单元玻璃窑炉富氧燃烧空间的数值模拟研究

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基于FLUENT平台的玻璃窑炉燃烧空间的数值模拟

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玻璃窑炉氧气增强NOx减排(OENR)技术

随着环保法规变得越来越严格，世界各地的玻璃制造商越来越需要降低氮氧化物的排放量。

因此普莱克斯开发了氧气增强NO x 减排（OENR）技术，其主要优势在于，不影响玻璃窑炉现有操作的情况下，有效降低NO x排放15%~30%，且成本低、安装简单、操作安全、维护极少。

OENR技术简介。

为采用蓄热室的空气燃烧玻璃窑炉开发的OENR技术，通过分级燃烧的方法实现低NO x排放。

将少量的氧气通入到附近的排烟口或其他合适的窑炉位置，同时减少进入玻璃窑炉的预热空气量，将残余的碳氢化合物和CO通过加氧燃烧掉，此过程中不会增加氮氧化物的产生。

OENR数值模拟的基础条件是：出料量300 t/d的蓄热室马蹄焰玻璃窑炉，空气燃烧过剩系数1.12，OENR燃烧过剩系数1.06，烟气和残氧的对比如图1所示。

图1 普通空气燃烧和OENR燃烧模拟结果对比OENR技术在大型蓄热室空气燃烧容器玻璃窑炉上的应用。

由于现场已有液氧系统，安装应用一个月的OENR技术试验得出：①NO x降低15%～30%（氧气用量80～150 Nm3/h）；②蓄热室顶部和烟囱的CO浓度没有增加；③测试过程中玻璃的产量和质量保持不变。

OENR系统安装。

氧枪安装在炉两侧靠近加料口的观察孔上（图2）。

氧气由窑炉排烟侧通入，随着窑炉的周期换火而交替进行。

为了避免任何火焰的干扰和碹顶温度的增加，氧气喷射器使氧气射流与窑炉内烟气的混合变得最优。

氧气应保持小流量以防止燃烧侧氧枪过热。

图2 马蹄焰玻璃窑炉OENR氧枪安装示意图空气燃烧基准和OENR操作的运行结果见表1。

该试验是在恒定拉引量435 t/d的正常下运行，对玻璃产量和质量没有任何影响。

气体采样是在生产稳定的情况下，从小炉中采取，测试中没有观察到烟气中SO2浓度的增加，对碹顶温度和蓄热室顶部温度进行密切监测，OENR操作时没发现碹顶温度增加。

表1 应用OENR技术试验结果对比在全球更严格的NO x排放规定的背景下，氧气增强NO x减排技术（OENR）为全球玻璃制造商提供了一种有效降低NO x排放更具优势的好手段。

富氧燃烧技术在玻璃池窑上的实践

氢
料气
空气（２１％０２）
５７２
氧气（１００％’）
５６０５５６４６８２８３５８８
天然气丙
丁
６３２４９３４０８６０９．
烷烷
一氧化碳（４）使燃烧后的排气置减少
从图四中看出，若使用氧浓度为２１％的常规空气，按理论空气置燃烧的排气量作为ｌ计算时，随着含氧量的增加，排气量有减少的倾向。使用含氧量为２７％的富氧空气燃烧与氧浓度为２ｌ％的空气燃烧比较。过剩空气系数“＝ｌ时则排气体积减少２０％。排烟热损失也相应减少丽节能。（５）热量利用率增加富氧燃烧，对热量的利用率会有提高，用通常空气（含氧２１％）燃烧，加热温度为１３００℃ 时，其可利用的热量为４２％，而用舍氧２６％的富氧空气燃烧时，则可利用的热量增大到５６％（图４）。所增大的数值，随着加热温度的提高而增大。因此加热温度越高节能效果就越好。（６）采用富氧燃烧可以降低空气过剩系数，从而达到节约能源的目的：下面曲线图又可看出：空气过剩系数越大，则燃料消耗增加率就越高当ａ值为】．１对，燃料只增加４％，当ａ值为１．４对则燃料增加率为１６％。在高温熔炉中，
ｒ————————————－］ｒ————————＿１
ｒ————————］
鼹压罐内富氧空气ｌ——１气体调压器卜——＋ｌ富氧预热器ｌ
完全燃烧的高辐射的中间火焰层；富氧较多并已达完全燃烧的下层火焰层。下层火焰与上层火焰相结台，增加了总的辐射热。同时由于火焰扫过配合料，增加了与配合料的对流交换。面达到加速熔化的目的。但是必须说明：玻璃液温度升高程度，不仅仅只与空气中含氧量多少有关，还与火焰覆盖情况，燃料喷嘴喷射的燃气混合物的流场形态、雾化状态，燃料与富氧气体、助燃风的分布有紧密的关系。譬如说，燃料雾化不好，火焰黑根长．富氧吹出后不能及时与燃料混合燃烧．富氧气体实际上在火根部分只起了冷却玻璃液的作用，因此我们希望燃料从喷猎吹出后能及时与富氧空气混台并燃烧，为了达

玻璃熔窑火焰空间的三维数值模拟

玻璃熔窑火焰空间的三维数值模拟王飞【摘要】采用计算流体力学软件CFD,加载k-ε湍流模型、渦耗散反应模型与DO 辐射模型.通过编写UDF函数将玻璃液面与火焰空间底部进行单向耦合,从而获得了玻璃熔窑火焰空间的温度及速度变化规律,将模拟分析的结果与工业试验数据进行对比验证,验证了模拟的可靠性.为优化窑炉的火焰空间设计,提高玻璃制品的熔制质量,改善生产条件提供了理论依据.%Computational fluid dynamics software CFD is used to establish a standard k-ε turbulent model,eddy-dissipation combustion model and DO radiation model.The glass surface is coupled with the bottom of the flame space by UDF function.The variation law of temperature field and velocity field have been obtained.The simulation results is compared with industrial experiment data.The result provides a theoretical basis for optimizing furnace design and the melting quality of glass products,improving the working conditions.【期刊名称】《工业加热》【年(卷),期】2018(047)002【总页数】3页(P46-48)【关键词】玻璃熔窑;火焰空间;数值模拟【作者】王飞【作者单位】陕西铁路工程职业技术学院,陕西渭南 714000【正文语种】中文【中图分类】TQ173玻璃行业的提质增产一直为业内研究的重点。

CFD软件用于玻璃纤维窑炉数值模拟的研究

ｓｌｔｎｒｓｌｄｔｅｏ－ｔａｕｅｎｓｉｃｎｂｇｅｔｄｔａｅｍａｅｔａｍｏｅｃｎｏｊｃｉｅｅｌｔｅｒａｉａｏｕｔａｎｓｅｍｅｓｍｅｔ，ｔａｅｓｇｓｔｈｔｍａｉｌｄｌａｂｅｔｌｒｆｃｌｍｕｉｅｓｎｈｉｒｕｅｈｔｈｃｖｙｅｔｅｈ
（ＵｎｉｅｒｉｆＪｎ１．ｖｓｔｏｉａｎ，Ｊｉａｎｙｎ２５２２；００
２ＴｉｈｎＦｂｒｌｓｃ，Ｔｉｎ２１０）．ａｓａｉｅｇａｓＩ．ａａ７０ｎ０
ＡｂｔａｔＡｒｅｄｍｅｓｏａｔｅｔａｄｌｏｅｃｍｂｓｉｎｓａｅｏｉ－ｅｂｒｌｓｒａｅｗａｓａｌｈｄｗｈｃｓｒｃ：ｔｅ－ｉｎｉｎｌｈｍａｈｍａｉｌｃｍｏｅｆｔｏｕｔｏｐｃｆａｒｆｌｅｇａｓｆｎｃｓｅｔｂｉｅ，ｈｕｆｉｕｓｉｈｃｎｉｔｄｏａｏｍｏｅｎｆｒｏａｄｒ一￡ｍｏｅ，ａｃｅｃｌｅｃｉｎｍｏｅｎｆｒｏｄ－ｉｓｐｔｎｍｏｅｎｏｓｓｅｆａｇｓｆｗｄｌｏｍｆｔｎａｄｋｌｉｓｄｌｈｍｉａａｔｄｌｍｆｄｙｄｓｉａｉｄｌｄａｒｏｉｏｅｏａ
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韩韬，ＣＤ等：Ｆ软件用于玻璃纤维窑炉数值模拟的研究
摘
要：介绍了玻璃纤维窑炉空气助燃火焰空问三维数学模型的建立，其中气相流动模型由标准ｋ —ｅ湍流模型组成，化学

玻璃窑炉中石油焦粉富氧燃烧特性研究的开题报告

玻璃窑炉中石油焦粉富氧燃烧特性研究的开题报告一、选题背景与意义玻璃行业作为国民经济的重要支柱产业，对石油焦粉这种常用的燃料有着较高的需求。

目前，常见的玻璃窑炉燃料有火煤、石油焦粉、天然气、液化气等，其中以石油焦粉最为常用。

然而，石油焦粉燃烧过程中产生的废气对环境污染较大，严重影响了环境质量。

因此，研究如何降低石油焦粉的废气产生，减少环境污染，对于保护环境和推动玻璃行业可持续发展具有重要意义。

二、研究内容及方法本报告将以玻璃窑炉中石油焦粉富氧燃烧为研究对象，主要研究以下几个方面：1.富氧燃烧对石油焦粉燃烧过程中产生的废气产生的影响；2.石油焦粉在富氧燃烧条件下的燃烧特性，包括燃烧速率、燃烧温度等；3.富氧燃烧条件下的废气处理技术，探究富氧燃烧如何减少废气中的氮氧化物和碳氧化物等有害物质。

本研究将采用实验室仿真实验结合理论模拟分析的方法，通过调整实验条件和参数，探究富氧燃烧条件下石油焦粉燃烧的燃烧特性和废气产生情况，并结合理论模拟分析的方法，分析影响燃烧效果的因素以及有助于减少废气产生的技术途径。

三、预期成果通过本研究，预期达成以下几个目标：1.探究玻璃窑炉中石油焦粉富氧燃烧的特性及产生的废气情况；2.研究石油焦粉在富氧燃烧条件下的燃烧特性，包括燃烧速率、燃烧温度等；3.分析富氧燃烧条件下的废气处理技术，探究如何减少废气中的有害物质，提出可行的废气处理方案。

四、可行性分析本研究将采用实验室仿真实验结合理论模拟分析的方法，全面探究玻璃窑炉中石油焦粉富氧燃烧的特性及产生的废气情况。

在实验室方面，我们可以对燃烧参数进行灵活调控，在不同的实验条件下，观察燃烧效果和废气产生情况。

在理论模拟方面，我们可以结合已有的相关研究成果，对模拟结果进行比对，分析影响燃烧效果的因素以及寻找有助于减少废气产生的技术途径。

因此，本研究具有较高的可行性。

五、研究进度安排本研究计划于2022年10月开始启动，具体研究进度安排如下：第一、二个月：文献综述和理论模拟研究；第三、四个月：实验设计和数据采集；第五、六个月：数据分析和结果统计；第七至九个月：实验结果及模拟分析；第十、十一个月：结果讨论和总结撰写；第十二个月：论文撰写和答辩。

富氧燃烧技术的研究与探讨

约了工业炉窑的热效率。在工业炉窑中使用富氧燃
的目的。上世纪８０年代中期，欧美等发达国家先后有多家公司进行富氧燃烧技术的研究和应用实验，均
得出了节能、增产、提高品质、减少烟尘排放及延长
烧技术后，不参与燃烧反应的氮气量大大减小，因此由氮气带走的热损失也大大减小，节省了加热部分氮气所需的燃料量，还将从根本上改善炉膛内部燃料的
ｅｎｉｒｃｈｅｄｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃｂｅｎｅｉｆｔｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｏｘｙｇｅｎｅｎｒｉｃｈｅｄｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ．
分布及燃烧状态。１＿２富氧燃烧技术的特点
炉龄的结论。因此，富氧燃烧技术被广泛应用在各种工业锅炉、加热炉、冶炼炉、玻璃窑炉上。
富氧燃烧可以增强燃料燃烧强度，加快燃料燃尽
１富氧燃烧技术原理
富氧燃烧是指助燃空气中的氧气含量超过常规
速度，增强炉内辐射热，减少烟气排放量，降低排烟热损失，提高热效率，降低燃料消耗量，具有明显的节能环保效益。随着氧气浓度的增加，烟气排放量、排烟热损
值的燃烧过程，助燃空气中的氧气含量可以从２２％直至使用纯氧助燃。
收稿日期：２０１２一ｌｌ一１９
失均不断降低，而热效率、炉内辐射热在不断提高，因此富氧燃烧的节能效率明显提高，如图１所示。
作者简介：刘

氧含量对富氧燃烧玻璃熔窑热工特性的影响

文章编号： 1001-1625（ 2010） 05-1197-05
Effects of Oxygen Content on Thermal Performance of Oxygen-enriched Combustion Glass Melting Furnace
LI Hui-ping，GU Jun-wei
1199
火焰空间内的传热主要以辐射为主，辐射传给玻璃液面的热量约占总传热量的 80% 以上［9］。因此，作为计
算分析的第一步，可以先只考虑辐射传热的作用。对甲烷天然气在窑内烧产生的火焰可视为灰色的不发
光火焰。假设火焰充满整个窑炉，并得到充分混合，对每一对火焰可视为一个温度，应用奥本海姆辐射网络
分析，可得火焰和窑墙辐射传给玻璃料液面的净热量 Qnet 为［8］：
气需要量和烟气生成量逐渐降低，理论燃烧温度明显提高；氧含量增加，火焰黑度增大，火焰辐射给玻璃料液面的
热量也增大，且增幅显著，表明富氧燃烧确有节能降耗的作用。氧含量改变对窑墙内、外表面温度和通过窑墙的散
热损失影响不大。
关键词：富氧燃烧；热工性能；辐射传热；玻璃窑炉
中图分类号： TQ171
文献标识码： A
（ Department of Inorganic Materials，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）
Abstract： In order to further understand characteristics of the oxygen-enriched combustion glass melting furnace，effects of oxygen content have been numerically studied by applying the modified well-stirred model of heat transfer in combustion space on the basis of fuel combustion calculations． The calculated results show that the quantities of the required air and the waste gas for natural gas-fired glass furnace gradually decrease with increasing the oxygen content in air． The theoretical combustion temperature，the flame emissivity，and the net radiative heat transfer from flame to glass melt increases obviously with increase of the oxygen content． Thus it results in the energy savings for oxygen-enriched combustion glass melting furnace． The inner and outside surface temperatures of furnace wall and the heat loss through the furnace wall slightly increase with increase of the oxygen content． Key words： enriched-oxygen combustion； thermal performance； radiant heat transfer； glass furnace

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第29卷第1期硅酸盐通报Vo.l29N o.1 2010年2月B U LLET I N OF THE CH I N ESE CERAM IC SOC I ETY February,2010单元玻璃窑炉富氧燃烧空间的数值模拟研究韩韬1,刘宗明1,李贤松1,赵蔚琳1,张铁柱2(1.济南大学材料科学与工程学院,济南250022;2.泰山玻璃纤维股份有限公司,泰安271000)摘要:本文建立了单元玻璃窑炉富氧燃烧空间三维数学模型,其中气相流动模型由质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律和标准k-E湍流模型组成,化学反应模型使用有限速率/涡耗散模型,辐射传热模型使用离散坐标模型。

以年产2万吨玻璃纤维的熔窑为对象,利用F l uent软件对富氧燃烧空间内气体的流动状况和温度分布进行数值模拟。

通过模拟结果与现场实测数据进行比较可以看出,该数学模型能够比较客观地反映单元玻璃窑炉富氧燃烧空间的温度场和速度场的分布规律。

在此基础上,对喷枪的布置加以调整和改进后得到了更佳的模拟效果,还说明该数学模型对窑炉富氧燃烧在生产过程的研究和应用也有一定的指导作用。

关键词:数学模型;数值模拟;玻璃窑炉;温度场;速度场中图分类号:TQ171.6文献标识码:A文章编号:1001-1625(2010)01-0077-06 Study of Nu m erical Simulation of Oxygen-enrichedCo mbusti on Cha m ber of Cell G lass FurnaceHAN Tao1,LI U Zong-m ing1,LI X ian-song1,Z HAO W ei-lin1,Z HANG T ie-zhu2(1.School ofM ateri als S ci ence and Eng i neeri ng,U nivers it y of J i nan,J i nan250022,Ch i na;2.Tais h an F i bergl ass Inc.,T ai an271000,Ch i na)Abst ract:Th is paper estab lishes a three-d i m ensi o na l m athe m a tica l m odel of ce ll g lass f u rnace in the oxygen-enriched co m bustion space,w hich consisting o f gas flo w m odel co m posed o f m ass conservation equation,m o m entum conservation equati o n,energy conservation equati o n as w e ll as the standard k-E m ode;l che m ica l reaction m ode l co m posed of eddy-dissi p ation m ode;l and radiati o n m odel co mposed o f discrete ord i n atesm ode.l Based on t h e ob ject of an annual output of20000t fi b er g lass f u rnace,the distri b u ti o n of gas flo w and te m perature fie l d,ve l o c ity field of the f u rnace are researched by using FL UENT so ft w are.According to the co mparison bet w een the si m u lation results and t h e m easured results obta i n ed on the spo,t it can be suggested that the m a t h e m atical m odel can ob jecti v ely reflect t h e rea l distri b u ti o n of the te m pera t u re fie l d and velocity field of the cell g l a ss furnace.On the basi s of research resu lts,the authorm akes so m e reco mm endati o ns to i m prove si m ulati o n resu lts o f the combusti o n process, that is,to adjust t h e layout o f t h e spray gun on the co mbusti o n space.It also can be sho w n that t h e three-di m ensi o na lm athe m atica lmode l plays an i m portant r o le in the research and app li c ation o f the oxygen-enriched co m busti o n of cell g lass f u rnace.K ey w ords:m athe m atica lm ode;l nu m erical si m u lation;g lass m elti n g furnace;te m perature field;ve l o c ity fields基金项目:山东省自然科学基金(Y2007F04)作者简介:韩韬(1984-),男,硕士研究生.主要从事材料的计算与模拟研究通讯作者:刘宗明.E-m ai:l ost_li u z m@u j 78 专题论文硅酸盐通报第29卷1 引言随着富氧燃烧技术的发展,国外越来越多的玻璃纤维窑炉使用富氧燃烧技术来缓解对能源的需求、提高玻璃纤维的产量和质量[1-2]。

我国在富氧燃烧技术上处于刚起步的阶段,与国外的先进技术仍有差距。

因此,研究富氧燃烧下窑炉燃烧空间的温度场和速度场的分布规律有助于我们更好地通过改进富氧燃烧技术和窑炉结构来做到节约能源、提高产量。

目前计算流体力学(CFD)在玻璃窑炉内燃烧空间温度场和速度场模拟方面的预测能力日益提高,并且能为窑炉的设计和工艺制度的改进提供了直观的信息[3-4]。

现在模拟工作集中于玻璃液的温度场和速度场的研究[5-7],对玻璃窑炉内燃烧状况的模拟鲜有报道。

本文根据流体力学和传热学原理建立了一个关于富氧燃烧空间的三维数学模型。

模拟结果具有一定的理论价值可为熔窑的研究提供有效地分析手段。

2 数学模型建立实际燃烧过程是一个包含流体流动、传热、传质和化学反应以及它们之间相互作用的复杂的物理和化学过程,它满足物理和化学的基本定律[8]。

其控制方程主要是:质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。

控制方程的数学描述的通用形式为[9]:5(Q «)5t +5(Q L «)5x +5(Q M «)5y +5(Q X «)5z =55x (#5«5x )+55y (#5«5y )+55z (#5«5z)+S (1)式中,«为通用变量,可代表L ,M ,X 等求解变量;#为广义扩散系数;S 为广义源项。

本文主要研究了火焰空间气流场和温度场分布的情况,实验中的湍流模型为J -E 湍流模型,化学反应采用了涡-耗散模型,辐射模型应用了DO 辐射模型。

J -E 湍流模型的湍流方程为:Q d J d t =Q (5J 5t +u j 5J 5x j )=55x j [(L +L t R J )5J 5x j]+G -Q E Q d E d t =Q (5E 5t +u j 5E 5x j )=55x j [(L +L t R E )5E 5x j ]+c 1E J G -c 2Q E 2J (2)式中:k 为湍流动能;E 为湍流动能耗散率;G 代表L i5u j 5x i [5u i 5x j +5u j 5x i];R E 为湍流动能的有效普朗特数;R E 为湍流动能耗散率的有效普朗特数;c 1,c 2为经验常数。

燃烧化学反应模型采用Eddy -dissi p ation 模型,认为速率由湍流控制使得复杂化学反应动力学速率可以安全地忽略掉,这样节省了大量的计算时间。

辐射模型采用DO 辐射模型,其表达式为:ý#(I (r y ,s y )s y )+(a +R s )I (r y ,s y )=an 2R T 4P +R s 4P Q 4P 0I (r y ,s y )«(s y ,s y ')d 8'(3)其中,r y 为位置向量;8's y 为方向向量;s y '为散射方向;s 为行程长度;a 为吸收系数;n 为折射系数;R s 为散射系数;R 为波尔兹曼常数;I 为辐射强度;«为相位函数;8'为空间体积角。

CFD 方法是对燃烧空间三维湍流流场的控制方程用计算数学的算法将其离散到一系列网格节点上求其离散的数值解的一种方法。

本文主要运用Fluen t 软件通过有限体积法对控制方程进行求解。

3 富氧燃烧空间的CFD 数值模拟3.1 物理模型的建立与网格划分本文以2万吨天然气富氧燃烧玻璃纤维池窑为几何模型进行模拟研究,具体参数如图1~3。

采用GAMB I T 软件对几何模型进行网格划分,其中E le m ents 选H ex ,Type 选Cooper ,网格主要由六面体单元构成,但是在适当的位置可以包含四面体、五面体(金字塔形或楔形)单元。

第1期韩韬等:单元玻璃窑炉富氧燃烧空间的数值模拟研究79图4为所建立几何模型划分网格后的四个视图,划分完网格后定义各边界为墙体(w all)边界条件,计算区域定义为流体(fluid),燃料进口和氧化剂进口定义为速度入口(ve l o c ity i n let),定义完边界条件后导出3D 格式网格文件,网格数约62.5万。

并将划分的网格导入Fluent中。

3.2F luent中参数设置及边界条件计算时参数选择:混合气体的密度变化按照不可压缩理想气体计算,混合气体的等压热容按混合定律(m i x i n g-la w)计算,辐射吸收系数按W SGGM模型计算。