基于Aspen Plus模擬五林鎮(zhèn)油母頁(yè)巖的生產(chǎn)

蘆思瀚, 戴詠川, 李京戰(zhàn), 趙飛星, 金英杰

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油化工學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國(guó)石油華北石化公司，河北 任丘 062552）

基于Aspen Plus模擬五林鎮(zhèn)油母頁(yè)巖的生產(chǎn)

蘆思瀚1, 戴詠川1, 李京戰(zhàn)2, 趙飛星1, 金英杰1

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油化工學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國(guó)石油華北石化公司，河北 任丘 062552）

頁(yè)巖油是指以頁(yè)巖層系中所含的石油資源，是迄今為止在固體礦產(chǎn)領(lǐng)域中的人造石油。油頁(yè)巖是一種能源礦產(chǎn)，屬于低熱值固態(tài)化石燃料。透過裂解化學(xué)變化，可將油頁(yè)巖中的油母物質(zhì)轉(zhuǎn)化為合成油。撫順干餾爐充分利用固定碳，并做到熱量自給有余；油頁(yè)巖塊度適應(yīng)范圍廣，能處理10～70 mm的油頁(yè)巖。因此采用撫順煉油工藝，借助Aspen Plus軟件對(duì)黑龍江五林鎮(zhèn)的油母頁(yè)巖進(jìn)行模擬干餾，從而實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)煉油工藝輔助之目的。研究結(jié)果表明，可以通過Aspen Plus軟件對(duì)撫順干餾爐進(jìn)行模擬，且模擬所得結(jié)果與工業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配，為頁(yè)巖煉油技術(shù)提供指引。

油頁(yè)巖；撫順干餾爐；工藝模擬；Aspen Plus

在煤炭資源、石油資源日益衰竭的今天，油母頁(yè)巖成為國(guó)家能源近年來開發(fā)的項(xiàng)目，通過對(duì)油母頁(yè)巖的提煉而得到頁(yè)巖油。油母頁(yè)巖是一種高灰分的固體可燃有機(jī)物，有機(jī)質(zhì)含量高，主要為泥腐質(zhì)、腐植質(zhì)或混合型。油頁(yè)巖的工業(yè)開發(fā)利用主要有2種途徑：干餾煉油和直接燃燒發(fā)電[1]。中國(guó)油母頁(yè)巖資源較為豐富，石炭紀(jì)—第三紀(jì)都有產(chǎn)出。油母頁(yè)巖主要分布在20個(gè)省和自治區(qū)、47個(gè)盆地，共有80個(gè)礦區(qū)。中國(guó)撫順于1928年開始經(jīng)營(yíng)油廠，利用煤礦副產(chǎn)的油母頁(yè)巖制取頁(yè)巖油，設(shè)計(jì)出撫順式工藝。如今在遼寧朝陽(yáng)、吉林汪清、遼寧北票、山東龍口、吉林樺甸等地各中小型油母頁(yè)巖廠如雨后春筍，在陸續(xù)萌發(fā)。

油母頁(yè)巖的熱加工是應(yīng)用的溫干餾方法。油母頁(yè)巖經(jīng)過低溫干餾而得到頁(yè)巖油和煤氣，頁(yè)巖油再進(jìn)行加工精制，首先是固體燃料的加熱過程，熱量由熱載體傳給油母頁(yè)巖，然后在油母頁(yè)巖內(nèi)部進(jìn)行熱傳導(dǎo)。第二個(gè)過程是有機(jī)物質(zhì)受熱后發(fā)生的物理化學(xué)變化過程，最后一個(gè)過程是反應(yīng)生成產(chǎn)物擴(kuò)散作用即反應(yīng)層導(dǎo)出過程。

在物料和熱量平衡、相平衡、化學(xué)平衡及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上，Aspen Plus提供了大量的物性數(shù)據(jù)、嚴(yán)格的熱力學(xué)估算模型庫(kù)和豐富的過程單元模型庫(kù)，可用于各類過程工業(yè)流程的模擬[2]。本文通過對(duì)黑龍江省油頁(yè)巖鋁甄分析，得出柳樹河子盆地林口縣五林鎮(zhèn)的油母頁(yè)巖熱解分率，擬用撫順式工藝對(duì)五林鎮(zhèn)油母頁(yè)巖提煉模擬，借助Aspen Plus中RCSTR、RStoic等模型進(jìn)行計(jì)算，分析相關(guān)組分的轉(zhuǎn)化情況，根據(jù)工業(yè)實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在合理建模的基礎(chǔ)上研究了煉油系統(tǒng)的運(yùn)作，為撫順式工藝的改進(jìn)及五林鎮(zhèn)頁(yè)巖油項(xiàng)目的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1 五林鎮(zhèn)油頁(yè)巖分析

采用黑龍江省柳樹河子盆地林口縣五林鎮(zhèn)礦區(qū)的油母頁(yè)巖作為實(shí)驗(yàn)樣本。

將試樣裝于鋁甄中，在隔絕空氣條件下以一定的升溫速度進(jìn)行加熱至520 ℃，并保持一定時(shí)間。干餾后測(cè)定所得出的水、油、半焦和干餾副產(chǎn)物的收率，鋁甄分析是評(píng)定油頁(yè)巖煉油的重要指標(biāo)之一[3]。

干餾產(chǎn)物的分析基收率按下列公式按如下公式計(jì)算：

其中：

Tf—分析基頁(yè)巖收率；

TZ—干基頁(yè)巖收率；

m —分析試樣質(zhì)量；

a —冷凝物質(zhì)量；

2 順式干餾工藝

2.1 溫度的影響

將樣品于鋁甄中，分別采用終溫為480、500、520、560 ℃，持續(xù)20 min，收集并計(jì)算其含油率。見圖1，由曲線圖得出，在520 ℃時(shí)，油頁(yè)巖熱解效率最高。

2.2 撫順原油裝置工藝流程

如圖2所示，油母頁(yè)巖經(jīng)過破碎篩分后，送到原油裝置貯礦廠內(nèi)，成品油母頁(yè)巖經(jīng)裝入機(jī)進(jìn)入干餾爐內(nèi)，在預(yù)熱段105 ℃前油母頁(yè)巖中水分被蒸發(fā)，當(dāng)溫度升至150～180 ℃時(shí)，油母頁(yè)巖放出吸附的氣體，當(dāng)溫度超過180 ℃時(shí)，頁(yè)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。也就是說，頁(yè)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，生成的焦油汽上升后，經(jīng)陣傘導(dǎo)出。

圖1 干餾終溫對(duì)頁(yè)巖熱解影響Fig.1 Final temperature effect of pyrolysis on oil shale

干餾后的頁(yè)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)生燃燒反應(yīng)，放出大量熱量；同時(shí)半焦中赤熱的碳與主風(fēng)中水蒸汽發(fā)生水煤氣反應(yīng)，產(chǎn)生大量瓦斯并吸收熱量。由氧化還原反應(yīng)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(yè)巖干餾之熱源。

2.3 撫順工藝干餾產(chǎn)物

干餾所得到的產(chǎn)物為：H2、H2O、H2S、NH3、CO、CO2、CH4、C2H6等。產(chǎn)生的硫化氣體經(jīng)脫硫裝置進(jìn)行脫硫處理，CH4、C2H6等瓦斯氣體，一部分作為循環(huán)瓦斯用于干餾爐的加熱，一部分供給鍋爐用于全廠區(qū)及周邊住房的供暖，一部分作為貯存氣體[5]。整個(gè)撫順工藝流程中包含油母頁(yè)巖的干餾、半焦及瓦斯的燃燒、換熱等部分。做Aspen Plus流程模擬時(shí)采用DCOALIGT模型進(jìn)行了計(jì)算。由于頁(yè)巖油為石油產(chǎn)物，故作者參考其中元素及其他科研者分析成果，頁(yè)巖油由碳?xì)浠衔顲21H36來代替。

2.3 撫順工藝干餾產(chǎn)物

干餾所得到的產(chǎn)物為：H2、H2O、H2S、NH3、CO、CO2、CH4、C2H6等。產(chǎn)生的硫化氣體經(jīng)脫硫裝置進(jìn)行脫硫處理，CH4、C2H6等瓦斯氣體，一部分作為循環(huán)瓦斯用于干餾爐的加熱，一部分供給鍋爐用于全廠區(qū)及周邊住房的供暖，一部分作為貯存氣體[5]。

整個(gè)撫順工藝流程中包含油母頁(yè)巖的干餾、半焦及瓦斯的燃燒、換熱等部分。做Aspen Plus流程模擬時(shí)采用DCOALIGT模型進(jìn)行了計(jì)算。由于頁(yè)巖油為石油產(chǎn)物，故作者參考其中元素及其他科研者分析成果，頁(yè)巖油由碳?xì)浠衔顲21H36來代替。

3 Aspen Plus流程構(gòu)建

因?yàn)橛湍疙?yè)巖干餾是一個(gè)復(fù)雜的石油煉制過程，受到各種因素的影響，且工廠運(yùn)作時(shí)，將有設(shè)備損耗、故障等情形。因此在構(gòu)建流程圖時(shí)做出如下理想化模型[6]：

a. 工廠處于穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行，以360個(gè)工作日計(jì)算，且均勻進(jìn)料，不隨時(shí)間發(fā)生改變。

b. 油母頁(yè)巖中殘?jiān)M分不影響油頁(yè)巖煉油效率，油母頁(yè)巖中不含有對(duì)其熱解有影響的物質(zhì)。

c. 頁(yè)巖油的提取率為鋁甄分析得出的收油率的100%，但考慮頁(yè)巖油在干餾爐中的燃燒。

d. 各階段進(jìn)料均為一個(gè)大氣壓下進(jìn)行反應(yīng)，無壓強(qiáng)變化，不考慮氣體壓強(qiáng)改變所出現(xiàn)的功率損耗。

根據(jù)撫順油母頁(yè)巖干餾工藝，將該流程分為油母頁(yè)巖預(yù)熱階段、干餾階段、頁(yè)巖油收集階段與瓦斯處理階段。如圖3所示，油母頁(yè)巖進(jìn)入預(yù)熱裝置進(jìn)行預(yù)熱（PRE-HEAT）、進(jìn)入干餾爐進(jìn)行干餾(RE-OIL)后瓦斯與頁(yè)巖油進(jìn)入油氣分離系(GAS1～GAS4)，而剩的半焦、頁(yè)巖殘?jiān)鼊t進(jìn)入反應(yīng)爐（RE-2）進(jìn)行進(jìn)一步燃燒。

圖2 撫順原油裝置工藝流程圖Fig.2 Process diagram of Fushun-type oil installation

圖3 Aspen Plus工藝流程圖Fig.3 Diagram of Aspen Plus process mode

油母頁(yè)巖干餾所使用的干餾爐用連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器模型（RCSTR），模擬油母頁(yè)巖熱解過程，及部分礦物質(zhì)反應(yīng)過程[7]。用化學(xué)劑量反應(yīng)器（RStoic）模擬瓦斯燃燒等一系列反應(yīng)。

反應(yīng)所產(chǎn)生的瓦斯、油水混合物用閃蒸塔（FLASH）模擬組分分離，所含的硫組分在脫硫反應(yīng)處進(jìn)行脫硫處理。瓦斯通過分流裝置（FSplit）分為兩股餾分，一股用于存儲(chǔ)及鍋爐燃燒，另一股作為燃料回到干餾爐內(nèi)進(jìn)行燃燒。

干餾反應(yīng)部分為520 ℃，且在一個(gè)大氣壓下進(jìn)行一系列反映，模擬為20臺(tái)撫順式干餾爐一同進(jìn)行反應(yīng)，爐內(nèi)體積約為1 570 m3。

由于撫順式干餾爐鼓風(fēng)口在爐下方，因此將空氣組分（AIR）單獨(dú)拿出，連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器下部通入。并將空氣進(jìn)行理想化模擬，僅含有O2與N2。

4 參數(shù)分析

4.1 參數(shù)計(jì)算

當(dāng)原料中含有氧量時(shí)，在需要的氧量計(jì)算時(shí)應(yīng)扣除這部分，故每燃燒1 kg燃料所需要的氧氣量為：

式中：CP、HP、SP、OP——指燃料組成；

燃燒時(shí)生成水汽量計(jì)算：

式中：β—每m3空氣中所含的水量，單位是m-3。

4.2 物流參數(shù)

Aspen Plus流程模擬設(shè)計(jì)進(jìn)料為500萬t/a，因此得到表1的物流參數(shù)。從表中數(shù)據(jù)得出頁(yè)巖油的成產(chǎn)效率，其中副反應(yīng)相對(duì)較多，因此不再一一列舉。表2為工業(yè)焦油熱解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表，與之相對(duì)比，進(jìn)一步證明數(shù)據(jù)的可行性與科學(xué)性。

表1 撫順式工藝物流參數(shù)Table 1 Fushun-type process parameters

表2 工業(yè)實(shí)驗(yàn)頁(yè)巖不同溫度下的分解產(chǎn)率Table 2 Decomposing rate of oil shale through different temperature in industrial experiment

5 結(jié) 論

通過對(duì)撫順式干餾爐工藝的分析，結(jié)合Aspen Plus軟件的模擬，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)物流平衡。從Aspen Plus模擬得出數(shù)據(jù)結(jié)果顯示模擬最適溫度（525 ℃）與鋁甄分析得出最適溫度（520 ℃）相匹配，在熱解效率上RCSTR結(jié)果與工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配。熱解產(chǎn)率達(dá)到預(yù)期效果，因此基于Aspen Plus的油母頁(yè)巖工藝流程模擬具有可操作性。

［1］劉洪鵬，龍海波，王擎，王志奉.以頁(yè)巖灰為熱載體的油頁(yè)巖干餾過程模擬[J],現(xiàn)代化工，2013,33(11): 85-88.

［2］孫伯仲，韓拓，王海剛.基于Aspen Plus撫順式油頁(yè)巖干餾工藝數(shù)值模擬[J]，現(xiàn)代化工，2013,33(6): 125-131.

［3］孫柏仲，王擎，姜慶賢等.油頁(yè)巖含油率的測(cè)定極其影響因素分析[J]，東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,26(1):13-16.

［4］曹祖賓，張宗平，韓冬云，李丹東.油頁(yè)巖干餾工藝與工程[M].北京：中國(guó)石化出版社，2011.

［5］韓放，高健. 撫順礦業(yè)集團(tuán)油頁(yè)巖煉油生產(chǎn)中余熱利用技術(shù)和研究與應(yīng)用[J].煤炭加工與綜合利用，2013(1)：53-57.

［6］陳漢平，趙向富，米鐵，代正華. 基于Aspen Plus平臺(tái)的生物質(zhì)氣化模擬[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007,35(9):49-52.

［7］王擎，孫斌，劉洪鵬，柏靜儒，肖冠華. 油頁(yè)巖熱解過程礦物質(zhì)行為分析[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2013,41(2):163-168.

Process Simulation of Wulin Town Oil Shale Production by Aspen Plus

LU Si-han1, DAI Yong-chuan1, LI Jing-zhan2, ZHAO Fei-xing1, JIN Ying-jie1
（1. School of Petrochemical Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China；2. PetroChina North China Petrochemical Company, Hebei Renqiu 062552, China）

Shale oil is the oil resource in shale bed, which is by far the artificial oil in the area of solid mineral.Oil shale is a kind of mineral energy and belongs to LHV solid fossil fuel. Through the pyrolysis chemical change, the oil shale kerogen can be converted into synthetic oil. Fushun gas retort took full use of fixed carbon to realize self-sufficient calories. Oil shale rock fragmentation range was wide, in the range of 10～70 mm. Therefore, using Fushun refinery process, with the Aspen Plus software, retorting process of Wulin town oil shale was simulated in order to achieve the purpose of the software assisting in the refinery process. The results show that, Fushun retort can be simulated by Aspen Plus software, and the simulation results can match with industry experimental data, so it can provide guidance for shale refining technology.

Oil shale；Fushun gas retort；Process simulation；Aspen Plus

TE 357

： A

： 1671-0460（2015）02-0397-05

國(guó)家自然科學(xué)基金，項(xiàng)目號(hào)：21171083。遼寧石油化工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目2013039。

2014-09-15

蘆思瀚（1993-），男，遼寧撫順人，研究方向：化學(xué)工程與工藝。E-mail：wxcrsnks@foxmail.com。

戴詠川（1968-），女，博士，研究方向：清潔燃料生產(chǎn)以及石油產(chǎn)品精制等研究工作。E-mail：ych_dasic@163.com。