油頁(yè)巖干餾工藝熱載體特性研究

許輝，張霜，榮青山

（1.撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究中心，遼寧撫順113009；2.中國(guó)石油撫順石化洗化廠，遼寧撫順113003）

20世紀(jì)初的撫順干餾工藝中，回收系統(tǒng)終溫高，收油率較低，也沒(méi)有余熱利用的理念。系統(tǒng)中無(wú)電捕塔工段，沒(méi)有電場(chǎng)力收集氣態(tài)汽油工段，對(duì)瓦斯氧含量安全性分析不足。在全國(guó)各地的油頁(yè)巖煉油廠中，幾乎照搬了撫順早期工藝設(shè)計(jì)和裝置的生產(chǎn)操作，出現(xiàn)局部設(shè)計(jì)不合理拉低整個(gè)系統(tǒng)效率的現(xiàn)象，也出現(xiàn)加熱爐閃爆等生產(chǎn)事故［1］。

經(jīng)過(guò)10 a的發(fā)展，撫順干餾工藝取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，進(jìn)一步利用能源，并更加高效、環(huán)保。主要體現(xiàn)在氣體熱載體的3個(gè)特性（熱載體能量分布特性、熱載體余熱利用特性、熱載體爆炸極限特性）的深入研究［2～4］，使得工藝核心內(nèi)容飽滿，也使工程化轉(zhuǎn)化更加實(shí)用、設(shè)計(jì)更精細(xì)，系統(tǒng)安全性更高。

1 熱載體能量分布特性研究

1.1 3種熱載體流程簡(jiǎn)述

撫順工藝回收系統(tǒng)經(jīng)歷了3代具有代表性的技術(shù)變革，其變革路線為“半負(fù)壓”、“全負(fù)壓”、“半負(fù)壓改良版”3種工藝流程。最終實(shí)現(xiàn)了降低運(yùn)行成本，提升產(chǎn)油率，節(jié)能環(huán)保的目的，是現(xiàn)階段最佳工藝流程。其中最為明顯的變化是：（1）回收冷凝系統(tǒng)終溫降低；（2）熱載體利用方式變化；（3）系統(tǒng)效能提高［5，6］。

第1代回收系統(tǒng)采用“半負(fù)壓”流程，特點(diǎn)是循環(huán)瓦斯在較高溫度下進(jìn)加熱爐，一部分回收設(shè)備處于負(fù)壓操作，一部分處于正壓操作。

半負(fù)壓工藝是初代撫順干餾工藝技術(shù)，其瓦斯排送機(jī)的入口參數(shù)大致為溫度80℃，露點(diǎn)溫度80℃，熱載體經(jīng)過(guò)瓦斯風(fēng)機(jī)后進(jìn)入加熱爐，與加熱爐內(nèi)部蓄熱磚換熱以后后進(jìn)入干餾爐，對(duì)頁(yè)巖加熱，到爐出口為溫度100℃，露點(diǎn)溫度為87℃，再進(jìn)入回收系統(tǒng)，完成熱載體的循環(huán)過(guò)程［7］。半負(fù)壓流程工藝見(jiàn)圖1。

圖1 半負(fù)壓工藝流程

第2代回收系統(tǒng)采用“全負(fù)壓”流程，特點(diǎn)是循環(huán)瓦斯在回收終溫下進(jìn)加熱爐，使全部回收設(shè)備處于負(fù)壓操作［8］。瓦斯排送機(jī)的入口參數(shù)大致為溫度45℃，露點(diǎn)溫度45℃，熱載體經(jīng)瓦斯風(fēng)機(jī)后進(jìn)入加熱爐，與加熱爐內(nèi)部蓄熱磚換熱后進(jìn)入干餾爐，對(duì)頁(yè)巖加熱，到爐出口為溫度100℃，露點(diǎn)溫度為70℃，再進(jìn)入回收系統(tǒng)，完成熱載體循環(huán)過(guò)程，流程見(jiàn)圖2。

圖2 全負(fù)壓工藝流程

第3代回收系統(tǒng)采用“半負(fù)壓改良版”流程，特點(diǎn)將全部回收設(shè)備處于負(fù)壓操作，正壓段增設(shè)循環(huán)瓦斯飽和塔，使循環(huán)瓦斯在含油量低，含水量高，較高溫度下進(jìn)加熱爐。其瓦斯在冷卻到45℃后，經(jīng)瓦斯風(fēng)機(jī)進(jìn)入增濕塔（瓦斯洗滌飽和塔），塔出口溫度約為68℃，露點(diǎn)溫度68℃，熱載體經(jīng)瓦斯風(fēng)機(jī)后進(jìn)入加熱爐，與加熱爐內(nèi)蓄熱磚換熱后進(jìn)入干餾爐，對(duì)頁(yè)巖加熱，到爐出口為溫度100℃，露點(diǎn)溫度為78℃，再進(jìn)入回收系統(tǒng)，完成熱載體循環(huán)過(guò)程［9］，半負(fù)壓改良版工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 半負(fù)壓改良版工藝流程

1.2 熱載體不同工藝過(guò)程工況計(jì)算

3種不同工藝中，都是以滿足干餾爐供熱為基準(zhǔn)，需要注意的是對(duì)比熱載體量的供熱（即循環(huán)瓦斯經(jīng)過(guò)加熱爐帶入的熱量減掉相應(yīng)的瓦斯量從干餾爐出口帶的熱量），并且干餾爐出口的瓦斯中水是以水蒸氣的形式存在而不是液態(tài)水，不發(fā)生相變，不產(chǎn)生相變熱。干餾瓦斯干氣的組成見(jiàn)表1。

表1 瓦斯干氣體積組成/%

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，查找相關(guān)物性手冊(cè)計(jì)算出標(biāo)態(tài)下干瓦斯氣密度為1.26 kg/Nm3，其在45℃時(shí)的比熱容為1.109 kJ/kg·℃，68℃時(shí)的比熱容為1.122 kJ/kg·℃，80℃時(shí)的比熱容1.128 kJ/kg·℃，100℃時(shí)的比熱容為1.138 kJ/kg·℃，680℃時(shí)的比熱容為1.317 kJ/kg·℃。根據(jù)不同溫度下水蒸氣在瓦斯中的分壓，得出其露點(diǎn)溫度，并查表可得不同露點(diǎn)溫度下水蒸氣的含量。以循環(huán)瓦斯進(jìn)出干餾爐的熱量差計(jì)算其對(duì)干餾爐的供熱量［10］。

在3種工況下，保持干餾爐供熱不變，以工況1為基準(zhǔn)，利用計(jì)算機(jī)編程，采用試差法計(jì)算出其余2個(gè)工況的參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 3種工況熱載體性能對(duì)比

1.3 數(shù)據(jù)分析及說(shuō)明

在撫順式油頁(yè)巖干餾工藝中，回收系統(tǒng)的冷卻終溫越低，其油品回收率越高，瓦斯凈化效果越好，工藝上如何合理利用這一特性，如何最大程度節(jié)能降耗，是研究重點(diǎn)。

（1）從計(jì)算中可以看出，干餾爐被熱載體加熱得到的熱量基本為37 000 GJ/h，即都保證了干餾供熱穩(wěn)定。在3種工況中，循環(huán)瓦斯被回收系統(tǒng)冷卻凈化后得到了溫度和露點(diǎn)溫度不同的3種冷循環(huán)瓦斯，其干瓦斯、水蒸氣的含量都不同，所帶顯熱也不同。45℃終溫進(jìn)加熱爐的熱負(fù)荷最高，比其它2種工況多出2 GJ/h，增加了燃料消耗。

（2）3種冷循環(huán)瓦斯中冷卻終溫越低，其進(jìn)加熱爐體積流量越小，表現(xiàn)的工藝特性為系統(tǒng)阻力小，瓦斯風(fēng)機(jī)電耗小，即全負(fù)壓版節(jié)電效果最好。

（3）45℃終溫帶來(lái)的回收系統(tǒng)熱負(fù)荷絕對(duì)值增加大，增加涼水塔運(yùn)行成本，并產(chǎn)生大量干餾污水，增加污水治理成本。采用半負(fù)壓改良版工藝，利用增設(shè)的瓦斯洗滌飽和塔，將已經(jīng)冷卻到45℃終溫的瓦斯再次飽和到68℃，增加了瓦斯溫度和攜帶水蒸氣量，既收集到全負(fù)壓工藝中的油品，又得到近似半負(fù)壓工藝中的熱載體性能，是最佳的工藝路線。

2 熱載體余熱利用研究

2.1 熱載體余熱來(lái)源

撫順礦業(yè)集團(tuán)新建干餾裝置采用的“半負(fù)壓改良版”工藝，是目前最新的干餾產(chǎn)物凈化回收技術(shù)綜合體現(xiàn)。

干餾產(chǎn)物從干餾爐出口導(dǎo)出，溫度在100℃左右，其中包含大量瓦斯氣體、水蒸氣、頁(yè)巖油、粉塵，經(jīng)過(guò)回收系統(tǒng)的凈化冷凝，最終成為45℃的不含油的飽和瓦斯氣體，在此過(guò)程中瓦斯從100℃降低45℃放出大量的余熱，如果余熱可以回收利用，可以節(jié)省蒸汽鍋爐的運(yùn)營(yíng)成本，提高系統(tǒng)的能效利用水平。

2.2 余熱回收工藝

余熱利用的工藝集中在油品回收系統(tǒng)中，爐出口產(chǎn)物進(jìn)入集合管—?dú)庖悍蛛x器循環(huán)水洗滌系統(tǒng)，此單元是等焓降溫過(guò)程，大量的粉塵和頁(yè)巖油被洗滌下來(lái)，使?fàn)t出口的瓦斯成為水汽飽和狀態(tài)，溫度略有降低。然后瓦斯進(jìn)入空氣飽和洗滌塔，塔分為2段，上段是飽和段，下段是洗滌段，上下2段氣體以水封斷開(kāi)，利用循環(huán)水作為換熱媒介，將瓦斯中的熱能回收到空氣中，使環(huán)境溫度的空氣升高為80℃左右的飽和空氣，飽和空氣再進(jìn)入到干餾爐中進(jìn)行氣化段反應(yīng)。

此過(guò)程瓦斯降溫10℃左右，是余熱利用的第1個(gè)環(huán)節(jié)?？諝馑隹谕咚菇禐?8℃進(jìn)入瓦斯飽和洗滌塔，該塔功能和空氣塔一致，將余熱回收到凈化后的熱載體中，使冷循環(huán)瓦斯從45℃升溫至70℃左右，節(jié)省加熱爐的燃料，是余熱利用的第2個(gè)環(huán)節(jié)。

瓦斯塔出口瓦斯降溫至67℃，進(jìn)入間冷塔，殼程流通熱瓦斯，管程流通循環(huán)水，通過(guò)間接冷卻的方式使瓦斯降溫到40℃左右，而這部分水與熱泵系統(tǒng)連接，或者與換熱器連接，可得到干凈高溫?zé)崴?，可提供供暖熱水、洗澡水、等潔凈熱能產(chǎn)品。

2.3 余熱回收統(tǒng)計(jì)

回收系統(tǒng)通過(guò)3道工序：空氣飽和塔、瓦斯飽和塔、間冷塔，使瓦斯溫度逐漸遞減，將干餾爐出口的熱能高效回收，1個(gè)生產(chǎn)單元有20臺(tái)干餾爐，其回收余熱數(shù)值見(jiàn)表3、4。

表3 余熱回收計(jì)算表

表4 余熱回收統(tǒng)計(jì)表

2.4 數(shù)據(jù)分析及說(shuō)明

隨著撫順干餾工藝不斷發(fā)展，其爐出口產(chǎn)物的余熱回收越來(lái)越高效，1個(gè)生產(chǎn)單元20臺(tái)干餾爐，1套回收系統(tǒng)，可回收標(biāo)準(zhǔn)煤6 299 t/a的能量。

（1）第1級(jí)能量回收工段為空氣飽和塔工段，余熱回收標(biāo)準(zhǔn)煤3 527 t/a，占總余熱回收的55.99%，需要說(shuō)明的是干餾爐生產(chǎn)需要80℃左右的飽和空氣，因此需要干空氣和比80℃溫度高的熱水傳熱傳質(zhì)得到，空氣塔正好能夠提供熱源；

（2）第2級(jí)能量回收工段是瓦斯飽和塔工段，干餾產(chǎn)物完全凈化回收后溫度為45℃，1支路作為燃料進(jìn)加熱爐燃燒室燃燒，另1支路作為熱載體進(jìn)入加熱爐蓄熱室換熱，在進(jìn)蓄熱室前，通入瓦斯飽和塔，與循環(huán)洗滌水傳熱傳質(zhì)，得到72℃的飽和循環(huán)瓦斯，再進(jìn)入蓄熱室，這樣減少4.9 GJ/h的加熱爐負(fù)荷，同時(shí)增加熱載體中水蒸氣量，對(duì)比全負(fù)壓工藝，可以省下1套涼水系統(tǒng)，有效減少軟化水水耗及相關(guān)能耗。

（3）第3級(jí)能量回收工段是間冷塔工段，此時(shí)熱源溫度已經(jīng)降為67℃，其回收到的余熱已經(jīng)無(wú)法被干餾系統(tǒng)利用，但是可以通過(guò)間接換熱的方式得到干凈的高溫?zé)崴?，可以直接銷(xiāo)售，也可以通過(guò)外網(wǎng)換熱實(shí)現(xiàn)廠區(qū)外的冬季供暖。

3 熱載體爆炸極限研究

3.1 干瓦斯氣爆炸極限

油頁(yè)巖干餾系統(tǒng)中的瓦斯溫度不同，含水量也不同，含水量最低是露點(diǎn)溫度為40℃時(shí)，即回收終溫工況下。水的存在，使爆炸極限范圍減小，水分子（或水滴）與自由基或自由原子碰撞而使其失去反應(yīng)活性，導(dǎo)致瓦斯爆炸反應(yīng)能力下降。在計(jì)算瓦斯爆炸極限時(shí)，計(jì)算結(jié)果是干氣的爆炸極限。

3.2 瓦斯爆炸極限的計(jì)算

一般采用萊—夏特爾公式計(jì)算混合可燃?xì)怏w的爆炸極限。干餾瓦斯中含有氮?dú)夂投趸?，屬于惰性氣體，仍然可以用萊—夏特爾公式，但需要將每種惰性氣體與1種可燃組分氣體編為1組，將該組氣體看成1種新的可燃?xì)怏w成分。此時(shí)，該新組分在混合氣體中的體積分?jǐn)?shù)為惰性氣體和可燃組分氣體之和。以表1中瓦斯組成為基準(zhǔn)，將CO2與CO設(shè)為第1組，代號(hào)混合氣1，混合氣1的體積分?jǐn)?shù)為8.94%+14.57%=23.51%；將N2和H2設(shè)為第2組，代號(hào)為混合氣2，混合氣2的體積分?jǐn)?shù)為14.20%+58.30%=72.50%；CH4和C2H4作為獨(dú)立的第3組和第4組。轉(zhuǎn)換結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 惰性氣體轉(zhuǎn)換后的瓦斯干氣體積組成/%

混合氣1的爆炸極限是42%～62%，混合氣2的爆炸極限是22%～78%，CH4的爆炸極限是4.9%～15%，C2H4的爆炸極限2.75%～34%。根據(jù)萊—夏特爾公式得出混合氣在空氣中的爆炸極限。

3.3 數(shù)據(jù)分析及說(shuō)明

通過(guò)上述過(guò)程計(jì)算出常溫、常壓空氣中的瓦斯爆炸極限為20.53%～65.45%，干餾瓦斯在回收系統(tǒng)部分處于負(fù)壓工段，出現(xiàn)漏損后空氣會(huì)被吸進(jìn)系統(tǒng)。在此工段設(shè)有氧氣在線檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)瓦斯的氧含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并設(shè)有報(bào)警和電捕塔斷電聯(lián)鎖系統(tǒng)，防止產(chǎn)生爆炸事故。

當(dāng)開(kāi)始出現(xiàn)吸進(jìn)空氣時(shí)，管道內(nèi)處于可燃?xì)膺^(guò)量區(qū)，繼續(xù)吸入空氣，首先會(huì)達(dá)到瓦斯氣的爆炸極限上限，即瓦斯含量降低到65.45%，吸入空氣為100%-65.45%=34.55%。此時(shí)管道內(nèi)氧氣含量是34.55%×21%=7.26%。說(shuō)明當(dāng)氧氣含量達(dá)到7.26%時(shí)，管道內(nèi)氣體將不再是惰化狀態(tài)，接觸到一定能量后即有爆炸的危險(xiǎn)，生產(chǎn)中要嚴(yán)格監(jiān)控。

文中以撫順干餾工藝近10年來(lái)發(fā)展技術(shù)積累為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)形式直觀的表示其技術(shù)要點(diǎn)，原料為撫順油頁(yè)巖，其數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用到其它礦區(qū)上。油頁(yè)巖工藝如采用手算，工作量龐大且復(fù)雜，最好采用計(jì)算機(jī)編程或者Aspen等工業(yè)軟件完成。

文中只討論了氣體熱載體特性的3個(gè)要素，其工藝細(xì)節(jié)處還有很多值得研究的內(nèi)容，如瓦斯中油、水、塵的3相分離，各個(gè)塔內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形式等，有待繼續(xù)探索總結(jié)。

4 結(jié)論

（1）循環(huán)瓦斯作為氣體熱載體使用，在回收系統(tǒng)末端溫度越低越好，這樣瓦斯內(nèi)含水氣量最小，除油效果最好，進(jìn)入瓦斯風(fēng)機(jī)的流量最小，風(fēng)機(jī)負(fù)荷最低。

循環(huán)瓦斯作為熱載體在進(jìn)加熱爐時(shí)含水量越高越好，含水量越高，其單位體積攜帶的熱能越高，同時(shí)也能增加本身的顯熱，節(jié)省加熱爐的燃料。循環(huán)瓦斯在進(jìn)干餾爐時(shí)也是含水量越高越好，熱載體中的水蒸氣進(jìn)入干餾爐供熱，從干餾爐出口導(dǎo)出為90℃～100℃的水蒸氣，帶有大量的相變熱，為洗滌飽和塔的飽和段提供熱能。

（2）熱載體余熱回收的過(guò)程是干餾產(chǎn)物降溫的過(guò)程，要清晰認(rèn)識(shí)到利用循環(huán)洗滌水傳質(zhì)傳熱，突出“降溫為輔，飽和為主”的設(shè)計(jì)思維，先充分的利用余熱，使熱量回到干餾爐中，再將無(wú)法回收余熱的干餾瓦斯降溫收油。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，空氣塔和瓦斯塔合計(jì)回收約80%的余熱，這些能量被回用到生產(chǎn)裝置系統(tǒng)中，間冷塔回收約20%的余熱用于系統(tǒng)外。

（3）熱載體是1種含有惰性氣體的可燃?xì)饣旌衔?，在噴淋水洗回收系統(tǒng)中，干餾瓦斯在降溫的過(guò)程中始終是水汽飽和狀態(tài)，水汽也具有惰性化功能，所以生產(chǎn)中可用干氣的爆炸極限代替濕瓦斯氣的爆炸極限用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

需要注意的是氣體在工藝運(yùn)行中氧含量的檢測(cè)具有一定滯后性，所以氧在線報(bào)警設(shè)氧氣含量達(dá)到1%的時(shí)候給出報(bào)警，達(dá)到4%時(shí)電捕塔會(huì)自動(dòng)斷電，不允許氧含量接近管道內(nèi)瓦斯的爆炸極限（7.26%），只要瓦斯中出現(xiàn)氧氣，就進(jìn)行生產(chǎn)參數(shù)調(diào)節(jié)，如果調(diào)節(jié)不起效果，需要整套裝置停止運(yùn)行，進(jìn)行密閉性檢查。