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全氧燃烧玻璃熔窑火焰空间结构优化的数值模拟

金明芳  
【摘要】: 玻璃熔窑是玻璃生产过程中的重要热工设备。长期以来,我国玻璃熔窑火焰空间内燃料的燃烧采用的是传统的空气助燃。玻璃熔窑全氧燃烧技术是在玻璃熔制过程中利用纯氧代替空气与燃料进行燃烧,这样可避免空气中大量氮气的引入,在加快燃烧速度,使燃料充分完全燃烧的同时,减少烟气排放和NOx生成,实现节能减排。 本研究对一日产量200吨玻璃的全氧燃烧单元窑的火焰空间进行设计计算,建立玻璃熔窑火焰空间的三维几何模型,借助商业CFD软件FLUENT对玻璃熔窑火焰空间进行数值模拟。在模拟计算时,采用的数学模型有:标准的k-ε模型(近壁面的流动采用标准壁面函数进行简化),简化的PDF快速反应模型,离散坐标模型(灰气体的吸收系数选用基于计算单元特征尺寸的WSGGM来计算)。控制方程采用有限体积法进行离散,压力和速度的耦合采用SIMPLE算法求解。采用三对角矩阵算法(TDMA)进行逐面迭代求解,在求解过程中采用低松弛求解策略。在全氧燃烧条件下,分别从碹顶高度、烟道位置、燃烧器安装高度和排布方式等角度进行模拟研究和优化分析。主要结论如下: (1)适当升高碹顶高度对保护碹顶和提高玻璃配合料熔化率有利,但不能起到降低碱蒸汽挥发率的作用。(2)烟道设置在熔窑后部时,窑内碹顶附近的气流相对较平缓,火焰覆盖面增大,窑内平均温度提高且更加均匀,有利于玻璃配合料的熔化。(3)随着燃烧器安装高度的增加,玻璃液面的温度分布更加均匀。燃烧器安装在0.3m高度时,气流有冲刷玻璃液面的倾向,碹顶出现局部高温区。燃烧器安装在0.4m和0.5m高度时,火焰空间的平均温度较高,玻璃液面附近的气流速度较小,对玻璃液面的扰动也较小,碱蒸汽的挥发率较低,也能更好地避免碹顶的高温烧损。因此,燃烧器的合理安装高度应该在0.4 m-0.5m之间。(4)燃烧器排布7对燃烧器时,气流对烟道上部位置的碹顶冲刷严重,碹顶附近的碱蒸汽的浓度较大,对碹顶的侵蚀更严重。5对燃烧器时,情况较好。火焰高温覆盖面大,玻璃液面附近气流的速度小,有利于玻璃液的熔化和澄清,但碹顶高温区较大,气流对窑墙和碹顶的冲刷加剧,因此应适当加宽熔窑的宽度和碹项的高度。


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