高温燃烧技术中蓄热体研究*

2010-04-11马青波

河南工学院学报 2010年3期

范蕾，马青波

(1河南机电高等专科学校，河南新乡 453002;2河南新飞电器股份有限公司，河南新乡 453002)

1 引言

高温燃烧技术充分利用排烟余热将助燃空气加热到800℃甚至以上，使排烟温度降到200℃以下，从而极限回收烟气余热，提高了燃料热利用率。另外由于助燃空气被预热到很高的温度(≥800℃)，着火、燃烧的稳定性极好。因而这一技术在我国工业炉窑行业得到了很大的发展。这一技术的关键设备是系统中实现余热回收的蓄热式换热器，但从这些年的运行实践来看，蓄热式换热器还存在一些问题，如:蓄热体的使用寿命太短，使用中经常要进行维修，蓄热体成本较高等。蓄热体的选材、设计及运行已成为制约这项技术全面推广的瓶颈，本文总结了对蓄热体材料的一般要求，结合蓄热体运行中容易出现的问题，说明了蓄热体的材料选择方法。研究了不同形状如球状、蜂窝状蓄热体的传热与阻力特性，并介绍了蓄热体的制造工艺，为蓄热体的设计与运行提供帮助。

2 蓄热体一般性质要求及常见运行问题

2.1 蓄热体材料的一般要求

蓄热体在运行中长期经受高温作用，并且还有周期性的冷热转换，因此对蓄热体材料提出了很高的要求，另外蓄热体运行中还可能会有堵塞等问题。基于以上原因，对蓄热体材料选择有以下要求［1－3］:耐高温、换热效果好、蓄热能力强、耐热冲击性好、耐氧化性好及运行效果好等。

其中耐氧化性主要是防止软熔的材料堵死了蓄热体的气流通道，造成气流不畅甚至不通，不得不停炉检修，更换材料。运行效果从减小气流损失和减少积灰阻力两方面考虑。另外还有一些因素如蓄热体材料来源是否广泛、加工难易程度、生产成本高低等也应加以考虑。

2.2 运行中的问题

蓄热体运行中其损坏通常表现在高温侧，损毁的原因主要有以下几点［3］:

一是材料耐高温性不好，高温部分蓄热体变形而使蓄热箱失去蓄热作用;二是耐侵蚀性能不佳，对氧化铁粉末及烟气中的粉尘没有较好的抗侵蚀性;三是热震稳定性欠佳，周期性地快速升温和降温对材料有很大的破坏作用，会堵塞气流通道或被吹出蓄热室后形成空洞，使蓄热室失效。经对某厂现场更换下来的蓄热体进行研究发现，大部分蓄热体单元出现不同程度的裂纹和剥落，故认为脆性应力破坏是造成蓄热体损坏的主要原因。

对耐高温性主要通过选取的原料来解决。对第二个原因，在加热炉条件下，炉气中多多少少含有一定量颗粒细小的氧化铁粉尘，蓄热器上层表面还充当着过滤器的作用，氧化铁会降低材料的软熔温度，会使球形材料粘结成块，或使蜂窝状陶瓷的气孔被堵死。因此选取原料配方时，在保证材料抗热震稳定性的同时，必须充分考虑材料抗氧化铁侵蚀的能力。

另外由于高温裂解或不完全燃烧，烟气中还往往带有一定量的炭黑等。有学者研究了采用蜂窝体加水或改变其结构的方法可减少炭黑沉积［4］。还有人通过高温黏结剂在耐火材料载体上制备纳米TiO2涂层，来改善蜂窝蓄热体的炭黑沉积情况。

3 蓄热体材料选择

目前主要采用陶瓷作为蓄热材料，一般以堇青石、莫来石、红柱石等为主要原料，添加适当的添加剂，按照一定的原料配比优化组成，其化学组成一般有 Al2O3、BeO、MgO、SiO2、TiO2几种。

堇青石材料线胀系数小、具有优异的热震稳定性，但其耐火度不高。尽管在钢包烘烤器上使用时效果较好，但在加热炉上由于高温容易出现熔融、塌缩现象。堇青石－莫来石材质的蓄热体高温性能也不太好，因为堇青石还不是MgO－Al2O3－SiO2三元系统中熔点最低的矿相，如果堇青石和莫来石的比例不当，在1355℃就会出现大量液相，影响耐火性能［5］。

相对堇青石来说，莫来石的热震稳定性稍差，但高温性能良好，如果配方设计合理，生产工艺得当，制得的蓄热体具有良好的高温稳定性，不易变形，并且因为容重高，蓄热量也比堇青石质的大。

以莫来石为主料制取蓄热材料时，要减少外来杂质的影响，在烧结过程中莫来石没有产生明显的分解。因杂质(Na2O、K2O等)影响会出现较多刚玉相和玻璃相的材料，使其热震稳定性及抗侵蚀性变差。

红柱石原料耐火度(1780℃)高于堇青石，而且在高温下产生不可逆的微膨胀，使制品中产生不规则的显微裂纹。这种显微裂纹在基体组织承受应力的情况下，起到了消耗和释放应力波传递的功能，减少裂缝及破碎现象。

为进一步提高材料耐高温性，增加抗氧化性，还开发出了高铝质耐火材料［5］。这种材料是指Al2O3含量大于48%的硅酸铝质耐火材料，其突出优点是耐火度及荷重软化温度高，随着Al2O3含量增加，其耐火度可达2000℃，荷重软化温度在1400～1900℃之间变化，且抗渣性能显著改善。

在材料中加入增韧剂能提高其抗热震性。在基质中添加具有增韧作用的第二相，经过适当处理可使材料增韧，从而消除全部或部分裂纹尖端的应力集中现象，使裂纹不易扩展。陶瓷制品增韧方法常用的有两种:一是添加晶须和短纤维，形成桥接和诱导裂纹偏移，此外纤维的晶须阻碍应力拔出效应，提高了陶瓷体的热震稳定性;二就是前面红柱石中提到的显微裂纹。

总的说来，应根据不同烟温和烟气成分需要，采用性价比最合理的材质以满足不同要求的用户需要。一般来说，如果烟气温度在1200℃以下时使用堇青石质，1200℃以上时使用氧化铝质。但也不能一概而论，比如熔铝炉虽然烟气温度不高，但烟气含有腐蚀性物质，就应选用高铝质类的材料。

另外为进一步提高蓄热能力，还有学者利用相变潜热较大的优点，将高温熔融盐复合到陶瓷材料中，研制出燃料工业炉用高性能复合蓄热材料，据测定其蓄热密度达陶瓷材料的1.2～2.9倍。

4 蓄热体形式与运行

蓄热体形状一般有片状、球状和蜂窝状，目前应用主要是后两种［6，7］。从结构来看，蜂窝体壁厚一般仅为0.2～0.5mm，单元间距为1～3mm，这一结构同颗粒球状相比有更大的比表面积。如孔数为150个/in2的蜂窝状比表面积为1646m2/m3，直径为15mm的球状比表面积为252 m2/m3，前者为后者的近7倍。当然，蜂窝状中的通道有不同的形式，如圆形、方形、三角形、正六边形等，通道特征尺寸越小，其比表面积越大，因此其边长一般小于3mm，在这个尺寸内方形蜂窝体的比表面积最大。而对于球状蓄热体，减小直径能增大比表面积，但这样容易引起积灰堵塞和流动阻力急剧增加。因此使用的球体直径一般不小于6mm，故其比表积一般小于1000 m2/m3，小于一般的蜂窝状蓄热体。

从气体阻力损失看，蜂窝状蓄热体为最小，通常在1000Pa以下，在流速及截面积相同的条件下，只有球状的三分之一，这样可大大减小风机的动力消耗［7］。如在气流速度为1 ～2.5m/s时，180n/in2、高150mm的蜂窝体压力损失为 107－343Pa，而高200mm、直径为12mm球床压力损失为200～2500Pa。

对蓄热体最为关键的传热性能比较:在相同条件下，将同质量的气体换热到同一温度所用的球状蓄热元件的体积是蜂窝状的3倍，也就是蜂窝状的体积可减少2/3。这有利于解决已有工业炉窑节能技改时经常遇到的炉体周围空间有限、大尺寸蓄热体排布困难的问题。

上边说明了一些蜂窝蓄热体相对球状蓄热体的优点，但目前也还存在寿命短、容易氧化堵塞等问题，关于蓄热体形状还应进一步研究。

蓄热体运行的传热性能还与一些运行参数有关系。比如加大空气的流量可使传热系数增加，但注意的问题是随空气流量增加，传热系数增加的趋势变缓，且流动阻力增加。对不同结构的蓄热体，在相同空气流量条件下，比表面积小的传热系数大。蓄热体最终目的是要其传热量较大，极限降低烟气温度，提高预热空气温度，因此要对其结构和运行参数进行优化。对于传热性能还有一点要注意的是传热的时间性，高温烟气要把热量放给蓄热体自身温度降低，这需要一定时间，但随着时间增加，蓄热体温度上升后，会使烟气出口温度上升，这样会降低热量回收率。同样在空气预热阶段，随时间的增加，蓄热体温度下降会导致预热空气温度降低，因此要找到一个加热与冷却的最佳换向时间。

5 制造工艺

蓄热体制造是先把原材料按确定配方进行混合并加入外加剂，然后加入一定量的水进行搅拌。注意水分过少时不易成形;水分过多，蜂窝体的可塑性则变差。蜂窝状结构是由挤出成形法制成的，挤出成形是指将经过混炼的、可塑性高的陶瓷坯体从模孔中挤出的方法［8］。蜂窝的形状由模具形状决定，挤出模具的设计和制造是蜂窝陶瓷生产中的关键技术。挤出成形工艺是:原料－配料－球磨－加入添加剂－混料－炼料－困料－挤出成形－切割－干燥－烧成－成品。陶瓷蜂窝体的成品率在很大程度上取决于干燥工艺，主要由于蜂窝体壁薄、多孔，内部水分不易挥发、干燥收缩慢，而外表面水分又极易挥发产生收缩。目前大多采用微波干燥工艺。

挤出工艺存在两方面的局限性:一是为能保持蜂窝体成形，在坯料中添加剂加入较多。如加水16% ～20%，有机结合剂7% ～10%，还有润滑剂和表面活性剂等。二是蜂窝孔的壁厚受到限制，以蜂窝孔3mm×3mm为例，其孔壁的厚度小于1mm。基于国内加热炉大多控制水平低和燃烧状况恶劣，在制造上可从两个方面改进:一是挤出同样尺寸的方孔，在孔壁厚度上增加50%，提高蜂窝体的结构强度;二是在配料上减少各种添加剂，并采用陶瓷体增韧和抗热震工艺技术。另外可考虑把模压和挤出两种成形法合为模挤压方法，这消除了蜂窝式蓄热体在成型时坯料频繁现象，使已经困好的坯料在模具内靠胀压法自然成形。