世界油頁巖資源的開發利用現狀

侯吉禮，馬躍，李術元，藤錦生

（1中國石油大學(北京)理學院，北京102249；2山東能源龍口礦業集團有限公司，山東 龍口265700）

國際油價從2014年6月份持續下跌，目前已從110美元/桶跌至60美元/桶左右，降幅超過40%。油價下降會拉低運輸成本，公共運輸、機械、施工車輛等用油成本下降，會使整個工業、制造業都受益，但是如果成本的降幅低于產品的售價，利潤空間就會被壓縮，導致競爭力減弱。國際油價下跌使中國非常規能源的發展承擔了巨大的壓力。

非常規能源油頁巖是一種沉積巖，含固體有機物于其無機礦物質的骨架內。其有機物質主要為油母質（kerogen），不溶于石油溶劑，還含有少量的瀝青質（bitumen）。油頁巖隔絕空氣加熱至500℃左右，其油母質熱解（pyrolysis）生成頁巖油、水、半焦和干餾氣。熱解產物頁巖油類似天然石油，但不相同，頁巖油具有特殊的臭味，由于富含烯烴、二烯烴，較原油不穩定。頁巖油經過調和以后，可以作為船用燃料油使用，經過加氫精制等工藝，可以得到汽油柴油等輕質油品[1]。油頁巖作為一種燃料來使用，可以追溯到17世紀，瑞典最早于1637年使用油頁巖作為燃料，從法國1838年開始發展油頁巖工業至今油頁巖的開發利用已有近200年的歷史[2]。油頁巖的發展經歷了3個重要時期[3-4]。“二戰”的爆發掀起了油頁巖開發的序幕，“二戰”結束后20世紀70年代能源危機的出現，使油頁巖的利用又一次得到了重視，1980年以后石油工業的突飛猛進，造成了油頁巖開采與利用的衰落，時至今日，油價的漲跌也會直接或間接的對油頁巖資源的加工利用產生影響。

1 油頁巖資源量及分布特點

油頁巖作為一種重要的非常規能源，儲量巨大，據不完全統計世界油頁巖資源量約有10萬億噸，比煤炭資源量多40%。折算成頁巖油約5000億噸[5]，超過全球石油資源量（約2700億噸）的2倍。其中美國頁巖油儲量約3000億噸，占世界總資源量的60%，中國油頁巖資源儲量約7199億噸，折算成頁巖油約476億噸，但受含油率、埋深等因素限制，技術可采儲量僅為30億噸。其他一些國家也藏有豐富的油頁巖資源，折算成頁巖油量依次約為：俄羅斯400億噸，巴西120億噸，加拿大65億噸，約旦55億噸，摩洛哥50億噸，澳大利亞45億噸，愛沙尼亞25億噸。

目前全球油頁巖干餾煉油工業化的國家有中國、愛沙尼亞和巴西。年產頁巖油總量約150萬噸[6-8]，分別為：中國78萬噸、愛沙尼亞50萬噸、巴西18萬噸。另外美國、約旦、摩洛哥、加拿大等國家已經對油頁巖進行了較長時期的研究，在未來幾年有可能實現頁巖油的工業化生產。

油頁巖除了用來干餾煉油之外，還可以用來燃燒發電，目前實現工業化利用的國家有愛沙尼亞、中國、以色列以及德國，其中愛沙尼亞規模最大，中國其次。

2 世界油頁巖開發利用進展

2.1 中國油頁巖開發利用進展

中國油頁巖資源豐富，地質年代主要集中在中生界、新生界，含油率中等偏好，主要分布在東部、中部的平原和黃土地區，覆蓋了20個省、自治區和47個盆地，但受多方面因素限制，可利用資源量較少，中國主要油頁巖礦區概況見表1[9]。

中國頁巖油產量逐年增加，2012年頁巖油產量約70萬噸，2013年75萬噸，2014年達到80萬噸（約1.54萬桶/天），產油量居世界第一位[10]。目前中國有近10座油頁巖干餾廠正在運行，不同地區油頁巖干餾煉油情況如下表2。

撫順礦業集團（原撫順礦務局）在2013年生產頁巖油35萬噸（約6800桶/天），居全國首位，擁有220臺撫順爐，單爐油頁巖處理量為100t/d，每年加工利用油頁巖約1000萬噸。撫順礦業集團引進的小顆粒油頁巖干餾裝置（ATP）[11-12]，油頁巖日處理量6000t，是由德國KruppPolysius制造、加拿大UMATAC公司開發的工藝，經過幾年的建造、冷運轉、調試、改進，裝置于2014年2月運行7天，4月運行15天，處理量為140～170t/h；5月運行15天，處理量為160～180t/h；7～8月連續運行40天，處理量160～180t/h；目前正投入運行，處理量約為180t/h，計劃連續運行30天以及在未來連續運行90天并逐漸增加進料量。

表1 中國主要油頁巖礦區概況

表2 不同地區油頁巖干餾煉油情況

山東能源龍口礦業集團有限公司（以下簡稱龍礦集團）擁有40臺撫順爐，分為兩部分且分別于2009年和2011年投入運行，年產頁巖油12萬噸。近日，在山東能源集團與吉林樺甸市人民政府戰略合作協議簽約儀式上，龍礦集團與樺甸市豐泰油頁巖綜合開發有限公司（以下簡稱豐泰公司）簽訂股權并購協議，龍礦集團以80%的股份控股經營。豐泰公司擁有4000萬噸的油頁巖資源量，目前建有20臺撫順爐，已經對其進行加工利用，為擴大資源儲備，豐泰公司還將積極整合樺甸廟嶺和礦西南區域油頁巖資源，在摸清資源后，再在該區域內新建頁巖礦井，進一步擴大公司生產規模。龍礦集團計劃在未來引進三江方爐，由于龍口油頁巖屬于炭質頁巖，半焦熱值約800～900大卡，利用方爐處理后，半焦可以用于循環硫化床燃燒，減少污染和浪費。還計劃引進葛洛特技術，用來加工小顆粒（0～25mm）油頁巖，具有油收率高（達到鋁甑含油率的90%）、處理量大（UTT3000日處理量達3360t）、工藝成熟的優點[13]。

吉林成大弘盛能源有限公司擁有30臺撫順爐年產頁巖油5萬噸，并由兩家私企組成，分別為遼寧成大股份有限公司（以下簡稱遼寧成大）和阜新礦務局；遼寧成大采用自己設計的全循環干餾爐，于2010年7月建成24臺投入運行，油頁巖處理量為240萬噸/年，年產頁巖油約8萬噸。新疆吉木薩爾采用遼寧成大設計的全循環干餾工藝，一期工程于2013年建成32臺干餾爐，每年加工油頁巖350萬噸，目前已產頁巖油4萬噸[14]；二期工程于2014年年底再建32臺干餾爐。兩期工程計劃未來總產油達35萬噸。

吉林省汪清縣龍騰能源開發有限公司于2003年7月落戶于汪清縣羅子溝油頁巖工業園區，主要從事對羅子溝油頁巖開采、煉油、發電、殘渣綜合利用，是國內第一家綜合開發利用油頁巖資源的民營股份制企業公司，享有國家相關東北老工業基地政策。龍騰能源開發有限公司注冊資本2.46億元，目前已完成項目投資8億元。擁有年產油頁巖200余萬噸的7對礦井，建有40臺撫順爐的煉油廠一座，用來加工羅子溝油頁巖，年產頁巖油5萬噸；2009年建成油頁巖發電廠，2臺循環流化床燃燒鍋爐，蒸氣發電能力約6MW；年產燒結磚6000萬塊的磚廠以及在建30萬噸頁巖灰生產線一條，并計劃將來投產。羅子溝油頁巖平均含油率5.4%，其中10mm以下的油頁巖用來發電，10～75mm的塊狀油頁巖用來干餾煉油[15]。

由神木三江煤化工有限責任公司開發的三江氣燃式方爐（以下簡稱三江方爐），經過改進以后成功用于油頁巖的干餾加工。甘肅窯街煤電集團有限公司于2010年建成8臺三江方爐[16]，用來加工窯街油頁巖，油頁巖（8～60mm）單爐處理量400t/d，年產頁巖油5萬噸。窯街油頁巖平均含油率7.0%，油收率75%，但油頁巖資源儲量較少。

遼寧北票有3家公司投資152臺撫順爐進行油頁巖的加工利用。北塔油頁巖綜合利用公司擁有88臺撫順爐，其中48臺單爐處理量是150t/d，40臺是100t/d；李克公司擁有40臺撫順爐，20臺處理量為200t/d，剩余20臺為100t/d；盤錦盛澤集團建有24臺撫順爐，單爐處理量100t/d，并計劃于2015年再投建40臺撫順爐（處理量120t/d）。

在新疆巴里坤，太姆公司建有40臺撫順爐已投入運行；陜西銅川在2014年年底計劃建成40臺撫順爐；大慶石油公司采用大連理工大學開發的固體熱載體干餾裝置，已建成日處理0～8mm的顆粒油頁巖2000t的示范性裝置，目前冷運轉已經完成，正在后期調試中，其中礦石利用率98%，油頁巖平均含油率10.8%。

目前中國有不少于10家科研院所和高等院校開展了油頁巖的研究工作。中國石油大學（北京）繼續對國內外的油頁巖進行了分析評價，包括緬甸、蒙古、摩洛哥等國家以及國內的遼寧朝陽等地區，并對山東龍口油頁巖進行了流化干餾的研究[17]，利用實驗室微型反應裝置，考察了反應溫度、反應壓力、氫油比、液時空速對龍口頁巖油加氫精制的影響，尋找出最優化反應工藝[18]。中國地質大學模擬和優化了油頁巖地下干餾加熱器[19]，與中國石化勘探院合作對地下油頁巖中礦物質的濃度進行了檢測[20]，與美國威斯康辛大學合作進行了油頁巖灰吸附水溶液中次甲基藍的研究[21]。吉林大學也開展了較多研究，從頁巖灰中提取白炭黑用來制備紅、綠熒光粉，從頁巖灰中提取氧化鋁和二氧化硅技術[22-23]，Na-A沸石的制備和應用[24]，油頁巖飛灰用于路堤的實驗室研究[25]，油頁巖塊中干酪根的亞臨界水萃取的質量傳遞特性的研究[26]，注入氮氣的水力壓裂技術對油頁巖原位干餾技術的數字模擬的研究[27]，中生代斷層盆地群的油頁巖成礦特性的研究[28]，以及油頁巖中稀土元素和主要元素的研 究[29]，凍融狀態下油頁巖彈塑性變化的模擬[30]。東北電力大學研究了酸處理后油頁巖的熱解特性和產物的性質，并對油頁巖干餾過程中生成的干餾氣和半焦中硫的釋放與分布進行了研究[31]。

2.2 世界其他國家油頁巖資源與利用進展

美國油頁巖儲量世界居首，科羅拉多州皮申思盆地油頁巖儲量最多，折算成頁巖油約250億噸，猶他州猶因他盆地約150億噸頁巖油[32]。盡管油頁巖儲量豐富，美國尚未建造油頁巖干餾煉油廠，頁巖油沒有進行工業化生產，但由于在幾年前油價一直居高不下，也有一些公司、高校或研究所對油頁巖進行了研究。科羅拉多礦業學院研究了綠河油頁巖中的礦物組成[33]；利用高溫固體氧化物燃料電池（SOFCs）對油頁巖進行地下干餾實驗[34]；麻省理工大學利用油頁巖制取液體燃料，對更加經濟環保的工藝進行了研究[35]；斯坦福大學利用X射線計算機斷層掃描觀察油頁巖的熱解過程[36]。另外埃克森美孚公司、愛耐菲特美國油公司、雷德里弗公司也分別對油頁巖進行了綠河油頁巖的導電度模擬、尋找可以進行油頁巖開采的盆地以及開發Ecoshale工藝。除此以外，美國頁巖油公司、油頁巖工藝國際公司、雪弗龍魯姆斯公司、福斯特惠勒公司、猶他大學等也對油頁巖的地下干餾工藝、頁巖油加氫技術、油頁巖循環流化床燃燒等進行了研究[37-41]。

愛沙尼亞油頁巖資源較為豐富，具有八十多年的開采和使用歷史，開采、提煉和環保技術世界一流。目前已累計開采約10億噸，剩余可采儲量約16億噸[42]。愛沙尼亞油頁巖用途廣泛，主要用于燃燒發電，愛耐菲特公司（Enefit）是世界上最大的發電公司，總發電能力達2360MW，供應愛沙尼亞國家90%的電力需求。愛沙尼亞電站還擁有兩臺Galoter固體熱載體干餾裝置，命名為Enefit140，顆粒油頁巖（0～25mm）日處理量3000t，年產頁巖油約20萬噸。另外，該公司采用德國Outotec公司的循環硫化床燃燒方式，取代了之前的半焦提升管燃燒，Enefit280技術將改進前的Enefit140日處理量提高至6000t[43]，裝置自2012年建成至今，陸續運轉，幾經檢修、調試，目前已累計產油7000t，日處理量為設計量的80%，計劃于2015年實現滿負荷運轉。以愛耐菲特公司為代表的油頁巖企業具備較強的領域內競爭優勢。愛沙尼亞VKG公司的Galoter工藝，油頁巖處理量為3000t/d，目前已建成兩套裝置，年產頁巖油25萬噸，第三套裝置計劃于2015年建成運行[44]。愛沙尼亞一些公司和大學也對油頁巖中的微量元素和頁巖灰的利用等進行了檢測和研究[45-47]。

澳大利亞昆士蘭能源公司（Queenslandenergy resources）建成了派拉霍工藝（Paraho）干餾中試裝置，停運了塔瑟克裝置（ATP），利用昆士蘭工藝示范裝置加工Staurt地區的塊狀油頁巖，日處理油頁巖60t，頁巖油產量為6t。該裝置包括塊狀頁巖的粉碎篩分、粉狀頁巖的成型處理、進樣前的干燥系統以及干餾之后干餾油氣的冷凝回收、瓦斯氣脫硫去氨和冷凝半焦的廢水處理等，計劃進一步放大該裝置[48]。

巴西頁巖油儲量約120億噸，巴西石油公司（Petrobras）在SaoMateaudoSuel建有兩臺Petrosix塊狀頁巖圓筒形干餾爐，一臺直徑5.5m，油頁巖處理量2500t/d；一臺直徑11m，油頁巖處理量6000t/d，日產頁巖油550t，干餾氣130t，LPG（液化石油氣）50t，硫磺32t。Petrosix爐是目前世界上日處理量最大的塊狀頁巖干餾爐，該爐上半段為干餾段，下半段為冷卻段，生產工藝成熟，油收率為90%，環境危害小，但是半焦沒有得到利用[49]，造成浪費。兩臺干餾爐年產頁巖油約20萬噸。

約旦油頁巖品位較高，平均含油率約10%，折算成頁巖油約60億噸[50]。約旦努力開發利用國內油頁巖資源，由于國內技術落后，已經與多家公司簽訂了協議，以對其國內油頁巖資源開展評價研究工作。委托殼牌公司對埋藏較深的油頁巖進行地下干餾的中試實驗研究，計劃與中國公司、愛沙尼亞Enefit公司合作，分別利用拉瓊油頁巖和阿特拉特油頁巖建設油頁巖燃燒產汽發電站。約旦的阿爾巴爾嘎大學和約旦科技大學也對油頁巖進行了基礎研究工作，主要是油頁巖的干餾、干餾氣的組成分析，頁巖灰和半焦的利用等[51-52]。

另外，世界上其他一些國家也對油頁巖開展了勘探和研究，加拿大HATCH公司與美國REDLEAF公司、法國達道爾公司合作，對Ecoshale工藝的傳質模擬進行了研究[53]；法國一些大學和石油公司研究了油頁巖的地上干餾的傳熱傳質，地下干餾的傳熱動力學模擬[54]；印度國家地球物理研究所未來將對卡姆貝、考弗萊等盆地的油頁巖進行了詳細勘察，預計印度頁巖油總資源量將達6000萬噸[55]。德國奧圖泰公司在法蘭克福建了一套Enefit280中試裝置，對不同種類的油頁巖進行加工測試[56-57]。

3 國內外油頁巖干餾工藝的對比

3.1 國內外不同干餾爐型投產運行現狀

目前全球工業化生產頁巖油的國家有中國、愛沙尼亞和巴西，年產頁巖油總量約150萬噸。當前世界上正在投產運行的油頁巖干餾爐型見表3。

由表3可知，目前我國正在投產運行的干餾爐型以撫順爐為主，其次為遼寧成大全循環干餾爐和三江氣燃式方爐，三者均為氣體熱載體塊狀頁巖干餾爐；愛沙尼亞主要運行的有基維特爐和葛洛特爐，分別為氣體熱載體和固體熱載體干餾爐，用來干餾塊狀頁巖和顆粒頁巖；巴西主要投產運行的為佩特洛瑟克斯塊狀頁巖氣體熱載體干餾爐。

表3 目前世界上正在投產運行的油頁巖干餾爐

另外，目前世界上正在建造、試運的油頁巖干餾爐以大型固體熱載體顆粒頁巖爐型為主，但是我國依然在建全循環爐、氣燃式爐等，這是因為氣體熱載體塊狀干餾爐結構簡單，投資少，見效快，易于操作，適合小規模的頁巖油廠。

3.2 國內外干餾爐型對比

世界油頁巖干餾工藝主要有3種，分別為塊狀頁巖氣體熱載體干餾爐、顆粒頁巖固體熱載體干餾爐和粉末頁巖流化干餾爐[58]。

3.2.1 塊狀頁巖氣體熱載體干餾爐

塊狀頁巖氣體熱載體干餾爐在中國廣泛使用，包括撫順爐、三江方爐，另外愛沙尼亞也有塊狀頁巖基維特干餾爐49臺，這些干餾爐型都具有投資少、建設快、工藝成熟的優點，但是油收率較其他干餾工藝較低。巴西佩特洛瑟克斯干餾爐塊狀頁巖處理量世界最大，工藝較成熟，但是沒有利用半焦的潛熱，造成能量損失，排出的半焦污染物較多。遼寧成大開發的全循環干餾爐與佩特洛瑟克斯工藝相似，油收率較高，但半焦潛熱依然未能利用，全循環工藝熱效率較低，且干餾熱源來自自身產生的干餾氣，不適用于熱解產生低干餾氣的油頁巖礦。

3.2.2 顆粒頁巖固體熱載體干餾爐

綜合考慮經濟、技術和環保3個方面，3種爐型中，顆粒頁巖固體熱載體干餾爐屬于最佳爐型，具有以下優點。

（1）油頁巖資源利用率高，開采后得到的油頁巖經粉碎篩分后，得到的顆粒頁巖幾乎可以全部用于干餾煉油，利用率接近100%；塊狀干餾爐不能處理小顆粒油頁巖，利用率較低，約為80%～85%；粉末頁巖干餾爐雖然利用率高，但是干餾得到的油氣中灰多，除塵困難。

（2）油收率高，約為鋁甑含油率的95%，高于塊狀頁巖干餾爐，雖然巴西佩特洛瑟克斯塊狀干餾爐油收率也較高，但是半焦潛熱不能得到利用，造成能量損失。

（3）冷凝回收系統簡單，固體熱載體顆粒頁巖干餾爐出口油氣量少，所需冷凝回收裝置小，減少了油氣損失，而塊狀頁巖干餾爐需要大量氣體熱載體，粉末頁巖流化干餾爐也需要大量的流化劑，所以干餾爐出口所需冷凝設備復雜、能耗大。

（4）顆粒頁巖干餾爐是環境友好型工藝，產生的廢水較少，且半焦燃燒較完全，有害物質排放少，對環境造成的危害小。

愛沙尼亞葛洛特爐（Enefit140）頁巖利用率高，油收率高，處理量大，干餾氣熱值高，工藝成熟，風險小，是最理想的顆粒頁巖干餾爐型，但是也有結構復雜、維修時間長、投資高、建設時間長的缺點。

中國的大工新法固體熱載體干餾工藝也有上述很多優點，且工藝比葛洛特爐簡單，但由于是自主創新技術，風險較大，目前日處理量為150t/d擴大至2000t/d的實驗裝置尚處在不斷調試、試運中。

撫順引進的日處理顆粒油頁巖量6000t的ATP干餾工藝，目前已經在調試中階段性運轉，并逐漸延長連續運轉時間。

3.2.3 粉末頁巖流化干餾爐

中煤龍江煤化公司自主開發的粉末頁巖流化干餾工藝，日處理量為50t/d的干餾爐已經成功試運，并與中國石化洛陽工程院合作，以進一步擴大規模至處理量為2000t/d的大型工業試驗裝置。該工藝頁巖利用率高，油收率高，干餾時間短，粉末頁巖流化干餾以及半焦燃燒的體積強度大，并很好地解決了干餾爐出口油氣的除塵問題，屬于世界領先技術。但是比較遺憾，由于某些原因該工業試驗裝置工作已經中止。

4 油頁巖開發的影響因素

影響油頁巖開發利用的因素主要有以下3個。

（1）世界原油的價格 低油價時代頁巖油的生產成本高于天然石油開采，低能源價格時代油頁巖燃燒發電的成本高于煤炭等燃料，阻礙油頁巖的發展；前幾年石油需求的增長使得油價長期居高不下。根據相關企業的經驗，頁巖油勘探開發完全成本為40～60美元/桶，國際油價若超出此價，頁巖油就有盈利空間，一般情況下十多噸油頁巖可以干餾出1t頁巖油，經濟效益明顯，這就為近幾年油頁巖工業的發展提供了良好的環境。然而由于近期油價驟跌，油頁巖的加工利用成本優勢不再明顯，勢必會影響油頁巖的發展進程。

（2）環保問題 露天或鉆井采礦均需要把地下水位降低到巖層以下，每開采1m3油頁巖，一般需抽出25m3的地下水，這將導致地表水和地下水中硫酸鹽含量增加，長期開采會破壞生態環境及水質。油頁巖干餾過程中會產生干餾氣、半焦、灰渣、廢水等，一般產生干餾氣約7%，半焦70%～80%，干餾氣需要進行脫硫處理再加以利用，半焦大量堆放會形成粉塵，污染環境；油頁巖直接燃燒后會產生固體顆粒物、二氧化硫和氮氧化物，排放到大氣中也會產生污染。由于環境問題日益加劇，各國對環保更為重視，對排放規范更為嚴格，促使油頁巖企業加大投資力度，革新工藝，提高環保技術，達到國家污染物排放標準。

（3）資源問題 要想實現油頁巖的加工利用，首先需要具有一定的可采儲量，一般情況下，在中國油頁巖如果是用于干餾生產頁巖油，必須滿足實驗室鋁甑含油率大于6%～8%（露天開采）或8%～10%（鉆井開采）；如果用于燃燒發電，油頁巖的熱值應高于3400kJ/kg[59]。

5 油頁巖工業的發展前景

2014年下半年國際原油價格持續下跌，對非常規能源的發展造成了不利沖擊。中國油頁巖工業正處于起步階段，油價走低會減緩油頁巖的研究開發進程。但據相關報道，若國際油價低于60美元/桶，只有沙特等10個左右產油國可以盈利，而且低油價將嚴重損害國際石油公司在深海油氣等高難度油氣資源的勘探開發積極性，從而抑制原油經濟可采儲量的增長。預計未來不久，國際油價將重回80美元/桶左右，屆時將促進非常規能源的發展，油頁巖的開發利用前景仍然很誘人。

未來石油資源的短缺將制約經濟的發展，非常規能源的開發和利用可以緩解能源需求壓力。油頁巖資源儲量豐富，可以替代部分原油，是各國能源開發研究的重要方向。世界各國工業的發展和油價不斷的上漲，對頁巖油的需求量將日益增大，油頁巖作為石油的補充能源，已經引起世界范圍的關注，擁有油頁巖資源的國家長期開展了油頁巖相關的研究工作，各國油頁巖的勘探、開采和干餾煉油技術迅速提高，有些國家已經掌握了先進的技術，并制定了未來的開發計劃。

我國石油供需缺口逐年增加，石油供不應求的矛盾長期存在。開發利用油頁巖資源，替代部分常規能源，緩解我國能源壓力，是今后國家政策鼓勵的方向。但是當前國內新技術開發不夠成熟，引進國外技術投資較高，舊工藝雖較成熟但是存在處理量小、油收率低等問題。因此，中國油頁巖工業需要進一步研究開發新型技術，降低開采和加工成本，提高油頁巖的綜合利用水平，在提高產油量的同時不破壞生態環境，走新型工業化道路。

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