窯街油頁巖粉末成型的工業干餾試驗分析

熊 耀，馬名杰，劉全潤，劉素珍

（河南理工大學材料科學與工程學院，河南 焦作 454003）

隨著全球石油消耗量的增加，石油供求矛盾將進一步凸顯，而油頁巖資源將作為重要的油氣資源替代產品來彌補這個差距[1-4]。由于油頁巖的層片狀結構，導致其強度不高，在開采過程中油頁巖粉末的產量很大。另外，由于運輸、破碎、篩分和一些場內原料處理使得塊巖的破碎率很高。而國內外主要的干餾工藝都只能利用粒度在8～75 mm的油頁巖[5]。粉末油頁巖的大量堆存又會給生態環境帶來較大的污染。因此，粉末油頁巖成型利用刻不容緩。

2012年6 月在窯街油頁巖綜合利用公司生產200 t 頁巖球，并在該公司的神木三江SJ 型干餾方爐[6]內進行干餾試驗，取得較好的效果。本試驗研究在充分研究窯街油頁巖物化性能的基礎上，研究窯街油頁巖粉末的成型性能和成型后的油收率，通過進行工業成型和干餾試驗，最終開發出能夠滿足工業應用的頁巖球加工技術，實現油頁巖粉末的合理利用，提高油頁巖利用效率，降低生產成本，提高企業經濟效益和社會效益。

1 窯街油頁巖粉末成型

圖1 油頁巖粉末成型

2012年6月23 日起由河南理工大學提供自制的HPU-B 型黏結劑和成型技術、鄭州大成重工機械有限公司提供成型設備，以甘肅省窯街油頁巖綜合利用有限公司海石灣礦油頁巖粉末為原料，現場加工200 t 頁巖球。頁巖球形狀如圖1(b)所示，其徑向直徑50 mm，軸向直徑40 mm。生產出的頁巖球經過5 天的自然堆存后，對現場生產的頁巖球進行采樣檢測，結果如表1所示。

2 頁巖球工業干餾試驗

試驗以100%頁巖球入爐，入爐后在正常操作參數保持不變的條件下運行。2012年8月23 日9∶00時將7#受煤坑拉空，將頁巖球過篩（8 mm 條篩）后加入7#受煤坑。10∶00時開始上料，頁巖球全部加入到1#爐內，21∶00時頁巖球上料結束。頁巖球持續上料時間11 h，共計加入頁巖球質量198.3 t。

表1 頁巖球性能指標檢測

8月23 日17∶00時刮板刮出的半焦中開始出現頁巖球半焦，說明此時干餾爐內已經全部為頁巖球；21∶00時刮出的半焦全部為頁巖球半焦；8月24 日5∶20 開始出現塊頁巖半焦，8∶30 刮出的半焦全部為塊頁巖半焦，說明頁巖球半焦已被全部刮出，試驗結束。從上料到頁巖球半焦被全部刮出共計22.5 h，其中頁巖球通過干餾段時間為8月23 日15∶00 至8月24 日3∶00，共計12 h。

主要考察8月23 日15∶00～8月24 日3∶00 爐況變化情況。主要考察的參數包括干餾段溫度、爐頂溫度、回爐煤氣壓力、爐頂壓力以及頁巖球半焦破碎率、刮板機運行情況和半焦殘油率等。試驗結果匯總如表2所示。

2.1 試驗結果分析

在整個試驗過程中，干餾爐各操作參數在正常范圍內波動，SJ 型干餾方爐運行正常。值得說明的是，加入頁巖球后回爐煤氣壓力開始降低，加入塊巖之后回爐煤氣壓力開始升高，說明頁巖球在干餾爐內的通氣性優于頁巖塊。這是因為：頁巖球粒度均勻、通氣性好，致使床層壓力差降低，表明頁巖球在爐內正常干餾溫度條件下仍保持原有形狀，其冷、熱強度和熱穩定性完全能夠滿足窯街油頁巖綜合利用有限公司SJ 型干餾方爐的工藝要求。在工業生產應用時可根據油頁巖粉末的產量，按一定的比例將頁巖球與塊巖混合入爐，即可解決油頁巖粉末利用的問題。

表2 試驗結果匯總

刮板機上開始出現頁巖球半焦時起，每隔2 h取一次頁巖球半焦，對其進行殘油含量檢測，結果顯示半焦殘油含量偏高。為了分析原因做了不同直徑頁巖球的鋁甑實驗，如表3所示。

表3 不同直徑頁巖球鋁甑試驗

研究發現：隨著頁巖球直徑的增加頁巖球鋁甑出油率降低，而其半焦殘油率升高（實驗用油頁巖鋁甑含油率為9.07%）。因此，頁巖球半焦殘油率偏高可能是因為頁巖球直徑較大，其中心升到干餾溫度需要的時間較長，且頁巖油氣不易逸出。另外，主要原因可能是干餾爐內實際溫度偏低造成的。根據當時試驗現場了解的情況，在頁巖球入爐之前1#爐內有部分結焦現象，且在試驗末期伴隨頁巖球半焦刮出的塊巖半焦殘油率也比較高，由于溫控儀所測溫度只是干餾方爐爐墻內壁的溫度。因此，在試驗過程中爐內實際溫度可能偏低而導致頁巖球干餾不完全，使得頁巖球半焦殘油率較高。

殘油率偏高的問題可以通過適當調整油頁巖粉末成型參數和干餾工藝參數予以解決，例如減小頁巖球直徑、適當增加干餾溫度和干餾時間等。

頁巖球半焦落入熄焦池后仍能保持一定的強度，雖然有部分碎裂但不影響刮板機的運行，能被順利刮出。

3 經濟效益分析

3.1 頁巖球成本分析

成本核算僅限于用窯街油頁巖公司末巖生產干餾用頁巖球，其原料（末巖、黏結劑）、水、電、人工等費用單價取自2012年8月當地市場價格。每生產1 t 干餾用頁巖球，各項成本分解如下。

頁巖原料以180 元/t 計，塊巖率以60%計，則塊巖入爐成本為180÷60%=300 元/t。

黏結劑成本不計運費（基于當地生產）650 元/t，油頁巖粉末價格以120 元計，黏結劑加入量為8%，人工工資、電費、水費、設備折舊及損耗等生產成本以10 元/t 計；半焦產率按80%計，半焦價格按50 元/t 計，則1 t 頁巖球可產出0.8 t 半焦。

則每生產1 t 頁巖球成本為120×92%+650×8%+10-50×0.8=132.4 元/t。

按年產500 kt 頁巖球工藝生產線計算，則年利潤為(300-132.4)×500 kt=8380萬元。

3.2 社會和環境效益

油頁巖粉末成型技術推廣應用，本身具有很強的環境效益，不但能有效利用油頁巖粉末資源，還能減少油頁巖粉末堆存及利用過程中對環境的污染。油頁巖粉末成型干餾技術填補了國內空白，具有較強的科學意義。該技術實用性強，易于推廣，對于我國油頁巖綜合利用技術的發展具有十分重要的意義，由此可以產生更大的經濟效益和社會效益。

4 結論

（1）利用河南理工大學研制的HPU-B 型黏結劑制備出的頁巖球完全可以滿足窯街油頁巖公司SJ 型干餾方爐干餾工藝對原料的使用要求。

（2）以100%頁巖球入爐能保證干餾爐的正常運行，頁巖球與塊巖無明顯差別，可代替塊巖使用。在實際生產應用時可按一定的比例將頁巖球與塊巖混合入爐。

（3）頁巖球半焦大部分能保持一定的強度和塊度，能從熄焦池中順利刮出。

（4）半焦殘油率偏高的問題，可通過調整頁巖球成型參數和干餾爐運行參數予以解決。

（5）通過該黏結劑生產的油頁巖末巖球，成型工藝簡單，成型成本較低，可有效利用油頁巖粉末。

[1]Jiang X M，Han X X，Cui Z G. New technology for the comprehensive utilization of Chinese oil shale resources[J].Energy，2007，32：772–777.

[2]李術元，馬躍，錢家麟.世界油頁巖研究開發利用現狀——并記2011年國內外三次油頁巖會議[J].中外能源，2012，17（2）：8-17.

[3]趙桂芳，姚春雷，全輝.頁巖油的加工利用及發展前景[J].當代化工，2008，37（5）：496-499.

[4]李少華，張立棟，潘冬慧，等.油頁巖綜合利用及其前景分析[J].化工進展，2008，27（S1）：602-604.

[5]劉建昌，陳金霞.國內外油頁巖干餾技術與設備[J].內蒙古石油化工，2007（12）：69-70.

[6]孫建新，黃誠，段永宏.SJ 型干餾方爐在窯街油頁巖煉油技術領域的開發與應用[J].中外能源，2010，15（12）：80-83.