采用三维瞬态计算流体动力学（CFD）方法，研究了超临界水煤气化过程中气体-固体流体力学现象及颗粒沉积行为

《Powder Technology》：Three-dimensional transient CFD investigation of gas–solid hydrodynamics and particle deposition in a supercritical-water coal gasifier

　　

黄磊

中国科学技术大学，安徽省合肥市包河区金寨路96号，230026，中华人民共和国

摘要

建立了一个用于超临界水煤气化炉的三维瞬态欧拉-欧拉CFD模型，其中超临界水和煤粉分别被模拟为连续相和分散相。该模型用于量化与堵塞和壁面冲击相关的颗粒传输、非均匀分布和沉积趋势。结果表明，水平截面表现出由重力驱动的、向底部偏聚的固体分层现象。关键在于，水平压降在机制上受到无量纲相对壁面粗糙度（ε_wall/D）以及随后近壁粘性亚层的破坏的影响。在弯头后的垂直上升管中，强烈的曲率诱导离心力使粗颗粒在管外壁形成密集的“绳状”结构（即“绳状沉积”），这从定性上增加了局部侵蚀的风险。此外，在质量流量固定的情况下，减少水的体积流量会提高固体持留量，并可能使传输模式转变为循环性、类似堵塞的状态。这些发现为降低超临界水煤气化炉中的沉积和堵塞风险提供了实际指导。

引言

由于成本优势、资源可用性和完善的基础设施，煤炭仍然是中国主要能源供应的基石。与传统的煤气化工艺相比，超临界水（SCW）煤气化已被广泛研究作为一种在相对较低温度下生产富氢气体的方法[1]、[2]、[3]、[4]。

现有的SCW煤气化研究涵盖了原料适应性、反应器概念以及工艺/热力学评估。实验表明，SCW煤气化能够快速脱挥/破碎煤炭、煤衍生残渣、聚合物（如聚烯烃）和生物质，并且与惰性气氛热解相比，产物的轻质组分产量更高[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。针对反应器的研究还考虑了设计方面和连续操作问题，包括生物质/纤维素转化和系统级热集成策略，以提高整体效率和富氢气体的产量[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。补充性工作提出了在超临界条件下对煤炭和模型化合物的集总/全局动力学方案，使得能够进行工程规模的氢生成趋势分析[5]、[15]。总体而言，这些研究一致表明，更高的温度有助于促进氢气的生成[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。

对于连续的SCW煤气化过程，预热器和管状部分的固体处理常常限制了系统的稳定运行。含颗粒的进料可能会引发沉积和堵塞，而反复的颗粒冲击可能会加速SCW环境中传热表面的侵蚀-腐蚀[16]。此外，由流体动力学驱动的固体分布不均会加剧局部壁面损伤（例如管板磨损），并降低传热效率。

本研究开发了一个全域三维瞬态CFD模型，以解决代表性煤气化炉中SCW和煤颗粒的耦合流动问题。采用了欧拉-欧拉（双流体）框架，并通过基于动力学理论的颗粒应力建模来表示颗粒相间的相互作用[17]、[18]、[19]、[20]。对水平和垂直安装配置下的流体动力学结构和固体分布不均进行了研究，重点关注容易发生沉积的区域。

章节摘录

几何形状和网格生成

建立了超临界水煤气化系统螺旋部分的三维物理模型，如图1a所示。该螺旋部分包含两圈，总长度为20米，内径为12毫米。每圈的长度为10米，由两段直管（每段3米）和两段弯头（每段2米）组成。每个弯头的曲率半径为0.637米。物理模型的主要几何参数总结在表1中。（见图1）

水平反应器中的流场

对水平安装的反应器进行了模拟，假设壁面为绝热壁，并通过考虑垂直方向上的浮力来考虑重力效应。在代表性操作条件下的预测压降结果总结在表3中。

如表3所示，操作温度对压降的影响最为显著。例如，在22.1 MPa的压力下，将温度从420°C升高到650°C会导致压降增加

讨论

连续的超临界水（SCW）煤气化过程经常受到预热器和管状歧管中固体相关操作性的限制，其中流体动力学驱动的分布不均会促进颗粒沉积、堵塞和局部壁面损伤[36]。大多数SCW煤气化研究侧重于转化化学、富氢气体的生成以及系统级的集成，而忽略了全管道网络中固体分布不均和沉积风险的反应器尺度流体动力学起源

结论

开发了一个全域三维瞬态欧拉-欧拉CFD模型，以严格量化超临界水煤气化炉中的多相流体动力学、相分离和颗粒沉积趋势。主要发现总结如下：

• 1.
  水平配置动力学：水平通道表现出明显的底部偏聚的固体分层现象。系统压降对管壁条件非常敏感；这种摩擦损失在机制上是由于...

CRediT作者贡献声明

黄磊：可视化、监督、数据整理、概念构思、撰写——审稿与编辑、初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明他们在本研究中没有需要报告的利益冲突。

致谢

我们想向贾晓强教授和齐琳博士表示衷心的感谢，他们在本手稿的撰写和修订过程中提供了宝贵的帮助。