高性能蜂窩陶瓷蓄熱體介紹
一、 蜂窩陶瓷蓄熱體的用途
20世紀90年代初，日本科學(xué)家首先發(fā)明了高溫空氣貧氧燃燒技術(shù)（HTAC），該技術(shù)被譽為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。該技術(shù)的關(guān)鍵之一是制備高性能的蓄熱材料——蜂窩陶瓷。蜂窩陶瓷蓄熱體具有耐高溫、高腐蝕、熱震穩(wěn)定性好、強度高、蓄熱量大、導(dǎo)熱性能好等顯著優(yōu)點，節(jié)能效果和使用壽命大大提高。蓄熱式高溫空氣燃燒是一項具有巨大節(jié)能和環(huán)保雙重功效的新型燃燒技術(shù)，蜂窩陶瓷蓄熱體是蓄熱式燃燒器的關(guān)鍵部件，廣泛用于鋼鐵、機械、建材、石化、有色金屬冶煉等行業(yè)的各種加熱爐、熱風(fēng)爐、熱處理爐、裂解爐、烘烤器、熔化爐、均熱爐、油氣鍋爐等窯爐中。該技術(shù)通過換向裝置使兩個蓄熱室交替吸熱放熱，最大限度地回收煙氣的熱量，再把爐內(nèi)的助燃空氣和煤氣加熱到1000℃以上，即使低熱值的劣質(zhì)燃料也能實現(xiàn)穩(wěn)定著火和高效燃燒，可節(jié)省燃料達40%-70%，產(chǎn)量提高15%以上，鋼坯氧化燒損下降40%以上，NOx排放小于100ppm, 排放的煙氣溫度低于150℃，大大降低了地球大氣的溫室效應(yīng)。如果國內(nèi)大多數(shù)工業(yè)窯爐都采用HTAC技術(shù)，其經(jīng)濟效益和社會效益不可估量，將極大地緩解能源緊缺的狀況，羨慕改善人類的生存環(huán)境。
二、 蜂窩陶瓷蓄體在使用中存在的問題
蓄熱箱內(nèi)蓄熱體的損壞通常表現(xiàn)在高溫側(cè)，其損毀的原因主要有以下幾點：
⑴高溫重?zé)€變化大
在實際使用中，如果蓄熱體的重?zé)€變化過大，蓄熱箱內(nèi)出現(xiàn)異常高溫時，前排蓄熱體因為處于高溫下，尺寸收縮后會形成大的間隙，易使蓄熱體破碎，形成過大的間隙。煙氣在蓄熱箱內(nèi)流過時，可能會繞過蓄熱體，使后排蓄熱體接觸高溫?zé)煔?，后排蓄熱體再收縮后，高溫?zé)煔鈺苯舆M入排煙管道，造成煙溫過高，使蓄熱箱失去蓄熱作用。
⑵荷重軟化溫度低
如果荷重軟化溫度過低，在正常使用的高溫下或是當(dāng)出現(xiàn)異常高溫時，前排蓄熱體會出現(xiàn)塌縮變形，在蓄熱箱上部會出現(xiàn)較大空隙。
⑶耐侵蝕性能不佳
新開發(fā)的材料應(yīng)當(dāng)是純度更高的材料，對氧化鐵粉末及煙氣中的粉塵有較好的抗侵蝕性，減少附著，出可減少反應(yīng)后造成的蓄熱體耐火性能下降，繼之發(fā)生損毀。
⑷熱震穩(wěn)定性欠佳
蓄熱體在使用中，要交替通過高溫?zé)煔夂屠淇諝?，對于蓄熱箱中某一點來講，其溫度要周期性地快速升高和降低100-200℃，這種熱沖擊對蓄熱體材料有一定的破壞作用。對于某一時刻來講，蓄熱箱內(nèi)各處有較大溫差，對于單塊蓄熱體來講，各部位的溫差會在材料內(nèi)部形成熱應(yīng)力。如果材料的熱震穩(wěn)定性欠佳，便會在投入使用后不久，由于這些熱沖擊和熱應(yīng)力面產(chǎn)生裂紋，甚至破碎。一般來說，裂紋并不對使用造成明顯影響，但如果破損嚴重，則會堵塞流通道或是被吹出蓄熱室后在蓄熱室內(nèi)形成空洞，使蓄熱室不能正常發(fā)揮作用。
三、 蜂窩陶瓷蓄熱體性能指標
高性能蜂窩式蓄熱體，是針對我國加熱爐實際燃燒狀況研制的，能適應(yīng)我國加熱爐大多控制水平低、燃燒狀況惡劣的實際條件。高性能蜂窩式蓄熱體的蓄熱式換熱過程中，蓄熱體的質(zhì)量密度與比熱容乘積越大，蓄熱體的蓄、放熱量就越大，再加上換向周期和使用壽命，單位體積換熱面積，綜合這些參數(shù)才能完成蓄熱換熱技術(shù)的*佳選擇。較頻繁的換向，也影響蜂窩式蓄熱體的換向設(shè)備的使用壽命。蓄熱體具有壓力損失小、比表面積大、傳熱速度快等優(yōu)點。從理論上講，采用高性能蜂窩狀蓄熱體的蓄熱式燃燒系統(tǒng)更易對現(xiàn)有爐子進行改造，熱回收率也更高。如果蜂窩狀蓄熱體能夠有較強的適應(yīng)性和較長的使用壽命，必將推動蓄熱式熱交換技術(shù)在工業(yè)爐上的廣泛應(yīng)用。
1.耐火度高
對于蓄熱式燃燒系統(tǒng)，助燃空氣或（和）煤氣的預(yù)熱溫度效率較高，一般可達僅比煙氣溫度低100-200℃的水平，因而蓄熱體長期工作在高溫狀態(tài)下，故對其耐火度有要求。對于一般小鋼坯加熱爐，其煙氣溫度為1250-1300℃，對于高溫大型鋼坯加熱爐，煙氣溫度可達1400℃，甚至更高，由此可見，不同的應(yīng)用條件對蓄熱體材料耐火度有不同的要求。
2.熱震穩(wěn)定性
根據(jù)蓄熱室的換熱過程，蓄熱體是在反復(fù)加熱和冷卻的工況下長期運行，其表面與內(nèi)部的溫度始終隨時間作周期的變，若蓄熱體的熱震穩(wěn)定性達不到一定的要求，剛會在頻繁交替的熱脹冷縮作用下，導(dǎo)致蓄熱體破碎而堵塞氣流通道，使壓力損失增加，影響蓄熱室的換熱效果，嚴重時將引起蓄熱室不能正常工作，被迫進行蓄熱體更換。根據(jù)耐火材料的性質(zhì)，材料的致密度超市，熱膨脹系數(shù)越大，其熱震穩(wěn)定性越差，同時，致密度高的材料，其密度一般也較大，蓄熱能力也大，因此，在選擇蓄熱材料的配方時，應(yīng)在保證材料熱震穩(wěn)定性的前提下，盡可能提高其致密度。
3.結(jié)構(gòu)強度
蓄熱室是由單個蓄熱體分層和分排組裝而成，在實際的高溫工作條件下，底層蓄熱體需承受上層及自身的重量，因此，要求蓄熱體必須具有足夠的高溫抗壓強度和蠕變性能，否則，將導(dǎo)致蓄熱體變形和破碎，使氣體的流通阻力增大，換熱效率下降，甚至影響到蓄熱式燃燒系統(tǒng)的安全運行。同時，在高溫含塵氣體高速沖刷作用下，易導(dǎo)致蓄熱體孔壁磨損和缺陷剝離破損，因而，要求蓄熱體具有較高的高溫結(jié)構(gòu)強度和荷重軟化溫度。根據(jù)經(jīng)驗，耐火材料長期工作溫度一般比其荷重軟化溫度低100℃左右。
4.抗渣性
因為在加熱爐的爐氣中含有氧化鐵粉塵，通過與耐火材料的接觸與高溫固相反應(yīng)，形成低熔點物質(zhì)，降低了材料的軟熔溫度。因此，在正常使用過程中，造成低熔點物質(zhì)粘附孔壁，增大了氣體的流動阻力，降低了蓄熱體的換熱效率，同時，孔壁低熔點物質(zhì)的粘附，增強了孔壁對粉塵的捕捉能力，推進了孔壁粉塵粘附進程，進一步惡化了熱體的使用性能，甚至造成大面積堵塞蓄熱體通孔，導(dǎo)致蓄熱室無法正常工作。因此，蓄熱材料同樣必須具有良好抗氧化鐵侵蝕的能力。
5.比熱容
比熱容C 反映了材料內(nèi)部積聚一定熱量而產(chǎn)生的溫度變化。質(zhì)量相同而C 不同的材料，當(dāng)從外界吸收相同的熱量時其表征值-溫度則不同，C值大的材料，在換熱過程中，與截?zé)峤橘|(zhì)之間的溫度差較大，熱交換量增加，與同溫度下C值小的材料相比，所蓄積的熱量更多。
6.材料熱導(dǎo)率
在蓄熱體吸熱與放熱過程中，熱能在物質(zhì)內(nèi)部傳遞時所遇阻力大小直接影響蓄熱室的換熱效率。材料的熱導(dǎo)率是物質(zhì)進行能量傳遞難易程度的一種物理性質(zhì)。熱導(dǎo)率大的材料，熱量從表面到中心，或從內(nèi)部到表面的傳遞速度快。根據(jù)復(fù)合換熱牛頓公式，蓄熱體與氣體進行換熱過程的界面綜合換熱系數(shù)a:a=(1/ａ+-Sλ)-1式中，α為氣體（空氣或煙氣）與蓄熱體對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；-S為蓄熱體固體內(nèi)部熱量流量流動平均距離m; λ為蓄熱體材料的熱導(dǎo)率，W/（m·K）。由式可見，材料λ值高，綜合換熱系數(shù)a上升；熱量傳遞速度快，交換的熱量增加;熱蓄室的溫度效率E值上升，有利于設(shè)備的微型化與設(shè)備的布置安裝。
7.密度
對于顯熱式蓄熱材料來說，密度越大，單位體積的材料重量也越大。在比熱容相同的條件下，吸收同等熱量的蓄熱材料重量相等，因而材料密度大的材料可以減小蓄熱室的體積，在蓄熱室額定蓄熱量的條件下，采用體積密度大的蓄熱材料，蓄熱室占用體積小，便于蓄熱式燃燒系統(tǒng)的安裝與布置，為此，在蓄熱體選材時應(yīng)盡量選擇高密度的材料。
四、 高性能蜂窩陶瓷蓄熱體的特點
①高性能蜂窩式蓄熱體，是針對我國加熱爐實際燃燒狀況研制的。能適應(yīng)我國加熱爐大多控制水平低，燃燒狀況惡劣的實際條件；
②蓄熱量是普通蜂窩陶瓷蓄熱體的1.2-1.5倍，因此換向周期比普通蜂窩陶瓷提高1.2-1.5倍左右，相對又提高了換向裝置和蜂窩體的使用壽命，使用壽命大幅度的提高，，滿足了加熱爐維修周期的要求，可與加熱爐小修周期同步。
③耐熱沖擊性佳，導(dǎo)熱性能好，機械強度大，可較好適應(yīng)蓄熱式加熱爐的工作條件，即使在加熱爐因異常情況蓄熱室內(nèi)出現(xiàn)異常情況蓄熱室內(nèi)出現(xiàn)異常高溫的情況下，也不易變形、塌縮渣蝕，粘蝕和高溫變形，仍能正常發(fā)揮蓄熱體的作用；
④孔型薄、孔壁光滑、背壓小、容重大、蓄熱量大、占用空間體積??；
⑤材質(zhì)多樣，可根據(jù)客戶和使用環(huán)境的不同，選用不同材質(zhì)和規(guī)格的產(chǎn)品；
⑥產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)格高，安裝時，蓄熱體之間排放整齊，錯位小。
HTAC技術(shù)蓄熱體規(guī)格
六角孔型蜂窩陶瓷
外形尺寸（㎜） | 孔徑（對邊㎜） | 壁厚（㎜） | 傳熱面積（m2/m3） | 開孔率（％） |
150×100×100 | 3.1 | 1.0 | 673 | 53 |
150×100×100 | 3.1 | 1.5 | 625 | 49 |
150×100×100 | 3.5 | 1.0 | 655 | 58 |
150×100×100 | 3.9 | 1.1 | 624 | 58 |
100×100×100 | 3.1 | 1.0 | 673 | 53 |
100×100×100 | 3.5 | 1.0 | 655 | 58 |
100×100×100 | 3.9 | 1.1 | 624 | 58 |
方孔型蜂窩陶瓷
外形尺寸（㎜） | 孔徑（㎜） | 壁厚（㎜） | 傳熱面積（m2/m3） | 開孔率（％） |
150×100×100 | Ф2.5 | 1.0 | 784 | 49 |
150×100×100 | Ф3.0 | 1.1 | 691 | 52 |
150×100×100 | Ф5.0 | 2.0 | 392 | 49 |
100×100×100 | Ф2.5 | 1.0 | 784 | 49 |
100×100×100 | Ф3.0 | 1.1 | 691 | 52 |
100×100×100 | Ф5.0 | 2.0 | 392 | 49 |
165×110×100 | Ф3.0 | 1.1 | 670 | 52 |
圓柱型蜂窩陶瓷
外形尺寸（㎜） | 孔徑（㎜） | 壁厚（㎜） | 備 注 |
直徑220×100 | 方孔Ф3.0 | 1.0 | 四塊扇形 |
直徑200×100 | 六角孔 4.0 | 1.0 | 整塊 |
直徑120×100 | 方孔Ф3.0 | 1.0 | 整塊 |
