油頁巖撫順爐低溫干餾的影響因素分析

周揚，陳松，王曉棟

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150090）

油頁巖撫順爐低溫干餾的影響因素分析

周揚，陳松，王曉棟

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150090）

油頁巖撫順式干餾技術(shù)是國際唯一認(rèn)可的中國油頁巖生產(chǎn)的技術(shù)工藝，本文詳細(xì)介紹了撫順爐的工作原理及其工藝流程，并以撫順干餾爐為依托，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)詳細(xì)分析了影響油頁巖低溫干餾的因素，即油頁巖粒度、升溫程序（干餾終溫、加熱時間和升溫速率）。本實驗的結(jié)論為油頁巖干餾煉油提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

油頁巖；撫順爐；低溫干餾；影響因素

油頁巖又稱油母頁巖，是一種高灰分的固體可燃有機礦產(chǎn),通過低溫干餾可以提煉頁巖油。油頁巖干餾時有機質(zhì)受熱分解，其產(chǎn)物氫碳比為1.25～1.75，類似于天然石油，稱為“頁巖油”、“人造石油”或“合成原油”［1］。我國油頁巖資源儲量巨大，高達10萬億噸，技術(shù)可采儲量為2 400億噸，理論上可以回收輕質(zhì)原油100億噸，與傳統(tǒng)石油相對比（2011年1月份我國石油資源量881億噸，可采資源量233億噸）具有很大的發(fā)展空間［2］。如此可見，如果我國油頁巖資源能夠得到合理的開發(fā)和利用，不久的將來必將成為重要的替代能源之一。

干餾是將固體燃料在隔絕空氣加熱的條件下，使其分解為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的一種方法。一般根據(jù)加熱的最終溫度，分為1 000℃左右的高溫干餾和550℃左右的低溫干餾。我國主要采用撫順式干餾工藝生產(chǎn)頁巖油，為內(nèi)熱式低溫干餾爐。從1919年開始撫順干餾技術(shù)至今已有近百年的歷史，與成大全循干餾爐、氣燃方型爐相比，其原料可以為低品位油頁巖，并且有易操作、易維護保養(yǎng)，投資小、見效快等優(yōu)點，也是國際上唯一認(rèn)可的中國油頁巖生產(chǎn)的技術(shù)工藝。本文以撫順干餾爐為依托，對油頁巖低溫干餾的影響因素進行分析。

1　撫順油頁巖低溫干餾爐

撫順油頁巖低溫干餾爐如圖1所示，干餾爐由三部分組成，即加料設(shè)備、爐體及排灰設(shè)備。爐體是外徑為3～4m鋼制的圓柱體，內(nèi)襯有150～250mm厚的耐火磚，耐火磚與外殼之間填充礦渣纖維或砂子，起到保溫和承受膨脹的作用。爐體中間的拱臺將整個爐腔分為上部干餾段和下部氣化段。爐體的中間部分比較復(fù)雜，包括拱臺、混合室和腰部。

圖1　撫順式干餾爐Fig.1 Fushun-type retorting

拱臺是十字形的磚結(jié)構(gòu)，與混合室相連形成四條腿支持于爐壁四周，其下有橢圓形孔與混合室相連。一部分氣化段的氣體也可由此進入混合室。拱臺的作用是使頁巖緩慢進入混合室，并使中心溫度升高?；旌鲜沂菍饣螝馀c熱循環(huán)氣混合后通過周圍的噴口噴入干餾段。在撫順式爐形成時期，爐體的腰部，曾有過粗腰和細(xì)腰的考察，經(jīng)過反復(fù)改裝后發(fā)現(xiàn)，粗腰的頁巖行速較為均勻，有效容積也較大，所以干餾能力就強。因此1956年后，粗腰的撫順爐因氣體阻力較小，構(gòu)造較簡單而被廣泛使用。

干餾爐內(nèi)頁巖進料分配器的下方是氣體收集裝置。它是無底空心呈90°的傘形體，其外邊與爐壁有適當(dāng)?shù)木嚯x，使頁巖不致卡住。其作用是收集頁巖油氣，并將其勻速導(dǎo)出爐外。另外，還可以使頁巖油氣在導(dǎo)出的過程中粉塵夾帶量變小，減少邊壁效應(yīng)。

干餾爐內(nèi)的加料設(shè)備，目前應(yīng)用較多的是由爐頂放料管和閘板及交叉式分配器組成。貯槽中的油頁巖通過放料管進入干餾爐，經(jīng)交叉式分配器均勻地分布于爐內(nèi)。一般情況下?lián)犴槧t是連續(xù)運轉(zhuǎn)的，但加料則為間歇式操作。放料管裝有閘板，其目的是為了防止向爐內(nèi)抽入空氣。

排灰設(shè)備安裝在爐底爐盤之上，分為排灰器、風(fēng)頭、灰皿及鐵鍬四部分。爐盤有上下球槽，灰皿的底部，有3～4條曲線型的翅片鑄件構(gòu)成排灰器。風(fēng)頭安裝在排灰器中心，是錐形體。主風(fēng)由兩層風(fēng)口噴出并均勻分配于氣化段中?；颐笾苓呌闪鶋K鑄鐵板排列而成，底部為排灰器，并做水封，防止氣化段氣體泄漏。鐵鍬安裝在爐壁的兩側(cè)，起到將頁巖灰排出爐外的目的。

2　油頁巖干餾工藝流程

圖2　撫順油頁巖干餾工藝流程圖Fig.2 Fushun oil shale retorting process

油頁巖干餾工藝流程示意圖如圖2所示［3］：將破碎篩分的油頁巖礦送入爐內(nèi)干餾段進行干餾（不符合8～75mm的頁巖礦舍棄），干餾后的頁巖半焦落入氣化段，干餾氣通過頂部排出冷凝回收。在氣化段下部導(dǎo)入飽和熱主峰，從而發(fā)生燃燒反應(yīng)，在此段需要回收余熱并導(dǎo)出廢渣。此處回收的余熱和加熱爐的循環(huán)瓦斯一起為干餾段提供熱量。所有的氣體熱載體與干餾段產(chǎn)生的油氣一起通過收集傘導(dǎo)出，冷凝回收頁巖油，瓦斯氣按照用途分為三部分使用，即燃料瓦斯、循環(huán)瓦斯和動力瓦斯。通常，一個干餾單元由20臺干餾爐組成，共用一套冷凝回收裝置和加熱爐。

3　影響油頁巖低溫干餾的因素

經(jīng)過大量的理論研究和實驗研究發(fā)現(xiàn)［1,4］，影響油頁巖低溫干餾的因素主要有油頁巖的進料粒度及升溫程序。

3.1油頁巖的進料粒度

首先影響油頁巖低溫干餾的因素是進料粒度。撫順干餾爐要求破碎篩分后的頁巖粒徑為8～75mm。小于8mm的粉體頁巖進入撫順干餾爐后會導(dǎo)致干餾爐中氣體的流動性變差，使空氣與半焦的氧化反應(yīng)不充分，進而導(dǎo)致供熱不足，影響油頁巖的干餾產(chǎn)率。而隨著粒徑的增大，頁巖的導(dǎo)熱性隨之變差，在加熱時，表面溫度與中心溫度便會存在較大的溫度差。如果升溫程序不適當(dāng)就會導(dǎo)致干餾不完全，浪費資源。圖3是不同塊徑正方體油頁巖試樣的內(nèi)外溫度差的曲線。

圖3　頁巖的表面和中心的溫度差Fig.3 Temperature between the surface and the center of shale

圖4　油頁巖在不同終溫下的頁巖油產(chǎn)率Fig.4 The shale oil yield at different final temperature of oil shale

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，油頁巖表面和中心的溫度差與粒徑曲線上存在兩個波峰，一個在200℃～300℃，另一個在475℃左右，并且隨著頁巖粒徑的增大，一般的，波峰處的一階導(dǎo)數(shù)絕對值變大。第一個波峰的形成是油頁巖脫自由水的階段，由于水分大量蒸發(fā)需要大量的氣化熱，供給的熱量便不能迅速傳遞到油頁巖塊的內(nèi)部，其內(nèi)外溫度差變大，并且隨著油頁巖塊徑的增大，內(nèi)外的溫度差就會更大，波峰處的一階導(dǎo)數(shù)的絕對值也就變大。但是當(dāng)自由水完全氣化后，外部供給的熱量便迅速傳遞到油頁巖內(nèi)部，溫度差就逐漸縮小。第二個波峰的形成是油頁巖有機質(zhì)熱解和無機物結(jié)晶水放出階段，也是大部分頁巖油析出的階段。因為有機質(zhì)的熱分解和結(jié)晶水的氣化仍消耗大量的熱，故造成內(nèi)外溫度差的增大、拐點的形成，同理，隨著頁巖塊徑的增大內(nèi)外的溫度差便會更大。

總體來看，塊狀油頁巖在干餾的過程中，需在合適的溫度下保持一定的恒溫時間，即需要適宜的升溫程序才能使內(nèi)外溫差變小，油頁巖干餾才能完全。一般的，需要在200℃～300℃和475℃左右延長加熱時間。

3.2油頁巖干餾過程的升溫程序

3.2.1干餾終溫

從圖3中可以看出第二個波峰475℃左右是油頁巖中大部分有機質(zhì)分解的溫度，為了考察油頁巖中有機質(zhì)干餾的最終溫度，將油頁巖加熱到不同的溫度，并恒溫1h，測量頁巖油的產(chǎn)率，如圖4所示，350℃開始有少量的頁巖油析出，并在400℃以后，開始迅速析出，450℃～550℃是頁巖油析出的主要溫度段，并且，溫度超過500℃以后，頁巖油的產(chǎn)率增加不到0.1%，反而熱解水和氣體增加幅度很大。這就說明，無機礦物質(zhì)中結(jié)晶水分解了，有機質(zhì)殘留物也發(fā)生了斷鏈反應(yīng)，頁巖油蒸汽在高溫區(qū)發(fā)生二次裂解，所以最終溫度的選擇應(yīng)該在500℃～550℃為宜。而在500℃～550℃，頁巖油產(chǎn)率幾乎沒有改變，從節(jié)約能源的角度出發(fā)，油頁巖干餾終溫的選擇為第二個波峰處，即干餾終溫以510℃為宜。

3.2.2加熱時間

油頁巖干餾的程度不僅和干餾終溫有關(guān)，加熱時間的長短也是很重要的因素之一。要根據(jù)不同的頁巖粒徑選擇不同的加熱時間，這樣一方面使油頁巖干餾完全，另一方面避免能源的浪費。選擇粒徑為50mm左右的頁巖進行干餾，考察510℃附近加熱時間（225℃主要為自由水的分解，持續(xù)升高溫度水分自然會分解，故不需要考察其加熱時間）和頁巖油產(chǎn)率之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，450℃時，加熱時間超過1h，頁巖油的產(chǎn)率仍為95%（與標(biāo)準(zhǔn)鋁甄干餾頁巖油產(chǎn)率相比），500℃則加熱0.5h就達到100%。550℃時油頁巖便熱解完全。因此，綜合以上影響因素選擇520℃下加熱15min為宜。

3.2.3加熱速率

油頁巖的加熱速率影響到干餾的生產(chǎn)強度。撫順爐一般采用低速加熱即1.5℃～5℃/min。研究結(jié)果表明，加熱速率對油頁巖干餾的產(chǎn)率和組成沒有顯著影響。主要表現(xiàn)為加熱速度較快時，揮發(fā)性產(chǎn)物的裂化程度較輕，其頁巖油的比重和餾分組成較產(chǎn)率低時的頁巖油稍重。這種提高加熱速率使油頁巖很快加熱到指定溫度的干餾方法較強化干餾，其主要目的是縮短干餾時間提高油頁巖干餾效率。

4　結(jié)論

針對不同的干餾爐油頁巖的粒徑需要有一定的限制，不同的粒徑需要控制不同的升溫程序，但都選擇在200℃～300℃和475℃處延長加熱時間以使熱量充分傳遞到頁巖內(nèi)部達到自由水、揮發(fā)物和有機質(zhì)充分分解的目的。加熱速率低速加熱1.5℃～5℃/min即可，干餾終溫選擇520℃加熱15min為宜。

［1］錢家麟，尹亮.油頁巖——石油的補充能源［M］.北京：中國石化出版社，2008.

［2］劉招君，董清水，葉松青，等.中國油頁巖資源現(xiàn)狀［J］.吉林大學(xué)學(xué)報（地球科學(xué)版），2006，36（6）：869-876.

［3］白章，柏靜儒，王擎，等.撫順式油頁巖干餾工藝系統(tǒng)模擬及分析［J］.中國電機工程學(xué)報，2014，（14）：13-16.

［4］侯祥麟.中國頁巖油工業(yè)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1984.

Analysis of Influencing Factors of Oil Shale Fushun Retorting Furnace

ZHOUYang,CHENSong,WANGXiao-dong

（Energyand Environmental Research Institute ofHeilongjiangProvince,Harbin 150090,China）

Fushun-type oil shale retorting technology is the only internationally recognized process technology in China.This paper describes its workingprinciple and process,and the influencingfactors ofthe lowtemperature oil shale retortingare analyzed bythe Fushun-type retortingand the experimental data.The factors conclude the particle size,temperature program(final distillation temperature,heating time and heating rate). The conclusion provides the basic data for oil shale retorting.

Oil shale;Fushun-type retorting;Lowtemperature retorting;Influencingfactors

TQ524

A

1674-8646（2015）09-0013-03

2015-05-21

黑龍江省科學(xué)院青年創(chuàng)新基金項目“油頁巖低溫?zé)峤鈼l件對頁巖油性質(zhì)的影響研究”

周揚（1984-），女，黑龍江海倫人，助理研究員，碩士，從事非常規(guī)能源的研究和技術(shù)開發(fā)工作。