尹曉含，曹祖賓，曹傳洋，呂 娜

（1.遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧撫順113001；2.中國石油撫順石化分公司石油二廠，遼寧撫順113004）

頁巖油是通過低溫干餾油頁巖的方法得到的各種有機化合物的混合物，其儲存量十分豐富且遠遠超過天然石油，是石油的補充能源之一[1]。頁巖油[2]冷凝回收系統(tǒng)是油頁巖干餾工藝中的重要環(huán)節(jié)之一，可以直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量及工藝的能耗和環(huán)保問題。

目前國內(nèi)外頁巖油冷凝回收系統(tǒng)分為水洗工藝和油洗工藝兩種。例如Petrosix冷凝回收系統(tǒng)[3]為水洗工藝：干餾出口油氣經(jīng)旋風(fēng)分離器、沉降器（電氣除霧器）、壓縮機、噴淋塔冷凝回收頁巖油，回收率高達90%，風(fēng)機前面沒有大量的水噴淋，壓縮機耗能小，設(shè)備容易控制，運轉(zhuǎn)較穩(wěn)定，而且風(fēng)機前做了除塵處理，后期回收效果好[4]；愛沙尼亞葛洛特（Galoter）冷凝回收系統(tǒng)[5]為油洗工藝：干餾出口的混合物料經(jīng)過兩級旋風(fēng)分離器除去粉塵后，干餾油氣進入回收系統(tǒng)，先經(jīng)過油氣淋洗器，使油氣中的一部分重油冷凝下來，從而帶走部分很細(xì)的粉塵，進一步凈化了油氣，在進入精餾塔分離頁巖油和煤油餾分，再進入冷凝器，冷凝下來汽油和水蒸氣。干餾氣則經(jīng)鼓風(fēng)機壓縮，作為燃料燃燒，該工藝頁巖油回收率高達90%，洗滌水用量小，三廢少，屬環(huán)境友好型工藝；俗稱“ATP”工藝的加拿大塔瑟克斯（Taciuk）冷凝回收系統(tǒng)[6]是水洗工藝：ATP干餾爐[7]為固體熱載體的干餾方式[8]，進入回收系統(tǒng)的氣體量小，所以回收系統(tǒng)規(guī)模小，占地面積小；第三代撫順干餾工藝是四級水洗系統(tǒng)，將瓦斯溫度降至50℃以下，提高瓦斯中油的含量，并增設(shè)了電捕塔以回收輕質(zhì)油。干餾污水進行處理后達到標(biāo)準(zhǔn)的污水再利用，減少二次污染，回收污水的熱量循環(huán)用于供暖、空調(diào)制冷等，干餾后的廢渣用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品、新型建材、環(huán)保產(chǎn)品、復(fù)合肥及礦井充填膏體等，以發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，變廢為寶；吉林樺甸頁巖油回收工藝[9]也是水洗工藝：設(shè)備種類多，維護繁瑣。

未來頁巖油冷凝回收技術(shù)[10]以高收油率、低運行成本、企業(yè)大型化為發(fā)展方向。對比以上國內(nèi)外幾種典型的回收系統(tǒng)[11]，仍存在能耗大、循環(huán)水量大、產(chǎn)生的污水量大等缺點，并且應(yīng)用于頁巖油冷凝回收領(lǐng)域仍有一些工程上的問題需要進行深入研究，如今國內(nèi)文獻很少有對頁巖油冷凝回收系統(tǒng)進行深入模擬研究，本文作者參考焦化產(chǎn)業(yè)循環(huán)水直接冷卻工藝，經(jīng)過詳細(xì)研究后，制定油母頁巖干餾油氣冷凝回收工藝為水洗工藝，并應(yīng)用Aspen plus模擬[12]軟件對頁巖油冷凝回收系統(tǒng)進行模擬并優(yōu)化，彌補國內(nèi)在該方面研究的缺口。

1 流程模擬

1.1 模擬步驟

本工藝中80℃的干餾油氣（由頁巖油、瓦斯氣、水組成）進入冷凝回收系統(tǒng)，氣相油氣依次經(jīng)過氣液分離器、吸收塔、橫管冷凝器、風(fēng)機、電捕油器，之后進入到脫硫系統(tǒng)。從氣液分離器分離出來的頁巖油泥進入到集泥罐分層，油水進入到熱環(huán)池，熱水循環(huán)利用，回收下來的頁巖油進入油池分離，分離出的重油經(jīng)過重質(zhì)頁巖油罐，重質(zhì)油進入重油儲罐，輕質(zhì)頁巖油進入輕油儲罐。吸收塔下來的油水進入冷環(huán)池，分離出水作為吸收塔冷凝水，循環(huán)利用。分離出頁巖油，匯入油池。橫管冷凝器和電捕焦油器分離出油水進入輕油池，然后進入輕質(zhì)頁巖油中間罐，最后裝入輕油儲罐等待出售。由于風(fēng)機安置在回收設(shè)備之后，這個工藝也可以稱為全負(fù)壓頁巖油冷凝回收工藝。全負(fù)壓頁巖油冷凝回收工藝流程見圖1。

回收系統(tǒng)中有些設(shè)備無法模擬，如各種油罐，所以在Aspen中，只對氣液分離器、吸收塔、橫管冷凝器、風(fēng)機進行模擬。在Aspen中，兩相閃蒸器Flash2模塊模擬氣液分離器，用RadFrac模塊模擬吸收塔，換熱器Heatx模塊和Flash2模塊組合模擬橫管冷凝器。

圖1 全負(fù)壓頁巖油冷凝回收工藝流程Fig.1 Full shale oil recovery system flow chart

1.2 模擬條件

本工藝的頁巖油、瓦斯氣的性質(zhì)均由實驗室測得，頁巖油的檢驗方法按照SH/T0558-93(2004)，密度采用GB/T1884-2000方法測定[13]。油頁巖實驗室實沸點蒸餾數(shù)據(jù)如表1所示，瓦斯氣組成如表2所示。

表1 頁巖油實沸點蒸餾數(shù)據(jù)Table 1 TBP of shale oil

表2 瓦斯氣的組成Table 2 Gas Composition

本次工藝中的進料由頁巖油、水、瓦斯氣組成，頁巖油是通過Aspen中的化驗數(shù)據(jù)分析Assay Data Analysis和虛擬組分系統(tǒng)進行處理[14]，瓦斯氣采用組分輸入的形式?；厥障到y(tǒng)進料組成如表3所示。

表3 回收系統(tǒng)進口物料組成Table 3 Feed composition of condensing recovery system

1.3 模型的建立

利用Aspen對頁巖油冷凝回收系統(tǒng)進行模擬。在Aspen中，兩相閃蒸器Flash2可進行給定熱力學(xué)條件下的汽-液平衡或汽-液-液平衡計算，出口產(chǎn)品為一股氣相、一股液相以及一股水相（可選），用Flash2模擬氣液分離器。精餾塔的計算模塊RadFrac，要求一股進料、一股氣相或液相塔頂產(chǎn)品、一股液相塔底產(chǎn)品，適用于普通的精餾、吸收、汽提、萃取精餾、共沸精餾、反應(yīng)精餾等，用RadFrac模擬旋噴塔。橫管冷凝器用換熱器Heatx和Flash2組合模擬，Heatx用于模擬兩股物流逆流或并流換熱時的熱量交換過程，F(xiàn)lash2對物流進行分離。管道有阻力損失，為了接近實際操作情況，模擬中加入VALVE模塊。全負(fù)壓頁巖油冷凝回收流程模擬見圖2。

圖2 全負(fù)壓頁巖油冷凝回收模擬流程Fig.2 Simulation of process flow of full negative pressure recovery system

1.4 模擬結(jié)果

從物流OIL和物流SEP-OIL可以看出，干餾油氣中頁巖油質(zhì)量流量由34 600 kg/h減少至11 640.75 kg/h，氣液分離器回收一部分頁巖油，比例在66%左右。比較流股AB-IN和流股AB-GAS，質(zhì)量流量由390 428 kg/h增加至517 764 kg/h，頁巖油質(zhì)量流量由11640.75kg/h減少至11 640.45 kg/h，變化甚小，該過程為瓦斯氣飽和過程。

通過分析物流CON-IN和物流SEP3-GAS，頁巖油質(zhì)量流量由11 640.45 kg/h降至6 699.04 kg/h，經(jīng)過橫管冷凝器的頁巖油回收率為14%左右。經(jīng)過計算，全負(fù)壓工藝系統(tǒng)中，風(fēng)機功率為1 763.57 kW，頁巖油油收率為80.6%，此工藝和目前國內(nèi)頁巖油冷凝回收工藝相比較，油收率偏低。對該工藝進行優(yōu)化，以得到最優(yōu)工藝，全負(fù)壓回收系統(tǒng)模擬數(shù)據(jù)見表4。

表4 全負(fù)壓回收系統(tǒng)模擬數(shù)據(jù)Table 4 Simulation date of full negative pressure recovery system

2 流程優(yōu)化分析

以上模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對全負(fù)壓回收系統(tǒng)進行優(yōu)化。優(yōu)化方案一：從表4可以看出，在吸收塔中頁巖油沒有被回收，只是對瓦斯氣進行飽和，吸收塔收油率約為0，從節(jié)約成本的角度出發(fā)，可以去掉吸收塔，對比去掉吸收塔前后頁巖油回收率。優(yōu)化方案二：通過風(fēng)機位置的變化，由原來的橫管冷凝器后面移至橫管冷凝器前面，即由全負(fù)壓工藝流程變?yōu)榘胴?fù)壓工藝流程，對比變化前后的油收率。

2.1 優(yōu)化方案一

在原流程的基礎(chǔ)上，進料數(shù)據(jù)和設(shè)備操作參數(shù)不變的情況下進行優(yōu)化。在此優(yōu)化方案中，干餾油氣依次經(jīng)過氣液分離器、橫管冷凝器，最后經(jīng)過風(fēng)機、去電捕油器。優(yōu)化后頁巖油回收系統(tǒng)模擬流程見圖3。優(yōu)化后回收系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)見表5。

圖3 優(yōu)化的頁巖油回收系統(tǒng)模擬Fig.3 Optimization of process flow of full negative pressure recovery system

表5 優(yōu)化的流程模擬的主要數(shù)據(jù)Table 5 Optimization dates of full negative pressure recovery system

對比表4中物流SEP3-GAS和表5中SEP3-GAS，頁巖油質(zhì)量流量分別為6 699.04 kg/h和6 700 kg/h，變化甚微，就回收系統(tǒng)來說，可以去掉吸收塔。但是在干餾系統(tǒng)中，以氣體熱載體作為載體的干餾工藝，例如撫順式干餾爐，樺甸全循環(huán)干餾爐等，為了提高熱載體的熱值，需要吸收塔對瓦斯氣進行飽和來提高熱值，建議留下吸收塔。而對于一些以固體熱載體為載體的干餾工藝，例如小顆粒干餾爐，不需要吸收塔來飽和瓦斯氣，所以建議小顆粒干餾爐的回收系統(tǒng)可以去掉吸收塔，節(jié)約設(shè)備費用和前期投資。

2.2 優(yōu)化方案二

通過改變風(fēng)機位置，優(yōu)化后的工藝流程為半負(fù)壓頁巖油回收工藝系統(tǒng)。全負(fù)壓和半負(fù)壓的回收系統(tǒng)的設(shè)備相同，動力核心設(shè)備風(fēng)機的安裝位置不同，全負(fù)壓流程的風(fēng)機位于橫管冷凝器之后，而半負(fù)壓流程的風(fēng)機則位于橫管冷凝器之前，半負(fù)壓冷凝回收系統(tǒng)流程見圖4。半負(fù)壓的冷凝回收系統(tǒng)主要物流數(shù)據(jù)見表6。

由物流OIL和物流SEP3-GAS可知，頁巖油質(zhì)量流量由34 600 kg/h降至6 458.78 kg/h，半負(fù)壓的回收系統(tǒng)油收率約為81.3%，比全負(fù)壓回收系統(tǒng)油收率增加0.7%。而風(fēng)機的功率也發(fā)生了變化，對比表4物流COMP-OUT和表6物流COMP-OUT，風(fēng)機入口氣相質(zhì)量流量由368 825 kg/h增加至517 764 kg/h，半負(fù)壓回收系統(tǒng)下，風(fēng)機功率也由1 775.6 kW提高到2 808.9 kW。從經(jīng)濟效益上講，若頁巖油以市場價格4 000元/t計算，操作時間按8 000 h計算，優(yōu)化前后頁巖油產(chǎn)值增加34 600×0.7%×4×8 000=7 750 400元。若電費以0.6元/度計算，風(fēng)機能量增加（2 808-1 775.6）×8 000×0.6=4 955 520元。改變風(fēng)機位置，回收系統(tǒng)壓力狀態(tài)由全負(fù)壓變成了半負(fù)壓，頁巖油的收益增加了2 794 880元。半負(fù)壓流程中，風(fēng)機安裝在橫管冷卻器之前，系統(tǒng)中只有氣液分離器和吸收塔在負(fù)壓條件下操作，其余設(shè)備均處于正壓運行。全負(fù)壓流程是系統(tǒng)所有設(shè)備都處于負(fù)壓條件下運行，由于飽和瓦斯氣水蒸氣較高時，其惰性增加，系統(tǒng)運行出現(xiàn)異常，半負(fù)壓流程比全負(fù)壓流程操作運行安全性高。

圖4 半負(fù)壓頁巖油冷凝回收工藝系統(tǒng)Fig.4 Simulation of process flow of semi negative pressure recovery system

表6 半負(fù)壓冷凝回收系統(tǒng)主要物流數(shù)據(jù)Table 6 The important date of semi negative pressure recovery system

續(xù)表6

3 結(jié) 論

（1）通過借鑒國內(nèi)外工藝，對比優(yōu)缺點設(shè)計出油母頁巖干餾油氣冷凝回收工藝，并用Aspen plus模擬軟件進行模擬；此工藝是全負(fù)壓操作，流程模擬由4個主要模塊組成：氣液分離模塊、吸收模塊、橫管冷凝模塊、風(fēng)機模塊。經(jīng)過Aspen計算得到頁巖油的回收率為80.6%。

（2）利用Aspen plus軟件對模擬得到的工藝進行優(yōu)化，沒有吸收塔的回收系統(tǒng)的頁巖油收率仍為80.6%?？梢姶斯に囍校账]有存在意義，可以去掉，節(jié)約設(shè)備費用和前期投資。

（3）用Aspen plus軟件對模擬得到的工藝進行優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，改變風(fēng)機位置后，該工藝流程為半負(fù)壓冷凝回收系統(tǒng)，回收率為81.3%左右。頁巖油回收率增加，半負(fù)壓流程比全負(fù)壓流程操作運行安全性高，頁巖油收益增加2 794 880元。

（4）Aspen Plus模擬軟件在頁巖油冷凝回收系統(tǒng)中應(yīng)用是可行的，利用Aspen Plus軟件對其系統(tǒng)模擬優(yōu)化，可節(jié)約工藝設(shè)計時間，促進油頁巖產(chǎn)業(yè)的工業(yè)化發(fā)展。