付雙成，曹港，陳強(qiáng)飛，孫肖潤(rùn)，偶國(guó)富，周發(fā)戚，李蘆雨

（1 常州大學(xué)機(jī)械與軌道交通學(xué)院，江蘇常州 213164；2 江蘇省綠色過程裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州 213164；3 中國(guó)石化揚(yáng)子石化分公司熱電廠，江蘇南京 210018）

隨著能源需求的增大，燃煤電廠依舊占據(jù)著電力的主要地位。傳統(tǒng)電廠效率低，排煙溫度高，既浪費(fèi)資源又達(dá)不到爐效要求。近年來，煙氣余熱回收技術(shù)在提高鍋爐效率研究中越來越受重視。省煤器是煙氣余熱回收系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，具有良好的節(jié)能效果，但是煙氣含塵量大會(huì)造成省煤器換熱管表面積灰。尤其是電廠鍋爐脫硝改造后，煙氣中存在反應(yīng)生成物硫酸氫銨（NHHSO，簡(jiǎn)稱ABS），對(duì)飛灰顆粒的沉積堵塞能力有著較大的影響。

省煤器管束通常采用加裝翅片來強(qiáng)化傳熱性能，加裝翅片同時(shí)改變煙氣和飛灰顆粒的流動(dòng)特性。Jin 等研究H 型翅片管結(jié)垢特性和傳熱性能，并獲得的相關(guān)性，具有較好的預(yù)測(cè)精度。Wang等研究了寬度、行數(shù)和翅片高度等幾何參數(shù)對(duì)H型翅片管性能的影響，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)獲得了最佳參數(shù)組合。黃遠(yuǎn)東等通過模擬氣固兩相流繞流的情況，得出繞流圓柱后的顆粒分布情況及影響因素。牧林等通過模擬分析發(fā)現(xiàn)顆粒尺寸顯著影響飛灰顆粒的沉積，并且在管束壁面上沿流動(dòng)方向的沉積分布中起重要作用。王飛龍等通過研究換熱器的積灰特性，發(fā)現(xiàn)單H型翅片管比雙H型翅片更易發(fā)生飛灰顆粒沉積。在實(shí)驗(yàn)方面，Chen等實(shí)驗(yàn)研究了H型翅片管組的傳熱和壓降特性，以及翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)H 型翅片管換熱器的影響。Han 和He等建立了換熱器表面新的酸冷凝模型，通過模擬得出換熱的數(shù)值解，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性，還獲得了硫酸的值與管束翅片幾何形狀的相關(guān)性。Shi 等實(shí)驗(yàn)研究了H 型翅片管上積灰對(duì)傳熱的影響，并對(duì)螺旋翅片管之間的交錯(cuò)和串聯(lián)排列進(jìn)行比較。

由于鍋爐脫硝過程中氨氣的逃逸不可避免，因而易與SO發(fā)生反應(yīng)生成ABS，許多學(xué)者對(duì)ABS 的黏附機(jī)理進(jìn)行了研究。馬大衛(wèi)等通過采樣分析，發(fā)現(xiàn)飛灰堵塞的主要原因是ABS 在煙灰與壁面之間充當(dāng)了黏合劑。劉建民等通過測(cè)試空預(yù)器波紋板表面積灰成分后，得出飛灰板結(jié)原因主要是液態(tài)的強(qiáng)黏性ABS使飛灰發(fā)生板結(jié)，ABS黏結(jié)性積灰不同于原有的松散性積灰和酸冷凝積灰。梁登科基于脫硝引起的堵灰、換熱效率下降等問題，開展對(duì)ABS的實(shí)驗(yàn)研究，得出了ABS對(duì)飛灰顆粒粒徑、熱導(dǎo)率、黏性等參數(shù)的影響，為后續(xù)飛灰黏附、結(jié)渣研究奠定了基礎(chǔ)。劉海嘯通過實(shí)驗(yàn)得出煙氣溫度是ABS 黏結(jié)積灰形成的主要因，并提出采用升溫的方法解決ABS 造成的堵塞具有更好的工程效果。在鍋爐省煤器中，省煤器下部溫度處于ABS 的液化溫度區(qū)間。因而，在省煤器中飛灰堵塞是常見的現(xiàn)象，ABS的存在大大增強(qiáng)了飛灰顆粒的沉積堵塞能力。

通過南京某熱電廠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)煙氣的風(fēng)量變小，省煤器的出口出現(xiàn)煙氣溫度升高的現(xiàn)象，初步判斷低溫省煤器發(fā)生了堵塞。本文將針對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的低溫省煤器飛灰沉積堵塞實(shí)際問題，采用ANSYS FLUENT 軟件對(duì)H 型翅片管省煤器進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值模擬研究。在考慮ABS 黏性積灰的基礎(chǔ)上，探討翅片布置方式對(duì)飛灰沉積的影響規(guī)律，優(yōu)化結(jié)構(gòu)來解決飛灰堵塞問題，為低溫省煤器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改造提供參考。

1 數(shù)值模擬方法及建模

1.1 數(shù)值模擬方法

通過歐拉-拉格朗日的方法來解決典型的夾帶顆粒連續(xù)相流。煙氣流經(jīng)管束時(shí)執(zhí)行典型的周期性振蕩運(yùn)動(dòng)，這會(huì)影響管子周圍小飛灰顆粒的軌跡。管外的流場(chǎng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，所以采用剪應(yīng)力傳遞（SST）-湍流模型，因?yàn)樗鼘?duì)自由剪切湍流、附著邊界層湍流和適度分離湍流都有較高的計(jì)算精度。

對(duì)于飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)，采用離散模型（DPM）來跟蹤每個(gè)飛灰顆粒的軌跡，飛灰顆粒的控制方程見式(1)。

應(yīng)用隨機(jī)游走粒子跟蹤模型評(píng)估計(jì)算域中由湍流波動(dòng)引起的飛灰顆粒的分散。研究中不考慮飛灰顆粒對(duì)煙氣流動(dòng)的影響。

臨界速度積灰模型可模擬黏結(jié)性積灰在壁面的沉積動(dòng)態(tài)，積灰準(zhǔn)則運(yùn)用Brach和Dunn提出的基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的半經(jīng)驗(yàn)反彈速度，稱為臨界速度，其計(jì)算見式(3)。

式中，為復(fù)合楊氏模量，計(jì)算見式(4)。

飛灰顆粒沉積率為壁面上飛灰顆粒沉積質(zhì)量與飛灰顆?？傎|(zhì)量的比值。當(dāng)飛灰顆粒直徑相同時(shí)，飛灰顆粒沉積率等于壁面上飛灰顆粒沉積數(shù)目與飛灰顆?？倲?shù)目的比值。沉積率計(jì)算見式(5)。

式中，和分別為飛灰顆粒在壁面上的沉積質(zhì)量和沉積數(shù)目；和分別為飛灰顆粒進(jìn)入計(jì)算域的質(zhì)量和數(shù)目。

低溫省煤器爐管與煙氣發(fā)生熱量交換，煙氣溫度逐漸下降，為ABS 的冷凝析出創(chuàng)造了條件，煙氣溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)需要打開能量方程，見式(6)。

式中，x為張量坐標(biāo)；u為x方向的平均速度分量，m/s；c為煙氣定壓比熱容，J/(kg·K)；為熱導(dǎo)率，W/(m·K)；為煙氣溫度，K。

1.2 建模及網(wǎng)格劃分

以南京某熱電廠出現(xiàn)飛灰堵塞的低溫省煤器為研究對(duì)象，截取支持板一側(cè)的底部7排爐管區(qū)域進(jìn)行建模，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。為了保證入口的均勻性，計(jì)算域向上擴(kuò)展為換熱管直徑的4倍。模型的網(wǎng)格如圖1(c)所示，進(jìn)口以及出口部分區(qū)域較為規(guī)整，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，既能節(jié)省內(nèi)存，又可以有較高的精度；H型翅片區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，并對(duì)管束處網(wǎng)格進(jìn)行加密。由于支撐梁上近壁處的網(wǎng)格對(duì)邊界層影響較大，因此在確保第一層網(wǎng)格尺寸≈1 的前提下加密近壁處的網(wǎng)格。

圖1 省煤器結(jié)構(gòu)示意圖

翅片管束的幾何模型選取與實(shí)際省煤器的尺寸結(jié)構(gòu)相同，相關(guān)的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 H型翅片管詳細(xì)參數(shù)單位：mm

在翅片管換熱器數(shù)值模擬計(jì)算中，很多學(xué)者采用數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格的獨(dú)立性驗(yàn)證。在飛灰顆粒沉積的數(shù)值模擬中，網(wǎng)格的數(shù)量從481350 增加到3607340對(duì)應(yīng)的模擬數(shù)如表2所示。當(dāng)進(jìn)一步增加網(wǎng)格數(shù)量，值的變化小于5%時(shí)，認(rèn)為網(wǎng)格達(dá)到獨(dú)立性的要求。本模擬計(jì)算中當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為1506202 時(shí)，數(shù)的變化率為4.2%，因此選擇網(wǎng)格數(shù)為1506202的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

表2 不同網(wǎng)格數(shù)量下模擬的平均Nu數(shù)對(duì)比

溫度場(chǎng)的分布對(duì)ABS 的凝結(jié)至關(guān)重要，本研究模擬計(jì)算基于495～530K 溫度區(qū)間發(fā)生ABS 黏結(jié)沉積的假設(shè)，對(duì)省煤器的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，然后采用DPM 模型對(duì)飛灰顆粒進(jìn)行跟蹤。飛灰顆粒從上方進(jìn)口邊界噴入，質(zhì)量流量為1×10kg/s，粒徑取值范圍為1～100μm，計(jì)算忽略顆粒對(duì)流體的作用。低溫省煤器的入口設(shè)置為速度入口邊界條件，煙氣入口溫度為530K，管壁為恒定溫度495K，支撐板和支撐梁為壁面對(duì)流換熱。選擇出口作為壓力出口，顆粒在出口逸出，其他邊界設(shè)為對(duì)稱邊界。SIMPLE 算法用于處理壓力和速度方程，采用二階算法求解飛灰顆?？刂品匠?，收斂判據(jù)能量殘差為1.0×10，其他各項(xiàng)殘差為1.0×10。

1.3 數(shù)值驗(yàn)證

對(duì)流受熱面內(nèi)飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)與煙氣的速度分布密切相關(guān)，因此受熱面附近流體流動(dòng)與傳熱特性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)十分重要。為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將數(shù)值模擬的結(jié)果與?ukauskas 實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式比較，關(guān)聯(lián)式見式(7)、式(8)。

式中，是計(jì)算域中最小橫截面處煙氣的最大速度；是摩擦系數(shù)；是管排數(shù)。在式(7)中，由煙氣的平均溫度決定，由管束的平均壁溫決定。煙氣雷諾數(shù)為12223～24445，對(duì)應(yīng)于正面煙氣速度范圍4～8m/s。

通過數(shù)值模擬計(jì)算得到的數(shù)和Δ曲線分別如圖2所示。從圖2中可以看出，模擬值和實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)值的規(guī)律和趨勢(shì)是吻合的，值和Δ值與實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)值的最大偏差分別為9%和10%。本研究的雷諾數(shù)為12223，值和Δ值的相應(yīng)誤差均小于7%，這進(jìn)一步說明了模擬具有較好的準(zhǔn)確性。

圖2 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)值的對(duì)比

2 飛灰沉積堵塞機(jī)理分析

2.1 原結(jié)構(gòu)流場(chǎng)分析

省煤器管束中心平面的煙氣流動(dòng)狀態(tài)如圖3 所示，煙氣入口速度為4m/s。如圖3(a)所示，由于支撐梁的存在，煙氣發(fā)生繞流，支撐梁上方存在煙氣滯留區(qū)。這可能會(huì)導(dǎo)致飛灰顆粒在此有著較低的運(yùn)動(dòng)速度。平面的湍動(dòng)能分布可以從圖3(b)中觀察到，支撐梁上表面的湍動(dòng)能明顯小于支撐梁四周的湍動(dòng)能，粒徑較小的飛灰顆粒易通過湍流分散來改變運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)而小粒徑飛灰顆粒易隨著煙氣進(jìn)行繞梁運(yùn)動(dòng)。通過穩(wěn)態(tài)模擬，圖3(c)顯示了中心面的煙氣跡線，顏色表示煙氣速度的大小?？梢园l(fā)現(xiàn)，不僅梁上煙氣的流速較低，而且出現(xiàn)煙氣回流、渦流的現(xiàn)象，這些渦流現(xiàn)象對(duì)支撐梁上的顆粒沉積影響較大。煙氣溫度分布云圖如圖3(d)所示，可以發(fā)現(xiàn)，在支撐梁上存在低溫區(qū)域，這有利于ABS 在支撐板上凝結(jié)，進(jìn)而加劇飛灰顆粒在支撐板附近的黏性增長(zhǎng)。同時(shí)管束后方煙氣溫度較低，粒徑較小的飛灰顆粒易在管束后方渦流附著，增加管束后方的沉積量。

圖3 原結(jié)構(gòu)流場(chǎng)

2.2 飛灰沉積堵塞機(jī)理分析

通過結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)分析，支撐梁上存在煙氣低速滯留區(qū)，飛灰顆粒在此具有較低的運(yùn)動(dòng)速度。進(jìn)一步考察翅片對(duì)煙氣流場(chǎng)的影響，有、無翅片兩種結(jié)構(gòu)中飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)跡線如圖4所示。為了更清晰地觀察飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分別選取了1μm和50μm的飛灰樣本進(jìn)行對(duì)比分析。=1μm飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)跡線如圖4(a)所示，從圖中可以看出，對(duì)于小粒徑的飛灰顆粒，存在大量的顆粒軌跡相互交叉現(xiàn)象。這表明粒徑較小的飛灰顆粒易受到煙氣湍流分散的影響。然而對(duì)于圖4(b)，=50μm 的飛灰顆粒由于具有較大的慣性，交叉軌跡明顯減少。因此，小粒徑和大粒徑的飛灰顆粒沉積機(jī)制是不相同的。通過與無翅片結(jié)構(gòu)中顆粒軌跡的對(duì)比可以看出，在翅片管省煤器中，飛灰顆粒的交叉現(xiàn)象較少。同時(shí)在翅片結(jié)構(gòu)中，由于翅片的阻礙作用，飛灰顆粒在支撐梁上具有較大的撞擊率。進(jìn)而表明由于支撐梁上方翅片的存在，限制了飛灰顆粒的橫向移動(dòng)能力。

圖4 飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)跡線

根據(jù)低溫省煤器管束積灰現(xiàn)象初步分析原因：低溫省煤器的支撐梁區(qū)域的溫度處于ABS 的冷凝溫度區(qū)間，ABS 冷凝析出團(tuán)聚飛灰顆粒形成粒徑較大、黏附力較強(qiáng)的飛灰顆粒團(tuán)。飛灰顆粒團(tuán)在爐管底部梁上開始沉積，沉積層逐漸增厚向上延伸。由于H 型翅片阻擋了煙氣的橫向流動(dòng)，進(jìn)一步提升了飛灰顆粒團(tuán)的積灰速度和高度，不斷向上堆積。

南京某熱電廠低溫省煤器檢修時(shí)拍攝的管束間積灰照片如圖5所示。從圖5中可以看出，在每個(gè)支撐板兩側(cè)都出現(xiàn)了嚴(yán)重的飛灰沉積阻塞，管束下方積灰面積大于管束上方，沉積寬度從下至上逐漸減小。進(jìn)而證明飛灰沉積堵塞機(jī)理分析的正確性，可以判定積灰從管束下方逐漸累積向上，起始積灰部位在支撐梁上表面，要想防止飛灰顆粒沉降堵塞管束，首先要控制和減少支撐梁上表面飛灰顆粒的初始沉積。

圖5 鍋爐系統(tǒng)和堵塞現(xiàn)場(chǎng)圖

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)建模及溫度場(chǎng)分析

基于上述分析，提出在爐管支撐梁上方減少H型翅片的方案，以打通煙氣局部橫向流動(dòng)通道，減少顆粒在支撐梁上的沉積量。低溫省煤器最底層爐管沒有翅片，從下數(shù)第二層開始設(shè)置無翅片三角形區(qū)域，支撐板兩側(cè)為對(duì)稱設(shè)置，支撐板左側(cè)無翅片三角形區(qū)域的寬度為，傾斜角為，優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖6 所示。結(jié)構(gòu)a、結(jié)構(gòu)b、結(jié)構(gòu)c 的值分別取1.5、2和2.5（為支撐梁上表面寬度的一半）。

圖6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

無翅片三角形區(qū)域傾斜角為=70°時(shí)溫度場(chǎng)分布情況如圖7所示。從圖7中可以看出，原結(jié)構(gòu)中溫度分布較為均勻，支撐板及管束后方存在低溫區(qū)域，有利于ABS 的冷凝，進(jìn)而加劇黏結(jié)性飛灰的沉積。在結(jié)構(gòu)a、結(jié)構(gòu)b 和結(jié)構(gòu)c 中，隨著支撐梁上翅片的減少，煙氣溫度出現(xiàn)升高趨勢(shì)，管束與管束間換熱量減少。從溫度場(chǎng)中可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的管束與管束間存在局部區(qū)域煙氣溫度升高，這有利于抑制ABS 的凝結(jié)速率，同時(shí)支撐板上的溫度相較原結(jié)構(gòu)亦發(fā)生著不同程度的增長(zhǎng)。由于實(shí)際省煤器模型有18排爐管，本研究截取下部7排爐管進(jìn)行研究，研究截取模型上方結(jié)構(gòu)沒有變動(dòng)，可以認(rèn)為上部換熱情況相同，煙氣經(jīng)過18 排帶翅片的爐管后溫度下降50℃左右。對(duì)70°傾斜角的優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的溫差占整個(gè)溫降比例為1.3%、1.56%和1.86%左右，在可接受范圍內(nèi)。

圖7 溫度場(chǎng)云圖

3.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)和飛灰沉積對(duì)比分析

省煤器通道中的煙氣流速較低，由于管束和翅片的存在，縮小了流通面積，增大了煙氣的流速。翅片的存在提高了換熱器的換熱效率，并進(jìn)一步影響飛灰顆粒的沉積特性。

煙氣流經(jīng)不同結(jié)構(gòu)的省煤器平面速度分布對(duì)比情況如圖8所示。對(duì)于原結(jié)構(gòu)，由于支撐梁的存在，煙氣發(fā)生繞流，支撐梁上方的煙氣流速非常低。這可能會(huì)導(dǎo)致飛灰顆粒在此有較低的速度，有利于支撐梁上壁面的沉積。對(duì)于結(jié)構(gòu)a、結(jié)構(gòu)b 和結(jié)構(gòu)c，從圖中可以看出，由于支撐梁上方翅片的取消，管束間的流速增大，減少飛灰顆粒在支撐板附近的沉積。但是，隨著翅片的取消，支撐梁上方的煙氣流通截面積增大，梁上的煙氣低速區(qū)較為明顯，這有利于飛灰顆粒在支撐梁上沉積。

圖8 省煤器YZ平面速度云圖

湍動(dòng)能的分布對(duì)于夾帶和捕獲飛灰顆粒至關(guān)重要，尤其是對(duì)于小顆粒。因?yàn)樾☆w粒很容易通過湍流擴(kuò)散來改變運(yùn)動(dòng)方向。不同結(jié)構(gòu)下的湍動(dòng)能分布情況如圖9所示。從圖9中可以看出，原結(jié)構(gòu)支撐梁上方湍動(dòng)能值較低，在結(jié)構(gòu)a、結(jié)構(gòu)b 和結(jié)構(gòu)c中，隨著值的增大，管束與管束間不布翅片區(qū)域的湍動(dòng)能比原結(jié)構(gòu)的翅片區(qū)域得到了顯著增強(qiáng)。管束間湍動(dòng)能的增大，有利于小粒徑的飛灰顆粒在管束間的橫向移動(dòng)。同時(shí)支撐梁附近的湍動(dòng)能亦呈現(xiàn)出明顯增強(qiáng)的趨勢(shì)，這可能會(huì)導(dǎo)致小粒徑飛灰顆粒在繞流支撐梁時(shí)彌散，進(jìn)而增加與支撐梁的撞擊率。

圖9 省煤器YZ平面湍動(dòng)能云圖

不同結(jié)構(gòu)下的煙氣跡線分布如圖10 所示。從圖10 中可以看出，由于支撐梁的繞流作用，原結(jié)構(gòu)支撐梁上的煙氣流速較低，在結(jié)構(gòu)a、結(jié)構(gòu)b 和結(jié)構(gòu)c中，隨著值的增大，三種優(yōu)化結(jié)構(gòu)支撐梁附近的煙氣二次流型更加明顯。這是因?yàn)榱荷瞎苁睦@流誘導(dǎo)了面上分離渦的產(chǎn)生。隨著支撐梁上翅片的取消，在繞梁作用的影響下，面上的二次流越發(fā)明顯。二次流渦流對(duì)于夾帶在支撐梁上壁面的飛灰顆粒很重要。

圖10 省煤器YZ平面煙氣跡線圖

粒徑為1μm和50μm的飛灰顆粒三維跡線如圖11 和圖12 所示，圖中顏色表示飛灰顆粒的速度。從圖11 中可以看出，對(duì)于粒徑1μm 的飛灰顆粒，在原結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)飛灰顆粒跡線交叉。當(dāng)改變支撐梁上的翅片布置結(jié)構(gòu)時(shí)，飛灰顆粒跡線交叉現(xiàn)象更加明顯。這是因?yàn)闊煔馔膭?dòng)能和流動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，改變了小粒徑飛灰顆粒的軌跡，意味著更易因?yàn)橥牧鞣稚⒈唤诿娌东@并沉積在壁面上。從圖12中可以看出，對(duì)于粒徑50μm的飛灰顆粒，易擺脫流場(chǎng)曳力的影響，慣性碰撞占據(jù)主導(dǎo)作用。在原結(jié)構(gòu)中，由于翅片的阻礙作用，飛灰顆粒與支撐梁的撞擊率較大。改變翅片布置結(jié)構(gòu)后，增加了飛灰顆粒橫向移動(dòng)的能力，有效降低了飛灰顆粒與支撐梁的撞擊概率。

圖11 粒徑1μm飛灰顆粒跡線

圖12 粒徑50μm飛灰顆粒跡線

由于結(jié)構(gòu)優(yōu)化取消了部分爐管上的翅片，煙氣橫向流動(dòng)空間增大，也會(huì)對(duì)爐管上的積灰產(chǎn)生影響。粒徑范圍為1～100μm 的飛灰顆粒在不同結(jié)構(gòu)管束及翅片上的沉積率如圖13 所示。從圖13 中可以看出，結(jié)構(gòu)a、結(jié)構(gòu)b 和結(jié)構(gòu)c 在前兩排管束上的飛灰顆粒沉積率與原結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)位置的飛灰顆粒沉積率相差不大。從第三排到第六排管束，三種優(yōu)化結(jié)構(gòu)上的飛灰顆粒沉積率相比于原結(jié)構(gòu)都有明顯下降，說明去掉翅片產(chǎn)生的橫向流動(dòng)并未加劇飛灰顆粒在管束上的沉積，減少翅片降低了飛灰顆粒的沉積總量。

圖13 不同管排的沉積率

不同結(jié)構(gòu)模型的支撐梁上飛灰顆粒沉積率和粒徑（1～100μm）的關(guān)系如圖14 所示。從圖14 可以看出，對(duì)于粒徑較小的飛灰顆粒，優(yōu)化結(jié)構(gòu)支撐梁上的沉積率都有不同程度的提升。這是因?yàn)橹瘟荷戏匠崞娜∠龃罅酥瘟焊浇耐膭?dòng)能，且梁上的二次回流較為明顯，粒徑較小的飛灰顆粒在此易交叉擴(kuò)散，進(jìn)而被壁面捕捉沉積。小粒徑的飛灰顆粒由于慣性小，可以很容易地跟隨湍流的煙氣流動(dòng)，湍流擴(kuò)散是主要的沉積機(jī)制。當(dāng)飛灰顆粒粒徑＞40μm時(shí)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)支撐梁上的沉積率有著不同程度的降低，慣性沉積占據(jù)主導(dǎo)地位。這是因?yàn)橹瘟荷戏匠崞娜∠?，增加了飛灰顆粒橫向移動(dòng)的能力，有效降低了飛灰顆粒在支撐梁上方的撞擊率，避免了飛灰沿著支撐板堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。圖14中實(shí)線和虛線分別代表無翅片區(qū)域傾斜角分別為70°和60°優(yōu)化結(jié)構(gòu)的飛灰顆粒沉積情況。從圖14中可以看出，對(duì)比70°和60°的翅片傾角，結(jié)構(gòu)c和結(jié)構(gòu)c的沉積率并沒有較大的區(qū)別；結(jié)構(gòu)a 和a以及結(jié)構(gòu)b和b的支撐梁上沉積率有顯著差異，傾斜角為70°時(shí)支撐梁上的沉積率較小。無翅片區(qū)域?qū)挾?2、傾斜角=70°的結(jié)構(gòu)b對(duì)降低支撐梁附近的飛灰沉積具有更好的表現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)的飛灰顆粒沉積的平均粒徑為84μm，而大于40μm 的顆粒沉積以慣性沉積為主，與顆粒沉積機(jī)理分析相符。

圖14 支撐梁上表面飛灰顆粒的沉積率

改變支撐梁上方翅片的排列結(jié)構(gòu)，也會(huì)導(dǎo)致省煤器的傳熱性能發(fā)生變化。不同結(jié)構(gòu)的煙氣數(shù)與數(shù)的關(guān)系見圖15。從圖15可以看出，在相同的條件下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的數(shù)比原結(jié)構(gòu)的數(shù)小。這是由于翅片的刪減減小了傳熱面積，導(dǎo)致傳熱性能的相應(yīng)降低。本研究中的雷諾數(shù)為12223，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)b的數(shù)比原結(jié)構(gòu)減少了約13.8%。因建模結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，計(jì)算域比實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸小得多，翅片最大減少量?jī)H為原結(jié)構(gòu)的4.3%，所以實(shí)際差值還會(huì)有較大幅度的降低，這是在可接受的范圍內(nèi)，從而可以忽略結(jié)構(gòu)變化對(duì)省煤器傳熱性能的影響。

圖15 Nu數(shù)和Re數(shù)之間的關(guān)系

4 結(jié)論

根據(jù)低溫省煤器爐管飛灰顆粒沉積的實(shí)際工況進(jìn)行沉積過程分析，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，數(shù)值模擬了幾種結(jié)構(gòu)的飛灰沉積情況，得到的主要結(jié)論如下。

（1）由于支撐梁對(duì)煙氣的繞流作用，支撐梁上存在煙氣滯留區(qū)，飛灰顆粒易在此進(jìn)行沉積，進(jìn)而因ABS 的冷凝團(tuán)聚，增強(qiáng)了飛灰顆粒的生長(zhǎng)能力，進(jìn)一步說明了分析的正確性。

（2）支撐梁上飛灰顆粒因ABS 的影響具有較強(qiáng)的生長(zhǎng)能力，同時(shí)由于H型翅片的存在，限制了飛灰顆粒橫向移動(dòng)的能力，進(jìn)而發(fā)生沿著管板不斷向上堆積生長(zhǎng)的情況。

（3）粒徑較?。ǎ?0μm）的飛灰顆粒在優(yōu)化結(jié)構(gòu)上的沉積率有著不同程度增加，對(duì)＞40μm的飛灰顆粒，支撐梁上的飛灰顆粒沉積有著明顯的改善，結(jié)構(gòu)b的性能最優(yōu)，且換熱性能的減小在合理范圍之內(nèi)。