高溫高壓蒸汽熱解模擬實驗系統設計

姚傳進, 鄭 洋, 李 蕾, 杜殿發, 雷光倫, 陳德春

(中國石油大學 石油工程學院, 山東 青島 266580)

近年來,隨著國民經濟的快速發展以及國際能源結構的不斷調整,對石油工程專業創新人才的培養提出了新的挑戰和要求[1-2]。創新性實驗是高等學校教育教學改革的重要組成部分,對于培養學生的自主學習能力、團隊協作能力和創新實踐能力具有至關重要的作用[3-4]。結合實際工程問題,將科研成果轉化為創新性實驗資源,對于激發學生的創新思維和創新意識,全面提升學生的創新實踐能力,具有重要的現實意義。

油頁巖是一種重要的非常規油氣資源,對國際能源結構和我國國民經濟的發展具有重要的影響[5-6]。針對傳統的油頁巖地面干餾技術環境污染大、能量利用率低的問題[7-8],從20世紀80年代開始,國內外的許多能源公司與科研機構積極研究和發展綠色高效的油頁巖原位加熱開采技術[9-10]。其中,注蒸汽加熱原位開采技術由于其經濟效益好、加熱效率高、安全環保等優點,且加熱過程不需要破壞頁巖層,受到工業界和學術界的廣泛關注[11]。

現有的實驗研究方法很難滿足油頁巖熱解的高溫高壓蒸汽條件[12],而且學生學習到的只是單純的操作流程,不利于學生創新意識和創新能力的培養。為了開拓學生的學科交叉研究視野,培養學生分析和解決實際工程問題的能力,根據油頁巖熱解模擬研究經驗,設計了一套高溫高壓蒸汽熱解模擬實驗系統,實現了高溫高壓蒸汽條件下的油頁巖熱解特性研究。

1 傳統的蒸汽熱解模擬實驗技術

傳統的蒸汽熱解模擬實驗裝置主要由蒸汽發生器、過熱管、反應釜、冷凝裝置和溫度控制系統組成,該裝置造價昂貴,占地面積大，結構復雜,熱損失嚴重；為了維持反應釜中的蒸汽處于高溫狀態,過熱管需要在更高的溫度條件下長時間工作,資源消耗大；實驗過程中,需要實時觀察蒸汽發生器中的水位,對其進行補水,實驗操作復雜、安全系數較低；反應釜中的蒸汽壓力一般不超過3～5 MPa,不能滿足油頁巖熱解的高溫高壓蒸汽條件。

2 高溫高壓蒸汽熱解模擬實驗設計

為了克服傳統的蒸汽熱解模擬實驗技術存在的問題,設計的高溫高壓蒸汽熱解模擬實驗裝置及方法,根據不同溫度和壓力下的蒸汽密度和反應釜內腔剩余容積計算應加入的蒸餾水量,并通過控制加入的蒸餾水量和加熱溫度,在反應釜內產生高溫高壓水蒸汽,直接對反應釜內的實驗樣品進行加熱,實現高溫高壓蒸汽條件,從而為開展高溫高壓蒸汽條件下的油頁巖熱解特性研究奠定基礎。

2.1 高溫高壓蒸汽熱解模擬實驗裝置設計

油頁巖高溫高壓蒸汽熱解模擬實驗裝置如圖1所示。該裝置由熱解反應系統、測試控制系統和流體排出與收集系統組成。熱解反應系統是整個模擬實驗裝置的核心部分，由樣品杯、支架、緊固螺栓、釜體內腔蓋、釜體內腔、加熱棒和保溫層組成。該系統通過控制反應釜內的蒸餾水量和加熱溫度,實現高溫高壓蒸汽熱解反應條件。釜體內腔蓋上蓋后,通過緊固螺栓密封,利用加熱棒對釜體加熱,釜體周圍的保溫層對其進行保溫,其最高工作溫度為600 ℃,最高工作壓力為30 MPa。

圖1 油頁巖高溫高壓蒸汽熱解模擬實驗裝置

測試控制系統由程序控溫裝置、測溫裝置、電接點壓力表、安全閥和壓力傳感器組成。控制升溫速度與反應溫度的程序控溫及測溫裝置位于釜體外部,程序控溫裝置與加熱棒連接,測溫裝置與釜體內腔連接。壓力傳感器通過管線連接釜體內腔,在釜體內腔和壓力傳感器的連接管線上設置有安全閥;當壓力超過設定值時,位于釜體內腔頂部的電接點壓力表自動切斷電源,停止加熱,同時位于釜體內腔右側的壓力傳感器控制安全閥打開,流體排出后降低釜體內腔壓力,以保證實驗安全。

流體排出與收集系統由入口閥、排液閥、液體收集裝置、排氣閥、氣體收集裝置、真空閥和真空泵組成。流體經入口管流入至釜體內腔,入口閥對流體的流動速率進行控制;當釜體內腔中需要真空環境時,啟動真空泵,打開真空閥,釜體內腔中儲存的空氣因負壓作用被抽至真空泵內;釜體內腔頂部的排氣管、排氣閥、氣體收集裝置控制熱解反應后的氣體的流出與收集;釜體內腔底部的排液管、排液閥、液體收集裝置控制熱解反應后的液體的流出與收集。實驗要求學生模擬高溫高壓蒸汽熱解反應條件,其關鍵在于不同溫度和壓力下釜體內腔加入蒸餾水量的計算。在此基礎上開展高溫高壓蒸汽熱解模擬實驗,將有助于學生深入認識高溫高壓蒸汽熱解的基本原理。

2.2 高溫高壓蒸汽熱解模擬實驗方法設計

利用該裝置進行高溫高壓蒸汽熱解模擬實驗的方法設計如下：(1) 選取實驗樣品,確定釜體內腔除去實驗樣品、樣品杯與支架體積后的剩余容積;(2) 根據不同溫度與壓力下的蒸汽密度和反應釜內剩余容積計算應加入的蒸餾水量;(3) 將裝有實驗樣品的樣品杯放在支架上,共同置于釜體內腔中,蓋上釜體內腔蓋后,通過緊固螺栓密封;(4) 關閉排氣閥與排液閥,打開入口閥與真空閥,通過入口管向釜體內腔中注入步驟(2)中應加入的蒸餾水量,關閉入口閥,期間注意避免蒸餾水進入樣品杯;(5) 打開真空泵,對釜體內腔進行抽真空操作后,關閉真空閥;(6) 通過程序控溫裝置設定升溫速度與熱解終溫,利用加熱棒對釜體進行加熱,與釜體內腔接觸的蒸餾水受熱后形成高溫高壓水蒸汽,對樣品杯中的實驗樣品進行加熱,期間通過測溫裝置與電接點壓力表,測試釜體內腔的溫度與壓力;(7) 熱解反應一段時間后關閉裝置電源,待裝置冷卻到一定溫度后,緩慢打開排氣閥,釜體內腔中的氣體通過排氣管進入氣體收集裝置,當釜體內腔的壓力降到大氣壓時,打開排液閥,其中的液體通過排液管進入液體收集裝置,取出實驗樣品;(8) 對熱解后的實驗樣品以及收集的熱解產物進行相應的實驗分析;(9) 清洗整理實驗裝置,完成實驗。

3 油頁巖高溫高壓蒸汽熱解模擬實驗

實驗要求獲得不同的溫度和壓力下油頁巖高溫高壓蒸汽熱解特性,需要系統地考察各種因素對高溫高壓蒸汽熱解反應體系的影響。在實驗過程中,需要考慮油頁巖樣品量、注入蒸餾水量、升溫速度、熱解溫度、熱解壓力等因素影響。學生完成這項實驗,可以了解影響油頁巖熱解特性的主要因素。通過多因素優化設計實驗,有利于學生掌握科學的研究方法,并培養學生的團隊協作能力和創新實驗能力。

3.1 實驗方法

現有的水蒸汽條件下的熱重分析實驗主要采用常壓熱重分析儀和水蒸汽高壓熱重分析儀,存在以下問題：一是水蒸汽在實驗過程中更多是提供一個熱解氛圍,而樣品加熱仍主要依靠熱重分析儀內置的加熱爐;二是熱重分析儀價格昂貴,而且即使是水蒸汽高壓熱重分析儀,其最高工作壓力也僅有3 MPa。因此,現有的熱重分析技術很難滿足高溫高壓蒸汽條件下的油頁巖熱解特性研究。

利用本文的高溫高壓蒸汽熱解模擬實驗裝置及方法可以進行高溫高壓蒸汽加熱條件下的油頁巖熱解模擬實驗。實驗步驟：(1) 在整塊油頁巖樣上均勻選取6組實驗樣品,質量均為0.50 g,且研磨并篩分成粒徑在0.15～0.20 mm之間的粉末;(2) 依次均勻選取300、350、400、450、500、550 ℃ 6個溫度點作為每組熱解模擬實驗的最終溫度,同時確定實驗壓力為5.0 MPa;(3) 計算釜體內腔除去油頁巖樣品、樣品杯與支架體積后的剩余容積,根據不同溫度與壓力下的蒸汽密度表和反應釜內剩余容積計算應加的蒸餾水量； (4) 利用實驗裝置進行熱解實驗,將熱解后的油頁巖樣品干燥冷卻,計量并繪制其熱重分析(TGA)曲線。

質量為0.50 g密度為2.55 g/cm3的油頁巖樣品,其體積為0.196 cm3,樣品杯的體積為18.3 cm3,支架的體積為4.8 cm3,而釜體內腔的容積約為800 cm3,由此得到釜體內腔的剩余容積為776.7 cm3;當壓力為5 MPa時,根據過熱蒸汽密度確定各熱解最終溫度對應的過熱蒸汽密度，由剩余容積計算各組熱解實驗分別需要加入的蒸餾水量,如表1所示。通過改變實驗壓力,同時調節加熱溫度和加入的蒸餾水量,能夠模擬不同的高溫高壓蒸汽條件,滿足不同類型油頁巖熱解特性研究的需求。

表1 5.0 MPa時各組熱解實驗需要加入的蒸餾水量

3.2 實驗結果對比分析

在常壓干燥條件下和5.0 MPa蒸汽條件下,測得的油頁巖樣品的TGA曲線見圖2。

圖2 不同條件下的油頁巖樣品TGA曲線對比

利用本裝置在常壓干燥條件下測得的油頁巖樣品TGA曲線與熱重分析儀測得的TGA曲線基本重合,表明了本熱解模擬實驗裝置及方法的適用性和準確性。由本裝置在5.0 MPa蒸汽條件下測得的油頁巖樣品TGA曲線可以看出,油頁巖的熱解溫度區間整體向左移動,最快熱解溫度在400 ℃左右,失重量約為35%,比在常壓干燥條件下的失重量多約7%,表明高溫高壓蒸汽條件下有利于油頁巖的熱解。

與傳統的熱重分析技術相比,本實驗裝置及方法通過控制反應釜內的蒸餾水量和加熱溫度,實現高溫高壓蒸汽條件;而且本裝置價格便宜、占地面積小,操作方法簡單安全、資源消耗小、可實現更高的壓力條件,能夠滿足不同類型油頁巖熱解特性研究的需求。

3.3 實驗拓展及預期效果

基于對高溫高壓蒸汽熱解基本原理的理解,學生可以自主設計高溫高壓蒸汽熱解模擬實驗裝置應用于油頁巖熱解特性的研究,并探討不同因素對其熱解特性的影響機制。此外,學生還可以在教師的指導下,進一步將高溫高壓蒸汽熱解模擬實驗裝置擴展應用到煤、油砂、稠油、頁巖油等其他物質熱解特性的研究。在此基礎上,學生可以申報科研創新項目、參加全國“挑戰杯”比賽,或發表高水平學術成果等。

4 結語

(1) 結合油頁巖注蒸汽原位開采技術,設計的高溫高壓蒸汽熱解模擬實驗系統,實現了高溫高壓蒸汽條件,可以作為物質熱解特性研究的重要輔助手段。

(2) 高溫高壓蒸汽條件的實現為油頁巖熱解特性研究提供了更加豐富的手段,對于實現油頁巖注蒸汽原位開采技術的規模化應用具有指導意義。

(3) 將科研成果轉化為創新性實驗資源,開展高溫高壓蒸汽熱解模擬實驗系統設計,有利于激發學生的創新思維和創新意識,提升學生的創新實踐能力。