管殼式余熱鍋爐陶瓷管結構優化設計

駱騫，胡濤，殷義

（北京航化節能環保技術有限公司，北京 100176）

由于工業的發展和全球能源供求緊張，能源的高效利用逐漸成為各國關注的焦點。而余熱鍋爐作為利用工業余熱產生壓力蒸汽的主要裝置，得到越來越多的重視。但由于高沸廢液含有鐵鹽、鈉鹽等灰分，多個項目均在余熱鍋爐熱端管板的陶瓷管處出現堵塞現象[1-2]，由于灰分屬于黏結性積灰，激波吹灰效果并不明顯，因此只有通過改進余熱鍋爐設計減緩余熱鍋爐積灰，一定程度上可以延長裝置運行周期，減少停車清灰次數。

1 傳統陶瓷管的實際使用情況

在氯堿高沸焚燒項目中，余熱鍋爐[3]堵塞周期大約為一個月，堵塞部位為熱端管板陶瓷管處，陶瓷管縮徑段基本沒有積灰，直段開始有積灰，管內可全部積滿，該灰分具有一定強度，需要機械清除，而進入換熱管后基本沒有積灰，考慮灰可能與高溫黏接有關[4]，見圖1。曾懷疑積灰與陶瓷材質有關，但試驗結果表明，金屬管的積灰狀況與陶瓷管情況相似，因此排除材質[5]的影響。認為主要因素是：第一，煙氣中除常規的N2、O2、CO2等組分外，還含有腐蝕性氣體HCL 及高溫黏結性的組分，如FeCl3、Fe3O4、FeO 和Fe2O3；第二，煙氣回流加劇了灰分的沉積，主要回流區集中在陶瓷管入口0 ～ 60 mm 范圍內，煙氣中攜帶的高溫黏結性灰分由于煙氣回流作用不可避免地黏結在已經存在飛灰黏結的位置，導致煙氣流通面積減小，流速增加，回流加劇，沉積情況越來越復雜，最終超出引風機額定出力，導致整個裝置被迫停車，運行周期大大縮短。高溫黏結性灰分是導致堵塞根本原因[4，6]，但是由于生產過程中該灰分會不可避免地進入焚燒系統，所以無法從根本上去除，而且吹灰器作用不明顯，只能通過改進設備結構設計延長裝置運行周期。

圖1 陶瓷管堵塞情況Fig.1 Blockage of ceramic pipe

2 模擬分析

模擬計算截取余熱鍋爐入口陶瓷套管及連接金屬管為研究對象，采用平行周期邊界條件簡化焚燒爐進入鍋爐管口的網格結構，分析陶瓷套管進口端與金屬管連接處結構對煙氣流場的影響及局部微小回流對煙氣中氧化鐵附著的可能性[7]。

模型的邊界條件為：①煙氣入口：邊界類型為速度入口，流速分別選取20 m/s，30 m/s，40 m/s 和50 m/s。管內壁采用壁面無滑移邊界，即壁面速度為0 m/s；②煙氣出口：邊界類型為壓力出口。

以某項目為例，分析鍋爐管板陶瓷管進、出口煙氣流動在不同結構下的流場特征，針對陶瓷管不同的進、出口結構型式進行流場分析。

2.1 陶瓷管入口局部結構的影響

陶瓷管入口分析模型分為3 種：直管型、收縮型和改進型，入口流速分別選取20 m/s，30 m/s，40 m/s 和50 m/s 對流場進行模擬分析，并研究流速和入口模型對流場的影響。分析模型均選取一段長度100 mm 的陶瓷管進行分析，陶瓷管模型只考慮內徑和局部結構。

2.1.1 直管型

第一種入口模型為常規陶瓷管模型即直管型，如圖2 所示，一直在大量常規項目中應用。陶瓷管進口與管板成90°，無倒角成銳邊，管內徑為45 mm。流場模擬結果如圖3 所示。通過模擬可以看出，隨著流速增加，進口處回流區最大速度也隨之增加。

圖2 直管型模型Fig.2 Straight pipe model

圖3 直管型流場模擬結果Fig.3 Simulation results of straight pipe flow distribution

2.1.2 收縮型

第二種入口模型為收縮陶瓷管模型即收縮型，如圖4 所示。陶瓷管進口與管板夾角為22.5°收縮角，進口邊為銳邊，管內徑為45 mm。流場模擬結果如圖5 所示。通過模擬可以看出，隨流速增加，回流區最大速度也隨之增加，但增加幅度卻遠遠小于直管 型。

圖4 收縮型模型Fig.4 Contractile pipe model

圖5 收縮型流場模擬結果Fig.5 Simulation results of contractile pipe flow distribution

2.1.3 改進型

針對直管型和收縮型陶瓷管結構，特對陶瓷管入口局部結構進行改進即改進型，如圖6 所示，陶瓷管進口與管板成20°收縮角，進口邊為銳邊為半徑為4 mm 的倒角，管前端設置內凸圓弧過渡段，半徑為50 mm，內徑為45 mm。流場模擬結果如圖7 所示。通過模擬可以看出，隨流速增加，回流區最大速度也隨之增加，但增加幅度卻遠遠小于直管型，與收縮性相比也有所減小。

圖6 改進型模型Fig.6 Improved pipe model

圖7 改進型流場模擬結果Fig.7 Simulation results of improved pipe flow distribution

根據模擬結果分析可知：第一，隨管內平均流速增加，回流區最大速度增加，回流區更加明顯，影響也更大，因此降低管內平均流速，可以減緩回流區對積灰的影響?？紤]到換熱效率和運行周期的要求，認為20 ～ 30 m/s 管內平均流速較為合適。第二，入口直管型陶瓷管，受入口形狀的影響，在陶瓷管前端存在較為明顯的回流區，該區域的存在會導致微粒的滯留，更容易在該處積存且隨著流速的增加回流區會有所增大；而收縮型及改進型陶瓷管入口新設計的局部結構在一定程度上抑制了氣流的脫體與起旋，很好地抑制了回流區的產生，尤其是改進型陶瓷管在設計流速下基本沒有出現回流區。詳見圖8 所示。因此一定程度上可以減緩積灰速度，延長余熱鍋爐運行周期。

圖8 流場分析對比Fig.8 Comparison of flow distribution

2.2 陶瓷管出口局部結構的影響

陶瓷管出口分析模型分為2 種：直管型和過渡型，考慮到陶瓷管入口模型分析結果，陶瓷管出口平均流速只選取20 m/s 對流場進行分析，并且研究出口局部結構對流場的影響。模型均選取整段陶瓷管長度和一部分換熱管進行分析，模型只考慮內徑和局部結構，研究陶瓷管出口結構的變化對流場的影響。

2.2.1 出口直管型

直管陶瓷管模型如圖9 所示，陶瓷管出口為45 mm?？紤]到陶瓷套管厚度和陶瓷纖維厚度，在出口由45 mm擴張為55 mm。流場模擬結果如圖10所示。

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

圖10 出口直管型流場模擬結果Fig.10 Simulation results of outlet straight pipe flow distribution

2.2.2 出口過渡型

出口過渡型陶瓷管模型如圖11 所示，考慮到陶瓷套管厚度和陶瓷纖維厚度，在出口由45 mm 采用過渡漸變為55 mm。流場模擬結果如圖12 所示。

圖11 出口過渡型模型Fig.11 Outlet transiens model

表1 流場分析結果對比表Table 1 Comparison of flow distribution analysis results m·s-1

根據數值模擬結果，如圖10、圖12 所示對比陶瓷管出口模型直管型和過渡型的氣流狀態，直管型出口會形成明顯的回流區，其效果與直管型入口相同；當采用過渡段出口時，則可消除回流區。

圖12 出口過渡型模型流場模擬結果Fig.12 Simulation results of outlet transiens flow distribution

3 結論

氯堿高沸焚燒裝置的余熱鍋爐由于煙氣中可能存在鈉鹽、鐵鹽極易產生堵塞的問題。通過模擬分析得出結論：

（1）降低管內平均流速，回流區最大流速增長速率減小。

（2）收縮型及改進型陶瓷管入口新設計的局部結構在一定程度上抑制了氣流的脫體與起旋，避免回流區的產生，尤其是改進型陶瓷管在20 m/s 的平均流速時基本沒有出現回流區。

（3）改進型陶瓷管進口與管板成20°收縮角，進口邊為半徑為4 mm 的倒角，管前端設置內凸圓弧過度段，出口以14°角度過度漸變，采用改進型陶瓷管可以減緩積灰，延長余熱鍋爐運行周期，減少設備停車清灰次數。

（4）目前改進型陶瓷管的余熱鍋爐應用于某項目中，設計平均流速為20 m/s，裝置連續運行周期是改進前的3 倍，改善效果良好。