布气方式对油页岩干馏炉内温度分布的影响

秦宏，张智强，刘洪鹏，王擎，柏静儒，张鑫，迟铭书（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）

布气方式对油页岩干馏炉内温度分布的影响

秦宏，张智强，刘洪鹏，王擎，柏静儒，张鑫，迟铭书
（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）

第一作者：秦宏（1970—），男，博士，教授，目前从事污染物排放控制及油页岩干馏炼油技术研究与开发。E-mail qinhong01@163.com。

联系人：王擎，教授，研究方向为油页岩综合利用项目及循环流化床燃烧及污染物控制等。E-mail rlx888@126.com。

摘要：为研发新型气体热载体干馏技术，自主搭建了气体热载体干馏炉试验台。对不同进气方式下的炉内温度分布进行了试验研究。通过采集干馏炉内温度数据，得到炉内沿半径方向和高度方向上温度分布。分析了中心管和边壁同时进气的特点，并与中心管单独进气时进行了对比，研究了联合进气时的温升特性。试验结果表明：中心管单独进气时靠近边壁处存在滞留层，温度较低，与炉内中心处温差较大。采用中心管联合边壁进气可以较大程度改善滞留层温度较低的问题。联合进气时，炉内沿高度方向上升温速率有所不同。试验结果将为进一步研发和改进油页岩气体热载体干馏炉布气方式提供参考和依据。

关键词：油页岩；干馏炉；气体热载体；温度分布；进气方式

世界油页岩资源蕴藏量十分巨大，其储量高达(10～15)×1018kJ[1]。页岩油经加工后可接替部分常规油气，大大缓解能源供应压力。因此，进行油页岩开发利用方面的研究具有十分重要的价值[2-3]。对油页岩的开发利用对提高我国石油供给能力和保障国家能源安全具有战略意义[4]。

地面干馏技术是从油页岩中提取页岩油的最主要途径[5]。小颗粒油页岩干馏技术主要有Galoter技术、ATP技术和大工新法等[6-10]；块状油页岩（粒径25～125mm）的加工主要运用气体热载体法。国外主要有Kiviter技术和Petrosix技术等。爱沙尼亚1956年正式研制成功Kiviter炉，1990年设计了日加工1500t油页岩的干馏装置并成功投入运转[11]。巴西于1991年建成Petrosix炉，日处理量为6000t/d，产生的干馏气热值高，且油收率高达实验室铝甄含油率的90%[12-14]。国内目前主要采用抚顺式干馏炉，少量为气燃式方炉，也有干馏气循环加热炉[15]。抚顺式干馏炉主要特点为：油页岩热解所需热量来自于热循环干馏气和气化段产生的气化气，其中气化段存在局部燃烧反应，很容易造成部分页岩油气的损失，使油收率降低（一般为60%～65%，改进型抚顺式炉70%）；因为引入了额外的空气，燃烧过后氮气稀释了热解气，导致产生的热解气的热值较低，不能用作家用煤气，不利于生产化工产品。热循环气由中部进入炉内，在混合室内与气化段气混合，通过周围喷口进入干馏段。这种结构限制了其大型化发展[10，16]。因此，国内气体热载体技术存在单炉处理量小、油收率不高、产生的气体热值不高、冷凝回收系统和设备庞大等缺点。由于国外的技术壁垒，国内目前尚未引进先进气体热载体干馏工艺，开发具有自主知识产权的新型干馏装置迫在眉睫。

国内气体热载体干馏炉容量一直停留在300t/d的规模[17]，其主要原因在于原有的布气方式无法用于大容量干馏炉中，开发大容量干馏炉的关键问题之一在于保持炉内温度分布均匀。本文借鉴国内外干馏技术的经验，并试图克服现有干馏工艺存在的不足，设计了一种新型的炉内布气工艺；通过自行搭建试验台，研究了油页岩在干馏炉内的加热过程，以及对油页岩干馏炉内温度分布特性进行研究。

图1　干馏炉装置及测点示意图

1　试验部分

1.1试验装置及温度测点

如图1(a)为干馏炉主体示意图。干馏炉为立式圆柱体，总高H=3.62m，干馏炉半径R=0.2m。干馏炉上部为进料段，经双阀门由螺旋输送机进料；炉体由上至下依次分干燥段、干馏段、冷却段和出焦段，其中干馏段高度h=0.4m。在干馏段中部沿水平截面设置沿圆周方向分布均匀的中心布气管，并在同一平面炉体外围设置边壁进气。气体热载体经中心进气管和边壁进气进入炉内。试验过程中炉体外部作保温处理。

热电偶布置：以中心进气管上的4根布气管为坐标轴，并设定此平面为0点平面，以干馏高度为标准h，距离0点平面0.2h、−0.16h、−0.4h截面处温度测点分布如图1(b)所示，在0°、22.5°、45°夹角上分别安插热电偶，每根热电偶含有3个温度测点。由于热电偶前端测点靠近中心，最外测点靠近边壁，这里假定最前端测点距中心距离为0，中间测点距中心为0.5R，最外侧测点距中心距离为R。0.7h截面0°夹角上安插一根相同的含有3个测点的热电偶。

1.2干馏炉布气装置

试验装置有两种进气方式：中心管进气和边壁进气。如图2所示为中心布气管，中心管上有4根布气管，成十字形，每根布气管上在两侧斜向下45°位置交错布置5个直径5mm的圆孔。考虑炉中心处相邻布气管喷口距离较近，在炉内气体充满度较强，布气孔间距大；随着半径的增大，布气孔的间距减小。如图1(b)所示为边壁进气装置，在0点平面炉体外围设有边壁进气，在炉体内壁沿圆周分为4个象限，每部分在45°角度上布置有3个直径5mm的圆孔，相邻孔夹角为16°。

图2　布气管结构及截面图（单位：mm）

1.3试验流程及试验方法

试验物料为13～40mm鹅卵石。

试验操作流程：将物料由上部螺旋给料机送入干馏炉，启动风机，分别调节中心进气管和边壁进气加热管入口球阀至目标流量。空气在流经加热管时，被加热成高温空气，加热管功率由加热控制箱来调节。热载体经由中心进气管和边壁进气进入干馏炉内对物料进行均匀加热。由数据采集仪记录各测点温度存入计算机，供试验结束后整理。试验结束后，物料由螺旋出焦机排出炉外。

本试验分别对鹅卵石物料进行单独中心进气加热和中心进气联合边壁进气加热两种加热试验。进气温度均控制在620～650℃。中心进气加热气体热载体流量为风机最大流量（此时喷口气体流速为4.67m/s）。联合进气气体总流量不变，中心进气与边壁进气比为1∶1（中心进气喷口气体流速为2.33 m/s）。研究不同进气方式下的温度分布特性。并在进气比4∶3时进行了联合进气试验，在对加热管进行电加热和热载体升温时采用中心管进气4m³/h边壁进气3m³/h，180min后热载体温度达到进气温度，气量提升至中心管12m³/h边壁进气9m³/h，研究了联合进气全过程的升温特性。

2　试验结果及讨论

2.1径向温度分布

图3～图5为距进气口高度0.2h、−0.16h和−0.4h截面的两种工况下温度分布曲线对比图。(a)为中心管进气工况，(b)为中心管和边壁联合进气（简称联合进气）工况。

图3　0.2h截面处温度分布曲线

由图3可知，中心管进气时在0°和45°方向具有相似的温度变化曲线，在0～R上先升高再急剧降低，在R处达到最大值，并且0°方向上温度比45°方向上略高，两者温差为0.5～11.4℃。22.5°方向上在0～R上逐渐降低。中心管进气0.2h截面在R处最低温度为257.2℃。采用联合进气时，0°和45°温度变化曲线与中心管进气时基本相同，都表现为在0～R上先升高再降低，但45°方向上在0～0.5R区间逐渐超过0°方向温度。联合进气时22.5°方向上温度趋势与中心进气时不同，在0～R上呈现先降低后升高的温度曲线。在0.2h截面处联合进气比较中心管进气呈现出整体温度升高，特别是解决了中心管进气时0.5R～R上的温度偏低的问题。在0.2h截面上热载体在下部热载体推动下向上流动，靠近边壁处的气体流速最低[18]，换热量低，导致了靠近边壁处温度较中心处低。热载体流速较高处为0.5R处附近。边壁进气进气增加了靠近边壁出的气体流量，并加强了气流扰动，使得温度得到提升。

图4为−0.16h截面处径向温度分布曲线。−0.16h截面是距离进气管最近的测量截面，在进气管下方。由图4(a)可知，中心管进气时温度沿0～R总体呈现下降趋势，22.5°方向上温度下降主要出现在0.5R～R区间上。中心管进气沿半径方向温差较大，同角度上最大温差为210.3℃，靠近边壁处温度较低，最低温度为270℃。联合进气时3个角度上的温度变化趋势各不相同。45°方向上温度逐步降低，但温度整体较高，比较中心管进气时温度的下降速率明显降低。22.5°方向上沿0～R温度先升高再降低。0°方向上沿0～R温度先降低再升高。联合进气与中心管进气比较，联合进气使得沿半径方向温差明显缩小，并且对0°和22.5°方向温度变化产生较大影响，改变了中心管进气时的变化规律。由于在−0.16h截面处距离喷口近，热载体还为分散的直流射流，流速较大，与物料碰撞次数少，传热传质效果差，在靠近边壁处尤为明显。联合进气时，边壁进气对中心管进气在此截面传热传质较弱的边壁45°区域进行了有效补充，使此截面传热效果整体提高。

图5为−0.4h截面处各角度上沿半径方向温度变化曲线。中心管进气时各角度方向上温度变化趋势一致，沿0～R温度逐渐降低0.5R～R上温度降低较快。联合进气时各角度方向上温度变化一致，温度沿0～R先升高再降低。与−0.16h截面相同45°方向温度最高，22.5°方向温度次之，0°方向上最低。这是由于0°方向是中心进气管正下方，气流从中心管斜向下45°方向喷射，气流经过22.5°方向在45°方向汇合，较少经过0°方向。联合进气与单独中心管进气相比较，在−0.4h截面联合进气时各点温度都比单独中心进气时温度高，解决了中心管进气时0.5R～R上温度较低的情况。由于−0.4h截面距离出气孔距离较远，热载体在斜向下喷出一段距离，与物料碰撞并进行传热传质，射流速度急剧下降后在压差作用下大部分气体向炉体上部流动。此截面上气体温度主要由气体扩散产生，所以温差较小，温度值较低，温度分布较均匀。

中心管进气时，径向温度表现出不同程度的温度不均，联合进气通过增加边壁进气方式对中心管进气进行补充，使得整体温度分布情况得到较大程度改善。

图4　−0.16h截面处温度分布曲线

图5　−0.4h截面处温度分布曲线

2.2沿高度方向上温度分布

图6为0°夹角上沿高度的温度分布曲线。中心进气时，半径0和0.5R高度方向上的温度变化曲线趋势近似一致：从−0.4h～0.2h随高度升高温度逐渐升高，在0.2h～0.7h随高度升高温度逐渐降低。半径R高度方向上在−0.4h～−0.16h随高度升高温度逐渐升高，−0.16h～0.7h随高度升高温度逐渐降低。并且半径R高度方向上温度与半径0.5R和半径0高度方向有较大温差，在0.2h高度处达到最大温差接近290℃。联合进气时，温度变化趋势与中心管进气相似。与中心管进气时相比：在−0.4h和0.7h截面半径0处较中心进气时的相应位置温度明显提高，而−0.16h和0.2h截面半径0处较中心进气时温度变化不大；半径0.5R也大体如此，而半径R高度方向则较中心进气温度整体提升。0.2h～0.7h段，气体热载体在此段之前热量已经大量放出，热载体温度较低，主要作用为干燥物料和预热物料。中心管进气时靠近边壁的R处曲线温度明显低于半径0和半径0.5R处温度的原因主要是炉内气流主体集中在半径0.5R以内，靠近边壁处形成气体滞留层，对流薄弱，传热传质效果差。在炉体中心处由于气体热载体流动较强烈，炉体越靠近下部热载体的停留时间越短，所以温度也较低。

边壁进气对改善半径R上温度过低有较好的作用，靠近边壁处各点温度平均升高100℃，并且对竖直方向上半径0处和半径0.5R处减小温差有明显作用。

图6　0°夹角沿高度温度分布曲线

图7　0.2h截面上45°夹角处升温曲线

图8　−0.16h截面上45°夹角处升温曲线

图9　−0.4h截面上45°夹角处升温曲线

2.3炉内升温特性

图7～图9为联合进气时各截面不同半径测点的升温曲线，进气时采用固定中心管与边壁进气比为4∶3，在进气温度达到目标温度640℃之前，内保持中心管进气4m³/h边壁进气3m³/h，180min后达到目标进气温度640℃，保持中心管进气12m³/h边壁进气9m³/h。由图7～图9所示，在前一阶段各截面上不同半径处温差较小。在保持进气比加大进气量时，各截面表现出不同程度的温差增大。各截面半径R处的升温速率均小于半径0处和半径0.5R处。0.2h截面上在加热250min后半径0处和半径0.5R处开始产生较大温差，随后半径0处升温速率下降。−0.16h截面上在加热250min后不同半径处产生温差，温差保持在50～150℃。−0.4h截面上半径0处与半径0.5处升温曲线类似。分析升温曲线图7～图9可知0.2h截面对流量增加最为敏感，径向出现最大350℃温差。主要由于整体流量增大后，气流在0.2h截面处汇聚，在0.5R处流量最大，保持长时间的高升温速率。−0.16h截面处于射流直射区域，气流较分散不同半径处升温速率相差不大。−0.4h截面热载体流动主要依靠气体扩散，传热传质慢，升温速率较慢，炉内中心区域温差小。

从升温时间看，在增大流量后有75min的高升温速率区，随后升温速率降低，经过400min后温度达到稳定。从干馏段上部到下部，升温速率降低，但温度均匀度增高。对其他角度上的数据分析也得到类似情况。

3　结论

本试验研究了炉内不同布气方式下的温度分布，不同布气方式下炉内温度分布有较大差距。对进一步研发和改进干馏炉布气方式具有一定的参考价值和指导意义。通过试验研究得出以下结论。

（1）中心管进气时，半径R上存在热载体滞留区，导致边壁处温度低，径向温差大；采用中心管和边壁进气联合进气可以大大改善靠近边壁处温度过低的情况，使径向温度不均匀程度减轻。

（2）中心管进气时，相同半径沿高度方向上，温差大，温度低；中心管和边壁联合进气时，改善了高度方向上温度不均和温度过低现象。

（3）在气体流速较低时，温差较小。从干馏段上部到下部，升温速率降低，但温度均匀度增高。干馏段上部对流量增加较敏感，温差增大明显。

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综述与专论

Effect of gas intake arrangement on temperature distribution in oil shale retort

QIN Hong，ZHANG Zhiqiang，LIU Hongpeng，WANG Qing，BAI Jingru，ZHANG Xin，CHI Mingshu
（Engineering Research Centre of Oil Shale Comprehensive Utilization，Ministry of Education，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China）

Abstract：For the investigation of new technology of oil shale retort with gas heat carrier，a lab-scale retort was built.The temperature distribution inside the retort was investigated with different gas-intake arrangements.Temperature distributions along the radial direction and vertical direction were obtained by collecting retort temperature data.The characteristics of gas-intake through side-arranged headers combined with central tube were investigated.Comparison between gas-intake through central tube alone and that through side-arranged headers combined with central tube was made，and investigation of the heating characteristics of combined two gas-intake arrangements was performed.With gas intake through central tube alone，there existed a lag zone around the retort inside wall，and its temperature was much lower than retort central temperature.Combined two gas-intake arrangements could significantly resolve the problem related to central tube intake alone as illustrated above.Heat-up rate varied along the height of retort when combined two gas-intake arrangements was used.The experimental results would provide reference and basis for further research and improvement of gas-intake arrangements in oil shale retort with gas heat carrier.

Key words：oil shale; retort; gas heat carrier; temperature distribution; gas-intake arrangements

基金项目：长江学者和创新团队发展计划（IRT13052）、国家自然科学基金（51276034）及吉林省科技发展计划（20140204004SF）项目。

收稿日期：2014-05-28；

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.02.008

文章编号：1000–6613（2015）02–0343–06

文献标志码：A

中图分类号：TE 65

修改稿日期：2014-07-03。