玻璃纤维窑炉燃烧制度的数值模拟研究及优化

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CFD软件FLUENT，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k-ε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DO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0.16-0.2m2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90%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90%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1.02-1.06范围内时较好。4．比较了空气助燃和全氧燃烧的火焰空间。比较空气助燃和全氧燃烧时的火焰空间得到：全氧燃烧时火焰空间的最高温度高，温度梯度大，气流场的速度慢；二氧化碳和水蒸气的浓度大，有利于提高火焰空间内的辐射传热能力，提高玻璃液的质量。5．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8.70%，玻璃液面处模拟值与实测值的平均相对偏差为2.32%；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。6．优化了喷枪的工艺制度。氧气含量为90%、过剩氧气系数为1.05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。7．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0.2326-0.2416m。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 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
• 1.2.2 全氧燃烧技术在窑炉中应用的优势
• 1.2.3 全氧燃烧的喷枪及安装
• 1.3 玻璃窑炉数值模拟技术的文献综述
• 1.3.1 数学模型概述
• 1.3.2 国内玻璃窑炉的数值模拟状况
• 1.3.3 国外玻璃窑炉的数值模拟状况
• 1.4 本课题的研究任务和意义
• 第二章 火焰空间的数学模型
• 2.1 流场基本方程
• 2.1.1 连续性方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 湍流模型的简介
• 2.2.2 湍流模型方程
• 2.2.3 壁面函数法
• 2.3 化学反应模型
• 2.3.1 组分输运模型
• 2.3.2 涡耗散模型
• 2.4 辐射传热模型
• 2.4.1 辐射传热模型方程
• 2.4.2 DO 辐射模型
• 2.4.3 灰气加权平均模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 全氧燃烧玻璃纤维窑炉数据采集与处理
• 3.1 窑炉的几何参数
• 3.2 现场数据采集
• 3.2.1 温度采集
• 3.2.2 流量采集
• 3.3 边界条件处理
• 3.3.1 壁面边界条件
• 3.3.2 出入口边界条件
• 3.4 本章小结
• 第四章 全氧燃烧玻璃纤维窑炉的数值模拟研究
• 4.1 对喷火焰空间的研究
• 4.1.1 对喷火焰空间的确定
• 4.1.2 计算模型的建立
• 4.1.3 烟气出口大小对火焰空间温度场的影响
• 4.1.4 氧含量对火焰空间温度场和气流场的影响
• 4.1.5 过剩氧气系数对火焰空间温度场和气流场的影响
• 4.1.6 全氧燃烧时火焰空间气流场和温度场的规律
• 4.2 实际运行窑炉火焰空间的数值模拟研究
• 4.2.1 计算模型的建立
• 4.2.2 模拟结果与分析
• 4.2.3 模拟数据与实测数据对比
• 4.3 本章小结
• 第五章 全氧燃烧玻璃纤维窑炉的数值模拟优化
• 5.1 喷枪工艺参数优化
• 5.1.1 计算模型建立
• 5.1.2 模拟结果与分析
• 5.2 全氧燃烧火焰空间中喷枪布局优化
• 5.2.1 计算模型的建立
• 5.2.2 喷枪布局的初步优化
• 5.2.3 利用黄金分割法进行再优化
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录