油页岩热解油气分级冷凝除尘及组分分离研究

发布时间：2020-09-19 19:53

　　油页岩是我国储量丰富的非常规固体化石能源,通过干馏技术能够制取与原油性质接近的页岩油,有助于缓解我国原油进口压力。然而,目前通过固体热载体干馏工艺获得的页岩油中重质组分和粉尘含量较高,阻碍了页岩油的高值化利用。针对上述问题,本论文提出了分级冷凝技术方案,通过冷凝温度调控,促使热解油气中的粉尘和页岩油重质组分富集在高温冷凝单元,由此降低低温冷凝单元页岩油中的粉尘和重质组分含量,并实现页岩油在冷凝过程中的初步分离和提质。基于该技术方案,本论文通过实验和数值模拟相结合的方法,针对分级冷凝条件对热解油气除尘及组分分离的影响规律和作用机制进行了研究。主要研究内容及结果如下:1.建立适用于高数浓度多分散颗粒的异相冷凝增长模型,通过该模型研究颗粒数浓度、初始颗粒粒径以及蒸气浓度对颗粒粒径分布的影响规律。模拟结果显示,低颗粒数浓度或高蒸气浓度能够增大颗粒平均粒径,同时使粒径分布变窄。初始粒径在(1-3μm)所考察的范围内均长大到8 μm左右,该特性有利于高温油气中的粉尘脱除。由蒸气冷凝造成的蒸气消耗和热量释放会显著降低体系的过饱和度,抑制颗粒的增长。在本研究中,相对热量释放,蒸气消耗是限制颗粒进一步长大的主要因素。2.建立油页岩流化床连续热解和三级冷凝器小试装置,在第二级和第三级冷凝温度分别为16℃和-2℃时,考察第一级冷凝温度(66-247℃)对液体产物在三级冷凝器中的质量分布和组成变化的影响规律。结果显示,冷凝温度的降低同时提高页岩油和粉尘(甲苯不溶物)在第一级冷凝器的收率,证实了页岩油蒸气的冷凝对粉尘的捕集有促进作用,在本实验体系内最佳冷凝温度为158℃。在此温度下,第一级油相的收率、重质组分含量和粉尘含量分别为18.03%、75.66%和6.99%,后两级油相收率之和为81.97%,重质组分含量和粉尘含量分别为30.38%和1.83%。该结果证明了分级冷凝技术可以应用于热解油气除尘和组分初步分离。3.随第一级冷凝温度的降低,管路内沉积颗粒物的聚集形态逐步由分散转变为较小聚团并进一步形成较大聚团,在本实验体系中特征转变温度为158℃。蒸气的冷凝方式取决于蒸气在冷凝器入口与出口之间的温差:在低温差下,蒸气过饱和度低发生异相冷凝,在颗粒表面形成液膜,聚团是由颗粒之间相互碰撞形成;在高温差下,蒸气过饱和度高发生均相冷凝生成大量液滴,聚团是由液滴和颗粒相互碰撞形成。4.通过建立多组分蒸气冷凝模型,采用计算流体力学方法研究了热解油气在冷凝过程中的组分分布规律。模型分析表明,冷凝器内的温度分布对冷凝组分具有选择性,针对所研究的热解油气组成,常压瓦斯油馏分和汽油馏分开始冷凝的温度分别为157.3 ℃和79.9℃,与实验所得的冷凝温度基本一致,可以为分级冷凝工艺中冷凝温度的选择提供指导。5.冷凝除尘-三级冷凝器串联工艺和冷凝除尘-精馏塔工艺的模拟结果表明,在产物收率接近的前提下,通过冷凝除尘-精馏塔工艺获得的产物纯度优于冷凝除尘-三级冷凝器串联工艺。在优化工艺参数下,可获得粗重油、粗常压瓦斯油和粗汽油三种产物,纯度分别为93.26%、93.43%和69.19%。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TE624
【部分图文】：

干馏炉,抚顺,热解油,油洗

相比较于水洗工艺，油洗工艺主要以自身冷凝后得到的页岩油馏分为冷却逡逑介质，对高温热解油气进行冷却降温，可同时得到汽油、柴油、重油和煤气等逡逑产品。目前采用油洗的典型热解工艺为Ｇａｌｏｔｅｒ工艺［２９］，如图１．２所示，温度为逡逑４７０－４９０邋°Ｃ的热解油气从转筒干馏炉进入到除尘室除尘，靠自然沉降去除较大逡逑的固体颗粒，然后进入到串联的两级旋风分离器中进一步去除细颗粒物。经过逡逑除尘后的热解油气进入到湿式净化系统中，用重油油洗热解油气，使部分重油逡逑和夹带的大部分细颗粒物从热解油气分离出来。剩余的气体进入到分馏塔中，逡逑可得到中－重页岩油和煤油馏分

工艺油,水洗工艺,干馏炉,抚顺

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示意图,分级冷凝,生物油,示意图

这些典型组分富集至相应的冷凝器中。该分级冷凝系统由三级列管式换热器和逡逑两级电捕焦油器构成，每一级出口温度分别为１０２、１２９、７７、７７和１８邋°Ｃ，如逡逑图１．３所示。根据对五级油相的物理和化学性质分析，发现相比于后三级，前逡逑两级收集到的液体馏分中水含量和酸值明显减少，水不溶物、甲醇不溶物、热逡逑值、粘度明显增加，同时富集了邋８０％的左旋葡聚糖。３１１丨等［１８，３７］采用了冷凝温度逡逑分别为３００、１００、０和－２０邋°Ｃ的四级冷凝装置，发现该冷凝系统能够有效地将逡逑水分和有机酸物质从生物油中分离出来，超过９０％的小分子物质，例如乙酸，逡逑酮类和水，集中在0。＜：冷凝器中。小分子有机物易发生老化反应，将这部分物逡逑质从生物油中分离出来，可以显著改善其他组分的稳定性［２２］。剩余的生物油馏逡逑分的成分主要是沸点较高、平均分子量较大的有机物，其热值较高，可以作为逡逑替代液体燃料的原料［２Ｇ］。王其于等［３８］探索了煤在固定床上高温热解得到的热解逡逑油气在三级间接换热器中的冷凝效果

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