油頁巖氣體熱載體干餾爐內(nèi)溫度分布的試驗研究*

秦 宏 張 鑫 柏靜儒 劉洪鵬 遲銘書 王 擎 劉 斌

(1. 東北電力大學(xué)油頁巖綜合利用教育部工程研究中心；2. 興安盟科潔新能源有限公司)

近年來，油頁巖這種最具潛力的非常規(guī)能源被逐漸重視起來，在化石燃料中，其儲量(折算為發(fā)熱量)僅次于煤[1，2]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源的消耗量不斷增加。美國能源信息管理局預(yù)測，全球石油的需求量將以每年1.9%的速度增長，到2025年全球石油平均日需求量將上升至1.21億桶[3]。按照此消耗速率，若沒發(fā)現(xiàn)新的資源，世界已探明的原油儲量大致能維持45年，天然氣可供66年，原煤可維持229年[4]。

目前，世界上比較成熟的氣體熱載體干餾爐有巴西的Petrosix、愛沙尼亞的Kiviter型、中國的撫順爐和樺甸茂名氣燃式方型爐[5～10]。我國加工油頁巖仍然以撫順干餾爐技術(shù)為主。其主要工藝特點(diǎn)為：油頁巖熱解所需熱量來自熱循環(huán)干餾氣和氣化段產(chǎn)生的氣化氣，其中氣化段存在局部燃燒反應(yīng)，很容易造成部分頁巖油氣的損失，降低了油收率(60%～65%)[11]，熱循環(huán)氣從爐體中部進(jìn)入爐內(nèi)，在混合室內(nèi)與氣化段氣混合，通過邊壁噴口進(jìn)入干餾段。但是，這種結(jié)構(gòu)限制了其大型化的發(fā)展。

為研究油頁巖在干餾爐內(nèi)的加熱過程，借鑒國內(nèi)外干餾技術(shù)的經(jīng)驗，并試圖克服現(xiàn)有干餾工藝存在的不足，筆者設(shè)計了一種新型的爐內(nèi)布?xì)夤に?，并通過自行搭建試驗臺，對油頁巖干餾爐內(nèi)氣體熱載體熱解特性進(jìn)行研究。油頁巖在氣體熱載體干餾爐中干餾包括加熱過程、熱解過程和熱解反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)散與逸出過程[12]。為了方便單獨(dú)研究物料物理顯熱的變化，擬采用空氣加熱鵝卵石替代循環(huán)干餾氣加熱油頁巖方式專門研究物理顯熱和爐內(nèi)的溫度分布情況。

1 試驗部分

1.1試驗裝置和溫度測點(diǎn)

試驗臺主體為立式圓柱，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，干餾爐總高H=3.62m，干餾爐內(nèi)徑R=0.2m，T為氣體熱載體溫度測點(diǎn)。干餾爐上部為進(jìn)料段，經(jīng)雙閥門由螺旋輸送機(jī)進(jìn)料，其中干餾段高度h=0.4m。氣體熱載體經(jīng)中心進(jìn)氣管進(jìn)入爐內(nèi)，由沿截面圓周方向呈十字分布的4根布?xì)夤車娙霠t膛。

圖1 干餾爐裝置及測點(diǎn)圖

假定以中心進(jìn)氣管上的4根布?xì)夤転樽鴺?biāo)軸，中心進(jìn)氣口水平面為0點(diǎn)平面，以干餾段高度h為標(biāo)準(zhǔn)。在與坐標(biāo)軸夾角0°方向上，距0點(diǎn)平面高0.70h、0.20h、-0.16h、-0.40h位置和夾角22.5、45°方向上，距0點(diǎn)水平面高0.20h、-0.16h、-0.40h位置上分別布置3測點(diǎn)的熱電偶(熱電偶根部在爐內(nèi)邊壁處，即R處；端部在爐中心處，即0處；中部處于距中心0.5R處)。

1.2干餾爐的布?xì)庋b置

本試驗裝置布?xì)夤芙Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其與國內(nèi)的撫順爐、巴西的Petrosix爐等現(xiàn)有氣體熱載體干餾爐的布?xì)夥绞骄幌嗤?。試驗裝置采用中心管進(jìn)氣，中心管上有4根布?xì)夤?，每根布?xì)夤苌显趦蓚?cè)斜向下45°位置交錯布置5個直徑5mm的圓孔?？紤]到爐中心處相鄰布?xì)夤車娍诰嚯x較近，在爐內(nèi)氣體充滿度較強(qiáng)，布?xì)饪组g距大；隨著半徑的增大，布?xì)饪椎拈g距減小。

圖2 布?xì)夤芙Y(jié)構(gòu)

1.3試驗流程及安排

在氣體流量為13.2m3/h的條件下進(jìn)行加熱試驗。試驗物料為鵝卵石，其粒徑范圍為13～40mm，氣體熱載體為空氣，在加熱管內(nèi)被加熱至所需溫度，然后送入爐內(nèi)以加熱物料。整個系統(tǒng)封閉，氣體在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。上、下部有給料機(jī)和出焦機(jī)，可以實現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出焦。

試驗操作流程為：將鵝卵石由上部螺旋給料機(jī)送入干餾爐，啟動風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)氣體流量至13.2m3/h(此時噴口氣體流速為4.67m/s)，空氣在流經(jīng)加熱管時，被加熱成高溫空氣，加熱管功率由加熱控制箱來調(diào)節(jié)。熱載體經(jīng)由中心進(jìn)氣管進(jìn)入干餾爐內(nèi)對物料進(jìn)行均勻加熱。由數(shù)據(jù)采集儀記錄各測點(diǎn)溫度存入計算機(jī)，供試驗結(jié)束后整理。試驗結(jié)束后，物料由螺旋出焦機(jī)排出爐外。

2 試驗結(jié)果及討論

試驗中送入爐內(nèi)的氣體熱載體的溫度為555.75℃，通過爐內(nèi)各測點(diǎn)溫度來判斷爐內(nèi)各處的溫度分布。

2.1爐內(nèi)水平截面溫度分布

2.1.1沿半徑方向的溫度分布

圖3為距進(jìn)氣口高度分別為-0.40h、-0.16h、0.20h截面上的溫度分布曲線。由圖3可知，爐膛各截面溫度沿半徑均呈整體下降趨勢，這是因為隨半徑增加，氣流噴射至爐內(nèi)空間急劇加大，盡管沿半徑方向逐步增加布?xì)饪追植紨?shù)量，但依然無法彌補(bǔ)氣流分布密度的急劇降低。此外，熱氣流在布?xì)夤軆?nèi)流動，沿布?xì)夤馨霃椒较蚴苎爻套枇τ绊?，其射流流量也隨半徑的增大逐步衰減，這也是造成各截面溫度隨半徑整體下降的原因。氣體射流過程中，隨射程的不斷擴(kuò)散，不同氣速與氣流擴(kuò)散均對傳質(zhì)和傳熱造成影響[13]。圖3a、b均為布?xì)夤芟路綘t內(nèi)溫度分布，氣體由噴口斜向下45°噴射，可較為直觀地看到射流噴射方向范圍內(nèi)的溫度變化情況。

a. -0.40h

b. -0.16h

c. 0.20h

由圖3a可見，夾角45°方向上各測點(diǎn)的溫度均為最高，夾角22.5、45°方向上溫度變化趨勢相同，距中心0～0.5R范圍內(nèi)溫度變化不大，0.5R～R范圍內(nèi)下降幅度較大。沿夾角0°方向，在距中心0.5R處出現(xiàn)溫度最低值，并且在0～0.5R范圍內(nèi)溫度下降幅度大，為160℃左右，而0.5R～R范圍內(nèi)溫度變化不大。這是因為此層測點(diǎn)距噴氣口最遠(yuǎn)，沿氣體射流方向速度衰減程度較大，氣體的擴(kuò)散影響趨于明顯。夾角45°方向處于射流流場區(qū)域，且受相鄰布?xì)夤軞饬鲾U(kuò)散補(bǔ)充的影響，因此溫度最高；夾角0°位置處，在靠近中心處(0處)布?xì)夤鼙旧淼臍怏w射流并不能到該位置，而相鄰布?xì)夤艿纳淞髑『醚a(bǔ)充了這一區(qū)域，因此該區(qū)域溫度相對較高，隨半徑增加，射流射程已無法達(dá)到該層，引起溫度大幅度降低。

由圖3b可知，夾角45°方向上的溫度也最高，與圖3a相比，夾角為0、45°方向上溫度分布曲線變化趨勢相同，在距中心0～R范圍內(nèi)，溫度呈逐漸下降趨勢，沿夾角22.5°方向上，距中心0～0.5R范圍內(nèi)的溫度變化不大，0.5R～R范圍內(nèi)下降幅度較大。在22.5°方向上，距中心0.5R處開始受到相鄰布?xì)夤軞饬鲾U(kuò)散的影響，溫度保持較高水平，0°方向始終被射流氣流繞流，因此溫度一直較低，而邊壁處(R處)由于空間顯著增大，氣流經(jīng)過和擴(kuò)散該區(qū)域的份額降低，加之氣流本身速度衰減程度較大和氣體流經(jīng)不規(guī)則堆積物料間隙時方向的偏轉(zhuǎn)，因此溫度有大幅度下降。

由圖3c可知，夾角為0、45°方向上的溫度變化曲線相似，在距中心0.5R處，溫度分別升高到529、500℃，到邊壁處(距中心R處)兩者均急劇下降至255℃左右。而22.5°方向上溫度沿半徑變化規(guī)律有所不同，呈持續(xù)下降趨勢，其中爐中心位置的溫度與其他兩個方向接近，但距中心0.5R處就下降了86℃左右，且沿半徑繼續(xù)下降，邊壁處又降低了26℃。根據(jù)爐內(nèi)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，爐內(nèi)氣體最終向上流動，由爐頂流出，因此該截面的溫度分布已不受布?xì)饪讎娚錃饬鞯闹苯佑绊懀鴥H靠爐內(nèi)氣體在爐內(nèi)物料間隙中的擴(kuò)散來進(jìn)行傳熱。

3個截面的溫度隨半徑的變化非常明顯，-0.40h截面同角度的最大溫差約為160℃左右，-0.16h和0.20h截面最大溫差超過275℃，而邊壁處溫度整體偏低，最高也不超過375℃，與油頁巖干餾理想溫度相距較遠(yuǎn)。盡管如此，從圖3中仍然可以看到，除最低截面-0.40h外，靠近布?xì)夤芟路胶筒細(xì)夤苌戏降母鹘嵌葴囟仍陔S半徑方向變化的過程中存在此消彼長的現(xiàn)象，如圖3b中的45、22.5°在距中心0.5R處的溫度一致，及0、22.5°在0.5R至邊壁過程中的溫度變化，而圖中中心處與邊壁處的溫度分布相對均勻。

2.1.2不同角度的溫度分布

以布?xì)夤転?°角，與布?xì)夤軍A角的各個方向間也存在明顯的溫度差別。從圖3a可以看出，-0.40h位置，隨夾角在0～45°范圍內(nèi)增大時，各處溫度均呈上升趨勢。特別是在0～22.5°內(nèi)，溫度變化幅度遠(yuǎn)超過22.5～45°的溫度增幅?？梢钥闯?，布?xì)夤苷路轿恢锰幱诓細(xì)饷^(qū)，而在該截面45°角處則處于射流流經(jīng)的最充分區(qū)域。

圖3b為-0.16h處截面的溫度分布，此處較-0.40h截面更靠近布?xì)夤?，此時溫度分布較圖3a有了明顯不同，在距中心0.5R處，布?xì)夤芟路降臏囟容^邊壁略高，而22.5、45°的溫度已經(jīng)接近一致，但邊壁處22.5°的溫度已經(jīng)低于0°位置。此時，該截面位置的溫度變化不僅受到噴射氣流傳質(zhì)和擴(kuò)散作用的影響，還受到來自下方返流氣體向上擴(kuò)散流動的影響。

從圖3c可以看出，中心處不同角度溫度基本一致，但在距中心0.5R處和邊壁處的溫度差別較前兩個截面有明顯不同。布?xì)夤苌戏?0°夾角)與45°角處在距中心0.5R區(qū)域出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)折，且0°時溫度甚至高于45°時，邊壁處兩者溫度同時下降到最低點(diǎn)，邊壁處0～45°區(qū)域中，22.5°區(qū)域的溫度高于其他兩個角度。0.20h截面的溫度分布已不受布?xì)饪讎娚錃饬鞯闹苯佑绊?，氣流返流時的擴(kuò)散特性占據(jù)了主要因素，而爐內(nèi)塊狀物料的堆積存在著隨機(jī)性，難以用空爐時的噴射氣流擴(kuò)散特性來進(jìn)行分析。但能夠確定的是45°方向和布?xì)夤苌戏?°方向的溫度在除邊壁外的地方溫度處于較高水平。

2.2沿高度方向上溫度分布

圖4為夾角0、22.5、45°方向上豎直高度的溫度分布曲線。

a. 夾角0°

b. 夾角22.5°

c. 夾角45°

從圖4a可以看出，距中心0、0.5R處溫度都是在0.20h截面處出現(xiàn)溫度最大值，邊壁處的溫度峰值出現(xiàn)在-0.16h；距中心0、0.5R處溫度變化較大，最大增幅可超過400℃，而邊壁處各點(diǎn)溫度都較低，溫度變化幅度較小。-0.40h截面距布?xì)夤茌^遠(yuǎn)，熱氣流噴射射程有限，其傳熱量較小，故溫度較低；0.70h截面為布?xì)夤苌戏?，熱氣流流?jīng)該截面下部過程中，經(jīng)與爐內(nèi)物料進(jìn)行大量的熱量傳遞，其溫度本身降低，因此該截面溫度偏低，不過該截面溫度趨于均勻。

圖4b為夾角22.5°爐內(nèi)溫度在不同高度上的溫度分布，可以看出，中心處和邊壁處高度為-0.40h～0.20h范圍內(nèi)溫度均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，中心處溫度最高，邊壁處溫度最低。而距中心0.5R處在-0.16h處溫度達(dá)到峰值后，隨高度升高而下降。

圖4c為夾角45°爐內(nèi)溫度在不同高度上的溫度分布，可以看出，中心處和邊壁處溫度變化曲線相似，均在-0.16h截面處達(dá)到溫度最大值。在距中心0.5R處，溫度隨高度升高呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

由圖4可以看到，溫度變化可體現(xiàn)噴射氣流在爐內(nèi)的流動和擴(kuò)散特性。-0.40h截面最低，氣流速度在此處衰減顯著。隨爐內(nèi)高度增加，大部分區(qū)域溫度都有不同程度的遞增。而0.70h截面熱氣流溫度隨擴(kuò)散和傳熱其本身溫度已顯著降低，因此該截面溫度整體較低。隨高度增加，爐內(nèi)溫度受氣體壓力梯度的影響，噴射氣流分壓力由中心向邊壁處擴(kuò)散，這樣距中心0、0.5R處溫度在不同夾角處溫度一直處于較高水平，主要受熱氣流在爐內(nèi)體積分?jǐn)?shù)較高的影響，邊壁處溫度整體偏低，由爐膛內(nèi)部擴(kuò)散過來的氣體也無法彌補(bǔ)其體積分?jǐn)?shù)偏低所造成的影響。由此可見，爐內(nèi)溫度分布特性體現(xiàn)了射流氣體在爐內(nèi)物料間空隙的流動特性和擴(kuò)散特性，由于物料堆積的隨機(jī)性，爐內(nèi)溫度分布呈現(xiàn)了部分隨機(jī)性和不確定性。該特性為工程設(shè)計提供了參考價值，但其內(nèi)在特性的掌握尚需要大量工作來完成。

3 結(jié)論

3.1爐內(nèi)氣體熱載體通過物料間空隙進(jìn)行噴射流動和擴(kuò)散流動，從而實現(xiàn)傳熱過程，其流動特性可通過爐內(nèi)溫度分布來呈現(xiàn)。溫度較高區(qū)域為熱氣流經(jīng)過區(qū)域，反之亦然。

3.2沿角度和半徑方向，受相鄰兩布?xì)夤軞饬餮a(bǔ)充作用的影響，中心處和邊壁處溫度分布相對均勻；邊壁處溫度偏低；夾角45°方向測點(diǎn)的溫度略高；0°方向在布?xì)夤芟路秸w偏低，在布?xì)夤苌戏秸w偏高；22.5°測點(diǎn)整體居中，且在0.20h截面溫度隨半徑分布相對均勻；由于氣體射流之間相互干擾和氣流與壁面之間的碰撞，射流的運(yùn)動特性復(fù)雜，導(dǎo)致不同截面高度0°方向溫度不同。

3.3沿高度方向上，布?xì)夤芟路綔囟忍匦允軞饬鲊娚浜蛿U(kuò)散特性的影響，布?xì)夤苌戏街皇軞饬鲾U(kuò)散的影響。除0.70h外，大部分區(qū)域的溫度隨爐內(nèi)高度呈整體升高趨勢；溫度最高點(diǎn)通常出現(xiàn)在-0.16h和0.20h截面，0.70h截面溫度整體偏低，但趨于相對均勻。

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