水环境下煤气化换热器研究范文

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摘要:

针对在超临界水环境下进行煤气化过程所使用的管壳式换热器，建立了在管程和壳程内同时存在物料流动和换热的三维管壳式换热器模型，利用CFX软件(计算流体力学分析软件)对管程和壳程中物料的换热和相变过程进行了模拟研究，成功应用IAPWSIF97(国际通用工业用水和水蒸气热力性质计算公式)数据库模拟了超临界水的物性状态，阐述了管程内物料从亚临界相到超临界相的转变过程。利用已有的实验结果对模型进行了验证。模拟结果表明，随着壳程内物料流量增大，壳程压降和传热系数随之增大;壳程出口温度增大的速率渐趋平缓;当换热器板间距从117mm增大到150mm时强化传热效果并不明显，同时大大增加了壳程的流动阻力;在压力为23MPa，温度达400－600℃的操作条件下，换热器中辐射传热影响较大，进行数值模拟时不应忽略这部分的影响。研究指出:换热器结构设计时需要综合考虑传热和煤颗粒沉积的影响。

关键词:

管壳式换热器;数值模拟;超临界水;煤气化

近些年来，在超临界水环境下进行低温催化煤气化反应过程，用来制造清洁能源(氢气和天然气)，引起了国内外大量学者的关注和研究［1－2］。其中换热器是超临界水煤气化过程中必不可少的热交换设备，通常用来作为加热反应器进口冷物料的预热器，同时也用作反应器出口热产物的冷却换热器。鉴于实验条件下不能直观地得到超临界相态的过程，利用CFD(计算流体力学方法)预测其内部流场和相变十分必要。国内外研究者利用计算流体力学对换热器进行了广泛的数值模拟研究，包括对其压降、传热、传热效率、传热系数、湍流混合以及停留时间分布的研究等［3－9］。对于换热器中相变的研究，一般只针对常压下液态水到气态水的相变［10］，对于从亚临界水到超临界水状态转变的过程研究较少，而这一过程却是超临界水煤气化反应前预热必经的过程，对超临界水煤气化工艺过程的研究起着至关重要的作用。本研究针对煤气化中的超临界水的相态转变过程，建立了在管程和壳程内同时存在物料流动和换热的三维管壳式换热器CFD模型，模拟了在不同超临界水流量条件下换热器壳程和管程的压力分布、温度场和传热系数，指出了超临界水相变的过程，以及辐射传热的影响。

1换热器几何模型

本研究对管壳式换热器进行模拟研究，其基本结构如图1所示，为一单壳程双管程换热器。总长1050mm，管程为16×2根管，管程出口入口如图1所示，管程管径15mm，管程容积为0．0082m3。壳程入口管直径50mm，壳程公称直径为150mm，容积为0．0122m3，壳程采用上进下出式，壁面绝热。

2数学模型与计算方法

网格划分使用Gambit软件(网格划分软件)，划分非结构化四面体网格，壳程网格数为118万，管程网格为102万，在管程和壳程传热壁面的两侧分别划分了边界层，保证了传热计算的准确性。超临界水独特的物性是最难把握的一点，只有准确定义超临界水的物性，才能更可信地模拟超临界态的煤气化反应。本研究采用IAPWSIF97数据库数据来模拟计算超临界水的状态［11］。应用ANSYSCFX13．0软件进行模拟，采用稳态计算，流体采用气液混合物模型，超临界水物性采用IAPWS物性数据库数据，传热模型采用thermalenergy模型(热能模型)，湍流封闭模型应用k－ε，辐射传热模型应用P1模型，当考虑颗粒相时曳力应用gidaspow模型，颗粒间应用颗粒碰撞模型。由于本研究的换热器仍处于设计阶段，研究中简化为物料中仅含超临界水，并对其换热和相变进行模拟研究。亚临界的液态水为平衡限制组份，超临界态水为平衡自由组份。壳程和管程分别为两个域，之间的管程管壁和壳程折流挡板为可传热的壁面，接触热阻为0．0002m2•K/W。壳程的外壁面为绝热。壳程为上进下出，进料温度570℃，压力23MPa，处于超临界状态，折流挡板8块，板间距117mm，出口相对压力为0Pa(参考压力为23MPa)。管程为下进上出，为减小网格数简化模型，未模拟管程左侧的管箱段。如图1所示，靠下部的16根管为管程入口，上部的16根管为管程出口，压力23MPa，温度370℃，处于亚临界状态。管路采用三角形排列。时间步长采用自由时间步长，收敛标准为10－4，观测点出口温度、两侧传热系数在迭代时间步300步左右达到稳定值，在迭代时间步600步时结束计算，单个算例所需时间18h。结果显示收敛性良好，RMS残差已达到收敛标准。

3结果分析与讨论

3．1模型验证由于换热器处于设计阶段，本研究采用实验中的盘管对模型进行验证。盘管全长20m，管径12mm，直管段3m，弯管段2m，共两圈，容积为0．00226m3，水平放置。水与物料混合后进入盘管，出口压力值24．1MPa，实验条件下的进出口压差值列于下表中，以实验温度500℃为例，水煤浆浓度为水煤质量比6．27，盘管进出口压差为0．139MPa，模拟同实验条件下的盘管压降为0．14MPa，相对误差小于1%，由此验证了CFD模型模拟的可靠性。

3．2相变及温度场/压力场超临界水管程走冷流体，即需要被加热的反应物料，入口温度370℃，处于亚临界状态，将被加热到超临界状态。壳程走热流体，即从反应器反应完成后循环回来的热流体，入口温度570℃，处于超临界状态。在壳程流量保持不变的条件下，比较管程流量不同的条件下流场和温度场的变化。在0．3kg/s和0．15kg/s的管程流量下管程超临界相水的质量分数分布如图2所示。入口均为亚临界状态下的液体，被加热后出口均变为超临界态。从模拟结果很好地给出了管程冷流体从亚临界到超临界状态的变化以及相变发生的位置。当管程流量从0．3kg/s减小一半时，由于管程流体流速降低，停留时间增大，相变的位置离入口更近。为减小误差，模拟设定参考压强为23MPa，则出口处相对压强为0Pa，如此得到相对压强的管程分布图3。结果可见，当管程流量从0．3kg/s减小到0．15kg/s时，管程压降明显降低。管程冷流体被逐步加热，流量较小的管程流体停留时间长，被加热到的温度较高。管程流量在0．3kg/h时，出口温度为650．76K，加热温升为7．6℃。管程的温度分布如图4所示。

3．3壳程不同热流体流量的影响壳程流量从0．075kg/s到1．0kg/s变化时，壳程内压降、出口温度和壳程传热系数的变化如图5所示。由图可见，在保持管程流量不变的情况下，将壳程流量从0．075kg/s逐步增大到1．0kg/s时，超临界水流速增大，整体压降显著增大;同时，流动强化了传热，壳侧的传热系数也随之增大。壳程出口温度开始迅速增加。继续加大流量，温度增加趋势逐渐平缓。说明过大的流量增量对传热温差的影响将变得不明显，因此，为了保证降低能耗同时保持强化传热，有必要对壳程流量进行优化。

3．4挡板间距的影响对于双管程单壳程的换热器，尝试采用更大的挡板间距，以此来减小在大流量操作条件下的壳程压降。模拟对比了壳程和管程流量都为0．15kg/h时，且在同样换热器长度下，具有8块折流挡板、挡板间距为117mm的换热器和具有6块折流挡板、板间距为150mm换热器的流动和传热结果。由图6压力云图可见，当降低折流挡板的数目时，压降从586Pa降到405Pa，壳程的压降显著降低。温度分布图7可见，板间距虽然有所改变，但壳程的出口温度都在790K左右，差别不大。可知，在此换热器操作条件下，增加折流板数，减小板间距，强化传热效果并不明显，同时却大大增加了壳程的流体流动阻力，使得壳程压降增大明显。因此在此操作条件下，仅出于传热考虑可以使用150mm的板间距，即6块折流挡板。与此同时，由速度矢量图8可以看出，在两种板间距的结构条件下，都会出现“流动死区”，这些区域不仅会因为流速很小导致局部结垢以及煤颗粒沉积，同时也会影响总体传热效果。因此，实际换热器结构设计时需要综合考虑传热和沉积的影响。

3．5辐射传热的影响对比同条件下加辐射传热模型和不加辐射传热模型的情况如表2所示。结果可见，在不考虑辐射传热的情况下，超临界态的换热器的壳程的出口温度同考虑辐射传热的结果相差较大，仅考虑对流传热的壳程温差明显较小，只有21K，仅为考虑辐射传热情况下的一半，也即辐射传热在超临界态水总传热中占有一定比例，由此可见辐射传热在此操作条件下不可忽略，模拟应考虑辐射传热的影响。

4结论

建立了超临界水环境下进行煤气化过程所使用的换热器模型，应用CFX并采用IAPWS物性数据库准确地计算了超临界水环境的物性，并成功地模拟了水从亚临界态到超临界态的转变，直观地阐述了管程内超临界水相变的过程，并得出以下结论:(1)壳程流量增大，壳程压降随之增大，同时传热系数也随之增大;壳程出口温度先增大后随之趋于平缓。因此，为了保证降低能耗同时保持强化传热，有必要对壳程流量进行优化。(2)增大挡板间距(此换热器板间距从117mm增大到150mm)对强化传热效果并不明显，也大大增加了壳程的流动阻力。出于传热效果的考虑此换热器选用150mm板间距即可。在实际设计中还应综合考虑传热和沉积的影响。(3)在压力为23MPa，温度为400－600℃的操作条件下换热器的辐射传热所占比例较大，模拟时应更多考虑辐射传热的影响。

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作者：王宏那 宿向超 单位：中国市政工程华北设计研究总院有限公司