球團(tuán)內(nèi)保溫管道傳熱計(jì)算方法研究

宛 輝 宋宛珍

(1.中冶北方工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116100；2.遼寧科技大學(xué)，遼寧 鞍山 114000)

0 引言

鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯-環(huán)冷機(jī)球團(tuán)工程(以下簡(jiǎn)稱鏈回環(huán)工程)中設(shè)置熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)的目的是為了對(duì)料層進(jìn)行干燥、預(yù)熱并加速氧化反應(yīng)。整個(gè)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)一般可分為鼓風(fēng)干燥段、抽風(fēng)干燥段及預(yù)熱段，其中預(yù)熱段根據(jù)實(shí)際工藝流程又可分為預(yù)熱Ⅰ段及預(yù)熱Ⅱ段。熱風(fēng)管道根據(jù)所在段數(shù)的不同，內(nèi)部的煙氣溫度也有較大不同，一般鼓風(fēng)干燥段的熱風(fēng)溫度為180～250 ℃，抽風(fēng)干燥段的熱風(fēng)溫度為380～500 ℃，預(yù)熱Ⅰ段的熱風(fēng)溫度為650～700 ℃，預(yù)熱Ⅱ段的熱風(fēng)溫度為950～1 100 ℃。

管內(nèi)介質(zhì)溫度較高，對(duì)管道的材質(zhì)要求也會(huì)相應(yīng)較高，如果完全根據(jù)管道內(nèi)介質(zhì)溫度選取管道材質(zhì)的話，會(huì)造成管道制造成本較高，甚至無法選到適合的材料。同時(shí)，高溫管道的熱膨脹量大，管道應(yīng)力也相應(yīng)變大，對(duì)管道的安全運(yùn)行也會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此，工程設(shè)計(jì)中，為了保證安全運(yùn)行的同時(shí)降低管道制造成本，一般采用內(nèi)保溫形式進(jìn)行隔熱從而降低管皮溫度，并選用耐溫較低的鋼管材質(zhì)。

1 一種較常用的內(nèi)保溫管道形式

如圖1，熱風(fēng)管道內(nèi)保溫形式采用雙層隔熱結(jié)構(gòu)，靠近鋼管的保溫材料一般采用可耐高溫的硅酸鋁纖維產(chǎn)品，靠近內(nèi)部高溫?zé)犸L(fēng)的材質(zhì)一般采用耐磨噴涂料。

圖1 鏈回環(huán)工程中較常用的內(nèi)保溫管道

2 計(jì)算模型

2.1 內(nèi)保溫管道計(jì)算模型

由于球團(tuán)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)變化，造成內(nèi)保溫管道的傳熱計(jì)算比較復(fù)雜，難以對(duì)實(shí)際運(yùn)行的熱風(fēng)管道參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，因此，根據(jù)常用內(nèi)保溫管道的形式，可建立簡(jiǎn)化的傳熱計(jì)算模型，模型的管道形式見圖2。

t1—管內(nèi)介質(zhì)溫度；t2—外界環(huán)境溫度；t3—耐磨層內(nèi)壁溫度；t4—耐磨層外壁溫度；t5—保溫層外壁溫度；t6—管皮外壁溫度；ω1—管內(nèi)介質(zhì)流速；ω2—空氣流速；D0—耐磨層內(nèi)徑；D1—耐磨層外徑；D2—保溫層外徑；Dw—管皮外徑

2.2 計(jì)算公式

根據(jù)上述模型，管道內(nèi)部與煙氣之間、管皮與外界環(huán)境之間為對(duì)流換熱；耐磨噴涂料至管皮各層之間均為導(dǎo)熱傳熱，由此可建立下述方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

聯(lián)立方程(1)～(5)，可解出t3，t4，t5，t6各項(xiàng)溫度。

3 計(jì)算實(shí)例

以某250 萬t/a球團(tuán)工程熱風(fēng)管道計(jì)算為例，該工程熱風(fēng)管道布置圖見圖3。

圖3 熱風(fēng)管道平面布置圖

首先以該工程中環(huán)冷一段熱風(fēng)管道HF1為例，該段熱風(fēng)管道由環(huán)冷機(jī)一段出口接入鏈箅機(jī)預(yù)熱Ⅰ段，熱風(fēng)溫度約為700 ℃，管徑DN3000(Ф3 020 mm×10 mm)。如采用外保溫管道，管道材質(zhì)難以選擇，普通碳鋼耐熱無法達(dá)到700 ℃，而如采用合金鋼，如此大的管徑，整體投資將非常高，因此，管道采用內(nèi)保溫方式是比較好的選擇。

采用內(nèi)保溫管道結(jié)構(gòu)，確定保溫層厚度是重要的一環(huán)，應(yīng)以保證管皮溫度在規(guī)范要求的防燙傷范圍內(nèi)(<60 ℃)，同時(shí)滿足節(jié)能保溫要求(<50 ℃)為設(shè)計(jì)要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。常用內(nèi)保溫管道耐磨層厚度一般為50 mm，因此，僅需確定內(nèi)保溫層厚度，原設(shè)計(jì)保溫層厚度50 mm，其他已知計(jì)算數(shù)據(jù)見表1。

表1 煙道計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

根據(jù)原設(shè)計(jì)已知數(shù)據(jù)，利用方程(1)～(5)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 原設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總表

由表2可知，保溫層厚度選用50 mm時(shí)，管皮經(jīng)雙層內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)隔熱后最終溫度58.19 ℃(>50 ℃)，不符合節(jié)能保溫要求。因此，應(yīng)適當(dāng)增大保溫層厚度。

根據(jù)上述分析結(jié)果，重新選取保溫層厚度為80 mm進(jìn)行計(jì)算，其他已知數(shù)據(jù)不變，可得計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 修正后的計(jì)算結(jié)果匯總表

由表3可知，保溫層厚度選用80 mm時(shí)，管皮經(jīng)雙層內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)隔熱后最終溫度48.46 ℃，符合節(jié)能保溫要求，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加保溫層厚度能使管皮溫度更低，但是相應(yīng)的保溫工程量也會(huì)增加，不滿足節(jié)約成本的要求。因此，最終確定HF1管段的內(nèi)保溫層厚度為80 mm。

同時(shí)以該工程回?zé)犸L(fēng)管道HF2及主抽風(fēng)管道HF6的數(shù)據(jù)為例計(jì)算。HF2熱風(fēng)溫度約500 ℃，管徑DN2800(Ф2 820 mm×10 mm)，HF6熱風(fēng)溫度約200 ℃，管徑DN4000(Ф4 020 mm×10 mm)，其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與HF1一致，經(jīng)過試算及校核后，HF2保溫層厚度采用50 mm，HF6保溫層厚度采用20 mm，計(jì)算后，管皮溫度分別為49.74 ℃及44.87 ℃。

根據(jù)上述計(jì)算的管皮溫度，在工程實(shí)際中介質(zhì)溫度低于300 ℃可選取普通碳鋼Q235材質(zhì)作為鋼管材質(zhì)，鑒于熱風(fēng)管道管材的用料較大，采用普通碳鋼Q235材質(zhì)可極大的降低管道制造成本。

4 結(jié)語

在建立球團(tuán)內(nèi)保溫?zé)犸L(fēng)管道的簡(jiǎn)化傳熱計(jì)算模型的同時(shí)，提供了傳熱計(jì)算方法。利用該方法可較準(zhǔn)確的計(jì)算管皮溫度，對(duì)確定內(nèi)保溫層厚度，從而對(duì)選擇鋼管材質(zhì)，保證熱風(fēng)管道安全運(yùn)行起到指導(dǎo)作用。