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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成障碍物,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附着在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。在这种情况下我们又按照燃重油的窑炉,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找差异,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质作用,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H2S、CO,、N:、H,O、以及He、Ar等非烃类组分,其密度为0.5—0.7kg/Nm ,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75—8796).外、Czo.以上的烃类含量较高,约为10% ,C02约为596一l0% ,其密度为0.6—0.8kg/Nm’。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。C—H键键长为1.093置,平均键焓(298K)为412△H/kJ.tool~I4I o
    甲烷是无色气体, 微有葱蒜味, 密度为0.715kg/Nm ,难溶于水,临界温度为一82.5~C,低位热值为3580okJ/Nm ;着火温度为530—750~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% 时便可对人体构成毒害。
   
    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I.24—4.3% 【 。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I.4 ,键焓为360AH/kJ.tool~,一氧化碳是无色无味气体, 密度为I.25l【g/Nm’,难溶于水,临界温度为一197"t2,低热值为1260010/Nm ,着火温度为610—650'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0.06%CO时,即有害于人体,含0.20% 时可使人失去知觉,含0.40% 时可使人迅速死亡。
    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。重油除了内部组成的差异外,在常温常压下还有状态的差异。它可以由粘稠的液体到固体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子状态混合;
    (2)参与反应的分子在碰撞时必须具有破坏旧分子和生成新分子所需的能量(即周围环境温度必须在着火温度以上);
    (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0.357 ;从键焓来看,订键的键焓比6键的键焓少52AH/l【J.tool ),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。它很容易失去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9OO—1000~,通过三通道预热的煤气温度会更高。系统的温度越高。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。根据阿累尼乌斯关于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 爆炸的上下核眼 低热值
    名 称 分子量
    (cI=) Nm/s 一次空气系数 <2ooc空气中体和 l【J/Nm’
    甲烷 16.043 540 0.38 0.90 l5.0/5.0 35883
    氢气 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
    美国R.R.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
    0.3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,从煤气发生炉出来的煤气温度一般都在500—700cI=,条水平曲线w =wo。只有当温度达到l×lOSK左右时,反应速度的增长才开始减慢。实验表明,一般化学反应,温度每增加l0cI=,反应速度约增加2—4倍¨叭。因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=0.70,重油燃烧火焰的黑度8f=0.85,Illl而天然气由于C/H比例小,在无焰燃烧时,黑度8r=0.2,在有焰燃烧时,黑度8f=可以达到0.6。
   
    液体燃料的沸点低于其燃点,因而液体燃料的燃烧过程是先蒸发,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前存在蒸发气化过程。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,而碳黑则以固相燃烧形式燃烧。
   
    重油是比较难蒸发气化的液体燃料,通常是使用喷枪来实现雾化,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。
   
    油雾从喷咀喷出到着火之前存在三个吸热过程。首先是燃料液滴需要加热到它的气化温度;其次是吸收气化潜热发生相变,成为燃料蒸气;再次是燃料蒸气被加热到着火温度,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2508—3762kJ/kg,约占燃油发热量的百分之十(在燃料蒸气被加热到着火温度及燃烧过程中。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分之一的小分子化合物;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加面造成的压力增高。
   
    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和氧气的浓度小.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.在单位容积里燃气和氧气浓度都很大,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,天然气还可以部分裂解,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,使火焰更加明亮。
   
    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,预燃室的长度可适当短一些,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,空气下倾角宜大。但是,若喷枪口径太小,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,并且火焰气层不厚,火焰覆盖面变窄,因此喷枪口径不宜选得过小。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0.2MPa左右, 而天然气的使用压力在0.03—0.5MPa,并且火焰的长度还受喷枪的角度的影响,若火焰要求短,喷枪可稍向上倾,空气下倾角可稍大,反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热及对流传热,提高火焰的覆盖面,我们在喷火口的总宽度及喷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13.5m/3lSo
   
    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5—9。,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0.2MPa,这样高压力的流体,二次空气单位体积的动量是远远低于油雾流股的。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成正比,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(1.1—1.2m)。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0.6—0.7m)Ⅲ ,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,因此从散热的角度看,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),即要用优质硅砖,火焰空间又要适当高一些。
   
    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,在普通钠钙玻璃(酒瓶料)窑炉中预熔的长度我们提高到2.2m,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推到熔池内时,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,即使火焰打在料带上,也没有什么粉尘飞扬。再配合比较宽的斜毯式加料机,每当向下推料时,下面的高温玻璃液就被挤浮上来,填充在配合料中的空隙中,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,这样既改善了气流分布,又减少了局部过热现象,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、复合多层保温等先进结构,
   
    我们在四川沱牌玻璃厂50m 窑炉上天然气耗量达到140~150m /t玻璃。
    参考文献
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    讨”,(玻璃与搪瓷>第19卷第6期,1991
    【l5】陈兴孝,“玻璃池炉单侧加料与偏心式流液
    洞”,(玻璃与搪瓷>第29卷第3期,2001
   

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