CN102730938B - 一种全氧燃烧窑炉喷枪布局优化方法 - Google Patents

一种全氧燃烧窑炉喷枪布局优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全氧燃烧窑炉喷枪布局优化方法，其特征在于，包括如下步骤：以玻璃纤维热工窑炉为原型建立几何模型；采取模拟方法模拟氧气量对喷枪对喷火焰空间的温度场和气流场的影响；设定边界条件；对模拟结果的温度场和气流场进行分析，找出造成碹顶热负荷最大的两对相邻喷枪；对找出的两对相邻喷枪以原来的位置为中心依次错开一定距离进行数值模拟,得到不同错开距离时玻璃纤维热工窑炉的温度场和气流场,根据温度场和气流场的分布情况，选出两对相邻喷枪错开的适当距离；针对选出的适当距离依次采用黄金分割法进行分割，找出温度场和气流场分布效果相近的两个黄金分割位置，此时得到的两个黄金分割位置之间的距离即为喷枪的最优化布局。

Description

一种全氧燃烧窑炉喷枪布局优化方法
技术领域
本发明涉及全氧燃烧窑炉技术领域，具体地讲，涉及一种全氧燃烧窑炉喷枪布局优化方法。
背景技术
随着计算流体力学（CFD）和电子计算机技术的发展，利用数值模拟的方法对玻璃窑炉进行仿真研究正越来越受到人们的重视，也取得了很大的进步。利用数值模拟的方法对玻璃窑炉喷枪布局进行优化也正在被越来越多的人研究。
横焰全氧燃烧池窑的氧枪在安装是要注意绝对水平安装，不能上倾或下倾，这是因为全氧燃烧时火焰短、火焰的温度高，上倾会烧坏大碹，下倾会影响玻璃液质量；氧枪的安装方式要科学合理，一般应在玻璃液面之上460mm处，这样既可避免火焰造成玻璃液面或大碹处出现局部高温，也可能充分利用烟气对热辐射的缓冲作用；氧枪在两侧胸墙上的安装排列方式有顺排（两侧火焰对喷）和错排（两侧火焰交错喷射）之分，如图24所示，一般来说当窑宽<7.3m时应为错排，以防止火焰对冲而烧坏大碹；当窑池宽度>7.3m时应为顺排，以避免火焰长度不够造成窑宽方向的温度分布不均匀。
针对喷枪的排列方式，郭印成等针对喷枪的排列方式的不同对某单元窑炉进行了数值模拟研究，研究结果表明，对于所研究的宽度为3.2m的窑炉，燃烧器的布置应采用错排的方式。
然而，在工程应用中要确定和最优化单元窑炉的喷枪喷列方式并不是个简单的问题，还需要根据窑炉所使用的喷枪类型、喷枪喷射速度、温度场分布和气流场分布等条件进行分析计算。本发明以数值模拟为手段，运用数学方法中的黄金分割法，可以对玻璃窑炉的喷枪排列进行最大程度的优化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种全氧燃烧窑炉喷枪布局优化方法，优化了火焰空间的温度场和气流场分布。
本发明采用如下技术手段实现发明目的：
一种全氧燃烧窑炉喷枪布局优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）以玻璃纤维热工窑炉为原型建立几何模型；
（2）采取湍流模型为k-ε模型，化学反应为涡-耗散模型和辐射传热采用DO模型的模拟氧气量对喷枪对喷火焰空间的温度场和气流场的影响；
（3）设定边界条件，包括：
入口边界：甲烷和氧气的入口类型为速度入口类型；
出口边界：设烟气出口为压力出口类型；
玻璃液面条件：玻璃液面温度分布采用山形温度制度，根据实际测量温度，利用UDF给出；
(4)对模拟结果的温度场和气流场进行分析，找出造成碹顶热负荷最大的两对相邻喷枪；
(5)对找出的两对相邻喷枪以原来的位置为中心依次错开一定距离进行数值模拟,得到不同错开距离时玻璃纤维热工窑炉的温度场和气流场,根据温度场和气流场的分布情况，选出两对相邻喷枪错开的适当距离；
(6针对选出的适当距离依次采用黄金分割法进行分割，找出温度场和气流场分布效果相近的两个黄金分割位置，此时得到的每个黄金分割位置确定的两个喷枪之间的距离即为两个喷枪的最优化间隔布局。
作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤（6）包括如下步骤：
（1）针对选出的适当距离采用黄金分割法进行分割；
（2）得出两个黄金分割位置，比较两个黄金分割位置的温度场和气流场，选择温度场和气流场分布更好的黄金分割位置所在的区域为下一次进行黄金分割的区间；
（3）重复上述步骤（1）－（2），直到得出的黄金分割位置的温度场和气流场效果相近，停止分割，此时得到的每个黄金分割位置确定的两个喷枪之间的距离即为两个喷枪的最优化间隔布局。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明建立了比较合适的数学模型，能较合理的反应实际窑炉的运行状况，运用黄金分割法进行有限次分割，使整个优化过程更加精确方便，节约效率，优化了火焰空间的温度场和气流场分布。
附图说明
图1为本发明优选实施例的流程图。
图2为本发明优选实施例燃烧空间的剖面图。
图3为本发明优选实施例的燃烧空间的俯视图。
图4为本发明优选实施例的玻璃液面平均温度分布曲线。
图5为本发明优选实施例的喷枪中心水平截面温度场分布图。
图6为本发明优选实施例的喷枪中心水平截面气流场分布图。
图7为本发明优选实施例的各喷枪中心垂直截面温度场分布图。
图8为本发明优选实施例的碹顶处窑炉纵截面温度场分布图。
图9为本发明优选实施例的第三对喷枪中心垂直截面气流场分布图。
图10为本发明优选实施例的第四对喷枪中心垂直截面气流场分布图。
图11为本发明优选实施例的碹顶处测量值与模拟值的对比图。
图12为本发明优选实施例的玻璃液面处测量值与模拟值的对比图。
图13为本发明优选实施例间隔100mm时火焰空间各部分模拟结果图。
图14为本发明优选实施例间隔200mm时火焰空间各部分模拟结果图。
图15为本发明优选实施例间隔300mm时火焰空间各部分模拟结果图。
图16为本发明优选实施例间隔400mm时火焰空间各部分模拟结果图。
图17为本发明优选实施例间隔500mm时火焰空间各部分模拟结果图。
图18为本发明优选实施例间隔261.8mm时火焰空间各部分模拟结果图。
图19为本发明优选实施例间隔238.2mm时火焰空间各部分模拟结果图。
图20为本发明优选实施例间隔223.6mm时火焰空间各部分模拟结果图。
图21为本发明优选实施例间隔247.2mm时火焰空间各部分模拟结果图。
图22为本发明优选实施例间隔232.6mm时火焰空间各部分模拟结果图。
图23为本发明优选实施例间隔241.6mm时火焰空间各部分模拟结果图。
图24为传统玻璃池窑喷枪排列方式图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作更进一步的详细描述。
1 数值模拟
1.1  几何模型
以国内某年产2万吨的玻璃纤维热工窑炉为原型建立几何模型，玻璃纤维窑炉火焰空间的尺寸结构如图1和图2所示。利用Gambit软件进行建模和网格化分，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、五面体单元，共有约350万网格。
1.2  数学模型
采取取模拟方法研究氧气量对喷枪对喷火焰空间的温度场和气流场的影响，湍流模型为k-ε模型，化学反应为涡-耗散模型，辐射传热采用DO模型。
采用涡-耗散模型作为化学反应模型，在反应速率的计算中，假定化学动力学反应要比通过湍流扰动（涡）对反应物的混合迅速，达到了简化化学动力学计算的目的。
1.3  系统边界条件设置
基于FLUENT设定系统的边界条件。
（1）入口边界：甲烷和氧气的入口类型为速度入口类型，各对喷枪甲烷和天然气的入口速度如表1所示。
（2）出口边界：设烟气出口为压力出口类型；
壁面采用恒温边界条件，窑墙和大碹的温度为1623K，喷枪壁面温度为300K。
（3）玻璃液面条件：玻璃液面温度分布采用山形温度制度，根据实际测量数据，用UDF给出，图4表示玻璃液面的平均温度分布曲线。
窑炉中各组分的比热容对温度和组分的强烈依赖，会显著影响火焰温度的预测，考虑到这一点，在计算中使用FLUENT数据库中随温度变化的物性数据进行修正计算。
表1.入口速度（m/s）
Figure GDA0000493161470000051
1.4模拟结果分析
图5、6分别是喷枪中心水平截面温度场和气流场的分布图。从图中可见，在现行的窑炉工艺下，火焰空间整体温度的水平分布比较合理，高温区分布于Z=0.8m-13.2m处，除喷枪附近外，其他部位温度分布均匀，在接近窑墙处温度较低，有利于保护窑墙不受损害；第3、4对喷枪具有较高的入口速度，相比与其他喷枪其火焰的长度较长，温度较高，且火焰温度梯度较大，但其产生的高温气流在喷枪对称中心处的碰撞较为激烈。
图7、8分别是各喷枪中心垂直截面的温度场分布图和碹顶最高处窑炉纵截面温度场的分布图。从图中可见，各喷枪垂直截面温度的立体分布比较合理，高温区分布于火焰空间底部，有利于火焰空间向玻璃液面的传热，低温区域分布于碹顶附近，可以降低高温气流对碹顶的热侵蚀；从图7可见碹顶最高处的温度分布，在第3、4对喷枪所对应的碹顶处，造成了较高的热负荷。
图9、10分别表示第三、四对喷枪中心垂直截面的气流场分布。从图中可见，高温气流会在喷枪对称中心处发生碰撞，碰撞后的高温气流会冲向玻璃液面和大碹，冲向大碹的高温气流会对碹顶造成一定的热负荷和冲刷侵蚀。由于第三、四对喷枪的喷枪入口速度较大，所以相对于其他喷气会对碹顶造成较高的热负荷。
1.5  模拟数据与实测数据对比
图11、12分别是碹顶处热电偶测量值和玻璃液面处红外测温仪测量值与模拟值之间的对比，从图中可见，碹顶处模拟温度值与实测温度值具有相同的分布规律，模拟温度大于实测温度，通过误差分析可知两者的平均相对偏差为8.70%；玻璃液面处模拟温度值与实测温度值分布规律相似，除测温点1以外，其他位置温度偏差不大，通过误差分析可知两者的平均相对偏差为2.32%。通过比较说明模拟结果良好，具有一定的准确性和可靠性。
2 喷枪布局初步优化
针对第三、四对喷枪出现的缺点，我们改变这两对喷枪的排列方式，在原来对喷的排列方式基础上错开一段距离，以改变对撞气流对碹顶的冲击。根据实际情况把这两对喷枪的两只喷枪以原来的位置为中心错开，在错开距离依次为：100mm、200mm、300mm、400mm、500mm是进行数值模拟。得到的玻璃窑炉火焰空间各部位的模拟结果如下：
通过以上的模拟结果可以看出，随着间隔距离的的增加，高温气流对撞后对碹顶的冲击越来越小，碹顶的温度越来越均匀，第三、四对喷枪所对应的碹顶处的温度越来越低，在间隔距离大于200mm后这种改善开始明显，碹顶的温度符合耐火材料的承受能力，没有局部过热的现象，随着间隔距离的增加，当间隔距离为300mm时，错开的喷枪产生的气流会冲击对面的窑墙，这是由于窑宽太小的缘故，同时由于第三、四对喷枪错开距离的加大，一侧的喷枪与相邻喷枪之间的距离越来越小，造成了两只喷枪之间不同的干扰。所以，当这两个喷枪的间隔距离太小时，改善的效果会不明显，太大时会产生一些负面的效应，综合考虑个方面的因素，当喷枪间隔在200mm-300mm之间时，可以达到最好的效果。
3 利用黄金分割法进行再优化
为了进一步优化喷枪的布局，我们在数值模拟基础上引入黄金分割法在200mm-300mm之间进行优化进一步找到最佳的喷枪间隔距离。
第一步：选择间隔距离分别为261.8mm和238.2mm时进行数值模拟，所得的模拟结果如图18、19所示。
比较分析喷枪间隔距离为261.8mm和238.2mm时的计算结果我们可以发现，两者在火焰空间内的温度分布都比较均匀，碹顶处没有局部过热的现象且温度分布均匀；对气流场进行比较发现，间隔距离为261.8mm时气流分布不够均匀且有高温气流冲击对面胸墙的现象。综合分析，间隔距离为238.2mm时要优于间隔距离为261.8mm，所以，割去261.8mm-300mm这段分割距离，在间隔距离为200mm-261.8mm之间继续进行优化。
第二布：选择间隔距离为223.6mm时进行数值模拟，所得的模拟结果如图20所示。
把间隔距离问223.6mm时的模拟结果与238.2mm时的模拟结果进行对比可以看出，火焰空间总体的气流分布和温度分布都比较均匀，但在间隔距离为223.6mm时的碹顶处窑炉纵截面温度场分布可以看出在第三队喷枪所对应的碹顶处温度鼓起过高，这可能加重碹顶的热负荷。综合分析，间隔距离为238.2mm时窑优于间隔距离为223.6mm时，舍去200mm-223.6mm，在间隔距离为223.6mm-261.8mm之间继续进行优化。
第三布：选择间隔距离为247.2mm时进行数值模拟，所得的模拟结果如图21所示。
比较分析喷枪间隔距离为247.2mm和238.2mm时的计算结果我们可以发现，两者在火焰空间内的温度分布都比较均匀，碹顶处没有局部过热的现象且温度分布均匀；对气流场进行比较发现，间隔距离为247.2mm时气流分布不够均匀且有高温气流冲击对面胸墙的现象。综合分析，间隔距离为238.2mm时要优于间隔距离为247.2mm，所以，割去247.2mm-261.8mm这段分割距离，在间隔距离为223.6mm-247.2mm之间继续进行优化。
第四步：选择间隔距离为232.6mm时进行数值模拟，所得的模拟结果如图22所示。
把间隔距离问232.6mm时的模拟结果与238.2mm时的模拟结果进行对比可以看出，火焰空间总体的气流分布和温度分布都比较均匀，但在间隔距离为232.6mm时的碹顶处窑炉纵截面温度场分布可以看出在第四队喷枪所对应的碹顶处温度鼓起过高，非常接近碹顶，这可能加重碹顶的热负荷。综合分析，间隔距离为238.2mm时窑优于间隔距离为232..6mm时，舍去223.6mm-232.6mm，在间隔距离为232.6mm-247.2mm之间继续进行优化。
第五步：选择间隔距离为241.6mm时进行数值模拟，所得的模拟结果如图23所示。
比较分析喷枪间隔距离为241.6mm和238.2mm时的计算结果我们可以发现，两者在火焰空间内的温度分布都比较均匀，碹顶处没有局部过热的现象且温度分布均匀；对气流场进行比较发现，间隔距离为241.6mm时气流分布不够均匀且有高温气流冲击对面胸墙的现象，但已经比较的轻微。综合分析，间隔距离为238.2mm时要优于间隔距离为241.6mm，所以，割去241.6-247.2mm这段分割距离。
此时剩余的间隔距离为232.6mm-241.6mm，当间隔距离为232.6mm、238.2mm和241.6mm时模拟结果都比较接近，且此范围的长度为9mm，在工程应用上是符合要求的，所以可以确定当间隔距离在232.6mm-241.6mm之间时是喷枪的最优化布局。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种全氧燃烧窑炉喷枪布局优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以玻璃纤维热工窑炉为原型建立几何模型；
(2)采取湍流模型为k-ε模型，化学反应为涡-耗散模型和辐射传热采用DO模型的模拟方法模拟氧气量对喷枪对喷火焰空间的温度场和气流场的影响；
(3)设定边界条件，包括：
入口边界：甲烷和氧气的入口类型为速度入口类型；
出口边界：设烟气出口为压力出口类型；
玻璃液面条件：玻璃液面温度分布采用山形温度制度，根据实际测量温度，利用UDF给出；
(4)对模拟结果的温度场和气流场进行分析，找出造成碹顶热负荷最大的两对相邻喷枪；
(5)对找出的两对相邻喷枪以原来的位置为中心依次错开一定距离进行数值模拟,得到不同错开距离时玻璃纤维热工窑炉的温度场和气流场,根据温度场和气流场的分布情况，选出两对相邻喷枪错开的适当距离；
(6)针对选出的适当距离依次采用黄金分割法进行分割，找出温度场和气流场分布效果相近的两个黄金分割位置，此时得到的每个黄金分割位置确定的两个喷枪之间的距离即为两个喷枪的最优化间隔布局。
2.根据权利要求1所述全氧燃烧窑炉喷枪布局优化方法，其特征在于，所述步骤（6）包括如下步骤：
（1）针对选出的适当距离采用黄金分割法进行分割；
（2）得出两个黄金分割位置，比较两个黄金分割位置的温度场和气流场，选择温度场和气流场分布更好的黄金分割位置所在的区域为下一次进行黄金分割的区间；
（3）重复上述步骤（1）－（2），直到得出的黄金分割位置的温度场和气流场效果相近，停止分割，此时得到的每个黄金分割位置确定的两个喷枪之间的距离即为两个喷枪的最优化间隔布局。
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