燃燒機(jī)理完全不同的高溫低氧燃燒技術(shù)。由于將節(jié)能與環(huán)保結(jié)合了起來(lái) , 使用這種蓄熱式燃燒器的燃燒技術(shù)被稱為**代蓄熱式燃燒技術(shù) , 也稱高溫空氣燃燒技術(shù)。日本一些大鋼鐵公司將該技術(shù)應(yīng)用于大型軋鋼加熱爐上 , 普遍收到了節(jié)能 30% , 產(chǎn)量提高20% ,NO x 排放遠(yuǎn)低于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的效果。蜂窩陶瓷作為蓄熱體 , 使傳統(tǒng)的蓄熱室發(fā)生了巨大的變化。從原來(lái)的格子磚發(fā)展成為陶瓷小球 , 又發(fā)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(shí)間大大縮短 , 換熱性能得到極大提高 ,污染物排放量也遠(yuǎn)低于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。與之相結(jié)合的高溫低氧燃燒技術(shù)也被譽(yù)為 21 世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2 　蓄熱體

  蓄熱體安裝在蓄熱室內(nèi)或直接安裝在燃燒器內(nèi) ,是蓄熱燃燒系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一 , 也是*具技術(shù)含量和體現(xiàn)工業(yè)制造水平的部件。蓄熱換熱系統(tǒng)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(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)、重復(fù)使用性好、成本低的優(yōu)點(diǎn) , 在蓄熱式加熱爐上得到了廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)是熱效率比蜂窩體低 , 同等產(chǎn)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(gè)數(shù)要增加。

  蜂窩陶瓷采用硅鋁系耐火材料 , 體積小 , 質(zhì)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(shí)現(xiàn)低氧燃燒 , 使?fàn)t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(huán)保節(jié)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(fù)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(guó)燃燒不潔凈的特點(diǎn)。蜂窩體與蓄熱球的性能比較見表 1。

  根據(jù)目前蜂窩陶瓷蓄熱體在蓄熱節(jié)能技術(shù)中存在的問題和研究趨勢(shì)來(lái)看 , 有關(guān)蜂窩陶瓷蓄熱體的研究工作一方面集中在其材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)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(lǐng)域各國(guó)研究者的工作重點(diǎn)。

3 　蜂窩陶瓷蓄熱體的材質(zhì)研究

3. 1 　蜂窩陶瓷蓄熱體的性能要求

  根據(jù)蜂窩陶瓷蓄熱體蓄熱、換熱的工作原理 , 對(duì)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(yōu)點(diǎn)之一 , 在于能夠克服常規(guī)金屬換熱器不能在高溫下長(zhǎng)期工作的弱點(diǎn)。無(wú)論是高溫余熱回收 , 還是實(shí)現(xiàn)高溫預(yù)熱 , 蜂窩陶瓷蓄熱體必須首先滿足長(zhǎng)期在高溫下工作的要求 , 因此 , 作為蓄熱介質(zhì)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(huán)的工作狀態(tài) , 經(jīng)常承受著因內(nèi)外溫差變化而引起的應(yīng)力的作用 , 因此對(duì)蜂窩體的抗熱震性提出了較高的要求。如果達(dá)不到相應(yīng)的要求 , 蜂窩體會(huì)因?yàn)闇囟炔▌?dòng)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(dǎo)熱性

  蜂窩蓄熱體具有及時(shí)吸熱、放熱的特性 , 必須具有良好的導(dǎo)熱性能。導(dǎo)熱性能越好 , 其體積利用率越高 , 蓄熱設(shè)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(wú)論是提高體積密度還是提高比熱 , 都可以達(dá)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(guān) , 一般難以人為改變。蜂窩體為多種單一物質(zhì)復(fù)合而成的耐火陶瓷材料 , 根據(jù)耐火材料的有關(guān)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(duì)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(shí) , 應(yīng)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(shù) 1. 0× 10- 6℃- 1, 室溫下的熱導(dǎo)率 9. 2 × 10- 3W ·

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

3. 3 　高性能蜂窩陶瓷蓄熱體

  在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn) , 由于我國(guó)燃料的潔凈性較差 , 大部分冶金窯爐廢氣中含有各種雜質(zhì) , 導(dǎo)致在高溫使用時(shí) , 堇青石蜂窩陶瓷會(huì)與廢氣中的部分物質(zhì)發(fā)生反應(yīng) , 從而降低其使用壽命。為了提高其高溫穩(wěn)定性 , 相繼研制的莫來(lái)石質(zhì)、氧化鋁質(zhì)、氮化硅質(zhì)、氧化鋯質(zhì)等蜂窩陶瓷大大提高了載體材料的機(jī)械強(qiáng)度、使用溫度和高溫時(shí)的化學(xué)穩(wěn)定性 , 但是 , 由于這些材料的熱膨脹系數(shù)隨強(qiáng)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(huán)境條件下 , 其使用壽命還是受到較大的影響。

  近年來(lái) , 開發(fā)高性能的蜂窩陶瓷蓄熱體是提高蓄熱換熱技術(shù)、節(jié)能減排的一個(gè)熱點(diǎn)。雖然在蜂窩式蓄熱體材質(zhì)和配方上加大了研制力度 , 但在結(jié)構(gòu)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(shí)坯料頻繁流變現(xiàn)象 , 使已經(jīng)困好的坯料在模具內(nèi)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(tǒng)所用堇青石的耐火度 1 380 ℃) ,在高溫下產(chǎn)生不可逆的微膨脹 , 使制品中產(chǎn)生不規(guī)則的顯微裂紋 , 當(dāng)制品受壓時(shí)有利于消耗和釋放應(yīng)力 , 起到陶瓷增韌的作用。實(shí)驗(yàn)證明 , 紅柱石蜂窩蓄熱體具有高抗熱震性和高蓄熱量。

  文獻(xiàn) [11 ] 公布了一種通過“復(fù)相改性 ”的工藝方法制得的鈦酸鋁 - 莫來(lái)石蜂窩陶瓷材料 , 其高溫(1 300 ～ 1 350 ℃下 ) 抗折強(qiáng)度和抗熱震性遠(yuǎn)優(yōu)于莫來(lái)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(dāng)煙氣流過蜂窩體時(shí) , 煙氣把自身的熱量傳給蜂窩體 , 蜂窩體存儲(chǔ)熱量 , 溫度逐漸升高 ; 當(dāng)冷流體流過時(shí) , 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(fù) , 形成一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程。這樣 通過蜂窩體的助燃空氣達(dá)到了預(yù)定高溫 , 通過的煙氣又下降到了預(yù)定低溫 , 蜂窩體就把高溫?zé)煔庵械娘@熱轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生裂紋也不會(huì)對(duì)換熱有大的影響 ; 而且換向周期短 , 經(jīng)過蓄熱體預(yù)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(jié)構(gòu)參數(shù) , 其值的大小對(duì)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(biāo)。

  熱回收率表示在一個(gè)換向周期內(nèi)空氣流經(jīng)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(jù)文獻(xiàn) [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(yàn)結(jié)果 , 在相同的氣體流速下 , 方形格孔蓄熱體的流動(dòng)阻力小 , 熱回收效率高。隨著格孔尺寸的增大 , 流動(dòng)阻力減小。

  文獻(xiàn) [15 ] 指出 , 當(dāng)蜂窩體壁厚從 0. 8 mm 減小到0. 2 mm 時(shí) , 溫度效率先升后降 ( 見圖2)?？讖脚c壁厚比例相同時(shí) , 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(shí) , 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(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)的影響 , 應(yīng)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(shí)減小 , 以提高溫度效率。

4. 2. 2 　蜂窩體長(zhǎng)度的影響

  蜂窩體的長(zhǎng)度是結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要參數(shù)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(yáng)德剛等由不同蓄熱體長(zhǎng)度的試驗(yàn)結(jié)果得出 , 隨著蓄熱體長(zhǎng)度的增大 , 蓄熱室的流動(dòng)阻力增大 , 熱回收率和溫度效率升高 , *佳換向時(shí)間延長(zhǎng)。文獻(xiàn)認(rèn)為 , 增加蜂窩體的長(zhǎng)度 ,蓄熱室的溫度效率會(huì)增大 , 但是隨著長(zhǎng)度的增加 , 溫度效率增加的幅度將越來(lái)越小。而且長(zhǎng)度越長(zhǎng) , 蓄熱室的體積也越大 , 會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)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(fèi)用。

4. 2. 3 　換向時(shí)間的影響

  換向時(shí)間是高溫空氣燃燒系統(tǒng)中*重要的操作參數(shù) , 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(jié)構(gòu)參數(shù)及其他操作參數(shù)都一定的前提下 , 換向時(shí)間越長(zhǎng) , 則預(yù)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(shí)間越短 , 則預(yù)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?yàn)槿魮Q向時(shí)間增長(zhǎng) , 在加熱期的一個(gè)換向時(shí)間內(nèi) , 煙氣帶進(jìn)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(huì)減小 , 單位時(shí)間內(nèi)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(shí)間下蜂窩體的溫度效率曲線圖。從圖中可以看到 : 換向時(shí)間越短 , 溫度效率越高 , 但是增加的幅度越來(lái)越小 , 溫度效率趨于一個(gè)極限值。當(dāng)換向時(shí)間約為 45 s 時(shí) , 若換向時(shí)間再減小 , 那么溫度效率增大的幅度已經(jīng)不再明顯 , 對(duì)蜂窩體換熱效果的提高己經(jīng)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(jié)構(gòu)與尺寸的蜂窩蓄熱體具有不同的*佳換向時(shí)間。張先珍等通過試驗(yàn)測(cè)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(jié)構(gòu)尺寸蜂窩蓄熱體的*佳換向時(shí)間為 40 s 。寧棣槐等19 ] 研究了孔為正三角形, 邊長(zhǎng) 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(jié)構(gòu)尺寸蜂窩蓄熱體的*佳換向時(shí)間為 29 s 。當(dāng)換向時(shí)間大于*佳換向時(shí)間 , 隨著換向時(shí)間的延長(zhǎng) , 溫度效率和熱回收率下降 ; 當(dāng)換向時(shí)間小于*佳換向時(shí)間 ,隨著換向時(shí)間的延長(zhǎng) , 氣體預(yù)熱溫度下降 , 排煙溫度上升 , 供風(fēng)效率提高。根據(jù)文獻(xiàn) [18 ] 的換向時(shí)間對(duì)空氣預(yù)熱溫度和排煙溫度的動(dòng)態(tài)關(guān)系 , 隨著換向時(shí)間的延長(zhǎng) , 空氣預(yù)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(duì)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?yàn)楦叩臍怏w流速增加了氣體流量以及單位時(shí)間內(nèi)帶入蜂窩體的熱量 , 但蜂窩體的蓄熱放熱能力并沒有發(fā)生變化 , 這樣煙氣多帶入蜂窩體的熱量因無(wú)法被蜂窩體及時(shí)吸收而浪費(fèi)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(huì)帶來(lái)不便 , 這是因?yàn)?, 為了保證氣體的充足供應(yīng) , 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(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)操作的不便、增大蜂窩體蓄熱室的初次投資及更換維修費(fèi)用 , 所以 , 氣體流速的*小值值是有一定限制的?？傊?, 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn) , 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(fēng)效率等也是影響傳熱過程的因素。因而 , 有必要對(duì)具體的蓄熱室進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究 ,以改善蓄熱換熱系統(tǒng)的節(jié)能效果。

5 　結(jié)語(yǔ)

  目前 , 國(guó)內(nèi)對(duì)蜂窩陶瓷蓄熱體的研究與國(guó)際水平之間還存在不小的差距 , 對(duì)蜂窩陶瓷蓄熱體的換熱特性研究較少 , 有必要大力推進(jìn)相應(yīng)的研究工作。而且 , 隨著科技的發(fā)展,人們對(duì)環(huán)保和節(jié)能也越來(lái)越重視 , 熱穩(wěn)定好 , 熱膨脹系數(shù)小的蜂窩陶瓷蓄熱體在這些領(lǐng)域的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛 , 必將擁有巨大的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

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