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天然气窑炉


燃天然气玻璃窑炉设计应用的体会
陈 兴 孝
400700 重庆莱弗窑炉工程有公司(重庆北碚莱弗玻璃工程有限公司)

摘要:通过对天然气、发生炉煤气、重油内部分子结构及燃烧特性的 比较、分析,如何借鉴比较成熟的燃发生炉煤气、燃重油窑炉的结构,提 出如何根据天然气的内部结构特征及燃烧特性设计窑炉。 关键词:天然气、内部结构、窑炉结构 四川地区将

天然气作为燃料应用于玻璃窑炉已经有 20 多年的时间了, 笔者在上海华东理工大学博士生导师孙承绪教授的指导下设计了数十座天 然气玻璃窑炉,在设计建造这近数十座玻璃窑炉的过程中有一些经验、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到更好, 使玻璃窑炉的寿命更长,能耗更低。 重庆地区在 1978 年开始使用天然气作为玻璃窑炉的燃料, 在使用初期, 由于没有经验没也有什么资料可以借鉴,我们就摹仿烧煤气和烧重油的窑 炉来应用。 在烧煤气的窑炉上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 1~2 天时间在小炉底板上(特别是纵焰窑)聚集大量的碳黑,大量碳黑 的聚集改变了火焰的流向,直接影响熔化效果。因此每隔 1~2 天就要将碳 黑清除掉。清除碳黑是一件很费力的事,要用铁钎打剔才能将附着在炉底 上的碳黑清除掉,时间一长又影响炉温,大量的碳渣没在炉内燃烧释放出 热量,因此又浪费了大量的燃料,在这种情况下我们又按照烧重油的窑炉, 将喷枪架设到喷火口附近燃烧,在使用中我们有感觉到火焰的亮度不够, 火焰长、火焰的覆盖面较窄。 同是气体燃料同是烃类燃料为什么天然气和煤气,天然气和重油有这 么大的差异呢?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
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的。 一、天然气的化学结构特征及燃烧特性 任何物质的外部属性都是由内部的分子结构决定的,比如石墨和金刚 石, 其化学成分都是 C, 是碳的同质多向变体, 石墨的分子结构为六方晶系, 是典型层状结构, 因层内碳原子间距(1.42?)较小, 而层间碳原子间距 (3.42 ?)远较层内大,原子间结构力弱,故石墨具有断裂性和可压缩性,晶体是 六方片状或板状, ,通常为鳞片状、块状或土状结合体,硬度为 1,而金刚 石晶体结构基本上类似立方面心格子,每个碳原子被周围四个碳原子所围 绕,碳原子间距离相等,并以共价键连结,故其强度很高硬度为 10〔1〕 。从 上我们可以看到化学成分相同,结构不同,外观属性上有很大差异,因此 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。气田气的 ,含量可达 95%~98%,C2H6(乙烷)以上的烃类较少, 主要成分为 CH4(甲烷) 同时还含有少量 H2S、CO2、N2、H2O、以及 He、Ar 等非烃类组分,其密度为 0.5~0.7Kg/Nm3;油田伴生气主要产于油田附近,为石油的伴生物,它的特 征是除含有大量 CH4(甲烷的含量为 75%~87%)外、C2H6 以上的烃类含量较 高约为 10%,CO2 约为 5%~10%其密度为 0.6~0.8Kg/Nm3;凝析气田气除含有 大量 CH4 外 C5H12 以上烃类含量较高并含有汽油和煤油成分。[2] 虽然天然气是一种混合物,但是它的主要成分是 CH4(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 各组分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: S=(?AFA+?BFB+?CF+……)/(A0+5?i-18.8?0+1)
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式中,?A、?B、?C……――A、B、C……组分的容积成分; FA、FB、FC……――A、B、C……组成的燃烧速度系数; A0――理论空气需要量; ?i――惰性气体的容积成分; ? 0――燃气中的氧的容积成分。

常见气体燃烧速度系数 F
气 体 一氧化碳 CO 氢 气 H2 甲 烷 CH4 乙 烷 C 2H 6 F 61 339 148 301 气 体 丙 烷 C 3H 8 丁 烷 C4H10 乙 烯 C 2H 4

表一〔3〕
F 398 513 454

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[4]。在甲烷的 分子构成中碳氢原子之间是δ键的形成结合,C-H 键键长为 1.093 ? ,平 均键焓(298K)为 412ΔH/KJ.mol-1[5]. 甲烷是无色气体,微有葱蒜味,密度为 0.715Kg /Nm3,难溶于水,临界 温度为-82.5℃,低位热值为 35800KJ/Nm3;着火温度为 530~750℃,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%~30%时便可对人体构成毒害。 二、天然气与煤气、重油内部结构及燃烧特性的比较 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,而燃天然气的窑炉侧相反。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 H2(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%~30%,H2 的含量在 12%~18%,并含有少量甲烷其含量是在 1.24%~ 4.3%[6]。
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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π键,C-O 键键长为 1.43 ?,键焓为 360Δ H/KJ.mol-1,一氧化碳是无色无味气体,密度为 1.25Kg/Nm3,难溶于水,临界 温度为-197℃,低热值为 12600KJ/Nm3,着火温度为 610°~650°,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,一氧化碳的毒性很大,当空气中含有 0.06% 的一氧化碳时, 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份(温度)提取石油气、汽油、重汽油、煤油、 柴油机的渣油。 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[7]。 三、天然气小炉结构的设计 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; (3)具有完成反应所必须的时间[8]。 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δ键,发生炉煤气中的 C-O 中有π键成分,π键较δ键活泼,(从 上述的键长,键焓也可以看出),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 1s′型。它很容 易失去电子而处于稳定状态。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,
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见表二。
表二
着火温度 名 称 分子量 (℃) 甲 氢 烷 气 16.043 2.016 28.010 540 400 605 Nm/s 0.38 2.8 0.51 一次空气系数 0.90 0.57 0.46 <20℃空气中体积% 15.0/5.0 75.9/4.0 74.2/12.5 kJ/Nm
3

单一可燃气体的燃烧特性
最大燃烧速度

[9]

最大燃烧速度时

爆炸的上下极限

低热值

35883 10761 12636

一氧化碳

美国 R.R.赖歇认为[10],基本由甲烷组成的天然气在 100%的理论一次 空气量时,最大燃烧速度约每秒 0.3 米;氢气 与 55%的理论一次空气量组成的混合气的燃 烧速度则 10 倍于天然气; 用煤生产的人造气或 焦炉煤气中含有 55%的自由氢气,它的火焰速
图 1 反应速度与温度的关系 W0 -假定所有分子碰撞均为有效反 应所具有的速度

度可 10 倍于天然气。 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

500~700℃,通过预热后的煤气温度可高达 1000℃,通过三通道预热的煤 气温度可更高。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, 所以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=K0e
E - KT

)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,最后趋向于一条水平曲线 W=W0。只 有当温度达到 1×105K 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 10℃,反应速度约增加 2~4 倍[11]。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
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然气的热值高,发生炉煤气热值低,因此天然气池窑也不能按燃煤气池窑 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
[12] 焰的黑度εf=0.70, 重油发光火焰的黑度εf=0.85, , 而天然气由于 C/H 比

例小,在无焰燃烧时黑度εf=0.2,在有焰燃烧时黑度εf 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 成燃料蒸汽,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汽化过程。对于重质液体燃料还有一个 热分解过程,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 化合物以气态形式燃烧,而碳黑则以固相燃烧形式燃烧。 而重油是比较难蒸发汽化的液体燃料,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 加热到它的汽化温度;其次是吸收汽化潜热发生相变,成为燃料蒸汽;再次 是燃料蒸汽被加热到着火温度,而后才能发生燃烧,有的学者计算,[13]燃油 雾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。(实际上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) 从上可以看出,燃油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裂解成数十倍的小分子化合物,熔窑 较大的空间,有利于油滴表面积的增加及分子数目的增加造成的压力增高 的释放。 通过上述分析,我们认为,若燃天然气小炉象燃油池炉一样设计,天 然气出喷枪后就进入熔窑,在熔窑这个大空间里单位容积里燃气和氧气的浓 度小,分子产生的碰撞几率小,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
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气(二次空气)在一次空气的作用下能够较好的混合,燃气与空气预混得越 好,燃气与空气几乎能在同一时间内发生反应,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应了――导 向砖[14],在喷火小炉侧,导向砖上部是预热的二次空气,下部是天然气, 在导向砖下倾角到小炉底这三角区内,特别是在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。

二次空气 喷火口碹砖 导向砖

天然气

天然气

Ⅰ部放大


图 二 四、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、汽化、裂解、燃 烧,它需要的空间和时间比天然气大得多,长得多,为了使油雾能更好地 与空气混合,油枪都上倾 5-7℃,为了使重油雾化好,一般压缩空气的压 力不低于 0.2Mpa/cm2,若火焰空间过低,很容易将大碹烧坏,因此燃油窑 炉的火焰空间较大(较高) 我们知道,气体的辐射能力与气体的温度、气层有的有效厚度和气体 的分压有关,当气体的温度、气层的有效厚度和气体的分压增大时,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(CO2 和 H2O)为了增加辐射能力而加大气层 厚度是有限度的(1.1 米- 1.2 米) ,发光火焰的厚度增加,同不发光气体 辐射一样,气层厚度的增加也是有限的(即 0.6 米-0.7 米)[15],根据热力
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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,火焰越 容易发飘。并且气体不但有放射辐射能的能力,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,不能按照燃重油的窑炉来考虑,它的高度应在燃重油和燃煤气之 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,如熔制高硼硅玻璃(如派莱克斯) ,即要用优质 硅砖,火焰空间又要适当高一些。 五、天然气窑炉的其它结构 由于采取上述的小炉结构后,天然气火根温度高(即喷火口处火焰辐 射能力强) ,特别是在池底加强保温后,天然气池炉的池深也较以前有大幅 度的提高,火根温度高可以加长预熔池的长度,在普通钠钙玻璃(酒瓶料) 窑炉中预熔的长度我们提高到 2.2 米,再配合斜毯式加料机,这样增加了 预熔效果,减少了粉尘飞扬,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炉来考虑,只是在小炉与蓄 热室的接口我们改为喇叭口,这样改善了气流分布,减少了局部过热现象, 对蓄热室格子体的利用更充分。 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[16] 等先进结构,我们在四川沱牌玻璃厂 50m2 窑炉上吨玻璃的天然气耗量达到 140~150m3。 由于工作繁忙,时间紧张,本文写作有待进一步完善。









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[1]中国建筑工业出版社编、中国硅酸盐学会《硅酸盐辞典》 ,中国建筑工 业出版社(1984) [2]武汉科技大学佐周、王光辉主编《燃气工程》治金工业出版社(1999) [3]刘麟员等译《燃气应用技术》中国建筑工业出版社(1983) [4][11]《无机化学》编写组, 《无机化学》上册,人民教育出版社(1987) [5]英·J·G 斯塔克,H·G 华莱土《化学数据手册》 ,石油工业出版社(1980) [6][12][15]孙承绪陈润生等, 《玻璃窑炉热工计算及设计》 ,中国建筑工业 出版社(1983) [7]邢其毅《有机化学》人民教育出版社(1958) [13]霍然编著《工程燃烧概论》中国科学技术大学出版社(2001) [9][8]《煤气设计手册》编写组, 《煤气设计手册》上册,中国建筑工业出 版社(1983) [10][9]美 R·R 赖歇主编《燃烧技术手册》 ,石油工业出版社(1982) [8]同济大学等, 《燃气燃烧与应用》 ,中国建筑工业出版社(1981) [14]陈兴孝, 《燃天然气玻璃池窑小炉设计的探讨》 “玻璃与搪瓷”第 19 卷 第 6 期(1991) [16]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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