氧含量对富氧燃烧玻璃熔窑热工特性的影响
摘要: 为加深对富氧燃烧玻璃窑炉热工特性的进一步认识，在燃料燃烧计算的基础上，应用改进的充分搅拌火焰空
间传热模型，采用数值方法计算研究了氧含量对玻璃窑炉热工特性参数的影响。计算结果表明，随氧含量增加，空
气需要量和烟气生成量逐渐降低，理论燃烧温度明显提高; 氧含量增加，火焰黑度增大，火焰辐射给玻璃料液面的
热量也增大，且增幅显著，表明富氧燃烧确有节能降耗的作用。氧含量改变对窑墙内、外表面温度和通过窑墙的散
热损失影响不大。
关键词: 富氧燃烧; 热工性能; 辐射传热; 玻璃窑炉
1 引言
随着能源价格的不断上涨、环保要求的日益严格以及富氧制备技术的不断进步，玻璃窑炉富氧燃烧技术
再次成为人们关注的热点。近年来，秦皇岛玻璃工业研究设计院全面研究开发了浮法玻璃熔窑的富氧燃烧
技术［1］，并对其节能效果进行了初步的理论计算分析［2］。袁堃峰和程湘荣探索了膜法富氧燃烧技术在马蹄
焰窑炉上的实施情况［3］。济南大学［4］和浙江大学［5］用数值模拟方法详细研究了单元窑和浮法窑富氧燃烧
火焰空间内的流动、传热与燃烧问题，他们的工作对正确认识富氧燃烧窑炉火焰空间内的火焰特性起到了积
极的作用。20 世纪90 年代，汤家养等［6］和胡昌盛等［7］提出了富氧燃烧玻璃窑炉热工特性计算分析的基本框
架，但他们的辐射传热模型沿用了20 世纪70 年代的零维模型，不能反映窑墙散热损失、窑墙温度和黑度等因素
的影响。本文在综合总结前人工作的基础上，应用改进的充分搅拌火焰空间传热模型，详细计算研究了氧含量
对天然气富氧燃烧玻璃纤维窑炉的热工特性的影响，以期加深对富氧燃烧窑炉热工特性的更进一步认识。
2 计算原理与模型
2． 1 空气量、烟气量和烟气成分计算
为简化起见，以甲烷天然气燃烧为例。设富氧燃烧时，空气中氧含量为VO2
，氮含量为VN2
，空气系数为
α，则燃烧反应可表示为:
CH4 + 2αO2 + 2α( VN2 /VO2
) N2 = CO2 + 2H2O + 2( α － 1) O2 + 2α( VN2 /VO2
) N2
( 1)
根据上式可推得空气需要量、烟气生成量和烟气成分。
烟气生成量: V = 1 + 2α + 2α( VN2 /VO2
) ( 2)
空气需要量: Va = 2α + 2α( VN2 /VO2
) ( 3)
烟气成分: CO2% = 1 /V × 100%; H2O% = 2 /V × 100%
N2% = 2α( VN2 /VO2
) / V × 100%; O2% = 2( α － 1) / V × 100% ( 4)
2． 2 燃烧温度计算
燃烧温度是考察窑炉热工特性的一个重要指标。当实际燃烧温度低于玻璃的熔化温度时，玻璃不能正
常熔化，此时必须想方设法提高燃烧温度，诸如选用高热值燃料和提高空气预热温度等。当燃烧温度过高
时，烟气会带走大量热量，造成能源浪费，也有烧损窑墙的可能，使窑炉不能正常工作。
燃料燃烧时的理论燃烧温度和实际燃烧温度可分别由下式计算。
理论燃烧温度:
tth = QDW + Cf tf + VaCa ta
VC
( 5)
实际燃烧温度: tp = ηtth
( 6)
式( 5) 中，QDW
为燃料低位热值，对甲烷天然气，经计算得，QDW = 35800 kJ /Nm3 ; V，Va 为烟气生成量和空
气需要量，可分别按式( 2) 和( 3) 计算; tf
，t
a
分别为燃料和空气的温度; Cf
，Ca
，C 分别为燃料、空气和烟气的
比热; 对富氧燃烧，由于空气和烟气组成随空气中富氧含量的变化，空气和烟气比热需按组成进行加和计算。
又由于空气和烟气比热对温度的依存关系，在具体计算时需人工查表内插或试差计算。为此，先对空气和烟
气比热数据进行了曲线拟合，然后在计算机上进行了编程计算。
式( 6) 中η 为高温系数，对玻璃窑炉η 一般为: 0． 65 ～ 0． 75。
2． 3 火焰黑度计算
在正常燃烧条件下，天然气燃烧产生的火焰为不发光火焰，火焰主要由CO2、H2O( 气态) 、N2
和过量的
O2
组成，其黑度可按下式计算［8］:
εf = β［1 － e － kg( pCO2
+ pH2O
) lg］ ( 7)
式中，β 为火焰特征系数，对不发光火焰，β = 1; pCO2、pH2O
分别为二氧化碳和水蒸气的分压，atm; 二氧化碳
和水蒸气的分压与烟气组成有关，不同氧含量时的烟气组成可按式( 4) 计算; lg
为气层有效厚度，m; kg
为辐
射能在火焰中的减弱系数，与火焰温度、水蒸气和二氧化碳的分压、气层有效厚度等有关，可按下式计算。
kg =
0． 8 + 1． 6pH2O
( pCO2 + pH2O
槡) lg
( 1 － 0． 38 × 10 － 3Tg
)
2． 4 火焰空间传热计算
窑炉火焰空间内的传热是一个非常复杂的综合传热问题，涉及流体的射流流动、燃料燃烧、对流和辐射
传热，严格而精确的分析计算需要用到专门的计算流体动力学和计算传热学分析软件。研究表明，玻璃窑炉
窑炉，并得到充分混合，对每一对火焰可视为一个温度，应用奥本海姆辐射网络
分析，可得火焰和窑墙辐射传给玻璃料液面的净热量Qnet
为［8］:
Qnet = C0
A( Tg
100
) 4 + B( Tw
100
) 4 － C( Tm
100
) 4
εw + φ( 1 － εw
) ( 1 － εf
) ［1 － ( 1 － εf
) ( 1 － εm
) ］+ εf
( 1 － εw
) Fm
( 8)
式中，Tg
，Tw
，Tm
分别为火焰、窑墙内表面和玻璃料液面的平均温度，K; εf
，εw
，εm
分别为火焰、窑墙内表
面和玻璃料液面的黑度; Fm
为玻璃料液面的面积，m2 ; φ 为窑墙与玻璃料液面的辐射传热角系数; C0
为黑体
辐射系数; 公式中的系数A，B，C 分别为:
A = εfεm
［1 + φ( 1 － εw
) ( 1 － εf
) ］
B = εmεw
( 1 － εf
)
C = εm
［φεf
( 1 － εw
) ( 1 － εf
) + εw
( 1 － εf
) + εf
］
在玻璃窑炉中，玻璃料液面的温度主要由熔化料种和澄清温度所决定。熔化料种一定，玻璃料液面的温
度一定。火焰温度的高低主要是保证玻璃的正常熔化与澄清，与燃料种类、燃料供给量、窑体散热等因素有
关。一般来说，火焰温度和玻璃料液面温度可事先确定。而窑墙温度则与窑墙散热损失有密切关系，应根据
窑墙热平衡进行计算。
2． 5 窑墙温度和散热量计算
窑墙内表面温度是窑炉火焰空间内综合传热和通过窑墙向外散热平衡的结果。窑墙内表面通过辐射和
对流获得的热量可表示为:
Q = Jw － Ebw
1 － εw
εwFw
+ h1
( Tg － Tw
) Fw
( 9)
式中，h1
为火焰与窑墙的对流换热系数，可参考文献［9］中数据估计; Fw
为窑墙内表面积，m2 ; Ebw
是窑
墙内表面的黑体辐射能力，可按斯蒂芬-波尔茨曼定律确定，W/m2 ; Jw
为窑墙内表面的有效辐射，可按下式计
算:
Jw = C0
［εf
( 1 － εw
) + φεf
( 1 － εf
) ( 1 － εm
) ( 1 － εw
) ］( Tg
100
) 4 + εw
( Tw
100
) 4 + φεm
( 1 － εf
) ( 1 － εm
) ( Tm
100
) 4
εw + φ( 1 － εf
) ( 1 － εw
) ［1 － ( 1 － εf
) ( 1 － εm
) ］+ εf
( 1 － εw
)
( 10)
在稳态情况下，窑墙内表面获得的热量应等于通过窑墙向外的传热量，也应等于窑墙外表面的散热量，
根据传热学定律，有:
Q = Tw － Tw2
Σ δi
λiFi
= h2
( tw2 － t∞
) Fw
( 11)
式中，Tw2
为窑墙外表面平均温度，K; t∞
为窑外环境温度，℃; Fw
为窑墙外表面积，m2 ; δi
，Fi
，λi
分别为窑
墙厚度、表面积和导热系数; h2
为窑墙外表面与环境的对流辐射换热系数，可按下式计算:
h2 = Aw
4 tw2 槡－ t∞ +
4． 54［( Tw2
100
) 4 － ( T∞
100
) 4］
tw2 － t∞
( 12)
通过窑墙的总散热量可由下式算得:
Q = h2
( tw2 － t∞
) Fw
( 13)
在算得窑墙的总散热量后，通过窑墙单位面积的散热损失可表示为:
q = Q/Fw
3 计算方法
上述模型构成了富氧燃烧玻璃窑炉热工特性简化计算分析的一个完整体系。方程( 7) ～ ( 14) 是一强非
线性模型，本文采用欠松弛法在计算机上进行了迭代求解计算。
计算时，首先根据燃料燃烧计算算出空气需要量、烟气生成量、烟气组成，根据事先确定的窑炉结构尺
寸，算出窑墙热阻、气层有效厚度和窑墙与玻璃料液面的辐射传热角系数等基本数据。然后，再根据确定的
火焰温度和玻璃料液面平均温度等，通过迭代方法计算窑墙内、外表面温度和通过窑墙的散热损失等，最后
算出玻璃料液面获得的净辐射热量等数据。
迭代计算的基本过程是，先假定窑墙外表面温度tw2
，由式( 12) 计算h2
，由式( 11) 计算Tw
，由式( 9) 和
( 10) 计算Q，将其与式( 13) 算得的Q 进行比较，若两者小于规定的误差，则迭代结束。否则，重新假定tw2
，
并开始新的迭代，直到收敛为止。
4 计算结果与分析
计算以年产2 万t 的燃天然气纤维窑炉为基本对象。计算输入的基本数据如下: 喷枪6 对，池长14 m，
池宽4 m，胸墙高1 m，股跨比0． 15; 天然气热值35800 kJ /Nm3，火焰平均温度1550 ℃，玻璃料液面平均温度
1450 ℃。玻璃料液面黑度εm = 0． 67，窑墙内表面黑度εw = 0． 66，窑墙单位面积热阻Rt = 0． 6 m2℃ /W，松弛
因子ω = 0． 02，温度计算精度Δtw2 = 0． 005 ℃。
4． 1 氧含量对空气量、烟气量和烟气成分的影响
在空气系数α = 1． 05 时，用公式( 2) ～ ( 4) 计算得到不同氧含量下的烟气量、空气量和烟气组成见表1。
表1 氧含量对空气量、烟气量和烟气成分的影响
Tab． 1 Influence of oxygen content on the air required for combustion and the waste gas and its composition
Oxygen content /% V( Nm3 /Nm3 ) Va( Nm3 /Nm3 ) Composition of waste gas
CO2% H2O% N2% O2%
21 11． 00 10． 00 9． 09 18． 18 71． 82 0． 91
24 9． 75 8． 75 10． 26 20． 51 68． 21 1． 03
26 9． 08 8． 08 11． 02 22． 03 65． 85 1． 10
28 8． 50 7． 50 11． 76 23． 53 63． 53 1． 18
30 8． 00 7． 00 12． 50 25． 00 61． 25 1． 25
33 7． 36 6． 36 13． 58 27． 16 57． 90 1． 36
从表1 可见，随空气中氧含量增加，烟气中二氧化碳和水蒸气含量逐渐增大，这对于提高火焰黑度和增
大火焰辐射给玻璃料液面的热量是有利的。
从表1 还可看出，随氧含量增加，空气需要量和烟气生成量均逐渐降低，氧含量增加1%，烟气量和空气
量平均下降约3%，这对于减少窑炉排烟供气要求是有利的。烟气量的减少也有利于降低热烟气带走的热
量，从而达到节约能源的目的。
4． 2 氧含量对燃烧温度的影响
根据前述公式和条件，计算的燃料理论燃烧温度如图1。从图1 可见，氧含量越高，燃烧温度越高; 氧含
量增加1%，理论燃烧温度平均增加约60 ℃，实际燃烧温度提高约40 ℃。在相同的熔制工艺要求下，富氧
燃烧能节约燃料。空气系数越大，理论和实际燃烧温度越低，这与文献［10］的研究结果相一致。
4． 3 氧含量对火焰黑度、玻璃料液面获得的热量、窑墙温度及窑墙散热量的影响
根据公式( 7) ～ ( 14) 计算得到的不同氧含量时的火焰黑度、玻璃料液面获得的热量、窑墙内、外表面温
度及窑墙散热损失如表2。
从表2 可见，随氧含量增加，火焰黑度增大，火焰传给玻璃料液面的热量也增加。当氧含量从21%增至
33%时，火焰传给玻璃料液面的热量从33． 12 kW/m2 增至43． 08 kW/m2，增幅达30%，这表明富氧燃烧确有
节能降耗的作用。
图1 氧含量对理论燃烧温度的影响
Fig． 1 Influence of oxygen content on the theoretical combustion temperature
表2 氧含量对火焰空间热工参数的影响
Tab． 2 Influence of oxygen content on some thermal performance parameters ( α = 1． 05)
Oxygen content /% εf tw /℃ tw 2 /℃ Qnet /( kW/m2 ) q /( W/m2 )
21 0． 219 1466． 9 151． 0 33． 12 2193． 1
24 0． 237 1469． 4 151． 3 35． 95 2196． 9
26 0． 249 1470． 9 151． 4 37． 71 2199． 7
28 0． 260 1472． 3 151． 5 39． 35 2201． 4
30 0． 272 1473． 7 151． 6 40． 90 2203． 5
33 0． 288 1475． 6 151． 7 43． 08 2206． 6
从表2 还可看出，氧含量增加，窑墙内、外表面温度和通过窑墙的散热损失也略有增加，但增加不明显。
5 结论
根据燃料燃烧理论和炉内辐射传热原理，计算分析了氧含量对富氧燃烧玻璃窑炉热工特性参数的影响，
加深了对玻璃窑炉富氧燃烧技术的认识。( 1) 随氧含量增加，空气量和烟气量均逐渐减少，氧含量增加1%，
空气量和烟气量平均约减少3%，有利于窑炉减轻排烟供气的要求，烟气量的减少也有利窑炉节能; ( 2) 氧含
量增加，理论燃烧温度升高，氧含量每增加1%，理论燃烧温度提高约60 ℃，有利玻璃熔化和节约燃料; ( 3)
随氧含量增加，火焰中二氧化碳和水蒸气浓度增加，火焰黑度增大，有利火焰辐射热量给玻璃料液面。当氧
含量从21%增至33%时，火焰和窑墙辐射给玻璃料液面的增幅达30%; ( 4) 随氧含量增加，窑墙内、外表面
温度和通过窑墙的散热量增大，但增大不明显.
谢谢楼主~~学习，正在纠结中
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