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1、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公司（重庆北碚莱弗玻璃工程有限公司） 400700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，
2、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12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12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
3、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
4、，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101。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。气田气的主要成分为CH4（甲烷）
5、，含量可达95%98%，C2H6（乙烷）以上的烃类较少，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0.50.7Kg/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0.60.8Kg/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
6、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（jAFA+jBFB+jCF+）（A0+5ji-18.8j0+1）式中，jA、jB、jCA、B、C组分的容积成分；FA、FB、FCA、B、C组成的燃烧速度系数；0理论空气需要量；ji惰性气体的容积成分；j 0燃气中的氧的容积成分。常见气体燃烧速度系数F 表一3气 体F气 体F一氧化碳 CO61丙 烷 C3H8398氢 气H2339丁 烷 C4H10513甲 烷 CH4148乙 烯 C2H4454乙 烷
7、C2H6301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键的形成结合，C-H键键长为1.093 ，平均键焓（298K）为412H/KJ.mol-15.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530750，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
8、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。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键，C-O键键长为1
9、.43 ，键焓为360H/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12600KJNm3，着火温度为610650，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
10、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CH和CC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。
11、 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CH键是键，发生炉煤气中的CO中有键成分，键较键活泼，(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，见表二。表二 单一可燃气体的燃烧特性9名 称分子量着火温度（）最大燃烧速度Nm/s最大燃烧速度时一次空气系数爆炸的上下极限20空气中体积低热值kJ/Nm3甲 烷16.0435400.380.9015.0/5.03588
12、3氢 气2.0164002.80.5775.9/4.010761一氧化碳28.0106050.510.4674.2/12.512636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美国RR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，它的火焰速度可10倍于天然气。EKT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500700，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
13、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（KK0e ）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WW0。只有当温度达到1105K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24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
14、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焰的黑度f=0.70，重油发光火焰的黑度f=0.85，12，而天然气由于CH 比例小，在无焰燃烧时黑度f=0.2，在有焰燃烧时黑度f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
15、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25083762KJkg，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
