​论文推荐｜西安交通大学王长安教授：富油煤地下原位热解余热利用过程数值模拟研究

富油煤地下原位热解余热利用过程数值模拟

陈美静，漆博文，王长安，毛崎森，车得福

西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室

研究背景

我国能源安全问题日益突出，而传统的煤炭利用过程会对环境造成严重污染，在我国力争实现“2030年碳达峰、2060年碳中和”的大背景下，亟需开发一种清洁、高效的煤炭利用方式。

富油煤原位热解是一种将煤原位转化为油气资源并进行分级利用的极具环境优势和战略意义的新途径。目前对富油煤原位热解的研究少见报道，原位热解提油后的余热回收特性亟需分析和评估。

研究内容

构建了一种富油煤半焦层余热利用的二维大尺度模型，对加热冷却过程进行了适当简化。通过对半焦层温度的多维度展示，评价了冷却介质种类、入口流速及温度、半焦层初始温度、布井方式、水平裂缝数目、加热时长和加热介质入口流速对半焦层余热利用过程的温度场和冷却效率的影响。

研究结论

1) 冷却介质流速对半焦层冷却的效果有限。随着介质流速的增大，半焦层平均温度降低且有效冷却面积扩大；然而较大冷却介质入口流速下（>0.5 m/s）的影响较为微弱，不建议通过进一步增大流速以提高富油煤余热利用效率，将造成较大的能量损耗。在实际允许的情况下，相较于N₂和水蒸气，选择CO₂作为冷却介质有助于半焦层的充分冷却。

2) 在不考虑冷却介质对流换热前所消耗时间的前提下，半焦层自然冷却至较低温度后再流入冷却介质进行余热回收，能够明显改善冷却效果。

3) 增加注气井的数量有助于改善冷却过程中半焦层温度均匀性、提高冷却效率，但半焦层冷却效果几乎不受注气井位置的影响。

4) 双水平裂缝布置足以满足半焦层的有效冷却要求。冷却33个月后，2条裂缝半焦层和3条裂缝半焦层的充分冷却比同时达到100%，因此无需进一步增加水平裂缝数量以扩展对流传热面积。

5) 半焦层冷却效率同时受加热/冷却时长、加热/冷却介质流速的影响。在其他条件一致的情况下，半焦层充分冷却的必要条件是冷却时长大于加热时长。加热介质流速对煤层平均温度上升的贡献有限，超过一定范围后继续提升介质流速会造成不必要的能耗浪费。本研究中对应的最大加热介质流速是0.05 m/s。

王长安，西安交通大学能动学院教授，博士生导师，主要从事富氧燃烧技术、化石燃料高效燃烧及其污染物控制、可燃固废处理等方面的科学研究和教学工作。近几年，作为负责人承担国家及省部级项目7项，包括：科技部国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目、陕西省自然科学基础研究计划等。作为负责人主持完成企业课题10余项，此外作为骨干成员曾参与国家863计划项目、国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金以及企业重大课题10余项。目前，相关研究成果已经发表期刊论文100余篇（其中，第一/通讯作者SCI论文50余篇，ESI工程领域Top1%高被引论文3篇），授权发明专利40项，曾获得2019年度中国能源研究会能源创新奖一等奖。