水泥厂非标管道大角度弯头气体流场仿真研究

李柏林

成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川 成都 610051

水泥厂非标管道大角度弯头气体流场仿真研究

李柏林

成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川 成都 610051

常见水泥厂大非标管道积灰，原因在于设计风速与管道倾角的选择缺少科学性。为解决大非标管道积灰，常采用传统折线大弯头和底部折返大弯头两种设计。底部折返大弯头由于没有小倾角段存在，被理论上认为可以消除弯头积灰。在同条件、弯头尺寸相近的前提下，传统大弯头仿真模拟效果要优于底部折返大弯头。但是，不排除通过底部折返大弯头仿真模拟结果进行相应的优化设计后，可以得到气体流场分布更好、更稳定的设计方案。

大非标管道 大角度弯头 弯头仿真

0 引言

水泥生产工艺中的大非标管道多为热风管道，主要担负传递热量、输送物料等作用。含粉尘的热风气体在管道内流动过程中，管道布局走向的起伏变化、转折改变方向等因素会导致大非标管道的局部流域内粉尘物料浓度高、风速加快或流向急剧改变等不利情况发生，易造成管道磨损严重、积灰堵塞等问题。笔者在2007年第6期《水泥厂非标管道耐磨材料的选用》一文中已有较为详细的论述，本文在重点分析研究大非标热风管道积灰问题基础上，研究大非标管道大角度弯头仿真设计。

1 常见水泥非大标管道积灰设计原因的分析

虽然大非标管道积灰问题不可能百分百避免，但是，合理的设计方案可以改善热风气体流速和流态，达到减少积灰或部分地方可以实现避免积灰，增加系统运转效率。造成大非标管道积灰的可能原因一般可分人为因素和设计因素，人为因素多表现为系统操控水平、维护水平和个人素质等方面，比如，操作能力差、各区段风速控制不正确、系统运转率不高、操作人员主观能动性差和经常性急停等，造成某些区域累积积灰严重；设计因素多表现为设计上没有结合具体处理的粉尘和气体的特性，想当然地随意设计。

1.1 设计风速

设计时需要纳入气体湿度、温度、含尘气体特性及含尘浓度等相关参数综合考虑，确定相对合理的设计风速。周华[1]的研究结果表明，管道积灰与风速之间有如下关系：（1）当风速＞25 m•s-1时，管道中阻力大，压降大，不经济；（2）当风速＞18 m•s-1时，易于输送粉尘，管道内壁清洁，能带走灰尘；（3）当风速=15 m•s-1时，管内灰以波浪式移动；（4）当风速＜15 m•s-1时，部分粉尘沉降；（5）当风速＜5 m•s-1时，大部分粉尘发生沉降，堵塞严重。一般地，建议水泥厂大非标管道，其工况风速不宜超过20 m•s-1。对内部气流含尘量大、倾斜度不大的管道，为防止沉积，其风速一般取12～15 m•s-1。倾斜管道，因灰尘在重力作用下向下滑动，不易沉积，风速宜选用18 m•s-1；煤粉制备系统的含煤气体、风速应适当提高，建议风速20～22 m•s-1；垂直管道因灰尘在管道内垂直下落运动，相对较低风速也不会堵塞，风速可取15 m•s-1或适当降低。设计中尽量避免水平管道，当无法避免时，应加大风速。实际设计大非标管道风速时，还必须结合气体的物理特性和工况进行细化设计。

设计管道风速过低，会造成管道堵塞，影响系统运转效率；设计风速过高，造成大非标管道压力损失大，增加系统能耗，还会加剧管壁磨损，缩短使用寿命。所以，合理设计大非标管道风速，不仅可减少或预防管内积灰，还可提高管道使用寿命。

1.2 管道倾角因素

在输送含尘气体大非标管的道设计中，很少会有长距离的水平管段设计，因为根据前面风速分析也可以发现，在相同工况条件下，管道倾角越小，越易发生粉尘沉降引起积灰。所以，在设计长距离含尘气体管道时，通常会设置一定倾角，将管道起伏布置，分为上行段和下行段。为防止粉尘沉降，倾角越小，所需的风速越高，压力损失愈大；反之，倾角越大，风速可以适当降低，管道压力损失愈小。

大非标管道的起伏和转向折返布置方案中，为防止积灰，通常都设计大倾角上行，其转向处，必然涉及大角度弯头的设计，它将影响管道的压损、气体流态、粉尘在管道内部运行轨迹和管壁的磨损等。为分析弯头形式对气体流态、粉尘运行轨迹的影响，下文将对常见的两种典型的大角度弯头进行仿真分析研究。

2 大角度弯头仿真分析

基于传统制作方法的大角度风管弯头，是将其中心线划分成为多边形的模式，图1是其截面轮廓形式，这种形式弯头的中线圆弧由多段直线段拟合而成，存在不同程度的小倾角段，甚至水平段，一些观点认为这里易发生积灰。基于上述观点，近几年发展出了底部直接折返大角度弯头的设计形式。图2是其截面轮廓形式，这种底部直接沿管道母线方向延伸折返的弯头形式，由于没有小倾角段存在，被理论上认为可以消除弯头积灰的情况。那么，气体在经过这两种弯头时，该区域流体流场到底会有什么样的变化呢？

图1 传统折线大弯头

图2 底部折返大弯头

2.1 大角度弯头三维模型建立

为了增强后续分析的可比性，除弯头本身部分尺寸不一样外，其余部分采取一样的设计尺寸。分析模型主要参数为：两端进、出口圆形截面直径都取Φ 4 m；进、出口中心跨距统一为20 m；左侧为进口，含尘气体沿管道上行，上行倾角为60°；右侧为出口，含尘气体沿管道下行，下行倾角为48°。建立如图3、图4所示夹角为72°的大弯头三维模型。

图3 传统折线大弯头模型

图4 底部折返大弯头模型

2.2 大角度弯头流体分析边界条件

启用流体分析软件，导入大弯头三维模型软件，进行网格划分，精度设置为中等。选取左侧圆形端面为进口-Inlet，进口压力为0（Pa）；选取右侧圆形端面为出口-Outlet，参考前文管道风速设计分析，出口速度为18 m/s；其余壳体类型设置为边壁-wall，边壁无滑移且光滑；选择流体介质为标准大气压的空气，介质温度25 ℃，摩尔质量为29 kg/mol，质量密度为1.1 kg/m3。

2.3 大角度弯头仿真结果分析

求解控制器保持默认控制参数，启动求解器求解，得到求解结果。为便于观察截取管道中截面，得出速度矢量分布图和压力分布云图，见图5、6、7、8。

图5 传统弯头速度矢量图

图6 底部折返弯头速度矢量图

图7 传统弯头压力云图

分析比较两种弯头的速度矢量图（见图5、图6），不难发现几个明显的差异之处：（1）传统弯头的速度矢量分布均匀，大非标管道截面利用率高，气流在经过弯头区域速度矢量损失小；而底部折返弯头速度矢量分布不均，大非标管道截面利用率低，气流在经过弯头区域速度矢量损失大。（2）传统弯头速度矢量最大值发生在弯头底部（图5注示区域1），为Vmax=29.9 m/s; 底部折返弯头速度矢量最大值发生在弯头后面上侧（图6注示区域2），为Vmax=32.9 m/s，比传统弯头高了3 m/s。（3）传统弯头气体流场稳定，内部无涡流产生；底部折返弯头气体流场较不稳定，内部有涡流产生，速度矢量明显减小，见图6注示区域3。

图8 底部折返弯头压力云图

分析比较两种弯头的压力云图（见图7、图8），发现：（1）传统弯头的进、出口压差约为548 Pa，而底部折返弯头的进、出口压差约为707 Pa，底部折返弯头压损大。（2）传统弯头最大负压发生在速度最大的位置，而底部折返弯头最大负压发生在涡流区域。（3）气体在经过传统弯头时压力云图呈现均匀连续分布，而底部折返弯头不均匀，连续性差。

综合以上分析，传统弯头最大速度和最大负压区都在弯头转向底部，负压和较高的流速决定了其自清灰能力强，一定程度上抵消了底部倾角小的不良影响，对于干基含尘气体而言，通过此类弯头不易积灰。即使对于湿度不大的含尘气体，在系统正常运转条件下，发生积灰几率也很小。只有在系统经常性运转不稳定、粉尘湿度和粘度都较大的情况下，才有可能发生弯头底部轻微积灰，但是，其区域高速和负压特性决定了积灰过程也是比较缓慢的。而底部折返弯头的最大速度和最大负压区分别发生在弯头折返点之后区域，最大速度矢量发生在管壁上侧，对管壁冲蚀严重，最大负压区发生在折返点之后下侧，形成涡流区，打乱了气体及颗粒的前进方向。初步推测，对于干基含尘气体，这里积灰几率较小，但是，对于具有一定湿度和粘度的粉尘气体，这里发生粉尘沉积几率大大增加。如果发生粒料粘结，再大的管道倾角设计都于事无补。

所以，在同条件、弯头尺寸相近的前提下，传统大弯头仿真模拟效果要优于底部折返大弯头。但是，不排除通过针对本文底部折返大弯头仿真模拟结果进行相应的优化设计后，可以得到气体流场分布更好、更稳定的设计方案。

3 结束语

底部折返大弯头设计是近些年为解决积灰问题而提出的新方案，常见于一些国外项目的大非标管道设计中，至于其是否如设计预期那样达到绝佳的效果，本人持保留意见。单从结构上来说，底部折返弯头有较大的平面分布，需要布置大量的立筋加强以抵抗来至管道内的负压，同时，迎风阻力也大，相对的，不及圆形截面管道稳定。其土建支撑和建造成本也明显高于传动弯头形式，至于维护成本，底部折返弯头暂时还没有长期、充分可靠的数据资料，这里不作比较。所以，建议在选择大非标管道弯头设计方案时，应从实际出发，结合物料本身的特性、工艺系统及成本预算等综合因素，择优选取。

[1] 周华. 浅谈水泥厂管道设计[J]. 河南建材, 2005(5):47-48.

2016-07-10)

TQ172.8

A

1008-0473(2016)05-0008-04

10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.05.003