濕法脫硫吸收塔出口直插式氧量探頭濾網(wǎng)的溫度場(chǎng)模擬

曾想

（廣東大唐國(guó)際潮州發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東潮州 521000）

濕法脫硫吸收塔出口直插式氧量探頭濾網(wǎng)的溫度場(chǎng)模擬

曾想

（廣東大唐國(guó)際潮州發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東潮州 521000）

隨著全球工業(yè)制造格局的變化，造就了我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。因此使我國(guó)能源消耗急劇增加。本文章針對(duì)濕法脫硫吸收塔出口氧量探頭濾網(wǎng)堵塞問題。通過參照實(shí)際煙氣參數(shù)與氧量探頭運(yùn)行時(shí)的相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用成熟的理論模型進(jìn)行數(shù)值模擬；并且分析數(shù)值模擬的結(jié)果得出氧量探頭在相應(yīng)的煙氣溫度區(qū)間內(nèi)濾網(wǎng)長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)值。為解決濾網(wǎng)堵塞問題提供數(shù)值依據(jù)。

濕法脫硫 直插式氧量探頭 溫度場(chǎng)

1　研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展全國(guó)總裝機(jī)容量不斷上漲。伴隨著工業(yè)的高速發(fā)展與技術(shù)的相對(duì)落后，電力行業(yè)中的燃煤機(jī)組仍然是發(fā)電企業(yè)中的主流。與此同時(shí)，伴隨著我國(guó)工業(yè)實(shí)力的發(fā)展，作為代價(jià)自然環(huán)境也遭到了嚴(yán)重的破壞。隨著政策的調(diào)整與各個(gè)行業(yè)的努力，火電廠作為重大污染源SO2的源頭，分分在煙氣排放前加裝了脫硫裝置。濕法脫硫作為脫硫效率最高的裝置也成為了各個(gè)火電廠的首選。

本文利用模擬計(jì)算的方式，對(duì)以氧量探頭為代表的脫硫裝置出口直插式探頭濾網(wǎng)套管金屬壁進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬。由于氧量探頭內(nèi)部包含有加熱絲（保障鋯電池正常運(yùn)行），因此利用加熱絲的余熱來加熱濾網(wǎng)則是一種不過的選擇。文章中用45℃到55℃作為環(huán)境參考溫度，選擇固定的金屬導(dǎo)熱參數(shù)與流體參數(shù)，已加熱絲至濾網(wǎng)的距離作為變量，采用經(jīng)典的溫度場(chǎng)計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算。得到諸多具有參考價(jià)值的模擬結(jié)果。

2　數(shù)學(xué)建模

文中氧量探頭的模型是基于直插式氧量探頭。該種氧量探頭測(cè)量是通過高溫（750℃-840℃）下氧化鋯在氧濃度存在差值的情況下產(chǎn)生電勢(shì)差，通過測(cè)量電勢(shì)差來顯示氧量。在特定的安裝位置，入脫硫吸收塔出口。由于煙氣溫度的降低，使得氧量探頭前端濾網(wǎng)溫度降至露點(diǎn)以下，以至濾網(wǎng)處煙氣中水分凝結(jié)堵塞濾網(wǎng)。但與此同時(shí)由于氧量探頭中存在加熱絲，使得氧量探頭的濾網(wǎng)能通過金屬套管獲得加熱絲的余熱提高自身溫度蒸發(fā)水分。

本文利用上述矛盾通過數(shù)值計(jì)算的方式找出平衡的區(qū)間，為企業(yè)氧量探頭選型提供理論依據(jù)。

圖1　氧量探頭簡(jiǎn)化釋義圖

如圖1所示氧量探頭管壁厚度為0.005m，濾網(wǎng)固定在濾網(wǎng)套管上，套管長(zhǎng)度為L(zhǎng)1、套管外壁直徑為0.056m、套管內(nèi)壁直徑為0.046m。圖1中L2表示加熱絲至濾網(wǎng)的距離。若L1＞L2時(shí)加熱絲在濾網(wǎng)套管內(nèi)部，在這種情況下加熱絲的熱量通過套管壁直接傳導(dǎo)至濾網(wǎng)。若L1＜L2時(shí)熱量傳導(dǎo)至濾網(wǎng)的過程中，由于螺紋接口的存在使得部分熱量在其中耗散。本文在以上所述的兩種情況下都進(jìn)行了數(shù)值模擬。

在數(shù)值模擬計(jì)算中采用的參數(shù)：

h為流體參數(shù)，λ為管壁材料（設(shè)為306不銹鋼）傳熱系數(shù)。

3　數(shù)學(xué)模型

在探頭中的大量原件為中軸線對(duì)稱，因此在數(shù)學(xué)模型建立時(shí)，采用圓柱坐標(biāo)系（cylindrical coordinates）建立穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)其中t表示溫度；R表示延探頭套管切向位移；Z表示延探頭套管長(zhǎng)度方向位移；θ表示角度（由于探頭的對(duì)稱性，在計(jì)算時(shí)令

因加熱絲為圓柱形長(zhǎng)度非0，當(dāng)選擇對(duì)應(yīng)向外導(dǎo)熱切面ZΔ足夠小時(shí)。可以認(rèn)為在該切面任意徑向可以表示為：

在本文中采用在圓柱坐標(biāo)系下的拉布拉斯方程作為控制方程，由于我們?cè)谟?jì)算時(shí)忽略煙道煙氣流場(chǎng)對(duì)氧量探頭導(dǎo)熱套內(nèi)溫度場(chǎng)的影響。因此在傳熱套管中相同R與Z的圓上t為固定值（即控制方程可以表示為：

我們模擬的是將探頭放置在空氣或煙氣等流體中，因此探頭外表面符合牛頓冷卻定律，即選擇傳熱學(xué)中的第三類邊界條件。即：其中w表示換熱表面的外法線。

4　模擬結(jié)果

在初始條件的模擬中，由于在加熱絲與金屬管壁之間存在著多種傳熱方式（熱輻射、熱交換等）。我們通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，運(yùn)用傳熱原理反推出金屬管內(nèi)壁穩(wěn)態(tài)溫度為205.8℃。在煙道中煙氣溫度大多出于45℃-55℃之間，因此進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)環(huán)境溫度ft取值在45℃-55℃之間。

圖2　為環(huán)境溫度tf分別在45、50、55℃的情況下溫度在套管外壁分布的曲線

圖3　.A

圖3　.B

圖3　.C

4.1加熱絲（熱源）在濾網(wǎng)套管內(nèi)（L1＞L2）

當(dāng)L1＞L2時(shí)，計(jì)算中Z=L2。在圖2中我們可以清楚的看出以下兩點(diǎn)：其一，隨著環(huán)境溫度的提高在同樣的初始條件下，管壁溫度降至373.15K（100℃）的距離越長(zhǎng)；其二，管壁溫度隨傳導(dǎo)距離的變化并非線性關(guān)系，由于單位長(zhǎng)度的管壁隨表面溫度的下降，耗散在流體中的熱量減少，當(dāng)傳導(dǎo)距離足夠長(zhǎng)時(shí)溫度降趨于環(huán)境溫度。

在工程實(shí)踐中，熱源到濾網(wǎng)的距離小于套管螺紋到濾網(wǎng)（熱源與濾網(wǎng)通過金屬管壁直接連接）。熱量能以最有效的方式傳導(dǎo)至濾網(wǎng)，以保持濾網(wǎng)的相對(duì)高溫進(jìn)而保證其干燥。

4.2加熱絲（熱源）在濾網(wǎng)套管外（L1＜L2）

當(dāng)L1＜L2時(shí)，即導(dǎo)熱過程中還需要考慮經(jīng)過螺紋時(shí)熱量的損失，計(jì)算中Z=L2-L1。計(jì)算在不同材質(zhì)之間僅考慮一種傳熱方式（牛頓冷卻公式）。下文中我們做了以下兩種方式的計(jì)算。第一種邊界情況，假設(shè)螺紋接觸面壓縮到一個(gè)平面，即（Z=Z0）平面。在此情況下溫度場(chǎng)模擬的4個(gè)邊界條件中僅一邊為螺紋接觸平面，其余3邊為環(huán)境溫度。第二種邊界情況：在螺紋接觸面延長(zhǎng)，在第一種情況下將R=0. 023邊界條件設(shè)螺紋接觸面。即4個(gè)邊界條件中有2條邊為螺紋接觸面。

圖3.A：第二種邊界情況下，當(dāng)環(huán)境溫度Tf=45℃時(shí)螺紋后管壁在Z-R平面溫度場(chǎng)分布。圖3.B：第二種邊界情況下，環(huán)境溫度分別為45℃、50℃、55℃，當(dāng)螺紋到熱源在管壁距離為Z時(shí)，螺紋前的溫度為T1螺紋后的溫度為T2。C：當(dāng)環(huán)境溫度為50℃時(shí)，dTk1為第一種邊界情況下的溫降；dTk2為第二種邊界情況下的溫降。從圖3.B中通

過輔助線373，15（100℃）可以看出，在此種情況下當(dāng)螺紋至加熱絲的距離小于0.058m時(shí)，T2的溫度大于100℃。通過圖3.C可以明顯看出：對(duì)比兩種情況下的溫度降曲線不難發(fā)現(xiàn)在兩種不同邊界情況下，溫降的曲線也不同。在第二種邊界情況下，溫降明顯小于第一種情況。這是由于接觸面的增加使傳熱量得到提升。由此我們可以得知在實(shí)際工程應(yīng)用中增加接口處兩段套管之間的接觸面能有效的減少熱量在傳導(dǎo)時(shí)的損失，從而提高濾網(wǎng)套管前段溫度。

5　結(jié)語

本文通過數(shù)值計(jì)算的方式得到氧量探頭濾網(wǎng)套管在45-55℃的環(huán)境溫度下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)以及溫度曲線。這種穩(wěn)態(tài)主要是熱能恒定供給（固定初始條件）與金屬表面耗散熱量（牛頓冷卻公式邊界條件）的平衡。我們描繪濾網(wǎng)套管外壁溫度與其到熱源距離的曲線，通過曲線與100℃直線交叉點(diǎn)的位置來判斷濾網(wǎng)套管長(zhǎng)度的極限值。

工程應(yīng)用中氧量探頭濾網(wǎng)套管有兩種形制，在文中使用一、二兩種邊界條件表示出來，即L1＞L2與L1＜L2時(shí)。在兩種情況下的最大差被在于熱能在沿濾網(wǎng)套管管壁傳導(dǎo)過程中是有否有通過螺紋節(jié)時(shí)的能聊耗散。在第一種情況中（L1＞L2）由于沒有螺紋節(jié)的能量耗散，熱能能夠充分傳導(dǎo)至濾網(wǎng)前段，因此在這一濾網(wǎng)套管的形制下濾網(wǎng)與加熱絲的極限距離較長(zhǎng)可在18-20cm左右；在第二種情況中（L1＜L2）由于螺紋節(jié)的存在，使得熱量在傳導(dǎo)過程中有額外的耗散，因此在這一濾網(wǎng)套管的形制下濾網(wǎng)與加熱絲的極限距離較短在5-6cm左右。這里需要提醒的是，螺紋與濾網(wǎng)的距離盡可能的小。

本文在數(shù)值計(jì)算過程中采用，氧量探頭濾網(wǎng)套管的金屬傳熱參數(shù)以及煙氣流動(dòng)參數(shù)為固定值，但由于煙氣溫度及流速值在一定范圍內(nèi)文本的模擬結(jié)果具有一定的代表性。在實(shí)際應(yīng)用中由于環(huán)境壓力并非標(biāo)準(zhǔn)大氣壓露點(diǎn)溫度會(huì)有所變化，但該計(jì)算仍然具有參考價(jià)值。通過實(shí)踐中的觀察，其結(jié)果與模擬結(jié)果相符。