燃烧制度对玻璃池窑中玻璃液流动影响的数值模拟

摘要

本文系统评述了国内外学者对玻璃窑炉数值模拟的研究进展，在充分了解年产2万吨燃天然气全氧助燃玻璃纤维窑炉生产工艺的基础上，建立了玻璃窑炉内火焰空间和玻璃液流动的三维数学模型。模型包括流动模型，化学反应模型，辐射传热模型。其中流动模型由质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程以及标准k-ε湍流模型组成，化学反应使用有限速率/涡耗散模型，辐射传热使用DO离散坐标模型。采用流体力学通用软件FLUENT对该窑炉的火焰空间和玻璃池窑通过UDF功能进行了单相耦合的数值模拟。具体的研究内容和结果如下：
　　 1．在前处理过程中采用GAMBIT软件，依照实际窑炉的尺寸建立几何模型并进行网格划分，在喷枪处采用了网格加密技术使模拟结果更加准确。
　　 2．对实际运行的窑炉进行了有目的的现场数据采集，建立了的热边界条件计算模型，减少了对数值模拟边界条件的假设，使模拟结果更能真实的反映窑炉的实际情况。
　　 3．对实际运行的全氧燃烧玻璃纤维窑炉进行数值模拟，分析现有燃烧制度的合理性，并与实测值进行了对比验证。结果表明，得到的火焰空间的温度场、速度场及压力场分布的模拟结果，能再现现有的工艺制度，玻璃池窑中的温度分布合理，玻璃液流动产生的投料回流、澄清回流和成型回流比较明显，其位置分布也比较合理。结果同时显示，由于中问两对喷枪的流速过大，现有的燃烧制度存在火焰相互干扰、气流冲击碹顶以及影响玻璃液流动等缺陷。误差分析显示，模拟结果与现场实测值的相对误差在-4.12-5.19％之间，说明模拟结果有很高的准确性和可信度。
　　 4．对全氧助燃和空气助燃的工艺制度进行了分析对比。结果表明，纯氧助燃下整个窑炉火焰空间温度分布更加合理、气体流速更加稳定，体现了全氧燃烧制度的优越性，为全氧燃烧制度的广泛应用提供理论支持。
　　 5．针对现有燃烧制度的不足，通过数值模拟的方法寻找了更加合理的燃烧制度。结果表明，喷枪高度在距液面高0.5m的地方安装比较合适，同时对流量较大的两对喷枪错排500mm左右的距离，这样既能保证原来窑炉的热效率又能减轻高温烟气对碹顶造成的伤害。
　　 6．对优化燃烧制度后的窑炉进行数值模拟，并与优化前模拟结果进行对比。结果表明，优化前存在的不足之处已经明显减少。结合玻璃液的流动和传热效果，可以看出玻璃液流动中的三个回流较之以前更加明显，说明现有的燃烧制度比以前更加合适。