碳化硅陶瓷换热器的研究背景及现状

近十年来，由于能源紧张，随着节能工作进一步幵展。各种新型，节能先进炉型日趋完善，且采用新型耐火纤维等优质保温材料后使得炉窑散热损失明显下降。采用先进的燃烧装置强化了燃烧，降低了不完全燃烧量，空燃比也趋于合理。然而，降低排烟热损失和回收烟气余热的技术仍进展不快。工业上的大量高温炉灶排出烟气可达1300C，热能损失严重。为了进一步提高加热炉的热效率，达到节能降耗的目的，回收烟气余热也是一项重要的节能途径。

烟气余热回收途径通常采用二种方法：一种是预热工件；二种是预热空气进行助燃。烟气预热工件需占用较大的体积进行热交换，往往受到作业场地的限制（间歇使用的炉窑还无法采用此种方法）。预热空气助燃是一种较好的方法，一般配置在加热炉上，也可强化燃烧，加快炉子的升温速度，提高炉子热工性能。这样既满足工艺的要求，最后也可获得显着的综合节能效果。

国内从五十年代幵始在工业炉窑上采用预热空气的预热器，其中主要形式为管式、圆筒辐射式和铸铁块状等形式换热器，但交换效率较低。八十年代，国内先后研制了喷流式，喷流辐射式，复台式等换热器，主要解决中低温的余热回收。在100C以下烟气余热回收中取得了显着的效果，提高了换热效率。但在高温下仍因换热器的材质所限，使用寿命低，维修工作量大或固造价昂贵而影响推广使用。

现在使用的换热器大多是金属换热器，只能在低温下使用，燃气温度高时不能直接使用，要渗入大量的冷空气，还要高温保护，如鼓冷风机及控制系统。当渗入冷空气换热器回收的温度将低。

陶瓷换热器在金属换热器的使用局限下得到了很好的发展，因为它较好地解决了耐腐蚀，耐高温等课题，成为了回收高温余热的最佳换热器。经过多年生产实践，表明陶瓷换热器效果很好。它的主要优点是：高温强度高，抗氧化、抗热震性能好。寿命长，维修量小，性能可靠稳定，操作简便。是目前回收高温烟气余热的最佳装置。

首次研发并投入使用的以陶瓷替代金属的换热器新技术已经列入了国家火炬计划。这一新技术将工业窑炉原来用的冷空气变成了热空气，不仅提高了工作效率还节约了大量能源。由于陶瓷换热器是提高能源利用率的主要设备之一，工业用途广泛，因而其推广应用前景十分可观。

陶瓷换热器有以下几个优点：

(1)陶瓷换热器的使用方法直接、简单、快捷、高效、环保、节能。不需掺冷风及高温保护，维修成本低，无需对陶瓷换热器进行任何操作。适用于各种环境的燃气工业窑炉的余热回收利用，尤其解决了各种高温工业窑炉余热温度过高无法利用的难题；

(2)国家要求陶瓷换热器温度》1000C，由于它耐高温，所以就可以放在高温区域，温度越高，换热效果越好，节能越多；

(3)高温情况下替代金属换热器；

(4)解决化工行业热交换、耐腐蚀的难题;

（5）陶瓷换热器适应性强、耐高温、抗腐蚀、高温强度高、抗氧化性能好、热震性能稳定、使用寿命长。

陶瓷换热器广泛用于钢铁、机械、建材、石化、有色金属冶炼等行业的各种加热炉、热风炉、热处理炉、裂解炉、烘烤器、熔化炉、均热炉、油气锅炉等炉窑中，该技术是通过换向装置使两个蓄热室交替吸热放热，最大限度地回收烟气的热量，再将助燃空气和煤气加热到1000 °c以上，即使低热值的劣质燃料（如高炉煤气）也能实现稳定着火和高效燃烧，可节省燃料40?70%产量提高15%以上，钢坯氧

化烧损下降40%以上, NQ排放小于100 ppm烟气排放温度低于160C，大大降低了地球的温室效应。

常见的堇青石、莫来石、高铝、焦宝石等材料生产的换热器导热性能差，换热性能差。而碳化硅陶瓷换热器在金属换热器的使用局限下得到了很好的发展，主要是它除了具有陶瓷换热器共有的优点如耐高温、耐腐蚀、高温强度高，抗氧化、抗热震性好，寿命长，性能稳定可靠等，同时由于其导热性好，而且高温力学性能（强度、抗蠕变性等）是已知陶瓷材料中最佳的，成为回收高温余热的最佳换热器。

上世纪八十年代，国外曾用碳化硅化热元件制作陶瓷换热器。我国成都科技大学化机教研室八十年代研制碳化硅管高温换热器，并于1986年用于碳酸钾工业生产。该换热器主要换热元件由碳化硅陶瓷材料组成，高温烟气在管外，被加热气体在管内，两者呈错流。碳化硅管可承受1540 C高温，所以高温烟气可直接进入换热

器中进行交换。高温烟气有较大的辐射热，而碳化硅管可以充分利用高温气体辐射传热和火焰辐射传热。该技术在碳酸钾生产中应用，节能和增产都获得明显的效果。使用碳化硅管换热器后，空气预热温度从350C提高到500C，加快了干燥温度，

日产量由使用前的7吨提高到9吨；排烟温度则由使用前的270C降低到了120C，提高了燃料利用率。目前该工艺多用于炼铝、锻造、化工等行业，回收高温烟气预热。

21世纪初巩义市荣华节能陶瓷换热器有限公司终于研制出了碳化硅质陶瓷换热

器。其生产工艺与窑具的生产工艺基本相同，导热性与抗氧化性能是材料的主要应用性能，利用挤压成型制成碳化硅陶瓷导热管，再组装成换热器。它的原理是把陶瓷换热器放置在烟道出口较近，温度较高的地方，不需要掺冷风及高温保护，当窑炉温度1250-1450 C时，烟道出口的温度应是1000-1300 C，陶瓷换热器回收余热

可达到450-750 °C，将回收到的的热空气送进窑炉与燃气形成混合气进行燃烧，这样直接降低生产成本，增加经济效益。

武汉钢铁集团公司的洪学勤等人用注浆法制造了一种用于钢铁制造领域中渗碳

炉、氟化炉等各种高温热处理炉体内的碳化硅换热器。和以前用的金属材料换热器

相比具有优异的效果：重量降低一半、改善了金属材料不耐腐蚀、不耐高温等缺

点、使用过程中不变形、燃气的消耗量减小、使用寿命延长等。

碳化硅陶瓷换热器可广泛应用于钢铁、机械、建材、石化、有色金属冶炼等行

业的各种加热炉、热风炉、热处理炉、裂解炉、烘烤器、熔化炉、均热炉、油气锅炉等炉窑中。它的使用方法直接、简单、快捷、高效、节能（节能率25~45%、环保、使用寿命是同位置金属换热器的数十倍，不但为企业降低成本，更为国家节约能源。