天然气火焰

第34卷第1期玻璃与搪瓷ol. 34 No I2006年2月glass enamelFeb.2006天然气火焰孙承绪(华东理工大学材料科学与工程学院,上海200237)摘要:从燃料的组成和燃烧过程以及燃烧产物的成份,分析了天然气火焰与重油火焰相比较,具有软、飘、暗的原因,提出了克服这些弊端的方法。关键词:天然气;火焰;雾化;增碳中图分类号:Tq171.6*22文献标识码:B文章编号:1000-2871(2006)01-0060-02Flame of Natural GasSUN Cheng-xu不同燃料釆用不同的燃烧方式,会产生不同特性的火焰。不同窑型熔制不同的玻璃,会对火焰提出不同的要求。作为窑炉工作者,应该了解这两头,即产生怎样的火焰和需要什么样的火焰;还要设法从喷嘴结构、燃烧技术等方面使产生的火焰满足需要。这样,窑炉才能顺利运行,取得良好效果。所以,研究火焰熔窑的核心问题之一是火焰。天然气火焰的特点是软、飘、暗,或者说是软飘无力(无刚性)、暗淡无光。它与刚、平(方向性好)、亮,或者说是刚直有力、明亮发光的重油火焰特点正好相反。显然,这是不符合玻璃熔窑要求的。1天然气火焰为什么软、飘,重油火焰为什么刚、平要从燃料的组成和燃烧过程来看。重油是长链碳氢化合物。玻璃熔窑内通常采用雾化燃烧法,燃烧过程是:重油雾化→油滴蒸发→油雾与空气混合→着火燃烧。其中雾化阶段是燃烧过程的关键。根据雾化机理,重油雾化有两种方式。一是机械雾化,它是将重油加以高压(一般为1~3.5MPa,1035am)以较大的速度并以旋转运动的方式从小孔喷入气体空间使油雾化,喷出的火焰瘦长、刚性较好;二是介质雾化,它是利用一定角度高速喷出的雾化介质使油流股分散成细雾。通常我们采用高压雾化,雾化介质多用压缩空气,压力为0.1-0.7MPa(1-7am),流速为300~400m/s,属高压气体的流出,有一定动量。用预热的压缩空气雾化时,不仅能保持油粘度不变,还能加快雾化介质流速和提高火焰温度。此时喷出的火焰较短,刚性较强。具有较强刚性的火焰在喷出方向有相当冲力(由动量转变),克服了促使其向上弯曲(飘)的浮力。所以,重油火焰的方向性好,可以贴液面平射天然气是以甲烷为主的烷烃类气体。天然气在大气中的燃烧是扩散式燃烧。燃烧过程是:天然气与空气混合→着火燃烧。其中混合是燃烧过程的关键。混合效果取决于五要素:①)两气流的温度,2两气流的质量,(3两气流的相对速度,(4)两气流的相交角度,⑤5两气流的接触情况。扩散式燃烧时,天然气与空气两气流的情况是:没有经过预热,体积差大(1份天然气燃烧约需10份空气),密度差较大(天然气与空气的密度差为0.58~0.62:1),相对速度和交角小,相遇时无涡流。所以,单纯的扩散燃烧混合不良,燃烧不完全,火焰收稿日期:2005-09-23第34卷第1期玻璃与搪瓷6/软而长。天然气火焰喷出速度小、动量小,难以克服火焰空间的高温浮力,必然会向上飘。燃烧过程中还有一燃烧速度问题。从资料中査得,气体最大的火焰传播速度(m/s)是:H2.8,C00.56CH0.38。故重油火焰的最大传播速度,亦即燃烧速度大于天然气火焰。迫使重油火焰喷出速度要大,喷出火焰的刚性就强。2天然气火焰为什么暗淡,重油火焰为什么明亮要从燃烧产物的成份来谈。天然气火焰内基本上是由CO2水蒸汽等气体组成属气体辐射,具有间断光谱特征,只有几条较狭的光带向外辐射热量,黑度小(0.2~0.3),呈暗焰。重油火焰内除CO2、水蒸汽外,还含有热解析出大量微细的游离碳粒,也即除气相外还包含着固相。固体辐射具有连续光谱特征,辐射强度大。所以,重油火焰的黑度大(0.5-0.85),呈明亮的辉焰。3怎样克服天然气火焰的软、飘、暗可由重油的燃烧得到启发3.1从软飘到刚(1)使喷出气流具有较大的压力和流速A、“仿机械雾化”——提高天然气压力(喷口压力达0.5MPa,5atm),用天然气引射空气,不需压缩空气这类烧嘴以内混为主,要冷却。它的使用情况是:①天然气压力增高,喷出速度加快,火焰长度缩短。②可任意调整上下左右的火焰角度与长度。③天然气压力要保证,火焰调节能力较差,使用效果欠佳。这类烧嘴可以德国高定公司制造的烧嘴为代表。B、“仿介质雾化”—用压缩空气(压力0.1~0.4MPa,1-4atm)引射天然气(压力0.003~0.005MPa0.03-0.05am)。这类烧嘴以外混为主,不要冷却,要配预燃室。它的使用情况是:①用压缩空气量调节火焰长度,增大压缩空气量,混合好,火焰缩短。②用压缩空气压力调节火焰长度,压力增高,流速加快、动量变大、火焰缩短。③火焰易调节。这类烧嘴可以国内制造的TY型烧嘴为代表。(2)使两气流有一定的交角,流程中设置障碍,产生碰撞或涡流。在烧嘴内设旋流片、多孔板、置收缩角,使两气流以一定角度多流股沿切线方向相交(3)用新颖的带长方形喷口的扁平烧嘴得到扁平火焰。它能保证有效燃烧,对玻璃液的覆盖面大,给岀足够高和均匀的热流,可降低燃料消耗量20%-25%,还可缩短火焰长度和减少安设烧嘴的数量。3.2从暗淡到明亮采用增碳措施。增碳就是使天然气在高温缺氧条件下按以下诸式进行热解683℃起游离C+2H2-QCnH→→(n-m/4)C+m/4CH4-QCH4+1/202-→游离C+H2+H2O+Q生含少量H2的碳粒,可使黑度提高到0.6。热解程度取决于温度、时间和预混的空气量。涡流区‖窗可在烧嘴内或烧嘴外增碳。烧嘴内增碳是将天然气与部分空气预混,在高温下天然气热解。烧嘴外增碳是在小炉预燃室,尤其是涡流区(见图)内高温缺氧的条件下使喷出的天然气热解。也可以在供给池窑天然气的管道上滴入少许重油或焦油混入天然气,一同喷入窑内,在高温下裂化、游离出碳粒。