油砂熱解特性及工藝與裝置研究開發(fā)現(xiàn)狀與評(píng)述

馬小龍，張自生，高鑫,2,3，李鑫鋼,2,3

（1天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心，天津 300072；3天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072）

油砂熱解特性及工藝與裝置研究開發(fā)現(xiàn)狀與評(píng)述

馬小龍1，張自生1，高鑫1,2,3，李鑫鋼1,2,3

（1天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心，天津 300072；3天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072）

油砂是一種儲(chǔ)量巨大的非常規(guī)石油資源，油砂熱解技術(shù)具有良好的工業(yè)化前景。本文概述了油砂熱解的相關(guān)基礎(chǔ)研究進(jìn)展，包括油砂熱解的3個(gè)階段、氣液固三相產(chǎn)物的性質(zhì)及多種油砂熱解動(dòng)力學(xué)模型的總結(jié)。分析了常壓干餾、惰性氣體保護(hù)熱解、加氫熱解、減壓熱解及復(fù)合熱解工藝，簡(jiǎn)述了不同工藝對(duì)產(chǎn)品收率和產(chǎn)品性質(zhì)等方面的影響?；仡櫫擞蜕盁峤獾难b置，從固定床、旋轉(zhuǎn)干餾爐、流化床干餾爐到Alberta Taciuk Process （ATP）裝置，重點(diǎn)介紹了具有不同載熱方式和能量回收方式的旋轉(zhuǎn)干餾爐和流化床干餾爐。從能源利用效率的角度分析對(duì)比了各種熱解工藝和熱解設(shè)備的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，闡明了降低能耗提高能源效率是熱解技術(shù)的主要問題，進(jìn)而提出了旋轉(zhuǎn)干餾爐和流化床干餾爐具有更好的工業(yè)前景。

油砂；熱解；工藝；反應(yīng)器；旋轉(zhuǎn)干餾爐；流化床

油砂又名焦油砂或?yàn)r青砂，作為一種非常規(guī)石油資源，隨著石油、天然氣等常規(guī)化石資源的減少，而越來越受到人們的重視。目前油砂的儲(chǔ)量超過天然石油的探明儲(chǔ)量，主要分布在加拿大、委內(nèi)瑞拉、美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家，中國(guó)也有較為豐富的油砂資源［1］。我國(guó)主要油砂產(chǎn)地準(zhǔn)格爾盆地0～500m深度內(nèi)油砂資源量達(dá)到11.42億噸，鄂爾多斯盆地0～500m深度內(nèi)油砂資源量為2.18億噸，并仍有較大的勘探空間［2］。

目前油砂分離技術(shù)主要有3種：熱堿水洗法、溶劑萃取法和熱解法［3-8］。熱堿水洗法從20世紀(jì)20年代由MASLIYAH等［9］開發(fā)后便被廣泛應(yīng)用于商業(yè)化的油砂分離，但其巨大的耗水量和尾礦問題成為限制此技術(shù)發(fā)展的瓶頸［10］。溶劑萃取法因其溶劑污染和回收能耗等問題，尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。油砂分為油潤(rùn)型和水潤(rùn)型兩種［11］，水洗法對(duì)水潤(rùn)型油砂有很好的分離效果，但對(duì)油潤(rùn)型油砂分離效果不佳，熱解法則適用于所有類型的油砂。熱解技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于有機(jī)物的回收利用和分離領(lǐng)域，生物質(zhì)、油頁(yè)巖、煤、渣油、廢舊輪胎和城市垃圾的熱解等方面［12-17］。近年來，油砂熱解技術(shù)因其污染小適用范圍廣且易于工業(yè)化而受到越來越多研究者的關(guān)注，但熱解技術(shù)的能量利用效率是該方法能否廣泛使用的關(guān)鍵問題。

油砂熱解是以消耗熱能為代價(jià)，以達(dá)到油砂瀝青和砂粒分離的目的。熱解過程包含水分的蒸發(fā)、瀝青質(zhì)受熱在砂粒表面流動(dòng)、輕組分的蒸發(fā)、重組分的裂解蒸發(fā)等物理和化學(xué)過程。油砂熱解的設(shè)備也在朝著提高油品收率、節(jié)能、便于工業(yè)化方向發(fā)展。本文針對(duì)油砂熱解技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行了總結(jié)分析與評(píng)述，重點(diǎn)介紹了各種形式的旋轉(zhuǎn)干餾爐和流化床干餾爐，以期為我國(guó)油砂熱解領(lǐng)域的深入研究和工業(yè)化推廣提供參考。

1　油砂熱解基礎(chǔ)研究

油砂熱解是通過加熱的方式使油砂瀝青的輕組分在高溫下汽化，重組分在高溫下先裂解成輕組分同時(shí)在砂粒表面結(jié)焦，同時(shí)熱解產(chǎn)生的輕組分汽化，氣相產(chǎn)物在高溫下繼續(xù)裂解成小分子烴類。目前普遍認(rèn)為油砂熱解過程可分為如下3個(gè)階段［18-19］：室溫～150℃，是油砂的脫水階段；150～350℃，是輕組分的揮發(fā)和較弱的化學(xué)鍵斷裂階段；350～520℃，是油砂瀝青主要的熱解產(chǎn)油階段。

油砂熱解機(jī)理遵從自由基反應(yīng)機(jī)理。氣相產(chǎn)物經(jīng)過冷凝系統(tǒng)，高沸點(diǎn)組分（一般＞C4）被冷凝成液態(tài)產(chǎn)物，即熱解油；低沸點(diǎn)組分（一般≤C4）不易被冷凝系統(tǒng)冷凝，作為氣態(tài)產(chǎn)物，亦稱干氣。熱解同時(shí)生成的焦炭作為固體產(chǎn)物與砂粒混在一起，不易被回收利用。

1.1氣體產(chǎn)物

油砂熱解的氣體產(chǎn)物主要成分為氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯和乙烷［20］，并且氣體釋放順序?yàn)槎趸?、一氧化碳、乙烷、甲烷和氫氣?1］。對(duì)熱解的氣體產(chǎn)物的紅外光譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)二氧化碳分別在450℃和800℃附近產(chǎn)生兩個(gè)析出峰，首個(gè)析出峰是由于羧基等含氧官能團(tuán)熱解，第二個(gè)析出峰是由于砂粒中的碳酸鈣分解；甲烷在500℃附近產(chǎn)生析出峰；一氧化碳分別在500℃和800℃產(chǎn)生兩個(gè)析出峰；氫氣生成的范圍比較寬，主要是瀝青質(zhì)縮聚的產(chǎn)物［22］。

1.2液體產(chǎn)物

油砂熱解后油品質(zhì)量明顯提升，黏度降低。盧紅杰等［23］對(duì)印尼油砂的熱解油性質(zhì)進(jìn)行了考察，油品性質(zhì)較輕，汽柴油約占70%，熱解油的初餾點(diǎn)和終餾點(diǎn)分別為36℃和500℃。白翔等［21］對(duì)新疆托里油砂進(jìn)行分段熱解，發(fā)現(xiàn)油砂的熱解油品質(zhì)較好，芳香度較低，脂肪側(cè)鏈的平均長(zhǎng)度小于10個(gè)碳鏈，且支鏈化程度較低。油砂熱解油性質(zhì)優(yōu)良。李海英等［24］對(duì)熱解油進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析，其API度為27.9，十六烷值為51，閃點(diǎn)大于100℃，運(yùn)動(dòng)黏度為4mm2/s，可見其具有較好的發(fā)火性能、較好的流動(dòng)性和良好的安全性。液體產(chǎn)物中不含瀝青質(zhì)，而且氫碳比也比原料明顯提高［20］。

1.3固體產(chǎn)物

油砂熱解產(chǎn)生的焦炭與砂?；煸谝黄?，較難分離和利用，通常直接作為燃料給熱解反應(yīng)器提供熱量。不同終溫下的熱解半焦比表面積和比孔容變化趨勢(shì)相近，從100℃到400℃，比表面積先升后降再升高，但變化非常緩慢，300℃至450℃比表面積迅速增加，由此可以推斷此區(qū)間為油砂熱解高速率階段，550℃時(shí)比表面積呈緩慢下降趨勢(shì)，熱解速率降低，熱塑性物質(zhì)和有機(jī)物蒸氣再凝結(jié)阻塞了固體孔道，650℃之后，孔道再次打開，比表面積略有升高［22，25］。對(duì)熱解固體產(chǎn)物的研究有利于研究有機(jī)物蒸氣在油砂顆粒團(tuán)中的擴(kuò)散，縮短蒸氣在油砂顆粒團(tuán)孔道內(nèi)的停留時(shí)間，將有利于減少焦炭和干氣的產(chǎn)生。

1.4油砂中瀝青質(zhì)的熱解

按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4124-01［26］，油砂瀝青可分為飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，瀝青質(zhì)作為油砂瀝青中最主要的生焦組分，其相關(guān)研究是熱解過程的熱點(diǎn)。WANG等［27］通過分析瀝青質(zhì)熱解數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出焦炭收率和瀝青質(zhì)熱解轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系。ZHAO等［28］對(duì)瀝青質(zhì)的熱解構(gòu)建了二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，適用于較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間。

1.5油砂熱解動(dòng)力學(xué)

油砂熱解動(dòng)力學(xué)模型一般是從熱重?cái)?shù)據(jù)得到的，對(duì)動(dòng)力學(xué)的研究可以指導(dǎo)工業(yè)放大，通過對(duì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的分析，也可以推測(cè)出油砂熱解的性質(zhì)。目前普遍認(rèn)為油砂熱解模型可以用總包一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型很好的擬合［29-32］。隨著熱解升溫速率的提升，其熱解的活化能和指前因子都將變大。郭秀英等［33］比較了DEAM、FWO和Coats-Redfern 3種動(dòng)力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)DEAM和FWO模型對(duì)油砂熱解擬合較好，活化能的計(jì)算值比較接近，而Coats-Redfern模型的擬合度沒有前兩者高，其機(jī)理函數(shù)需要進(jìn)一步完善。

2　油砂熱解工藝

目前油砂熱解工藝研究和開發(fā)最關(guān)鍵是要提高熱解油品收率，減少有機(jī)蒸氣的二次反應(yīng)，減少在油砂瀝青膜層內(nèi)的結(jié)焦率，同時(shí)提升油品性質(zhì)。通過惰性氣體吹掃、降低壓力等方式縮短熱解產(chǎn)物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間防止過度裂解成干氣，以達(dá)到提高油品收率的目的。在氫氣的氣氛下進(jìn)行熱解，可以提升油品性質(zhì)。

2.1常壓干餾

常壓干餾是指常壓下，在隔絕空氣的情況下的熱解過程。干餾技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求較低，煤和油頁(yè)巖干餾工藝已工業(yè)化應(yīng)用，可借鑒的成熟工藝較多。王益民等［34］對(duì)哈薩克斯坦油砂進(jìn)行干餾實(shí)驗(yàn)，以10℃/min的升溫速率升溫至500℃干餾4h，其熱解產(chǎn)率達(dá)90%以上，且半焦中固定碳含量高于33%，可以作為鍋爐燃料加以利用。相比有載氣吹掃的熱解，常壓干餾產(chǎn)生的油汽在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，過度裂解程度加深，油品收率降低干氣增加，但由于其技術(shù)簡(jiǎn)單，能耗低，更易于工業(yè)化生產(chǎn)。

2.2惰性氣體保護(hù)熱解

在惰性氣體氣氛下（通常選氮?dú)庾鳛檩d氣），使原料與空氣隔絕，同時(shí)在載氣的稀釋和吹掃用下降低產(chǎn)物分壓并縮短產(chǎn)物停留時(shí)間，減少產(chǎn)物在氣相中聚合并能減少產(chǎn)物過度裂解生成干氣。孟猛［35］對(duì)圖牧吉油砂進(jìn)行氮?dú)鈿夥障碌臒峤鈱?shí)驗(yàn)，在520℃、系統(tǒng)壓力0.1MPa條件下，發(fā)現(xiàn)載氣流速只改變液體和氣體產(chǎn)物的之間的比例，對(duì)半焦和熱解水的產(chǎn)率影響不大，載氣流速的增加會(huì)增加液體產(chǎn)率降低氣體產(chǎn)率。孫楠等［31］通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)載氣流量太小不利于產(chǎn)物移出反應(yīng)器，在一定范圍內(nèi)增加載氣流量，熱解油的收率略有增加，但載氣流量過大會(huì)減少氣相產(chǎn)物在冷凝系統(tǒng)的停留時(shí)間，不利于氣相產(chǎn)物冷凝。惰性氣體保護(hù)熱解的缺點(diǎn)是載氣要在熱解反應(yīng)器中被加熱，在冷凝系統(tǒng)中被冷卻，并且要分離載氣和干氣，能耗較高，工藝復(fù)雜。

2.3加氫熱解

油砂的加氫熱解借鑒了石油煉制過程中的油品加氫思想，可以達(dá)到提質(zhì)增收的目的。孫楠［36］在不加入催化劑并在氫氣氛圍下對(duì)油砂進(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)壓力為2.0MPa，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，油砂在氫氣氣氛下的轉(zhuǎn)化率、油產(chǎn)率和水產(chǎn)率高于同條件下氮?dú)鈿夥障碌膶?shí)驗(yàn)結(jié)果，且油品的飽和分提高，芳香分和膠質(zhì)的含量降低，油品性質(zhì)更佳。張遲等［37］對(duì)比了新疆托里油砂的催化保護(hù)氣熱解和催化加氫熱解，結(jié)果表明加入NiO、ZnO和納米CuO等金屬氧化物催化劑可提升油砂油產(chǎn)率且有效降低熱解活化能。催化加氫有助于提高油品收率和提升油品質(zhì)量，但固體催化劑與熱解固體產(chǎn)物混合甚至結(jié)焦在一起很難分離和循環(huán)利用，經(jīng)濟(jì)性將制約油砂催化加氫工藝的發(fā)展，因此開發(fā)廉價(jià)且無需回收的催化劑將是加氫熱解的研究方向。同時(shí)，耦合熱解和催化加氫設(shè)備，將裂解產(chǎn)生的蒸氣直接加氫也是未來油砂熱解提質(zhì)的研究方向。

2.4減壓熱解

減壓熱解可以將氣相產(chǎn)物分壓降大幅度降低，最大限度地提高傳質(zhì)效率，同時(shí)在較低壓下產(chǎn)物沸點(diǎn)降低，更利于油砂瀝青從砂粒表面蒸發(fā)到氣相主體，且減壓有助于氣相產(chǎn)物移出熱解反應(yīng)器，縮短氣相產(chǎn)物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間。PAKDEL等［38］在絕壓0.1kPa、500℃下進(jìn)行了減壓熱解實(shí)驗(yàn)，熱解產(chǎn)物油品中瀝青質(zhì)含量?jī)H為2.2%，黏度適于輸送，且97.5%的瀝青質(zhì)被轉(zhuǎn)化為軟瀝青，僅有8%的油砂瀝青轉(zhuǎn)化為焦炭，減壓熱解后產(chǎn)物的氫碳比從1.49提升至1.51。減壓熱解以其高油品收率和低結(jié)焦量等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的關(guān)注，但減壓條件下固體油砂的進(jìn)料密封問題仍需進(jìn)一步研究，且減壓熱解對(duì)設(shè)備要求較高，這也阻礙了減壓熱解技術(shù)的工業(yè)化發(fā)展。

3　復(fù)合熱解工藝

考慮到熱解產(chǎn)物的分離和后續(xù)提質(zhì)過程，單一的熱解工藝不能滿足產(chǎn)品的初步分離和油砂瀝青的全部回收，將常壓和減壓熱解復(fù)合，甚至將熱解復(fù)合溶劑萃取的工藝，給油砂熱解技術(shù)提供了新的思路。

天津大學(xué)高鑫等［39］提出了一種油砂常減壓干餾復(fù)合熱裂解的煉制方法，油砂原料經(jīng)破碎干燥進(jìn)入常壓低溫干餾爐分離出低沸點(diǎn)組分，而后進(jìn)入減壓干餾爐分離出相對(duì)高沸點(diǎn)組分，常減壓過后的物料進(jìn)入常壓高溫?zé)峤鉅t，使常減壓干餾不能分離的組分通過高溫?zé)峤夥蛛x，液體產(chǎn)品在3個(gè)串聯(lián)的干餾爐內(nèi)分別收集，達(dá)到產(chǎn)物初步分離的目的。3個(gè)干餾爐的溫度逐級(jí)升高，可以合理利用不同品位的熱能，熱解產(chǎn)物收率較高，同時(shí)到達(dá)產(chǎn)品預(yù)分離和能源合理分配的目的。李鑫鋼等［40］提出了一種油砂常減壓復(fù)合溶劑萃取的方法，將破碎干燥后的物料進(jìn)行常減壓干餾，先后分離出油砂瀝青中的輕重組分。然后用少量溶劑將常減壓干餾后的固相產(chǎn)物中的重組分全部萃取出來，蒸發(fā)回收溶劑并分離出重瀝青，重瀝青可用于鋪設(shè)道路和作為建筑材料等瀝青產(chǎn)品。此工藝復(fù)合了常減壓熱解和溶劑萃取工藝，防止了熱解的結(jié)焦損耗，可以做到將油砂瀝青全部合理利用。

4　油砂熱解裝置

油砂熱解是一個(gè)高能耗的過程，從輕烴的汽化蒸發(fā)到熱解過程中的分子鍵斷裂，以及熱解同時(shí)不得不加熱油砂中的砂粒，因此能量的供給和合理利用問題將是熱解設(shè)備考慮的重點(diǎn)問題。關(guān)于煤和油頁(yè)巖的熱解設(shè)備研究相對(duì)成熟，有許多借鑒之處。油砂熱解設(shè)備從固定床、旋轉(zhuǎn)干餾床到流化床，朝著連續(xù)化、流態(tài)化、節(jié)能化、固體載熱體能量循環(huán)、能量自給化方向發(fā)展，以期不斷提高收率、降低過程能耗。

4.1固定床

固定床熱解設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，容易調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)部壓力和通入載氣，但不利于油砂床層內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱，難于連續(xù)化生產(chǎn)，一般用于實(shí)驗(yàn)室研究。固定床有橫置式［41-42］和豎直式［20,24］兩種。橫置式固定床熱解爐不易使樣品在反應(yīng)爐管內(nèi)分布均勻，反應(yīng)器內(nèi)由中部向兩端的溫度梯度也不利于樣品的均勻受熱，但傳質(zhì)表面相對(duì)于豎直式較大，且如果考慮到反應(yīng)器后期的旋轉(zhuǎn)流態(tài)化，橫置式反應(yīng)器更適用于旋轉(zhuǎn)流化床的前期研究。豎直式反應(yīng)器加料方便，原料集中在反應(yīng)器下部，受熱比較均勻。固定床油砂熱解設(shè)備一般通過載氣和減壓的方式來提高傳油品收率。

4.2旋轉(zhuǎn)干餾爐

旋轉(zhuǎn)干餾爐是目前研究最多的油砂熱解反應(yīng)器，油砂在反應(yīng)器內(nèi)被旋轉(zhuǎn)部件帶動(dòng)而呈現(xiàn)移動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到較好的傳質(zhì)和傳熱效果，因其操作方式簡(jiǎn)單易行，產(chǎn)品收率高，受熱均勻傳熱效率高，可用固體載熱體循環(huán)加熱，被視為最有工業(yè)化應(yīng)用前景的油砂熱解設(shè)備。

丁寶民等［43］開發(fā)了一種油砂干餾的旋轉(zhuǎn)爐分離裝置，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)包括可繞中心軸旋轉(zhuǎn)的水平裂解爐、爐內(nèi)壁推進(jìn)物料旋轉(zhuǎn)設(shè)置的推進(jìn)板、將爐內(nèi)物料翻起的揚(yáng)料板和拍落結(jié)焦物的拍板，物料進(jìn)口和裂解氣出口分別在兩側(cè)的側(cè)壁上，物料出口設(shè)在裂解爐的爐壁上，裂解氣出口設(shè)置擋板防止物料溢出。裂解爐在減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，通過推進(jìn)板將物料推入反應(yīng)器內(nèi)部，氣相產(chǎn)物通過裂解氣出口進(jìn)入冷卻器和三相分離器。在熱解的同時(shí)，通過拍板的拍打作用將結(jié)焦物拍落防止傳熱效率降低。

圖1　旋轉(zhuǎn)干餾爐［43］

王建［44］開發(fā)了一種油砂連續(xù)式低溫干餾裝置，油砂通過供料機(jī)并被粉碎進(jìn)入旋轉(zhuǎn)干餾爐，此干餾爐從進(jìn)口至出口、由高到低向下傾斜設(shè)置，傾斜角度為0.1°～5°，原料通過重力驅(qū)動(dòng)從進(jìn)口螺旋流向出口。干餾爐體外壁設(shè)有3個(gè)滾動(dòng)支撐光圈，通過驅(qū)動(dòng)齒圈實(shí)現(xiàn)爐體旋轉(zhuǎn)。爐體外壁底部均勻設(shè)有若干個(gè)燃燒器來為熱解供熱。出料封頭上端設(shè)有裂解氣相產(chǎn)物的油汽出口。此裝置利用傾斜的熱解爐使原料在反應(yīng)器內(nèi)移動(dòng)，且采用兩段加熱的方式來提高能源效率。

張毅等［45］開發(fā)了一種油砂熱解制備清潔燃料油的裝置。將破碎后的油砂和煤粉混合送入干燥設(shè)備，干燥后與來自焚燒爐的高溫載熱體混合進(jìn)入干餾爐進(jìn)行熱解。熱解產(chǎn)生的半焦與高溫焦?fàn)t氣和過量空氣在燃燒爐內(nèi)燃燒，燃燒產(chǎn)生的熱量用于加熱固體殘?jiān)瑫r(shí)產(chǎn)生煙氣，大部分固體殘?jiān)鳛楦邷剌d熱體循環(huán)回干餾爐，給熱解反應(yīng)提供熱量，煙氣和剩余的固體殘?jiān)M(jìn)入能量回收系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收。熱解產(chǎn)生的有機(jī)蒸氣和干氣在分餾塔內(nèi)進(jìn)行分離，液體產(chǎn)物從側(cè)線采出，焦?fàn)t氣送回燃燒爐。此設(shè)備利用砂粒作為高溫固體載熱體進(jìn)行加熱，同時(shí)利用了熱解產(chǎn)生的半焦燃燒所放出的熱量，能耗低，能源利用率高。但固體顆粒的循環(huán)會(huì)增加設(shè)備的輸送成本，要達(dá)到相同的處理量，固體載熱技術(shù)會(huì)大幅增大反應(yīng)器體積。

彰野間等［46］開發(fā)了一種外部加熱式回轉(zhuǎn)窯裝置，該裝置由內(nèi)外兩層筒體構(gòu)成，內(nèi)層筒體可水平旋轉(zhuǎn)，外層筒體固定不動(dòng)。物料在內(nèi)部筒體被熱解，加熱氣體在外部筒體進(jìn)行燃燒反應(yīng)為內(nèi)層筒體供熱。壓縮后的空氣噴射在內(nèi)層筒體的外壁，除去外壁的粉塵以增加傳熱。同時(shí)外層筒體分為多個(gè)區(qū)域，通過控制各個(gè)區(qū)域的加熱氣體流量可以實(shí)現(xiàn)控制各個(gè)區(qū)域的溫度，以達(dá)到合理優(yōu)化溫度分布的目的。

4.3流化床干餾爐

流化床技術(shù)因其良好的傳質(zhì)傳熱特性，在熱解領(lǐng)域也一直受到廣泛關(guān)注。流化床干餾爐按其加熱方式不同可分為固體熱載體型和氣體熱載體型。流化床干餾爐產(chǎn)品收率高，但設(shè)備復(fù)雜，裝置成本和維護(hù)成本較高。

中國(guó)石油大學(xué)盧春喜等［47］借鑒了石油煉制中的催化裂化流化床技術(shù)，將其應(yīng)用到油砂的直接流化床焦化中，裝置如圖2所示。該裝置主要包括焦化反應(yīng)器、稀相燒焦管、密相燒焦反應(yīng)器、汽提器和旋風(fēng)分離器等部分。原料預(yù)熱后進(jìn)入焦化反應(yīng)器，與固體熱載體混合，焦化反應(yīng)器下部通入干氣使固體顆粒呈流化狀態(tài)，原料與熱載體充分接觸換熱并進(jìn)行熱解反應(yīng)，氣相產(chǎn)物經(jīng)多級(jí)旋風(fēng)分離器除塵后進(jìn)入分餾和吸收穩(wěn)定系統(tǒng)。焦炭經(jīng)汽提后與煤粉同時(shí)進(jìn)入稀相燒焦管在空氣的提升作用下進(jìn)行燃燒反應(yīng)，而后進(jìn)入密相燒焦反應(yīng)器中繼續(xù)燃燒，產(chǎn)生的煙氣經(jīng)旋風(fēng)分離器除塵后進(jìn)入凈化換熱系統(tǒng)，燃燒后的固體產(chǎn)物一部分回到焦化反應(yīng)器作為固體熱載體為熱解提供熱量，另一部分取熱后排出。油砂的直接流化熱解裝置在流化狀態(tài)下進(jìn)行熱解反應(yīng)，傳質(zhì)傳熱效果較好，能源利用率較高，連續(xù)操作性強(qiáng)，但設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)成本較高，目前未見有工業(yè)裝置應(yīng)用。

圖2　油砂熱解直接流化床［47］

毛少祥等［48］開發(fā)了一種氣體熱載體流化床煤粉熱解裝置，原料在流化床熱解爐中被高溫氣體流化同時(shí)進(jìn)行換熱并熱解，熱解產(chǎn)生的蒸氣經(jīng)兩級(jí)旋風(fēng)分離器和高溫除塵器后冷卻分相，液相產(chǎn)物靜置使油水分層，未被冷凝的干氣一部分被壓縮送入高溫加熱爐，將干氣加熱至900℃后送入流化床，使原料流化并且與原料換熱引發(fā)熱解反應(yīng)。干氣中含有氫氣，在熱解的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了一定程度上的加氫作用。此系統(tǒng)除塵效率高于98%，焦油含塵量低于0.1%。該裝置使原料呈流化態(tài)，提高了油品收率，同時(shí)用氣體作為熱載體提高了傳熱效率，避免了固體熱載體反應(yīng)器較大的固體循環(huán)量，但氣體比熱較低，此裝置需要維持較大的氣體循環(huán)量。

韓向新等［49］開發(fā)了一種氣固組合載熱流化床干餾裝置，該流化床干餾裝置分為高溫區(qū)和低溫區(qū)，原料首先進(jìn)入低溫區(qū)，然后從低溫區(qū)溢流到高溫區(qū)。低溫區(qū)主要靠循環(huán)的瓦斯氣體供熱，熱解煙塵輔助供熱，高溫區(qū)的供熱方式則正好相反。熱解后的固體從高溫區(qū)溢流到半焦循環(huán)流化床，在其中燃燒放熱產(chǎn)生的煙塵回到干餾裝置為反應(yīng)供熱。該裝置充分利用了固體煙塵和氣體的余熱，并將反應(yīng)器分為高低溫兩區(qū)，實(shí)現(xiàn)了不同品位熱源的合理分配利用，但該裝置同時(shí)循環(huán)了煙塵和瓦斯氣，操作復(fù)雜。

圖3　ATP裝置示意圖［50］

4.4Alberta Taciuk Process（ATP）裝置

TACIUK［50］在1977年開發(fā)了一種油砂干餾工藝及設(shè)備，即Alberta Taciuk Process（ATP）干餾裝置，如圖3所示。ATP熱解爐將干燥、熱解、燃燒、物料循環(huán)和冷卻等單元集中到了一個(gè)多腔體的水平熱解爐內(nèi)。ATP熱解爐主要分為內(nèi)程和殼程，熱解原料走內(nèi)程，

熱解后的半焦以及燃燒產(chǎn)生的煙道氣走殼程，以給內(nèi)程供熱。原料經(jīng)預(yù)熱區(qū)（250℃）進(jìn)入熱解區(qū)（500～550℃）進(jìn)行熱解，熱解的氣相產(chǎn)物通過管路被吸出進(jìn)入冷凝裝置，熱解之后的半焦進(jìn)入殼程的燃燒區(qū)（750～800℃）進(jìn)行燃燒并產(chǎn)生煙氣，燃燒產(chǎn)生的熱量給熱解區(qū)供熱，同時(shí)產(chǎn)生的煙氣和燃燒后的固體殘?jiān)跉こ棠媪?，給原料預(yù)熱。ATP裝置在撫順已應(yīng)用于油頁(yè)巖熱解的工業(yè)化生產(chǎn)［51］，其日處理能力可達(dá)6000t。ATP干餾爐實(shí)現(xiàn)了能量超過80%的自給自足和高效利用，有較高的油品收率，自動(dòng)化程度較高。但由于其設(shè)備復(fù)雜，維修成本高，一直未被油砂工業(yè)所采用，簡(jiǎn)化或者提高ATP熱解爐的經(jīng)濟(jì)性將有利于此裝置的工業(yè)化應(yīng)用。

5　結(jié) 語(yǔ)

油砂熱解技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多年的研究歷史，并且因其簡(jiǎn)單易于工業(yè)化對(duì)環(huán)境污染較小，進(jìn)而得到越來越多的關(guān)注。通過對(duì)油砂熱解的基礎(chǔ)研究來看，產(chǎn)物的性質(zhì)方面的研究較為全面，用總包一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型可以對(duì)熱解動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行很好得擬合。

目前對(duì)油砂的熱解加工工藝的研究比較多元化，側(cè)重點(diǎn)均有所不同，有些側(cè)重提高油品收率，有些側(cè)重提升油品質(zhì)量，但兩者在單一反應(yīng)器內(nèi)一般很難同時(shí)滿足。熱解是一個(gè)消耗能量來實(shí)現(xiàn)油和砂分離的工藝，所以耦合熱解和后序的油品提質(zhì)分離工藝將不以犧牲油品收率為代價(jià)提升油品質(zhì)量，同時(shí)可降低整體能耗。

通過不同形式的油砂熱解設(shè)備的對(duì)比可以看出，各種熱解設(shè)備各有優(yōu)劣之處，固定床適用于實(shí)驗(yàn)室的研究，旋轉(zhuǎn)干餾爐熱解的研究相對(duì)較多也更有工業(yè)前景，流化床干餾技術(shù)因其良好的傳質(zhì)傳熱特性也受到廣泛關(guān)注。ATP熱解裝置能源利用率和自動(dòng)化程度較高，適用于連續(xù)生產(chǎn)。進(jìn)一步減少熱解設(shè)備的能耗，將使熱解技術(shù)具有更強(qiáng)的工業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)力。

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Status and commentary of research and development on oil sand pyrolysis characteristics with technology and equipment

MA Xiaolong1，ZHANG Zisheng1，GAO Xin1，2，3，LI Xingang1，2，3
（1School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2National Engineering Research Centre of Distillation Technology，Tianjin 300072，China；3Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering，Tianjin 300072，China）

Oil sand is a kind of unconventional oil resources and the pyrolysis technique of oil sand is suitable for industrial application. In this paper the fundamental research of oil sand pyrolysis was summarized，including the three stages of oil sand pyrolysis，properties of gaseous，liquid and solid products and various pyrolysis kinetic models of oil sand. Atmospheric retorting，pyrolysis under inert gas，hydropyrolysis，vacuum pyrolysis and combined pyrolysis technology were analyzed. The effects on the products yields and characteristics of different pyrolysis technologies were reviewed. The pyrolysis equipment were summarized，including fixed bed reactor，rotary retort，fluidized-bed retort and Alberta Taciuk Process （ATP）reactor. And special emphasis was placed on the rotary and fluidized-bed retorts using different ways of heat carrier and energy recovery. From the perspective of energy efficiency，the advantages and disadvantages of different technologies and equipments were analyzed by comparison. It was indicated that reducing energy consumption and improving energy efficiency were the key problems of pyrolysis technologies. Furthermore，the rotary and fluidized-bed retorts were more suitable for industrial application.

oil sand；pyrolysis；technology；reactors；rotary retort；fluidized-bed

TE 09

A

1000-6613（2016）10-3484-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.015

2016-03-31；修改稿日期：2016-06-10。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21336007）。

馬小龍（1989—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛蜕盁峤狻-mail longmx0414@163.com。聯(lián)系人：高鑫，副教授。E-mail gaoxin@tju.edu.cn。