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富氧燃烧技术玻璃熔窑节能的效果

2013年2月10日

    一、富氧燃烧可以提高燃烧区的火焰温度。

    研究表明，火焰温度随着燃烧空气中氧气比例增加而显著提高，详见图1。富氧燃烧可明显提高火焰温度，提高火焰对配合料和玻璃液的加热效果。燃烧过程是空气中的氧参与燃料氧化，并同时发出光和热的过程。热的传递一般通过辐射、传导和对流三种形式进行。这三种形式何种作用最大主要取决于：火焰类型和形状、加入空气中的含氧量及燃烧设备周围的情况等。由于热传递速率与温度的四次方成正比，所以提高燃烧温度将会大大增加热辐射。

    火焰温度与氧浓度的关系图

    由火焰温度与氧浓度的关系图可知：A)火焰温度随富氧空气氧浓度的提高而增高；B)随氧浓度的继续提高，火焰温度的增加幅度逐渐下降。为有效利用富氧空气，氧浓度不宜选得过高，一般按空气过剩系数m＝1～1.5组织火焰时，富氧空气浓度取23～27％为宜，其中空气含氧量从21％增加到23％时，效果最明显；C)空气过剩系数不宜过大，否则，同样浓度的富氧空气助燃，火馅温度较低。通常在组织燃烧时，控制在1.05～1.1，以达到既能获得较高火焰温度又能燃烧完全的效果。

    火焰温度与氧浓度的关系图所示的是理论火焰温度值，实际值要低得多。因为普通燃料燃烧后的最终产物都是二氧化碳和水，它们加热到1500℃时会分解为一氧化碳、氧和氢。也就是说，任何碳氢化合物燃料的高温火焰混合物都将出现CO2、CO、H2、H2O、O2、CH。由于CO2和H2O高温分解反应是吸热反应，所以实际火焰温度比理论火焰温度要低得多。

    (2)富氧燃烧改变了燃料与助燃气体的接触方式,降低燃料的燃点温度，可明显缩短火焰根部的黑区，增大有效传热面积。当用重油作燃料时，它先蒸发成气体，主要是氢气和一氧化碳，其燃点温度为500～600℃，当富氧空气参与助燃时，其燃烧条件得到改善，从而降低重油的燃点温度，使火焰变短，火焰强度提高，释放热量增加。尤其是玻璃熔窑燃料燃烧时，通常将燃料喷枪置于助燃空气的下方，由于不能及时混合，在火焰根部常有低温区存在，形成所谓的黑区。黑区的存在减小了火焰在熔窑内的覆盖区域，降低了传热效果。

    (3)富氧燃烧可以加快燃烧速度，改善燃料的燃烧条件，使得燃烧在窑内充分完成，减少了在蓄热室内的残余燃烧，因而能充分地利用燃料。下表中示出各种燃料应用空气和氧气助燃的燃烧速度比较情况，由表可见，各种气体燃料在纯氧中的燃烧速度大大加快。由于加入氧气后提高了火焰温度，因此增加了燃烧速度。燃烧速度实际上是一种定性的说法。如乙炔是一种燃烧速度快的燃料，其火焰短而密实；天然气是一种比乙炔燃烧速度相对慢的燃料，其火焰较长，但只要燃烧完全，都可放出很大热量。因此，要使燃料达到完全燃烧，必须使燃料和空气混合均匀或充分接触。富氧空气参与助燃后，能加快燃烧速度，提高燃烧强度、使火焰变短，获得较好的热传导，同时由于提高了燃烧温度，所以有利于燃烧反应完全。另外，因为1摩尔C在不完全燃烧的情况下比完全燃烧时少释放出约70％左右的热量。排出尾气中的CO含量增加，热损失呈直线增加。CO热损失增加，单位蒸汽的热耗也近似直线增加。所以说富氧燃烧促进燃料燃烧完全，是节约热能的重要原因。

    (4)富氧燃烧使燃烧所需空气量减少，废气带走的热量下降。排出废气的容积比与燃烧空气中氧浓度(％)的关系如下图所示。通常的燃烧只有占空气总量1／5的氧气参与燃烧，其余约占4／5的氮气非但不助燃，反而要带走燃烧产生的大量热量，从烟气中排出。使用富氧空气的情况下，燃料燃烧完全，自然排出废气减少，排烟热损失也相应减少从而节能。

    相对含氧21%空气m=1.0时废气的容积比与燃烧空气中氧浓度关系图

    由上图可知，随空气中的含氧量增加，排气量逐渐减少，以含氧量27％的富氧空气与含氧21％的普通空气燃烧比较，在空气过剩系数m＝1时的排气体积减少20％。

    (5)富氧燃烧可以增加热量利用率。实验表明，富氧助燃可提高热量的利用率。下图示出加热温度与热量利用率的关系。

    加热温度与热量利用率的关系图

    由图可知，用含氧量21％的空气燃烧，加热温度为1300℃时，其可利用的热量为42％，而用氧26％的富氧空气燃烧时，可利用热量为56％，增加14％。而且随加热温度升高，所增加比例增大，节能效果更明显。

    (6)合理的富氧供给方式提高了传热效率。通常在燃烧喷嘴下方和玻璃液之间通入富氧气体，这样可产生一个不对称的火焰温度，使它有一个垂直的温度梯度，形成可保护碹顶、胸墙的上层火焰层；几乎完全燃烧高辐射的中间火焰层；富氧多并已达完全燃烧的下层火焰层。下层火焰与上层火焰相结合，增加了总的辐射热，同时由于火焰扫过配合料，增加了配合料的对流交换，从而达到加速熔化的目的。

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