全氧燃烧玻璃熔窑玻璃液的三维数值模拟

摘要

在玻璃熔制过程中利用纯氧代替空气与燃料进行燃烧称之为玻璃熔窑的全氧燃烧技术。全氧燃烧不但使燃料充分完全燃烧，而且减少了烟气排放和NOx生成，实现了玻璃行业得节能减排。本文介绍了全氧燃烧玻璃熔窑火焰空间和玻璃熔化常用的数学模型，阐述了国内外玻璃熔窑用数值模拟方法研究的发展概况。
　　 本课题研究了日产600t燃天然气全氧玻璃熔窑，在综合全氧燃烧玻璃熔窑理论和国内外实际研究的基础上，对所选用的全氧新型喷枪建立了火焰空间气流的标准k-ε湍流模型、非预混燃烧模型和辐射传热DO模型；玻璃熔化选用的模型包括玻璃液流动模型、配合料模型和泡沫层模型。对于玻璃液流动模型，进行了一系列假设，以方便模型简化。
　　 模型的处理，用Gambit软件建立几何模型和结构型网格划分。采用Fluent软件对数值计算程序进行定义和后处理，并用相应的图形处理软件直观的表示模拟的速度场和温度场分布的结果图像。玻璃液表面设置成传热固壁，同时考虑融化及重力对玻璃液的影响。熔窑中玻璃配合料的各种物性参数变化（密度的变化，温度，粘度，导热的系数变化），是根据经验公式写成UDF函数导入到模型中。具体的物性参数变化如下：
　　 1．温度变化根据火焰空间产生的温度决定；
　　 2．密度变化和导热系数根据经验公式确定，是关于温度的线性函数；
　　 3．粘度变化也是根据经验公式确定，也是与温度相关的线性函数。
　　 结果表明，本文中玻璃熔窑三维数值模拟所选用的模型能够比较准确的反映出全氧燃烧采用的新型扁平喷枪的火焰优点，即火焰扁平，长度长且均匀，温度高且覆盖面大。另外，这种独特设计的喷枪更有利于配合料的熔化，对提高玻璃质量，减少火焰空间耐火材料侵蚀是有益的。玻璃液流的模拟将熔窑的形状、结构尺寸和进出口温度作为定解条件，通过计算机求解控制方程组，得到熔窑内部流体速度场、温度场的分布及变化情况，以预测窑内的玻璃液流动。另外，根据所求量的不同，可以用流体的速度矢量图、压力等值线图、等温线等图形和动画，更直观地反映熔窑内部的变化。模拟的玻璃液温度场和速度场符合实际的玻璃液熔化过程，并直观地表示数值计算的结果。从对比试验的结果，可以看出进料速度和投料口宽度都会影响配合料的熔化。因此，在实际的窑炉作业中应将配合料的进料控制在合适的速度，投料口设计尽量避免等宽于熔化池并选择最佳的尺寸，从而提高玻璃熔化质量。