中國油頁巖干餾技術現狀與發展趨勢

秦宏，岳耀奎，劉洪鵬，王擎

（東北電力大學油頁巖綜合利用教育部工程研究中心，吉林 吉林132012）

油頁巖由低等浮游植物和低等浮游動物經腐化作用而來，屬于腐泥煤[1]，是一種高灰分，富含有機質的可燃沉積巖，經低溫干餾可以得到頁巖油。頁巖油可代替石油作為工業用油，能在一定程度上緩解石油緊缺的壓力。油頁巖干餾技術分為地下原位干餾技術和地面干餾技術。地下原位干餾在技術方面存在不足，目前還未實現商業化[2]。目前地面干餾技術以氣體熱載體干餾技術和固體熱載體干餾技術為主，除此之外，還有微波干餾技術、蓄熱式燃氣輻射式干餾技術等。氣體熱載體干餾技術以熱循環氣為熱載體，而固體熱載體干餾技術是以陶瓷粒或自身產生的頁巖灰為熱載體。

國外油頁巖工業開始于19世紀上半葉，經過100多年的發展，已形成了多種先進、成熟的干餾工藝，如愛沙尼亞的Kiviter和Galoter干餾爐、巴西的Petrosix干餾爐、澳大利亞的ATP干餾爐、德國和愛沙尼亞合作研發的Enefit-280技術、美國的SGR和Tosco干餾技術、德國的LR干餾技術等[3-11]。在地下原位干餾方面，國外也有很多先進的技術，如殼牌公司的ICP技術、埃克森美孚公司的Electrofrac TM技術、Raytheon公司的RF/CF技術等[12-16]。

我國油頁巖儲量豐富，換算成頁巖油的儲量約為476億噸[17]。我國利用油頁巖煉油已有八十多年的歷史[18]，截至2014年，年產頁巖油可達78萬 噸[19]，目前國內采用的干餾技術大都是撫順爐干餾技術，撫順爐具有原料適應性強、能處理貧礦、投資小及運行可靠等優點，而且經過長期的使用，已經成為一種成熟的工藝，但其存在油收率不高、單爐處理量小、污染環境等缺點。針對撫順爐的缺點和結合各地油頁巖特點，國內多家企業和高校及研究所合作研發了適合不同產地油頁巖原料的多種干餾技術，如中煤集團采用的油頁巖流化干餾新工藝、吉林成大弘晟能源有限公司采用的全循環瓦斯油頁巖分級干餾技術以及大慶油田采用的大工新法等。此外，一些企業從國外引進了或計劃引進先進干餾技術，如山東龍口計劃引進了Galoter爐[20]、撫順集團引進了ATP技術等。

1 氣體熱載體干餾技術

1.1 撫順爐

目前國內有大約500多臺撫順爐，其中撫順礦業集團擁有數量最多，共有220臺。撫順爐分布情況如表1所示[21]。

撫順爐為氣體熱載體干餾爐[22]，屬半氣燃爐，頁巖干餾所需熱載體為熱循環氣和熱發生氣（在發生段空氣與半焦發生氧化還原反應生成的氣化氣），主要用于處理12～75mm的油頁巖。其結構如圖1所示。

撫順爐結構簡單、使用周期長、易于維修、技術成熟[23]，而且其原料品位適應性廣，不僅能處理高品位油頁巖，也能處理低品位的油頁巖；但也存在一些不足，如只能處理大顆粒油頁巖、油收率不高、三廢污染較多等。

表1 撫順爐分布情況

針對撫順爐存在的問題，國內諸多研究者進行了相應的研究，進行了不同程度的改進。

陳國超等[24]對撫順爐的加料系統、瓦斯導出系統、排灰系統和頁巖油回收系統等多個部分進行了改進：①進料系統設置了雙閘板，以防止運行時漏氣；②瓦斯導出系統設有帶水封的上升管，一方面可通過爐內迅速泄壓防止干餾爐爆炸，另一方面脫除干餾瓦斯中所含粉塵；③循環瓦斯系統設置了雙通道，使循環瓦斯通過雙通道進入爐內，使進入爐內的瓦斯分布更加均勻；④排灰系統采用單機驅動，避免排灰設備發生故障時影響其他設備運行；⑤在改造油收系統時，將瓦斯冷卻溫度由55℃降至32℃，增設電捕焦油器，并增設二級脫硫裝置。

撫順爐屬氣體熱載體干餾工藝，處理小顆粒頁巖不是它的優勢，其本身只能處理12mm以上粒徑的頁巖。劉連興等[25]通過調整陣傘下移，降低頁巖在爐內干餾段高度來改善頁巖料層的透氣性來處理5～12mm小顆粒頁巖；此外，還提出在腰部拱臺上安裝中心布氣室和改進主風風頭等方式來改善氣體熱載體在爐內的分布。

高健等[26]對撫順爐的供熱系統和油收系統進行了改造，將原間歇式瓦斯加熱爐改為連續蓄熱式加熱爐，并在原三級水洗油收系統中增設旋風除塵器、間冷器和靜電捕油器等設備，提高了油收率。

可以看出，上述改造針對撫順爐的密閉性、布氣方式和料位阻力等方面進行了調整，旨在減小系統的漏氣、布氣均勻和緩解小顆粒頁巖堆積所造成的較高料位阻力；同時，油收系統的不斷完善也能有效地提高整體油收率。但由于種種原因，上述這些改進和開發的技術應用到工程設備中實現商業化運行尚未見相關報道。此外，撫順爐技術本身的工藝特點，實現單爐的大型化存在諸多困難，目前撫順爐的單爐容量僅為100～200t/d。

1.2 成大瓦斯全循環油頁巖分級干餾技術

全循環工藝是近幾年提出的干餾新工藝。在干餾過程中產生的瓦斯氣作為干餾熱載體，干餾所需的熱量全部由瓦斯氣提供，在干餾爐內并沒有燃燒反應，因此可以適應不同品位的油頁巖。

瓦斯全循環油頁巖分級干餾技術是由吉林成大弘晟能源有限公司自主研發的新型干餾技術。吉林成大弘晟能源公司于2007年12月在吉林樺甸籌建油頁巖綜合開發利用項目，采用瓦斯全循環油頁巖分級干餾技術，建設總規模為年加工油頁巖3.0×106t，年產頁巖油2.5×105t。2010年8月完成了第一期24臺干餾裝置的建設，并投入生產，油收率可達鋁甑的82%，第二期12臺也已經建成[27]。

瓦斯全循環油頁巖分級干餾技術的關鍵是將油頁巖按粒徑進行分級，分別在不同的干餾爐內進行干餾，加以加熱爐持續不斷并且均衡地向干餾爐供給700℃左右的熱循環瓦斯氣。其工藝流程如圖2所示[28]。

瓦斯全循環油頁巖分級干餾技術是吉林成大公司為解決現有干餾技術存在的不足，在國內外多種干餾技術的基礎上自主研發的。目前該技術剛剛開始進行工業化運行，其干餾效果和生產效率等有待長期生產檢驗。

1.3 SJ型干餾方爐

圖2 瓦斯全循環油頁巖分級干餾工藝流程[28]

SJ型干餾方爐是由神木三江煤化公司自主設計研發，屬氣燃爐。2008年甘肅窯街煤電公司與神木三江煤化公司及中國石油大學（北京）合作，采用SJ型干餾方爐對窯街油頁巖進行中試加工，油收率可達80%以上。之后甘肅窯街煤電公司利用SJ型干餾方爐建設油頁巖加工廠，年加工窯街油頁巖1.4×106t，產頁巖油1.25×105t，第一期工程的8臺干餾裝置已于2010年7月和8月投入生產[29]。加料設備、干餾段和出焦設備是SJ型方爐的3個主要構成部分，如圖3所示[30]。

SJ型干餾方爐是甘肅窯街煤電公司綜合考慮處理量、油收率等因素，并且比較了國內外各種爐型的優缺點后選擇的。該爐型跟撫順爐相比，具有處理量大、油收率高、充分利用半焦熱值投資成本低等優點，但同時存在故障率高、開機率低、瓦斯氣熱值低和冷凝回收系統龐大等缺點。

1.4 茂名圓爐

茂名圓爐是在撫順爐結構的基礎上結合茂名油頁巖受熱易破碎的特點改進而來的。使用撫順爐干餾茂名油頁巖時發現干餾爐內壓力會因頁巖熱破碎和水分含量大而增大，經過多方面改進后得到的茂名圓爐很好地解決了這一問題。因而，茂名頁巖能在茂名圓爐中進行干餾，實現了工業化。茂名圓爐后期建成兩個單元（共64臺茂名），分別于1969年和1970年投產[31-33]。正常運行20余年，后因頁巖油價格過低等原因，茂名公司停產，茂名圓爐亦停止運轉。

茂名圓爐結構與撫順爐相似，均屬半氣燃爐。結構見圖4[34]，主要區別為茂名圓爐干餾爐中部采用了氣體混合室，具有多面布氣的特點。茂名圓爐流程與撫順爐相同，在上部干餾段進行油頁巖的干餾，在下部的氣化段則進行半焦與空氣的燃燒、氣化等反應。在氣化段產生的氣體與熱循環氣經干餾段中部的氣體混合室混合后噴出，并向上流動與油頁巖逆流供熱。

1.5 茂名方爐

茂名方爐又稱茂名氣燃式方爐，是20世紀50年代發展起來的一種氣燃式塊狀油頁巖干餾爐，具有物料與溫度分布均勻、油收率較高及結構簡單等特點。茂名石油工業公司實驗廠于1958年建成兩臺不同處理量的茂名方爐，并于1961年建成兩個單元共48臺，每臺處理量為200t/d的工業化生產裝置[31，33]。后因爐墻漏氣嚴重及爐出口氣體難以利用等原因于1979年停產。

圖3 SJ型干餾方爐結構簡圖[30]

圖4 茂名圓爐結構簡圖[34]

茂名方爐采用循環氣燃燒供熱以干餾油頁巖，由經過燃燒和還原反應而產生的高溫煙氣作為熱載 體。茂名方爐所采用的氣燃供熱方式可使干餾爐內具有充足的熱量和較厚的高溫層，這樣不僅可以保證頁巖能得到充分地干餾，而且有利于還原反應的進行。茂名方爐主要由加料設備、爐體和排灰設備三部分組成，結構見圖5[35]。

2 固體熱載體干餾技術

2.1 大工新法干餾技術

大工新法干餾技術是由大連理工大學研發的固體熱載體干餾技術，該技術利用自身灰渣作熱載體。大慶油田采用大工新法，建設了年加工60萬噸油頁巖，預計年產3.0萬噸頁巖油。目前已建成冷態運 行裝置[36]。大工新法干餾爐結構如圖6所示[37]。

大工新法是國內首個自主研發并運用于工業生產的固體熱載體干餾技術，改變了國內干餾爐不能處理小顆粒油頁巖的情況，在一定程度上提高了能源利用率。

2.2 粉末油頁巖流化干餾技術

粉末油頁巖流化干餾技術是由上海博申工程技術有限公司研發[38]，后經哈爾濱煤化工公司多次改進而來的。中煤黑龍江煤化工公司采用該技術，建立了日處理量為50t粉末油頁巖流化干餾、半焦燃燒的中試裝置，歷時多年完成長期正常運轉試驗[39]。粉末油頁巖流化干餾工藝流程圖如圖7所示[40]。

粉末油頁巖流化干餾技術油收率高，而且得到的頁巖油比較輕。在油泥處理方面，采用高效旋風分離器、離心技術及自選萃取劑等。

圖6 大工新法干餾技術[37]

圖7 粉末油頁巖流化干餾工藝[40]

3 主要干餾技術對比

目前國內處于工業化或即將投產的干餾技術都是各研發單位根據我國不同地區油頁巖特點，在綜合了國內外成熟干餾工藝的基礎上開發而來。各干餾技術均有自己的特點，經濟技術指標也不盡相同，其對比如表2所示。

應該指出，撫順爐、SJ方爐以及已停產的茂名方爐等干餾工藝，均存在氣化段，通過自身產物的熱量解決了油頁巖熱解所需熱量的問題。但氣化段的存在降低了干餾瓦斯的熱值，使其能源利用價值有所下降。而吉林成大的瓦斯全循環技術，爐內沒有氣化段，循環瓦斯本身的物理顯熱為頁巖熱解提供熱源，而加熱這些瓦斯則需要外部熱源實現。成 大爐的瓦斯熱值明顯高于撫順爐和SJ方爐，但外部熱源提高了運行成本。因此，國內氣體熱載體干餾技術依然存在上升空間。

4 頁巖油冷凝回收工藝

干餾技術中的頁巖油冷凝回收系統直接直接影響頁巖油品質、油收率及環境保護等問題，是干餾技術中的重要環節。冷凝回收系統根據洗滌方式的不同分為水洗工藝和油洗工藝。水洗工藝成熟，但存在技術落后、能耗大、循環水量大等缺點。油洗工藝先進，能有效回收高溫荒煤氣的熱量，但目前國內在油洗工藝方面的技術還不成熟，尚需深入研究，而國外采用的大都是油洗工藝[41]。

目前國內主要以水洗工藝為主，具有代表性的是撫順爐水洗冷凝回收工藝。

撫順干餾裝置通常是20臺干餾爐（成為一部）共用一套冷凝回收系統，該回收系統主要包括集合管、洗滌飽和塔、冷卻塔等設備。撫順水洗冷凝回收裝置具有結構簡單、操作和檢修方便等優點，但其工藝落后，能耗大，循環水量也大。又因撫順干餾爐是內熱式干餾爐，氣體熱載體氣量大，而且其中含有大量的惰性氣體（氮氣和二氧化碳等），這樣造成的結果是產品濃度低，回收困難，同時使冷凝回收系統設備龐大[31]。后經陜西冶金設計研究院有限公司改進，新系統增加了間冷塔、電捕焦油器、裝有新型填料的油吸收塔、機械化油水澄清槽等新型設備[42]，并于2008年9月順利投產。

目前國內普遍采用的是水洗工藝，油頁巖干餾水洗工藝是借鑒了焦化行業的水洗工藝，優點是工藝成熟，但該工藝技術相對落后，而且能耗和循環水量大。國外冷凝回收工藝除了水洗工藝外，還有油洗工藝。油洗工藝較水洗工藝來說，具有技術先進的優點，而且能夠避免荒煤氣急冷過程中熱量無法回收的缺點。但國內在該方面的技術還不是太成熟，存在的問題主要集中在干餾后荒煤氣中粉塵量大，冷凝回收過程存在堵塞等方面，因此在國內油洗工藝還沒有實現工業化。水洗工藝與油洗工藝的比較參見表3。

5 發展前景預測

根據現有技術狀況分析，國內油頁巖干餾技術應該有如下發展趨勢。

（1）干排焦技術應用于氣體熱載體干餾工藝。國內外目前采用的氣體熱載體法大都采用濕排焦方式，半焦能量無法得到有效利用，而利用干排焦方式排出的半焦可以直接送到循環流化床鍋爐中進行燃燒，不需要經過干燥等工序，既節省了干燥所消耗的能量，又簡化了工藝。

表2 國內主要干餾技術對比

表3 水洗工藝與油洗工藝的比較

（2）采用更加高效的冷凝回收系統。國內普遍使用的冷凝回收工藝大多是水洗工藝，雖然技術比較成熟，但存在工藝落后、能耗大、循環水量大等缺點。國外的幾種干餾技術采用的是油洗技術，該技術工藝先進，能有效地回收高溫瓦斯氣的熱量，但國內油洗技術還不成熟，尚需深入研究。

（3）完善固體熱載體干餾工藝流程。固體熱載體雖然有干餾時間短、干餾強度大等優點，但對系統密封和物料輸送等關鍵環節要求高，因此簡化流程也是油頁巖干餾技術未來重要的發展方向。

（4）注重環境保護。隨著我國對環保要求的提高，無廢排放和油頁巖綜合利用將會成為油頁巖發展的重要方向之一。

綜上所述，我國油頁巖干餾技術仍然存在巨大的上升空間。

6 結 語

我國油頁巖產業正處于技術快速發展和產業成長階段，主要表現在：①多種撫順爐改進技術涌現，試驗結果表明油收率可獲得顯著提高；②成大瓦斯全循環氣體熱載體干餾技術剛開始投入工業運行，有待于長期運行檢驗；③以大工新法為代表具有自主知識產權的固體熱載體干餾技術出現。但依然存在諸多問題亟需解決，主要在于：①現有氣體熱載體干餾技術單爐處理量小、油收率偏低、半焦無法利用等問題亟需解決；②國內固體熱載體干餾自主技術依然處于試驗階段，暫時無法投入商業化生產；③引進國外先進的干餾技術投入生產，尚沒有實質性進展；④國內頁巖油回收技術亟待改進，油洗技術亟需完善和推廣。

可以看出，干餾技術的完善并不是對于某一個環節而言，而是對包括頁巖熱解、收油、排焦等多個工藝環節的完善和優化，從而更好地實現能源高利用率、低污染等目標。無論是氣體熱載體干餾還是固體熱載體干餾，我國現有的技術水平依然與國外存在較大差距，通過自身的研發和關鍵技術的突破，現有的技術依然存在上升空間。另外，國內油頁巖干餾技術還需跟國外技術加強交流與合作，在吸取國外先進技術的同時，結合我國油頁巖資源特點，形成適合干餾我國油頁巖的先進技術。

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