高溫燃燒技術(shù)中蓄熱體研究*

范 蕾，馬青波

(1河南機(jī)電高等專科學(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453002;2河南新飛電器股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453002)

1 引言

高溫燃燒技術(shù)充分利用排煙余熱將助燃空氣加熱到800℃甚至以上，使排煙溫度降到200℃以下，從而極限回收煙氣余熱，提高了燃料熱利用率。另外由于助燃空氣被預(yù)熱到很高的溫度(≥800℃)，著火、燃燒的穩(wěn)定性極好。因而這一技術(shù)在我國(guó)工業(yè)爐窯行業(yè)得到了很大的發(fā)展。這一技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備是系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)余熱回收的蓄熱式換熱器，但從這些年的運(yùn)行實(shí)踐來(lái)看，蓄熱式換熱器還存在一些問(wèn)題，如:蓄熱體的使用壽命太短，使用中經(jīng)常要進(jìn)行維修，蓄熱體成本較高等。蓄熱體的選材、設(shè)計(jì)及運(yùn)行已成為制約這項(xiàng)技術(shù)全面推廣的瓶頸，本文總結(jié)了對(duì)蓄熱體材料的一般要求，結(jié)合蓄熱體運(yùn)行中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，說(shuō)明了蓄熱體的材料選擇方法。研究了不同形狀如球狀、蜂窩狀蓄熱體的傳熱與阻力特性，并介紹了蓄熱體的制造工藝，為蓄熱體的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供幫助。

2 蓄熱體一般性質(zhì)要求及常見(jiàn)運(yùn)行問(wèn)題

2.1 蓄熱體材料的一般要求

蓄熱體在運(yùn)行中長(zhǎng)期經(jīng)受高溫作用，并且還有周期性的冷熱轉(zhuǎn)換，因此對(duì)蓄熱體材料提出了很高的要求，另外蓄熱體運(yùn)行中還可能會(huì)有堵塞等問(wèn)題?；谝陨显颍瑢?duì)蓄熱體材料選擇有以下要求［1－3］:耐高溫、換熱效果好、蓄熱能力強(qiáng)、耐熱沖擊性好、耐氧化性好及運(yùn)行效果好等。

其中耐氧化性主要是防止軟熔的材料堵死了蓄熱體的氣流通道，造成氣流不暢甚至不通，不得不停爐檢修，更換材料。運(yùn)行效果從減小氣流損失和減少積灰阻力兩方面考慮。另外還有一些因素如蓄熱體材料來(lái)源是否廣泛、加工難易程度、生產(chǎn)成本高低等也應(yīng)加以考慮。

2.2 運(yùn)行中的問(wèn)題

蓄熱體運(yùn)行中其損壞通常表現(xiàn)在高溫側(cè)，損毀的原因主要有以下幾點(diǎn)［3］:

一是材料耐高溫性不好，高溫部分蓄熱體變形而使蓄熱箱失去蓄熱作用;二是耐侵蝕性能不佳，對(duì)氧化鐵粉末及煙氣中的粉塵沒(méi)有較好的抗侵蝕性;三是熱震穩(wěn)定性欠佳，周期性地快速升溫和降溫對(duì)材料有很大的破壞作用，會(huì)堵塞氣流通道或被吹出蓄熱室后形成空洞，使蓄熱室失效。經(jīng)對(duì)某廠現(xiàn)場(chǎng)更換下來(lái)的蓄熱體進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，大部分蓄熱體單元出現(xiàn)不同程度的裂紋和剝落，故認(rèn)為脆性應(yīng)力破壞是造成蓄熱體損壞的主要原因。

對(duì)耐高溫性主要通過(guò)選取的原料來(lái)解決。對(duì)第二個(gè)原因，在加熱爐條件下，爐氣中多多少少含有一定量顆粒細(xì)小的氧化鐵粉塵，蓄熱器上層表面還充當(dāng)著過(guò)濾器的作用，氧化鐵會(huì)降低材料的軟熔溫度，會(huì)使球形材料粘結(jié)成塊，或使蜂窩狀陶瓷的氣孔被堵死。因此選取原料配方時(shí)，在保證材料抗熱震穩(wěn)定性的同時(shí)，必須充分考慮材料抗氧化鐵侵蝕的能力。

另外由于高溫裂解或不完全燃燒，煙氣中還往往帶有一定量的炭黑等。有學(xué)者研究了采用蜂窩體加水或改變其結(jié)構(gòu)的方法可減少炭黑沉積［4］。還有人通過(guò)高溫黏結(jié)劑在耐火材料載體上制備納米TiO2涂層，來(lái)改善蜂窩蓄熱體的炭黑沉積情況。

3 蓄熱體材料選擇

目前主要采用陶瓷作為蓄熱材料，一般以堇青石、莫來(lái)石、紅柱石等為主要原料，添加適當(dāng)?shù)奶砑觿?，按照一定的原料配比?yōu)化組成，其化學(xué)組成一般有 Al2O3、BeO、MgO、SiO2、TiO2幾種。

堇青石材料線脹系數(shù)小、具有優(yōu)異的熱震穩(wěn)定性，但其耐火度不高。盡管在鋼包烘烤器上使用時(shí)效果較好，但在加熱爐上由于高溫容易出現(xiàn)熔融、塌縮現(xiàn)象。堇青石－莫來(lái)石材質(zhì)的蓄熱體高溫性能也不太好，因?yàn)檩狼嗍€不是MgO－Al2O3－SiO2三元系統(tǒng)中熔點(diǎn)最低的礦相，如果堇青石和莫來(lái)石的比例不當(dāng)，在1355℃就會(huì)出現(xiàn)大量液相，影響耐火性能［5］。

相對(duì)堇青石來(lái)說(shuō)，莫來(lái)石的熱震穩(wěn)定性稍差，但高溫性能良好，如果配方設(shè)計(jì)合理，生產(chǎn)工藝得當(dāng)，制得的蓄熱體具有良好的高溫穩(wěn)定性，不易變形，并且因?yàn)槿葜馗?，蓄熱量也比堇青石質(zhì)的大。

以莫來(lái)石為主料制取蓄熱材料時(shí)，要減少外來(lái)雜質(zhì)的影響，在燒結(jié)過(guò)程中莫來(lái)石沒(méi)有產(chǎn)生明顯的分解。因雜質(zhì)(Na2O、K2O等)影響會(huì)出現(xiàn)較多剛玉相和玻璃相的材料，使其熱震穩(wěn)定性及抗侵蝕性變差。

紅柱石原料耐火度(1780℃)高于堇青石，而且在高溫下產(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。這種顯微裂紋在基體組織承受應(yīng)力的情況下，起到了消耗和釋放應(yīng)力波傳遞的功能，減少裂縫及破碎現(xiàn)象。

為進(jìn)一步提高材料耐高溫性，增加抗氧化性，還開(kāi)發(fā)出了高鋁質(zhì)耐火材料［5］。這種材料是指Al2O3含量大于48%的硅酸鋁質(zhì)耐火材料，其突出優(yōu)點(diǎn)是耐火度及荷重軟化溫度高，隨著Al2O3含量增加，其耐火度可達(dá)2000℃，荷重軟化溫度在1400～1900℃之間變化，且抗渣性能顯著改善。

在材料中加入增韌劑能提高其抗熱震性。在基質(zhì)中添加具有增韌作用的第二相，經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理可使材料增韌，從而消除全部或部分裂紋尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使裂紋不易擴(kuò)展。陶瓷制品增韌方法常用的有兩種:一是添加晶須和短纖維，形成橋接和誘導(dǎo)裂紋偏移，此外纖維的晶須阻礙應(yīng)力拔出效應(yīng)，提高了陶瓷體的熱震穩(wěn)定性;二就是前面紅柱石中提到的顯微裂紋。

總的說(shuō)來(lái)，應(yīng)根據(jù)不同煙溫和煙氣成分需要，采用性價(jià)比最合理的材質(zhì)以滿足不同要求的用戶需要。一般來(lái)說(shuō)，如果煙氣溫度在1200℃以下時(shí)使用堇青石質(zhì)，1200℃以上時(shí)使用氧化鋁質(zhì)。但也不能一概而論，比如熔鋁爐雖然煙氣溫度不高，但煙氣含有腐蝕性物質(zhì)，就應(yīng)選用高鋁質(zhì)類的材料。

另外為進(jìn)一步提高蓄熱能力，還有學(xué)者利用相變潛熱較大的優(yōu)點(diǎn)，將高溫熔融鹽復(fù)合到陶瓷材料中，研制出燃料工業(yè)爐用高性能復(fù)合蓄熱材料，據(jù)測(cè)定其蓄熱密度達(dá)陶瓷材料的1.2～2.9倍。

4 蓄熱體形式與運(yùn)行

蓄熱體形狀一般有片狀、球狀和蜂窩狀，目前應(yīng)用主要是后兩種［6，7］。從結(jié)構(gòu)來(lái)看，蜂窩體壁厚一般僅為0.2～0.5mm，單元間距為1～3mm，這一結(jié)構(gòu)同顆粒球狀相比有更大的比表面積。如孔數(shù)為150個(gè)/in2的蜂窩狀比表面積為1646m2/m3，直徑為15mm的球狀比表面積為252 m2/m3，前者為后者的近7倍。當(dāng)然，蜂窩狀中的通道有不同的形式，如圓形、方形、三角形、正六邊形等，通道特征尺寸越小，其比表面積越大，因此其邊長(zhǎng)一般小于3mm，在這個(gè)尺寸內(nèi)方形蜂窩體的比表面積最大。而對(duì)于球狀蓄熱體，減小直徑能增大比表面積，但這樣容易引起積灰堵塞和流動(dòng)阻力急劇增加。因此使用的球體直徑一般不小于6mm，故其比表積一般小于1000 m2/m3，小于一般的蜂窩狀蓄熱體。

從氣體阻力損失看，蜂窩狀蓄熱體為最小，通常在1000Pa以下，在流速及截面積相同的條件下，只有球狀的三分之一，這樣可大大減小風(fēng)機(jī)的動(dòng)力消耗［7］。如在氣流速度為1 ～2.5m/s時(shí)，180n/in2、高150mm的蜂窩體壓力損失為 107－343Pa，而高200mm、直徑為12mm球床壓力損失為200～2500Pa。

對(duì)蓄熱體最為關(guān)鍵的傳熱性能比較:在相同條件下，將同質(zhì)量的氣體換熱到同一溫度所用的球狀蓄熱元件的體積是蜂窩狀的3倍，也就是蜂窩狀的體積可減少2/3。這有利于解決已有工業(yè)爐窯節(jié)能技改時(shí)經(jīng)常遇到的爐體周圍空間有限、大尺寸蓄熱體排布困難的問(wèn)題。

上邊說(shuō)明了一些蜂窩蓄熱體相對(duì)球狀蓄熱體的優(yōu)點(diǎn)，但目前也還存在壽命短、容易氧化堵塞等問(wèn)題，關(guān)于蓄熱體形狀還應(yīng)進(jìn)一步研究。

蓄熱體運(yùn)行的傳熱性能還與一些運(yùn)行參數(shù)有關(guān)系。比如加大空氣的流量可使傳熱系數(shù)增加，但注意的問(wèn)題是隨空氣流量增加，傳熱系數(shù)增加的趨勢(shì)變緩，且流動(dòng)阻力增加。對(duì)不同結(jié)構(gòu)的蓄熱體，在相同空氣流量條件下，比表面積小的傳熱系數(shù)大。蓄熱體最終目的是要其傳熱量較大，極限降低煙氣溫度，提高預(yù)熱空氣溫度，因此要對(duì)其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于傳熱性能還有一點(diǎn)要注意的是傳熱的時(shí)間性，高溫?zé)煔庖褵崃糠沤o蓄熱體自身溫度降低，這需要一定時(shí)間，但隨著時(shí)間增加，蓄熱體溫度上升后，會(huì)使煙氣出口溫度上升，這樣會(huì)降低熱量回收率。同樣在空氣預(yù)熱階段，隨時(shí)間的增加，蓄熱體溫度下降會(huì)導(dǎo)致預(yù)熱空氣溫度降低，因此要找到一個(gè)加熱與冷卻的最佳換向時(shí)間。

5 制造工藝

蓄熱體制造是先把原材料按確定配方進(jìn)行混合并加入外加劑，然后加入一定量的水進(jìn)行攪拌。注意水分過(guò)少時(shí)不易成形;水分過(guò)多，蜂窩體的可塑性則變差。蜂窩狀結(jié)構(gòu)是由擠出成形法制成的，擠出成形是指將經(jīng)過(guò)混煉的、可塑性高的陶瓷坯體從模孔中擠出的方法［8］。蜂窩的形狀由模具形狀決定，擠出模具的設(shè)計(jì)和制造是蜂窩陶瓷生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)。擠出成形工藝是:原料－配料－球磨－加入添加劑－混料－煉料－困料－擠出成形－切割－干燥－燒成－成品。陶瓷蜂窩體的成品率在很大程度上取決于干燥工藝，主要由于蜂窩體壁薄、多孔，內(nèi)部水分不易揮發(fā)、干燥收縮慢，而外表面水分又極易揮發(fā)產(chǎn)生收縮。目前大多采用微波干燥工藝。

擠出工藝存在兩方面的局限性:一是為能保持蜂窩體成形，在坯料中添加劑加入較多。如加水16% ～20%，有機(jī)結(jié)合劑7% ～10%，還有潤(rùn)滑劑和表面活性劑等。二是蜂窩孔的壁厚受到限制，以蜂窩孔3mm×3mm為例，其孔壁的厚度小于1mm?；趪?guó)內(nèi)加熱爐大多控制水平低和燃燒狀況惡劣，在制造上可從兩個(gè)方面改進(jìn):一是擠出同樣尺寸的方孔，在孔壁厚度上增加50%，提高蜂窩體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;二是在配料上減少各種添加劑，并采用陶瓷體增韌和抗熱震工藝技術(shù)。另外可考慮把模壓和擠出兩種成形法合為模擠壓方法，這消除了蜂窩式蓄熱體在成型時(shí)坯料頻繁現(xiàn)象，使已經(jīng)困好的坯料在模具內(nèi)靠脹壓法自然成形。

6 結(jié)語(yǔ)

1)蓄熱體材料的選擇應(yīng)根據(jù)具體使用條件如煙溫、煙氣成分等選擇經(jīng)濟(jì)合理的材料，并應(yīng)根據(jù)損壞機(jī)理采取針對(duì)性措施;

2)從目前使用情況看，蜂窩狀蓄熱體在比表面積、煙氣阻力損失、換熱性能各方面要優(yōu)于球狀蓄熱體，但也存在壽命短、易氧化堵塞等問(wèn)題，另外應(yīng)從運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化方面加強(qiáng)煙氣在蓄熱體中的流動(dòng)及傳熱;

3)制造工藝對(duì)蜂窩狀蓄熱體性能及壽命有很大影響，可考慮把模壓和擠出兩種成形法合為模擠壓方法。

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