蜂窝陶瓷蓄热体

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一、 蜂窝陶瓷蓄热体的用途

20世纪90年代初，日本科学家发明了高温空气贫氧燃烧技术（HTAC），该技术被誉为21世纪具发展潜力的技术之一。该技术的关键之一是制备的蓄热材料——蜂窝陶瓷。蜂窝陶瓷蓄热体具有耐高温、抗腐蚀、热震稳定性好、强度高、蓄热量大、导热性能好等显著优点，节能效果和使用寿命大大提高。蓄热式高温空气燃烧是一项具有节能和环保双重功效的新型燃烧技术，蜂窝陶瓷蓄热体是蓄热式燃烧器的关键部件，广泛用于钢铁、机械、建材、石化、有色金属冶炼等行业的各种加热炉、热风炉、热处理炉、裂解炉、烘烤器、熔化炉、均热炉、油气锅炉等窑炉中。该技术通过换向装置使两个蓄热室交替吸热放热，大限度地回收烟气的热量，再把炉内的助燃空气和煤气加热到1000℃以上，即使低热值的劣质燃料也能实现稳定着火和燃烧，可节省燃料达40%-70%，产量提高15%以上，钢坯氧化烧损下降40%以上，NOx排放小于100ppm, 排放的烟气温度低于150℃，大大降低了地球大气的温室效应。如果大多数工业窑炉都采用HTAC技术，其经济效益和社会效益不可估量，将地缓解能源紧缺的状况，羡慕改善人类的生存环境。

二、 蜂窝陶瓷蓄热体在使用中存在的问题

蓄热箱内蓄热体的损坏通常表现在高温侧，其损毁的原因主要有以下几点：

⑴高温重烧线变化大

  在实际使用中，如果蓄热体的重烧线变化过大，蓄热箱内出现异常高温时，前排蓄热体因为处于高温下，尺寸收缩后会形成大的间隙，易使蓄热体破碎，形成过大的间隙。烟气在蓄热箱内流过时，可能会绕过蓄热体，使后排蓄热体接触高温烟气，后排蓄热体再收缩后，高温烟气会直接进入排烟管道，造成烟温过高，使蓄热箱失去蓄热作用。

⑵荷重软化温度低

    如果荷重软化温度过低，在正常使用的高温下或是当出现异常高温时，前排蓄热体会出现塌缩变形，在蓄热箱上部会出现较大空隙。

⑶耐侵蚀性不能不佳

    新开发的材料应当是纯度更高的材料，对氧化铁粉末及烟气中的粉尘有较好的抗侵蚀性，减少附着，减少反应后造成的蓄热体耐火性能下降，继之发生损毁。

⑷热震稳定性欠佳

 蓄热体在使用中，要交替通过高温烟气和冷空气，对于蓄热箱中某一点来讲，其温度要周期性地快速升高和降低100-200℃，这种热冲击对蓄热体材料有一定的破坏作用。对于某一时刻来讲，蓄热箱内各处有较大温差，对于单块蓄热体来讲，各部位的温差会在材料内部形成热应力。如果材料的热震稳定性欠佳，便会在投入使用后不久，由于这些热冲击和热应力面产生裂纹，甚至破碎。一般来说，裂纹并不对使用造成明显影响，但如果破损严重，则会堵塞流通道或是被吹出蓄热室后在蓄热室内形成空洞，使蓄热室不能正常发挥作用。

三、 蜂窝陶瓷蓄热体性能指标

蜂窝式蓄热体，是针对我国加热炉实际燃烧状况研制的，能适应我国加热炉大多控制水平低、燃烧状况恶劣的实际条件。蜂窝式蓄热体的蓄热式换热过程中，蓄热体的质量密度与比热容乘积越大，蓄热体的蓄、放热量就越大，再加上换向周期和使用寿命，单位体积换热面积，综合这些参数才能完成蓄热换热技术的佳选择。较频繁的换向，也影响蜂窝式蓄热体的换向设备的使用寿命。蓄热体具有压力损失小、比表面积大、传热速度快等优点。从理论上讲，采用蜂窝状蓄热体的蓄热式燃烧系统更易对现有炉子进行改造，热回收率也更高。如果蜂窝状蓄热体能够有较强的适应性和较长的使用寿命，必将推动蓄热式热交换技术在工业炉上的广泛应用。

1. 耐火度高

对于蓄热式燃烧系统，助燃空气或（和）煤气的预热温度效率较高，一般可达仅比烟气温度低100-200℃的水平，因而蓄热体长期工作在高温状态下，故对其耐火度有要求。对于一般小钢坯加热炉，其烟气温度为1250-1300℃，对于高温大型钢坯加热炉，烟气温度可达1400℃，甚至更高，由此可见，不同的应用条件对蓄热体材料耐火度有不同的要求。

2. 热震稳定性

根据蓄热室的换热过程，蓄热体是在反复加热和冷 却的工况下长期运行，其表面与内部的温度始终随时间作周期的变，若蓄热体的热震稳定性达不到一定的要求，刚会在频繁交替的热胀冷缩作用下，导致蓄热体破碎而堵塞气流通道，使压力损失增加，影响蓄热室的换热效果，严重时将引起蓄热室不能正常工作，被迫进行蓄热体更换。根据耐火材料的性质，材料的致密度，热膨胀系数越大，其热震稳定性越差，同时，致密度高的材料，其密度一般也较大，蓄热能力也大，因此，在选择蓄热材料的配方时，应在材料热震稳定性的前提下，尽可能提高其致密度。

3. 结构强度

蓄热室是由单个蓄热体分层和分排组装而成，在实际的高温工作条件下，底层蓄热体需承受上层及自身的重量，因此，要求蓄热体具有足够的高温抗压强度和蠕变性能，否则，将导致蓄热体变形和破碎，使气体的流通阻力增大，换热效率下降，甚至影响到蓄热式燃烧系统的安全运行。同时，在高温含尘气体高速冲刷作用下，易导致蓄热体孔壁磨损和缺陷剥离破损，因而，要求蓄热体具有较高的高温结构强度和荷重软化温度。根据经验，耐火材料长期工作温度一般比其荷重软化温度低100℃左右。

4. 抗渣性

    因为在加热炉的炉气中含有氧化铁粉尘，通过与耐火材料的接触与高温固相反应，形成低熔点物质，降低了材料的软熔温度。因此，在正常使用过程中，造成低熔点物质粘附孔壁，增大了气体的流动阻力，降低了蓄热体的换热效率，同时，孔壁低熔点物质的粘附，增强了孔壁对粉尘的捕捉能力，推进了孔壁粉尘粘附进程，进一步恶化了热体的使用性能，甚至造成大面积堵塞蓄热体通孔，导致蓄热室无法正常工作。因此，蓄热材料同样具有良好抗氧化铁侵蚀的能力。

5. 比热容

比热容C 反映了材料内部积聚一定热量而产生的温度变化。质量相同而C 不同的材料，当从外界吸收相同的热量时其表征值-温度则不同，C值大的材料，在换热过程中，与截热介质之间的温度差较大，热交换量增加，与同温度下C值小的材料相比，所蓄积的热量更多。

6. 材料热导率

         在蓄热体吸热与放热过程中，热能在物质内部传递时所遇阻力大小直接影响蓄热室的换热效率。材料的热导率是物质进行能量传递难易程度的一种物理性质。热导率大的材料，热量从表面到中心，或从内部到表面的传递速度快。根据复合换热牛顿公式，蓄热体与气体进行换热过程的界面综合换热系数a:a=(1/ａ+-Sλ)-1式中，α为气体（空气或烟气）与蓄热体对流换热系数，W/（m2·K）；-S为蓄热体固体内部热量流量流动平均距离m; λ为蓄热体材料的热导率，W/（m·K）。由式可见，材料λ值高，综合换热系数a上升；热量传递速度快，交换的热量增加;热蓄室的温度效率E值上升，有利于设备的微型化与设备的布置安装。

7. 密度

    对于显热式蓄热材料来说，密度越大，单位体积的材料重量也越大。在比热容相同的条件下，吸收同等热量的蓄热材料重量相等，因而材料密度大的材料可以减小蓄热室的体积，在蓄热室额定蓄热量的条件下，采用体积密度大的蓄热材料，蓄热室占用体积小，便于蓄热式燃烧系统的安装与布置，为此，在蓄热体选材时应尽量选择高密度的材料。