基于Aspen Plus的油砂干餾過程模擬

柏靜儒，吳海濤，劉斌，徐向明，白 章

(1.東北電力大學 油頁巖綜合利用教育部工程研究中心，吉林 吉林，132012；2.撫順礦業(yè)集團有限責任公司頁巖煉油勝利實驗廠，遼寧 撫順 113001；3.中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190)

基于Aspen Plus的油砂干餾過程模擬

柏靜儒1，吳海濤1，劉斌2，徐向明2，白 章3

(1.東北電力大學 油頁巖綜合利用教育部工程研究中心，吉林 吉林，132012；2.撫順礦業(yè)集團有限責任公司頁巖煉油勝利實驗廠，遼寧 撫順 113001；3.中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190)

利用Aspen Plus軟件對油砂干餾過程進行建模，按照實驗測定的油砂鋁甄實驗數(shù)據(jù)、工業(yè)分析、元素分析以及發(fā)熱量數(shù)據(jù)對系統(tǒng)參數(shù)進行設定輸入，并對干餾過程中的參數(shù)進行物料平衡和熱平衡分析，得出模擬結(jié)果。在含油率、含水率、半焦產(chǎn)率以及干餾氣產(chǎn)率等方面，將系統(tǒng)模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比分析，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)間的誤差均在合理范圍內(nèi)。對比結(jié)果表明，該系統(tǒng)的建模過程以及物性參數(shù)的設定合理，為以后構(gòu)建基于Aspen Plus的油砂綜合利用系統(tǒng)提供較好的理論依據(jù)和參考價值。

Aspen Plus；模擬；干餾過程；印尼油砂

隨著世界石油的短缺以及對烴類需求的不斷上漲，未來能源的巨大缺口將會在很大程度上依靠包括油砂在內(nèi)的非常規(guī)油氣來彌補。油砂作為一種富含有機質(zhì)、可煉油亦可燃燒發(fā)電的砂巖，未來將會受到高度重視。油砂可以在實驗室中用甲苯溶劑抽出稠油，也可以加熱干餾，使其所含的稠油熱解生成熱解油、氣及固體炭粒(與砂粒結(jié)合在一起，稱為半焦)。世界油砂資源折算為稠油的量約4 000×108t，大于天然石油的探明儲量(2 000×108t)[1-3]。印度尼西亞是油砂資源富集的國家，位于其東南的布敦島瀝青資源預測儲量在3.0×109t 以上，具有極大的開發(fā)潛力。

傳統(tǒng)油砂分離工藝采用熱堿水水洗，但該方法適用于提取淺層的水潤性油砂，對于印尼油潤性油砂，需采用干餾熱解的方法進行分離，此方法的主要優(yōu)點是在干餾過程中能產(chǎn)生脫碳及改善油的碳氫比的作用，且可優(yōu)化產(chǎn)油質(zhì)量，國內(nèi)外學者在油砂的干餾熱解方面均進行了相關的實驗研究[4-11]。Aspen Plus是基于序貫模塊法的穩(wěn)態(tài)過程模擬軟件，現(xiàn)已廣泛應用于石油化工等領域，在煤、生物質(zhì)、油頁巖的氣化及干餾方面做了大量的模擬和計算。在油頁巖的低溫干餾以及綜合利用方面，基于Aspen Plus建立了油頁巖干餾模型，構(gòu)建了氣體熱載體干餾爐及干餾工藝流程模型，并在油頁巖固體熱載體綜合利用系統(tǒng)模擬方面也做了相關的模擬研究[12-19]。結(jié)合前期在油頁巖、油砂方面的實驗研究和對比，并根據(jù)Aspen Plus軟件在油頁巖方面的應用，可推導得出基于Aspen Plus在油砂干餾方面的應用研究是可行的，且模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的誤差在合理范圍內(nèi)。

本文利用Aspen Plus軟件對油砂樣品進行低溫干餾模擬，對油砂實驗數(shù)據(jù)進行分析整理，輸入已構(gòu)建的模型中。對比模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)，證明油砂干餾過程建模的正確性，為后期構(gòu)建基于Aspen Plus的油砂綜合利用系統(tǒng)的模擬提供有利條件。

1 油砂干餾機理以及實驗結(jié)果

1.1 干餾機理

油砂的低溫干餾，即在隔絕空氣的條件下，加熱至450 ℃～550 ℃，且在此過程中油砂中的有機質(zhì)熱解生成稠油、熱解氣以及固定碳，最終油砂熱解生成油砂油、半焦、干餾氣以及水。

由于油砂干餾過程較復雜，因此將干餾過程分成三部分，包括油砂干燥脫出外在水、有機質(zhì)熱解產(chǎn)生油氣和殘?zhí)?、無機礦物質(zhì)受熱分解(具體包括粘土類物質(zhì)脫除結(jié)合水，以及碳酸鹽類礦物質(zhì)分解產(chǎn)生CO2)?；贏spen Plus對油砂干餾過程的模擬，將油砂分成外在水分、無機礦物質(zhì)和有機質(zhì)，并對該三種成分進行獨立設置，從而實現(xiàn)對油砂組分的完整定義。

1.2 試樣及實驗結(jié)果

所選試樣為印尼油砂四組分混合樣品，并對其進行鋁甄含油率實驗，對油砂樣品及其半焦進行工業(yè)分析、元素分析以及發(fā)熱量測試，具體見表1、表2。

表1 印尼油砂鋁甄實驗結(jié)果(ar) 質(zhì)量分數(shù)/%

表2 油砂原樣及半焦工業(yè)分析、元素分析、發(fā)熱量實驗結(jié)果

2 系統(tǒng)Aspen Plus模型建立

2.1 模型建立

本文應用Aspen Plus中的Mixcinc將油砂和半焦定義為水(Mixed)、礦物質(zhì)(Clsolid)和有機質(zhì)(NC：油母質(zhì)、殘?zhí)?組成的混合物。在該模擬中，因為油砂的有機質(zhì)干餾產(chǎn)生的熱解產(chǎn)物碳氫化合物、輕質(zhì)氣體以及頁巖油均為非極性或者極性較弱的物質(zhì)，故該全局性物性方法選用RK-SOAVE較為合適。利用Enthgen和DcharigtT物性方法以及油砂和半焦的元素分析計算有機質(zhì)和殘?zhí)康撵?、密度等參?shù)根據(jù)油砂的組分以及干餾過程的反應特性，將油砂的熱解反應具體分為三部分：①水分受熱蒸發(fā)；②礦物質(zhì)受熱部分分解產(chǎn)生CO2和H2O等；③有機質(zhì)熱解生成Oil、Char和干餾氣(H2、H2O、H2S、NH3、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C3H8)。

根據(jù)Francis[20]對世界主要礦區(qū)的頁巖經(jīng)鋁甄實驗后得出的頁巖油分析過程，得出一個具有代表性的分子式C20.306H34.107N0.256S0.413O1.679，選用C21H36代替頁巖油。本實驗根據(jù)元素比和相對分子質(zhì)量所得油砂油的分子式為C20.867 5H27.87N0.038 6S0.495O0.334，暫選用C20H28作為油砂油的分子式。

油砂的熱解過程非常復雜，會受到干餾溫度、升溫速率以及礦物質(zhì)成分等因素的影響。為了更簡便的應用Aspen Plus軟件對油砂的干餾過程進行合理的描述，對模擬過程作出如下假設：

(1)干餾過程及系統(tǒng)的其他過程均處于穩(wěn)定狀態(tài)，運行參數(shù)不隨時間變化；

(2)礦物質(zhì)僅存在分解過程，不發(fā)生化學反應，對油母質(zhì)的熱解過程不產(chǎn)生影響；

(3)油收率相對鋁甄實驗的含油率為100%；

(4)油砂的預熱干燥脫水過程發(fā)生在干餾反應之前；

(5)系統(tǒng)各設備都在常壓或微負壓狀態(tài)下進行。

2.2 構(gòu)建Aspen Plus模塊流程圖

印尼油砂干餾過程的模擬流程圖，如圖1所示。

圖1 干餾過程模擬流程圖

干餾部分由Rcstr連續(xù)攪拌釜式反應器模型(Retort)模擬油砂中有機質(zhì)的熱解過程，Rstoic化學計量反應器模型(Minret)模擬礦物質(zhì)的分解過程，礦物質(zhì)分解的水蒸汽和二氧化碳匯入干餾氣的過程由分離器Sep模型(Mingass)表示；油砂的預熱過程由兩個換熱器Heater反應模型來模擬油砂中水分的蒸發(fā)；熱解產(chǎn)生的油氣進入冷卻和分離階段，該過程可由圖中的換熱器Heater反應模型(Coolret)和分離器Sep模型(OG-SS)表示。其中預熱、礦物質(zhì)分解和熱解產(chǎn)生的油氣混合物的冷卻等過程的吸放熱量均導入干餾爐里，具體表現(xiàn)在圖1中的Q-PREH1、Q-PREH2、Q-MIN，其中油砂的干餾部分所需要的外部加熱部分用一條熱流線體現(xiàn)，具體表現(xiàn)在圖1中的Q-IN。對于干餾模塊Retort，通過嵌入Fortran子程序?qū)峤膺^程進行控制。

2.3 模型修正

為了能更精確地模擬系統(tǒng)中的物流參數(shù)，在進行前期Aspen Plus軟件輸入?yún)?shù)計算過程中，需要對該流程進行部分修正。

(1)由于鋁甄實驗數(shù)據(jù)與工業(yè)分析、元素分析數(shù)據(jù)等有數(shù)據(jù)交叉情況，經(jīng)計算分析，將油砂中有機質(zhì)的反應率設定為0.926，對公式(1)中的fi進行等比例的調(diào)整以滿足模擬要求

Kerogen→fiMi，

(1)

式中：fi為油母質(zhì)熱解過程中各反應產(chǎn)物的生成系數(shù)；Mi為熱解過程產(chǎn)物。

(2)干餾爐爐體的散熱損失為爐體換熱量的25%，并通過添加輔助熱流(Q-Retlos)對Retort模型的干餾熱量進行細微修正。

(3)用H2O、SO2、NO2三種物質(zhì)來修正因利用C20H28替代油砂油所帶來的元素誤差，并將該三種物質(zhì)折算進干餾氣中。

3 模擬結(jié)果與原始數(shù)據(jù)對比和分析

模擬結(jié)果以及干餾氣中，H2O、SO2、NO2三種物質(zhì)質(zhì)量流率如表3、表4所示。結(jié)果均按照油、水、氣、半焦的質(zhì)量比對Aspen Plus的模擬流程進行參數(shù)設置，以滿足整個干餾過程的質(zhì)量平衡，使得模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相差較小。

表3 模擬輸出的部分數(shù)據(jù)

表4 干餾氣中H2O、SO2、NO2三種物質(zhì)質(zhì)量流率

圖2 模擬結(jié)果與鋁甄實驗結(jié)果對比圖

對比表1和模擬結(jié)果的表3，表3中的OIL質(zhì)量流率為14.50 kg/s，因為干餾氣中的H2O包括內(nèi)在水分、礦物質(zhì)分解水以及油砂油折算水分，經(jīng)過計算可得油砂油折算水分為0.334 kg/s，將H2O、SO2、NO2三種物質(zhì)的O、S、N含量折算進表3中的油砂油(OIL)中，可得模擬結(jié)果中的頁巖油(OIL)質(zhì)量流率為18.01 kg/s，得出模擬結(jié)果中頁巖油的質(zhì)量分數(shù)為18.01%；表3中半焦SC的質(zhì)量流率為63.58 kg/s，再除以反應率0.926，可得半焦質(zhì)量流率為68.66 kg/s，質(zhì)量分數(shù)大于鋁甄實驗的結(jié)果65.09%，這是因為油砂中有機質(zhì)沒有完全分解的緣故；表3中的干餾氣質(zhì)量流率為4.33 kg/s，扣除油砂油折算的H2O、SO2、NO2，可得質(zhì)量流率為2.304 kg/s。具體的數(shù)據(jù)對比，如圖2所示。

在構(gòu)建油砂低溫干餾系統(tǒng)流程時，并沒有針對選用的油砂樣品進行特殊的設定，從而使該構(gòu)建的模擬流程和所選用的物性方法不僅適用于本文所選用的印尼油砂，同樣也適用于其他產(chǎn)地的油砂。同時，對所選用干餾模型的部分程序進行修正，可以滿足各類現(xiàn)有油砂干餾裝置的需要，從而為后期進行與油砂干餾相關的模擬工作提供有利條件。

在此基礎上通過參數(shù)調(diào)整以及添加模型，構(gòu)建包含油砂干餾、燃燒、發(fā)電、供熱等多方面的綜合利用系統(tǒng)，以提高整體效率，減少能源消耗，進而實現(xiàn)油砂資源的最優(yōu)化利用。

4 結(jié) 論

(1)所選基于Aspen Plus 的油砂干餾模型、系統(tǒng)流程、物性參數(shù)以及編寫的Fortran 子程序是正確合理的。

(2)選用C20H28可以較準確的替代印尼油砂油，且由此引起的誤差較小。

(3)模擬過程中的假設條件以及根據(jù)鋁甄實驗數(shù)據(jù)進行的修正過程是合理的，且對模擬結(jié)果的影響控制在合理范圍內(nèi)，同時在該模擬基礎上進行少許的調(diào)整后該模型可用于其他油砂樣品的干餾過程模擬，從而為構(gòu)建基于Aspen Plus的油砂綜合利用系統(tǒng)提供理論根據(jù)。

[1] 李術元，王劍秋，錢家麟.世界油砂資源的研究及開發(fā)利用[J].中外能源，2011，16(5)：10-23.

[2] 單玄龍，車長波，李劍，等.國內(nèi)外油砂資源研究現(xiàn)狀[J].世界地質(zhì)，2007，26(4)：459-464.

[3] 李莉.油砂—種新的替代能源[J].當代石油石化，2005，13(12)：28-30.

[4] 羅滿銀，夏德宏，劉衛(wèi)東，等.油砂熱解特性研究及其在熱法取油系統(tǒng)中應用探討[J].鍋爐制造，2007(1)：73-76.

[5] 孫 楠，張秋民，關 珺，等.扎賚特旗油砂在氮氣氣氛下的熱解制油研究[J].燃料化學學報，2007，35(2)：241-244.

[6] 郭秀英，王擎，姜倩倩，等.印尼油砂熱解特性研究及動力學模型比較[J].東北電力大學學報，2012，32(2)：26-32.

[7] 王益民，曹祖賓，石俊峰，等.哈薩克斯坦油砂干餾實驗研究[J].石油與天然氣化工，2010，39(2)：134-136.

[8] J.V.Fletcher，M.D.Deo，F(xiàn).V.Hanson.Fluidized bed pyrolysis of a uinta basin oil sand[J].Fuel，1995，74(3)：311-316.

[9] F.V.Hanson，S.M.Cha，M.D.Deo，et al.Pyrolysis of oil sand from the whiterocks deposit in a rotary kiln[J].Fuel，1992，71(12)：1455-1463.

[10] 賈春霞.油砂熱解特性及其產(chǎn)物生成機理研究[D].北京：華北電力大學，2014.

[11] 盧紅杰，宋錦玉.基于熱裂解法的印尼油砂性質(zhì)考察[J].科學技術與工程，2012，12(31)：8457-8459.

[12] H.M.Yan，D.K.Zhang.Modeling of a low temperature pyrolysis process using aspen plus[J].Dev.Chem.Eng.Mineral Process，1999，7(5/6)：577-591.

[13] N.V.Dung，R.G.Benito.Modelling of oil shale retorting block using aspen process simulator[J].Fuel，1990，69(9)：1113-1118.

[14] 王擎，張凡志，劉洪鵬，等.油頁巖氣體熱載體干餾過程模擬[J].化工學報，2012，63(2)：612-617.

[15] 柏靜儒，韓冰，李夢迪，等.黑龍江雞西油頁巖綜合利用過程能效分析[J].東北電力大學學報，2015，35(4)：56-61.

[16] 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].中國電機工程學報，2014，34(14)：2228-2234.

[17] 柏靜儒，白章，李少華，等.油頁巖低溫干餾過程的Aspen Plus模擬[J].現(xiàn)代化工，2012，32(3)：85-88.

[18] 柏靜儒，白章，王擎，等.基于 Aspen Plus 的樺甸式油頁巖干餾工藝系統(tǒng)模擬[J].化工學報，2012，63(12)：4075-4081.

[19]柏靜儒，白章，王擎，等.油頁巖固體熱載體綜合利用系統(tǒng)工藝模擬[J].石油學報：石油加工，2014，30(5)：902-908.

[20] F.P.Miknis.Combined N.M.R.and Fischer assay study of oil shale conversion[J].Fuel，1992，71(7)：731-738.

ModelingofRetortingprocessforOilSandUsingAspenPlus

BaiJingru1，WuHaitao1，LiuBin2，XuXiangming2，BaiZhang3

(1.Engineering Research Centre of Oil Shale Ministry of Education,Comprehensive Utilization，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.Fushun Mining Group Co.，ltd.,Fushun Liaoning113001；3.Institute of Engineering and Thermophysis，Chinese Acadermy of Sciences，Beijing 100190)

In this paper，a completed model of retorting process is constructed for oil sand using Aspen Plus software，based on the experimental data of fischer assay，proximate analysis，ultimate analysis，and low calorific value.The parameters of material balance and heat balance analysis in the process of retorting experiment is also necessary for the simulation.A comparison and analysis between the system simulation results and the laboratory data on the oil content，moisture content semi-coke yield and retorting gas yield，is performed.The simulation results and the laboratory data are in reasonable error range，which indicates that the modeling process of this system，and the physical parameters setting，is reasonable.It provides better theoretical foundation and reference value for building the comprehensive utilization of oil sand later，based on Aspen Plus.

Aspen Plus；Simulation；Retorting process；Indonesia oil sand

2016-09-12

吉林省重點科技攻關項目(20140204004SF)

柏靜儒(1973-)，女，博士，教授，主要研究方向：油頁巖綜合利用.

電子郵箱：jlbjr@163.com(柏靜儒)；wuhaitao140829@163.com(吳海濤)；522879799@qq.com(劉斌)；15694131047@163.Com(徐向明)；baizhang0922@gmail.com(白章)

1005-2992(2017)06-0045-05

TE662

A