油页岩在回转干馏炉内停留时间的综合分析

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(1.辽宁东科电力有限公司，辽宁 沈阳 110006；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；3.辽宁中电投电站燃烧工程技术研究中心有限公司，辽宁 沈阳 110006)

油页岩作为一种重要的非常规能源，储量巨大，据不完全统计世界油页岩资源量约有10万亿t，比煤炭资源量多40%。折算成页岩油约5 000亿t[1]，超过全球石油资源量(约2 700亿t)的2倍。

中国油页岩资源丰富，地质年代主要集中在中生界、新生界，含油率中等偏好，主要分布在东部、中部的平原和黄土地区，覆盖了20个省、自治区和47个盆地，但受多方面因素限制，可利用资源量较少。我国已探明的油页岩储量为3.67亿t，储量仅次于美国、巴西和原苏联，居世界第四位。中国页岩油产量逐年增加，2012年页岩油产量约70万t，2013年75万t，2014年达到80万t(约1.54万桶/天)，产油量居世界第一位[2]。因此，在当今我国石油资源极端紧缺的形势下，寻求油页岩的高效大规模开采利用技术，具有极为重要的战略意义。油页岩地下原位热解技术正是全世界正在迅速发展的工程领域[3]。因此开发我国原油页岩利用技术，揭示其优缺点，从而找到适合我国油页岩特征的原位干馏技术极其重要。

李爱民等[4]对城市固体垃圾在回转窑中的停留时间进行了研究，结果表明停留时间总体上服从正态分布曲线，平均停留时间受回转窑转速、倾角、出口挡板、内构件等因素影响。

本文通过对油页岩在回转干馏炉内停留时间的影响因素进行实验研究，分析了抄板形式、填充率、回转干馏炉倾角以及回转干馏炉转速不同因素的影响程度。

1 实验装置及实验方法

实验装置如图1所示，回转干馏炉长L为600 mm、内径D为125 mm；出口挡料板直径D为70 mm；这里采用六叶式廊式布置翻料板，尺寸为直板段28 mm，弯板段8 mm、板段之间夹角90°。回转干馏炉转速可以在0～20 r/min实现无级变速，选取3.4 r/min，6.8 r/min，10 r/min，13.3 r/min，17 r/min五种转速作为研究工况；倾角在0～5°调整，选2.16°，3.24°，4.33°作为研究倾角。

图1 回转干馏炉冷态实验装置1-螺旋给料机电机;2-给料斗;3-螺旋给料机;4-回旋干馏炉;5-挡圈;6-定位轮;7-拖轮;8-出口挡板;9-摄像机;10-支架;11-倾角调节;12-转动电机;13-传动皮带;14-电机支架;15-给料机支架

实验采用示踪粒子的概率统计方法考察物料在滚筒内的横向混合特性及纵向扩散特性。滚筒的运动带动固体物料的运动。影响物料颗粒运动的主要因素有：滚筒转速、倾角及出口挡板[5]。

对4种实验因子做正交实验，记录30个示踪粒子在滚筒内的停留时间。先将填充率(20%或50%)的3∶1比例充分混合好的热灰与油页岩混合物匀速加入滚筒内，一段时间后，同时加入30个示踪粒子，并开始记录时间。

2 实验分析

2.1 实验数据分析

由图2可见，当出口内孔直径为70 mm，弯抄板，填充率为20%时，随着转速的增加，不同倾角下的停留时间呈现不同程度的减小。倾角越小，停留时间越长。

图2 滚筒转速与停留时间的关系

图3给出了填充率增大到50%时；停留时间随转速的变化关系。同样随着转速增加，停留时间减小，倾角增加缩短了停留时间，在转速相对较小时，倾角的影响较大。结合图2我们可以看到填充率的增加减少了停留时间。

图3 滚筒转速与停留时间的关系

图4给出了使用直抄板，填充率为20%；不同倾角下，停留时间随着转速的变化关系。可以看到当转速小于10 r/min时，较小的倾角具有较高的停留时间，而当转速大于10 r/min时，恰恰相反，倾角越大，停留时间越长。在转速10 r/min左右时，停留时间大致相等。可见直抄板对停留时间影响较大。

图4 滚筒转速与停留时间的关系

图5 滚筒转速与停留时间的关系

图5给出了填充率增至50%时，使用直抄板得到的停留时间与转速的变化关系。与弯抄板相类似，随着转速的增加，停留时间减小。比较图4和图5可以看出，填充率20%的停留时间要比50%的长一点，但幅度很小。

由以上分析可以看到，停留时间随着滚筒转速的增加减小，倾角小的停留时间比倾角大的停留时间长，20%填充率的停留时间比50%的长，弯抄板的比直抄板的停留时间长。

2.2 综合分析

根据王擎、李少华等[6-7]学者通过实验总结的数据显示，停留时间在20 min时油页岩分解完全，页岩油产率达最大值；若少于20 min则油页岩分解不完全；若多于20 min则对页岩油产率没有明显影响，时间过长反而会使热能利用率降低。根据数据处理统计，平均停留时间达到20 min左右的6种工况如图6所示。

图6 综合比较6种工况

从图6可以看出曲线4，即工况为直抄板，填充率20%，挡板内径70 mm，倾角4.33°，滚筒转速4.8 r/min时的平均停留时间为18.92 min，此工况的平均停留时间最符合要求，示踪粒子分布也最集中，所以此工况为最佳工况。

3 结论

(1)通过对油页岩在回转干馏炉内停留时间影响因素的研究发现：回转干馏炉转速、倾角的改变对停留时间改变明显，而抄板形式与填充率对停留时间改变并不十分明显；对停留时间的影响按强弱依次为回转干馏炉倾角、回转干馏炉转速、填充率、抄板形式。

(2)在只考虑回转干馏炉转速这一单一因素时，停留时间对综合的影响占主导地位，对各个因素进行综合分析得出最佳组合工况为回转干馏炉倾角为4.33°、回转干馏炉转速为4.8 r/min,填充率为20%、直抄板。

[1]Dyni J R. Geology and rsources of some world oil shale deposits[J].Oil Shale，2003，20(3)：193-252.

[2]Wang Wei，Li Shuyuan，Qian Jialin，et al. Latest advances of oil shale development in China[C]//34th Oil Shale Symposium，Colorado School of Mines，Golden，Colorado，2014.

[3]柳蓉，刘招君.国内外油页岩资源现状及综合开发潜力分析[J].吉林大学学报(地球科学版),2006,36(6):893-898.

[4]李爱民，李水清，严建华，等.城市垃圾在回转窑内传输过程的冷态试验[J].化工学报，2002,53(9):912-917.

[5]李少华,张立栋,余侃胜,等.回转干馏炉油页岩颗粒停留时间分布[J].华北电力大学学报，2011,38(1):99-102.

[6]王擎，桓现坤，刘洪鹏，等.桦甸油页岩的微波干馏特性[J].化工学报，2008,59(5):1288-1293.

[7]李少华，张立栋，张轩，等.回转干馏炉内影响颗粒混合运动因素的数值分析[J].中国电机工程学报,2011,31(2):32-38.