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外热式固定床中油页岩热解的内构件调控机制：基于多维度视角的探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球能源需求持续增长和传统化石能源逐渐减少的大背景下，寻找和开发新型替代能源成为当务之急。油页岩作为一种储量丰富的非常规能源，其开发利用对于缓解能源危机、优化能源结构具有重要意义。据估算，全球油页岩中所含的页岩油资源量巨大，远超常规石油储量，这使得油页岩成为极具潜力的能源开发对象。

油页岩热解技术是实现油页岩资源有效利用的核心途径，通过热解可将油页岩中的有机质转化为页岩油、煤气和固体残渣等产物。其中，页岩油可作为优质的液体燃料和化工原料，煤气可用于发电或作为工业燃料，固体残渣也具有一定的综合利用价值，如制备建筑材料等。热解过程的高效性和产物的质量直接影响着油页岩开发的经济效益和环境效益。不同的热解技术和工艺条件会导致热解产物的组成和产率有很大差异，因此，深入研究油页岩热解技术，优化热解过程，对于提高油页岩资源的利用效率和降低开发成本至关重要。

外热式固定床反应器在油页岩热解领域具有独特的优势，因而被广泛应用。其结构相对简单，操作稳定，能够在一定程度上实现对热解过程的精确控制。在实际应用中，外热式固定床反应器也存在一些问题。由于其传热方式主要依靠外部加热，热量传递不均匀，导致反应器内油页岩热解程度不一致。靠近加热壁面及传热板附近的油页岩热解程度较强，空隙率大，压强小，使得大部分热解产物流向该区域，而最里层的油页岩对流换热程度降低，热解速度较慢。在加热壁面附近还容易发生热解产物的二次裂解，降低焦油产率，影响油页岩热解的经济效益。

为了解决外热式固定床反应器中存在的上述问题，研究内构件对油页岩热解的调控机制具有重要的现实意义。内构件的合理设计和应用可以改善反应器内的传热传质过程，优化热解产物的流动路径，从而提高油页岩的热解速率和焦油产率，减少热解产物的二次裂解。通过调整内构件的形状、尺寸和位置，可以增强反应器内的气体对流传热和辐射传热，使热量更均匀地传递到油页岩颗粒中，促进油页岩的全面热解。内构件还可以引导热解产物的流动方向，避免挥发分气体在反应器中的大量积聚，降低二次裂解的可能性。因此，深入研究外热式固定床中油页岩热解的内构件调控机制，对于提高油页岩热解技术水平、推动油页岩产业的发展具有重要的理论和实际价值。

1.2国内外研究现状

在油页岩热解技术的研究领域，外热式固定床反应器因其独特的优势受到了广泛关注，国内外学者围绕该反应器展开了大量研究。在国外，美国、加拿大等油页岩资源丰富的国家，早期便开展了外热式固定床油页岩热解技术的研究与开发。例如，美国在二十世纪七八十年代就进行了一系列相关实验，重点探索热解温度、加热速率等工艺条件对油页岩热解产物产率和品质的影响，发现提高热解温度可增加页岩油和煤气的产率，但过高的温度会导致焦油二次裂解，降低焦油品质。加拿大则侧重于研究外热式固定床反应器的结构优化，通过改进反应器的形状和尺寸，提高了油页岩的热解效率和传热均匀性。

国内对于外热式固定床油页岩热解的研究起步相对较晚，但近年来发展迅速。众多科研机构和高校投入大量资源进行研究，取得了一系列成果。抚顺矿业集团对抚顺油页岩在固定床中的热解特性进行了深入研究，分析了不同热解条件下油页岩的失重规律、产物分布以及气体析出特性。研究表明，热解温度在450℃-550℃区间时，页岩油产率较高，且随着热解时间的延长，气体产物中的甲烷、氢气等含量逐渐增加。太原理工大学利用热重分析仪和马弗炉对抚顺油页岩的热解特性进行分析，发现300-600℃为抚顺油页岩的主要失重阶段，失重率约为20％。

在内构件对油页岩热解影响的研究方面，国外学者通过数值模拟和实验研究相结合的方法，探究了不同内构件结构对反应器内传热传质的影响机制。例如，有研究人员采用计算流体力学（CFD）软件对带有内置翅片的固定床反应器进行模拟，发现翅片的存在增强了反应器内的气体对流传热，使油页岩的热解更加均匀。也有学者通过实验研究了内置多孔挡板的固定床反应器，结果表明多孔挡板可以改变热解产物的流动路径，减少二次裂解的发生，提高焦油产率。

国内对于内构件调控机制的研究也取得了一定进展。辽宁石油化工大学发明了一种外热式固定床油页岩热解反应器，其内部构件采用导流锥式超音速喷管内构件，通过调节导流锥的位置可实现超声速喷管喉部面积可调，圆柱形渐扩段采用圆形截面，压力损失小，能对油页岩的热解产物导流和加速排出反应器。研究表明，该内构件可使油页岩热解产生的热解产物加速排出，避免挥发分气体在反应器中的大量积聚和二次裂解，有利于提高热解速率和焦油产率。中国科学院过程工程研究所通过在外热式煤热解固定床/移动床中加装内构件，以提高对煤颗粒的传热效率、调控热解反应，有效提高了焦油和热解气的产率和品