摘要：玻璃熔炉通过高温的方式，对玻璃原材料加热处理，进一步得到玻璃。因此，玻璃窑炉是玻璃生产不可或缺的内容。大师，玻璃窑炉本身密闭性突出，且生产中窑炉内部温度较高，需连续工作，窑炉性能测量及分析工作难度较大。因此，文章提出以Class Furnace Model（简称CFM）软件构建吗比例窑炉三维模型，计算窑炉及燃烧空间热耦合等，以220t/d的纤维窑炉为案例，构建模型，对其性能分析，为窑炉设计提供有力参考。
关键词：玻璃；纤维；窑炉；性能；温度
玻璃熔制属于受高温影响的物理变化，而玻璃纤维是性能较好的金属替代物品，玻璃纤维在现代化的蒂娜自、化工、建筑行业提供有力支持，受到大众广泛重视[1]。通过对玻璃窑炉进一步分析，可为降低玻璃生产能耗、提高玻璃纤维质量等提供借鉴。
1.模型建立
以CFM为支持，前处理器中通过CAD工具建模，输入边界条件、流体参数、系统设置参数，之后求解，在后处理器分析最终结构，输出为二维、三维图和数据分析[2]。
模型对应的玻璃窑炉为电助熔全氧燃烧型玻璃纤维窑炉，窑炉为电极辅助加热，电极运行的热量传递给玻璃液，燃烧空间主要是天然气，玻璃池窑和燃烧空间之间为耦合边界数据交换，以此形成窑炉模型。
1.1模型
建模如图1、图2所示。
图2 燃烧空间
玻璃纤维窑炉燃烧空间设11喷枪，喷枪非等距排列，玻璃池窑中设五组电极，电极也呈分等距排列，各电极相距1.8m，电极棒距玻璃液面高为0.3m，电极距离燃烧空间墙面距离在2.2-8.2m之间。
1.2数学建模
建立熔窑数值模型需求解的控制方程，具体如下：
湍流动能模型：
式中，Gk、Gb为层流速度梯度、浮力的湍流动能。为可压缩湍流过度扩散的波动。C1、C2、C3均为常量，为k方程湍流Prandtl数，为方程湍流Prandtl数，Sk、属源项，受熔窑辐射传热、化学反应有重要影响。
2.模拟结果分析
2.1燃烧空间模拟结果分析
对火焰燃烧空间中心的温度分布分析，纤维窑炉的喷枪为交叉排布，采用的玻璃纤维窑炉宽5.5m，而中心火焰温度最高达到1980℃，火焰长度较多，而交叉式喷枪可避免火焰相互干扰，但分配不当会导致燃烧空间不均，局部过热、过冷等。
窑炉内部，分配到天然气量最大的喷枪位于窑炉中部，其火焰最长。而两侧的喷枪，其分配的天然气量较少，且喷枪位于投料口附近，材料熔化吸收大量热，导致火焰周围温度较低。对于两侧温度较低情况，可加大火焰，提高热量利用率[3]。而这种模型设置，两侧喷枪火焰周围温度相对较低，也可起到对前脸墙的保护，减少高温对墙的烧蚀，延长窑炉使用寿命。对模型分析，发现其运行不存在局部高温、低温状况，模型运行较合理。
2.2烟气流动的冲刷烧蚀分析
窑炉设计中，烟气流动会对碹顶造成一定影响，故需控制好碹顶高度。合理的碹顶高度是玻璃纤维窑炉稳定运行重要支持，其高度影响燃料燃烧、窑内温度及传热效率。通过GFM软件，对烟气流动的冲刷烧蚀模拟，分析结果如下：
以上述模型为例进行分析，发现喷枪角度为水平角度，喷出的火焰较平直，火焰无上倾、下倾，其他火焰不会互相干扰，可确保燃烧空间温度稳定。对火焰下部温度分析，发现下部火焰等温线较均匀，燃烧空间向玻璃液传热，火焰下方玻璃液热量均匀，可避免出现空间传热不合理导致最终生产质量不理想。经研究发现，碹顶附近等温线较均匀，但其密度较大，故温度下降快。碹顶的最高温度约在1400℃，其最高温度受耐火材料材质影响。由于火焰上方缺乏加热源，火焰上部及碹顶部位的温度先降低，而后在靠近碹顶位置升高，随着高度增加，对应温度也逐渐降低。真正越靠近碹顶位置，碹顶位置有较强的热辐射，故靠近碹顶，其温度又会逐渐上升。
窑炉内部燃烧中的烟气主要从火焰一侧到另一侧流动，在碹顶位置会形成烟气旋涡。燃烧空间以烟气流动支持，实现传热，烟气流动也确保了窑炉内部温度均衡，便于火焰延伸。燃烧空间不同喷枪周围存在不同的烟气涡流，各个涡流会导致局部热量增加，燃烧能耗大大增加。此外，烟气涡流会对碹顶及玻璃液气体造成影响，阻碍碱金属气体挥发，最终对碹顶造成侵蚀。但窑炉中避免不了出现涡流，只能模拟窑炉中烟气涡流对空间温度及气流场的影响。
最终分析发现，喷枪火焰周围存在主要涡流，主要涡流对碹顶的冲刷速度在0.45m/s以下，属于碹顶耐火质量可控范围，故设计窑炉碹顶高度合理。
2.3玻璃池窑的温度场
熔窑玻璃池窑内部，其能量主要以燃烧空间的热辐射和玻璃池窑自身电助熔传输电能。本文模型模拟实际生产过程，对玻璃池窑和燃烧空间热耦合模拟。燃烧空间玻璃液面温度可划分为：（1）玻璃池窑前部配合料位置。（2）玻璃池窑中部。（3）玻璃池窑后部。运作中，玻璃池窑中部温度最高，其次是玻璃池窑后部，池窑前面温度最低。究其原因，主要是其前部区域吸收配合料熔化，吸走热量，导致该部分温度偏低。而后部玻璃液流出中部加热区域，不再有火焰继续开展热交换，导致玻璃液温度下降。经研究发现，此温度热变化符合实际情况。
3.窑炉优化总结
综上所述，综合研究发现玻璃纤维窑炉内部的天然气燃烧导致系统整体温度较高，而经过上文分析发现，高温可快速将配合料熔化，但是高温对碹顶会产生严重的烧蚀，还会影响设备实际使用寿命。电助熔可有效改善玻璃液温度分布不均问题，还可加快投料回流，使得高温玻璃液可以科学回流到配合料区域，也可有效降低能耗。故窑炉的优化设计，需在可控的范围之内，有效降低燃料供给，同时增加电能输送，降低燃烧空间火焰实际强度，以此削弱火焰对窑顶的烧蚀作用，也加大比例也的回流，减少生产过程中的能源消耗。
参考文献
[1]黄国平, 戚家迎. 玻璃窑炉烟气余热发电设计要点与工程实践探研究[J]. 市场周刊·理论研究, 2018, 005(007):180.
[2]朱立平, 杨成, 于守富,等. 玄武岩纤维熔制系统数据库的设计与开发[J]. 玻璃纤维, 2018, 003(005):29-33.