柏靜儒，李啟凡，吳海濤，白章，王擎

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基于Aspen Plus撫順式油頁(yè)巖干餾過(guò)程模擬方法研究

柏靜儒1，李啟凡1，吳海濤1，白章2，王擎1

（1東北電力大學(xué)油頁(yè)巖綜合利用教育部工程研究中心，吉林吉林132012；2中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京100190）

利用Aspen Plus軟件對(duì)撫順式油頁(yè)巖干餾過(guò)程進(jìn)行模擬，采用帶Fortran氣化動(dòng)力學(xué)子程序的自定義反應(yīng)模型來(lái)代替Gibbs反應(yīng)器，通過(guò)與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)果吻合良好。利用該模型研究了主風(fēng)量和主風(fēng)飽和度等參數(shù)對(duì)氣體組分、氣體熱值、氣化效率和熱效率的影響。研究結(jié)果表明：隨著氣化溫度的增加，CO的含量增加，而H2和CH4的含量減少，同時(shí)氣體的熱值呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)；提高主風(fēng)量，氣化效率、干發(fā)生氣熱效率（d）和濕發(fā)生氣熱效率（w）均有顯著提高，但是過(guò)量空氣的通入將會(huì)造成燒油，建議主風(fēng)量控制在7.38×104～8.61×104m3/h最佳；提高主風(fēng)飽和度，氣化溫度呈線性下降；當(dāng)主風(fēng)飽和度為90℃時(shí)，濕發(fā)生氣熱效率（w）達(dá)到最大，為37.08%；但是綜合考慮實(shí)際過(guò)程中的合理運(yùn)行，建議主風(fēng)飽和度選取80℃為宜。

油頁(yè)巖；撫順式干餾過(guò)程；Aspen Plus；模擬

油頁(yè)巖又稱油母頁(yè)巖，是一種高礦物質(zhì)含量的固體可燃有機(jī)沉積巖[1]。油頁(yè)巖利用途徑多樣，除煉油、發(fā)電外，在化工、醫(yī)藥、建材、農(nóng)業(yè)和環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域均具有許多可供綜合利用的潛在價(jià)值。近年來(lái)世界各國(guó)都越來(lái)越重視油頁(yè)巖的開(kāi)發(fā)與利用，油頁(yè)巖屬于非常規(guī)油氣資源，以資源豐富、經(jīng)濟(jì)性和開(kāi)發(fā)利用的可行性而被列為21世紀(jì)重要的石油補(bǔ)充和替代能源[2]。隨著技術(shù)進(jìn)步和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，油頁(yè)巖資源從單純的能源利用發(fā)展到多方位開(kāi)發(fā)，極大地提高了資源利用率，降低了成本，減少了環(huán)境污染[3]。在油頁(yè)巖干餾過(guò)程中，充分利用頁(yè)巖半焦是實(shí)現(xiàn)油頁(yè)巖清潔利用的有效途徑。利用Aspen Plus軟件可以實(shí)現(xiàn)油頁(yè)巖半焦氣化段的模擬，針對(duì)油頁(yè)巖半焦氣化段出現(xiàn)的問(wèn)題，可以進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化，進(jìn)而為實(shí)際運(yùn)行提供一定的參考依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于Aspen Plus軟件在油頁(yè)巖領(lǐng)域所進(jìn)行的相關(guān)研究中，以模擬干餾過(guò)程居多。DUNG等[4]進(jìn)行了早期探索，利用Aspen Plus軟件對(duì)油頁(yè)巖干餾過(guò)程進(jìn)行了建模，對(duì)系統(tǒng)流程進(jìn)行了計(jì)算和分析；YAN等[5]基于Aspen Plus軟件構(gòu)建了油頁(yè)巖低溫干餾模型，利用C12H26S、C15H33N、C14H12O2、C10H12O4這4種物質(zhì)來(lái)共同替代煤焦油，主要考察頁(yè)巖油的產(chǎn)率及相關(guān)的熱力學(xué)能等參數(shù)；本文作者過(guò)去的工作[6-7]中對(duì)油頁(yè)巖低溫?zé)峤膺M(jìn)行了研究，建立了油頁(yè)巖干餾模型，并構(gòu)建出氣體熱載體干餾爐及干餾工藝流程模型。利用Aspen Plus軟件模擬氣化過(guò)程的相關(guān)研究中，以煤氣化過(guò)程和生物質(zhì)氣化過(guò)程的模擬居多。代正華等[8]利用Aspen Plus軟件中的Gibbs自由能最小化方法對(duì)粉煤氣化過(guò)程進(jìn)行了熱力學(xué)平衡分析，同時(shí)研究了碳轉(zhuǎn)化率和熱損失對(duì)氣化工藝指標(biāo)的影響。張巍巍等[9]利用Aspen Plus基于吉布斯自由能最小化的特點(diǎn)以及吉布斯反應(yīng)器的限制平衡法修正，對(duì)生物質(zhì)氣化的過(guò)程進(jìn)行了模擬，對(duì)空氣當(dāng)量系數(shù)和床溫的影響做了靈敏度分析。作者前期工作[10]也利用了平衡Gibbs自由能最小的原理建立了油頁(yè)巖撫順式工藝流程模型，通過(guò)調(diào)整送入干餾爐氣化段的主風(fēng)飽和度來(lái)分析各段瓦斯含量、組分和熱值的變化情況。以上文獻(xiàn)都是通過(guò)平衡手段來(lái)模擬氣化段，由于平衡模型假設(shè)條件較理想，在實(shí)際過(guò)程中受到條件的限制，使得模擬結(jié)果與實(shí)際情況差別很大，對(duì)于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程來(lái)說(shuō)，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)能提供反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)速率方面的詳細(xì)信息，對(duì)于提高反應(yīng)收率方面的優(yōu)化起到至關(guān)重要的作用[11]。本文利用Aspen Plus軟件在撫順式油頁(yè)巖干餾工藝模擬[10]基礎(chǔ)上改進(jìn)了油頁(yè)巖半焦氣化段模型，采用帶Fortran氣化動(dòng)力學(xué)子程序的自定義用戶模型來(lái)代替Gibbs反應(yīng)器，通過(guò)與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)利用該模型研究了主風(fēng)量和主風(fēng)飽和度等參數(shù)對(duì)氣體組分、氣體熱值、氣化效率和熱效率的影響。以獲取實(shí)驗(yàn)條件下難以得到的重要參數(shù)，有利于油頁(yè)巖半焦氣化段的優(yōu)化，為油頁(yè)巖撫順式干餾工藝合理運(yùn)行提供依據(jù)。

1 撫順式油頁(yè)巖工藝模型

1.1 撫順式油頁(yè)巖工藝流程原理

如圖1所示，油頁(yè)巖經(jīng)破碎篩分后，取塊徑為8～75mm的頁(yè)巖，在爐上部的干餾段中進(jìn)行干燥、干餾。干餾后的頁(yè)巖半焦進(jìn)入氣化段，在氣化段的上部，半焦中的固定碳與上升氣體進(jìn)行還原反應(yīng)而產(chǎn)生CO、H2等。在氣化段下部，頁(yè)巖半焦與熱主風(fēng)發(fā)生燃燒反應(yīng)，形成高溫的氧化層。半焦被氧化成為頁(yè)巖灰。頁(yè)巖灰在重力作用下繼續(xù)下降與主風(fēng)換熱，以其顯熱蒸發(fā)一部分蒸汽，最終冷卻至90℃左右。而蒸發(fā)的蒸汽和氣化段的發(fā)生氣則進(jìn)入干餾段，最后頁(yè)巖灰被排出爐外。

撫順式干餾系統(tǒng)中，由于發(fā)生段氣化和燃燒反應(yīng)放出的熱量不足以完成油頁(yè)巖干餾所需要的熱量，所以需要補(bǔ)充一部分熱量，補(bǔ)充熱量來(lái)自于熱循環(huán)瓦斯，熱量由蓄熱爐提供。兩部分高溫氣體在混合室作為氣體熱載體一起進(jìn)入干餾段，共同為油頁(yè)巖干餾提供熱量，最后與干餾氣（即干餾產(chǎn)物）一起通過(guò)上部收集傘導(dǎo)出爐外，并經(jīng)過(guò)冷凝回收系統(tǒng)對(duì)瓦斯氣和頁(yè)巖油進(jìn)行凈化和分離。分離的瓦斯氣一部分作為循環(huán)瓦斯氣，一部分作為燃料瓦斯氣進(jìn)入蓄熱爐內(nèi)燃燒以達(dá)到加熱循環(huán)瓦斯的目的，剩余的瓦斯回收用于發(fā)電等其他用途。

A—油頁(yè)巖料斗；B—破碎機(jī)；C—預(yù)熱區(qū)；D—干餾區(qū)；E—?dú)饣瘏^(qū)；F—燃燒區(qū)；G—頁(yè)巖灰層；H—冷凝回收系統(tǒng)；I—蓄熱爐

1.2 條件假設(shè)及模型修正

油頁(yè)巖熱解、半焦氣化和燃燒均為非常復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，為了提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將考慮以下假設(shè)：

（1）模型為穩(wěn)態(tài)模型，油頁(yè)巖熱解視為穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)，且半焦氣化燃燒段考慮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；

（2）整個(gè)模擬過(guò)程沒(méi)有壓力損失，均在常壓狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行；

（3）模型包含了油頁(yè)巖預(yù)熱、油頁(yè)巖熱解、頁(yè)巖半焦氣化和燃燒，模擬干餾爐的油收率為75%，干餾爐體的散熱損失量視為干餾吸熱量的5%，蓄熱爐的效率為82%，利用MULT倍率模塊進(jìn)行調(diào)整；

（4）氣化段內(nèi)只進(jìn)行氣化和燃燒過(guò)程。

1.3 油頁(yè)巖及干餾產(chǎn)物基礎(chǔ)特性

本文模擬所用的樣品為撫順油頁(yè)巖，屬于有機(jī)質(zhì)含量低、含油率平均6%的黏結(jié)性貧礦，對(duì)油頁(yè)巖原樣進(jìn)行鋁甄含油率分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1；對(duì)該油頁(yè)巖及半焦進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 撫順油頁(yè)巖鋁甄實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (ad)

表2 油頁(yè)巖和半焦的工業(yè)分析、元素分析和發(fā)熱量

2 油頁(yè)巖半焦氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

建立簡(jiǎn)單、適用和精確的氣化動(dòng)力學(xué)模型不僅具有一定的理論意義，也具有一定的實(shí)用價(jià)值[12]。對(duì)于油頁(yè)巖半焦氣化和燃燒操作條件的選擇，尤其是最佳操作條件的確定多憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷，在油頁(yè)巖種類及條件變化時(shí)，需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)探索。對(duì)氣化段建立動(dòng)力學(xué)模型，能在較短時(shí)間內(nèi)掌握爐內(nèi)溫度、物料濃度等參數(shù)的分布規(guī)律，為操作參數(shù)變化時(shí)盡快調(diào)整到優(yōu)化工況打下基礎(chǔ)[13]。文獻(xiàn)[3,14]給出了氣化和燃燒的主要3個(gè)氣-固非均相反應(yīng)和1個(gè)氣相均相反應(yīng)，用來(lái)表示頁(yè)巖半焦的氣化和燃燒反應(yīng)。

2.1 氣-固非均相反應(yīng)

2.1.1 固定碳燃燒反應(yīng)[3]如式(1)。

C+O2—→CO2(1)

對(duì)于單步固相材料燃燒過(guò)程，采用一級(jí)反應(yīng)模型，燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，如式(2)。

求得：

(3)

式中，為反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；為活化能，=49.98kJ/mol；為指前因子，=3949min–1；為氣體常數(shù),=8.314×10–3kJ/(mol·K)；為絕對(duì)溫度。

2.1.2 歧化反應(yīng)

C+CO2—→2CO (4)

碳與二氧化碳的反應(yīng)過(guò)程，是二氧化碳首先吸附到碳的晶體上，形成碳氧絡(luò)合物，然后絡(luò)合物分解。根據(jù)這樣的反應(yīng)機(jī)理，反應(yīng)速率方程多為L(zhǎng)angmuir的等溫吸附方程[14]，如式(5)。

1=1CO2/(1+2CO+3CO2) (5)

K可以用Arrhenius公式表示，如式(6)。

文獻(xiàn)[14]中給出1=2.1×104，1/=20200；2=2.0×10–11，2/=–27700；3=2.07×10–3，3/=–3200。

式中，1為反應(yīng)速率，mol/(cm3·s)；CO2、CO分別為CO2、CO相對(duì)分壓。

2.1.3 甲烷化反應(yīng)

C+2H2—→CH4(7)

動(dòng)力學(xué)方程[14]可以采用式(8)、式(9)計(jì)算：

2=1H2(8)

1=0.035exp(–17900/) (9)

式中，H2為H2的相對(duì)分壓。

2.2 氣相均相反應(yīng)[14]

CO+H2O—→H2+CO2(10)

反應(yīng)速度3由式(11)計(jì)算。

其中：

(12)

式中，CO、H2O、CO2、H2分別為CO、H2O、CO2、H2的相對(duì)分壓。

3模型的構(gòu)建

3.1 工藝流程模型構(gòu)建

本文基于Aspen Plus軟件對(duì)油頁(yè)巖撫順式干餾工藝系統(tǒng)模型進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的編程流程圖如圖2所示。主要改進(jìn)的是在半焦氣化段采用自定義模型來(lái)代替Gibbs反應(yīng)器，運(yùn)用Fortran語(yǔ)句編寫油頁(yè)巖半焦氣化動(dòng)力學(xué)子程序嵌入用戶模型中來(lái)模擬固定床氣化爐，模型的編譯和鏈接通過(guò)Aspen Plus提供的編譯指令A(yù)SPCOMP和ASPLINK來(lái)完成，最終生成一個(gè)目標(biāo)模塊文件[15]，來(lái)完成對(duì)爐內(nèi)實(shí)際情況模擬。由于本文主要考察對(duì)象是半焦氣化段，并未涉及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的分析，故將文獻(xiàn)[10]中剩余瓦斯進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)做功部分的模擬去掉，達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)側(cè)重研究氣化段的深入分析。

本文模擬選用單元模型及用途見(jiàn)表3。

表3 Aspen Plus主要單元操作模型及對(duì)照用途

表征運(yùn)行狀態(tài)和評(píng)估氣化結(jié)果的各參數(shù)變量定義如式(14)～式(18)。

氣體熱值（LHV，MJ/m3）

LHV=126×CO+107.9×H2+358.2×CH4+629.1×CH(14)

式中，LHV為氣體低位熱值，kJ/m3；CO、H2、CH4和CH為各自在氣化中所占的體積分?jǐn)?shù)，%。

氣體產(chǎn)率（g，m3/kg）

g=/(15)

式中，為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣化氣體積，m3；為通入氣化原料耗量，kg。

氣化效率（G，%）

G=HHV?z/1×100% (16)

式中，HHV為氣體高位熱值，kJ/m3；z為總的氣體產(chǎn)率，m3；1為通入油頁(yè)巖原料的化學(xué)熱，kJ。

為了評(píng)價(jià)干發(fā)生氣的熱效率，這里定義干發(fā)生氣熱效率為干發(fā)生氣的熱量占總輸入熱量的百 分比。

干發(fā)生氣熱效率（d）計(jì)算如式(17)。

d=HHV?z/(1+2+3+4) (17)

式中，2為通入油頁(yè)巖原料的物理熱，kJ；3為水蒸氣帶入的熱量，kJ；4為空氣帶入的熱量，kJ。半焦氣化段主要目的是為干餾段提供熱量，相對(duì)于干發(fā)生氣熱效率，考慮水蒸氣帶入的熱量，定義濕發(fā)生氣熱效率為濕發(fā)生氣的熱量占總輸入熱量的百分比。

濕發(fā)生氣熱效率（w）計(jì)算如式(18)。

w=（HHV?z+5）/(1+2+3+4) (18)

式中，5為氣化水蒸氣帶入的熱量，kJ。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 設(shè)置參數(shù)及模擬結(jié)果

研究氣化段的氣化反應(yīng)可以達(dá)到既提高半焦中固定碳的利用率，又能供給干餾段充足的熱量，同時(shí)還可減少出現(xiàn)燒油的情況，因此氣化段的模擬研究是必要的。為此，本文通過(guò)調(diào)整氣化溫度、主風(fēng)飽和度（空氣中所含水蒸氣分壓力）和主風(fēng)量（每噸油頁(yè)巖需要供給的空氣量）3個(gè)主要參變量來(lái)考察對(duì)氣體組分、氣體熱值、氣化效率、干發(fā)生氣熱效率和濕發(fā)生氣熱效率的影響。

表4為工藝流程的主要參數(shù)，選用頁(yè)巖塊徑8～75mm，水蒸氣和空氣作為氣化劑；主風(fēng)量25.22kg/s；主風(fēng)飽和度80℃。在氣化溫度為750℃的條件下進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與撫順式干餾工藝的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)[3]對(duì)比見(jiàn)表5，最大誤差9.1%，平均誤差為5.53%，數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果表明爐出口氣模擬值與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)值吻合較好。

氣化段的研究目的主要是為了獲得有效氣體來(lái)提高干餾爐出口氣的熱值，因此下面只考察可燃?xì)獾淖兓闆r；在其他條件不變的情況下，利用該模型模擬氣化溫度在600～850℃區(qū)間的產(chǎn)氣情況，氣化溫度對(duì)氣體組分和氣體熱值的影響見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出H2和CH4的含量隨著氣化溫度的增加而逐漸減少，而兩者減少幅度有很大不同，尤其是在750℃的時(shí)候H2減少的速率加快。H2和CH4的變化主要是由水煤氣反應(yīng)和甲烷化反應(yīng)引起的。隨著溫度的升高，水煤氣反應(yīng)產(chǎn)生H2和CO的量增加，但是氣化溫度越來(lái)越高會(huì)使燃燒份額逐漸變大，與此同時(shí)甲烷化反應(yīng)又會(huì)消耗H2產(chǎn)生CH4，從而導(dǎo)致H2含量大幅度減少；甲烷化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度的升高會(huì)抑制反應(yīng)的進(jìn)行，因此CH4的含量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；而歧化反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，隨著溫度升高促進(jìn)CO的產(chǎn)生，同時(shí)在高溫段發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量，有利于對(duì)干餾段進(jìn)行供熱；但是爐內(nèi)溫度升高，結(jié)渣程度加重，從而影響正常操作。從圖3中可以看出氣體的熱值隨著氣化溫度的升高逐漸下降的，從2.98MJ/m3下降到2.47MJ/m3，尤其從750℃下降幅度逐漸加大，主要是由于高熱值氣體發(fā)生氧化反應(yīng)造成的。

表4 工藝流程主要參數(shù)

表5 爐出口氣模擬值與文獻(xiàn)值比較

注：氣體組成分析，以體積分?jǐn)?shù)表示。

4.2 主風(fēng)量的影響

主風(fēng)量是影響氣化過(guò)程極其重要的因素。當(dāng)頁(yè)巖原料量和水蒸氣的飽和度一定，改變主風(fēng)量，氣體熱值、氣化效率和氣體組分等參數(shù)也會(huì)隨之改變。主風(fēng)量的增加，會(huì)導(dǎo)致氣化溫度升高，也會(huì)加快化學(xué)反應(yīng)速率，同時(shí)一定程度上可以提高氣體熱值。由圖4可以看出，氣體熱值隨著主風(fēng)量的增加逐漸升高，主要原因是主風(fēng)量的增加會(huì)使氧濃度升高，燃燒反應(yīng)逐漸加劇，另一方面頁(yè)巖半焦中固定碳轉(zhuǎn)化生成CO的量愈大。同時(shí)隨著主風(fēng)量的增加，氣化溫度會(huì)升高，會(huì)有顯著的氣化反應(yīng)發(fā)生，產(chǎn)生大量H2。因此可以從圖中看出CO和H2的相對(duì)含量隨著主風(fēng)量的增加而升高，可燃?xì)怏w份額的增加使得氣體熱值提高。從圖中看出CH4的變化趨勢(shì)平緩，但是整體趨勢(shì)是減少的，主要是由于甲烷化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，氣化溫度的升高抑制了反應(yīng)的進(jìn)行，這也跟圖4中CH4的變化趨勢(shì)是相吻合的。

撫順式爐氣化段頁(yè)巖半焦的氣化，與一般氣化爐煤的氣化有不同之處，撫順式氣化段的首要目的是獲得大量顯熱以滿足干餾段所需，故需要通入較多的空氣，使半焦中的固定碳能夠較充分燃燒；從圖4中可以看出隨著主風(fēng)量的增加，燃燒份額增加，釋放大量熱量，同時(shí)氣體熱值逐漸升高；因此，爐底增加一定的主風(fēng)量有利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行，這種關(guān)聯(lián)性也可以從圖5中看出。氣化效率和熱效率隨著主風(fēng)量的增加均有顯著提高，氣化效率從38.4%提高到44.3%，干發(fā)生氣熱效率（d）和濕發(fā)生氣熱效率（w）分別從35.2%和44.6%提高至40.5%和50.3%。通過(guò)對(duì)比干濕發(fā)生氣的熱效率可以得出，水蒸氣大約提供了10%的熱量，但是過(guò)量空氣的通入，會(huì)使一部分O2進(jìn)入干餾段，將會(huì)造成燒油而影響油收率。文獻(xiàn)[3]給出氣化段供熱約占70%，通過(guò)熱量衡算，扣除氣化發(fā)生氣出爐時(shí)帶走的熱量和整個(gè)干餾爐的熱損失，在主風(fēng)量為24kg/s時(shí)，氣化段供熱已經(jīng)占干餾爐吸熱量的70%，同時(shí)為了減少出現(xiàn)燒油的影響，建議主風(fēng)量控制在24～28kg/s最佳。

4.3　主風(fēng)飽和度的影響

保持其他條件不變（頁(yè)巖塊徑8～75mm，主風(fēng)量25.22kg/s），從圖6中可以看出主風(fēng)飽和度對(duì)氣化溫度的影響是顯著的，隨著主風(fēng)飽和度的增加，即水蒸氣量的增加，氣化溫度呈線性下降；主要原因是單位時(shí)間內(nèi)通入的蒸汽量大，帶走的熱量多，降低了頁(yè)巖半焦層的溫度，使?fàn)t內(nèi)溫度下降。因此可以得出，主風(fēng)飽和度是控制爐內(nèi)溫度的主要途徑。

由圖7可以看出，其他條件不變，當(dāng)水蒸氣的通入量逐漸增加時(shí)，氣化反應(yīng)過(guò)程可以分為3個(gè)階段。第一階段是頁(yè)巖半焦中的碳和空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，同時(shí)又和蒸汽進(jìn)行水煤氣反應(yīng)，從而使生成CO含量相應(yīng)的增加；第二階段是反應(yīng)生成氣中的CO與蒸汽在灼熱的半焦層中發(fā)生了水煤氣反應(yīng)，如下圖，當(dāng)主風(fēng)飽和度在40～70℃范圍內(nèi)，半焦層發(fā)生的反應(yīng)比較劇烈，使H2的含量大幅度增加，同時(shí)提高了氣體的熱值，從圖中可以看出氣體的熱值曲線隨著主風(fēng)飽和度的增加是逐漸升高的。

第三階段是蒸汽量的過(guò)量通入抑制了燃料氣中氣體烴類的燃燒，同時(shí)使氣化溫度降低，有利于甲烷化反應(yīng)的進(jìn)行，圖7中可以看出CH4含量是逐漸增加的。但是蒸汽量過(guò)量，帶走了大量的熱量，大幅度降低了爐內(nèi)溫度，加快了蒸汽通過(guò)頁(yè)巖半焦的線速度，縮短了蒸汽與半焦層中碳的接觸時(shí)間，因而阻礙了氣化反應(yīng)過(guò)程的進(jìn)行，圖7中可以看出可燃?xì)獾暮吭谥黠L(fēng)飽和度約為80℃時(shí)開(kāi)始逐漸下降，從而使生成氣體的熱值降低，與圖7熱值曲線變化相吻合。

主風(fēng)飽和度對(duì)氣化效率和熱效率的影響如圖8所示，本文選取的撫順油頁(yè)巖，屬于有機(jī)質(zhì)含量低的貧礦，對(duì)這種低品位油頁(yè)巖進(jìn)行干餾和氣化比較困難，由圖8中看出氣化效率最高不足30%，濕發(fā)生氣熱效率（w）最高不足40%；當(dāng)主風(fēng)飽和度從30℃漸漸提高到70℃時(shí)，氣化反應(yīng)開(kāi)始由燃燒份額為主逐漸過(guò)渡到氣化份額占據(jù)主導(dǎo)，氣化效率、濕發(fā)生氣熱效率（w）和干發(fā)生氣熱效率（d）在此范圍里均是逐漸增加；當(dāng)主風(fēng)飽和度在80℃時(shí)，氣化效率和干發(fā)生氣熱效率（d）達(dá)到最大值，之后隨著主風(fēng)飽和度的增加有減少趨勢(shì)。對(duì)濕發(fā)生氣熱效率（w）來(lái)說(shuō)，當(dāng)主風(fēng)飽和度從80℃繼續(xù)增加時(shí)，蒸汽的過(guò)量通入使?fàn)t溫降低，但是蒸汽也帶進(jìn)大量顯熱，一定程度上促進(jìn)濕發(fā)生氣熱效率（w）的增加，在主風(fēng)飽和度為90℃時(shí)，達(dá)到最大值為37.08%；當(dāng)蒸汽通入量較少時(shí)，會(huì)有可能引起氣化段氧化層溫度過(guò)高而引起頁(yè)巖灰的熔結(jié)；因此通入一定量的蒸汽有助于氣化反應(yīng)進(jìn)行，但是過(guò)量蒸汽通入，帶走了大量熱量，致使?fàn)t內(nèi)溫度降低，蒸汽分解率也隨之降低，同時(shí)可燃?xì)怏w含量也在緩慢減少，導(dǎo)致氣化效率和熱效率開(kāi)始下降。因此綜合考慮實(shí)際過(guò)程中的合理運(yùn)行，建議主風(fēng)飽和度選取80℃為宜。

5 結(jié)論

本文基于Aspen Plus軟件在撫順式油頁(yè)巖干餾工藝模擬基礎(chǔ)上改進(jìn)油頁(yè)巖半焦氣化模型，采用帶Fortran氣化動(dòng)力學(xué)子程序的自定義反應(yīng)模型來(lái)代替Gibbs反應(yīng)器，將模型在某一工況下模擬結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果吻合良好，具有一定的適用性。利用該模型探究了氣化溫度、主風(fēng)量、主風(fēng)飽和度等參數(shù)對(duì)氣體組分、氣體熱值、氣化效率、濕發(fā)生氣熱效率（w）和干發(fā)生氣熱效率（d）的影響。主要結(jié)論如下。

（1）提高氣化溫度有利于CO含量的增加，但是降低了H2和CH4的含量，同時(shí)氣體的熱值呈現(xiàn)出隨著氣化溫度的升高而逐漸降低的趨勢(shì)。

（2）提高主風(fēng)量有助于CO和H2含量的增加，但是降低了CH4的含量。隨著主風(fēng)量的增加，氣化溫度逐漸升高，化學(xué)反應(yīng)速率加快，氣體熱值呈上升趨勢(shì)，同時(shí)氣化效率、濕發(fā)生氣熱效率（w）和干發(fā)生氣熱效率（d）均顯著地提高。但是過(guò)量空氣的通入，會(huì)使一部分O2進(jìn)入干餾段，將會(huì)造成燒油而影響油收率，建議主風(fēng)量控制在7.38×104～8.61×104m3/h最佳。

（3）提高主風(fēng)飽和度，氣化溫度呈線性下降。將主風(fēng)飽和度從30℃提高到80℃，對(duì)氣化過(guò)程是有利的，可燃?xì)夂?、氣化效率、濕發(fā)生氣熱效率（w）和干發(fā)生氣熱效率（d）均顯著提高；當(dāng)主風(fēng)飽和度為90℃時(shí)，濕發(fā)生氣熱效率（w）達(dá)到最大，為37.08%。但是綜合考慮實(shí)際過(guò)程中的合理運(yùn)行，建議主風(fēng)飽和度選取80℃為宜。

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Simulation of Fushun type retort for oil shale processing method using Aspen Plus

BAI Jingru1，LI Qifan1，WU Haitao1，BAI Zhang2，WANG Qing1

（1Engineering Research Centre of Ministry of Education for Comprehensive Utilization of Oil Shale，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China；2Institute of Engineering Thermal Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

In this paper，Aspen Plus was used to simulate Fushun type retort for oil shale processingusing a user-defined model with gasification kinetics of Fortran subroutines to replace Gibbs reactor．The accuracy of results was verified by comparing document of the experimental data and simulation of the data，which indicated that the results were in good agreement．Meanwhile，the effects of the air volume as well as saturation of feeding air on the gas component，the calorific value of the gas，the gasification efficiency and the thermal efficiency were systematically studied．The results showed that the increase of gasification temperature could decrease H2and CH4fractions and promote the generation of CO. Furthermore, the high temperature gasification would lead to a decrease of heating value. The increase of the air volume could raise the gasification efficiency and the thermal efficiency（w）as well as the thermal efficiency（d）. Because the excess air may cause oil firing，it was suggested that the air volume was best in the range of 7.38×104—8.61×104m3/h. The gasification temperature declined linearly when the saturation of feeding air increased. When the saturation of feeding air maintained 90℃，the thermal efficiency（w）reached the maximum value of 37.08%．But considering the reasonable operation in the actual process，the saturation of air of 80℃ was recommended．

oil shale；Fushun type retort process；Aspen Plus；simulation

TE662

A

1000–6613（2017）01–0121–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.01.016

2016-06-14；修改稿日期：2016-07-07。

吉林省重點(diǎn)科技公關(guān)項(xiàng)目（20140204004SF）。

柏靜儒（1973—），女，博士，教授，主要從事油頁(yè)巖綜合利用技術(shù)方面的研究工作。E-mail：bai630@mail.nedu. edu.cn。