引言水泥窑余热发电技术将低温废烟气余热转化成电能，使水泥综合电耗下降30%以上[1]，既可降低企业生产成本，又可以有效地减轻水泥生产对环境的热污染。水泥窑余热锅炉是节能环保的关键装备。然而近年来对水泥窑高温大容量余热锅炉的需求不断涌现[2]，特殊项目AQC余热锅炉入口烟气温度甚至高于600 oC，因此需对现有的计算方法及计算软件进行数值模拟验证。CFD计算在余热锅炉的模拟计算过程中应用广泛。Antonio[3]等对余热锅炉计算模型进行简化处理，通过运行参数验证简化模型的合理性，对于水泥窑AQC余热锅炉模型简化有指导性的意义。文中以印度Shree Cement公司Raipur项目的水泥窑AQC余热锅炉为研究对象，建立AQC余热锅炉1∶1全尺寸三维模型，对其内部速度场和温度场进行数值模拟，得到AQC余热锅炉内部的温度场分布及烟气流速。经过多年的试验，结合锅炉运行经验，提出适合于水泥窑余热锅炉的设计计算方法，开发符合性极好的计算软件，验证了现有计算方法及计算软件的准确性，为后期运行提供数据上的支持。1AQC余热锅炉CFD研究方案1.1CFD计算方案运行中的AQC余热锅炉内部实际流动与传热过程非常复杂，炉内涉及模拟的主要过程包括高温烟气和过热器、蒸发器、省煤器、加热器等换热器间的传热。根据CFD仿真技术特点，研究中采用“3D模型构建、ICEM网格划分、FLUENT三维数值模拟”协同作业的技术路线，利用高性能并行计算技术，对锅炉内复杂烟气流动进行求解计算。考虑到换热器管束多，且换热管束包含鳍片结构，其管径相对于外部空间尺寸小，而CFD计算网格数量取决于几何模型的最小结构尺度，如果按最小结构尺度来决定计算网格，以模拟实际流体在换热器处的流动与传热特性，将因网格数量巨大而超出目前计算机的计算能力。因此，在现有条件下无法考虑到每根管子的实际模型。为解决这一问题，选择在建模过程中换热管束以多孔介质模型和热交换模型表征计算[3]。多孔介质模型将流体、固体划入同一控制体中，将流动区域中固体对流动的作用看作是附加在流体上的阻力，通过对控制微分方程组的修改来表现固体对流动的影响。采用多孔介质模型后，空气在管束间的流动被等效为含固体障碍物的均匀流动，等效后的流动面积、流道体积与原流道一致。固体障碍物对流动的影响从多孔阻力系数考虑，以较粗的网格模拟流动，不需要提供几何特征的精确细节，达到降低计算网格数量的目的。对AQC余热锅炉的物理模型进行简化，对烟气主要流动区域建模，忽略锅炉仪表安装孔、检查孔等较小流动区域的建模；忽略由于漏风造成的烟气流量的减小；将对流换热管束简化成多孔介质区域，采用热交换和阻力模型进行模拟计算。对锅炉内烟气流动进行CFD计算，物理模型如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.014.F001图1余热锅炉CFD计算模型数值计算模型采用不可压缩雷诺平均N~S(RANS)方程，湍流模型采用Realizable k-ε模型进行模拟，求解质量、动量以及能量方程[4]。采用Ansys Fluent 15.0模拟，二阶迎风格式计算，Simple算法，迭代无错误并符合一个合理的设置要求。1.2技术路线（1）根据余热锅炉设计图纸，利用三维建模软件Solid Works建立AQC余热锅炉1∶1全尺寸实物模型。考虑过热器、蒸发器、省煤器等换热管束的布置结构。（2）利用ICEM CFD软件对模拟对象进行精细网格划分，对各换热器管组网格进行详细划分。（3）基于商业数值软件ANSYS FLUENT和并行计算平台，对锅炉内烟气流场进行模拟。采用Realizable k-ε模型，过热器、蒸发器、省煤器等换热管束的流动换热采用多孔介质模型和热交换模型。（4）采用Tecplot和CFD Post软件对计算结果进行后处理，对锅炉内的速度场、温度场分析，研究烟气流动换热特性。（5）编写《AQC余热锅炉内烟气流场数值模拟报告》。根据锅炉总图及各部件CAD图纸，按照CFD计算方案要求进行简化处理。锅炉总体结构建模如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.014.F002图2锅炉总体结构图AQC余热锅炉内部结构非常复杂，总体尺寸较大，网格划分是数值计算的关键所在。网格质量的好坏直接影响计算结果的敛散性。文中采用分块网格技术，对各部分网格进行处理。经过对网格的优化设计，最终网格数量控制在500万左右。部分网格结构如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.014.F003图3网格划分示意2流场计算工况及结构设计2.1计算工况设置计算中参考热力计算参数设计工况，锅炉主要参数如表1所示。烟气组分为N2含量79%，CO2含量0.1%，H2O含量0.1%，O2含量20.8%。计算过程中涉及湍流模型、组分输运模型、传热模型、辐射换热模型等的选用，以及各模型参数的选取。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.014.T001表1锅炉主要参数参数数值锅炉入口烟气量/（m³/h）450 000锅炉入口烟气温度/℃600锅炉出口烟气温度/℃144.7蒸汽段锅炉蒸发量/（t/h）110.7设计压力/MPa（g）2.4额定蒸汽压力/MPa（g）1.75额定蒸汽温度/℃475给水温度/℃125锅炉水压试验压力/MPa（g）3.6热水段额定吸热量2.9设计压力/MPa（g）3.4出水量/（t/h）32出水温度/℃125给水温度/℃48锅炉水压试验压力/MPa（g）5.1依据现有计算方法及计算软件，得到AQC余热锅炉热力计算汇总如表2所示，作为CFD数值模拟计算研究中计算结果的对比验证。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.014.T002表2热力计算结果汇总名称及符号高温过热器低温过热器蒸发器省煤器II省煤器I热水器管子规格/mmФ 51×4.06Ф 51×4.06Ф 42×3.2Ф 38×3.2Ф 38×3.2Ф 38×3.2对流受热面积/m²1 757.73 314.527 742.38 005.613 342.72 668.2烟气进口温度/℃600559474.6218.4208.7165.3烟气出口温度/℃559474.6218.4208.7165.3144.7工质进口温度/℃368.7220211.1194.212548工质出口温度/℃475.2439.6211.1206.3194.2130.4烟气平均速度/（m/s）665.53.83.63.4工质平均速度/（m/s）——————2.2锅炉内部灰斗烟气分离器设计由于本项目AQC余热锅炉单体远大于以往项目，因此要求AQC锅炉烟气阻力不大于600 Pa，内部分离器除尘效率大于60%。根据以往经验，较小的导流板角度及板宽能够降低锅炉整体阻力，但分离器除尘效率不高。因此结合以往经验和项目技术要求，底部分离器导流板角度调整为49o，板宽调整为300 mm×480 mm。通过CFD计算验证调整的合理性，最终达到符合项目技术要求的目的。分离器结构设计如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.014.F004图4分离器结构设计3锅炉内部烟气流动计算结果3.1温度场设置AQC锅炉入口烟气温度600 oC，尾部烟气出口温度144.7 oC。计算得到AQC余热锅炉中间截面温度场分布如图5所示，各换热器出口截面分布如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.014.F005图5中间截面温度分布图6各换热器出口截面温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.014.F6a110.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.014.F6a2由图5可知，沿着烟气流通方向，总体上烟气温度逐渐降低。由图6可知，温度场在出口截面上存在明显的不均匀性，特别是高低温过热器出口截面温度分布不均匀。3.2速度场AQC余热锅炉模型烟气下进上出，烟气进出口流通面积较小，进口流速15 m/s，出口流速18 m/s。AQC余热锅炉内速度矢量分布如图7所示，锅炉内截面速度分布如图8所示。各部件出口烟气流速逐渐降低，烟气进出口及导流板前后等流通截面缩小的局部区域流速较高。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.014.F007图7锅炉内速度矢量分布10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.014.F008图8锅炉内截面速度分布AQC余热锅炉内速度流线图如图9所示。烟气经过导流板时，流通面积急剧下降，流速陡然升高。计算结果显示，最高流速不大于28 m/s，现有导流板角度及板宽设置基本满足流程均匀性分布的要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.014.F009图9锅炉内速度流线图3.3CFD计算结果与热力计算结果对比数值模拟结果和热力计算值结果比较如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.014.T003表3锅炉内烟气热力计算值和数值计算值比较锅炉组成热力计算值数值计算值进口温度出口温度进口温度出口温度高温过热器600559600556.87低温过热器559474.6556.87476.17蒸发器474.6218.4476.17218.48省煤器II218.4208.7218.48209.09省煤器I208.7165.3209.05166.41热水器165.3144.7166.41144.07出口144.7144.7144.07144.07℃热力计算值压降为600 Pa，数值计算值压降为588.2 Pa。模拟计算结果和热力设计计算结果基本吻合。说明多年应用的计算方法及计算软件计算结果较为准确，仍适用于现有高温大容量水泥窑余热锅炉。热力计算中，锅炉内垂直于流道截面上假定均匀分布，而三维数值模拟结果可以看出，流场在截面上具有不均匀性。因此在AQC余热锅炉结构设计过程中，可以适当考虑应用过热器局部保护结构。经三维模拟计算可得，AQC余热锅炉的总体阻力588.2 Pa。比较CFD计算结果和热力计算值，两者偏差小于2%，验证了现有热力计算方法在高温大容量AQC余热锅炉阻力计算过程中的准确性。4结语采用CFD仿真技术，针对高温大容量AQC余热锅炉内部烟气流动进行数值模拟，获得锅炉内部速度、温度等流场参数，并进行相应的优化设计。采用“3D模型构建、ICEM网格划分、FLUENT三维数值模拟”协同作业的技术路线，利用高性能并行计算技术，对锅炉内复杂烟气流动进行计算。参考设计图纸进行3D建模，并进行网格划分，以设计工况下的热力计算参数进行计算，考虑烟气中各组分的真实气体组成。计算过程中考虑湍流、组分输运、传热的计算。模拟计算结果和热力计算热力参数比较吻合，验证了原有计算方法及计算软件应用于高温大容量水泥窑余热锅炉计算过程中的准确性。