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      燃天然氣玻璃窯爐設計應用的體會

      2012年9月7日  

          燃天然氣玻璃窯爐設計應用的體會
          陳興孝 重慶萊弗窯爐工程有限公司(重慶北碚萊弗玻璃工程有限公司)重慶400700
          張萃富 四川天馬玻璃有限公司629209
          摘要:通過對天然氣、發生爐煤氣、重油三種燃料內部分子結構及燃燒特性的分析、比較,借鑒比較成熟的燃發生爐煤氣及燃重油玻璃窯爐的結構,提出根據天然氣的內部結構特征及燃燒特性設計燃天然氣玻璃窯爐。
          關鍵詞:天然氣 內部分子結構 窯爐結構
         
          四川地區將天然氣作為燃料應用于玻璃窯爐 用方式進行試用。已經有20多年的時間了,筆者設計建造了數十座天然氣玻璃窯爐,在這過程中有一些經驗、教訓和體會,這里把它寫出來,起一個拋磚引玉的作用,以使我們在天然氣窯爐設計應用方面上一個新臺階,使天然氣在玻璃窯爐中應用得更好,使玻璃窯爐的壽命更長,能耗更低。
         
          1978年重慶地區開始使用天然氣作為玻璃窯爐的燃料,在初期使用天然氣作為燃料來熔制玻璃時,由于對天然氣缺乏認識,也沒有什么資料可以借鑒,我們就摹仿燃煤氣和燃重油的玻璃窯爐的使在用煤氣熔化玻璃的窯爐上試用,是直接將天然氣用管道接到小爐里進行燃燒,我們感覺到這種火焰軟而長,無力沒有動量,而且天然氣在小爐內大量析碳,只需l一2天時間就在小爐底板上(特別是縱焰窯)聚集了大量的碳黑,大量碳黑在小爐底板上聚集而形成障礙物,天燃氣從噴槍噴出后受阻,火焰的流向發生改變,因而直接影響熔化效果。因此每隔l一2天就要將碳黑清除掉。清除碳黑是一件很費力的事,要用鐵釬剔打才能將附著在爐底上的碳黑清除掉,清除碳黑時要將天然氣關掉,時間一長又影響爐溫,大量的碳黑沒在爐內燃燒釋放出熱量,因此浪費了大量的燃料。在這種情況下我們又按照燃重油的窯爐,將噴槍架設到噴火口附近燃燒,在使用中我們感覺到火焰的亮度不夠,火焰長、火焰的覆蓋面較窄。
         
          天然氣和煤氣同是氣體燃料、天然氣和重油同是烴類燃料為什么在窯爐結構相同的情況下,燃燒狀況會有如此大的差異呢?為了用好天然氣我們不得不從它們的內部結構上去找差異,因為任何物質的物理特性的不同都是由于它們的化學結構不同而造成的。
         
          1.天然氣的化學結構及物理特性
         
          任何物質的外部屬性都是由內部的分子結構決定的,要用好天然氣必須對天然氣的內部結構有一個清楚的認識。
          天然氣是指通過生物化學作用及地質變質作用,在不同的地質條件下生存遷移,并于一定壓力下儲集在地質構造中的可燃氣體,通常根據形成條件不同,分為油田伴生氣、氣田氣及凝析氣田氣。
          天然氣是一種混合氣體,其組成隨氣田和產氣層不同而異。氣田氣(又叫氣井氣)的主要成分為
          CH4(甲烷),含量可達95% 一98% 。C,H6(乙烷)以上的烴類較少,同時還含有少量H2S、CO,、N:、H,O、以及He、Ar等非烴類組分,其密度為0.5—0.7kg/Nm ,四川的天然氣屬于這一類(包括陜北長慶干氣田天然氣);油田伴生氣主要產于油田附近,是石油的伴生物,它的特征是除含有大量CI-h(甲烷的含量為75—8796).外、Czo.以上的烴類含量較高,約為10% ,C02約為596一l0% ,其密度為0.6—0.8kg/Nm’。大慶、大港地區的天然氣屬于這一類;凝析氣田氣除含有大量CH.外CsH-:以上烴類含量較高并含有汽油和煤油成分(有的學者將油田伴生氣與凝析氣田氣歸成一類)⋯。
         
          雖然天然氣是一種混合物,但是它的主要成分是CH (甲烷),因此它的外部屬性如燃點、火焰傳播速度等燃燒特性主要由甲烷的內部結構決定。英國科學家韋弗(Weaver)提出的燃氣混合法則也證實這一點,他提出從各組成燃氣的燃燒速度系數F,求出燃燒速度因素S,用來表示混合燃氣的燃燒速度與氫在空氣中最大燃燒速度的百分比關系(后者定為
          100),韋弗給出的S與F的關系式如下:
         

      燃天然氣玻璃窯爐設計應用的體會


         
          從上表可以看到,雖然甲烷CH·的燃燒速度系數F不算大,為148,但甲烷占天然氣的容積成分都很大,是其它組份的幾十倍,因此CH.的燃燒特性在天然氣中占主導地位。
          甲烷的分子結構是最典型的四面體結構,由于碳原子處在四個氫原子的正中,并且每個鍵的鍵
          長、鍵角相同,因而它是非極性分子l I。在甲烷的分子構成中碳氫原子之間是6鍵的形式結合。C—H鍵鍵長為1.093置,平均鍵焓(298K)為412△H/kJ.tool~I4I o
          甲烷是無色氣體, 微有蔥蒜味, 密度為0.715kg/Nm ,難溶于水,臨界溫度為一82.5~C,低位熱值為3580okJ/Nm ;著火溫度為530—750~C,火焰呈微弱亮光,與空氣混合后在爆炸極限范圍內遇火易發生爆炸,當空氣中的甲烷濃度達到25% 一30% 時便可對人體構成毒害。
         
          2.天然氣與煤氣、重油內部結構比較
         
          燃煤氣、燃重油的玻璃窯爐在我國應用時間很長,應用面也很廣,燃燒技術也十分成熟,而燃天然氣的窯爐則相反,為了更好借鑒燃煤氣、燃重油玻璃窯爐的結構,有必要對上述三種燃料進行比較。
         
          煤氣有焦爐煤氣、高爐煤氣、水煤氣、發生爐煤氣之分,作為玻璃工廠用得最多的還是以空氣和水蒸氣混合物作為氣化劑而得到的混合發生爐煤氣。
         
          發生爐煤氣的主要成分是CO(一氧化碳)和H:(氫氣),發生爐煤氣的質量隨原煤質量、煤氣爐型和操作技術狀況變化而變化,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I.24—4.3% 【 。CO的分子結構是直線型,由于氧原子的電負
          性較大,因而其分子有極性,并且分子鍵的構成中含有1r鍵,C__o鍵鍵長為I.4 ,鍵焓為360AH/kJ.tool~,一氧化碳是無色無味氣體, 密度為I.25l【g/Nm’,難溶于水,臨界溫度為一197"t2,低熱值為1260010/Nm ,著火溫度為610—650'I2,當它的氣體混合物中含有少量水時,可使其著火溫度降低,一氧化碳燃燒時火焰為淡藍色,其毒性很大,當空氣含有0.06%CO時,即有害于人體,含0.20% 時可使人失去知覺,含0.40% 時可使人迅速死亡。
          重油是原油按油的餾分(溫度)提取石油氣、汽油、重汽油、煤油、柴油后的渣油。
          我國目前工業窯爐上使用的重油多為減壓渣油,有時也摻一些常壓渣油。重油的化學組成比較復雜,但一般都是碳鏈在16以上的烷屬烴。環烷烴(如環乙烷,環戊烷的衍生物)以及芳香烴(如苯及甲苯)。在它們化學組成中都是以C-H和C_-c鍵相鏈、由于碳鏈較長在一定條件下比較容易斷裂,生成分子量較小的簡單的碳氫化合物。重油除了內部組成的差異外,在常溫常壓下還有狀態的差異。它可以由粘稠的液體到固體l I。
         
          3.天然氣與煤氣、重油燃燒特性比較及燃天然氣小爐結構設計
         
          燃料的燃燒過程是一復雜的物理化學過程,但燃燒的本身實質是一化學反應,是燃料中可燃物質與空氣中氧氣進行迅速發光、發熱的氧化反應。我們知道,燃氣燃燒必須具備三個條件:(1)燃氣中可燃成分和空氣中的氧氣要按一定比例呈分子狀態混合;
          (2)參與反應的分子在碰撞時必須具有破壞舊分子和生成新分子所需的能量(即周圍環境溫度必須在著火溫度以上);
          (3)具有完成反應所必須的時間I7I。
         
          天然氣與發生爐煤氣比較,相同之處是氣體燃料,但是由于甲烷中的C-H鍵是8鍵,發生爐煤氣
          中的C 中有1r鍵成分,1r鍵較8鍵活潑,(從上述的鍵長來看,叮r鍵的鍵長比8鍵的鍵長長0.357 ;從鍵焓來看,訂鍵的鍵焓比6鍵的鍵焓少52AH/l【J.tool ),因而一氧化碳較甲烷容易破壞舊分子生成新分子。發生爐煤氣中含有大量的氫氣,氫原子的構型為ls 型。它很容易失去電子而處于穩定狀態,因而氫氣的燃燒速度大。由于內部結構的差異,在宏觀的物理性質上,在著火溫度和燃燒速度(火焰的法向傳播速度)上也就表現出較大的差異,見表2。
         
          通過預熱后的煤氣溫度可高達9OO—1000~,通過三通道預熱的煤氣溫度會更高。系統的溫度越高。分子的熱運動越劇烈,它們所具有的能量也越大。亦即溫度越高,具有活化能或能量超過活化能的分子數越多,反應也就進行得越劇烈。根據阿累尼烏斯關于化學反應速度的表達式(K= -d l')及反應速度與溫度的關系曲線(見圖1)可知曲線隨溫度升高而迅速上升,然后又變為緩慢上升,最后趨向于一
         
          表2 單一可燃氣體的燃燒特性
          著火溫度 最大燃燒速度 最大燃燒速度時 爆炸的上下核眼 低熱值
          名 稱 分子量
          (cI=) Nm/s 一次空氣系數 <2ooc空氣中體和 l【J/Nm’
          甲烷 16.043 540 0.38 0.90 l5.0/5.0 35883
          氫氣 2.016 400 2.8 0.57 75.9/4.0 l076l ’
          一氧化碳 28.0l0 605 0.5l 0.46 74.2/12.5 12636
          美國R.R.賴歇認為 ’,基本由甲烷組成的天
          然氣在理論助燃空氣量時,最大燃燒速度約每秒
          0.3米;氫氣與55%的理論助燃空氣量組成的混合
          氣的燃燒速度則10倍于天然氣;用煤生產的人造
          氣(指人工煤氣)或焦爐煤氣中含有約55% 的自由
          氫氣,它的火焰速度可10倍于天然氣。
          W
          反應速度與溫度的關系gro一假定所有分子碰撞均為有效反應所具有的速度
          圖I
          再則。玻璃池窯用的大都是發生爐熱煤氣,從煤氣發生爐出來的煤氣溫度一般都在500—700cI=,條水平曲線w =wo。只有當溫度達到l×lOSK左右時,反應速度的增長才開始減慢。實驗表明,一般化學反應,溫度每增加l0cI=,反應速度約增加2—4倍¨叭。因此熱煤氣又大大提高了火焰的燃燒速度,這也是煤氣燃燒比天然氣燃燒火焰短的另一個重要原因。
         
          天然氣是通過管道引進池窯的,一般都不經過預熱而直接燃燒,加上自身結構的特征決定了天然氣的燃燒速度、火焰長度與煤氣不同。再則天然氣的熱值高。發生爐煤氣熱值低,因此燃天然氣池窯也不能按燃煤氣池窯來設計。
         
          另外發生爐煤氣里含有大量的碳粒,含揮發物較多的煙煤燃燒時其火焰的黑度日=0.70,重油燃燒火焰的黑度8f=0.85,Illl而天然氣由于C/H比例小,在無焰燃燒時,黑度8r=0.2,在有焰燃燒時,黑度8f=可以達到0.6。
         
          液體燃料的沸點低于其燃點,因而液體燃料的燃燒過程是先蒸發,生成燃料蒸氣,然后與空氣相混合,進而發生燃燒。與氣體燃料不同的是,液體燃料在與空氣混合前存在蒸發氣化過程。對于重質液體燃料還有一個熱分解(裂解)過程,即燃料由于受熱而裂解成輕質碳氫化合物和碳黑,輕質碳氫化合物以氣態形成燃燒,而碳黑則以固相燃燒形式燃燒。
         
          重油是比較難蒸發氣化的液體燃料,通常是使用噴槍來實現霧化,噴槍通過霧化劑(高壓空氣或蒸汽),把液體燃料破碎成許多直徑從幾微米到幾百微米的小液滴,懸浮在空氣中邊蒸發邊燃燒。由于燃料的蒸發表面積增加了上千倍,因而有利于液體燃料迅速燃燒。
         
          油霧從噴咀噴出到著火之前存在三個吸熱過程。首先是燃料液滴需要加熱到它的氣化溫度;其次是吸收氣化潛熱發生相變,成為燃料蒸氣;再次是燃料蒸氣被加熱到著火溫度,而后才能發生燃燒。有的學者計算,l ’燃油霧化著火前所吸收的熱量約為2508—3762kJ/kg,約占燃油發熱量的百分之十(在燃料蒸氣被加熱到著火溫度及燃燒過程中。大分子長鍵化合物裂解成小分子簡易化合物也需要吸收熱量)。
         
          以上可以看出.燃重油窯爐噴槍架設在小爐口附近能更好地滿足燃燒的要求.熔窯內的高溫能更好地滿足油霧燃燒所吸熱的需要;熔窯的高溫可以使油霧中的長鍵大分子化合物能更快襲解成效十分之一的小分子化合物;熔窯有較大的空間.有利于釋放因油滴表面積的增加及分子數目的增加面造成的壓力增高。
         
          通過上述分析.我們認為.若燃天然氣小爐象燃重油池爐一樣設計,天然氣出噴槍后就人熔窯.在熔窯這個空間里單位容積里燃氣和氧氣的濃度小.分子產生碰撞幾率小.因而火焰火根的溫度不高、火焰長。燃天然氣小爐可以借鑒燃發生爐煤氣小爐,有一個預燃室(預混段).在預燃室這個狹窄的空間里.在單位容積里燃氣和氧氣濃度都很大,天然氣和助燃氣(二次空氣)在一次空氣的作用下能夠較好地混合。燃氣與空氣預混得越好,燃氣與空氣幾乎能在同一時問內發生反應.因而能夠產生較高的溫度。在預燃室里,天然氣還可以部分裂解,產生碳粒,提高火焰的輻射能力。為了進一步提高天然氣自增碳能力,我們在小爐里噴咀上部設置了導向磚¨ 。在噴火小爐側,導向磚上部是預熱的二次空氣,下部的天然氣.在導向磚下傾角翻小爐底這
          圖 2
         
          陣放大
         
          三角區內,特別是導向磚內形成一個渦流、回流區(見圖2),天然氣的回流有利于大量碳的析出,使火焰更加明亮。
         
          燃天然氣小爐預燃室的長短,它與窯爐的大小、二次空氣預熱溫度的高低有關。窯爐越大(即越長),要求火焰長度越長,預燃室的長度可適當短一些,二次空氣預熱越高,天然氣與空氣的燃燒反應越劇烈,火焰就越短。
         
          另外預燃室的長短還與天然氣的火焰法向傳播速度有關,即天然氣的種類不一樣,預燃室的長短也不一樣,再則熔制玻璃的種類不一樣,對火根、火中、火稍的溫度要求不一樣,預燃室的長度也有區別。
         
          燃天然氣小爐的空氣下傾角從2l一30。我們作過多種嘗試,若噴槍口徑小。使用壓力高,空氣下傾角宜大。但是,若噴槍口徑太小,使用壓力高,天然氣在預燃室停留的時間短,天然氣與助燃空氣的混合不夠,火焰亮度不高,火根溫度不高,并且火焰氣層不厚,火焰覆蓋面變窄,因此噴槍口徑不宜選得過小。我們通過實踐,認為空氣下傾角的設計不宜按燃重油池爐那樣取較大的空氣下傾角,因為燃重油池爐為了便于重油霧化,使用壓力較大, 在0.2MPa左右, 而天然氣的使用壓力在0.03—0.5MPa,并且火焰的長度還受噴槍的角度的影響,若火焰要求短,噴槍可稍向上傾,空氣下傾角可稍大,反之空氣下傾角可小一些。一般馬蹄焰池爐,空氣下傾角應在2l一25。之間。
         
          為了提高火焰的傳導傳熱及對流傳熱,提高火焰的覆蓋面,我們在噴火口的總寬度及噴火口的火焰噴出速度上也有一些實踐體會,我們認為噴火口l總寬度(即兩個噴火口寬度之和)應占窯爐總寬度的55%以上,噴火口火焰速度應不低于13.5m/3lSo
         
          4.燃天然氣窯爐的火焰空間
         
          如前所述,燃重油的窯爐,燃料在窯爐內進行蒸發、氣化、裂解、燃燒,它的體積變化上千倍,需要有一個較大的空間和較長的時間,才能使燃料將熱量在爐內充分釋放出來。為了使油霧能更好地與空氣混合,油槍都上傾5—9。,這樣才能使重油和助燃空氣更好地混合。為了使重油霧化好,一般壓縮空氣的壓力不低于0.2MPa,這樣高壓力的流體,二次空氣單位體積的動量是遠遠低于油霧流股的。若火焰空間過低,很容易將大碹燒壞。因此燃重油窯爐的火焰空間比燃天然氣窯爐的火焰空間要大。
         
          我們知道,氣體的輻射能力與氣體的溫度、氣層的有效厚度和氣體的分壓有關,當氣體的溫度、氣層的有效厚度的氣體的分壓增大時,氣體的輻射能也相應增加。當溫度恒定時,氣體的輻射能力與它的分壓和氣層厚度成正比,對于不發光的氣體(CO:和H20)為了增加輻射能力而加大氣層厚度是有限度的(1.1—1.2m)。同不發光氣體輻射一樣。發光火焰層厚度的增加也是有限的(即0.6—0.7m)Ⅲ ,另外根據熱力學的原理我們還知道,熱的氣體總是向上浮動的,火焰空間越高,火焰隨著動能的降低越容易發飄。并且氣體不但有發射輻射能的能力,還有吸收輻射能的能力,因此氣層越厚爐蓋的反射能力越弱,我們在設計天然氣池爐的火焰空間的高度時,不能按照燃重油窯爐的火焰空間來考慮。
         
          天然氣與發生爐煤氣比較,天然氣熱值高。燃燒速度慢,因而燃天然氣窯爐的燃燒空間應比燃煤氣窯爐的燃燒空間要大。再則火焰空間越大,散熱表面越大,在相同的保溫強度下,散熱表面積越大,熱損失越大,因此從散熱的角度看,火焰空間也不宜過大。
         
          綜上所述,燃天然氣玻璃窯爐的燃燒空間應在燃重油玻璃窯爐與燃煤氣玻璃窯爐之間。另外燃天然氣窯爐的火焰空間還應根據熔制玻璃的種類所需要的爐溫及所用材料的質量來考慮應有所不同。如熔制高硼硅玻璃(派萊克斯玻璃),即要用優質硅磚,火焰空間又要適當高一些。
         
          燃天然氣窯爐的其它結構
         
          由于采取上述的小爐結構后,燃天然氣玻璃窯爐火根溫度高(即噴火口處火焰輻射能力強),火根溫度高可以加長預熔池的長度,特別是在池底加強保溫后,在普通鈉鈣玻璃(酒瓶料)窯爐中預熔的長度我們提高到2.2m,這種內寬外窄的加料池。實現了真正意義上的預熔池結構,當配合料從加料機口推到熔池內時,表面已經變得粘乎乎的。甚至表面已經開始熔化,一層玻璃態質的硅酸鹽復蓋在配合料上,即使火焰打在料帶上,也沒有什么粉塵飛揚。再配合比較寬的斜毯式加料機,每當向下推料時,下面的高溫玻璃液就被擠浮上來,填充在配合料中的空隙中,這樣更增加了預熔效果,減少了粉塵飛揚。這種較長的預熔池結構,因為長和阻力因素,還減少了溢流熱損失。
          對于蓄熱室結構我們認為可以按照燃重油窯爐來考慮,只是在小爐與蓄熱室的接口處我們改為喇叭口,這樣既改善了氣流分布,又減少了局部過熱現象,對蓄熱室格子體的利用更充分,并延長了格子體的壽命。
          通過最近幾年的技改 如采用三通道蓄熱室、深澄清、偏心式流液洞[151、復合多層保溫等先進結構,
         
          我們在四川沱牌玻璃廠50m 窯爐上天然氣耗量達到140~150m /t玻璃。
          參考文獻
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          洞”,(玻璃與搪瓷>第29卷第3期,2001
         

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