摩洛哥油頁巖在SJ型方爐中干餾過程的平衡計算

朱煜凱

摘 要： 對摩洛哥塔法雅（Tarfaya）地區油頁巖在SJ型方爐中干餾的熱平衡和物料平衡進行了計算。結果表明，干餾1 000 kg塔法雅油頁巖總需熱為981 754.62 kJ，干餾爐內總供熱546 985.08 kJ，需要燃燒15.85 m3的干餾氣維持干餾過程中的熱量平衡；入方總質量為1 585.71 kg，出方總質量為1 583.96 kg，損失質量為1.75 kg，基本能夠維持干餾爐內物料平衡。

關 鍵 詞：油頁巖；熱平衡；物料平衡；SJ型方爐

中圖分類號：TQ 018 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1858-03

Abstract： The heat balance and material balance of Tarfaya oil shale in retorting were estimated. The results show that total heat for 1 000 kg oil shale retorting is 981 754.62 kJ and total provided heat for SJ-retort is 546 985.08 kJ. About 15.85 m3 retorting gas is needed to combust to keep heat balance. The total mass into SJ-retort is 1 585.71 kg and the total mass out of SJ-retort is 1 583.96 kg. The basic material balance can be maintained in SJ-retort.

Key words： oil shale； heat balance； material balance； SJ-retort

世界油頁巖資源蘊藏量十分巨大，其儲量高達（10～15）×1018 kJ，約占全球各種能源總量（26～43）×1018 kJ的35% ，將來油頁巖將作為重要的油氣資源代替石油[1，2]。油頁巖干餾后生產頁巖油，半焦可用于燃燒，燃燒后的頁巖灰可用于制造水泥、陶粒等[3，4]。干餾煉油是油頁巖利用的主要途徑，干餾爐內的熱平衡和物料平衡的計算對干餾過程有非常重要的意義，本文將重點對SJ型方爐進行熱平衡和物料平衡進行計算。

1 摩洛哥油頁巖基本性質分析

1.1 油頁巖樣品采取與處理

油頁巖樣品取自摩洛哥塔法雅（Tarfaya）地區，樣品破碎后篩選粒度為<0.2 mm作為實驗用的樣品。表1為含油率測定結果。

1.2 油頁巖基本性質分析

工業分析和元素分析結果見表2。

從表2結果來看，該地區油頁巖平均水分和固定碳含量較低，灰分含量較高，加工時需要考慮灰分的處理，可以收集灰分作為生產水泥和砌塊的原料。平均硫含量為0.81%，干餾制油的過程中會產生少量H2S、SO2、SO3等硫化物，需要增加凈化工藝。摩洛哥油頁巖的氫碳比較低，低于其它油頁巖，因此熱解的油會相對稍重。

2 摩洛哥油頁巖在SJ型方爐中干餾的平衡計算

2.1 熱平衡計算

以1 000 kg摩洛哥油頁巖（收到基）作為基準進行熱平衡和物料平衡計算[5]。干餾過程一共存在6個吸熱過程：（1）油頁巖（收到基）中所包含的表面水從室溫20 ℃被加熱到100 ℃；（2）經歷一個相變的過程從液態水變為氣態水，此時吸收的熱量稱為汽化潛熱；（3）最后氣態水從100 ℃繼續被加熱到550 ℃；（4）油頁巖（干基）從20 ℃被加熱到550 ℃吸收熱量；（5）油頁巖干餾吸熱；（6）在整個干餾過程中存在有一定程度的熱損失，干餾總需熱為所有熱量之和。

油頁巖在550 ℃溫度下經過干餾后，熱解產生的550 ℃的頁巖油氣，干餾氣和水蒸氣在從干餾爐的上半部排出的過程中，會與從頂端進入的油頁巖發生換熱，出口溫度為90 ℃；另外，半焦從干餾爐底端排出，經過水盆冷卻，出口溫度約為90 ℃。因此熱解產物都將自身550～90 ℃的顯熱留在了干餾爐內，作為供熱的一部分。

由于總需熱小于總供熱為了達到干餾目的，需要補充一定的熱量。SJ型方爐是采用干餾氣燃燒供熱，所以需要補充的熱量由干餾氣燃燒補充。

熱平衡計算結果見表3。

由表3結果可知，當SJ型方爐穩定運行時，干餾1 000 kg油頁巖總需熱為981 754.62 kJ，燃燒15.85 m3干餾氣后總供熱為981 754.62 kJ，基本能夠維持干餾爐內熱平衡。

2.2 物料平衡計算

在干餾過程中物料平衡計算主要有水平衡和氣體平衡兩個方面。

在SJ型方爐內，油頁巖靠自重自上而下經過干燥段、干餾段（550 ℃）以后，繼續下移到冷卻段，經水間冷排焦箱，半焦溫度降至250 ℃左右，通過推焦機將半焦推入爐底30 ℃水封槽內，在水槽內進行換熱，進一步冷卻到90 ℃左右，最后由刮板機排出干餾爐。由于水槽內水的蒸發損失，必須隨時補充冷卻水以維持水封的高度。

為了方便進行氣體平衡計算，做如下假設：

（1）在初始階段，沒有形成穩定的干餾循環體系之前，干餾油頁巖所需要的熱量完全由純干餾氣的燃燒提供，此時干餾爐的入口氣體僅為干餾氣和燃燒所需空氣的混合氣。

（2）隨著反應的進行，干餾爐的出口氣體包括油頁巖干餾產生的純干餾氣，入口空氣中攜帶進來的N2，燃燒產生的CO2和SO2。為保證干餾爐內壓力的平衡，以及能夠繼續維持干餾油頁巖所需的干餾氣供熱的基礎上，將干餾爐的一部分出口氣體作為循環氣重新進入干餾爐內燃燒，剩下的氣體則需要放散掉，這部分氣體可以用來燃燒發電或其他用途。最終入口氣體、循環氣體、放散氣體將達到一個動態平衡。

（3）油頁巖干餾產生的純干餾氣與其他雜質氣體（N2，CO2，SO2）是相互獨立的。

（4）空氣中氧氣含量為21%，氮氣含量為79%，忽略其他氣體成分。

3 結 論

（1）干餾1 000 kg摩洛哥油頁巖總需熱981 754.62 kJ，干餾爐內總供熱546 985.08 kJ，供熱量小于需熱量，需要燃燒15.85 m3的干餾氣補充熱量以維持干餾爐內熱平衡。

（2）入方總質量為1 585.71 kg，出方總質量為1 583.96 kg，損失為1.75 kg，基本能夠維持干餾爐內物料平衡。

參考文獻：

[1] 李術元，耿層層，錢家麟. 世界油頁巖勘探開發加工利用現狀——并記2013年國外兩次油頁巖國際會議[J]. 中外能源，2014（01）：25-33.

[2] 劉招君，柳蓉. 中國油頁巖特征及開發利用前景分析[J]. 地學前緣，2005（03）：315-323.

[3] Jiang XM， Han XX. New technology for the comprehensive utilization of Chinese oil shale resources[J]. ENERGY， 2007，32： 772-777.

[4] Jiang XM， Han XX. Progress and recent utilization trends in combustion of Chinese oil shale[J]. PROG ENERG COMBUST，2007，33： 552-579.

[5] 李術元，錢家麟. 茂名頁巖沸騰爐物料平衡和熱平衡核算[J]. 石油大學學報（自然科學版），1993（05）：143-145.