水環境下煤氣化換熱器研究范文

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摘要:

針對在超臨界水環境下進行煤氣化過程所使用的管殼式換熱器，建立了在管程和殼程內同時存在物料流動和換熱的三維管殼式換熱器模型，利用CFX軟件(計算流體力學分析軟件)對管程和殼程中物料的換熱和相變過程進行了模擬研究，成功應用IAPWSIF97(國際通用工業用水和水蒸氣熱力性質計算公式)數據庫模擬了超臨界水的物性狀態，闡述了管程內物料從亞臨界相到超臨界相的轉變過程。利用已有的實驗結果對模型進行了驗證。模擬結果表明，隨著殼程內物料流量增大，殼程壓降和傳熱系數隨之增大;殼程出口溫度增大的速率漸趨平緩;當換熱器板間距從117mm增大到150mm時強化傳熱效果并不明顯，同時大大增加了殼程的流動阻力;在壓力為23MPa，溫度達400－600℃的操作條件下，換熱器中輻射傳熱影響較大，進行數值模擬時不應忽略這部分的影響。研究指出:換熱器結構設計時需要綜合考慮傳熱和煤顆粒沉積的影響。

關鍵詞:

管殼式換熱器;數值模擬;超臨界水;煤氣化

近些年來，在超臨界水環境下進行低溫催化煤氣化反應過程，用來制造清潔能源(氫氣和天然氣)，引起了國內外大量學者的關注和研究［1－2］。其中換熱器是超臨界水煤氣化過程中必不可少的熱交換設備，通常用來作為加熱反應器進口冷物料的預熱器，同時也用作反應器出口熱產物的冷卻換熱器。鑒于實驗條件下不能直觀地得到超臨界相態的過程，利用CFD(計算流體力學方法)預測其內部流場和相變十分必要。國內外研究者利用計算流體力學對換熱器進行了廣泛的數值模擬研究，包括對其壓降、傳熱、傳熱效率、傳熱系數、湍流混合以及停留時間分布的研究等［3－9］。對于換熱器中相變的研究，一般只針對常壓下液態水到氣態水的相變［10］，對于從亞臨界水到超臨界水狀態轉變的過程研究較少，而這一過程卻是超臨界水煤氣化反應前預熱必經的過程，對超臨界水煤氣化工藝過程的研究起著至關重要的作用。本研究針對煤氣化中的超臨界水的相態轉變過程，建立了在管程和殼程內同時存在物料流動和換熱的三維管殼式換熱器CFD模型，模擬了在不同超臨界水流量條件下換熱器殼程和管程的壓力分布、溫度場和傳熱系數，指出了超臨界水相變的過程，以及輻射傳熱的影響。

1換熱器幾何模型

本研究對管殼式換熱器進行模擬研究，其基本結構如圖1所示，為一單殼程雙管程換熱器?？傞L1050mm，管程為16×2根管，管程出口入口如圖1所示，管程管徑15mm，管程容積為0．0082m3。殼程入口管直徑50mm，殼程公稱直徑為150mm，容積為0．0122m3，殼程采用上進下出式，壁面絕熱。

2數學模型與計算方法

網格劃分使用Gambit軟件(網格劃分軟件)，劃分非結構化四面體網格，殼程網格數為118萬，管程網格為102萬，在管程和殼程傳熱壁面的兩側分別劃分了邊界層，保證了傳熱計算的準確性。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。本研究采用IAPWSIF97數據庫數據來模擬計算超臨界水的狀態［11］。應用ANSYSCFX13．0軟件進行模擬，采用穩態計算，流體采用氣液混合物模型，超臨界水物性采用IAPWS物性數據庫數據，傳熱模型采用thermalenergy模型(熱能模型)，湍流封閉模型應用k－ε，輻射傳熱模型應用P1模型，當考慮顆粒相時曳力應用gidaspow模型，顆粒間應用顆粒碰撞模型。由于本研究的換熱器仍處于設計階段，研究中簡化為物料中僅含超臨界水，并對其換熱和相變進行模擬研究。亞臨界的液態水為平衡限制組份，超臨界態水為平衡自由組份。殼程和管程分別為兩個域，之間的管程管壁和殼程折流擋板為可傳熱的壁面，接觸熱阻為0．0002m2•K/W。殼程的外壁面為絕熱。殼程為上進下出，進料溫度570℃，壓力23MPa，處于超臨界狀態，折流擋板8塊，板間距117mm，出口相對壓力為0Pa(參考壓力為23MPa)。管程為下進上出，為減小網格數簡化模型，未模擬管程左側的管箱段。如圖1所示，靠下部的16根管為管程入口，上部的16根管為管程出口，壓力23MPa，溫度370℃，處于亞臨界狀態。管路采用三角形排列。時間步長采用自由時間步長，收斂標準為10－4，觀測點出口溫度、兩側傳熱系數在迭代時間步300步左右達到穩定值，在迭代時間步600步時結束計算，單個算例所需時間18h。結果顯示收斂性良好，RMS殘差已達到收斂標準。

3結果分析與討論

3．1模型驗證由于換熱器處于設計階段，本研究采用實驗中的盤管對模型進行驗證。盤管全長20m，管徑12mm，直管段3m，彎管段2m，共兩圈，容積為0．00226m3，水平放置。水與物料混合后進入盤管，出口壓力值24．1MPa，實驗條件下的進出口壓差值列于下表中，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0．139MPa，模擬同實驗條件下的盤管壓降為0．14MPa，相對誤差小于1%，由此驗證了CFD模型模擬的可靠性。

3．2相變及溫度場/壓力場超臨界水管程走冷流體，即需要被加熱的反應物料，入口溫度370℃，處于亞臨界狀態，將被加熱到超臨界狀態。殼程走熱流體，即從反應器反應完成后循環回來的熱流體，入口溫度570℃，處于超臨界狀態。在殼程流量保持不變的條件下，比較管程流量不同的條件下流場和溫度場的變化。在0．3kg/s和0．15kg/s的管程流量下管程超臨界相水的質量分數分布如圖2所示。入口均為亞臨界狀態下的液體，被加熱后出口均變為超臨界態。從模擬結果很好地給出了管程冷流體從亞臨界到超臨界狀態的變化以及相變發生的位置。當管程流量從0．3kg/s減小一半時，由于管程流體流速降低，停留時間增大，相變的位置離入口更近。為減小誤差，模擬設定參考壓強為23MPa，則出口處相對壓強為0Pa，如此得到相對壓強的管程分布圖3。結果可見，當管程流量從0．3kg/s減小到0．15kg/s時，管程壓降明顯降低。管程冷流體被逐步加熱，流量較小的管程流體停留時間長，被加熱到的溫度較高。管程流量在0．3kg/h時，出口溫度為650．76K，加熱溫升為7．6℃。管程的溫度分布如圖4所示。

3．3殼程不同熱流體流量的影響殼程流量從0．075kg/s到1．0kg/s變化時，殼程內壓降、出口溫度和殼程傳熱系數的變化如圖5所示。由圖可見，在保持管程流量不變的情況下，將殼程流量從0．075kg/s逐步增大到1．0kg/s時，超臨界水流速增大，整體壓降顯著增大;同時，流動強化了傳熱，殼側的傳熱系數也隨之增大。殼程出口溫度開始迅速增加。繼續加大流量，溫度增加趨勢逐漸平緩。說明過大的流量增量對傳熱溫差的影響將變得不明顯，因此，為了保證降低能耗同時保持強化傳熱，有必要對殼程流量進行優化。

3．4擋板間距的影響對于雙管程單殼程的換熱器，嘗試采用更大的擋板間距，以此來減小在大流量操作條件下的殼程壓降。模擬對比了殼程和管程流量都為0．15kg/h時，且在同樣換熱器長度下，具有8塊折流擋板、擋板間距為117mm的換熱器和具有6塊折流擋板、板間距為150mm換熱器的流動和傳熱結果。由圖6壓力云圖可見，當降低折流擋板的數目時，壓降從586Pa降到405Pa，殼程的壓降顯著降低。溫度分布圖7可見，板間距雖然有所改變，但殼程的出口溫度都在790K左右，差別不大。可知，在此換熱器操作條件下，增加折流板數，減小板間距，強化傳熱效果并不明顯，同時卻大大增加了殼程的流體流動阻力，使得殼程壓降增大明顯。因此在此操作條件下，僅出于傳熱考慮可以使用150mm的板間距，即6塊折流擋板。與此同時，由速度矢量圖8可以看出，在兩種板間距的結構條件下，都會出現“流動死區”，這些區域不僅會因為流速很小導致局部結垢以及煤顆粒沉積，同時也會影響總體傳熱效果。因此，實際換熱器結構設計時需要綜合考慮傳熱和沉積的影響。

3．5輻射傳熱的影響對比同條件下加輻射傳熱模型和不加輻射傳熱模型的情況如表2所示。結果可見，在不考慮輻射傳熱的情況下，超臨界態的換熱器的殼程的出口溫度同考慮輻射傳熱的結果相差較大，僅考慮對流傳熱的殼程溫差明顯較小，只有21K，僅為考慮輻射傳熱情況下的一半，也即輻射傳熱在超臨界態水總傳熱中占有一定比例，由此可見輻射傳熱在此操作條件下不可忽略，模擬應考慮輻射傳熱的影響。

4結論

建立了超臨界水環境下進行煤氣化過程所使用的換熱器模型，應用CFX并采用IAPWS物性數據庫準確地計算了超臨界水環境的物性，并成功地模擬了水從亞臨界態到超臨界態的轉變，直觀地闡述了管程內超臨界水相變的過程，并得出以下結論:(1)殼程流量增大，殼程壓降隨之增大，同時傳熱系數也隨之增大;殼程出口溫度先增大后隨之趨于平緩。因此，為了保證降低能耗同時保持強化傳熱，有必要對殼程流量進行優化。(2)增大擋板間距(此換熱器板間距從117mm增大到150mm)對強化傳熱效果并不明顯，也大大增加了殼程的流動阻力。出于傳熱效果的考慮此換熱器選用150mm板間距即可。在實際設計中還應綜合考慮傳熱和沉積的影響。(3)在壓力為23MPa，溫度為400－600℃的操作條件下換熱器的輻射傳熱所占比例較大，模擬時應更多考慮輻射傳熱的影響。

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作者：王宏那 宿向超 單位：中國市政工程華北設計研究總院有限公司