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蜂窝陶瓷蓄热体的研究现状

蓄热式换热技术是21世纪节能和环保*****有开展潜力的技术之一,是国度重点推行的节能环保项目。在高温窑炉中,热损失的很大局部是排烟的热量损失。当烟气温度为900~1300℃时,烟气余热占炉子总能耗的50%~70%。因而,积极采用先进的烟气余热回收技术,在工业窑炉熄灭系统中装置换热器,将烟气的余热回收用于预热助燃空气,能够从基本上进步工业炉的能源应用率,对低热值燃料(如煤气等)停止合理应用,*****限度地减少污染物排放,降低环境负荷,是完成工业节能降耗的有效措施。

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蜂窝陶瓷是一种性能优越的蓄热体,是蓄热节能技术中的关键资料。它的性能决议了余热回收体系的整体性能。
1开展概略
1828年,Jame Nieson创造了管式换热器,世界上初次呈现了回收烟气余热来产生高温热风的余热回收技术。1858年,Willian Siemens创造了蓄热室,许多大型工业炉改用了这种技术,如高炉热风炉、玻璃炉窑、均热炉等。此时的蓄热室采用格子砖作为蓄热体,蓄热室体积庞大,造价高,换向时间很长,预热气体的温度动摇也大。
1982年,英国的Hotwork Development公司和British Gas公司协作开发出一种在工业炉和锅炉上节能潜力宏大的蓄热式陶瓷熄灭器(RegenerativeCeramic Burner,简称RCB),其蓄热体采用陶瓷小球,无论在资料、尺寸、外形、体积、换热面积等方面皆有质的飞跃,标志着小型高效蓄热式熄灭系统的真正降临。此时的换向时间大大缩短,由分钟计算缩短到由秒计算,极大地进步了余热回收和空气预热才能,节能效果明显。但是RCB系统的NOx排放量依然很大,同时因切换时间缩短而使系统牢靠性也存在一些问题,并且预热风温比炉温低200℃,不能完成所谓的余热极限回收,所以,RCB也被称为*****代蓄热式熄灭器。
20世纪90年代初,日本NKK和日本工业炉公司开发出集极限余热回收与低NOx熄灭于一体的蓄热式熄灭器,蓄热体采用蜂窝陶瓷体,并提出了与传统熄灭机理完整不同的高温低氧熄灭技术。由于将节能与环保分离了起来,运用这种蓄热式熄灭器的熄灭技术被称为第二代蓄热式熄灭技术,也称高温空气熄灭技术。日本一些大钢铁公司将该技术应用于大型轧钢加热炉上,普遍收到了节能30%,产量进步20%,NOx排放远低于环保规范的效果。
蜂窝陶瓷作为蓄热体,使传统的蓄热室发作了宏大的变化。从原来的格子砖开展成为陶瓷小球,又开展为蜂窝陶瓷体,蓄热室的比外表积急剧增大,体积明显减小,换向时间大大缩短,换热性能得到极大进步,污染物排放量也远低于环保规范。与之相分离的高温低氧熄灭技术也被誉为21世纪的关键技术之一。
2蓄热体
蓄热体装置在蓄热室内或直接装置在熄灭器内,是蓄热熄灭系统中的关键部件之一,也是*****技术含量和表现工业制造程度的部件。蓄热换热系统温度效益及热效率的上下,直接取决于蓄热体的性能。蓄热体主要有蜂窝陶瓷、蓄热球和蓄热管3种。蓄热球具有耐高温、强度高、运用寿命长、反复运用性好、本钱低的优点,在蓄热式加热炉上得到了普遍的应用。缺陷是热效率比蜂窝体低,同等产量的加热炉,填充小球的蓄热箱要比填充蜂窝体的蓄热箱体积大,即蓄热室的横断面积要大,箱体个数要增加。
蜂窝陶瓷采用硅铝系耐火资料,体积小,质量轻,比外表积大,耐火度高,传热才能大,直气流通道使得气流阻力损失很小。所以,蜂窝陶瓷比蓄热球更有利于完成低氧熄灭,使炉温平均、传热疾速,大大降低氧化损耗和NOx气体的生成,显著进步环保节能效果。采用蜂窝陶瓷的蓄热室体积大大减小,可布置足够量的烧嘴,满足热负荷需求。而蜂窝陶瓷的直气流通道与蓄热球的迷宫式通道相比更不易梗塞,自洁性好,适用于我国熄灭不干净的特性。蜂窝体与蓄热球的性能比拟见表1。
依据目前蜂窝陶瓷蓄热体在蓄热节能技术中存在的问题和研讨趋向来看,有关蜂窝陶瓷蓄热体的研讨工作一方面集中在其材质和构造的改良上,另一方面集中在蜂窝陶瓷蓄热体的换热性能研讨上。这两方面也是这一范畴各国研讨者的工作重点。
3蜂窝陶瓷蓄热体的材质研讨
3.1蜂窝陶瓷蓄热体的性能请求
依据蜂窝陶瓷蓄热体蓄热、换热的工作原理,对蓄热资料提出了很高请求。
3.1.1高温请求
耐高温是蜂窝陶瓷蓄热体的优点之一,在于可以克制常规金属换热器不能在高温下长期工作的弱点。
无论是高温余热回收,还是完成高温预热,蜂窝陶瓷蓄热体必需首先满足长期在高温下工作的请求,因而,作为蓄热介质的蜂窝陶瓷资料的耐火度普通不能低于1250℃。
3.1.2高抗热震性
由于蜂窝陶瓷蓄热体一直处于加热和冷却交替循环的工作状态,经常接受着因内外温差变化而惹起的应力的作用,因而对蜂窝体的抗热震性提出了较高的请求。假如达不到相应的请求,蜂窝领会由于温度动摇而决裂以至粉碎,使热交流器不能正常工作。
3.1.3良好的导热性
蜂窝蓄热体具有及时吸热、放热的特性,必需具有良好的导热性能。导热性能越好,其体积应用率越高,蓄热设备的体积及用材能够减少到*****少。
3.1.4密度和比热请求作为蓄热体,*****主要的是请求其具有尽可能高的贮热才能,无论是进步体积密度还是进步比热,都能够到达增加物理蓄热才能的目的。由于物体的体积密度和比热与物体的组成及温度亲密相关,普通难以人为改动。蜂窝体为多种单一物质复合而成的耐火陶瓷资料,依据耐火资料的有关性能,其配料中密度大的物料的含量越高,资料的体积密度越大,其致密度越高。但是资料的致密度对资料的抗热震性有很大影响,普通而言,致密度越高,其抗热震性越差。因而,在肯定蜂窝陶瓷蓄热体资料的配方时,应在保证资料具有良好抗热震性的前提下,尽可能进步其致密度。
3.2蜂窝陶瓷蓄热体资料的选配
目前普遍采用的蓄热体资料是堇青石蜂窝陶瓷,其典型物性为:孔壁密度1.6g·cm-3,热收缩系数1.0×10-6℃-1,室温下的热导率9.2×10-3W·(m·K)-1,耐压强度12.4MPa(平行于孔道)、1.7MPa(垂直于孔道);后续又开发了钛酸铝、锂辉石、氧化铝、碳化硅、莫来石等的蜂窝陶瓷产品。常见的蜂窝陶瓷资料的物理性能见表2,化学与力学性能见表3。
3.3高性能蜂窝陶瓷蓄热体
在实践应用中发现,由于我国燃料的干净性较差,大局部冶金窑炉废气中含有各种杂质,招致在高温运用时,堇青石蜂窝陶瓷会与废气中的局部物质发作反响,从而降低其运用寿命。为了进步其高温稳定性,相继研制的莫来石质、氧化铝质、氮化硅质、氧化锆质等蜂窝陶瓷大大进步了载体资料的机械强度、运用温度和高温时的化学稳定性,但是,由于这些资料的热收缩系数随强度的进步而增大,在蓄热熄灭请求的温度急剧变化(在空气中急冷温差在800℃以上)的恶劣环境条件下,其运用寿命还是遭到较大的影响。
近年来,开发高性能的蜂窝陶瓷蓄热体是进步蓄热换热技术、节能减排的一个热点。固然在蜂窝式蓄热体材质和配方上加大了研制力度,但在构造和制造工艺上改动不大,蜂窝体的运用寿命还是不太理想。
张克铭等在制造工艺上,把模压和挤出两种成型法合为一体,即模挤压办法。这消弭了蜂窝式蓄热体在成型时坯料频繁流变现象,使曾经困好的坯料在模具内靠胀压法自然成型,这种办法可制出恣意孔径和恣意壁厚的蜂窝体。在配料上,选用耐火度高、收缩性能好的原料,如红柱石资料,其耐火度为1780℃(而传统所用堇青石的耐火度1380℃),在高温下产生不可逆的微收缩,使制品中产生不规则的显微裂纹,当制品受压时有利于耗费和释放应力,起到陶瓷增韧的作用。实考证明,红柱石蜂窝蓄热体具有高抗热震性和高蓄热量。
文献发布了一种经过“复相改性”的工艺办法制得的钛酸铝-莫来石蜂窝陶瓷资料,其高温(1300~1350℃下)抗折强度和抗热震性远优于莫来石资料的,适合在净化氛围下工作。
4蜂窝陶瓷蓄热体的换热性能研讨
4.1蜂窝陶瓷蓄热体的换热过程
当烟气流过蜂窝体时,烟气把本身的热量传给蜂窝体,蜂窝体存储热量,温度逐步升高;当冷流体流过时,冷流体从蜂窝体得到热量,蜂窝体的温度逐步降低。如此重复,构成一个非稳态的传热过程。这样,经过蜂窝体的助燃空气到达了预定高温,经过的烟气又降落到了预定低温,蜂窝体就把高温烟气中的显热转移到了助燃空气中。蓄热体换热过程工作原理图见图1。蜂窝体传热面构造紧凑,比外表积大,流通性能好,不易积灰、梗塞,冷、热流体掺混少,即便蓄热体产生裂纹也不会对换热有大的影响;而且换向周期短,经过蓄热体预热后的空气温度比拟平均。
4.2蜂窝陶瓷蓄热体换热性能的影响要素
4.2.1蜂窝体孔道尺寸与壁厚的影响
蜂窝体的孔道尺寸与壁厚是蜂窝体的重要构造参数,其值的大小对换热性能的影响很大。热回收效率及温度效率都是蜂窝体蓄热室的换热性能指标。热回收率表示在一个换向周期内空气流经蜂窝体所取得的热量或烟气所释放的热量占烟气带入总热量的百分比,热回收率越高,表示蜂窝体蓄热室可以回收的烟气热量越多,可以释放给空气的热量越多。其中温度效率又包括冷却期温度效率和加热期温度效率,冷却期温度效率表示空气出口均匀温度接近烟气入口温度的水平,而加热期温度效率表示烟气出口均匀温度接近空气入口温度的水平。冷却期温度效率越高,表示空气出口温度越接近烟气的入口温度,加热期温度效率越高,表示烟气出口温度越接近空气的入口温度。
依据文献的换热比外表积根本相同的三角形与方形格孔蓄热体的实验结果,在相同的气体流速下,方形格孔蓄热体的活动阻力小,热回收效率高。随着格孔尺寸的增大,活动阻力减小。文献指出,当蜂窝体壁厚从0.8mm减小到0.2mm时,温度效率先升后降(见图2)。孔径与壁厚比例相同时,温度效率随着孔径和壁厚的减小而增大(见图3)。这样,在肯定蜂窝体的壁厚时,就并不是非要选用很薄或很厚的壁厚,而是要思索到其他构造参数和操作参数的影响,应先肯定蜂窝体孔径和壁厚的*****比例后,尽可能地使它们同时减小,以进步温度效率。
4.2.2蜂窝体长度的影响
蜂窝体的长度是构造参数的重要参数之一,它的变化将直接改动蓄热室的换热面积,也就直接影响了温度效率和压力损失。欧阳德刚等由不同蓄热体长度的实验结果得出,随着蓄热体长度的增大,蓄热室的活动阻力增大,热回收率和温度效率升高,*****换向时间延长。文献[15]以为,增加蜂窝体的长度,蓄热室的温度效率会增大,但是随着长度的增加,温度效率增加的幅度将越来越小。而且长度越长,蓄热室的体积也越大,会形成现场的操作不便并增大蜂窝体蓄热室的初次投资及其改换维修费用。
4.2.3换向时间的影响
换向时间是高温空气熄灭系统中*****重要的操作参数,它的大小直接影响空气、烟气的出口温度和蜂窝体的热回收效率及温度效率。在蜂窝体构造参数及其他操作参数都一定的前提下,换向时间越长,则预热空气出口均匀温度越低,烟气出口均匀温度越高,热回收率和温度效率也就越低。反之换向时间越短,则预热空气出口均匀温度越高,烟气出口均匀温度越低,热回收率和温度效率也就越高。这是由于若换向时间增长,在加热期的一个换向时间内,烟气带进蜂窝体的热量增加,蜂窝体蓄热量增加,均匀温度升高,这样烟气与蜂窝体的温差就会减小,单位时间内烟气与蜂窝体的换热量减小,所以,烟气出口均匀温度增高,热回收率和温度效率降低在冷却期的一个换向时间内,蜂窝体的均匀温度将会降低,烟气与蜂窝体的温差减小,单位时间内烟气与蜂窝体的换热量减小,所以,烟气出口均匀温度增高,热回收率和温度效率降低。
曲线图。从图中能够看到:换向时间越短,温度效率越高,但是增加的幅度越来越小,温度效率趋于一个极限值。当换向时间约为45s时,若换向时间再减小,那么温度效率增大的幅度曾经不再明显,对蜂窝体换热效果的进步己经起不到很好的效果了,而且蜂窝体的蓄热才能将没有被充沛应用。图4不同换向时间下的温度效率从蓄热室的热回收率和温度效率思索,不同孔构造与尺寸的蜂窝蓄热体具有不同的*****换向时间。张先珍等经过实验测定孔尺寸为2mm×2mm,壁厚1.64mm的方孔蜂窝蓄热体的换热特性,肯定了该种构造尺寸蜂窝蓄热体的*****换向时间为40s。宁棣槐等研讨了孔为正三角形,边长2.6mm,壁厚0.3mm的蜂窝蓄热体的换热特性,肯定了该种构造尺寸蜂窝蓄热体的*****换向时间为29s。当换向时间大于*****换向时间,随着换向时间的延长,温度效率和热回收率降落;当换向时间小于*****换向时间,随着换向时间的延长,气体预热温度降落,排烟温度上升,供风效率进步。依据文献的换向时间对空气预热温度和排烟温度的动态关系,随着换向时间的延长,空气预热温度和排烟温度周期性幅度增大。
不同气体流速对蜂窝体换热性能的影响是很大的,气体流速越高,则空气出口均匀温度越低,烟气出口均匀温度越高,温度效率越低。这是由于高的气体流速增加了气体流量以及单位时间内带入蜂窝体的热量,但蜂窝体的蓄热放热才能并没有发作变化,这样烟气多带入蜂窝体的热量因无法被蜂窝体及时吸收而糜费掉了,热回收率和温度效率也就降低了。
气体流速的降低,也会带来不便,这是由于,为了保证气体的充足供给,气体速度的降低必然请求蜂窝体蓄热室横截面积的增大,也就增加了蓄热室的体积,这会形成现场操作的不便、增大蜂窝体蓄热室的初次投资及改换维修费用,所以,气体流速的*****小值值是有一定限制的。
总之,依据相关文献,影响蜂窝陶瓷蓄热体换热性能的要素较多,除了上述影响要素外,蜂窝体的资料物性、供风效率等也是影响传热过程的要素。
因此,有必要对详细的蓄热室停止相关的实验研讨,以改善蓄热换热系统的节能效果。


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