回轉式油頁巖干餾爐測溫技術研究進展

曹 琳 ，王阿川

（1東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040；2中國化工經濟技術發展中心，北京100723）

近些年來，能源危機日益嚴重，國際油價飆升，石油替代資源成為各個國家研究的目標之一。利用干餾技術將油頁巖熱解并提取出頁巖油已經成為替代石油資源的重要途徑。油頁巖在我國儲量充足，分布地點較為廣泛，開發價值巨大，是未來重要的非常規能源之一。

目前利用油頁巖制取油氣大多為低溫干餾工藝。其主要方法是將油頁巖原礦制成小粒度的油頁巖，再將其與固體的熱載體在干餾反應爐內充分混和，通過加熱以及干餾技術，進而得到高黏度的頁巖油。由于這種油的品質相對較低，因此需通過加氫工藝后才能提取出汽油餾分以及柴油餾分，并且可以替代部分常規的油氣作用，直接利用于汽車工業、船舶等領域。

油頁巖在低溫干餾過程中主要包括加熱分解、將反應產物熱解擴散以及導出等。因此，其主要因素包括物料的性質、油頁巖的粒度、加熱的溫度、加熱干餾下熱解的壓力、加熱的時間、加熱的速度、產物導出速度等因素[1]。除了油頁巖的性質及粒度外，這些影響因素大部分與干餾反應爐的結構、工藝方法等密切相關。油頁巖反應爐是提取、加工頁巖油的關鍵設備。目前大多采用回轉式干餾反應爐，工作時以一定的速度 360°進行連續旋轉，可使氣流在爐內均勻分布，并保證油頁巖與固體的載熱體可以充分的混合，以至于使反應中的換熱的能力和干餾的效果達到最佳。

在影響反應爐影響產油率的諸多因素中，除了壓力外，反應爐溫度波動的影響尤為重要，因此，監測控制反應爐不同位置、不同時期的溫度變化，及時了解反應爐爐內的狀況，以此來判斷反應爐內部的工作狀態是必須要做的工作。而回轉式反應爐公認的一個難題即為溫度的測量，原因在于回轉爐在轉動過程中給測量造成的不可預測性。因此本文的目的就是對回轉式油頁巖干餾爐溫度的檢測方法進行了綜述，以利于改進目前油頁巖反應爐的測溫方法，為油頁巖的干餾環節中的溫度信息采集和控制方法提供理論依據。

1 油頁巖的干餾過程及回轉式反應爐

1.1 油頁巖的低溫干餾過程

干餾是一個復雜的物理傳熱和化學熱解的過程，是整個頁巖煉油中最關鍵的工藝，其中包括了脫水、脫氫、熱解、熱縮合、加氫、焦化等化學反應。干餾油頁巖的過程必須在完全無空氣的情況來完成，只有達到該條件后，再將爐體溫度加熱達到450～550 ℃的情況下，才能夠讓油頁巖在這一過程中充分的實現熱解，并且產生頁巖油、半焦以及熱解氣等。

反應過程中為油頁巖干餾的過程主要包括3個方面。① 油頁巖加熱的過程。利用氣體熱載體或者固體熱載體將熱量傳至油頁巖表面，再將熱量由表面向內部進行傳導。② 將油頁巖實現熱解工藝的過程。該過程即為有機質受熱后進行分解的過程，該過程是制取頁巖油和氣態物質的主要環節。③ 將熱解產物擴散和逸出的過程。每個過程都需要在一定的時間下完成，這3個過程是互相聯系又并行進行著的。溫度升高至 450～520 ℃時，生成頁巖油蒸汽、熱解氣體的混合物以及頁巖半焦。

1.2 回轉式反應爐

采用低溫干餾技術生產頁巖油比較典型的回轉式反應爐介紹如下。

（1）Galoter技術 其使用的是轉筒式干餾爐，這種干餾爐是早期所使用的設備，利用自產頁巖灰作為固體熱載體，其油收率是鋁甑收率的 75%～85%，該爐是愛沙尼亞開發的。存在的問題：①運轉效率相對較低，主要是因為水力排灰系統的排灰管壁中由于反應所殘留的灰渣粘連凝結所造成；②產生重油量的比例同比相對較大。

（2）ToscoⅡ技術 其使用的是轉筒式的干餾爐來完成實現的，主要用于處理小顆粒油頁巖[2]，該技術利用瓷球作為熱載體，其油收率高于鋁甑收率的 90%，幾乎與鋁甑收率持平，是來自美國的Tosco公司在早期時開發的技術。存在的問題：①工作設備相對復雜、其維修量相對較大；②在干餾技術生成的頁巖半焦中存在著大量的未被利用的潛熱存在。

（3）LR技術 這是一種擁有多種途徑使用的屬于固體熱載體法的工藝過程，其處理原料種類頗為豐富，其中包括油頁巖、油砂、煤以及液體烴類等原料[2]，它是一種利用砂子作為熱載體的干餾爐。自 1964年起，該技術在世界各地建立了利用砂子爐從而實現石油裂解的生產設備，其中包括日本、阿根廷、德國和中國等。直至1983年，世界上已經擁有了許多大型的生產設備，其中最大的一套就在我國的蘭州。該技術的工藝流程主要由一個大型的循環系統來完成實現，該系統由提升管、收集槽、干餾反應器以及雙螺旋式混合器所組成，其中雙螺旋式混合器是它的核心設備，該技術核心是來自歐洲的德國兩家公司聯合研制開發的。存在的問題：①其排料系統容易堵塞；②油品中的含塵比例同比相對較大。

（4）ATP技術 其采用的是利用熱頁巖灰為熱載體，該物質屬于固體熱載體，其核心內容為回轉爐方面。該技術的回轉爐主要構成是一個臥式回轉窯，其中含有兩個同心的圓筒，在內筒中有兩個密封室，其目的是使油頁巖的預熱和干餾過程充分實現，外筒則是整個回轉爐的燃燒區，燃燒后的頁巖可以沿著外筒來進行逆向的流動，從而將熱量傳導至內筒中正在正向移動中的頁巖，該技術是從加拿大引進的，由William Taciuk所發明[3-4]。存在的問題：①該設備較為龐大，結構較為復雜，擁有較大的維修量；②油收率基本可以平均為75%～80%。

1.3 溫度的重要性以及檢測工作的必要性

在實際生產中，干餾是油頁巖生產的關鍵工藝，溫度是油頁巖在干餾時重要的一個參數。對于干餾爐溫度的控制極為重要，假如溫度低，將會導致油頁巖干餾不能完全，導致油頁巖中油母不完全裂解，烴蒸汽的產量會降低，甚至不產生烴蒸汽；如果溫度過高，則會使油母過度裂解，同樣會降低烴蒸汽的產量，而且會形成一些污染環境的氣體[5-6]。所以，為了最大化烴蒸汽的產量，應該合理利用影響著干餾區中料床溫度的原因，以至于精確控制干餾區料床的溫度。其中，對干餾區料床的溫度造成影響的原因包括：在燃燒區中料床溫度和油頁巖兩者的進料率；影響進料率的主要因素是轉速，確定轉速也就基本能夠確定進料率的范圍。因此，油頁巖在干餾時，其溫度的精確控制對提高產油率上起著至關重要的作用。然而，在自動調節進料器工作中進料的速率時，會使反應爐中熱負荷發生改變，從而影響反應過程中的溫度變化。由于溫度對象是慣性的、滯后的，因此必須實時準確的對反應爐內的溫度信息進行檢測與控制。

2 回轉爐測溫研究現狀

在回轉式干餾爐溫度監測系統中，回轉式干餾反應器工作時需要做 360°旋轉，由于筒體內的測溫儀器不方便引出測溫物體，所以使溫度信息不能及時傳遞出來。所以，需解決的問題便是對于測溫數據的采集整理以及溫度傳輸工作。當前針對回轉爐體的測量溫度信息的研究過程中所用到的方法包括接觸法和非接觸法兩種。

2.1 接觸式熱電偶進行溫度測量的方法

連續測溫過程中既簡單又有效的方法是利用熱電偶和在儀表測量回轉窯內非同一區域的各點溫度值[7]。其原理為：將兩個可以與回轉窯筒體相對絕緣的滑環相鄰安裝在測溫熱電偶的附近位置。在兩個滑環上連接熱電偶，石墨炭刷緊壓在滑環上并與滑環相連接，將炭刷安裝在連桿上，通過導線連接到熱電偶的數據采集系統上。反應過程中每個滑環只可以連接到指定的一個熱電偶的熱端方向，然而幾個熱電偶的冷端可以一起使用相同的一個滑環。在回轉窯進行工作時，熱電偶所產生的溫度信號是通過滑環以及炭刷傳達到測量儀表上，進而使測量溫度的工作得以實現。雖然滑環式的測溫系統結構相對較為簡單，但也存在著以下不足。

（1）由于容易造成滑環的失圓，同時在運行時爐體的震動也會造成信號的斷續甚至丟失的后果。

（2）由于炭刷、銅環以及其連接導線的分布范圍情況相對較大，以至于造成各處溫度出現明顯的差異，其結果將產生一些多余的熱電勢出現，這就會使熱電偶的冷端的溫度補給工作出現極大的難度，從而較為容易出現較大的誤差。

（3）由于熱電偶所產生的信號較弱，屬于毫伏級信號單位，滑環之間相對應的阻抗增加，需要炭刷和滑環之間保持緊密接觸。

（4）由于熱電偶深入窯內的部分因為長時間受到物料、煤粉以及雜質等物體的粘貼與吸附，以至于令讀數造成較大的誤差，從而導致測量值和真實值相差較大，因此需經常檢修更換。因此，其主要問題在于如何更好的將熱電偶采集的爐內溫度傳輸出來。

2.2 改進的接觸式熱電偶完成溫度測量工作的方法

2.2.1 在紅外通信技術中的溫度傳輸過程

紅外通信系統一般被分為兩個部分，即為發射和接收兩個方面（圖1），系統由運動部分和靜止部分組成。運動部分是由單片機、溫度測量電路、紅外通信收發器和電源所組成，通常被安裝在回轉窯筒體外側，熱電偶按通常的方法安裝。靜止部分通常是由控制系統的接口、紅外通信收發器或計算機數據采集等組成的。

圖1 采用紅外通信技術的回轉窯測溫系統原理圖

溫度測量電路可采用具有放大器的低頻A/D轉換器，可將熱電偶在反應過程中所產生的較為微弱的熱電勢信號接收。用可直接與單片機連接的數字式溫度傳感及測控芯片測量過程中熱電偶冷端的即時溫度值，并用單片機來讀取。利用該溫度的補償方法測得的溫度精度比較高，而且還可以使補償導線充分利用。

單片機完成A/D轉換器的啟動后，將轉換結果的溫度值讀入，經過數字濾波過濾后進而存入該單片機，在系統中運動和靜止兩部分的紅外收發器對準的時候，進而將顯示溫度的數據發送出來。紅外通訊技術的優點較為明顯：①傳統的機械備件被先進的電子產品所替代，使溫度測量更加準確；②可以令熱電偶的冷端溫度不經被合理的控制還能得到正確的補償，溫度測量相對比較精確；③為了能夠方便針對多點進行溫度測量的工作，改成了使用輸入通道更加多樣化的A/D數模轉換器作為溫度測量電路；④系統容易升級。存在的問題：將運動部分安裝在了回轉窯的外側，若用其測量高溫物體會影響系統的工作效率及溫度測量精度。

2.2.2 利用無線電波進行溫度傳輸

該方法采用了通過一些處理后可以將熱電偶檢測的微弱的電壓值成功轉換成為頻率信號的方式，再通過載波的發射過程與接收過程，經過檢波并放大后輸送到數字顯示的儀表來顯示，進而獲得檢測結果[8]（圖2）。

圖2 新型測溫系統方框圖

發射溫度頻率信號需要發射裝置來實現信號的無線傳輸過程。發射裝置包括高頻振蕩器和調制器兩個部分。高頻振蕩器是由晶體穩頻電路所產生；調制器是通過基極調幅的方式來實現的。 整個系統采用無線電波的方式來代替用傳統的導線進行傳輸的方式，并能將帶有窯內溫度信息所產生的頻率信號順利傳送出來，是一種從有線轉換到無線的檢測方法。該方法具有以下主要特點：① 檢測手段新穎、測量速度快及精度高；② 工作的時候擁有較高的可靠性，并能使維護更加方便快捷；③ 檢測電路可以使電壓轉換成頻率（數字量），使電路與計算機等其它設備能實現方便聯機。

2.2.3 通過無線技術傳輸溫度信號

采用無線、太陽能技術所實現的回轉窯溫度檢測系統（圖3）。檢測系統是由主從機、熱電偶以及后臺處理等組成。檢測系統的工作原理是利用放大電路放大S型的熱電偶所輸出的毫伏級負電壓信號之后，再進入采集電路完成數模轉換、單片機讀取轉換、處理后送到射頻電路發射，當從機的射頻電路接收到發射過來的數據后不僅通知單片機立即帶走數據，而且需讓單片機解碼、補償數據，最后再通過電路轉換和數模轉換，進而輸出模擬信號。

圖3 系統組成框圖

2.2.4 無線網技術傳輸溫度數據

王恭等基于 IEEE 802.15.4無線標準，是將CC2430為芯片的基礎，把干餾反應器的內部溫度和壓力等參數進行在線的測量系統。該系統包括傳感器終端節點及協調器節點，實現現場數據采集、ZigBee無線通信及遠程數據處理。同時上位機軟件對實時數據的管理，為系統實時監控提供測量基礎。常見的ZigBee星型無線傳輸網絡（圖4），ZigBee中定義了3種節點類型，即協調器、路由器及終端設備[9-10]。

圖4 ZigBee星型無線傳輸網絡

傳感器的節點和終端是由CC2430這種嵌入式的單片機、傳感器以及外圍的模塊等來組成的（圖5）。CC2430是內部整合了射頻收發器、8051控制器、RAM及外圍模塊等系統芯片。其中運放AD627可以處理熱電偶在過程中產生的雙路差分信號；AD7814是溫度傳感芯片；AD127為A/D比較基準芯片。

圖5 ZigBee溫度終端節點

網絡協調器可以通過選擇域網識別標志以及網絡的工作信道開始一個新的ZigBee網絡。該網絡協調器的節點是由CC2430模塊、RS232模塊以及電源模塊等部分組成（圖6）。由內部8051實現數據的接收/發送，用于建立網絡和網絡管理。將主機端的監控程序所發送的即時數據請求及時發送出去，此外還需要接收到傳感器節點所采集的一些數據并且上傳到上位機中去。

圖6 ZigBee協調器節點

ZigBee技術的應用，對于有線設備制造過程中所需要的條件大大減少，并且相對紅外技術或者CCD圖像處理技術，擁有更強的實時性，測量更準確。

2.3 非接觸法溫度測量方法的利用

2.3.1 光學掃描結合圖像分析法

這是一種新型的軟測量方法，其通過工業CCD攝像機在獲取爐內的視頻信息的條件下，經過分析輻射能量來間接的推算溫度值，在該分析的過程中包括圖像分割技術、參數建模過程以及數據濾波等環節，但此方法也存在著在數據實時性以及準確性等方面的不足。

2.3.2 紅外溫度計的測溫方法

將一個一側開口、另一側封底的圓管形感溫元件安裝在窯體上，并將紅外溫度計的鏡頭成功安裝在回轉窯徑直方向并與之處于同一水平線上與此同時也應保證可以與感溫元件對齊于軸向的水平線上[11]（圖 7）。

圖7 回轉窯測溫示意圖

在回轉窯轉動到紅外溫度計和感溫元件達到同一軸線的時候，便可測量到窯體內部所產生的一個溫度信號。感溫元件的內部幾乎是個絕對的黑體，在測量過程中造成的誤差可以通過二次調整儀表的輻射系數給予補償。當回轉窯轉動的時候會使紅外溫度計的測量所輸出的曲線上擁有一些尖尖的脈沖信號出現，該脈沖信號的峰值即為回轉窯內部的溫度值，將峰值用一條曲線相連接，所形成的曲線即顯示了回轉窯內部的即時溫度的變化過程。優點：感溫元件尺寸大于采用熱電偶的測量方法中感溫元件的尺寸，所以保護套管更堅固，使用壽命更長。不足：感溫元件厚度的增加雖然使強度加大，但是對于溫度測量將產生滯后的不利影響。

2.3.3 紅外掃描測溫方法

紅外掃描控制系統由紅外線型掃描器、位置編碼器、接口組件箱（包括數據傳輸通信電纜及電源等）、數據處理器、系統軟件包、云臺等組成[12-13]（圖8）。

圖8 檢測控制系統結構

系統功能和工作原理：爐體溫度掃描以及監視系統都能夠精確的探測旋轉爐體的轉速和爐體的溫度情況，將測量的結果用數字信號的形式進行連續傳輸。本系統可在回轉爐轉動一周以內，針對爐體表面位置進行精確定位，并對溫度進行實時的圖像分析。再利用系統所提供的畫面進行分析，用爐體表面各點的溫度值對爐內工藝狀況進行分析，并實時監測出耐火磚在脫落時熱點的位置，令操作人員可以隨時了解爐內、爐殼體、耐火磚在工作過程中的即時狀況，從而得到規范化的管理。

3 回轉式油頁巖干餾爐在測溫技術過程中的技術改進

從上述的幾種典型回轉爐測溫方法可以看出，每種測溫方法都各有其優點和不足，在實際應用中，應根據具體油頁巖反應爐的結構、工藝流程來確定所采用的測溫方法。

（1）基于Web無線傳感器的測溫方法 根據目前回轉式反應爐的結構特點、工作原理和工藝過程，能夠比較準確的檢測爐內不同區域某一點的溫度，最好采用熱電偶方法，而且熱電偶安裝得越多，測溫結果也越準確。隨著無線網技術的發展，可以采用無線傳感器網絡技術，將各熱電偶檢測的溫度值傳輸到數據中心，避免繁雜的布線。

（2）基于溫度場分析的測溫方法 熱電偶所測得的溫度都是相應監測點的溫度，而無法預測其所在區域或得到其內部某一區域溫度的變化，所以應根據熱力學、溫度場變化理論，研究建立如何根據熱電偶的溫度值來建立溫度模型或溫度場模型來仿真、預測爐內某一區域的溫度場的變化，使爐內溫度的檢測更加科學化、準確化、合理化。

（3）實現非接觸式測溫功能的方法 隨著計算機視覺技術和紅外測溫技術的發展，在回轉式反應爐測溫中，應更多的采用非接觸式溫度測量方法，比如通過熱像儀進行回轉爐溫度的檢測。可以在回轉爐的兩端進行開窗（或加入熱溫元件），然后通過熱像儀對其成像。通過對其熱像的處理、分析及標定，建立相應的溫度變化模型，來檢測出爐內的溫度場的變化，將會更準確的檢測出回轉爐的溫度變化。

（4）基于多源信息融合的回轉爐測溫檢測方法 根據熱學原理可以得知爐內所放出的熱量與外部所吸收的熱量相等。所以，可以用紅外熱像儀對反應爐的表面溫度進行熱成像，用傳感器對排出的煙氣溫度進行檢測，用熱電偶對反應爐內部不同區域的溫度進行檢測。綜合各不同傳感器的檢測溫度值，來建立基于多源信息的油頁巖反應爐爐內溫度場模型，來對反應爐內溫度進行檢測。具體如下：①對回轉爐內不同區域的溫度檢測采用熱電偶進行測溫；②用傳感器對排出的煙氣溫度進行檢測；③用紅外熱像儀對反應爐表面溫度進行熱成像；④利用 ZigBee無線網雙向通信技術進行熱電偶爐內溫度、煙氣溫度信息的無線傳輸，免去了布線難或可以布線但造價昂貴的問題。將采集的反應爐內不同區域的溫度信息、煙氣溫度信息傳輸到數據服務器中，以利于進行溫度分析及建模；⑤利用熱電偶測量的對應點溫度對紅外圖像進行定標，利用神經元網絡技術、遺傳算法或最小二乘法等來建立多源信息融合的溫度場模型；⑥利用紅外圖像的處理技術及標定值，得到回轉爐內溫度場的信息。

實現更好的監測控制反應爐不同位置、不同時期的溫度變化，及時了解反應爐爐內的狀況，以此來判斷反應爐內部的工作狀態?，F場工作人員通過對系統的畫面分析，可以及時的掌握爐體表面的溫度分布情況以及爐內信息情況，指導相關操作，使爐體始終工作處在最佳狀態。

4 結 論

回轉式油頁巖反應爐爐內溫度的檢測及傳輸一直是監控的難點，本文分析綜述了目前常用的幾種回轉式油頁巖干餾爐溫度的檢測方法，提出了采用接觸式與非接觸式測溫方法相結合的方法，實現對回轉式反應爐各部分區域點、面范圍的溫度信息采集。利用多信息源融合的方法建立反應爐內溫度場模型，實現對反應爐內溫度變化的有效監測。提高我國的回轉式反應爐的測溫技術，使爐內溫度變化分析更全面、更準確，以利于改進目前油頁巖反應爐的測溫方法，為油頁巖干餾過程中的溫度信息采集和控制方法提供理論依據。今后要不斷學習和融入國外先進的技術，實現油頁巖制油氣向著自動化、智能化方向發展。實現技術的相互融合與相互支持，大力推廣并利用新型技術手段定會成為在干餾技術領域中長遠的主要研究方向。

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