油頁巖半焦制備生物炭的工程化問題探討

郭鍵柄 楊冬偉 張亞東 王 春

（蘭州有色冶金設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

油頁巖是一種非常重要的非常規油氣資源，存儲量大，是石油、天然氣重要的補充和代替能源［1］。油頁巖主要用來提煉頁巖油、制造煤氣或作為燃料直接燃燒［2］。油頁巖半焦是油頁巖干餾提油后剩下的固體殘渣。由于油頁巖礦化程度較高，含油率較低，大量開采利用油頁巖會產生大量的油頁巖半焦［3］。

油頁巖半焦經高溫干餾后質地疏松，半焦中殘留的各種酚類、有害微量元素、PAHs及其烷基同系物遇雨水沖刷和浸泡后，會隨雨水流入地表水或滲入到地下水中，改變水體的硬度、酸堿度、有機物濃度或元素離子濃度等，對周圍的生態環境造成影響［4］。油頁巖半焦中的有機成分進入土壤后，還可以被土壤顆粒吸附，降低土壤的透水性，阻礙土壤與其他環境要素之間的物質能量交換。有害物質通過滲透作用進入土壤后，還可以被植物吸入體內并且積累，進而破壞植物正常生理機能。

由于油頁巖在干餾或燃燒過程中揮發分、碳質和其他有機酸等物質被去除，形成了多孔結構，這種火山灰性和多孔結構的性質，拓展了其廣泛應用的可能性［5］。國內對油頁巖半焦的綜合利用主要體現在以下方面：生產水泥和混凝土［6］、用作輕質磚材料、制備二氧化硅系列產品、制備高嶺土［7］、用作塑料和橡膠填料［3］、制備吸附劑、制備絮凝劑及制備微生物肥料等［8］。

綜上所述，對油頁巖半焦等固體廢物進行二次開發利用，變廢為寶，不僅符合國家發展循環經濟的需要，而且能減少固體廢物給生態環境帶來的污染和破壞，可以帶來巨大的社會和環境效益。

1 工程背景及規模

甘肅某煤電公司所屬礦井為煤與瓦斯“雙突礦井”，為了避免瓦斯爆炸礦難事故發生，需先開采保護層，油頁巖即為開采保護層的附屬產物。為響應國家發展循環經濟的號召，調整產業結構，該公司建成了干餾法處理塊狀油頁巖的煉油廠，在同時干餾提油后產出大量的油頁巖半焦。之前企業將少量油頁巖半焦銷售給建材企業，供建材用燃料或輔料，大部分則以固體廢棄物形式堆放處理。長期堆存占用大量土地資源，也給企業帶來了安全環保風險。隨著近年來環境問題日益嚴峻，政府實施固廢資源化利用的政策導向，該企業也有自身轉型發展的需要，因此油頁巖半焦的資源化、高值化利用就成為該企業以循環經濟促進企業轉型跨越發展的新方向。

鑒于此，該企業委托中國科學院某研究所進行油頁巖半焦的高值利用研究，并利用相關科技創新成果建設油頁巖半焦高值利用生產生物炭的試驗生產線。根據研究成果，該生物炭產品可作為農用復合肥及土壤改良劑、保水劑等使用，以期實現油頁巖半焦的綜合利用。

該項目屬于固廢資源化利用類科技成果轉化項目。根據現行的《產業結構調整指導目錄》（2019年本），項目屬于鼓勵類中的“三、煤炭大類4、煤炭共伴生資源加工與綜合利用”類別，項目建設符合國家產業政策。由于是油頁巖半焦生產生物炭科技創新成果在國內的首次工程化應用，項目定位為試驗生產線，建設規模年產礦物生物炭1×104t。

2 油頁巖半焦的性質

項目原料為油頁巖半焦，生產原料來自甘肅某煤電公司油頁巖綜合利用公司油頁巖半焦堆場。

甘肅某煤電公司所產油頁巖半焦的工業分析主要指標見表1，油頁巖半焦XRF 化學組成見表2，油頁巖半焦有機質中主要元素分析見表3。

表1 油頁巖半焦工業分析主要指標

表2 油頁巖半焦XRF化學組成單位：%

表3 有機質中主要元素分析單位：%

3 油頁巖半焦制備生物炭的工程化設計

3.1 工藝路線

3.1.1 原料、輔料的受卸與貯存。油頁巖半焦由自卸式汽車運輸進廠，翻卸至本項目半焦原料堆場貯存。其余輔料由市場采購，用汽車運輸進廠貯存。根據建設規模和試驗報告，生物炭系統年需要油頁巖半焦1.12×104t。油頁巖半焦在受卸與貯存過程中完成初次均化。

3.1.2 原料破碎篩分。油頁巖半焦硬度較低且在破碎過程中易粉化，針對半焦原料質地特性，破碎設備采用對輥破碎機，其對物料的破碎作用主要是擠壓、劈碎并伴有剪切，比較適合破碎具有片狀節理的軟質和低硬度的脆性物料。經試驗驗證，采用對輥破碎機破碎半焦原料，5～10 mm 粒度物料產率可達到40%。同時可以優化破碎工藝，在原料破碎前增加預篩分作業，從而減少粉料的生成量。

初次均化后的油頁巖半焦通過裝載機運入原料給料倉，倉底設振動給料機，將物料卸料至1#膠帶運輸機，由1#膠帶運輸機經2#膠帶輸送機轉運至篩分機進行預篩分。篩分后粒度＞10 mm 的大顆粒篩上料進入對輥破碎機進行閉路破碎。破碎后的原料返回至篩分機進行二次篩分，篩分后的粒度5～10 mm 篩中料通過提升機送至大粒徑料倉，作為生物炭系統的生產原料；預篩分和二次篩分后的小粒徑篩下料（＜5 mm）通過氣力輸送至小粒徑料倉，作為其他產品的生產原料備用。

3.1.3 原料中轉、貯存及計量。為滿足生物炭系統生產所需原料的穩定連續供給，破碎篩分后的物料分別進入大粒徑倉和小粒徑倉進行中轉貯存。大粒徑倉貯存5～10 mm 半焦，是破碎篩分后的生物炭系統炭化爐的給料倉。大粒徑倉尺寸長×寬×高為3 m×3 m×2.7 m，錐段高1.8 m，單個倉有效容積約27.5 m3，共設置2 個，滿足生物炭系統24 h 連續生產所需半焦量。大粒徑倉倉底設有定量給料機用于原料計量。

3.1.4 炭化爐無氧焙燒。大粒徑半焦（5～10 mm）通過配料、均化后進入生物炭系統緩沖倉，倉底設螺旋或轉子計量，計量后送入炭化爐進料機，再由炭化爐進料機送至炭化爐內進行炭化。

炭化爐為外熱式回轉窯，通過加熱爐燃燒天然氣間接加熱爐管。炭化爐爐管規格為Φ1 500×L13 800×δ12 mm，材質為310S。炭化爐窯頭密封裝置上設有氮氣口，用于爐管內氮氣保護，維持爐內絕氧炭化的條件。

油頁巖半焦進入炭化爐爐管后，隨著爐管的轉動，物料在爐管內翻滾、分散，均勻受熱，在500 ℃下焙燒1～2 h，使半焦中的有機質進行炭化。炭化爐管內設置有揚料板等特殊結構，能夠強化爐內傳熱傳質效果。炭化爐加熱爐砌體采用全纖維結構，內層為高溫耐火纖維模塊、外層為耐火纖維氈，采用纖維結構極大地降低了爐體蓄散熱量，具有顯著的節能效果。加熱爐采用8 支燃氣燒嘴加熱，燒嘴安裝在筒體的底部，煙氣由加熱爐上部接煙氣處理系統。

炭化完成后物料進入炭化爐出料裝置，出料裝置在保證炭化爐爐管出料端無空氣進入的情況下將炭化后的生物炭高溫成品冷卻密封輸送，物料降溫冷卻采用兩級水冷螺旋，冷卻至低于60 ℃，后磨粉至不同粒度，進入自動包裝系統包裝成袋裝生物炭產品，由叉車運至產品堆場待售。

3.1.5 煙氣處理及余熱利用。炭化爐熱解氣燃燒產生的煙氣和天然氣燃燒產生的煙氣約400 ℃先經過1#換熱器換熱，換熱介質為空氣，換熱后的熱風返回炭化爐作為助燃風，以實現余熱利用。經換熱后，煙氣溫度降至200 ℃以下，再經過布袋收塵器、引風機、兩級脫硫塔，凈化后的煙氣經除霧后從煙囪達標排空。

通過上述工藝流程，項目最終煙氣含塵≤65 mg/m3，二氧化硫≤200 mg/m3，達到《工業爐窯大氣污染物排放標準》（GB 9078—1996）二級標準，工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

3.2 工藝計算

因委托方提供的工業試驗報告中無生物炭系統的煙氣量和成分，工程設計時工藝計算在現有資料基礎上，對炭化過程進行熱平衡和物料平衡的初步分析，并進行煙氣量和煙氣成分的理論計算，作為煙氣處理系統設備選型的依據。

3.2.1 計算條件。

①生物炭系統半焦入爐量按100 kg計算。

②年工作日300 d，每天3班，每班8 h。

③生物炭系統炭化爐爐管內部溫度500 ℃，出爐煙氣溫度400 ℃。

④生物炭系統熱解產率89.28%。

⑤生物炭系統工藝計算暫不考慮熱解氣的產出。

⑥余熱利用考慮出爐煙氣換熱后預熱助燃空氣。

3.2.2 計算結果。生物炭系統物料平衡表及炭化爐出爐煙氣成分、熱平衡表分別見表4、表5、表6。

表4 生物炭系統物料平衡表

表5 生物炭系統炭化爐出爐煙氣成分

表6 生物炭系統熱平衡表

3.3 主要設備選型

3.3.1 炭化爐。根據工藝要求，生物炭產品為無氧熱解環境，需采用外熱式窯爐。根據市場調研，國內生產秸稈生物炭的炭化爐為外加熱式回轉窯爐，已在生產實踐中使用。炭化爐的生產能力計算如下。

①計算條件。生物炭系統時處理量1.56 t，設計取G=2 t/h；斜度i=1%～3%，轉速0.5～3 r/min 變頻調速，充填系數ψ=0.08，煙氣溫度400 ℃，流速3.5 m/s，物料停留時間1～2 h。

②內筒直徑確定。經計算，回轉窯筒體內直徑D=1.42 m，取1.5 m，計算L=13.14 m，取L=13.8 m。選取炭化爐內筒規格為Φ1.5×13.8 m。

根據計算，本項目配備1 臺內筒Φ1.5×13.8 m的炭化爐，可滿足生物炭系統生產需要。

3.3.2 布袋收塵器。生物炭系統布袋收塵器入口的工況煙氣量：

Q=6 041.89×1.05×（1+185/273）×101.325/80.9=13 330.09 m3/h=222.17 m3/min。

選用高溫脈沖袋式除塵器，濾袋過濾速度取0.8 m/min，則高溫脈沖袋式除塵器有效過濾面積S=222.17/0.8=277.71 m2。

選用JJMC-265 型高溫脈沖袋式除塵器1 臺，過濾面積278 m2，實際過濾速度0.80 m/min。

3.3.3 引風機。引風機入口的工況煙氣量：Q= 6 343.98 ×（1+130/273）× 101.325/80.9 =11 729.31 m3/h。

考慮風機的富余能力30%，則要求引風機的風量Q'=1.3Q=1.3×11 729.31=15 248.10 m3/h。

生物炭系統煙氣處理壓力損失共計3 900 Pa，考慮風機的壓力富余能力30%，則引風機的風壓為1.3×3 900=5 070 Pa。

選用9-19-10D 高壓離心通風機1 臺，風機參數為：Q=15 455 m3/h，p=4 958 Pa，采用YE3 系列三相異步電動機，37 kW，變頻調速，工藝設備連接如圖2所示。

圖2 工藝設備連接

4 工程化難點及原因分析

4.1 工程化問題

項目建成投產后，經過一段時間的調試，試驗線產能達到設計預期，生產調試過程暴露出的主要問題有以下幾點。

4.1.1 原料處理及輸送系統。部分膠帶運輸機轉運點、落料點揚塵大，廠房內粉塵大；物料輸送系統未考慮除鐵器，半焦中若混雜有鐵類器具時，會造成破碎機卡頓，影響系統正常運行；原料未晾干時，氣力輸送過程存在堵管現象。

4.1.2 炭化爐系統。炭化爐進料倉及出料螺旋處有水汽、油氣逸散，廠房內部有異味，炭化爐前后未設鎖風機；炭化爐產出的熱解氣成分不明，與煙塵混合易結焦進而堵塞二燃室進出口煙道；炭化爐的爐內壓力傳感器與進料端未聯鎖。

4.1.3 煙氣處理系統。熱解氣在燃燒室未進行充分燃燒直接進入煙氣處理系統。煙氣處理系統未連接到自動控制系統，不能實現遠程監控。

4.2 工程化難點

生產調試過程暴露出的問題，通過建設方、設計方和設備方協商溝通后大部分得到了有效解決。但以下問題仍需進一步研究，也是本項目工程化的難點所在。

①炭化爐產出的熱解氣成分不明，熱解氣管路系統有油、水、炭灰沉淀，高溫下易堵塞管道。

②熱解氣中水汽、氮氣含量大，熱值低，成分不穩定，返回爐膛時影響爐膛燒嘴燃燒，不利于爐管溫度控制。

③熱解氣在炭化爐二次燃燒室不能充分燃燒，處理不完全時，影響爐壓控制。

4.3 原因分析

①委托方提供的試驗報告中無熱解氣量及成分，給炭化爐及尾氣處理系統設備選型增加了難度。生產調試過程也未進行熱解氣成分的檢測化驗，下一步應及時進行熱解氣成分分析。

②炭化爐沿用了生產秸稈生物炭爐型，油頁巖半焦物料特性與秸稈不同，有機質成分也不同。炭化爐二次燃燒室體積較小，煙氣流速大，熱解廢氣在二次燃燒室內不能充分燃燒分解。

③炭化爐內無氧環境通過調節爐內壓力處于微正壓控制，但爐內壓力傳感器與進料端未遠程聯鎖，信號傳輸不及時，不能真實反映爐內壓力情況。

5 結論及建議

①油頁巖半焦制備生物炭的試驗研究和工程化探索，是實現油頁巖半焦高值化利用必要的途徑，有一定的科學研究及應用價值，可為解決我國其他地區的油頁巖半焦綜合利用難題提供參考。

②油頁巖半焦生產生物炭的成果轉化和工程化設計為國內首例，涉及許多較前沿的設備或傳統設備在新的生產條件下運轉的情況。在工程化設備選型時會用到的不確定參數及未知計算方法，需在試驗廠投產后根據實際運行情況對其進行檢驗與校正。

③油頁巖半焦制備生物炭新工藝的成果轉化過程，應重點關注炭化爐無氧條件的控制及熱解氣的處理，這是該類項目工程化設計的難點。

④項目生物炭為新產品，生物炭吸附土壤中部分有害物質后，有害物質仍隨生物炭殘留在土壤中，長期對土壤是否有影響須引起試驗單位關注。可在后續農田試驗時委托專業機構對土壤的毒害性影響進行跟蹤檢測。