唐 偉 朱永昌

（1捷克玻璃服務(wù)公司青島代表處，山東 青島，266071；2中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院 石英與特種玻璃研究院，北京，100024）

1 引言

天然氣在全球玻璃工業(yè)已經(jīng)被廣泛使用多年。對(duì)天然氣有效的使用取決于燃燒器的設(shè)計(jì)、小爐結(jié)構(gòu)以及實(shí)際操作。因此，天然氣/空氣燃燒一個(gè)重大的發(fā)展 – 雙噴嘴天然氣燃燒器自上世紀(jì)80年代開(kāi)始被發(fā)現(xiàn)，并于90年代得到廣泛應(yīng)用。所有該類型燃燒器的一個(gè)普遍特征就是他們產(chǎn)生兩股同心的氣流，和單噴嘴燃燒器相比能夠進(jìn)行更好的火焰和輻射控制。天然氣要么通過(guò)一根單獨(dú)的管路注入燃燒器然后從燃燒器內(nèi)部分離出第二股氣流，要么通過(guò)兩根獨(dú)立的天然氣管路直接注入燃燒器內(nèi)外噴嘴。 然而，這些不同類型的燃燒器操作及火焰參數(shù)的控制通常是相當(dāng)復(fù)雜的。單天然氣入口燃燒器的一些主要難點(diǎn)是[1~5]：1）天然氣通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的天然氣入口進(jìn)入燃燒器，兩股氣流的分離通過(guò)一個(gè)內(nèi)部分配器來(lái)完成；2）進(jìn)入內(nèi)噴嘴的天然氣流量由分配器設(shè)計(jì)來(lái)決定，因此不能像獨(dú)立的管路那樣進(jìn)行測(cè)量；3）單天然氣入口系統(tǒng)不能測(cè)量有多少天然氣進(jìn)入內(nèi)噴嘴；4）關(guān)和開(kāi)燃燒器頂端的孔會(huì)影響噴出氣流的湍流并以一種非線性的方式來(lái)干擾火焰的特征。由于兩個(gè)噴嘴之間氣體的量也會(huì)同時(shí)發(fā)生改變，會(huì)使進(jìn)一步的燃燒器設(shè)置變得更復(fù)雜；5）這種單天然氣入口燃燒器的結(jié)果是燃燒很難調(diào)整和再生；6）這種燃燒器噴嘴產(chǎn)生的火焰形狀能夠引起燃燒期間很高的湍流并產(chǎn)生很高的NOx。

2 FLAMMATECTM 燃燒器創(chuàng)新

近幾年，一種新一代的真正獨(dú)立的或雙噴嘴天然氣燃燒器已經(jīng)在FlammaTec Ltd.研發(fā)成功。雙天然氣入口燃燒器的一些主要優(yōu)點(diǎn)：

1）雙或兩股氣流的理念伴隨新的先進(jìn)的控制特征如完全獨(dú)立的兩股氣流控制和測(cè)量、可調(diào)整的燃燒器噴嘴以及優(yōu)化的燃燒器風(fēng)帽（見(jiàn)圖1）而得到應(yīng)用。這種新的創(chuàng)新的方法允許對(duì)進(jìn)入內(nèi)或外噴嘴的天然氣的流量進(jìn)行精確控制–使用先進(jìn)的天然氣控制系統(tǒng)（作為燃燒器系統(tǒng)的一個(gè)組成部分）。

2）燃燒器風(fēng)帽的形狀和內(nèi)噴嘴的曲率設(shè)計(jì)都通過(guò)數(shù)學(xué)模擬進(jìn)行優(yōu)化，允許在火焰調(diào)整和火焰湍流控制方面很高的靈活性。

3）天然氣控制系統(tǒng)和獨(dú)特的燃燒器設(shè)計(jì)的結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)果是一種簡(jiǎn)單的火焰控制和高再生性的燃燒器參數(shù)設(shè)置。

4）一個(gè)附加特征和可能性是遠(yuǎn)程火焰控制。

圖1 FlammaTec 燃燒器

上面提到的燃燒器特征允許創(chuàng)造一個(gè)高亮度的火焰帶來(lái)節(jié)能并產(chǎn)生低NOx。這種富碳的火焰是由精確控制的進(jìn)入內(nèi)噴嘴的天然氣的流量和特殊設(shè)計(jì)的外風(fēng)帽的形狀而產(chǎn)生（噴嘴形狀通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)優(yōu)化）。這樣的一種富碳火焰對(duì)玻璃熔液有相當(dāng)好的輻射性，因此具有更好的燃料效率（節(jié)能）。由于燃燒器風(fēng)帽形狀的特殊設(shè)計(jì)造成火焰中整體較低的湍流能夠降低火焰溫度，從而減少NOx生成。燃燒器噴嘴通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬（CFD代碼）精確設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步通過(guò)玻璃窯爐中實(shí)際測(cè)試進(jìn)行優(yōu)化。圖2展示了對(duì)燃燒器噴出的氣流中湍流的模擬。紅色表示湍流較高，藍(lán)色表示湍流較低。注意低湍流區(qū)域在火焰中心清晰可見(jiàn)。

圖2 燃燒器湍流模擬

為了使燃燒器設(shè)計(jì)符合實(shí)際小爐設(shè)計(jì)和窯爐設(shè)計(jì)，燃燒器噴嘴數(shù)學(xué)模擬應(yīng)用于每個(gè)特定的項(xiàng)目安裝。NOx的形成考慮以下化學(xué)反應(yīng)：N2+O?NO+N；N+O2?NO+O；N+OH?NO+H。如果天然氣中有氮出現(xiàn)在火焰富燃料區(qū)，有一個(gè)NOx生成的快速機(jī)理將考 慮 以 下 反 應(yīng)：CH+N2?HCN+N；N+O2?NO+O；HCN+OH?CN+H2O；CN+O2?NO+CO。FlammaTec燃燒器十分靈活，火焰的形狀和長(zhǎng)度在不同的氣體流速下可以輕松控制（見(jiàn)表1）。

表1 燃燒器類型（容量和重量）

圖3 底燒式燃燒器安裝

圖4 低NOx天然氣側(cè)燒式燃燒器

低NOx的生成取決于低動(dòng)量富碳的火焰。這樣的火焰有較低的火焰溫度，因此氮的氧化減少了。燃燒器的安裝有底燒（圖3）或側(cè)燒（圖4）位置。優(yōu)點(diǎn)是燃燒器可以在窯爐運(yùn)行期間安裝并且能夠替換現(xiàn)有重油燃燒器或其它類型天然氣燃燒器。典型的火焰發(fā)展見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 FlammaTec燃燒器在馬蹄焰窯爐的安裝

圖6 詳細(xì)展示高輻射明亮火焰

3 結(jié) 語(yǔ)

一個(gè)新的創(chuàng)新的燃燒器理念被成功應(yīng)用于許多玻璃窯爐，主要應(yīng)用在馬蹄焰窯爐熔制器皿玻璃、餐具玻璃和特種玻璃以及底燒式或側(cè)燒式大型橫火焰蓄熱式窯爐比如浮法和平板玻璃窯爐。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)是FlammaTec燃燒器能夠產(chǎn)生一個(gè)很穩(wěn)定的火焰，允許輕松控制火焰長(zhǎng)度和亮度，以下是觀測(cè)到的結(jié)果：1）更換為FlammaTec燃燒器之后會(huì)使料堆縮短（增強(qiáng)配合料熔化）；2）池底溫度明顯升高帶來(lái)玻璃質(zhì)量的提高和燃料的節(jié)省（不同窯爐上的經(jīng)驗(yàn)：節(jié)能效果在2%-8%）；3）火焰可以從短火焰高湍流到長(zhǎng)火焰低湍流輕松調(diào)節(jié)而且火焰明亮，允許底燒式或側(cè)燒式安裝；4）首選燃料是天然氣，也可作為雙燃料燃燒器使用（重油/天然氣）；5）和之前的燃燒器相比能夠減少NOx生成（10%–40%的改進(jìn)）；6）通過(guò)增加適當(dāng)?shù)目刂崎y能夠?qū)崿F(xiàn)控制室遠(yuǎn)程火焰控制。

[1]范傳林,雷琴.平焰燒嘴在玻璃窯爐上的應(yīng)用[J].玻璃與搪瓷,1989,05:30-33+36.

[2]趙群.玻璃窯爐中使用天燃?xì)馊紵髟O(shè)計(jì)方案的探討[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2002,03:88-91.

[3]鄧力,徐美君.玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].玻璃,2002,05:31-37.

[4]呂雷,童樹(shù)庭.玻璃窯爐中的燃燒新技術(shù)[J].工業(yè)爐,2005,05:8-11.

[5]金明芳,何峰.玻璃窯用全氧燃燒技術(shù)及燃燒器的研究進(jìn)展[J].國(guó)外建材科技,2007,05:76-81.