油页岩干馏工艺积碳特性正交分析.pdf

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1、第35卷第5期东北电力大学学报Vo1．35．NO．52015年1O月JournalOfNortheastDianliUniversityOct．．2015文章编号：1005—2992(2015)05—0046—05油页岩干馏工艺积碳特性正交分析柏静儒，许伟，潘朔，张本熙(东北电力大学油页岩综合利用教育部工程研究中心，吉林吉林132012)摘要：通过自建实验台模拟瓦斯全循环油页岩干馏工艺并进行积碳实验，利用气相色谱仪对积碳反应前后瓦斯气组分性质进行分析。使用丙烯为碳源气，观察不同工况下(反应时间、壁面温度、气体流量)的积碳现象。结果表明：瓦斯气中主要积碳母体为烯烃，含量最高为丙烯。积碳量随反应

2、时间和壁面温度(800cc以下)的增加而增加，随气体流量的增加而变化，流量达到30mL·rain后积碳量开始减少。各工况对积碳现象的影响程度依次是反应时间>气体流量>壁面温度。关键词：积碳特性；丙烯；循化瓦斯气；油页岩；工况中图分类号：0652．62文献标识码：A近年来，国内普遍采用抚顺式干馏炉进行油页岩干馏和利用，但抚顺式干馏炉存在单炉处理量小(100t·d)、油回收率低、污染严重等缺点¨J。瓦斯全循环干馏工艺作为一种新型干馏工艺与“抚顺炉”相比，有着处理量大、油回收率高、节能环保、运行稳定、经济效益高等优点，目前被广泛关注J。由辽宁成大集团研发的瓦斯全循环油页岩干馏工艺已在国内多个地区投

3、资建厂，一部分已经实现出油发电，持续运行生产，该油页岩干馏技术已受到国家和企业的高度重视。瓦斯全循环干馏工艺中，作为热载体的一部分瓦斯气在加热炉中可以被加热到700c(=左右。干馏瓦斯气中含有多种有机气体，而有机气体在高温下易与金属管壁发生催化反应产生积碳现象j。长期运行将导致加热炉管道堵塞，降低炉管传热效率，影响炉管表面刚性，对装置设备危害严重。因此，有必要对油页岩干馏气体在金属管壁上的积碳现象进行重点研究以期寻找方法解决或缓解积碳问题。孙世鹏等的研究表明，加热段积碳反应前油页岩干馏瓦斯气主要成分有甲烷、乙烷等烷烃和乙烯、丙烯等烯烃，经历加热段积碳反应后油页岩干馏瓦斯气中没有新的有机物生成

4、，但部分有机气体相对含量发生明显变化。其中，丙烯、反丁烯等不饱和烃含量明显减少，甲烷、乙烷等烷烃含量有所上升。瓦斯气中烯烃含量降低说明当瓦斯气通人高温反应器时发生反应，因为带有耵键的化合物如烯烃、炔烃、芳烃均能成为结焦前驱体参与结焦反应j。因此，在干馏瓦斯气中烯烃类物质为主要成碳母体。目前国内外对积碳现象进行了大量研究，但由于积碳过程十分复杂，许多研究成果尚不能统一。但由Albright和Baker提出的催化结焦、自由基结焦、缩合结焦三种结焦机理已被普遍认可j。瓦斯全循环油页岩干馏工艺中，瓦斯加热炉壁面和输气管道材质均为2520不锈钢，催化结焦是以金属碳化物为中间产物形成丝状焦表面的金属催化

5、反应¨“J。过度元素Fe、Co、Ni能与碳形成不稳定的过渡态碳化物，在合适的条件下(800℃以下)引起大量结焦，而cu、Al、cr等或者不与碳发生反应，或者形成稳定碳化物，不易造成大量积碳12]o2520钢中含有大量Fe和Ni，因此本文重点研究因过渡金收稿日期：2015—07—20基金项目：国家自然科学基金项目(2020619)作者简介：柏静儒(1973-)，女，吉林省松原市人，东北电力大学能源与动力工程学院教授，博士，主要研究方向：油页岩综合利用第5期柏静儒等：油页岩干馏工艺积碳特性正交分析47属催化结焦而引起的积碳现象。由于油页岩干馏瓦斯成分十分复杂，整体研究难度大。本文使用气相色谱仪对

6、积碳反应前后干馏瓦斯气气体组分进行分析，结果表示油页岩干馏瓦斯中的主要积碳物质中丙烯含量最高，同时丙烯化学性质与反丁烯，正丁烯等成碳母体类似¨。因此，采用纯丙烯气体在不同工况下进行积碳实验，以丙烯为碳源气，考察在高温下积碳的气相化学沉积生长过程；并分析丙烯的积碳行为，进而为研究油页岩积碳现象和规律提供依据。1实验1．1实验装置图1所示为积碳分析装置，装置由气化段、冷凝段和红外二氧化碳分析仪三部分构成。气化段和冷凝段仪器均为石英材质。气化段将反应管内壁的积碳完全气化为二氧化碳，通过冷凝段冷凝后的气体，能够达到红~'b-氧化碳分析仪的工作温度。冷凝段采用螺旋结构，在冷却水浴中具有较好的冷凝效果。

7、二氧化碳的测量采用北京恒奥德仪器仪表有限公司生产的TES-1370型二氧化碳分析仪进行，通过测量二氧化碳浓度值可折算出积碳的质量，进而得到相应的积碳速率。1．2实验材料积碳反应装置中反应器采用2520不锈钢管(8图1积碳分析装置×1．5)，实验用气有丙烯(99．999％)、氧气(99．9999％)、氮气(99．9999％)。1．3实验步骤丙烯积碳实验步骤与干馏瓦斯积碳实验相同。积碳反应结束后，分别于1测温点、