浮法玻璃重油燃烧技术的发展历程

浮法玻璃重油燃烧技术的发展历程

0玻璃行业的发展1902年，美国人w.heal和haile要求平板浮法形成专利后，pb浮法艺术于1959年获得，美国彼得浮法艺术公司（oliverbuildingprotectionsystem，美国）生产了lb浮法。1981年，中国洛阳浮法工艺也成功。迄今为止,全世界除少数落后国家外,平板玻璃生产几乎全部使用浮法成型工艺。同时,应用于浮法玻璃窑的燃烧设备也在不断地改进和创新,就重油燃烧器(又称重油喷嘴)而言,从最早的套管型重油燃烧器到改进的旋流式重油燃烧器,已发展为各式各样的重油燃烧器,如内混式重油燃烧器、Y型重油燃烧器、多级供风燃烧器、多孔式燃烧器等等。这些燃烧器各有特色,广泛地应用于玻璃行业。20世纪80年代,玻璃行业开始研究适用于玻璃熔窑的富氧燃烧器。所谓富氧燃烧技术是指采用比普通空气中的氧含量更高的富氧空气来助燃,也称为增氧燃烧技术。据不完全统计,目前国内、外进行富氧燃烧技术开发的单位有:日本松下电气产业株式社会、大阪煤气株式社会、美国通用电气公司的UOP公司、北京华燕德联玻璃有限公司、中国科学院大连化学物理研究所等。1983年,第1座烧天然气的全氧燃烧玻璃熔窑在美国康宁公司诞生,用于生产硼玻璃二极管。随后,康宁公司于1989年第1座烧油的全氧燃烧玻璃熔窑生产线也成功试产。1998年7月,在美国旧金山召开的第18届国际玻璃会议上,把全氧燃烧技术列为重点讨论的专题之一,并把全氧燃烧技术誉为玻璃熔化技术的第2次革命。经过20多年的发展,全氧燃烧窑数量快速增长,同时全氧燃烧技术也日益成熟。与此同时,全氧燃烧器的研发获得较大成果。而我国在近几年才开始推行全氧燃烧技术,全氧燃烧器的研发技术水平远远落后于欧美、日本等发达国家。本文基于浮法玻璃工艺,将从重油燃烧器的结构类型、工作原理、燃烧状态、优缺点以及发展历程等方面对空气助燃和全氧燃烧重油燃烧器做较为详细的介绍。1重油的雾化燃烧最原始的重油燃烧方式是直接用一根管道将重油通入熔窑中直接进行燃烧,这种燃烧方式不但使燃烧效果差、熔窑温度低、能耗大、环境污染严重,而且燃烧不稳定,油管道易结焦堵塞,需要经常更换。后来通过研究发现重油的沸点温度(约200～300℃)远小于燃点温度(约500～600℃),其燃烧是一个蒸发扩散燃烧过程,即重油先蒸发成油蒸气或裂解成气体再燃烧,因此重油的蒸发速率直接决定了燃烧速度和燃烧效果。大量研究表明重油的蒸发速率与油的表面积有关,对油滴来说,其直径越小蒸发速率越快。因此,为提高燃烧质量,应该先通过一定的方法将重油破碎成较小的雾滴再进行燃烧,这个过程称为重油的雾化。重油的雾化方式有很多种,主要分为机械雾化和介质雾化。就浮法玻璃熔窑而言,主要采用介质雾化法,即利用空气、氧气或天然气等压缩气体作为雾化剂,既可使火焰刚性强,火根温度高、辐射能力强,而且雾化剂本身参与助燃或燃烧,不影响热效率和窑压。根据雾化介质与重油的流动状态,玻璃熔窑使用的重油燃烧器又分为直流雾化型和旋流雾化型两大类。一般来说,直流雾化型重油燃烧器的燃烧火焰细而长,具有较好的刚度,但其重油的雾化质量相对于旋流式来说较差,从而导致燃烧效果不理想。而旋流雾化型重油燃烧器则克服了直流式的不足,其火焰粗而短,重油的雾化质量和燃烧效果明显提高了。根据雾化介质与重油的混合位置,玻璃熔窑使用的重油燃烧器又分为外混式和内混式。内混式重油燃烧器克服外混式重油燃烧器的结焦堵塞现象,大大提高了使用性能和寿命。为了不断适应工艺要求,提高燃烧热效率,减少能耗,节约资源,各国都在积极研制新型重油燃烧器。其结构已经从原来的内混旋流构型向多级燃烧、扁平火焰、低氮氧化物等方向发展。1.1空气流项目最早的重油燃烧器采用套管结构,也称外混直流雾化喷嘴,如图1所示是一种套管式高压空气雾化重油燃烧器的结构示意图。该燃烧器结构简单,采用高压空气作为雾化剂,重油从中心管喷出,空气从外层套管中以高速喷出。油流管道出口采用缩颈结构,可以增加油流的速度,使油流喷出时在压力的作用下向外膨胀;同时雾化空气出口为收缩形,雾化空气喷出时与油流呈25°交角以改善雾化。当雾化空气压力较高时,其雾化质量较好,火焰瘦长,所以这种喷嘴只适用于需要长火焰的熔窑上。由于喷口尺寸较大,运行中不易堵塞,调节比也较大,油系统也较简单。但因雾化剂与油流股的相互作用条件很差,它们是在离开喷嘴后才开始接触,蒸气与油流股的交角小,因此,雾化和混合条件都较差。1.2旋流装置设计为了提高雾化效果,基于外混直流雾化喷嘴,在油流出口或是雾化剂出口处增加旋流装置,这类重油燃烧器称为外混旋流雾化燃烧器。图2是一种外混旋流式高压雾化重油燃烧器的结构示意图。它的主要特点是在油喷头的外壁即雾化剂的通道中附加了某种旋流装置(例如涡流片和旋转槽),在旋流装置的作用下,雾化剂喷出时旋转性很强,与重油流股的交角大,可以在旋转中心区产生一定的负压,从而产生一定的卷吸作用,因而有利于改善雾化质量和加强与空气的混合,可以得到宽而短的火焰。旋流装置的是该类型重油燃烧器的重要构件,通过改变涡流片或旋流槽的角度,可以得到不同的火焰长度和张角。另外,旋流器的导程要适当,不宜太长,以免雾化剂的能量损失过大。目前,国内许多浮法玻璃熔窑依然在采用这种类型的燃烧器。在设计或选用这种旋流式的高压喷嘴时,目前只能通过试验或参照生产经验来确定。1.3重油燃油喷枪为了克服外混式重油燃烧器的结焦堵塞现象,将油喷口设计在雾化剂导管内,使雾化剂提前和重油相遇,这种类型的重油燃烧器称为内混式重油燃烧器。使用情况证明,内混式高压燃烧器有以下优点:雾化粒度比较细,雾化剂的流量密度比较均匀,混合较好,能保护油喷口使之不会由于炉膛的辐射热而发生结焦堵塞等。在使用内混式喷嘴时,混合管不宜太长,否则油粒在管内出现“再聚合”,反而降低雾化质量。此外,在使用内混式高压喷嘴时,为了保证重油流量的稳定使之不受高压气流的干扰,油的工作压力应当接近雾化剂的压力,而且应当根据在通进雾化剂时的实际喷油量来标定喷嘴的燃烧能力。如图3所示,是一种内混式旋流高压空气雾化燃烧器,该重油燃烧器是由英国雷德洛(LaidlawDrew)公司研发的GT/CPA型重油燃烧器。目前,CPA燃油喷枪已成为适应中国油品的较好喷枪,适用于横焰窑,是一种以压缩空气或蒸汽作雾化介质的油膜式双临界压力喷枪。有很多资料对其基本结构和工作原理作过详细介绍[14～!6],本文不再详述。1.4gnb-型重油燃料随着浮法玻璃窑的发展需要,重燃烧器已经从传统的直流式与旋流式结构、外混式与内混式结构过渡到多样化结构。例如美国天时燃烧技术公司(EclipseCombustionTech.Co.)的WGD型水冷多孔型重油燃烧器和WRASP-DI型同心双脉冲流重油燃烧器,英国的的WTPU型伸入式重油燃烧器,美国欧文斯公司的G系列外混式重油燃烧器,德国索尔格公司(SorgGmbH)的DZL型双混式烧嘴,德国高定公司(KortingHannoverGmbH)的ZL5型外混式烧嘴等。我国自主研发的重油燃烧器也具有很好的燃烧效果,如图4所示,是我国自行研发的GNB系列高压、内混、旋流、多孔(扁平火焰)式玻璃窑用重油燃烧器。该燃烧器采用扁平火焰技术,能够形成扁平火焰,它的火焰覆盖面积比传统结构的重油燃烧器增大2～4倍。GNB-Ⅲ型重油燃烧器的结构包括油嘴、风套管、内混室外套管、油管等。采用发泡雾化技术,喷出的油雾滴极细,形成的火焰较软,雾化介质用量较少,工作噪声较小。雾化介质通过若干个小孔高速冲入喷出的油流股雾化,因有内混室,所以在烧嘴帽上开设喷孔不受油嘴的约束,灵活性较大,喷射方向可任意选定(与烧嘴中心的取向无关)。喷孔可为单孔也可为多孔,喷孔形状有圆口也有扁平口,喷孔可在中心也可在四周,还可呈几排或辐射状,具体视对火焰的要求而定。GNB-Ⅲ型重油燃烧器的气压和油压要求较高、内混室内易结焦、对火焰不易转向等。GNB-Ⅳ型重油燃烧器(如图5)则克服了上述部分缺点,适用于大型玻璃池窑。除了GNB系列重油燃烧器外,还有秦皇岛玻璃工业研究设计院研发的LXQ型重油燃烧器,北京航空航天大学热动力研究所研发的BHB型喷枪等。2全氧燃烧的节约性从第1座全氧玻璃熔窑诞生开始,全氧燃烧器的研究工作就已经展开。随着全氧燃烧技术的大力推行,全氧燃烧器的研发也不断取得成果。与空气助燃燃烧器一样,全氧燃烧器的设计也经历了从简单的直流套管式到分级燃烧式和扁形焰式,从对传统空气助燃燃烧器的改造到独立设计新型全氧燃烧器的发展过程。全氧燃烧过程中因为氧气浓度高、燃烧充分,从而可以提高燃烧温度和火焰传播速度,致使燃料利用率提高;加之废气大量减少导致热损失减少,因而全氧燃烧比空气助燃大大节省燃料。根据理论计算,若达到同样的燃烧温度,全氧燃烧比空气助燃节省燃料一半以上。而实际生产应用也证明,与蓄热式窑相比,全氧燃烧可节省燃料10%～40%,助燃气体总用量可减少到12%～18%;与换热式窑相比,可节省燃料35%～60%,助燃气体总用量可减少到8%～13%。因此,使用全氧燃烧时助燃气体可以直接通过全氧燃烧器中设置的氧气通道送入玻璃窑中。2.1重油-全氧燃烧燃烧过程目前常用的全氧燃烧器有A型和密闭式,其基本结构如图6所示。A型全氧燃烧器是基于传统的空气助燃燃烧器的基本结构加以改造而成的,既适用于重油等液体燃料的燃烧,也适应于气体燃料的燃烧,目前国内多使用重油型的A型全氧燃烧器。密闭式全氧燃烧器一般用于燃烧气体燃料。下面以A型重油-全氧燃烧器为例介绍其结构及燃烧机理。A型重油-全氧燃烧器采用压缩氧气作为雾化介质,其结构主要由两部分组成:一是由油管和通雾化介质的环形通道构成的套管式重油雾化装置;二是由8个沿油管外层均匀分布的小孔组成的氧气流通道。小部分助燃氧气作为雾化介质(一般称为一次风),从环形通道喷出后,以一定角度与油流相交,起到雾化作用。一次风可以是直流也可以是旋流,从雾化的角度来看,目前大多使用旋流式,即可提高雾化质量,又可提高燃料与氧气的混合效果。大部分氧气从氧气流通道进入玻璃窑(一般称为二次风),为了保证燃烧火焰具有一定的刚度和长度,通常采用直流式。A型全氧燃烧器虽然能很好地适应于浮法玻璃窑,但其喷射的火焰短而窄、覆盖面小、局部温度高,局限了其在大型浮法玻璃窑中的应用。2.2国外全氧燃烧技术的发展为了弥补全氧燃烧速度过快而引起的“火焰短而窄、覆盖面积小”这一缺陷,采用分级燃烧技术可以有效延长燃烧火焰的长度,达到所需的火焰覆盖率,同时通过提高热辐射来提高热效率和降低NOx的形成。所谓“分级燃烧”技术是指采取一定的氧气比例和通过烧嘴砖上的孔二次引入氧气。高速气流携带燃料在完全燃烧之前进入熔窑更远,这样产生延迟燃料燃烧的结果,得到更大的火焰覆盖面积,产生更均匀的热量分布。分段燃烧技术可以对燃料进行预热以及增加火焰中的炭黑量,可显著提高热辐射和增加火焰发光。例如美国Maxon(麦克森)公司设计的Oxy-ThermLE燃烧器就是基于第1代全氧燃烧器Oxy-Therm引入分级燃烧技术而设计的。美国Maxon公司,从1916年开始设计燃烧器,在全氧燃烧领域中拥有最早的发明专利,并一直保持不断的研发。1980年,Maxon公司开发出第1代全氧燃烧器Oxy-Therm系列,1993年开发出第2代全氧燃烧器Oxy-ThermLE系列,随后又研发了第3代Oxy-ThermLEFF系列平面火焰全氧燃烧器。Maxon全氧燃烧器是我国引入较多的一种全氧燃烧器。如图7所示,是第2代Maxon全氧燃烧器Oxy-ThermLE(有关资料也称为Maxon-LE)的结构示意图。Oxy-ThermLE全氧燃烧器既适用于重油等液体燃料的燃烧,也适应于气体燃料的燃烧。就燃油类型而言,该燃烧器使用压缩空气雾化重油,雾化喷嘴的结构和普通油枪相同,雾化喷嘴外套供氧铜套。第1次供氧在喷嘴砖内,通过环形氧气分配板从4个Φ1mm的小孔切向喷出,形成内旋流风。第2次供氧在喷嘴砖外,由喷嘴砖4角的4个Φ2mm小孔平行喷出,形成外直流风。其中第1次供氧到火焰根部助燃,因部分供氧造成O2不足,因此可抑制NOx生成,可形成许多高亮度的炭黑来增强热辐射,第2次供氧到火梢,该处尽管O2充分,但因温度较低同样可抑制NOx生成。通过实际应用表明,分级燃烧技术可以极大地改善燃烧器的运行性能:燃烧反应在烧嘴砖通道内释放的热量比较小,相应的火焰紊流也可以得到有效的减少;二次供氧可以使烧嘴砖保持一个较低的温度,减少烧嘴砖的热膨胀,消除因热循环带来的应力破坏;可以延迟氧气和燃料的混合速率,能降低排出烧嘴砖的火焰峰值的温度;氧气和燃料的延迟混合以及在火焰周围更长的驻留时间可以抑制燃料中碳分子的不完全氧化,提高了火焰的亮度,增强了火焰的热辐射性能。另外,Maxon全氧燃烧器配套的喷嘴砖各有不同。Maxon公司喷嘴砖的内形呈喇叭状,喷出火硬、高速、高冲量、短焰;CTI公司喷嘴砖的内形呈直筒状,喷出火较软、低速、低冲量、长焰。类似采用分级燃烧技术的还有基于创新的GTI专利设计的HELN燃烧器等。2.3火炬高度可变性的设计AirLiquide公司研制生产的全氧燃烧器ALGLASSSUN是一项最新技术。如图8所示,这种燃烧系统通过3个不同的出射口来合理分配氧气流和燃料流,可实现NOx的低排放、能有效控制火焰长度和热量传递。该设计是建立在拥有分离氧化设置的双驱动系统的基础上。一次氧气和燃料先进行混合燃烧并保证火焰的稳定性,二次氧气和三次氧气的管道分别设立在相距一定距离的地方。该燃烧器有两个重要的优势:(1)具有高度可变性。通过对氧气分配量的控制来改变火焰的结构和长度。比如,当增加三次氧气流率时,火焰会变得更长更宽,产生更高的热量。(2)极低的氮氧化物排放。极低的氮氧化物排放是由于高程度的稀释反应,当稀释过的氧气和燃料在第2燃烧室里混合时,最高的温度点低于纯反应的最高温度,这就大大降低了NOx的形成。2.4全氧燃烧重油燃烧燃烧系统结构及技术特点与传统的空气助燃重油燃烧器一样,“扁平火焰”技术在全氧燃烧器的研发与应用同样具有极大的潜力。目前“扁平火焰”技术尚有许多技术问题需要解决,其应用也不如分级燃烧技术成熟。所谓“扁平火焰”技术是指燃烧器形成的火焰的宽度大于其高度。最后的结果是增大火焰覆盖面积,减少传递到熔窑碹的热量。由于要实现这种形状的火焰气流速度必须更低,所以火焰的长度比锥形燃烧器的火焰更短,这样在宽度较大的熔窑上,可能产生火焰覆盖不够的问题。图9所示,是一种结构简单的扁平焰全氧燃烧器模型。该燃烧器模型的燃料喷出口采用扁口形状,以增加燃烧火焰的宽度。一次助燃风从扁口环形套筒中喷出,与燃料混合进行一次燃烧。由于气流速度比较低,火焰容易上扬,因此在扁口套管下方增加二次风,从而增加一次火焰下方氧气浓度,实现二次燃烧,从而提高火焰近玻璃液面一侧的温度。另外,由于一次火焰燃烧不完全,可形成许多高亮度的炭黑来增强热辐射。要设计出性能优异的全氧燃烧重油燃烧器,应该充分考虑一下问题:(1)如何解决全氧燃烧火焰过短和火焰覆盖面积小的问题;(2)如何控制炭黑的形成及黑度;(3)如何解决因火焰温度高而引起的NOx含量变化以及对燃烧器的使用寿命等问题;(4)如何在保证全氧燃烧火焰有足够长度和一定刚度的条件下实现低压氧燃烧;(5)如何减缓燃烧速率,提高传热效率,降低烟气出口温度等一系列问题。综合全氧燃烧重油燃烧器的结构特点可以得出以下结论:(1)在没有研发出新的燃烧方式之前,必须沿用旋流雾化燃烧技术;(2)采用“分段燃烧”技术是延长燃烧火焰长度、降低烟气中NOx含量的有效手段,并在一定程度上提高传热效率、降低烟气出口温度;(3)采用“扁平火焰”可增大火焰的覆盖面积,但会降低火焰长度和火焰刚度,因此需要考虑扁平系数(出口宽高比)对火焰的综合影响状况;(4)若采用“分段燃烧”技术,可以通过调节氧气分配比例来控制火焰燃烧温度、燃烧速率和炭黑的形成及黑度。当然,设