韓大河

（淄博中材金晶玻纖有限公司，淄博 255086）

0 前言

玻璃纖維單元窯爐是20世紀(jì)40年代在容器玻璃窯爐基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其特點(diǎn)是長寬比較大，一般在2.8～3.3∶1，燃料多為天燃?xì)?，使用氧氣助燃，燃燒方式一般使用橫穿爐膛的對燒或者叉燒方式進(jìn)行加熱，其特點(diǎn)為核心火焰溫度高、相同熔制制度下能源消耗低、低燃?xì)饬鲃?dòng)速度對窯爐耐火材料侵蝕小等［1］。近年來為提高傳熱效率、提升熔化率，同時(shí)降低廢氣氮氧化物及硫化物排放，純氧頂燒已逐漸應(yīng)用于玻璃纖維窯爐。據(jù)報(bào)道，相同條件下頂燒方式比平燒方式節(jié)能8%～15%［2］。

窯爐設(shè)計(jì)者的最終目標(biāo)是熱效率的最高化，合理的燃燒器布置方式和角度直接影響窯爐的熔化效率，并對窯爐的節(jié)能和維護(hù)產(chǎn)生直接影響。純氧平燒方式可以得到較大的火焰覆蓋面積，使玻璃液的溫度均勻性得到很好的滿足，但由于純氧燃燒的高動(dòng)量特性，對窯爐耐火材料的氣流侵蝕也是需要關(guān)注的；純氧頂燒方式將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能直接傳遞至料堆及玻璃液表面，部分燃料甚至滲透至料堆的顆粒間隙進(jìn)行燃燒，對熱效率的提高、熔化率的提升明顯，但熱輻射效果不佳，易起揚(yáng)塵，如果燃燒器的位置和角度不準(zhǔn)確，會(huì)對熔化率、玻璃液質(zhì)量和窯爐胸墻耐火材料產(chǎn)生較大影響［3-5］。

為改善窯爐燃燒狀況，提高熱效率和熔化率，本文使用商業(yè)軟件Fluent對平燒方式和頂燒方式進(jìn)行模擬計(jì)算，分析2種燃燒方式對窯爐火焰空間溫度分布和傳熱情況的影響規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)調(diào)整提供依據(jù)。

1 模型建立和計(jì)算

1.1 模擬對象參數(shù)

模擬對象以設(shè)計(jì)熔化量230 t/d的玻璃纖維窯爐為研究對象，該窯爐火焰空間長19.8 m，寬6.5 m，胸墻高1.153 m，大碹拱高1.132 m，燃料為天然氣，純氧助燃。平燒方式燃燒器中心線距玻璃液面距離0.437 m，5對燃燒器距前墻距離及燃?xì)饬髁糠峙淙绫?所示。

表1 平燒燃燒器距離及燃?xì)饬髁?/p>

頂燒方式燃燒器左中右排列，左、右兩列各5支，中間一列5支，其中中間5#槍未啟用，各燃燒器距前墻距離及燃?xì)饬髁糠峙淙绫?所示。

表2 頂燒燃燒器距離及燃?xì)饬髁?/p>

分別對平燒、頂燒窯爐火焰空間使用軟件中的前處理模塊進(jìn)行三維實(shí)體建模、利用自帶網(wǎng)格劃分模塊對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分［6］，窯爐網(wǎng)格劃分見圖1、圖2。

圖1 平燒窯爐火焰空間網(wǎng)格劃分

圖2 頂燒窯爐火焰空間網(wǎng)格劃分

1.2 數(shù)學(xué)模型選擇

模型計(jì)算采用的數(shù)學(xué)模型為：火焰空間湍流模型使用標(biāo)準(zhǔn)模型，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對近壁面進(jìn)行簡化；燃燒反應(yīng)過程使用組分傳輸模型；窯爐內(nèi)輻射模型使用P1模型。使用有限體積法離散控制方程，選用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行計(jì)算。使用SIMPLE算法對壓力和速度耦合進(jìn)行求解。通過降低亞松弛因子獲得較好的迭代穩(wěn)定性和收斂性，能量方程和輻射方程等收斂標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)設(shè)置。

1.3 物料性質(zhì)參數(shù)及邊界條件

燃?xì)馊肟诹魉俸喕癁樗椒较蛩俣仁噶肯嗟?，燃氧比?∶2，設(shè)置為速度進(jìn)口邊界，模型考慮重力因素，根據(jù)燃燒器出口面積計(jì)算出速度數(shù)值輸入。煙氣排放設(shè)置為壓力出口邊界，出口壓力為 15 Pa，由于選用P1輻射模型，煙氣成分須提前設(shè)置，假設(shè)完全燃燒，煙氣成分為CO2和H2O，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%和45%。壁面散熱選用導(dǎo)熱系數(shù)邊界，胸墻導(dǎo)熱系數(shù)為15 W/（m·K），設(shè)定為自由滑移壁面，自由溫度為300 K；大碹導(dǎo)熱系數(shù)為 20 W/（m·K），自由壁面溫度為300 K［7-9］。

實(shí)際生產(chǎn)中窯爐玻璃液面由生料區(qū)、泡沫區(qū)、鏡面區(qū)構(gòu)成，其對熱量吸收有較大差別，將玻璃液面設(shè)定為溫度邊界則不能很好地反應(yīng)不同燃燒方式對玻璃液面溫度的影響，根據(jù)配合料和玻璃液的性質(zhì)、實(shí)際生產(chǎn)中窯爐內(nèi)部不同區(qū)域的泡沫情況，將實(shí)際的玻璃液表面處理為在不同區(qū)域具有不同導(dǎo)熱系數(shù)的模型，使玻璃液面邊界能夠反應(yīng)出不同燃燒方式對玻璃液面溫度的影響；假設(shè)玻璃液為均質(zhì)，不存在化學(xué)反應(yīng)，玻璃液表面無氣泡排出，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況將玻璃液面導(dǎo)熱系數(shù)假設(shè)為沿窯寬方向不同位置導(dǎo)熱系數(shù)相同、窯長方向隨位置變化導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化的函數(shù)，使用UDF將函數(shù)導(dǎo)入加載于玻璃液面。玻璃液面沿窯長方向有效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：

K——有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

x——自投料區(qū)沿窯長距離，m。

2 結(jié)果分析

2.1 大碹溫度

將窯爐大碹溫度模擬結(jié)果與大碹熱電偶測量結(jié)果進(jìn)行比較，由圖3可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)際測量值趨勢基本吻合。平燒模型模擬結(jié)果與測量結(jié)果最大偏差為6.1%，頂燒模型模擬結(jié)果與測量結(jié)果最大偏差為4.4%。但模擬結(jié)果較實(shí)際測量值均偏高，一方面可能因?yàn)榇箜蹮犭娕加刑沾商坠芘c鉑金套管雙重保護(hù)，顯示溫度較實(shí)際溫度偏低；另一方面，模擬中導(dǎo)熱系數(shù)及輻射模型的選擇，會(huì)給計(jì)算帶來一定的偏差。以上表明數(shù)學(xué)模型可以較好地模擬窯爐火焰空間狀況，模擬結(jié)果能夠在一定程度上解釋窯爐空間的相關(guān)現(xiàn)象。

圖3 沿窯長方向大碹溫度分布

2.2 玻璃液面溫度

根據(jù)配合料及玻璃液在窯爐中不同區(qū)域的不同狀態(tài)，可將表面玻璃液劃分為投料區(qū)、泡沫區(qū)、鼓泡區(qū)及鏡面區(qū)，不同燃燒方式火焰對各區(qū)域的影響不同。圖4所示為平燒方式的玻璃液表面溫度分布，圖中可以看出沿窯寬方向上溫度分布較為均勻，兩側(cè)池壁處玻璃液溫度與中間溫度沒有明顯的差異，玻璃液面溫度受燃?xì)饬髁坑绊懨黠@。主要由于平燒方式對玻璃液表面具有較高的覆蓋度，窯爐兩側(cè)的胸墻和池壁同時(shí)接受空間火焰熱輻射和燃?xì)鈿饬鞯膶α鱾鳠?，胸墻和池壁對兩?cè)玻璃液具有良好的傳熱狀態(tài)，配合料經(jīng)過高熱流密度區(qū)域后不會(huì)出現(xiàn)貼壁的現(xiàn)象。

圖4 平燒玻璃液面溫度分布

圖5所示為頂燒方式的玻璃液表面溫度分布，圖中可以看出在玻璃液表面形成了以沿燃燒器軸線為中心的輻射狀溫度分布，燃?xì)庵苯痈采w區(qū)域與未覆蓋區(qū)域溫度差異較大；并且隨燃?xì)饬髁康牟煌?，玻璃液表面的溫度差異也較大。與平燒方式相比，由于燃?xì)鈱ΣＡб罕砻娴闹苯蛹訜?，同時(shí)配合料顆粒間存在空隙，部分燃?xì)鉂B透于配合料間進(jìn)行燃燒；并且玻璃液表面的泡沫在速度較高的氣流擾動(dòng)下，更易于破裂，降低隔熱效果；在直接加熱區(qū)域，配合料、玻璃液獲得熱量的效率更高，配合料的熔化速度加快，玻璃液升溫速度加快。

圖5 頂燒玻璃液面溫度分布

由于頂燒火焰覆蓋面積小，能量密度集中，由燃燒器軸線向外延伸，玻璃液溫度差異明顯，兩側(cè)池壁和胸墻獲得對流傳熱和熱輻射較少，兩側(cè)區(qū)域配合料接受能量較少，頂燒方式的料界線較平燒方式長，在一定條件下將會(huì)出現(xiàn)生料貼壁的現(xiàn)象甚至料頭擺動(dòng)較大、不易控制的情況。在澄清區(qū)域，玻璃液受熱不均勻，可能出現(xiàn)氣泡排出不良的情況，影響玻璃液質(zhì)量。

2.3 空間煙氣流場

圖6為平燒窯爐2#燃燒器的空間氣流情況，其余燃燒器情況類似。從圖中可以看出，高溫燃?xì)庠谒椒较蛏系乃俣容^大，火焰剛度較好；垂直方向上，煙氣遇到對面胸墻后，部分沿胸墻上行至大碹，部分下行至玻璃液面。窯爐耐火材料一方面受到火焰的熱輻射，另一方面受到高溫?zé)煔鈱δ突鸩牧系膶α鱾鳠?；在一定條件下，燃燒器對面胸墻的滯止區(qū)傳熱強(qiáng)度過高，會(huì)對耐火材料形成氣流侵蝕，耐火材料剝離落入玻璃液中，影響作業(yè)穩(wěn)定性。沿胸墻下行至玻璃液面的煙氣，對玻璃液面的對流傳熱作用，可以使兩側(cè)的配合料和玻璃液更好地熔化和流動(dòng)，防止生料貼壁的情況。

圖6 平燒空間氣流

圖7顯示頂燒窯爐2#燃燒器的空間氣流情況，負(fù)值表示氣流由大碹向玻璃液面運(yùn)動(dòng)，其余燃燒器情況相同。從圖中可以看出在垂直方向上以燃?xì)庀蛳職饬鳛橹?，?jīng)玻璃液面后沿窯爐內(nèi)壁經(jīng)煙道排出。由于在投料區(qū)及泡沫區(qū)，玻璃液面為非鏡面區(qū)，表面粗糙，氣流經(jīng)過此區(qū)域時(shí)主要以漫反射為主，當(dāng)氣流沿窯爐胸墻及大碹流動(dòng)時(shí)速度大幅度降低，有效降低了對窯爐耐火材料的侵蝕；頂燒燃?xì)庋剌S線的截面積小，火焰對窯爐內(nèi)壁的輻射面積小，同時(shí)高溫燃?xì)庠诮?jīng)過玻璃液面時(shí)，熱量被吸收，窯爐內(nèi)壁與煙氣對流換熱量減少，延長窯爐的使用壽命。

圖7 頂燒空間氣流

由于純氧燃燒的高動(dòng)量性質(zhì)，高溫燃?xì)庠谕读蠀^(qū)和泡沫區(qū)玻璃液面的漫反射后流動(dòng)速度大大降低，但貼壁射流仍會(huì)對窯爐胸墻及池壁造成較大的直接沖擊。為最大限度將熱量直接傳遞至玻璃液面，同時(shí)降低池壁和胸墻的氣流侵蝕，窯爐設(shè)計(jì)時(shí)大碹中心線兩側(cè)的燃燒器的入射角度和燃?xì)馊肷渌俣刃枰浞挚紤]。

3 結(jié)論

（1）通過使用數(shù)值模擬技術(shù)對玻璃纖維窯爐 2種火焰燃燒方式進(jìn)行模擬，對平燒和頂燒的玻璃液面溫度和高溫氣流進(jìn)行分析，得到不同燃燒方式的煙氣流動(dòng)特性。

（2）平燒方式對玻璃液面的輻射均勻，覆蓋面積高，縱向的玻璃液溫度梯度易調(diào)節(jié)；高溫氣流對窯爐耐火材料的熱輻射和氣流侵蝕較強(qiáng)。

（3）頂燒方式的能量集中度高，與高溫燃?xì)?接觸的玻璃液面受熱強(qiáng)度高，能夠快速將配合料熔化，高溫氣流對窯爐耐火材料的熱輻射和氣流侵蝕較低；由于火焰高度集中，玻璃液面的溫差較大，應(yīng)注意兩側(cè)生料貼壁現(xiàn)象，建議頂燒方式應(yīng)與電助熔配合使用。

玻璃纖維窯爐節(jié)能一直是行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問題，通過幾十年的努力，國內(nèi)玻璃纖維窯爐在設(shè)計(jì)、運(yùn)行方面已處于領(lǐng)先水平，但仍需要技術(shù)人員繼續(xù)努力，不斷創(chuàng)新、提升，走在行業(yè)前端，為玻璃纖維行業(yè)貢獻(xiàn)力量。