我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時也消耗了大量能源 , 給環(huán)境帶來了很大的影響 , 其中工業(yè)能源消耗量占全國能源消耗總量的 70% , 工業(yè)窯爐約占全國總能耗的 25%。能源利用率低是目前工業(yè)爐加熱過程的普遍現(xiàn)象。據(jù)了解中國的工業(yè)爐和發(fā)達(dá)國家相比 , 窯爐平均熱效率低 20%左右, 可見工業(yè)窯爐節(jié)能潛力十分巨大。采用先進(jìn)的高溫貧氧燃燒技術(shù)可以大大提高能源利用效率 , 同時也可以減少污染物的排放 , 這一點已經(jīng)是不少熱工工作者的共識。選擇高效的蓄熱材料是高溫貧氧燃燒技術(shù)的關(guān)鍵之一。高溫貧氧燃燒技術(shù)把節(jié)能和環(huán)保完美結(jié)合 ,是國家 2002年重點推廣的節(jié)能環(huán)保項目。這項技術(shù)在我國工業(yè)爐行業(yè)得到推廣。在高溫窯爐中的熱損失很大部分是排煙的熱量損失 , 當(dāng)排煙溫度為 900～1300℃時 , 通過煙氣排放的熱量占爐子總能耗的 50% ～70%。如果不能回收 , 這部分熱量將白白損失 , 而且還會造成對環(huán)境的熱污染。采用間壁式換熱器回收煙氣余熱 , 如鍋爐空氣預(yù)熱器、省煤器等 , 雖然提高了熱效率 , 但受到材料本身耐熱的限制不可能實現(xiàn)極限回收。蓄熱式換熱突破了這一極限 , 高效的蓄熱體成為實現(xiàn)這一能量轉(zhuǎn)移過程的最佳載體 , 是這一先進(jìn)燃燒技術(shù)中的關(guān)鍵部件。蓄熱體的發(fā)展有一個由普通到高效的過程 , 由格子磚到陶瓷小球 , 接著又出現(xiàn)了效率更高的蜂窩陶瓷。根據(jù)近年來使用的實際情況來看 , 蜂窩陶瓷蓄熱體還存在一些問題尚待解決。高溫空氣燃燒技術(shù)的普及還要有更可靠、更有效的蓄熱體來配合。  

1、蓄熱燃燒技術(shù)

從 19世紀(jì)中期開始 , 規(guī)模大且溫度高的爐子如高爐、熱風(fēng)爐、焦?fàn)t等就開始采用蓄熱燃燒技術(shù)回收高溫?zé)煔庥酂?。使用蓄熱室回收煙氣余熱后爐子的熱效率明顯提高。但剛開始的蓄熱室內(nèi)采用格子磚為蓄熱體 , 傳熱效率低 , 蓄熱室體積龐大 , 換向時間長 , 使用很不靈活 , 限制了蓄熱燃燒技術(shù)在其它工業(yè)爐上的推廣與普及。上世紀(jì) 90年代以來 , 隨著能源的緊張 , 環(huán)境污染的嚴(yán)重 , 節(jié)能與環(huán)保越來越引起人們的重視?？刂葡到y(tǒng)與蓄熱材料的更新使蓄熱式燃燒技術(shù)得到了重大發(fā)展。英國 HotWork Development公司與 British Gas研究院于 1982年合作開發(fā)了一座使用陶瓷小球作為蓄熱體的新型蓄熱式加熱爐 , 其節(jié)能效果顯著。它可以將助燃空氣加熱到燃?xì)獾娜键c以上 , 使平均燃燒溫度和熱利用效率提高采用陶瓷小球或蜂窩陶瓷體代替格子磚用于工業(yè)爐的余熱回收是蓄熱方式的一個飛躍 , 不僅提高了蓄熱效率 , 也使高溫空氣燃燒技術(shù)的推廣成為可能。蓄熱燃燒系統(tǒng)有單焰式和雙焰式兩種。目前國內(nèi)常用雙焰式 , 也就是蓄熱式燃燒器成對布置。首先 , 來自鼓風(fēng)機(jī)的常溫空氣通過換向閥進(jìn)入高溫蓄熱體 (陶瓷小球或蜂窩體 ) , 在這個蓄熱室內(nèi)蓄熱體將熱能釋放給助燃空氣 , 經(jīng)蓄熱體加熱后助燃空氣被加熱到接近爐膛溫度 , 尤其是采用蜂窩陶瓷作蓄熱體時助燃空氣的溫度一般與爐膛溫差為 100℃以內(nèi)。被加熱的高溫?zé)峥諝膺M(jìn)入爐膛時速度較高 , 卷吸爐內(nèi)的煙氣形成一股含氧量低于 21%的貧氧助燃空氣流 , 燃料與高溫貧氧氣流混合燃燒 , 由于空氣溫度在燃?xì)獾淖匀键c以上 , 可以實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒 , 同時也可以降低爐內(nèi)的峰值溫度 , 有利于抑制 NOx的生成。與此同時 , 爐膛內(nèi)的熱煙氣經(jīng)過另一個蓄熱式燃燒器進(jìn)入對應(yīng)的蓄熱體放熱后排入大氣 , 排放時的溫度不高于 200℃。換向閥根據(jù)時間或溫度進(jìn)行切換 , 使兩個蓄熱式燃燒器的蓄熱體處于蓄熱與放熱狀態(tài)交替工作 , 從而有效地回收煙氣中的顯熱 , 并把這部分熱再轉(zhuǎn)回到燃燒系統(tǒng)中。

2、常規(guī)蓄熱體的發(fā)展

目前蓄熱系統(tǒng)中所用的陶瓷蓄熱體主要有陶瓷小球和蜂窩陶瓷。蓄熱體采用高鋁、剛玉莫來石、鉻剛玉莫來石、鋯剛玉莫來石等多種材質(zhì) ,它們的參數(shù)不同 , 物理化學(xué)性質(zhì)存在差異 , 分別用在不同的場合。在余熱回收利用技術(shù)上 , 蓄熱體的吸熱與放熱特性決定其節(jié)能效果及能源利用效率。目前常用的蓄熱球直徑一般在 Φ11～22之間 , 有高鋁、剛玉莫來石、鉻剛玉莫來石、鋯剛玉莫來石等多種材質(zhì) , 特別是鉻剛玉莫來石蓄熱球 , 以其優(yōu)良的抗渣性、熱傳導(dǎo)快、容重大、蓄熱量大等優(yōu)點 , 克服了普通蓄熱球易結(jié)渣、粉化等缺陷 , 節(jié)能效果和使用壽命大大提高 , 所以優(yōu)質(zhì)陶瓷蓄熱體的制備成為蓄熱技術(shù)的關(guān)鍵對于陶瓷球的研究主要集中在熱飽和時間上 , 分別采用了實驗與數(shù)值模擬的方法 , 以便確定合理的陶瓷球用量也有些學(xué)者根據(jù)蓄熱式加熱爐的生產(chǎn)實際 , 通過比較蓄熱材料中各種礦物組成的性質(zhì)差異 , 選擇了紅柱石、矽線石為骨料 , 配加 α -Al2O3、鎂砂 , 經(jīng)過合適的成型和燒結(jié)工藝 , 制成的蓄熱陶瓷球抗渣性能較好蜂窩陶瓷目前國內(nèi)廣泛使用的蜂窩蓄熱體通孔尺寸為(1～3) ×(1～3) ,壁厚為 014～110mm[已開發(fā)出來的系統(tǒng)主要有堇青石、鈦酸鋁、鋰輝石、磷酸鋯鈉、氧化鋁、鋯英石、碳化硅、莫來石等各種蜂窩陶瓷。由于蜂窩陶瓷蓄熱體比表面積較陶瓷蓄熱球顯著提高 , 因此熱飽和時間很短。陶瓷 -金屬蜂窩蓄熱體金屬蜂窩是金屬骨架和蜂窩孔相間的一種新型功能復(fù)合材料 , 因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)含有許多蜂窩狀直通孔而得名。在最近幾年 , 金屬蜂窩得到多方面的研究、開發(fā)與應(yīng)用。應(yīng)用已涉及到航空航天、交通運輸、軍工、電子、環(huán)保、能源、機(jī)械、化工、建筑等領(lǐng)域蜂窩陶瓷蓄熱體與陶瓷小球相比增加了比表面積 , 雖然加快了換熱速度 , 但是在使用過程中常出現(xiàn)蜂窩孔堵塞、蜂窩蓄熱體粘渣、孔壁熔蝕、通破裂、蜂窩蓄熱體崩塌、蓄熱體錯位等現(xiàn)象。為了有效克服這些不足 , 建議采用不銹鋼蜂窩陶瓷 。不銹鋼板 100μm 厚、陶瓷涂層 70μm厚。高溫?zé)煔馀c助燃空氣交替通過這些蜂窩孔 , 其工作原理與蜂窩陶瓷蓄熱體一樣 , 但兩者相比可以發(fā)現(xiàn) , 不銹蜂窩陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)更高 , 比表面積可以做到更大 , 特別是它克服了蜂窩陶瓷在使用過程中堵塞、粘渣、熔蝕、破裂、崩塌、錯位等]問題 , 提高了整個高溫空氣燃燒系統(tǒng)的效率與壽命。陶瓷 -金屬蜂窩蓄熱體對于孔數(shù)相當(dāng)?shù)奶沾?-金屬蜂窩蓄熱體與蜂窩陶瓷 , 金屬蜂窩的壁厚要小 , 開孔率大 , 且比熱小 , 導(dǎo)熱系數(shù)大。蜂窩側(cè)壁面導(dǎo)熱和蜂窩內(nèi)表面間輻射換熱是金屬蜂窩內(nèi)熱量傳遞的主要方式, 換熱效率高。陶瓷層涂敷在屬蜂窩的表面 , 提高了它的抗氧化性只用陶瓷做蓄熱體時 , 則蓄熱體無法承受很大的熱沖擊 , 而且本身體積不能太大 , 堆積不能過高 , 需要制作成小塊 , 如常用的蜂窩陶瓷是 100 ×100 ×150或150 ×150 ×300; 如果蓄熱體只用金屬材料 , 則整個蓄熱體的重量會很大 , 而且在使用過程中極易被氧化 , 蓄熱體的壽命同樣不長。采用金屬 陶瓷的蜂窩結(jié) 構(gòu) , 不但能承 受較 高 的溫 度(1300℃) , 而且因為金屬不直接暴露在空氣中 ,不會被氧化內(nèi)部的金屬層起到加強(qiáng)傳熱與支撐作用 , 陶瓷涂層既可防止內(nèi)部金屬氧化 , 又可提高蓄熱體的耐熱溫度 , 兩種材料優(yōu)勢互補(bǔ)。另外開孔數(shù)量也比較靈活 , 在每平方英寸可以有50～600孔。實踐證明 , 如果是 50孔 , 則比表面積小 , 蓄熱量太小 , 整個蓄熱體的蓄熱效率不高; 如果多于 600孔 , 雖然比表面積增加很多 , 卻會導(dǎo)致流通阻力過大 , 而且孔太小 , 容易堵塞 , 蓄熱體也不能正常工作。陶瓷 -金屬蜂窩蓄熱體最佳耐熱溫度為 1200℃。在 1400℃以上、切換周期 60s內(nèi) , 可以使用 1000h 以上 , 在1300℃、切換周期 60s以上使用也沒問題。金屬 -蜂窩蓄熱體可用于自蓄熱燃燒器上 ,因為這種燃燒器的燃?xì)獠挥们袚Q , 只是切換空氣與煙氣通道 , 因此切換周期可以較雙焰式高溫空氣燃燒系統(tǒng)短 , 控制在 10s以內(nèi) , 這樣不但使空氣溫度更接近爐溫 , 而且蓄熱體各處的溫度波動不大 , 延長了蓄熱體的使用壽命。以每平方英寸100孔的陶瓷 -金屬蓄熱體的燃燒器為例 , 與同等蓄熱能力的蜂窩陶瓷相比 , 它的初投資是現(xiàn)有蓄熱燃燒器的 46% , 而重量僅為現(xiàn)有蓄熱燃燒器的 25%。陶瓷小球、蜂窩陶瓷與陶瓷 -金屬蓄熱體性能。

3、結(jié)語

    從格子磚、陶瓷小球、蜂窩陶瓷到陶瓷 -金屬蜂窩蓄熱體 , 蓄熱材料在不斷完善 , 能滿足不同場合的蓄熱燃燒系統(tǒng)。陶瓷 -金屬蜂窩蓄熱體在具備蜂窩陶瓷蓄熱體的優(yōu)點的同時 , 還具有使用壽命長、安全可靠等優(yōu)點 , 在國外已經(jīng)得到應(yīng)用。對于陶瓷 -金屬蜂窩蓄熱體熱飽和時間、用量等的研究還應(yīng)進(jìn)一步深入展開。如何把陶瓷 -金屬蜂窩蓄熱體與現(xiàn)有的蜂窩陶瓷蓄熱體或陶瓷球蓄熱合理結(jié)合 , 也是必須要研究的課題。