1 前言 

随着工业的不断发展，工业特别是石油化工以及使用有机溶剂的行业经常排放出含有挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOC）气体，VOC对人体健康及周围环境构成了很大的危害，日益引起全世界的关注。因此，近几年来许多国家陆续颁布 一系列的法令，对VOC的排放进行控制。 

对于VOC废气的控制与处理的方法有多种，从图1中可以看出，VOC处理主要分为源头治理与尾气治理两大类。与其他治理方法相比较，化学氧化法处理VOC效率高，而化学氧化法中的蓄热催化氧化（Regenerative Catalytic Oxidation，RCO）更有着其他方法无法比拟的优点而成为国际上普遍采用的VOC治理方法。 

蓄热催化燃烧装置主要由燃烧室、蓄热体及阀门系统三部分组成。蓄热体起蓄热和放热的作用。当高温炉气通过蓄热体时，蓄热材料吸收高温烟气的热量，并把热量储存；换向后，低温气体通过蓄热体时，蓄热材料放热，把热量传给低温气体，使其预热至高温。作为蓄热燃烧系统的核心装置之一的蓄热体，对其性能有较高的要求，即其透热深度要小( 壁薄) 、比表面积要大、材料的比热容要大、导热系数要高、耐热震及抗氧化性要高、以及高温耐压强度要高等。

 2 蓄热体的选择 

2.1 蓄热体材质的选择 

蓄热材料的选择应该根据燃烧的工况条件、燃烧的温度、气体的腐蚀性及所含固体粉尘的特性等而定。就目前世界的应用情况来看，可作为蓄热材料的主要有金属与陶瓷两大类。随着工业炉窑使用温度的升高，其烟气温度也随着升高。由于陶瓷材料耐高温，抗氧化，耐化学腐蚀，所以目前大多选用陶瓷材料，如Si3N4材料、各种SiC材料以及刚玉质、莫来石质、锆英石质和堇青石质材料等。这些陶瓷材料的性能见表1。

从表1可以看出，热压Si3N4高温性能很好，但是其价格昂贵，从而使其应用受到限制。而刚玉由于其抗热震性能不好，应用也不多。大量的应用试验表明，堇青石陶瓷蓄热材料具有优良的抗热震性能以及低廉的价格，然而高温烟气（尤其是含碱金属的气体）对堇青石具有较强的腐蚀性。与各种材料相比，SiC材料具有较高的热导率，在高温下强度和抗腐蚀性及抗氧化性能优越，同时其抗热震性能优良，是蓄热体蓄热材料的首选。 

2.2 蓄热体形状的选择 

目前市场上用的比较多的蓄热体主要有蜂窝状、球状及管状三种形式。蜂窝状与管状蓄热体一般采用挤压法成型，而球状蓄热体则有滚动成型和机压成型法两种；材质上蜂窝状蓄热体一般采用堇青石和莫来石，球状与管状蓄热体则采用高铝和莫来石材质。 

20世纪90年代初期，日本的NNK公司联合工业炉公司开发出了可将烟气余热回用和NOx燃烧集成于一体的蜂窝陶瓷蓄热体。 此举将节能和环保完美融合，实现了产量提高20%，节能效果可达30%，同时NOx的排放量也大大低于当时的环保标准。 这使得蓄热体从传统的格子状发展成蓄热球, 再到现在研究最广泛效果也最好的蜂窝体，极大增加了换热性，同时大大降低了污染排放。 

3 蓄热材料研究现状 

为了不断提高蓄热材料的性能，改善蓄热体的换热效率，针对不同的工况及要求，国内外的学者对蓄热材料进行了大量的研究，开发了许多性能优越的蓄热材料。 

由于堇青石与多种催化剂匹配性好，比表面积大、热膨胀系数小以及抗热震性好等优点而得到了广泛应该。 用粘土、 滑石和氧化铝制备了堇青石质（2MgO·2Al2O3·5SiO2）蜂窝陶瓷，该陶瓷具有热膨胀系数低、气孔率高的优点。用堇青石、硅线石、红柱石以及锆英石制备的蓄热式陶瓷球和蜂窝体都具有很好的抗热震性能。用GeO2来替代堇青石中的SiO2，研究了 MgO·2Al2O3·(5 – x)SiO2 ·xGeO2的热膨胀系数随GeO2加入量变化而变化的规律，当 x≤1 时热膨胀系数总体是降低的。在堇青石中引入氧化锆来达到增韧和增强的目的。 

从提高蜂窝蓄热体使用温度的角度出发，通过向Al2O3中加入一定剂量的MgO，制备出性能优越的耐高温的蜂窝陶瓷蓄热体。通过对高铝-莫来石等蓄热材料进行研究，提高了蓄热体的抗震性。对蓄热体的成份也进行了较系统的研究，认为堇青石基陶瓷蓄热体具有抗热震性好和价格低廉等优点，是高温（1250℃）烟气（尤其是含钠等碱金属蒸气的烟气和含SO2等酸性气体的烟气）对堇青石质陶瓷蓄热体的腐蚀性特强，使堇青石蓄热体发生熔融、粘结和挥发， 从而阻塞气流， 最后使熔融液被吹跑。莫来石的密度和比热容较大，价格较便宜，在换热器中有一定的应用市场。与其他材料相比，各种SiC具有很高的热导率，在高温下具有很高的强度和很好的抗侵蚀性及抗氧化性，并具有优异的抗热震性，所以SiC质材料是陶瓷换热器蓄热体的首选材料。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。对蓄热体的成份配比也进行了研究，认为普通莫来石质陶瓷作蓄热体是合适的。 

综上所述，目前国内外对蓄热体材料进行了大量的研究，研究的目的是旨在找到一种由堇青石粉料与不同的固溶相粉料组成的合适原料配方，以生产出热膨胀系数低、耐热冲击性能好、机械强度高、化学稳定性好、气体透过率低的陶瓷蜂窝体。 

4 蜂窝陶瓷蓄热材料的结构与性能 

4.1 蜂窝陶瓷结构特点 

蓄热体的核心部件陶瓷蜂窝体如图2所示，一般蜂窝陶瓷的壁厚较薄，约0.2~0.4mm，蜂窝的单元间距约为1~2mm，和其他蓄热材料相比较，其具有较大的比表面积

4.2 蓄热体的热效率 

陶瓷蜂窝蓄热体在燃烧系统的的热回收（R）的定义如下：

式中Tc：废气的最高氧化温度；      

To：烟气的出口温度；      

Ti：烟气的初始温度。 

4.3 蜂窝陶瓷的压力损失 

从上述蜂窝状陶瓷的结构可知，由于其开孔多，陶瓷蜂窝体的压力损失就较小，通常情况下压降不大于1000Pa。比如，气流速度为1～3m/s，180孔/in2、高150mm的蜂窝体压力损失为107～343Pa，由此可见，当采用陶瓷蜂窝体作为蓄热材料时，不仅可以节约燃料，而且减少了风机的动力能耗。 

5 蜂窝陶瓷蓄热体在催化燃烧炉中的应用 

蓄热燃烧工作原理图如图3所示，从图中可知，该系统主要由一个燃烧室、两个陶瓷填料床和两个切换阀组成。废气最初先进入左边的填料塔，里面的填料对废气进行预热，同时填料本身得到冷却，然后废气进入燃烧室燃烧除去里面的有机废弃物，接着，生成的烟气一部分由热旁路流出（用于加热导介质），其余的烟气则经过右边的填料塔，得到冷却，最后排除至大气；当走边填料塔里面的填料温度低于某一预定值后，切换阀起作用，废气先经过右边填料塔，然后经过燃烧室和左边填料塔，最后排除至大气，这样周而复始，完成循环达到除去VOC 的目的。

这种燃烧方式通过周期性的改变气流方向实现蓄热体的蓄热-放热，同时通过燃烧器的补燃来保持燃烧室对VOCs废气的燃烧温度，还可以通过余热回收装置对尾气进行余热回收，因为大大降低了助燃剂的试用，该工艺系统大大降低了治理VOCs的能耗及费用。目前国内开发的RCO系统在线路印刷、涂装、制药等行业已有规模性的工程应用，这种技术在今后VOCs污染治理领域有着很大的应用前景。