濕法脫硫吸收塔出口直插式氧量探頭濾網的溫度場模擬

曾想

（廣東大唐國際潮州發電有限責任公司，廣東潮州 521000）

濕法脫硫吸收塔出口直插式氧量探頭濾網的溫度場模擬

曾想

（廣東大唐國際潮州發電有限責任公司，廣東潮州 521000）

隨著全球工業制造格局的變化，造就了我國經濟快速發展。因此使我國能源消耗急劇增加。本文章針對濕法脫硫吸收塔出口氧量探頭濾網堵塞問題。通過參照實際煙氣參數與氧量探頭運行時的相關參數，運用成熟的理論模型進行數值模擬；并且分析數值模擬的結果得出氧量探頭在相應的煙氣溫度區間內濾網長度的對應值。為解決濾網堵塞問題提供數值依據。

濕法脫硫 直插式氧量探頭 溫度場

1　研究背景

隨著經濟的快速發展全國總裝機容量不斷上漲。伴隨著工業的高速發展與技術的相對落后，電力行業中的燃煤機組仍然是發電企業中的主流。與此同時，伴隨著我國工業實力的發展，作為代價自然環境也遭到了嚴重的破壞。隨著政策的調整與各個行業的努力，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火電廠的首選。

本文利用模擬計算的方式，對以氧量探頭為代表的脫硫裝置出口直插式探頭濾網套管金屬壁進行溫度場的模擬。由于氧量探頭內部包含有加熱絲（保障鋯電池正常運行），因此利用加熱絲的余熱來加熱濾網則是一種不過的選擇。文章中用45℃到55℃作為環境參考溫度，選擇固定的金屬導熱參數與流體參數，已加熱絲至濾網的距離作為變量，采用經典的溫度場計算方式進行計算。得到諸多具有參考價值的模擬結果。

2　數學建模

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生電勢差，通過測量電勢差來顯示氧量。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溫度降至露點以下，以至濾網處煙氣中水分凝結堵塞濾網。但與此同時由于氧量探頭中存在加熱絲，使得氧量探頭的濾網能通過金屬套管獲得加熱絲的余熱提高自身溫度蒸發水分。

本文利用上述矛盾通過數值計算的方式找出平衡的區間，為企業氧量探頭選型提供理論依據。

圖1　氧量探頭簡化釋義圖

如圖1所示氧量探頭管壁厚度為0.005m，濾網固定在濾網套管上，套管長度為L1、套管外壁直徑為0.056m、套管內壁直徑為0.046m。圖1中L2表示加熱絲至濾網的距離。若L1＞L2時加熱絲在濾網套管內部，在這種情況下加熱絲的熱量通過套管壁直接傳導至濾網。若L1＜L2時熱量傳導至濾網的過程中，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行了數值模擬。

在數值模擬計算中采用的參數：

h為流體參數，λ為管壁材料（設為306不銹鋼）傳熱系數。

3　數學模型

在探頭中的大量原件為中軸線對稱，因此在數學模型建立時，采用圓柱坐標系（cylindrical coordinates）建立穩態溫度場其中t表示溫度；R表示延探頭套管切向位移；Z表示延探頭套管長度方向位移；θ表示角度（由于探頭的對稱性，在計算時令

因加熱絲為圓柱形長度非0，當選擇對應向外導熱切面ZΔ足夠小時。可以認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系下的拉布拉斯方程作為控制方程，由于我們在計算時忽略煙道煙氣流場對氧量探頭導熱套內溫度場的影響。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）。我們通過現場實際測量，運用傳熱原理反推出金屬管內壁穩態溫度為205.8℃。在煙道中煙氣溫度大多出于45℃-55℃之間，因此進行數值模擬時環境溫度ft取值在45℃-55℃之間。

圖2　為環境溫度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）在濾網套管內（L1＞L2）

當L1＞L2時，計算中Z=L2。在圖2中我們可以清楚的看出以下兩點：其一，隨著環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；其二，管壁溫度隨傳導距離的變化并非線性關系，由于單位長度的管壁隨表面溫度的下降，耗散在流體中的熱量減少，當傳導距離足夠長時溫度降趨于環境溫度。

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

4.2加熱絲（熱源）在濾網套管外（L1＜L2）

當L1＜L2時，即導熱過程中還需要考慮經過螺紋時熱量的損失，計算中Z=L2-L1。計算在不同材質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算。第一種邊界情況，假設螺紋接觸面壓縮到一個平面，即（Z=Z0）平面。在此情況下溫度場模擬的4個邊界條件中僅一邊為螺紋接觸平面，其余3邊為環境溫度。第二種邊界情況：在螺紋接觸面延長，在第一種情況下將R=0. 023邊界條件設螺紋接觸面。即4個邊界條件中有2條邊為螺紋接觸面。

圖3.A：第二種邊界情況下，當環境溫度Tf=45℃時螺紋后管壁在Z-R平面溫度場分布。圖3.B：第二種邊界情況下，環境溫度分別為45℃、50℃、55℃，當螺紋到熱源在管壁距離為Z時，螺紋前的溫度為T1螺紋后的溫度為T2。C：當環境溫度為50℃時，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，在此種情況下當螺紋至加熱絲的距離小于0.058m時，T2的溫度大于100℃。通過圖3.C可以明顯看出：對比兩種情況下的溫度降曲線不難發現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際工程應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時的損失，從而提高濾網套管前段溫度。

5　結語

本文通過數值計算的方式得到氧量探頭濾網套管在45-55℃的環境溫度下的穩態溫度場以及溫度曲線。這種穩態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℃直線交叉點的位置來判斷濾網套管長度的極限值。

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

本文在數值計算過程中采用，氧量探頭濾網套管的金屬傳熱參數以及煙氣流動參數為固定值，但由于煙氣溫度及流速值在一定范圍內文本的模擬結果具有一定的代表性。在實際應用中由于環境壓力并非標準大氣壓露點溫度會有所變化，但該計算仍然具有參考價值。通過實踐中的觀察，其結果與模擬結果相符。