Фильтрационное горение и тепломассообмен в многофазных дисперсных топливных средах с подвижной топливной компонентой

Abstract

Объектом исследования работы являются разнообразные гетерогенные горючие системы, имеющие в своем составе подвижную жидкую компоненту. Целью НИР является создание моделей фильтрационного горения, устойчивости тепловых и концентрационных фронтов при проведении термохимических процессов (горение, газификация, частичное окисление) в дисперсных топливных средах с подвижной топливной компонентой, включая внутрипластовое горение нефти, подготовка рекомендаций по осуществлению горения в таких системах. При выполнении работ использовались методы математического моделирования горения гетерогенных систем в объемно- усредненном приближении (без точного описания фазовых границ) и параметрическое исследование таких систем. В качестве солверов использовались пакеты Wolfram Mathematica и Comsol Multiphysics. При изучении эффективной вязкости органоводоугольной дисперсии использовались качественные и количественные методы реологии, в частности измерялся перепад давления при продавливании дисперсии через канал, использовались вискозиметры. В работе проведено исследование патентной литературы по вопросу подготовки многофазных топлив, методов смешения и диспергирования топливных компонентов и методов сжигания дисперсий. Численно исследована задача взаимной динамики фронтов горения и вытеснения нефти (в одномерной постановке) при газотермическом методе интенсификации нефтеотдачи. Моделирование проведено для системы плоской и осесимметричной геометрии. Даются рекомендации по проведению внутрипастового горения, обеспечивающего более высокую вероятность сохранения целостности фронта вытеснения нефти. Рассматривается одномерная плоская задача слоевого горения с поджигом с нижней и верхней стороны слоя, исследуются особенности горения двух модельных топливных систем, условно соответствующих смесям «опилки-нефть» и «щепа-нефть». Показано, что для системы с мелкодисперсной твердой фазой (опилки), в силу низкой проницаемости для газов, скорость воздушного дутья относительно невысока, что обуславливает медленное формирование температурного фронта (характерное время - несколько десятков минут). В случае крупнодисперсной твердой фазы (щепа), расходы воздуха выше и соответствующие времена формирования температурных фронтов меньше (несколько минут). Исследуется влияние параметров поджига на суммарный недожог топливной смеси. Экспериментально исследуется возможность уменьшения эффективной вязкости водоугольной и органоводоугольной дисперсии методами воздействия вибрационного, ультразвуковых и акустических полей. Показано, что для снижения эффективной вязкости (псевдоожижения) амплитуда наложенных полей должна быть достаточно высокой, что технически осуществляется при помощи относительно низкочастотных вибраций (промышленной частоты). Поведены исследования эффективной вязкости при продавливании дисперсии через трубопровод. Сделаны рекомендации по снижению эффективной вязкости такого топлива. Новизна исследований обусловлена тем, что влияние подвижной компоненты в гетерогенном топливе на особенности его горения не анализировалось в мировой литературе и последовательно не изучалось экспериментально. Результаты исследований могут быть использованы в концерне «Белнефтехим» при реализации метода газотермического воздействия на пласт, а также при разработке методов утилизации некоторых видов отходов, включая смывки тары нефтепродуктов, многофазных и загрязненных нефтепродуктов, в научных и технических организациях МЧС для создания методик сжигания использованных органических сорбентов нефтепродуктов. Область применения результатов исследовательской работы включает интенсификацию нефтеотдачи, сжигание гетерогенных отходов нефт6епереработки и использованных органических сорбентов, а также методы расчета гетерофазных химических реакторов с пористой средой. Экономическая эффективность работ в части моделирования внутрипластового горения обусловлена малой затратностью прогностического моделирования нефтеотдачи и существенной экономической выгодой при увеличении дебета добывающей скважины. При использовании результатов работы для сжигания отходов и альтернативных гетерогенных топлив экономический и социальный эффект достигаются за счет повышения экологической чистоты процесса сгорания, снижения требований к очистке продуктов сгорания. Дальнейшее развитие объекта исследования может быть связано с разработкой практических печных устройств и методик в интересах предприятий концерна «Белнефтехим» и МЧС, а также с 2-х и 3-х мерным моделированием соответствующих систем.