管壳式余热锅炉陶瓷管结构优化设计

骆骞，胡涛，殷义

（北京航化节能环保技术有限公司，北京 100176）

由于工业的发展和全球能源供求紧张，能源的高效利用逐渐成为各国关注的焦点。而余热锅炉作为利用工业余热产生压力蒸汽的主要装置，得到越来越多的重视。但由于高沸废液含有铁盐、钠盐等灰分，多个项目均在余热锅炉热端管板的陶瓷管处出现堵塞现象[1-2]，由于灰分属于黏结性积灰，激波吹灰效果并不明显，因此只有通过改进余热锅炉设计减缓余热锅炉积灰，一定程度上可以延长装置运行周期，减少停车清灰次数。

1 传统陶瓷管的实际使用情况

在氯碱高沸焚烧项目中，余热锅炉[3]堵塞周期大约为一个月，堵塞部位为热端管板陶瓷管处，陶瓷管缩径段基本没有积灰，直段开始有积灰，管内可全部积满，该灰分具有一定强度，需要机械清除，而进入换热管后基本没有积灰，考虑灰可能与高温黏接有关[4]，见图1。曾怀疑积灰与陶瓷材质有关，但试验结果表明，金属管的积灰状况与陶瓷管情况相似，因此排除材质[5]的影响。认为主要因素是：第一，烟气中除常规的N2、O2、CO2等组分外，还含有腐蚀性气体HCL 及高温黏结性的组分，如FeCl3、Fe3O4、FeO 和Fe2O3；第二，烟气回流加剧了灰分的沉积，主要回流区集中在陶瓷管入口0 ～ 60 mm 范围内，烟气中携带的高温黏结性灰分由于烟气回流作用不可避免地黏结在已经存在飞灰黏结的位置，导致烟气流通面积减小，流速增加，回流加剧，沉积情况越来越复杂，最终超出引风机额定出力，导致整个装置被迫停车，运行周期大大缩短。高温黏结性灰分是导致堵塞根本原因[4，6]，但是由于生产过程中该灰分会不可避免地进入焚烧系统，所以无法从根本上去除，而且吹灰器作用不明显，只能通过改进设备结构设计延长装置运行周期。

图1 陶瓷管堵塞情况Fig.1 Blockage of ceramic pipe

2 模拟分析

模拟计算截取余热锅炉入口陶瓷套管及连接金属管为研究对象，采用平行周期边界条件简化焚烧炉进入锅炉管口的网格结构，分析陶瓷套管进口端与金属管连接处结构对烟气流场的影响及局部微小回流对烟气中氧化铁附着的可能性[7]。

模型的边界条件为：①烟气入口：边界类型为速度入口，流速分别选取20 m/s，30 m/s，40 m/s 和50 m/s。管内壁采用壁面无滑移边界，即壁面速度为0 m/s；②烟气出口：边界类型为压力出口。

以某项目为例，分析锅炉管板陶瓷管进、出口烟气流动在不同结构下的流场特征，针对陶瓷管不同的进、出口结构型式进行流场分析。

2.1 陶瓷管入口局部结构的影响

陶瓷管入口分析模型分为3 种：直管型、收缩型和改进型，入口流速分别选取20 m/s，30 m/s，40 m/s 和50 m/s 对流场进行模拟分析，并研究流速和入口模型对流场的影响。分析模型均选取一段长度100 mm 的陶瓷管进行分析，陶瓷管模型只考虑内径和局部结构。

2.1.1 直管型

第一种入口模型为常规陶瓷管模型即直管型，如图2 所示，一直在大量常规项目中应用。陶瓷管进口与管板成90°，无倒角成锐边，管内径为45 mm。流场模拟结果如图3 所示。通过模拟可以看出，随着流速增加，进口处回流区最大速度也随之增加。

图2 直管型模型Fig.2 Straight pipe model

图3 直管型流场模拟结果Fig.3 Simulation results of straight pipe flow distribution

2.1.2 收缩型

第二种入口模型为收缩陶瓷管模型即收缩型，如图4 所示。陶瓷管进口与管板夹角为22.5°收缩角，进口边为锐边，管内径为45 mm。流场模拟结果如图5 所示。通过模拟可以看出，随流速增加，回流区最大速度也随之增加，但增加幅度却远远小于直管 型。

图4 收缩型模型Fig.4 Contractile pipe model

图5 收缩型流场模拟结果Fig.5 Simulation results of contractile pipe flow distribution

2.1.3 改进型

针对直管型和收缩型陶瓷管结构，特对陶瓷管入口局部结构进行改进即改进型，如图6 所示，陶瓷管进口与管板成20°收缩角，进口边为锐边为半径为4 mm 的倒角，管前端设置内凸圆弧过渡段，半径为50 mm，内径为45 mm。流场模拟结果如图7 所示。通过模拟可以看出，随流速增加，回流区最大速度也随之增加，但增加幅度却远远小于直管型，与收缩性相比也有所减小。

图6 改进型模型Fig.6 Improved pipe model

图7 改进型流场模拟结果Fig.7 Simulation results of improved pipe flow distribution

根据模拟结果分析可知：第一，随管内平均流速增加，回流区最大速度增加，回流区更加明显，影响也更大，因此降低管内平均流速，可以减缓回流区对积灰的影响。考虑到换热效率和运行周期的要求，认为20 ～ 30 m/s 管内平均流速较为合适。第二，入口直管型陶瓷管，受入口形状的影响，在陶瓷管前端存在较为明显的回流区，该区域的存在会导致微粒的滞留，更容易在该处积存且随着流速的增加回流区会有所增大；而收缩型及改进型陶瓷管入口新设计的局部结构在一定程度上抑制了气流的脱体与起旋，很好地抑制了回流区的产生，尤其是改进型陶瓷管在设计流速下基本没有出现回流区。详见图8 所示。因此一定程度上可以减缓积灰速度，延长余热锅炉运行周期。

图8 流场分析对比Fig.8 Comparison of flow distribution

2.2 陶瓷管出口局部结构的影响

陶瓷管出口分析模型分为2 种：直管型和过渡型，考虑到陶瓷管入口模型分析结果，陶瓷管出口平均流速只选取20 m/s 对流场进行分析，并且研究出口局部结构对流场的影响。模型均选取整段陶瓷管长度和一部分换热管进行分析，模型只考虑内径和局部结构，研究陶瓷管出口结构的变化对流场的影响。

2.2.1 出口直管型

直管陶瓷管模型如图9 所示，陶瓷管出口为45 mm。考虑到陶瓷套管厚度和陶瓷纤维厚度，在出口由45 mm扩张为55 mm。流场模拟结果如图10所示。

图9 出口直管型模型Fig.9 Outlet straight pipe model

图10 出口直管型流场模拟结果Fig.10 Simulation results of outlet straight pipe flow distribution

2.2.2 出口过渡型

出口过渡型陶瓷管模型如图11 所示，考虑到陶瓷套管厚度和陶瓷纤维厚度，在出口由45 mm 采用过渡渐变为55 mm。流场模拟结果如图12 所示。

图11 出口过渡型模型Fig.11 Outlet transiens model

表1 流场分析结果对比表Table 1 Comparison of flow distribution analysis results m·s-1

根据数值模拟结果，如图10、图12 所示对比陶瓷管出口模型直管型和过渡型的气流状态，直管型出口会形成明显的回流区，其效果与直管型入口相同；当采用过渡段出口时，则可消除回流区。

图12 出口过渡型模型流场模拟结果Fig.12 Simulation results of outlet transiens flow distribution

3 结论

氯碱高沸焚烧装置的余热锅炉由于烟气中可能存在钠盐、铁盐极易产生堵塞的问题。通过模拟分析得出结论：

（1）降低管内平均流速，回流区最大流速增长速率减小。

（2）收缩型及改进型陶瓷管入口新设计的局部结构在一定程度上抑制了气流的脱体与起旋，避免回流区的产生，尤其是改进型陶瓷管在20 m/s 的平均流速时基本没有出现回流区。

（3）改进型陶瓷管进口与管板成20°收缩角，进口边为半径为4 mm 的倒角，管前端设置内凸圆弧过度段，出口以14°角度过度渐变，采用改进型陶瓷管可以减缓积灰，延长余热锅炉运行周期，减少设备停车清灰次数。

（4）目前改进型陶瓷管的余热锅炉应用于某项目中，设计平均流速为20 m/s，装置连续运行周期是改进前的3 倍，改善效果良好。