陶瓷蜂窝体结构及排列与换向时间探讨

张克铭　赵延峰　付国利　徐大勇　徐春柏　　　　
（鞍钢集团公司设计研究院，热轧带钢厂，技术中心 ，科技部）
罗文泉　　　　　　　　谢安国　　张小成
（中钢集团鞍山热能研究院） （鞍山科技大学材料与冶金学院）

摘要：介绍了不同比表面积和不同孔格间壁厚蜂窝式蓄热体的性能，根据传热和蓄热原理，对蓄热式烧嘴蜂窝体安装提出了采用不同规格的排列方式。

关键词：多规格蜂窝体，排列，换向时间，寿命

Study on the Structure and Arrangement of Ceramic Honeycomb and the Switch Time
Anshan Huiming Scientific Technology and Engineering CO.LTD Zhang Keming etc (Anshan 114010)
Abstract: This paper introduces the performance of honeycomb regenerator with different specific surface area and different hole's thickness. On the basis of theory of heat transfer and regeneration, it brings forward that honeycomb of different standards should be fixed in the regenerative burner.
Key words: honeycomb of different standards arrangement switch time ife time

１． 概述

　　目前，工业炉窑蓄热式燃烧装置采用的陶瓷蜂窝蓄热体外形尺寸基本上是 (单位mm)：150×100×100和100×100×100；蜂窝孔径为：3×3；孔壁厚：0.6～1。由于国内陶瓷蜂窝体在制造工艺和所用模具上基本相同，蜂窝方孔直径确定为3×3时，孔壁间厚度只能在0.6～1范围。所有的工业性试验和现场应用数据都建立在该规格的蜂窝体上。对蓄热式燃烧综合技术评价时，也只能与陶瓷小球蓄热体进行对比。
　　不同种类的蓄热体比表面积的差异很大，而且应用的部位不同或要求的工艺不同，仅以一项指标评说哪一种蓄热体的优劣，而不是综合性分析，这是不全面的。因为采用蓄热式换热技术，这与常规换热器设计不同。
　　换热器与蓄热体（外形安装尺寸和被预热介质流速是定值的条件下）预热过程的区别：
　　作为间壁式换热器，热流体和冷流体间有一低热阻的固体壁面，采用金属壁面又受到使用温度限制。两种流体被固体壁面隔开，彼此不直接接触，热量的传递必须经过壁面。固体壁面温度基本上是一定的，被预热介质的预热时间也是一定的，要提高被预热介质的温度，唯一的方式是：增加换热面积和提高被预热介质紊流来提高综合传热系数，例如安装插入件，外壁焊接翅片和采用螺旋管或麻花管等等。
　　蜂窝式蓄热载体温度比换热器间壁温度高，并且是可变可控的。被预热介质的高温度主要是靠高温的蓄热载体来实现的。被预热介质的预热时间可根据烟气排出的温度来确定，所以说预热时间是可调整的，高温度的蓄热载体也是靠炉膛内高温烟气和蓄热时间来实现的。这与换热器比较，蓄热载体的温度也是可调的。
　　所以说蜂窝式蓄热体质量不变，比表面积大，对单位时间内的蓄热、放热是有利的。蓄热式换热过程中，蓄热体的质量才与蓄、放热量有关系，再加上换向时间，综合这些参数才能完成蓄热换热技术的最佳选择。根据最佳综合参数来降低比表面积，相应增加蓄热体的质量和蓄热时间来达到蓄热体的高蓄热温度，增加蓄热时间也就是延长换向周期，从而带来的是：蜂窝体和换向装置的使用寿命提高、换向周期出现的单位时间内残留煤气相应降低、被预热介质的平均温度得到提高。
　　本文就蜂窝孔为：3×3mm孔壁厚：0.6～1mm与1.5mm和蜂窝孔为：4×4mm孔壁厚：2mm不同规格陶瓷蜂窝蓄热体进行综合性分析和探讨。

２． 陶瓷蜂窝体结构和热过程的特性

　　2.1 陶瓷蜂窝体结构特性
　　不同蓄热体结构特性有关参数见表1，从表1可以看出，蜂窝体孔格壁厚增加，相应的比表面积减少蓄热量增加，也就是说传热系数降低，蓄热时间和抗热震稳定性提高。
　　蜂窝体孔格规格一旦确定，力求单位体积换热面积最大，其孔格间壁厚必然要减薄。根据近年来研究蜂窝体结构强度文献记载，蜂窝体法线方向受力是轴线方向的200～10000倍，而蜂窝体的结构恰恰是垂直于孔格方向壁厚薄弱，强度极低。在生产使用中，频繁出现的拉拽应力已经大于法线方向孔壁的许用应力。近几年来的实践证明，在生产使用中紧靠炉膛高温处的前几排蜂窝体使用寿命短，蜂窝体更换频繁。在材质方面几经改变，但收效甚微，这说明处在高温端的蜂窝体不是耐火度的问题，而是孔格间壁太薄，强度低和抗热震稳定性差的原因。

注：外形尺寸全部为50×50×50mm

　　3×3mm孔壁厚： 1.5mm和蜂窝孔为：4×4mm孔壁厚：2mm；的蜂窝体，其比表面积在蓄热式小球和薄壁蜂窝体之间，如果蓄热室全部采用厚壁蜂窝体，其换向时间也介于这两种蓄热体的之间。在前两排采用厚壁蜂窝体，其换向时间接近薄壁蜂窝体的换向时间。
　　2.2 薄壁蜂窝体的热过程特性
　　通过测试《国家高技术发展规划专项经费资助（2001AA514013）高温空气发生器试验台，对蜂窝陶瓷蓄热体性能进行试验及测试》(1)，排烟温度为800-1150℃的测试结果。从图1到图6可以看出蜂窝体的最佳换向时间与其它参数的关系。

　　换向时间在60－90秒时间内，综合指标为最佳。换向周期60－90秒时，被预热介质温度高于1000℃，排烟温度小于160℃，见图3和图4；被预热介质温度和炉温波动为最小，见图6。如果前两排放置蜂窝孔为：4×4mm；孔壁厚：2mm的蜂窝体，最佳换向时间会偏移到90－120秒范围，这样就会使蓄热式燃烧技术的综合性指标大幅度提高。

３． 不同结构蜂窝体排列与综合性指标分析

　　3,1 蜂窝式蓄热体的排列
　　目前高温空气烧嘴蜂窝式蓄热体的布置是贯通的，高温烟气入口与低温出口蜂窝体的孔格和壁厚是一样的。从传热的观点来看，在蓄热期间，高温入口放置一到俩排4×4mm孔格和2mm壁厚的蜂窝体有利于辐射加热。如图7所示，燃烧室烟气入口处温度高，辐射强度大，蓄热体吸收热量大时间短，后部放置的薄壁小孔格蓄热体有利于传热作用。在整个蓄热过程中适应了蓄热室内温度呈梯度分布，前排与后排蜂窝体蓄热时间差趋于同步，
　　蓄热时高温入口处的蜂窝体蓄热量较大，而在预热冷却过程蜂窝体减弱了热对流换热，使预热介质在整个供热过程中温度变化小，平均温度提高。

　　大孔格和厚壁的蜂窝体高温强度大，蓄热量大，对后排壁薄蜂窝体起到了一个屏障作用，提高了蜂窝体平均使用寿命(2)。
　　3.2 蜂窝体的换向时间
　　在蓄热室尺寸确定后（单体蓄热式烧嘴蓄热室大约放置50-80块150×100×100mm蜂窝体，换向时间由排烟温度（排烟温度在180-200℃）来确定。在相同的蓄热空间内，蓄热体的蓄热量大换向时间就长，蓄热体的蓄热量低换向时间就短；同样，蓄热体的比表面积大换向时间就短，比表面积小换向时间就长。
　　最佳换向时间需要根据系统的实际情况进行成本－效益综合分析确定。换向时间增加后，蓄热体的蓄热量会增加，蓄热体的温度相应增高，进而强化了放热阶段被预热介质与蓄热体的对流交换。另一方面，换向时间的增加，将使通过蓄热体的被预热介质总质量不断提高，如果蓄热体的蓄热量能满足被预热介质单位质量所带走的热量，选取相应厚壁蜂窝体和换向时间是十分必要的。
　　蓄热式烧嘴集中换向时煤气残留量约５％，分散（单体换向）煤气残留量约１％，所以换向周期越短煤气浪费就越大，换向一个周期30秒钟，其煤气浪费量就是换向周期120秒钟的四倍。以集中换向时煤气残留量约５％，换向时间60秒钟和120秒钟为例，一天20小时就多换向600次，在20小时内，浪费掉煤气接近于每次供入量的30倍。

　　4. 结束语　

　 近几年国内采用蓄热式燃烧技术的工业炉窑，可以说被这种先进的燃烧方式和显著的节能效果所惊呆，它所产生的综合效益使其忽视了还有很大降低成本的空间。
　　为了提高蓄热室前几排蜂窝体的使用寿命，有些设计单位和使用厂家在蓄热室入口处放置了大孔格厚壁的格子砖。其比表面积比蓄热式小球还低，一是造成蓄热室空间加大或减少蜂窝体有效体积；二是格子砖的传热系数与换向时间同蜂窝式蓄热体极不匹配。这是由于近几年，国内生产制造蜂窝式蓄热体的规格单一，品种单一所造成的应用研究范围小和试验数据少。
　　目前外形尺寸100×100×100mm；蜂窝孔为：3×3mm孔壁厚：1.5mm和蜂窝孔为：4×4mm孔壁厚：2mm陶瓷蜂窝体, 鞍山市汇铭科技工程有限责任公司已经生产出来，其销售价格是目前蜂窝体的70-80%,大大降低了一次性的投资和生产使用成本。

参考文献：
　 1 曹小玲等　　高温空气发生器中蜂窝陶瓷蓄热体性能研究　　　华东电力　 2004, 12 (12)
　 2 张克铭等　　高性能蜂窝式蓄热体的研制　　　　　　　　　　冶金能源　 2005, 4 (26)
　 3 崔海亭等　　蓄热技术及应用　　　　　　　　　　 　 　 　 化学工业出版社　2004( 237)

作者简介：张克铭　辽宁鞍山　1953年生  教授级高级工程师  热能工程专业，从事工业炉设计和耐火材料应用研究工作，1993年享受国务院专家特殊津贴 。

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