陈兴孝
重庆莱弗窑炉工程有公司（重庆北碚莱弗玻璃工程有限公司） 400700
摘要：通过对天然气、发生炉煤气、重油内部分子结构及燃烧特性的比较、分析，如何借鉴比较成熟的燃发生炉煤气、燃重油窑炉的结构，提出如何根据天然气的内部结构特征及燃烧特性设计窑炉。
关键词：天然气、内部结构、窑炉结构
四川地区将天然气作为燃料应用于玻璃窑炉已经有20多年的时间了，笔者在上海华东理工大学博士生导师孙承绪教授的指导下设计了数十座天然气玻璃窑炉，在设计建造这近数十座玻璃窑炉的过程中有一些经验、教训和体会，这里把它写出来，起一个抛砖引玉的作用，以使我们在天然气窑炉设计应用方面上一个新台阶，使天然气在玻璃窑炉中应用得到更好，使玻璃窑炉的寿命更长，能耗更低。
重庆地区在1978年开始使用天然气作为玻璃窑炉的燃料，在使用初期，由于没有经验没也有什么资料可以借鉴，我们就摹仿烧煤气和烧重油的窑炉来应用。
在烧煤气的窑炉上是直接将天然气用管道接到小炉里进行燃烧，我们感觉到这种火焰软而长无力没有动量，而且天然气在小炉内大量析碳，只需1～2天时间在小炉底板上（特别是纵焰窑）聚集大量的碳黑，大量碳黑的聚集改变了火焰的流向，直接影响熔化效果。因此每隔1～2天就要将碳黑清除掉。清除碳黑是一件很费力的事，要用铁钎打剔才能将附着在炉底上的碳黑清除掉，时间一长又影响炉温，大量的碳渣没在炉内燃烧释放出热量，因此又浪费了大量的燃料，在这种情况下我们又按照烧重油的窑炉，将喷枪架设到喷火口附近燃烧，在使用中我们有感觉到火焰的亮度不够，火焰长、火焰的覆盖面较窄。
同是气体燃料同是烃类燃料为什么天然气和煤气，天然气和重油有这么大的差异呢？为了用好天然气我们不得不从它们的内部结构上去找差异，因为任何物质的物理特性的不同都是由于它们的化学结构不同而造成的。
一、天然气的化学结构特征及燃烧特性
任何物质的外部属性都是由内部的分子结构决定的，比如石墨和金刚石，其化学成分都是C，是碳的同质多向变体，石墨的分子结构为六方晶系，是典型层状结构，因层内碳原子间距(1.42Å)较小，而层间碳原子间距（3.42 Å）远较层内大，原子间结构力弱，故石墨具有断裂性和可压缩性，晶体是六方片状或板状，，通常为鳞片状、块状或土状结合体，硬度为1，而金刚石晶体结构基本上类似立方面心格子，每个碳原子被周围四个碳原子所围绕，碳原子间距离相等，并以共价键连结，故其强度很高硬度为10〔1〕。从上我们可以看到化学成分相同，结构不同，外观属性上有很大差异，因此要用好天然气必须对天然气的内部结构有一个清楚的认识。
天然气是指通过生物化学作用及地质变质作用，在不同的地质条件下生存迁移，并于一定压力下储集在地质构造中的可燃气体，通常根据形成条件不同，分为油田伴生气，气田气及凝析气田气。
天然气是一种混合气体，其组成随气田和产气层不同而异。气田气的主要成分为CH4（甲烷），含量可达95%～98%，C2H6（乙烷）以上的烃类较少，同时还含有少量H2S、CO2、N2、H2O、以及He、Ar等非烃类组分，其密度为0.5～0.7Kg/Nm3；油田伴生气主要产于油田附近，为石油的伴生物，它的特征是除含有大量CH4（甲烷的含量为75%～87%）外、C2H6以上的烃类含量较高约为10%，CO2约为5%～10%其密度为0.6～0.8Kg/Nm3;凝析气田气除含有大量CH4外C5H12以上烃类含量较高并含有汽油和煤油成分。[2]
虽然天然气是一种混合物，但是它的主要成分是CH4（甲烷），因此它的外部属性如燃点、火焰传播速度等燃烧特性主要由甲烷的内部结构决定。英国科学家韦弗（Weaver）提出的燃气混合法则也证实这一点，他提出从各组分燃气的燃烧速度系数F，求出燃烧速度因素S，用来表示混合燃气的燃烧速度与氢在空气中最大燃烧速度的百分比关系（后者定为100）韦弗给出的S与F的关系式如下：
常见气体燃烧速度系数F 表一〔3）
甲烷的分子结构是最典型的四面体结构，由于碳原子处在四个氢原子的正中，并且每个键的键长，键角相同，因而它是非极性分子[4]。在甲烷的分子构成中碳氢原子之间是δ键的形成结合，C-H键键长为1.093 Å ，平均键焓（298K）为412ΔH/KJ.mol-1[5].
甲烷是无色气体，微有葱蒜味，密度为0.715Kg /Nm3,难溶于水，临界温度为-82.5℃，低位热值为35800KJ/Nm3;着火温度为530～750℃，火焰呈微弱亮光，与空气混合后在爆炸极限范围内遇火易发生爆炸，当空气中的甲烷浓度达到25%～30%时便可对人体构成毒害。
二、天然气与煤气、重油内部结构及燃烧特性的比较
燃煤气、燃重油的玻璃窑炉在我国应用时间很长，应用面也很广，燃烧技术也十分成熟，而燃天然气的窑炉侧相反。为了更好借鉴 |
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