小颗粒油页岩热裂解工艺及其影响因素

小颗粒油页岩热裂解工艺及其影响因素

耿卫华

南京诚志清洁能源有限公司，江苏省南京市江北新区，210047

摘要:根据中国小型油页岩开发的情况，采用自制的流化床热裂解设备，进行了以油页岩为原料生产页岩油的实验，并采用正交实验方法，得到了最佳的生产工艺参数。试验结果显示，在最佳的生产工艺条件下，该方法的收率约为5%。因此，流化床热裂解技术是一种新的生产小颗粒油页岩制取石油的新途径。

关键词：小颗粒；油页岩；热裂解工艺；影响因素

本世纪中期，能源危机是一个严峻的挑战。根据资料显示，按照当前的开发程度，可以开发出100年以上的煤炭，30~40年，50~60年的天然气。目前，我国一次能源消费仅排在美国之后，已跃居全球第二位，寻找可再生能源是当前的一个重大问题。油页岩是一种具有潜力的重要能源，它的蕴藏量很大，如果换算成发热，它的储量排在煤炭之后，排在第二。通过对油页岩进行热裂解生产，可以使油页岩变成页岩油及其它高附加值产品，实现资源综合利用，变废为宝，社会效益非常明显。

1.当前国内现状

油页岩是一种有潜力的重要能源，其蕴藏量很大，如果换算成发热，其储量仅次于煤炭，排在第二位。美国，日本，澳大利亚，巴西，约旦，瑞典，已经对石油页岩的性质和能源使用作了大量的研究，并且把油页岩作为21世纪的重要补充能源。

中国目前已探明和预测的石油页岩资源总量为4832亿吨，在全球排名第四。吉林省油页岩资源总量为499吨，其中已列入储量表的7个，储量为174.5 Gt，在中国排在第一位。目前，中国主要是通过蒸馏技术从大块油页岩中提炼出页岩油，而在干馏过程中残留的小颗粒油页岩则被废弃，而国外仅有几个国家能够利用这种技术生产小颗粒油页岩，而我国的小颗粒油页岩生产技术尚处在摸索阶段，因此，本文通过应用流化床快速热裂解技术，实现油泥尾料的充分利用，这对中国石油页岩的开发利用，以及缓解我国石油资源短缺的现状具有十分重要的意义。

2.小颗粒油页岩热裂解工艺

本文采用自制的小型油页岩热解实验设备，采用流化床作为主要原料进行了实验研究。本设备是目前国内最大的一台流化床反应器，处理能力达20 kg/b，经过反复的调整和改良，可以保证各种工作条件下的连续工作，可以确保实验数据的精确度。该实验设备包括螺旋进料、流化床反应器、产品回收系统和附属设备。

实验中，作者选择了氮气作惰性气流。以石英砂为床料，反应后的固相物以灰份为主，而液相则以不凝结裂解气、水蒸气等页岩气为主。油页岩热裂解所需要的热量，主要来自于三个4 W电阻线，它们围绕着流化床反应器外部的高铝陶瓷螺旋管，三个热电偶用于监测反应器内部的不同温度。从气相路径和固相通道可以看出，在气相通道中，从氮气瓶流出的氮气分成四个通道，最大的氮气是流化风，其他三个通道分别用作压料风、下料风和撒料风，以确保油页岩原料的安全通过，三路氮气与油页岩原料一起流入流化床。将小型油页岩在反应器中瞬间加热至反应温度，其升温速度约为100℃/小时，经旋风分离器后，大部分可凝结的挥发份被浓缩为页岩油，并被储存在集油罐中，其余的不能凝结或未凝结的裂解气和氮气一起通过棉绒过滤装置排放。在固相通道中，以一定的进料速度将油页岩粉送入流化床，将灰分经向上流动的气流送入旋流室进行分离，再将其回收。

3. 小颗粒油页岩热裂解工艺主要影响

3.1压力

压强的高低会对气相滞留时间产生一定的影响，进而影响到二次裂化，进而影响到裂解产品的产率。压力越大，则挥发物的滞留时间越长，二次裂化越大，而压力越小，则越容易脱离颗粒，抑制二次裂化，提高产率，因而对油页岩的热裂化是不利的。结合流化床的特点，在这个实验中，流化风是通过一个加压气体瓶来供给的，整个系统是一个小正压，所以可以忽略压力对工艺的影响。

3.2反应温度

油页岩的热裂解产物和非凝结气体成分受反应温度的影响较大，而小粒油页岩的产油率也存在差异。通过对国内外有关资料的分析，发现温度是影响热解反应的重要因素，随着反应温度的增加，固相产物的含量会逐渐降低，但最后会达到某一数值。而在气相产品中，随着温度的升高，产率逐渐提高，最后也会达到某一数值。本文提出用400~550℃的正交实验来测定油页岩最大产率的温度。

3.3给料速率

供料率对页岩油的产率也有较大的影响，其原因在于，在供料率较低的情况下，油岩页裂解气会产生二次化学反应，进而导致产率下降。但如果供料率太高，则原料加热速度较慢，因此，在流化床中，油页岩中的挥发性成分尚未完全沉淀，就会随着流化气（氮）进入集碳罐，从而导致页岩油的产出下降。

3.4原料粒径

油页岩的粒度是影响热解实验能否进行的重要因素之一。由于颗粒尺寸太大，油页岩在流化床内的热解未完成就会被吹到煤焦炉内，导致产率下降。另外，未充分热裂化的油页岩，在离开流化床反应器后，很容易粘附在炉膛内，造成热裂解装置发生阻塞。油页岩颗粒大小是影响其热裂化程度的重要因素。

3.5流化风速

流化速度对热解过程的影响主要取决于停留时间。通常仅考虑气相滞留时间，其大致与反应器容积与气体体积流率的比率相等。流化速度很低，床层不能充分流动，换热效率低。当流化速率增加到一定程度时，将石英砂从反应器中喷出，并将其送入碳罐，这个数值叫做砂粒的夹持速率，而当砂粒到达充分流化时，则称为临界流速。因此，沙粒和油页岩的混合流化速率应该在两个范围内，以满足快速热裂解液化工艺中的滞留时间，流化风速稍高于临界流化速率。

进料速度对页岩油产率的影响是继颗粒直径后的一个重要因素，其最佳进料率为14 kgb，这主要是由于供料率较低时会产生二次化学反应，导致产率下降。但如果进料速率太高，则进料速率较低，在流化床中，油页岩中的挥发份尚未完全沉淀，就会随着流化气（氮）进入集碳罐，从而导致页岩油的产出下降。结果表明，在最佳进料速度和进料粒度下，可使油页岩中的挥发性成分完全析出，并且很少出现大分子物质二次分解。

4.结论

中国石油页岩资源十分丰富，但其尾矿利用率不高，因此，采用小粒油页岩进行热裂解生产是提高其利用效率的有利条件。以不同工作状态的产量为指标，采用正交实验法对其进行了优化，得到了最佳的生产工艺参数：0.47"米，进料速度14 kB/h，反应温度450-500℃。在优化的工艺条件下，可获得约5%的产率。以450~500℃为最佳反应温度，较采用蒸馏装置生产页岩油时，降低了总能耗，降低了生产页岩油的成本，为开发小粒油页岩制油提供了一条新途径。

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