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富氧燃燒技術玻璃熔窯節能的效果

2013年2月10日  

    一、富氧燃燒可以提高燃燒區的火焰溫度。
   
    研究表明,火焰溫度隨著燃燒空氣中氧氣比例增加而顯著提高,詳見圖1。富氧燃燒可明顯提高火焰溫度,提高火焰對配合料和玻璃液的加熱效果。燃燒過程是空氣中的氧參與燃料氧化,并同時發出光和熱的過程。熱的傳遞一般通過輻射、傳導和對流三種形式進行。這三種形式何種作用最大主要取決于:火焰類型和形狀、加入空氣中的含氧量及燃燒設備周圍的情況等。由于熱傳遞速率與溫度的四次方成正比,所以提高燃燒溫度將會大大增加熱輻射。
   

富氧燃燒技術玻璃熔窯節能的效果


   
    火焰溫度與氧濃度的關系圖
   
    由火焰溫度與氧濃度的關系圖可知:A)火焰溫度隨富氧空氣氧濃度的提高而增高;B)隨氧濃度的繼續提高,火焰溫度的增加幅度逐漸下降。為有效利用富氧空氣,氧濃度不宜選得過高,一般按空氣過剩系數m=1~1.5組織火焰時,富氧空氣濃度取23~27%為宜,其中空氣含氧量從21%增加到23%時,效果最明顯;C)空氣過剩系數不宜過大,否則,同樣濃度的富氧空氣助燃,火餡溫度較低。通常在組織燃燒時,控制在1.05~1.1,以達到既能獲得較高火焰溫度又能燃燒完全的效果。
   
    火焰溫度與氧濃度的關系圖所示的是理論火焰溫度值,實際值要低得多。因為普通燃料燃燒后的最終產物都是二氧化碳和水,它們加熱到1500℃時會分解為一氧化碳、氧和氫。也就是說,任何碳氫化合物燃料的高溫火焰混合物都將出現CO2、CO、H2、H2O、O2、CH。由于CO2和H2O高溫分解反應是吸熱反應,所以實際火焰溫度比理論火焰溫度要低得多。
   
    (2)富氧燃燒改變了燃料與助燃氣體的接觸方式,降低燃料的燃點溫度,可明顯縮短火焰根部的黑區,增大有效傳熱面積。當用重油作燃料時,它先蒸發成氣體,主要是氫氣和一氧化碳,其燃點溫度為500~600℃,當富氧空氣參與助燃時,其燃燒條件得到改善,從而降低重油的燃點溫度,使火焰變短,火焰強度提高,釋放熱量增加。尤其是玻璃熔窯燃料燃燒時,通常將燃料噴槍置于助燃空氣的下方,由于不能及時混合,在火焰根部常有低溫區存在,形成所謂的黑區。黑區的存在減小了火焰在熔窯內的覆蓋區域,降低了傳熱效果。
   
    (3)富氧燃燒可以加快燃燒速度,改善燃料的燃燒條件,使得燃燒在窯內充分完成,減少了在蓄熱室內的殘余燃燒,因而能充分地利用燃料。下表中示出各種燃料應用空氣和氧氣助燃的燃燒速度比較情況,由表可見,各種氣體燃料在純氧中的燃燒速度大大加快。由于加入氧氣后提高了火焰溫度,因此增加了燃燒速度。燃燒速度實際上是一種定性的說法。如乙炔是一種燃燒速度快的燃料,其火焰短而密實;天然氣是一種比乙炔燃燒速度相對慢的燃料,其火焰較長,但只要燃燒完全,都可放出很大熱量。因此,要使燃料達到完全燃燒,必須使燃料和空氣混合均勻或充分接觸。富氧空氣參與助燃后,能加快燃燒速度,提高燃燒強度、使火焰變短,獲得較好的熱傳導,同時由于提高了燃燒溫度,所以有利于燃燒反應完全。另外,因為1摩爾C在不完全燃燒的情況下比完全燃燒時少釋放出約70%左右的熱量。排出尾氣中的CO含量增加,熱損失呈直線增加。CO熱損失增加,單位蒸汽的熱耗也近似直線增加。所以說富氧燃燒促進燃料燃燒完全,是節約熱能的重要原因。
   
   

富氧燃燒技術玻璃熔窯節能的效果


   
    (4)富氧燃燒使燃燒所需空氣量減少,廢氣帶走的熱量下降。排出廢氣的容積比與燃燒空氣中氧濃度(%)的關系如下圖所示。通常的燃燒只有占空氣總量1/5的氧氣參與燃燒,其余約占4/5的氮氣非但不助燃,反而要帶走燃燒產生的大量熱量,從煙氣中排出。使用富氧空氣的情況下,燃料燃燒完全,自然排出廢氣減少,排煙熱損失也相應減少從而節能。
   

富氧燃燒技術玻璃熔窯節能的效果


    相對含氧21%空氣m=1.0時廢氣的容積比與燃燒空氣中氧濃度關系圖
   
    由上圖可知,隨空氣中的含氧量增加,排氣量逐漸減少,以含氧量27%的富氧空氣與含氧21%的普通空氣燃燒比較,在空氣過剩系數m=1時的排氣體積減少20%。
   
    (5)富氧燃燒可以增加熱量利用率。實驗表明,富氧助燃可提高熱量的利用率。下圖示出加熱溫度與熱量利用率的關系。
   

富氧燃燒技術玻璃熔窯節能的效果


    加熱溫度與熱量利用率的關系圖
   
    由圖可知,用含氧量21%的空氣燃燒,加熱溫度為1300℃時,其可利用的熱量為42%,而用氧26%的富氧空氣燃燒時,可利用熱量為56%,增加14%。而且隨加熱溫度升高,所增加比例增大,節能效果更明顯。
   
    (6)合理的富氧供給方式提高了傳熱效率。通常在燃燒噴嘴下方和玻璃液之間通入富氧氣體,這樣可產生一個不對稱的火焰溫度,使它有一個垂直的溫度梯度,形成可保護碹頂、胸墻的上層火焰層;幾乎完全燃燒高輻射的中間火焰層;富氧多并已達完全燃燒的下層火焰層。下層火焰與上層火焰相結合,增加了總的輻射熱,同時由于火焰掃過配合料,增加了配合料的對流交換,從而達到加速熔化的目的。
   

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