油頁巖流化干餾物料流態(tài)化試驗

李國智，張振千，王松江

（中國石化煉化工程（集團）洛陽技術(shù)研發(fā)中心（SEGR），河南洛陽 471003）

近幾年隨著國際原油價格大幅下跌后的持續(xù)走高，世界各國都在積極尋找石油替代能源，油頁巖的研究開發(fā)利用有所回暖，利用油頁巖干餾技術(shù)生產(chǎn)頁巖油成為重要的途徑之一。目前，我國油頁巖干餾技術(shù)理論研究與工藝試驗工作已取得長足進展[1-7]。

油頁巖經(jīng)加熱（500℃左右）干餾后，所含油母分解生成頁巖油、干餾氣和頁巖半焦；頁巖油可直接作為燃料油，亦可進一步加工生產(chǎn)汽、柴油等車用燃料，我國油頁巖含油量（鋁甄法）大致在5%～16%。油頁巖流化干餾是將油頁巖粉原料與高溫的固體熱載體（頁巖灰）在流化狀態(tài)下直接接觸，在480℃～520℃下進行干餾反應(yīng)。由于反應(yīng)物料—頁巖粉與熱載體粒徑小、混合均勻、接觸表面積大，可以使油頁巖原料快速加熱、油母快速分解，收油率高[8-10]。

油頁巖在加工生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量粉末狀顆粒（粒徑0～3 mm），對于該種物料適合采用流化干餾工藝進行加工處理。在油頁巖流化干餾技術(shù)中，流化過程所涉及到的油頁巖物料（頁巖粉、頁巖灰和半焦）具有非球形、寬篩分（顆粒粒徑 dp=0～3 000 μm）、非正態(tài)分布（dp＞150 μm 和 dp＜40 μm 的顆粒占 60%～90%，40 μm＜dp＜150 μm 的顆粒僅占 20%左右）等特點[11-15]。因此，油頁巖物料的流態(tài)化與通常FCC催化劑細粉流態(tài)化有很大的區(qū)別，相關(guān)研究甚少。本研究采用黑龍江依蘭油頁巖流化干餾物料，主要研究頁巖粉、半焦和熱載體（頁巖灰）三種物料的起始流化、顆粒夾帶、流化床內(nèi)軸向密度分布規(guī)律。

1 試驗裝置與流程、操作參數(shù)及測試方法

1.1 試驗裝置與流程、操作參數(shù)

1.1.1 試驗裝置及流程 流化床冷模試驗裝置（見圖1）。試驗裝置總高6 900 mm，流化床直徑為φ800×10/φ400×10/φ300×10 mm。從風(fēng)機來的壓縮空氣經(jīng)過緩沖罐后，由轉(zhuǎn)子流量計計量，分別送入主床和副床的流化風(fēng)分布環(huán)。副床中固體顆粒由其底部流化風(fēng)流化，經(jīng)循環(huán)管進入主床底部，在其底部流化風(fēng)和主風(fēng)的作用下，固體顆粒從床底部向上運動，經(jīng)升氣管進入沉降器內(nèi)，在快分裝置的作用下進行分離，大部分顆粒返回副床，沉降器稀相的氣固混合物再經(jīng)過頂部的一級和二級旋風(fēng)分離器進行分離回收，并沿旋風(fēng)料腿進入副床，氣體則經(jīng)過布袋除塵器除塵后排入大氣。

1.1.2 試驗介質(zhì)與條件 試驗所用物料分別為頁巖粉、半焦和熱載體（頁巖灰），試驗物料的物性數(shù)據(jù)（見表1、表2），油頁巖鋁甑分析（見表4），頁巖灰組成（見表5）。試驗中流化介質(zhì)為常溫下的空氣。φ100 mm提升管中物料循環(huán)強度 Ws=360 kg/m2·s～480 kg/m2·s。

表1 油頁巖物料物理性質(zhì)

表2 油頁巖物料篩分組成

表2 油頁巖物料篩分組成（續(xù)表）

表3 試驗后床層不同部位頁巖粉篩分組成

表4 油頁巖鋁甑分析（質(zhì)量分數(shù)）及熱值

表5 頁巖灰分及組成

1.2 測點分布及測試方法

在床層軸向上共設(shè)置了多個密度和壓力測量點，測點間距為0.4 m～0.6 m。表觀氣速用轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)并測量；催化劑循環(huán)量采用容積法標定；系統(tǒng)壓力和軸向密度分布采用FXC-Ⅱ/30型壓力巡檢儀測定。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 起始流化速度測試

起始流化速度Umf是通過測定當床層表觀氣速Ug由小到大時，物料床層壓降的變化來確定的。在φ300 mm床層內(nèi)裝填一定高度的物料，通過玻璃轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)進入床層內(nèi)氣體流量的大小，同時記錄床層壓降的變化，根據(jù)床層壓降隨床層表觀氣速的變化情況確定物料的Umf。試驗結(jié)果（見圖2）。可見，隨床層Ug的增大，床層壓降隨之增大，床層膨脹高度隨之增加，且床層內(nèi)沒有氣泡出現(xiàn)，當Ug繼續(xù)增大時，床層壓降開始下降并且床層界面開始有氣泡鼓出，床層壓降隨Ug的增大繼續(xù)增大。當床層開始鼓泡后，床層壓降開始下降至較低點。隨后，隨著Ug的進一步增大，小顆粒開始向床層上部移動，床層顆粒分布出現(xiàn)分級現(xiàn)象。床層下部顆粒粒徑相對較大，床層上部顆粒粒徑相對較?。ㄒ姳?），從而造成床層壓降進一步增大。由于油頁巖物料顆粒粒徑分布獨有的特點，在試驗過程中，床層內(nèi)很容易出現(xiàn)大顆粒架橋?qū)е戮植繙狭?，而且?jīng)過一次試驗后，就會出現(xiàn)床層顆粒分布的離析分層現(xiàn)象，需要對床層內(nèi)物料進行重新混合裝填后再進行試驗。

圖2 油頁巖物料起始流化速度

通過多次的重復(fù)試驗，得到頁巖粉的Umf≈0.043 m/s，頁巖灰的起始流化速度Umf≈0.040 m/s，半焦的起始流化速度 Umf≈0.032 m/s。

2.2 油頁巖物料的流態(tài)化及夾帶速度

在φ300 mm流化床層內(nèi)，床層壓降隨表觀氣速的變化（見圖3）?？梢?，當床層Ug＞Umf以后，床層壓降隨Ug的增大略有增大，但增加的幅度較小。由于該物料粒徑分布所具有的特點，使得在其流化過程中小顆粒在相對較小的氣速下就能流化，而大顆粒的架橋作用明顯，導(dǎo)致床層內(nèi)極易形成溝流和偏流現(xiàn)象。隨著Ug的增大，床層內(nèi)湍流加劇，床層內(nèi)的溝流和偏流現(xiàn)象隨著減弱并消失，床層壓降基本維持不變。當頁巖粉Ug＞0.5 m/s（頁巖灰 Ug＞0.4 m/s，半焦 Ug＞0.3 m/s）后，床層界面上部出現(xiàn)少量細粉被夾帶起來；隨著Ug的繼續(xù)增大，被夾帶起來的細粉量也增大，當頁巖粉和頁巖灰Ug=0.7 m/s（半焦Ug=0.55 m/s）時，床層內(nèi)有大量的細粉被夾帶起來，床層壓降出現(xiàn)明顯下降，床層料位也隨之降低。部分細粉被夾帶出φ300 mm床層，床層內(nèi)物料粒徑分布有了新的變化，床層下部顆粒粒徑相對較大（見表3），床層內(nèi)發(fā)生部分離析分層，床層壓降下降至最低后開始回升。當頁巖粉Ug=1.2 m/s（頁巖灰Ug=1.0 m/s）時，壓降也升至一個較大值，再隨著Ug的增大，床層壓降又開始下降，在頁巖粉Ug=1.5 m/s（頁巖灰Ug≥1.2 m/s）后，床層內(nèi)細物料夾帶基本停止。當頁巖粉Ug＞1.0 m/s（頁巖灰 Ug＞0.8 m/s，半焦 Ug＞0.7 m/s）時，床層內(nèi)小顆粒數(shù)量明顯下降，床層內(nèi)氣泡直徑也隨之變大，最大達到床層直徑，床層內(nèi)出現(xiàn)節(jié)涌現(xiàn)象，隨著床層內(nèi)小顆粒數(shù)量的減少，床層內(nèi)流化質(zhì)量變得更差，床層壓降波動也變得更大。分析試驗結(jié)果，得到頁巖粉和頁巖灰物料中小顆粒的帶出速度Ut≈0.7 m/s，半焦物料小顆粒的Ut≈0.55 m/s。

圖3 油頁巖物料的床層壓降（φ300 mm床）

2.3 油頁巖物料的床層密度

頁巖粉物料在φ300 mm床層內(nèi)，床層軸向密度隨Ug的變化（見圖4）?？梢姡矊用芏入SUg的增大而減小，當Ug≥0.7 m/s時，床層內(nèi)有較大量的細粉被夾帶起來，床層軸向密度出現(xiàn)明顯下降，尤其是床層底部和上部軸向密度下降明顯，床層中部軸向密度略有增加，造成這樣結(jié)果的原因是由于底部細小顆粒被夾帶至中上部，上部細小顆粒被氣體夾帶出床層，經(jīng)φ300 mm床頂部升氣管進入沉降器后，返回φ400 mm床層內(nèi)，相對于床層上部和下部，中部軸向密度基本沒有明顯變化。隨著Ug的增大和部分細粉被夾帶出φ300 mm床，床層內(nèi)物料粒徑分布有了新的變化，床層下部顆粒粒徑相對較大，在較大的Ug條件下溝流和偏流現(xiàn)象消失；當Ug≥1.2 m/s后，床層軸向密度明顯下降，但床層底部軸向密度變化不大。在床層軸向方向上，隨床層高度的增加床層密度降低。當Ug≥1.5 m/s時，對床層內(nèi)上、中、下部物料粒徑篩分分布進行了采樣分析，結(jié)果（見表3）?？梢姡矊由喜縟p＞110 μm的顆粒占60%以上，床層中部dp＞150 μm的顆粒占70%以上，床層下部dp＞500 μm的顆粒占80%以上，與開始裝入床層內(nèi)的頁巖粉物料相比，粒徑小于100 μm顆?；旧隙急粴怏w夾帶出了床層。

圖4 頁巖粉流化床的床層密度（φ300 mm床）

頁巖灰床層軸向密度隨表觀氣速Ug的變化（見圖5）。可見，當Ug＜0.7 m/s時，床層密度隨Ug的增大而略有減小，床層軸向密度變化較小。當Ug≥0.7 m/s時，床層內(nèi)有較大量的細粉被夾帶起來，床層軸向密度出現(xiàn)明顯下降，而床層底部密度有所增加，這主要是由于底部大顆粒局部架橋造成的溝流和偏流較嚴重。與頁巖粉相比，頁巖灰平均顆粒粒徑和密度較小，物料中小顆粒含量較大，這些都是有利于提高流化質(zhì)量的因素，也說明在寬篩分分布的物料中，一定量的小顆粒粒子可以改善流化質(zhì)量。

圖5 頁巖灰流化床的床層密度（φ300 mm床）

半焦床層軸向密度隨表觀氣速Ug的變化（見圖6）。在Ug=0.1 m/s～0.7 m/s范圍內(nèi)，床層密度隨Ug的增大而減小，隨著床層高度的增加，床層密度降低。當Ug≥0.7 m/s后，床層細粉被大量夾帶出床層，床層料位高度急劇下降，需要大量補充物料才能維持床層高度。

圖6 半焦流化床的床層密度（φ300 mm床）

2.4 床層直徑對油頁巖物料流態(tài)化的影響

為了考察流化床床層直徑對油頁巖物料流化情況的影響，在φ400 mm床層內(nèi)研究了床層壓降和軸向密度隨Ug的變化情況。以半焦顆粒為例，試驗結(jié)果對比（見圖 7、圖 8）。結(jié)果表明，當 Ug＜0.35 m/s時，φ300 mm床層壓降相對較大，而φ400 mm床層因溝流和偏流現(xiàn)象較φ300 mm床層嚴重，其壓降較低；當Ug＞0.55 m/s后，φ300 mm床層壓降明顯下降（部分顆粒已被夾帶出床層），而φ400 mm床層壓降變化不大（顆粒未被夾帶走）。兩床層中部的軸向密度變化不盡相同；當Ug＜0.5 m/s時，兩床層密度均隨Ug的升高而下降，φ400 mm 床層密度較高；當 0.5 m/s＜Ug＜0.6 m/s時，兩床層密度基本一致；當Ug≥0.6 m/s時，床層密度的變化趨勢因各床層小顆粒被夾帶的情況不同而各異。可見，流化床直徑對油頁巖物料的影響是比較顯著的。

圖7 半焦流化床的床層壓降

圖8 半焦流化床的床層密度

3 結(jié)論

通過對油頁巖三種物料的流態(tài)化特性試驗研究，初步得到如下結(jié)論：

（1）油頁巖物料的起始流化速度Umf：頁巖粉約為0.043 m/s，頁巖灰約為 0.04 m/s，半焦約為 0.032 m/s；

（2）油頁巖物料的顆粒帶出速度Ut：頁巖粉和頁巖灰約為0.7 m/s，半焦約為0.55 m/s；

（3）當床層表觀氣速 Ug=0.1 m/s～0.7 m/s時，油頁巖物料在流化過程中出現(xiàn)床層的局部顆粒離析分層，極易出現(xiàn)床層的溝流和大顆粒架橋現(xiàn)象。床層密度沿床層高度有所降低，床層密相密度為800 kg/m3～350 kg/m3；

（4）油頁巖物料具有非球形、寬篩分、非正態(tài)分布等特點，在流化過程中與通常的FCC細粉流態(tài)化有很大區(qū)別。物料中大顆粒（dp＞150 μm）含量多，流化困難，容易造成床層溝流和架橋、氣體短路而導(dǎo)致流化極不均勻。因此，尚需深入進行油頁巖物料流態(tài)化工程技術(shù)研究，如物料輸送、床層的稀相夾帶及分離高度（TDH）的研究、物料回收設(shè)備及效率的研究等。

全球首個電驅(qū)壓裂成套裝備及頁巖氣開發(fā)解決方案發(fā)布

4月20日，煙臺杰瑞石油服務(wù)集團股份有限公司（以下簡稱杰瑞）在山東煙臺隆重舉辦了“無限電驅(qū)、無限未來”杰瑞頁巖氣開發(fā)解決方案新品發(fā)布會，并成功實現(xiàn)了全套電驅(qū)壓裂裝備的現(xiàn)場啟機聯(lián)動。

據(jù)悉，這是全球首個電驅(qū)壓裂成套裝備，它的出現(xiàn)將大大提升我國頁巖氣開發(fā)進程，讓低成本、高效率、智能化的頁巖氣開發(fā)成為可能。

頁巖氣是從頁巖層中開采出來的天然氣,是一種清潔、高效的能源資源和化工原料，具有很高的工業(yè)經(jīng)濟價值。中國頁巖氣資源潛力巨大，目前已探明儲量位居全球第一，達21.8萬億立方米。

中國頁巖氣開采多位于川渝地區(qū)，道路崎嶇，埋藏深度深，由于特殊的儲藏位置，我國頁巖氣開發(fā)難度大，且開發(fā)周期長、成本高、經(jīng)濟性低，能否降低頁巖氣開發(fā)成本、提升經(jīng)濟性，是實現(xiàn)中國頁巖氣大開發(fā)的關(guān)鍵所在。

杰瑞集團執(zhí)行副總裁、杰瑞裝備集團董事長李志勇表示：“與國際大公司相比，我們更熟悉中國國情、了解中國開發(fā)環(huán)境，同時又具備將美國頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗進行本土化移植的能力。此次發(fā)布的成套裝備及解決方案包含了電驅(qū)壓裂設(shè)備、電驅(qū)混砂設(shè)備、電驅(qū)混配設(shè)備、智能免破袋連續(xù)輸砂裝置、供電解決方案、大通徑管匯解決方案。通過該套電驅(qū)壓裂成套裝備能夠大幅降低頁巖氣的開發(fā)成本，提升頁巖氣開采效率?！?/p>

參與杰瑞電驅(qū)壓裂成套裝備技術(shù)評審會的中國工程院蘇義腦院士表示：“杰瑞頁巖氣開發(fā)成套電驅(qū)壓裂解決方案的發(fā)布，是對目前我國頁巖油氣開發(fā)技術(shù)的推動，這一套功率密度高、體積小、模塊化、成本低、占地面積小、就地供電、可減少環(huán)境污染的壓裂作業(yè)裝備及技術(shù)，是對目前傳統(tǒng)頁巖氣壓裂方案的一次突破。相信隨著本次解決方案及成套產(chǎn)品的后續(xù)推廣及應(yīng)用，將有效推進我國非常規(guī)能源特別是頁巖氣在復(fù)雜地理環(huán)境下的大規(guī)模開采利用，對于進一步減少對國外能源裝備依賴有著十分重要的意義?！?/p>

作為全球領(lǐng)先的油田增產(chǎn)完井設(shè)備制造商，杰瑞幾乎參與、見證了中國頁巖氣商業(yè)化開發(fā)的每一步：中國第一口頁巖氣井的開發(fā)、中國首次頁巖氣“工廠化”作業(yè)、中國首次四井同步拉鏈式壓裂作業(yè)、中國首家提供頁巖氣壓裂返排水處理服務(wù)、承建中國首座頁巖氣液化工廠的建設(shè)等。同時，杰瑞也是目前為止唯一向北美提供全套頁巖氣壓裂裝備的供應(yīng)商。

杰瑞集團高級副總裁李慧濤表示：“未來杰瑞集團堅持多元化、多板塊共同發(fā)展策略，堅持通過技術(shù)創(chuàng)新提升產(chǎn)品核心競爭力，不斷提高海外銷售市場份額占比，堅持走國際化道路，積極探索海外裝備制造模式和發(fā)展方向。”

（摘自中國石油報第7329期）