蘆思瀚, 戴詠川, 李京戰(zhàn), 趙飛星, 金英杰

（1. 遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油華北石化公司，河北 任丘 062552）

基于Aspen Plus模擬五林鎮(zhèn)油母頁巖的生產(chǎn)

蘆思瀚1, 戴詠川1, 李京戰(zhàn)2, 趙飛星1, 金英杰1

（1. 遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油華北石化公司，河北 任丘 062552）

頁巖油是指以頁巖層系中所含的石油資源，是迄今為止在固體礦產(chǎn)領域中的人造石油。油頁巖是一種能源礦產(chǎn)，屬于低熱值固態(tài)化石燃料。透過裂解化學變化，可將油頁巖中的油母物質(zhì)轉(zhuǎn)化為合成油。撫順干餾爐充分利用固定碳，并做到熱量自給有余；油頁巖塊度適應范圍廣，能處理10～70 mm的油頁巖。因此采用撫順煉油工藝，借助Aspen Plus軟件對黑龍江五林鎮(zhèn)的油母頁巖進行模擬干餾，從而實現(xiàn)軟件對煉油工藝輔助之目的。研究結(jié)果表明，可以通過Aspen Plus軟件對撫順干餾爐進行模擬，且模擬所得結(jié)果與工業(yè)實驗數(shù)據(jù)相匹配，為頁巖煉油技術(shù)提供指引。

油頁巖；撫順干餾爐；工藝模擬；Aspen Plus

在煤炭資源、石油資源日益衰竭的今天，油母頁巖成為國家能源近年來開發(fā)的項目，通過對油母頁巖的提煉而得到頁巖油。油母頁巖是一種高灰分的固體可燃有機物，有機質(zhì)含量高，主要為泥腐質(zhì)、腐植質(zhì)或混合型。油頁巖的工業(yè)開發(fā)利用主要有2種途徑：干餾煉油和直接燃燒發(fā)電[1]。中國油母頁巖資源較為豐富，石炭紀—第三紀都有產(chǎn)出。油母頁巖主要分布在20個省和自治區(qū)、47個盆地，共有80個礦區(qū)。中國撫順于1928年開始經(jīng)營油廠，利用煤礦副產(chǎn)的油母頁巖制取頁巖油，設計出撫順式工藝。如今在遼寧朝陽、吉林汪清、遼寧北票、山東龍口、吉林樺甸等地各中小型油母頁巖廠如雨后春筍，在陸續(xù)萌發(fā)。

油母頁巖的熱加工是應用的溫干餾方法。油母頁巖經(jīng)過低溫干餾而得到頁巖油和煤氣，頁巖油再進行加工精制，首先是固體燃料的加熱過程，熱量由熱載體傳給油母頁巖，然后在油母頁巖內(nèi)部進行熱傳導。第二個過程是有機物質(zhì)受熱后發(fā)生的物理化學變化過程，最后一個過程是反應生成產(chǎn)物擴散作用即反應層導出過程。

在物料和熱量平衡、相平衡、化學平衡及反應動力學基礎上，Aspen Plus提供了大量的物性數(shù)據(jù)、嚴格的熱力學估算模型庫和豐富的過程單元模型庫，可用于各類過程工業(yè)流程的模擬[2]。本文通過對黑龍江省油頁巖鋁甄分析，得出柳樹河子盆地林口縣五林鎮(zhèn)的油母頁巖熱解分率，擬用撫順式工藝對五林鎮(zhèn)油母頁巖提煉模擬，借助Aspen Plus中RCSTR、RStoic等模型進行計算，分析相關(guān)組分的轉(zhuǎn)化情況，根據(jù)工業(yè)實驗所得出的結(jié)果進行對比，在合理建模的基礎上研究了煉油系統(tǒng)的運作，為撫順式工藝的改進及五林鎮(zhèn)頁巖油項目的開發(fā)奠定了基礎。

1 五林鎮(zhèn)油頁巖分析

采用黑龍江省柳樹河子盆地林口縣五林鎮(zhèn)礦區(qū)的油母頁巖作為實驗樣本。

將試樣裝于鋁甄中，在隔絕空氣條件下以一定的升溫速度進行加熱至520 ℃，并保持一定時間。干餾后測定所得出的水、油、半焦和干餾副產(chǎn)物的收率，鋁甄分析是評定油頁巖煉油的重要指標之一[3]。

干餾產(chǎn)物的分析基收率按下列公式按如下公式計算：

其中：

Tf—分析基頁巖收率；

TZ—干基頁巖收率；

m —分析試樣質(zhì)量；

a —冷凝物質(zhì)量；

2 順式干餾工藝

2.1 溫度的影響

將樣品于鋁甄中，分別采用終溫為480、500、520、560 ℃，持續(xù)20 min，收集并計算其含油率。見圖1，由曲線圖得出，在520 ℃時，油頁巖熱解效率最高。

2.2 撫順原油裝置工藝流程

如圖2所示，油母頁巖經(jīng)過破碎篩分后，送到原油裝置貯礦廠內(nèi)，成品油母頁巖經(jīng)裝入機進入干餾爐內(nèi)，在預熱段105 ℃前油母頁巖中水分被蒸發(fā)，當溫度升至150～180 ℃時，油母頁巖放出吸附的氣體，當溫度超過180 ℃時，頁巖中的有機質(zhì)就會分解出水、二氧化碳和硫化氫等氣體，并形成能被有機溶劑抽提出來的瀝青和初生焦油。也就是說，頁巖受熱到330 ℃時，低沸點揮發(fā)餾份開始形成，溫度在350～550 ℃放出大量焦油，生成的焦油汽上升后，經(jīng)陣傘導出。

圖1 干餾終溫對頁巖熱解影響Fig.1 Final temperature effect of pyrolysis on oil shale

干餾后的頁巖半焦經(jīng)拱臺二次布料后，下降至發(fā)生段內(nèi)，半焦中的固定碳與爐底通入的主風發(fā)生燃燒反應，放出大量熱量；同時半焦中赤熱的碳與主風中水蒸汽發(fā)生水煤氣反應，產(chǎn)生大量瓦斯并吸收熱量。由氧化還原反應生成的發(fā)生瓦斯進入混合室與中部通入的熱循環(huán)瓦斯混合后，經(jīng)瓦斯孔噴向干餾段，作為頁巖干餾之熱源。

2.3 撫順工藝干餾產(chǎn)物

干餾所得到的產(chǎn)物為：H2、H2O、H2S、NH3、CO、CO2、CH4、C2H6等。產(chǎn)生的硫化氣體經(jīng)脫硫裝置進行脫硫處理，CH4、C2H6等瓦斯氣體，一部分作為循環(huán)瓦斯用于干餾爐的加熱，一部分供給鍋爐用于全廠區(qū)及周邊住房的供暖，一部分作為貯存氣體[5]。整個撫順工藝流程中包含油母頁巖的干餾、半焦及瓦斯的燃燒、換熱等部分。做Aspen Plus流程模擬時采用DCOALIGT模型進行了計算。由于頁巖油為石油產(chǎn)物，故作者參考其中元素及其他科研者分析成果，頁巖油由碳氫化合物C21H36來代替。

2.3 撫順工藝干餾產(chǎn)物

干餾所得到的產(chǎn)物為：H2、H2O、H2S、NH3、CO、CO2、CH4、C2H6等。產(chǎn)生的硫化氣體經(jīng)脫硫裝置進行脫硫處理，CH4、C2H6等瓦斯氣體，一部分作為循環(huán)瓦斯用于干餾爐的加熱，一部分供給鍋爐用于全廠區(qū)及周邊住房的供暖，一部分作為貯存氣體[5]。

整個撫順工藝流程中包含油母頁巖的干餾、半焦及瓦斯的燃燒、換熱等部分。做Aspen Plus流程模擬時采用DCOALIGT模型進行了計算。由于頁巖油為石油產(chǎn)物，故作者參考其中元素及其他科研者分析成果，頁巖油由碳氫化合物C21H36來代替。

3 Aspen Plus流程構(gòu)建

因為油母頁巖干餾是一個復雜的石油煉制過程，受到各種因素的影響，且工廠運作時，將有設備損耗、故障等情形。因此在構(gòu)建流程圖時做出如下理想化模型[6]：

a. 工廠處于穩(wěn)定狀態(tài)運行，以360個工作日計算，且均勻進料，不隨時間發(fā)生改變。

b. 油母頁巖中殘渣組分不影響油頁巖煉油效率，油母頁巖中不含有對其熱解有影響的物質(zhì)。

c. 頁巖油的提取率為鋁甄分析得出的收油率的100%，但考慮頁巖油在干餾爐中的燃燒。

d. 各階段進料均為一個大氣壓下進行反應，無壓強變化，不考慮氣體壓強改變所出現(xiàn)的功率損耗。

根據(jù)撫順油母頁巖干餾工藝，將該流程分為油母頁巖預熱階段、干餾階段、頁巖油收集階段與瓦斯處理階段。如圖3所示，油母頁巖進入預熱裝置進行預熱（PRE-HEAT）、進入干餾爐進行干餾(RE-OIL)后瓦斯與頁巖油進入油氣分離系(GAS1～GAS4)，而剩的半焦、頁巖殘渣則進入反應爐（RE-2）進行進一步燃燒。

圖2 撫順原油裝置工藝流程圖Fig.2 Process diagram of Fushun-type oil installation

圖3 Aspen Plus工藝流程圖Fig.3 Diagram of Aspen Plus process mode

油母頁巖干餾所使用的干餾爐用連續(xù)攪拌釜式反應器模型（RCSTR），模擬油母頁巖熱解過程，及部分礦物質(zhì)反應過程[7]。用化學劑量反應器（RStoic）模擬瓦斯燃燒等一系列反應。

反應所產(chǎn)生的瓦斯、油水混合物用閃蒸塔（FLASH）模擬組分分離，所含的硫組分在脫硫反應處進行脫硫處理。瓦斯通過分流裝置（FSplit）分為兩股餾分，一股用于存儲及鍋爐燃燒，另一股作為燃料回到干餾爐內(nèi)進行燃燒。

干餾反應部分為520 ℃，且在一個大氣壓下進行一系列反映，模擬為20臺撫順式干餾爐一同進行反應，爐內(nèi)體積約為1 570 m3。

由于撫順式干餾爐鼓風口在爐下方，因此將空氣組分（AIR）單獨拿出，連續(xù)攪拌釜式反應器下部通入。并將空氣進行理想化模擬，僅含有O2與N2。

4 參數(shù)分析

4.1 參數(shù)計算

當原料中含有氧量時，在需要的氧量計算時應扣除這部分，故每燃燒1 kg燃料所需要的氧氣量為：

式中：CP、HP、SP、OP——指燃料組成；

燃燒時生成水汽量計算：

式中：β—每m3空氣中所含的水量，單位是m-3。

4.2 物流參數(shù)

Aspen Plus流程模擬設計進料為500萬t/a，因此得到表1的物流參數(shù)。從表中數(shù)據(jù)得出頁巖油的成產(chǎn)效率，其中副反應相對較多，因此不再一一列舉。表2為工業(yè)焦油熱解實驗數(shù)據(jù)表，與之相對比，進一步證明數(shù)據(jù)的可行性與科學性。

表1 撫順式工藝物流參數(shù)Table 1 Fushun-type process parameters

表2 工業(yè)實驗頁巖不同溫度下的分解產(chǎn)率Table 2 Decomposing rate of oil shale through different temperature in industrial experiment

5 結(jié) 論

通過對撫順式干餾爐工藝的分析，結(jié)合Aspen Plus軟件的模擬，實現(xiàn)了生產(chǎn)物流平衡。從Aspen Plus模擬得出數(shù)據(jù)結(jié)果顯示模擬最適溫度（525 ℃）與鋁甄分析得出最適溫度（520 ℃）相匹配，在熱解效率上RCSTR結(jié)果與工業(yè)試驗數(shù)據(jù)相匹配。熱解產(chǎn)率達到預期效果，因此基于Aspen Plus的油母頁巖工藝流程模擬具有可操作性。

［1］劉洪鵬，龍海波，王擎，王志奉.以頁巖灰為熱載體的油頁巖干餾過程模擬[J],現(xiàn)代化工，2013,33(11): 85-88.

［2］孫伯仲，韓拓，王海剛.基于Aspen Plus撫順式油頁巖干餾工藝數(shù)值模擬[J]，現(xiàn)代化工，2013,33(6): 125-131.

［3］孫柏仲，王擎，姜慶賢等.油頁巖含油率的測定極其影響因素分析[J]，東北電力大學學報，2006,26(1):13-16.

［4］曹祖賓，張宗平，韓冬云，李丹東.油頁巖干餾工藝與工程[M].北京：中國石化出版社，2011.

［5］韓放，高健. 撫順礦業(yè)集團油頁巖煉油生產(chǎn)中余熱利用技術(shù)和研究與應用[J].煤炭加工與綜合利用，2013(1)：53-57.

［6］陳漢平，趙向富，米鐵，代正華. 基于Aspen Plus平臺的生物質(zhì)氣化模擬[J].華中科技大學學報（自然科學版），2007,35(9):49-52.

［7］王擎，孫斌，劉洪鵬，柏靜儒，肖冠華. 油頁巖熱解過程礦物質(zhì)行為分析[J].燃料化學學報，2013,41(2):163-168.

Process Simulation of Wulin Town Oil Shale Production by Aspen Plus

LU Si-han1, DAI Yong-chuan1, LI Jing-zhan2, ZHAO Fei-xing1, JIN Ying-jie1
（1. School of Petrochemical Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China；2. PetroChina North China Petrochemical Company, Hebei Renqiu 062552, China）

Shale oil is the oil resource in shale bed, which is by far the artificial oil in the area of solid mineral.Oil shale is a kind of mineral energy and belongs to LHV solid fossil fuel. Through the pyrolysis chemical change, the oil shale kerogen can be converted into synthetic oil. Fushun gas retort took full use of fixed carbon to realize self-sufficient calories. Oil shale rock fragmentation range was wide, in the range of 10～70 mm. Therefore, using Fushun refinery process, with the Aspen Plus software, retorting process of Wulin town oil shale was simulated in order to achieve the purpose of the software assisting in the refinery process. The results show that, Fushun retort can be simulated by Aspen Plus software, and the simulation results can match with industry experimental data, so it can provide guidance for shale refining technology.

Oil shale；Fushun gas retort；Process simulation；Aspen Plus

TE 357

： A

： 1671-0460（2015）02-0397-05

國家自然科學基金，項目號：21171083。遼寧石油化工大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目2013039。

2014-09-15

蘆思瀚（1993-），男，遼寧撫順人，研究方向：化學工程與工藝。E-mail：wxcrsnks@foxmail.com。

戴詠川（1968-），女，博士，研究方向：清潔燃料生產(chǎn)以及石油產(chǎn)品精制等研究工作。E-mail：ych_dasic@163.com。