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蜂窩陶瓷蓄熱體的研究現(xiàn)狀蓄熱式換熱技術(shù)是21世紀節(jié)能和環(huán)保*****有開展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一，是國度重點推行的節(jié)能環(huán)保項目。在高溫窯爐中，熱損失的很大局部是排煙的熱量損失。當煙氣溫度為900～1300℃時，煙氣余熱占爐子總能耗的50%～70%。因而，積極采用先進的煙氣余熱回收技術(shù)，在工業(yè)窯爐熄滅系統(tǒng)中裝置換熱器，將煙氣的余熱回收用于預熱助燃空氣，能夠從基本上進步工業(yè)爐的能源應用率，對低熱值燃料(如煤氣等)停止合理應用，*****限度地減少污染物排放，降低環(huán)境負荷，是完成工業(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)中的關鍵資料。它的性能決議了余熱回收體系的整體性能。 1開展概略 1828年，Jame Nieson創(chuàng)造了管式換熱器，世界上初次呈現(xiàn)了回收煙氣余熱來產(chǎn)生高溫熱風的余熱回收技術(shù)。1858年，Willian Siemens創(chuàng)造了蓄熱室，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，預熱氣體的溫度動搖也大。 1982年，英國的Hotwork Development公司和British Gas公司協(xié)作開發(fā)出一種在工業(yè)爐和鍋爐上節(jié)能潛力宏大的蓄熱式陶瓷熄滅器(RegenerativeCeramic Burner，簡稱RCB)，其蓄熱體采用陶瓷小球，無論在資料、尺寸、外形、體積、換熱面積等方面皆有質(zhì)的飛躍，標志著小型高效蓄熱式熄滅系統(tǒng)的真正降臨。此時的換向時間大大縮短，由分鐘計算縮短到由秒計算，極大地進步了余熱回收和空氣預熱才能，節(jié)能效果明顯。但是RCB系統(tǒng)的NOx排放量依然很大，同時因切換時間縮短而使系統(tǒng)牢靠性也存在一些問題，并且預熱風溫比爐溫低200℃，不能完成所謂的余熱極限回收，所以，RCB也被稱為*****代蓄熱式熄滅器。 20世紀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NOx熄滅于一體的蓄熱式熄滅器，蓄熱體采用蜂窩陶瓷體，并提出了與傳統(tǒng)熄滅機理完整不同的高溫低氧熄滅技術(shù)。由于將節(jié)能與環(huán)保分離了起來，運用這種蓄熱式熄滅器的熄滅技術(shù)被稱為第二代蓄熱式熄滅技術(shù)，也稱高溫空氣熄滅技術(shù)。日本一些大鋼鐵公司將該技術(shù)應用于大型軋鋼加熱爐上，普遍收到了節(jié)能30%，產(chǎn)量進步20%，NOx排放遠低于環(huán)保規(guī)范的效果。 蜂窩陶瓷作為蓄熱體，使傳統(tǒng)的蓄熱室發(fā)作了宏大的變化。從原來的格子磚開展成為陶瓷小球，又開展為蜂窩陶瓷體，蓄熱室的比外表積急劇增大，體積明顯減小，換向時間大大縮短，換熱性能得到極大進步，污染物排放量也遠低于環(huán)保規(guī)范。與之相分離的高溫低氧熄滅技術(shù)也被譽為21世紀的關鍵技術(shù)之一。 2蓄熱體 蓄熱體裝置在蓄熱室內(nèi)或直接裝置在熄滅器內(nèi)，是蓄熱熄滅系統(tǒng)中的關鍵部件之一，也是*****技術(shù)含量和表現(xiàn)工業(yè)制造程度的部件。蓄熱換熱系統(tǒng)溫度效益及熱效率的上下，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、運用壽命長、反復運用性好、本錢低的優(yōu)點，在蓄熱式加熱爐上得到了普遍的應用。缺陷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，箱體個數(shù)要增加。 蜂窩陶瓷采用硅鋁系耐火資料，體積小，質(zhì)量輕，比外表積大，耐火度高，傳熱才能大，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完成低氧熄滅，使爐溫平均、傳熱疾速，大大降低氧化損耗和NOx氣體的生成，顯著進步環(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，滿足熱負荷需求。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梗塞，自潔性好，適用于我國熄滅不干凈的特性。蜂窩體與蓄熱球的性能比擬見表1。 依據(jù)目前蜂窩陶瓷蓄熱體在蓄熱節(jié)能技術(shù)中存在的問題和研討趨向來看，有關蜂窩陶瓷蓄熱體的研討工作一方面集中在其材質(zhì)和構(gòu)造的改良上，另一方面集中在蜂窩陶瓷蓄熱體的換熱性能研討上。這兩方面也是這一范疇各國研討者的工作重點。 3蜂窩陶瓷蓄熱體的材質(zhì)研討 3.1蜂窩陶瓷蓄熱體的性能請求 依據(jù)蜂窩陶瓷蓄熱體蓄熱、換熱的工作原理，對蓄熱資料提出了很高請求。 3.1.1高溫請求 耐高溫是蜂窩陶瓷蓄熱體的優(yōu)點之一，在于可以克制常規(guī)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，還是完成高溫預熱，蜂窩陶瓷蓄熱體必需首先滿足長期在高溫下工作的請求，因而，作為蓄熱介質(zhì)的蜂窩陶瓷資料的耐火度普通不能低于1250℃。 3.1.2高抗熱震性 由于蜂窩陶瓷蓄熱體一直處于加熱和冷卻交替循環(huán)的工作狀態(tài)，經(jīng)常接受著因內(nèi)外溫差變化而惹起的應力的作用，因而對蜂窩體的抗熱震性提出了較高的請求。假如達不到相應的請求，蜂窩領會由于溫度動搖而決裂以至粉碎，使熱交流器不能正常工作。 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，必需具有良好的導熱性能。導熱性能越好，其體積應用率越高，蓄熱設備的體積及用材能夠減少到*****少。 3.1.4密度和比熱請求作為蓄熱體，*****主要的是請求其具有盡可能高的貯熱才能，無論是進步體積密度還是進步比熱，都能夠到達增加物理蓄熱才能的目的。由于物體的體積密度和比熱與物體的組成及溫度親密相關，普通難以人為改動。蜂窩體為多種單一物質(zhì)復合而成的耐火陶瓷資料，依據(jù)耐火資料的有關性能，其配料中密度大的物料的含量越高，資料的體積密度越大，其致密度越高。但是資料的致密度對資料的抗熱震性有很大影響，普通而言，致密度越高，其抗熱震性越差。因而，在肯定蜂窩陶瓷蓄熱體資料的配方時，應在保證資料具有良好抗熱震性的前提下，盡可能進步其致密度。 3.2蜂窩陶瓷蓄熱體資料的選配 目前普遍采用的蓄熱體資料是堇青石蜂窩陶瓷，其典型物性為:孔壁密度1.6g·cm-3，熱收縮系數(shù)1.0×10-6℃-1，室溫下的熱導率9.2×10-3W·(m·K)-1，耐壓強度12.4MPa(平行于孔道)、1.7MPa(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、莫來石等的蜂窩陶瓷產(chǎn)品。常見的蜂窩陶瓷資料的物理性能見表2，化學與力學性能見表3。 3.3高性能蜂窩陶瓷蓄熱體 在實踐應用中發(fā)現(xiàn)，由于我國燃料的干凈性較差，大局部冶金窯爐廢氣中含有各種雜質(zhì)，招致在高溫運用時，堇青石蜂窩陶瓷會與廢氣中的局部物質(zhì)發(fā)作反響，從而降低其運用壽命。為了進步其高溫穩(wěn)定性，相繼研制的莫來石質(zhì)、氧化鋁質(zhì)、氮化硅質(zhì)、氧化鋯質(zhì)等蜂窩陶瓷大大進步了載體資料的機械強度、運用溫度和高溫時的化學穩(wěn)定性，但是，由于這些資料的熱收縮系數(shù)隨強度的進步而增大，在蓄熱熄滅請求的溫度急劇變化(在空氣中急冷溫差在800℃以上)的惡劣環(huán)境條件下，其運用壽命還是遭到較大的影響。 近年來，開發(fā)高性能的蜂窩陶瓷蓄熱體是進步蓄熱換熱技術(shù)、節(jié)能減排的一個熱點。固然在蜂窩式蓄熱體材質(zhì)和配方上加大了研制力度，但在構(gòu)造和制造工藝上改動不大，蜂窩體的運用壽命還是不太理想。 張克銘等在制造工藝上，把模壓和擠出兩種成型法合為一體，即模擠壓辦法。這消弭了蜂窩式蓄熱體在成型時坯料頻繁流變現(xiàn)象，使曾經(jīng)困好的坯料在模具內(nèi)靠脹壓法自然成型，這種辦法可制出恣意孔徑和恣意壁厚的蜂窩體。在配料上，選用耐火度高、收縮性能好的原料，如紅柱石資料，其耐火度為1780℃(而傳統(tǒng)所用堇青石的耐火度1380℃)，在高溫下產(chǎn)生不可逆的微收縮，使制品中產(chǎn)生不規(guī)則的顯微裂紋，當制品受壓時有利于耗費和釋放應力，起到陶瓷增韌的作用。實考證明，紅柱石蜂窩蓄熱體具有高抗熱震性和高蓄熱量。 文獻發(fā)布了一種經(jīng)過“復相改性”的工藝辦法制得的鈦酸鋁-莫來石蜂窩陶瓷資料，其高溫(1300～1350℃下)抗折強度和抗熱震性遠優(yōu)于莫來石資料的，適合在凈化氛圍下工作。 4蜂窩陶瓷蓄熱體的換熱性能研討 4.1蜂窩陶瓷蓄熱體的換熱過程 當煙氣流過蜂窩體時，煙氣把本身的熱量傳給蜂窩體，蜂窩體存儲熱量，溫度逐步升高;當冷流體流過時，冷流體從蜂窩體得到熱量，蜂窩體的溫度逐步降低。如此重復，構(gòu)成一個非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程。這樣，經(jīng)過蜂窩體的助燃空氣到達了預定高溫，經(jīng)過的煙氣又降落到了預定低溫，蜂窩體就把高溫煙氣中的顯熱轉(zhuǎn)移到了助燃空氣中。蓄熱體換熱過程工作原理圖見圖1。蜂窩體傳熱面構(gòu)造緊湊，比外表積大，流通性能好，不易積灰、梗塞，冷、熱流體摻混少，即便蓄熱體產(chǎn)生裂紋也不會對換熱有大的影響;而且換向周期短，經(jīng)過蓄熱體預熱后的空氣溫度比擬平均。 4.2蜂窩陶瓷蓄熱體換熱性能的影響要素 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構(gòu)造參數(shù)，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(nèi)空氣流經(jīng)蜂窩體所取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，表示蜂窩體蓄熱室可以回收的煙氣熱量越多，可以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均勻溫度接近煙氣入口溫度的水平，而加熱期溫度效率表示煙氣出口均勻溫度接近空氣入口溫度的水平。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。 依據(jù)文獻的換熱比外表積根本相同的三角形與方形格孔蓄熱體的實驗結(jié)果，在相同的氣體流速下，方形格孔蓄熱體的活動阻力小，熱回收效率高。隨著格孔尺寸的增大，活動阻力減小。文獻指出，當蜂窩體壁厚從0.8mm減小到0.2mm時，溫度效率先升后降(見圖2)�？讖脚c壁厚比例相同時，溫度效率隨著孔徑和壁厚的減小而增大(見圖3)。這樣，在肯定蜂窩體的壁厚時，就并不是非要選用很薄或很厚的壁厚，而是要思索到其他構(gòu)造參數(shù)和操作參數(shù)的影響，應先肯定蜂窩體孔徑和壁厚的*****比例后，盡可能地使它們同時減小，以進步溫度效率。 4.2.2蜂窩體長度的影響 蜂窩體的長度是構(gòu)造參數(shù)的重要參數(shù)之一，它的變化將直接改動蓄熱室的換熱面積，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實驗結(jié)果得出，隨著蓄熱體長度的增大，蓄熱室的活動阻力增大，熱回收率和溫度效率升高，*****換向時間延長。文獻[15]以為，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，會形成現(xiàn)場的操作不便并增大蜂窩體蓄熱室的初次投資及其改換維修費用。 4.2.3換向時間的影響 換向時間是高溫空氣熄滅系統(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。在蜂窩體構(gòu)造參數(shù)及其他操作參數(shù)都一定的前提下，換向時間越長，則預熱空氣出口均勻溫度越低，煙氣出口均勻溫度越高，熱回收率和溫度效率也就越低。反之換向時間越短，則預熱空氣出口均勻溫度越高，煙氣出口均勻溫度越低，熱回收率和溫度效率也就越高。這是由于若換向時間增長，在加熱期的一個換向時間內(nèi)，煙氣帶進蜂窩體的熱量增加，蜂窩體蓄熱量增加，均勻溫度升高，這樣煙氣與蜂窩體的溫差就會減小，單位時間內(nèi)煙氣與蜂窩體的換熱量減小，所以，煙氣出口均勻溫度增高，熱回收率和溫度效率降低在冷卻期的一個換向時間內(nèi)，蜂窩體的均勻溫度將會降低，煙氣與蜂窩體的溫差減小，單位時間內(nèi)煙氣與蜂窩體的換熱量減小，所以，煙氣出口均勻溫度增高，熱回收率和溫度效率降低。 曲線圖。從圖中能夠看到: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45s時，若換向時間再減小，那么溫度效率增大的幅度曾經(jīng)不再明顯，對蜂窩體換熱效果的進步己經(jīng)起不到很好的效果了，而且蜂窩體的蓄熱才能將沒有被充沛應用。圖4不同換向時間下的溫度效率從蓄熱室的熱回收率和溫度效率思索，不同孔構(gòu)造與尺寸的蜂窩蓄熱體具有不同的*****換向時間。張先珍等經(jīng)過實驗測定孔尺寸為2mm×2mm，壁厚1.64mm的方孔蜂窩蓄熱體的換熱特性，肯定了該種構(gòu)造尺寸蜂窩蓄熱體的*****換向時間為40s。寧棣槐等研討了孔為正三角形，邊長2.6mm，壁厚0.3mm的蜂窩蓄熱體的換熱特性，肯定了該種構(gòu)造尺寸蜂窩蓄熱體的*****換向時間為29s。當換向時間大于*****換向時間，隨著換向時間的延長，溫度效率和熱回收率降落;當換向時間小于*****換向時間，隨著換向時間的延長，氣體預熱溫度降落，排煙溫度上升，供風效率進步。依據(jù)文獻的換向時間對空氣預熱溫度和排煙溫度的動態(tài)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。 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，則空氣出口均勻溫度越低，煙氣出口均勻溫度越高，溫度效率越低。這是由于高的氣體流速增加了氣體流量以及單位時間內(nèi)帶入蜂窩體的熱量，但蜂窩體的蓄熱放熱才能并沒有發(fā)作變化，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糜費掉了，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，這是由于，為了保證氣體的充足供給，氣體速度的降低必然請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，這會形成現(xiàn)場操作的不便、增大蜂窩體蓄熱室的初次投資及改換維修費用，所以，氣體流速的*****小值值是有一定限制的。 總之，依據(jù)相關文獻，影響蜂窩陶瓷蓄熱體換熱性能的要素較多，除了上述影響要素外，蜂窩體的資料物性、供風效率等也是影響傳熱過程的要素。 因此，有必要對詳細的蓄熱室停止相關的實驗研討，以改善蓄熱換熱系統(tǒng)的節(jié)能效果。 |
