吉木薩爾油頁巖干餾工藝的模擬計算及分析

曾明明，黃建寧，馬美秀，李森林，王金玉，劉 爽，耿 強

(1.陜西冶金設計研究院有限公司，陜西 西安 710032;2.新疆寶明礦業(yè)有限公司，新疆 吉木薩爾縣 831700)

0 前言

油頁巖作為非常規(guī)油氣資源儲量僅次于煤炭，其熱解可得到類似原油的頁巖油和可替代天然氣的煤氣，作為常規(guī)能源的補充，對保障我國能源供給安全具有非常重要的現(xiàn)實意義。油頁巖開發(fā)主要產(chǎn)品為頁巖油，因此干餾工藝確定尤為重要。目前，我國油頁巖干餾技術理論研究與工藝試驗工作已取得較大進展，但在工業(yè)油頁巖干餾過程中仍欠缺理論基礎。

油頁巖干餾過程所需熱量由三部分組成:一為油頁巖自常溫提高到干餾溫度所需熱量，即頁巖顯熱;二為水分蒸發(fā)需要熱量;三為干餾反應熱，即油母熱解吸熱。針對不同地區(qū)不同品位的油頁巖，選擇干餾工藝時要考慮以下兩方面:一方面要考慮應盡量減少頁巖油在工藝生產(chǎn)過程中的損失，提高油收率，盡可能充分利用頁巖自身熱量，如固定碳和干餾氣能提供的熱量;另一方面要考慮在頁巖原料自身熱量不足的情況下，盡可能選擇穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟的外部熱量來源。本文以新疆吉木薩爾油頁巖為前提對氣燃干餾工藝、半循環(huán)半氣燃干餾工藝、全循環(huán)干餾工藝以及半循環(huán)半內燃干餾工藝的工藝參數(shù)、收油率、水耗等參數(shù)進行計算，確定適合新疆吉木薩爾油頁巖的干餾工藝，同時得出不同品位油頁巖對干餾工藝的適應性。

1 干餾工藝的分類及特點

工業(yè)生產(chǎn)的干餾工藝以塊狀油頁巖干餾工藝為主，按供熱方式分為四種，具體分析如下:

1.1 半循環(huán)半內燃干餾工藝

半循環(huán)半內燃干餾工藝 (即為撫順爐工藝)為氣體熱載體干餾工藝，頁巖干餾所需要的全部熱量由熱循環(huán)干餾氣和干餾爐底部燃燒半焦供給。

工藝流程為:油頁巖入干餾爐內，油母在干餾爐內干餾分解產(chǎn)生的油氣，并與半焦燃燒產(chǎn)生的煙氣和水盆蒸汽及熱循環(huán)氣一起從爐上部逸出，進入頁巖油回收系統(tǒng)。油頁巖干餾后轉化成頁巖半焦，進入爐子下半部與飽和主風燃燒，產(chǎn)生煙氣和水盆蒸發(fā)水一起上行，在干餾爐中段同進爐熱循環(huán)干餾氣混合，加熱并干餾油頁巖。頁巖半焦燃燒后生成的干餾渣從爐底水盆排出。從爐頂引出的油氣經(jīng)油回收系統(tǒng)后，頁巖油進入儲油罐。分離出的干餾氣分為三部分:一部分用作燃料，為加熱爐蓄熱;一部分作為熱循環(huán)氣，為干餾爐供熱;另一部分是剩余干餾氣，用作鍋爐生產(chǎn)燃料。

1.2 氣燃干餾工藝

氣燃干餾工藝 (氣燃式方爐工藝)為氣體熱載體干餾工藝，油頁巖干餾所需要的全部熱量由干餾爐底部燃燒半焦和燃燒回爐氣供給。

工藝流程為:油頁巖入干餾爐內，油母在干餾爐內干餾分解產(chǎn)生的油氣，并與半焦燃燒產(chǎn)生的煙氣、水盆蒸汽以及回爐氣燃燒產(chǎn)生的混合氣一起從爐上部逸出，進入頁巖油回收系統(tǒng)。油頁巖干餾后轉化成頁巖半焦，進入爐子下半部與回爐氣一起參與燃燒，產(chǎn)生混合氣和水盆蒸發(fā)水一起上行，加熱并干餾油頁巖。頁巖半焦燃燒后生成的干餾渣從爐底水盆排出。從爐頂引出的油氣經(jīng)油回收系統(tǒng)后，頁巖油進入儲油罐。分離出的爐出口氣分為兩部分:一部分回干餾爐燃燒;另一部分是剩余爐出口氣，用作鍋爐生產(chǎn)燃料。

1.3 全循環(huán)干餾工藝

全循環(huán)工藝為氣體熱載體干餾工藝，頁巖干餾所需要的全部熱量由加熱爐供給。

工藝流程為:油頁巖入干餾爐內，油母在干餾爐內干餾分解產(chǎn)生的油氣，并與冷熱循環(huán)氣一起從爐上部逸出，進入頁巖油回收系統(tǒng)。油頁巖干餾后轉化成頁巖半焦，進入爐子下半部與冷循環(huán)氣換熱，并蒸發(fā)水盆一部分水入爐，預熱的冷循環(huán)氣與蒸發(fā)水在干餾爐中部與熱循環(huán)氣一起上行，加熱并干餾油頁巖。頁巖半焦冷卻后從爐底水盆排出。從爐頂引出的油氣經(jīng)油回收系統(tǒng)后，頁巖油進入儲油罐。分離出的干餾氣分為兩部分:一部分作為循環(huán)氣;另一部分是供加熱爐燃燒。

1.4 半循環(huán)半氣燃干餾工藝

半循環(huán)半氣燃干餾工藝為氣體熱載體干餾工藝，頁巖干餾所需熱量由加熱爐、干餾爐底部混合氣及半焦燃燒供給。

工藝流程為:油頁巖入干餾爐內，油母在干餾爐內干餾分解產(chǎn)生的油氣，并與半焦燃燒產(chǎn)生的煙氣、水盆蒸汽、熱循環(huán)氣以及回爐氣燃燒產(chǎn)生的混合氣一起從爐上部逸出，進入頁巖油回收系統(tǒng)。油頁巖干餾后轉化成頁巖半焦，進入爐子下半部與回爐氣一起參與燃燒，產(chǎn)生混合氣和水盆蒸發(fā)水一起上行，在干餾爐中段同進爐熱循環(huán)氣會合，加熱并干餾油頁巖。頁巖半焦燃燒后生成的干餾渣從爐底水盆排出。從爐頂引出的油氣經(jīng)油回收系統(tǒng)后，頁巖油進入儲油罐。分離出的爐出口氣分為三部分:一部分回干餾爐燃燒;一部分作為熱循環(huán)氣，為干餾爐供熱;另一部分是剩余爐出口氣，用作鍋爐生產(chǎn)燃料。

2 新疆吉木薩爾油頁巖理化特性

根據(jù)頁巖樣品檢測及地質報告，新疆吉木薩爾頁巖具有以下特點:

共向全科醫(yī)生發(fā)放問卷250份，回收問卷250份，剔除無效和雷同問卷16份，最終得到有效問卷234份，有效回收率為93.6%。234份受訪全科醫(yī)生中，男性135名（57.7%），女性99名（42.3%）；醫(yī)生年齡集中在31～40歲，學歷以大專最多，絕大多數(shù)為初級職稱，平均工作年限為14.71±7.39年；超過4/5的受訪者參加過有關抗生素使用的相關培訓。具體情況見表1。

(1)頁巖礦床結構變化較大，不同礦層的頁巖含油率差異較大，全巖心含油率為最低1.7%，最高19.0%，含油率在4%以上的平均含油率為7.31%。

(2)頁巖產(chǎn)氣率較低且不穩(wěn)定，對新疆全巖心樣品檢測結果為最低1%，最高5.8%，平均1.71%。含油率在4%以上的工業(yè)頁巖平均產(chǎn)氣率為2.03%。

(3)頁巖固定碳含量較低，根據(jù)檢測結果，固定碳含量最低 0.57%，最高6.75%，平均2.64%。

(4)頁巖含水最低0.2%，最高1.72%，平均1%。

3 新疆吉木薩爾油頁巖對不同干餾工藝的適應性分析

由于新疆吉木薩爾油頁巖固定碳含量及產(chǎn)氣率不穩(wěn)定，不能貿(mào)然選擇干餾工藝。因此在保證自給熱量的前提下，本文對滿足不同干餾工藝的固定碳含量及產(chǎn)氣率的最佳組合進行模擬計算，以找到適合新疆吉木薩爾頁巖干餾的最優(yōu)化工藝。

3.1 全循環(huán)干餾工藝的適應性分析

全循環(huán)干餾工藝模擬計算如圖1所示。當新疆吉木薩爾頁巖產(chǎn)氣率達到3.47%時采用全循環(huán)干餾工藝，不需外補熱源;產(chǎn)氣率小于3.47%時，如果采用全循環(huán)干餾工藝需建立氣源站補充熱源;產(chǎn)氣率大于3.47%時，采用全循環(huán)干餾工藝將會有剩余氣體。全循環(huán)干餾工藝對原料頁巖中固定碳含量沒有要求，但是此工藝無法利用頁巖干餾后半焦中的固定碳，如果固定碳含量較高且熱值達到3 344 kJ/t時，可將半焦燃燒二次利用。

全循環(huán)干餾工藝干餾頁巖所需要的熱量全部由熱循環(huán)氣提供，該工藝需要加熱爐供熱，溫度較均衡且要連續(xù)性供熱，特別是循環(huán)干餾氣熱值高，危險系數(shù)較大，因此不能忽略了加熱爐操作的復雜性。

圖1 全循環(huán)干餾工藝模擬分析Fig.1 Simulation analysis of full cycle retorting process

3.2 氣燃干餾工藝的適應性分析

氣燃干餾工藝模擬計算如圖2所示，當新疆吉木薩爾頁巖產(chǎn)氣率達到4.9%、固定碳含量達到2.7%時采用氣燃干餾工藝熱量自給。當頁巖產(chǎn)氣率大于4.9%、固定碳含量大于2.7%時采用氣燃干餾工藝有剩余氣量，如果干餾氣熱值達到一定要求可再次利用，而且氣燃干餾工藝頁巖固定碳利用率較低，當干餾后半焦熱值達到3 344 kJ/t時，可將半焦二次利用。

圖2 氣燃干餾工藝模擬分析Fig.2 Simulation analysis of gas combustion retorting process

氣燃工藝所用設備簡單，投資小。但是頁巖的固定碳含量和氣體產(chǎn)率的要求相對較高。當氣體產(chǎn)率較低時，剩余干餾氣的流量大且熱值低，暫無經(jīng)濟上可行的利用方式。

3.3 半循環(huán)半氣燃干餾工藝的適應性分析

圖3 半循環(huán)半氣燃干餾工藝模擬分析Fig.3 Simulation analysis of half cycle and half gas combustion retorting processes

半循環(huán)半氣燃干餾工藝模擬計算如圖3所示，當新疆吉木薩爾頁巖產(chǎn)氣率達到3.05%、固定碳含量達到2.31%時，循環(huán)氣供熱比達到38%，采用半循環(huán)半氣燃干餾工藝可不需外補熱源。當產(chǎn)氣率大于3.05%時會有干餾氣剩余;當固定碳含量大于2.31%時，半焦中固定碳含量增加，熱值達到一定程度時可二次利用;當產(chǎn)氣率大于3.05%、固定碳含量大于2.31%時，采用此工藝不僅會有剩余干餾氣，而且半焦中固定碳含量增加，熱值會提高。

半循環(huán)半氣燃工藝方案對頁巖適用性強，自身熱量利用最合理，但是在收油率、生產(chǎn)操作等方面無優(yōu)勢，且沒有工業(yè)使用先例。

圖4 半循環(huán)半內燃干餾工藝模擬分析Fig.4 Simulation analysis of half circulation and half internal combustion retorting process

3.4 半循環(huán)半內燃干餾工藝的適應性分析

半循環(huán)半內燃干餾工藝模擬計算如圖4所示，當新疆吉木薩爾頁巖產(chǎn)氣率在3%～4.8%、固定碳含量在0.85% ～2.54%范圍內時，采用半循環(huán)半內燃干餾工藝可不需外補熱源。采用該干餾工藝時頁巖產(chǎn)氣率越高，循環(huán)氣供熱比與也就越大。當頁巖產(chǎn)氣率大于圖的坐標中頁巖產(chǎn)氣率標示點時，會有干餾氣剩余。

半循環(huán)半內燃干餾工藝，對頁巖的適用性強，但當頁巖的固定碳含量和氣體產(chǎn)率低于某一特定值時，需要采用補充外部熱源的方式來滿足干餾所需要的熱量。

3.5 四種油頁巖干餾工藝結果

油頁巖干餾工藝的選擇除了考慮固定碳及產(chǎn)氣率之外，還得考慮工藝的油收率、耗水量、產(chǎn)生的廢水量等參數(shù)，因此在以上計算的基礎上，通過計算工藝的油收率、耗水量、產(chǎn)生的廢水量見表1。

由表1可知，全循環(huán)干餾工藝方案較其它干餾工藝收油率高，并且在用水量、污水量等均少于其他干餾工藝，運行成本相對較低，但是由于需要選擇合適的加熱爐供熱。因此，新疆油頁巖干餾工藝選擇全循環(huán)干餾工藝為最優(yōu)選擇。

表1 4種干餾工藝水急補水、廢水量、綜合油收率比較Tab.1 Comparison of water replenishment quantity，waste water quantity and oil extracting yield among four distillation processes

4 結論

油頁巖開發(fā)主要產(chǎn)品是頁巖油，在工藝選擇中應充分考慮油頁巖的理化特性，所以干餾爐爐型選擇和干餾工藝確定尤為重要。根據(jù)不同種類油頁巖特性來選擇干餾爐爐型，然后再與之配套油回收系統(tǒng)。同時要考慮干餾氣和殘渣利用，尤其是油頁巖半焦中固定碳的回收和利用。要根據(jù)不同地區(qū)油頁巖特性在操作上進行調整及配量的設定。還要考慮各工藝收油率、水耗等參數(shù)，以確定最合適干餾工藝。

［1］ 黃建寧，李森林．運用冶金焦化生產(chǎn)技術開發(fā)油頁巖煉制新工藝 ［J］．西安，重型機械，2009，(4):12－15．

［2］ 錢家麟等．油頁巖－石油的補充能源 ［M］．北京:中國石化出版社，2008．

［3］ 施國泉，中國石油和石化工程研究會。油頁巖和頁巖油［M］．北京，中國石化出版社，2009．

［4］ 撫順石油一廠等，中國油頁巖 ［M］．北京:石油工業(yè)出版社，2007．

［5］ 黃志新，袁萬明，黃文輝，Paul E izenhoefer．油頁巖開采技術現(xiàn)狀 ［J］．資源與產(chǎn)業(yè)，2008，10(6):22－23．

［6］ 柳蓉，劉招君．國內外油頁巖資源現(xiàn)狀及綜合開發(fā)潛力分析 ［J］．吉林大學學報 (地球科學版)，2006，36(6):896－897．

［7］ 姜秀民，韓向新，崔志剛．油頁巖綜合利用技術的研究［J］．自然科學進展，2005，15(11):1 342－1 345．

［8］ 牛繼輝，陳殿義．國外油頁巖的地下轉化開采方法［J］．吉林大學學報:地球科學版，2006，36(6):1027－1030．