利用旋流喷嘴与内联静态混合器相结合的工艺强化方法对管道中的氢气-天然气混合物进行处理：作用机理及低压降设计范围

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Process intensification of hydrogen–natural gas blending in pipelines using a swirl-jet coupled inline static mixer: mechanism and low-pressure-drop design window

　　张伟浩|包洋洋|张书宇|曹卓帆|毛志豪|岳斌|卢雪梅|魏丽萍
西北大学化学工程学院， MOST国际科学技术合作基地，碳氢化合物资源清洁利用
中国陕西省西安市710069

**摘要**
将氢气混合到现有的天然气管道中是大规模氢气输送的一个有前景的过渡途径，但安全运行需要在严格的压力降限制下快速进行混合。为了解决这一挑战，提出了一种紧凑型多级螺旋槽-穿孔静态混合器（MSSG-H）用于氢气与天然气的混合，并通过经过验证的计算流体动力学仿真研究了其混合行为。结果表明，MSSG-H在注入点下游16-18个管段内即可实现接近完全的混合，出口混合均匀度指数U接近1。混合器的性能主要受穿孔数N和槽宽与深度比B/H的影响，在N=17和B/H=2.0-2.5时，可以找到一个有利的低压降设计窗口。提高氢气混合比例和氢气入口速度会缩短混合发展长度，但会增加压力降，而甲烷主流速度是控制压力降增长的主要因素。与典型的SMX静态混合器相比，MSSG-H将出口混合均匀度提高了1.5个百分点，并降低了31%的压力降，这表明它是一种更紧凑、更节能的解决方案，适用于氢气混合改造和新建设的H2-NG输送项目。

**引言**
随着全球能源需求的持续增长和气候变化压力的加剧，将能源系统脱碳至低碳甚至净零排放已成为全球共通目标[1]。氢气因其高比能量密度、使用点零碳排放以及与可再生能源的兼容性，被广泛视为未来能源系统的关键能源载体[[2], [3], [4], [5], [6]]。然而，氢气的储存和运输仍然是从生产到最终使用的全价值链中大规模应用的重大瓶颈[7,8]。传统的远距离运输方式，如高压气体管道和低温液态氢罐车，往往成本高昂且效率有限[9]。虽然专用纯氢管道从长远来看可能具有优势，但其高昂的前期投资和不确定的近期需求阻碍了大规模部署[10]。在这种情况下，将氢气混合到现有的长距离天然气管道中成为一种技术上可行且经济上有吸引力的过渡途径[11]。从过程强化的角度来看，氢气混合引入了关键的在线混合要求，必须在严格的压力降限制下实现快速均匀化。这使得紧凑高效的设计成为大规模应用的理想选择。

由于氢气和天然气在密度和热物理性质上的显著差异，氢气-天然气（H2-NG）混合物在管道中容易分层，氢气会在管道顶部积聚。局部高浓度的氢气长期存在会加速氢气向管道钢材基体的扩散，从而加剧延展性损失和疲劳裂纹扩展，增加氢脆风险[[12], [13], [14]]。数值和实验研究表明，如果没有专用混合装置，H2-NG混合物通常需要约20-30个管段的距离才能达到足够均匀的组成[15,16]。此外，流速、管道倾斜度和短期流动中断都会显著影响混合发展和分层行为[17,18]。因此，在有限的管道长度内实现足够的成分均匀性是氢气混合在气体输送管道中安全运行的前提条件。仅依赖自然混合通常需要较长的发展长度，并且对操作条件非常敏感。因此，引入局部混合增强装置对于抑制分层、控制局部氢浓度和减轻氢脆风险具有重要的工程意义[19,20]。同时，长距离输送系统通常允许的压力降范围有限，这就需要通过可控的能量消耗来强化混合，而不仅仅是简单地最大化湍流。

混合器是实现高效均匀氢气-天然气混合的关键组件。根据其工作原理，它们大致可以分为依靠外部几何元件来增强湍流和剪切的动态驱动混合器和仅依靠内部几何元件的静态混合器。静态混合器在管道应用中受到了特别关注，因为它们没有运动部件，结构相对简单，非常适合在线改造。已经研究了多种典型的静态混合器，包括Kenics（KVM）[21]、SMX[22]、螺旋带式[23]、波纹式（SMV/GV）[24]和文丘里型混合器[25]。Yang等人[21]使用CFD-PBE模型模拟了Kenics混合器中的液滴破碎和聚合，并预测了压力降和浓度分布。Liu等人[22]使用RANS模拟了SMX静态混合器中的氢气-天然气混合，并分析了影响压力降和均匀度的关键因素。Luo和Wang[23]强调了使用扭曲带子分割、拉伸和重新组合流体流的螺旋混合器。Lowry和Krishnamoorthy[24]研究了波纹板静态混合器中的两相气液流动，并根据卷入起始准则开发了压力损失相关性，该相关性通过CFD仿真得到了进一步验证。Chen等人[25]使用CFD研究了文丘里型混合器在周期性空气回收中的应用，并通过响应面方法优化了四个结构参数。然而，尽管这些改进的混合器可以通过交叉杆、扭曲带或收缩-膨胀通道显著提高横向混合均匀度，但它们通常会带来额外的压力损失。Di等人[20]提出了一种带有梯形挡板的静态混合器用于氢气-天然气混合，并通过LES研究表明，四个带有30°挡板角度和1D间距的混合元件通过涡流诱导的湍流增强了径向传输，实现了最佳混合效果。Meng等人[26]比较了四种扭曲带式静态混合器，发现RSM表现出椭圆形分离区，MSM缺乏有效的流动分割，而SSM提供了适合剪切敏感材料的稳定流动。Yang等人[27]报告称，在五种静态混合器中，新的LPD混合器因出色的流动分割和重组特性而表现出最佳的混合均匀度。尽管如此，大多数现有研究仅关注少数几种经典几何形状，针对复杂操作条件下的H2-NG混合的系统性参数研究仍然相对较少[19,28]。此外，多元素和多组分设计会增加安装和维护的复杂性，这对改造现有的长距离输送管道不利。总之，用于管道氢气混合的静态混合器面临一个核心挑战：在较短的发展长度内实现高混合均匀度，同时保持低压力降、结构紧凑性和改造实用性。

为了解决这些问题，本研究提出了一种专门用于气体输送管道中氢气混合的多级螺旋槽-穿孔静态混合器（MSSG-H）。该混合器利用外部多级螺旋槽产生稳定的旋流和二次流动，以及内部轴向穿孔产生局部高速射流。旋流和射流的耦合作用增强了径向动量交换和剪切，抑制了T形接头下游的氢富集和分层，并保持了较大的流动面积以限制额外的压力降。开发了一个三维CFD模型，其中天然气用甲烷表示。首先通过网格独立性分析和与已发表的基准案例比较对该模型进行了验证。然后利用该模型阐明了在有限压力降限制下快速混合的旋流-射流耦合机制。在此基础上，建立了穿孔数N和槽宽与深度比B/H的参数映射，以确定低压降设计窗口，并量化了与氢气混合比例（HBR）和入口速度相关的操作权衡。进一步将MSSG-H混合器的性能与在匹配操作条件下的三元素SMX静态混合器进行了基准比较。总体而言，这项工作通过将强化的流体动力学与工程设计参数和性能权衡联系起来，为压力降敏感的改造和新建设的H2-NG输送项目提供了设计指导。

**结构设计和物理模型**
设计了一种用于长距离天然气管道中氢气混合的多级螺旋槽-穿孔静态混合器（MSSG-H）。主要目标是在有限的额外压力降下提高氢气-天然气的混合均匀度。该混合器在管道中局部插入，以尽量保持原始的管径和布局不变。图1a显示了这种改造方案的管道模型。

**穿孔数的影响**
MSSG-H静态混合器的核心结构由规律排列的圆形穿孔和外部螺旋槽组成。穿孔数N是一个描述内部孔布局的关键几何参数，对混合效率和压力降特性有显著影响。为了系统地研究其影响，模拟了五种具有N=5、9、13、17和21个穿孔的代表性配置。图4a展示了氢气分子分布情况。

**结论与未来的工作**
提出了一种用于压力降限制下管道中氢气-天然气混合的多级螺旋槽-穿孔在线静态混合器（MSSG-H）。使用三维CFD模型评估了关键几何和操作参数对混合均匀度和压力降的影响，并进一步将MSSG-H的性能与典型的三元素SMX静态混合器进行了比较。主要结论如下：
(1) MSSG-H实现了近乎完全的混合。

**作者贡献声明**
张伟浩：概念构思、方法论、软件开发、验证、数据管理、形式分析、可视化、初稿撰写、审稿与编辑、资金获取。
包洋洋：概念构思、方法论、软件开发、验证、数据管理、形式分析、初稿撰写、审稿与编辑。
张书宇：软件开发、验证、数据管理。
曹卓帆：软件开发、验证、数据管理。

**版权声明**
张伟浩：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件开发、方法论、研究、资金获取、形式分析、数据管理、概念构思。
包洋洋：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件开发、方法论、研究、形式分析、数据管理、概念构思。
张书宇：验证、软件开发、数据管理。
曹卓帆：验证、软件开发、数据管理。
毛志豪：