周思凱， 陸浩， 潘盧偉*, 戴方欽， 郭悅

(1.鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430081； 2.高溫材料與爐襯技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，武漢 430081)

油頁(yè)巖又稱油母頁(yè)巖，是一種高灰分的固體可燃有機(jī)礦產(chǎn)，經(jīng)過(guò)低溫干餾后可獲得碳?xì)浔阮愃剖偷捻?yè)巖油和高熱值的熱解氣，被認(rèn)為是重要的石油補(bǔ)充能源[1-2]。中國(guó)油頁(yè)巖資源豐富，目前探明儲(chǔ)量最多的是吉林、廣東、遼寧、新疆等地，總量約為9 780億t，可轉(zhuǎn)化為約610億t頁(yè)巖油，儲(chǔ)量?jī)H次于美國(guó)、巴西和愛(ài)沙尼亞，開(kāi)發(fā)前景廣闊[3-7]。目前，世界上對(duì)油頁(yè)巖資源的利用方式主要有干餾煉油與燃燒發(fā)電兩種。工業(yè)化運(yùn)行的油頁(yè)巖干餾技術(shù)主要包括氣體熱載體干餾技術(shù)和固定熱載體干餾技術(shù)：氣體熱載體干餾爐通常使用高溫燃燒氣或再加熱的頁(yè)巖干餾氣對(duì)油頁(yè)巖進(jìn)行加熱干餾；固體熱載體干餾爐通常使用頁(yè)巖半焦燃燒后產(chǎn)生的高溫頁(yè)巖灰對(duì)油頁(yè)巖進(jìn)行加熱干餾。

全循環(huán)干餾爐屬于氣體熱載體干餾工藝：油頁(yè)巖物料自爐頂加入，在重力作用下不斷下降，從爐體中部和底部通入的氣體熱載體在上行過(guò)程中與油頁(yè)巖進(jìn)行換熱；油頁(yè)巖被加熱到一定溫度后發(fā)生熱解反應(yīng)生成油氣混合物和半焦；油氣混合物同循環(huán)熱載體一起從爐頂排出，進(jìn)入后處理工序得到頁(yè)巖油和干餾氣；半焦被冷卻后自干餾爐底排出。全循環(huán)干餾爐中的顆粒流動(dòng)規(guī)律是影響氣-料換熱的重要因素之一，對(duì)提高干餾爐熱效率和收油率有重要意義。油頁(yè)巖干餾爐中物料運(yùn)動(dòng)行為的研究方法大致有兩種：物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬。韋慶文等[8]采用離散單元法(discrete element method,DEM)模擬了二組元顆粒體系在有擾流件情況下，回轉(zhuǎn)干餾爐的流動(dòng)與混合，研究表明較大的終末卸料角有利于拋灑更多的顆粒，有利于顆粒的增混，但干餾爐耗能最快；華澤嘉[9-10]等利用數(shù)值模擬的方法，研究了固定床和氣體熱載體干餾爐的油頁(yè)巖干餾過(guò)程，其中對(duì)固定床干餾過(guò)程的研究驗(yàn)證了上部顆粒干餾進(jìn)程慢的原因，對(duì)干餾爐的研究提出一種新的布?xì)夥绞剑Y(jié)果為開(kāi)發(fā)大容量氣體熱載體干餾爐提供了理論依據(jù)；Wang等[11]提出了一個(gè)綜合傳熱模型，深入分析了顆粒物理參數(shù)和操作條件對(duì)加熱時(shí)間、熱速率和熱交換特性等的影響，研究表明顆粒-流體-顆粒之間熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱流占據(jù)66%～71%，顆粒-顆粒的輻射熱流次之，顆粒-顆粒之間的熱傳導(dǎo)最小，僅占6%～7%。

前人對(duì)采用固體熱載體工藝的回轉(zhuǎn)爐內(nèi)顆粒流動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)描述，但關(guān)于油頁(yè)巖顆粒在氣體熱載體干餾豎爐中流動(dòng)特性與規(guī)律的研究則相對(duì)較少，全循環(huán)干餾爐作為國(guó)內(nèi)3種大規(guī)模工業(yè)化運(yùn)用的油頁(yè)巖干餾爐之一，日處理量可達(dá)300 t以上，探明全循環(huán)干餾爐內(nèi)的顆粒流動(dòng)規(guī)律有助于了解大容量氣體熱載體干餾爐的干餾過(guò)程，也可為后續(xù)大容量油頁(yè)巖干餾爐的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。因此，現(xiàn)采用離散單元法建立中國(guó)自主研發(fā)并大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的300 t/d全循環(huán)油頁(yè)巖干餾爐三維數(shù)學(xué)模型，同時(shí)基于相似原理搭建比例為1∶6的全循環(huán)干餾爐半周冷態(tài)模型，對(duì)干餾過(guò)程中的顆粒流動(dòng)行為進(jìn)行系統(tǒng)研究，旨在更好地了解油頁(yè)巖干餾過(guò)程，對(duì)油頁(yè)巖氣體熱載體干餾爐的開(kāi)發(fā)和工業(yè)應(yīng)用提出合理有效的操作方法和優(yōu)化方案。

1 研究方法

1.1 顆粒運(yùn)動(dòng)DEM模擬

離散單元法是研究粒子運(yùn)動(dòng)的有效工具，從單個(gè)顆粒的受力入手，動(dòng)態(tài)跟蹤每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，能實(shí)時(shí)計(jì)算任意形狀顆粒的接觸力并根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算所受合外力，實(shí)時(shí)更新顆粒群的位置與速度[12-15]。油頁(yè)巖在干餾爐中的運(yùn)動(dòng)屬于密集型的顆粒運(yùn)動(dòng)[16]，本文研究采用更符合情況的軟球模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析[17]。

顆粒在模型內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，主要受到顆粒與顆粒、模型內(nèi)外壁面以及流體之間的接觸力，根據(jù)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，可分為法向接觸力(F1,ij)，切向接觸力(F2,ij)，法向、切向方向的阻尼力(F3,ij、F4,ij)，此外還受切向力產(chǎn)生的力矩(Tij)與滾動(dòng)摩擦力矩(Mij)的作用。根據(jù)對(duì)豎爐氣固兩相流特征的研究[16]，填充床中氣體的存在對(duì)固體顆粒的流動(dòng)影響很小，所以模型中忽略了顆粒與氣體熱載體之間的力[18-20]。

根據(jù)牛頓第二定律得到顆粒i的運(yùn)動(dòng)方程：

(1)

(2)

式中：mi、Ii、vi、ωi和ki分別為質(zhì)點(diǎn)i的質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)慣性、平移速度、質(zhì)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)速度以及質(zhì)點(diǎn)i接觸的質(zhì)點(diǎn)總數(shù)，質(zhì)點(diǎn)所受力和力矩如文獻(xiàn)[18-20]所示。

模擬的干餾爐是中國(guó)自主研發(fā)的300 t/d的全循環(huán)油頁(yè)巖干餾爐[21]，目前已在新疆吉木薩爾石長(zhǎng)溝油頁(yè)巖干餾基地大規(guī)模工業(yè)化運(yùn)行，結(jié)構(gòu)如圖1所示；模型與干餾爐實(shí)際尺寸比為1∶1。

為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型：①忽略了干餾過(guò)程中油頁(yè)巖及半焦的熱解破碎；②使用簡(jiǎn)易卸料裝置來(lái)代替原型中的排料機(jī)；③顆粒由離散元法軟件中顆粒工廠生成；④用球體代替油頁(yè)巖顆粒，球體的尺寸在油頁(yè)巖顆粒的基礎(chǔ)上適當(dāng)放大。表1是顆粒和氣體全循環(huán)干餾爐的材料特性和模擬條件[22]，表2中的粒子數(shù)是模擬正式開(kāi)始后添加的粒子總數(shù)。表2中列出了油頁(yè)巖顆粒之間、油頁(yè)巖顆粒與爐壁之間的恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

1為給料系統(tǒng)；2為陣傘；3為爐體；4為預(yù)熱段；5為干餾氣體引出 管；6為人字形擋板；7為熱瓦斯進(jìn)口；8為鼎形裝置(阿西結(jié)構(gòu))； 9為冷瓦斯進(jìn)口；10為花墻；11為冷卻水套；12為排焦通道； 13為排焦裝置；14為水池；15為刮板運(yùn)輸機(jī)圖1 全循環(huán)干餾爐示意圖Fig.1 Schematic diagram of full cycle retort

表1 材料的特性和模擬參數(shù)

1.2 物理模擬試驗(yàn)

基于相似原理搭建的半周冷態(tài)物理實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際模型比例為1∶6。本文以黃豆作為模擬物料，研究各種爐型結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒流動(dòng)的影響。參考奧鋼聯(lián)熔融還原煉鐵(coal reduction extreme，COREX)預(yù)還原豎爐以及高爐冷態(tài)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)文獻(xiàn)[23-26]實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，從頂部填入相應(yīng)高度的填充床后，開(kāi)始在底部勻速排料，并不斷在頂部填入物料顆粒，維持料柱的高度穩(wěn)定，當(dāng)觀察到干餾爐內(nèi)顆粒流動(dòng)狀態(tài)不發(fā)生變化時(shí)，在頂部加入一層厚度均的示蹤顆粒，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔一段時(shí)間(1 min)拍照，記錄示蹤顆粒的位置，在示蹤顆粒運(yùn)動(dòng)至排料出口時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)用黃豆物料的物理性質(zhì)如表2所示。

圖2 干餾爐物理模型圖Fig.2 Physical model of retort

表2 填充顆粒性質(zhì)

2 結(jié)果與分析

2.1 中心柱與阿西結(jié)構(gòu)對(duì)物料運(yùn)動(dòng)的影響

油頁(yè)巖物料在全循環(huán)爐內(nèi)的流動(dòng)情況如圖3所示，紅色示蹤物料流動(dòng)軌跡表明，顆粒從爐頂降落到中心柱頂部的過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)流型從“一”形逐漸變成中心凹陷的“V”形。這是因?yàn)檫叡谛?yīng)的影響，顆粒與爐壁之間的摩擦力使靠近爐壁區(qū)域的顆粒下降速度小于爐膛中心區(qū)域的物料流動(dòng)速度，使同一水平面上的物料在下降過(guò)程中沿爐膛半徑方向向中間微微凹陷。應(yīng)偉峰[27]用大米和塑料顆粒模擬了COREX豎爐(模型直徑40 cm)內(nèi)的物料流動(dòng)狀況，結(jié)果表明，豎爐內(nèi)中心區(qū)域(徑向10～30 cm)的下料速度約為20 cm/h，而邊壁區(qū)域(徑向0～10 cm和30～40 cm)的下料速度呈2～20 cm/h的線性分布，且越靠近壁面下料速度越慢。Zhou等[28]和Zhang等[18]還發(fā)現(xiàn)，由于下行過(guò)程中顆粒與爐壁的摩擦，豎爐內(nèi)顆粒流型呈現(xiàn)出明顯的“扁平”到“U”形的型面演化。當(dāng)物料靠近中心柱上部區(qū)域后，受到中心柱錐形區(qū)域的阻滯，中心柱上部速度減小，兩側(cè)下降速度快，運(yùn)動(dòng)流型變?yōu)椤癢”形。

圖3 全循環(huán)干餾爐中的顆粒流型Fig.3 Particle flow pattern in the gas full circulation retort

隨著顆粒繼續(xù)流動(dòng)，在接近阿西結(jié)構(gòu)時(shí)，紅色示蹤顆粒與藍(lán)色填充顆粒發(fā)生混合，流線型出現(xiàn)散亂，示蹤顆粒被3個(gè)阿西結(jié)構(gòu)分為三部分，在干餾段中部區(qū)域以不規(guī)則的“V”形移動(dòng)到冷卻段。圖4為油頁(yè)巖物料在干餾段不同高度的橫截面分布圖。圖4(a)為示蹤料“V”形底部，圖(b)為示蹤料“V”形頂部，可以清楚看出物料在爐內(nèi)不同高度的分布情況。為了驗(yàn)證所建立數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，基于相似原理，在搭建的300 t/d全循環(huán)油頁(yè)巖干餾爐物理模型上進(jìn)行了顆粒流動(dòng)物理模擬實(shí)驗(yàn)。黃豆顆粒在物理模型內(nèi)的隨時(shí)間流動(dòng)的軌跡如圖5所示。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，物理模擬流動(dòng)結(jié)果與數(shù)值模擬流動(dòng)結(jié)果基本一致。不同的是，由于物理模型預(yù)熱階段的高度相對(duì)DEM模型(原始模型)較短，黃豆顆粒在預(yù)熱段流動(dòng)過(guò)程中，兩側(cè)壁面的摩擦作用體現(xiàn)不明顯，大豆流型在物理模型上部沒(méi)有明顯的凹陷。觀察圖5(d)與圖5(e)，由于干餾段阿西結(jié)構(gòu)的阻滯作用，在結(jié)構(gòu)上方，觀察到兩個(gè)反著的“√”形。圖5(f)表明顆粒流經(jīng)中心柱與阿西結(jié)構(gòu)區(qū)域時(shí)，顆粒發(fā)生明顯的摻混，與模擬結(jié)果符合。

圖4 物料顆粒在不同高度截面上的分布圖Fig.4 Distribution diagram of material particles on different height sections

圖5 全循環(huán)干餾爐1∶6冷態(tài)模型中大豆的流動(dòng)規(guī)律Fig.5 Soybean flow pattern in the 1∶6 cold model of gas full circulation retort

圖6 爐內(nèi)速度分布Fig.6 Velocity distribution in retort

2.2 爐內(nèi)速度分布

圖6(a)為干餾爐速度云圖。顆粒在預(yù)熱段速度均勻，流動(dòng)保持平穩(wěn)。流動(dòng)至干餾段上方時(shí)，中心柱與阿西結(jié)構(gòu)頂端顆粒流動(dòng)變慢，在緊貼頂端表面，形成一個(gè)速度接近于0的“停滯區(qū)”。圖6(b)為干餾段半徑方向上平均速度，越接近中心柱速度越小。這是由于錐型頂端的阻滯作用，導(dǎo)致環(huán)繞其周圍的區(qū)域阻力變大，流動(dòng)變慢。流動(dòng)至干餾段的中部時(shí)，流動(dòng)速度增大，到達(dá)中心柱底端時(shí)，流動(dòng)速度進(jìn)一步增大。中心柱與阿西結(jié)構(gòu)的支撐作用造成了干餾段疏松多孔的結(jié)構(gòu)，顆粒在此階段流動(dòng)加快，中心柱底端的空隙是一個(gè)適合顆?？焖倩频目涨?，顆粒的流動(dòng)速度進(jìn)一步增大。在實(shí)際干餾過(guò)程中，氣體熱載體自環(huán)形通道流入與油頁(yè)巖顆粒進(jìn)行換熱，干餾段疏松多孔的結(jié)構(gòu)適應(yīng)了氣體了高速流動(dòng)，顆粒與氣體發(fā)生劇烈的摻混，極大地增加了顆粒的換熱面積，提高了干餾爐的工作效率。顆粒流經(jīng)冷卻段出口時(shí)，在兩側(cè)冷卻段的上方，出現(xiàn)了顆粒停止流動(dòng)的死料區(qū)，模擬所用排料裝備是右側(cè)單向出料，左上方的死料區(qū)面積較大，一些極端情況下物料發(fā)生黏結(jié)，會(huì)使死料區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，影響顆粒的正常順行，造成冷卻段出口堵塞。

2.3 爐內(nèi)相互作用力分布

顆粒間的相互作用力會(huì)影響豎爐的正常工作。圖7(a)展示了爐內(nèi)相互作用力的大小及分布，預(yù)熱段內(nèi)相互作用力隨深度不斷增加，中下部干餾段內(nèi)作用力相反降低。干餾段中心柱與阿西結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了良好的支撐與分流作用，一方面減小預(yù)熱段顆粒流動(dòng)速度，保證顆粒有足夠的預(yù)熱時(shí)間，另一方面，3個(gè)阿西結(jié)構(gòu)使顆粒流動(dòng)分散，再加上干餾段顆粒流動(dòng)速度加快，摻混進(jìn)一步加劇。爐內(nèi)顆粒在預(yù)熱段的減速與干餾段的加速和摻混流程之間有序進(jìn)行，圖7(b)為相互作用力概率密度分布，爐內(nèi)相互作用力大小主要在0～200 N，1 000 N以下約占90%，在干餾爐結(jié)構(gòu)面可承受載荷范圍內(nèi)。

2.4 爐內(nèi)磨損分布

實(shí)際工作中，顆粒與壁面的摩擦?xí)?dǎo)致干餾結(jié)構(gòu)的磨損，3個(gè)阿西結(jié)構(gòu)與耐火磚制成的中心柱是干餾爐內(nèi)重要的承重結(jié)構(gòu)，因此分析爐內(nèi)磨損情況很有必要。DEM中的相對(duì)磨損模型基于顆粒與壁面的相對(duì)速度和作用力，可以計(jì)算分析模擬過(guò)程中受到的沖擊與磨料的磨損區(qū)域。累積接觸能在中心柱和阿西腿結(jié)構(gòu)上的分布如圖8所示。法向累計(jì)接觸能較小，切向累計(jì)接觸能較大且集中在阿西結(jié)構(gòu)下部。由前文可知，干餾段結(jié)構(gòu)疏松，顆粒流動(dòng)速度較快，實(shí)際干餾中，氣體熱載體會(huì)與油頁(yè)巖顆粒發(fā)生摻混換熱，磨損情況會(huì)更嚴(yán)重，生產(chǎn)中應(yīng)對(duì)該區(qū)域的爐壁和干餾結(jié)構(gòu)的磨損情況保持關(guān)注。表3為法向累積接觸能與切向累積接觸能的大小，切向累計(jì)接觸能遠(yuǎn)大于法向累計(jì)接觸能，證實(shí)磨損主要受顆粒流動(dòng)摩擦的影響，與顆粒流動(dòng)速度密切相關(guān)。

3 結(jié)論

(1)全循環(huán)干餾爐內(nèi)流型呈現(xiàn)“一”字形→波浪形→“W”形→不規(guī)則“V”形的演變過(guò)程。顆粒與爐墻壁面的摩擦使流型沿半徑方向呈現(xiàn)波浪形，中心柱的阻滯使流型進(jìn)一步變?yōu)椤癢”形，阿西結(jié)構(gòu)使顆粒之間加速混合，流型變?yōu)椴灰?guī)則“V”形；爐內(nèi)結(jié)構(gòu)影響了顆粒的均勻下降，有利于干餾過(guò)程的進(jìn)行。

(2)中心柱與阿西結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒的承載作用，使其上部一部分顆粒速度降低接近于0；干餾段顆粒流動(dòng)速度增大，促進(jìn)了顆粒上下層的混合。在兩側(cè)的冷卻段上方，對(duì)應(yīng)干餾爐冷卻段的4個(gè)頂角，出現(xiàn)了顆粒不流動(dòng)的死料區(qū)，可能會(huì)使物料發(fā)生黏結(jié)，影響干餾爐的正常運(yùn)行。

(3)物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與DEM模擬結(jié)果吻合較好，有所不同的是，物理模型預(yù)熱階段高度比較短，顆粒沒(méi)有下降足夠的距離，黃豆流型沒(méi)有明顯的凹陷。

(4)干餾爐內(nèi)相互作用力較大的區(qū)域集中在中心柱與阿西結(jié)構(gòu)的上方，而在干餾段的中下部形成一個(gè)結(jié)構(gòu)疏松，有利于氣體熱載體流動(dòng)換熱的區(qū)域，爐內(nèi)結(jié)構(gòu)對(duì)干餾過(guò)程有明顯促進(jìn)作用。

(5)顆粒與壁面的摩擦?xí)斐蔂t內(nèi)承重結(jié)構(gòu)的磨損。磨損主要發(fā)生在中心柱上部和阿西結(jié)構(gòu)的中下部，切向累積接觸能遠(yuǎn)大于法向累積接觸能，流動(dòng)摩擦是磨損的主要原因。

圖7 爐內(nèi)相互作用力分布Fig.7 Distribution of interaction force in retort

圖8 爐內(nèi)磨損分布Fig.8 Wear distribution in retort

表3 法向累積接觸能與切向累積接觸能的大小