近幾十年來，隨著能源和環(huán)境問題日益引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注，高效利用能N量、有效節(jié)約能源正逐步引起各國高度重視，出現(xiàn)了多種新型燃燒技術(shù)。“高溫空氣燃燒技術(shù)”是燃料在高溫下和低氧空氣中燃燒，包括兩項基本技術(shù)手段:一是燃燒產(chǎn)物顯熱最Z大限度回收(或稱極J限回收);二是燃料在低氧氣氛下燃燒。“煤礦乏風(fēng)瓦斯氧化技術(shù)”采用熱逆流蓄熱氧化原理將煤礦乏風(fēng)中的甲烷氧化成二氧化碳和水，并回收其中的熱量。
陶瓷蓄熱體是高風(fēng)溫燃燒技術(shù)與煤礦乏風(fēng)瓦斯氧化技術(shù)兩種不同裝備的最關(guān)鍵的部件，其作用是作為蓄熱床體交替儲存和釋放熱量，并與氣體之間進行熱交換。陶瓷蓄熱體分為陶瓷球和蜂窩陶資兩種。峰窩陶資與陶瓷球相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、比表面積大、流通性能好、耐高溫、耐腐蝕不易積灰堵塞等優(yōu)點，因而被這兩技術(shù)廣泛采用。在設(shè)備工作過程中，蜂窩陶瓷蓄熱體在頻繁的換向作用下，溫度頻繁變化，承受了巨大的熱沖擊，出現(xiàn)蜂窩孔堵塞、蜂窩蓄熱體粘渣、孔壁熔蝕、通孔破裂、蜂窩蓄熱體崩塌、蓄熱體錯位等破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致使用壽命縮短，更換周期很短。所以研究蓄熱體的抗熱震行為，對于提高其使用壽命是具有重要的現(xiàn)實意義。
陶瓷蓄執(zhí)體的抗熱震性不J取決于材料的力學(xué)性能和熱學(xué)性能，而且還與構(gòu)件的幾何形狀、環(huán)境介質(zhì)、受熱方式等諸多因素有關(guān)，是上述因素的綜合反映。本文系統(tǒng)地綜述了關(guān)于陶瓷蓄熱體抗熱震性的影響因素及熱震損S傷機理等的研究進展情況，并提出今后的研究及發(fā)展方向。
1抗熱震性的影響因素
11宏觀幾何參數(shù)對蓄熱體抗熱震性的影響
(1)形狀:目前常見的蜂窩體孔的形狀有圓孔、方格孔、三角孔和正六邊形孔等，李茂德等通過對以上不同幾何結(jié)構(gòu)下的陶瓷蓄熱體的傳熱過程進行理論分析，得出正方形蜂窩體具有最Z佳比表面積和開孔率的結(jié)論 [2]，靳世平[等采用不同開孔率和比表面積的蜂窩陶瓷體進行實驗研究，得出六邊形蜂窩陶瓷體具有良好的流動性能方孔蜂窩具有較大的比表面積。但由于方孔陶瓷蓄熱體孔壁夾角為直角，易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致孔壁應(yīng)力破損，影響蓄熱體的抗熱震性，針對這種情況，歐陽德剛等提出了一種圓角正方形格孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計[4]。通過以上的比較峰窩體孔型的設(shè)計最Z好采用方孔，它的比表面積比較大而且其換熱器的體積最Z小，對設(shè)備的安裝是有利的。
(2)孔隙率:多孔介質(zhì)的孔隙率是多孔介質(zhì)空隙所占的份額，在數(shù)值上為蓄熱體孔道的孔徑與孔邊長的平方比。因此，改變孔邊長，蓄熱體的孔隙率也會做相應(yīng)改變。在熱沖擊作用下，適當(dāng)增加氣孔率，可有效地提高氧化床的抗熱震性，降低氧化床的阻力損失，但是氧化床的蓄熱R能力會明顯降低。所以在文獻[8] 中提出了在氧化床的入口和出口處，選用孔隙率小的蜂窩陶瓷，以提高其蓄熱R能力，有利于氧化床的穩(wěn)定運行，在中部高溫氧化區(qū)域，選用孔隙率高的蜂窩陶瓷，降低氧化床的流動阻力損失。
(3)壁厚:蓄熱體的整體尺寸包括長、寬、高，蓄熱體的寬和高是通過壁厚和孔的尺寸來確定的，壁厚的增加會提高抗熱震性，但孔距太大氣體和蜂窩體的換熱不理想，孔距太小會增Z大阻力損失。所以在靠近爐膛部位采用大孔厚壁結(jié)構(gòu)，以減少阻力損失，其余部位，采用小孔薄壁結(jié)構(gòu)，以提高換熱Y能力。小孔薄壁蓄熱體多采用孔格為2.8~3mm，壁厚0.8~1mml4。
(4)長度:代朝紅(6)對蓄熱室燒嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化仿真計算得到了溫度效率和熱效率隨蓄熱體高度的增加而增D大，但阻力損失也會增D大，如圖1所示。
一般來說，在同一高度上溫度的變化范圍較小，而在氣流方向溫度沿著高溫?zé)煔獾牧鲃臃较蛑饾u降低，在高溫入口端溫度變化較大，在低溫入口段溫度變化較小，所以在高溫入口端對蓄熱體材質(zhì)的要求較低溫入口端高。在文獻[7]中通過理論分析，得出在加熱期內(nèi)，熱應(yīng)力沿高度方向不斷增加，在高度為150mm時，熱應(yīng)力達(dá)到莫來石抗拉強度的極J限。而且長度越大，對于蓄熱體的安裝也是不利的。所以蓄熱體高度的設(shè)計不JJ要考慮熱效率和活度效率的影響還應(yīng)充分考慮熱應(yīng)力的影響，以保證其使用壽命。目前，蓄熱體的長度一般控制在0.4m為最J佳，由于莫來石的線膨脹系數(shù)和彈性模量較大，其產(chǎn)生的熱應(yīng)力大于革青石，所以在高溫入口端最H好采用革青石質(zhì):其抗熱震性較好。
1.2微觀幾何參數(shù)對蓄熱體抗熱震性的影響
比表面積:比表面積的選取需要考慮溫度效率和陽力損失的影響。隨著比表面積的增D大，溫度效率和熱效率都增D大，阻力損失也會增D大[8]。但李洪宇[9]通過對蓄執(zhí)室熱工特性的數(shù)值模擬得出了相反的結(jié)論。不能武斷地說某個結(jié)論是錯誤的，因為蓄熱室的蓄熱量有兩個因素決定，一個是蓄熱體的換熱面積，一個是蓄熱體的熱容量。在滿足熱容量的前提下，增加換熱面積(即蓄熱體的比表面積)蓄熱室的效率會隨之提高。但是，當(dāng)執(zhí)容量不能滿足要求時(即孔隙率很大)，無論怎樣提高換熱面積也不能得到很高的效率。從蓄熱體通孔尺寸角度考慮減小蓄熱體通孔的尺寸能夠大幅度提高蓄熱體的換熱比表面積，但會引起孔壁基本尺度等比例減小，導(dǎo)致蓄執(zhí)體綜合強度的急劇下降，降低蓄熱體在傳熱過程中的護熱震性。因此，在實際設(shè)計比表面積的過程中，要綜合考慮各個方面的影響來選取一個合適的范圍。
13材質(zhì)及其物性參數(shù)對蓄熱體抗熱震性的影響
材質(zhì):因為蜂窩陶瓷蓄熱體是在高溫環(huán)境下工作對材質(zhì)的耐火度和抗熱震性有很高的要求。蓄熱體的機質(zhì)常用的有:莫來石質(zhì)、鋁質(zhì)瓷、致密革青石質(zhì)、疏散革青石質(zhì)、炻瓷。表】是幾種蜂窩體主要化學(xué)成分組成及物理性能。從表1可看出，蓄熱體材質(zhì)的主要組分是Si0和 A10，它們的密度分別是2600kg/m和3800kg/m。密度越大，抗熱震性越差，但會提高氧化床的蓄熱R能力:比熱越大，貯熱R能力越大[10]，并且李洪宇9通過對蓄熱室熱工特性進行數(shù)值模擬，得出比熱越大，蓄熱室的溫度效率和熱效率也隨之提高，所以對蓄熱體材料的選取，比熱越大越好;蓄熱體導(dǎo)熱性越好，其內(nèi)外溫差能較大得到緩H解和平衡，設(shè)備的運行越穩(wěn)定安A全。從上表看出，氧化鋁的耐火度高，但因其密度大，所以抗熱震性差:堇青石的抗熱震性較好，但耐火性能差;莫來石的抗熱震性比革青石稍差，但耐火性能較好[ll。所以在同一蓄熱室內(nèi)，由爐內(nèi)方向至爐外可以依次采用剛玉、莫來石質(zhì)、革青石質(zhì)，達(dá)到抗熱震性和耐火度的最J佳優(yōu)化 [5]。
物性參數(shù):密度與比熱容的乘積代表蓄熱體的蓄熱R能力，該值越大，表明材料單位體積的蓄熱R能力越大。蓄熱R能力大，可以減小氧化床的高度和體積，更重要的是可以減少溫度場的移動速度，從而延長換向周期和換向閥的使用壽命。但是蓄熱體的密度越大，其抗熱震性越差，因此不能一味地追求材料的高密度，應(yīng)該在保證材料具有高抗熱震穩(wěn)定性前提下，提高蓄執(zhí)體的密度。換熱系數(shù)是表明氣體與蜂窩陶瓷的熱交換能力，換熱系數(shù)大，熱交換(蜂窩陶瓷蓄熱及放熱)速度快，溫度梯度大，熱應(yīng)力高，對蜂窩陶瓷抗熱震性的要求就高，因此，要使用換熱系數(shù)較高的蓄R熱體必須保證在材料所能承受的最D大拉、壓應(yīng)力之內(nèi)，保證運行的熱震穩(wěn)定性。導(dǎo)熱系數(shù)大，熱量就能夠迅速傳遞至蓄R熱體壁面中心部位，一方面有利于充分發(fā)揮蓄熱體的蓄熱R能力，另一方面也可以降低蓄熱體的熱應(yīng)力，延長蓄熱體的使用壽命。熱膨脹系數(shù)越小，氧化床因溫度變化引起其尺寸的變化越小，有利于蓄熱體布置，并降低蓄熱體的機械應(yīng)力。由于蓄熱體不斷與氣體進行熱交換，其溫度始終在不斷變化，因此，其耐熱沖擊性能是決定其使用壽命的主要因素。
1.4操作參數(shù)對蓄熱體抗熱震性的影響
(2)換向時間:頻繁的換向，格孔壁面所受壓、拉應(yīng)力交替作用的次數(shù)增多，換向閥設(shè)備高速運行，減少蓄熱體的使用壽命。但張先珍(13)通過實驗研究得出頻繁的換向會提高蓄熱體的換熱效率及熱效率，如圖(3)所示。李洪宇9也通過數(shù)值模擬得出了相同結(jié)論，如圖(4)。因此，可以在保證蓄熱體較高的溫度效率的前提下，適當(dāng)?shù)难娱L換向時間以提高蓄熱體的抗熱震性。
(3)溫度變化率:對于高溫空氣燃燒，溫度變化率與氣體入口流速和氣體溫差有關(guān)，兩者越大，溫差越大:對于氧化裝置，與氣體入口流速和乏風(fēng)入口濃度有關(guān)，兩者越大，溫度變化率越大。在蓄熱體內(nèi)部，較大的溫度波動引起的熱應(yīng)力，影響蓄熱體的使用壽命。
蓄熱體抗熱震性的影響因素很多，各因素的影響水平也有所不同。稅安澤[15]等人運用正交實驗的方法研究了蜂窩陶瓷的結(jié)構(gòu)參數(shù)及各工藝條件對換熱性能和壓力損失的影響。對蓄熱體抗熱震性的研究，也可以采用正交方法，來獲得各因Y子的影響水平，從而提出最Z優(yōu)方案。蓄熱體在熱沖擊下的溫度場和熱應(yīng)力場的分布
研究蓄熱體內(nèi)非穩(wěn)態(tài)溫度場的分布，并進行熱應(yīng)力分析，可以為蓄熱體優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，有利于提高蓄熱體的使用壽命。
21非穩(wěn)態(tài)溫度場分布情況
研究蓄熱體內(nèi)非穩(wěn)態(tài)溫度場的分布，可以為進行熱應(yīng)力分析，提供理論依據(jù)。對于蓄熱體溫度場的研究主要包括實驗研究和數(shù)值模擬計算研究兩種。在實驗研究方面，李洪宇[9)通過實驗研究了煙氣出口溫度和空氣出口溫度隨S時間的變化規(guī)律。牟寶杰[16] 也通過實驗R的方法分別研究了不同長度的蓄熱體和同一蓄熱體上不同位置的溫度隨S時間的變化規(guī)律。對蓄熱體溫度分布的實驗研究的相關(guān)文獻還比較少，大多是集中在數(shù)值模擬方面。在文獻[18]中，艾元方等建立了薄壁蓄執(zhí)體周期傳熱數(shù)學(xué)模型，用拉普拉斯變化法求解了蜂窩蓄熱體氣固溫度分布的半解析值并和純數(shù)值計算值進行了對比，如圖5。從圖中可知，蓄熱體溫度分布的半解析值和數(shù)值計算結(jié)果是一致的，誤差較小，蓄熱體溫度在靠近氣流進口端和出口端變化比較劇烈。沿蓄熱室長度方向，切換開始時固體蓄熱及放熱R能力較強，相應(yīng)的蓄熱體溫度變化也較大。
劉光臨[19]等人應(yīng)用多孔介質(zhì)模擬蓄熱體，采用當(dāng)量連續(xù)法對蓄熱體蓄熱和放熱過程中的溫度的動態(tài)分布情況進行了研究，采用多孔介質(zhì)模擬蓄熱體計算耗時短得到了蓄執(zhí)體縱向平均溫度變化曲線，見圖6。
圖中蓄執(zhí)4小 結(jié)
本文主要總結(jié)了最近幾年對陶瓷蓄熱體抗熱震性的影響參數(shù)、溫度場和熱應(yīng)力場分布及熱震損S傷機理等的研究進展情況。
陶瓷蓄熱體主要有蜂窩陶瓷、蓄熱球兩種，由于蜂窩陶瓷比蓄熱球傳熱速度快、環(huán)H保效果好、體積小，所以應(yīng)用更廣泛。對于陶瓷蓄熱體的實驗研究方面也一般是采用蜂窩陶瓷。目前國內(nèi)常用蜂窩陶瓷蓄熱體材質(zhì)多為莫來石和革青石，具有耐高溫、抗腐蝕、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點。其孔型包括方形孔、圓形孔和六邊形孔等。
在結(jié)構(gòu)上，對不同幾何結(jié)構(gòu)的蓄熱體的系統(tǒng)性分析較少。國內(nèi)蓄熱室結(jié)構(gòu)的設(shè)計大多是按照經(jīng)驗來確定設(shè)計方案，這樣會存在很多問題，比如應(yīng)力集中和嚴(yán)重的溫度不均勻等，惡化抗熱震性。而且對于蜂窩陶瓷的研究也主要集中在阻力特性和換熱特性方面，而對于溫度交變工作狀態(tài)下的蜂窩陶瓷蓄熱體的抗熱震性的研究還非常少。特別是對于高溫空氣燃燒和煤礦乏風(fēng)瓦斯氧化兩種不同裝置和各自工作條件下的蜂窩陶瓷蓄熱體的抗熱震性的針對性研究較少，其中煤礦乏風(fēng)瓦斯氧化用的蜂窩陶瓷蓄熱體的抗熱震性的研究目前還沒用展開。
所以今后對于蜂窩陶瓷蓄熱體的研究應(yīng)在保證其阻力特性和換執(zhí)特性的前提下，重點提高其抗熱需性，采用理論和實驗相結(jié)合的方法，這樣既克服了單純的理論研究缺乏實驗數(shù)據(jù)驗證的缺陷，又為操作參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。
