喬宗良 湯有飛 張 蕾 董云山 司風(fēng)琪
(1東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)(2南京科技職業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院, 南京 210048)
CO2是促成地球變暖的主要因素,如何減少向大氣中排放的CO2總量受到越來越多國家的重視[1].煤電作為傳統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換形式,在全球占有重要地位,煤電行業(yè)CO2減排除了從傳統(tǒng)技術(shù)層面提高煤電機(jī)組的運(yùn)行效率外,CO2捕集與封存技術(shù)(CCS)可以使這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)變得更為容易[2].另外,在發(fā)電系統(tǒng)中,超臨界CO2(sCO2)相比于其他類型的熱力循環(huán)工質(zhì),具有臨界溫度和臨界壓力低、氣體黏度小、液體密度大等物性,更適用于布雷頓熱力循環(huán).在相同的初參數(shù)下,采用sCO2作為循環(huán)工質(zhì)的布雷頓循環(huán)系統(tǒng)將獲得更高的發(fā)電效率.美國、日本、捷克等國都已經(jīng)開始了相關(guān)的技術(shù)研究和開發(fā)[3],并已在實(shí)驗(yàn)室建成了小功率的試驗(yàn)機(jī)組,正向工業(yè)示范邁進(jìn),中國也將sCO2布雷頓循環(huán)作為我國“十三五”期間發(fā)電行業(yè)的重點(diǎn)前沿技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向[4].
地?zé)崮芫哂芯G色、低碳、環(huán)保的特點(diǎn),已在多個國家實(shí)現(xiàn)了高溫地?zé)豳Y源的采集和發(fā)電利用[5].文獻(xiàn)[6]提出用sCO2代替水作為攜熱介質(zhì),可在地?zé)衢_采的同時,對常規(guī)煤電機(jī)組排放的CO2進(jìn)行地質(zhì)埋存,即sCO2-EGS系統(tǒng)(enhanced geothermal system),并得到了其他學(xué)者的關(guān)注和深入研究[7-9].文獻(xiàn)[10]設(shè)計了一種在地?zé)衢_采和發(fā)電環(huán)節(jié)綜合利用CO2的發(fā)電系統(tǒng),燃煤電廠產(chǎn)生的CO2經(jīng)捕集和壓縮后注入到地?zé)醿訉?shí)現(xiàn)長期封存,低溫CO2作為地?zé)釘y熱工質(zhì)被注入到地下后被加熱、增壓后重新返回地表,此時CO2為超臨界狀態(tài),經(jīng)鹽水分離器后,提取純凈的sCO2作為熱力循環(huán)工質(zhì)作功發(fā)電,做功后的低溫CO2經(jīng)壓縮機(jī)重新注入地下,完成一次熱力循環(huán).該項(xiàng)技術(shù)既能達(dá)到開采地?zé)岬哪康?又能實(shí)現(xiàn)CO2的地質(zhì)埋存,實(shí)現(xiàn)了新能源和減排新技術(shù)的再結(jié)合,最大限度地減少CO2的排放量,還將使化石能源和地?zé)豳Y源聯(lián)合發(fā)電實(shí)現(xiàn)CO2近零排放成為可能.
從當(dāng)前sCO2地?zé)衢_采及利用的關(guān)鍵技術(shù)研究和開發(fā)進(jìn)展來看,研究主要側(cè)重于CO2的封存特性、sCO2循環(huán)經(jīng)濟(jì)性分析、地?zé)崂脮r注入井和回采井的開采方案等方面,而sCO2提純技術(shù)的研究卻鮮有報道.整個流程中因sCO2回流后夾帶有大量鹽水,無法直接用于后續(xù)的熱力循環(huán),因此,開展sCO2提純技術(shù)的研究十分必要.本文針對sCO2和鹽水的分離,設(shè)計了一種雙錐雙入口型分離器,根據(jù)文獻(xiàn)[11]中回流開采后sCO2和鹽水的溫度、壓力、質(zhì)量比等工況條件,采用Fluent軟件開展分離過程的數(shù)值模擬研究,分析了sCO2和鹽水在不同混合和調(diào)整方式下的分離效率和系統(tǒng)壓降.本文的研究工作為完善和加快sCO2-EGS電站相關(guān)理論和技術(shù)的成熟具有一定的意義.
根據(jù)文獻(xiàn)[10-11]的研究成果,以恒定CO2流率,連續(xù)注入封存5 a后的地?zé)峋?開始產(chǎn)出sCO2,運(yùn)行12 a后可達(dá)到最大產(chǎn)出量,單井sCO2產(chǎn)出量為22.5 kg/s,約為注入量的1/4,井出口壓力為22.5 MPa,溫度為200 ℃,同時被sCO2流動帶出的鹽水約為2~7 kg/s.根據(jù)流體性質(zhì)可知,CO2在壓力22.5 MPa,溫度200 ℃工況點(diǎn)附近,密度變化范圍不大,本文中sCO2密度取定值為290 kg/m3,動力黏度為3×10-5Pa·s.本文分析過程中,將鹽水近似為純凈水,取該工況下水的密度為880 kg/m3,動力黏度為1.4×10-4Pa·s.
旋流分離器是一種利用分離物質(zhì)間的密度差,在高速旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生不同的離心力而實(shí)現(xiàn)分離的設(shè)備.本文研究對象間的分離尚無公開發(fā)表可借鑒的研究成果,其分離物質(zhì)間的密度差較小,傳統(tǒng)的氣固或氣液分離器將很難實(shí)現(xiàn)分離.錐形水力旋流器是一種應(yīng)用于液液分離的設(shè)備,由于其體積小、分離效率高、易于布置等優(yōu)點(diǎn),得到眾多學(xué)者和企業(yè)的持續(xù)關(guān)注和研究[12-15],并廣泛用于石油開采時井下油水分離.按照分離器結(jié)構(gòu)形式和工作特點(diǎn),可分為雙錐型和單錐型,其入口形式有單入口和雙入口2種.地?zé)衢_采過程中需要分離的sCO2和水的密度比約為1∶3,與油水密度比量級相似,本文以油水分離常用的F型液液旋流器[12,15]為結(jié)構(gòu)原型,經(jīng)過多工況的結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化數(shù)值模擬計算,最終選定一種優(yōu)選后的雙錐雙入口結(jié)構(gòu)作為處理單元,去除F型旋流器的尾流部分對分離效率無較大影響,但有效地降低了分離設(shè)備的整體壓降.在實(shí)際運(yùn)行調(diào)整過程中,可控制適當(dāng)?shù)囊缌鞣至鞅?溢流管分離出的流體質(zhì)量與入口流體總質(zhì)量的比值),以減少sCO2的損失.
本文設(shè)計的雙錐水力旋流器結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由雙入口段、圓柱旋流段、溢流管、大錐段和小錐段幾部分組成.sCO2流體經(jīng)入口段進(jìn)入旋流腔,流體由原來的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚傩D(zhuǎn)運(yùn)動,雙入口的布置方式保持流場的對稱性,確保旋流腔內(nèi)部流場均勻不發(fā)生偏轉(zhuǎn),大、小錐段是主要的分離段[12].水密度較大,液滴經(jīng)旋流后向分離器外壁面方向運(yùn)動,在流體的剪切作用下沿壁面向下流動,最后從底流口流出,sCO2密度較小,經(jīng)旋流后向分離器中心聚集,逆流向上運(yùn)動,經(jīng)溢流口流出,實(shí)現(xiàn)氣水的分離.分離器結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示,其基準(zhǔn)尺寸Dn為30 mm.
圖1 分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖
D/mmLs/mmDi/mmDo/mmLo/mmα/(°)β/(°)2Dn2Dn0.3Dn0.2Dn0.6Dn205
2.2.1 模型選擇
本文在模擬時將sCO2作為連續(xù)相,水作為離散粒子均勻分布于連續(xù)相中,采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)描述該流動過程.對離散相采用基于Euler-Lagrange方法的DPM離散相模型進(jìn)行計算,同時考慮重力和兩相間的相互耦合作用.
2.2.2 氣相場的控制方程
1) 連續(xù)性方程
(1)
式中,ρ為氣體密度;ui為速度.
2) 動量方程
(2)
3) Reynolds方程
(3)
式中,Cij為湍流項(xiàng);Dij為擴(kuò)散項(xiàng);DT,ij,DL,ij分別表示湍流和分子黏性擴(kuò)散項(xiàng);Pij為雷諾剪應(yīng)力項(xiàng);φij為壓力應(yīng)變項(xiàng);εij為黏性耗散項(xiàng).
2.2.3 離散相的控制方程
對于離散相(水滴)采用顆粒軌道模型模擬顆粒的運(yùn)動,計算顆粒的運(yùn)動軌跡.顆粒運(yùn)動方程為
(4)
2.2.4 網(wǎng)格劃分處理
本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法,采用四面體網(wǎng)格形式,在轉(zhuǎn)角和連接處均采用較為密集的網(wǎng)格布置,如圖2所示,分別采用了16×104,32×104,62×104和95×104四種數(shù)量的網(wǎng)格,監(jiān)測溢流口出口壓力,計算收斂時得到的出口壓力分別為170.0,197.0,208.1,208.4 kPa.可見當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量加密至95×104時,出口壓力208.4 kPa與62×104網(wǎng)格出口壓力208.1 kPa結(jié)果相差不大,在充分考慮計算機(jī)內(nèi)存和計算時間,以及在誤差允許范圍內(nèi),本文最終選擇62×104網(wǎng)格的模型進(jìn)行分析.
(a) 立面
(b) 橫截面
2.2.5 計算條件
本文采用Fluent1 8.1進(jìn)行計算,sCO2和水在入口截面速度均勻分布,初始速度一致,入射類型選為表面射流源;壁面條件為反射邊界條件,無速度損失,不考慮水滴碰壁后的破碎和沉積過程;溢流和底流出口界面均為流動出口類型(outflow),因分離需求,選擇不同的溢流分流比;DPM模型中,水滴穿過底流即為捕捉,標(biāo)記為Trapped,到達(dá)溢流出口被認(rèn)為逃逸,標(biāo)記為Escape,分離器性能則是基于通過這2個面的粒子質(zhì)量數(shù)來進(jìn)行統(tǒng)計分析.
為了驗(yàn)證模型和網(wǎng)格劃分方法的準(zhǔn)確性,按照文獻(xiàn)[15]中的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬,結(jié)果如圖3所示.
圖3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比圖
選定的基準(zhǔn)直徑Dn=20 mm,入口初速為8.7 m/s,含油率為5%,對比不同粒徑下的模擬結(jié)果數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[15]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).由圖3可見,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合,分離效率η的最大誤差在5%以內(nèi),這表明本文的模擬計算可以應(yīng)用于分離器性能的模擬研究.
本文首先對分離器內(nèi)部的流場及液滴的分布進(jìn)行分析,粒徑按照Rosin-Rammler分布原則,共研究了7種液滴粒徑工況,液滴的最小粒徑為1 μm,最大粒徑為7 μm,平均粒徑為5 μm,分布指數(shù)為4.5.
選定入口流速8 m/s,水質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%,以x方向?yàn)檩S向,z方向?yàn)閺较?流體入口中心x=0 mm,分別選取靠近溢流口頂部的4個截面進(jìn)行分析.由圖4可知,雙入口軸對稱布置的分離器內(nèi)部流場不存在偏心問題,各截面速度分布基本相同,呈“駝峰狀”.流場表現(xiàn)為組合渦特性,在流場外部為自由渦,內(nèi)旋流為強(qiáng)制渦,沿軸線方向渦流特性減弱,在旋流腔和大錐段的渦流特性最為明顯.相比切向速度,軸向和徑向速度都較小,所以切向速度與總體速度的圖形特性基本一致,切向速度產(chǎn)生的離心力使水滴向壁面運(yùn)動,sCO2向中心聚集,從而達(dá)到分離.對比各截面的速度可知,總體速度沿軸向依次減少.由速度云圖4還可知,在溢流管附近的速度達(dá)到最大,這說明進(jìn)入分離器的sCO2為了順利地從溢流口排出,向上軸向流動的速度要比旋流分離器內(nèi)其他區(qū)域的速度大得多.
(a) 分離器內(nèi)不同截面速度分布
(b) 分離器縱剖面速度場分布
流體在分離器內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時,流體間的黏性作用以及壁面與流體間的摩擦等都將消耗能量,具體表現(xiàn)為壓力損失.由圖5(a)分離器內(nèi)的靜壓力分布圖可知,整個旋流器的靜壓力分布具有對稱性,在強(qiáng)旋流離心力場的作用下,中心壓力比外部區(qū)域低,徑向壓力梯度產(chǎn)生的力都指向軸線中心,從而使得密度較小的sCO2向核心移動.靜壓力在入口處最大,沿軸向向下,壓力越來越低,最小壓力出現(xiàn)在底流口的軸心處.分離器內(nèi)總壓力為靜壓力和動壓力之和,其整體的分布規(guī)律與靜壓力基本相同,總壓力在外旋流區(qū)變化較小,在內(nèi)旋流區(qū)變化梯度較大,這說明了能量的消耗主要用于克服內(nèi)部旋流.由壓力云圖5(b)可得,溢流管內(nèi)出現(xiàn)了壓力最小值,與速度云圖4(b)對應(yīng),在當(dāng)前工況下,分離器的進(jìn)口和溢流出口壓降大約為0.12 MPa.
(a) 分離器內(nèi)不同截面徑向壓力分布
(b) 分離器內(nèi)壓力云圖
將計算得到的分離器內(nèi)水滴分布數(shù)據(jù)導(dǎo)出后,利用后處理軟件畫出水滴的濃度分布,如圖6所示,圖中不同顏色分別標(biāo)記不同粒徑的水滴.在溢流管A-A出口處尚存在部分水滴逃逸,說明各種給定尺寸的分離器和工況都有其對應(yīng)的臨界分離直徑;分離器內(nèi)主流區(qū)截面B-B,C-C的液滴分布規(guī)律基本相同,這是因?yàn)樾鳟a(chǎn)生的離心力使得水滴向分離器筒壁四周運(yùn)動,液滴基本分布在筒壁處,部分液滴分布在分離器軸心位置;底流出口截面D-D液滴分布于整個截面,說明小錐底部的旋流作用已經(jīng)很小.從不同截面的粒徑分布可知,較大粒徑的液滴基本都分布在截面外圍,小粒徑液滴分布在靠近軸心位置,做不規(guī)則擴(kuò)散.由不同截面的濃度分布圖明顯可看出,軸心位置基本都存在一空白處,對應(yīng)分離器內(nèi)旋流強(qiáng)制渦區(qū)域,sCO2在向旋流器軸心遷移后,部分未分離的水滴在內(nèi)旋渦作用下從溢流管排出.
圖6 分離器內(nèi)水滴的分布和濃度特征
液液分離中常用濃度比效率作為評價參數(shù)[16],本文在此基礎(chǔ)上給出sCO2提純后凈分離效率為
(5)
式中,x1為分離器入口處水滴的質(zhì)量流率;x2為從溢流口逃逸的水滴質(zhì)量流率.ηc表示溢流或者被分離的sCO2中水分被去除的程度,可反映出sCO2的純凈度.
分離系統(tǒng)壓降ΔP由下式計算得到:
(6)
式中,ζ為阻力系數(shù);ρg為CO2密度;v為流速.系統(tǒng)壓降也可通過Fluent統(tǒng)計進(jìn)出口截面得到的平均壓力差進(jìn)行求解.
入口速度為8 m/s,水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時,選取3種操作分流比進(jìn)行分析.由圖7可知:隨粒徑的增大,分離效率逐漸增大,3種分流比表現(xiàn)出的特性規(guī)律一致,以分流比Rf=0.8為例,當(dāng)水滴粒徑為1 μm 時分離效率僅為20%,粒徑增大至4 μm時分離效率可以達(dá)到84%;分流比對分離效率也有重要影響,當(dāng)粒徑為4 μm時,分流比為0.7和0.9的分離效率分別為98%和68%.分離器工作過程中,入口水滴粒徑的大小對分離性能有著決定性的影響,液滴流動所受到的離心力與其質(zhì)量呈正比關(guān)系,與粒徑呈三次方關(guān)系,所以較大粒徑的液滴更易被捕捉.針對本文所設(shè)計的分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行操作工況,當(dāng)水滴粒徑大于7 μm時,分離效率可以達(dá)到100%,說明給定的分離器能夠有效地分離較小粒徑的水滴,分離處理能力范圍較大.
圖7 粒徑對分離效率的影響
圖8中粒徑按照Rosin-Rammler分布規(guī)律展開分析,由圖8(a)可知,3種不同水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下分離效率都隨流速的增大而提高.由分離器內(nèi)流動特性分析可知,進(jìn)口流速直接影響切向速度和軸向沉降速度,當(dāng)入口速度增大時,切向速度也隨之增大,水滴的離心沉降速度也增大,這就越有利于水滴向分離器外截面流動,從而實(shí)現(xiàn)分離.進(jìn)一步對比發(fā)現(xiàn),當(dāng)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、速度為8 m/s時,分離效率基本可以達(dá)到98%,進(jìn)一步增大流速效率變化不大;當(dāng)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、速度為16 m/s時,分離效率達(dá)到97%;而水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、速度為16 m/s的工況下,分離效率僅為63%左右.在其他條件一致的情況下,入口水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對分離效率有較大的影響;不同含水工況下,分離效率隨速度的增長幅度有所不同,含水量較低情況下,分離效率對速度的增幅影響更大.主要是因?yàn)殡S著含液量增大,旋流流動所受的阻力逐漸變大,使旋流切向速度減小,造成整體分離效率變化趨緩.圖8(b)分析對比了3種不同水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下分離器的進(jìn)口與溢流口的壓降隨流速的變化情況,隨著流速的增大,壓降均呈拋物線上升的趨勢,與式(6)的計算規(guī)律一致.分離器內(nèi)部能量損失主要包括局部阻力損失、湍流能耗和沿程摩擦阻力損失,這些能耗都隨進(jìn)口流速的增大而增加.
(a) 分離效率
入口水質(zhì)量分?jǐn)?shù)是分離器設(shè)計中重要的物性參數(shù),根據(jù)前文地?zé)峋a(chǎn)出口sCO2和水的質(zhì)量流率,本文分析的入口水質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為5%~25%,入口速度為8 m/s.由圖9(a)分析可知,在結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)一定的情況下,隨著入口水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,其處理難度增大,分離效率逐漸降低.在數(shù)值模擬過程中考慮了連續(xù)相和離散項(xiàng)的相互作用,這造成分流比對不同含水量分離過程的影響程度稍有不同.圖9(b)顯示,相同流量和分流比下在含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍內(nèi)壓降變化不大,說明壓力損失主要是由連續(xù)相的流動所產(chǎn)生,離散相對整體壓降的影響較?。徽{(diào)整溢流分流比將對分離器軸向速度和內(nèi)部流場有較大影響,在分流比和含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)共同作用下,壓降出現(xiàn)局部反差現(xiàn)象,但整體壓降水平變化幅度不大,含水量對壓降的影響遠(yuǎn)小于入口流速和分流比對壓降的影響.
(a) 分離效率
(b) 入口和溢流口壓降
溢流分流比是分離器工作過程中重要的控制參數(shù),在分離操作過程中,通過調(diào)節(jié)溢流和底流的出口壓力來調(diào)整2個出口的流量.溢流分流比過大則不能及時排除已經(jīng)分離的水,達(dá)不到分離的目的;反之,溢流分流比過小則會損失掉較多的sCO2.因此,在分離過程中必須選定合適的分流比.
選定入口速度12 m/s,水滴粒徑按照Rosin-Rammler分布,溢流分流比為1.0~0.5.圖10(a)顯示了3種水質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況下分離效率隨分流比的變化關(guān)系.以水質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%工況為例,在溢流分流比為1.0 時,分離效率僅為5%;隨著溢流口分流比的減小,分離效率顯著增大,當(dāng)溢流分流比達(dá)到0.8左右時,分離效率已增加至99%;進(jìn)一步減小溢流分流比,分離效率基本呈穩(wěn)定狀態(tài),可認(rèn)為已達(dá)到定值.對比分析水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和15%的2種工況,分離效率最高點(diǎn)對應(yīng)的溢流分流比分別為0.7和0.6.
(a) 分離效率
(b) 入口和溢流口壓降
由以上分析可見,不同的入口水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下存在不同的最佳溢流分流比,該值隨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而減小.即為了滿足高純度分離的要求必須損失部分工質(zhì)才能完成分離過程,最佳分流比概念同樣出現(xiàn)在油水分離研究中[16].過低的分流比將造成流場紊流強(qiáng)度增大,不利于分離過程,對含高水質(zhì)量流場影響更為突出.綜合前文分析的分離效率的影響因素可以推理,最佳工況點(diǎn)隨入口流量、水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水滴粒徑的不同將發(fā)生變化,需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)一步優(yōu)化得出.
從圖10(b)可以看出,分離器整體壓降隨溢流分流比的減小而逐漸減小,在不同水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下出現(xiàn)局部壓降反差情況,但整體表現(xiàn)出的規(guī)律性十分明顯.溢流分流比在1.0下降至0.5時,壓降減小至0.15 MPa,分流比在1.0~0.8以及0.6~0.5的范圍內(nèi)變化時,壓降變化較為劇烈,分流比對壓降的影響僅次于入口流速的影響.結(jié)合分離器內(nèi)部流場的分布情況分析,改變分流比可以改變分離器內(nèi)部的流場分布,分流比變化對切向和徑向速度影響不大,對軸向速度影響較大.在分離器內(nèi),隨著溢流分流比的減小,外旋流的軸向速度變化不大,但向上的內(nèi)旋流軸向速度減小,從而減小了溢流口的回流量,因溢流口的壓降為分離器整體壓降的主要產(chǎn)生點(diǎn),使得分離器的整體壓降降低.
1) 分離器效率隨入口流速和粒徑的增加而提高,在入口速度8 m/s、粒徑大于7 μm時的分離效率可達(dá)100%,分離效率隨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低.
2) 分離器整體壓降隨入口流速和溢流分流比的提高而增加,入口流速的影響更為突出,由于離散相所占體積分?jǐn)?shù)較小,因而粒徑和水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對整體壓降影響較小.
3) 溢流分流比作為最主要的分離調(diào)整參數(shù),對分離器效率和壓降有明顯影響,該參數(shù)的選擇需綜合考慮分離要求和工質(zhì)回收的經(jīng)濟(jì)性,同時匹配其他的初始物性參數(shù),最終確定出最佳的分流比.