基于數值模擬的純氧燃燒玻璃窯爐性能分析

關鍵詞：玻璃窯爐；數值模擬；耦合模型；正交試驗；參數優化

玻璃行業作為傳統的高耗能行業，其熔制過程中的能耗、污染以及窯爐的使用壽命一直是行業內研究的熱點問題[1]。近年來，相對成熟的純氧燃燒技術通過使用高純度氧氣代替空氣作為助燃劑，消除了氮的主要來源，有效減少了氮氧化物排放，使得玻璃行業得到了進一步發展。

玻璃窯爐的結構分為上層的火焰空間和下層的池窯空間，面對熔制過程中復雜的流動和傳熱，低成本、高效率的計算流體力學（ComputationalFluidDynamics，CFD）數值模擬技術成為了重要的研究手段[2-3]。目前有較多學者對火焰空間部分構建獨立模型進行了研究，文獻[4-7]分別研究了煙氣出口面積、氧氣含量、高碹頂結構、噴嘴安裝高度對玻璃窯爐火焰空間流場和溫度場的影響。考慮到熔窯作為一個整體，單獨研究火焰空間會導致模擬結果與實際情況不符，呂樹欣等[8]提出以玻璃液面溫度殘差作為收斂標準的迭代耦合方法，在快速收斂的同時提高了模擬結果的精度。

在構建準確的數值模型后，研究參數對傳熱和窯爐壽命的影響，進而獲得玻璃窯爐的優化運行條件具有重要的現實意義。由于燃燒過程對反應環境非常敏感，需要考慮眾多影響因素，正交試驗方法是克服大量試驗找到顯著因素的一種有效的方法[9]。Chen等[10]將試驗設計和數值模擬相結合，分析了軸流風機的風量流量與導葉參數之間的關系，得到了優化參數。Wei等[11]采用基于數值模擬的正交試驗方法確定了高溫空氣燃燒爐運行參數對NOx排放的影響并進行參數優化，在最佳工況下，NOx排放濃度較原工況降低45%。

本文采用Fluent軟件對純氧燃燒玻璃窯爐進行研究，采用玻璃液面與火焰空間底部雙向熱耦合的方式進行數值模擬耦合建模。在此基礎上使用正交試驗方法分析參數對傳熱和窯爐使用壽命的影響，通過選取優化的工藝參數來提高窯爐性能，指導實際生產過程。

1數值模型

1.1幾何模型及網格劃分

純氧燃燒玻璃窯爐幾何結構如圖1所示，火焰空間總長為10.0m，玻璃液面寬4.6m，兩側胸墻高度為1.3m，碹頂高度為0.5m，玻璃池窯與火焰空間長度相同。玻璃液從距前臉墻1m處的進口流入，6個純氧噴槍均安裝在玻璃液面上方30cm處，與前臉墻的距離分別為2.8、4.7、5.5、6.6、7.8m以及8.7m。使用Gambit軟件進行幾何建模并劃分網格，具體劃分情況如圖2所示，主體部分采用結構化網格，火焰空間噴槍部分采用非結構網格進行局部加密，玻璃窯爐網格總數約為1.02×106，扭曲率小于0.4的網格占比均在98%以上，滿足后續數值計算精度要求。

1.2數學模型

1.2.1湍流模型 由于湍流的煙氣流動，火焰空間內部是復雜的燃燒和傳熱過程，所以采用Reynolds平均的Navier-Stokes方程對窯爐建模，控制方程包括質量、動量、能量和組分輸運方程。其中，Realizable模型與其他湍流模型相比在提高火焰穩定性、反應效率等方面有更好的效果[12]，所以本文選用Realizable湍流模型封閉方程。其中控制方程的一般形式可寫為：

1.2.2輻射模型 離散坐標模型適用所有光學深度的問題，具有較好的通用性[13]，所以窯爐內部的輻射傳熱由離散坐標模型表征，其數學表達式如下：

1.2.3燃燒模型 本文研究的玻璃窯爐中的燃燒反應動力學選用GRI-Mech3.0簡化機理，而要在模擬中引入燃燒機理就需要耦合其他模型。渦耗散概念（EddyDissipationConcept，EDC）模型可以考慮詳細的燃燒化學反應機理，但是EDC模型的計算收斂緩慢。小火焰（SteadyDiffusionFlamelet，SDF）模型是一種應用廣泛、計算高效的模型[14]，但該模型會過高估計氮氧化物相關的預測，考慮到純氧燃燒環境下氮氧化物的排放得到了極大的減少，且本研究涉及溫度場和流場，主要關注傳熱過程。因此，我們選擇高效的SDF模型耦合燃燒機理，而不是計算代價昂貴的EDC模型。

1.3邊界條件與計算方法

邊界條件的設定基于實際工況，燃料、助燃劑的入口為質量流量入口且預熱溫度均為300K，具體數值采用工廠實際進料數據，過剩氧氣系數為1.05，煙氣出口采用壓力出口。燃氣組成與各噴槍進口燃氣配比見表1、2所示，其中為燃氣體積分數。

火焰空間的碹頂、胸墻以及池窯空間的池壁、池底均設置為壁面，采用自然對流邊界，對流傳熱系數為，隔熱材料的導熱系數設置為?；鹧婵臻g底部的玻璃表面采用恒溫度場壁面邊界條件，池窯空間頂部的玻璃表面采用恒熱流場壁面邊界條件，通過雙相迭代熱耦合方法將兩部分的玻璃液面進行耦合模擬，將火焰空間底部的熱流取負，導入池窯空間進行模擬，再將池窯空間得出的頂部溫度導入火焰空間進行模擬，當前后2次迭代的玻璃液面所有節點的溫度偏差小于1%時，則收斂完成，循環迭代結束，否則繼續進行迭代。雙相熱耦合迭代計算關系式具體如下：

對于質量、動量、能量等離散格式采用二階迎風格式提高求解精度，采用壓力聯立方程的半隱式解法進行流場計算，當能量和輻射方程的殘差小于、其余方程的殘差小于時，達到收斂標準。

1.4網格無關性分析與模型驗證

網格數量對數值模擬的計算效率和精度有明顯的影響，網格無關性分析的作用就是在保證計算可靠的前提下，選擇網格數量更少的劃分情況以提高計算效率。本文根據不同疏密程度對玻璃窯爐進行網格劃分，設計了5種不同數量的劃分方案，并采用相同的數學模型、邊界條件和計算方法進行數值模擬。選取煙氣出口和玻璃液出口的溫度作為判斷指標，結果如表3所示。從表中可以得出，方案A劃分稀疏導致網格質量不高，模擬結果與其他方案差距較大，通過對整體和局部進行網格加密得到了后續的劃分方案，當網格數量達到1000000以上時，模擬結果趨于穩定，煙氣出口和玻璃液出口的溫度不再發生明顯變化，這表明經網格無關性驗證，方案C、D以及方案E均可視為高精度的網格劃分方案。

考慮到隨著網格數量變多，數值模擬所需的計算時間會顯著增加，所以在保證模擬精度的前提下采用方案C進行后續研究，可兼顧計算精度和效率。使用該方案進行雙向熱耦合迭代模擬，計算收斂后的火焰空間燃燒器平面溫度分布如圖3所示。從圖3可以看出，錯位排開的6個燃燒器火焰形狀細長，各火焰之間相互影響較小，與燃燒器對位排布的結構相比火焰更加穩定，防止因為對流而導致火焰向上偏轉，降低耐火材料使用壽命。同時火焰大小與各燃燒器入口燃氣比例相關，入口質量流量較大的2#、3#燃燒器有更高的火焰溫度，入口質量流量較小的5#、6#燃燒器火焰溫度則偏低，溫度整體分布較為均勻。池窯空間頂部熱流分布如圖4所示，可以看出，熱流分布與預設相吻合，玻璃液流入溫度與火焰空間溫度相比整體偏低，所以在左側玻璃液入口處會有熱流量較高的區域。在玻璃液直接與火焰空間進行熱交換的部分，熱流分布與火焰空間的溫度分布相匹配，玻璃液面上熱流量最高的區域對應火焰空間的熱點位置。

綜合耦合計算方法較高的收斂性可知，玻璃窯爐的火焰空間與池窯空間的熱耦合數值模型是有效且穩定的，其模擬結果與純氧燃燒玻璃窯爐實際工況下的總體運行趨勢相符合，可靠性較高。

2基于CFD的正交試驗

2.1確定優化目標

本文旨在尋找高傳熱效率、低溫差的操作參數，以達到優化窯爐性能、延長窯爐使用壽命的目的。研究的優化目標如下：（1）火焰空間的傳熱效率，即火焰空間通過玻璃液傳遞給池窯空間的熱量，通過降低熱量損耗提高傳熱效率可以有效節約燃料成本；（2）碹頂的相對溫差，即碹頂的最高溫度與平均溫度的差值，碹頂部分溫度過高或溫差過大都會導致窯爐受損，通過縮小相對溫差可以有效改善碹頂受熱不均問題，延長窯爐使用壽命，減少設備維護方面的成本。

2.2因素和水平的選擇

根據文獻[15-16]，選取以下對傳熱效率和碹頂溫差有影響的潛在因素：氧化劑中氧氣含量（A）、空氣預熱溫度（B）、燃料質量流量（C）、過剩氧氣系數（D）、噴嘴距玻璃液面高度（E）、煙氣出口面積（F）?？紤]到純氧燃燒玻璃窯爐的特點，根據工廠實際情況對6個因素分別設置了3個水平，具體的因素和水平選擇情況見表4。

目前的問題包括6個因素，每個因素有3個水平，在不考慮各因素之間相互作用的情況下，自由度的數目總和為12。因此，選用的正交試驗表為L27（13），即需要按照正交試驗表進行27次CFD數值模擬，與階乘試驗的建模檢驗次數相比，效率顯著提高。

3結果與分析

3.1結果處理與分析

傳統的單指標試驗設計可以直接根據試驗結果進行后續分析，本文選取碹頂溫差和傳熱效率這兩個指標作為優化目標，構成了多指標問題，需要引入性能綜合響應值來評估正交試驗的效果。其中第次試驗的性能綜合響應值通過下式計算：

對正交試驗結果進行方差分析，選用顯著性水平a=0.05情況下的F分布臨界值得到表7，從方差分析表得出，因素B、E的Fratio遠大于Fcrit，所以空氣預熱溫度、噴嘴距玻璃液面高度這兩個因素對窯爐性能綜合響應值的作用高度顯著；因素C、A的Fratio大于Fcrit，所以燃料質量流量、氧化劑中氧氣含量對窯爐性能綜合響應值的作用顯著；因素D、F的Fratio小于Fcrit，所以過剩氧氣系數、煙氣出口面積這兩個因素對窯爐性能綜合響應值的作用不顯著。

M為了更直觀地說明所選因素對窯爐綜合性能指標的影響程度，圖5示出了所選因素的Fratio和各因素對值的累計貢獻率。從圖中可以看出，因素A、B、C、E是影響窯爐性能的主要因素，對應的累計貢獻率占整體的97.7%，所以確定其為影響顯著的因素；而因素D、F占據的份額僅為2.3%，所以是次要因素。

因此，確定窯爐性能優化以氧化劑中氧氣含量、空氣預熱溫度、燃料質量流量、噴嘴距玻璃液面高度這4個顯著因素為優化參數。根據正交試驗的水平設計結果，所選的優化參數各水平對綜合評價指標值的影響如圖6所示?？紤]到值為碹頂溫差和耗散率的綜合評價指標，值越小表示窯爐性能越好，所以選取A1（87%）為氧化劑中氧含量的優化選擇，B3（500K）為空氣預熱溫度的優化選擇，C3（288kg/h）為燃料質量流量的優化選擇，E1（20cm）為噴嘴距玻璃液面高度的優化選擇。

3.2優化工況驗證

考慮到正交試驗表中未包含根據直觀分析和方差分析得出的優化工況，所以需要對優化工況的效果進行驗證。選取為優化工況，其他參數和設置與原始工況保持一致，進行對比試驗。優化工況和原始工況的火焰空間y方向中心平面溫度場對比如圖7所示。從圖中可以看出，原始工況溫度分布波動較大，第2、3號燃燒器射流有混合碰撞部分，導致一部分熱流向上偏轉，使得碹頂會有更高的溫度。優化工況的溫度分布較為均勻且溫度更高，這是因為較高的燃料入口質量流量會使入口流速變快，對應更充分的燃燒和更穩定的火焰形狀。同時與原始工況相比，優化工況的燃燒器與玻璃液面距離更近，這使得火焰熱點更靠近玻璃液面，一方面熱量可以更有效地傳遞給玻璃液，有效降低熱量損耗，另一方面火焰中心遠離窯爐頂部，有利于降低碹頂溫度，減小溫差延長使用壽命。

沿玻璃窯爐長度方向的碹頂溫度分布對比如圖8所示。從圖中可以看出，溫度分布與燃燒器排布相吻合，原始工況和優化工況兩者整體趨勢相同，左側遠離燃燒器區域溫度最低，靠近燃料質量流量最大的第2、3號燃燒器的中心位置溫度最高，到右側質量流量較小的第5、6號燃燒器時溫度又逐漸降低。原始工況碹頂溫度整體較高，平均溫度為1639K，且在中心位置有明顯局部熱點，最高溫度達1671K；優化工況的碹頂溫度整體較低，平均溫度為1618K，且溫度分布更均勻，最高溫度為1644K。

圖9示出了窯爐傳熱效率的對比情況，可以看出優化工況更高的燃料質量流量帶來了更多的輸入總熱量。在熱量損耗方面，兩者的壁面熱量損耗（Qwall）相差不大，優化工況的煙氣熱量損耗（Qfg）更低，這是因為優化工況有更高的空氣預熱溫度，整體而言，熱量損耗從42.9%降低至38.5%，能源利用率得到了提高。

優化工況與原始工況的具體性能對比結果如表8所示，碹頂最高溫度與最低溫度間的最大溫差（）從84K降低到79K，優化效果為6.0%，碹頂最高溫度與平均溫度間的相對溫差（）從32K降低到26K，優化效果達18.8%，更小的溫差表明溫度有更好的均勻性，改善了碹頂受熱不均問題，能有效延長窯爐使用壽命。同時，火焰空間與玻璃液面間的傳熱效率（）從原始的57.1%提升到61.5%，優化效果約7.7%，改善了能源的利用率，能有效節約生產成本。綜上，通過正交試驗方法得到的優化工況能有效提升窯爐性能。

4結論

本文使用火焰空間與池窯空間雙向熱耦合的方法建立了某純氧燃燒玻璃窯爐的CFD耦合模型，并通過數值模擬驗證了該模型的有效性。在此基礎上，為了實現提高傳熱效率，降低碹頂溫差的效果，使用正交試驗方法進行分析，得到以下結論：

（1）正交試驗的直觀分析結果表明，各因素對玻璃窯爐綜合性能的影響程度從大到小依次為：空氣預熱溫度（B）gt;噴嘴距玻璃液面高度（E）gt;燃料質量流量（C）gt;氧化劑中氧氣含量（A）gt;過剩氧氣系數（D）gt;煙氣出口面積（F）。

（2）正交試驗的方差分析結果表明，空氣預熱溫度（B）、噴嘴距玻璃液面高度（E）對窯爐綜合性能的影響高度顯著；燃料質量流量（C）、氧化劑中氧氣含量（A）對窯爐綜合性能的影響顯著；過剩氧氣系數（D）、煙氣出口面積（F）對窯爐綜合性能的影響不顯著。因此，確定窯爐性能優化以A、B、C、E為優化參數。

（3）根據正交試驗的水平設計，選取A1B3C3E1為優化工況，保持因素D、F與原工況一致進行模擬驗證。結果表明，相較于原工況，優化工況的碹頂相對溫差的優化效果降低了18.8%，傳熱效率的優化效果提高了7.7%，有較好的優化效果，可以為實際玻璃窯爐熔制過程提供可靠的理論指導。