吉木薩爾油頁(yè)巖干餾工藝的模擬計(jì)算及分析

曾明明，黃建寧，馬美秀，李森林，王金玉，劉 爽，耿 強(qiáng)

(1.陜西冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710032;2.新疆寶明礦業(yè)有限公司，新疆 吉木薩爾縣 831700)

0 前言

油頁(yè)巖作為非常規(guī)油氣資源儲(chǔ)量?jī)H次于煤炭，其熱解可得到類似原油的頁(yè)巖油和可替代天然氣的煤氣，作為常規(guī)能源的補(bǔ)充，對(duì)保障我國(guó)能源供給安全具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。油頁(yè)巖開(kāi)發(fā)主要產(chǎn)品為頁(yè)巖油，因此干餾工藝確定尤為重要。目前，我國(guó)油頁(yè)巖干餾技術(shù)理論研究與工藝試驗(yàn)工作已取得較大進(jìn)展，但在工業(yè)油頁(yè)巖干餾過(guò)程中仍欠缺理論基礎(chǔ)。

油頁(yè)巖干餾過(guò)程所需熱量由三部分組成:一為油頁(yè)巖自常溫提高到干餾溫度所需熱量，即頁(yè)巖顯熱;二為水分蒸發(fā)需要熱量;三為干餾反應(yīng)熱，即油母熱解吸熱。針對(duì)不同地區(qū)不同品位的油頁(yè)巖，選擇干餾工藝時(shí)要考慮以下兩方面:一方面要考慮應(yīng)盡量減少頁(yè)巖油在工藝生產(chǎn)過(guò)程中的損失，提高油收率，盡可能充分利用頁(yè)巖自身熱量，如固定碳和干餾氣能提供的熱量;另一方面要考慮在頁(yè)巖原料自身熱量不足的情況下，盡可能選擇穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟(jì)的外部熱量來(lái)源。本文以新疆吉木薩爾油頁(yè)巖為前提對(duì)氣燃干餾工藝、半循環(huán)半氣燃干餾工藝、全循環(huán)干餾工藝以及半循環(huán)半內(nèi)燃干餾工藝的工藝參數(shù)、收油率、水耗等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，確定適合新疆吉木薩爾油頁(yè)巖的干餾工藝，同時(shí)得出不同品位油頁(yè)巖對(duì)干餾工藝的適應(yīng)性。

1 干餾工藝的分類及特點(diǎn)

工業(yè)生產(chǎn)的干餾工藝以塊狀油頁(yè)巖干餾工藝為主，按供熱方式分為四種，具體分析如下:

1.1 半循環(huán)半內(nèi)燃干餾工藝

半循環(huán)半內(nèi)燃干餾工藝 (即為撫順爐工藝)為氣體熱載體干餾工藝，頁(yè)巖干餾所需要的全部熱量由熱循環(huán)干餾氣和干餾爐底部燃燒半焦供給。

工藝流程為:油頁(yè)巖入干餾爐內(nèi)，油母在干餾爐內(nèi)干餾分解產(chǎn)生的油氣，并與半焦燃燒產(chǎn)生的煙氣和水盆蒸汽及熱循環(huán)氣一起從爐上部逸出，進(jìn)入頁(yè)巖油回收系統(tǒng)。油頁(yè)巖干餾后轉(zhuǎn)化成頁(yè)巖半焦，進(jìn)入爐子下半部與飽和主風(fēng)燃燒，產(chǎn)生煙氣和水盆蒸發(fā)水一起上行，在干餾爐中段同進(jìn)爐熱循環(huán)干餾氣混合，加熱并干餾油頁(yè)巖。頁(yè)巖半焦燃燒后生成的干餾渣從爐底水盆排出。從爐頂引出的油氣經(jīng)油回收系統(tǒng)后，頁(yè)巖油進(jìn)入儲(chǔ)油罐。分離出的干餾氣分為三部分:一部分用作燃料，為加熱爐蓄熱;一部分作為熱循環(huán)氣，為干餾爐供熱;另一部分是剩余干餾氣，用作鍋爐生產(chǎn)燃料。

1.2 氣燃干餾工藝

氣燃干餾工藝 (氣燃式方爐工藝)為氣體熱載體干餾工藝，油頁(yè)巖干餾所需要的全部熱量由干餾爐底部燃燒半焦和燃燒回爐氣供給。

工藝流程為:油頁(yè)巖入干餾爐內(nèi)，油母在干餾爐內(nèi)干餾分解產(chǎn)生的油氣，并與半焦燃燒產(chǎn)生的煙氣、水盆蒸汽以及回爐氣燃燒產(chǎn)生的混合氣一起從爐上部逸出，進(jìn)入頁(yè)巖油回收系統(tǒng)。油頁(yè)巖干餾后轉(zhuǎn)化成頁(yè)巖半焦，進(jìn)入爐子下半部與回爐氣一起參與燃燒，產(chǎn)生混合氣和水盆蒸發(fā)水一起上行，加熱并干餾油頁(yè)巖。頁(yè)巖半焦燃燒后生成的干餾渣從爐底水盆排出。從爐頂引出的油氣經(jīng)油回收系統(tǒng)后，頁(yè)巖油進(jìn)入儲(chǔ)油罐。分離出的爐出口氣分為兩部分:一部分回干餾爐燃燒;另一部分是剩余爐出口氣，用作鍋爐生產(chǎn)燃料。

1.3 全循環(huán)干餾工藝

全循環(huán)工藝為氣體熱載體干餾工藝，頁(yè)巖干餾所需要的全部熱量由加熱爐供給。

工藝流程為:油頁(yè)巖入干餾爐內(nèi)，油母在干餾爐內(nèi)干餾分解產(chǎn)生的油氣，并與冷熱循環(huán)氣一起從爐上部逸出，進(jìn)入頁(yè)巖油回收系統(tǒng)。油頁(yè)巖干餾后轉(zhuǎn)化成頁(yè)巖半焦，進(jìn)入爐子下半部與冷循環(huán)氣換熱，并蒸發(fā)水盆一部分水入爐，預(yù)熱的冷循環(huán)氣與蒸發(fā)水在干餾爐中部與熱循環(huán)氣一起上行，加熱并干餾油頁(yè)巖。頁(yè)巖半焦冷卻后從爐底水盆排出。從爐頂引出的油氣經(jīng)油回收系統(tǒng)后，頁(yè)巖油進(jìn)入儲(chǔ)油罐。分離出的干餾氣分為兩部分:一部分作為循環(huán)氣;另一部分是供加熱爐燃燒。

1.4 半循環(huán)半氣燃干餾工藝

半循環(huán)半氣燃干餾工藝為氣體熱載體干餾工藝，頁(yè)巖干餾所需熱量由加熱爐、干餾爐底部混合氣及半焦燃燒供給。

工藝流程為:油頁(yè)巖入干餾爐內(nèi)，油母在干餾爐內(nèi)干餾分解產(chǎn)生的油氣，并與半焦燃燒產(chǎn)生的煙氣、水盆蒸汽、熱循環(huán)氣以及回爐氣燃燒產(chǎn)生的混合氣一起從爐上部逸出，進(jìn)入頁(yè)巖油回收系統(tǒng)。油頁(yè)巖干餾后轉(zhuǎn)化成頁(yè)巖半焦，進(jìn)入爐子下半部與回爐氣一起參與燃燒，產(chǎn)生混合氣和水盆蒸發(fā)水一起上行，在干餾爐中段同進(jìn)爐熱循環(huán)氣會(huì)合，加熱并干餾油頁(yè)巖。頁(yè)巖半焦燃燒后生成的干餾渣從爐底水盆排出。從爐頂引出的油氣經(jīng)油回收系統(tǒng)后，頁(yè)巖油進(jìn)入儲(chǔ)油罐。分離出的爐出口氣分為三部分:一部分回干餾爐燃燒;一部分作為熱循環(huán)氣，為干餾爐供熱;另一部分是剩余爐出口氣，用作鍋爐生產(chǎn)燃料。

2 新疆吉木薩爾油頁(yè)巖理化特性

根據(jù)頁(yè)巖樣品檢測(cè)及地質(zhì)報(bào)告，新疆吉木薩爾頁(yè)巖具有以下特點(diǎn):

共向全科醫(yī)生發(fā)放問(wèn)卷250份，回收問(wèn)卷250份，剔除無(wú)效和雷同問(wèn)卷16份，最終得到有效問(wèn)卷234份，有效回收率為93.6%。234份受訪全科醫(yī)生中，男性135名（57.7%），女性99名（42.3%）；醫(yī)生年齡集中在31～40歲，學(xué)歷以大專最多，絕大多數(shù)為初級(jí)職稱，平均工作年限為14.71±7.39年；超過(guò)4/5的受訪者參加過(guò)有關(guān)抗生素使用的相關(guān)培訓(xùn)。具體情況見(jiàn)表1。

(1)頁(yè)巖礦床結(jié)構(gòu)變化較大，不同礦層的頁(yè)巖含油率差異較大，全巖心含油率為最低1.7%，最高19.0%，含油率在4%以上的平均含油率為7.31%。

(2)頁(yè)巖產(chǎn)氣率較低且不穩(wěn)定，對(duì)新疆全巖心樣品檢測(cè)結(jié)果為最低1%，最高5.8%，平均1.71%。含油率在4%以上的工業(yè)頁(yè)巖平均產(chǎn)氣率為2.03%。

(3)頁(yè)巖固定碳含量較低，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，固定碳含量最低 0.57%，最高6.75%，平均2.64%。

(4)頁(yè)巖含水最低0.2%，最高1.72%，平均1%。

3 新疆吉木薩爾油頁(yè)巖對(duì)不同干餾工藝的適應(yīng)性分析

由于新疆吉木薩爾油頁(yè)巖固定碳含量及產(chǎn)氣率不穩(wěn)定，不能貿(mào)然選擇干餾工藝。因此在保證自給熱量的前提下，本文對(duì)滿足不同干餾工藝的固定碳含量及產(chǎn)氣率的最佳組合進(jìn)行模擬計(jì)算，以找到適合新疆吉木薩爾頁(yè)巖干餾的最優(yōu)化工藝。

3.1 全循環(huán)干餾工藝的適應(yīng)性分析

全循環(huán)干餾工藝模擬計(jì)算如圖1所示。當(dāng)新疆吉木薩爾頁(yè)巖產(chǎn)氣率達(dá)到3.47%時(shí)采用全循環(huán)干餾工藝，不需外補(bǔ)熱源;產(chǎn)氣率小于3.47%時(shí)，如果采用全循環(huán)干餾工藝需建立氣源站補(bǔ)充熱源;產(chǎn)氣率大于3.47%時(shí)，采用全循環(huán)干餾工藝將會(huì)有剩余氣體。全循環(huán)干餾工藝對(duì)原料頁(yè)巖中固定碳含量沒(méi)有要求，但是此工藝無(wú)法利用頁(yè)巖干餾后半焦中的固定碳，如果固定碳含量較高且熱值達(dá)到3 344 kJ/t時(shí)，可將半焦燃燒二次利用。

全循環(huán)干餾工藝干餾頁(yè)巖所需要的熱量全部由熱循環(huán)氣提供，該工藝需要加熱爐供熱，溫度較均衡且要連續(xù)性供熱，特別是循環(huán)干餾氣熱值高，危險(xiǎn)系數(shù)較大，因此不能忽略了加熱爐操作的復(fù)雜性。

圖1 全循環(huán)干餾工藝模擬分析Fig.1 Simulation analysis of full cycle retorting process

3.2 氣燃干餾工藝的適應(yīng)性分析

氣燃干餾工藝模擬計(jì)算如圖2所示，當(dāng)新疆吉木薩爾頁(yè)巖產(chǎn)氣率達(dá)到4.9%、固定碳含量達(dá)到2.7%時(shí)采用氣燃干餾工藝熱量自給。當(dāng)頁(yè)巖產(chǎn)氣率大于4.9%、固定碳含量大于2.7%時(shí)采用氣燃干餾工藝有剩余氣量，如果干餾氣熱值達(dá)到一定要求可再次利用，而且氣燃干餾工藝頁(yè)巖固定碳利用率較低，當(dāng)干餾后半焦熱值達(dá)到3 344 kJ/t時(shí)，可將半焦二次利用。

圖2 氣燃干餾工藝模擬分析Fig.2 Simulation analysis of gas combustion retorting process

氣燃工藝所用設(shè)備簡(jiǎn)單，投資小。但是頁(yè)巖的固定碳含量和氣體產(chǎn)率的要求相對(duì)較高。當(dāng)氣體產(chǎn)率較低時(shí)，剩余干餾氣的流量大且熱值低，暫無(wú)經(jīng)濟(jì)上可行的利用方式。

3.3 半循環(huán)半氣燃干餾工藝的適應(yīng)性分析

圖3 半循環(huán)半氣燃干餾工藝模擬分析Fig.3 Simulation analysis of half cycle and half gas combustion retorting processes

半循環(huán)半氣燃干餾工藝模擬計(jì)算如圖3所示，當(dāng)新疆吉木薩爾頁(yè)巖產(chǎn)氣率達(dá)到3.05%、固定碳含量達(dá)到2.31%時(shí)，循環(huán)氣供熱比達(dá)到38%，采用半循環(huán)半氣燃干餾工藝可不需外補(bǔ)熱源。當(dāng)產(chǎn)氣率大于3.05%時(shí)會(huì)有干餾氣剩余;當(dāng)固定碳含量大于2.31%時(shí)，半焦中固定碳含量增加，熱值達(dá)到一定程度時(shí)可二次利用;當(dāng)產(chǎn)氣率大于3.05%、固定碳含量大于2.31%時(shí)，采用此工藝不僅會(huì)有剩余干餾氣，而且半焦中固定碳含量增加，熱值會(huì)提高。

半循環(huán)半氣燃工藝方案對(duì)頁(yè)巖適用性強(qiáng)，自身熱量利用最合理，但是在收油率、生產(chǎn)操作等方面無(wú)優(yōu)勢(shì)，且沒(méi)有工業(yè)使用先例。

圖4 半循環(huán)半內(nèi)燃干餾工藝模擬分析Fig.4 Simulation analysis of half circulation and half internal combustion retorting process

3.4 半循環(huán)半內(nèi)燃干餾工藝的適應(yīng)性分析

半循環(huán)半內(nèi)燃干餾工藝模擬計(jì)算如圖4所示，當(dāng)新疆吉木薩爾頁(yè)巖產(chǎn)氣率在3%～4.8%、固定碳含量在0.85% ～2.54%范圍內(nèi)時(shí)，采用半循環(huán)半內(nèi)燃干餾工藝可不需外補(bǔ)熱源。采用該干餾工藝時(shí)頁(yè)巖產(chǎn)氣率越高，循環(huán)氣供熱比與也就越大。當(dāng)頁(yè)巖產(chǎn)氣率大于圖的坐標(biāo)中頁(yè)巖產(chǎn)氣率標(biāo)示點(diǎn)時(shí)，會(huì)有干餾氣剩余。

半循環(huán)半內(nèi)燃干餾工藝，對(duì)頁(yè)巖的適用性強(qiáng)，但當(dāng)頁(yè)巖的固定碳含量和氣體產(chǎn)率低于某一特定值時(shí)，需要采用補(bǔ)充外部熱源的方式來(lái)滿足干餾所需要的熱量。

3.5 四種油頁(yè)巖干餾工藝結(jié)果

油頁(yè)巖干餾工藝的選擇除了考慮固定碳及產(chǎn)氣率之外，還得考慮工藝的油收率、耗水量、產(chǎn)生的廢水量等參數(shù)，因此在以上計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算工藝的油收率、耗水量、產(chǎn)生的廢水量見(jiàn)表1。

由表1可知，全循環(huán)干餾工藝方案較其它干餾工藝收油率高，并且在用水量、污水量等均少于其他干餾工藝，運(yùn)行成本相對(duì)較低，但是由于需要選擇合適的加熱爐供熱。因此，新疆油頁(yè)巖干餾工藝選擇全循環(huán)干餾工藝為最優(yōu)選擇。

表1 4種干餾工藝水急補(bǔ)水、廢水量、綜合油收率比較Tab.1 Comparison of water replenishment quantity，waste water quantity and oil extracting yield among four distillation processes

4 結(jié)論

油頁(yè)巖開(kāi)發(fā)主要產(chǎn)品是頁(yè)巖油，在工藝選擇中應(yīng)充分考慮油頁(yè)巖的理化特性，所以干餾爐爐型選擇和干餾工藝確定尤為重要。根據(jù)不同種類油頁(yè)巖特性來(lái)選擇干餾爐爐型，然后再與之配套油回收系統(tǒng)。同時(shí)要考慮干餾氣和殘?jiān)?，尤其是油?yè)巖半焦中固定碳的回收和利用。要根據(jù)不同地區(qū)油頁(yè)巖特性在操作上進(jìn)行調(diào)整及配量的設(shè)定。還要考慮各工藝收油率、水耗等參數(shù)，以確定最合適干餾工藝。

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