碳化硅陶瓷換熱器的研究背景及現(xiàn)狀

1、碳化硅陶瓷換熱器的研究背景及現(xiàn)狀近十年來，由于能源緊張，隨著節(jié)能工作進一步開展。各種新型，節(jié)能先進爐 型日趨完善，且采用新型耐火纖維等優(yōu)質(zhì)保溫材料后使得爐窯散熱損失明顯下降。 采用先進的燃燒裝置強化了燃燒，降低了不完全燃燒量，空燃比也趨于合理。然 而，降低排煙熱損失和回收煙氣余熱的技術(shù)仍進展不快。工業(yè)上的大量高溫爐灶排 出煙氣可達1300C，熱能損失嚴重。為了進一步提高加熱爐的熱效率，達到節(jié)能降 耗的目的，回收煙氣余熱也是一項重要的節(jié)能途徑。煙氣余熱回收途徑通常采用二種方法：一種是預(yù)熱工件；二種是預(yù)熱空氣進行 助燃。煙氣預(yù)熱工件需占用較大的體積進行熱交換，往往受到作業(yè)場地的限制（間 歇使用的爐

2、窯還無法采用此種方法）。預(yù)熱空氣助燃是一種較好的方法，一般配置 在加熱爐上，也可強化燃燒 , 加快爐子的升溫速度，提高爐子熱工性能。這樣既滿 足工藝的要求，最后也可獲得顯著的綜合節(jié)能效果。國內(nèi)從五十年代開始在工業(yè)爐窯上采用預(yù)熱空氣的預(yù)熱器，其中主要形式為管 式、圓筒輻射式和鑄鐵塊狀等形式換熱器，但交換效率較低。八十年代，國內(nèi)先后 研制了噴流式，噴流輻射式，復(fù)臺式等換熱器，主要解決中低溫的余熱回收。在 100C以下煙氣余熱回收中取得了顯著的效果，提高了換熱效率。但在高溫下仍因 換熱器的材質(zhì)所限，使用壽命低，維修工作量大或固造價昂貴而影響推廣使用?，F(xiàn)在使用的換熱器大多是金屬換熱器，只能在低溫下使用

3、，燃氣溫度高時不能 直接使用，要滲入大量的冷空氣，還要高溫保護，如鼓冷風機及控制系統(tǒng)。當滲入 冷空氣換熱器回收的溫度將低。陶瓷換熱器在金屬換熱器的使用局限下得到了很好的發(fā)展，因為它較好地解決 了耐腐蝕，耐高溫等課題，成為了回收高溫余熱的最佳換熱器。經(jīng)過多年生產(chǎn)實 踐，表明陶瓷換熱器效果很好。它的主要優(yōu)點是：高溫強度高，抗氧化、抗熱震性 能好。壽命長，維修量小，性能可靠穩(wěn)定，操作簡便。是目前回收高溫煙氣余熱的 最佳裝置。首次研發(fā)并投入使用的以陶瓷替代金屬的換熱器新技術(shù)已經(jīng)列入了國家火炬計 劃。這一新技術(shù)將工業(yè)窯爐原來用的冷空氣變成了熱空氣，不僅提高了工作效率還 節(jié)約了大量能源。由于陶瓷換熱器是提

4、高能源利用率的主要設(shè)備之一，工業(yè)用途廣 泛，因而其推廣應(yīng)用前景十分可觀。陶瓷換熱器有以下幾個優(yōu)點：(1)陶瓷換熱器的使用方法直接、簡單、快捷、高效、環(huán)保、節(jié)能。不需摻冷 風及高溫保護，維修成本低，無需對陶瓷換熱器進行任何操作。適用于各種環(huán)境的 燃氣工業(yè)窯爐的余熱回收利用，尤其解決了各種高溫工業(yè)窯爐余熱溫度過高無法利 用的難題；(2)國家要求陶瓷換熱器溫度1000C，由于它耐高溫，所以就可以放在高溫區(qū)域，溫度越高，換熱效果越好，節(jié)能越多；( 3)高溫情況下替代金屬換熱器；4)解決化工行業(yè)熱交換、耐腐蝕的難題；（5）陶瓷換熱器適應(yīng)性強、耐高溫、抗腐蝕、高溫強度高、抗氧化性能好、熱 震性能穩(wěn)定、使用

5、壽命長。陶瓷換熱器廣泛用于鋼鐵、機械、建材、石化、有色金屬冶煉等行業(yè)的各種加 熱爐、熱風爐、熱處理爐、裂解爐、烘烤器、熔化爐、均熱爐、油氣鍋爐等爐窯 中，該技術(shù)是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，再將助燃空氣和煤氣加熱到 1000 °c以上，即使低熱值的劣質(zhì)燃料 （如高爐煤氣） 也能實現(xiàn)穩(wěn)定著火和高效燃燒，可節(jié)省燃料4070%產(chǎn)量提高15%以上，鋼坯氧化燒損下降40%以上, NQ排放小于100 ppm煙氣排放溫度低于160C，大大降低了 地球的溫室效應(yīng)。常見的堇青石、莫來石、高鋁、焦寶石等材料生產(chǎn)的換熱器導熱性能差，換熱 性能差。而碳化硅陶瓷換熱器在金

6、屬換熱器的使用局限下得到了很好的發(fā)展，主要 是它除了具有陶瓷換熱器共有的優(yōu)點如耐高溫、耐腐蝕、高溫強度高，抗氧化、抗 熱震性好，壽命長，性能穩(wěn)定可靠等，同時由于其導熱性好，而且高溫力學性能 （ 強度、抗蠕變性等 ） 是已知陶瓷材料中最佳的，成為回收高溫余熱的最佳換熱器。上世紀八十年代，國外曾用碳化硅化熱元件制作陶瓷換熱器。我國成都科技大 學化機教研室八十年代研制碳化硅管高溫換熱器，并于1 986年用于碳酸鉀工業(yè)生產(chǎn)。該換熱器主要換熱元件由碳化硅陶瓷材料組成，高溫煙氣在管外，被加熱氣體 在管內(nèi)，兩者呈錯流。碳化硅管可承受1540 C高溫，所以高溫煙氣可直接進入換熱器中進行交換。高溫煙氣有較大的輻

7、射熱，而碳化硅管可以充分利用高溫氣體輻射 傳熱和火焰輻射傳熱。該技術(shù)在碳酸鉀生產(chǎn)中應(yīng)用，節(jié)能和增產(chǎn)都獲得明顯的效 果。使用碳化硅管換熱器后，空氣預(yù)熱溫度從350C提高到500C，加快了干燥溫 度，日產(chǎn)量由使用前的 7噸提高到9噸；排煙溫度則由使用前的 270C降低到了 120C，提高了燃料利用率。目前該工藝多用于煉鋁、鍛造、化工等行業(yè)，回收高 溫煙氣預(yù)熱。21 世紀初鞏義市榮華節(jié)能陶瓷換熱器有限公司終于研制出了碳化硅質(zhì)陶瓷換熱 器。其生產(chǎn)工藝與窯具的生產(chǎn)工藝基本相同，導熱性與抗氧化性能是材料的主要應(yīng) 用性能，利用擠壓成型制成碳化硅陶瓷導熱管，再組裝成換熱器。它的原理是把陶 瓷換熱器放置在煙道出口較近，溫度較高的地方，不需要摻冷風及高溫保護，當窯 爐溫度1250-1450 C時，煙道出口的溫度應(yīng)是 1000-1300 C,陶瓷換熱器回收余熱 可達到450-750 °C，將回收到的的熱空氣送進窯爐與燃氣形成混合氣進行燃燒，這 樣直接降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟效益。武漢鋼鐵集團公司的洪學勤等人用注漿法制造了一種用于鋼鐵制造領(lǐng)域中滲碳 爐、氟化爐等各種高溫熱處理爐體內(nèi)的碳化硅換熱器。和以前用的金屬材料換熱器 相比具有優(yōu)異的效果：重量降低一半、改善了金屬材料不耐腐蝕、不耐高溫等缺 點、使用過程中不變形、燃氣的消耗量減小、使用壽命延長等。碳化硅陶瓷換熱器可廣泛應(yīng)用于鋼鐵、機械、建材、石