窑街油页岩粉末成型的工业干馏试验分析

2013-08-08马名杰刘全润刘素珍

化工进展 2013年8期

熊耀，马名杰，刘全润，刘素珍

（河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作 454003）

随着全球石油消耗量的增加，石油供求矛盾将进一步凸显，而油页岩资源将作为重要的油气资源替代产品来弥补这个差距[1-4]。由于油页岩的层片状结构，导致其强度不高，在开采过程中油页岩粉末的产量很大。另外，由于运输、破碎、筛分和一些场内原料处理使得块岩的破碎率很高。而国内外主要的干馏工艺都只能利用粒度在8～75 mm的油页岩[5]。粉末油页岩的大量堆存又会给生态环境带来较大的污染。因此，粉末油页岩成型利用刻不容缓。

2012年6 月在窑街油页岩综合利用公司生产200 t 页岩球，并在该公司的神木三江SJ 型干馏方炉[6]内进行干馏试验，取得较好的效果。本试验研究在充分研究窑街油页岩物化性能的基础上，研究窑街油页岩粉末的成型性能和成型后的油收率，通过进行工业成型和干馏试验，最终开发出能够满足工业应用的页岩球加工技术，实现油页岩粉末的合理利用，提高油页岩利用效率，降低生产成本，提高企业经济效益和社会效益。

1 窑街油页岩粉末成型

图1 油页岩粉末成型

2012年6月23 日起由河南理工大学提供自制的HPU-B 型黏结剂和成型技术、郑州大成重工机械有限公司提供成型设备，以甘肃省窑街油页岩综合利用有限公司海石湾矿油页岩粉末为原料，现场加工200 t 页岩球。页岩球形状如图1(b)所示，其径向直径50 mm，轴向直径40 mm。生产出的页岩球经过5 天的自然堆存后，对现场生产的页岩球进行采样检测，结果如表1所示。

2 页岩球工业干馏试验

试验以100%页岩球入炉，入炉后在正常操作参数保持不变的条件下运行。2012年8月23 日9∶00时将7#受煤坑拉空，将页岩球过筛（8 mm 条筛）后加入7#受煤坑。10∶00时开始上料，页岩球全部加入到1#炉内，21∶00时页岩球上料结束。页岩球持续上料时间11 h，共计加入页岩球质量198.3 t。

表1 页岩球性能指标检测

8月23 日17∶00时刮板刮出的半焦中开始出现页岩球半焦，说明此时干馏炉内已经全部为页岩球；21∶00时刮出的半焦全部为页岩球半焦；8月24 日5∶20 开始出现块页岩半焦，8∶30 刮出的半焦全部为块页岩半焦，说明页岩球半焦已被全部刮出，试验结束。从上料到页岩球半焦被全部刮出共计22.5 h，其中页岩球通过干馏段时间为8月23 日15∶00 至8月24 日3∶00，共计12 h。

主要考察8月23 日15∶00～8月24 日3∶00 炉况变化情况。主要考察的参数包括干馏段温度、炉顶温度、回炉煤气压力、炉顶压力以及页岩球半焦破碎率、刮板机运行情况和半焦残油率等。试验结果汇总如表2所示。

2.1 试验结果分析

在整个试验过程中，干馏炉各操作参数在正常范围内波动，SJ 型干馏方炉运行正常。值得说明的是，加入页岩球后回炉煤气压力开始降低，加入块岩之后回炉煤气压力开始升高，说明页岩球在干馏炉内的通气性优于页岩块。这是因为：页岩球粒度均匀、通气性好，致使床层压力差降低，表明页岩球在炉内正常干馏温度条件下仍保持原有形状，其冷、热强度和热稳定性完全能够满足窑街油页岩综合利用有限公司SJ 型干馏方炉的工艺要求。在工业生产应用时可根据油页岩粉末的产量，按一定的比例将页岩球与块岩混合入炉，即可解决油页岩粉末利用的问题。

表2 试验结果汇总

刮板机上开始出现页岩球半焦时起，每隔2 h取一次页岩球半焦，对其进行残油含量检测，结果显示半焦残油含量偏高。为了分析原因做了不同直径页岩球的铝甑实验，如表3所示。

表3 不同直径页岩球铝甑试验

研究发现：随着页岩球直径的增加页岩球铝甑出油率降低，而其半焦残油率升高（实验用油页岩铝甑含油率为9.07%）。因此，页岩球半焦残油率偏高可能是因为页岩球直径较大，其中心升到干馏温度需要的时间较长，且页岩油气不易逸出。另外，主要原因可能是干馏炉内实际温度偏低造成的。根据当时试验现场了解的情况，在页岩球入炉之前1#炉内有部分结焦现象，且在试验末期伴随页岩球半焦刮出的块岩半焦残油率也比较高，由于温控仪所测温度只是干馏方炉炉墙内壁的温度。因此，在试验过程中炉内实际温度可能偏低而导致页岩球干馏不完全，使得页岩球半焦残油率较高。

残油率偏高的问题可以通过适当调整油页岩粉末成型参数和干馏工艺参数予以解决，例如减小页岩球直径、适当增加干馏温度和干馏时间等。

页岩球半焦落入熄焦池后仍能保持一定的强度，虽然有部分碎裂但不影响刮板机的运行，能被顺利刮出。

3 经济效益分析

3.1 页岩球成本分析

成本核算仅限于用窑街油页岩公司末岩生产干馏用页岩球，其原料（末岩、黏结剂）、水、电、人工等费用单价取自2012年8月当地市场价格。每生产1 t 干馏用页岩球，各项成本分解如下。

页岩原料以180 元/t 计，块岩率以60%计，则块岩入炉成本为180÷60%=300 元/t。

黏结剂成本不计运费（基于当地生产）650 元/t，油页岩粉末价格以120 元计，黏结剂加入量为8%，人工工资、电费、水费、设备折旧及损耗等生产成本以10 元/t 计；半焦产率按80%计，半焦价格按50 元/t 计，则1 t 页岩球可产出0.8 t 半焦。

则每生产1 t 页岩球成本为120×92%+650×8%+10-50×0.8=132.4 元/t。

按年产500 kt 页岩球工艺生产线计算，则年利润为(300-132.4)×500 kt=8380万元。

3.2 社会和环境效益

油页岩粉末成型技术推广应用，本身具有很强的环境效益，不但能有效利用油页岩粉末资源，还能减少油页岩粉末堆存及利用过程中对环境的污染。油页岩粉末成型干馏技术填补了国内空白，具有较强的科学意义。该技术实用性强，易于推广，对于我国油页岩综合利用技术的发展具有十分重要的意义，由此可以产生更大的经济效益和社会效益。