Particle Deposition From Geothermal Supercritical Steam

Abstract

Varmeutvinning fra dype varme geotermiske brønner kan føre til en størrelsesorden høyere effekt sammenlignet med konvensjonelle geotermiske brønner (Fridleifsson et al. 2003). Et slikt energipotensial kan imidlertid ikke utnyttes med dagens teknologi. Årsaken til dette er den spesielt raske utfelling av SiO2-partikler av submikron størrelse fra trykkavlastet overopphetet vanndamp, noe som resulterer i påfølgende høye avsetningshastigheter og beleggdannelse på røroverflater og prosessutstyr, noe som er problematisk.

Følgende arbeid består av numeriske og eksperimentelle metoder for å utforske dominerende transportmekanismer for partikler av submikron størrelse og for å kvantifisere avsetningshastigheter fra overopphetet og superkritisk vanndamp i turbulente strømningskanaler. I dette arbeidet er det etablert en numerisk modell (PARTICLE) i den kommersielle programvaren ANSYS Fluent 20.2 for banefølging av submikronpartikler ved bruk av brukerdefinerte funksjoner (UDF). En grenseskikt-modell og korreksjoner til modellen for øyeblikkelige turbulente hastighetssvingninger er implementert i PARTICLE-modellen for å adressere feil-genererte resultater i standardmodellen i ANSYS Fluent. Ved å bruke Reynolds stress-ligningsmodell (RSM) for hastighetsfeltet og de gjennomsnittlige turbulente hastighetssvingningene i en strømningskanal, ble PARTICLE-modellen ble validert og viste meget godt samsvar med eksperimentelle, numeriske og empiriske resultater fra literaturen ved atmosfæriske luftforhold. Den etablerte PARTICLE-modellen muliggjør forbedrede simuleringer av submikron partikkelavsetninger ved bruk av ANSYS Fluent. Anvendelsen av PARTICLE-modellen ved geotermiske forhold avslørte overvurderte diffusjonshastigheter for submikronpartikler sammenlignet med empiriske korrelasjoner. Derfor blir ytterligere validering av de benyttede modellene og de resulterende konsentrasjonsprofilene i de geotermiske forholdene anbefalt for videre arbeid.

Bidrag til en eksperimentell studie av utfelling, agglomerering og avsetning av trykkredusert overopphetet og superkritisk vanndamp overmettet med ortokiselsyre er gjennomført. Det foreslås en beregningsprosedyre for å sammenligne eksperimentelle og numeriske resultater av avsetningshastighet ved å inkludere en partikkelstørrelsesfordeling fra den numeriske modellen til Bordvik, Næss et al. (2021). Validering med resultatene fra denne eksperimentelle studien anbefales, da mulige avvik fra de numeriske prediksjonene kan være relatert til frastøtende krefter på veggen.

Heat extraction from deep hot geothermal wells may lead to an order of magnitude higher power output than conventional geothermal wells (Fridleifsson et al. 2003). However, such energy potential cannot be exploited with current technologies. The reason for this is that precipitation of submicron-sized particles of SiO2 from depressurised superheated water vapour is especially fast in the gaseous phase, resulting in subsequent high rates of deposition and scaling onto pipe surfaces and process equipment, which is problematic.

Numerical and experimental methods are conducted to explore dominant submicron particle transport mechanisms and to quantify deposition rates from superheated and supercritical water vapour in turbulent channel flows. In this work, a numerical model (PARTICLE) is established in the commercial software ANSYS Fluent 20.2 for submicron particle tracking with the use of user-defined functions (UDFs). A boundary layer model and correction terms to the model for the instantaneous turbulent velocity fluctuations are implemented in the PARTICLE model to address spurious results in the default model in ANSYS Fluent. By employing the Reynolds stress equation model (RSM) for the turbulence mean flow simulation, the PARTICLE model was validated and showed very good agreements with experimental, numerical and empirical results in ambient conditions of air. The established PARTICLE model facilitates improved submicron particle deposition simulations using ANSYS Fluent. Subsequent application of the PARTICLE model at the geothermal conditions revealed overestimated diffusion rates for submicron particles compared to empirical correlations. Therefore, further validation of the employed models and the predicted concentration profiles in the geothermal conditions is emphasised.

Contributions to an experimental investigation on the precipitation, agglomeration and deposition of depressurised superheated and supercritical water vapour supersaturated with silicic acid were made. A calculation procedure is proposed to compare the experimental and numerical deposition results by including a particle size distribution from the numerical model of Bordvik, Næss et al. (2021). Validation with the results from this experimental investigation is recommended, as possible deviations from the numerical predictions might be related to repulsive wall bounding forces.