油頁巖有氧干餾工藝氧化放熱強度測試方法研究

朱曉晴，邢墨童，王子豪，張福群，張建建

工藝與裝備

油頁巖有氧干餾工藝氧化放熱強度測試方法研究

朱曉晴，邢墨童，王子豪，張福群，張建建

（沈陽化工大學 環(huán)境與安全工程學院，遼寧 沈陽 110142）

油頁巖有氧干餾工藝是一種新型的化工技術(shù)，本文在介紹國內(nèi)油頁巖干餾技術(shù)的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了油頁巖有氧干餾工藝技術(shù)的主要研究內(nèi)容，并通過對利用運用紅外線光譜和熱重分析技術(shù)，參考Friedman法、FWO法、KAS法以及活化能隨轉(zhuǎn)化率變化模型對油頁巖有氧干餾工藝氧化放熱強度進行測試分析。

油頁巖；有氧干餾；紅外光譜分析

隨著石油資源的日益稀缺，其使用效率就變得尤為重要，同時世界各國也對此表示了高度重視。傳統(tǒng)油頁巖干餾工藝的加熱爐中的最高溫度一般都超過了1 000 ℃，如此高的溫度對生產(chǎn)設(shè)備的選材以及生產(chǎn)過程造成了很大影響，能耗也很大。油頁巖在有氧情況下自熱干餾的新工藝則可以解決這些問題，即在一定的溫度下通過干餾過程中向干餾爐中通入含氧載氣，利用氧與油頁巖（或其低溫干餾產(chǎn)物）反應(yīng)釋放熱量使系統(tǒng)自熱升溫，將油頁巖中的油母質(zhì)分解，從而彌補了無氧干餾過程中能量的不足。此工藝降低了干餾所需溫度及能耗，可以節(jié)約成本，提高效益，具有很高的研究價值。

1 油頁巖干餾技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 國外油頁巖干餾技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1 油頁巖干餾工藝裝置的研究

從20世紀開始，國外許多國家持續(xù)不斷地研究和開發(fā)油頁巖資源。目前巴西擁有世界上最大的油頁巖干餾爐，該油頁巖干餾爐采用的是氣體熱載體干餾，該工藝特點是單爐爐型相對成熟、加工量大、產(chǎn)油率高、熱值高，同時有半焦中的固定碳沒能得到充分利用的缺點[4]。1921年，愛沙尼亞Kiviter工藝技術(shù)和Petrosix工藝一樣采用的是氣體熱載體干餾技術(shù)，并建立了世界上首套實驗型干餾裝置，在1924年創(chuàng)立了全球第一個生產(chǎn)頁巖油的工廠，此項工藝相對于氣體熱載體干餾技術(shù)來說優(yōu)點是產(chǎn)油率相對較高，但是設(shè)備相對復(fù)雜，維修運行成本也相對較高。1970年澳大利亞研發(fā)的ATP技術(shù)，由于油砂的高溫熱解[5]，其最初的開發(fā)目的是使該技術(shù)提高回收率，其組分回收率高達98%。20世紀中葉，俄羅斯能源研究所研究出回轉(zhuǎn)式固體熱載體干餾爐，此工藝以熱頁巖灰用作固體熱載體，與油頁巖在干餾爐中混合進行干餾。2008年，Eesti Energia公司與Out-otec公司聯(lián)合開發(fā)了Enefit-280工藝，此工藝使循環(huán)流化床技術(shù)與Galoter技術(shù)相結(jié)合。新工藝中油頁巖的顆粒和熱巖灰的組合類似于傳統(tǒng)的Galoter工藝，循環(huán)氣可以使油頁巖的顆粒與熱巖灰混合形成的混合物流化，油頁巖的熱解[2]反應(yīng)在鼓式干餾爐中進行，并在半焦分離室中結(jié)束。

1.1.2 熱分析法用于油頁巖的研究

D Johnson、K.Nguyen等人分別研究了油頁巖燃燒速率與其顆粒直徑的大小、空氣流量等的關(guān)系，分析油頁巖熱解時的性質(zhì)。Sohn利用熱分析法分析了油頁巖有氧干餾后的半焦和氧氣之間的反應(yīng)動力學。Adam.J.Berkovich等[3]用差熱掃描儀分析了澳洲油頁巖的比熱容和物化特性。Lee和Sohn等人提出了一種數(shù)學模型，專門對美國綠河油頁巖的著火過程進行模擬。Kok等用差熱熱重儀研究了油頁巖有氧條件下的燃燒過程，對燃燒動力學的各種說法和解釋的精確性進行了比對分析，得到了油頁巖燃燒動力學的各種參數(shù)，并編制了全世界通用的計算程序。W.Smith等研究了油頁巖點火能、在空氣中的傳熱速度以及膨脹等問題，在混合氣體中，氧氣的含量較低的情況下，油頁巖熱解時的熱重曲線一般會顯出兩個不同峰，其中一個峰的值大約為440 ℃，另一個是560 ℃。研究表明，第一個峰是放熱峰，主要是有機質(zhì)的燃燒，而另一個是半焦燃燒所導(dǎo)致的。

1.2 國內(nèi)的油頁巖干餾技術(shù)的應(yīng)用

目前我國現(xiàn)在可利用的頁巖油量約476億t，相當于全國可用石油資源量的62%。油頁巖干餾技術(shù)已受到國家的重視，并列入新能源創(chuàng)新行動計劃中。中國目前最為廣泛實用的干餾技術(shù)為撫順式爐，它的特點：要求干餾原料粒度大，利用循環(huán)煤氣作為熱載體，采油率較低，但是生產(chǎn)設(shè)備操作簡單，維修成本低，生產(chǎn)規(guī)模大，運行成本費用小。

王廷芬針對中國撫順市、黃縣、美國科羅拉多、茂名等地區(qū)的油頁巖的樣品的燃燒性能進行研究。采用積分法計算出反應(yīng)的燃燒性能和參數(shù)，求出兩個連續(xù)的一級反應(yīng)動力學的公式。最終得出撫順油頁巖在其中的反應(yīng)速率最低，而科羅拉多的反應(yīng)速率最高。劉柏謙通過對吉林樺甸油頁巖顆?；咎匦缘难芯?，得出了樺甸油頁巖的伸長度、扁平度和球形分布度，并用相似分型維數(shù)對樺甸油頁巖的伸長度、扁平度和球形分布度進行了分型描述，這一研究成果對油頁巖流化床鍋爐設(shè)計在球形度分型應(yīng)用范圍內(nèi)有非常大的指導(dǎo)意義；另外，劉柏謙還對樺甸油頁巖進行了TG、DTA與DTG分析，根據(jù)分析結(jié)果，溫度在350~550 ℃之間是樺甸油頁巖揮發(fā)分的主要析出區(qū)間，而樺甸油頁巖的主要放熱區(qū)間是溫度處于600~850 ℃之間。

李術(shù)元和錢家麟[5]對茂名油頁巖、撫順油頁巖、大同煤和黃縣褐煤分別進行了熱重熱差儀燃燒實驗，在實驗中發(fā)現(xiàn)樣品的顆粒大小、種類、表面氧化程度以及完全燃燒的終溫等因素的改變，在一定程度上會影響到其燃燒過程。實驗結(jié)果表明，在相差只有5 min的時間里，煤的燃燒轉(zhuǎn)化率僅僅是45%~60%，而同樣條件下油頁巖的轉(zhuǎn)化率則可高達90%以上。其值與煤的揮發(fā)分分析值基本相同。林民應(yīng)用紅外分析儀和聯(lián)合熱分析儀對茂名油頁巖、撫順油頁巖與約旦王國油頁巖3種油頁巖進行了實驗，得到了3種油頁巖的半焦和燃點，并將3種油頁巖的半焦和燃點數(shù)據(jù)通過計算機進行處理。根據(jù)實驗的結(jié)果，當油頁巖中有機碳含量增大時燃點減小，當量孔徑降低時燃點增大，空隙率增大時燃點降低。于海龍和姜秀民為了測定最適合油頁巖燃燒的條件，對樺甸油頁巖進行了燃燒特性實驗，實驗中通過改變?nèi)紵龡l件（溫度及升溫速率），測量出不同條件下油頁巖的燃燒特性曲線，最終測定了最適合油頁巖燃燒的溫度區(qū)間數(shù)值。

2 油頁巖有氧干餾工藝氧化放熱強度主要研究內(nèi)容

本論文計劃以樺甸公郎頭礦區(qū)油頁巖為原料，通過自制干餾裝置進行有氧干餾，運用紅外線光譜分析技術(shù)對各種不同氧化溫度油頁巖半焦中各官能團、脂肪族及芳香族主要基團的變化規(guī)律進行研究，以此來定量分析隨著溫度的升高，有氧干餾工藝的氧化時間及溫度的變化過程，推測油頁巖有氧干餾過程中氧化放熱的一般規(guī)律。同時對油頁巖有氧狀態(tài)下進行熱重分析，參考Friedman法、FWO法、KAS法以及活化能隨轉(zhuǎn)化率變化模型對所得熱重數(shù)據(jù)進行處理，求得了各組指前因子和活化能。

3 結(jié) 論

干餾工藝過程雖存在爆炸和燃燒的潛在危險性，但是只要合理地調(diào)節(jié)氧氣的進量、控制升溫速度，就會大大降低工藝流程的危險性。這為合理地選擇含氧載氣干餾加熱工藝溫度，確定安全的含氧量提供了理論依據(jù)。油頁巖有氧干餾工藝減少燃料的投資成本，降低了油頁巖的加入溫度；有效減少了由于輸送過程中造成的熱量損失，能源的利用率明顯提高，減小了對環(huán)境的危害；干餾過程中利用空氣作為氧化劑，降低了投資成本；油頁巖可以自供熱，提高產(chǎn)品利用率。

［1］張建建，張福群，韓佳彤.油頁巖熱解特性的研究[J].遼寧化工，2019，48（8）：757-759.

［2］周潔瓊，張麗，吳啟成，等.油頁巖含氧低溫載氣干餾過程實驗[J].化工進展，2012，32（6）：1238-1243.

［3］Tayel EI-Hasan, Wojciech Szczerba. Cr(VI) / Cr(I) and As(V) / A(II) Ratio Assessments in Jordanian Spent Oil Shale Produced by Aerobic Combustin and Anaerobic Pyrolysis,2011,45：9779-9805.

［4］Koel M, Ljovin S, Hollis K, Rubin J. Using neoteric solvents in oil shale studies[J]., 2001,73（1）：153-9.

［5］李術(shù)元，錢家麟.煤和油頁巖燃燒過程的對比[J].燃料化學學報，1992，20（4）：400-403.

［6］郭崇濤.煤化學[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，1992.

［7］蔡正千.熱分析[M]. 北京：高等教育出版社，1993.

Study on Test Method of Oxidizing Heat Release Strength of Oil Shale in Aerobic Retorting Process

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（School of Environmental and Safety Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Liaoning Shenyang 110142, China）

Shale aerobic retorting process is a new type of chemical technology. In this paper, domestic research statusof the oil shale retorting technology was introduced, and main research contents of the oil shale aerobic retorting technology were proposed. Through the use of infrared spectroscopy and thermogravimetric analysis technology, referring to Friedman method, FWO method, KAS method and the model of activation energy change with conversion rate,the oxidation exothermal intensity of shale aerobic retorting process was tested and analyzed.

oil shale; aerobic retorting; infrared spectroscopy

“2019 年遼寧省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”資助項目，項目號：201910149004。

2019-12-12

朱曉晴（1998-），女，廣東省惠州市人。

張福群（1973-），男，副教授，博士研究生，研究方向：化工安全。

TE662.3

A

1004-0935（2020）03-0287-03