第３８卷第１期 ２０１１年１月 华北电力大学学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖｏ１．３８．Ｎｏ．１ Ｊａｎ．，２０１１
回转干馏炉油页岩颗粒停留时间分布
李少华 ，张立栋 ，余侃胜 ，张轩 ，王 擎
（１．东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林１３２０１２；２．华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京１０２２０６）
摘要：搭建回转干馏炉冷态实验装置，通过实验研究了回转干馏炉５种转速ｎ＝１７、１３．３、１０、６．８、３．４ ｒ・ｍｉｎ
及３种倾角ａ＝２．１６。、３．２４。、４．３３。，在不同出料口直 干馏炉内径Ｄｃ／Ｄ＝ｎ４、０．５６时，对油页岩颗粒停留时
间分布的影响。结果表明：油页岩颗粒在回转式干馏炉内的停留时间随转速、倾角及Ｄｃ／Ｄ的增加而缩短；当转速
达３，１３．４ ｒ・ｍｉｎ～、倾角达到２．１６。时，平均停留时间及平均停留时间方差均有激增情况出现。
关键词：油页岩颗粒；回转干馏炉；平均停留时间；方差
中图分类号：ＴＦ６２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—２６９１（２０１１）０ｌ一００９８—０５
Ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｏｉｌ ｓｈａｌｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
ｒｏｔａｒｙ ｒｅｔｏｒｔ
ＬＩ Ｓｈａｏ—ｈｕａ ，ＺＨＡＮＧ Ｌｉ—ｄｏｎｇ ，ＹＵ Ｋａｎ—ｓｈｅｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｘｕａｎ ，ＷＡＮＧ Ｑｉｎｇ
（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｅｎｅｒ￣ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｄｉａｎｌｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ １３２０１２，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏａｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２０６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒｓｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅａｎ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｏｉｌ ｓｈａｌｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａ—
ｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｏｔａｒｙ ｒｅｔｏｒｔ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄｓ（ｎ＝１７、１３．３、１０、６．８、３．４ ｒ・ｍｉｎ ），
ｄｉｆｉｅｒｅｎｔ ａｎｇｌｅｓ ｏｆ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ（Ｏ／＝２．１６。、３．２４。、４．３３。），ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｒａｔｉｏｓ ｏｆ ｏｕｔｌｅｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ／ｒｅｔｏｒｔ ｉｎｎｅｒ ｄｉａｍｅｔｅｒ
（Ｄｃ／Ｄ＝０．５６、０．４）．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅａｎ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｏｉｌ ｓｈａｌｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ，ａｎｇｌｅ ｏｆ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｏｕｔｌｅｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ／ｒｅｔｏｒｔｉｎｇ ｉｎｎｅｒ ｄｉａｍｅｔｅｒ．Ａｔ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ３．４ ｒ‘
ｍｉｎ～，ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｏｆ ２．１６。，ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｓｈａｒｐ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｎ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｒｉａｎｃｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｉｌ ｓｈａｌｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ；ｒｏｔａｒｙ ｒｅｔｏｒｔ；ｍｅａｎ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ；ｖａｒｉａｎｃｅ
０ 引 言
油页岩一般是指富含有机质的沉积岩，干馏
可生产页岩油，油页岩目前是石油等较为理想的
补充能源。常采用低温干馏技术，将油页岩在干
馏炉内隔绝空气加热到４５０～６００ ｏＣ热解制取页岩
油和燃料气，干馏的方法可采用固体或气体热载
体…。本文以固体热载体干馏油页岩工艺为基
础 ，在回转式固体热载体干馏炉内增设翻料板，
既增加固体热载体与油页岩颗粒的混合度，又能
有效利用固体热载体的热量，本实验采用六叶式
廊式布置翻料板。油页岩在回转式干馏炉中的停
收稿日期：２０１０—０９—２６． 基金项目：吉林省重大科技发羼计划资助项目（２００９６０３４） 留时问是干馏工艺关键参数之一，它直接关系到
干馏气的产量及干馏炉操作与结构参数的优化。
停留时间过短，油页岩在干馏炉内未充分干馏，
导致产油率低；停留时间过长，在给料量一定的
情况下，将浪费大量固体热载体的热量。因此，
油页岩在回转式干馏炉内的停留时间要控制适当，
才能得到较高的产油率及避免大量热量损失。
许多学者曾对回转窑内物料停留时间进行了
研究，并总结出了物料停留时间与各因素之间的
关系式，王春华等 将Ｌｉ Ｓ—Ｑ 推导的停留时间
计算公式简化为
： ． ．堂 （１） ’ 。 ¨
式中： 为回转窑长度，ｍｍ；Ｄ为回转窑内径，ｍｍ；０
为物料安息角，（。）；／７，为回转窑转速，ｒ・ｍｉｎ～；
为回转窑倾角，（。）； 为回转干馏炉倾角，（。）。
第１期 李少华，等：回转干馏炉油页岩颗粒停留时间分布
认为简化后停留时间与长径比（Ｌ／Ｄ），物料
安息角的正弦ｓｉｎＯ成正比，而与转速ｎ，倾角正
切ｔａｎ 成反比。Ｌｉｕ Ｘｉａｏｙａｎ等 对回转窑出口增
设挡料板做了研究，认为物料停留时间随着转速
ｎ加快，出口挡料板高度及干馏炉倾角增大而缩
短，其中出口挡料板高度影响较大。但物料对内
置翻料板情况下回转炉停留时间的实验研究还鲜
有报道，因此，通过建立冷态实验装置来研究油
页岩颗粒在回转干馏炉内停留时间影响因素，并
对典型工况下的停留时间进行分析，将具有重要
的理论和现实意义。
１ 实验装置及实验方法
１．１ 实验装置
实验装置如图１所示，回转式干馏炉炉长 ：
６００ ｒａｉｎ、内径Ｄ：１２５ Ｉｎｌｎ；内构件直角翻料板尺寸：
直板段ｚ：：２８ ＩｎｌＴｌ，弯板段ｚ ８ ｍｉｌｌ；回转干馏炉能
在０～２０ ｒ・ｍｉｎ 实现无级变速，选取五种转速３．４、
６．８、１０、１３．３、１７ ｒ・ｍｉｎ～，及三种倾斜角２．１６。、
３．２４。、４．３３。进行研究；回转式干馏炉出口挡料板出
料口直径 （１ｎｌＴ１）为５０ ｍｒｆｌ、７０ ｍｌｎ，则Ｄｃ／Ｄ分别
为０．４、ｏ＿５６。实验物料粒径分布为０—１２ ｍｍ油页岩
颗粒群（物料堆积角为４３。）。
１．螺旋给料机电机；２．给料斗；３．螺旋给料机；４．回转干 馏炉；５．挡圈；６．定位轮；７．拖轮８．出口挡板；９．摄像 机；１０．支架；ｌ１．倾角调节；１２．传动电机；１３．传动皮 带；１４．电机支架；１５．给料机支架
图１ 回转式干馏炉冷态实验装置及抄板结构示意图 Ｆｉｇ．１ Ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｒｏｔａｒｙ ｒｅｔｏｒｔ ａｎｄ
ｓｔｒａｉｇｈｔ ｌｉｆｔｉｎｇ ｆｌｉｇｈｔ １．２实验方法
实验采用示踪粒子（对与实验物料相同颗粒
进行染色）的方法研究回转式干馏炉操作特性和
结构特性等因素对油页岩颗粒的停留时间影响规
律。实验开始，给定工况运行稳定时，将若干示
踪颗粒送入回转干馏炉，计算示踪粒子由进料口
至出料口流出时所需时间。油页岩颗粒群在回转
干馏炉内平均停留时间ＭＲＴ（ｍｅａｎ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ
ｔｉｍｅ）用式（２）计算：
１ ｍ ＭＲＴ＝＝１∑丁 （２） 玑 ：１ 式中： 为不同工况下第ｋ个示踪粒子停留时间，
ｍｉｎ；ｍ为示踪粒子个数。采用油页岩颗粒在回转
干馏炉内停留时间的方差 。表示示踪粒子偏离
ＭＲＴ的程度。
２＝ １ ｍ（Ｔｋ－－ＭＲ （３）
表１实验－Ｉ－况表
Ｔａｂ．１ Ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
２结果与讨论
２．１ 转速对停留时间及方差的影响
２．１．１ 转速对油页岩颗粒停留时间的影响
油页岩颗粒在回转式干馏炉内运动是其不断
地被抄起与泻落的反复过程，直到从出料口流
出 。因此对不同结构参数的回转式干馏炉来说，
转速的提高将使停留时间缩短，如图２所示。从图
２（ａ）及图２（ｂ）中可以看出，对于Ｄｃ／Ｄ为０．４、
０．５６的干馏炉来说，油页岩颗粒平均停留时间均随
着转速的增加而明显减少，而且总体趋势趋于平
缓，与反比例函数曲线相似，即ＭＲＴｏｃ １／ｎ。分析
原因为：当转速增加时，油页岩颗粒被翻料板从抄
起到泻落的周期缩短，即走过单位轴向长度所用时
间缩短，而干馏炉长度不变，进而使得ＭＲＴ减少。
１００ 华北电力大学学报
ｎ／ｒ．ｍｉｎ一１
（ｂ） ■一２．１６。●一３．２４。▲一４．３３。 图２转速对油页岩ＭＲＴ的影响
Ｆｉｇ．２ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｒｏｔａｒｙ ｏｎ ＭＲＴ ｏｆ ｏｉｌ ｓｈａｌｅ
２．１．２转速对停留时间的方差影响
计算出５种实验工况转速下油页岩停留时间
方差，如图３所示，可以发现，随着干馏炉转速
增加，停留时间的方差ｏｒ 同ＭＲＴ一样也会减少，
这说明油页岩颗粒随着转速增加，其停留时间分
布更趋于集中，观测ＭＲＴ值更具参考价值。在实
验过程中，也能明显观察到：干馏炉在倾角为
２．１６。、转速为３．４ ｒ・ｒａｉｎ 最低工况下，某个示
踪粒子随翻料板在回转干馏炉出口处做抄起与泻
落的反复运动，导致停留时间明显增加，停留时
间的方差与表１中其他工况相比差距较大。对于
挡料板出口直径Ｄｃ／Ｄ：０．４情况下，当转速大于
１０ ｒ・ｍｉｎ 时停留时间方差降低速度减缓，在图
３（ａ）３．４～１０ ｒ・ｍｉｎ一停留时间的方差的斜率降
低；而对于挡料板出口直径Ｄｃ／Ｄ＝０．５６情况下，
当转速高于６．８ ｒ・ｒａｉｎ 后停留时间方差降低速度
减缓，并与倾角为３．２４。和４．３３。的停留时间方差
值接近。 ３Ｏ
２５
２０
１５ 。 ｌＯ
５
Ｏ
２ ４ ６ ８ ｌＯ ｌ２ １４ １６ ｌ８ ｎ／ｒ．ｒａｉｎ。１
（ｂ） ■一２．１６。 ●一３．２４。 ▲一４．３３。 图３转速对油页岩停留时间方差的影响 Ｆｉｇ．３ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｒｏｔａｒｙ Ｏ１１ ｖａｒｉａｎｃｅ
ｏｆ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｏｉｌ ｓｈａｌｅ
２．２倾角对停留时间及方差影响
２．２．１ 倾角对油页岩颗粒停留时间的影响
干馏炉倾角对油页岩颗粒停留时间的影响如
图４所示。在同一转速下，随着干馏炉斜度增大，
油页岩颗粒在干馏炉内停留时间与转速对ＭＲＴ影
响相似，使ＭＲＴ逐渐减少。当斜度增加时，油页
岩颗粒沿干馏炉轴向上重力分力也增加，使得油
页岩颗粒沿轴向运动速度加大，进而ＭＲＴ减少。
从图４（ａ）及图４（ｂ）中还可以看出，出料口直
径Ｄｃ／Ｄ＝０．４、０．５６的干馏炉在倾角为２．１６。的
ＭＲＴ与５．２４。、４．５５。的不同转速所对应的ＭＲＴ间
间隔相差较大，可以说明转速的线性增加（△
３．４ ｒ・ｍｉｎ ）对应ＭＲＴ降幅是非线性的。对照
图２分析转速对ＭＲＴ影响可以看出，倾角为
２．１６。ＭＲＴ与３．２４。、４．３３。ＭＲＴ之间间隔相差较
大，可以说明倾角线性增加（Ａａ一１．１。）对应
ＭＲＴ非线性的减少，这与图３情况一致。从图４
中还可以看出，当倾角大于３．２４。时，平均停留时 Ｈ
６ ４ ２