回转式油页岩干馏炉测温技术研究进展

曹 琳 ，王阿川

（1东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040；2中国化工经济技术发展中心，北京100723）

近些年来，能源危机日益严重，国际油价飙升，石油替代资源成为各个国家研究的目标之一。利用干馏技术将油页岩热解并提取出页岩油已经成为替代石油资源的重要途径。油页岩在我国储量充足，分布地点较为广泛，开发价值巨大，是未来重要的非常规能源之一。

目前利用油页岩制取油气大多为低温干馏工艺。其主要方法是将油页岩原矿制成小粒度的油页岩，再将其与固体的热载体在干馏反应炉内充分混和，通过加热以及干馏技术，进而得到高黏度的页岩油。由于这种油的品质相对较低，因此需通过加氢工艺后才能提取出汽油馏分以及柴油馏分，并且可以替代部分常规的油气作用，直接利用于汽车工业、船舶等领域。

油页岩在低温干馏过程中主要包括加热分解、将反应产物热解扩散以及导出等。因此，其主要因素包括物料的性质、油页岩的粒度、加热的温度、加热干馏下热解的压力、加热的时间、加热的速度、产物导出速度等因素[1]。除了油页岩的性质及粒度外，这些影响因素大部分与干馏反应炉的结构、工艺方法等密切相关。油页岩反应炉是提取、加工页岩油的关键设备。目前大多采用回转式干馏反应炉，工作时以一定的速度 360°进行连续旋转，可使气流在炉内均匀分布，并保证油页岩与固体的载热体可以充分的混合，以至于使反应中的换热的能力和干馏的效果达到最佳。

在影响反应炉影响产油率的诸多因素中，除了压力外，反应炉温度波动的影响尤为重要，因此，监测控制反应炉不同位置、不同时期的温度变化，及时了解反应炉炉内的状况，以此来判断反应炉内部的工作状态是必须要做的工作。而回转式反应炉公认的一个难题即为温度的测量，原因在于回转炉在转动过程中给测量造成的不可预测性。因此本文的目的就是对回转式油页岩干馏炉温度的检测方法进行了综述，以利于改进目前油页岩反应炉的测温方法，为油页岩的干馏环节中的温度信息采集和控制方法提供理论依据。

1 油页岩的干馏过程及回转式反应炉

1.1 油页岩的低温干馏过程

干馏是一个复杂的物理传热和化学热解的过程，是整个页岩炼油中最关键的工艺，其中包括了脱水、脱氢、热解、热缩合、加氢、焦化等化学反应。干馏油页岩的过程必须在完全无空气的情况来完成，只有达到该条件后，再将炉体温度加热达到450～550 ℃的情况下，才能够让油页岩在这一过程中充分的实现热解，并且产生页岩油、半焦以及热解气等。

反应过程中为油页岩干馏的过程主要包括3个方面。① 油页岩加热的过程。利用气体热载体或者固体热载体将热量传至油页岩表面，再将热量由表面向内部进行传导。② 将油页岩实现热解工艺的过程。该过程即为有机质受热后进行分解的过程，该过程是制取页岩油和气态物质的主要环节。③ 将热解产物扩散和逸出的过程。每个过程都需要在一定的时间下完成，这3个过程是互相联系又并行进行着的。温度升高至 450～520 ℃时，生成页岩油蒸汽、热解气体的混合物以及页岩半焦。

1.2 回转式反应炉

采用低温干馏技术生产页岩油比较典型的回转式反应炉介绍如下。

（1）Galoter技术 其使用的是转筒式干馏炉，这种干馏炉是早期所使用的设备，利用自产页岩灰作为固体热载体，其油收率是铝甑收率的 75%～85%，该炉是爱沙尼亚开发的。存在的问题：①运转效率相对较低，主要是因为水力排灰系统的排灰管壁中由于反应所残留的灰渣粘连凝结所造成；②产生重油量的比例同比相对较大。

（2）ToscoⅡ技术 其使用的是转筒式的干馏炉来完成实现的，主要用于处理小颗粒油页岩[2]，该技术利用瓷球作为热载体，其油收率高于铝甑收率的 90%，几乎与铝甑收率持平，是来自美国的Tosco公司在早期时开发的技术。存在的问题：①工作设备相对复杂、其维修量相对较大；②在干馏技术生成的页岩半焦中存在着大量的未被利用的潜热存在。

（3）LR技术 这是一种拥有多种途径使用的属于固体热载体法的工艺过程，其处理原料种类颇为丰富，其中包括油页岩、油砂、煤以及液体烃类等原料[2]，它是一种利用砂子作为热载体的干馏炉。自 1964年起，该技术在世界各地建立了利用砂子炉从而实现石油裂解的生产设备，其中包括日本、阿根廷、德国和中国等。直至1983年，世界上已经拥有了许多大型的生产设备，其中最大的一套就在我国的兰州。该技术的工艺流程主要由一个大型的循环系统来完成实现，该系统由提升管、收集槽、干馏反应器以及双螺旋式混合器所组成，其中双螺旋式混合器是它的核心设备，该技术核心是来自欧洲的德国两家公司联合研制开发的。存在的问题：①其排料系统容易堵塞；②油品中的含尘比例同比相对较大。

（4）ATP技术 其采用的是利用热页岩灰为热载体，该物质属于固体热载体，其核心内容为回转炉方面。该技术的回转炉主要构成是一个卧式回转窑，其中含有两个同心的圆筒，在内筒中有两个密封室，其目的是使油页岩的预热和干馏过程充分实现，外筒则是整个回转炉的燃烧区，燃烧后的页岩可以沿着外筒来进行逆向的流动，从而将热量传导至内筒中正在正向移动中的页岩，该技术是从加拿大引进的，由William Taciuk所发明[3-4]。存在的问题：①该设备较为庞大，结构较为复杂，拥有较大的维修量；②油收率基本可以平均为75%～80%。

1.3 温度的重要性以及检测工作的必要性

在实际生产中，干馏是油页岩生产的关键工艺，温度是油页岩在干馏时重要的一个参数。对于干馏炉温度的控制极为重要，假如温度低，将会导致油页岩干馏不能完全，导致油页岩中油母不完全裂解，烃蒸汽的产量会降低，甚至不产生烃蒸汽；如果温度过高，则会使油母过度裂解，同样会降低烃蒸汽的产量，而且会形成一些污染环境的气体[5-6]。所以，为了最大化烃蒸汽的产量，应该合理利用影响着干馏区中料床温度的原因，以至于精确控制干馏区料床的温度。其中，对干馏区料床的温度造成影响的原因包括：在燃烧区中料床温度和油页岩两者的进料率；影响进料率的主要因素是转速，确定转速也就基本能够确定进料率的范围。因此，油页岩在干馏时，其温度的精确控制对提高产油率上起着至关重要的作用。然而，在自动调节进料器工作中进料的速率时，会使反应炉中热负荷发生改变，从而影响反应过程中的温度变化。由于温度对象是惯性的、滞后的，因此必须实时准确的对反应炉内的温度信息进行检测与控制。

2 回转炉测温研究现状

在回转式干馏炉温度监测系统中，回转式干馏反应器工作时需要做 360°旋转，由于筒体内的测温仪器不方便引出测温物体，所以使温度信息不能及时传递出来。所以，需解决的问题便是对于测温数据的采集整理以及温度传输工作。当前针对回转炉体的测量温度信息的研究过程中所用到的方法包括接触法和非接触法两种。

2.1 接触式热电偶进行温度测量的方法

连续测温过程中既简单又有效的方法是利用热电偶和在仪表测量回转窑内非同一区域的各点温度值[7]。其原理为：将两个可以与回转窑筒体相对绝缘的滑环相邻安装在测温热电偶的附近位置。在两个滑环上连接热电偶，石墨炭刷紧压在滑环上并与滑环相连接，将炭刷安装在连杆上，通过导线连接到热电偶的数据采集系统上。反应过程中每个滑环只可以连接到指定的一个热电偶的热端方向，然而几个热电偶的冷端可以一起使用相同的一个滑环。在回转窑进行工作时，热电偶所产生的温度信号是通过滑环以及炭刷传达到测量仪表上，进而使测量温度的工作得以实现。虽然滑环式的测温系统结构相对较为简单，但也存在着以下不足。

（1）由于容易造成滑环的失圆，同时在运行时炉体的震动也会造成信号的断续甚至丢失的后果。

（2）由于炭刷、铜环以及其连接导线的分布范围情况相对较大，以至于造成各处温度出现明显的差异，其结果将产生一些多余的热电势出现，这就会使热电偶的冷端的温度补给工作出现极大的难度，从而较为容易出现较大的误差。

（3）由于热电偶所产生的信号较弱，属于毫伏级信号单位，滑环之间相对应的阻抗增加，需要炭刷和滑环之间保持紧密接触。

（4）由于热电偶深入窑内的部分因为长时间受到物料、煤粉以及杂质等物体的粘贴与吸附，以至于令读数造成较大的误差，从而导致测量值和真实值相差较大，因此需经常检修更换。因此，其主要问题在于如何更好的将热电偶采集的炉内温度传输出来。

2.2 改进的接触式热电偶完成温度测量工作的方法

2.2.1 在红外通信技术中的温度传输过程

红外通信系统一般被分为两个部分，即为发射和接收两个方面（图1），系统由运动部分和静止部分组成。运动部分是由单片机、温度测量电路、红外通信收发器和电源所组成，通常被安装在回转窑筒体外侧，热电偶按通常的方法安装。静止部分通常是由控制系统的接口、红外通信收发器或计算机数据采集等组成的。

图1 采用红外通信技术的回转窑测温系统原理图

温度测量电路可采用具有放大器的低频A/D转换器，可将热电偶在反应过程中所产生的较为微弱的热电势信号接收。用可直接与单片机连接的数字式温度传感及测控芯片测量过程中热电偶冷端的即时温度值，并用单片机来读取。利用该温度的补偿方法测得的温度精度比较高，而且还可以使补偿导线充分利用。

单片机完成A/D转换器的启动后，将转换结果的温度值读入，经过数字滤波过滤后进而存入该单片机，在系统中运动和静止两部分的红外收发器对准的时候，进而将显示温度的数据发送出来。红外通讯技术的优点较为明显：①传统的机械备件被先进的电子产品所替代，使温度测量更加准确；②可以令热电偶的冷端温度不经被合理的控制还能得到正确的补偿，温度测量相对比较精确；③为了能够方便针对多点进行温度测量的工作，改成了使用输入通道更加多样化的A/D数模转换器作为温度测量电路；④系统容易升级。存在的问题：将运动部分安装在了回转窑的外侧，若用其测量高温物体会影响系统的工作效率及温度测量精度。

2.2.2 利用无线电波进行温度传输

该方法采用了通过一些处理后可以将热电偶检测的微弱的电压值成功转换成为频率信号的方式，再通过载波的发射过程与接收过程，经过检波并放大后输送到数字显示的仪表来显示，进而获得检测结果[8]（图2）。

图2 新型测温系统方框图

发射温度频率信号需要发射装置来实现信号的无线传输过程。发射装置包括高频振荡器和调制器两个部分。高频振荡器是由晶体稳频电路所产生；调制器是通过基极调幅的方式来实现的。 整个系统采用无线电波的方式来代替用传统的导线进行传输的方式，并能将带有窑内温度信息所产生的频率信号顺利传送出来，是一种从有线转换到无线的检测方法。该方法具有以下主要特点：① 检测手段新颖、测量速度快及精度高；② 工作的时候拥有较高的可靠性，并能使维护更加方便快捷；③ 检测电路可以使电压转换成频率（数字量），使电路与计算机等其它设备能实现方便联机。

2.2.3 通过无线技术传输温度信号

采用无线、太阳能技术所实现的回转窑温度检测系统（图3）。检测系统是由主从机、热电偶以及后台处理等组成。检测系统的工作原理是利用放大电路放大S型的热电偶所输出的毫伏级负电压信号之后，再进入采集电路完成数模转换、单片机读取转换、处理后送到射频电路发射，当从机的射频电路接收到发射过来的数据后不仅通知单片机立即带走数据，而且需让单片机解码、补偿数据，最后再通过电路转换和数模转换，进而输出模拟信号。

图3 系统组成框图

2.2.4 无线网技术传输温度数据

王恭等基于 IEEE 802.15.4无线标准，是将CC2430为芯片的基础，把干馏反应器的内部温度和压力等参数进行在线的测量系统。该系统包括传感器终端节点及协调器节点，实现现场数据采集、ZigBee无线通信及远程数据处理。同时上位机软件对实时数据的管理，为系统实时监控提供测量基础。常见的ZigBee星型无线传输网络（图4），ZigBee中定义了3种节点类型，即协调器、路由器及终端设备[9-10]。

图4 ZigBee星型无线传输网络

传感器的节点和终端是由CC2430这种嵌入式的单片机、传感器以及外围的模块等来组成的（图5）。CC2430是内部整合了射频收发器、8051控制器、RAM及外围模块等系统芯片。其中运放AD627可以处理热电偶在过程中产生的双路差分信号；AD7814是温度传感芯片；AD127为A/D比较基准芯片。

图5 ZigBee温度终端节点

网络协调器可以通过选择域网识别标志以及网络的工作信道开始一个新的ZigBee网络。该网络协调器的节点是由CC2430模块、RS232模块以及电源模块等部分组成（图6）。由内部8051实现数据的接收/发送，用于建立网络和网络管理。将主机端的监控程序所发送的即时数据请求及时发送出去，此外还需要接收到传感器节点所采集的一些数据并且上传到上位机中去。

图6 ZigBee协调器节点

ZigBee技术的应用，对于有线设备制造过程中所需要的条件大大减少，并且相对红外技术或者CCD图像处理技术，拥有更强的实时性，测量更准确。

2.3 非接触法温度测量方法的利用

2.3.1 光学扫描结合图像分析法

这是一种新型的软测量方法，其通过工业CCD摄像机在获取炉内的视频信息的条件下，经过分析辐射能量来间接的推算温度值，在该分析的过程中包括图像分割技术、参数建模过程以及数据滤波等环节，但此方法也存在着在数据实时性以及准确性等方面的不足。

2.3.2 红外温度计的测温方法

将一个一侧开口、另一侧封底的圆管形感温元件安装在窑体上，并将红外温度计的镜头成功安装在回转窑径直方向并与之处于同一水平线上与此同时也应保证可以与感温元件对齐于轴向的水平线上[11]（图 7）。

图7 回转窑测温示意图

在回转窑转动到红外温度计和感温元件达到同一轴线的时候，便可测量到窑体内部所产生的一个温度信号。感温元件的内部几乎是个绝对的黑体，在测量过程中造成的误差可以通过二次调整仪表的辐射系数给予补偿。当回转窑转动的时候会使红外温度计的测量所输出的曲线上拥有一些尖尖的脉冲信号出现，该脉冲信号的峰值即为回转窑内部的温度值，将峰值用一条曲线相连接，所形成的曲线即显示了回转窑内部的即时温度的变化过程。优点：感温元件尺寸大于采用热电偶的测量方法中感温元件的尺寸，所以保护套管更坚固，使用寿命更长。不足：感温元件厚度的增加虽然使强度加大，但是对于温度测量将产生滞后的不利影响。

2.3.3 红外扫描测温方法

红外扫描控制系统由红外线型扫描器、位置编码器、接口组件箱（包括数据传输通信电缆及电源等）、数据处理器、系统软件包、云台等组成[12-13]（图8）。

图8 检测控制系统结构

系统功能和工作原理：炉体温度扫描以及监视系统都能够精确的探测旋转炉体的转速和炉体的温度情况，将测量的结果用数字信号的形式进行连续传输。本系统可在回转炉转动一周以内，针对炉体表面位置进行精确定位，并对温度进行实时的图像分析。再利用系统所提供的画面进行分析，用炉体表面各点的温度值对炉内工艺状况进行分析，并实时监测出耐火砖在脱落时热点的位置，令操作人员可以随时了解炉内、炉壳体、耐火砖在工作过程中的即时状况，从而得到规范化的管理。

3 回转式油页岩干馏炉在测温技术过程中的技术改进

从上述的几种典型回转炉测温方法可以看出，每种测温方法都各有其优点和不足，在实际应用中，应根据具体油页岩反应炉的结构、工艺流程来确定所采用的测温方法。

（1）基于Web无线传感器的测温方法 根据目前回转式反应炉的结构特点、工作原理和工艺过程，能够比较准确的检测炉内不同区域某一点的温度，最好采用热电偶方法，而且热电偶安装得越多，测温结果也越准确。随着无线网技术的发展，可以采用无线传感器网络技术，将各热电偶检测的温度值传输到数据中心，避免繁杂的布线。

（2）基于温度场分析的测温方法 热电偶所测得的温度都是相应监测点的温度，而无法预测其所在区域或得到其内部某一区域温度的变化，所以应根据热力学、温度场变化理论，研究建立如何根据热电偶的温度值来建立温度模型或温度场模型来仿真、预测炉内某一区域的温度场的变化，使炉内温度的检测更加科学化、准确化、合理化。

（3）实现非接触式测温功能的方法 随着计算机视觉技术和红外测温技术的发展，在回转式反应炉测温中，应更多的采用非接触式温度测量方法，比如通过热像仪进行回转炉温度的检测。可以在回转炉的两端进行开窗（或加入热温元件），然后通过热像仪对其成像。通过对其热像的处理、分析及标定，建立相应的温度变化模型，来检测出炉内的温度场的变化，将会更准确的检测出回转炉的温度变化。

（4）基于多源信息融合的回转炉测温检测方法 根据热学原理可以得知炉内所放出的热量与外部所吸收的热量相等。所以，可以用红外热像仪对反应炉的表面温度进行热成像，用传感器对排出的烟气温度进行检测，用热电偶对反应炉内部不同区域的温度进行检测。综合各不同传感器的检测温度值，来建立基于多源信息的油页岩反应炉炉内温度场模型，来对反应炉内温度进行检测。具体如下：①对回转炉内不同区域的温度检测采用热电偶进行测温；②用传感器对排出的烟气温度进行检测；③用红外热像仪对反应炉表面温度进行热成像；④利用 ZigBee无线网双向通信技术进行热电偶炉内温度、烟气温度信息的无线传输，免去了布线难或可以布线但造价昂贵的问题。将采集的反应炉内不同区域的温度信息、烟气温度信息传输到数据服务器中，以利于进行温度分析及建模；⑤利用热电偶测量的对应点温度对红外图像进行定标，利用神经元网络技术、遗传算法或最小二乘法等来建立多源信息融合的温度场模型；⑥利用红外图像的处理技术及标定值，得到回转炉内温度场的信息。

实现更好的监测控制反应炉不同位置、不同时期的温度变化，及时了解反应炉炉内的状况，以此来判断反应炉内部的工作状态。现场工作人员通过对系统的画面分析，可以及时的掌握炉体表面的温度分布情况以及炉内信息情况，指导相关操作，使炉体始终工作处在最佳状态。

4 结 论

回转式油页岩反应炉炉内温度的检测及传输一直是监控的难点，本文分析综述了目前常用的几种回转式油页岩干馏炉温度的检测方法，提出了采用接触式与非接触式测温方法相结合的方法，实现对回转式反应炉各部分区域点、面范围的温度信息采集。利用多信息源融合的方法建立反应炉内温度场模型，实现对反应炉内温度变化的有效监测。提高我国的回转式反应炉的测温技术，使炉内温度变化分析更全面、更准确，以利于改进目前油页岩反应炉的测温方法，为油页岩干馏过程中的温度信息采集和控制方法提供理论依据。今后要不断学习和融入国外先进的技术，实现油页岩制油气向着自动化、智能化方向发展。实现技术的相互融合与相互支持，大力推广并利用新型技术手段定会成为在干馏技术领域中长远的主要研究方向。

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