油頁巖固體熱載體綜合利用系統的能量分析與分析

柏靜儒， 張慶燕， 王林濤， 白 章， 王 擎

(1.東北電力大學 油頁巖綜合利用教育部工程研究中心， 吉林 吉林 132012； 2.中國科學院 工程熱物理研究所， 北京 100190)

柏靜儒1， 張慶燕1， 王林濤1， 白 章2， 王 擎1

(1.東北電力大學 油頁巖綜合利用教育部工程研究中心， 吉林 吉林 132012； 2.中國科學院 工程熱物理研究所， 北京 100190)

利用Aspen Plus軟件對基于油頁巖固體熱載體干餾法構建的綜合利用系統進行模擬，結合模擬結果對系統做了詳細的能量分析和分析，并繪制了系統能流圖與流圖來描述每個熱力過程的能量分布與損分布情況。結果表明，油頁巖輸入量為100 kg/s時，干餾爐內部不可逆損失(即熱解反應損失)其損率為47.43%，是系統損失最大環節，油頁巖中11.03%的燃料化學能貶值為干餾產物熱能；綜合利用系統各損失中，凈化冷凝單元的熱損失能量品位最高。

油頁巖； 固體熱載體； 綜合利用； 能量分析；分析

油頁巖作為典型的非常規油氣能源，其儲量約為2×1013t，相當于8×1011t頁巖油[1]，加大對油頁巖的開發利用，對改變我國能源結構，改善我國能源不足現狀，具有非常重要的戰略意義。

油頁巖能源既可以干餾制取頁巖油，也可以燃燒發電[2]。現有油頁巖干餾技術包括固體熱載體干餾法和氣體熱載體干餾法，其中固體熱載體干餾技術規避了氣體熱載體干餾法中存在的爐內氣流分布不均、頁巖流動阻力大等問題，同時還具有干餾時間短、油收率高、干餾強度大、資源利用率高等諸多優點[3]，受到研究開發者的重視[4]，將成為油頁巖資源開發利用的主要發展方向[5-7]。隨著技術進步和環保意識的增強，油頁巖已從單一的能源利用發展到資源的綜合利用[8-9]，如“油頁巖干餾煉油-半焦燃燒發電/供熱-頁巖灰聯產建材”綜合開發利用集成技術[10-13]及“油頁巖干餾-半焦燃燒-油氣提質-灰渣綜合利用”的系統集成路線[14]等。為了有效評價綜合利用系統，需要對其能量分布、能量轉化率及能量損失情況等進行深入計算與分析。

1 油頁巖干餾及發電過程

1.1 工藝流程

基于油頁巖固體熱載體干餾法構建的綜合利用系統工藝流程包括4個單元，分別為油頁巖干餾單元(RR)、凈化冷凝單元(P/C)、循環流化床鍋爐加熱發電單元(CFB-ST)、燃氣-蒸汽聯合循環發電單元(CC)，工藝流程見圖1。

圖1 油頁巖固體熱載體綜合利用系統工藝流程示意圖Fig.1 Process diagram of the oil shale comprehensive utilization system with solid heat carrier technology

油頁巖從頁巖儲罐送至破碎機，破碎至15 mm以下粒徑的油頁巖顆粒進入RR單元，與高溫循環灰(850℃)在混合器內混合后送至干餾爐內進行干餾，干餾溫度為520℃，離開RR單元的物料為頁巖油氣、頁巖熱解氣、固體半焦及低溫循環灰的混合物(500℃)。隨后這些混合物進入P/C單元的旋風分離器進行分離，分離出固體半焦和低溫循環灰的混合物(500℃)送至CFB-ST單元進行燃燒發電，自旋風分離器頂部分離出的油氣經過凈化和冷凝處理，最終得到頁巖油并送至油罐進行儲存。

干餾產物頁巖熱解氣屬于高熱值氣體燃料，經P/C單元的旋風分離器分離后送至CC單元，用于電能生產。CFB-ST單元的鍋爐排煙經過靜電除塵后和CC單元的余熱鍋爐排煙一起通過煙囪排放。

1.2 油頁巖及干餾產物基礎特性

在本研究中所用的油頁巖樣品取自吉林樺甸的公朗頭礦區。根據《油頁巖含油率的測定方法》(SH/T 0508-92)對油頁巖(OS)進行鋁甄分析，結果列于表1。按照國家標準GB/T 212-2001、GB/T 476-2001 和GB/T 213-2001對油頁巖(OS)及經干餾所得半焦(SC)和頁巖油(OIL)進行工業分析、元素分析和發熱量的測定，結果如表2所示。

表1 油頁巖鋁甄實驗測定結果(空干基)Table 1 Fischer assay of the oil shale sample w/%

表2 樣品的工業分析、元素分析和發熱量Table 2 Proximate analysis, ultimate analysis and calorific value of the samples

OS—Oil shale； SC—Semi-coke； OIL—Shale oil

2 工藝流程模擬及模擬結果

在本研究中所構建的流程按照100 kg/s的油頁巖輸入量進行模擬，油頁巖在常溫狀態下送入干餾爐，吸收850℃高溫熱載體循環灰的熱量，使得油頁巖溫度升至520℃的最佳干餾溫度并開始熱解，干餾產物送入旋風分離器進行分離，模擬方法見文獻[26-28]，利用Aspen Plus模擬得到的物流參數如表3所示。

表3 系統的主要物流參數Table 3 Process parameters of some material streams of the system

3 綜合利用系統的能量分析和分析

結合Aspen Plus模擬得到的物流參數及油頁巖試樣的基礎特性數據，采用黑箱模型分別對油頁巖干餾單元(RR)、凈化冷凝單元(P/C)、循環流化床鍋爐加熱發電單元(CFB-ST)、燃氣-蒸汽聯合循環發電單元(CC)進行能量分析和分析。

圖2 油頁巖干餾單元(RR)分析計算結果Fig.2 The analysis results of oil shale retorting unit (RR) (a) Results of energy analysis； (b) Results of exergy analysis

P/C單元的主要目的是將500℃的油氣混合物經冷凝、分離、凈化脫硫處理，實現油汽分離，除去熱解氣中的含硫氣體，以減少對環境的污染。在P/C單元，物流燃料化學能保持不變，只有物流顯熱大幅度降低。

圖3 油頁巖凈化冷凝單元(P/C)分析計算結果Fig.3 The analysis results of the oil shale purifier condenser unit (P/C)(a) Results of energy analysis； (b) Results of exergy analysis

CFB-ST單元實現固體半焦的充分利用，干餾產物半焦具有一定熱值并含有多種微量金屬元素，將干餾產生的半焦送入循環流化床中燃燒，既減少了能量浪費和對環境的污染，又能實現能量的梯級利用，同時也解決了油頁巖干餾系統需另設加熱爐加熱熱載體的問題。

圖4 油頁巖循環流化床鍋爐加熱發電單元(CFB-ST)分析計算結果Fig.4 The analysis results of the oil shale circulating fluidized bed boiler power generation unit (CFB-ST)(a) Results of energy analysis； (b) Results of exergy analysis

圖5 油頁巖燃氣-蒸汽聯合循環發電單元(CC)分析計算結果Fig.5 The analysis results of the oil shale gas-steam combined cycle generating unit (CC)(a) Results of energy analysis； (b) Results of exergy analysis

4 油頁巖固體熱載體綜合利用系統分析

4.1 綜合利用系統能效分析

4.2 綜合利用系統能量分析

根據油頁巖固體熱載體綜合利用系統能量分析計算結果，筆者以油頁巖熱值為100%輸入量，以熱平衡為尺度繪制了油頁巖固體熱載體綜合利用系統能流圖如圖7所示，計算了油頁巖固體熱載體綜合利用系統各環節可利用能量與損失能量的百分比如表4所示。

由圖7可以看出，當油頁巖輸入量為100 kg/s時，油頁巖經過干餾過程后，其能量的46.84%轉換到干餾產物頁巖油中，頁巖油的能量為綜合利用系統有效輸出能量，可以進一步加工利用；CC單元電能總產量為7.53%，其中3.13%的電能應用于空氣壓縮機做功，故CC單元有效輸出電能為4.40%，CFB-ST單元有效輸出能量為6.51%的電能；綜合利用系統中不小于5.00%的損失為干餾爐散熱損失12.88%、CFB-ST單元汽輪機冷源損失10.35%、P/C單元冷凝熱損失9.76%，其中RR單元干餾爐散熱損失為系統熱損失最高位置，是綜合利用系統能量利用的薄弱環節，由于熱量屬于低質能，要想回收利用這部分能量十分困難；CFB-ST單元各處熱損失之和為14.42%，其主要能量損失為排煙熱損失為3.45%和汽輪機冷源損失10.35%；CC單元各處熱損失之和為5.12%，其主要能量損失包括排煙熱損失為1.55%和汽輪機冷源損失2.97%，從整體角度分析，CC單元是系統熱損失最小單元，但CC單元的熱效率僅為45.87%(見表4)，是綜合利用系統熱效率最低的單元。

圖6 基于能量分析和分析的能效分布情況Fig.6 The distribution of energy efficiency based on energy analysis and exergy analysis(a) The distribution of energy efficiency based on energy analysis； (b) The distribution of energy efficiency based on energy analysis

圖7 油頁巖固體熱載體綜合利用系統能流圖Fig.7 Energy flow diagram of the oil shale comprehensive utilization system with solid heat carrier technology

UnitEnergyefficiency/%Exergyefficiency/%RR88.9681.76P/C85.2482.60CFB-ST61.6256.50CC45.8753.58

圖8 油頁巖固體熱載體綜合利用系統流圖Fig.8 Exergy flow diagram of the oil shale comprehensive utilization system with solid heat carrier technology

5 結 論

(1) 油頁巖固體熱載體綜合利用系統中，系統能效最低的單元是CC單元，其熱效率僅為45.84%，效率為53.58%，但CC單元總熱能損失為5.12%，總損失為3.64%，是綜合系統能量損失最小的單元，故該單元節能潛力有限。

(3) 油頁巖固體熱載體綜合利用系統中熱損失最高位置發生在RR單元干餾爐部分，該部分的散熱損失占油頁巖熱值的12.88%，其次是CFB-ST單元汽輪機冷源損失(10.35%)和P/C單元的冷凝熱損失(9.76%)，此三部分熱損失相應的值百分數分別為3.63%、1.83%和4.27%，說明P/C單元損失的能量品味最高，故提高利用系統的綜合效率應首先從減少該單元的能量損失著手。針對汽輪機冷源損失，可根據具體運行情況，采用熱泵技術吸取循環水的低品位能源，使之提高品位向用戶們供熱。

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Energy Analysis and Exergy Analysis of Oil Shale Comprehensive UtilizationSystem on Solid Heat Carrier Technology

BAI Jingru1, ZHANG Qingyan1, WANG Lintao1, BAI Zhang2, WANG Qing1

(1.EngineeringResearchCenterofOilShaleComprehensiveUtilization,MinistryofEducation,NortheastElectricPowerUniversity,Jilin132012,China; 2.InstituteofEngineeringThermophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)

The Aspen Plus software was used to simulate the oil shale comprehensive utilization system built with solid heat carrier technology. Moreover, the income and expense distribution of energy and exergy were calculated and analyzed in detail with the simulation results using the energy and exergy analysis approach, and we mapped the flow charts of energy and exergy in the system to describe the energy distribution and energy loss distribution of each thermal process. The results show that when the oil shale input is 100 kg/s, the irreversible exergy loss in internal retort furnace (i.e., the exergy loss in the pyrolysis reaction) is 47.43%, which accounts toward the most of the lost exergies in the whole system. It was also observed that 11.03% of oil shale fuel chemistry energy is devalued as the pyrolysis product heat energy. In addition, among all the heat losses of the comprehensive utilization system, the heat loss energy grade of the condensing unit contributes the most.

oil shale； solid heat carrier； comprehensive utilization； energy analysis； exergy analysis

2016-06-21

吉林市科技計劃項目(201434001)和吉林省重點科技攻關項目(20140204004SF)資助

柏靜儒，女，教授，博士，研究方向為油頁巖綜合利用；Tel：0432-64807366；E-mail：bai630@mail.nedu.edu.cn

1001-8719(2017)04-0708-09

TE662

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.04.015