尹曉含，曹祖賓，曹傳洋，呂 娜

（1.遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧撫順113001；2.中國石油撫順石化分公司石油二廠，遼寧撫順113004）

頁巖油是通過低溫干餾油頁巖的方法得到的各種有機(jī)化合物的混合物，其儲(chǔ)存量十分豐富且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過天然石油，是石油的補(bǔ)充能源之一[1]。頁巖油[2]冷凝回收系統(tǒng)是油頁巖干餾工藝中的重要環(huán)節(jié)之一，可以直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量及工藝的能耗和環(huán)保問題。

目前國內(nèi)外頁巖油冷凝回收系統(tǒng)分為水洗工藝和油洗工藝兩種。例如Petrosix冷凝回收系統(tǒng)[3]為水洗工藝：干餾出口油氣經(jīng)旋風(fēng)分離器、沉降器（電氣除霧器）、壓縮機(jī)、噴淋塔冷凝回收頁巖油，回收率高達(dá)90%，風(fēng)機(jī)前面沒有大量的水噴淋，壓縮機(jī)耗能小，設(shè)備容易控制，運(yùn)轉(zhuǎn)較穩(wěn)定，而且風(fēng)機(jī)前做了除塵處理，后期回收效果好[4]；愛沙尼亞葛洛特（Galoter）冷凝回收系統(tǒng)[5]為油洗工藝：干餾出口的混合物料經(jīng)過兩級旋風(fēng)分離器除去粉塵后，干餾油氣進(jìn)入回收系統(tǒng)，先經(jīng)過油氣淋洗器，使油氣中的一部分重油冷凝下來，從而帶走部分很細(xì)的粉塵，進(jìn)一步凈化了油氣，在進(jìn)入精餾塔分離頁巖油和煤油餾分，再進(jìn)入冷凝器，冷凝下來汽油和水蒸氣。干餾氣則經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)壓縮，作為燃料燃燒，該工藝頁巖油回收率高達(dá)90%，洗滌水用量小，三廢少，屬環(huán)境友好型工藝；俗稱“ATP”工藝的加拿大塔瑟克斯（Taciuk）冷凝回收系統(tǒng)[6]是水洗工藝：ATP干餾爐[7]為固體熱載體的干餾方式[8]，進(jìn)入回收系統(tǒng)的氣體量小，所以回收系統(tǒng)規(guī)模小，占地面積小；第三代撫順干餾工藝是四級水洗系統(tǒng)，將瓦斯溫度降至50℃以下，提高瓦斯中油的含量，并增設(shè)了電捕塔以回收輕質(zhì)油。干餾污水進(jìn)行處理后達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的污水再利用，減少二次污染，回收污水的熱量循環(huán)用于供暖、空調(diào)制冷等，干餾后的廢渣用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品、新型建材、環(huán)保產(chǎn)品、復(fù)合肥及礦井充填膏體等，以發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，變廢為寶；吉林樺甸頁巖油回收工藝[9]也是水洗工藝：設(shè)備種類多，維護(hù)繁瑣。

未來頁巖油冷凝回收技術(shù)[10]以高收油率、低運(yùn)行成本、企業(yè)大型化為發(fā)展方向。對比以上國內(nèi)外幾種典型的回收系統(tǒng)[11]，仍存在能耗大、循環(huán)水量大、產(chǎn)生的污水量大等缺點(diǎn)，并且應(yīng)用于頁巖油冷凝回收領(lǐng)域仍有一些工程上的問題需要進(jìn)行深入研究，如今國內(nèi)文獻(xiàn)很少有對頁巖油冷凝回收系統(tǒng)進(jìn)行深入模擬研究，本文作者參考焦化產(chǎn)業(yè)循環(huán)水直接冷卻工藝，經(jīng)過詳細(xì)研究后，制定油母頁巖干餾油氣冷凝回收工藝為水洗工藝，并應(yīng)用Aspen plus模擬[12]軟件對頁巖油冷凝回收系統(tǒng)進(jìn)行模擬并優(yōu)化，彌補(bǔ)國內(nèi)在該方面研究的缺口。

1 流程模擬

1.1 模擬步驟

本工藝中80℃的干餾油氣（由頁巖油、瓦斯氣、水組成）進(jìn)入冷凝回收系統(tǒng)，氣相油氣依次經(jīng)過氣液分離器、吸收塔、橫管冷凝器、風(fēng)機(jī)、電捕油器，之后進(jìn)入到脫硫系統(tǒng)。從氣液分離器分離出來的頁巖油泥進(jìn)入到集泥罐分層，油水進(jìn)入到熱環(huán)池，熱水循環(huán)利用，回收下來的頁巖油進(jìn)入油池分離，分離出的重油經(jīng)過重質(zhì)頁巖油罐，重質(zhì)油進(jìn)入重油儲(chǔ)罐，輕質(zhì)頁巖油進(jìn)入輕油儲(chǔ)罐。吸收塔下來的油水進(jìn)入冷環(huán)池，分離出水作為吸收塔冷凝水，循環(huán)利用。分離出頁巖油，匯入油池。橫管冷凝器和電捕焦油器分離出油水進(jìn)入輕油池，然后進(jìn)入輕質(zhì)頁巖油中間罐，最后裝入輕油儲(chǔ)罐等待出售。由于風(fēng)機(jī)安置在回收設(shè)備之后，這個(gè)工藝也可以稱為全負(fù)壓頁巖油冷凝回收工藝。全負(fù)壓頁巖油冷凝回收工藝流程見圖1。

回收系統(tǒng)中有些設(shè)備無法模擬，如各種油罐，所以在Aspen中，只對氣液分離器、吸收塔、橫管冷凝器、風(fēng)機(jī)進(jìn)行模擬。在Aspen中，兩相閃蒸器Flash2模塊模擬氣液分離器，用RadFrac模塊模擬吸收塔，換熱器Heatx模塊和Flash2模塊組合模擬橫管冷凝器。

圖1 全負(fù)壓頁巖油冷凝回收工藝流程Fig.1 Full shale oil recovery system flow chart

1.2 模擬條件

本工藝的頁巖油、瓦斯氣的性質(zhì)均由實(shí)驗(yàn)室測得，頁巖油的檢驗(yàn)方法按照SH/T0558-93(2004)，密度采用GB/T1884-2000方法測定[13]。油頁巖實(shí)驗(yàn)室實(shí)沸點(diǎn)蒸餾數(shù)據(jù)如表1所示，瓦斯氣組成如表2所示。

表1 頁巖油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾數(shù)據(jù)Table 1 TBP of shale oil

表2 瓦斯氣的組成Table 2 Gas Composition

本次工藝中的進(jìn)料由頁巖油、水、瓦斯氣組成，頁巖油是通過Aspen中的化驗(yàn)數(shù)據(jù)分析Assay Data Analysis和虛擬組分系統(tǒng)進(jìn)行處理[14]，瓦斯氣采用組分輸入的形式。回收系統(tǒng)進(jìn)料組成如表3所示。

表3 回收系統(tǒng)進(jìn)口物料組成Table 3 Feed composition of condensing recovery system

1.3 模型的建立

利用Aspen對頁巖油冷凝回收系統(tǒng)進(jìn)行模擬。在Aspen中，兩相閃蒸器Flash2可進(jìn)行給定熱力學(xué)條件下的汽-液平衡或汽-液-液平衡計(jì)算，出口產(chǎn)品為一股氣相、一股液相以及一股水相（可選），用Flash2模擬氣液分離器。精餾塔的計(jì)算模塊RadFrac，要求一股進(jìn)料、一股氣相或液相塔頂產(chǎn)品、一股液相塔底產(chǎn)品，適用于普通的精餾、吸收、汽提、萃取精餾、共沸精餾、反應(yīng)精餾等，用RadFrac模擬旋噴塔。橫管冷凝器用換熱器Heatx和Flash2組合模擬，Heatx用于模擬兩股物流逆流或并流換熱時(shí)的熱量交換過程，F(xiàn)lash2對物流進(jìn)行分離。管道有阻力損失，為了接近實(shí)際操作情況，模擬中加入VALVE模塊。全負(fù)壓頁巖油冷凝回收流程模擬見圖2。

圖2 全負(fù)壓頁巖油冷凝回收模擬流程Fig.2 Simulation of process flow of full negative pressure recovery system

1.4 模擬結(jié)果

從物流OIL和物流SEP-OIL可以看出，干餾油氣中頁巖油質(zhì)量流量由34 600 kg/h減少至11 640.75 kg/h，氣液分離器回收一部分頁巖油，比例在66%左右。比較流股AB-IN和流股AB-GAS，質(zhì)量流量由390 428 kg/h增加至517 764 kg/h，頁巖油質(zhì)量流量由11640.75kg/h減少至11 640.45 kg/h，變化甚小，該過程為瓦斯氣飽和過程。

通過分析物流CON-IN和物流SEP3-GAS，頁巖油質(zhì)量流量由11 640.45 kg/h降至6 699.04 kg/h，經(jīng)過橫管冷凝器的頁巖油回收率為14%左右。經(jīng)過計(jì)算，全負(fù)壓工藝系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)功率為1 763.57 kW，頁巖油油收率為80.6%，此工藝和目前國內(nèi)頁巖油冷凝回收工藝相比較，油收率偏低。對該工藝進(jìn)行優(yōu)化，以得到最優(yōu)工藝，全負(fù)壓回收系統(tǒng)模擬數(shù)據(jù)見表4。

表4 全負(fù)壓回收系統(tǒng)模擬數(shù)據(jù)Table 4 Simulation date of full negative pressure recovery system

2 流程優(yōu)化分析

以上模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對全負(fù)壓回收系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案一：從表4可以看出，在吸收塔中頁巖油沒有被回收，只是對瓦斯氣進(jìn)行飽和，吸收塔收油率約為0，從節(jié)約成本的角度出發(fā)，可以去掉吸收塔，對比去掉吸收塔前后頁巖油回收率。優(yōu)化方案二：通過風(fēng)機(jī)位置的變化，由原來的橫管冷凝器后面移至橫管冷凝器前面，即由全負(fù)壓工藝流程變?yōu)榘胴?fù)壓工藝流程，對比變化前后的油收率。

2.1 優(yōu)化方案一

在原流程的基礎(chǔ)上，進(jìn)料數(shù)據(jù)和設(shè)備操作參數(shù)不變的情況下進(jìn)行優(yōu)化。在此優(yōu)化方案中，干餾油氣依次經(jīng)過氣液分離器、橫管冷凝器，最后經(jīng)過風(fēng)機(jī)、去電捕油器。優(yōu)化后頁巖油回收系統(tǒng)模擬流程見圖3。優(yōu)化后回收系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)見表5。

圖3 優(yōu)化的頁巖油回收系統(tǒng)模擬Fig.3 Optimization of process flow of full negative pressure recovery system

表5 優(yōu)化的流程模擬的主要數(shù)據(jù)Table 5 Optimization dates of full negative pressure recovery system

對比表4中物流SEP3-GAS和表5中SEP3-GAS，頁巖油質(zhì)量流量分別為6 699.04 kg/h和6 700 kg/h，變化甚微，就回收系統(tǒng)來說，可以去掉吸收塔。但是在干餾系統(tǒng)中，以氣體熱載體作為載體的干餾工藝，例如撫順式干餾爐，樺甸全循環(huán)干餾爐等，為了提高熱載體的熱值，需要吸收塔對瓦斯氣進(jìn)行飽和來提高熱值，建議留下吸收塔。而對于一些以固體熱載體為載體的干餾工藝，例如小顆粒干餾爐，不需要吸收塔來飽和瓦斯氣，所以建議小顆粒干餾爐的回收系統(tǒng)可以去掉吸收塔，節(jié)約設(shè)備費(fèi)用和前期投資。

2.2 優(yōu)化方案二

通過改變風(fēng)機(jī)位置，優(yōu)化后的工藝流程為半負(fù)壓頁巖油回收工藝系統(tǒng)。全負(fù)壓和半負(fù)壓的回收系統(tǒng)的設(shè)備相同，動(dòng)力核心設(shè)備風(fēng)機(jī)的安裝位置不同，全負(fù)壓流程的風(fēng)機(jī)位于橫管冷凝器之后，而半負(fù)壓流程的風(fēng)機(jī)則位于橫管冷凝器之前，半負(fù)壓冷凝回收系統(tǒng)流程見圖4。半負(fù)壓的冷凝回收系統(tǒng)主要物流數(shù)據(jù)見表6。

由物流OIL和物流SEP3-GAS可知，頁巖油質(zhì)量流量由34 600 kg/h降至6 458.78 kg/h，半負(fù)壓的回收系統(tǒng)油收率約為81.3%，比全負(fù)壓回收系統(tǒng)油收率增加0.7%。而風(fēng)機(jī)的功率也發(fā)生了變化，對比表4物流COMP-OUT和表6物流COMP-OUT，風(fēng)機(jī)入口氣相質(zhì)量流量由368 825 kg/h增加至517 764 kg/h，半負(fù)壓回收系統(tǒng)下，風(fēng)機(jī)功率也由1 775.6 kW提高到2 808.9 kW。從經(jīng)濟(jì)效益上講，若頁巖油以市場價(jià)格4 000元/t計(jì)算，操作時(shí)間按8 000 h計(jì)算，優(yōu)化前后頁巖油產(chǎn)值增加34 600×0.7%×4×8 000=7 750 400元。若電費(fèi)以0.6元/度計(jì)算，風(fēng)機(jī)能量增加（2 808-1 775.6）×8 000×0.6=4 955 520元。改變風(fēng)機(jī)位置，回收系統(tǒng)壓力狀態(tài)由全負(fù)壓變成了半負(fù)壓，頁巖油的收益增加了2 794 880元。半負(fù)壓流程中，風(fēng)機(jī)安裝在橫管冷卻器之前，系統(tǒng)中只有氣液分離器和吸收塔在負(fù)壓條件下操作，其余設(shè)備均處于正壓運(yùn)行。全負(fù)壓流程是系統(tǒng)所有設(shè)備都處于負(fù)壓條件下運(yùn)行，由于飽和瓦斯氣水蒸氣較高時(shí)，其惰性增加，系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常，半負(fù)壓流程比全負(fù)壓流程操作運(yùn)行安全性高。

圖4 半負(fù)壓頁巖油冷凝回收工藝系統(tǒng)Fig.4 Simulation of process flow of semi negative pressure recovery system

表6 半負(fù)壓冷凝回收系統(tǒng)主要物流數(shù)據(jù)Table 6 The important date of semi negative pressure recovery system

續(xù)表6

3 結(jié) 論

（1）通過借鑒國內(nèi)外工藝，對比優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)出油母頁巖干餾油氣冷凝回收工藝，并用Aspen plus模擬軟件進(jìn)行模擬；此工藝是全負(fù)壓操作，流程模擬由4個(gè)主要模塊組成：氣液分離模塊、吸收模塊、橫管冷凝模塊、風(fēng)機(jī)模塊。經(jīng)過Aspen計(jì)算得到頁巖油的回收率為80.6%。

（2）利用Aspen plus軟件對模擬得到的工藝進(jìn)行優(yōu)化，沒有吸收塔的回收系統(tǒng)的頁巖油收率仍為80.6%?？梢姶斯に囍校账]有存在意義，可以去掉，節(jié)約設(shè)備費(fèi)用和前期投資。

（3）用Aspen plus軟件對模擬得到的工藝進(jìn)行優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，改變風(fēng)機(jī)位置后，該工藝流程為半負(fù)壓冷凝回收系統(tǒng)，回收率為81.3%左右。頁巖油回收率增加，半負(fù)壓流程比全負(fù)壓流程操作運(yùn)行安全性高，頁巖油收益增加2 794 880元。

（4）Aspen Plus模擬軟件在頁巖油冷凝回收系統(tǒng)中應(yīng)用是可行的，利用Aspen Plus軟件對其系統(tǒng)模擬優(yōu)化，可節(jié)約工藝設(shè)計(jì)時(shí)間，促進(jìn)油頁巖產(chǎn)業(yè)的工業(yè)化發(fā)展。