柏靜儒，王林濤，張慶燕，白章，王擎

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

樺甸式油頁巖氣體熱載體綜合利用系統(tǒng)改造建模及分析

柏靜儒1，王林濤1，張慶燕1，白章2，王擎1

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

樺甸式油頁巖氣體熱載體綜合利用工藝是一種重要的油頁巖利用方式，本文在原有綜合利用系統(tǒng)的基礎上做了部分改造，將小顆粒油頁巖和半焦混合氣化后再與干餾氣一起送入燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電，同時利用燃機尾氣加熱循環(huán)熱載體。利用Aspen Plus軟件對原有及改造后的油頁巖綜合利用系統(tǒng)進行建模，并根據(jù)模擬數(shù)據(jù)對綜合利用系統(tǒng)作進一步的能量分析和?分析。結果表明：改造后的綜合利用系統(tǒng)總的一次能量利用效率和?效率分別達到了58.23%和60.18%，遠高于原有系統(tǒng)，其中各主要單元的能量利用效率和?效率均高于60%；另外，提高油頁巖干餾比例可以明顯增加系統(tǒng)頁巖油產(chǎn)量，雖然電能輸出會有所降低，但總?效率會隨之增長。

油頁巖；半焦；干餾；氣化；Aspen Plus；系統(tǒng)模擬

油頁巖是一種富含有機質的沉積巖，不僅可以用于干餾制取頁巖油，還可用于燃燒發(fā)電。中國油頁巖儲量巨大，居世界第四位，在能源日趨緊張的今天，尤其是石油資源不足的中國，高效利用油頁巖資源對保障我國的能源安全具有重要意義[1-2]。

現(xiàn)有的油頁巖干餾工藝主要包括氣體熱載體干餾工藝和固體熱載體干餾工藝，其中固體熱載體干餾工藝由于技術和成本問題，尚未實現(xiàn)廣泛的工業(yè)應用[3-4]。在中國，典型的氣體熱載體干餾工藝主要包括撫順干餾工藝和樺甸式瓦斯全循環(huán)干餾工藝，撫順式干餾爐操作簡單、運行可靠，對頁巖適應性強，但缺點也很明顯，如油收率低、單爐處理量較少、不利于實現(xiàn)能源的高效利用；樺甸式瓦斯全循環(huán)干餾工藝很好的解決了上述問題，其中充當干餾熱載體的熱循環(huán)氣經(jīng)過半焦燃燒爐和燃氣爐兩級加熱后送入干餾爐內(nèi)為干餾提供熱量，與撫順干餾工藝相比，樺甸爐克服了爐內(nèi)燒油和產(chǎn)氣熱值低的問題，干餾油收率和能量利用效率得到大幅提高[5-8]。結合油頁巖綜合開發(fā)利用集成理論[9-11]，將樺甸式氣體熱載體干餾工藝中剩余的干餾半焦和小顆粒油頁巖一并送入循環(huán)流化床鍋爐燃燒發(fā)電，同時剩余的干餾氣送入聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，構成一套綜合利用系統(tǒng)，實現(xiàn)了油-電聯(lián)產(chǎn)[12]。

Aspen Plus軟件在油頁巖綜合利用領域有廣泛的應用[12-18]，本文在原有樺甸式氣體熱載體綜合利用系統(tǒng)模型的基礎上，利用Aspen軟件對系統(tǒng)進行了如下改進：①將破碎后的小顆粒油頁巖和全部半焦混合氣化，生成的合成氣送入聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，相較于循環(huán)流化床燃燒發(fā)電，氣化發(fā)電效率更高，而且更加環(huán)保；②利用燃機尾氣來加熱循環(huán)熱載體，為干餾提供能量，避免了增加新的加熱設備。隨后對改進后的綜合利用系統(tǒng)作進一步能量分析和?分析，并與原系統(tǒng)進行比較，另外，本文還考慮了油頁巖干餾比例（油頁巖用于干餾的質量與總油頁巖消耗量的比例）對改造后綜合利用系統(tǒng)產(chǎn)物分布和?效率的影響。

1 原有及改造后的樺甸式油頁巖氣體熱載體綜合利用系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)流程

原有樺甸式油頁巖氣體熱載體綜合利用系統(tǒng)[12]如圖1(a)所示，油頁巖經(jīng)破碎后按粒徑分成大小兩部分（根據(jù)實際情況考慮大小顆粒比為4∶1），大顆粒油頁巖（＞8mm）送入干餾爐，生成的油氣混合物經(jīng)冷卻凈化將頁巖油分離出來并儲存，剩余的干餾氣按作用分為四部分，分別用來充當循環(huán)熱載體（熱循環(huán)氣），冷卻半焦（冷循環(huán)氣），作為燃料加熱熱載體和送入燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)；把一部分半焦送入半焦燃燒爐加熱熱載體，剩余半焦和小顆粒油頁巖則送入循環(huán)流化床鍋爐燃燒發(fā)電；系統(tǒng)排放的煙氣還用來預熱物料回收部分熱能。改造后的油頁巖氣體熱載體綜合利用系統(tǒng)如圖1(b)所示，其中干餾系統(tǒng)不做改變，干餾產(chǎn)生的全部半焦和小顆粒油頁巖一起送入氣化爐氣化，氣化合成氣經(jīng)顯熱回收（HRSG-1）后與干餾氣一起送入燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，作為干餾熱載體的熱循環(huán)氣則通過在余熱鍋爐（HRSG-2）中布置換熱管道被燃氣尾氣加熱至600℃，在整個過程中，干餾溫度始終維持在520℃。

圖1 原有和改造后油頁巖綜合利用系統(tǒng)流程圖

1.2 油頁巖和干餾產(chǎn)物基礎特性

本文選用的油頁巖樣品來自吉林樺甸公朗頭礦區(qū)，對其空干基進行鋁甄分析表明：該油頁巖油收率為11.37%，半焦產(chǎn)率為80.63%，水分含量為3.9%，氣體及損失為4.1%，油頁巖及干餾生成的半焦和頁巖油的元素分析、工業(yè)分析和發(fā)熱量分析結果如表1所示。需要說明的是，在Aspen模擬過程中考慮油頁巖收到基含水15.13%，另外半焦在冷卻過程中考慮吸水后含水5%。

表1 油頁巖、半焦和頁巖油的工業(yè)分析、元素分析結果和發(fā)熱量（空干基）

2 綜合利用系統(tǒng)能量分析和?分析

2.1 原有和改造后油頁巖綜合利用系統(tǒng)模擬結果

所構建油頁巖綜合利用系統(tǒng)按照125kg/s的油頁巖輸入量進行計算，原有樺甸氣體熱載體綜合利用系統(tǒng)模擬結果如表2所示，改造后的模擬結果如表3所示。從中可以看出，兩系統(tǒng)輸出的主要能源產(chǎn)品均為頁巖油和電能，其中兩者干餾部分產(chǎn)能一樣，根據(jù)現(xiàn)場測定數(shù)據(jù)，將油母質的反應率設為0.81，則兩系統(tǒng)均可生產(chǎn)7.76kg/s頁巖油；在電能產(chǎn)出方面，考慮系統(tǒng)內(nèi)部電耗為總能輸入的3%，則原有氣體熱載體綜合利用系統(tǒng)凈電輸出為100.01MW，系統(tǒng)一次能量利用效率為49.65%，改造后的系統(tǒng)利用固體燃料氣化發(fā)電，雖然燃機尾氣的熱量一部分來加熱循環(huán)熱載體，但系統(tǒng)的凈電輸出達到了178.18MW，遠高于原系統(tǒng)，其一次能效也達到58.23%，是原系統(tǒng)的1.17倍。

表2 原有綜合利用系統(tǒng)主要物流參數(shù)

表3 改造后綜合利用系統(tǒng)主要物流參數(shù)

在模擬結果的基礎上，為了更好地評價分析原有和改造后綜合利用系統(tǒng)的性能，接下來將對所構建的系統(tǒng)作進一步的能量分析和?分析，利用Aspen模型采集需要的參數(shù)，并結合物料的基礎特性可以方便地計算需要的?值。本章的分析主要包括兩部分，一是對改造后系統(tǒng)內(nèi)部重要單元（干餾系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)和余熱鍋爐）進行具體的能量平衡和?平衡分析，二是對原有及改造后的油頁巖綜合利用系統(tǒng)進行全面的?分析對比。

2.2 干餾系統(tǒng)能量分析和?分析

基于Aspen模擬數(shù)據(jù)構建干餾系統(tǒng)的能量平衡和?平衡，結果如圖2所示。圖2(a)為干餾系統(tǒng)（包括干餾爐和油氣分離凈化系統(tǒng)）能量分析結果，按照100kg/s的油頁巖處理量進行計算，經(jīng)預熱后的油頁巖還需要熱載體提供81.14MW熱量才能保證干餾爐在520℃條件下穩(wěn)定運行，干餾系統(tǒng)主要的能源產(chǎn)品包括頁巖油、干餾氣和半焦，考慮油頁巖中油母質的反應率為0.81，此時三者輸出的能量分別占總能輸入的43.03%、7.07%和33.8%，能量利用效率為83.9%。干餾系統(tǒng)的能量損失主要為散熱損失，包括干餾爐體散熱以及油氣混合物和半焦冷卻過程中的散熱，本文設置干餾爐損失為干餾爐總能輸入的10%，另外兩部分的散熱分別占到總能輸入的4.1%和1.4%，因此加強干餾系統(tǒng)的保溫很有必要，尤其是干餾爐體的保溫。

圖2(b)是油頁巖干餾系統(tǒng)的?分析結果，從中可以看出干餾系統(tǒng)的總?輸入為742.61 MW，主要能源產(chǎn)品頁巖油、干餾氣和半焦的輸出?為663.94 MW，總?效率達到89.41%，比能量利用效率高5.51%。與能量分析不同，?損失最大的部分是干餾系統(tǒng)內(nèi)部?損失，為總?輸入的6.85%，主要是由干餾爐內(nèi)部反應的不可逆性造成的，這部分損失難以避免；其次是散熱過程的?損失，為總?輸入的3.05%，相較于散熱的能量損失有大幅降低，這是因為散熱失去的能量主要為低品位的熱能，?值很低。

圖2 油頁巖干餾系統(tǒng)能量分析和?分析結果

2.3 氣化系統(tǒng)能量分析和?分析

利用Aspen軟件提供的流程數(shù)據(jù)構建氣化系統(tǒng)（包括氣化爐和合成氣冷卻系統(tǒng)）的能量平衡和?平衡，結果如圖3所示。其中氣化爐采用常壓空氣氣化，為了保證氣化速率，送入氣化爐的空氣事先預熱至300℃，另外，氣化反應所需的水蒸氣來自汽輪機的高壓缸排氣。利用 RGibbs反應器模擬氣化過程，結果表明：當空氣和水蒸氣輸入量分別為36 kg/s和0.68 kg/s時，氣化反應完全，此時氣化溫度為900℃，冷氣化效率達到78.41%。

圖3(a)是氣化系統(tǒng)的能量分析結果，其中氣化系統(tǒng)總輸入熱量為480.38 MW，輸出能量主要包括氣化合成氣的化學能以及合成氣和灰渣在冷卻過程中回收的熱能，經(jīng)計算氣化系統(tǒng)的能量利用效率為88.38%。散熱損失是氣化系統(tǒng)的主要損失來源，占到總能輸入的11.5%，其中爐體散熱損失設置為總能輸入的5%，此外，灰渣和合成氣冷卻過程的散熱損失也占有很大的比重，與干餾系統(tǒng)相似，加強爐體和管道的保溫是提高氣化系統(tǒng)效率的重要手段。

圖3(b)是氣化系統(tǒng)的?分析結果，從中可以看出系統(tǒng)總?輸入為445.19 MW，總輸出?為376.68 MW，?效率達到84.61%，其中合成氣化學?和回收的物理?分別占到總?輸入的71.57%和13.04%。與能量分析相比，由于散熱損失的能量主要為低品位的熱能，因此其引起的?損遠小于能量損失，只占到總?輸入的3.56%；反而氣化系統(tǒng)內(nèi)部?損失占比較大，達到總?輸入的13.04%，主要是由氣化爐內(nèi)部反應的不可逆性引起的。

圖3 油頁巖氣化系統(tǒng)能量分析和?分析結果

2.4 余熱鍋爐（HRSG-2）能量分析和?分析

在改造后的油頁巖綜合利用系統(tǒng)中，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的燃氣排氣溫度約為720℃，這部分煙氣進入余熱鍋爐進一步回收熱量，余熱鍋爐主要承擔了如下幾部分工作：加熱循環(huán)熱載體；加熱水/水蒸氣；預熱油頁巖和半焦以及進入氣化爐的空氣。余熱鍋爐的能量分析和?分析結果如圖4所示，從圖4(a)的能量分析結果可以看出，進入余熱鍋爐的總熱量為255.18MW，總能效達到了77.19%，其中絕大部分用來加熱循環(huán)熱載體以及水和水蒸氣，兩者接受的熱量分別達到了總能輸入的31.65%和36.23%，排煙損失為主要能量損失，為總能輸入的22.81%。圖4(b)是余熱鍋爐的?分析結果，從中可以看出輸入系統(tǒng)的總?值為178.57 MW，總?效率為66.38%，低于總能效，其中熱載體以及水和水蒸氣接受的?占總?的比例分別為29.78%和32.68%，也較能量分析占比低，這是因為熱能從高溫熱源向低溫熱源傳遞的過程中，能量品質降低了，導致了?的大量損失，余熱鍋爐的內(nèi)部?損主要來源于此，同理，排煙失去的主要是低品位熱能，因而?損失遠小于其能量損失。

圖4 余熱鍋爐（HRSG-2）能量分析和?分析結果

2.5 原有和改造后油頁巖綜合利用系統(tǒng)?分析對比

在流程模擬的基礎上，利用?分析方法對原有及改造后的樺甸式氣體熱載體綜合利用系統(tǒng)進行?平衡計算，結果分別如表4和表5所示，為了更方便分析各主要設備?損失，作如圖5所示兩系統(tǒng)?損分布圖。從表4、表5和圖5中可以看出，經(jīng)改造后的油頁巖綜合利用系統(tǒng)?效率從51.1%增長到60.18%，其中兩者頁巖油生產(chǎn)能力相當，但改造后的系統(tǒng)發(fā)電能力有大幅提高，輸出電能達到總?輸入的20.71%，是原系統(tǒng)輸出電能的1.78倍，系統(tǒng)總?效率隨之得到了顯著提升；在原有系統(tǒng)中，半焦燃燒爐、燃氣爐、循環(huán)流化床鍋爐以及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備的?效率均較低，尤其是循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電系統(tǒng)，?效率只有31.98%，其?損占到了系統(tǒng)總?輸入27.13%，說明將小顆粒油頁巖和半焦直接燃燒發(fā)電的方式效率低下，嚴重影響了系統(tǒng)性能；改造后的綜合利用系統(tǒng)將油頁巖和半焦先氣化再發(fā)電，大幅提高了固體燃料的利用效率，各主要設備?效率均大于60%，另外，使用聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的燃機尾氣來加熱循環(huán)熱載體不僅增加了其本身的?效率，同時避免了靠干餾氣和半焦燃燒加熱熱載體這種低效的加熱方式。

表4 原有油頁巖綜合利用系統(tǒng)?分析

表5 改造后油頁巖綜合利用系統(tǒng)?分析

圖5 原有及改造后油頁巖綜合利用系統(tǒng)?分布

3 油頁巖干餾比例對改造后綜合利用系統(tǒng)的影響

在改造后的油頁巖綜合利用系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出的主要能源產(chǎn)品包括頁巖油和電能兩部分，實際生產(chǎn)過程中通過控制油頁巖用于干餾的比例即可調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出產(chǎn)品的比例分配。圖6所示為油頁巖干餾比例對綜合利用系統(tǒng)產(chǎn)物分配和?效率的影響。從中可以看到，當油頁巖全部用于氣化發(fā)電時，系統(tǒng)?效率為45.04%，隨著油頁巖干餾比例的增加，頁巖油輸出?占總輸入?的比例不斷提高，由0一直上升至49.33%，系統(tǒng)總?效率也隨之增長至63.97%。需要指出的是在實際生產(chǎn)過程中，由于小顆粒油頁巖的存在，油頁巖干餾比例不可能達到1，因此為了提高系統(tǒng)?效率需要盡可能增加油頁巖干餾比例；但同時還應充分考慮市場對所生產(chǎn)能源產(chǎn)品的接受能力，根據(jù)油價和電價的變化合理調(diào)整生產(chǎn)情況，以達到經(jīng)濟效益的最大化。

圖6 油頁巖干餾比例對綜合利用系統(tǒng)產(chǎn)物分布和?效率的影響

4 結論

本文基于Aspen軟件對原有樺甸式氣體熱載體綜合利用系統(tǒng)作部分改進，隨后對改造后的系統(tǒng)進行了?分析，并與原系統(tǒng)進行對比，分析結果如下。

（1）原有油頁巖綜合利用系統(tǒng)中循環(huán)熱載體的加熱方式，以及小顆粒油頁巖和半焦送入循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電的利用方式?效率均較低，很大程度上影響了系統(tǒng)的性能，改造后的油頁巖綜合利用系統(tǒng)將固體燃料先氣化再進行利用，同時解決了發(fā)電能效低和熱載體的加熱問題，系統(tǒng)總的一次能量利用效率和?效率分別達到了58.23%和60.18%，遠高于原有系統(tǒng)，其中各主要單元的能量利用效率和?效率均高于60%。

（2）油頁巖干餾比例很大程度上影響了綜合利用系統(tǒng)能源產(chǎn)品的生產(chǎn)情況，提高干餾比例可以顯著增加頁巖油能量輸出，雖然電能輸出有所減少，但系統(tǒng)總?效率會有一定的提升，同時在實際生產(chǎn)過程中還應綜合考慮市場對產(chǎn)品的接受程度來調(diào)節(jié)綜合利用系統(tǒng)的生產(chǎn)情況。

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Simulation and analysis of modified comprehensive utilization system of Hua-dian oil shale using gaseous heat carrier

BAI Jingru1，WANG Lintao1，ZHANG Qingyan1，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 Thermophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

The comprehensive utilization system of Hua-dian oil shale，which uses gaseous heat carrier technology，is an important utilization method of oil shale. Some parts of the system are modified in this paper，and the retorting gas and the syngas produced by the gasifier are fed into the gas-steam combined cycle power generation system. Meanwhile，the fuel gas from the gas turbine is used to heat the gaseous heat carrier. The system is simulated with Aspen Plus，and the balance of energy and exergy is analyzed with the simulated data. The results show that the total energy efficiency and exergy efficiency of the system reach 58.23% and 60.18% respectively，which is much higher than the original system. Furthermore，the energy efficiency and exergy efficiency of the main units in the modified system are both higher than 60%. Further analysis suggests that the increase in mass fraction of the oil shale for retorting can improve the yield of liquid fuel of the system effectively. Besides，although the electricity output of the system is reduced，the total exergy efficiency will increase obviously.

oil shale；semi-coke；retorting；gasification；Aspen Plus；process simulation

TE662

A

1000–6613（2017）04–1258–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.04.014

2016-09-05；修改稿日期：2016-12-18。

吉林省重點科技攻關項目（20140204004SF）及吉林市科技計劃項目（201434001）。

及聯(lián)系人：柏靜儒(1973—)，女，教授，博士。研究方向為油頁巖綜合利用。E-mail：bai630@mail.nedu.edu.cn。