蓄热式加热炉用蓄热室性能检测技术开发

蓄热燃烧技术是目前节能效果最明显的节能技术,其核心是蓄热体技术,高温烧嘴实际上只是一个气体的通道。蓄热燃烧技术的基础是蓄热体,热交换的成败完全取决于该技术。以往对于蓄热体技术的研究,主要针对材质选择和结构设计,对于蓄热体投用后的状态没有进行过研究;蓄热体又是一个损耗件,实际上装有蓄热体的蓄热室是一个随时间不断变化的设备;同时对于蓄热室由于缺乏监测手段,存在由于蓄热室堵塞造成停炉的事故隐患;而对于蓄热体的更换,更是采取非常盲目的定期更换办法。针对以上现状,利用最新的红外技术,开发了蓄热式加热炉用蓄热室性能诊断新技术,实现了对蓄热室的在线监测,对于炉子设计、烧嘴调节、蓄热室更换提供了最有力的手段。

蓄热体主要研发现状

蓄热体是蓄热式燃烧技术最关键的部件,直接影响蓄热室的大小、热效率和经济效益的高低。评价蓄热体的性能时,热效率、温度效率、阻力损失、使用寿命、清灰难易等都是重要指标。一般来说,蓄热体要求蓄热量大,换热速度快,高温下结构强度高,可承受较大热应力,频繁冷热变换时无脆裂、脱落和变形,性价比高等。常用的蓄热体形状有球状、蜂窝状、片状和管状等,材质有粘土质、高铝质、莫来石质、碳化硅质和铸铁等。

国内目前对蓄热体的研究主要在蓄热体材质、蓄热室(体)的结构、蓄热体的破损机理、蓄热室的模拟等4个方面进行。

(1)蓄热体材质的研究

上海交通大学的李茂德等对陶瓷蓄热体的材料进行了研究,研究结论认为其中BeO的热物理性能最好。但是在实际应用过程中,这种材料的抗热震性和耐热强度较差,不能单独使用,需要与Al2O3、SiO2或其他一些陶瓷原料组合使用。

镇江船艇学院的胡定军[2]等对制备蜂窝陶瓷的原料进行了分析,认为采用六边形结构,选择使用以莫来石为主原料,同时添加“三石”(蓝晶石、红柱石、硅线石),可以满足高温使用的性能要求,并实现了相对低廉的成本。

(2)蓄热体和蓄热室结构的研究

上海交通大学的李茂德等还对陶瓷蓄热体的结构进行了研究,对正排列球体、正方形蜂窝体、三角形蜂窝体、圆管形蜂窝体和正六边蜂窝体等5种蜂窝体结构进行了研究,发现正方形蜂窝体的比表面积和开孔率最大,几何结构特性最好。

北京科技大学冶金与生态工程学院的吴光亮等[3]对小球和蜂窝体的比表面积进行了比较,上海理工大学和上海711研究所热能工程部的钟水库、眭向荣等[4]做了同样的工作,并对两种典型陶瓷蓄热体的比表面积也进行了比较。他们认为:

①在相同的条件下,获得同样的换热量,蜂窝陶瓷蓄热体的体积与球状陶瓷蓄热体相比可以少2/3;另外,蜂窝陶瓷蓄热体阻力损失一般在1kPa左右,而陶瓷球蓄热体的阻力损失通常达到4kPa以上。

②切换时间会影响预热温度。他们得到了蜂窝蓄热体长度为250mm时切换时间与预热温度之间的变化关系。

山东工业陶瓷研究设计院的沈君权等对蓄热体大小与热震性的关系、直径对阻力损失的影响等进行了确定。

(3)蓄热体破损机理的研究

鞍钢技术中心的贾丽娣等[5]把蜂窝体破损的原因归纳为三个方面:

①氧化铁鳞降低了蓄热体耐火度;

②炉内燃烧区高温辐射和个别情况下不完全燃烧的废气进入蓄热体出现二次燃烧造成损坏;

③为了追求比表面积大,选用过于细小的孔眼结构,影响强度并且容易被灰尘堵塞。他们认为耐火材料本身已经可以满足工艺要求,提出的解决办法是由于①和②是客观存在,无法避免;通过设计一种新型蓄热室结构来解决③的问题,在蓄热室的前端有一段采用大圆孔厚壁结构,对内部蜂窝体可以起到屏蔽作用,同时一旦有可燃成分进入蓄热室,它又可起到抑制燃烧、吸收热量的作用,而自身不易损坏。蓄热室其余部分采用常规蜂窝体。

安徽工业大学的李朝祥等[6]对蜂窝体破损的原因也进行了研究,认为一是蓄热体材料由于体积密度与抗热震稳定性平衡不好而损坏,黏土质、高铝质材料抗热震稳定性较好,因此成为首选蓄热材料;二是蓄热陶瓷材料损坏的原因与烟气中的氧化铁鳞有关,加热炉炉气烟尘中的氧化铁鳞,在加热炉的温度条件下,形成低共熔物,降低材料的软熔温度,而造成材料的软化或熔化使蓄热器内气流不畅,严重时气流不通,热交换器无法正常工作,以致球形蓄热体材料相互粘结成块,蜂窝状陶瓷的气孔全部被软熔物质堵塞,不得不停炉检修,更换材料。

(4)蓄热室模拟的研究

武汉科技大学的刘光临等[7]对该校研制的90t蓄热式钢包烘烤系统的蓄热体建立了动态模型,研究结果表明:

①蓄热室各处温度随换向时间增加而上升;换向时间过长或过短,都会导致蓄热室温度效率下降;系统平均排烟温度随着换向时间的增加而上升,对于该系统认为最佳换向时间为20s左右。

②增加蓄热体长度,可降低蓄热体各处温度变化幅值,延长蓄热体寿命,提高蓄热室效率和系统热效率。但蓄热体长度的增加也会导致流动阻力增大,提高了对送风机、引风机的要求。对于蓄热室长度的上限没有说明。

由上可见,目前对于蓄热体技术的研究,主要集中在材质、结构设计和温度分布的模拟研究等几个方面。在应用方面的工作主要是设法找出破损的原因,但在优化设计到经使用破损的过程中少了一个中间环节,就是蓄热室在投用后是如何逐步损耗的,而这个过程无论对于蓄热室的设计者、耐材的供应商还是炉子的使用者而言都是非常重要的,本文的研究主要着力于解决这个问题。

蓄热体性能在线诊断技术

蓄热室在投用后是一个逐渐劣化的过程,无论是蓄热体的数量还是蓄热能力都在逐步减少对于这个变化最直观的反应参数就是蓄热体的温度。对于蓄热室设计和耐材供应商,这个温度可以反映蓄热室设计是否合理,材质选择是否得当对于炉子的使用者,这个温度的变化可以反应出蓄热体是否堵塞、是否需要更换等信息。但是,在实际的应用过程中很难在线得到这个温度。通过数值模拟计算可以得到某些特定工况下的蓄热体温度分布,可是这些数据只能用于指导设计,对于实际操作没有意义。另外,这些数据本身也因为缺乏实验数据检验,使其可靠性下降。

现在随着20世纪90年代后期非制冷红外焦平面技术进入实用化,本文开发出一种蓄热室性能在线检测技术,为解决以上问题提供了有效的手段。