FLAMMATECTM天然氣燃燒器在玻璃窯爐節(jié)能和降低NOx中的應用

唐 偉 朱永昌

（1捷克玻璃服務公司青島代表處，山東 青島，266071；2中國建筑材料科學研究總院 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。對天然氣有效的使用取決于燃燒器的設(shè)計、小爐結(jié)構(gòu)以及實際操作。因此，天然氣/空氣燃燒一個重大的發(fā)展 – 雙噴嘴天然氣燃燒器自上世紀80年代開始被發(fā)現(xiàn)，并于90年代得到廣泛應用。所有該類型燃燒器的一個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行更好的火焰和輻射控制。天然氣要么通過一根單獨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，要么通過兩根獨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)的控制通常是相當復雜的。單天然氣入口燃燒器的一些主要難點是[1~5]：1）天然氣通過一個單獨的天然氣入口進入燃燒器，兩股氣流的分離通過一個內(nèi)部分配器來完成；2）進入內(nèi)噴嘴的天然氣流量由分配器設(shè)計來決定，因此不能像獨立的管路那樣進行測量；3）單天然氣入口系統(tǒng)不能測量有多少天然氣進入內(nèi)噴嘴；4）關(guān)和開燃燒器頂端的孔會影響噴出氣流的湍流并以一種非線性的方式來干擾火焰的特征。由于兩個噴嘴之間氣體的量也會同時發(fā)生改變，會使進一步的燃燒器設(shè)置變得更復雜；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：

1）雙或兩股氣流的理念伴隨新的先進的控制特征如完全獨立的兩股氣流控制和測量、可調(diào)整的燃燒器噴嘴以及優(yōu)化的燃燒器風帽（見圖1）而得到應用。這種新的創(chuàng)新的方法允許對進入內(nèi)或外噴嘴的天然氣的流量進行精確控制–使用先進的天然氣控制系統(tǒng)（作為燃燒器系統(tǒng)的一個組成部分）。

2）燃燒器風帽的形狀和內(nèi)噴嘴的曲率設(shè)計都通過數(shù)學模擬進行優(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)和獨特的燃燒器設(shè)計的結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)果是一種簡單的火焰控制和高再生性的燃燒器參數(shù)設(shè)置。

4）一個附加特征和可能性是遠程火焰控制。

圖1 FlammaTec 燃燒器

上面提到的燃燒器特征允許創(chuàng)造一個高亮度的火焰帶來節(jié)能并產(chǎn)生低NOx。這種富碳的火焰是由精確控制的進入內(nèi)噴嘴的天然氣的流量和特殊設(shè)計的外風帽的形狀而產(chǎn)生（噴嘴形狀通過計算機模擬設(shè)計優(yōu)化）。這樣的一種富碳火焰對玻璃熔液有相當好的輻射性，因此具有更好的燃料效率（節(jié)能）。由于燃燒器風帽形狀的特殊設(shè)計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。燃燒器噴嘴通過計算機模擬（CFD代碼）精確設(shè)計，并進一步通過玻璃窯爐中實際測試進行優(yōu)化。圖2展示了對燃燒器噴出的氣流中湍流的模擬。紅色表示湍流較高，藍色表示湍流較低。注意低湍流區(qū)域在火焰中心清晰可見。

圖2 燃燒器湍流模擬

為了使燃燒器設(shè)計符合實際小爐設(shè)計和窯爐設(shè)計，燃燒器噴嘴數(shù)學模擬應用于每個特定的項目安裝。NOx的形成考慮以下化學反應：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NOx生成的快速機理將考 慮 以 下 反 應：CH+N2?HCN+N；N+O2?NO+O；HCN+OH?CN+H2O；CN+O2?NO+CO。FlammaTec燃燒器十分靈活，火焰的形狀和長度在不同的氣體流速下可以輕松控制（見表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)點是燃燒器可以在窯爐運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)展見圖5和圖6。

圖5 FlammaTec燃燒器在馬蹄焰窯爐的安裝

圖6 詳細展示高輻射明亮火焰

3 結(jié) 語

一個新的創(chuàng)新的燃燒器理念被成功應用于許多玻璃窯爐，主要應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。實際經(jīng)驗是FlammaTec燃燒器能夠產(chǎn)生一個很穩(wěn)定的火焰，允許輕松控制火焰長度和亮度，以下是觀測到的結(jié)果：1）更換為FlammaTec燃燒器之后會使料堆縮短（增強配合料熔化）；2）池底溫度明顯升高帶來玻璃質(zhì)量的提高和燃料的節(jié)?。ú煌G爐上的經(jīng)驗：節(jié)能效果在2%-8%）；3）火焰可以從短火焰高湍流到長火焰低湍流輕松調(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）；6）通過增加適當?shù)目刂崎y能夠?qū)崿F(xiàn)控制室遠程火焰控制。

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

[2]趙群.玻璃窯爐中使用天燃氣燃燒器設(shè)計方案的探討[J].北京建筑工程學院學報,2002,03:88-91.

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

[4]呂雷,童樹庭.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)及燃燒器的研究進展[J].國外建材科技,2007,05:76-81.