油页岩固体热载体综合利用系统工艺模拟

柏静儒，白 章，2，王 擎，贾 嘉

（1.东北电力大学 油页岩综合利用教育部工程研究中心，吉林 吉林 132012；2.中国科学院 工程热物理研究所，北京 100190；3.中国大唐集团 科学技术研究院，北京 102206）

油页岩是一种富含有机质、具有微细层理、可燃烧的细粒沉积岩［1］。中国的油页岩储量位居世界第4，为7199.37×108t，折合成页岩油达到476.44×108t［2－3］，主要分布于吉林、辽宁、广东等地，其中吉林省油页岩资源最为丰富，保有储量达176.68×108t，部分地区含油率超过7%［4－5］。预计到2020年，我国的石油对外依存度将超过60%，大力开发利用油页岩资源将对保障国家能源安全和满足国内经济发展需要有着重要意义。

目前常用的油页岩干馏技术采用气体热载体干馏法，如爱沙尼亚Kiviter干馏技术、巴西Petrosix干馏技术和中国的抚顺式干馏技术。该类技术只能用于块状油页岩，开采和破碎过程中产生的小颗粒油页岩将被扔弃，且存在干馏时间长、油收率低等不足［6－7］。针对这些缺陷，利用高温热灰作为热载体的油页岩固体热载体干馏技术相继出现，如爱沙尼亚Galoter干馏技术和加拿大ATP干馏技术。该类技术适用于干馏小颗粒油页岩，可有效提高油页岩的利用率；同时，小颗粒油页岩能与热灰进行充分接触，可实现快速换热，有助于降低干馏时间，提高系统油收率［8－9］。在油页岩基础研究领域，王擎等［10－12］已针对油页岩及半焦燃烧技术开展了大量研究工作，总结了半焦在循环流化床内的燃烧规律，姜秀民等［13］和韩向新等［14］在油页岩循环流化床锅炉设计运行和大型化方面也进行了积极探究。

半焦和可燃性气体是油页岩干馏过程中的重要副产物，但目前尚未加以高效利用，这在很大程度上降低了油页岩资源的利用率，同时也将产生较为严重的环境污染问题。鉴于此，笔者构建了一种油页岩固体热载体综合利用系统，将半焦送至循环流化床锅炉中燃烧，将产生的热灰（循环灰）作为热载体，并在此基础上集成燃气－蒸气联合发电和半焦燃烧发电2套发电单元，最终实现油－电联产，以提高油页岩资源的利用率；借助Aspen Plus软件，对油页岩固体热载体综合利用系统进行建模，核算系统的物流平衡和热平衡，针对不同的循环灰温度和油页岩干馏比例（即用于干馏的油页岩量与系统油页岩总处理量的比值），研究不同工况对系统产生的影响，以期为后期方案实施提供理论支持。

1 油页岩干馏与发电工艺及产物特性

1.1 油页岩固体热载体干馏工艺

以循环流化床锅炉热灰（循环灰）作为热载体的油页岩综合利用系统工艺流程示于图1。该工艺选用回转式油页岩干馏炉。

图1 油页岩固体热载体综合利用系统工艺流程示意图Fig.1 Process schematic of the oil shale comprehensive utilization system based on solid heat carrier technology

按照图1所示流程，经破碎至15mm以下粒径的油页岩颗粒从页岩储罐送至预热器，利用锅炉烟气预热至140℃左右；经预热的油页岩颗粒与高温循环灰（850℃）混合并送至干馏炉内进行干馏，炉内温度保持在520℃左右；干馏产生的油、气、焦、灰混合物（500℃）首先送入旋风分离器进行分离，分离出的半焦和循环灰的混合物（500℃）送至循环流化床锅炉中进行燃烧，分离出的油－气混合物将继续进行净化和冷凝分离；最终得到的页岩油送至油罐储存，待售。

干馏产生的瓦斯气体属于高热值气体燃料，经分离后送至燃气－蒸气联合循环机组，用于电能生产。循环流化床锅炉在此系统中起到承上启下的作用，将半焦燃烧，不仅生产固体热载体，同时还生产高温蒸气，并通过蒸气轮机组（循环流化床锅炉发电机组）发电。锅炉产生的烟气被送至干燥器，作为对油页岩进行干燥脱水和预热的热源，再经过静电除尘后和来自余热锅炉的烟气一起通过烟囱排放。

1.2 油页岩及干馏产物基础特性

油页岩样品取自吉林桦甸的公朗头矿区，经铝甄分析，油收率达到11.37%，半焦产率和水的产率分别为80.63%和3.9%。油页岩及经干馏所得半焦和页岩油的燃料特性列于表1。

油页岩经过干馏所产生的气体包括H2、H2O、H2S、NH3、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C3H8等，气体的低位热值达到19.62MJ/Nm3。

表1 油页岩（OS）及经干馏所得半焦（SC）和页岩油（OIL）的工业分析、元素分析结果和发热量Table 1 The results of proximate and ultimate analyses and calorific value of OS，SC and OIL

2 利用Aspen Plus软件对油页岩固体热载体综合利用系统进行模型构建

2.1 模型构建

借助Aspen Plus软件对该固体热载体综合利用系统进行建模。按照成分划分的原则，将油页岩及半焦均分为水、矿物质和有机质（油母质、残炭）3组分，通过这3组分的有机搭配，并利用不同的模型来模拟不同组分的反应过程，系统流程如图2所示。

利用Rcstr模型（Retort）模拟油页岩中所含的油母质的热解过程，采用Rstoic模型（Minret）模拟矿物质的受热分解过程，并通过嵌入FORTRAN子程序来实现模拟的热解反应过程与实际过程的相互匹配。

对于油页岩或半焦的燃烧过程，利用Ryiled模型（Scdem）和Rgibbs模型（Sccomb），遵从吉布斯能最小机理来完成有机质部分的燃烧模拟，同时利用Rstoic模型（Scmcom）模拟矿物质成分在燃烧中的分解过程，燃烧产生的热量通过热流送至加热器模型来加热给水。在燃气－蒸气联合循环机组中，直接利用RGibbs模型（Combustor）模拟瓦斯气体的燃烧过程。系统中所涉及的做功和压缩部分均采用Compr模型，换热部分利用MheatX模型。

图2 油页岩固体热载体综合利用系统的模拟流程图Fig.2 Simulation diagram of oil shale comprehensive utilization system based on solid heat carrier technology

2.2 条件假设及模型修正

油页岩的热解和半焦的燃烧均为非常复杂的化学反应过程，受干馏温度、升温速率、矿物质成分等各种因素的影响。为简化模拟过程，将作4点建模假设。

（1）将油页岩的热解和半焦的燃烧视为稳定的化学反应；

（2）油页岩中的矿物质成分不对油母质的热解反应过程产生影响；

（3）系统各设备均在常压或微负压状态下稳定运行，相关参数不随时间变化；

（4）利用碳氢化合物C21H36来替代复杂的页岩油［15－16］。

为更加准确地模拟系统流程中的物流参数，需根据相关现场设备的实际运行情况对Aspen模拟流程进行修正，包括以下3部分。

（1）根据实验测定结果，干馏油收率设为82%［1，4］；

（2）干馏炉炉体的散热损失量为油页岩热值的5%，通过添加热流对Retort模型的干馏吸热量进行调整；

（3）循环流化床锅炉的效率为85%，利用Mult倍率模型对热流进行调整［13］。

3 结果与讨论

所构建的流程按照100kg/s的油页岩输入量进行计算，若年运行7200h，油页岩年处理规模将达260×104t。利用循环流化床锅炉生产的循环灰温度为850℃，维持干馏炉内520℃的最佳干馏温度，经干馏后再送入旋风分离器进行分离。利用Aspen Plus计算得到的物流参数列于表2。

表2 油页岩固体热载体综合利用系统的主要物流参数Table 2 Process parameters of some material streams of oil shale comprehensive utilization system

经计算，在此工况下，系统的页岩油产量达到7.76kg/s（20.12×104t/a），产生的半焦和瓦斯气分别通过循环流化床锅炉发电机组和燃气－蒸气联合循环机组加以利用；对应的发电功率分别为67.68和28.2MW，总功率达到95.88MW，总发电效率（ηte）为36.07%。

图3为油页岩固体热载体综合利用系统能效分布情况。该综合利用系统的产品包括页岩油和电能，该系统的系统能效即为页岩油的热值和电能之和与油页岩热值的比值。计算结果表明，在此工况下，系统总能效达到63.8%，其中产油能效和发电能效分别为49.17%和14.63%；系统能量损失为36.2%，主要包括循环流化床锅炉机组的冷源损失和干馏炉出口产物的分离冷凝热损失，可通过配置调整抽气式等供暖机组来提高热能利用率，同时系统还存在较大的余热利用空间。

图3 油页岩固体热载体综合利用系统能效分布Fig.3 The energy efficiency distribution of oil shale comprehensive utilization system

将干馏炉的温度控制在520℃左右以保证干馏系统页岩油的品质和油收率，而对该系统产生影响的主要因素包括循环灰温度和油页岩干馏比例。

3.1 干馏炉内循环灰温度变化对灰岩比和发电部分的影响

干馏过程中所需要的固体热载体——热灰的热量来自于循环流化床锅炉。这部分热灰将被加以循环利用，故称为循环灰。干馏过程中，在保持油页岩处理量不变的前提下，提高循环灰温度，即提高单位质量循环灰携带的热能，系统所需要的循环灰流量也将有所降低，有利于减少输送和分离循环灰所带来的能耗；但由于受到循环流化床锅炉工作温度的限制，循环灰的温度不能过度提高。

计算了循环灰温度从800℃增加到900℃时灰岩比（即干馏炉内油页岩同循环灰的质量流量之比）的变化情况，结果示于图4。从图4可见，系统的灰岩比随循环灰温度的升高呈线性降低，循环灰温度由800℃提高至900℃，灰岩比由最初的2.92降至2.11，降低了27.74%。循环灰温度在850℃时系统的灰岩比为2.46。

图4 油页岩固体热载体综合利用系统干馏炉内循环灰温度对灰岩比的影响Fig.4 Effect of circulating ash′s temperature of retorting reactor on the mass ratio of ash to shale in oil shale comprehensive utilization system

为了保证干馏系统页岩油的品质和产量，模拟干馏系统的干馏产能在研究过程中应不发生变化，燃气－蒸气联合循环机组的气体燃料供应保持恒定，联合循环机组的发电功率（PCC）维持在28.2MW，其中燃气透平净输出20MW，蒸气透平输出8.2MW，功比率为0.41。经计算，联合循环机组的发电效率为47.15%。

调整循环灰温度将会对循环流化床锅炉发电机组产生一定的影响。该发电单元利用循环流化床锅炉炉膛和尾部烟道受热面生产的高温蒸气进行发电，与循环灰的生产同时进行。调整循环灰温度将直接影响炉内的热能消耗，故将影响发电出力。循环灰温度从800℃提高至900℃对干馏炉内发电部分影响的计算结果如图5所示。由图5可知，将循环灰温度由800℃提高至900℃，循环流化床锅炉发电机组发电功率（PCFB－ST）由63.63MW增长到68.54MW，提高了7.72%，提高循环灰温度有利于提高机组的出力，循环灰温度为850℃时的PCFB－ST达到67.68MW（全厂发电效率32.83%）；系统的总发电功率也将从91.83MW 增长至96.74MW，提高5.35%，但系统总发电效率（ηte）将出现小幅下降。

图5 油页岩固体热载体综合利用系统干馏炉内循环灰温度对发电功率（P）的影响Fig.5 Effects of circulating ash′s temperature of retorting reactor on Pof oil shale comprehensive utilization system

3.2 油页岩干馏比例对固体热载体综合利用系统发电部分和系统能效的影响

油页岩作为原料用于炼制页岩油，同时还可作为燃料直接进行燃烧。通过将发电设备和干馏设备进行整合，不仅提高了油页岩的资源利用率，同时还提高了对复杂经济形势的适应性。通过调节油页岩用于干馏的比例可调节页岩油和电能的产能分配。油页岩干馏比例分别为0或1时，相当于油页岩全部用于燃烧或全部用于干馏。调整油页岩干馏比例也将对干馏和发电部分产生一定的影响。

当循环灰温度控制在850℃时，系统的灰岩比为2.46，油页岩干馏比例从0提高至1，油页岩干馏量逐步增加，系统的循环灰流量也从0提高至229.53kg/s，基本保持干馏比例每提高0.1，循环灰流量增加22kg/s。

油页岩干馏比例的变化对系统发电部分所产生的影响如图6所示。由图6（a）可知，油页岩干馏比例从0增加至1时，燃气－蒸气联合循环机组的发电功率将从0增长至28.2MW，但循环流化床锅炉发电机组的发电功率则表现出相反的变化趋势，将从234.44MW降至67.68MW。随着油页岩干馏比例的提高，系统的总发电功率必然降低，从234.44MW降至95.88MW，仅为初始的40.9%，但此时还将生产出7.76kg/s的页岩油。受国际油价持续高位运行的影响，这必将提升系统的经济效益。由图6（b）可知，提高油页岩干馏比例，循环流化床锅炉发电机组与燃气－蒸气联合循环机组的发电功率比值（θp）从76.22急剧下降至2.4，但系统的总发电效率（ηte）将从32.83%提高至36.05%。

图6 油页岩干馏比例对固体热载体综合利用系统发电部分影响Fig.6 Effect of oil shale’s mass fraction for retorting on power generation of oil shale comprehensive utilization system

图7为油页岩干馏比例对固体热载体综合利用系统能效的影响。由图7看到，系统的产油能效随着油页岩干馏比例的提高逐渐增加，系统的总能效也呈现上升趋势，由35.78%提高至63.81%。由于更多的油页岩用于干馏炼油，用于发电的燃料量大幅减少，故最终系统中的发电能效降至14.64%，占系统总能效的比重也急剧降低。

图7 油页岩干馏比例对固体热载体综合利用系统能效的影响Fig.7 Effect of oil shale’s mass fraction for retorting on energy efficiency of oil shale comprehensive utilization system

从能效和社会效益方面考虑，提高油页岩干馏比例将有利于提高系统能效，还能生成更多的液体燃料，从而产生更大的社会价值，但同时需充分考虑市场对系统产品的接纳能力，并综合考虑国际油价等其他因素的影响。

4 结论

（1）对油页岩固体热载体综合利用系统模拟结果表明，按照100kg/s（260×104t/a）的油页岩处理规模，利用850℃的循环灰，能够生产7.76kg/s（20.12×104t/a）的页岩油，同时还提供95.88MW的发电出力，此时的系统能效达到63.8%，系统的总发电效率为36.07%。

（2）提高循环灰的温度，使得系统的灰岩比有所降低，同时也将提高循环流化床锅炉发电机组的出力，虽然整体发电效率将小幅降低，但系统能效会有所增加。

（3）提高油页岩干馏比例，页岩油的产量将逐渐提高，系统的总发电功率将持续下降，受燃气－蒸气联合循环机组的影响，系统的总发电效率将从32.83%提高至36.05%，与此同时系统能效也将显著提升。

（4）总体而言，提高循环灰温度和油页岩干馏比例将有利于系统的高效和经济运行，但还需综合考虑设备的安全可靠性和国际油价等外部因素，系统还存在较大的余热利用空间，可通过后期的热能优化进一步提高系统能效和资源利用率。

［1］钱家麟，王剑秋，李术元.世界油页岩综述［J］.中国能源，2006，28（8）：16-19. （QIAN Jialin，WANG Jianqiu，LI Shuyuan.World oil shale［J］.Energy of China，2006，28（8）：16-19.）

［2］DYNI J R.Geology and resources of some world oilshale deposits［J］.Oil Shale，2003，20（3）：193-252.

［3］钱家麟，王剑秋，李术元.世界油页岩资源利用和发展趋势［J］.吉林大学学报（地球科学版），2006，36（6）：877-887.（QIAN Jialin，WANG Jianqiu，LI Shuyuan.World oil shale utilization and its future［J］.Journal of Jilin University（Earth Science Edition），2006，36（6）：877-887.）

［4］刘招君，董清水，叶松青，等.中国油页岩资源现状［J］.吉林大学学报（地球科学版），2006，36（6）：869-876.（LIU Zhaojun，DONG Qingshui，YE Songqing，et al.The situation of oil shale resources in China［J］.Journal of Jilin University（Earth Science Edition），2006，36（6）：869-876.）

［5］QIAN J L，WANG J Q，LI S Y.Oil shale development in China［J］.Oil Shale，2003，20（3S）：346-359.

［6］SOONE J，DOILOV S.Sustainable utilization of oil shale resources and comparison of contemporary technologies used for oil shale processing［J］.Oil Shale，2003，20（3S）：311-323.

［7］张秋民，关珺，何德民.几种典型的油页岩干馏技术［J］.吉 林 大 学 学 报 （地 球 科 学 版），2006，36（6）：1019-1026. （ZHANG Qiumin， GUAN Jun， HE Demin.Typical technologies for oil shale retorting［J］.Journal of Jilin University（Earth Science Edition），2006，36（6）：1019-1026.）

［8］GOLUBEV N.Solid oil shale heat carrier technology for oil shale retorting［J］.Oil Shale，2003，20（3S）：324-332.

［9］BRANDT A R.Converting oil shale to liquid fuels with the Alberta taciuk processor energy inputs and greenhouse gas emissions［J］.Energy and Fuels，2009，23 （12）：6253-6258

［10］WANG Q，ZHAO W，LIU H，et al.Interactions and kinetic analysis of oil shale semi-coke with cornstalk during co-combustion ［J］.Applied Energy，2011，88（6）：2080-2087

［11］孙佰仲，王擎，申朋宇，等.油页岩干馏残渣与烟煤混合燃烧试验研究［J］.煤炭学报，2010，35（3）：476-480.（SUN Baizhong，WANG Qing，SHEN Pengyu，et al.Experimental investigation on combustion characteristics of oil shale semi-coke and bituminous coal blends［J］.Journal of China Coal Society，2010，35（3）：476-480.）

［12］王擎，王海刚，孙佰仲，等.油页岩及其半焦混烧特性的热重试验研究和动力学分析［J］.化工学报，2007，58（11）：2882-2888.（WANG Qing，WANG Haigang，SUN Baizhong，et al.Thermo-gravimetric study and kinetic analysis of blended combustion characteristics of oil shale and semi-coke［J］.CIESC Journal，2007，58（11）：2882-2888.）

［13］姜秀民，孙东红，闫澈，等.65t/h示范性油页岩循环流化床电厂锅炉运行实践［J］.中国电机工程学报，2001，21（2）：69-73，79.（JIANG Xiumin，SUN Donghong，YAN Che，et al.Performance characteristics of 65t/h oil shale-fired circulating fluidized bed demonstration utility boiler［J］.Proceedings of the CSEE，2001，21（2）：69-73，79.）

［14］韩向新，姜秀民，刘德昌，等.油页岩循环流化床锅炉大型化的研究［J］.中国电力，2003，36（1）：20-23.（HAN Xiangxin，JIANG Xiumin，LIU Dechang，et al.Study of large size oil shale-fired circulating fluidized bed boiler［J］.Electric Power，2003，36（1）：20-23.）

［15］柏静儒，白章，李少华，等.油页岩低温干馏过程的Aspen Plus模拟［J］.现代化工，2012，32（3）：85-88.（BAI Jingru，BAI Zhang，LI Shaohua，et al.Modeling of low temperature retorting process for oil shale using Aspen Plus［J］.Modern Chemical Industry，2012，32（3）：85-88.）

［16］柏静儒，白章，王擎，等.基于Aspen Plus的桦甸式油页岩干馏工艺系统模拟［J］.化工学报，2012，63（12）：4075-4081.（BAI Jingru，BAI Zhang，WANG Qing，et al.Process simulation of Huadian-type oil shale retorting system by Aspen Plus［J］.CIESC Journal，2012，63（12）：4075-4081.）