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      燃天然气玻璃窑炉设计应用的体会

      2012年9月7日  

          燃天然气玻璃窑炉设计应用的体会
          陈兴孝 重庆莱弗窑炉工程有限公司(重庆北碚莱弗玻璃工程有限公司)重庆400700
          张萃富 四川天马玻璃有限公司629209
          摘要通过对天然气发生炉煤气重油三种燃料内部分子结构及燃烧特性的分析比较借鉴比较成熟的燃发生炉煤气及燃重油玻璃窑炉的结构提出根据天然气的内部结构特征及燃烧特性设计燃天然气玻璃窑炉
          关键词天然气 内部分子结构 窑炉结构
         
          四川地区将天然气作为燃料应用于玻璃窑炉 用方式进行试用已经有20多年的时间了笔者设计建造了数十座天然气玻璃窑炉在这过程中有一些经验教训和体会这里把它写出来起一个抛砖引玉的作用以使我们在天然气窑炉设计应用方面上一个新台阶使天然气在玻璃窑炉中应用得更好使玻璃窑炉的寿命更长能耗更低
         
          1978年重庆地区开始使用天然气作为玻璃窑炉的燃料在初期使用天然气作为燃料来熔制玻璃时由于对天然气缺乏认识也没有什么资料可以借鉴我们就摹仿燃煤气和燃重油的玻璃窑炉的使在用煤气熔化玻璃的窑炉上试用是直接将天然气用管道接到小炉里进行燃烧我们感觉到这种火焰软而长无力没有动量而且天然气在小炉内大量析碳只需l一2天时间就在小炉底板上(特别是纵焰窑)聚集了大量的碳黑大量碳黑在小炉底板上聚集而形?#28903;?#30861;物天燃气从喷枪喷出后受阻火焰的流向发生改变因而直接影响熔化效果因此每隔l一2天就要将碳黑清除掉清除碳黑是一件很费力的事要用铁钎剔打才能将?#38454;?#22312;炉底上的碳黑清除掉清除碳黑时要将天然气关掉时间一长又影响炉温大量的碳黑没在炉内燃烧释放出热量因此浪费了大量的燃料在这种情况下我们?#32844;?#29031;燃重油的窑炉将喷枪架设到喷火口附近燃烧在使用中我们感觉到火焰的亮度不够火焰长火焰的覆盖面较窄
         
          天然气和煤气同是气体燃料天然气和重油同是烃类燃料为什么在窑炉结构相同的情况下燃烧状况会有如此大的差异呢?为了用好天然气我们不得不从它们的内部结构上去?#20063;?#24322;因为任何物质的物理特性的不同都是由于它们的化学结构不同而造成的
         
          1天然气的化学结构及物理特性
         
          任何物质的外部属性都是由内部的分子结构决定的要用好天然气必须对天然气的内部结构有一个清楚的认识
          天然气是指通过生物化学作用及地质变?#39318;?#29992;在不同的地质条件下生存迁移并于一定压力下储集在地质构造中的可燃气体通常根据形成条件不同分为油田伴生气气田气及凝析气田气
          天然气是一种混合气体其组成随气田和产气层不同而异气田气(又叫气井气)的主要成分为
          CH4(甲烷)含量可达95 一98 C,H6(乙烷)以上的烃类较少同时还含有少量H2SCO,NH,O以及HeAr等非烃类组分其密度为0507kgNm 四川的天然气属于这一类(包括陕北长庆干气田天然气)油田伴生气主要产于油田附近是石油的伴生物它的特征是除含有大量CI-h(甲烷的含量为758796)外Czo以上的烃类含量较高约为10 C02约为596一l0 其密度为0608kgNm大庆大港地区的天然气属于这一类凝析气田气除含有大量CH外CsH-以上烃类含量较高并含有汽油和煤油成分(有的学者将油田伴生气与凝析气田气归成一类)⋯
         
          虽然天然气是一种混合物但是它的主要成分是CH (甲烷)因此它的外部属性如燃点火焰传播速度等燃烧特性主要由甲烷的内部结构决定英国科学家韦弗(Weaver)提出的燃气混合法则也证实这一点他提出从各组成燃气的燃烧速度系数F求出燃烧速度因素S用来表示混合燃气的燃烧速度与氢在空气中最大燃烧速度的百分比关系(后者定为
          100)韦弗给出的S与F的关系式如下
         

      燃天然气玻璃窑炉设计应用的体会


         
          从上表可以看到虽然甲烷CH的燃烧速度系数F不算大为148但甲烷占天然气的容积成分都很大是其它组份的几十倍因此CH的燃烧特性在天然气中占主导地位
          甲烷的分子结构是最典型的四面体结构由于碳原子处在四个氢原子的正中并且每个键的键
          长键角相同因而它是非极性分子l I在甲烷的分子构成中碳氢原子之间是6键的形式结合CH键键长为1093置平均键焓(298K)为412HkJtoolI4I o
          甲烷是无色气体 微有?#20852;?#21619; 密度为0715kgNm 难溶于水临界温度为一825~C低位热值为3580okJNm 着火温度为530750~C火焰呈微弱亮光与空气混合后在爆炸极限范围内遇火易发生爆炸当空气中的甲烷浓度达到25 一30 ?#21271;?#21487;对人体构成毒害
         
          2天然气与煤气重油内部结构比较
         
          燃煤气燃重油的玻璃窑炉在我国应用时间很长应用面也很广燃烧技术也十分成熟而燃天然气的窑炉则相反为了更好借鉴燃煤气燃重油玻璃窑炉的结构有必要对上述三种燃料进行比较
         
          煤气有焦炉煤气高炉煤气水煤气发生炉煤气之分作为玻璃工厂用得最多的还是以空气和水蒸气混合物作为气化剂而得到的混合发生炉煤气
         
          发生炉煤气的主要成分是CO(一氧化碳)和H(氢气)发生炉煤气的质量随原煤质量煤气炉型和操作技术状况变化而变化一般CO的含量在22 一30 H2的含量在12 一18 并含有少量甲烷其含量是在I2443 CO的分子结构是直线型由于氧原子的电负
          性较大因而其分子有极性并且分子键的构成中含有1r键C__o键键长为I4 键焓为360AHkJtool一氧化碳是无色无味气体 密度为I25lgNm难溶于水临界温度为一197"t2低热值为1260010Nm 着火温度为610650'I2当它的气体混合物中含有少量水时可使其着火温度降低一氧化碳燃烧时火焰为淡蓝色其毒性很大当空气含有006CO时即有害于人体含020 时可使人失去知觉含040 时可使?#25628;?#36895;死亡
          重油是原油按油的馏分(温度)提取石油气汽油重汽油煤油柴油后的渣油
          我国目前工业窑炉上使用的重油多为减压渣油有时也掺一些常压渣油重油的化学组成比较复杂但一般都是碳链在16以上的烷属烃环烷烃(如环乙烷环戊烷的衍生物)以及芳香烃(如苯及甲苯)在它们化学组成中都是以C-H和C_-c键相链由于碳链较长在一定条件下比较容易断裂生成分子量较小的简单的碳氢化合物重油除?#22235;?#37096;组成的差异外在常温常压下还有状态的差异它可以?#28903;?#31264;的液体到固体l I
         
          3天然气与煤气重油燃烧特性比较及燃天然气小炉结构设计
         
          燃料的燃烧过程是一复杂的物理化学过程但燃烧的本身实质是一化学反应是燃料中可燃物质与空气中氧气进行迅速发光发热的氧化反应我们知道燃气燃烧必须具备三个条件(1)燃气中可燃成分和空气中的氧气要按一定比例呈分?#24188;?#24577;混合
          (2)参与反应的分子在碰撞?#21271;?#39035;具有破坏旧分子和生成新分子所需的能量(即周围环境温?#32570;?#39035;在着火温度以上)
          (3)具有完成反应所必须的时间I7I
         
          天然气与发生炉煤气比较相同之处是气体燃料但是由于甲烷中的C-H键是8键发生炉煤气
          中的C 中有1r键成分1r键较8键活泼(从上述的键长来看叮r键的键长比8键的键长长0357 从键焓来看订键的键焓比6键的键焓少52AHlJtool )因而一氧化碳较甲烷容易破坏旧分子生成新分子发生炉煤气中含有大量的氢气氢原子的构型为ls 型它很容?#36164;?#21435;电子而处于稳定状态因而氢气的燃烧速度大由于内部结构的差异在宏观的物理性质上在着火温度和燃烧速度(火焰的法向传播速度)上也就表现出较大的差异见表2
         
          通过预热后的煤气温度可高达9OO1000~通过三通道预热的煤气温?#28982;?#26356;高?#20302;?#30340;温度越高分子的热运动越剧烈它们所具有的能量也越大亦即温度越高具有活化能或能量超过活化能的分子数越多反应也就进行得越剧烈根据阿累尼乌?#26500;?#20110;化学反应速度的表达式(K= -d l')及反应速度与温度的关系曲线(见图1)可知曲线随温度升高而迅速上升然后又变为缓慢上升最后趋向于一
         
          表2 单一可燃气体的燃烧特性
          着火温度 最大燃烧速度 最大燃烧速度时 爆炸的上下?#25628;?低热值
          名 称 分子量
          (cI=) Nms 一次空气系数 <2ooc空气中体和 lJNm
          甲烷 16043 540 038 090 l5050 35883
          氢气 2016 400 28 057 75940 l076l
          一氧化碳 280l0 605 05l 046 742125 12636
          美国RR赖歇认为 基本由甲烷组成的天
          然气在理论助燃空气量时最大燃烧速度约每秒
          03米氢气与55的理论助燃空气量组成的混合
          气的燃烧速度则10倍于天然气用煤生产的人造
          气(指人工煤气)或焦炉煤气中含有约55 的自由
          氢气它的火焰速度可10倍于天然气
          W
          反应速度与温度的关系gro一假定所有分子碰撞均为有效反应所具有的速度
          图I
          再则玻璃池窑用的大都是发生炉热煤气?#29992;?#27668;发生炉出来的煤气温度一般都在500700cI=条水?#35282;?#32447;w =wo只有当温度达到llOSK左右时反应速度的增长才开?#25216;?#24930;实验表明一般化学反应温度每增加l0cI=反应速度约增加24倍?#21462;?#22240;此热煤气又大大提高了火焰的燃烧速度这也是煤气燃烧比天然气燃烧火焰短的另一个重要原因
         
          天然气是通过管道引进池窑的一般都不经过预热而直接燃烧加上自身结构的特征决定了天然气的燃烧速度火焰长度与煤气不同再则天然气的热值高发生炉煤气热值低因此燃天然气池窑也不能按燃煤气池窑来设计
         
          另外发生炉煤气里含有大量的碳粒含挥发物较多的烟煤燃烧时其火焰的黑度日=070重油燃烧火焰的黑度8f=085Illl而天然气由于CH比例小在无焰燃烧时黑度8r=02在有焰燃烧时黑度8f=可?#28304;?#21040;06
         
          液体燃料的沸点低于其燃点因而液体燃料的燃烧过程是?#26085;?#21457;生成燃料蒸气然后与空气相混合进而发生燃烧与气体燃料不同的是液体燃料在与空气混合?#25353;?#22312;蒸发气化过程对于重质液体燃料还有一个热分解(裂解)过程即燃料由于受热而裂解成轻质碳氢化合物和碳黑轻质碳氢化合物以气态形成燃烧而碳黑则以固相燃?#25307;?#24335;燃烧
         
          重油是比较难蒸发气化的液体燃料通常是使用喷枪?#35789;?#29616;雾化喷枪通过雾化剂(高压空气或蒸汽)把液体燃料破碎成许多直径从几微米到几百微米的小液滴悬浮在空气中边蒸发边燃烧由于燃料的蒸发表面积增加了上千倍因而有利于液体燃料迅速燃烧
         
          油雾从喷咀喷出?#38454;?#28779;之?#25353;?#22312;三个吸热过程首先是燃料液滴需要加热到它的气化温度其次是吸收气化?#27604;?#21457;生相变成为燃料蒸气再次是燃料蒸气被加热?#38454;?#28779;温度而后才能发生燃烧有的学者计算l 燃油雾化着火前所吸收的热量约为25083762kJkg约占燃油发热量的百?#31181;?#21313;(在燃料蒸气被加热?#38454;?#28779;温?#29123;?#29123;烧过程中大分子长键化合物裂解成小分子简易化合物也需要吸收热量)
         
          以上可以看出燃重油窑炉喷枪架设在小炉口附近能更好地满足燃烧的要求熔窑内的高温能更好地满足油雾燃烧所吸热的需要熔窑的高温可以使油雾中的长键大分子化合物能更快袭解成效十?#31181;?#19968;的小分子化合物熔窑有较大的空间有利于释放因油滴表面积的增加及分子数目的增?#29992;?#36896;成的压力增高
         
          通过上述分析我们认为若燃天然气小炉象燃重油池炉一样设计天然气出喷枪后就人熔窑在熔窑这个空间里单位容积里燃气?#33073;?#27668;的浓度小分子产生碰撞几率小因而火焰火根的温度不高火焰长燃天然气小炉可以借鉴燃发生炉煤气小炉有一个预燃室(预混段)在预燃室这个狭窄的空间里在单位容积里燃气?#33073;?#27668;浓度都很大天然气和助燃气(二次空气)在一次空气的作用下能够较好地混合燃气与空气预混得越好燃气与空气几乎能在同一时问内发生反应因而能够产生较高的温度在预燃室里天然气还可?#22278;?#20998;裂解产生碳粒提高火焰的辐射能力为了进一步提高天然气自增碳能力我们在小炉里喷咀上部设置了导向砖 在喷火小炉侧导向砖上部是预热的二次空气下部的天然气在导向砖下倾角翻小炉底这
          图 2
         
          阵放大
         
          三角区内特别是导向砖内形成一个涡流回流区(见图2)天然气的回流有利于大量碳的析出使火焰更?#29992;?#20142;
         
          燃天然气小炉预燃室的长短它与窑炉的大小二次空气预热温度的高低有关窑炉越大(即越长)要求火焰长度越长预燃室的长度可?#23454;倍?#19968;些二次空气预热越高天然气与空气的燃烧反应越剧烈火焰就越短
         
          另外预燃室的长短还与天然气的火焰法向传播速度有关即天然气的种类不一样预燃室的长短也不一样再则熔制玻璃的种类不一样对火根火中火稍的温度要求不一样预燃室的长度也有区别
         
          燃天然气小炉的空气下倾角从2l一30我们作过多种尝试若喷枪口径小使用压力高空气下倾?#19988;?#22823;但是若喷枪口?#30701;?#23567;使用压力高天然气在预燃室停留的时间短天然气与助燃空气的混合不够火焰亮度不高火根温度不高并?#19968;?#28976;气层不厚火焰覆盖面变窄因此喷枪口径不?#25628;?#24471;过小我们通过实践认为空气下倾角的设计不宜按燃重油池炉那样取较大的空气下倾角因为燃重油池炉为了便于重油雾化使用压力较大 在02MPa左右 而天然气的使用压力在00305MPa并?#19968;?#28976;的长?#28982;?#21463;喷枪的角度的影响若火焰要求短喷枪可稍向上倾空气下倾角可?#28304;?#21453;之空气下倾角可小一些一般马蹄焰池炉空气下倾角应在2l一25之间
         
          为了提高火焰的传导传?#29123;?#23545;流传热提高火焰的覆盖面我们在喷火口的总宽?#29123;?#21943;火口的火焰喷出速度上也有一些实践体会我们认为喷火口l总宽度(即两个喷火口宽度之和)应占窑炉总宽度的55以上喷火口火焰速度应不低于135m3lSo
         
          4燃天然气窑炉的火焰空间
         
          如前所述燃重油的窑炉燃料在窑炉内进行蒸发气化裂解燃烧它的体积变化上千倍需要有一个较大的空间和较长的时间才能使燃料将热量在炉内充分释放出来为了使油雾能更好地与空气混合油枪都上倾59这样才能使重油和助燃空气更好地混合为了使重油雾化好一般压缩空气的压力不低于02MPa这样高压力的流体二次空气单位体积的动量是?#23545;?#20302;于油雾流股的若火焰空间过低很容易将大碹烧坏因此燃重油窑炉的火焰空间比燃天然气窑炉的火焰空间要大
         
          我们知道气体的辐射能力与气体的温度气层的有效厚度和气体的分压有关当气体的温度气层的有效厚度的气体的分压增大时气体的辐射能也相应增加当温度恒定时气体的辐射能力与它的分压和气层厚度?#28903;?#27604;对于不发光的气体(CO和H20)为了增加辐射能力而加大气层厚度是有限度的(1112m)同不发光气体辐射一样发光火焰层厚度的增加也是有限的(即0607m) 另外根据热力学的原理我们还知道热的气体总是向上浮动的火焰空间越高火焰随着动能的降低越容易发飘并且气体不但有发射辐射能的能力还有吸收辐射能的能力因此气层越厚炉盖的反射能力越弱我们在设计天然气池炉的火焰空间的高度时不能按照燃重油窑炉的火焰空间来考虑
         
          天然气与发生炉煤气比较天然气热值高燃烧速度慢因而燃天然气窑炉的燃烧空间应比燃煤气窑炉的燃烧空间要大再则火焰空间越大散热表面越大在相同的保温强度下散热表面积越大热损失越大因此?#30001;?#28909;的角度看火焰空间也不宜过大
         
          综上所述燃天然气玻璃窑炉的燃烧空间应在燃重油玻璃窑炉与燃煤气玻璃窑炉之间另外燃天然气窑炉的火焰空间还应根据熔制玻璃的种类所需要的炉温及所用材料的质量来考虑应有所不同如熔制高硼硅玻璃(派莱克斯玻璃)即要用优?#20351;?#30742;火焰空间又要?#23454;?#39640;一些
         
          燃天然气窑炉的其它结构
         
          由于采取上述的小炉结构后燃天然气玻璃窑炉火根温度高(即喷火口处火焰辐射能力强)火根温度高可以加长预熔池的长度特别是在池底加强保温后在普通?#32856;?#29627;璃(?#30772;?#26009;)窑炉中预熔的长度我们提高到22m这种内宽外窄的加料池实现了真正意义上的预熔池结构当配合料从加料机口?#39057;?#29076;池内时表面已经变得粘乎乎的甚至表面已经开始熔化一层玻璃态质的硅酸盐复盖在配合料上?#35789;?#28779;焰打在料带上也没有什么粉尘飞扬再配合比较宽的斜毯式加料机每当向下?#23631;?#26102;下面的高温玻璃液就被挤浮上来填充在配合料中的?#38556;?#20013;这样更增加了预熔效果减少了粉尘飞扬这种较长的预熔池结构因为长和阻力因素还减少了溢流热损失
          对于蓄热室结构我们认为可以按照燃重油窑炉来考虑只是在小炉与蓄热室的接口处我们改为喇叭口这样既改?#23631;?#27668;流分布又减少?#21496;?#37096;过?#35748;?#35937;对蓄热室格子体的利用更充分并延长了格子体的寿命
          通过最近几年的技改 如采用三通道蓄热室深澄清偏心式流液洞[151复合多层保温?#35748;?#36827;结构
         
          我们在四川沱牌玻璃厂50m 窑炉上天然气耗量达到140150m t玻璃
          参考文献
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          洞?#20445;?玻璃与搪瓷>第29卷第3期2001
         

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