單明志，王　娜，徐振宇

(撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113000)

ATP干餾系統(tǒng)中粉塵的產(chǎn)生與危害

單明志，王娜，徐振宇

(撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113000)

摘要：通過對ATP干餾系統(tǒng)生產(chǎn)過程和數(shù)據(jù)的分析，研究油頁巖小顆粒干餾中粉塵的產(chǎn)生及危害，對小顆粒頁巖干餾技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：油頁巖;小顆粒;干餾;粉塵;危害

隨著近年來國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對石油資源的需求不斷增多，2013年中國石油需求為5.14億噸，同比增長4.8%。然而，受限于我國“富煤、貧油、少氣”的資源賦存情況，2013年我國進(jìn)口石油達(dá)3.05億噸，對外依存度已達(dá)59.4%，嚴(yán)重威脅著國家安全。因此，尋找石油的替代產(chǎn)品是當(dāng)務(wù)之急。油頁巖作為一種重要的石油補(bǔ)充和替代能源，以其巨大的儲(chǔ)量、豐富的綜合利用層次，引起了我國乃至全世界的關(guān)注[1]。

國內(nèi)油頁巖生產(chǎn)企業(yè)眾多，但是應(yīng)用的干餾技術(shù)十分有限，最為普遍的是撫順式干餾技術(shù)、成大全循環(huán)干餾技術(shù)和窯街氣燃式方爐技術(shù)。這三種技術(shù)僅能夠處理塊狀頁巖(10 mm-75 mm)，占礦石總量20%左右的小顆粒(0 mm-10 mm)只能堆積留存，既造成能源資源的浪費(fèi)，又存在自燃等危害。因此，發(fā)展小顆粒干餾技術(shù)是目前國內(nèi)油頁巖行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

小顆粒油頁巖干餾宜采用固體為熱載體，除美國Tosco公司開發(fā)的Tosco-Ⅱ使用瓷球作為熱載體外，絕大部分采用的是燃燒后的頁巖灰渣作熱載體[2-3]。最具代表性的小顆粒油頁巖干餾技術(shù)主要分為兩大類：水平旋轉(zhuǎn)窯干餾和流化床干餾[4]，目前這兩類干餾反應(yīng)器國內(nèi)均有試驗(yàn)裝置。在小顆粒干餾技術(shù)開發(fā)、試驗(yàn)?zāi)酥辽a(chǎn)過程中出現(xiàn)了各種問題，與塊狀油頁巖干餾技術(shù)相比較，粉塵問題尤為突出。

1小顆粒油頁巖干餾系統(tǒng)粉塵產(chǎn)生分析

圖1　ATP進(jìn)料篩分比例柱形圖

小顆粒油頁巖干餾生產(chǎn)中，粉塵的問題表現(xiàn)在物料運(yùn)輸、干餾、油氣冷凝回收、煙氣處理等各個(gè)生產(chǎn)過程，特別是在油氣冷凝回收過程中，粉塵的影響尤為嚴(yán)重。粉塵含量增多，主要有以下幾方面原因。

圖2　ATP爐煙氣系統(tǒng)粉塵粒徑分布圖

(1)過度破碎造成粉源碼含量增多。以ATP為例，其原料來源為撫順式干餾爐尾礦，將油頁巖破碎至75 mm以下，其中12 mm-75 mm為撫順爐原料，12 mm以下為ATP原料。圖1為ATP進(jìn)料的篩分?jǐn)?shù)據(jù)柱形圖，可見進(jìn)料中大顆粒較多，小于1 mm的粉塵量占10%左右。如果將頁巖直接破碎至12 mm以下，小于1 mm的粉塵量會(huì)有所增加。

(2)由于ATP爐采用是的水平旋轉(zhuǎn)窯，在旋轉(zhuǎn)窯干餾過程中，料床整體呈一定的傾斜角度，物料在徑向截面內(nèi)是循環(huán)滾動(dòng)的過程，物料間、物料與器壁的碰撞和摩擦?xí)黾臃蹓m的含量。

此外，在ATP爐中，燃燒區(qū)物料會(huì)被旋轉(zhuǎn)的器壁帶到高處并拋落，這也會(huì)增加粉塵含量，這部分粉塵除了進(jìn)入到干餾區(qū)外，最終會(huì)通過煙氣系統(tǒng)和排渣系統(tǒng)排出。這也會(huì)增加煙氣系統(tǒng)的粉塵負(fù)荷，ATP爐在230 t/h處理量運(yùn)行時(shí)，會(huì)有超過50 t/h的粉塵通過煙氣系統(tǒng)進(jìn)行排放，這部分粉塵顆粒較小，如圖2的ATP爐煙氣系統(tǒng)粉塵的粒徑分布可見，煙風(fēng)系統(tǒng)中粉塵的粒徑在1 mm以下。煙氣系統(tǒng)的粉塵量超過50 t/h，占230 t/h進(jìn)料量的20%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了進(jìn)料中的粉塵含量，可見在頁巖入爐后，經(jīng)過干餾、燃燒以及運(yùn)輸?shù)倪^程中，粉塵大量的產(chǎn)生，且顆粒很小，100 μm以下的粉塵占到了粉塵總量的65%。

2小顆粒油頁巖干餾中粉塵的危害

粉塵的處理一直是小顆粒油頁巖干餾的核心問題之一，粉塵的危害表現(xiàn)在方方面面。由于干餾工藝以及干餾爐型的不同，粉塵對各種干餾爐型的影響也不盡相同。本文對粉塵的主要危害進(jìn)行分析，并列舉在特定干餾工藝中粉塵的危害。

2.1粉塵對原料及廢渣輸送的危害

由于小顆粒干餾的原料粒度較小，其中含有的粉塵量較大，這就給原料和廢渣的輸送帶來一定的難度。以ATP爐為例，原料經(jīng)過干餾、燃燒、傳熱等過程后，通過灰加濕器加濕冷卻，排出干餾爐，進(jìn)入到皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)。此時(shí)物料的粒度分布已與進(jìn)料有很大區(qū)別，圖3為ATP爐廢渣篩分比例柱形圖。

圖3　ATP進(jìn)料篩分比例柱形圖

通過與圖1的對比可發(fā)現(xiàn)，粒徑在0.85 mm以下的物料已超過40%，遠(yuǎn)大于原料中10%左右的比例；原料中大于12.5 mm的物料約占25%左右，而廢渣中為0%，可以說明整個(gè)生產(chǎn)過程對物料的粉碎程度。廢渣中的粉塵含量更高，更難于輸送。在ATP爐中，廢渣排出ATP爐進(jìn)入到灰加濕器的溫度約為400 ℃，設(shè)計(jì)灰加濕器出口溫度為80 ℃，但是由于灰加濕器未發(fā)揮其應(yīng)有的作用，特別是在小處理量運(yùn)行時(shí)，加濕水量很難控制。加水量過多，造成皮帶運(yùn)輸機(jī)無法輸送物料；加水量過少，粉塵未達(dá)到降溫效果，給皮帶帶來損害，同時(shí)，大量粉塵充斥在皮帶廊，嚴(yán)重時(shí)能見度不足一米，給設(shè)備和操作人員的安全帶來隱患。在ATP爐試運(yùn)的過程中，廢渣輸送系統(tǒng)故障多次造成系統(tǒng)運(yùn)行波動(dòng)乃至系統(tǒng)停車，是ATP爐運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間較短的主要影響因素之一。以上研究還沒有反映出該系統(tǒng)的全部問題，經(jīng)加濕后的廢渣能否經(jīng)受住寒冬的考驗(yàn)，平穩(wěn)的通過皮帶系統(tǒng)、廢渣倉和機(jī)車排出系統(tǒng)，尚需驗(yàn)證。

2.2粉塵對熱效率以及干餾效率的影響

目前，粉塵對熱效率以及干餾效率的影響主要體現(xiàn)在粉塵自干餾系統(tǒng)中的流失上。這種問題主要會(huì)出現(xiàn)在有預(yù)熱單元的干餾工藝中。比較嚴(yán)重的如ATP干餾爐，頁巖首先進(jìn)入到ATP爐的預(yù)熱段，預(yù)熱段相當(dāng)于一個(gè)管殼式換熱器，頁巖在那里與煙氣及廢渣換熱至約300 ℃，產(chǎn)生的氣體通過風(fēng)機(jī)抽出干餾爐。如果頁巖中的細(xì)分過多，會(huì)導(dǎo)致被抽出的原料增加，此時(shí)的損失是體現(xiàn)在質(zhì)量與熱量兩個(gè)方面，因?yàn)楸怀槌龅姆蹓m不但攜帶走了熱量，而且減少了進(jìn)入干餾區(qū)進(jìn)行干餾頁巖的量。因此，ATP爐對原料中小于1 mm的原料所占的比例進(jìn)行了規(guī)定。同樣的問題會(huì)出現(xiàn)在有預(yù)熱單元的工藝中，如Galoter爐的氣流干燥單元[5]、大工新法干餾的干燥提升管單元[6]等；并且原料的粒徑越小，所含的細(xì)分顆粒的比重就越大，損失的原料就會(huì)越多。

此外，廢渣的松散密度約1200 kg/m3，而粉塵的松散密度約為600 kg/m3，在相同的體積下，粉塵的質(zhì)量約為廢渣的一倍。在以固體為熱載體的小顆粒干餾中，熱載體中粉塵含量越高，其攜帶的熱量越少，也就是所需要的熱載體的量越多，這對干餾是不利的。

2.3粉塵對油氣回收系統(tǒng)的危害

細(xì)粉流失的問題也會(huì)出現(xiàn)在干餾系統(tǒng)內(nèi)，因?yàn)榧?xì)粉同樣會(huì)隨著干餾油氣離開干餾系統(tǒng)進(jìn)入到油氣冷凝回收系統(tǒng)，特別是流化床干餾爐內(nèi)，流失會(huì)更加明顯。粉塵在油氣冷凝回收系統(tǒng)的危害最為嚴(yán)重，是困擾國內(nèi)小顆粒技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。與預(yù)熱單元流失不同的是細(xì)粉在隨干餾油氣流失的過程中，不管是熱量還是質(zhì)量，依然在進(jìn)行有效的干餾反應(yīng)。因此，它的危害體現(xiàn)在粉塵本身上。圖4為ATP爐油氣旋風(fēng)分離器捕集到的粉塵的粒度分布。

圖4　油氣旋風(fēng)分離器捕集到的粉塵的粒度分布

由圖4可見，干餾爐出口高溫油氣中的粉塵粒徑非常小，其中10 μm以下的占到了40%，且數(shù)據(jù)來自于旋分器捕集的粉塵，可以預(yù)見實(shí)際高溫油氣中小于10 μm的粉塵的量會(huì)更多。因此，高溫油氣自干餾爐出口，經(jīng)過旋風(fēng)分離器、沉降室等除塵設(shè)備除塵后，仍會(huì)有一部分粉塵進(jìn)入到油氣冷凝回收系統(tǒng)，這部分粉塵的粒徑會(huì)更小。隨著操作的波動(dòng)，粉塵含量會(huì)發(fā)生變化，其中旋風(fēng)分離器效率的變化是引起這一變化的主要原因之一。當(dāng)粉塵進(jìn)入到油氣冷凝回收系統(tǒng)后，會(huì)造成氣相管道的閥門關(guān)不嚴(yán)、膨脹節(jié)失效、塔盤堵塞、泵、管線、閥門的磨損等問題[7]。

2.4粉塵對頁巖油品質(zhì)的危害

進(jìn)入到油氣冷凝回收系統(tǒng)的粉塵，有一部分進(jìn)入到頁巖油產(chǎn)品中[8]。當(dāng)前頁巖油的主要消耗途徑為燃料油的調(diào)和，雖然國家暫時(shí)沒有頁巖油的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如果頁巖油中的粉塵含量過高，勢必影響調(diào)和后燃料油的品質(zhì)，而且國家對燃料油的雜質(zhì)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。4號燃料油的水和沉淀物≯0.5%(v/v)，6號燃料油的水和沉淀物≯2%(v/v)，國外進(jìn)口的180#重油要求機(jī)械雜質(zhì)≯0.01%(m/m)。從撫順爐生產(chǎn)的頁巖油，機(jī)械雜質(zhì)的含量基本可控制在0.5%(v/v)以下。小顆粒干餾過程中的粉塵的含量更高、粒徑更小，凈化相對于大顆粒干餾來講更加的困難，這勢必造成工藝的延長(如采用離心機(jī)分離)，投資增加以及更高的運(yùn)行成本。

3解決小顆粒干餾粉塵問題的途徑

粉塵問題是小顆粒油頁巖干餾所面臨的關(guān)鍵問題之一，粉塵在油氣冷凝回收系統(tǒng)的危害最為嚴(yán)重，不但大大降低設(shè)備的使用壽命，而且極易造成裝置停產(chǎn)。因此，充分借鑒國外經(jīng)驗(yàn)、開發(fā)更為先進(jìn)的除塵技術(shù)是解決這一問題的主要途徑。畢竟，國外有Galoter、ATP等技術(shù)成功運(yùn)行的實(shí)例，說明此問題是可以變通解決的。開發(fā)新的、切實(shí)可行的氣固分離技術(shù)，能夠更好的提高小顆粒頁巖干餾技術(shù)的先進(jìn)性，對簡化冷凝回收系統(tǒng)、降低系統(tǒng)投資、提高油收率具有現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也有利于Galoter、ATP等技術(shù)的改進(jìn)。

相比于高溫油氣系統(tǒng)，其他系統(tǒng)的粉塵處理則需要的正確的態(tài)度；同時(shí)，要借鑒其他產(chǎn)業(yè)中的成熟經(jīng)驗(yàn)。目前有很多細(xì)粉輸送的途徑，如氣力輸灰、水力輸灰、吊掛管狀帶式輸送機(jī)以及埋刮板輸送機(jī)等等[9]。同樣對于干除灰來說，冷渣器等設(shè)備在電廠有成熟的應(yīng)用，不但可以消除加濕灰冬季很難運(yùn)輸?shù)膯栴}，同時(shí)還能回收廢渣高達(dá)700 ℃-800 ℃的顯熱[10]。目前，撫礦集團(tuán)正在積極考慮將廢渣系統(tǒng)改造為水力輸灰，成功之后可有效解決粉塵給廢渣系統(tǒng)帶來的問題，從而進(jìn)一步增加ATP爐的運(yùn)行時(shí)間。

4結(jié)論

(1)小顆粒頁巖干餾過程中的粉塵的產(chǎn)生形式多種多樣，破碎過程、運(yùn)輸過程以及干餾過程都會(huì)不同程度的產(chǎn)生粉塵。

(2)粉塵的危害無處不在，不但會(huì)對工藝過程產(chǎn)生影響，而且會(huì)直接影響產(chǎn)品收率乃至產(chǎn)品質(zhì)量。

(3)必須對粉塵有足夠的認(rèn)識，通過借鑒國外成熟技術(shù)以及其他行業(yè)的粉塵處理技術(shù)，有效解決粉塵問題，才能使小顆粒干餾技術(shù)得到長足發(fā)展。

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Generation and Harm of Finesduring ATP Oil Shale Retorting Process

SHAN Ming-zhi，WANG Na，XU Zheng-yu

(Fushun Mining Group Co.，Ltd.Fushun Liaoning 114003)

Abstract：Research into the harm and generation of fines generated during the small sized oil shale retorting，through the analysis of production process and data of ATP retorting system，which is of great importance to the development of small sized oil shale retorting technology.

Key words：Oil Shale；Small-sized；Retorting；Fines；Harm

收稿日期：2016-02-29

作者簡介：單明志(1983-)，男，遼寧省錦州市人，撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司工程師，碩士，主要研究方向：油頁巖干餾生產(chǎn).

文章編號：1005-2992(2016)03-0052-04

中圖分類號：TE349

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A