蜂窝陶瓷蓄热体的研究现状

蜂窝陶瓷蓄热体的研究现状3

周　娴1,2　姜　凡1　吕　元1,2　徐　祥1　肖云汉1

(1中国科学院先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所)　北京　100190)

(2中国科学院研究生院　北京　100190)

摘　要　综述了高温空气燃烧系统的关键部件之一———蜂窝陶瓷蓄热体的主要发展历程,制备要求以及国内外对蜂窝陶瓷蓄热体热工性能的实验研究和数值模拟现状。可以看出,深入研究蜂窝陶瓷蓄热体的特性对我国发展和应用蓄热式高温空气燃烧技术具有重要意义。

关键词　蜂窝陶瓷蓄热体　高温空气燃烧技术　实验　数值模拟

Resrarch St a tus on Honeyco m b Ceram i c Regenera tor

Zhou Xian1,2,J iang Fan1,Lv Yuan1,2,Xu Xiang1,Xiao Yunhan1(1Key Laborat ory of Advanced Energy Power of Chinese Academy of Sciences,Beijing,100190)(2Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing,100190)

Abstract:Honey ceram ic regenerat or is one of the key points of the H igh Te mperature A ir Combusti on(HT AC)system.This arti2 cle su mmerize the main course of devel opment,the requir ment of manufacture of honeycomb cera m ic regenerat or,as well as the ther mal perfor mance of the experi m ental research and nu merical si m ulati on in and abr oad.It is very i m portant f or us t o have a deep research on honeycomb cera m ic regenerat or,because it is significant t o the devel opment and utilizati on of HT AC.

Key W ords:Honeycomb ceram ic regenerat or;HT AC;Experi m ent;Si m ulati on

1　陶瓷蓄热体的发展历程

蓄热体的工作原理是高温流体和低温流体交替流过蓄热体。当高温流体流过蓄热体时,蓄热体被加热至高温,流体被冷却,此时流体的显热被储存在蓄热体中。紧接着,低温流体流过被加热的蓄热体,被预热至高温,而蓄热体则被冷却下来。如此往复循环,高温流体的物理显热被传递给被预热介质,实现低温流体的高温预热。

近几十年来,随着能源和环境问题日益引起国内外广泛关注,高效利用能量、有效节约能源正逐步引起各国高度重视。在我国,工业窑炉耗能约占全国总能耗的25%,是我国耗能大户,为了提高工业窑炉的能源利用率,降低能耗,引入了蓄热体建造蓄热室将高温烟气的余热回收利用于预热助燃空气,提高了工业炉的热利用效率。

早在19世纪中期,蓄热室燃烧技术就开始应用于高炉、热风炉、焦炉等大规模、高温度的工业炉,用于高温烟气余热回收。此时传统的蓄热室采用格子砖为蓄热体,传热效率低,蓄热室体积庞大,换向周期长,限制了其在其他工业炉上的应用。

1970～1980年,英国煤气公司和后来的HOT2 WORK公司研制了使用陶瓷小球作为蓄热体的新型蓄热式加热炉,其特点是比表面积大、体积小、阻力大。陶瓷小球蓄热体的使用实现了更高的预热温度,通常可达1000℃,进入蓄热体的烟气温度可高达1300～1 400℃。

20世纪90年代以来,国际上把节能和环保结合起来,研制并推广了“高温空气燃烧技术(H igh Te m2

3资助项目:国家863高技术研究发展计划项目(项目编号:2006AA05A103);中国科学院知识创新工程重要方向项目(项目编号:KGGX2-Y W -323)

perature A ir Combusti on,简称HT AC)”。由于具有高效节能和超低NO

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排放的双重优越性,这种技术在国际燃烧领域中被称为燃烧技术的革命[1～3]。其中使用的蓄热体是在陶瓷小球蓄热体的基础上改造而成的蜂窝陶瓷蓄热体。和陶瓷小球蓄热体相比,蜂窝陶瓷蓄热体有比表面积大,蓄热、放热速度快,有效通流面积大,阻力损失小等优点,在国内越来越受到重视。

2　蜂窝陶瓷蓄热体的原料和制备

蓄热体的工作条件决定了它对材质有较高的要求,蓄热体的材质必须满足以下几个条件:

1)耐高温,能够在不同的使用工况下稳定工作;

2)具有良好的抗热震性能,能经受因内外温差变化而引起的应力作用;

3)良好的导热性和蓄热、放热速率,材料的导热性能越好,其体积利用率越高,设备体积也越小;

4)具有较大的密度和比热容,蓄热体的比热容与密度的乘积(无相变)越大,则其蓄热能力越大,即在额定蓄热量条件下所需设备体积越小;

5)耐化学侵蚀,具有较好的抗渣性、抗氧化性;

6)具有足够的机械强度,在高温下堆积不变形坍塌;

7)寿命长、价格适中、成本低[4]。

蓄热体用何种材质,应由烟气温度高低,腐蚀性大小,固体粉尘性质和含量以及工业窑炉的工况条件所决定。根据目前工业窑炉的具体情况,作为蓄热体的材料可有陶瓷和金属两大类,但随着工业水平的提高工业窑炉的烟气温度也随之升高。由于陶瓷材料具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、强度高等优点,所以目前大多选用陶瓷材料作蓄热体。根据不同使用温度,可选用粘土质、刚玉质、莫来石质、锆英石质、钍酸铝质和堇青石质等材料[4]。

实践表明:堇青石质陶瓷蓄热体由于高温(1250℃)烟气的腐蚀性特强,在高温下堇青石蓄热体会熔融挥发。尤其在钠等碱金属蒸汽和S O等酸性气体作用下熔蚀现象严重。钍酸铝因其价格昂贵,目前推广应用有困难。刚玉因其抗热震性差,价格较贵也不被看好。从热容、抗热震性、耐化学腐蚀、辐射率和导热率等方面考虑,认为普通莫来石质陶瓷作蓄热体是合适的。一般寿命在3个月以上,有的甚至可使用6～12个月,且价格也能被接受。

3　蓄热燃烧技术的实验研究进展

实验是研究蓄热体热工性质的重要手段,对于蜂窝陶瓷蓄热燃烧技术,国内外的学者进行了一系列实验研究,涉及火焰特性及其影响因素、燃烧区域和有害产物生成机理、蓄热体内温度分布规律及其它热工特性、蓄热体尺寸计算方法等方面。

实验研究系统一般由燃烧室、燃烧器、换热器、四通阀、鼓风机等部件组成,见图1。其中,蓄热体是核心部分

。

图1　高温空气燃烧技术原理图

系统工作时,燃料在A侧燃烧室内燃烧,产生1 300℃左右的高温烟气,高温烟气通过换热器时与蜂窝陶瓷蓄热体进行热交换,蓄热体被加热,烟气则被冷却到120℃左右经四通阀排入大气中。与此同时,常温空气经四通阀后进入B侧的换热器,吸收换热器中高温蓄热体中的热量,迅速升温到1000℃以上,加热后的高温空气分为两部分,其中一部分用于A侧燃烧室清洁燃气的燃烧。经过一段时间后进行切换,B侧燃烧,A侧产生高温空气[5]。

萧泽强等[6]通过该系统研究了蓄热燃烧技术中的火焰特性、稳定燃烧对助燃剂的要求以及对影响NO x生成的相关因素。实验的主要结果是:①助燃剂预热温度越高,能维持稳定燃烧的最低氧浓度也越小,只有在提高助燃剂预热温度的同时降低氧浓度,才能