DE69620490T2

DE69620490T2 - Wabenregenerator

Info

Publication number: DE69620490T2
Application number: DE69620490T
Authority: DE
Inventors: Wataru Kotani; Kazuhiko Kumazawa
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1995-01-25
Filing date: 1996-01-25
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2016-01-26
Also published as: DE69620490D1; US6210645B1; CA2167991A1; EP0724126A2; EP0724126B1; CA2167991C; EP0724126A3

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wabenregenerator zur Rückgewinnung von Abwärme in einem Abgas durch abwechselndes Hindurchschicken des Abgases und eines zu erwärmenden Gases, wobei der Regenerator eine Vielzahl von gestapelten Wabenkörpern umfasst, und sie bezieht sich im Speziellen auf einen solchen Wabenregenerator, wie er in einem Abgas mit einer hohen Temperatur oder einem korrosiven Abgas mit einer hohen Temperatur verwendet wird. Der Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren für den Betrieb eines solchen Regenerators.

Stand der Technik

Es ist bekannt, dass in einem mit Verbrennungswärme betriebenen Ofen, der industriell z. B. als Hochofen, als Ofen für das Schmelzen von Aluminium oder Glas sowie dergleichen verwendet wird, ein Regenerator zur Verbesserung der Wärmeeffizienz verwendet wird, in welchem Feuerungsluft durch die Verwendung von Abwärme vorgewärmt wird. Als solche Regeneratoren ist z. B. in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 58-26036 (JP-A-58-26036) ein Regenerator offenbart, der Keramikkugeln verwendet, und auch die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 4-251190 (JP-A-4-251190) offenbart einen Regenerator, welcher Wabenkörper verwendet, d. h. Körper mit einer Wabenstruktur, die in dieser Beschreibung als Wabenstrukturkörper bezeichnet werden.
Im bekannten und oben angeführten Regenerator wird zuerst ein Abgas mit einer hohen Temperatur mit den Keramikkugeln oder den Wabenstrukturkörpern in Kontakt gebracht, um die Abwärme des Abgases im Regenerator zu speichern, danach wird ein zu erwärmendes Gas mit einer niedrigen Temperatur mit dem auf diese Weise vorgewärmten Regenerator kontaktiert, um das zu erwärmende Gas zu erwärmen, wobei die Abwärme im Abgas effizient verwendet wird.
Bei den oben erwähnten bekannten Regeneratoren ist es im Fall der Verwendung von Keramikkugeln nicht möglich, auf wirksame Weise einen Wärmeaustausch durchzuführen, da eine Kontaktfläche zwischen den Keramikkugeln und dem Abgas aufgrund eines großen Widerstands der Keramikkugeln gegen Gasdurchfluss nur klein ist. Der sich dadurch ergebende Nachteil schafft die Notwendigkeit, den Regenerator in seiner Dimension groß auszuführen.
Im Gegensatz dazu ist es im Fall der Verwendung von Wabenstrukturkörpern möglich, selbst durch einen kompakten Körper auf wirksame Weise einen Wärmeaustausch durchzuführen, da eine geometrisch spezifische Oberfläche davon im Vergleich zum Volumen davon groß ist. In einem tatsächlich industriell verwendeten Wärmeofen, wie etwa einem Glasschmelzofen oder einem keramischen Heizofen, übersteigt die Betriebstemperatur 1.400ºC. Wird somit ein Wabenregenerator, der aus Cordierit-Wabenstrukturkörpern, welche in Automobilen häufig als Katalysatorträger verwendet werden, konstruiert ist, auf die oben erwähnten Wärmeöfen angewendet, werden die Wabenstrukturkörpern aus Cordierit weich und schmelzen sogar im Extremfall. Dies geht darauf zurück, dass die Erweichungstemperatur der Wabenstrukturkörper aus Cordierit bei etwa 1.400ºC liegt. In diesem Fall kann der Wabenregenerator nicht in dieser Ausführungsform verwendet werden.
Um jedoch die anti-korrosiven Eigenschaften zu verbessern, ist ein Wabenregenerator bekannt, der durch das Stapeln von anti-korrosiven Wabenstrukturkörpern und Wabenstrukturkörpern aus Codierit konstruiert wird. Jedoch kann der oben erwähnte Wabenregenerator nicht in einem Hochofen verwendet werden, in welchem die Temperatur 1.300 ºC übersteigt und Fremdsubstanzen wie ein Zunder im Abgas umfasst sind. Wird z. B. ein Wabenstrukturkörper aus Aluminiumoxid als anti-korrosiver Wabenstrukturkörper verwendet, so reagiert der Wabenstrukturkörper aus Aluminiumoxid nicht mit dem Zunder, wodurch sich kein Problem ergibt. Es ist jedoch der Fall, dass im Hochofen eine abrupte Temperaturänderung während des normalen Betriebs auftreten kann. In diesem Fall kann es leicht sein, dass der Wabenstrukturkörper aus Aluminiumoxid aufgrund der oben erwähnten abrupten Temperaturänderung bricht, da Aluminiumoxid einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine geringe Wärmeschockbeständigkeit aufweist. Werden andere anti-korrosive Wabenstrukturkörper wie etwa aus Mullit oder SiC verwendet, so brechen auch diese Wabenstrukturkörper aufgrund einer abrupten Temperaturänderung leicht, da sie einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, und es ergibt sich dasselbe Problem wie beim Wabenstrukturkörper aus Aluminiumoxid. Um jedoch die antikorrosiven Eigenschaften zu verbessern, glaubt man, dass ein Wabenstrukturkörper klein ausgeführt werden soll, jedoch wird in diesem Fall ein Betrieb des Wabenregenerators schwierig.
In einem Wärmeofen, der Schweröl als Brennstoff für den Brenner verwendet, wird SOx aufgrund einer im Schweröl enthaltenen Schwefelkomponente erzeugt und mit einer Wasserkomponente bei einer Temperatur unter dem Taupunkt von SOx umgesetzt, so dass eine verdünnte Schwefelsäure erzeugt wird. Wird somit ein Wabenstrukturkörper aus Cordierit in der oben erwähnten Atmosphäre verwendet, korrodiert der Wabenstrukturkörper aus Cordierit.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben erwähnten Nachteile zu verkleinern oder auszuschalten und einen Wabenregenerator bereit zu stellen, welcher Wärmeaustausch effektiv sogar in einem Abgas mit einer hohen Temperatur und einem Abgas mit einer hohen Temperatur sowie mit Korrosionseigenschaften durchführen kann.
In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Wabenregenerator, wie er in Anspruch 1 dargelegt ist, bereit gestellt.
In Einklang mit einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Wabenregenerator, wie er in Anspruch 3 dargelegt ist, bereit gestellt.
Die Erfindung stellt weiters ein Verfahren für den Betrieb des Wabenregenerators bereit, wie dies in Anspruch 9 ausgeführt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine vereinfachte Ansicht einer Ausführungsform eines Wabenregenerators gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung;
Fig. 2 ist eine vereinfachte Ansicht, die eine Ausführungsform eines Wabenregenerators gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung darstellt;
Fig. 3 ist eine vereinfachte Ansicht, welche eine Ausführungsform veranschaulicht, in welcher eine Vorrichtung für den Wärmeaustausch unter Verwendung des Wabenregenerators gemäß der Erfindung auf einen Verbrennungsraum eines mit Verbrennungswärme betriebenen Ofens angewendet wird;
Fig. 4 ist eine vereinfachte Ansicht, die eine Konstruktion des Wabenregenerators in Einklang mit dem ersten Aspekt der Erfindung, die in einem Experiment verwendet wird, abbildet;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das eine Wärmekurve während des Betriebs eines Wabenregenerators gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, die im Experiment verwendet wird, veranschaulicht;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine Schwankung des Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Wabenstrukturkörpers aus Aluminium-Titanat nach verschiedenen Wärmebehandlungen darstellt;
Fig. 7 ist eine vereinfachte Ansicht einer Konstruktion des Wabenregenerators gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, die im Experiment verwendet wird;
Fig. 8 ist ein Diagramm, das eine Wärmekurve während des Betriebs eines Wabenregenerators gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, die im Experiment verwendet wird, wiedergibt;
Fig. 9 ist ein Diagramm, das Schwankungen des Wärmeausdehnungskoeffizienten und die anti-Alkali-Eigenschaft des Wabenstrukturkörpers aus Aluminium-Titanat durch die Zugabe von MgO darstellt; und
Fig. 10 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Alterungszeit und Wärmeausdehnungskoeffizient des Wabenstrukturkörpers aus Aluminium-Titanat durch die Zugabe von MgO und Fe&sub2;O&sub3; veranschaulicht.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Fig. 1 ist eine vereinfachte Ansicht einer Ausführungsform eines Wabenregenerators gemäß der Erfindung. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wird ein Wabenregenerator 1 gebildet, indem eine Vielzahl von Wabenstrukturkörpern 2 mit einer rechteckigen Gestalt in einer solchen Weise gestapelt werden, dass Durchflussdurchgänge, die durch Durchgangslöcher 3 ausgebildet werden, in eine Richtung angeordnet werden. In Fig. 1 steht eine obere Oberfläche des Wabenregenerators 1 mit einem Abgas, das eine hohe Temperatur aufweist, in Kontakt. In diesen Ausführungsform besteht ein Hochtemperatur-Abschnitt (a), in welchem die Temperatur während eines normalen Betriebs des Verbrennungsofens 1.250ºC übersteigt, aus Wabenstrukturkörpern 2 mit Aluminiumtitanat als Hauptkristallphase und ein Niedrigtemperatur-Abschnitt (b) aus Wabenstrukturkörpern 2 mit Cordierit als Hauptkristallphase.
Eine Position der Grenze zwischen dem Hochtemperatur-Abschnitt (a) und dem Niedrigtemperatur-Abschnitt (b) wird wie folgt festgelegt. Zuerst wird ein Test-Wabenregenerator im normalen Betrieb des mit Verbrennungswärme betriebenen Ofens verwendet, und die Temperaturen an den zahlreichen Positionen des Test-Wabenregenerators werden gemessen. Danach wird ein Abschnitt, in welchem die Temperatur stets über 1.250ºC unabhängig von der Zeit der Wärmespeicherung und der Wärmeabgabe liegt, als Hochtemperatur-Abschnitt (a) definiert. Weiters wird ein Abschnitt, in welchem die Temperatur zumindest einmal unter 1.250ºC während der Zeit der Wärmespeicherung und Wärmeabgabe liegt, als Niedrigtemperatur-Abschnitt definiert. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform weisen alle Wabenstrukturkörper 2 dieselbe Gestalt auf, es ist aber auch möglich, einen Wabenregenerator 1 in einer Weise zu konstruieren, dass die Dimension der Wabenstrukturkörper 2, die an einem Außenumfangsabschnitt positioniert sind, kleiner als jene der Wabenstrukturkörper 2 ausgeführt wird, welche an einem Mittelabschnitt positioniert werden, auf einer Ebene, mit welcher ein Abgas mit hoher Temperatur in Kontakt steht.
In der oben erwähnten Ausführungsform wird Aluminiumtitanat bei einer hohen Temperatur stabil und zersetzt sich über 1.250ºC nicht. In dieser Ausführungsform ist es möglich, einen Wabenregenerator zu erhalten, der Wärmeaustausch effektiv durchführen kann, sogar ohne in einem Abgas mit einer hohen Temperatur über 1.400ºC zu brechen, da der Abschnitt, der stets mehr als 1.250ºC aufweist, aus Wabenstrukturkörpern mit Aluminiumtitanat als Hauptkristallphase besteht. Darüber hinaus wird Aluminiumtitanat in jener Form des Aluminiumtitanats verwendet, in welcher MgO und Fe&sub2;O&sub3; als feste Lösung umfasst sind, wie dies in den geprüften japanischen Patentanmeldungen Nr. 60-5545 oder 59-1 9068 gezeigt ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass MgO und Fe&sub2;O&sub3; umfassendes Aluminiumtitanat über exzellente Wärmestabilität verfügt.
Andererseits wird Aluminiumtitanat in Aluminiumoxid und Titandioxid bei etwa 1.100ºC zersetzt, so dass der Wärmeausdehnungskoeffizient größer wird und die Dimension variiert. Aus diesem Grund ist es nicht möglich, Aluminiumtitanat über einen längeren Zeitrahmen in einem Temperaturbereich von 1.100-1.200ºC zu verwenden. Wird der Abschnitt, der unter 1.250ºC sinkt, aus Wabenstrukturkörpern mit Aluminiumtitanat als Hauptkristallphase hergestellt, neigen aus den oben angeführten Gründen die Wabenstrukturkörper mit Aluminiumtitanat als Hauptkristallphase dazu, aufgrund eines hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu brechen, weswegen sie nicht bevorzugt sind. Weiters ist Aluminiumtitanat kostenintensiv. Deshalb ist in dieser Ausführungsform ein Niedrigtemperatur-Abschnitt, für welchen die Verwendung von Aluminiumtitanat nicht bevorzugt wird, aus Wabenstrukturkörpern mit Cordierit und/oder Mullit als Hauptkristallphase hergestellt.
Für den Fall, dass eine Dimension der Wabenstrukturkörper, die am Außenumfangsabschnitt positioniert sind, kleiner ist als jene der Wabenstrukturkörper, die am Mittelabschnitt positioniert sind, auf einer Ebene, die mit einem Abgas mit einer hohen Temperatur in Kontakt steht, wird die Wärmeschockbeständigkeit der Wabenstrukturkörper, die am Außenumfangsabschnitt positioniert sind, verbessert. Weiters ist es möglich, diese Nachteile auszuschalten, indem ein Temperaturgefälle erzeugt wird, wenn alle Wabenstrukturkörper dieselbe Dimension auf derselben Ebene aufweisen und die Wabenstrukturkörper aufgrund des Temperaturgefälles brechen. Aus diesem Grund ist es möglich, einen Wabenregenerator zu erzeugen, der Wärmeaustausch effektiv durchführen kann, sogar ohne in einem Abgas mit einer hohen Temperatur, gebrochen zu werden, wodurch dieser bevorzugt ist.
Fig. 2 ist eine vereinfachte Ansicht, die eine Ausführungsform eines Wabenregenerators in Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der Erfindung wiedergibt. In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wird ebenfalls ein Wabenregenerator erzeugt, indem eine Vielzahl von Wabenstrukturkörpern 2 mit rechteckiger Gestalt in einer solchen Weise gestapelt wird, dass Durchflussdurchgänge davon, die durch Durchgangslöcher 3 gebildet werden, in eine Richtung angeordnet sind. In Fig. 2 wird eine obere Oberfläche des Wabenregenerators 1 mit einem Abgas mit einer hohen Temperatur in Kontakt gebracht. In dieser Ausführungsform besteht ein Hochtemperatur-Abschnitt (a), mit dem das Abgas mit einer hohen Temperatur direkt während eines normalen Betriebs des Verbrennungsofens in Kontakt steht, aus Wabenstrukturkörpern 2 mit Aluminiumtitanat als Hauptkristallphase oder mit einer Kombination aus Aluminiumtitanat und Mullit als Hauptkristallphase. Ein Abschnitt mit mittlerer Temperatur (b), in dem die Temperatur zumindest 1.200ºC beträgt, besteht aus Wabenstrukturkörpern 2 mit Aluminiumoxid als Hauptkristallphase. Ein Niedrigtemperatur-Abschnitt (c), welcher im Vergleich zu Wabenstrukturkörpern aus Aluminiumoxid auf der Seite mit niedriger Temperatur angeordnet ist, besteht aus Wabenstrukturkörpern 2 mit Cordierit oder Mullit als Hauptkristallphase oder einer Kombination aus Wabenstrukturkörpern 2, die aus einer Gruppe aus Cordierit, Mullit und einem Porzellan mit Korrosionsbeständigkeit ausgewählt sind.
Darüber hinaus weisen in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform alle Wabenstrukturkörper 2 dieselbe Gestalt auf, dennoch ist es aber möglich, den Wabenregenerator 1 in einer solchen Weise zu erzeugen, dass die Dimension der Wabenstrukturkörper 2, die an einem Außenumfangsabschnitt positioniert sind, kleiner als jene der Wabenstrukturkörper 2 ausgeführt wird, welche an einem Mittelabschnitt positioniert werden, auf einer Ebene, mit welcher ein Abgas mit hoher Temperatur direkt in Kontakt steht.
Als ein Material, aus dem der in Fig. 2 gezeigte Wabenregenerator 1 besteht, ist Aluminiumtitanat als wärmebeständiges Material mit einer niedrigen Wärmeausdehnung bekannt. Da Aluminiumtitanat in Bezug auf eine Eisenkomponente sogar bei einer hohen Temperatur nahe 1.300ºC stabil ist und eine exzellente Wärmeschockbeständigkeit aufweist, wird es darüber hinaus selbst in Folge einer abrupten Temperaturänderung nicht gebrochen. Weiters wird Aluminiumtitanat bei etwa 1.100ºC in Aluminiumoxid und Titandioxid aufgespalten, und der Wärmeausdehnungskoeffizient davon wird größer. Wird der Abschnitt, der lange Zeit unter 1.250ºC sinkt, aus Wabenstrukturkörpern mit Aluminiumtitanat als Hauptkristallphase hergestellt, wird die Verwendung von Aluminiumtitanat, worin MgO und Fe&sub2;O&sub3; als feste Lösung umfasst sind, um die thermisch bedingte Zersetzung zu unterdrücken, bevorzugt.
Ist MgO in Aluminiumtitanat als feste Lösung umfasst, ist es möglich, die thermisch bedingte Zersetzung bei etwa 1.100ºC in einem gewissen Maß zu unterdrücken. Für eine effektive Unterdrückung der thermischen Zersetzung reicht dies jedoch nicht aus, und so umfasst Aluminiumtitanat vorzugsweise Fe&sub2;O&sub3; wie auch MgO. In der vorliegenden Erfindung wurde darüber hinaus herausgefunden, dass die feste Lösung aus MgO nicht nur in der Unterdrückung der thermisch bedingten Zersetzung wirkt, sondern auch die antikorrosiven Eigenschaften verbessert, insbesondere die Anti-Alkali-Eigenschaften.
In diesem Fall liegt eine zuzugebende Menge an MgO vorzugsweise bei 4-10 Gew.-% und die Menge an Fe&sub2;O&sub3;, die zugesetzt werden soll, vorzugsweise bei 2-10 Gew.-%. Der Grund für die vorzugsweise Begrenzung der Menge an MgO auf 4-10 Gew.-% lautet wie folgt: Ist die Menge an MgO nicht größer als 4 Gew.-%, werden keine ausreichenden Anti-Alkali- Eigenschaften erzielt. Ist die Menge an MgO nicht kleiner als 10 Gew.-%, so wird MgO im Aluminiumtitanat nicht vollständig im Festzustand umfasst, wodurch Spinell oder Magnesiumtitanat mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten erzeugt wird, so dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Wabenstrukturkörper größer wird. Wenn Fe&sub2;O&sub3; in Aluminiumtitanat als feste Lösung umfasst ist, wird das Fe-Ion vollständig durch ein AI-Ion ersetzt und somit die thermisch bedingte Zersetzung von Aluminiumtitanat unterdrückt. Der Grund für eine bevorzugte Begrenzung der Menge an Fe&sub2;O&sub3; auf 2-10 Gew.-% lautet wie folgt: Ist die Menge an Fe&sub2;O&sub3; nicht größer als 2 Gew.-%, so kann die thermische Zersetzung nicht vollständig unterdrückt werden. Ist die Menge an Fe&sub2;O&sub3; nicht kleiner als 10 Gew.-%, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient größer.
In dieser Ausführungsform liegt der Grund dafür, warum Wabenstrukturkörper aus Aluminiumoxid als Hauptkristallphase in einem Niedrigtemperatur-Abschnitt verwendet werden und nicht Wabenstrukturkörper aus Aluminiumtitanat als Hauptkristallphase, wie folgt darin: Erstens ist Aluminiumtitanat ein teures Material, und somit ist die Verwendung von Aluminiumtitanat nur auf wichtige Abschnitte beschränkt. In dieser Ausführungsform ist es ausreichend, Aluminiumtitanat nur auf einen Abschnitt anzuwenden, in welchem ein Abgas mit hoher Temperatur diesen tatsächlich kontaktiert, da die Wabenstrukturkörper mit Aluminiumoxid als Hauptkristallphase, die einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweisen, auf einen Abschnitt angewendet werden können, mit welchem das Abgas mit der hohen Temperatur nicht direkt in Kontakt steht, wodurch ein Wärmeschock abgeschwächt wird. Da der Abschnitt, in welchem die Temperatur zumindest über 1.200 ºC während eines normalen Betriebs des Verbrennungsofens ansteigt, aufgrund einer Eisen- und gegebenenfalls einer Alkalikomponente ein Korrosionsproblem hat, ist es darüber hinaus erforderlich, Wabenstrukturkörper mit Aluminiumoxid als Hauptkristallphase mit einer exzellenten Korrosionsbeständigkeit zu verwenden.
Weiters ist es notwendig, einen der Wabenstrukturkörper aus Cordierit, den Wabenstrukturkörper aus Mullit und den Wabenstrukturkörper aus Porzellan sowie eine Kombination davon für den Niedrigtemperatur-Abschnitt des Wabenregenerators zu verwenden. Liegt die Temperatur des Wabenstrukturkörpers immer unter 1.200ºC, so schreitet die Korrosion aufgrund des Eisens und Alkalis schrittweise fort, und somit ist es möglich, den Wabenstrukturkörper aus Cordierit zu verwenden, welcher einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine exzellente Wärmeschockbeständigkeit aufweist. Somit kann in diesem Fall die Dimension eines Wabenstrukturkörpers größer ausgeführt werden, wodurch auch die Verwendung des Wabenstrukturkörpers erleichtert werden kann. Ist die Menge des Eisens oder des Alkalis, das vom Verbrennungsofen abgegeben wird, groß, so wird die Verwendung eines Wabenstrukturkörpers mit Mullit als Hauptkristallphase vorgezogen, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten bei hoher Temperatur aufweist, aber eine bessere Wärme- und Korrosionsbeständigkeit zeigt. Weiters ist es nur für den Niedrigtemperatur-Abschnitt möglich, den Wabenstrukturkörper mit Cordierit als Hauptkristallphase zu verwenden.
Im Fall der Verwendung eines Schweröls als Brennstoff wird SOx aufgrund der Phosphorkomponente im Schweröl erzeugt; und somit ist es nicht möglich, den Wabenstrukturkörper aus Cordierit oder Mullit für den Abschnitt des Wabenregenerators zu verwenden, in welchem die Temperatur unter dem Taupunkt von SOx liegt. In diesem Fall wird die Verwendung eines Wabenstrukturkörpers aus einem anti-korrosiven Porzellan bevorzugt. Was den Wabenstrukturkörper aus anti-korrosivem Porzellan betrifft, so werden vorzugsweise Feldspat-Porzellan und Aluminiumoxid-Porzellan verwendet, wobei beide eine offene Porosität von im Wesentlichen 0 aufweisen und eine exzellente Säurebeständigkeit zeigen. In der vorliegenden Erfindung ist es erforderlich, den Wabenregenerator unter Verwendung von Wabenstrukturkörpern aus verschiedenen Arten von Materialien entsprechend der zu verwendenden Temperatur zu erzeugen, entsprechend der zu installierenden Atmosphäre des Abgases im Verbrennungsofen und so weiter.
Fig. 3 ist eine vereinfachte Ansicht, die eine Ausführungsform wiedergibt, in welcher eine Wärmeaustauschvorrichtung dargestellt ist, die den Wabenregenerator gemäß der Erfindung verwendet und auf einen Verbrennungsraum eines Verbrennungsofens angewendet wird. In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform stellt die Bezugsziffer 11 einen Verbrennungsraum dar, die Ziffern 12-1 und 12-2 einen Wabenregenerator mit einer in den Fig. 1 und 2 gezeigten Konstruktion, die Ziffern 13-1 und 13-2 bezeichnen eine Vorrichtung für den Wärmeaustausch, die mit dem Wabenregenerator 12-1 oder 12-2 konstruiert ist, und die Ziffern 14-1 und 14-2 benennen einen Treibstoffzufuhreinlass der Wärmeaustauschvorrichtung 13-1 oder 13-2. In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform sind zwei Wärmeaustauschvorrichtungen 13-1 und 13-2 angeordnet, um das Wärmespeichern und das Erwärmen zur selben Zeit durchzuführen. D. h., wenn eine der beiden Vorrichtungen die Wärmespeicherung durchführt, kann die andere zur selben Zeit den Vorgang des Erwärmens ausführen, wodurch auf wirksame Weise ein Wärmeaustausch durchgeführt wird.
Wie durch den Pfeil in Fig. 3 verdeutlicht, wird zu erwärmende Luft nach oben in die Wärmeaustauschvorrichtung 13-1 zugeführt, in welcher der Wabenregenerator 12-1 durch die Speicherung von Wärme vorgewärmt wird, und zur selben Zeit wird ein Abgas mit einer hohen Temperatur aus dem Verbrennungsraum 11 zur Wärmeaustauschvorrichtung 13-2 zugeführt. Weiters wird Brennstoff in die Wärmeaustauschvorrichtung 13-1 über den Treibstoffzufuhreinlass 14-1 zur selben Zeit eingeleitet. Dafür wird die vorgewärmte Luft im Verbrennungsraum 11 mit Brennstoff beliefert, und der Wabenregenerator 12-2 der Wärmeaustauschvorrichtung 13-2 wird vorgewärmt.
Danach werden die Gasströme mit Bezug auf die Pfeile in Fig. 3 in die umgedrehte Richtung umgekehrt. Im Anschluss daran wird zu erwärmende Luft nach oben in die Wärmeaustauschvorrichtung 13-2 zugeführt, und zur selben Zeit wird ein Abgas mit einer hohen Temperatur aus dem Verbrennungsraum 11 zur Wärmeaustauschvorrichtung 13-1 zugeführt. In der oben erwähnten Ausführungsform kann der Wärmeaustausch durch kontinuierliches Wiederholen der oben angeführten Schritte ausgeführt werden.
Nachfolgend ist eine tatsächliche Ausführungsform in Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Ausführungsform 1

Ein Wabenstrukturkörper aus Aluminiumtitanat gemäß der Erfindung, ein Wabenstrukturkörper aus Aluminiumtitanat und Mullit gemäß der Erfindung und Wabenstrukturkörper aus Cordierit, Aluminiumoxid, Mullit oder mit Si imprägniertem SiC gemäß dem Vergleichsbeispiel wurden hergestellt. Mit Bezug auf die auf diese Weise hergestellten Wabenstrukturkörper wurden Schmelzpunkte, Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 40ºC und 800 ºC, Temperaturwechselbruchtemperaturen im elektrischen Ofen und Korrosionsbeständigkeiten gemessen und geschätzt. In diesem Fall waren drei Wabenstrukturkörper aus Aluminiumtitanat hinsichtlich Unreinheiten und der Menge der Aluminiumtitanat- Kristalle unterschiedlich.
Die Wabenstrukturkörper in Übereinstimmung mit der Erfindung wurden wie folgt hergestellt. Zuerst wurden Aluminiumoxid-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1-10 um, Titandioxid-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,1- 5 um und Mullitpulver, falls erforderlich, vermischt, um Pulver aus vermischten Rohmaterialien zu erhalten. Danach wurden organische Bindemittel, Oberflächenaktivatoren und Wasser zu den vermischten Rohmaterialpulvern zugesetzt, um eine formbare breiige Masse zu ergeben. Im Anschluss daran wurde dieser Batch extrudiert, um einen zu einer Wabenstruktur geformten Körper zu erhalten. Der auf diese Weise erhaltene, zu einer Wabenstruktur geformte Körper wurde bei einer Temperatur von 1.400-1.700ºC gebrannt, woraus ein Wabenstrukturkörper hervorging. Darüber hinaus wurden Wabenstrukturkörper in Übereinstimmung mit dem Vergleichsbeispiel in Einklang mit bekannten Herstellungsverfahren erzeugt. Alle Wabenstrukturkörper wiesen eine Dimension von 75 mm · 75 mm · 50 mm auf.
Die Temperaturwechselbruchtemperatur im elektrischen Ofen wurde wie folgt gemessen. Zuerst wurde der Wabenstrukturkörper eine Stunde lang bei den entsprechenden Temperaturen gehalten und daraufhin abgekühlt. Danach wurde Rissbildung beobachtet. Als Konsequenz daraus wurde die Temperaturwechselbruchtemperatur im elektrischen Ofen als höchste Temperatur definiert, bei welcher kein Riss erzeugt wurde. Darüber hinaus wurde die Korrosionsbeständigkeit als relativer Wert ermittelt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 veranschaulicht. Tabelle 1
Aus den in Tabelle 1 gezeigten Resultaten versteht man, dass die Wabenstrukturkörper aus drei Arten Aluminiumtitanat einen hohen Schmelzpunkt von 1.800ºC, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und somit eine exzellente Temperaturwechselbruchtemperatur in einem Elektroofen gleich oder höher jener anderer Wabenstrukturkörper aufwiesen. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Wabenstrukturkörper aus Aluminiumtitanat vorzugsweise als Wabenregenerator bei hoher Temperatur und korrosivem Zustand verwendet wurden.

Ausführungsform 2

Mit Bezug auf die Wabenregeneratoren gemäß der vorliegenden Erfindung und dem Vergleichsbeispiel wurde der tatsächliche Zustand der Regeneratoren, in welchem sie verwendet wurden, beobachtet. Zuerst wurden die Wabenregeneratoren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und dem Vergleichsbeispiel, das eine wie in Fig. 4 gezeigte Konstruktion aufweist, durch Stapelung der Wabenstrukturkörper hergestellt, so dass auf diese Weise Durchflussdurchgänge in einer Richtung angeordnet und Materialien mit einem Hochtemperatur-Abschnitt (a) und einem Niedrigtemperatur-Abschnitt (b), wie in der folgenden Tabelle 2 ersichtlich, ausgewählt wurden. Alle Wabenstrukturkörper wiesen dieselbe Dimension von 75 mm · 75 mm · 50 mm auf. Darüber hinaus setzte sich die Probe Nr. 7 in Einklang mit der Erfindung chemisch aus 97 Gew.-% Aluminiumtitanat und 3% Mullit zusammen.
Mit Bezug auf die auf diese Weise hergestellten Wabenregeneratoren gemäß der vorliegenden Erfindung und dem Vergleichsbeispiel wurden Wärmespeicherung und Wärmeabgabe wiederholt durchgeführt, entsprechend der in Fig. 5 gezeigten Kurve. In diesem Fall beträgt der Temperaturunterschied des Wabenregenerators zwischen dem Zustand des Hindurchschickens von Abgas mit einer hohen Temperatur und dem Zustand des Hindurchschickens von Kühlluft 150ºC. Darüber hinaus war ein Temperaturgefälle im Wabenregenerator entlang einer Längsrichtung L von 1,8ºC/mm zu verzeichnen. Wie in Fig. 4 gezeigt, wurden die Temperaturen während eines Betriebs an drei Punkten im Wabenstrukturkörper gemessen, d. h. an einem oberen Abschnitt A, mit welchem das Abgas in Kontakt steht, an einem mittleren Abschnitt B und einem unteren Abschnitt C, mit welchem die Kühlluft in Kontakt steht. Weiters wurde die Gesamtlänge L des Wabenregenerators in einer solche Weise variiert, dass die Temperatur des unteren Abschnitts C stets unter 300ºC lag. Dies wurde zum Zweck des Schutzes von Vorrichtungen wie Rohren, Ventilen und dergleichen ausgeführt. Es ist anzumerken, dass die Dimension (Länge) L in der Tabelle 2 ein Beispiel ist und somit nicht auf den in der Tabelle 2 angeführten Wert beschränkt ist. Die Messergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 wiedergegeben.
Tabelle 2
Struktur des Wabenregenerators
Anmerkung: Die Temperatur wird gemessen, wenn ein Abgas mit einer hohen Temperatur durch den Wabenregenerator hindurchgeschickt wird.
Die Temperatur in () wird gemessen, wenn Kühlluft durch den Wabenregenerator hindurchgeschickt wird.
Aus den in Tabelle 2 gezeigten Ergebnissen versteht sich Folgendes. Da die Wabenstrukturkörper aus Cordierit für den Hochtemperatur-Abschnitt (a) und den Niedrigtemperatur- Abschnitt (b) in den Proben Nr. 1 und 2 in Übereinstimmung mit dem Vergleichsbeispiel verwendet wurden, schmolzen erstens die Wabenstrukturkörper am Hochtemperatur- Abschnitt (a) oder sie erweichten, wenn sie bei einer Temperatur über 1.450ºC verwendet wurden, so dass die Wabenregeneratoren der Proben Nr. 1 und 2 nicht bevorzugt wurden. Weiters betrug in der Probe Nr. 3 in Übereinstimmung mit dem Vergleichsbeispiel, in welchem Wabenstrukturkörper aus Aluminiumtitanat für den Hochtemperatur-Abschnitt (a) und den Niedrigtemperatur-Abschnitt (b) verwendet wurden, die Temperatur am mittleren Abschnitt B 1.080ºC, wenn Kühlluft hindurchgeschickt wurden, und sogar 1.230ºC, wenn ein Abgas mit hoher Temperatur hindurchgeschickt wurde. In diesem Fall war Aluminiumtitanat zwar ein Material mit einem hohen Schmelzpunkt und einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wurde aber zu einem Material mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, da es bei etwa 1.100ºC in Aluminiumoxid und Titandioxid zerlegt wurde. In der Probe Nr. 3 stieg gemäß dem Vergleichsbeispiel die Temperatur am mittleren Abschnitt B nicht über 1.250ºC an, die Wabenstrukturkörper aus Aluminiumtitanat am Niedrigtemperatur-Abschnitt (b) brachen auf.
Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Schwankung der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstrukturkörper aus Aluminiumtitanat nach verschiedenen Wärmebehandlungen zeigt. In Fig. 6 wurde der Wärmeausdehnungskoeffizient abrupt in einem Temperaturbereich von 1.100ºC-1.250ºC erhöht, und somit war zu verstehen, dass eine Wärmeschockbeständigkeit in diesem Bereich schlechter war. Im Gegensatz dazu wurde der Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Temperaturbereich von über 1.250ºC nicht erhöht, und somit war zu verstehen, dass die Wabenstrukturkörper aus Aluminiumtitanat in diesem Temperaturbereich vorzugsweise verwendet wurden.
Andererseits wurden in den Proben Nr. 4-8 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung die Wabenstrukturkörper aus Aluminiumtitanat oder die Wabenstrukturkörper aus Aluminiumtitanat + Mullit für den Hochtemperatur-Abschnitt (a) und die Wabenstrukturkörper aus Cordierit oder die Wabenstrukturkörper aus Mullit für den Niedrigtemperatur-Abschnitt (b) verwendet. Darüber hinaus wurde der Wabenregenerator so konstruiert, dass die Temperatur an einer Grenze zwischen den Wabenstrukturkörpern aus Aluminiumtitanat oder den Wabenstrukturkörpern aus Aluminiumtitanat + Mullit und den Wabenstrukturkörpern aus Cordierit oder den Wabenstrukturkörpern aus Mullit, d. h. die Temperatur am mittleren Abschnitt B, nicht mehr als 1.450ºC betrug, wenn ein Abgas mit einer hohen Temperatur hindurchgeschickt wurde, und dass die oben erwähnte Temperatur nicht unter 1.250ºC lag, wenn Kühlluft hindurchgeschickt wurde. Weiters wurden die Länge L des Wabenstrukturkörpers aus Aluminiumtitanat und die Gesamtlänge L des Wabenregenerators entsprechend der zu verwendenden Temperatur variiert. In den Proben Nr. 4-8 gemäß der vorliegenden Erfindung war der zu verwendende Zustand des Wabenregenerators immer normal, d. h. sowohl der Hochtemperatur-Abschnitt als auch der Niedrigtemperatur-Abschnitt des Wabenregenerators waren stets normal. Wurden sowohl die Wabenstrukturkörper aus Cordierit als auch die Wabenstrukturkörper aus Mullit beim Niedrigtemperatur-Abschnitt verwendet, konnten dieselben Ergebnisse wie in den Proben Nr. 4-8 gemäß der Erfindung erhalten werden.
Nachfolgend sind tatsächliche Ausführungsformen gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Ausführungsform 3

Zuerst wurden die Wabenstrukturkörper aus den verschiedenen, in der vorliegenden Erfindung verwendeten Materialien hergestellt. Mit Bezug auf die auf diese Weise hergestellten Wabenstrukturkörper wurden die Schmelzpunkte, Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 40ºC und 800ºC, Temperaturwechselbruchtemperaturen in einem elektrischen Ofen, Alkali- und Säurebeständigkeiten gemessen. Die Temperaturwechselbruchtemperatur in elektrischen Öfen wurde wie folgt gemessen. Zuerst wurde der Wabenstrukturkörper mit einer Dimension von 75 mm · 75 mm · 50 mm bei den jeweiligen Temperaturen eine Stunde lang gehalten und danach abgekühlt. Im Anschluss daran wurde Rissbildung beobachtet. Daraus ergab sich, dass die Temperaturwechselbruchtemperatur in einem elektrischen Ofen als die höchste Temperatur definiert wurde, bei welcher sich keine Risse bildeten. Darüber hinaus wurden sowohl die Alkali- als auch die Säurebeständigkeit relativ geschätzt und, ausgehend von einer guten Beständigkeit, in der Reihenfolge von > O > Δ > x markiert. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 3 wiedergegeben. Tabelle 3
Anmerkung: Die Dimension des Wabenstrukturkörpers, der für die Messung der Temperaturwechselbruchtemperatur verwendet wurde, beträgt 75 mm · 75 mm · 50 mm.
Aus den in der Tabelle 3 dargestellten Ergebnissen zeigt sich, dass die Wabenstrukturkörper aus Aluminiumtitanat, die Fe&sub2;O&sub3; und MgO umfassen, einen hohen Schmelzpunkt von 1.700ºC, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hohe Temperaturwechselbruchtemperatur in einem elektrischen Ofen aufwiesen, und somit war zu verstehen, dass der Wabenstrukturkörper aus Aluminiumtitanat über eine exzellente Wärmeschockbeständigkeit verfügte. Darüber hinaus war zu verstehen, dass Aluminiumtitanat eine bessere Alkali- und eine bessere Säurebeständigkeit aufwies als die anderen Materialien. Im Gegensatz dazu wiesen die Wabenstrukturkörper aus Porzellan, die im Niedrigtemperatur-Abschnitt des Wabenregenerators verwendet wurden, einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufwiesen, und somit die Wärmeschockbeständigkeit nicht so gut war. Jedoch war zu verstehen, dass die Wabenstrukturkörper aus Porzellan eine bessere Säurebeständigkeit aufwiesen als die Wabenstrukturkörper aus anderen Materialien.

Ausführungsform 4

Mit Bezug auf den Wabenregenerator mit verschiedenen Konstruktionen gemäß der vorliegenden Erfindung und dem Vergleichsbeispiel wurde der tatsächliche Zustand, in dem die Wabenregeneratoren verwendet wurden, beobachtet. Zuerst wurden die Wabenregeneratoren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und dem Vergleichsbeispiel mit einer in Fig. 7 gezeigten Konstruktion hergestellt, indem die Wabenstrukturkörper in einer solchen Weise gestapelt wurden, dass Durchflussdurchgänge in einer Richtung angeordnet und Materialien des Hochtemperatur-Abschnitts (a), des Abschnitts mit mittlerer Temperatur (b) und des Niedrigtemperatur-Abschnitts (c) ausgewählt wurden, wie dies in der folgenden Tabelle 4 veranschaulicht ist. Alle Wabenstrukturkörper wiesen dieselbe Dimension von 75 mm · 75 mm · 50 mm auf. Darüber hinaus war die in dieser Ausführungsform verwendete Atmosphäre, in welcher eine Alkali- und eine Eisenkomponente suspendiert waren, eine harte Bedingung. Hinsichtlich des Treibstoffs für den im Ofen zu verwendenden Brenner wurden Erdgas und Schweröl verwendet. Im Fall der Verwendung von Schweröl wurde bestätigt, dass Schwefelsäure unter einem Taupunkt der Säure im Ofen erzeugt wurde.
Mit Bezug auf die auf diese Weise hergestellten Wabenregeneratoren in Einklang mit der vorliegenden Erfindung und dem Vergleichsbeispiel wurden Wärmespeicherung und Wärmeabgabe wiederholt gemäß der in Fig. 8 gezeigten Kurve ausgeführt. In diesem Fall beträgt der Temperaturunterschied des Wabenregenerators zwischen dem Zustand des Hindurchschickens des Abgases mit hoher Temperatur und dem Zustand des Hindurchschickens von Kühlluft etwa 150ºC. Die folgende Tabelle 4 zeigt eine Konstruktion der jeweiligen Wabenregeneratoren und den tatsächlichen Zustand der Verwendung. In den in Tabelle 4 dargestellten Ergebnissen wurden die Temperaturen der Wabenregeneratoren an den in Fig. 7 angeführten Temperaturmesspositionen (1)-(4) gemessen, wenn der Wabenregenerator seine höchste Temperatur zeigte, d. h., wenn ein Abgas mit einer hohen Temperatur hindurchgeschickt wurde. Darüber hinaus wurde die Gesamtlänge L des Wabenregenerators in einer solchen Weise variiert, dass die Temperatur der Temperaturmessposition (4) stets unter 300ºC lag. Dies ist auf den Schutz der Vorrichtungen wie Rohre, Ventile und dergleichen zurückzuführen. Weiters wurde in Tabelle 4 die Temperatur gemessen, wenn ein Abgas mit einer hohen Temperatur durch den Wabenregenerator hindurchgeschickt wurde. Tabelle 4
Aus den in Tabelle 4 gezeigten Ergebnissen ist das Folgende abzuleiten. Erstens, da die Wabenstrukturkörper aus Cordierit für sowohl den Hochtemperatur-Abschnitt (a), den Niedrigtemperatur-Abschnitt (b) als auch den Abschnitt mit mittlerer Temperatur (c) in der Probe Nr. 1 gemäß dem Vergleichsbeispiel verwendet wurden, schmolzen die Wabenstrukturkörper beim Hochtemperatur-Abschnitt (a), an welchem die Temperatur über dem Schmelzpunkt des Cordierits lag, auch brachen die Wabenstrukturkörper beim Abschnitt mit mittlerer Temperatur (b), bei welchem die Temperatur mehr als 1.200ºC betrug, oder es erfolgte Erweichung, was auf die abrupte fortschreitende Korrosion durch die Alkali- oder Eisenkomponente zurückzuführen ist. Demgemäß ist zu verstehen, dass der Wabenregenerator aus den Cordierit-Wabenstrukturkörpern nicht bevorzugt wurde. Darüber hinaus brachen die Wabenstrukturkörper aus Aluminiumoxid in der Probe Nr. 2 gemäß dem Vergleichsbeispiel, in welchem die Wabenstrukturkörper aus Aluminiumoxid verwendet wurden, um ein Schmelzen des Hochtemperatur-Abschnitts (a) zu verhindern, da die Wabenstrukturkörper aus Aluminiumoxid einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufwiesen, und somit die Wärmeschockbeständigkeit schlechter war. Weiters brachen die Wabenstrukturkörper beim mittleren Abschnitt (b) aufgrund der Korrosion, welche dieselbe wie in der Probe Nr. 1 gemäß dem Vergleichsbeispiel ist, und wurden nicht verwendet.
In der Probe Nr. 3 gemäß dem Vergleichsbeispiel, in welchem die Wabenstrukturkörper aus Mullit, die einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als jenen von Aluminiumoxid aufwiesen, für den Hochtemperatur-Abschnitt (a) verwendet wurden und in welchem die Wabenstrukturkörper aus Aluminiumoxid für den Abschnitt mit mittlerer Temperatur (b) verwendet wurden, brachen die Wabenstrukturkörper aus Aluminiumoxid beim Abschnitt mit mittlerer Temperatur (b) aufgrund der Korrosion nicht, und sie brachen auch aufgrund des Wärmeschocks nicht, da der auf den Abschnitt mit mittlerer Temperatur (b) wirkende Wärmeschock im Vergleich zu jenem des Hochtemperatur-Abschnitts schwächer war. Die Wabenstrukturkörper aus Mullit brachen jedoch am Hochtemperatur-Abschnitt aufgrund des Wärmeschocks. Somit wurden in den Proben Nr. 6-10 gemäß der vorliegenden Erfindung die Wabenstrukturkörper aus nur Aluminiumtitanat, Aluminiumtitanat, zu welchem 5 Gew.-% MgO und 5 Gew.-% Fe&sub2;O&sub3; zugesetzt wurden, oder Aluminiumtitanat, zu welchem Mullit zugegeben wurde, für den Hochtemperatur-Abschnitt (a) verwendet, an welchem Korrosion aufgrund der Alkali- und Eisenkomponente und der darauf wirkende Wärmeschock groß waren, wobei die Wabenstrukturkörper aus Aluminiumoxid zumindest für den Abschnitt mit mittlerer Temperatur (b) verwendet wurden, in welchem die Temperatur über 1.200ºC lag, wenn der Wabenregenerator seine höchste Temperatur erreichte, und die Wabenstrukturkörper aus Cordierit, Mullit, Cordierit, zu welchem Mullit zugegeben wurde, oder einer Kombination aus Cordierit und Porzellan wurden für den Niedrigtemperatur-Abschnitt (c) verwendet.
Daraus ergab sich, dass das Aluminiumtitanat gemäß der Erfindung eine exzellente Korrosionsbeständigkeit aufgrund der Alkali- und Eisenkomponente sowie einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufwies, so dass die Wärmeschockbeständigkeit groß war. Somit ist zu verstehen, dass die Wabenstrukturkörper aus Aluminiumtitanat vorzugsweise für den Hochtemperatur-Abschnitt (a) verwendet wurden, in welchem die Korrosion hart war. Weiters wurden in den oben erwähnten Konstruktionen in Übereinstimmung mit der Erfindung die Wabenstrukturkörper aus Aluminiumoxid am Abschnitt mit mittlerer Temperatur (b) verwendet, und die Wabenstrukturkörper aus verschiedenen Materialien wurden vorzugsweise beim Niedrigtemperatur-Abschnitt (c) problemlos verwendet. Somit war zu verstehen, dass die Wabenregeneratoren gemäß der vorliegenden Erfindung nicht brachen und Wärmeaustausch wirksam ausgeführt werden konnte. In der Probe Nr. 4 gemäß dem Vergleichsbeispiel waren die Wabenstrukturkörper beim Hochtemperatur- Abschnitt (a) und beim Abschnitt mit mittlerer Temperatur (b) normal, da die Wabenstrukturkörper aus Aluminiumoxid beim Abschnitt mit mittlerer Temperatur (b) über 1.200ºC an der Temperaturmessposition (3) verwendet wurden, jedoch schmolzen die Wabenstrukturkörper aus Cordierit am Niedrigtemperatur-Abschnitt. Weiters könnten in den Proben Nr. 6, 7, 8 und 9 die Wabenstrukturkörper aus Aluminiumoxid am Abschnitt mit mittlerer Temperatur für den Niedrigtemperatur-Abschnitt (c) verwendet werden, d. h. dem Abschnitt unterhalb der Temperaturmessposition (3).
In den oben erwähnten Proben wurde Erdgas als Brennstoff des im Ofen verwendeten Brenners verwendet, und somit wurde am Niedrigtemperatur-Abschnitt beim Abkühlen keine Korrosion aufgrund von Schwefelsäure erzeugt. In der Probe Nr. 5 gemäß dem Vergleichsbeispiel wurde Schwefelsäure aufgrund des Tauens von SOx am Niedrigtemperatur- Abschnitt (c) beim Abkühlen erzeugt, da Schweröl als Treibstoff für den Brenner verwendet wurde; aus diesem Grund korrodierten die Wabenstrukturkörper am Niedrigtemperatur- Abschnitt (c) aufgrund der erzeugten Schwefelsäure. In der Probe Nr. 10 gemäß der vorliegenden Erfindung brach der Wabenregenerator selbst am Niedrigtemperatur-Abschnitt (c) nicht und schmolz auch nicht, da Wabenstrukturkörper aus Porzellan für den Abschnitt verwendet wurden, in welchem Säurebeständigkeit erforderlich war.

Ausführungsform 5

Die Auswirkungen der Zugaben von MgO und Fe&sub2;O&sub3; hinsichtlich eines Wabenstrukturkörpers aus Aluminiumtitanat wurden untersucht. Zuerst zeigt Fig. 9 eine Variation der Eigenschaften aufgrund der Zugabe von MgO in Bezug auf das Aluminiumtitanat gemäß der Erfindung. In Fig. 9 zeigt CTE einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 40ºC und 800ºC entlang der Strömungsrichtung des gebrannten Wabenstrukturkörpers. Weiters wurde eine Gewichtsreduktionsrate als Indikator für die Alkalibeständigkeit aus dem Gewichtsverlust gemessen, der sich ergibt, wenn der Wabenstrukturkörper in 10 Gew.-% einer NaOH-Lösung bei 150ºC zwanzig Stunden lang eingetaucht verbleibt. War die Gewichtsreduktionsrate gering, so war zu verstehen, dass eine exzellente Alkalibeständigkeit erreicht wurde. Weiters betrug in allen Fällen die Menge an Fe&sub2;O&sub3; 5 Gew.-%.
Aus den in Fig. 9 gezeigten Ergebnissen ergibt sich, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Korrosionsbeständigkeit der Wabenstrukturkörper aus Aluminiumtitanat entsprechend variierten, wenn die Menge an zuzusetzendem MgO variierte. In anderen Worten heißt dies, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient vorübergehend auf einen bestimmten Wert absank, wenn die zuzusetzende Menge an MgO größer war, und danach schrittweise von diesem bestimmten Wert entsprechend der steigenden Zugabe an MgO anwuchs. Weiters sank die Gewichtsreduktionsrate als Indikator für die Alkalibeständigkeit entsprechend der steigenden MgO-Zugabe auf einen gewissen Wert ab, danach sank die Gewichtsreduktionsrate nicht weiter. Aus den in Fig. 9 gezeigten Ergebnissen war zu verstehen, dass sowohl der Wärmeausdehnungskoeffizient als auch die Alkalibeständigkeit, die für den Wabenregenerator erforderlich sind, in einem MgO-Bereich von 4-10 Gew.-% ausreichend zufriedenstellend waren.
Fig. 10 zeigt Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wabenstrukturkörper aus verschiedenen Zusammensetzungen, nachdem diese bei einer Temperatur von 1.100ºC die jeweiligen Alterungszeiten lang gehalten wurden. Wie in Fig. 10 gezeigt, wurde der Wärmeausdehnungskoeffizient in den Wabenstrukturkörpern aus Aluminiumtitanat, denen weder MgO noch Fe&sub2;O&sub3; zugegeben wurde (AT), rapide durch eine kurze Wärmebehandlung erhöht. Weiters wurde in den Wabenstrukturkörpern, in welchen 10 Gew.-% MgO dem Aluminiumtitanat zugesetzt wurden (MAT), der Wärmeausdehnungskoeffizient allmählich durch langdauernde Wärmebehandlung erhöht. Wenn daher die Wabenstrukturkörper AT und MAT für lange Zeit in hoher Temperatur verwendet werden, stieg der Wärmeausdehnungskoeffizient an, wodurch die Möglichkeit des Brechens dieser Wabenstrukturkörper groß war.
Unter einer solchen Bedingung wurden die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Wabenstrukturkörpern, in welchen MgO und Fe&sub2;O&sub3; dem Aluminiumtitanat zugefügt wurden (MATF), nach einer langen Wärmebehandlung gemessen. In den Wabenstrukturkörpern, in welchen 1 Gew.-% Fe&sub2;O&sub3; zugesetzt wurde (MATF-1), stieg der Wärmeausdehnungskoeffizient allmählich an. In Wabenstrukturkörpern jedoch, in denen 2 Gew.-% Fe&sub2;O&sub3; zugefügt wurden (MATF-2), in Wabenstrukturkörper, in welchen 5 Gew.-% Fe&sub2;O&sub3; zugefügt wurden (MATF-5) sowie in Wabenstrukturkörpern, in welchen 10 Gew.-% Fe&sub2;O&sub3; zugefügt wurden (MATF-10), waren die Wärmeausdehnungskoeffizienten niedrig und stiegen auch durch eine lange Wärmebehandlung nicht an. In den Wabenstrukturkörpern jedoch, in welchen 15 Gew.-% Fe&sub2;O&sub3; zugefügt wurden (MATF-15), erhöhte die lange Wärmebehandlung den Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht, war aber bereits vor der Wärmebehandlung hoch, so dass MATF-15 nicht bevorzugt verwendet wurde. Es ist anzumerken, dass 5 Gew.-% MgO in allen oben erwähnten MATF-Serien zugefügt wurden. Somit ist zu verstehen, dass vorzugsweise 2-10 Gew.-% Fe&sub2;O&sub3; dem Aluminiumtitanat zugefügt wurden.
Wie ausgehend von der Ausführungsform 5 zu verstehen ist, werden vorzugsweise 4-10 Gew.-% MgO und 2-10 Gew.-% Fe&sub2;O&sub3; dem Aluminiumtitanat in Wabenstrukturkörpern zugesetzt. In den oben erwähnten Ausführungsformen finden hinsichtlich von Rohmaterialien wie Cordierit, Mullit, Aluminiumtitanat und so weiter, die Wabenstrukturkörper am Hochtemperatur-Abschnitt, am Abschnitt mit mittlerer Temperatur und am Niedrigtemperatur-Abschnitt ausbilden, allgemein verwendete Rohmaterialien, Schamotte und dergleichen oder eine Kombination davon Anwendung.

Claims

1. Wabenregenerator zur Rückgewinnung von Abwärme in einem Abgas durch abwechselndes Hindurchschicken des Abgases und eines zu erwärmenden Gases, umfassend eine Vielzahl aufeinander gestapelter Wabenkörper, dadurch gekennzeichnet, dass (a) in einem Hochtemperatur-Abschnitt, in dem die Temperatur während des normalen Betriebs über 1.250ºC liegt, die Wabenkörper aus Aluminiumtitanat als Hauptkristallphase oder einer Kombination aus Aluminiumtitanat und Mullit bestehen, und (b) die Wabenkörper in einem Niedrigtemperatur-Abschnitt, in dem die Temperatur zumindest einmal während der Wärmespeicherung und Wärmeabgabe unter 1.250ºC liegt, aus Cordierit und/oder Mullit als Hauptkristallphase bestehen.

2. Wabenregenerator nach Anspruch 1, worin im Aluminiumtitanat MgO und Fe&sub2;O&sub3; enthalten sind.

3. Wabenregenerator zur Rückgewinnung von Abgaswärme in einem Abgas durch abwechselndes Hindurchschicken des Abgases und eines zu erwärmenden Gases, umfassend eine Vielzahl aufeinander gestapelter Wabenkörper, dadurch gekennzeichnet, dass (a) in einem Hochtemperatur-Abschnitt, mit dem das Abgas mit einer hohen Temperatur in Kontakt steht und in dem die Temperatur während des normalen Betriebs zumindest 1.300ºC beträgt, die Wabenkörper aus Aluminiumtitanat als Hauptkristallphase oder einer Kombination aus Aluminiumtitanat und Mullit bestehen, (b) in einem Abschnitt mit mittlerer Temperatur, in dem die Temperatur niedriger als jene des Hochtemperatur-Abschnitts ist und zumindest 1.200ºC beträgt, die Wabenkörper aus Aluminiumoxid als Hauptkristallphase bestehen, und (c) in einem Niedrigtemperatur-Abschnitt, in dem die Temperatur geringer ist als jene der Wabenkörper des Abschnitts mit mittlerer Temperatur, die Wabenkörper aus einem Material oder einer Kombination aus Materialien bestehen, die aus Cordierit, Mullit und einem Porzellan mit hoher Korrosionsbeständigkeit ausgewählt sind.

4. Wabenregenerator nach Anspruch 3, worin die Wabenkörper im Hochtemperatur- Abschnitt (a) aus Aluminiumtitanat als Hauptkristallphase bestehen, die Wabenkörper im Abschnitt mit mittlerer Temperatur (b) aus Aluminiumoxid als Hauptkristallphase bestehen und die Wabenkörper im Niedrigtemperatur-Abschnitt (c) aus Cordierit als Hauptkristallphase bestehen.

5. Wabenregenerator nach Anspruch 3 oder 4, worin das Aluminiumtitanat der Wabenkörper des Hochtemperatur-Abschnitts (a) 4 bis 10 Gew.-% MgO und 2 bis 10 Gew.-% Fe&sub2;O&sub3; enthält.

6. Wabenregenerator nach Anspruch 5, worin der Wärmeausdehnungskoeffizient der Wabenkörper aus Aluminiumtitanat als Hauptkristallphase oder einer Kombination aus Aluminiumtitanat und Mullit unter 1,0 · 10&supmin;&sup6;/ºC in einem Temperaturbereich von 40 bis 800ºC liegt.

7. Wabenregenerator nach Anspruch 3, 4 oder 5, worin im Niedrigtemperatur-Abschnitt (c) die Porzellan-Wabenkörper in einem Abschnitt angeordnet sind, in dem die Temperatur unter einem Taupunkt einer Säure liegt, die im Abgas enthalten ist.

8. Wabenregenerator nach Anspruch 1, 3, 4 oder 5, worin eine Abmessung der Wabenkörper, die in einem Außenumfangsabschnitt angeordnet sind, mit dem ein Abgas mit einer hohen Temperatur in Kontakt kommt, kleiner ist als jene der Wabenkörper, die in einem mittleren Abschnitt angeordnet sind.

9. Verfahren zum Betreiben eines Wabenregenerators nach Anspruch 1 oder 3, umfassend die Schritte des abwechselnden Hindurchleitens eines Abgases und eines zu erwärmenden Gases in entgegengesetzte Richtungen durch die übereinander gestapelten Wabenkörper hindurch.