摘 要

自高温低氧燃烧(HTAC)技术在上世纪被提出来以后，便被广泛的应用在工业熔炉的节能和环保领域，而且在这些年来，已经取得了很好的经济效益和更大的应用范围。

本文拟定在浮法玻璃熔窑中采用高温低氧燃烧技术，并利用流体力学模拟仿真软件Fluent建立浮法玻璃熔窑内燃料和助燃气体的传热、流动和辐射模型，适当的简化处理方式，对浮法玻璃熔窑火焰空间的温度场以及NO_X的生成进行数值模拟。燃烧模型采用非预混式；窑炉内气体的湍流流动特性采用标准k-双方程湍流模型来模拟；辐射特性采用离散坐标(DO)辐射模型计算；NO的生成模型只考虑了热力型的NO_X和瞬时反应型的NO_X。改变助燃气体的预热温度和氧气含量，计算出对应的边界条件输入到Fluent软件中开始计算，得到火焰空间的温度场和NO_X的排放浓度。

将火焰空间的数值模拟的结果经过后处理后，以温度云图和曲线图展示，并分析得出以下结论：当助燃气体的预热温度从1073K升高到1373K的过程中，火焰最高温度、平均温度上升，火焰面上温度差也变大，出口处NO_X的质量分数也将大大提高；当助燃气体的氧含量从21%降低到12%的过程中，火焰面上最高温度下降，高温区更加均匀，火焰体积增大，NO_X则会降低。高温低氧燃烧技术有效的降低熔窑内壁承受的温度，避免了局部的高温，延长了熔窑的使用寿命；又节约了能源，提高了熔窑的热效率；同时减少了 NO_X的排放。最终确定最合理的工况为14%氧含量，1323K助燃气体预热温度。此条件对比21%氧含量的工况，NO_X能减排60%以上。

关键词：高温低氧燃烧技术；数值模拟；减排NO_X；温度场云图

Abstract

Since the high temperature and low oxygen combustion (HTAC) technology has been put forward in the last century, it has been widely used in the field of energy saving and environmental protection of industrial furnaces. Moreover, in the past few years it has achieved very good economic benefits and greater application range.

In this paper, proposed in the float glass furnace using high temperature and low oxygen combustion technology. And the heat transfer, flow and radiation model of the fuel and combustion gas in the float glass furnace were established by using the fluid dynamics simulation software Fluent. The temperature field and the generation of NO_X in the flame space of the float glass furnace are simulated by the appropriate simplified method. The turbulence flow characteristics of the gas in the kiln are simulated by the standard k-ε double-equation turbulence model. The radiation characteristics are calculated by the discrete coordinate (DO) radiation model. The NO generation model only considers the thermodynamic NO_X and transient reaction type NO_X. Change the preheating temperature and oxygen content of the combustion gas, and calculate the corresponding boundary conditions into the Fluent software to start the calculation. The temperature field of the flame space and the emission concentration of NO_X are obtained.

The results of the numerical simulation of the flame space are expressed in terms of temperature cloud and line graph. It can be concluded that when the preheating temperature of the combustion gas is increased from 1073K to 1373K, the maximum temperature and average temperature of the flame rise and the temperature difference on the flame surface becomes larger and the mass fraction of NO_X at the outlet will be greatly When the oxygen content of the combustion gas is reduced from 21% to 12%, the maximum temperature on the flame surface decreases, the high temperature zone is more uniform, the flame volume increases, and NO_X decreases. The high temperature and low oxygen combustion technology can effectively reduce the temperature of the inner wall of the melting furnace, avoid the local high temperature and prolong the service life of the furnace. It also saves energy and improves the thermal efficiency of the furnace. At the same time, the NO_X emission is reduced. And finally determine the most reasonable conditions for the 14% oxygen content, 1323K combustion gas preheating temperature. This condition compared to 21% oxygen content of the operating conditions, NO_X can reduce emissions by more than 60%.

Key Words：high temperature and low oxygen combustion technology; numerical simulation; emission reduction of NO_X; temperature field cloud map

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 背景与意义 1

1.2 高温低氧燃烧技术 1

1.2.1 低NO_X燃烧技术探讨 1

1.2.2 浮法玻璃熔窑中的高温低氧燃烧技术 2

1.2.3 研究现状以及未来的展望 3

1.3 数值模拟技术和有限体积法 4

第2章 数值模拟技术的物理模型 5

2.1 Fluent软件简介 5

2.2 用Fluent软件模拟浮法玻璃熔窑的可行性分析 5

2.3 物理模型 5

2.3.1 基本方程 5

2.3.2 湍流模型 6

2.3.3 燃烧模型 7

2.3.4 辐射模型 7

2.3.5 NO_X的生成模型 7

第3章 浮法玻璃熔窑中高温低氧燃烧的数值模拟 9

3.1 浮法玻璃熔窑和燃料组分的确定 9

3.1.1 浮法玻璃熔窑数据 9

3.1.2 燃料组分 9

3.2 数值模拟的工况 10

3.3 熔窑模拟的火焰空间的边界条件和计算方法 10

3.3.1 火焰空间的网格模型 10

3.3.2 边界条件及计算方法 11

第4章 数值模拟结果后处理及分析 13

4.1 温度场的数值模拟结果及分析 13

4.2 NO_X浓度的数值模拟结果及分析 20

4.3 优化后的数值模拟结果及分析 21

第5章 本文结论及研究展望 24

5.1 结论 24

5.2 研究展望 24

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 背景与意义

在上个世纪，发达国家先后进行了工业化，不仅仅耗费了大量的自然资源，同时也对生态环境造成了巨大的破坏。因此能源和环境的问题也逐渐得到了世界各国的关注。自20世纪末以来，我国成为世界上发展最快的发展中国家，工业化以及经济的迅速发展，增大了能源需求和环境压力。大范围的雾霾天气就是工业迅速发展、大规模利用高碳化石能源的后果。工业窑炉是冶金、石油化工和建材生产等制造业工业流程中十分重要的热工设备，由于其能耗非常高，同时窑炉烟气中的污染物浓度较高，与当今工业发展的理念格格不入。我国现如今的窑炉由于结构设计不合理、燃料和燃烧技术的选择不合理等原因，使得许多的工业窑炉的平均运行效率在60%~65%，比鉴定热效率低至少10%，更有一些窑炉运行效率不足50%，对比与发达国家燃煤工业窑炉的80%~85%的运行效率，要低太多了^[1]。因此，需要合理的选用燃料和燃烧技术，来提高工业窑炉的热效率，以求达到发达国家的标准。

我国的工业窑炉一直以煤炭作为能源的主体，而发达国家的能源结构基本都是以石油作为第一位能源(占35%)，煤炭位于第二位(占30%)，天然气位于第三位(占25%)，余下部分为可再生能源(占10%)^[2]。依照我国国情，虽然煤炭作为主体的情况可能很长一段时间的发展之内都不会改变，但是在能源结构上还是可以做出适当的调整，例如增大清洁能源的占比^[2]。天然气作为一种清洁环保的绿色能源，对比于传统的煤炭，几乎不含硫、粉尘等有害物质，由于组成大部分为单个碳原子的甲烷，所以燃烧时产生的二氧化碳也远少于其他的化石燃料。诸如燃料的选择这样的方法，都能在一定程度上缓解生态环境的压力，提高窑炉热效率。所以在贯彻落实国家《工业绿色发展规划(2016-2020年)》的过程中，如何提高燃料利用率、降低能耗、减少烟气中污染物的排放，是当前工业窑炉所需解决的首要问题。

1.2 高温低氧燃烧技术

1.2.1 低NO_X燃烧技术探讨

在排放到大气的污染物中，NO_X不仅仅对生态环境会造成极大的危害，还会影响到人类的身体健康，NO_X主要来源于窑炉燃烧，因此可以考虑在三个阶段降低NO_X排放量：