柏靜儒，李啟凡，吳海濤，白章，王擎

?

基于Aspen Plus撫順式油頁巖干餾過程模擬方法研究

柏靜儒1，李啟凡1，吳海濤1，白章2，王擎1

（1東北電力大學(xué)油頁巖綜合利用教育部工程研究中心，吉林吉林132012；2中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京100190）

利用Aspen Plus軟件對撫順式油頁巖干餾過程進(jìn)行模擬，采用帶Fortran氣化動力學(xué)子程序的自定義反應(yīng)模型來代替Gibbs反應(yīng)器，通過與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比來驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)果吻合良好。利用該模型研究了主風(fēng)量和主風(fēng)飽和度等參數(shù)對氣體組分、氣體熱值、氣化效率和熱效率的影響。研究結(jié)果表明：隨著氣化溫度的增加，CO的含量增加，而H2和CH4的含量減少，同時氣體的熱值呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢；提高主風(fēng)量，氣化效率、干發(fā)生氣熱效率（d）和濕發(fā)生氣熱效率（w）均有顯著提高，但是過量空氣的通入將會造成燒油，建議主風(fēng)量控制在7.38×104～8.61×104m3/h最佳；提高主風(fēng)飽和度，氣化溫度呈線性下降；當(dāng)主風(fēng)飽和度為90℃時，濕發(fā)生氣熱效率（w）達(dá)到最大，為37.08%；但是綜合考慮實(shí)際過程中的合理運(yùn)行，建議主風(fēng)飽和度選取80℃為宜。

油頁巖；撫順式干餾過程；Aspen Plus；模擬

油頁巖又稱油母頁巖，是一種高礦物質(zhì)含量的固體可燃有機(jī)沉積巖[1]。油頁巖利用途徑多樣，除煉油、發(fā)電外，在化工、醫(yī)藥、建材、農(nóng)業(yè)和環(huán)保等各個領(lǐng)域均具有許多可供綜合利用的潛在價值。近年來世界各國都越來越重視油頁巖的開發(fā)與利用，油頁巖屬于非常規(guī)油氣資源，以資源豐富、經(jīng)濟(jì)性和開發(fā)利用的可行性而被列為21世紀(jì)重要的石油補(bǔ)充和替代能源[2]。隨著技術(shù)進(jìn)步和環(huán)保意識的增強(qiáng)，油頁巖資源從單純的能源利用發(fā)展到多方位開發(fā)，極大地提高了資源利用率，降低了成本，減少了環(huán)境污染[3]。在油頁巖干餾過程中，充分利用頁巖半焦是實(shí)現(xiàn)油頁巖清潔利用的有效途徑。利用Aspen Plus軟件可以實(shí)現(xiàn)油頁巖半焦氣化段的模擬，針對油頁巖半焦氣化段出現(xiàn)的問題，可以進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化，進(jìn)而為實(shí)際運(yùn)行提供一定的參考依據(jù)。

國內(nèi)外學(xué)者基于Aspen Plus軟件在油頁巖領(lǐng)域所進(jìn)行的相關(guān)研究中，以模擬干餾過程居多。DUNG等[4]進(jìn)行了早期探索，利用Aspen Plus軟件對油頁巖干餾過程進(jìn)行了建模，對系統(tǒng)流程進(jìn)行了計(jì)算和分析；YAN等[5]基于Aspen Plus軟件構(gòu)建了油頁巖低溫干餾模型，利用C12H26S、C15H33N、C14H12O2、C10H12O4這4種物質(zhì)來共同替代煤焦油，主要考察頁巖油的產(chǎn)率及相關(guān)的熱力學(xué)能等參數(shù)；本文作者過去的工作[6-7]中對油頁巖低溫?zé)峤膺M(jìn)行了研究，建立了油頁巖干餾模型，并構(gòu)建出氣體熱載體干餾爐及干餾工藝流程模型。利用Aspen Plus軟件模擬氣化過程的相關(guān)研究中，以煤氣化過程和生物質(zhì)氣化過程的模擬居多。代正華等[8]利用Aspen Plus軟件中的Gibbs自由能最小化方法對粉煤氣化過程進(jìn)行了熱力學(xué)平衡分析，同時研究了碳轉(zhuǎn)化率和熱損失對氣化工藝指標(biāo)的影響。張巍巍等[9]利用Aspen Plus基于吉布斯自由能最小化的特點(diǎn)以及吉布斯反應(yīng)器的限制平衡法修正，對生物質(zhì)氣化的過程進(jìn)行了模擬，對空氣當(dāng)量系數(shù)和床溫的影響做了靈敏度分析。作者前期工作[10]也利用了平衡Gibbs自由能最小的原理建立了油頁巖撫順式工藝流程模型，通過調(diào)整送入干餾爐氣化段的主風(fēng)飽和度來分析各段瓦斯含量、組分和熱值的變化情況。以上文獻(xiàn)都是通過平衡手段來模擬氣化段，由于平衡模型假設(shè)條件較理想，在實(shí)際過程中受到條件的限制，使得模擬結(jié)果與實(shí)際情況差別很大，對于化學(xué)反應(yīng)過程來說，反應(yīng)動力學(xué)能提供反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)速率方面的詳細(xì)信息，對于提高反應(yīng)收率方面的優(yōu)化起到至關(guān)重要的作用[11]。本文利用Aspen Plus軟件在撫順式油頁巖干餾工藝模擬[10]基礎(chǔ)上改進(jìn)了油頁巖半焦氣化段模型，采用帶Fortran氣化動力學(xué)子程序的自定義用戶模型來代替Gibbs反應(yīng)器，通過與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比來驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時利用該模型研究了主風(fēng)量和主風(fēng)飽和度等參數(shù)對氣體組分、氣體熱值、氣化效率和熱效率的影響。以獲取實(shí)驗(yàn)條件下難以得到的重要參數(shù)，有利于油頁巖半焦氣化段的優(yōu)化，為油頁巖撫順式干餾工藝合理運(yùn)行提供依據(jù)。

1 撫順式油頁巖工藝模型

1.1 撫順式油頁巖工藝流程原理

如圖1所示，油頁巖經(jīng)破碎篩分后，取塊徑為8～75mm的頁巖，在爐上部的干餾段中進(jìn)行干燥、干餾。干餾后的頁巖半焦進(jìn)入氣化段，在氣化段的上部，半焦中的固定碳與上升氣體進(jìn)行還原反應(yīng)而產(chǎn)生CO、H2等。在氣化段下部，頁巖半焦與熱主風(fēng)發(fā)生燃燒反應(yīng)，形成高溫的氧化層。半焦被氧化成為頁巖灰。頁巖灰在重力作用下繼續(xù)下降與主風(fēng)換熱，以其顯熱蒸發(fā)一部分蒸汽，最終冷卻至90℃左右。而蒸發(fā)的蒸汽和氣化段的發(fā)生氣則進(jìn)入干餾段，最后頁巖灰被排出爐外。

撫順式干餾系統(tǒng)中，由于發(fā)生段氣化和燃燒反應(yīng)放出的熱量不足以完成油頁巖干餾所需要的熱量，所以需要補(bǔ)充一部分熱量，補(bǔ)充熱量來自于熱循環(huán)瓦斯，熱量由蓄熱爐提供。兩部分高溫氣體在混合室作為氣體熱載體一起進(jìn)入干餾段，共同為油頁巖干餾提供熱量，最后與干餾氣（即干餾產(chǎn)物）一起通過上部收集傘導(dǎo)出爐外，并經(jīng)過冷凝回收系統(tǒng)對瓦斯氣和頁巖油進(jìn)行凈化和分離。分離的瓦斯氣一部分作為循環(huán)瓦斯氣，一部分作為燃料瓦斯氣進(jìn)入蓄熱爐內(nèi)燃燒以達(dá)到加熱循環(huán)瓦斯的目的，剩余的瓦斯回收用于發(fā)電等其他用途。

A—油頁巖料斗；B—破碎機(jī)；C—預(yù)熱區(qū)；D—干餾區(qū)；E—?dú)饣瘏^(qū)；F—燃燒區(qū)；G—頁巖灰層；H—冷凝回收系統(tǒng)；I—蓄熱爐

1.2 條件假設(shè)及模型修正

油頁巖熱解、半焦氣化和燃燒均為非常復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，為了提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將考慮以下假設(shè)：

（1）模型為穩(wěn)態(tài)模型，油頁巖熱解視為穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)，且半焦氣化燃燒段考慮反應(yīng)動力學(xué)；

（2）整個模擬過程沒有壓力損失，均在常壓狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行；

（3）模型包含了油頁巖預(yù)熱、油頁巖熱解、頁巖半焦氣化和燃燒，模擬干餾爐的油收率為75%，干餾爐體的散熱損失量視為干餾吸熱量的5%，蓄熱爐的效率為82%，利用MULT倍率模塊進(jìn)行調(diào)整；

（4）氣化段內(nèi)只進(jìn)行氣化和燃燒過程。

1.3 油頁巖及干餾產(chǎn)物基礎(chǔ)特性

本文模擬所用的樣品為撫順油頁巖，屬于有機(jī)質(zhì)含量低、含油率平均6%的黏結(jié)性貧礦，對油頁巖原樣進(jìn)行鋁甄含油率分析，分析結(jié)果見表1；對該油頁巖及半焦進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析，分析結(jié)果見表2。

表1 撫順油頁巖鋁甄實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (ad)

表2 油頁巖和半焦的工業(yè)分析、元素分析和發(fā)熱量

2 油頁巖半焦氣化反應(yīng)動力學(xué)

建立簡單、適用和精確的氣化動力學(xué)模型不僅具有一定的理論意義，也具有一定的實(shí)用價值[12]。對于油頁巖半焦氣化和燃燒操作條件的選擇，尤其是最佳操作條件的確定多憑經(jīng)驗(yàn)來判斷，在油頁巖種類及條件變化時，需要進(jìn)行長時間試驗(yàn)探索。對氣化段建立動力學(xué)模型，能在較短時間內(nèi)掌握爐內(nèi)溫度、物料濃度等參數(shù)的分布規(guī)律，為操作參數(shù)變化時盡快調(diào)整到優(yōu)化工況打下基礎(chǔ)[13]。文獻(xiàn)[3,14]給出了氣化和燃燒的主要3個氣-固非均相反應(yīng)和1個氣相均相反應(yīng)，用來表示頁巖半焦的氣化和燃燒反應(yīng)。

2.1 氣-固非均相反應(yīng)

2.1.1 固定碳燃燒反應(yīng)[3]如式(1)。

C+O2—→CO2(1)

對于單步固相材料燃燒過程，采用一級反應(yīng)模型，燃燒反應(yīng)動力學(xué)方程，如式(2)。

求得：

(3)

式中，為反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；為活化能，=49.98kJ/mol；為指前因子，=3949min–1；為氣體常數(shù),=8.314×10–3kJ/(mol·K)；為絕對溫度。

2.1.2 歧化反應(yīng)

C+CO2—→2CO (4)

碳與二氧化碳的反應(yīng)過程，是二氧化碳首先吸附到碳的晶體上，形成碳氧絡(luò)合物，然后絡(luò)合物分解。根據(jù)這樣的反應(yīng)機(jī)理，反應(yīng)速率方程多為Langmuir的等溫吸附方程[14]，如式(5)。

1=1CO2/(1+2CO+3CO2) (5)

K可以用Arrhenius公式表示，如式(6)。

文獻(xiàn)[14]中給出1=2.1×104，1/=20200；2=2.0×10–11，2/=–27700；3=2.07×10–3，3/=–3200。

式中，1為反應(yīng)速率，mol/(cm3·s)；CO2、CO分別為CO2、CO相對分壓。

2.1.3 甲烷化反應(yīng)

C+2H2—→CH4(7)

動力學(xué)方程[14]可以采用式(8)、式(9)計(jì)算：

2=1H2(8)

1=0.035exp(–17900/) (9)

式中，H2為H2的相對分壓。

2.2 氣相均相反應(yīng)[14]

CO+H2O—→H2+CO2(10)

反應(yīng)速度3由式(11)計(jì)算。

其中：

(12)

式中，CO、H2O、CO2、H2分別為CO、H2O、CO2、H2的相對分壓。

3模型的構(gòu)建

3.1 工藝流程模型構(gòu)建

本文基于Aspen Plus軟件對油頁巖撫順式干餾工藝系統(tǒng)模型進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的編程流程圖如圖2所示。主要改進(jìn)的是在半焦氣化段采用自定義模型來代替Gibbs反應(yīng)器，運(yùn)用Fortran語句編寫油頁巖半焦氣化動力學(xué)子程序嵌入用戶模型中來模擬固定床氣化爐，模型的編譯和鏈接通過Aspen Plus提供的編譯指令A(yù)SPCOMP和ASPLINK來完成，最終生成一個目標(biāo)模塊文件[15]，來完成對爐內(nèi)實(shí)際情況模擬。由于本文主要考察對象是半焦氣化段，并未涉及對整個系統(tǒng)的分析，故將文獻(xiàn)[10]中剩余瓦斯進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)做功部分的模擬去掉，達(dá)到簡化系統(tǒng)側(cè)重研究氣化段的深入分析。

本文模擬選用單元模型及用途見表3。

表3 Aspen Plus主要單元操作模型及對照用途

表征運(yùn)行狀態(tài)和評估氣化結(jié)果的各參數(shù)變量定義如式(14)～式(18)。

氣體熱值（LHV，MJ/m3）

LHV=126×CO+107.9×H2+358.2×CH4+629.1×CH(14)

式中，LHV為氣體低位熱值，kJ/m3；CO、H2、CH4和CH為各自在氣化中所占的體積分?jǐn)?shù)，%。

氣體產(chǎn)率（g，m3/kg）

g=/(15)

式中，為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣化氣體積，m3；為通入氣化原料耗量，kg。

氣化效率（G，%）

G=HHV?z/1×100% (16)

式中，HHV為氣體高位熱值，kJ/m3；z為總的氣體產(chǎn)率，m3；1為通入油頁巖原料的化學(xué)熱，kJ。

為了評價干發(fā)生氣的熱效率，這里定義干發(fā)生氣熱效率為干發(fā)生氣的熱量占總輸入熱量的百 分比。

干發(fā)生氣熱效率（d）計(jì)算如式(17)。

d=HHV?z/(1+2+3+4) (17)

式中，2為通入油頁巖原料的物理熱，kJ；3為水蒸氣帶入的熱量，kJ；4為空氣帶入的熱量，kJ。半焦氣化段主要目的是為干餾段提供熱量，相對于干發(fā)生氣熱效率，考慮水蒸氣帶入的熱量，定義濕發(fā)生氣熱效率為濕發(fā)生氣的熱量占總輸入熱量的百分比。

濕發(fā)生氣熱效率（w）計(jì)算如式(18)。

w=（HHV?z+5）/(1+2+3+4) (18)

式中，5為氣化水蒸氣帶入的熱量，kJ。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 設(shè)置參數(shù)及模擬結(jié)果

研究氣化段的氣化反應(yīng)可以達(dá)到既提高半焦中固定碳的利用率，又能供給干餾段充足的熱量，同時還可減少出現(xiàn)燒油的情況，因此氣化段的模擬研究是必要的。為此，本文通過調(diào)整氣化溫度、主風(fēng)飽和度（空氣中所含水蒸氣分壓力）和主風(fēng)量（每噸油頁巖需要供給的空氣量）3個主要參變量來考察對氣體組分、氣體熱值、氣化效率、干發(fā)生氣熱效率和濕發(fā)生氣熱效率的影響。

表4為工藝流程的主要參數(shù)，選用頁巖塊徑8～75mm，水蒸氣和空氣作為氣化劑；主風(fēng)量25.22kg/s；主風(fēng)飽和度80℃。在氣化溫度為750℃的條件下進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與撫順式干餾工藝的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)[3]對比見表5，最大誤差9.1%，平均誤差為5.53%，數(shù)據(jù)對比結(jié)果表明爐出口氣模擬值與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)值吻合較好。

氣化段的研究目的主要是為了獲得有效氣體來提高干餾爐出口氣的熱值，因此下面只考察可燃?xì)獾淖兓闆r；在其他條件不變的情況下，利用該模型模擬氣化溫度在600～850℃區(qū)間的產(chǎn)氣情況，氣化溫度對氣體組分和氣體熱值的影響見圖3。

由圖3可以看出H2和CH4的含量隨著氣化溫度的增加而逐漸減少，而兩者減少幅度有很大不同，尤其是在750℃的時候H2減少的速率加快。H2和CH4的變化主要是由水煤氣反應(yīng)和甲烷化反應(yīng)引起的。隨著溫度的升高，水煤氣反應(yīng)產(chǎn)生H2和CO的量增加，但是氣化溫度越來越高會使燃燒份額逐漸變大，與此同時甲烷化反應(yīng)又會消耗H2產(chǎn)生CH4，從而導(dǎo)致H2含量大幅度減少；甲烷化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度的升高會抑制反應(yīng)的進(jìn)行，因此CH4的含量呈現(xiàn)減少趨勢；而歧化反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，隨著溫度升高促進(jìn)CO的產(chǎn)生，同時在高溫段發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量，有利于對干餾段進(jìn)行供熱；但是爐內(nèi)溫度升高，結(jié)渣程度加重，從而影響正常操作。從圖3中可以看出氣體的熱值隨著氣化溫度的升高逐漸下降的，從2.98MJ/m3下降到2.47MJ/m3，尤其從750℃下降幅度逐漸加大，主要是由于高熱值氣體發(fā)生氧化反應(yīng)造成的。

表4 工藝流程主要參數(shù)

表5 爐出口氣模擬值與文獻(xiàn)值比較

注：氣體組成分析，以體積分?jǐn)?shù)表示。

4.2 主風(fēng)量的影響

主風(fēng)量是影響氣化過程極其重要的因素。當(dāng)頁巖原料量和水蒸氣的飽和度一定，改變主風(fēng)量，氣體熱值、氣化效率和氣體組分等參數(shù)也會隨之改變。主風(fēng)量的增加，會導(dǎo)致氣化溫度升高，也會加快化學(xué)反應(yīng)速率，同時一定程度上可以提高氣體熱值。由圖4可以看出，氣體熱值隨著主風(fēng)量的增加逐漸升高，主要原因是主風(fēng)量的增加會使氧濃度升高，燃燒反應(yīng)逐漸加劇，另一方面頁巖半焦中固定碳轉(zhuǎn)化生成CO的量愈大。同時隨著主風(fēng)量的增加，氣化溫度會升高，會有顯著的氣化反應(yīng)發(fā)生，產(chǎn)生大量H2。因此可以從圖中看出CO和H2的相對含量隨著主風(fēng)量的增加而升高，可燃?xì)怏w份額的增加使得氣體熱值提高。從圖中看出CH4的變化趨勢平緩，但是整體趨勢是減少的，主要是由于甲烷化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，氣化溫度的升高抑制了反應(yīng)的進(jìn)行，這也跟圖4中CH4的變化趨勢是相吻合的。

撫順式爐氣化段頁巖半焦的氣化，與一般氣化爐煤的氣化有不同之處，撫順式氣化段的首要目的是獲得大量顯熱以滿足干餾段所需，故需要通入較多的空氣，使半焦中的固定碳能夠較充分燃燒；從圖4中可以看出隨著主風(fēng)量的增加，燃燒份額增加，釋放大量熱量，同時氣體熱值逐漸升高；因此，爐底增加一定的主風(fēng)量有利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行，這種關(guān)聯(lián)性也可以從圖5中看出。氣化效率和熱效率隨著主風(fēng)量的增加均有顯著提高，氣化效率從38.4%提高到44.3%，干發(fā)生氣熱效率（d）和濕發(fā)生氣熱效率（w）分別從35.2%和44.6%提高至40.5%和50.3%。通過對比干濕發(fā)生氣的熱效率可以得出，水蒸氣大約提供了10%的熱量，但是過量空氣的通入，會使一部分O2進(jìn)入干餾段，將會造成燒油而影響油收率。文獻(xiàn)[3]給出氣化段供熱約占70%，通過熱量衡算，扣除氣化發(fā)生氣出爐時帶走的熱量和整個干餾爐的熱損失，在主風(fēng)量為24kg/s時，氣化段供熱已經(jīng)占干餾爐吸熱量的70%，同時為了減少出現(xiàn)燒油的影響，建議主風(fēng)量控制在24～28kg/s最佳。

4.3　主風(fēng)飽和度的影響

保持其他條件不變（頁巖塊徑8～75mm，主風(fēng)量25.22kg/s），從圖6中可以看出主風(fēng)飽和度對氣化溫度的影響是顯著的，隨著主風(fēng)飽和度的增加，即水蒸氣量的增加，氣化溫度呈線性下降；主要原因是單位時間內(nèi)通入的蒸汽量大，帶走的熱量多，降低了頁巖半焦層的溫度，使?fàn)t內(nèi)溫度下降。因此可以得出，主風(fēng)飽和度是控制爐內(nèi)溫度的主要途徑。

由圖7可以看出，其他條件不變，當(dāng)水蒸氣的通入量逐漸增加時，氣化反應(yīng)過程可以分為3個階段。第一階段是頁巖半焦中的碳和空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，同時又和蒸汽進(jìn)行水煤氣反應(yīng)，從而使生成CO含量相應(yīng)的增加；第二階段是反應(yīng)生成氣中的CO與蒸汽在灼熱的半焦層中發(fā)生了水煤氣反應(yīng)，如下圖，當(dāng)主風(fēng)飽和度在40～70℃范圍內(nèi)，半焦層發(fā)生的反應(yīng)比較劇烈，使H2的含量大幅度增加，同時提高了氣體的熱值，從圖中可以看出氣體的熱值曲線隨著主風(fēng)飽和度的增加是逐漸升高的。

第三階段是蒸汽量的過量通入抑制了燃料氣中氣體烴類的燃燒，同時使氣化溫度降低，有利于甲烷化反應(yīng)的進(jìn)行，圖7中可以看出CH4含量是逐漸增加的。但是蒸汽量過量，帶走了大量的熱量，大幅度降低了爐內(nèi)溫度，加快了蒸汽通過頁巖半焦的線速度，縮短了蒸汽與半焦層中碳的接觸時間，因而阻礙了氣化反應(yīng)過程的進(jìn)行，圖7中可以看出可燃?xì)獾暮吭谥黠L(fēng)飽和度約為80℃時開始逐漸下降，從而使生成氣體的熱值降低，與圖7熱值曲線變化相吻合。

主風(fēng)飽和度對氣化效率和熱效率的影響如圖8所示，本文選取的撫順油頁巖，屬于有機(jī)質(zhì)含量低的貧礦，對這種低品位油頁巖進(jìn)行干餾和氣化比較困難，由圖8中看出氣化效率最高不足30%，濕發(fā)生氣熱效率（w）最高不足40%；當(dāng)主風(fēng)飽和度從30℃漸漸提高到70℃時，氣化反應(yīng)開始由燃燒份額為主逐漸過渡到氣化份額占據(jù)主導(dǎo)，氣化效率、濕發(fā)生氣熱效率（w）和干發(fā)生氣熱效率（d）在此范圍里均是逐漸增加；當(dāng)主風(fēng)飽和度在80℃時，氣化效率和干發(fā)生氣熱效率（d）達(dá)到最大值，之后隨著主風(fēng)飽和度的增加有減少趨勢。對濕發(fā)生氣熱效率（w）來說，當(dāng)主風(fēng)飽和度從80℃繼續(xù)增加時，蒸汽的過量通入使?fàn)t溫降低，但是蒸汽也帶進(jìn)大量顯熱，一定程度上促進(jìn)濕發(fā)生氣熱效率（w）的增加，在主風(fēng)飽和度為90℃時，達(dá)到最大值為37.08%；當(dāng)蒸汽通入量較少時，會有可能引起氣化段氧化層溫度過高而引起頁巖灰的熔結(jié)；因此通入一定量的蒸汽有助于氣化反應(yīng)進(jìn)行，但是過量蒸汽通入，帶走了大量熱量，致使?fàn)t內(nèi)溫度降低，蒸汽分解率也隨之降低，同時可燃?xì)怏w含量也在緩慢減少，導(dǎo)致氣化效率和熱效率開始下降。因此綜合考慮實(shí)際過程中的合理運(yùn)行，建議主風(fēng)飽和度選取80℃為宜。

5 結(jié)論

本文基于Aspen Plus軟件在撫順式油頁巖干餾工藝模擬基礎(chǔ)上改進(jìn)油頁巖半焦氣化模型，采用帶Fortran氣化動力學(xué)子程序的自定義反應(yīng)模型來代替Gibbs反應(yīng)器，將模型在某一工況下模擬結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果吻合良好，具有一定的適用性。利用該模型探究了氣化溫度、主風(fēng)量、主風(fēng)飽和度等參數(shù)對氣體組分、氣體熱值、氣化效率、濕發(fā)生氣熱效率（w）和干發(fā)生氣熱效率（d）的影響。主要結(jié)論如下。

（1）提高氣化溫度有利于CO含量的增加，但是降低了H2和CH4的含量，同時氣體的熱值呈現(xiàn)出隨著氣化溫度的升高而逐漸降低的趨勢。

（2）提高主風(fēng)量有助于CO和H2含量的增加，但是降低了CH4的含量。隨著主風(fēng)量的增加，氣化溫度逐漸升高，化學(xué)反應(yīng)速率加快，氣體熱值呈上升趨勢，同時氣化效率、濕發(fā)生氣熱效率（w）和干發(fā)生氣熱效率（d）均顯著地提高。但是過量空氣的通入，會使一部分O2進(jìn)入干餾段，將會造成燒油而影響油收率，建議主風(fēng)量控制在7.38×104～8.61×104m3/h最佳。

（3）提高主風(fēng)飽和度，氣化溫度呈線性下降。將主風(fēng)飽和度從30℃提高到80℃，對氣化過程是有利的，可燃?xì)夂?、氣化效率、濕發(fā)生氣熱效率（w）和干發(fā)生氣熱效率（d）均顯著提高；當(dāng)主風(fēng)飽和度為90℃時，濕發(fā)生氣熱效率（w）達(dá)到最大，為37.08%。但是綜合考慮實(shí)際過程中的合理運(yùn)行，建議主風(fēng)飽和度選取80℃為宜。

[1] 錢家麟，王劍秋，李術(shù)元. 世界油頁巖綜述[J]. 中國能源，2006，28（8）：16-19.

QIAN J L，WANG J Q，LI S Y．World oil shale[J]．Energy of China，2006，28（8）：16-19.

[2] 馬玲，尹秀英，孫昊，等.世界油頁巖資源開發(fā)利用現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].世界地質(zhì)，2012，31（4）：772-777.

MA L，YIN X Y，SUN H，et al. Present status of oil shale resource utilization in the world and its development prospects[J]. Global Geology，2012，31（4）：772-777.

[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.

QIAN J L，YIN L. Oil shale-petroleum alternative[M]. Beijing：China Petrochemical Press，2008.

[4] DUNG N V，BENITO R G. Modeling of oil shale retorting block using ASPEN process simulator[J]. Fuel，1990，69（90）：1113-1118.

[5] YAN H M，ZHANG DK.Modeling of a low temperature pyrolysis process using Aspen Plus[J]. Dev. Chem. Eng. Mineral Process，1999，7（5/6）：577-591.

[6] 柏靜儒，白章，李少華，等. 油頁巖低溫干餾過程的Aspen Plus模擬[J]. 現(xiàn)代化工，2012，32（3）：85-88.

BAI J R，BAI Z，LI S H，et al. Modeling of low temperature retorting process for oil shale using Aspen Plus[J]. Modern Chemical Industry，2012，32（3）：85-88.

[7] 柏靜儒，白章，王擎，等. 基于Aspen Plus的樺甸式油頁巖干餾工藝系統(tǒng)模擬[J]. 化工學(xué)報，2012，63（12）：4075-4081.

BAI J R，BAI Z，WANG Q，et al. Process simulation for Huadian-type oil shale retorting system by Aspen Plus[J]. CIESC Journal，2012，63（12）：4075-4081.

[8] 代正華，龔欣，王輔臣，等. 氣流床粉煤氣化的Gibbs自由能最小化模擬[J]. 燃料化學(xué)學(xué)報，2005，33（2）：129-133.

DAI Z H，GONG X，WANG F C，et al. Thermodynamic analysis of entrained-flow pulverized coal gasification by Gibbs free energy minimization[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology，2005，33（2）：129-133.

[9] 張巍巍，陳雪莉，王輔臣，等. 基于Aspen Plus模擬生物質(zhì)氣流床氣化工藝過程[J]. 太陽能學(xué)報，2007，28（12）：1360-1364.

ZHANG W W，CHEN X L，WANG F C，et al. Process simulation of biomass entrained flow gasification based on Aspen Plus[J]. Acta Energiae Solaris Sinica，2007，28（12）：1360-1364.

[10] 白章，柏靜儒，王擎，等.撫順式油頁巖干餾工藝系統(tǒng)模擬及分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報，2014，34（14）：2228-2234.

BAI Z，BAI J R，WANG Q，et al. Process simulation and analysis of the Fushun-type oil shale retorting system[J]. Proceedings of the CSEE，2014，34(14）：2228-2234.

[11] 陳世豪，曹志凱，師佳，等. 基于ASPEN PLUS的固定床煤氣化穩(wěn)態(tài)模擬方法研究[J]. 煤炭學(xué)報，2012（s1）：167-172.

CHEN S H，CAO Z K，SHI J，et al. Steady-state simulation of fixed bed for coal gasification using ASPEN PLUS[J]. Journal of China Coal Society，2012（s1）：167-172.

[12] 向銀花，王洋，張建民，等. 煤氣化動力學(xué)模型研究[J]. 燃料化學(xué)學(xué)報，2002，30（1）：21-26.

XIANG Y H，WANG Y，ZHANG J M，et al. A study on kinetic models of char gasification[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology，2002，30（1）：21-26.

[13] 項(xiàng)友謙，張利平. 固定床煤氣化過程的數(shù)學(xué)模型與模擬計(jì)算[J]．煤氣與熱力，1999（5）：8-11.

XIANG Y Q，ZHANG L P. Mathematical model and simulate calculation for fixed-bed coal gasification[J]. Gas & Heat，1999（5）：8-11.

[14] MCCARTHY D J，CLOSE R C. A preliminary study of the gasification kinetics of the residue from retorting a lignitic oil shale[J]. Fuel，1988，67（5）：1083-1090.

Aspen Plus. Aspen Plus getting started customizing unit operation models[M]. Cambridge，MA：Aspen Technology，Inc. 2001.

Simulation of Fushun type retort for oil shale processing method using Aspen Plus

BAI Jingru1，LI Qifan1，WU Haitao1，BAI Zhang2，WANG Qing1

（1Engineering Research Centre of Ministry of Education for Comprehensive Utilization of Oil Shale，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China；2Institute of Engineering Thermal Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

In this paper，Aspen Plus was used to simulate Fushun type retort for oil shale processingusing a user-defined model with gasification kinetics of Fortran subroutines to replace Gibbs reactor．The accuracy of results was verified by comparing document of the experimental data and simulation of the data，which indicated that the results were in good agreement．Meanwhile，the effects of the air volume as well as saturation of feeding air on the gas component，the calorific value of the gas，the gasification efficiency and the thermal efficiency were systematically studied．The results showed that the increase of gasification temperature could decrease H2and CH4fractions and promote the generation of CO. Furthermore, the high temperature gasification would lead to a decrease of heating value. The increase of the air volume could raise the gasification efficiency and the thermal efficiency（w）as well as the thermal efficiency（d）. Because the excess air may cause oil firing，it was suggested that the air volume was best in the range of 7.38×104—8.61×104m3/h. The gasification temperature declined linearly when the saturation of feeding air increased. When the saturation of feeding air maintained 90℃，the thermal efficiency（w）reached the maximum value of 37.08%．But considering the reasonable operation in the actual process，the saturation of air of 80℃ was recommended．

oil shale；Fushun type retort process；Aspen Plus；simulation

TE662

A

1000–6613（2017）01–0121–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.01.016

2016-06-14；修改稿日期：2016-07-07。

吉林省重點(diǎn)科技公關(guān)項(xiàng)目（20140204004SF）。

柏靜儒（1973—），女，博士，教授，主要從事油頁巖綜合利用技術(shù)方面的研究工作。E-mail：bai630@mail.nedu. edu.cn。