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外热式固定床中油页岩热解的内构件调控机制研究
林兰忻
学位类型博士
导师许光文
2017-07
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点北京
学位专业化学工艺
关键词油页岩热解 二次反应 外热式反应器 内构件 传递反应匹配
摘要

油页岩是一种储量巨大的非常规化石能源,具有独特的有机质和无机矿物质结构,其热解产物页岩油类似天然石油。在原油需求日益增长的全球能源形势下,油页岩热解制油能够缓解我国原油进口压力。近5年内国内页岩油年产量约为7.5×105 t,呈逐年上升趋势,干馏炉型以使用块状油页岩的抚顺炉为主,小颗粒(如<12 mm)油页岩利用率极低,因此,研究和开发小颗粒油页岩热解制取高收率高品质页岩油的新型反应器十分必要。相比使用热载体的内热式反应器,外热式移动床反应器最大程度降低了颗粒的运动程度,能够从根本上降低页岩油产物中的粉尘夹带量,但其发展和应用受到相对较低的页岩油收率和床层热效率的限制。本论文通过分析外热式反应器中产物流动方向、床层温度分布与热解反应的相互作用关系,揭示热解过程中影响热解产物收率和品质的关键因素,并针对性创新内构件,实现外热式固定床反应器中热解产物定向流动、提升页岩油收率及品质并强化外热式反应器床层的传热速率。基于油页岩在反应器中的热解产物收率、品质及随热解时间的变化,研究内构件的作用效果,优化内构件的组合排布方式,阐述内构件作用下的油页岩热解反应过程。本论文的主要研究内容如下:(1)油页岩热解基础研究。在不考虑床层内的气相产物流动与温度分布的条件下,对桦甸、龙口和依兰油页岩分别进行热重分析,根据热解阶段失重情况确定固定床反应器中油页岩热解终温分别为550 ℃,500 ℃和520 ℃。通过分析不同加热终温的油页岩/页岩半焦的比表面积和孔道体积,推测油页岩热解经过了沥青质的生成与分解中间过程。考察不同粒径油页岩颗粒在铝甄反应器中的热解行为,对于0-5 mm颗粒在5 ℃/min和10 ℃/min升温速率下,粒径大小对油页岩热解没有明显影响。(2)固定床反应器油页岩热解产物流动及调控。分别测定页岩半焦和油页岩对热解产物的流动阻力,确定了固定床反应器油页岩热解过程中热解产物流动方向与温度梯度的匹配效果是降低页岩油收率的主要原因,由床层阻力差主导的由内向外的产物流动方向导致热解产物在外侧高温区过度二次反应。针对这一作用机理提出使用中心集气管引导热解产物向反应器中心低温区流动、避免过度二次反应的研究方案,从而达到提高页岩油收率的目的。在热解实验中验证了中心集气管对于流动方向的调控作用和对热解行为的优化效果,其有效降低了床层高温区的二次反应,使1000 ℃加热温度下的页岩油收率提高一倍,并研究了影响中心集气管作用的因素,发现床层温度梯度减小和床层厚度增大都会导致调控作用的一定程度降低。(3)固定床反应器油页岩热解床层传热强化。为提高外热式中心集气管反应器中床层热效率,利用金属的高导热率,制成板状传热强化内构件焊接在反应器壁上,在反应器中提供额外的高温表面加热床层内油页岩/页岩半焦颗粒,当传热强化内构件提供的额外加热表面积为反应器加热壁面的210 %时,中心集气管反应器油页岩热解时间可缩短一半以上。在不同额外加热表面积的反应器内进行油页岩热解,发现额外加热表面积为70 %时,页岩油收率达到铝甄含油率91 %,汽柴油含量也增加至66 %,继续增大额外加热表面积,由于页岩油在传热强化内构件高温表面发生二次反应,页岩油收率降低至铝甄含油率的87 %。通过不同位置页岩半焦分析,确定了大部分热解产物经过靠近传热强化板表面的床层进入中心集气管的流动路径。传热强化内构件通过提供额外加热表面和对热解产物流向的进一步优化实现了床层热效率和页岩油收率的提高,并对页岩油实现了选择性裂解提质的效果。(4)内构件反应器油页岩热解行为和优化。在传统固定床反应器、中心集气管反应器、传热强化反应器和内构件反应器(具有两种内构件)中分别进行加热温度600-1000 ℃的油页岩热解,确定了两种内构件对外热式反应器中油页岩热解调控作用的贡献,验证了内构件反应器应用于油页岩热解的优越性,1000 ℃加热温度下页岩油收率比传统反应器提高一倍以上,并能够保证页岩油以脂肪烃为主要组成。通过停止加热的实验方法将油页岩热解终止在不同反应阶段,获得了内构件反应器中油页岩热解行为和热解产物生成随反应进程的变化特性。热解过程中,热解产物中沸点较高的组分先冷凝在反应器内向其中心方向的低温颗粒表面,进而内部颗粒升温其依次再蒸发和裂解进入中心集气管。通过表征页岩半焦表面特性,验证了页岩油重组分对半焦/页岩的冷凝沉积过程,解释了内构件反应器中热解产物的生成途径。同时还发现,随热解的反应进程,所生成页岩油中重组分含量逐渐增多,烷烃和杂原子化合物含量增高,烯烃、芳香烃和环烃含量减少。

语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/24336
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
林兰忻. 外热式固定床中油页岩热解的内构件调控机制研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2017.
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