（材料加工工程专业论文）玻璃纤维窑炉燃烧制度的数值模拟研究及优化.pdf

n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no f f i b e r g l a s sf u r n a c ec o m b u s t i o ns y s t e m l il i a n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f l i uz o n gm i n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，er c h i n a j u n e ，2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：窖屯 日期：工p f 咩易日易目 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权 济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口保密(年，解密后应遵守此规定) 敝作者虢窖钆导师虢参、 期：2 f 埠6 7 守6 日 济南大学硕士学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪 论1 1 1 引言1 1 2 玻璃窑炉全氧燃烧技术概述1 1 2 1 玻璃窑炉全氧燃烧技术的发展1 1 2 2 全氧燃烧技术在窑炉中应用的优势2 1 2 3 全氧燃烧的喷枪及安装4 1 3 玻璃窑炉数值模拟技术的文献综述6 1 3 1 数学模型概述6 1 3 2 国内玻璃窑炉的数值模拟状况8 1 3 3 国外玻璃窑炉的数值模拟状况1 0 1 4 本课题的研究任务和意义1 1 第二章火焰空间的数学模型13 2 1 流场基本方程1 3 2 1 1 连续性方程13 2 1 2 动量守恒方程13 2 1 3 能量守恒方程1 4 2 2 湍流模型1 4 2 2 1 湍流模型的简介1 4 2 2 2 湍流模型方程1 4 2 2 3 壁面函数法1 5 2 3 化学反应模型16 2 3 1 组分输运模型1 6 2 3 2 涡耗散模型1 6 2 4 辐射传热模型1 7 2 4 1 辐射传热模型方程1 7 2 4 2d o 辐射模型18 玻璃纤维窑炉燃烧制度的数值模拟研究及优化 2 4 3 灰气加权平均模型18 2 5 本章小结1 8 第三章全氧燃烧玻璃纤维窑炉数据采集与处理2 1 3 1 窑炉的几何参数2 1 3 2 现场数据采集2 2 3 2 1 温度采集2 2 3 2 2 流量采集2 3 3 3 边界条件处理2 4 3 3 1 壁面边界条件2 4 3 3 2 出入口边界条件2 5 3 4 本章小结2 5 第四章全氧燃烧玻璃纤维窑炉的数值模拟研究2 7 4 1 对喷火焰空间的研究2 7 4 1 1 对喷火焰空间的确定2 7 4 1 2 计算模型的建立2 7 4 1 3 烟气出口大小对火焰空间温度场的影响2 9 4 1 4 氧含量对火焰空间温度场和气流场的影响3 4 4 1 5 过剩氧气系数对火焰空间温度场和气流场的影响3 9 4 1 6 全氧燃烧时火焰空间气流场和温度场的规律4 5 4 2 实际运行窑炉火焰空间的数值模拟研究4 7 4 2 1 计算模型的建立4 7 4 2 2 模拟结果与分析4 9 4 2 3 模拟数据与实测数据对比5 l 4 3 本章小结5 1 第五章全氧燃烧玻璃纤维窑炉的数值模拟优化5 3 5 1 喷枪工艺参数优化5 3 5 1 1 计算模型建立5 3 5 1 2 模拟结果与分析5 3 5 2 全氧燃烧火焰空间中喷枪布局优化5 5 5 2 1 计算模型的建立5 6 i i 济南大学硕士学位论文 5 2 2 喷枪布局的初步优化5 6 5 2 3 利用黄金分割法进行再优化5 8 5 3 本章小结6 2 第六章结论与展望6 5 6 1 结论6 5 6 2 创新点6 6 6 3 展望6 6 参考文献6 7 致谢7 3 附录7 5 i l l 原书空白页 不缺内容 济南大学硕士学位论文 摘要 本文以研究和优化玻璃纤维窑炉的燃烧制度和火焰空间喷枪排列为目的，借助 商用c f d 软件f l u e n t ，建立了全氧燃烧玻璃纤维窑炉火焰空间的三维数学模型， 对全氧燃烧的玻璃窑炉火焰空间进行数值模拟。在计算模型的建立中所使用的数学 模型包括：采用标准驴模型来描述火焰空间内的湍流流动；化学反应为涡耗散模 型；辐射传热采用d o 模型。本文分别从对喷火焰空间和整窑火焰空间两方面来进 行数值模拟分析及优化。主要结论如下： 1 分析得出了烟气出口尺寸的合理区域。 通过拟合分析出口尺寸对火焰空间内平均压强和烟气出口平均速度的影响曲线得 出，当烟气出口面积为0 1 6 0 2 m 2 时较好。 2 得出了氧含量的合理值。 拟合分析氧含量对火焰空间温度最高点和体积加权平均速度的影响曲线得到：氧含 量大于9 0 时，火焰空间中温度升高和气流速度降低的趋势变缓；综合考虑制氧成本， 空间传热等因素，氧含量为9 0 时比较合适。 3 得到了过剩氧气系数的合理范围。 拟合分析过剩氧气系数对火焰空间温度最高点和体积加权平均速度影响的曲线得 到：过剩氧气系数在1 0 1 1 之间时，火焰空间内温度升高快，火焰空间内的气体流速 增长慢；对于以甲烷为燃烧气体的火焰空间，过剩氧气系数在1 0 2 1 0 6 范围内时较好。 4 建立了合理的计算模型。 建立了与实际窑炉运行制度相符合的计算模型；碹顶测温点处模拟值与实测值的平 均相对偏差为8 7 0 ，玻璃液面处模拟值与实测值的平均相对偏差为2 3 2 ；第3 、4 对 喷所对应的碹顶处热负荷较高，会对碹顶造成一定的侵蚀。 5 优化了喷枪的工艺制度。 氧气含量为9 0 、过剩氧气系数为1 0 5 时，模拟整个窑炉的运行情况。结果表明： 喷枪中心火焰温度比改进前降低，火焰空间的气流场变化不明显；改进后碹顶温度降低， 玻璃液面处的温度变化不大。 6 优化了喷枪的排列间隔。 利用黄金分割法优化火焰空间的喷枪排列。当间隔的距离过小时，不利于碹顶热负 荷的改善；当间隔距离过大时，喷枪气流会冲击对面的窑墙，造成侵蚀，同时火焰也会 v 玻璃纤维窑炉燃烧制度的数值模拟研究及优化 发生相互的干扰。经过反复模拟得到：第三、四对喷枪最佳的间隔距离为0 2 3 2 6 0 2 4 1 6 m 。 关键词：全氧燃烧；玻璃纤维窑炉；数值模拟；燃烧制度；结构优化 v i 济南大学磺士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ec o m b u s t i o ns y s t e ma n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h es p r a yg u nw a s i m p r o v e d b yu s eo ft h es o f t w a r ef l u e n t , w h i c h c a r lc r e a t ea3 dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f o x y g e n f u e lf i b e r g l a s sf u r n a c e ，b a s e do i lt h es y s t e m a t i c a l l yr e v i e w e do fo x y g e n f u e l t e c h n o l o g ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o do fg l a s sm e l t i n gf u r n a c e a th o m ea n d a b r o a d 。i nt h i s3 dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h eg a sp h a s ef l o ww a sd e s c r i b e db ys t a n d a r dk - 8 m o d e lw i t ht h et u r b u l e n tf l o wn e a rt h ew a l lw a sd e s c r i b e db yw a l l f i m c t i o n sm e t h o d ；t h e c h e m i c a lr e a c t i o nw a nd e s c r i b e db ye d d y d i s s i p a t i o nm o d e l ；t h er a d i o a c t i v eh e a tt r a n s f e r w a sd e s c r i b e db yd om o d e lw i 彘t h er a d i a t i o na b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tw a sc a l c u l a t e db y t h ew s g g m 。i no r d e rt oi m p r o v et h ec o m b u s t i o ns y s t e ma n ds t r u c t u r e ，t h ec o m b u 曛i u n s p a c e 谢饿ap a i ro fo p p o s i t es p r a yg u na n dt h ew h o l ec o m b u s t i o ns p a c ew a ss t i m u l a t e d s e p a r a t e l y t h em a i nr e s u l t sw e r es h o w e da sf o l l o w s ： 1 。t h eo u t l e ts c a l eo ft h ec o m b u g i o ns p a c ew i 搬ap a i ro fo p p o s i t es p r a yg u nw a s t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ef i t t e dc u 3 v eo ft h ea v e r a g ep r e s s u r eo ff l u m es p a c ea n dt h e a v e r a g eo u t l e ts p e e d ，w ef i n dt h a tt h ea p p r o p r i a t e do u t l e ta r e aw a s 0 。16 。0 2m 2 。 2 。w ef o u n dt h ea p p r o p r i a t e do x y g e nc o n t e n t 。 t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h eo x y g e nc o n t e n ti n f l u e n c ec u r v eo ft h eh i g h e s tt e m p e r a t u r eo f f l a m es p a c ea n dt h ev o l u m ea v e r a g es p e e d ，w ef i n dt h a t ：w h e no x y g e nc o n t e n tw a sm o r et h a n 9 0 ，i tw e a k e n e dt h ea b i l i t yo fi n f l u e n c i n gt h ei n c r e a s eo ft h et e m p e r a t u r eo ff l a m es p a c ea n d t h ed e c r e a s eo fa i rs p e e d ；g i v e na d e q u a t ec o n s i d e r a t i o no ft h ec o s to fp s a c m c ，a n dt h eh e a t t r a n s f e ra n do t h e rv a r i o u sf a c t o r s ，t h ea p p r o p r i a t e do x y g e nc o n t e n tw a s9 0 。 3 。w ef o u n dt h ea p p r o p r i a t e de x c e s so x y g e nc o e f f i c i e n t 。 t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ee x c e s so x y g e nc o e f f i c i e n ti n f l u e n c ec u r v eo ft h eh i g h e s t t e m p e r a t u r eo ff l a m es p a c ea n dt h ev o l u m ea v e r a g es p e e d ，w ef i n dt h a t ：w h e nt h ee x c e s s o x y g e nc o e f f i c i e n tw a sb e t w e e n1 0a n dl 。1 ，t h et e m p e r a t u r eo ff l a m es p a c er o s ef a s ta n d t h ea i r s p e e di n c r e a s e ds l o w f o rt h es p r a yf l a m es p a c ew i 镞m e t h a n et ob u r n i n g ，t h ea p p r o p r i a t e d e x c e s so x y g e nc o e f f i c i e n tw a sb e t w e e n1 。0 2a n d1 。0 6 。 4 。h a v i n gb u i l tt h ea p p r o p r i a t e dc o m p u t a t i o nm o d e l 。 v i i t h r o u g hb u i l d i n gt h ec o m p u t a t i o nm o d e la c c o r d i n gt ot h ea c t u a lo p e r a t i o ns y s t e mo f f u r n a c e ，i ts h o w st h em e a nr e l a t i v ed e v i a t i o nb e t w e e ns i m u l a t i o nv a l u ea n dm e a s u r e m e n tv a l u e o fc r o w nw a s8 0 7 ，t h em e a nr e l a t i v ed e v i a t i o n t 、7 旧e ns i m u l a t i o nv a l u ea n dm e a s u r e m e m v a l u eo f g l a s ss u r f a c ew a s2 3 2 ；t h eh e a t i n gl o a do ft h ec r o w no ft h et h i r da n df o r t hs p r a yg u n w a s h i g h e r , l e a d i n gt os o m ed a m a g et ot h ec r o w n 5 o p t i m i z e dt h et e c h n o l o g i c a ls y s t e mo fs p r a yg u n w h e nt h eo x y g e nc o n t e n tw a s9 0 a n dt h ee x c e s so x y g e nc o e f f i c i e n tw a s1 0 5 ，t h e o p e r a t i o n a la s p e c to fw h o l ef u r n a c ew a ss i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h ef l a m e t e m p e r a t u r eo fg u nc e n t e rr e d u c e dc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a l ，t h ea i rd i s t r i b u t i o no ff l a m e s p a c es h o w e dn oo b v i o u sc h a n g e ；t h et e m p e r a t u r eo fc r o w na f t e ri m p r o v e dw a sl o w e r , t h e t e m p e r a t u r eo fg l a s ss u r f a c es h o w e dn o tm a n yc h a n g e s 6 o p t i m i z e dt h ed i s t a n c eb e t w e e ns p r a yg u n s m a k eu s eo f t h eg o l d e ns e c t i o nm e t h o dt oo p t i m i z et h ed i s t r i b u t i o no f t h e s p r a yg u n w h e n t h ed i s t a n c eb e t w e e nt w os p r a yg u n sw a st o os m a l l ，t h ei m p r o v e d h e a t i n gl o a do ft h ec r o w ni s n o to b v i o u s w h e ni tw a st o ol a r g e ，t h ea i ro ft h el i t e r a lg u nc a u s e dc e r t a i ni m p a c ta n de r o s i o n t ot h eo p p o s i t eb r e a s tw a l l ，t h ef l a m ed i s t u r b e dm u t u a l l y t h r o u g hs i m u l a t e dr e p e a t e d l y ，w e f o u n dt h a tt h eb e s ti n t e r v a ld i s t a n c eb e t w e e nt h et h i r da n df o r t hg u nw a sb e t w e e n0 2 3 2 6 ma n d 0 2 4 1 6 m k e yw o r d s ：o x y g e n f u e l ，f i b e r g l a s sf u r n a c e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o m b u s t i o ns y s t e m ； s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n v i i i 济南大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 玻璃行业属于高耗能产业，玻璃窑炉的节能降耗一直是业内比较关注的重大课题。 当助燃气体中的氧含量大于8 5 时被称为全氧燃烧。全氧燃烧技术具有节能、污染少、 炉龄长等优越性，除此之外这种技术的优越性主要体现在加强了环保意识，同时还使玻 璃液的熔制质量提高。随着对燃烧喷枪的科技创新和制氧成本的优化，全氧燃烧技术越 来越广泛的应用于玻璃熔窑上。 在空气助燃的玻璃熔窑火焰空问燃烧过程中，占空气成分7 8 的氮气不会参与燃 烧，被无谓的加热，造成大量热损失。在高温下氮气和氧气反应生成氮氧化物，氮氧化 物排入空气中会造成空气的污染。因此，探索能耗低、效率高的新型全氧燃烧技术成为 必然趋势。 在以往对玻璃窑炉的研究中，通常采用的现场实测法、物理模拟法和数值计算等方 法进行研究。在优化设计时，现场实测法、物理模拟法对实际情况的反应比较真实，但 是在目前的测试技术下，这两种方法不容易开展。随着近年来计算机软硬件水平和计算 流体力学的快速发展，数值模拟的方法因其速度快，耗费底，灵活多变等优势，越来越 多的被用于玻璃窑炉的设计、优化和研究中，引起了人们的重视。 本课题依托山东省自然科学基金的支持，以国内某年产2 万吨的全氧燃烧玻璃纤维 窑炉为研究对象，采用数值模拟的方式，研究了对喷火焰空间中气流场和温度场规律以 及氧含量和过剩氧气系数对气流场和温度场的影响，重点对对喷枪的工艺参数及喷枪排 列间隔进行了优化，为全氧燃烧玻璃窑炉火焰空间的燃烧制度和结构的优化提供了一定 的理论指导。 1 2 玻璃窑炉全氧燃烧技术概述 1 2 1 玻璃窑炉全氧燃烧技术的发展 在玻璃窑炉的发展中，全氧燃烧技术最初是被应用于窑龄较长的玻璃熔窑中，到了 2 0 世纪8 0 年代，随着科技的不断创新，制氧和电力成本的不断降低，空气一燃料燃料系 统逐步被氧气燃料所取代川。 玻璃纤维窑炉燃烧制度的数值模拟研究及优化 首先对全氧燃烧技术开发成功的是康宁2 ，3 1 公司。此后，该公司把全氧燃技术在分布 于世界各地的玻璃熔窑上进行了推广。1 9 8 2 1 9 9 1 年间康宁公司先后对3 4 座玻璃熔窑进 行了全氧燃烧系统的改造 4 1 。直到到2 0 0 0 年，在美国应用全氧燃烧技术的玻璃纤维熔窑 占5 0 以上，显像管玻璃熔窑占3 0 以上，日用玻璃熔窑占l o 以上 5 1 。 在中国，在玻璃窑上的应用纯氧燃烧技术已经引起了广大玻璃窑炉工作者的强烈兴 趣，并对此做了不少专题报告6 。9 。对玻璃窑炉富氧燃烧和全氧燃烧的节能效率以及与 空气助燃的火焰空间比较等方面做了比较深入的探讨1 0 14 1 。 到2 0 0 7 年，我国在玻璃纤维窑炉中应用全氧燃烧技术的只有约1 0 座1 5 j7 1 。与国外 相比，国内全氧燃烧玻璃纤维窑炉技术还处在发展阶段。 a n s y s 软件是目前国际上最著名的大型通用有限元分析软件，经过三十年的发展， 已形成融结构、热、流体、电磁、声学及多物理场耦合为一体的大型通用有限元分析软 件，广泛应用于航空航天、石油、化工、汽车、造船、铁道、电子、机械制造、地矿能 源、水利、核能、生物、医学、土木工程、轻工、一般工业及科学研究等各个领域，其 极强的分析功能覆盖了几乎所有的工程问题。作为世界最具权威的有限元产品和工业化 分析标准，目前几乎所有的c a d c a e c a m 软件都竞相开发了与a n s y s 的专用接口。 从a n s y s1 2 0 开始，f l u e n t 软件开始嵌入到a n s y s 工作平台中。本研究是基于 a n s y s1 2 0 的工作平台中的f l u e n t 模块完成的。 1 2 2 全氧燃烧技术在窑炉中应用的优势 全氧燃烧技术的兴起是玻璃工业的“第二次”革命，它为玻璃工业的发展提供契机 的同时，也带来了新的挑战。总体来说，全氧燃烧与空气助燃相比有以下几个方面的优 热【1 8 2 0 】 j 1 玻璃熔化质量好 全氧燃烧的火焰空间中没有换向，火焰比较稳定，窑炉压力较低且变化不大，这些 对于玻璃液的熔化澄清，以及玻璃液内气泡和条纹的减少具有一定的促进作用；同时， 全氧燃烧火焰空间中的烟气中含有大量的水蒸汽，高浓度水蒸气会增加玻璃液中o h 的 含量，有利于提高玻璃质量。 2 节能降耗 空气中氧气的含量占2 1 ，氮气的含量约占7 8 ，在空气助燃时，大量的氮气不仅 2 济南大学硕士学位论文 氧气的含量大于8 5 ，高含量的氧气会促进燃料的燃烧，提高燃料的利用率。在实际的 窑炉运行中证明，全氧燃烧时会降低废气带走的热量和窑体的散热量。实践表明，熔制 普通钠钙硅平板玻璃熔窑时利用全氧燃烧技术可节能约3 0 以上。 3 减少n o 。 空气中含有大量的氮气，空气助燃时，在高温下氮气会与氧气反应生成，氮氧化物 气体会随着烟气的排放过程进入大气，对环境造成污染。大量的烟气也会造成大量的粉 尘排放。实践表明，全氧燃烧时熔窑废气中氮氧化物气体的排放量从2 2 0 0 m g n m 3 降低 到5 0 0m g n m 3 以下，粉尘排放减少约8 0 ，s o x 排放量减少3 0 。 4 改善燃烧、提高产量 全氧燃烧时，氧含量的增大提高了燃料的燃烧效率，火焰温度升高，产生了大量热 量，加快了配合料的熔化。实践表明，在全氧燃烧条件下，配合料的熔化效率提高了1 0 以上。 5 熔窑建设费用低 全氧燃烧玻璃熔窑无小炉、蓄热室、无金属换热器等。简单的结构降低了窑炉建设 时的费用支出。 综上所述，全氧燃烧比空气助燃时有很大的优势，为了能够更加充分的说明全氧燃 烧的优势所在，表1 1 提供了生产同一种玻璃规格窑炉的实际运行数据。 通过表1 1 中所呈现的数据对全氧燃烧时的节能情况进行分析，假设每标准立方米 天然气的价格为2 元人民币，每标准立方米的氧气的价格为0 7 元人民币，经过计算， 每生产一吨玻璃可以节约的燃料费为5 0 元【1 1 。 表1 1 全氧燃烧和空气助燃的窑炉对比 玻璃纤维窑炉燃烧制度的数值模拟研究及优化 表1 2 全氧燃烧成本的影响冈素分析 降低成本因素增加成本因素 节能减排而降低成本 缩短检修t 期及降低检修费用 钢材用量减少 无蓄热室而减少耐火材料的用量 在硫顶出采用了耐高温的电熔耐火材料 燃一升重油需要2 m 3 氧气，用液氧的成本增加2 3 倍 表1 2 为实践中将空气助燃改为全氧燃烧时成本方面的影响因素分析。日本利用 p s a 制备氧气是的电费为1 0 日元( k w h ) ，在美国约为o 5 。综合所有的分析，可以看 出在玻璃窑炉中采用全氧燃烧技术的社会效益十分显著，成本也可以降低。有关实验表 明，在小型的池窑中采用全氧燃烧技术可以节能3 0 ，而在大型的浮法玻璃窑炉采用可 以节能1 5 左右。 1 2 3 全氧燃烧的喷枪及安装 全氧燃烧器，又称氧枪，是全氧燃烧技术中的关键设备之一。全氧燃烧喷枪的选择 应考虑因素有：可控制炭黑形成的辐射率要大、火焰的覆盖面积要大、氮氧化物生产的 量要小，能用低压情况下的氧气( 压力一般小于0 5 a t m ，且不需要升压) ，低噪声、高 调节比、维修量少，可兼用燃气和燃油，价廉，耐久口1 1 。 目前常用的燃烧器的喷口的形状有圆形和矩形。矩形喷口具有火焰覆盖面积大的特 点，正在日益受到推崇。 。镧 确 ( a ) p r i m ef i r e1 0 0 型( b ) ，【 = j 于供料道加热( c ) p r i m ef i r e4 0 0 型 图1 1 美国天时( e c l i p s e ) 公司的三种氧枪 国外常用的全氧燃烧器主要由美国的p r e a x a i r 公司、m a x o n 公司、a i r p r o d u c t 公 司、以及天时( e c l i p s e ) 公司等生产。图1 1 中的( a ) 、( b ) 、( c ) 分别为美国天时公司的 研发生产的三种p r i m ef i r e 型燃天然气全氧燃烧器的外观。其中图( a ) p r i m ef i r e1 0 0 型氧枪比较适合于小型的玻璃池窑或用作其他特殊的用途，它的喷口为圆形，喷出火焰 4 轴参 鬻龄f k渣 翱 济南大学硕士学位论文 的形状为锥形；图( b ) 中所示的氧枪类型主要用于玻璃纤维窑炉或其他日用玻璃池窑 的供料道德加热，它也是圆形的喷口；图( c ) 中所示的p r i m ef i r e4 0 0 型氧枪，以及 与图中相似但没有列出的p r i m ef i r e3 0 0 型氧枪主要用于大中型的横焰玻璃窑炉，它们 的喷口形状为矩形，喷出的火焰的形状为扁平焰，火焰的覆盖面积较宽。 p r i m ef i r e4 0 0 型氧枪的改进之处为采用了分级燃烧，具体过程为：小量氧气喷入 燃料流中预热，这些氧气会将燃料裂解为炭黑、f o h 基等，这些裂解产物不仅能抑制 n o 。的产生，而且能够有效的减少玻璃液中的气泡，同时，炭黑也能提高火焰的亮度和 辐射率，从而使火焰向玻璃液的辐射传热量增强，本模拟试验中所研究的全氧燃烧玻璃 纤维窑炉的氧枪的工作原理类似与p r i m ef i r e4 0 0 型。 本课题所研究的全氧燃烧玻璃纤维窑炉为横焰全氧燃烧池窑，其氧枪在安装时还应 注意以下几点： 第一， 氧枪在安装时要注意绝对水平安装，不能上倾或下倾，这是因为全氧燃烧 时火焰短、火焰的温度高，上倾会烧坏大碹，下倾会影响玻璃液质量； 第二，氧枪的安装方式要科学合理，一般应在玻璃液面之上4 6 0i n n - i 处； 第三，喷嘴砖的安装要采用内缩的方式，一般缩进胸墙的距离为3 0 7 0 m m ； 第四，烧嘴砖与胸墙之问约有3 m m 的缝隙需用耐火材料塞紧，以防止火焰的溢出 损坏氧枪的外壳； 第五，氧枪在两侧胸墙上的安装排列方式有顺排( 两侧火焰对喷) 和错排( 两侧火 焰交错喷射) 之分，如图1 2 所示，一般来说当窑宽 7 3 m 时应为顺排，以避免火焰长度不够造成窑宽方向 的温度分布不均匀。 顺排 错排 图1 2 玻璃池窑喷枪排列方式 郭印成 5 2 1 等针对喷枪的排列方式的不同对某单元窑炉进行了数值模拟研究，研究结 玻璃纤维窑炉燃烧制度的数值模拟研究及优化 果表明，对于所研究的宽度为3 2 m 的窑炉，燃烧器的布置应采用错排的方式。在工程 应用中要确定和最优化单元窑炉的喷枪喷列方式并不是个简单的问题，还需要根据窑炉 所使用的喷枪类型、喷枪喷射速度、温度场分布和气流场分布等条件进行分析计算。 1 3 玻璃窑炉数值模拟技术的文献综述 在窑炉的燃烧制度发展的同时，利用数值模拟的方法对玻璃窑炉的燃烧制度的研究 也有了很大的发展。本节综述了国内外利用数值模拟的方法研究玻璃窑炉燃烧制度的发 展情况。 1 3 1 数学模型概述 玻璃窑炉的数学模型包括：火焰空间模型、玻璃池窑模型、耦合模型和各种子模型。 一、火焰空间中采用的模型 7 2 】 火焰空间的模型主要包括气相湍流模型、燃烧反应模型和辐射传热模型三部分。 1 气相湍流模型。在玻璃窑炉的数值模拟中模拟火焰空间内气体的湍流流动一般 采用k 湍流模型气相湍流模型，但在近壁面处，要考虑粘性的影响，通常采用壁面函 数法进行描述。 2 燃烧反应模型。在燃烧反应模型的应用上，杨听、宋晨路【2 2 1 等使用采用e d c ( e d d y - d i s s i p a t i o nm o d e l ) 漩涡耗散模型，由于该模型认为湍流控制反应速率，从而避开 对a r r h e n i u s 化学动力学进行计算；b e n j a m i n 2 3 1 利用漩涡破碎模型e b u ( e d d yb r e a k u p m o d e l ) 对湍流燃烧进行模拟实验。该模型认为燃烧速率( 即涡团的耗散速率) 由湍流涡团 的混合速率所决定，认为化学反应在涡团耗散的过程中迅速完成。但是该模型忽略了温 度影响这一因素，认为在分子尺度上，湍流涡团的混合速率会决定燃烧速率，因而会带 来较大的误差。随着富氧燃烧的发展，富氧空气的加入使窑炉内的燃烧情况变的复杂， o n s e ll ，e l t u r t a rz 2 4 1 和m a n ok 【2 5 】针对富氧燃烧系统采用了第二混合物分数模型，把助 燃气体分为一个为空气流和一个为氧气流。随着助燃气体中氧气浓度的增大，所排烟气 中的n o 。减少，现在很多c f d 软件都有n o 。计算模块，n o 。的生成采用z e l d o v i c h 不平衡原理建模。 3 辐射传热模型。对于辐射传热模型，l o c k w o o d 和s h a h t 2 6 1 提出采用d t m 模型， 该通过对穿过流体计算区域的每条射线都进行跟踪，对辐射强度的变化进行求解，得到 辐射变化的和，从而得到与每个流体单元内能量方程相对应的热量源项。s i m o n sp ， 6 济南大学坝士字位论文 t w e r d aa e 2 7 】等研究玻璃窑炉内的辐射传热过程时采用了d o 辐射模型，d o 模型主要对 辐射传播方程进行求解，计算笛卡尔坐标系下表征辐射强度的输运方程，不进行射线跟 踪。在火焰空间的辐射传热中，碳黑的存在提高了火焰的传热效率，为了使模拟结果符 合实际情况，碳黑模型( s o o tm o d e l ) 被应用到了辐射模型中。 二、玻璃池窑模型 玻璃液面与火焰空间也发生着辐射换热，影响火焰空间内的燃烧。在对池窑建立模型 时，需要做出大量的简化假设。 1 玻璃液流动的简化假设。在对玻璃液流动的数值模拟中，为了数值模拟模型的建 立与求解，v i s k a n t ar e 2 8 1 对玻璃池窑的数值模拟进行了总结，简化假设了玻璃液中的传热 与循环过程。其中很多假设只是为了考虑模型的建立并不与实际的情况相符，需要修正。 2 配合料熔化的简化假设。在对配合料熔化的模拟中，为了模型的建立，沈锦林2 9 1 对模型也做了不少假设。有关文献口5 1 指出配合料熔化模型的重点是配合料熔化能量方程 的描述。在对配合料熔化的简化假设中，关于配合料熔化的动力学特性以及配合料玻璃 液与火焰空间之间的化学反应耦合等都没有考虑周全。 3 泡沫层模型。对于泡沫层的模拟研究，f e d o r o v 矛l v i s k a n t a t 3 0 31 1 研究出了一种新 的方法，这种方法可以对泡沫的有效辐射特性进行预测，从而对通过泡沫层的辐射传热 进行预测。f e d o r o v 和v a r a d y 对通过泡沫层的传导传热与辐射传热吲进行了耦合，通过 数值模拟计算得到了泡沫层温度并由此计算解释了泡沫层对热量的阻碍程度，并研究了 一些重要参数对传热过程的影响。f e d o r o v 干l p i l o n 系统地研究了泡沫层的输运特性、质 量传递等过程【3 3 】。 三、耦合模型 耦合模型是一种把玻璃溶液与火焰空间联系起来的更为精确的模型。在研究耦合模 型方面，b r y a nc 等3 4 1 分别对玻璃溶液与火焰空间分开和耦合时进行了模拟和对比，预 测结果表明耦合模型比分开模型对温度场预测有更好的精确性，尤其是表现在对碹顶温 度的预测上。a l a ns t e p h e n s 等 3 5 1 首先对玻璃窑炉的火焰空间的进行了数值模拟，然后在 对玻璃池窑的模拟中利于自编的程序，将火焰空间模拟中得到玻璃液面温度作为对玻璃 池窑模拟的边界条件，完成后再继续将玻璃池窑模拟中得到的玻璃液表面温度分布作为 火焰空间的温度边界条件，如此反复进行这种耦合计算，直至收敛。t n o 对新的计算 程序t n o x s t r e a m t 2 7 1 进行了开发，该模型可以对火焰空间与玻璃池窑进行同时模拟， 可以同时考虑两个空间相耦合的现象是这个计算程序的优势所在。 玻璃纤维窑炉燃烧制度的数值模拟研究及优化 四、子模型 在利用数值模拟手段研究玻璃窑炉的过程中，还发展出了各种子模型。b e n j a m i n 等2 3 1 提出了再悬浮模型和挥发模型，这有利于对颗粒排放受燃烧气氛的影响程度进行估 计。 全氧燃烧时，玻璃窑炉火焰空间中的碱蒸气浓度要大于空气燃烧时，这会加剧了碹 顶耐火材料的腐蚀。为了改善煊顶耐火材料的侵蚀问题f a b e raj 等3 6 1 建立了一个子模 型，此模型可以有效地预测碹顶耐火材料在不同操作下的局部腐蚀效率，并据此提出方 案，减小腐蚀率。 熔融玻璃液中气泡的存在会对玻璃质量造成一定的影响。对于建立气泡模型u n g a n 等人【3 7 1 提出了一种模型来计算气泡的数量，此外该模型以为对气泡对玻璃液的温度场和 玻璃液的流动影响做了考虑。但此模型的缺陷是只考虑了具有固定直径的单分散性气 泡，并没有考虑压差对气泡生长的影响。l a u r e n tp i l o n 等【3 8 1 以群平衡为理论基础，对三 维情况下气泡的长大、收缩以及输运过程进行了研究。r v i s k a n t a 等3 9 1 在计算气泡随玻 璃液速度和温度而变化的分布情况时使用了扩散模型，在对气泡和颗粒的数量、大小和 密度进行分析和跟踪时用到了一些子模型。 1 3 2 国内玻璃窑炉的数值模拟状况 利用数值模拟的手段对玻璃窑炉进行研究，可以直观的表现玻璃窑炉的运行情况， 是研究窑炉简便有效的手段。目前，数值模拟技术也被国内很多窑炉的研究者所运用， 以下是主要对国内在全氧燃烧玻璃窑炉数值模拟方面的研究做了综述。 王俊然【4 0 】在1 9 9 6 年首先就将富氧燃烧技术发展在浮法玻璃厂的可行性进行了探 讨。此后，於云林 4 6 ，4 7 1 等针对将空气助燃玻璃熔窑进行全氧燃烧窑改造的具体过程中 的会存在的问题发表了见解。 此后，沈锦林、朱建飞等 4 1 , 4 2 对富氧燃烧的燃油浮法玻璃熔窑的火焰空间做了三维 数值模拟，