撫順式干餾爐特點(diǎn)及應(yīng)用研究

陳國(guó)超

（河北省唐山市春興煉焦制氣有限公司，河北 唐山063000）

1 引言

油母頁巖（又稱油頁巖）是一種高灰分的含可燃有機(jī)質(zhì)的沉積巖。油母頁巖經(jīng)低溫干餾可以得到頁巖油，頁巖油類似原油，可以制成汽油、柴油或作為燃料油。油母頁巖低溫干餾得到的頁巖油一方面可以代替石油緩解石油緊缺的壓力，另一方面是將油母頁巖變廢為寶。我國(guó)頁巖油的遠(yuǎn)景地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)289.9億t。已探明的儲(chǔ)量折算成頁巖油，至少有18.7億t。我國(guó)以遼寧省撫順市撫順礦業(yè)集團(tuán)頁巖煉油廠為試點(diǎn)，主要以技術(shù)成型的撫順式干餾爐進(jìn)行干餾，現(xiàn)每年可產(chǎn)頁巖油約30萬t，并且在不久的將來產(chǎn)量會(huì)突破100萬t。目前油母頁巖煉油開發(fā)已經(jīng)引起了全球很多國(guó)家的重視，油母頁巖低溫干餾前景非常可觀。

2 撫順式干餾爐干餾工藝

6.0%以上的油母頁巖。油母頁巖經(jīng)破碎、篩分后取12～75mm的塊度經(jīng)裝入機(jī)進(jìn)入干餾爐內(nèi)進(jìn)行干餾，由于干餾爐底部的排灰器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)不斷排灰，使?fàn)t內(nèi)頁巖不斷下降，同時(shí)受到來自發(fā)生段的瓦斯和循環(huán)瓦斯供其熱量進(jìn)行干餾。在150℃以前主要是油母頁巖中的水分被蒸發(fā)，當(dāng)溫度升至150～180℃時(shí)，油母頁巖放出吸附的氣體，當(dāng)溫度超過180℃時(shí)，頁巖中的有機(jī)質(zhì)就會(huì)分解出水、二氧化碳和硫化氫等氣體，并形成能被有機(jī)溶劑抽提出來的瀝青和初生焦油。當(dāng)頁巖受熱到330℃時(shí)，低沸點(diǎn)揮發(fā)餾份開始形成。溫度在350～550℃放出大量焦油氣，生成的焦油氣在爐內(nèi)上升后，經(jīng)陣傘導(dǎo)出。

干餾后的頁巖半焦經(jīng)拱臺(tái)二次布料后，下降至發(fā)生段內(nèi)，半焦中的固定碳與爐底通入的主風(fēng)發(fā)生氧化反應(yīng)，放出大量熱量，同時(shí)半焦中赤熱的碳與主風(fēng)中水蒸氣發(fā)生水煤氣反應(yīng)，產(chǎn)生大量瓦斯并吸收

撫順式干餾爐所用的原料是平均含油率在熱量。此時(shí)生成的發(fā)生瓦斯進(jìn)入混合室與中部通入的熱循環(huán)瓦斯混合后，經(jīng)瓦斯孔噴向干餾段，作為頁巖干餾的熱源。油母頁巖干餾所需熱量來源可分三個(gè)方面：

發(fā)生段自產(chǎn)瓦斯熱量為45%～47%；熱循環(huán)瓦斯的熱量為30%；主風(fēng)與水蒸汽換熱量為23%～25%。由3種氣流一起形成了熱載體和頁巖直接進(jìn)行熱交換。頁巖半焦經(jīng)發(fā)生爐氧化還原反應(yīng)后，生成的爐渣從爐底經(jīng)水盆冷卻后通過鐵鍬排出爐外，經(jīng)地下道皮帶運(yùn)至廢渣倉，最后由電機(jī)車運(yùn)出廠外留做它用。

2.1 陣傘

陣傘為設(shè)在干餾爐內(nèi)干餾段上部的無底空心，頂部呈90°的傘形體。其中部與上升管相連能夠收集瓦斯并均勻地導(dǎo)出爐外。放頁巖原料時(shí)頁巖經(jīng)陣傘四周掉下能夠二次布料，使大塊頁巖向中心集中，增加中心熱載體數(shù)量，減少邊壁效應(yīng)的影響。由于陣傘下部有一較大空間，可使粉塵滯流沉降，減少出口瓦斯中帶出的灰塵量，因此降低導(dǎo)出瓦斯含塵量，起到除塵的作用。

2.2 拱臺(tái)

拱臺(tái)為用耐火磚砌成的三條腿拱形的磚臺(tái)，位于爐體腰部，是干餾段與發(fā)生段的分界線。此部位能穩(wěn)定發(fā)生段火層，防止火層上竄到干餾段。它可以分配頁巖半焦，干餾后的頁巖半焦經(jīng)拱臺(tái)的3個(gè)腿落入發(fā)生段，使頁巖半焦均勻混合。拱臺(tái)下部形成空間，可使發(fā)生段瓦斯在此集中，有利于瓦斯導(dǎo)入混合室還可以減慢頁巖在爐中心的下降速度，對(duì)平穩(wěn)火層起到一定作用。

2.3 混合室

混合室位于干餾段與發(fā)生段之間，為耐火磚砌成的環(huán)型空室，壁上有18個(gè)瓦斯眼，發(fā)生瓦斯由拱臺(tái)腿上部的大瓦斯眼（6個(gè)）進(jìn)入，熱瓦斯由火道進(jìn)入，二者在此混合后由小瓦斯眼噴入干餾段。發(fā)生段產(chǎn)生的瓦斯與熱循環(huán)瓦斯在此混合，消滅瓦斯中含氧成份并且起到降塵的作用。

2.4 干餾爐鐵鍬

在水盆兩側(cè)設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱鐵鍬，用角鐵固定在干餾爐裙板上并與爐底成45°角，在東西水平軸線上與爐體成15°角，鐵鍬下端伸入水封中，且與排灰器、水盆配合起到除灰作用。

2.5 風(fēng)頭

此部位設(shè)在干餾爐內(nèi)發(fā)生段下部，能夠分配主風(fēng)（增濕空氣）且能破碎焦塊的部件。它為一偏心錐體，由兩層鑄鐵風(fēng)帽制成，每層有8個(gè)風(fēng)眼，主風(fēng)經(jīng)過風(fēng)帽眼孔呈螺旋狀分配到爐內(nèi)，使主風(fēng)均勻進(jìn)入發(fā)生段。起到破碎、疏松焦塊的作用。

2.6 風(fēng)室

干餾爐爐底水封罐底面、水封套內(nèi)壁與排灰器下表面之間形成的空腔為風(fēng)室。起到向四周分配主風(fēng)的作用。

2.7 水盆

由6塊帶弧度的鐵板用螺絲連接而成盆狀的結(jié)構(gòu)，整個(gè)水盆按置在鑄鋼球架上，它與干餾爐爐體并不連接，而由偏心輪帶動(dòng)措手拉桿而轉(zhuǎn)動(dòng)，水盆上的齒輪（即轉(zhuǎn)盤牙）隨著爐內(nèi)頁巖的干餾情況任意轉(zhuǎn)速。水盆一方面使?fàn)t內(nèi)與爐外隔絕起到水封的作用另一方面對(duì)爐灰起到降溫的作用。

2.8 排灰器

設(shè)在水盆中帶有4條曲線形翅片鑄鐵器件。當(dāng)水盆轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，排灰器跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，將爐灰轉(zhuǎn)至水盆周圍，由鐵鍬處排出。排灰器排除爐灰的同時(shí)使原料頁巖由干餾爐上部不斷下降，使頁巖在運(yùn)動(dòng)中完成干餾。

2.9 爐底水封

由水封罐和水封套組成，使?fàn)t內(nèi)瓦斯與空氣隔絕起到水封作用。

2.10 干餾爐主軸

主軸全軸由11根單軸用固定式剛性聯(lián)軸節(jié)連在一起，成一根60m長(zhǎng)的軸，用33個(gè)軸承支撐，軸徑為φ100mm。由型號(hào)為Y280－6、功率為45kW的電機(jī)、減速比為8.23∶1的減速機(jī)帶動(dòng)，有11根短軸的主軸，其上面安裝10個(gè)偏心輪，推動(dòng)蝸桿，帶動(dòng)蝸輪，使水盆間歇旋轉(zhuǎn)而完成。主要通過其轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)干餾爐的轉(zhuǎn)動(dòng)，是爐體水盆和排灰器的動(dòng)力源。

3 干餾爐料層層帶分析

3.1 空層

空層是料層的最上部，爐體內(nèi)的自由區(qū)，其主要作用是匯集煤氣，并使?fàn)t內(nèi)生成的還原層氣體和干餾段生成的氣體混合均勻。由于料層的自由截面積增大，使得煤氣的上升速度大大降低，氣體夾帶的小顆粒返回料層，減少粉塵的帶出量。

3.2 干燥層

干燥層是在空層以下的料層，其下部干餾層上升的熱煤氣使頁巖受熱，頁巖在此層被干燥，蒸發(fā)出水分，此層溫度約100～200℃左右。

3.3 干餾層

干餾層是在干燥層以下的料層，此層溫度約400～500℃，頁巖在這里被加熱干餾，揮發(fā)份發(fā)生裂解，產(chǎn)生甲烷、烯烴和焦油等物質(zhì)，它們受熱成為氣態(tài)而進(jìn)入干燥層。

3.4 還原層

還原層是在干餾層以下的料層，當(dāng)其下部氧化層中產(chǎn)生的二氧化碳和爐底通入的水蒸汽通過此層時(shí)，與熾熱的碳發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化碳和氫氣。增加了瓦斯中可燃成份，提高了瓦斯熱值。由于還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因此，還原層的溫度逐漸下降，當(dāng)溫度下降至700～800℃時(shí)，還原反應(yīng)幾乎停止，還原層的厚度一般控制在300～500mm左右。

3.5 氧化層

氧化層也稱燃燒層，是頁巖氣化的重要反應(yīng)區(qū)域，從爐底送入的主風(fēng) 通過灰渣層，首先與緊靠灰渣層的半焦中的固定碳開始燃燒，此時(shí)固定碳與空氣的氧進(jìn)行氧化反應(yīng)，生成二氧化碳，并放出大量的熱量，氧氣在這里幾乎被耗盡。氧化層的溫度很高，一般可達(dá)到1 100～1 300℃，氧化層厚度控制在150～300mm左右。

3.6 灰渣層

灰渣層是發(fā)生爐下面的灰渣部分，氧化后的半焦與主風(fēng)換熱，冷卻了熾熱的灰渣，增加了水蒸汽熱載體的溫度?；以鼘雍穸瓤刂圃?00～400mm左右。

上述各層帶，沒有明顯的界限，在實(shí)際運(yùn)行中是互相交錯(cuò)、參差不齊的，因?yàn)轫搸r料層厚度與爐底的主風(fēng)量不均勻等因素有關(guān)，主風(fēng)起到穩(wěn)定火層的作用，主風(fēng)溫度和壓力對(duì)火層的穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用。

4 影響干餾爐干餾因素分析

4.1 油母頁巖粒度

由于油母頁巖的導(dǎo)熱性不好，其粒度增大后，其表面溫度與中心溫度存在著較大的溫度差，粒度愈大的油母頁巖，溫度差愈大。頁巖粒度愈大，所需傳熱時(shí)間也愈長(zhǎng)。同時(shí)，不同爐型和不同性質(zhì)的油母頁巖在低溫干餾時(shí)，所控制的頁巖粒度也是不同的，理論上講，頁巖的粒度愈小愈好，這不但可馬上達(dá)到加熱終溫，加熱時(shí)間還可縮短，加熱速度也易于提高［1］。在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于內(nèi)熱式干餾爐來講，頁巖粒度太小，透氣性不好，使空氣與半焦的氧化反應(yīng)進(jìn)行不完全，造成供熱不足和過剩氧燒油的現(xiàn)象，從而使頁巖油的產(chǎn)率降低。因此適宜的粒度也是提高干餾效率的重要因素，撫順式干餾爐低溫干餾使用的油母頁巖粒度以12～75mm。超過75mm的塊度，在干餾時(shí)間一定的情況下，大塊頁巖相對(duì)干餾不完全；低于12mm的塊度，會(huì)使?fàn)t內(nèi)氣流阻力增大，使氣體熱載體流動(dòng)不暢，阻礙干餾產(chǎn)物的逸出，降低爐內(nèi)氣體流動(dòng)的線速度，造成供熱不均易出現(xiàn)煉爐［2］。

4.2 干餾溫度

頁巖低溫干餾中撫順式干餾爐采用以12～75mm的頁巖進(jìn)行干餾，干餾的適宜溫度考慮綜合因素在450～600℃范圍內(nèi)。低于450℃頁巖干餾的不徹底，直接影響干餾效果。特別是大塊頁巖影響更大，使產(chǎn)量下降。高于600℃這個(gè)溫度由于溫度相對(duì)過高頁巖迅速結(jié)成頁巖半焦，頁巖結(jié)焦外部形成煉塊，內(nèi)部頁巖無法進(jìn)行干餾，焦塊越結(jié)越大，爐體內(nèi)結(jié)成大的焦塊，使干餾爐失去干餾作用。另外導(dǎo)出的瓦斯氣由于溫度過高進(jìn)一步分解，使頁巖油產(chǎn)量下降。因頁巖干餾是吸熱反應(yīng)故△rHm￠＞0，根據(jù)平衡移動(dòng)原理溫度升高則平衡常數(shù)增大，已達(dá)平衡的化學(xué)反應(yīng)將向生成產(chǎn)物方向移動(dòng)［3］，撫順式干餾爐必需把干餾溫度嚴(yán)格控制在此溫度范圍內(nèi)且溫度越高越好。

4.3 干餾時(shí)間

理論上雖然頁巖低溫干餾在化學(xué)動(dòng)力學(xué)上可視為一級(jí)反應(yīng)［4］，與反應(yīng)物濃度無關(guān)，但干餾爐干餾的時(shí)間跟頁巖粒度大小和加熱溫度有關(guān)。粒度小干餾時(shí)間相對(duì)較短；加熱溫度在干餾溫度范圍內(nèi)根據(jù)不同溫度對(duì)平衡常數(shù)的影響可以看出，溫度高干餾時(shí)間相對(duì)較短。而撫順式干餾爐用的是12～75mm的頁巖，干餾溫度是350～550℃.結(jié)合這兩方面的因素，頁巖在干餾爐干餾段的干餾時(shí)間在5～6h干餾比較徹底。

4.4 循環(huán)瓦斯的溫度、壓力和流量

干餾爐干餾的熱量30%由經(jīng)加熱的循環(huán)瓦斯供給，循環(huán)的溫度、循環(huán)壓力和循環(huán)量的多少對(duì)干餾的好壞有直接的關(guān)系。一般要求溫度在550～760℃，低于550℃干餾溫度低，干餾不徹底或影響日產(chǎn)量。高于760℃一方面造成高溫?zé)挔t現(xiàn)象，另一方面干餾瓦斯受熱分解影響頁巖油產(chǎn)率和回收。因此供循環(huán)瓦斯的加熱爐溫度要求溫度到750～780℃，循環(huán)壓力2 000～3 500Pa。循環(huán)壓力是保證爐體壓力平穩(wěn)，壓力低于2 500Pa會(huì)造成主風(fēng)上竄處理不及時(shí)也會(huì)造成煉爐。在考慮循環(huán)壓力和循環(huán)溫度綜合因素的基礎(chǔ)上循環(huán)瓦斯量應(yīng)控制在40 000～60 000Nm3／h。

4.5 熱解產(chǎn)物導(dǎo)出速度

頁巖干餾是固體變成氣體的復(fù)雜反應(yīng)。壓力對(duì)平衡轉(zhuǎn)化率有影響，減少氣體產(chǎn)物的含量，即減小平衡體系的壓力平衡將向體積增大的方向移動(dòng)。導(dǎo)出的速度慢一方面影響產(chǎn)物產(chǎn)量，另一方面由于在干餾過程中停留時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致產(chǎn)物進(jìn)一步分解影響頁巖油產(chǎn)量。要解決上述這兩方面的矛盾，簡(jiǎn)單有效的方法是提高熱解產(chǎn)物的導(dǎo)出速度。在保證干餾爐內(nèi)呈正壓的同時(shí)要盡量提高產(chǎn)物的導(dǎo)出速度，在正常生產(chǎn)情況下，因瓦斯含氧量較焦?fàn)t煤氣高，且生產(chǎn)中電捕焦油器的使用，為保證安全生產(chǎn)，集氣管壓力應(yīng)控制在60～100Pa。

4.6 增濕空氣

增濕空氣中水蒸汽的作用是在干餾爐發(fā)生段作為熱載體來帶走反應(yīng)熱，而在爐內(nèi)還原層水蒸汽與碳發(fā)生水煤氣反應(yīng)，生成一氧化碳和氫氣，不僅能吸收熱量，使反應(yīng)溫度能保持在頁巖灰份的熔點(diǎn)以下，從而防止頁巖灰渣的熔結(jié)，還能適當(dāng)提高發(fā)生段煤氣的熱值。當(dāng)發(fā)生水煤氣反應(yīng)的量很少不能吸收干餾段的大量熱量，火層將上竄頁巖熔結(jié)煉爐，形成焦塊，影響正常生產(chǎn)。當(dāng)水蒸氣含量高時(shí)空氣占的比例相對(duì)減少氧氣與頁巖半焦燃燒的不充分產(chǎn)生的熱量少且水蒸氣與半焦中的碳發(fā)生反應(yīng)吸收大量的熱量，下部供熱少，上部干餾就達(dá)不到干餾所需要的溫度，影響干餾效果。一般水蒸汽和空氣混合溫度在65～85℃。

4.7 油母頁巖品位

好頁巖含油率高一般高于6%，瓦斯分析CO2、CO、H2呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)值上限，剩余瓦斯量大。爐瓦斯出口、干餾段、發(fā)生段的溫度達(dá)正常標(biāo)準(zhǔn)。受天氣和預(yù)處理原因的影響有時(shí)以濕、碎頁巖為原料，此類品位頁巖影響干餾的條件，此類頁巖入爐使?fàn)t內(nèi)表現(xiàn)為爐瓦斯出口、干餾段、發(fā)生段溫度均低于正常標(biāo)準(zhǔn)，瓦斯分析CO2、CO值較低，剩余瓦斯量少。濕、碎頁巖入爐使?fàn)t內(nèi)不暢通阻力增大，增濕空氣壓力、循環(huán)瓦斯壓力上升。處理濕碎頁巖時(shí)，單位增濕空氣量、單位循環(huán)量、循環(huán)瓦斯溫度要大于正常指標(biāo)。濕、碎頁巖入爐時(shí)，要維持原有循環(huán)瓦斯量，適當(dāng)加大循環(huán)壓力提高集合管負(fù)壓，熱量仍不足時(shí)，可適當(dāng)降低處理量。爐底適當(dāng)增加增濕空氣壓力或增大增濕空氣用量，避免增濕空氣量下降。

5 料層火層變化分析及調(diào)整

在干餾的過程中因干餾爐自上而下有六個(gè)層帶且干餾受七種因素的影響，故在生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)火層不穩(wěn)現(xiàn)象，因此在火層不穩(wěn)時(shí)需要調(diào)整。

5.1 火層部位上低下高

干餾段溫度低于標(biāo)準(zhǔn)（400～550℃）溫度，發(fā)生段溫度高于標(biāo)準(zhǔn)（800～900℃）溫度。瓦斯出口油水多，油少，爐灰渣呈紅色居多，瓦斯中CO2略高，CO偏小。原因主要是下部是由于增濕空氣量充足燃燒充分所致，上部是由于循環(huán)瓦斯供給的熱量不足所致。可適當(dāng)降低群爐的單位增濕空氣量，相應(yīng)提高循環(huán)瓦斯量或溫度。若發(fā)生段基本正常，但上部熱量仍不足，可提高單位循環(huán)瓦斯量或溫度。單爐適當(dāng)減增濕空氣量，下部溫度或火層適當(dāng)降低后，減小處理量并增加循環(huán)量。

5.2 火層部位上、下均高

火層部位上、下均高表現(xiàn)：瓦斯出口、干餾段、發(fā)生段溫度均高于正常標(biāo)準(zhǔn)。瓦斯出口呈灰多油少。爐灰渣呈紅色。瓦斯中CO2稍高，CO減少。產(chǎn)生的主要原因一方面是處理量低，爐料在干餾爐內(nèi)停留時(shí)間過長(zhǎng)所致，另一方面是增濕空氣量大和循環(huán)瓦斯供熱量過高所致。可適當(dāng)加大處理量。必要時(shí)可將增濕空氣量、循環(huán)瓦斯量適當(dāng)減少，適當(dāng)降低加熱溫度。

5.3 火層部位上、下均低

火層部位上、下均低表現(xiàn)為瓦斯出口、干餾段、發(fā)生段的溫度均低于正常標(biāo)準(zhǔn)。出口油標(biāo)呈現(xiàn)水多油少或水。爐灰渣呈黑色。瓦斯中CO2偏低、CO略高。產(chǎn)生的原因主要是一方面是處理量大，爐料在干餾爐內(nèi)停留時(shí)間過短，熱量在算時(shí)間內(nèi)被爐料帶走所致，另一方面是增濕空氣溫度過高和循環(huán)瓦斯供熱量過低所致。可適當(dāng)減少單爐處理量，可降低增濕空氣溫度，適當(dāng)提高循環(huán)瓦斯量和溫度。

6 結(jié)語

撫順式干餾爐是個(gè)龐大的組合體，在實(shí)際生產(chǎn)中要全面了解其各部件的結(jié)構(gòu)和作用，對(duì)各部件進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)對(duì)保證干餾爐正常生產(chǎn)尤為重要。增濕空氣是撫順式干餾爐干餾的必要條件，對(duì)料層層帶的穩(wěn)定起關(guān)鍵作用。干餾爐干餾受油母頁巖粒度、干餾溫度、干餾時(shí)間、循環(huán)瓦斯量、增濕空氣、頁巖品位和熱解產(chǎn)物導(dǎo)出速度等因素的影響，根據(jù)綜合因素進(jìn)行干餾使干餾效果達(dá)到最佳。根據(jù)干餾爐上下火層的變化急時(shí)進(jìn)行調(diào)整使生產(chǎn)更加平穩(wěn)，提高油母頁巖產(chǎn)油率。

［1］宋 巖，石 巖，閏 鋒.影響油母頁巖低溫干餾因素的考察［J］.精細(xì)石油化工進(jìn)展，2004，5（7）：45～47.

［2］孫長(zhǎng)利.影響油頁巖熱分解的因素［J］.煤炭加工與綜合利用，2006（1）：36～38.

［3］王正烈，周亞平.物理化學(xué)［M］.4版.北京：高等教育出版社，2001.

［4］王 擎，徐 峰，柏靜儒.樺甸油頁巖基礎(chǔ)物化性質(zhì)研究［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，36（6）：1 006～1 011.