玻璃窑炉中天燃气燃烧器制作创新

近20年来,由于大量的天然气燃烧系统被应用于玻璃工业生产中,在同类结构的燃烧室里,能够合理的布置喷枪时,可获得同燃油窑炉一样的熔化能力,但单位燃料的消耗增加3%-4%每公升玻璃液。在这样的气体燃烧系统中,微量的能耗增加可由其它方面的获益而补偿,如取消了重油预热系统,取消了油泵运行成本和燃料雾化及冷却所需压缩空气的生产成本等。另外在使用天燃气时,零部件成本和人工与设备维修成本也将大大低于燃烧油时的成本。因此与燃油系统相比,天然气燃烧系统在玻璃工业中的应用,可带来较好的经济效益。

1温度

将现有烧油窑炉,在结构设计没有任何变化改为烧气窑炉时,由于在同等能力下助燃空气量和废气量的增加即可使窑炉温度提高30℃—50℃。与重油相比,燃气时的助燃空气需要量要增加4•8%,废气量要增加11%左右。这些量和当量过剩空气控制量有关。在将现有燃油窑炉改为烧天燃气窑炉时必须考虑这点。火焰长度可通过使用低值氧和控制排气量来调节。火焰长度的控制部分可通过调节加入燃烧器喷嘴的预混空气量来实现。但预混空气的增加,则火焰明度将降低。当然,气体提供应适当,如可能的话,冷空气的加入量要少些。当设计一种新的使用天燃气燃烧器窑炉时,要得到较大的燃烧值,应考虑天然气实际燃烧温度,取决于燃烧产物的热容量、空气过剩系数以及热分解程度等因素。

2传递到玻璃液面上的热量

根据Stefan—baltgmarnn公式,火焰传递的热量是:Qs=Cs×A×(T/100)4,这里Cs是明火焰直接传递热值,A为假定窑顶火焰覆盖面积,而T为火焰的绝对温度。为了获得较大的辐射效果,就要尽可能地燃烧尽CH4(甲烷)中的碳。这可以通过CH4甲烷“热裂”解为C+2H2实现,分解出的碳和预混空气中的氧作用产生明火。热裂解可以不用氧而在800℃~1000℃的温度之间进行。燃气喷嘴的设置,致使二次分解过程分别在火焰中心区和燃气喷嘴中心区发生。设计强气旋的喷枪,在用天燃气时不能产生明火焰。同样,使用过高气流速度或过大的冷预混空气量都可产生以上结果。和烧油相反,为保证最大热量传递到玻璃液面,需要一个缓慢、平稳可调的火焰。明显占窑宽2/3~3/4的天燃气火焰燃烧效果远比短而硬的火焰高,但要考虑在不可见区域可能出现不完全燃烧。

2•1Korting喷嘴燃烧器

K氏喷嘴,特别适用于控制这种火焰,燃气在一定压力下,通过“导向”喷嘴进入混合区。当气体离开喷嘴进入混合区时产生一个负压,以便空气通过一特殊喷嘴而被吸入。被吸入的空气量可以精确确定,具有自动调节性能。两种气体混合后进入喷嘴,然后混入窑炉热气流中。

2•2燃气和助燃空气的混合

天燃气和助燃空气的混合是按下面的公式进行的:E=m×v2/2和燃气一样,对于不同的混合比,助燃空气的流速是有变化的。为使进入助燃空气气流中的燃气更为合理,喷嘴前的压力应在200—300毫巴之间。如果燃气喷射需要吸入微量的空气,也需要压力。在燃气预混空气分别由喷嘴喷出后,由于压力的缘故,在炉内的流速迅速降低。虽然助燃空气由喷嘴中喷出的气体流速比天燃气低,但根据公式,助燃空气对气体的混合和火焰的特性都是重要的因素。就大型窑炉而言(如平板玻璃窑炉),助燃空气的流速(随温度不同而不同)在燃烧器喷嘴最窄处的流速大约在10m/s~11m/s之间,就一般马蹄焰或窄型横火焰窑而言,助燃空气的流速大概在11m/s~13m/s间。因此从开始设计就要注意窑炉的结构的燃烧器的构造相匹配,这是很重要的。

2•3燃烧器的设置

对在玻璃熔窑中使用的天燃气燃烧系统来讲,有三种燃烧器设置形式。小炉下孔设置形式:正如前面所说的,小炉下孔设置形式提供了由火焰到玻璃面最好的热传递形式。可以设计宽口小炉,使其能够施置多台燃烧器在选择复式燃烧器和多重火焰,火焰可充分展开,直接面向玻璃液面,并在一个较宽的范围内产生快速热传递。在侧喷火设置和横贯喷火设置的情况下,每个小炉只能安装两个燃烧器,产生两个体积大而长的火焰。例如,有一种平板玻璃窑每个小炉装有5~6个燃烧喷嘴进行生产,这样就保证了在少量或没有预混冷空气的情况下,在整个窑炉的宽度上燃烧的火焰稳定而均匀。然而有必要先确定防止火焰熄灭的火焰直径,要保证含助燃空气的气体正确的混合,并且喷嘴可在5°~15°范围内进行调节。在长宽窑中,燃烧器支腿衬砖的倾斜角度在22°~25°之间;在短窑情况下,倾角可增加至27°。注意必须给定燃烧器档的设计和燃烧器砖要装架在轴线与炉熔轴线间距离。为防止多余空气的进入,燃烧器喷嘴本身应密封。这是因为:通过燃烧喷口吸入炉内的多余冷空气增加了热量的消耗。实验证明全密封燃烧装置和不密封燃烧装置相比,NOx值降低了15%左右,这表明防止泄漏空气直接由喷嘴吸入时,火焰中心区域是微冷区。测量表明NOx的扩散值在按化学当量计算的理想配比情况下或在这情况以下是最低的。孔下设置的另一显著优点是燃烧是在任何时候均可从燃气换为燃油,反之亦可以。当燃烧装置完成被密封后,装置外铡的喷管的冷却,通过现在冷空气冷却就足够了,冷空气是在燃烧装置前部与喷嘴方向垂直吹出的,所以不会进入窑炉。测试结果已表明,每个喷嘴用大约5Nm3到10Nm3的低压空气是足够的。根据实际的测试和熔窑的尺寸,对于调节火焰长度,由Korting燃气喷嘴吸入的常压下混合空气,大约是每标米3(Nm3)天燃气,0.1Nm3~0.2Nm3混合空气,这一百分比大约是熔窑所需全部助燃空气的1%~2%。值得注意的是,预混空气在大多数情况下不能忽略,其原因是另有少量CO在废气室中形成。如果这些少量的予混空气没有用完,结果会产生很长的不能燃尽的煤气火焰,在这种情况下,能源的浪费是很严重的。

2•4小炉侧边设置

这种设置方法被广泛地应用于玻璃工业当中,特别是50年代和60年代期间换烧天燃气代替烧油时。它可在砖砌小炉孔的每一侧安装一个喷嘴,喷嘴砖如下安装,其相对应的喷嘴中心线的沿长线交角为90°。如果可能的话交点应在窑炉边沿上,喷嘴应安排在高处,以便煤气喷出时处在空气流的中心。燃烧器喷嘴可以与玻璃液面水平安装或成大约3°~5°倾角安装。这就是要求燃烧器挂坎垂直,而燃烧器孔的衬砖角度不大于15°。在调试期间喷嘴砖也要这样安装,烧气喷嘴可根据火焰参数的变化在一定角度内变化。在调试形成正确火焰燃烧后,还要对喷嘴砖进行必要的全面密封和提供必要的冷却系统。在使用侧边设置时,每个小炉只有两个火焰,因为每个小炉所需燃料量只能由两个火焰来满足,所以每个小炉的气容量比较高。所以小炉的宽度应比下孔设置窄些,但高度稍高。在无明火情况下,如用家用煤气所形成的无明火焰,侧孔系统有利于通过对流和辐射将热传递到玻璃液面,还可以通过过窑顶这个辅助辐射面的作用来传热。

2•5小炉横贯设置

按照横贯设置要求,有些熔窑用水冷却燃烧器,如果不能侧边设置,这种窑炉仍可改为烧天燃气的,在这种情况下,煤气喷枪可以适应于燃油喷枪的水冷外套。而水冷外套的直径要受到一定的限制,以使得更高的煤气气流速度,从而获得无明火火焰。Korting的专用喷嘴元件,包括一个混合元件,喷嘴和空气吸管均适合外水冷却套。横贯设置系统的火焰类似于侧壁设置系统,由于冷却水消耗的原因(大约每只喷枪为4000l/h),每个小炉只能安装两个燃烧器,在次却水的温差为10℃时,每支喷枪的热损失大约是40000千卡/小时。为了避免经常性地修理冷却外套,需要使用循环软化水。因此为避免燃烧器在换向时重复移进移出。在窑炉排气侧要有冷却空气循环。在窑炉排气侧保留水冷却外套是合适的,由于位置稍有变动就可能出现这样的情况:例如在13米宽的平板玻璃窑中稍有变动就会改变火焰的形式。通过以上的讨论,可以认为小炉下孔设置系统对于天燃气来讲是最适合的和节能的系统。

3能源的节约

由于玻璃熔化所需燃料的成本占总成本的60%,因此尽可能有节约能源是必要的,而且从环保角度讲也是如此。测试以措施并取得良好的效果。密封喷嘴砖,这样避免了燃烧附近不必要空气的吸入,和在排放侧热量的损失。如采取正确的喷嘴砖密封,只会有很少一部分喷嘴前管露在熔窑的热流中,这样就不需要冷却空气,这样前边所提到的外部冷却系统就能满足冷却之用。假定多余空气必须加热到1200℃(助燃空气温度),而为此消耗的部分被蓄热室吸收,另一部分氧气循环至助燃过程中,这样3%的多余空气真正消耗的附加燃料值应考虑为0.7%左右。对于每小时消耗5000标米3天燃气的平板玻璃熔窑,每年天燃气节约量大约在300000标米3。火焰燃烧最佳状况是尽可能降低排气中的氧含量。然而在这种情况下,要考虑玻璃的工艺条件。例如在平板玻璃中熔窑在边炉精炼部位会使一定的氧气存在。通过调整喷嘴可以达到最佳的低氧值,例如调节燃气吸入导管和吸泠空气进入助燃空气的喷嘴。可见明火应达到窑宽的2/3~3/4,而无CO含量的确定可由废气室上方的检测器测量。

4减少污染

天燃气中不含任何硫和此类物质,有关这方面的情况无需测试。粉尘的散发是由于玻璃混合料而产生的,必须考虑的是窑炉前部加料口附近的火焰不要太大,以避免粉尘的飞扬。NOx释放测量表明在火焰后部适当减少NO和NOx的组成是可能的。助燃器附近具有燃料和空气的正确比例NOx成分较低。通过密封喷嘴砖以避免多余空气的吸入,NOx值可以进一步减少。