超臨界水煤氣化過程換熱器沉積狀況數值模擬研究；

姜 華

（湖南省邵陽市燃氣管理辦公室，湖南邵陽 422000）

超臨界水煤氣化過程換熱器沉積狀況數值模擬研究；

姜 華

（湖南省邵陽市燃氣管理辦公室，湖南邵陽 422000）

建立了超臨界水煤氣化換熱器在超臨界水與煤顆粒體系下的三維瞬態CFD模型，利用IAPWS物性數據庫計算超臨界水的物性，應用CFX軟件模擬研究了豎直放置的超臨界水煤氣化管殼式換熱器的管箱在不同進料條件和換熱器結構下的沉積狀況并對其結構進行了優化。利用已有的實驗結果對模型進行了驗證。研究表明，立式換熱器管箱垂直進料在減少顆粒沉積方面優于側邊進料和傾斜進料，合適的管箱高度可以減少顆粒的沉積，應盡量減少1 mm以上的大顆粒的含量。研究結果對超臨界水煤氣化過程中使用的換熱器的研究設計具有一定的理論意義和工程實用價值。

超臨界水；多相流；數值模擬

0 引言

湖南省邵陽市具有豐富的煤炭資源，大力發展煤制天然氣通過管道輸送并經調壓配氣后進行化工和民用，不但符合煤炭清潔利用的發展方向，同時也是天然氣供應的有效補充。近些年來，作為一種比較高效的煤炭資源的清潔利用途徑，在超臨界水環境下進行低溫催化煤氣化及生物質氣化制造清潔能源（氫氣和天然氣）引起了國內外大量學者的關注和研究［1，2］。超臨界水煤氣化過程通常需要換熱器加熱和冷卻物料，工業應用中通常使用管殼式換熱器和盤管式換熱器等。超臨界水煤氣化的物料包含煤顆粒或者反應產物中的固體顆粒。這些固體顆粒在換熱器中，通常會引起對管箱和管板的磨損以及在管箱內的沉積問題。這些物料中的顆粒尺寸并不均勻，總是不可避免地存在一定量的小于其帶出速度的大顆粒，以至于出現顆粒的積累。隨著操作時間的延長，堆積的固體顆粒以及顆粒間的碰撞將會進一步加劇換熱器中管路壁面的腐蝕和磨損，尤其是處在超臨界水中，這種情況會更加嚴重［3］。另外，不適宜的換熱器管箱結構會導致顆粒在換熱器中分布不均勻［4］，這會導致換熱器管板龜裂以及換熱器的低傳熱效率，甚至還會引起管路堵塞和腐蝕泄露問題［5］。

管路中的沉積狀況和磨損狀況跟換熱器管箱和管路中的流體流動狀況密切相關。優化換熱器結構將會減輕顆粒的沉積，保證顆粒在管板分布的均勻性。一些研究者針對管殼式換熱器中固體顆粒腐蝕狀況和換熱器結構優化應用CFD進行了研究［6－9］。然而，研究很少涉及換熱器的結構對固體顆粒沉積狀況的影響，而帶有顆粒物料的換熱器中顆粒的沉積狀況對設備能否持續穩定地運行至關重要，因此很有必要應用CFD對其流場進行模擬，探究產生沉積的原因，對換熱器結構進行優化，以盡量減少沉積。

為了減少換熱器中顆粒的沉積，降低顆粒腐蝕管壁，本文采用歐拉方法，建立了超臨界水中煤氣化換熱器的三維CFD模型，對比不同管箱、入口管徑情況下的物料流型、顆粒分布及腐蝕狀況，優化了進料入口位置和管箱結構。

1 超臨界水中煤氣化多相流體系換熱器幾何結構

本文所模擬的實體裝置是在超臨界水煤氣化工藝中使用的換熱器，用于將反應前的物料同反應后的物料換熱，加熱進料，冷卻出料。換熱器類型為標準EDR型管殼式換熱器。全長6 m，單管程單殼程，內部管程管路外徑12 mm，豎直放置，管箱高度330 mm。物料在420～640℃、23～25 MPa范圍內進行換熱。在進行流動計算時，將參考條件定義為23 MPa，570℃。流動為超臨界相和固相兩相流動。由于此換熱器縱向和橫向的尺度相差較大，若模擬整體換熱器所需的網格數太多，超過計算負荷，因此，換熱器簡化為截取管程管路0.5 m長度和最下方的管箱的形式，模型示意圖如圖1。

圖1 換熱器物理模型Figure 1 Physical model of heat exchanger

2 模型建立與幾何參數

本研究對換熱器的網格劃分采用GAMBIT 2.4.6軟件劃分，非結構化四面體網格數約為400 000。換熱器軸向和縱向的網格如圖2所示。

超臨界水獨特的物性是最難把握的一點，只有準確定義超臨界水的物性，才能更可信地模擬超臨界態的煤氣化反應。本文采用IAPWS IF97數據庫［10］數據來模擬計算超臨界水的狀態。

應用ANSYS CFX 13.0軟件進行模擬，采用瞬態計算，并用Euler觀點來描述超臨界相和固相各流動相的行為特征。超臨界相作為連續相，固相作為分散相。湍流封閉模型采用標準k-ε湍流模型。相間作用力考慮曳力和升力，分散相施加于連續相的曳力采用gidaspow模型。應用顆粒碰撞模型考慮固相顆粒之間的碰撞。模擬的參數和邊界條件如表1所示。水的物性計算采用IAPWS－IF97數據庫。計算結果收斂性良好，滿足RMS≤10－4。

圖2 換熱器網格劃分Figure 2 The grid of exchanger model

表1 模擬參數和邊界條件Table 1 Simulation parameters and numerical methods.

3 計算及結果分析

3.1 模型驗證

由于換熱器處于設計階段，本文采用實驗中的盤管對模型進行驗證。盤管全長20 m，管徑12 mm，直管段3 m，彎管段2 m，共兩圈，水平放置。水與物料混合后進入盤管，出口壓力值24.1 MPa，實驗條件下的進出口壓差值列于表2中，以實驗溫度500℃為例，水煤漿濃度為水煤質量比6.27，盤管進出口壓差為0.139 MPa，模擬相同實驗條件下的盤管壓降為0.14 MPa，相對誤差小于1%，由此驗證了CFD模型模擬的可靠性。

表2 不同進料條件下的壓降值實驗驗證Table 2 Validation by experimental pressure drop under the different feeding condition

3.2 不同流量對流場和沉積狀況的影響

進料流量決定了進料流速，進而會對沉積產生相應的影響。圖3顯示了總流量270 kg／h和100 kg／h固體顆粒含率隨時間變化圖，顆粒大小為50 μm，體積分數占1%。

圖3 總流量270 kg／h＆100 kg／h固體顆粒含率隨時間變化圖Figure 3 particle volume fraction variation with time for 270 kg／h＆100 kg／h inlet massflow

由圖3可見，隨著流量從100 kg／h增大到270 kg／h，顆粒累積量逐漸減少。流量為100 kg／h時，換熱器管箱內顆粒含率逐漸增多，出現明顯的沉積現象。而物料總流量為270 kg／h時，在流動達到穩定后管箱內顆粒含量已經趨于穩定，積累現象不明顯。因此，此結構的換熱器可以采用進料流量270 kg／h操作。

3.3 不同進料位置和進料角度對沉積的影響

圖4為模擬的五種帶有不同進料位置和角度的換熱器管箱結構。總進料流量270 kg／h，固體質量流量占25%，在溫度570℃、壓力24 MPa的條件下，固體進料體積分數占2%，其中50 μm的小顆粒（Small）占95%，300 μm的中顆粒占4%，1000μm的大顆粒占1%。由于積累量主要取決于含量最多的小顆粒，并且在小顆粒沉積的情況下，大顆粒一定沉積，因此以小顆粒沉積狀況為準，優化管箱的結構。所得小顆粒的積累量如圖5。

圖4 五種帶有不同進料位置和角度的換熱器管箱結構圖Figure 4 constraction of different structure heat exchanger

結果顯示，E結構中的小顆粒積累量最少，并且已經基本保持穩定。其次是C，側邊垂直進料，積累量也已經基本保持不變，說明C和E結構都可以穩定地輸送50μm的小顆粒。A和B仍然在逐漸積累，D的積累量最多，而且積累量仍然在劇烈的波動中。A和B比較可以發現，兩者積累趨勢相同，A略多于B，是由于進口對準管程的沖擊引起的，但顆粒的分布不均勻，存在偏流，這將影響到傳熱。

圖5 小顆粒在換熱器內的積累量Figure 5 accumulated mass of small particle in exchanger

圖6 小顆粒軸向分布云圖Figure 6 contour of small particle

從小顆粒的軸向分布云圖中可以看出，由于結構的不同，顆粒的分布也不盡相同。A結構的流動形態使得管箱中下部的流體流動受阻，中下部的顆粒含量增多，顆粒沉積主要集中在管箱的中下部。B結構出現明顯的偏流，顆粒主要在靠近進料管的一側帶出，而管箱底部的顆粒由此不能流化起來，造成底部積累。C結構在管箱中的流動存在漩渦和回流，基本可帶起顆粒流化。D結構同B結構一樣，傾斜的進料未能流化管箱底部的流體，造成顆粒大量的沉積。E結構在所有的結構中流化狀態最好，顆粒積累量最低。也即底部垂直進料優于側邊進料和傾斜進料。

圖7 小顆粒軸向速度矢量圖Figure 7 velocity vector of small particle

由圖7中可看出E中可能存在不必要的渦旋，因此，可以考慮減小管箱不必要的高度，同時也可以減小換熱器壓降。

3.4 管程排列方式的影響

對不同的管程結構形式進行研究，包括三角形排列、圓形排列和四邊形排列，結構圖如圖8所示。所得管程出口處的顆粒的體積分數如圖，可見管程排列方式對顆粒沉積的影響并不大，經驗上，管程排列對殼程的傳熱效率的影響更大些。因此后續計算仍然采用三角形排列。

圖8 三種管路排列方式結構圖Figure 8 three type of pipe distribution

圖9 三種管路排布方式的換熱器出口處顆粒含量對比Figure 9 comparition of particle volume fraction at outlet for three pipe distribution style

3.5 管箱長度的影響

采用E結構下部進料，管箱高度減小，F管箱高度200 mm，G管箱高度100 mm，對比三種結構的顆粒分布如圖10所示。

圖10 小顆粒軸向分布云圖Figure 10 Contour of small partical distribution

可見顆粒在F、G中積累更少，單位面積的顆粒積累量減少，顆粒在F、G中積累更少，采用積累量少的結構不但降低沉積堵塞的風險，還可以減少內部磨損。

圖11 小顆粒在EFG三種結構下的顆粒積累Figure 11 accumulated mas in different structure

圖11為小顆粒在EFG三種結構中的顆粒積累質量，圖中可見，F結構積累趨勢較小，而EG都有明顯積累的趨勢。

圖12 徑向截面超臨界水流速分布Figure 12 SCW veloctiy contour for radial cross section

徑向界面超臨界水流速的分布如圖12，可知E速度在邊界大，中部小，部分管路中存在速度接近于0的情況，F的速度梯度最小，中間存在速度最大區域，G則出現不穩定的偏流現象。

綜上所述，考慮到積累量和積累趨勢以及流場分布的均勻程度，F結構相對最優化。

3.6 顆粒尺寸的影響

對優化后的結構F采用含三種不同粒徑的煤顆粒進料，入口三種不同尺寸顆粒分別為紅色代表50 μm顆粒，占顆粒總質量流量的47.67%，藍色代表150 μm顆粒，占42.78%綠色代表1000 μm顆粒，占9.55%。進料總流量270 kg／h，水煤比6∶1，流動時間為50 s。由圖13可知，內部小顆粒和中顆粒質量基本不再增多，說明并未沉積，而大顆粒質量仍然在不斷積累。因此要盡可能避免1 mm大的大顆粒存在。

圖13 三種顆粒積累量Figure 13 Accumulated mass of different size particle

4 結論

本文建立了一個三維瞬態CFD模型，模擬了含超臨界相和固相的煤氣化換熱器內的沉積狀況，成功地應用歐拉方法計算顆粒在超臨界水中的分布以及水和煤的流動形式、流動狀態，并優化了換熱器管箱結構。模擬結果較好地符合實際的情況，與實驗數據的誤差在允許范圍之內，為換熱器的高效運行提供指導。所得結論如下：

1）底部垂直進料相對于側邊垂直進料和傾斜45度進料在沉積方面更有利，可有效減少沉積。

2）管程管路排列方式對顆粒沉積量的影響不大。

3）合適的管箱高度顆粒可以減少顆粒的沉積，過高的管箱增大壓降，過短的管箱未能將流動分布均勻。

4）不同粒徑的顆粒沉積量不同，大顆粒沉積較為明顯，應盡量減少1 mm以上的大顆粒的含量。

5 致謝

本文得到了中國市政工程華北設計研究總院馬敬洪教授的指導和幫助，在此鳴謝！

［1］Lu Youjun（呂友軍），Guo Liejin（郭烈錦）.Gas－liquid equilibrium analysis of hydrogen separation from product gas of biomass gasification in supercritical water.Journal of Chemical Industry and Engineering（China）（化工學報），2006，57（6）：1267～12733.

［2］Hao Xiaohong（郝小紅），Guo Liejin（郭烈錦）.Review on investigation of hydrogen production by biomass catalytic gasification in supercritical water.Journal of Chemical Industry and Engineering（China）（化工學報），2002，53（3）：221～228.

［3］Marrone，P.A.and G.T.Hong，Corrosion control methods in supercritical water oxidation and gasification processes，The Journal of Supercritical Fluids，2009，51（2）：83～103.

［4］Elvery，D.and K.Bremhorst.Erosion－Corrosion Due to Inclined Flow into Heat Exchanger Tubes-Investigation of Flow Field，in Proceedings of the ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting，San Diego，California，USA July，1996.

［5］Bremhorst，K.and M.Brennan.CFD modelling of alumina slurry heat exchanger headers：（i）Comparison of CFD approaches，in Seventh Int.Conf.on CFD in the Minerals and Process Industries，Csiro，Melbourne，Australia，2009.

［6］Kim，M.，Y.Lee，B.Kim，et al.，CFD modeling of shell－and－tube heat exchanger header for uniform distribution among tubes，Korean Journal of Chemical Engineering，2009，26（2）：359～363.

［7］Brennan，M.and K.Bremhorst.CFD modeling of alumina slurry heat exchanger headers：（ii）Parametric studies，in Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries，Csiro，Melbourne，Australia，2009.

［8］Aslam Bhutta，M.M.，N.Hayat，M.H.Bashir，et al.，CFD applications in various heat exchangers design：A review，Applied Thermal Engineering，2012，32（0）：1～12.

［9］Badr，H.M.，M.A.Habib，R.Ben－Mansour，et al.，Erosion in the tube entrance region of an air－cooled heat exchanger，International Journal of Impact Engineering，2006，32（9）：1440～1463.

［10］Wagner W，Kruse A.The industrial standard IAPWS－IF97 for the thermodynamic properties and supplementary equations for other properties［J］.Properties of Water and Steam，Springer，1998.1～354.

Numerical modeling of deposition condition in heat exchanger for coal gasification in supercritical water

Jiang Hua
（Shaoyang Gas Administration Office of Hunan Provice，Shaoyang，422000）

A 3D model of shell and tube heat exchanger used in super critical water coal gasification was established including supercritical phase and solid phases.IAPWS data base has been used to simulate the physical properties of supercritical water.Numerical simulation was studied adopting CFX in terms of deposition condition under varied feed and different structure of vertical heat exchanger tube box and the structure of the exchanger was optimized.The model has been validated by experiment results.The results showed that vertical inlet type was better than the other type and proper height of the tube box could reduce the deposition mass.The percentage of the particle whose size larger than 1 mm should be reduced to the greatest extent.The results provided significant guide to the design of the heat exchanger in supercritical water coal gasification process.

Supercritical water；Multiphase flow；Numerical simulation

TK172

A

1003-6490（2015）02-0020-06

2015－04－08

姜華（1967－），女，漢族，湖南邵陽人，畢業于重慶建工學院城建系燃氣專業，工程師，主要從事燃氣管理技術工作。