油頁巖干燥工藝的探究

劉爽

摘要：油頁巖從礦藏開采出來后，大都含有一定的水分，一般在5%～35%之間。正是由于油頁巖中含有水分，因此在油頁巖干餾的初期，必然先經(jīng)過一個(gè)干燥脫水的過程。將油頁巖干燥這一過程獨(dú)立出來，作為一個(gè)獨(dú)立單元，并以樺甸油頁巖干餾工藝為例來研究。并認(rèn)為干燥系統(tǒng)對(duì)于節(jié)約能源，降低系統(tǒng)負(fù)荷，提高頁巖油收率和干餾效率，減少污水量都是有利的。

關(guān)鍵詞：油頁巖;干燥;干餾工藝

前言

干燥技術(shù)的應(yīng)用，在我國具有十分悠久的歷史。文明于世紀(jì)的造紙術(shù)，就顯示了干燥技術(shù)的應(yīng)用?！短旃ら_物》一書中描述了人工加熱干燥的過程，總結(jié)了我國勞動(dòng)人民的干燥實(shí)踐，反映了我國古代勞動(dòng)人民的高度智慧。

在20世紀(jì)50年代，我國將干燥技術(shù)引入油頁巖煉油行業(yè)，但是由于受當(dāng)時(shí)的技術(shù)和歷史環(huán)境等的制約，并未得到較大的發(fā)展。2007年12月，吉林成大弘晟能源有限公司成立，首次將先進(jìn)的折返干燥技術(shù)應(yīng)用于油頁巖煉油行業(yè)，從而將油頁巖干燥技術(shù)推上一個(gè)新的高度。

但是最近一段時(shí)間，有些專家對(duì)油頁巖的干燥技術(shù)提出了不同的看法，認(rèn)為油頁巖干燥的弊大于利。本文就可干燥技術(shù)在油頁巖干餾工藝中所起的作用進(jìn)行深入的分析。

一、油頁巖干燥現(xiàn)象

油頁巖從礦藏開采出來后，大都含有一定的水分，含水的高低與地理?xiàng)l件有關(guān)，一般在5%～35%之間。油頁巖的含水有兩部分，一部分是表面水，是被油頁巖吸附的水分，在被加熱的過程中能蒸發(fā)過來;另一部分是結(jié)晶水，又稱內(nèi)部水，存在于油頁巖物質(zhì)的內(nèi)部，通過一般的加熱方式是不能分離出來的。油頁巖含水高，對(duì)其加工是不利的。

正是由于油頁巖中含有水分，因此在油頁巖干餾的初期，必然先經(jīng)過一個(gè)干燥脫水的過程。國內(nèi)傳統(tǒng)的干餾工藝將油頁巖干燥、油頁巖升溫、油頁巖干餾三個(gè)過程都合并在干餾爐中進(jìn)行。

本文所說的頁巖干燥技術(shù)是將油頁巖干燥這一過程獨(dú)立出來，作為一個(gè)獨(dú)立單元，采用箱式干燥器、氣流干燥器、轉(zhuǎn)筒干燥器等干燥設(shè)備對(duì)油頁巖進(jìn)行干燥。

二、油頁巖干燥設(shè)備

目前，國際上油頁巖干燥所用的干燥設(shè)備主要有兩類：轉(zhuǎn)筒干燥器和流化床干燥機(jī)。如：加拿大ATP干餾技術(shù)就采用轉(zhuǎn)筒干燥器。

轉(zhuǎn)筒干燥器，回轉(zhuǎn)圓筒干燥機(jī)由低速旋轉(zhuǎn)的傾斜圓筒（筒內(nèi)壁安裝有反動(dòng)物料的各式抄板）及燃燒爐、加料器、旋風(fēng)分離器等主要設(shè)備。其工藝流程圖如2-1所示。回轉(zhuǎn)圓筒干燥機(jī)技術(shù)成熟，但是體積龐大、占地面積大，特別是進(jìn)口風(fēng)溫高損失油頁巖的揮發(fā)分，進(jìn)口風(fēng)溫低緩熱效率低，設(shè)備體積進(jìn)一步加大。而且物料在干燥機(jī)內(nèi)被抄板不停的揚(yáng)起、灑落，物料的力度受到很大的破壞。

流化床干燥機(jī)，流化床干燥器又名沸騰床干燥器，其裝置流程圖如圖2-2所示。沸騰床干燥機(jī)是以臨界氣流將物料吹成懸浮狀，適用于比重比較輕、粒度小而均勻的物料干燥，不適用于大量混合粒度物料的干燥。沸騰床的氣流速度受到上限與下限的限制。

樺甸油頁巖綜合開發(fā)利用項(xiàng)目另辟蹊徑，采用箱式結(jié)構(gòu)的振動(dòng)混流干燥器，結(jié)構(gòu)圖如2-3所示。振動(dòng)折返干燥機(jī)靠機(jī)械振動(dòng)將濕物料分散、疏松，使氣流均勻通過料層，降低了氣流穿越物料的阻力，提高物料與氣流的接觸面積與接觸時(shí)間，適用于各種比重且粒度不均勻的物料干燥。

振動(dòng)折返干燥機(jī)的振動(dòng)床多層布置，層高較低，提高了干燥機(jī)的容積產(chǎn)量。振動(dòng)折返干燥機(jī)的氣流速度不受限制，出口氣流在頂層振動(dòng)床上濕物料的過濾作用下，只帶走極少的細(xì)物料，大部分物料從下部排出，占地面積小，熱效率高。用于比重大、顆粒不均，且需大批量連續(xù)生產(chǎn)的混合物料的干燥。

圖中1. 物料入口，2. 熱煙氣出口，3. 干燥振動(dòng)床，4. 振動(dòng)電機(jī)，5. 熱煙氣進(jìn)口，6. 物料出口，7. 出料皮帶機(jī)，8. 振動(dòng)折返預(yù)熱干燥機(jī)，9. 上料皮帶機(jī)。

三、油頁巖干燥的作用

3.1? 節(jié)約能源

在干餾工藝中，一般干燥系統(tǒng)的熱源主要來自于系統(tǒng)廢熱，如加熱爐煙氣的余熱，干餾爐廢渣的余熱等。

在樺甸式干餾工藝中，油頁巖先用加熱爐排除的煙氣進(jìn)行預(yù)熱和干燥，這部分回收的熱量等于干餾爐減少的熱量能耗。

下面以樺甸工藝為例計(jì)算，干燥過程回收的熱量：

1）設(shè)計(jì)基本參數(shù)：

被干燥的物料：油頁巖

濕物料含水率X0：? 9.19%（濕基）

干品含水率? X1：? ?4.6%（濕基）

處理量Q： 80t/h

物料進(jìn)口溫度tW0 ：? 10℃

2）干燥工藝參數(shù)：

物料降水 ： 9.19%→4.6%

進(jìn)口風(fēng)溫t11 ：255℃

出口風(fēng)溫t12 ：105℃

物料出口溫度tW1 ： 50℃

3）干燥所需熱量計(jì)算：

絕干物料量Md：Md=Q×（1-X0）=80000×（1-9.19%）=72648（kg/h）

水分蒸發(fā)量Δw1：

干燥所需熱量Q總

水的蒸發(fā)潛熱λ1? ? ? 526kcal/kg

物料平均比熱C頁巖? ? 0.25kcal/kg·℃

q=水分蒸發(fā)熱量+物料升溫

=Δw1 （C水Δt水+λ1+ C水蒸氣Δt水蒸氣）+C頁巖×Md×（TW1- TW0）

由以上計(jì)算可知，干燥80t油頁巖去除其50%并將其由10℃升溫到50℃所需要的熱量是354.5×104 kcal，一天需要8508×104 kcal。折合成標(biāo)準(zhǔn)煤為15.5噸，年可節(jié)省5580噸。按設(shè)計(jì)，樺甸干餾廠共有五臺(tái)這樣的干燥爐，年節(jié)約標(biāo)煤2.8萬噸。另外加熱爐的煙氣若不回收利用，這部分煙氣作為尾氣排放到大氣中去了，既浪費(fèi)了能源，也給環(huán)境帶來了污染。

3.2? 降低加熱爐負(fù)荷

在油頁巖半循環(huán)半氣燃干餾工藝中，干餾爐干餾的熱量一部分來源于加熱爐的循環(huán)瓦斯，一部分來源于干餾爐內(nèi)燃的氣燃瓦斯。在油頁巖全循環(huán)工藝中，干餾爐干餾的熱量全部來源于加熱爐的熱循環(huán)瓦斯。無論是采用何種干餾工藝，加熱爐都需要向干餾爐提供熱循環(huán)瓦斯。若系統(tǒng)中采用了油頁巖干燥工藝，則干餾爐需要的熱量降低，需要加熱爐提供的循環(huán)瓦斯量也隨之降低。

下面以樺甸工藝為例，對(duì)比采用干燥工藝與不采用干燥時(shí)干餾每噸油頁巖所用的瓦斯量。根據(jù)樺甸油頁巖的含水情況，分別做了如下計(jì)算。分別對(duì)油頁巖含水9.19%、去掉5%的水分所需要的冷、熱瓦斯量的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下表3-1所示。

1 冷循環(huán)瓦斯 129.66 4367.03 135.90 4577.22

2 熱循環(huán)瓦斯 801.32 236149.07 725.16 213705.88

小計(jì) 930.98 240516.1 861.06 218283.1

未經(jīng)過干燥的油頁巖每：干餾量80t/h時(shí)，瓦斯的消耗量為：

M未干燥=930.98×80=74478.4（kg）

Q未干燥=240516.1×80=1925×104（kcal）

而經(jīng)過干燥的油頁巖每：干燥后去除5t的水，則干餾爐的處理量變?yōu)?5t/h時(shí)，瓦斯的消耗量為：

M未干燥=861.06×75=64579.5（kg）

Q干燥=218283.1×75=1746.3×104（kcal）

以上數(shù)據(jù)表明，油頁巖經(jīng)干燥后再干餾所用的熱量是未干燥前所用熱量的90%，即加熱爐所供熱量節(jié)省10%。

因此，采用干燥工藝，可以減少加熱爐的負(fù)荷，減少建設(shè)成本，也減少運(yùn)行成本。

3.3? 降低回收系統(tǒng)負(fù)荷

在油頁巖干餾工藝中，進(jìn)入到回收系統(tǒng)的瓦斯氣主要包括三部分熱循環(huán)瓦斯、冷循環(huán)瓦斯（或氣燃瓦斯）和自產(chǎn)干餾瓦斯，由于采用油頁巖干燥裝置，系統(tǒng)的熱循環(huán)瓦斯量降低，因此進(jìn)入到回收系統(tǒng)的瓦斯量隨之降低。此外，下面以樺甸干餾工藝為例進(jìn)行說明：

由上表可以看出油頁巖經(jīng)干燥50%的水分后，干餾爐產(chǎn)生的氣體總體積為112277.58 Nm3，未經(jīng)干燥就進(jìn)干餾爐干餾的油頁巖，干餾后產(chǎn)生的氣體的總體積為142502.694 Nm3，即經(jīng)過干燥后的油頁巖產(chǎn)生的氣體是未干燥的油頁巖產(chǎn)生氣體的84%。這就使頁巖油回收系統(tǒng)的管道、設(shè)備減少了16%的處理量。不僅減少了設(shè)備投資，也減少了正常運(yùn)行時(shí)的費(fèi)用支出。

3.4? 提高油收率

在油頁巖開采過程及破碎篩分過程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，這些粉塵在干餾爐干餾過程中，由爐出口瓦斯帶入回收系統(tǒng)，經(jīng)過噴淋洗滌等過程后，會(huì)變成油泥（見表3-4）。油泥中含有油，且現(xiàn)有的技術(shù)還無法回收油泥中的頁巖油，因此，頁巖粉塵量越大，油泥量越大，損失的頁巖油越多。

若在干餾前加入干燥環(huán)節(jié)，則大量粉塵將在干燥爐內(nèi)被熱煙氣帶走，從而大大減少進(jìn)入系統(tǒng)的粉塵量，也會(huì)大大減少油泥生成量。以樺甸工藝為例，樺甸每年加工油頁巖300萬噸，大約會(huì)生成粉塵1萬噸，大約會(huì)生成油泥4萬噸。若采用干燥系統(tǒng)，則可減少油泥3萬噸，多回收頁巖油7500噸，增加頁巖油產(chǎn)量3%。

此外，由于進(jìn)入系統(tǒng)的粉塵量減少，可減少回收系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)的堵塞，利于系統(tǒng)的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

3.5? 提高干餾效率

油頁巖隨著環(huán)境溫度的變化，冬、夏季節(jié)溫差較大，造成干餾爐工況不穩(wěn)定，頁巖油收率隨之波動(dòng)，有的干餾爐夏季收油率可達(dá)65%，而寒冷地區(qū)到了冬季，有時(shí)收油率降低到40%以下，大大提高了成本，同時(shí)也浪費(fèi)了大量的資源。

下面以樺甸頁巖為例驗(yàn)證油頁巖干燥的效果，2008年7月29日在唐山神州機(jī)械有限公司場(chǎng)內(nèi)60T/h振動(dòng)折返干燥機(jī)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了油頁巖干燥試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見下表

從檢測(cè)報(bào)告可以看出，含水率下降幅度在6.5至7.7之間，揮發(fā)分和含油率略有升高，證明這種干燥方式對(duì)物料性質(zhì)無明顯破壞，油頁巖經(jīng)過干燥后，其溫度恒定在80℃左右，基本上不受環(huán)境溫度的影響。由于干餾爐的進(jìn)料溫度相對(duì)穩(wěn)定，干餾爐可以處在穩(wěn)定的工況條件運(yùn)行。對(duì)提高油頁巖的油回收率有顯著作用。另外，由于干餾氣體中的水蒸氣的減少，含油物質(zhì)的比例相對(duì)提高，也有利于油的回收。

3.6? 減少污水量

在干燥爐中由于是低溫干燥，分離出來的水蒸氣不含有其他有害物質(zhì)，可直接排入大氣，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。而經(jīng)過干餾爐干餾排出的水蒸氣和干餾產(chǎn)物混在一起排出爐外。不進(jìn)行干燥和進(jìn)行預(yù)熱干燥的水蒸氣含量在80t/h干餾系統(tǒng)中大約相差5t/h左右，一年約4萬噸左右，樺甸干餾廠共5套干餾系統(tǒng)，這就意味著需增加每年20萬噸的污水處理量。

因此，在油頁巖干餾工藝中加入干燥爐可以有效的降低系統(tǒng)的污水量。

四、油頁巖干燥帶來的問題

4.1? 增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度

由于增加了一套獨(dú)立的干燥系統(tǒng)，使得整個(gè)油頁巖干餾工藝的工藝鏈加長(zhǎng)，增加了操作的復(fù)雜性。同時(shí)也增加了引煙機(jī)、皮帶、星型進(jìn)料器等動(dòng)設(shè)備，也增加了相應(yīng)的維護(hù)成本。

4.2? 頁巖粉塵的處理

由于油頁巖干燥系統(tǒng)運(yùn)行過程中，熱煙氣會(huì)將附著在頁巖表面的粉塵以及0.6mm以下的頁巖粉末帶出干燥系統(tǒng)，因此，在干燥爐熱煙氣出口一般采用除塵器除塵。當(dāng)粉塵量較少時(shí)，可直接裝入編制袋內(nèi)。當(dāng)粉塵量較大時(shí)，則需要風(fēng)機(jī)通過管道輸送，輸送至罐區(qū)或使用地，此時(shí)需要較高的投資及較高的運(yùn)行成本。

此外，干燥爐干燥油頁巖無論采用何種方式都需要外部提供熱源，因此，系統(tǒng)中需要有余熱或廢熱。

結(jié)論

油頁巖干餾初期，必然先經(jīng)過一個(gè)干燥脫水的過程。將油頁巖干燥這一過程獨(dú)立出來，作為一個(gè)獨(dú)立單元，可以節(jié)約能源，降低加熱爐及回收系統(tǒng)負(fù)荷，提高頁巖油收率和干餾效率，減少污水量。雖然也因此增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度帶來粉塵處理的等問題，但是總體上來說，干燥系統(tǒng)對(duì)整個(gè)頁巖油干餾工藝是有利的，可以節(jié)約投資，降低運(yùn)行成本，增加收入。

參考文獻(xiàn)：

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