1、玻璃熔窑烧天然气的探讨玻璃熔窑的天然气燃烧技术秦皇岛玻璃工业研究设计院燃烧中心 姜言章 摘要：介绍了天然气燃烧技术在玻璃熔窑的应用关键词：天然气、玻璃熔窑、燃烧、喷枪、节能一、 前言： 8随着国家能源结构的调整，我国天然气产量不断增加，预计 2005 年将达到 640x10m。天然气作为一种清洁、高效的能源，在各领域都得到了充分的发展和利用。随着天然气价格的不断下调，玻璃工业将会越来越广泛地使用天然气。本文主要探讨玻璃熔窑天然气燃烧的有关问题。二、 玻璃工业目前的能耗状况(国内)器皿玻璃单位制品（成品）的能耗重油 258kg/t 消耗热值 2376kcal/kg柴油 9.6kg/t 电 263
2、kwh/t 其中加热用 45.5kwh/t煤 56.3kg/t 其中重油伴热用 48.3kg/t烧重油窑改烧天然气后，天然气总用量为 325Nm/t 玻璃制品，消耗热值 2628kcal/kg。其中重油低位热值 9210 kcal/ kg，天然气低位热值 8086kcal/ Nm.平板玻璃的单耗1烧重油窑型 单耗 （kg 重油/kg 玻璃液）马蹄窑 0.160.18横火窑 120 吨 0.20.22横火窑 300 吨 0.180.20横火窑 400500 吨 0.160.18横火窑 700 吨 0.140.15横火窑 900 吨 0.130.142烧天然气参数吨位 日耗量（Nm/D） 小时耗量
3、（Nm/h） 单耗（Nm/kg 玻璃液） 折算重油单耗 kg 重油/kg 玻璃液8 吨马蹄窑 2640 110 0.33 0.25730 吨马蹄窑 7200 300 0.24 0.18760 吨马蹄窑 14000 583 0.233 0.182185 吨横火窑 56400 2350 0.305 0.238300 吨横火窑 87000 3625 0.29 0.226说明：重油低热值按 10000 kcal/ kg 计算，天然气高热值为 8670kcal/ Nm（兰州天然气公司所提数据），天然气低热值为 7800kcal/ Nm。统计数字表明，无论是器皿玻璃、平板玻璃，窑型是马蹄窑或横火窑，烧油改
4、烧天然气后，从直接加热来看并不节能，反而要增加 5%10%的能耗。但烧油时需要的辅助能源及电力等设施因改烧天然气而被取消，综合能耗还是要降低 5%8%。三、 烧天然气直接加热能耗增高的原因 烟气量增加带来热量损失烧重油及天然气的理论烟气量计算如下：1 V 油=1.11xQDW 油/1000 式中：QDW 油重油低位热值 10000 kcal/ kgV 油=11.1Nm/kg2 V 天=1.105xQDW 天/1000+1.02 式中：QDW 天天然气低位热值 7800 kcal/ NmV 天=9.639Nm/ Nm3 烧天然气折算成烧油同等热值的烟气量为：V 天总=V 天 xQDW 油/ QD
5、W 天=12.36 Nm4 同热值情况下，烟气量增加（V 天总- V 油）/ V 油=11.35%。 烟气温度升高带来热量损失由于辐射换热量的降低和火焰长度等其他因素的影响，天然气烟气温度较之重油，在炉膛出口处会升高 100170，这也导致了热量损失的增加。由于烟气量增加带来热量损失，除采用增氧燃烧技术外，已无其它路径可走，本文也不做讨论。这样，烧天然气节能降耗，就集中到如何降低烟气温度这一焦点上。四、 降低能耗的途径（本文仅从燃烧的角度考虑）烟气温度升高主要是由于辐射换热量的降低及火焰长度过长所致。强化热辐射的方法传热学中，将气体辐射能力与同温度下绝对黑体辐射能力的比值定义为该气体的黑度。烟
6、气的黑度是影响辐射传热过程的重要参数，烟气黑度越大则辐射能力越强，辐射换热量越多。天然气无焰燃烧，影响其黑度的关键是烟气中的三原子气体（CO2，SO2，H2O）及碳氢化合物等。玻璃工业采用有焰、扩散式燃烧装置，天然气或重油燃烧时，产生发光火焰，影响烟气黑度主要是碳黑。它的辐射能力较三原子气体大 23 倍，它可以在可见光谱和红外光谱范围内连续发射辐射能。燃用重油的火焰黑度为 0.70.85，燃用天然气的火焰黑度为 0.60.7。由于天然气火焰黑度较之重油降低不少，必然导致辐射换热量减少，烟气温度升高。碳黑是碳氢化合物热分解产生的小微粒，直径大约在 0.010.5um 之间，呈颗粒状、链状或絮状分
7、布在气体中。实验资料表明，氢和 CO 是热稳定性较好的燃气，它们在 25003000的高温下尚能保持稳定的分子结构。各种碳氢化合物则是热稳定性较差的燃气。甲烷在683便开始分解，乙烷为 485，丙烷为 400，丁烷为 435。一般来说，碳氢化合物的分子量越大，其稳定性也越差。碳氢化合物高温热分解过程虽然不十分清楚，但可以肯定，在分解过程中发生着碳氢化合物的脱氢和碳原子的聚集过程，最后生成大量的固体碳粒。这些碳粒燃烧时呈现明亮的火焰，这就是碳氢化合物扩散燃烧时的一个特征。碳黑的燃烧是一种两相燃烧，所需时间较长，如果碳粒来不及燃尽而被燃烧产物带走，就形成了碳烟。在扩散火焰中的碳粒，一旦接触氧气，便
8、出现固体和气体之间的燃烧过程。因此，在天然气中预先混合一部分氧气是必要的。这样，既可以增加火焰亮度，提高热辐射换热，又可以使燃烧时间缩短。为增加燃气火焰的辐射能力，在气体燃料中加入一些液体燃料的燃烧方法（油、气混烧）也得到了较快的发展。据国际火焰基金会的研究结果，随着加入重油百分比的提高，火焰辐射率显著增大。在相同条件下，加入焦油比加入重油的辐射能力更强。根据天然气扩散燃烧的特点，为提高天然气火焰的辐射能力，可以得出以下结论： 采用双燃料（油、气）燃烧是切实可行的。 采用单燃料（天然气）燃烧时，进行部分空气（氧气）预混是完全必要的。 火焰长度的控制方法有焰燃烧（扩散燃烧）具有自己的特点，天然气
9、和空气边混合边燃烧，燃烧速度较慢。它的燃烧速度主要决定于天然气、助燃空气的混合速度（天然气、助燃空气的温度基本为定值）。因此，有焰燃烧强化燃烧过程的主要手段是改善空气、天然气的混合条件。某些使用天然气的工厂，往往通过增大空气过剩系数（即加大助燃空气量）来缩短火焰。这是由于采用的喷枪形式、配置不合适，导致火焰过长，触及对面耐火材料，不得已而为之的手段，这对节能是非常不利的。天然气、空气混合的好坏，主要受以下条件的影响：空气、天然气流的交角，空气、天然气流的速度，空气、天然气的接触面积，预混空气量大小，空气、天然气流的旋流强度。在窑型一定的情况下，助燃空气的出口流速为定值，也不会旋转；两气流交角也
10、基本一定（喷枪上仰角为 612，角度不宜过大，否则将破坏火焰上部至大碹部位的循环气流）。因此，改善混合条件只能从四个参数入手。 空气、天然气的接触面积天然气的出口流速预混空气量的大小天然气的旋流强度1 空气、天然气的接触面积喷嘴砖中心距与烧油的一致，为 600mm 时，将天然气喷枪火焰的扩散角定为 25是合适的。当喷嘴砖中心距远大于 600 mm 时，改用扁平火焰喷枪是有利的。总之，火焰扩散角大小确定，应使相临两火焰既不彼此分离又不交叉重叠。2 天然气出口流速对火焰长度的影响 在燃料恒定消耗中，天然气流出速度的加快，是通过提高喷枪前天然气压力及减少喷嘴的出口截面积取得的。下图显示了天然气流速增
11、加对火焰长度的影响。（枪前绝对压力从 0.105Mpa 增至 0.15Mpa，喷嘴直径减至 1/1.76，火焰长度减至1/1.32）。Po枪前天然气绝对压力 Mpa Lo、o、Wo枪前天然气绝对压力为 0.105Mpa 时的火长、喷嘴直径、流速系数 L、W枪前天然气绝对压力为不同压力下的的火长、喷嘴直径、流速系数1流速系数 W 随压力的变化 2喷嘴直径随压力的变化 3火焰长度随压力的变化烧嘴前天然气压力的提高，保证了火焰长度在足够宽的范围内调节。在主干线天然气供气压力有保障的前提下，提高枪前压力，加快天然气出口流速，缩短火焰长度是可行的。 采用压缩空气引射天然气流法加快天然气出口流速与单纯提高
12、天然气出口流速相比，采用压缩空气射流保证了更加广泛的调节火焰长度的范围。既满足了天然气的出口流速，又进行了部分空气预混。3 预混空气量大小对天然气火焰长度的影响下图是压缩空气射流法调节火焰长度，其压缩空气消耗量变化对火焰长度的影响。Vp压缩空气消耗量 m/小时 Vg天然气消耗量 m/小时L0当 Vp=0 时的火焰长度 m L实际火焰长度 m当 Vp/ Vg=0.3 时，火焰长度缩短至 0.8 倍；当 Vp/ Vg=1 时，火焰长度缩短至 0.6 倍；4 天然气流的旋流强度对火焰长度的影响运用旋流技术改善天然气与助燃空气的混合，是比较有效的手段。玻璃熔窑扩散式燃烧因受扩散角及火焰长度要求的制约，
13、一般采用弱旋转射流（也叫封闭气流）。所谓封闭气流就是由于射流回流区很小，主射流受到压缩而成封闭状，回流区被包围在主射流之中。旋转天然气流能够卷吸周围的热烟气及助燃空气，大大改善了混合条件，使火焰可以得到有效的缩短。同时，火焰底部的温度也有所提高，有利于化料。五、 玻璃熔窑用天然气燃烧装置玻璃熔窑对天然气燃烧装置的基本要求： 火焰要有一定的刚性，方向性要好，火焰覆盖面要大，一般火焰扩散角为2030。 形成的火焰要符合工艺要求，横向温差要小（火根火稍温差小），火焰长度达到窑宽的 2/33/4，比烧油略短，并能根据生产需要加以调整。 能在高温环境下长期可靠的工作，且不堵塞，备品备件消耗量要低。 操作
14、、维护方便。 满足熔化要求，降低气耗，降低电耗。玻璃窑用天然气燃烧装置分为两大类。其中型定名为压缩空气引射天然气型，以美国燃烧公司的产品为典型代表（国内产品称为 TYQ 型）。型定名为天然气引射空气型，以德国高定公司的产品为典型代表（国内产品称为 DRQ 型）。这两家公司均有着在玻璃工业烧天然气的经验，所生产的燃烧装置在世界各地均有应用。型特点：需消耗压缩空气，火焰调节能力强，喷枪前天然气压力要求不高，不需另设冷却装置。 基本型 特点：火焰长短完全靠压缩空气流量大小来调节。 改进型 特点：火焰调节除靠压缩空气量外，也靠空气喷口的前后移动来调节。 比较先进的枪型 特点：较之改进型，增加了空气垂直
15、预混孔及天然气旋流片；火焰的可调性更为加强。型特点：不消耗压缩空气，火焰调节能力弱，喷枪前天然气压力要求较高，需另设冷却装置。 基本型 特点：火焰长短靠更换空气喷嘴来调节。. 改进型 特点：依靠可连续调节的空气喷嘴来调节火焰。 .比较先进的枪型 特点：较之改进型，增加了天然气出口流速调节杆及天然气旋流片；使火焰的可调性大为加强。随着天然气燃烧技术的不断发展，两种类型喷枪都在不断改进自己的弱点，其技术性能在某些方面出现了融合。另外，油、气混烧喷枪，均采用型形式。其原因是，用于重油雾化压缩空气介质的压力、流量刚好满足单烧天然气时的要求，不需增加额外的装置。以 500 吨横火窑为例，两种喷枪的性能参
16、数对比如下：参数 型 型枪前天然气压力 0.08Mpa火焰可调性 强 可调空压机装机功率 132kw 无冷却风机装机功率 无 8kw外设冷却装置 无 有加热冷空气耗用天然气 3800 Nm/ 天 650 Nm/ 天说明：500 吨熔窑需耗用天然气 120000 Nm/ 天，天然气低位热值 7800 kcal/ Nm。型喷枪引入冷空气 36000 Nm/ 天，型喷枪引入冷空气 6000 Nm/ 天。型喷枪较之型喷枪具有一定优势，但由于型喷枪火焰调节能力偏弱。因此，采用型喷枪时，应注意以下几点： 枪前天然气压力要有保障 . 喷枪的选型要适当 . 火焰长度要合适。总之，无论采用何种形式的喷枪，都应该考虑到喷枪的热负荷、扩散角与喷嘴砖中心距的匹配及火焰长度。否则，由于火焰过长带来的能耗升高及耐火材料的损失，是任何其它手段也弥补不了的。尤其对于窄长型熔窑（窄长型熔窑系指熔化部的长宽比 K13.4,熔化区的长宽比 K22.0 的一些熔窑）更应该充分考虑火焰长度的问题。六、 结语通过增强辐射换热，控制合适的火焰长度及火焰覆盖面积，烧天然气达到烧油的单耗是可能的。
