燃天然气横焰玻璃熔窑火焰燃烧及玻璃液流动的三维CFD耦合分析

任清海，耿　铁

(1.安阳职业技术学院，安阳　455000；2.河南工业大学，郑州　450007)



燃天然气横焰玻璃熔窑火焰燃烧及玻璃液流动的三维CFD耦合分析

任清海1，耿铁2

(1.安阳职业技术学院，安阳455000；2.河南工业大学，郑州450007)

本文在全面考虑火焰空间的燃烧与玻璃液传热、流动的耦合的基础上，建立了燃天然气横焰玻璃熔窑火焰空间和玻璃液传热、流动过程的三维数学模型。然后以某燃天然气连通式横焰玻璃熔窑为对象，利用商用CFD软件进行了火焰燃烧和玻璃液传热、流动的耦合数值模拟，研究了该熔窖燃烧空间内气体流动和温度梯度分布以及熔池内玻璃液的流动和温度梯度分布，为提高玻璃窑炉的运行与设计水平提供理论依据，从而指导实际生产和玻璃熔窖设计。

横焰玻璃熔窑； 燃烧； 流动； 耦合数值模拟； CFD

1　引　言

玻璃熔制是组成玻璃的所有物质在燃料燃烧所释放的高热条件下进过一系列物理化学反应而形成符合成型要求的无气泡、均匀的玻璃熔体的过程，是玻璃制品制造过程中的重要环节[1]。在玻璃熔制过程中，玻璃溶液的温度梯度分布和流动速度是形成均化的、无气泡的玻璃熔体的重要条件。本文在前人研究的基础上，全面考虑了燃烧空间中复杂的气体燃烧、化学反应、湍流流动和辐射、对流传热以及火焰空间的燃烧与玻璃液传热、流动的耦合关系，建立了燃天然气横焰玻璃熔窑燃烧空间火焰燃烧过程和熔池内玻璃液传热、流动过程的三维数学模型。然后借助商用CFD软件模拟了天燃气在某连通式横火焰玻璃熔窑燃烧空间的燃烧过程和玻璃液的传热、流动状况，旨在用来优化熔窑设计参数及工艺控制参数，为设计出具有好的可控性和优良运行性能的玻璃熔窑提供理论依据，从而指导实际生产和玻璃熔窖设计。

2　火焰燃烧及玻璃液传热、流动的三维数学模型

本次数值模拟的数学模型包括火焰燃烧模型和玻璃液传热、流动模型。

燃天然气玻璃熔窑燃烧空间的三维数学模型主要是研究连通式横焰玻璃熔窑燃烧空间中的气体流动和传热过程。所以燃烧空间的三维数学模型包括气相流动模型、燃烧化学反应和辐射传热模型[2]。

气相流动模型包括连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和湍流模型[3]。

连续性方程：

(1)

x、y和z三个方向的动量方程：

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程：

(5)

湍流模型采用标准κ-ε湍流模型：

(6)

(7)

燃烧化学反应模型采用组分输运与有限速度模型。

幅射传热模型采用P-1模型。

对于玻璃液的传热流动，模型认为玻璃液为均质的牛顿粘性流体，玻璃液的流动速度场和温度场在一个换向周期内为稳定状态，且不考虑化学反应及气泡对其流动和温度的影响[4-6]。又由于玻璃液表面与燃烧气体接触呈自由界面状态，吸收火焰空间燃烧释放的高热量，二者之间存在强烈的耦合关系，所以本次以火焰空间燃烧计算的结果作为玻璃液传热及流动的温度热边界来模拟玻璃液传热及流动。

3　研究对象

以图1所示的某燃天然气连通式横焰玻璃熔窑为研究对象，其日产玻璃熔液180 T/D，熔池面积146 m2，长宽比3.46，左右两侧布置8对小炉，相邻两小炉中心线间距2.285 m。其小炉的燃烧方式为低压对插式燃烧，蓄热式采用连通式。

熔窑包括上侧的天然气燃烧空间和下部的玻璃熔化池两部分，燃烧室底面与玻璃熔化池液表面进行耦合。

4　CFD耦合数值模拟结果与分析

图1　某设计出料量为180 T/D的连通式横火焰玻璃窑炉几何模型Fig.1　Geometric model of a natural gas fired cross-connected-type glass furnace which discharge amount is 180 T/D

从图2所示的燃烧空间在玻璃液表面处的温度分布上可以看出：2号～6号小炉的燃烧火焰比较强烈，具有较高的温度，而1号、7号和8号小炉的燃烧火焰比较微弱，温度比较低，从而沿玻璃熔池纵向(熔体流动方向)，熔池中部的玻璃液温度高，进出料两端温度逐渐变低；熔池表面溶液温度高，池底方向温度逐渐变低，如图4所示，这与实际玻璃熔制的情况一致。正是由于玻璃液中存在温度梯度，造成了不同部位的玻璃液的粘度和密度的不同，有利于形成玻璃配合料的熔化和“泡界线”[3]，进而有利于玻璃液的均匀化。另外泡界线还具有阻止未熔化完成的生料及泡沫进入澄清区域的能力，并且传给配合料大量的热量,保证了配合料稳定地熔化[3,4]。而6号到8号小炉处的温度逐渐变低，这又有利于玻璃液的澄清。从图3所示的燃烧空间在5号小炉中心线处YZ截面上的温度分布上可以看出：在燃烧空间的底部靠近5号小炉的位置温度最高，形成高热区，而燃烧空间的垂直上方烟气的对流比较弱，且随着高度的增加，温度也慢慢降低，这减轻了烟气对熔窖碹顶的烧损，有利于延长碹顶使用寿命。

图2　玻璃液表面温度分布Fig.2　Temperature distribution in glass surface

图3　5号小炉中心线YZ截面上燃烧空间的温度分布Fig.3　Temperature distribution on the YZ section plane of combustion at the 5th small furnace

图4　熔池纵向对称面上玻璃液的温度分布图Fig.4　Temperature distribution of glass on the vertical symmetry plane of glass tank

图5　5号小炉中心线YZ截面上燃烧空间的速度分布Fig.5　Velocity distribution on the YZ section plane of combustion at the 5th small furnace

从图5所示的5号小炉中心线处YZ截面上的燃烧空间的气体速度分布上可以看出：高热烟气从小炉一侧流向另一侧，并在靠近碹顶处形成回流，燃烧火焰得到的充分扩展，使得天然气能够充分燃烧，释放充足的热量。从图6所示的对应5号小炉中心线处YZ截面上玻璃液的速度分布上可以看出：位于5小炉号燃烧火焰下方的玻璃液由于直接受到火焰的加热而具有较高的温度，玻璃液面与熔池底部存在大的温差，产生上下热冷玻璃液的物质交换，从而形成从熔池侧壁到内部的玻璃液回流，起到了搅拌的作用，加速了玻璃的熔融和均化。

从图7所示的玻璃熔池纵向对称面上的玻璃液流动的速度分布图上可以看到流场中存在两个明显的环流，这是由于配合料被已经熔融的玻璃液卷向熔窑底部，然后顺着熔窑底部流向热点附近， 一部分向加料端流动，形成一个环流，把玻璃液的热量传递给配合料，起到熔融的作用；另一部分向桥墙方向流动，然后又下降到流液洞口，一部分玻璃液流出流液洞，一部分又流向热点，构成另一个环流，这一环流起到澄清、均化玻璃的作用。

图6　对应5号小炉中心线YZ截面上玻璃液的速度分布Fig.6　Velocity distribution on the YZ section plane of glass at the 5th small furnace

图7　熔池纵向对称面上的玻璃液流动的速度分布图Fig.7　Velocity distribution of the glass flow on the vertical symmetry plane of the glass tank

图8　熔池中玻璃液的三维立体流动速度分布图Fig.8　Three dimensional flow velocity distribution of glass in glass tank

图8为熔窑中玻璃液的三维立体流动速度分布图，从图中可知熔窑内玻璃溶液同时在纵向和横向两个方向，都存在环流。这是由于熔池中部的玻璃液温度高，玻璃液密度小，速度大，从而熔窑表层的玻璃液向进出料两端流动，引起底部的玻璃液向上运动以进行补充，形成环流；同时，在窑池两侧，玻璃液的水平和侧向速度均很小，主要受上下玻璃液温度差和重力作用上下交换，也形成环流。即熔池内玻璃液同时在纵向和横向两个方向上存在环流，呈现出高度的三维特性，在很大程度上起到了搅拌的作用，有利于玻璃的熔融、气泡的逸出以及均化。

5　结　论

本文在全面考虑火焰空间的燃烧与玻璃液传热、流动的耦合的情况下，建立了燃天然气横焰玻璃熔窑燃烧空间和以燃烧计算的温度结果为热边界的玻璃液传热流动过程的三维数学模型。

通过运用CFD软件对天燃气在某连通式横火焰玻璃熔窑燃烧空间的燃烧过程和玻璃液传热流动过程进行了耦合模拟。结果表明，该火焰燃烧与玻璃液传热流动的耦合计算能够全面反映燃烧空间和玻璃液流的流动速度分布和温度梯度分布，并且通过优化燃烧空间和玻璃液流的流动速度分布和温度梯度分布可以指导实际生产和玻璃熔窖设计，为设计出具有良好可控性和优良运行性能的玻璃熔窑提供理论依据，弥补传统经验设计的不足。

[1] 赵彦钊，殷海荣．玻璃工艺学[M]．北京：化学工业出版社，2006．7：236-237.

[2] Geng T, Ren Q H, Zhang Y Y. Three-dimensional numerical simulation of the combustion chamber of glass furnace[J].ICEICE,2011:3774-3776.

[3] 耿铁，任清海. 玻璃熔窑中玻璃液流动的三维CFD数值模拟[J].硅酸盐通报，2011,30(2)：394-397.

[4] 贺建雄，姜宏，鲁鹏,等．全氧燃烧型浮法玻璃熔窑液流流场的数学模拟[J]．武汉理工大学学报， 2014,36(12)：12-17.

[5] 张玉敏．浅议玻璃窑炉的温度控制[J]．玻璃，2014,(2)：30-38.

3D-CFD Coupling Analysis of Combustion and Glass Melt Flow in the Natural Gas Fired Glass Furnace

RENQing-hai1,GENGTie2

(1.Anyang Vocational and Technical College,Anyang 455000,China;2.Henan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

Considering the coupling of the combustion and the glass melt heat transfer and flow，the 3 d mathematical model of the combustion glass melt heat transfer and flow of the natural gas fired glass furnace was established. And then taking a natural gas fired cross-connected-type glass furnace as research object, the combustion and the glass melt flow were coupling simulated by the commercial CFD software, and the gas flow and temperature distribution in combustion space and the flow and temperature distribution of the glass melt were studied. It provide a theoretical basis about designing of good operating performance and controllability glass melting furnace, and also made up the defect of experience design of technician.

glass furnace;combustion;flow;coupling numerical simulation;CFD

国家自然科学基金(51375143).

任清海(1976-)，男，工学硕士，工程师，讲师.主要从事塑料及玻璃成型过程数值模拟及可视化方面的研究.

耿铁，工学博士，教授.

TU526

A

1001-1625(2016)06-1716-04