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油页岩固体热载体回转干馏系统及运行特性研究

王恭  
【摘要】:随着人类社会经济的发展,全球对能源需求的持续增长和化石资源日益枯竭所引起的供需矛盾越发突出。油页岩资源储量丰富,是石油天然气等化石资源的重要补充能源。大力发展油页岩工业,不仅可以为全球的能源供应保驾护航,而且对于原油不能满足本国需求的发展中国家,其开发是关乎国民经济发展、国家能源安全的重大问题。油页岩资源的开发利用虽然历史悠久,但由于油页岩资源属于贫矿,存在开发成本高、环境污染严重等问题,高效、清洁、大规模综合利用尚未完全实现。 本文设计了油页岩固体热载体干馏实验台,对回转装置测温、回转炉内颗粒运动过程、固体热载体与油页岩颗粒间传热等问题进行了详细研究,结果表明:无线测温监控装置应用于回转干馏炉是可行的;通过对桦甸油页岩基本特性进行研究,并分析了铝甑测定的含油率与在回转干馏炉内干馏结果出现差异的原因,进一步验证了采用回转式系统有益于提高颗粒状油页岩干馏效果的结论。 1、以带有直角抄板的回转式干馏炉为研究平台,在炉体倾角、转速两种变量的影响下,研究了油页岩和固体热载体(灰)的不同配比、干馏炉的不同转向对混合物料在炉内停留时间的影响。炉体转向的不同造成了抄板工作模式的不同,当灰分占有更大比例份额以及工作在直角抄板模式下,物料在炉内的停留时间较长。 2、采用由散体动力学出发的颗粒轨迹模型推导了炉内颗粒停留时间物理模型。通过模型得出的颗粒停留时间计算值与实验测量值较为吻合,预测误差15%;而高转速、大倾角及高填充率时,模型的适用性降低。 3、以离散元素法为理论基础,在炉体转速为10r/min、逆时针旋转(作用在直角抄板模式)、填充率为30%,炉体倾角分别为2.160,3.24°,4.330时,仿真分析了炉体3种倾角时的颗粒停留时间。结果表明,颗粒在炉内抛落轨迹类似抛物线,不同倾角时颗粒停留时间符合正态分布规律;仿真结果与实验结果基本一致。 4、单颗粒及颗粒群的运行轨迹仿真表明,颗粒间的碰撞会造成卸落轨迹的偏离和分散。在相同的炉体转速时,填充率的变化对于颗粒运行轨迹无明显影响;而在相同填充率下,随着炉体转速加大,颗粒卸落时具有更高的横向速度,但因其同时受到抄板的影响,所以颗粒的携带距离并不一定更远。对于整个颗粒群,当填充率较小时,抄板的携带作用明显,颗粒群的卸落过程中抛落明显;而当填充率较高时,大部分颗粒的运动形式为滚落及滑落。炉体转速的提高,可以明显加快抄板的卸料速度,并提高颗粒的横向位移速度。 5、模拟研究了干馏炉转速和物料填充率对于油页岩与固体热载体间混合时间以及颗粒间温度分布均匀性的影响。填充率一定时,炉体转速越快,达到500℃时所需的混合时间也越长,两者基本呈线性关系;转速一定时,填充率越大,所需的混合时间就越短。油页岩颗粒的平均温度在传热初期变化较快,随着油页岩颗粒与固体热载体间温差的减小,油页岩颗粒的平均温升速度变缓。填充率较低时,提高转速有利于颗粒的混合,减少颗粒间的温差,使传热更均匀。但填充率较高时,增加转速不会明显提高颗粒间传热的均匀程度。转速一定时,总体上可以认为填充率越小,油页岩颗粒的温度方差越小,即此时油页岩颗粒受热更均匀。 6、以页岩灰作为固体热载体,利用回转干馏炉针对两种粒径分布条件下的油页岩颗粒进行了干馏实验,以出油率为指标研究了不同因素对干馏过程的影响。当油页岩粒径分布为0-3mm,油页岩与固体热载体混合比例为1:4,固体热载体初温为750℃,回转干馏炉转速为19r/min寸,油页岩出油率可以达到95.02%;油页岩的出油率随转速的提高而增加,但到一定值后(转速ω19r/min),出油率则显著下降。过快或过慢的转速都不利于油页岩与固体热载体间的换热,从而影响到出油率;较高的固体热载体初始温度有利于提高出油率,但过高则会造成页岩油蒸汽在高温区的二次裂解,减少出油率;油页岩与固体热载体的混合比在1:4时达到最佳的经济性。过少的固体热载体有可能无法提供足够的热量,而过多则会造成热能的浪费和油页岩干馏处理量的降低;较小粒径的油页岩颗粒具有较大的比表面积,有利于其与固体热载体的换热,所以干馏效果较好。


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