本文關(guān)鍵詞：外熱式固定床中油頁(yè)巖熱解的內(nèi)構(gòu)件調(diào)控機(jī)制研究　出處：《中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所)》2017年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：油頁(yè)巖是一種儲(chǔ)量巨大的非常規(guī)化石能源,具有獨(dú)特的有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)礦物質(zhì)結(jié)構(gòu),其熱解產(chǎn)物頁(yè)巖油類(lèi)似天然石油。在原油需求日益增長(zhǎng)的全球能源形勢(shì)下,油頁(yè)巖熱解制油能夠緩解我國(guó)原油進(jìn)口壓力。近5年內(nèi)國(guó)內(nèi)頁(yè)巖油年產(chǎn)量約為7.5×105t,呈逐年上升趨勢(shì),干餾爐型以使用塊狀油頁(yè)巖的撫順爐為主,小顆粒(如12 mm)油頁(yè)巖利用率極低,因此,研究和開(kāi)發(fā)小顆粒油頁(yè)巖熱解制取高收率高品質(zhì)頁(yè)巖油的新型反應(yīng)器十分必要。相比使用熱載體的內(nèi)熱式反應(yīng)器,外熱式移動(dòng)床反應(yīng)器最大程度降低了顆粒的運(yùn)動(dòng)程度,能夠從根本上降低頁(yè)巖油產(chǎn)物中的粉塵夾帶量,但其發(fā)展和應(yīng)用受到相對(duì)較低的頁(yè)巖油收率和床層熱效率的限制。本論文通過(guò)分析外熱式反應(yīng)器中產(chǎn)物流動(dòng)方向、床層溫度分布與熱解反應(yīng)的相互作用關(guān)系,揭示熱解過(guò)程中影響熱解產(chǎn)物收率和品質(zhì)的關(guān)鍵因素,并針對(duì)性創(chuàng)新內(nèi)構(gòu)件,實(shí)現(xiàn)外熱式固定床反應(yīng)器中熱解產(chǎn)物定向流動(dòng)、提升頁(yè)巖油收率及品質(zhì)并強(qiáng)化外熱式反應(yīng)器床層的傳熱速率�；谟晚�(yè)巖在反應(yīng)器中的熱解產(chǎn)物收率、品質(zhì)及隨熱解時(shí)間的變化,研究?jī)?nèi)構(gòu)件的作用效果,優(yōu)化內(nèi)構(gòu)件的組合排布方式,闡述內(nèi)構(gòu)件作用下的油頁(yè)巖熱解反應(yīng)過(guò)程。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)油頁(yè)巖熱解基礎(chǔ)研究。在不考慮床層內(nèi)的氣相產(chǎn)物流動(dòng)與溫度分布的條件下,對(duì)樺甸、龍口和依蘭油頁(yè)巖分別進(jìn)行熱重分析,根據(jù)熱解階段失重情況確定固定床反應(yīng)器中油頁(yè)巖熱解終溫分別為550 ℃,500 ℃和520 ℃。通過(guò)分析不同加熱終溫的油頁(yè)巖/頁(yè)巖半焦的比表面積和孔道體積,推測(cè)油頁(yè)巖熱解經(jīng)過(guò)了瀝青質(zhì)的生成與分解中間過(guò)程�？疾觳煌接晚�(yè)巖顆粒在鋁甄反應(yīng)器中的熱解行為,對(duì)于0-5 mm顆粒在5 ℃/min和10 ℃/min升溫速率下,粒徑大小對(duì)油頁(yè)巖熱解沒(méi)有明顯影響。(2)固定床反應(yīng)器油頁(yè)巖熱解產(chǎn)物流動(dòng)及調(diào)控。分別測(cè)定頁(yè)巖半焦和油頁(yè)巖對(duì)熱解產(chǎn)物的流動(dòng)阻力,確定了固定床反應(yīng)器油頁(yè)巖熱解過(guò)程中熱解產(chǎn)物流動(dòng)方向與溫度梯度的匹配效果是降低頁(yè)巖油收率的主要原因,由床層阻力差主導(dǎo)的由內(nèi)向外的產(chǎn)物流動(dòng)方向?qū)е聼峤猱a(chǎn)物在外側(cè)高溫區(qū)過(guò)度二次反應(yīng)。針對(duì)這一作用機(jī)理提出使用中心集氣管引導(dǎo)熱解產(chǎn)物向反應(yīng)器中心低溫區(qū)流動(dòng)、避免過(guò)度二次反應(yīng)的研究方案,從而達(dá)到提高頁(yè)巖油收率的目的。在熱解實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了中心集氣管對(duì)于流動(dòng)方向的調(diào)控作用和對(duì)熱解行為的優(yōu)化效果,其有效降低了床層高溫區(qū)的二次反應(yīng),使1000 ℃加熱溫度下的頁(yè)巖油收率提高一倍,并研究了影響中心集氣管作用的因素,發(fā)現(xiàn)床層溫度梯度減小和床層厚度增大都會(huì)導(dǎo)致調(diào)控作用的一定程度降低。(3)固定床反應(yīng)器油頁(yè)巖熱解床層傳熱強(qiáng)化。為提高外熱式中心集氣管反應(yīng)器中床層熱效率,利用金屬的高導(dǎo)熱率,制成板狀傳熱強(qiáng)化內(nèi)構(gòu)件焊接在反應(yīng)器壁上,在反應(yīng)器中提供額外的高溫表面加熱床層內(nèi)油頁(yè)巖/頁(yè)巖半焦顆粒,當(dāng)傳熱強(qiáng)化內(nèi)構(gòu)件提供的額外加熱表面積為反應(yīng)器加熱壁面的210%時(shí),中心集氣管反應(yīng)器油頁(yè)巖熱解時(shí)間可縮短一半以上。在不同額外加熱表面積的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行油頁(yè)巖熱解,發(fā)現(xiàn)額外加熱表面積為70%時(shí),頁(yè)巖油收率達(dá)到鋁甄含油率91%,汽柴油含量也增加至66%,繼續(xù)增大額外加熱表面積,由于頁(yè)巖油在傳熱強(qiáng)化內(nèi)構(gòu)件高溫表面發(fā)生二次反應(yīng),頁(yè)巖油收率降低至鋁甄含油率的87%。通過(guò)不同位置頁(yè)巖半焦分析,確定了大部分熱解產(chǎn)物經(jīng)過(guò)靠近傳熱強(qiáng)化板表面的床層進(jìn)入中心集氣管的流動(dòng)路徑。傳熱強(qiáng)化內(nèi)構(gòu)件通過(guò)提供額外加熱表面和對(duì)熱解產(chǎn)物流向的進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了床層熱效率和頁(yè)巖油收率的提高,并對(duì)頁(yè)巖油實(shí)現(xiàn)了選擇性裂解提質(zhì)的效果。(4)內(nèi)構(gòu)件反應(yīng)器油頁(yè)巖熱解行為和優(yōu)化。在傳統(tǒng)固定床反應(yīng)器、中心集氣管反應(yīng)器、傳熱強(qiáng)化反應(yīng)器和內(nèi)構(gòu)件反應(yīng)器(具有兩種內(nèi)構(gòu)件)中分別進(jìn)行加熱溫度600-1000 ℃的油頁(yè)巖熱解,確定了兩種內(nèi)構(gòu)件對(duì)外熱式反應(yīng)器中油頁(yè)巖熱解調(diào)控作用的貢獻(xiàn),驗(yàn)證了內(nèi)構(gòu)件反應(yīng)器應(yīng)用于油頁(yè)巖熱解的優(yōu)越性,1000 ℃加熱溫度下頁(yè)巖油收率比傳統(tǒng)反應(yīng)器提高一倍以上,并能夠保證頁(yè)巖油以脂肪烴為主要組成。通過(guò)停止加熱的實(shí)驗(yàn)方法將油頁(yè)巖熱解終止在不同反應(yīng)階段,獲得了內(nèi)構(gòu)件反應(yīng)器中油頁(yè)巖熱解行為和熱解產(chǎn)物生成隨反應(yīng)進(jìn)程的變化特性。熱解過(guò)程中,熱解產(chǎn)物中沸點(diǎn)較高的組分先冷凝在反應(yīng)器內(nèi)向其中心方向的低溫顆粒表面,進(jìn)而內(nèi)部顆粒升溫其依次再蒸發(fā)和裂解進(jìn)入中心集氣管。通過(guò)表征頁(yè)巖半焦表面特性,驗(yàn)證了頁(yè)巖油重組分對(duì)半焦/頁(yè)巖的冷凝沉積過(guò)程,解釋了內(nèi)構(gòu)件反應(yīng)器中熱解產(chǎn)物的生成途徑。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),隨熱解的反應(yīng)進(jìn)程,所生成頁(yè)巖油中重組分含量逐漸增多,烷烴和雜原子化合物含量增高,烯烴、芳香烴和環(huán)烴含量減少。
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【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TE662

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1398317