油頁巖氣體熱載體干餾爐內溫度分布的試驗研究*

秦 宏 張 鑫 柏靜儒 劉洪鵬 遲銘書 王 擎 劉 斌

(1. 東北電力大學油頁巖綜合利用教育部工程研究中心；2. 興安盟科潔新能源有限公司)

近年來，油頁巖這種最具潛力的非常規能源被逐漸重視起來，在化石燃料中，其儲量(折算為發熱量)僅次于煤[1，2]。隨著經濟的發展，能源的消耗量不斷增加。美國能源信息管理局預測，全球石油的需求量將以每年1.9%的速度增長，到2025年全球石油平均日需求量將上升至1.21億桶[3]。按照此消耗速率，若沒發現新的資源，世界已探明的原油儲量大致能維持45年，天然氣可供66年，原煤可維持229年[4]。

目前，世界上比較成熟的氣體熱載體干餾爐有巴西的Petrosix、愛沙尼亞的Kiviter型、中國的撫順爐和樺甸茂名氣燃式方型爐[5～10]。我國加工油頁巖仍然以撫順干餾爐技術為主。其主要工藝特點為：油頁巖熱解所需熱量來自熱循環干餾氣和氣化段產生的氣化氣，其中氣化段存在局部燃燒反應，很容易造成部分頁巖油氣的損失，降低了油收率(60%～65%)[11]，熱循環氣從爐體中部進入爐內，在混合室內與氣化段氣混合，通過邊壁噴口進入干餾段。但是，這種結構限制了其大型化的發展。

為研究油頁巖在干餾爐內的加熱過程，借鑒國內外干餾技術的經驗，并試圖克服現有干餾工藝存在的不足，筆者設計了一種新型的爐內布氣工藝，并通過自行搭建試驗臺，對油頁巖干餾爐內氣體熱載體熱解特性進行研究。油頁巖在氣體熱載體干餾爐中干餾包括加熱過程、熱解過程和熱解反應產物擴散與逸出過程[12]。為了方便單獨研究物料物理顯熱的變化，擬采用空氣加熱鵝卵石替代循環干餾氣加熱油頁巖方式專門研究物理顯熱和爐內的溫度分布情況。

1 試驗部分

1.1試驗裝置和溫度測點

試驗臺主體為立式圓柱，其結構如圖1所示，干餾爐總高H=3.62m，干餾爐內徑R=0.2m，T為氣體熱載體溫度測點。干餾爐上部為進料段，經雙閥門由螺旋輸送機進料，其中干餾段高度h=0.4m。氣體熱載體經中心進氣管進入爐內，由沿截面圓周方向呈十字分布的4根布氣管噴入爐膛。

圖1 干餾爐裝置及測點圖

假定以中心進氣管上的4根布氣管為坐標軸，中心進氣口水平面為0點平面，以干餾段高度h為標準。在與坐標軸夾角0°方向上，距0點平面高0.70h、0.20h、-0.16h、-0.40h位置和夾角22.5、45°方向上，距0點水平面高0.20h、-0.16h、-0.40h位置上分別布置3測點的熱電偶(熱電偶根部在爐內邊壁處，即R處；端部在爐中心處，即0處；中部處于距中心0.5R處)。

1.2干餾爐的布氣裝置

本試驗裝置布氣管結構如圖2所示，其與國內的撫順爐、巴西的Petrosix爐等現有氣體熱載體干餾爐的布氣方式均不相同。試驗裝置采用中心管進氣，中心管上有4根布氣管，每根布氣管上在兩側斜向下45°位置交錯布置5個直徑5mm的圓孔。考慮到爐中心處相鄰布氣管噴口距離較近，在爐內氣體充滿度較強，布氣孔間距大；隨著半徑的增大，布氣孔的間距減小。

圖2 布氣管結構

1.3試驗流程及安排

在氣體流量為13.2m3/h的條件下進行加熱試驗。試驗物料為鵝卵石，其粒徑范圍為13～40mm，氣體熱載體為空氣，在加熱管內被加熱至所需溫度，然后送入爐內以加熱物料。整個系統封閉，氣體在系統內循環。上、下部有給料機和出焦機，可以實現連續進料和連續出焦。

試驗操作流程為：將鵝卵石由上部螺旋給料機送入干餾爐，啟動風機，調節氣體流量至13.2m3/h(此時噴口氣體流速為4.67m/s)，空氣在流經加熱管時，被加熱成高溫空氣，加熱管功率由加熱控制箱來調節。熱載體經由中心進氣管進入干餾爐內對物料進行均勻加熱。由數據采集儀記錄各測點溫度存入計算機，供試驗結束后整理。試驗結束后，物料由螺旋出焦機排出爐外。

2 試驗結果及討論

試驗中送入爐內的氣體熱載體的溫度為555.75℃，通過爐內各測點溫度來判斷爐內各處的溫度分布。

2.1爐內水平截面溫度分布

2.1.1沿半徑方向的溫度分布

圖3為距進氣口高度分別為-0.40h、-0.16h、0.20h截面上的溫度分布曲線。由圖3可知，爐膛各截面溫度沿半徑均呈整體下降趨勢，這是因為隨半徑增加，氣流噴射至爐內空間急劇加大，盡管沿半徑方向逐步增加布氣孔分布數量，但依然無法彌補氣流分布密度的急劇降低。此外，熱氣流在布氣管內流動，沿布氣管半徑方向受沿程阻力影響，其射流流量也隨半徑的增大逐步衰減，這也是造成各截面溫度隨半徑整體下降的原因。氣體射流過程中，隨射程的不斷擴散，不同氣速與氣流擴散均對傳質和傳熱造成影響[13]。圖3a、b均為布氣管下方爐內溫度分布，氣體由噴口斜向下45°噴射，可較為直觀地看到射流噴射方向范圍內的溫度變化情況。

a. -0.40h

b. -0.16h

c. 0.20h

由圖3a可見，夾角45°方向上各測點的溫度均為最高，夾角22.5、45°方向上溫度變化趨勢相同，距中心0～0.5R范圍內溫度變化不大，0.5R～R范圍內下降幅度較大。沿夾角0°方向，在距中心0.5R處出現溫度最低值，并且在0～0.5R范圍內溫度下降幅度大，為160℃左右，而0.5R～R范圍內溫度變化不大。這是因為此層測點距噴氣口最遠，沿氣體射流方向速度衰減程度較大，氣體的擴散影響趨于明顯。夾角45°方向處于射流流場區域，且受相鄰布氣管氣流擴散補充的影響，因此溫度最高；夾角0°位置處，在靠近中心處(0處)布氣管本身的氣體射流并不能到該位置，而相鄰布氣管的射流恰好補充了這一區域，因此該區域溫度相對較高，隨半徑增加，射流射程已無法達到該層，引起溫度大幅度降低。

由圖3b可知，夾角45°方向上的溫度也最高，與圖3a相比，夾角為0、45°方向上溫度分布曲線變化趨勢相同，在距中心0～R范圍內，溫度呈逐漸下降趨勢，沿夾角22.5°方向上，距中心0～0.5R范圍內的溫度變化不大，0.5R～R范圍內下降幅度較大。在22.5°方向上，距中心0.5R處開始受到相鄰布氣管氣流擴散的影響，溫度保持較高水平，0°方向始終被射流氣流繞流，因此溫度一直較低，而邊壁處(R處)由于空間顯著增大，氣流經過和擴散該區域的份額降低，加之氣流本身速度衰減程度較大和氣體流經不規則堆積物料間隙時方向的偏轉，因此溫度有大幅度下降。

由圖3c可知，夾角為0、45°方向上的溫度變化曲線相似，在距中心0.5R處，溫度分別升高到529、500℃，到邊壁處(距中心R處)兩者均急劇下降至255℃左右。而22.5°方向上溫度沿半徑變化規律有所不同，呈持續下降趨勢，其中爐中心位置的溫度與其他兩個方向接近，但距中心0.5R處就下降了86℃左右，且沿半徑繼續下降，邊壁處又降低了26℃。根據爐內結構特點，爐內氣體最終向上流動，由爐頂流出，因此該截面的溫度分布已不受布氣孔噴射氣流的直接影響，而僅靠爐內氣體在爐內物料間隙中的擴散來進行傳熱。

3個截面的溫度隨半徑的變化非常明顯，-0.40h截面同角度的最大溫差約為160℃左右，-0.16h和0.20h截面最大溫差超過275℃，而邊壁處溫度整體偏低，最高也不超過375℃，與油頁巖干餾理想溫度相距較遠。盡管如此，從圖3中仍然可以看到，除最低截面-0.40h外，靠近布氣管下方和布氣管上方的各角度溫度在隨半徑方向變化的過程中存在此消彼長的現象，如圖3b中的45、22.5°在距中心0.5R處的溫度一致，及0、22.5°在0.5R至邊壁過程中的溫度變化，而圖中中心處與邊壁處的溫度分布相對均勻。

2.1.2不同角度的溫度分布

以布氣管為0°角，與布氣管夾角的各個方向間也存在明顯的溫度差別。從圖3a可以看出，-0.40h位置，隨夾角在0～45°范圍內增大時，各處溫度均呈上升趨勢。特別是在0～22.5°內，溫度變化幅度遠超過22.5～45°的溫度增幅。可以看出，布氣管正下方位置處于布氣盲區，而在該截面45°角處則處于射流流經的最充分區域。

圖3b為-0.16h處截面的溫度分布，此處較-0.40h截面更靠近布氣管，此時溫度分布較圖3a有了明顯不同，在距中心0.5R處，布氣管下方的溫度較邊壁略高，而22.5、45°的溫度已經接近一致，但邊壁處22.5°的溫度已經低于0°位置。此時，該截面位置的溫度變化不僅受到噴射氣流傳質和擴散作用的影響，還受到來自下方返流氣體向上擴散流動的影響。

從圖3c可以看出，中心處不同角度溫度基本一致，但在距中心0.5R處和邊壁處的溫度差別較前兩個截面有明顯不同。布氣管上方(0°夾角)與45°角處在距中心0.5R區域出現一個轉折，且0°時溫度甚至高于45°時，邊壁處兩者溫度同時下降到最低點，邊壁處0～45°區域中，22.5°區域的溫度高于其他兩個角度。0.20h截面的溫度分布已不受布氣孔噴射氣流的直接影響，氣流返流時的擴散特性占據了主要因素，而爐內塊狀物料的堆積存在著隨機性，難以用空爐時的噴射氣流擴散特性來進行分析。但能夠確定的是45°方向和布氣管上方0°方向的溫度在除邊壁外的地方溫度處于較高水平。

2.2沿高度方向上溫度分布

圖4為夾角0、22.5、45°方向上豎直高度的溫度分布曲線。

a. 夾角0°

b. 夾角22.5°

c. 夾角45°

從圖4a可以看出，距中心0、0.5R處溫度都是在0.20h截面處出現溫度最大值，邊壁處的溫度峰值出現在-0.16h；距中心0、0.5R處溫度變化較大，最大增幅可超過400℃，而邊壁處各點溫度都較低，溫度變化幅度較小。-0.40h截面距布氣管較遠，熱氣流噴射射程有限，其傳熱量較小，故溫度較低；0.70h截面為布氣管上方，熱氣流流經該截面下部過程中，經與爐內物料進行大量的熱量傳遞，其溫度本身降低，因此該截面溫度偏低，不過該截面溫度趨于均勻。

圖4b為夾角22.5°爐內溫度在不同高度上的溫度分布，可以看出，中心處和邊壁處高度為-0.40h～0.20h范圍內溫度均呈現逐漸上升的趨勢，中心處溫度最高，邊壁處溫度最低。而距中心0.5R處在-0.16h處溫度達到峰值后，隨高度升高而下降。

圖4c為夾角45°爐內溫度在不同高度上的溫度分布，可以看出，中心處和邊壁處溫度變化曲線相似，均在-0.16h截面處達到溫度最大值。在距中心0.5R處，溫度隨高度升高呈現逐漸降低的趨勢。

由圖4可以看到，溫度變化可體現噴射氣流在爐內的流動和擴散特性。-0.40h截面最低，氣流速度在此處衰減顯著。隨爐內高度增加，大部分區域溫度都有不同程度的遞增。而0.70h截面熱氣流溫度隨擴散和傳熱其本身溫度已顯著降低，因此該截面溫度整體較低。隨高度增加，爐內溫度受氣體壓力梯度的影響，噴射氣流分壓力由中心向邊壁處擴散，這樣距中心0、0.5R處溫度在不同夾角處溫度一直處于較高水平，主要受熱氣流在爐內體積分數較高的影響，邊壁處溫度整體偏低，由爐膛內部擴散過來的氣體也無法彌補其體積分數偏低所造成的影響。由此可見，爐內溫度分布特性體現了射流氣體在爐內物料間空隙的流動特性和擴散特性，由于物料堆積的隨機性，爐內溫度分布呈現了部分隨機性和不確定性。該特性為工程設計提供了參考價值，但其內在特性的掌握尚需要大量工作來完成。

3 結論

3.1爐內氣體熱載體通過物料間空隙進行噴射流動和擴散流動，從而實現傳熱過程，其流動特性可通過爐內溫度分布來呈現。溫度較高區域為熱氣流經過區域，反之亦然。

3.2沿角度和半徑方向，受相鄰兩布氣管氣流補充作用的影響，中心處和邊壁處溫度分布相對均勻；邊壁處溫度偏低；夾角45°方向測點的溫度略高；0°方向在布氣管下方整體偏低，在布氣管上方整體偏高；22.5°測點整體居中，且在0.20h截面溫度隨半徑分布相對均勻；由于氣體射流之間相互干擾和氣流與壁面之間的碰撞，射流的運動特性復雜，導致不同截面高度0°方向溫度不同。

3.3沿高度方向上，布氣管下方溫度特性受氣流噴射和擴散特性的影響，布氣管上方只受氣流擴散的影響。除0.70h外，大部分區域的溫度隨爐內高度呈整體升高趨勢；溫度最高點通常出現在-0.16h和0.20h截面，0.70h截面溫度整體偏低，但趨于相對均勻。

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