AQC 锅炉进风管道保温数值模拟研究

王炯,齐树龙

AQC 锅炉是水泥生产线余热发电系统的重要组成部分，AQC锅炉的进风管道及其保温设计对锅炉的运行和热量的利用影响较大，继而影响余热发电系统的经济效益[1]。同时，管道壁温是否在管道材料允许的使用温度范围内，直接影响管道的使用寿命及余热电站的安全稳定运行。若AQC锅炉进风管道不采取保温措施，将会极大降低余热回收效率[2]。AQC锅炉进风管道内热风温度较高，且含尘颗粒硬度大，为减少管道散热损失及磨损，需在进风管道内部敷设耐磨浇注料层和内保温层，在管道外部敷设外保温层。本文通过建立AQC锅炉进风管道温度场、湍流场、几何尺寸模型，应用Fluent数值模拟计算，确定AQC 锅炉进风管道最佳内外保温层厚度配合数值，有助于节约工程成本。

1 AQC 锅炉进风管道换热机理及分析

AQC 锅炉进风管道内的热风是含熟料颗粒的高速气固两相流体，热风流速在12～15m/s。热风中的熟料颗粒硬度大，对管壁磨损严重，因此需在管道内壁敷设耐磨浇注料。随着篦冷机工况的波动，AQC锅炉进风管道热风温度也发生较大变化，有时中部取风温度高达400℃～600℃。为减少进风管道温度损失，通常在管道内壁敷设内保温层，出于运行成本考虑，当内保温层敷设厚度较大时，往往采取在管道外壁面敷设外保温层的措施，以减少内保温层厚度，同时在保证热风流通面积相同的情况下，减小管径。AQC锅炉进风管道内壁先敷设内保温材料，后敷设耐磨浇注料；管道外壁面敷设外保温材料，如图1所示。

图1 AQC进风管道保温材料敷设

AQC锅炉进风管道的换热过程包括热传导、对流、辐射三种换热方式。管道内含熟料颗粒的高温热风与耐磨浇注料壁面主要进行对流换热，高温热风与耐磨浇注料进行辐射换热。高温热风将热量传递给耐磨浇注料壁面后，耐磨浇注料层内部通过导热，使耐磨浇注料层温度升高。高温耐磨浇注料与管道内保温层、管道内保温层与管道内壁、管道内壁与管道外壁、管道外壁与外保温层间进行导热，热量依次通过耐磨浇注料→内保温层→管道→外保温层。管道外保温层外壁与环境空气进行对流换热。AQC 锅炉进风管道高温热风经过一系列的换热过程后，热量传递到管道壁面，管道壁面温度不能超过管道材料的最高许用温度，否则管道材质受高温影响会改变晶体结构，导致管道变形甚至破裂。高温热风管道经过保温层的隔热后，当环境温度≤25℃时，管道外保温层外壁面温度不应＞50℃；当环境温度＞25℃时，管道外保温层外壁面温度不应＞环境温度+25℃。

2 AQC 锅炉进风管道数值建模及模拟参数设定

AQC 锅炉进风管道利用Fluent 软件进行数值模拟研究，采用CFD 流体动力学计算方法，通过多次迭代计算求得数值解，完全可以满足工程应用对计算精度的要求。

2.1 湍流模型

AQC锅炉进风管道流场流速较大，贴近管道耐磨层边界处为流体边界层，管道中心流体流场属于湍流流场。目前常用的湍流模型有Spalart-Allmaras 模型、k-ε 模型、k-w 模型、雷诺应力模型及大涡模型。AQC 锅炉进风管道属于高雷诺数的湍流模型，选用可实现k-ε模型能够得到较好的计算精度。

2.2 换热模型

AQC锅炉进风管道的换热属于热传导、对流和辐射三种换热方式的组合。其能量输运方程为：

式中：

ρ——流体密度，kg/m3

E——流体单位体积内的总能量，J

t——时间，s

V——流体速度，m/s

P——流体压力，Pa

T——流体热力学温度，K

keff——有效热传导系数

τeff——有效热粘性系数

Sh——包含化学反应热及用户定义的其他体积热源项，J

在AQC 锅炉进风管道换热模型中，采用耦合传热模型，能够计算固体热传导，并且与流体的对流换热耦合，耦合边界条件对任意分隔的两个单元体的壁面区域适用。

2.3 几何模型

AQC锅炉进风管道直径为3 620mm，管道壁厚8mm，取长度为10m 的管道作为研究对象。由于AQC锅炉进风管道几何模型关于轴对称，且管道流场、温度场均关于轴对称，因此，采用1/4 圆截面管道建立几何模型，既可以减少计算量，也不影响计算精度。

2.4 网格划分

模型网格的生成是数值模拟技术和流体力学的重要组成部分，网格质量的好坏直接影响数值计算结果的精度。AQC 锅炉进风管道热风与耐磨浇注料壁面接触处为流体边界层，壁面网格需加密。管道耐磨浇注料、管道内保温层及管道外保温层的换热情况是重点研究对象，在耐磨浇注料层、管道内、外保温层处采用结构化网格并加密。网格的划分采用Gambit 2.4软件，网格划分示意如图2所示。

图2 AQC锅炉进风管道网格划分

2.5 边界条件设置

模型边界条件的设置对于模型求解至关重要，按照AQC锅炉进风管道实际尺寸1∶1建模，环境空气流速为2m/s，环境温度为20℃。本文研究的AQC锅炉进风管道模型边界条件包括管道壁面、速度入口、压力出口等。AQC锅炉进风管道管壁为壁面边界条件，壁面厚度为8mm。热风入口和出口边界条件如表1和表2所示。

表1 AQC 锅炉进风管道热风入口边界条件

表2 AQC 锅炉进风管道热风出口边界条件

在本次数值模拟中，进风管道内保温材料选用硅酸钙板，外保温材料选用复合硅酸盐，管道材质为Q345。GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》对相关保温材料的物性参数要求如表3所示，耐磨浇注料及管道的物性参数要求如表4、表5所示。

表3 保温材料物性参数

表4 耐磨浇注料物性参数

表5 管道物性参数表

Q345 材质管道的使用温度范围为-40℃～400℃，因此，AQC锅炉进风管道内保温层厚度设计的极限是Q345 管道温度≯390℃，裕量为10℃。窑头AQC 锅炉进风管道正常进风温度为350℃～430℃，但随着篦冷机工况的变化，AQC锅炉进风管道进风温度变化较大，有时高达600℃。本次数值模拟针对的是在极端情况下，即窑头AQC 锅炉进风温度为600℃时，进风管道保温层设计能够满足规范和工程实际要求。

2.6 计算区域的离散方式与数值算法

在计算区域内采用有限体积法，针对结构化网格的QUICK格式进行离散化，提高了计算精度。

处理压力-速度耦合关系的算法有SIMPLE、SIMPLEC 和PISO 三种。SIMPLE 算法采用“猜测-修正”的过程；SIMPLEC 算法与SIMPLE 算法的计算步骤相同，但求解稳态收敛速度慢于SIMPLE 算法；PISO算法主要应用于非稳态模拟，在可压缩或不可压缩流体流场中，求解压力速度耦合关系。由于本研究篦冷机内部熟料颗粒与空气的换热过程最终达到一个稳态过程，故选用SIMPLE 算法。动量方程、能量方程的计算采用QUICK 格式，压力插补格式采用PRESTO!格式。

3 AQC 锅炉进风管道的数值模拟计算

通过对AQC 锅炉进风管道进行物理建模、数学建模以及采用Fluent 数值计算理论分析、采用Fluent 流体计算软件对进风管道数值模型进行计算，得到了AQC锅炉进风管道保温层内的温度场。

3.1 AQC锅炉进风管道数值模拟残差

数值模拟残差是指数值模拟计算结果的迭代误差，迭代误差越小，计算结果与边界条件确定的真值越接近。为了减少迭代计算步数、迭代计算时间，且满足实际需要的计算精度，迭代计算误差控制在一定范围内即可。AQC 锅炉进风管道内浇注料厚度为100mm，内保温层厚度为100mm，外保温层厚度为100mm 时，其数值模拟残差如图3 所示。其中，能量守恒方程迭代误差达到10-7，其他各项方程的迭代误差均收敛于10-3，整体迭代误差可满足实际工程需要，能够保证计算结果的精度。

图3 数值模拟残差图

3.2 AQC锅炉进风管道的网格无关性验证

模型网格数量越多，网格节点越密集，数值模拟结果越精确，但也会增加计算量，占用更多计算机资源。当网格密度达到一定程度后，再继续增加网格，对计算结果的影响很小，此时对应的网格密度数量与数值模拟结果无关，验证了数值模型的无关性。不同网格数量对应的AQC锅炉进风管道出口温度值见图4。由图4可知，网格数量为6 796 631与网格数量为13 593 200，对应的AQC锅炉进风管道出口温度值基本一致，因此，采用网格数量为6 796 631的网格划分方法即可得到准确的计算结果，并且可以减少计算量。AQC锅炉进风管道耐磨浇注料、管道内外保温层厚度的数值模型也采用该方法进行网格划分。

图4 不同网格数量对应的AQC锅炉进风管道出口温度值

3.3 AQC锅炉进风管道数值模拟温度场计算

AQC 锅炉进风管道的温度场是一个重要的物理场，在AQC余热锅炉的进风管道保温层设计中，温度场的分布能够为AQC余热锅炉的保温层厚度设计提供参考。本文主要关注AQC锅炉进风管道内热风温度、管壁温度及外保温层外壁面温度，分别对AQC 锅炉进风管道出口热风温度、耐磨浇注料层、管道内保温层、管道外保温层及管道外部环境空气温度进行详细分析。

3.3.1 第一次模拟计算

当AQC 锅炉进风管道耐磨浇注料厚度为100mm，内外层保温厚度均为100mm 时，截取管道中间段位置L=5m 处的AQC 锅炉进风管道温度场分布进行分析，L=5m 处AQC 锅炉进风管道温度分布如图5所示。

图5 L=5m处AQC锅炉进风管道温度分布

L=5m 处，AQC 锅炉进风管道内热风温度分布如图6 所示。从图6 可以看出，管道中心处温度梯度变化较小，贴近耐磨浇注料壁面处，温度梯度变化较大，其平均热风温度为872.698K（599.548℃）。

图6 L=5m处AQC锅炉进风管道内热风温度分布

L=5m处，AQC锅炉进风管道内耐磨浇注料层的温度分布如图7 所示。耐磨浇注料层内温度由869.658K（596.508℃）降至836.869K（563.719℃），温度变化幅度为32.789℃，由于耐磨浇注料的导热系数较保温层材料大，厚度同为100mm时，耐磨浇注料的热阻值较保温层材料小，因此耐磨浇注料的温度变化幅度较小。

图7 L=5m处AQC锅炉进风管道内耐磨浇注料层温度分布

L=5m 处，AQC 锅炉进风管道内保温层的温度分布如图8 所示。内保温层内的温度由836.869K（563.719℃）降至608.665K（335.515℃），温度变化幅度为228.204℃，温度变化幅度大。这是由于内保温层材料的导热系数小，热阻值大，在相同的热流量时，需要较大的温度差值。由图8 可知，AQC锅炉进风管道管壁温度为608.665K（335.515℃），而AQC 锅炉进风管道材料Q345 的使用温度为400℃，AQC 锅炉进风管道内保温层厚度在管道使用温度范围内，管道材料性能、力学性能等均不会受到影响，可正常使用。

图8 L=5m处AQC锅炉进风管道内保温层温度分布

L=5m 处，AQC 锅炉进风管道外保温层的温度分布如图9所示。AQC锅炉进风管道外保温层温度由608.665K（335.515℃）降至315.064K（41.914℃），外保温层外壁面温度为41.914℃，符合GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》要求（＜50℃）。同时，随着管道长度的增加，其外保温层外壁面温度将会进一步降低。

图9 L=5m处AQC锅炉进风管道外保温层的温度分布

内保温层厚度为100mm 时，AQC 锅炉进风管道热风温度与管道长度的变化关系曲线如图10所示。由图10，可知AQC 锅炉进风管道热风温度随管道长度的变化近似线性变化关系，其线性拟合曲线方程为：

图10 AQC锅炉进风管道热风温度与管道长度的变化曲线

式中：

T——热风温度，K

T0——AQC锅炉进风管道进风热风温度，K

L——管道长度，m

由线性拟合曲线方程可知，内保温层厚度100mm时，AQC锅炉进风热风管道长度每增加1m，热风温度降低0.062 17℃。

通过以上模拟计算可知，耐磨浇注料厚度为100mm，内保温层厚度为100mm、外保温层厚度为100mm 时，AQC 锅炉进风管道外保温层外壁面温度及管壁温度均满足工程实际要求，且保温效果较好。但是，在满足工程实际和规范标准要求的前提下，内保温层厚度仍可适当减小。

3.3.2 第二次模拟计算

在第一次模拟计算基础上，其他条件不变，调整内保温层厚度为80mm，再次对AQC锅炉进风管道进行数值模拟计算。

耐磨浇注料厚度及外保温层厚度仍为100mm，内保温层厚度为80mm，L=5m位置处的耐磨浇注料层温度场分布见图11。由图11 可知，耐磨浇注料层温度由857.393K（584.243℃）降至834.632K（561.482℃），温度降低了22.761℃。相对于内保温层厚度为100mm 时，耐磨浇注料内壁面温度降低了12.265℃，外壁面温度降低了2.237℃。

图11 L=5m处AQC锅炉进风管道耐磨浇注料层温度分布

耐磨浇注料厚度及外保温层温度仍为100mm，内保温层厚度为80mm时，L=5m位置处的管道内保温层温度场分布见图12。由图12 可以看出，内保温层温度由834.632K（561.482℃）降至658.451K（385.301℃），温度降低了176.181℃。相对于内保温层厚度为100mm时，内保温层内壁面温度降低了2.237℃，外壁面温度增加了49.786℃，这主要是由于内保温层厚度减少，保温效果变差，热阻值减小造成。此时对应的管道壁面温度为658.451K（385.301℃），低于管道材料的使用温度范围，可保证管道正常使用。

图12 L=5m处AQC锅炉进风管道内保温层温度分布

耐磨浇注料厚度及外保温层厚度仍为100mm，内保温层厚度为80mm，L=5m 位置处的AQC 锅炉进风管道外保温层温度场分布见图13，由图13 可以看出，外保温层温度由658.451K（385.301℃）降至320.537K（47.387℃），外保温层外壁面温度为47.387℃，满足GB 50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》保温要求（＜50℃）。相对于内保温层厚度为100mm，内保温层厚度为80mm 时，外保温层外壁面温度增加了5.473℃。

内保温层厚度为80mm时，AQC锅炉进风管道热风温度与管道长度的变化关系曲线如图14 所示。与第一次模拟计算相同，AQC 锅炉进风管道热风温度与管道长度的变化近似为线性变化关系曲线，其线性拟合曲线方程为：

图14 AQC锅炉进风管道热风温度与管道长度的变化曲线

由线性拟合曲线方程可知，内保温层厚度为80mm 时，AQC 锅炉进风管道长度每增加1m，热风温度降低0.068 04℃。

3.3.3 第三次模拟计算

第二次模拟计算表明，AQC锅炉进风管道内保温层厚度为80mm 时，可保证管道的正常使用，但仍有减小内保温层厚度的空间。

其他条件保持不变，调整内保温层厚度为70mm，进行数值模拟。AQC 锅炉进风管道内保温层温度场分布如图15 所示。从图15 可知，AQC 锅炉进风管道壁面的温度为667.624K（394.624℃），己接近管材Q345的最高使用温度400℃，内保温层厚度基本己没有减小的空间。

图15 L=5m处AQC锅炉进风管道内保温层温度分布

外保温层温度场分布如图16所示。由图16可知，外保温层外壁面温度为322.188K（49.188℃），已十分接近规范要求温度（＜50℃）。

图16 L=5m处AQC锅炉进风管道外保温层温度分布

AQC 锅炉进风管道热风温度与管道长度的变化关系曲线如图17所示。AQC锅炉进风管道热风温度与管道长度变化线性拟合曲线方程为：

图17 AQC锅炉进风管道热风温度随管道长度变化曲线

由线性拟合曲线方程可知，AQC锅炉进风热风管道长度每增加1m，热风温度降低0.070 26℃。

以上模拟计算结果表明，耐磨浇注料层及外保温层厚度为100mm，AQC 锅炉进风管道内保温层厚度为70mm 时，管壁温度为394.624℃，外保温层外壁面温度为49.188℃，管壁温度已接近于管道Q345材料的最高使用温度400℃，内保温层厚度已无减小的空间，且外保温层外壁面温度也已十分接近规范要求温度（＜50℃），若继续减小内保温层厚度，势必会增加外保温层厚度，引起保温材料耗量的增加。所以，内保温层厚度70mm，耐磨浇注料层及外保温层厚度为100mm是较为理想的保温层厚度设计方案，既可满足规范要求，又能最大程度节约保温材料。

4 结语

以AQC 锅炉管径ϕ3 620mm，管道壁厚8mm、长度10m 的进风管道的直管段为研究对象，利用Fluent流体计算软件进行数值计算，得到了不同内保温层厚度的AQC锅炉进风管道温度场。通过对不同内保温层厚度的AQC锅炉进风管道进行数值模拟，获得了AQC 锅炉热风温度与管道长度变化的线性拟合曲线。

（1）耐磨浇注料层、内保温层厚度及外保温层厚度为100mm时，管道长度每增加1m，热风温度降低0.062 17℃。

（2）耐磨浇注料层、外保温层厚度为100mm，内保温层厚度为80mm 时，管道长度每增加1m，热风温度降低0.068 04℃。

（3）耐磨浇注料层、外保温层厚度为100mm，内保温层厚度为70mm 时，管道长度每增加1m，热风温度降低0.070 26℃。

（4）对于本实际工况，内保温层厚度为70mm，耐磨浇注料层及外保温层厚度为100mm 时，是最经济、合理的保温层厚度设计，既能满足保温规范要求，又降低了工程成本。