AQC 鍋爐進風管道保溫數值模擬研究

王炯,齊樹龍

AQC 鍋爐是水泥生產線余熱發電系統的重要組成部分，AQC鍋爐的進風管道及其保溫設計對鍋爐的運行和熱量的利用影響較大，繼而影響余熱發電系統的經濟效益[1]。同時，管道壁溫是否在管道材料允許的使用溫度范圍內，直接影響管道的使用壽命及余熱電站的安全穩定運行。若AQC鍋爐進風管道不采取保溫措施，將會極大降低余熱回收效率[2]。AQC鍋爐進風管道內熱風溫度較高，且含塵顆粒硬度大，為減少管道散熱損失及磨損，需在進風管道內部敷設耐磨澆注料層和內保溫層，在管道外部敷設外保溫層。本文通過建立AQC鍋爐進風管道溫度場、湍流場、幾何尺寸模型，應用Fluent數值模擬計算，確定AQC 鍋爐進風管道最佳內外保溫層厚度配合數值，有助于節約工程成本。

1 AQC 鍋爐進風管道換熱機理及分析

AQC 鍋爐進風管道內的熱風是含熟料顆粒的高速氣固兩相流體，熱風流速在12～15m/s。熱風中的熟料顆粒硬度大，對管壁磨損嚴重，因此需在管道內壁敷設耐磨澆注料。隨著篦冷機工況的波動，AQC鍋爐進風管道熱風溫度也發生較大變化，有時中部取風溫度高達400℃～600℃。為減少進風管道溫度損失，通常在管道內壁敷設內保溫層，出于運行成本考慮，當內保溫層敷設厚度較大時，往往采取在管道外壁面敷設外保溫層的措施，以減少內保溫層厚度，同時在保證熱風流通面積相同的情況下，減小管徑。AQC鍋爐進風管道內壁先敷設內保溫材料，后敷設耐磨澆注料；管道外壁面敷設外保溫材料，如圖1所示。

圖1 AQC進風管道保溫材料敷設

AQC鍋爐進風管道的換熱過程包括熱傳導、對流、輻射三種換熱方式。管道內含熟料顆粒的高溫熱風與耐磨澆注料壁面主要進行對流換熱，高溫熱風與耐磨澆注料進行輻射換熱。高溫熱風將熱量傳遞給耐磨澆注料壁面后，耐磨澆注料層內部通過導熱，使耐磨澆注料層溫度升高。高溫耐磨澆注料與管道內保溫層、管道內保溫層與管道內壁、管道內壁與管道外壁、管道外壁與外保溫層間進行導熱，熱量依次通過耐磨澆注料→內保溫層→管道→外保溫層。管道外保溫層外壁與環境空氣進行對流換熱。AQC 鍋爐進風管道高溫熱風經過一系列的換熱過程后，熱量傳遞到管道壁面，管道壁面溫度不能超過管道材料的最高許用溫度，否則管道材質受高溫影響會改變晶體結構，導致管道變形甚至破裂。高溫熱風管道經過保溫層的隔熱后，當環境溫度≤25℃時，管道外保溫層外壁面溫度不應＞50℃；當環境溫度＞25℃時，管道外保溫層外壁面溫度不應＞環境溫度+25℃。

2 AQC 鍋爐進風管道數值建模及模擬參數設定

AQC 鍋爐進風管道利用Fluent 軟件進行數值模擬研究，采用CFD 流體動力學計算方法，通過多次迭代計算求得數值解，完全可以滿足工程應用對計算精度的要求。

2.1 湍流模型

AQC鍋爐進風管道流場流速較大，貼近管道耐磨層邊界處為流體邊界層，管道中心流體流場屬于湍流流場。目前常用的湍流模型有Spalart-Allmaras 模型、k-ε 模型、k-w 模型、雷諾應力模型及大渦模型。AQC 鍋爐進風管道屬于高雷諾數的湍流模型，選用可實現k-ε模型能夠得到較好的計算精度。

2.2 換熱模型

AQC鍋爐進風管道的換熱屬于熱傳導、對流和輻射三種換熱方式的組合。其能量輸運方程為：

式中：

ρ——流體密度，kg/m3

E——流體單位體積內的總能量，J

t——時間，s

V——流體速度，m/s

P——流體壓力，Pa

T——流體熱力學溫度，K

keff——有效熱傳導系數

τeff——有效熱粘性系數

Sh——包含化學反應熱及用戶定義的其他體積熱源項，J

在AQC 鍋爐進風管道換熱模型中，采用耦合傳熱模型，能夠計算固體熱傳導，并且與流體的對流換熱耦合，耦合邊界條件對任意分隔的兩個單元體的壁面區域適用。

2.3 幾何模型

AQC鍋爐進風管道直徑為3 620mm，管道壁厚8mm，取長度為10m 的管道作為研究對象。由于AQC鍋爐進風管道幾何模型關于軸對稱，且管道流場、溫度場均關于軸對稱，因此，采用1/4 圓截面管道建立幾何模型，既可以減少計算量，也不影響計算精度。

2.4 網格劃分

模型網格的生成是數值模擬技術和流體力學的重要組成部分，網格質量的好壞直接影響數值計算結果的精度。AQC 鍋爐進風管道熱風與耐磨澆注料壁面接觸處為流體邊界層，壁面網格需加密。管道耐磨澆注料、管道內保溫層及管道外保溫層的換熱情況是重點研究對象，在耐磨澆注料層、管道內、外保溫層處采用結構化網格并加密。網格的劃分采用Gambit 2.4軟件，網格劃分示意如圖2所示。

圖2 AQC鍋爐進風管道網格劃分

2.5 邊界條件設置

模型邊界條件的設置對于模型求解至關重要，按照AQC鍋爐進風管道實際尺寸1∶1建模，環境空氣流速為2m/s，環境溫度為20℃。本文研究的AQC鍋爐進風管道模型邊界條件包括管道壁面、速度入口、壓力出口等。AQC鍋爐進風管道管壁為壁面邊界條件，壁面厚度為8mm。熱風入口和出口邊界條件如表1和表2所示。

表1 AQC 鍋爐進風管道熱風入口邊界條件

表2 AQC 鍋爐進風管道熱風出口邊界條件

在本次數值模擬中，進風管道內保溫材料選用硅酸鈣板，外保溫材料選用復合硅酸鹽，管道材質為Q345。GB50264-2013《工業設備及管道絕熱工程設計規范》對相關保溫材料的物性參數要求如表3所示，耐磨澆注料及管道的物性參數要求如表4、表5所示。

表3 保溫材料物性參數

表4 耐磨澆注料物性參數

表5 管道物性參數表

Q345 材質管道的使用溫度范圍為-40℃～400℃，因此，AQC鍋爐進風管道內保溫層厚度設計的極限是Q345 管道溫度≯390℃，裕量為10℃。窯頭AQC 鍋爐進風管道正常進風溫度為350℃～430℃，但隨著篦冷機工況的變化，AQC鍋爐進風管道進風溫度變化較大，有時高達600℃。本次數值模擬針對的是在極端情況下，即窯頭AQC 鍋爐進風溫度為600℃時，進風管道保溫層設計能夠滿足規范和工程實際要求。

2.6 計算區域的離散方式與數值算法

在計算區域內采用有限體積法，針對結構化網格的QUICK格式進行離散化，提高了計算精度。

處理壓力-速度耦合關系的算法有SIMPLE、SIMPLEC 和PISO 三種。SIMPLE 算法采用“猜測-修正”的過程；SIMPLEC 算法與SIMPLE 算法的計算步驟相同，但求解穩態收斂速度慢于SIMPLE 算法；PISO算法主要應用于非穩態模擬，在可壓縮或不可壓縮流體流場中，求解壓力速度耦合關系。由于本研究篦冷機內部熟料顆粒與空氣的換熱過程最終達到一個穩態過程，故選用SIMPLE 算法。動量方程、能量方程的計算采用QUICK 格式，壓力插補格式采用PRESTO!格式。

3 AQC 鍋爐進風管道的數值模擬計算

通過對AQC 鍋爐進風管道進行物理建模、數學建模以及采用Fluent 數值計算理論分析、采用Fluent 流體計算軟件對進風管道數值模型進行計算，得到了AQC鍋爐進風管道保溫層內的溫度場。

3.1 AQC鍋爐進風管道數值模擬殘差

數值模擬殘差是指數值模擬計算結果的迭代誤差，迭代誤差越小，計算結果與邊界條件確定的真值越接近。為了減少迭代計算步數、迭代計算時間，且滿足實際需要的計算精度，迭代計算誤差控制在一定范圍內即可。AQC 鍋爐進風管道內澆注料厚度為100mm，內保溫層厚度為100mm，外保溫層厚度為100mm 時，其數值模擬殘差如圖3 所示。其中，能量守恒方程迭代誤差達到10-7，其他各項方程的迭代誤差均收斂于10-3，整體迭代誤差可滿足實際工程需要，能夠保證計算結果的精度。

圖3 數值模擬殘差圖

3.2 AQC鍋爐進風管道的網格無關性驗證

模型網格數量越多，網格節點越密集，數值模擬結果越精確，但也會增加計算量，占用更多計算機資源。當網格密度達到一定程度后，再繼續增加網格，對計算結果的影響很小，此時對應的網格密度數量與數值模擬結果無關，驗證了數值模型的無關性。不同網格數量對應的AQC鍋爐進風管道出口溫度值見圖4。由圖4可知，網格數量為6 796 631與網格數量為13 593 200，對應的AQC鍋爐進風管道出口溫度值基本一致，因此，采用網格數量為6 796 631的網格劃分方法即可得到準確的計算結果，并且可以減少計算量。AQC鍋爐進風管道耐磨澆注料、管道內外保溫層厚度的數值模型也采用該方法進行網格劃分。

圖4 不同網格數量對應的AQC鍋爐進風管道出口溫度值

3.3 AQC鍋爐進風管道數值模擬溫度場計算

AQC 鍋爐進風管道的溫度場是一個重要的物理場，在AQC余熱鍋爐的進風管道保溫層設計中，溫度場的分布能夠為AQC余熱鍋爐的保溫層厚度設計提供參考。本文主要關注AQC鍋爐進風管道內熱風溫度、管壁溫度及外保溫層外壁面溫度，分別對AQC 鍋爐進風管道出口熱風溫度、耐磨澆注料層、管道內保溫層、管道外保溫層及管道外部環境空氣溫度進行詳細分析。

3.3.1 第一次模擬計算

當AQC 鍋爐進風管道耐磨澆注料厚度為100mm，內外層保溫厚度均為100mm 時，截取管道中間段位置L=5m 處的AQC 鍋爐進風管道溫度場分布進行分析，L=5m 處AQC 鍋爐進風管道溫度分布如圖5所示。

圖5 L=5m處AQC鍋爐進風管道溫度分布

L=5m 處，AQC 鍋爐進風管道內熱風溫度分布如圖6 所示。從圖6 可以看出，管道中心處溫度梯度變化較小，貼近耐磨澆注料壁面處，溫度梯度變化較大，其平均熱風溫度為872.698K（599.548℃）。

圖6 L=5m處AQC鍋爐進風管道內熱風溫度分布

L=5m處，AQC鍋爐進風管道內耐磨澆注料層的溫度分布如圖7 所示。耐磨澆注料層內溫度由869.658K（596.508℃）降至836.869K（563.719℃），溫度變化幅度為32.789℃，由于耐磨澆注料的導熱系數較保溫層材料大，厚度同為100mm時，耐磨澆注料的熱阻值較保溫層材料小，因此耐磨澆注料的溫度變化幅度較小。

圖7 L=5m處AQC鍋爐進風管道內耐磨澆注料層溫度分布

L=5m 處，AQC 鍋爐進風管道內保溫層的溫度分布如圖8 所示。內保溫層內的溫度由836.869K（563.719℃）降至608.665K（335.515℃），溫度變化幅度為228.204℃，溫度變化幅度大。這是由于內保溫層材料的導熱系數小，熱阻值大，在相同的熱流量時，需要較大的溫度差值。由圖8 可知，AQC鍋爐進風管道管壁溫度為608.665K（335.515℃），而AQC 鍋爐進風管道材料Q345 的使用溫度為400℃，AQC 鍋爐進風管道內保溫層厚度在管道使用溫度范圍內，管道材料性能、力學性能等均不會受到影響，可正常使用。

圖8 L=5m處AQC鍋爐進風管道內保溫層溫度分布

L=5m 處，AQC 鍋爐進風管道外保溫層的溫度分布如圖9所示。AQC鍋爐進風管道外保溫層溫度由608.665K（335.515℃）降至315.064K（41.914℃），外保溫層外壁面溫度為41.914℃，符合GB50264-2013《工業設備及管道絕熱工程設計規范》要求（＜50℃）。同時，隨著管道長度的增加，其外保溫層外壁面溫度將會進一步降低。

圖9 L=5m處AQC鍋爐進風管道外保溫層的溫度分布

內保溫層厚度為100mm 時，AQC 鍋爐進風管道熱風溫度與管道長度的變化關系曲線如圖10所示。由圖10，可知AQC 鍋爐進風管道熱風溫度隨管道長度的變化近似線性變化關系，其線性擬合曲線方程為：

圖10 AQC鍋爐進風管道熱風溫度與管道長度的變化曲線

式中：

T——熱風溫度，K

T0——AQC鍋爐進風管道進風熱風溫度，K

L——管道長度，m

由線性擬合曲線方程可知，內保溫層厚度100mm時，AQC鍋爐進風熱風管道長度每增加1m，熱風溫度降低0.062 17℃。

通過以上模擬計算可知，耐磨澆注料厚度為100mm，內保溫層厚度為100mm、外保溫層厚度為100mm 時，AQC 鍋爐進風管道外保溫層外壁面溫度及管壁溫度均滿足工程實際要求，且保溫效果較好。但是，在滿足工程實際和規范標準要求的前提下，內保溫層厚度仍可適當減小。

3.3.2 第二次模擬計算

在第一次模擬計算基礎上，其他條件不變，調整內保溫層厚度為80mm，再次對AQC鍋爐進風管道進行數值模擬計算。

耐磨澆注料厚度及外保溫層厚度仍為100mm，內保溫層厚度為80mm，L=5m位置處的耐磨澆注料層溫度場分布見圖11。由圖11 可知，耐磨澆注料層溫度由857.393K（584.243℃）降至834.632K（561.482℃），溫度降低了22.761℃。相對于內保溫層厚度為100mm 時，耐磨澆注料內壁面溫度降低了12.265℃，外壁面溫度降低了2.237℃。

圖11 L=5m處AQC鍋爐進風管道耐磨澆注料層溫度分布

耐磨澆注料厚度及外保溫層溫度仍為100mm，內保溫層厚度為80mm時，L=5m位置處的管道內保溫層溫度場分布見圖12。由圖12 可以看出，內保溫層溫度由834.632K（561.482℃）降至658.451K（385.301℃），溫度降低了176.181℃。相對于內保溫層厚度為100mm時，內保溫層內壁面溫度降低了2.237℃，外壁面溫度增加了49.786℃，這主要是由于內保溫層厚度減少，保溫效果變差，熱阻值減小造成。此時對應的管道壁面溫度為658.451K（385.301℃），低于管道材料的使用溫度范圍，可保證管道正常使用。

圖12 L=5m處AQC鍋爐進風管道內保溫層溫度分布

耐磨澆注料厚度及外保溫層厚度仍為100mm，內保溫層厚度為80mm，L=5m 位置處的AQC 鍋爐進風管道外保溫層溫度場分布見圖13，由圖13 可以看出，外保溫層溫度由658.451K（385.301℃）降至320.537K（47.387℃），外保溫層外壁面溫度為47.387℃，滿足GB 50264-2013《工業設備及管道絕熱工程設計規范》保溫要求（＜50℃）。相對于內保溫層厚度為100mm，內保溫層厚度為80mm 時，外保溫層外壁面溫度增加了5.473℃。

內保溫層厚度為80mm時，AQC鍋爐進風管道熱風溫度與管道長度的變化關系曲線如圖14 所示。與第一次模擬計算相同，AQC 鍋爐進風管道熱風溫度與管道長度的變化近似為線性變化關系曲線，其線性擬合曲線方程為：

圖14 AQC鍋爐進風管道熱風溫度與管道長度的變化曲線

由線性擬合曲線方程可知，內保溫層厚度為80mm 時，AQC 鍋爐進風管道長度每增加1m，熱風溫度降低0.068 04℃。

3.3.3 第三次模擬計算

第二次模擬計算表明，AQC鍋爐進風管道內保溫層厚度為80mm 時，可保證管道的正常使用，但仍有減小內保溫層厚度的空間。

其他條件保持不變，調整內保溫層厚度為70mm，進行數值模擬。AQC 鍋爐進風管道內保溫層溫度場分布如圖15 所示。從圖15 可知，AQC 鍋爐進風管道壁面的溫度為667.624K（394.624℃），己接近管材Q345的最高使用溫度400℃，內保溫層厚度基本己沒有減小的空間。

圖15 L=5m處AQC鍋爐進風管道內保溫層溫度分布

外保溫層溫度場分布如圖16所示。由圖16可知，外保溫層外壁面溫度為322.188K（49.188℃），已十分接近規范要求溫度（＜50℃）。

圖16 L=5m處AQC鍋爐進風管道外保溫層溫度分布

AQC 鍋爐進風管道熱風溫度與管道長度的變化關系曲線如圖17所示。AQC鍋爐進風管道熱風溫度與管道長度變化線性擬合曲線方程為：

圖17 AQC鍋爐進風管道熱風溫度隨管道長度變化曲線

由線性擬合曲線方程可知，AQC鍋爐進風熱風管道長度每增加1m，熱風溫度降低0.070 26℃。

以上模擬計算結果表明，耐磨澆注料層及外保溫層厚度為100mm，AQC 鍋爐進風管道內保溫層厚度為70mm 時，管壁溫度為394.624℃，外保溫層外壁面溫度為49.188℃，管壁溫度已接近于管道Q345材料的最高使用溫度400℃，內保溫層厚度已無減小的空間，且外保溫層外壁面溫度也已十分接近規范要求溫度（＜50℃），若繼續減小內保溫層厚度，勢必會增加外保溫層厚度，引起保溫材料耗量的增加。所以，內保溫層厚度70mm，耐磨澆注料層及外保溫層厚度為100mm是較為理想的保溫層厚度設計方案，既可滿足規范要求，又能最大程度節約保溫材料。

4 結語

以AQC 鍋爐管徑?3 620mm，管道壁厚8mm、長度10m 的進風管道的直管段為研究對象，利用Fluent流體計算軟件進行數值計算，得到了不同內保溫層厚度的AQC鍋爐進風管道溫度場。通過對不同內保溫層厚度的AQC鍋爐進風管道進行數值模擬，獲得了AQC 鍋爐熱風溫度與管道長度變化的線性擬合曲線。

（1）耐磨澆注料層、內保溫層厚度及外保溫層厚度為100mm時，管道長度每增加1m，熱風溫度降低0.062 17℃。

（2）耐磨澆注料層、外保溫層厚度為100mm，內保溫層厚度為80mm 時，管道長度每增加1m，熱風溫度降低0.068 04℃。

（3）耐磨澆注料層、外保溫層厚度為100mm，內保溫層厚度為70mm 時，管道長度每增加1m，熱風溫度降低0.070 26℃。

（4）對于本實際工況，內保溫層厚度為70mm，耐磨澆注料層及外保溫層厚度為100mm 時，是最經濟、合理的保溫層厚度設計，既能滿足保溫規范要求，又降低了工程成本。