周 新 徐 鵬 鐘 瑜 黃 磊

(合肥通用機(jī)械研究院)

油頁巖(又稱油母頁巖)是一種高灰分的固體可燃有機(jī)礦產(chǎn)，低溫干餾后可得到頁巖油。頁巖油類似于原油，可以制成汽油、柴油或作為燃料油。油頁巖作為一種非常規(guī)油氣資源，其儲量十分豐富而且分布集中，被列為21世紀(jì)重要的接替能源。近年來，我國原油對外依存度不斷提高，2011年原油進(jìn)口量達(dá)2.4億t，對外依存度約為57%，給我國的能源安全帶來較大壓力[1]。我國油頁巖資源豐富，已探明的資源量達(dá)315億t，預(yù)測資源量為4 520億t[2]，技術(shù)可采資源量約2 400億t，理論上可回收干餾油約100億t，因此，加快油頁巖的開發(fā)利用對促進(jìn)國內(nèi)非常規(guī)石油開發(fā)、增加國內(nèi)油氣資源供給和保障能源安全具有重要意義[1]。

1 油頁巖干餾本體能耗構(gòu)成探討

油頁巖的利用主要集中在提煉頁巖油和發(fā)電上，因此干餾工藝和燃燒鍋爐的發(fā)展直接影響其使用效果。降低成本、注重環(huán)保和充分利用資源的要求促進(jìn)了油頁巖利用技術(shù)的革新，主要表現(xiàn)在干餾工藝和燃燒鍋爐的改進(jìn)上[2]。在設(shè)計燃燒鍋爐的能源配給時，主要考慮油頁巖的本體耗能、系統(tǒng)漏熱及能源回收利用等方面，其中，比較核心的參數(shù)就是油頁巖的本體耗能。

油頁巖主要包括油母、水分和礦物質(zhì)。油母是復(fù)雜的高分子有機(jī)化合物，富含脂肪烴結(jié)構(gòu)，其含量約為10%～50%(干基)；水分的含量與礦物質(zhì)顆粒間的微孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般為為4%～25%不等；礦物質(zhì)主要有石英、高嶺土、粘土、云母、碳酸鹽巖及硫鐵礦等。

油頁巖干餾過程所需熱量主要包括兩部分：

a. 干餾反應(yīng)吸熱，主要是油頁巖油母質(zhì)的熱解吸熱。油頁巖受熱后，油母質(zhì)受熱分解產(chǎn)生頁巖油蒸汽、熱解氣體混合物和固定碳，礦物質(zhì)和固定碳形成頁巖半焦，而且一部分礦物質(zhì)也可能受熱分解，釋放出化合水和二氧化碳。

b. 加熱油頁巖至干餾溫度所需的熱量，即提高其顯熱。這部分顯熱占干餾過程所需熱量的大部分，首先由熱載體(氣體或固體)將熱量傳至油頁巖表面，然后由表面向內(nèi)部進(jìn)行傳熱，在這個過程中油頁巖干燥脫水(表面水和部分吸附水)，同時放出包藏的少量氣體[3]。

油頁巖干餾是一個非常復(fù)雜的物理和化學(xué)相結(jié)合的物性變化過程，僅依據(jù)油頁巖各成分的物性變化參數(shù)進(jìn)行計算是不全面的。筆者針對油頁巖干餾過程中的本體耗能情況，研究了試樣干餾試驗(yàn)，以期為工業(yè)化生產(chǎn)過程中燃燒鍋爐的設(shè)計提供數(shù)據(jù)資料。

2 油頁巖干餾試驗(yàn)

試驗(yàn)參照SH/T 0508-1992，并按圖1搭建試驗(yàn)裝置[4]。其中，冷接點(diǎn)恒溫器和高溫計由數(shù)字調(diào)節(jié)表代替，恒溫測試房的干球溫度恒溫控制在20±0.3℃，迎面風(fēng)速小于0.5m/s，試驗(yàn)所用油頁巖試樣產(chǎn)于陜西銅川，經(jīng)粉碎、篩選和干燥處理后粒度小于3mm。鋁甄依據(jù)SH/T 0508-1992的要求特制，加熱爐配置電加熱管，其總加熱量為4kW。冷卻槽與冰用于冷卻接收器、冷凝油氣。筆者選用250mL的三角瓶作為接收器。用于測量鋁甄溫度的K型熱電偶其測量范圍為-200～1 300℃；UP55A系列(YOKOGAWA)數(shù)字調(diào)節(jié)表用于顯示、調(diào)節(jié)鋁甄溫度；WT230系列(YOKOGAWA)功率采集儀用于計算加熱爐耗電參數(shù)；34980A系列(Agilent)數(shù)據(jù)采集器用于采集鋁甄溫度和加熱爐耗電參數(shù)。測試軟件自主開發(fā)，能夠顯示、計算測試數(shù)據(jù)，監(jiān)控各參數(shù)的變化過程曲線。

圖1 含油率測定裝置

試驗(yàn)過程依據(jù)表1所示的鋁甄升溫速度進(jìn)行[4]，并分別進(jìn)行鋁甄空載、50g試樣、100g試樣的干餾試驗(yàn)共計4次，其中，50g試樣干餾試驗(yàn)進(jìn)行兩次(50g-1和50g-2)，通過兩次試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)裝置測試的有效性。

表1 鋁甄升溫速度

在試驗(yàn)過程中，爐體溫度與外界環(huán)境溫度相差很大，輸入的大部分電加熱量都未能有效地用于鋁甄的升溫，而爐體漏熱量測量的難度比較大，因此為保證各次試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性，需將漏熱量對分析數(shù)據(jù)的影響降到最小。加熱爐漏熱量會因每次試驗(yàn)時周圍環(huán)境溫度和空氣流速的不一致而不同，為使各次試驗(yàn)的漏熱量大致相同，需將裝置放置在一個干球溫度恒溫控制在20±0.3℃、迎面風(fēng)速小于0.5m/s的恒溫測試房內(nèi)，且與側(cè)墻或天花板的距離大于1m[5]。

鋁甄材料決定了其熱容量比較大，如果兩次試驗(yàn)之間鋁甄沒有足夠的時間冷卻，則所測得的溫度是不準(zhǔn)確的，因此實(shí)際操作時，需將鋁甄在一周期試驗(yàn)結(jié)束后自然冷卻12h再開始下一周期試驗(yàn)。

綜合以上兩方面的措施，可以認(rèn)定每次試驗(yàn)時鋁甄的起始狀態(tài)是一致的，加熱爐的漏熱量也是一致的。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

4次試驗(yàn)采用軟件監(jiān)控記錄各參數(shù)的變化軌跡，其曲線如圖2～5所示。

圖2 鋁甄空載時參數(shù)變化軌跡(2013-02-03)

圖3 50g-1試樣的參數(shù)變化軌跡(2013-01-31)

圖4 50g-2試樣的參數(shù)變化軌跡(2013-03-05)

圖5 100g試樣的參數(shù)變化軌跡(2013-01-29)

進(jìn)行4次試驗(yàn)時，因?yàn)閿?shù)字調(diào)節(jié)表跟蹤調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，各試驗(yàn)段未能完全按照表1各段所需時間實(shí)現(xiàn)；但隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，各試驗(yàn)段所需時間的總和越來越接近表1要求時間的總和。油頁巖試樣干餾耗電量參數(shù)與試驗(yàn)時間總和成正函數(shù)關(guān)系，而試驗(yàn)過程總耗時與表1要求基本一致，因此所測耗電量參數(shù)與理論值相差不大，由此可以認(rèn)為，整個試驗(yàn)是成功的，試驗(yàn)結(jié)果是有效的。

4次試驗(yàn)中，20～185℃試驗(yàn)段所需時間都較長，超過表1所要求的10min，而且加熱爐配置的電加熱已滿負(fù)荷運(yùn)行，因此電加熱管總加熱量4kW偏小，不能滿足該段試驗(yàn)室升溫速度的要求。為使升溫速度能與表1一致，可以通過適當(dāng)加大電加熱量或優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)減少能耗來達(dá)到目的。

4次試驗(yàn)中，185～300℃試驗(yàn)段所需時間都較短，達(dá)不到表1所要求的10min，而且加熱爐配置的電加熱未能達(dá)到零輸出，因此數(shù)字調(diào)節(jié)表的設(shè)置不合理，未能快速跟蹤鋁甄溫度，及時調(diào)節(jié)電加熱的輸出。

從圖2可以看出，三角瓶(接收器)的入口壓力在鋁甄溫度達(dá)到450℃左右時發(fā)生驟降，此時由于油頁巖試樣產(chǎn)生的大量油氣使壓力達(dá)到了排水所需壓力，打破了水的液面平衡，水由集氣瓶流向集水瓶，因此頁巖干餾從450℃左右開始生成大量油氣。

4次試驗(yàn)?zāi)芎臄?shù)據(jù)見表2，50g試樣干餾試驗(yàn)前后兩次總耗電量偏差0.96%，小于1.00%，數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，因此認(rèn)為該試驗(yàn)裝置的測試較為準(zhǔn)確。取兩次50g試樣測試結(jié)果的算術(shù)平均值用于計算，則50g試樣本體耗電量為：50g試樣總耗電減去鋁甄空載總耗電量約為0.108kW·h或100g試樣總耗電量減去50g試樣總耗電量約為0.121kW·h。兩個數(shù)據(jù)相差11.46%，但數(shù)量級是一致的，偏差的產(chǎn)生可能是由試樣的有無或多少引起的，此處不再深入研究。由此可以認(rèn)為，在整個70min的試驗(yàn)過程中，50g粒度小于3mm并經(jīng)干燥處理過的油頁巖試樣本體耗能為0.121kW·h=435.6kJ(取大者)。

表2 4次試驗(yàn)?zāi)芎臄?shù)據(jù)

空載試驗(yàn)時，油頁巖試樣總耗電量達(dá)3.510kW·h，而50g試樣僅耗能0.121kW·h，由此可知裝置的漏熱和鋁甄的升溫消耗了大部分電能，投入的能源沒有得到很好的利用。為使能源的利用率提高，可以對裝置和鋁甄做進(jìn)行優(yōu)化：裝置的漏熱問題可以通過優(yōu)化爐體結(jié)構(gòu)、提高裝置的保溫和密封來實(shí)現(xiàn)；可以通過更改試樣容器的材料(如不銹鋼、合金材料)、優(yōu)化試樣容器結(jié)構(gòu)(如降低容器壁厚)來降低其升溫能耗。

4 結(jié)束語

通過對特定油頁巖多次干餾試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析，得到了油頁巖在干餾過程中的產(chǎn)氣規(guī)律，并計算了油頁巖試樣本體能耗值，發(fā)現(xiàn)所使用的干餾試驗(yàn)裝置漏熱量過大，浪費(fèi)了能源，應(yīng)優(yōu)化試樣容器結(jié)構(gòu)、提高裝置的保溫和密封。同時，為工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備的選型和設(shè)計提供些數(shù)據(jù)參考。

[1] 北極星電力網(wǎng)新聞中心.我國油頁巖資源豐富，或成為發(fā)電新寵[EB/OL]．http://news.bjx.com. cn/html/20120829/ 384102.shtml．2012-08-29．

[2] 陳惠.頁巖油調(diào)油領(lǐng)域遇瓶頸，深加工領(lǐng)域有待進(jìn)一步開發(fā)[EB/OL]．http://oil.chem qq.comlnews/9807096.html．2012-08-20．

[3] 錢家麟，尹亮．油頁巖——石油的補(bǔ)充能源[M]．北京：中國石化出版社，2008．

[4] SH/T 0508-1992，油頁巖含油率測定法(低溫干餾法)[S]．撫順：撫順石油化工研究院，1992．

[5] GB/T 7725-2004，房間空氣調(diào)節(jié)器[S]．北京：全國家用電器標(biāo)準(zhǔn)化技木獲員會，2004．