吉木萨尔油页岩干馏工艺的模拟计算及分析

曾明明，黄建宁，马美秀，李森林，王金玉，刘 爽，耿 强

(1.陕西冶金设计研究院有限公司，陕西 西安 710032;2.新疆宝明矿业有限公司，新疆 吉木萨尔县 831700)

0 前言

油页岩作为非常规油气资源储量仅次于煤炭，其热解可得到类似原油的页岩油和可替代天然气的煤气，作为常规能源的补充，对保障我国能源供给安全具有非常重要的现实意义。油页岩开发主要产品为页岩油，因此干馏工艺确定尤为重要。目前，我国油页岩干馏技术理论研究与工艺试验工作已取得较大进展，但在工业油页岩干馏过程中仍欠缺理论基础。

油页岩干馏过程所需热量由三部分组成:一为油页岩自常温提高到干馏温度所需热量，即页岩显热;二为水分蒸发需要热量;三为干馏反应热，即油母热解吸热。针对不同地区不同品位的油页岩，选择干馏工艺时要考虑以下两方面:一方面要考虑应尽量减少页岩油在工艺生产过程中的损失，提高油收率，尽可能充分利用页岩自身热量，如固定碳和干馏气能提供的热量;另一方面要考虑在页岩原料自身热量不足的情况下，尽可能选择稳定、高效、经济的外部热量来源。本文以新疆吉木萨尔油页岩为前提对气燃干馏工艺、半循环半气燃干馏工艺、全循环干馏工艺以及半循环半内燃干馏工艺的工艺参数、收油率、水耗等参数进行计算，确定适合新疆吉木萨尔油页岩的干馏工艺，同时得出不同品位油页岩对干馏工艺的适应性。

1 干馏工艺的分类及特点

工业生产的干馏工艺以块状油页岩干馏工艺为主，按供热方式分为四种，具体分析如下:

1.1 半循环半内燃干馏工艺

半循环半内燃干馏工艺 (即为抚顺炉工艺)为气体热载体干馏工艺，页岩干馏所需要的全部热量由热循环干馏气和干馏炉底部燃烧半焦供给。

工艺流程为:油页岩入干馏炉内，油母在干馏炉内干馏分解产生的油气，并与半焦燃烧产生的烟气和水盆蒸汽及热循环气一起从炉上部逸出，进入页岩油回收系统。油页岩干馏后转化成页岩半焦，进入炉子下半部与饱和主风燃烧，产生烟气和水盆蒸发水一起上行，在干馏炉中段同进炉热循环干馏气混合，加热并干馏油页岩。页岩半焦燃烧后生成的干馏渣从炉底水盆排出。从炉顶引出的油气经油回收系统后，页岩油进入储油罐。分离出的干馏气分为三部分:一部分用作燃料，为加热炉蓄热;一部分作为热循环气，为干馏炉供热;另一部分是剩余干馏气，用作锅炉生产燃料。

1.2 气燃干馏工艺

气燃干馏工艺 (气燃式方炉工艺)为气体热载体干馏工艺，油页岩干馏所需要的全部热量由干馏炉底部燃烧半焦和燃烧回炉气供给。

工艺流程为:油页岩入干馏炉内，油母在干馏炉内干馏分解产生的油气，并与半焦燃烧产生的烟气、水盆蒸汽以及回炉气燃烧产生的混合气一起从炉上部逸出，进入页岩油回收系统。油页岩干馏后转化成页岩半焦，进入炉子下半部与回炉气一起参与燃烧，产生混合气和水盆蒸发水一起上行，加热并干馏油页岩。页岩半焦燃烧后生成的干馏渣从炉底水盆排出。从炉顶引出的油气经油回收系统后，页岩油进入储油罐。分离出的炉出口气分为两部分:一部分回干馏炉燃烧;另一部分是剩余炉出口气，用作锅炉生产燃料。

1.3 全循环干馏工艺

全循环工艺为气体热载体干馏工艺，页岩干馏所需要的全部热量由加热炉供给。

工艺流程为:油页岩入干馏炉内，油母在干馏炉内干馏分解产生的油气，并与冷热循环气一起从炉上部逸出，进入页岩油回收系统。油页岩干馏后转化成页岩半焦，进入炉子下半部与冷循环气换热，并蒸发水盆一部分水入炉，预热的冷循环气与蒸发水在干馏炉中部与热循环气一起上行，加热并干馏油页岩。页岩半焦冷却后从炉底水盆排出。从炉顶引出的油气经油回收系统后，页岩油进入储油罐。分离出的干馏气分为两部分:一部分作为循环气;另一部分是供加热炉燃烧。

1.4 半循环半气燃干馏工艺

半循环半气燃干馏工艺为气体热载体干馏工艺，页岩干馏所需热量由加热炉、干馏炉底部混合气及半焦燃烧供给。

工艺流程为:油页岩入干馏炉内，油母在干馏炉内干馏分解产生的油气，并与半焦燃烧产生的烟气、水盆蒸汽、热循环气以及回炉气燃烧产生的混合气一起从炉上部逸出，进入页岩油回收系统。油页岩干馏后转化成页岩半焦，进入炉子下半部与回炉气一起参与燃烧，产生混合气和水盆蒸发水一起上行，在干馏炉中段同进炉热循环气会合，加热并干馏油页岩。页岩半焦燃烧后生成的干馏渣从炉底水盆排出。从炉顶引出的油气经油回收系统后，页岩油进入储油罐。分离出的炉出口气分为三部分:一部分回干馏炉燃烧;一部分作为热循环气，为干馏炉供热;另一部分是剩余炉出口气，用作锅炉生产燃料。

2 新疆吉木萨尔油页岩理化特性

根据页岩样品检测及地质报告，新疆吉木萨尔页岩具有以下特点:

共向全科医生发放问卷250份，回收问卷250份，剔除无效和雷同问卷16份，最终得到有效问卷234份，有效回收率为93.6%。234份受访全科医生中，男性135名（57.7%），女性99名（42.3%）；医生年龄集中在31～40岁，学历以大专最多，绝大多数为初级职称，平均工作年限为14.71±7.39年；超过4/5的受访者参加过有关抗生素使用的相关培训。具体情况见表1。

(1)页岩矿床结构变化较大，不同矿层的页岩含油率差异较大，全岩心含油率为最低1.7%，最高19.0%，含油率在4%以上的平均含油率为7.31%。

(2)页岩产气率较低且不稳定，对新疆全岩心样品检测结果为最低1%，最高5.8%，平均1.71%。含油率在4%以上的工业页岩平均产气率为2.03%。

(3)页岩固定碳含量较低，根据检测结果，固定碳含量最低 0.57%，最高6.75%，平均2.64%。

(4)页岩含水最低0.2%，最高1.72%，平均1%。

3 新疆吉木萨尔油页岩对不同干馏工艺的适应性分析

由于新疆吉木萨尔油页岩固定碳含量及产气率不稳定，不能贸然选择干馏工艺。因此在保证自给热量的前提下，本文对满足不同干馏工艺的固定碳含量及产气率的最佳组合进行模拟计算，以找到适合新疆吉木萨尔页岩干馏的最优化工艺。

3.1 全循环干馏工艺的适应性分析

全循环干馏工艺模拟计算如图1所示。当新疆吉木萨尔页岩产气率达到3.47%时采用全循环干馏工艺，不需外补热源;产气率小于3.47%时，如果采用全循环干馏工艺需建立气源站补充热源;产气率大于3.47%时，采用全循环干馏工艺将会有剩余气体。全循环干馏工艺对原料页岩中固定碳含量没有要求，但是此工艺无法利用页岩干馏后半焦中的固定碳，如果固定碳含量较高且热值达到3 344 kJ/t时，可将半焦燃烧二次利用。

全循环干馏工艺干馏页岩所需要的热量全部由热循环气提供，该工艺需要加热炉供热，温度较均衡且要连续性供热，特别是循环干馏气热值高，危险系数较大，因此不能忽略了加热炉操作的复杂性。

图1 全循环干馏工艺模拟分析Fig.1 Simulation analysis of full cycle retorting process

3.2 气燃干馏工艺的适应性分析

气燃干馏工艺模拟计算如图2所示，当新疆吉木萨尔页岩产气率达到4.9%、固定碳含量达到2.7%时采用气燃干馏工艺热量自给。当页岩产气率大于4.9%、固定碳含量大于2.7%时采用气燃干馏工艺有剩余气量，如果干馏气热值达到一定要求可再次利用，而且气燃干馏工艺页岩固定碳利用率较低，当干馏后半焦热值达到3 344 kJ/t时，可将半焦二次利用。

图2 气燃干馏工艺模拟分析Fig.2 Simulation analysis of gas combustion retorting process

气燃工艺所用设备简单，投资小。但是页岩的固定碳含量和气体产率的要求相对较高。当气体产率较低时，剩余干馏气的流量大且热值低，暂无经济上可行的利用方式。

3.3 半循环半气燃干馏工艺的适应性分析

图3 半循环半气燃干馏工艺模拟分析Fig.3 Simulation analysis of half cycle and half gas combustion retorting processes

半循环半气燃干馏工艺模拟计算如图3所示，当新疆吉木萨尔页岩产气率达到3.05%、固定碳含量达到2.31%时，循环气供热比达到38%，采用半循环半气燃干馏工艺可不需外补热源。当产气率大于3.05%时会有干馏气剩余;当固定碳含量大于2.31%时，半焦中固定碳含量增加，热值达到一定程度时可二次利用;当产气率大于3.05%、固定碳含量大于2.31%时，采用此工艺不仅会有剩余干馏气，而且半焦中固定碳含量增加，热值会提高。

半循环半气燃工艺方案对页岩适用性强，自身热量利用最合理，但是在收油率、生产操作等方面无优势，且没有工业使用先例。

图4 半循环半内燃干馏工艺模拟分析Fig.4 Simulation analysis of half circulation and half internal combustion retorting process

3.4 半循环半内燃干馏工艺的适应性分析

半循环半内燃干馏工艺模拟计算如图4所示，当新疆吉木萨尔页岩产气率在3%～4.8%、固定碳含量在0.85% ～2.54%范围内时，采用半循环半内燃干馏工艺可不需外补热源。采用该干馏工艺时页岩产气率越高，循环气供热比与也就越大。当页岩产气率大于图的坐标中页岩产气率标示点时，会有干馏气剩余。

半循环半内燃干馏工艺，对页岩的适用性强，但当页岩的固定碳含量和气体产率低于某一特定值时，需要采用补充外部热源的方式来满足干馏所需要的热量。

3.5 四种油页岩干馏工艺结果

油页岩干馏工艺的选择除了考虑固定碳及产气率之外，还得考虑工艺的油收率、耗水量、产生的废水量等参数，因此在以上计算的基础上，通过计算工艺的油收率、耗水量、产生的废水量见表1。

由表1可知，全循环干馏工艺方案较其它干馏工艺收油率高，并且在用水量、污水量等均少于其他干馏工艺，运行成本相对较低，但是由于需要选择合适的加热炉供热。因此，新疆油页岩干馏工艺选择全循环干馏工艺为最优选择。

表1 4种干馏工艺水急补水、废水量、综合油收率比较Tab.1 Comparison of water replenishment quantity，waste water quantity and oil extracting yield among four distillation processes

4 结论

油页岩开发主要产品是页岩油，在工艺选择中应充分考虑油页岩的理化特性，所以干馏炉炉型选择和干馏工艺确定尤为重要。根据不同种类油页岩特性来选择干馏炉炉型，然后再与之配套油回收系统。同时要考虑干馏气和残渣利用，尤其是油页岩半焦中固定碳的回收和利用。要根据不同地区油页岩特性在操作上进行调整及配量的设定。还要考虑各工艺收油率、水耗等参数，以确定最合适干馏工艺。

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