ATP和FHQ干馏工艺研究

许辉，张霜，荣青山

ATP和FHQ干馏工艺研究

许辉1，张霜1，荣青山2

（1. 抚顺矿业集团有限责任公司工程技术研究中心，辽宁 抚顺 113009；2. 中国石油 抚顺石化洗化厂，辽宁 抚顺 113003）

页岩油是一种石油的可替代资源，油页岩经过热解得到页岩油，油页岩资源藏量非常丰富，具有广阔的开发价值和丰富的上下游产业链。ATP（Alberta Taciuk Process）是加拿大的小颗粒油页岩干馏技术，被抚顺矿业集团引进并消化，是目前世界上唯一一套工业化生产装置。FHQ（抚顺横流气体热载体干馏技术）是抚顺矿业集团自主研发的小颗粒油页岩干馏技术。两者分别是最新的固体热载体和气体热载体干馏工艺的技术合集，从不同角度推进着油页岩产业的进步发展，总结归纳两种工艺的运行特点，提出适合我国小颗粒干馏技术的发展方向。

小颗粒油页岩；干馏；气体热载体；固体热载体

1 研究背景

我国油页岩资源储量丰富，但不同于美国目前大量开采的页岩油资源，我国的油页岩内页岩油是以固态的形式赋存的，必须经过约500 ℃以上的高温热解，才能将油品从页岩中释放出来。而我国的热解干馏技术是块页岩干馏技术，副产大量的小颗粒油页岩尾矿还未得到有效利用。本文通过分析国内外小颗粒油页岩干馏工艺技术的特点，提出小颗粒油页岩干馏技术发展方向：新型小颗粒油页岩干馏工艺应具有高效、节能、环保、模块化等特点。

2 国内外技术对比分析

国际上的小颗粒页岩干馏技术除ATP工艺外，大多设备都已经拆除，不再运行，其核心设备干馏器的形式都是回转类设备。国内的小颗粒油页岩干馏工艺展现了多样化的发展途径，其中大连理工大学和廊坊设计院依然采用回转类干馏器，上海博申和沈阳鑫博则采用流化床技术，进一步研磨页岩成粉末，大大缩短了干馏所需时间。抚顺矿业集团在2005年着手引进ATP固体热载体干馏技术，2013年投产，并在2010年开始自研FHQ干馏技术。

小颗粒油页岩干馏工艺设计关键点有两个：一是为干馏提供热量的热源设计，二是热载体如何导入、导出干馏装置。由于这两点的不同，开发出不同的反应器，不同的工艺路线，根据现有的工业技术，很多工艺都可以实现，但如果长期运行，其维护和检修的成本将数倍于块页岩干馏设备，目前还在工业化运行的只有抚顺矿业集团引进的ATP生产装置，具体工艺性能对比可参考表1。

表1 国内外小颗粒页岩工艺性能对比表

3 ATP小颗粒页岩干馏工艺

3.1 ATP干馏炉

ATP工艺的核心技术是ATP干馏炉，从整体看是一个水平放置的大型回转筒体。回转套筒分两层，同轴同心，由外部落地的滑动轴套驱动旋转，两层套筒嵌有导流螺旋砖，外壁设有返料导管，巧妙的设计，使得两个套筒相同方向旋转，内部两层物料页岩和灰渣向着相反的方向移动，使原料的进口和灰渣的出口都在炉体的一端，热量在料流中充分利用。在干馏室和预热室之间设有步进式料封口，页岩料流将两个区隔离，使得干馏产物不会返流。

该干馏炉炉体长63 m，直径8.2 m，重量2 500 t，转速为4 r·min-1，物料的停留时间为1 h，设计处理量为6 000 t·d-1油页岩，设计油收率90%，目前处理10 mm以下小颗粒油页岩。分为预热段、干馏段和燃烧段。预热段页岩走内圈，页岩热灰渣和烟气走外圈，对页岩进行干燥、预热；干馏段页岩与热灰渣混合完成干馏，干馏产物通过导出管进入回收系统；干馏后的半焦和灰渣混合物通过窑炉外的输焦管送入燃烧段进行焚烧，从大体上看，可以将干馏炉分成若干个功能区，具体功能及作用见图1、2和表2。

图1 ATP干馏炉功能示意图

表2 ATP炉各个分区功能作用表

3.2 ATP工艺流程

干馏产物从炉出口高温管道导出，进入旋分除尘系统，除尘后再经过烃蒸汽洗涤塔进行初级烃蒸汽冷却；经过闪蒸塔后分馏出重质页岩油和轻质页岩油，重质油收集在塔底的重油罐中，轻质油收集在轻油罐中，瓦斯经过分馏后进入压缩机，之后再次进入洗涤塔，回收石脑油组分，然后送入ATP干馏炉中燃烧，用于补充干馏热量。

图2 ATP干馏炉主体外观

整个回收系统多次采用闪蒸塔，分馏塔，用于获得不同比重的油品，蒸汽消耗较大。塔、罐、换热器等设备数量多且密集，自动化程度高，维修维护量大，工艺流程框图见图3。

图3 ATP干馏技术工艺流程框图

4 FHQ小颗粒页岩干馏工艺

4.1 抚顺FHQ干馏炉

FHQ小颗粒页岩干馏工艺的核心技术是FHQ干馏炉。抚矿集团研究中心在2013年建成0.5 t·h-1小试装置；2014年建成30 t·d-1中试装置，逐步解决了粉尘堵塞、料层阻力大、热载体分布不均等一系列问题。干馏炉为立式方型炉，集成预热、干馏、气化及冷却为一体，逐步完成了3～20 mm，3～10 mm粒度范围的页岩的均匀布料，均匀布气结构设计，采用百页窗横流结构减小炉内料层阻力。干馏热能来自高温循环瓦斯和气化段发生瓦斯，小颗粒页岩从上至下依次进入炉顶料仓段→阵伞缓冲段→升温干馏段→强化干馏段→多层气化段→换热段→排渣段，灰渣经推灰机和板式排渣机排除炉外。干馏烃蒸汽经集气伞导出炉外，进入回收系统净化收油。干馏炉示意图见图4，干馏炉内压力分布和温度分布图见图5和图6，各个分区的功能见表3。

表3 FHQ炉各个分区功能作用表

图4 FHQ干馏炉示意

图5 全炉压力分布图

图6 全炉温度分布图

4.2 FHQ工艺流程

FHQ工艺流程和块页岩抚顺工艺相近，但由于原料为小颗粒页岩，其原料破碎筛分系统、加热炉系统、干馏炉系统、回收系统都需要加以改进，来适应系统粉尘量大、油泥量大、系统阻力大、回收油品中轻质油多等工况要求。首先尾矿原料进厂后需要进行再次筛分，送入主料仓，再进入炉顶料仓最后进入干馏炉中，灰渣从炉底排出进入推灰机冷却，再运送到系统外。100 ℃左右的干馏烃蒸汽导出炉外，进入集气槽中与大量水接触喷淋，将大量的粉尘和油品洗涤下来，然后进入洗涤塔进一步充分喷淋洗涤除尘收油，之后经过旋捕塔在塔内作离心运动收油，最后进入间冷塔，间接冷却到40 ℃降温收油，完成收油过程。加热炉采用一台连续式燃烧供热的恒温加热炉，产生热烟气再与冷瓦斯换热，得到热循环瓦斯，进入干馏炉横流段，完成强化干馏。干馏炉主风由空气和蒸汽掺混完成，送入干馏炉气化段，完成灰渣换热过程和半焦气化反应，工艺流程框图如图7。

图7 FHQ干馏技术工艺流程框图

5 结论

抚顺FHQ工艺以干馏瓦斯为热载体，具有生产调节灵活、原料适应性大等的优点，也面临原料筛分效率低，干馏料层阻力大、干馏强度低、配套设备技术难度高等困难。ATP工艺以热页岩灰为热载体，具有卧式旋转炉的优点，并有内外多层套筒结构，使其热效率大大提高，但由于高度的统一化、高度集成化设计，使物料在预热段区、干馏区、燃烧区的停留时间无法独立调整，大大降低了生产弹性，大型化后的各除尘、冷渣等设备保用成本很高。这些都是阻碍小颗粒页岩干馏技术发展的关键，需要继续进行技术攻关。

综合上述的横向对比，在当前我国工业技术发展的大环境中，小颗粒油页岩干馏技术发展方向如下。

5.1 资源利用分级化

0~12 mm粒度小颗粒油页岩是抚顺块页岩工艺中无法利用的副产品，建议进一步分级，以达到更适合的原料利用方式，再次分为3~12 mm和0~3 mm两个级配范围。3 mm以下的粉末页岩采用成型技术，制成30 mm左右块状回用，3 mm以上页岩直接作为原料干馏应用。

5.2 工艺过程简洁化

工艺过程简单化主要指干馏单元的设备简化，要尽量减少物料在设备之间的传递，减少设备的复杂程度，在小颗粒页岩的干燥、干馏、燃烧、冷却环节中，尽量避免发生黏化、熔融等容易堵塞料流的现象。

5.3 能量利用多级化

现有的小颗粒页岩干馏工艺中，能量的利用方案基本明确，固体热载体工艺中首先利用页岩半焦的燃烧热进行页岩干馏，利用烟气进行干燥，也可以利用热渣冷却得到热风。气体热载体工艺中抚顺FHQ工艺，利用半焦水煤气化得到发生瓦斯和外供循环瓦斯双供热。这样干馏供热自给自足基本完成。在满足干馏自身所需能量后，在回收系统和排烟系统中仍含有大量余热，可以通过换热器、热泵等设备，进行有温度梯度的逐级利用，进一步获得蒸汽、热水、冷气等能源。

5.4 环保治理资源化

目前仍在工业化运行的干馏工艺都存在环保治理不彻底的现象。干馏污水也是业界公认的难治理废水，小颗粒工艺中粉尘产生量更大，页岩灰渣也属于工业固废。

这就需要在原料破碎筛分、运输、干馏、烟气排放、污水外排等各个环节进行完善，提升效率，降低成本。在工艺设计中，从源头上减少污染物的产生，同时把污染物转化为各种化工产品，增加产品线：如页岩灰由于已经高温活化，可直接用来提取铝、铁资源，同时得到大量的二氧化硅原料可以用来制取白炭黑等，污水中也可以提取酚类、氨水等物质，在产业路线中丰富产品种类，延长产品链条，扩大经济效应。

［1］侯祥麟．中国页岩油工业[M]．北京：石油工业出版社，1984．

［2］韩放，许辉. 抚顺油页岩工业技术及应用[M]．沈阳：辽宁科学技术出版社，2014.

［3］许辉，姚拓. 抚顺油页岩干馏技术回收系统工艺研究[J]．辽宁化工，2017 (02)：197-199．

［4］Emler E. M ethod and apparatus for the destrutive distillation of keogen in situ[P]. United States Patent, patent number: 5058675,1991．

［5］Harold J. Heat sources w ith conductive material for in situ thermalp rocessing of an oil shale formation[P]. United Stat-esPatent, patent number: 6929067, 2005.

Research on ATP and FHQ Retorting Process

1,1,2

（1. Engineering R&D Center of Fushun Mining Group, Fushun Liaoning 113009, China;2. PetroChina Fushun Petrochemical Company, Fushun Liaoning 113003, China）

Shale oil is a kind of alternative resource of oil. The resource reserves of oil shale are very rich, and shale oil is obtained through pyrolysis, which has broad development value and rich upstream and downstream industry chain. ATP (Alberta Taciuk Process) is a small particle oil shale retorting technology from Canada, which was introduced and digested by Fushun mining group. It is the only one set of industrial production equipment in the world. FHQ (Fushun cross flow gas thermal carrier retorting technology) is a small particle oil shale retorting technology independently developed by Fushun mining group. They are the latest examples of solid heat carrier and gas heat carrier retorting technology respectively, which promote the development of oil shale industry from different angles. In this paper, the operation characteristics of the two processes were summarized, and the development direction of small-particle retorting technology suitable for China was discussed.

Small-particle oil shale; Retorting; Gas heat carrier; Solid heat carrier

2020-07-30

许辉（1983-），男，高级工程师，硕士研究生，辽宁省抚顺人，2012年毕业于吉林大学化学工程领域工程专业，研究方向：油页岩、油砂等非常规能源利用、煤矸石等固体废弃物综合利用。

TE662.5

A

1004-0935（2020）11-1375-05