油頁(yè)巖撫順爐低溫干餾的影響因素分析

周揚(yáng)，陳松，王曉棟

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150090）

油頁(yè)巖撫順爐低溫干餾的影響因素分析

周揚(yáng)，陳松，王曉棟

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150090）

油頁(yè)巖撫順式干餾技術(shù)是國(guó)際唯一認(rèn)可的中國(guó)油頁(yè)巖生產(chǎn)的技術(shù)工藝，本文詳細(xì)介紹了撫順爐的工作原理及其工藝流程，并以撫順干餾爐為依托，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳細(xì)分析了影響油頁(yè)巖低溫干餾的因素，即油頁(yè)巖粒度、升溫程序（干餾終溫、加熱時(shí)間和升溫速率）。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論為油頁(yè)巖干餾煉油提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

油頁(yè)巖；撫順爐；低溫干餾；影響因素

油頁(yè)巖又稱油母頁(yè)巖，是一種高灰分的固體可燃有機(jī)礦產(chǎn),通過低溫干餾可以提煉頁(yè)巖油。油頁(yè)巖干餾時(shí)有機(jī)質(zhì)受熱分解，其產(chǎn)物氫碳比為1.25～1.75，類似于天然石油，稱為“頁(yè)巖油”、“人造石油”或“合成原油”［1］。我國(guó)油頁(yè)巖資源儲(chǔ)量巨大，高達(dá)10萬(wàn)億噸，技術(shù)可采儲(chǔ)量為2 400億噸，理論上可以回收輕質(zhì)原油100億噸，與傳統(tǒng)石油相對(duì)比（2011年1月份我國(guó)石油資源量881億噸，可采資源量233億噸）具有很大的發(fā)展空間［2］。如此可見，如果我國(guó)油頁(yè)巖資源能夠得到合理的開發(fā)和利用，不久的將來(lái)必將成為重要的替代能源之一。

干餾是將固體燃料在隔絕空氣加熱的條件下，使其分解為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的一種方法。一般根據(jù)加熱的最終溫度，分為1 000℃左右的高溫干餾和550℃左右的低溫干餾。我國(guó)主要采用撫順式干餾工藝生產(chǎn)頁(yè)巖油，為內(nèi)熱式低溫干餾爐。從1919年開始撫順干餾技術(shù)至今已有近百年的歷史，與成大全循干餾爐、氣燃方型爐相比，其原料可以為低品位油頁(yè)巖，并且有易操作、易維護(hù)保養(yǎng)，投資小、見效快等優(yōu)點(diǎn)，也是國(guó)際上唯一認(rèn)可的中國(guó)油頁(yè)巖生產(chǎn)的技術(shù)工藝。本文以撫順干餾爐為依托，對(duì)油頁(yè)巖低溫干餾的影響因素進(jìn)行分析。

1　撫順油頁(yè)巖低溫干餾爐

撫順油頁(yè)巖低溫干餾爐如圖1所示，干餾爐由三部分組成，即加料設(shè)備、爐體及排灰設(shè)備。爐體是外徑為3～4m鋼制的圓柱體，內(nèi)襯有150～250mm厚的耐火磚，耐火磚與外殼之間填充礦渣纖維或砂子，起到保溫和承受膨脹的作用。爐體中間的拱臺(tái)將整個(gè)爐腔分為上部干餾段和下部氣化段。爐體的中間部分比較復(fù)雜，包括拱臺(tái)、混合室和腰部。

圖1　撫順式干餾爐Fig.1 Fushun-type retorting

拱臺(tái)是十字形的磚結(jié)構(gòu)，與混合室相連形成四條腿支持于爐壁四周，其下有橢圓形孔與混合室相連。一部分氣化段的氣體也可由此進(jìn)入混合室。拱臺(tái)的作用是使頁(yè)巖緩慢進(jìn)入混合室，并使中心溫度升高。混合室是將氣化段氣與熱循環(huán)氣混合后通過周圍的噴口噴入干餾段。在撫順式爐形成時(shí)期，爐體的腰部，曾有過粗腰和細(xì)腰的考察，經(jīng)過反復(fù)改裝后發(fā)現(xiàn)，粗腰的頁(yè)巖行速較為均勻，有效容積也較大，所以干餾能力就強(qiáng)。因此1956年后，粗腰的撫順爐因氣體阻力較小，構(gòu)造較簡(jiǎn)單而被廣泛使用。

干餾爐內(nèi)頁(yè)巖進(jìn)料分配器的下方是氣體收集裝置。它是無(wú)底空心呈90°的傘形體，其外邊與爐壁有適當(dāng)?shù)木嚯x，使頁(yè)巖不致卡住。其作用是收集頁(yè)巖油氣，并將其勻速導(dǎo)出爐外。另外，還可以使頁(yè)巖油氣在導(dǎo)出的過程中粉塵夾帶量變小，減少邊壁效應(yīng)。

干餾爐內(nèi)的加料設(shè)備，目前應(yīng)用較多的是由爐頂放料管和閘板及交叉式分配器組成。貯槽中的油頁(yè)巖通過放料管進(jìn)入干餾爐，經(jīng)交叉式分配器均勻地分布于爐內(nèi)。一般情況下?lián)犴槧t是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的，但加料則為間歇式操作。放料管裝有閘板，其目的是為了防止向爐內(nèi)抽入空氣。

排灰設(shè)備安裝在爐底爐盤之上，分為排灰器、風(fēng)頭、灰皿及鐵鍬四部分。爐盤有上下球槽，灰皿的底部，有3～4條曲線型的翅片鑄件構(gòu)成排灰器。風(fēng)頭安裝在排灰器中心，是錐形體。主風(fēng)由兩層風(fēng)口噴出并均勻分配于氣化段中。灰皿周邊由六塊鑄鐵板排列而成，底部為排灰器，并做水封，防止氣化段氣體泄漏。鐵鍬安裝在爐壁的兩側(cè)，起到將頁(yè)巖灰排出爐外的目的。

2　油頁(yè)巖干餾工藝流程

圖2　撫順油頁(yè)巖干餾工藝流程圖Fig.2 Fushun oil shale retorting process

油頁(yè)巖干餾工藝流程示意圖如圖2所示［3］：將破碎篩分的油頁(yè)巖礦送入爐內(nèi)干餾段進(jìn)行干餾（不符合8～75mm的頁(yè)巖礦舍棄），干餾后的頁(yè)巖半焦落入氣化段，干餾氣通過頂部排出冷凝回收。在氣化段下部導(dǎo)入飽和熱主峰，從而發(fā)生燃燒反應(yīng)，在此段需要回收余熱并導(dǎo)出廢渣。此處回收的余熱和加熱爐的循環(huán)瓦斯一起為干餾段提供熱量。所有的氣體熱載體與干餾段產(chǎn)生的油氣一起通過收集傘導(dǎo)出，冷凝回收頁(yè)巖油，瓦斯氣按照用途分為三部分使用，即燃料瓦斯、循環(huán)瓦斯和動(dòng)力瓦斯。通常，一個(gè)干餾單元由20臺(tái)干餾爐組成，共用一套冷凝回收裝置和加熱爐。

3　影響油頁(yè)巖低溫干餾的因素

經(jīng)過大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)［1,4］，影響油頁(yè)巖低溫干餾的因素主要有油頁(yè)巖的進(jìn)料粒度及升溫程序。

3.1油頁(yè)巖的進(jìn)料粒度

首先影響油頁(yè)巖低溫干餾的因素是進(jìn)料粒度。撫順干餾爐要求破碎篩分后的頁(yè)巖粒徑為8～75mm。小于8mm的粉體頁(yè)巖進(jìn)入撫順干餾爐后會(huì)導(dǎo)致干餾爐中氣體的流動(dòng)性變差，使空氣與半焦的氧化反應(yīng)不充分，進(jìn)而導(dǎo)致供熱不足，影響油頁(yè)巖的干餾產(chǎn)率。而隨著粒徑的增大，頁(yè)巖的導(dǎo)熱性隨之變差，在加熱時(shí)，表面溫度與中心溫度便會(huì)存在較大的溫度差。如果升溫程序不適當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致干餾不完全，浪費(fèi)資源。圖3是不同塊徑正方體油頁(yè)巖試樣的內(nèi)外溫度差的曲線。

圖3　頁(yè)巖的表面和中心的溫度差Fig.3 Temperature between the surface and the center of shale

圖4　油頁(yè)巖在不同終溫下的頁(yè)巖油產(chǎn)率Fig.4 The shale oil yield at different final temperature of oil shale

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，油頁(yè)巖表面和中心的溫度差與粒徑曲線上存在兩個(gè)波峰，一個(gè)在200℃～300℃，另一個(gè)在475℃左右，并且隨著頁(yè)巖粒徑的增大，一般的，波峰處的一階導(dǎo)數(shù)絕對(duì)值變大。第一個(gè)波峰的形成是油頁(yè)巖脫自由水的階段，由于水分大量蒸發(fā)需要大量的氣化熱，供給的熱量便不能迅速傳遞到油頁(yè)巖塊的內(nèi)部，其內(nèi)外溫度差變大，并且隨著油頁(yè)巖塊徑的增大，內(nèi)外的溫度差就會(huì)更大，波峰處的一階導(dǎo)數(shù)的絕對(duì)值也就變大。但是當(dāng)自由水完全氣化后，外部供給的熱量便迅速傳遞到油頁(yè)巖內(nèi)部，溫度差就逐漸縮小。第二個(gè)波峰的形成是油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)熱解和無(wú)機(jī)物結(jié)晶水放出階段，也是大部分頁(yè)巖油析出的階段。因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)的熱分解和結(jié)晶水的氣化仍消耗大量的熱，故造成內(nèi)外溫度差的增大、拐點(diǎn)的形成，同理，隨著頁(yè)巖塊徑的增大內(nèi)外的溫度差便會(huì)更大。

總體來(lái)看，塊狀油頁(yè)巖在干餾的過程中，需在合適的溫度下保持一定的恒溫時(shí)間，即需要適宜的升溫程序才能使內(nèi)外溫差變小，油頁(yè)巖干餾才能完全。一般的，需要在200℃～300℃和475℃左右延長(zhǎng)加熱時(shí)間。

3.2油頁(yè)巖干餾過程的升溫程序

3.2.1干餾終溫

從圖3中可以看出第二個(gè)波峰475℃左右是油頁(yè)巖中大部分有機(jī)質(zhì)分解的溫度，為了考察油頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)干餾的最終溫度，將油頁(yè)巖加熱到不同的溫度，并恒溫1h，測(cè)量頁(yè)巖油的產(chǎn)率，如圖4所示，350℃開始有少量的頁(yè)巖油析出，并在400℃以后，開始迅速析出，450℃～550℃是頁(yè)巖油析出的主要溫度段，并且，溫度超過500℃以后，頁(yè)巖油的產(chǎn)率增加不到0.1%，反而熱解水和氣體增加幅度很大。這就說明，無(wú)機(jī)礦物質(zhì)中結(jié)晶水分解了，有機(jī)質(zhì)殘留物也發(fā)生了斷鏈反應(yīng)，頁(yè)巖油蒸汽在高溫區(qū)發(fā)生二次裂解，所以最終溫度的選擇應(yīng)該在500℃～550℃為宜。而在500℃～550℃，頁(yè)巖油產(chǎn)率幾乎沒有改變，從節(jié)約能源的角度出發(fā)，油頁(yè)巖干餾終溫的選擇為第二個(gè)波峰處，即干餾終溫以510℃為宜。

3.2.2加熱時(shí)間

油頁(yè)巖干餾的程度不僅和干餾終溫有關(guān)，加熱時(shí)間的長(zhǎng)短也是很重要的因素之一。要根據(jù)不同的頁(yè)巖粒徑選擇不同的加熱時(shí)間，這樣一方面使油頁(yè)巖干餾完全，另一方面避免能源的浪費(fèi)。選擇粒徑為50mm左右的頁(yè)巖進(jìn)行干餾，考察510℃附近加熱時(shí)間（225℃主要為自由水的分解，持續(xù)升高溫度水分自然會(huì)分解，故不需要考察其加熱時(shí)間）和頁(yè)巖油產(chǎn)率之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，450℃時(shí)，加熱時(shí)間超過1h，頁(yè)巖油的產(chǎn)率仍為95%（與標(biāo)準(zhǔn)鋁甄干餾頁(yè)巖油產(chǎn)率相比），500℃則加熱0.5h就達(dá)到100%。550℃時(shí)油頁(yè)巖便熱解完全。因此，綜合以上影響因素選擇520℃下加熱15min為宜。

3.2.3加熱速率

油頁(yè)巖的加熱速率影響到干餾的生產(chǎn)強(qiáng)度。撫順爐一般采用低速加熱即1.5℃～5℃/min。研究結(jié)果表明，加熱速率對(duì)油頁(yè)巖干餾的產(chǎn)率和組成沒有顯著影響。主要表現(xiàn)為加熱速度較快時(shí)，揮發(fā)性產(chǎn)物的裂化程度較輕，其頁(yè)巖油的比重和餾分組成較產(chǎn)率低時(shí)的頁(yè)巖油稍重。這種提高加熱速率使油頁(yè)巖很快加熱到指定溫度的干餾方法較強(qiáng)化干餾，其主要目的是縮短干餾時(shí)間提高油頁(yè)巖干餾效率。

4　結(jié)論

針對(duì)不同的干餾爐油頁(yè)巖的粒徑需要有一定的限制，不同的粒徑需要控制不同的升溫程序，但都選擇在200℃～300℃和475℃處延長(zhǎng)加熱時(shí)間以使熱量充分傳遞到頁(yè)巖內(nèi)部達(dá)到自由水、揮發(fā)物和有機(jī)質(zhì)充分分解的目的。加熱速率低速加熱1.5℃～5℃/min即可，干餾終溫選擇520℃加熱15min為宜。

［1］錢家麟，尹亮.油頁(yè)巖——石油的補(bǔ)充能源［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2008.

［2］劉招君，董清水，葉松青，等.中國(guó)油頁(yè)巖資源現(xiàn)狀［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2006，36（6）：869-876.

［3］白章，柏靜儒，王擎，等.撫順式油頁(yè)巖干餾工藝系統(tǒng)模擬及分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，（14）：13-16.

［4］侯祥麟.中國(guó)頁(yè)巖油工業(yè)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1984.

Analysis of Influencing Factors of Oil Shale Fushun Retorting Furnace

ZHOUYang,CHENSong,WANGXiao-dong

（Energyand Environmental Research Institute ofHeilongjiangProvince,Harbin 150090,China）

Fushun-type oil shale retorting technology is the only internationally recognized process technology in China.This paper describes its workingprinciple and process,and the influencingfactors ofthe lowtemperature oil shale retortingare analyzed bythe Fushun-type retortingand the experimental data.The factors conclude the particle size,temperature program(final distillation temperature,heating time and heating rate). The conclusion provides the basic data for oil shale retorting.

Oil shale;Fushun-type retorting;Lowtemperature retorting;Influencingfactors

TQ524

A

1674-8646（2015）09-0013-03

2015-05-21

黑龍江省科學(xué)院青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目“油頁(yè)巖低溫?zé)峤鈼l件對(duì)頁(yè)巖油性質(zhì)的影響研究”

周揚(yáng)（1984-），女，黑龍江海倫人，助理研究員，碩士，從事非常規(guī)能源的研究和技術(shù)開發(fā)工作。