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卡脖宽度对玻璃熔窑能耗及运行质量影响的模拟

发布日期: 2020-06-24 11:00:53    阅读量(157)    作者:

卡脖作为连接熔化部(包括熔化区、澄清区)与工作部的熔窑结构,起到分隔上部空间、降温和强制均化的作用,对玻璃熔窑运行状态有显著影响。

1、GFM 熔窑数值模型

玻璃熔窑内存在复杂的物理化学过程,基于玻璃液部分与火焰空间部分所涉及的过程存在显著差别, GFM 模拟软件将玻璃窑池、火焰空间分别建立数值模型,如图1所示,并采用数据交换的方式将两模型耦合起来,实现整个玻璃熔窑的耦合数值模拟。

图1 玻璃熔窑GFM建模方案

1。1 玻璃窑池模型

360彩票 玻璃熔窑窑池模型(Glass Model, GM)如图 1 中Glass Model 部分所示,即包括配合料层、泡沫层以及玻璃液面以下熔窑部分。GM 模型中,配合料层部分简化处理为虚拟流体,模型考虑了配合料的流动、传热及受热熔化过程,可实现料山形状的模拟预测;泡沫层部分简化处理为漂浮于玻璃液面上方的半透明层,以辐射吸收率和透过率参数来体现泡沫层对传热的影响;玻璃液部分则以数值方法求解所涉及到的传递过程,即玻璃液的流动、能量传递过程。GFM 引入如下假设来简化玻璃窑池模型:(1)玻璃液成分均匀,忽略气泡、砂粒等非玻璃相的影响;(2)玻璃液为不可压牛顿流体;(3)玻璃液中辐射传热以有效导热来处理;(4)稳态过程。玻璃熔窑中,玻璃液的流动主要受温差导致的自然对流支配,GFM 中引入 Boussinesq 假设处理,即除动量源项外,玻璃液密度视为常数。

1。2 火焰空间模型

360彩票 玻璃熔窑火焰空间模型(Combustion Model, CM)如图1中Combustion Model 部分所示,其数值模拟十分复杂,涉及到湍流流动、能量传递、组分输运、组分燃烧等过程,且各过程相互耦合。针对火焰空间的复杂多场问题,GFM中引入了如下简化假设:(1)气体视为不可压缩理想气体;(2)所涉及气体为非散射灰体;(3)稳态过程。GFM中CM模型所采用的计算模型如下:湍流采用标准 k-ε模型处理;燃烧采用有限速率/涡耗散模(Finite-rate/Eddy-dissipation model)处理;辐射传热采用离散坐标辐射模型(Discrete ordinates model)处理,气体吸收率采用灰气体加权和模型(Weighted-Sum-of-Gray-Gases model, WSSG)处理,同时考虑炭黑生成对燃烧及辐射传热的影响。其中,炭黑的生成采用半经验 Khan-Greeves 模型,炭黑的氧化采用 Magnussen-Hjertager 涡耗散模型处理。

1.3 模型耦合

玻璃窑池部分与火焰空间部分通过数据交换的方式相互耦合(GM–CM Coupling),其中,GM 模型数据交换面为玻璃液表面、配合料与泡沫层表面、池壁截面,CM模型数据交换面为火焰空间下表面、池壁截面,如图1所示。GFM引入如下简化假设:(1) GM与CM间无动量传递;(2)除配合料气体释放外,GM与CM间无质量传递。基于以上简化, GFM中GM与 CM 模型分割面处的数据耦合交换过程如下:CM将热通量数据传递给GM,包括对流、传导、辐射热通量;GM 将表面温度、发射率、配合料气体释放数据传递给CM,实现 GM与CM模型间的能量与质量传递的双向耦合。

360彩票 1.4 数值方法

玻璃熔窑内的物理化学过程复杂,且相互耦合,模型数值求解困难。GFM采用有限体积方法(Finite Volume Method, FVM),引入基于交错网格的SIMPLE算法处理流场求解中的速度–压力耦合问题,并结合方程低松弛因子数值求解手段,保证模拟计算过程的准确性与数值稳定性。

1.5 熔窑质量评价指标

根据模拟得到的窑内玻璃液温度场与流场,可追踪计算窑内玻璃液的运动轨迹,进而可统计得到表征熔窑运行质量的停留时间分布、熔窑质量因子数据。停留时间分布表征颗粒从投料口入窑至出料口出窑的用时,用于分析窑内是否存在短路流、死区等不利情况;根据颗粒运动轨迹数据,可统计计算熔窑的质量因子:

式中:IMel、IFin、IMix分别为熔化因子、澄清因子、均化因子;T、μ、U 分别为颗粒位置处玻璃液的温度、动力黏度、速率;L为颗粒在熔窑中的运动路径;t为运动时间;TFin为澄清开始温度,普通浮法玻璃可取为1400℃;Dr为扩散系数,普通浮法玻璃可取为1.5×10–12 m2/s。根据上述定义可知,IMel表征玻璃液在高温、低黏区域的运动时间,其值越大表明熔窑的熔化质量越高;IFin表征玻璃液在有效澄清区域(T>TFin)内的运动情况,其值越大表明熔窑的澄清质量越好;IMix表征玻璃液运动过程中与周围玻璃液的混合情况,其值越大表明熔窑的均化质量越好。

2 案例玻璃熔窑模型

选取某550 t/d空气助燃普通浮法玻璃熔窑作为研究对象,其熔窑结构尺寸如图2所示,卡脖设计宽度为4。0 m;窑头采用两台加料机对称加料;熔化区设有5对侧烧小炉,燃料为天然气;池底17。8 m处设有14支池底鼓泡器。

图2 案例玻璃熔窑主要尺寸

图2 案例玻璃熔窑主要尺寸

2.1 熔窑工艺参数

熔窑各小炉热负荷分配及蓄热室热回收效率如表 1 所示,其中蓄热室热效率为根据熔窑运行数据估算得到。熔窑主要生产工艺参数如下:产品为普通钠钙硅浮法玻璃,拉引量为6.366 kg/s (550 t/d);配合料熔成率82.5%,水分3.5%,碎玻璃含量10%,入窑温度为30℃;卡脖水包深度为460 mm。

表1 熔窑小炉热负荷分配与蓄热室效率数据表

熔窑运行的工艺控制点为 2#小炉碹顶温度与溢流口表面玻璃液温度,在保持各小炉热负荷占比不变的条件下,通过控制燃料、助燃风、稀释风的总流量,将前述工艺控制点温度分别控制在(1605±0.5)℃、(1080±0.5)℃,控制过程中窑炉其他运行参数保持不变。

2.2 物性参数

案例熔窑GFM 模拟所涉及的配合料与玻璃液主要物性参数取自GFM软件数据库,如表2所示。表2中,配合料导热系数为配合料层的有效导热系数;玻璃液导热系数为考虑辐射传热的玻璃液总有效导热系数。

表2 配合料与玻璃液物性参数表

2.3 熔窑 GFM 模型

根据第1节中所述玻璃熔窑GFM数值模型,对图2所示浮法玻璃熔窑进行GFM建模。熔窑GFM模型中主要边界条件如表3、表4所示,其中,玻璃液拉引量 qm,batch=6.366 kg/s;配合料投料量 qm,batch= 7.591 kg/s,配合料入窑温度 Tbatch=30℃;环境温度T∞=30℃;窑体外表面自然对流散热系数 hwall= (8.38+0.001 67Twall) W/(m2·K);燃料分配及蓄热室热效率如表1所示;模型耦合边界(GM–CM coupling)的实施如1.3节所述;流固耦合热边界(Fluid–solid coupling)描述了流固界面处温度与热通量均相等;池底鼓泡每支气量为12.5 L/min。

表3 玻璃窑池模型边界条件

表3 玻璃窑池模型边界条件

表4 火焰空间模型边界条件

表4 火焰空间模型边界条件

3 结果与讨论

利用GFM软件,对图2所示案例玻璃熔窑卡脖宽度分别为1。5、2。0、2。5、3。0、3。5、4。0、5。0 m工况下的运行状态进行了模拟,分析卡脖宽度对熔窑内玻璃液循环流、温度分布、生产能耗、质量指标的影响规律。

3.1 液流分析

在成形流(生产流)和自然对流的共同作用下,浮法玻璃熔窑窑宽方向中心纵切面处的玻璃液流线GFM模拟结果如图3a所示(池深方向拉伸5倍);在窑长方向上形成了图3b所示的玻璃液循环流,即熔化区循环流、澄清区循环流和工作部循环流。卡脖在空间上分隔了澄清区和工作部,对窑内的玻璃液循环流具有重要影响。根据GFM模拟结果,统计分析了卡脖宽度对熔化区循环流量FC,Mel、澄清区循环流量FC,Fin、工作部循环流量FC,W.E.、以及卡脖处回流量 FBW,Waist 的影响,结果如图4所示。

图3 玻璃熔窑内玻璃液循环流示意图

图3 玻璃熔窑内玻璃液循环流示意图

根据图4所示结果可知,随着卡脖宽度的减小,熔化区玻璃液循环量逐渐增大,表明熔化区玻璃液流速提升,这将有助于提高熔化区玻璃液的传热和混合均化效果;澄清区玻璃液循环量随卡脖宽度的减小呈先增大后减小趋势,在卡脖宽度为2.5~3.5 m时FC,Fin维持在较高值,此工况下澄清区玻璃液循环量较大,有利于玻璃液澄清质量的提高;工作部玻璃液循环量随卡脖宽的减小而降低,可降低工作部循环流造成的低温玻璃液的反混问题,有助于提高玻璃液均化质量。上述结果表明,卡脖宽度为2.5 m时,熔化区、澄清区玻璃液循环量较高,同时工作部回流较低,有利于提高玻璃液的熔化、澄清及均化质量。

360彩票 卡脖处回流玻璃液主要为来自工作部池底的低温玻璃液,其回流至澄清区需被重复加热,造成了一定的能量损失。根据 GFM 模拟结果,计算分析了卡脖处的玻璃液回流系数与回流再加热耗热,分别由以下公式计算:

式中:R为回流系数;FPull为拉引量;QReheat为回流再加热耗热;FFW,Waist、FBW,Waist分别为卡脖处成形流与回流玻璃液质量流率;QFW,Waist、QBW,Waist分别为卡脖处成形流与回流玻璃液热流率。卡脖宽度对卡脖处回流系数与回流耗热的影响模拟分析结果如图5所示。

图4 卡脖宽度对窑内循环流量影响

360彩票 图4 卡脖宽度对窑内循环流量影响

随着卡脖宽度的减小,水包下方玻璃液通道面积缩小,对工作部的低温回流玻璃液的阻挡作用增强,由图5可知,当卡脖宽度为2.5 m时,较原设计值4 m时的回流系数下降超过30%,低温回流玻璃液的再加热耗热下降约 20%,有利于提高澄清区玻璃液温度、降低回流二次加热能耗。

图5 卡脖处回流系数与回流耗热随卡脖宽度的变化趋势

图5 卡脖处回流系数与回流耗热随卡脖宽度的变化趋势

3.2 温度统计分析

根据GFM模拟结果,统计了窑内各部分玻璃液的平均温度,如图6所示。温度明显上升,而工作部平均温度小幅下降:表明卡脖阻挡工作部低温玻璃液回流的作用,具有显著提升熔化区、澄清区玻璃液温度的作用,有助于玻璃液的熔化和澄清;同时可降低成形流玻璃液带入工作部的热量,使工作部玻璃液温度呈下降趋势,有利于降低稀释风用量。

图6 玻璃液平均温度随卡脖宽度变化趋势

图6 玻璃液平均温度随卡脖宽度变化趋势

各卡脖宽度工况下,x 方向(窑长方向)玻璃液表面与池底中心线温度分布如图 7 所示。随着卡脖宽度的减小:(1)熔化区表面温度无明显变化、池底温度逐渐升高,表明熔化区玻璃液对流加强可提高熔化区池底成形流温度。(2)澄清区表面温度有小幅上升,这是由于澄清区表层玻璃液主要来自池底(图3所示),池底玻璃液温度的上升导致了澄清区表层成形流温度的上升;澄清区池底温度显著升高,证实工作部低温玻璃液回流的减小有效降低了二次加热耗热。(3)卡脖表面温度明显上升,表明澄清区成形流温度上升,这有利于玻璃液澄清;卡脖池底温度明显下将,表明低温玻璃液回流量下降,将有助于降低能耗。(4)工作部尾部玻璃液表面温度变化较小,表明成形流温度的升高,可通过稀释风有效调控至成形所需温度;工作部池底温度小幅下降,表明工作部回流变弱,可降低工作部下层低温玻璃液对上层成形流的反混影响。

360彩票 玻璃液表面、池底温度等值线GFM模拟结果如图8所示。随着熔窑卡脖宽度的减小,表面玻璃液高温区(>1 450℃)与池底玻璃液高温区(>1 325℃)面积呈明显增加趋势,说明熔窑的有效澄清区随卡脖宽度的缩小而明显增大,对玻璃液的澄清质量具有显著提高作用。

图7 玻璃液表面及池底中心线温度随卡脖宽度变化趋势图

图7 玻璃液表面及池底中心线温度随卡脖宽度变化趋势图

图8 玻璃液表面及池底温度等值线随卡脖宽度变化

随着卡脖宽度的缩小,卡脖处玻璃液流速增大,将加剧玻璃液对耐火材料的侵蚀,尤其是水包下方部分。玻璃熔窑内池壁附近的玻璃液温度低、黏度高,其流速较低。因此,玻璃液对耐火材料表面的侵蚀过程可近似为扩散过程控制,其侵蚀速度与温度有关。

模拟所得水包下方池壁表面温度沿池深分布如图9所示。随着卡脖宽度减小,成形流位置处池壁温度上升,而回流位置处池壁温度下降。耐火材料侵蚀最严重位置为池深0.7 m位置处,按照公式(6),卡脖宽度2.5 m时的侵蚀速率较4.0 m时加剧约30%。耐火材料侵蚀的加剧,可通过适当增加池壁外侧强制风冷来保护池壁,降低玻璃液侵蚀对窑龄的不利影响。

图9 水包下方池壁表面温度分布

图9 水包下方池壁表面温度分布

3。3 质量指标分析

按照式(1)~式(3)定义的熔窑质量因子,对不同卡脖宽度下的熔窑运行质量情况进行了统计分析。根据图10a 所示玻璃液在窑内停留时间分布可知,随着卡脖宽度的减小,停留时间最小值呈上升趋势,有利于最快出窑玻璃液的熔化和澄清;而平均停留时间呈下降趋势,表明窑内玻璃液流动性加强,反映了玻璃液温度的提升,有利于玻璃液的澄清和均化。熔化因子和澄清因子(图10b和图10c)均随卡脖宽度的减小而增大,表明熔窑的熔化、澄清质量提升,与图 6 所示卡脖宽度对玻璃液平均温度影响规律的分析结果相一致。由图10d可知,卡脖宽度对均化因子最小值无明显影响,但均化因子平均值随卡脖宽度减小而降低,尤其是卡脖宽度小于2.5 m 时,下降更为明显,当然,对玻璃液均化的不利影响也可通过优化卡脖搅拌来改善。

图10 熔窑质量因子随卡脖宽度变化趋势

3.4 能耗分析

卡脖前部的熔窑部分主要为配合料熔化、玻璃液澄清及均化区域,需要消耗大量热量;卡脖后部的熔窑部分主要为玻璃液均化和均匀冷却区域,一般通过窑体表面散热和稀释风进行冷却。因此,熔窑的燃料和稀释风消耗代表了熔窑的能耗水平。

各卡脖宽度下,熔窑的单耗、燃料与稀释风消耗量如图11所示。由图 11可见,随着卡脖宽度的减小,熔窑运行单耗、燃料与稀释风量消耗均明显下降:卡脖宽度为 2.5 m时,较设计宽度4.0 m生产单耗与燃料消耗可降低3%,同时工作部稀释风耗量降低约 20%。这是由于随着卡脖宽度的缩小,降低了卡脖处成形流与回流玻璃液的流量(图5),成形流带入工作部的热量、工作部低温回流玻璃液的二次加热耗热显著降低,因此产生上述熔窑运行能耗综合降低的节能效果。

图11 不同卡脖宽度下的熔窑运行能耗

3。5 熔化能力分析

在一定拉引量下,未熔配合料的覆盖面积反映了玻璃熔窑的熔化能力。卡脖宽度对窑内料山面积的影响情况如图12所示。从图12可以看出,所研究的浮法熔窑,其料山面积随着卡脖宽度的减小而明显缩小,熔窑的熔化能力提高、澄清区增大,表明熔窑的熔化能力、澄清效果明显提高,与前文的分析结果相一致。

图12 料山面积随卡脖宽度变化趋势

图12 料山面积随卡脖宽度变化趋势

4、结论

基于GFM 软件,数值模拟研究了卡脖宽度对浮法玻璃熔窑运行状态的影响,分析了窑内玻璃液的流动、温度分布情况,统计分析了熔窑的运行质量指标和能耗情况。在熔窑控制点温度保持一致的条件下,卡脖宽度的减小对熔窑有如下影响:

(1) 有效减小工作部低温玻璃液的回流量,显著提升熔化区、澄清区玻璃液温度,提高熔化、澄清质量;

(2) 降低成形流玻璃液流带入工作部的热量,有效减少稀释风用量;

(3) 对玻璃液均化及卡脖处池壁耐火材料寿命有一定不利影响,可通过优化工作部入口结构与搅拌工艺参数、增加池壁风冷来改善。综合考虑熔窑卡脖缩小对能耗、熔化澄清质量的有利影响,以及对耐材侵蚀、均化质量的不利影响,玻璃熔窑的优选卡脖宽度为 2.5 m,可降低生产单耗 3%,同时可提高玻璃液熔化、澄清质量 10%以上,并具有提高熔窑熔化能力的潜力。因此,卡脖结构的优化设计,对玻璃熔窑的节能降耗具有积极意义。

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