基于振動混流技術的油頁巖干燥試驗研究

王興坤，石長江，呂 鵬，吳 鵬，劉大海，劉 盼

(1.北京國電富通科技發展有限責任公司，北京 100070；2.南瑞集團有限公司(國網電力科學研究院有限公司)，江蘇 南京 210003)

0 引 言

油頁巖是非常規油氣資源，主要分布于我國中東部和西部的青藏地區，現探明儲量約9 780億t，僅次于煤炭[1]。對其熱解可得到類似原油的頁巖油和可替代天然氣的煤氣，作為常規能源的補充，這對改變我國能源結構具有重要的戰略意義[2-3]。2016年全球共生產頁巖油約150×104t，比2015年略有減少，其中我國頁巖油年產量約80×104t[4-5]。由于油頁巖中一般含有不同程度的水分，若直接對其進行干餾，會造成能耗增大、油質下降等，同時降低入料水分可大幅提高油頁巖資源的利用率[6]，因此在原料油頁巖進入干餾爐前，需將油頁巖中的水分減少到一定水平[7]。

眾多學者從不同方面對油頁巖干燥進行了研究。冉媛媛等[8]在恒溫介質干燥器內研究了油頁巖干燥動力學特性，考察了干燥介質溫度和顆粒直徑對油頁巖干燥性能的影響，對油頁巖干燥試驗數據進行模擬，確定了油頁巖干燥方程和干燥速率方程。柏靜儒等[6]利用方差分析研究了顆粒粒徑、空氣溫度和干燥時間對噴動床內油頁巖干燥效果的顯著性，得到顆粒粒徑>空氣溫度=干燥時間。Ning等[9]提出一種帶有異步旋轉布風板的流化床干燥器，該干燥機可提升油頁巖的干燥效果，同時降低中心盤轉速，升高環繞盤的轉速，改善顆粒分布，節省干燥時間。姚藝彬等[10]研究了油頁巖顆粒在熱空氣條件下的熱崩碎現象，發現介質溫度越高、顆粒粒徑越大、顆粒初始干基含水量越大，則油頁巖的崩碎率越大。秦宏等[11]提出一種新型氣體熱載體干餾爐，通過改變油頁巖顆粒的粒徑，研究不同粒徑的樣品對干餾特性和干餾產物的影響。鄒偉龍[7]、Xia等[12]和靳小萌[13]利用基于ANSYS Fluent平臺的計算流體力學(CFD)方法，并結合具體試驗條件下的自定義函數(UDF)，對流化床干燥器內的油頁巖傳熱、傳質進行了數值模擬。

目前對于油頁巖干燥的研究多集中在物料性質、操作條件、各因素的顯著性大小以及新型的設備結構等，本文提出一種基于振動混流技術的油頁巖干燥技術，將振動能量引入末頁巖的干燥過程，一方面促使聚集的原料末頁巖及時分散，使之與熱煙氣充分混合，提高干燥效率；另一方面振動篩的存在增加了油頁巖在干燥設備內的停留時間，使干燥過程更加充分。試驗通過控制給入的物料量，以及調節燃燒室內煤氣與空氣的流量配比，研究不同處理量和煙氣溫度下干燥器對油頁巖的去水效果。

1 試驗系統與方法

1.1 試驗系統

油頁巖干燥系統如圖1所示。

圖1 油頁巖干燥系統Fig.1 Diagrammatic of oil shale drying system

干燥系統的主體為一個內部裝有3臺振動篩的干燥器，在煙氣入口和出口處均安裝熱電偶和氣體流量計,0～15 mm的原料末頁巖經1號輸送帶進入爐頂煤倉，然后通過星型給料器均勻給料。物料在爐內多層振動篩上分散形成“之”字形物料長龍，一部分粒度小于篩孔的細物料穿過篩面垂直下落，大部分粗顆粒物料形成疏松料層，在重力作用下沿篩面移動，移至篩面末端落到下一層振動篩上。與此同時，由外界給入的空氣和煤氣在燃燒室混合并充分燃燒，產生的熱煙氣在干燥器內由下至上與各層篩面上的濕物料進行充分的熱交換，將物料干燥。在氣流上升的過程中，由于多層篩面的存在，會產生橫向氣流，在干燥器內既有物料與熱氣流水平方向的逆流，又有二者間垂直方向的逆流，從而形成特有的混流干燥。粗細物料與熱風在混流過程中經過多次混合—分離—再混合—再分離的過程被均勻干燥，大部分粗物料從干燥器的底部經2號輸送帶輸出，小部分細物料隨氣流進入旋風除塵器，除塵器分離出的廢料回收。

1.2 試驗方法

通過控制給入的物料量，以及調節燃燒室內煤氣與空氣的流量配比，研究不同處理量和煙氣溫度下干燥器對油頁巖的去水效果，其中處理量分別為36、56 t/h，爐內溫度設為180、200、220和240 ℃。試驗前，根據處理量、平均含水量(5%～6%)和干燥后含水量(1%左右)等計算得到理論氣量，以作為初始氣量設置的參考。由于試驗中難以得到與理論計算完全一致的入料和產品，后續研究按實際測得的工況參數進行分析。

試驗時，首先啟動1號輸送帶，給干燥器煤倉上料，并記錄此時的上煤量，后調整風機頻率，調節煤氣閥門開度，使氣量和氧含量符合試驗要求，當干燥器混合室溫度升至工況值時，啟動2號輸送機并記錄底數。隨后，依次啟動底部卸料器(頻率50 Hz)、振動篩、頂部卸料器(頻率5 Hz)進行投料，逐步將進料負荷提高至試驗值。待系統達到試驗工況負荷后，在不同的工況條件下，分別從1、2號輸送帶取樣，測試物料干燥器前、后的表水含量，計算干燥器的去水能力。

2 試驗結果與分析

2.1 煙氣溫度對干燥效果的影響

試驗過程影響因素較多，原料和產品的水分檢測誤差、儀表正常波動均可導致數據偏差。考慮到所用樣品的含水率較低，為降低試驗過程中誤差的影響，試驗時對同一工況進行重復試驗，將試驗數據取平均數作為該工況下的試驗結果，并對試驗結果進行整理，得到不同處理量時的煙氣入口溫度與去水率的關系，如圖2所示。

圖2 煙氣溫度與去水率關系Fig.2 Relationship between gas temperature and dewatering ratio

由圖2可知，提高煙氣入口溫度，出口溫度隨之升高，循環煙氣量降低，導致熱利用效率、去水量、去水率等呈先升高后降低的趨勢。對于36 t/h處理量，由于氣體穿過物料層的阻力較小，氣固接觸更充分，最佳干燥溫度為200～210 ℃；當處理量為56 t/h時，氣體阻力增加，干燥效果依賴于干燥溫度的升高，對煙氣流量的敏感度降低，其最佳干燥溫度為210～220 ℃。在所有工況中，處理量為36 t/h和56 t/h時的煙氣入口溫度平均值均為200 ℃，但前者煙氣出口溫度經熱交換后為143 ℃，后者為118 ℃，即入料量對煙氣出口溫度的影響明顯。

2.2 熱利用效率

干燥試驗的熱量平衡關系如下:

1)熱量收入

原料帶入顯熱Q1為

Q1=M1C1T1(1)

式中，M1為末頁巖質量，kg；C1為常溫時末頁巖比熱，kJ/(kg·K)；T1為末頁巖平均溫度，K。

煙氣帶入顯熱Q2為

Q2=LC2T2(2)

式中，L為煙氣流量，Nm3/h；C2為入口煙氣比熱，kJ/(Nm3·K)；T2為煙氣入口溫度，K。

2)熱量支出

原料帶出顯熱Q11為

Q11=M2C3T3(3)

式中，M2為干燥末頁巖質量，kg；C3為末頁巖比熱，kJ/(kg·K)；T3為末頁巖溫度，K。

煙氣帶出顯熱Q22為

Q22=LC4T4(4)

式中，C4為出口煙氣比熱，kJ/(Nm3·K)；T4為煙氣出口溫度，K。

水分蒸汽熱量Q33為

Q33=M3H+M3C5T4(5)

式中，M3為干燥水量，kg/h；H為蒸發潛熱，kJ/kg；C5為出口蒸汽比熱，kJ/(Nm3·K)。

熱利用效率η的計算公式為

(6)

煙氣量主要影響氣體流速，流速增加可促進物料水分的快速蒸發，使蒸發動態平衡過程向右移動；同時，在溫度一定的條件下，增加氣體流量(或流速)，物料下落阻力變大，物料的停留時間增加，利于帶走更多水分。當總熱量一定時，氣體流量增加意味著溫度下降，氣固溫差變小，換熱效度降低，圖3為總氣量與熱利用效率的關系。

圖3 總氣量對熱利用效率的影響Fig.3 Relationship between total gas flow and thermal efficiency

由圖3可知，雖增加煙氣量可以使入口熱量增加，但會導致熱利用效率降低，煙氣帶入熱量與蒸發水量的量值關系為

m=Qη/H(7)

式中，m為蒸發水量，kg；Q為總熱量，kJ。

利用最小二乘法對總氣量與熱利用效率作線性擬合，兩者的關系為

η=84.64-3.9Q(8)

線性相關系數R2=0.995 6，當煙氣帶入熱量達到12萬Nm3/h時，熱效率為37.84%，代入式(7)計算得到蒸發水量為2 286 kg。

2.3 原料水分與補充煤氣的關系

圖4為不同工況下，干燥過程中氣體放熱量與物料去水量的關系。可知，干燥系統運行時，管路內的空氣、煤氣、煙氣等流量保持在小范圍內的動態循環平衡，但當入料性質(特別是水分含量上升)變化較大時，單純依靠管路內的煙氣循環量難以使產品水分降低到預定要求，原有平衡被打破，此時需要引入外界煤氣，以增加煙氣放熱量，重新建立干燥平衡，即為補加煤氣。

圖4 干燥試驗去水量與放熱量的關系Fig.4 Relationship between dehydrating amount and total heat

干燥器的設計入料水分為3.7%，若當原料水分超過此值，則應補充更多外供煤氣。試驗測定煤氣熱值為3 347 kJ/Nm3，故可由氣體放熱量計算得到補加煤氣量。由圖4可得到干燥試驗去水量與放熱量的擬合關系為

Qg=-105.9+518.58M(9)

其中，Qg為干燥過程中氣體放熱量,GJ/h，M為干燥試驗過程去水量，t/h。線性相關系數R2=0.94，據此擬合出函數關系，可得到試驗條件下不同原料水分所需要的補充煤氣量。同時，通過2.2節中熱利用效率分析的計算公式，也可得到不同原料水分與補充煤氣量的理論關系，2種方法所得到結果的試驗值和理論值如圖5所示，兩者的計算偏差為23%～38%。

圖5 原料含水量與補充煤氣量的關系Fig.5 Relationship between moisture content of feeding and additional gas amount

3 結 論

1)原料水分為5%～6%，產品最佳含水量為1.45%左右，去水率超過70%，基本達到干燥效果，初步驗證了基于振動混流原理的油頁巖干燥試驗系統的可行性。

2)煙氣入口溫度為210～220 ℃，油頁巖去水率最高；設備處理量與熱利用效率及蒸發水量間的關系:η=84.64-3.9Q。

3)試驗了不同工況時干燥設備的去水效果，通過數據分析，得到了干燥試驗去水量與放熱量的擬合關系為Qg=-105.9+518.58M。

參考文獻(References):

[1] LIU Z,MENG Q,DONG Q,et al.Characteristics and resource potential of oil shale in China[J].Oil Shale,2017,34(1):15.

[2] 楊永亮.油頁巖開發及其現狀[J].中國化工貿易,2015(6):42.

YANG Yongliang.Development status of oli shale[J].China Chemical Trade,2015(6):42.

[3] 秦宏,岳耀奎,劉洪鵬,等.中國油頁巖干餾技術現狀與發展趨勢[J].化工進展,2015,34(5):1191-1198.

QIN Hong,YUE Yaokui,LIU Hongpeng,et al.Current status and prospect of oil shale retorting technologies in China[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2015,34(5):1191-1198.

[4] 王清強,馬躍,李術元,等.世界油頁巖資源研究開發利用近況——并記2016年國外兩次油頁巖國際會議[J].中外能源,2017,22(1):23-29.

WANG Qingqiang,MA Yue,LI Shuyuan,et al.Global oil shale research,development and utilization today:Two international oil shale symposiums held in 2016[J].Sino-Global Energy,2017,22(1):23-29.

[5] 侯吉禮,馬躍,李術元,等.世界油頁巖資源的開發利用現狀[J].化工進展,2015,34(5):1183-1190.

HOU Jili,MA Yue,LI Shuyuan,et al.Development and utilization of oil shale worldwide[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2015,34(5):1183-1190.

[6] 柏靜儒,孫燦輝,李曉航,等.內蒙油頁巖噴動床干燥過程分析[J].化學工程,2016,44(6):36-41.

BAI Jingru,SUN Canhui,SUN Xiaohang,et al.Analysis for spouted bed drying of Inner Mongolia oil shale[J].Chemical Engineering(China),2016,44(6):36-41.

[7] 鄒偉龍.油頁巖流化床流化特性及傳熱傳質的研究[D].大連:大連理工大學,2015.

[8] 冉媛媛,范新欣,于才淵,等.油頁巖干燥特性實驗研究[C]//第十三屆全國干燥會議論文集.大連:大連理工大學,2011:262-269.

[9] NING Y,ZHOU Y,MIAO Y.Analysis and modeling of wangqing oil shale drying characteristics in a novel fluidized bed dryer with asynchronous rotating air distributor[J].China Petroleum Processing & Petrochemical Technology,2016,18(2):70-79.

[10] 姚藝彬,于才淵.油頁巖干燥與熱解性能的研究[C]//第十四屆全國干燥技術交流會論文集.大連:大連理工大學,2013:328-332.

[11] 秦宏,李建坡,王擎,等.油頁巖氣體熱載體干餾爐內干餾特性研究[J].化學工程,2015,43(5):11-15.

QIN Hong,LI Jianbo,WANG Qing,et al.Retorting characteristics of oil shale retort with gas heat carrier[J].Chemical Engineering(China),2015,43(5):11-15.

[12] XIA L,ZHANG H,WANG B,et al.Experimental and numerical analysis of oil shale drying in fluidized bed[J].Drying Technology,2016,35(7):802-814.

[13] 靳小萌.基于油頁巖氣流干燥的CFD模擬和實驗研究[D].大連:大連理工大學,2015.