油頁巖干餾工藝技術進展

陳家偉，陳家全

(1 中化化肥有限公司，北京　100031；2 北京國電富通科技發展有限責任公司,北京　100070)

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油頁巖干餾工藝技術進展

陳家偉1，陳家全2

(1 中化化肥有限公司，北京100031；2 北京國電富通科技發展有限責任公司,北京100070)

介紹了世界油頁巖的儲量及分布情況，油頁巖工業化利用現狀及多種油頁巖干餾工藝技術，并對油頁巖干餾技術應用前景做了展望。國內油頁巖干餾工藝存在油收率低、處理量小、資源利用率低、自動化控制程度低、環境污染等問題。目前油頁巖干餾工藝技術發展的趨勢是工藝簡單、適應性強、零污染，因此要加強對現有各種油頁巖干餾工藝的融合，取長補短，實現低成本、零污染、較高投資收益，并能夠實現規模效應。

油頁巖；干餾工藝；進展

油頁巖也被稱為油母頁巖，屬于可燃礦物。油頁巖是一種沉積頁巖，國際上通常把含油率超過3.5%的頁巖稱為油頁巖。油頁巖主要由有機物和無機物組成，其中有機物的主要成分是油母，其他組分是瀝青。油頁巖經低溫干餾后可以得到頁巖油，頁巖油的組成類似于原油，通過加氫制成輕質燃料油。油頁巖可以單獨成礦外，也可以與其他礦物伴生成礦，一起被開采出來[1]。油頁巖被公認為是一種石油、天然氣的替代能源，因為儲量巨大而備受關注，因此科學、高效、環保的開發利用油頁巖資源是我們面臨的一個新課題。

1　油頁巖資源分布情況及儲量

油頁巖資源儲量豐富，分布在全世界許多國家，但是分布不均，主要分布在美國、俄羅斯、扎伊爾、加拿大、巴西、摩洛哥、約旦、澳大利亞、愛沙尼亞、中國等國家[2]。根據美國地質局Dyni博士調查、統計結果，表1中列出了儲量超過1.0 Gt 油頁巖資源的國家，其中美國、愛沙尼亞、俄羅斯等國家已經對油頁巖的儲量進行了詳細勘察，儲量結果較為準確。20世紀50年代，我國曾對油頁巖儲量做過普查，截至目前未做全國性的詳勘工作，探明可采儲量約為50.0 Gt，折合為頁巖油2.0 Gt。我國油頁巖主要分布在遼寧撫順、廣東茂名、吉林樺甸、甘肅蘭州、新疆維吾爾自治區等地區[3]。

表1　油頁巖儲量較大的國家

2　油頁巖地下干餾工藝

油頁巖干餾工藝分為地下干餾工藝和地上干餾工藝。地下干餾工藝又稱為原位開采工藝，是直接在地下進行油頁巖干餾，油氣直接從地下導出地面。對于埋藏較深且含油率不高的油頁巖可采用地下干餾工藝。地下干餾工藝的優點是避免了對油頁巖的開采，成本低。缺點是油頁巖油收率較低，由于頁巖油和干餾水的溢出、滲漏，容易對地下水造成污染[4]。這種工藝向地下提供干餾熱量的方式主要有以下三種：通過燃燒一部分底端油頁巖或者半焦，利用其產生熱量，加熱油頁巖；向地下注入熱煙氣或者蒸汽等加熱油頁巖；電加熱。地下干餾工藝主要集中在美國，目前還處于試驗階段，尚未實現工業化，主要工藝有：殼牌LCP工藝、埃克森美孚Electrofrac工藝、美國頁巖油公司EGL工藝。

2.1殼牌LCP工藝

殼牌LCP工藝尚處于中試階段，該項目位于美國科羅拉多州Rio Blanco County，通過向地下插入鋼管，通入液氨冷凍液對鋼管周圍進行冷凍，防止地下水滲入和頁巖油氣溢出。通過對干餾區域插入電加熱管，對油頁巖加熱，升溫至340～380 ℃，熱解生產出油氣。殼牌LCP工藝產出的頁巖油氣具有密度小、輕質組分高的特點。

2.2埃克森美孚Electrofrac工藝

埃克森美孚Electrofrac工藝通過水力破碎油頁巖，加入導電物質，對油頁巖進行緩慢加熱，熱解產生出頁巖油氣。該工藝已完成實驗室試驗、中試試驗，尚無工業化。

2.3美國頁巖油公司EGL工藝

美國頁巖油公司EGL工藝尚處于中試階段，該項目也位于美國科羅拉多州Rio Blanco County，該工藝通過將地上對油頁巖干餾產生的熱煙氣注入地下管道，緩慢加熱，將熱解產生的頁巖油氣通過管道導出地面。

3　油頁巖地上干餾工藝

地上干餾工藝即油頁巖通過開采、破碎、篩分等工序，然后將油頁巖運至干餾爐進行干餾。通過破碎破碎，將產生塊狀油頁巖(25 mm<粒度<125 mm)和小顆粒油頁巖(粒度≤25 mm)，以適應不同的干餾爐型[5]。

3.1塊狀干餾工藝

塊狀干餾工藝主要有巴西Petrosix工藝、愛沙尼亞Kiviter工藝、撫順干餾工藝、神木三江SJ干餾工藝。

3.1.1巴西Petrosix工藝

20世紀50年代，巴西石油公司開始研究開發油頁巖煉油，并對Petrosix工藝進行實驗室小型試驗。20世界90年代，建成了兩臺Petrosix干餾爐。現在開發的Petrosix干餾爐為直立圓筒爐，爐子直徑為5.5 m，單爐處理油頁巖能力為6000 t/d。Petrosix干餾爐為三段式爐，爐體上半部分是干燥和干餾段，熱解產生的干餾氣從爐頂引出，部分干餾氣返回至爐體中部，作為循環熱載體加熱干餾油頁巖。生成的半焦則進入爐子底部，被排至爐底水封箱進行冷卻。Petrosix干餾工藝產生的半焦沒有被直接利用，是作為固體廢棄物回填原有露天礦。Petrosix干餾工藝的優點是：工藝成熟、單爐處理量大，油收率高達90%。

3.1.2愛沙尼亞Kiviter工藝

19世紀20年代，愛沙尼亞開始研發Kiviter干餾工藝，經過逐漸完善，Kiviter干餾爐演變為一種垂直圓柱形干餾爐，單爐處理油頁巖能力為1000 t/d。Kiviter干餾爐體上半部分是干燥和干餾段，干餾氣在中部的燃燒室內燃燒后產生高溫油氣，水平通過逐漸下降的油頁巖層。熱解產生的油氣經冷凝系統進行收集油頁巖。Kiviter干餾工藝的特點是：油收率為80%，干餾爐熱效率為70%，工藝成熟，半焦潛熱未被充分利用。

3.1.3撫順干餾工藝

撫順干餾爐是我國應用最為廣泛的一種爐型，也是垂直圓柱形干餾爐，內徑3 m，高10 m。撫順干餾爐上段是干燥和干餾段，下段是發生段，油頁巖半焦在空氣和水蒸氣的氣氛下氣化和燃燒。干餾后的頁巖半焦進入發生段，從爐底底部通入主風進行反應，進入熄焦水盆后經刮板機排除爐外[6]。撫順干餾爐的特點是：單爐日處理量小，油收率低，結構簡單，容易對環境造成污染。

3.1.4神木三江SJ干餾工藝

神木三江SJ干餾工藝是在陜北地區非常流行的一種生產蘭炭工藝，神木三江公司經過對爐體進行改進、完善，于2009年成功應用于甘肅窯街油頁巖綜合利用有限責任公司一期項目上，并取得很好的效果。由皮帶機運來的原料頁巖首先裝入爐頂上部的緩沖倉內，再經進料口和輔助料箱進入干餾爐。塊狀頁巖向下移動，送入爐內的加熱氣體逆向接觸，并逐漸被加熱升溫，熱解產生油氣及半焦。熱解產生的油氣由上升管從爐頂導出，干餾段溫度為550～700 ℃。油頁巖半焦經爐子下部的排焦箱及熄焦池冷卻后被排除。神木三江SJ干餾工藝特點是爐型簡單、筑爐工期短、投資少、單爐處理量大、油收率高、容易造成環境污染。

3.2小顆粒干餾工藝

小顆粒干餾工藝主要有Galoter干餾工藝、ATP干餾工藝、DG干餾工藝、Lurgi-Ruhrgas干餾工藝等。

3.2.1Galoter干餾工藝

Galoter干餾工藝是由前蘇聯科學院能源研究所(ENIN)最初開發，由圣彼得堡原子能設計院完成設計，屬于水平圓柱旋轉式固體熱載體干餾爐。2007年，VKG公司將該工藝引進至愛沙尼亞并經過改進，現在的Galoter干餾爐直徑約5 m，長約15 m，原料粒徑為0～25 mm，單爐處理能力為3000 t/d。在干餾爐內，干燥頁巖和高溫頁巖灰混合，被高溫煙氣加熱到500 ℃，然后被導出進入垂直的沸騰床燃燒室，生成的高溫頁巖灰再去循環干燥油頁巖。Galoter干餾工藝適應于高含油率、高熱值干餾氣的油頁巖加工，適合于大規模生產，但是該爐體結構復雜，操作費用高。

3.2.2ATP干餾工藝

ATP干餾工藝最初是由加拿大UMATAC公司開發，開始被用作油砂熱解，1999年澳大利亞引進該工藝用于干餾油頁巖。ATP干餾爐直徑約8.2 m，長度約62.5 m，原料粒徑為0～25 mm，單爐處理能力為6000 t/d。顆粒頁巖由帶式輸送機運至預熱區，再進入干燥區，由高溫頁巖灰進行干燥，干燥后的頁巖與高溫灰巖混合被加熱至500 ℃，熱解產生油氣、半焦。油氣進入冷凝回收系統得到頁巖油，半焦進入燃燒區進行燃燒，得到高溫頁巖灰，用來再次干燥頁巖。ATP干餾工藝適應于高含油率、高熱值干餾氣的油頁巖加工，適合于大規模生產，產生的石腦油通過加氫精制成低硫產品。

3.2.3DG干餾工藝

DG干餾工藝是大連理工大學開發的一種固體熱載體干餾工藝。該工藝主要有干燥、半焦流化燃燒、煤焦混合、煤干餾、油氣回收系統組成。熱解產生的半焦作為熱載體，將小于6 mm的小顆粒頁巖和半焦槽800 ℃的粉煤按比例送至混合器，混合溫度約600 ℃。熱解油頁巖在提升過程中加熱，通過頁巖儲槽后進入反應器循環使用。由于混合均勻、迅速，頁巖顆粒小，高溫的頁巖灰將熱量迅速給頁巖顆粒，溫度上升速度快，熱解速度快。目前，該工藝已完成工業化示范，DG干餾工藝的特點是油收率高、油頁巖利用率高、熱效率高、產生油氣熱值高、生產過程造成污染小。

3.2.4Lurgi-Ruhrgas干餾工藝

Lurgi-Ruhrgas干餾工藝是由德國Lurgi公司和美國Ruhrgas公司聯合開發的一種固體熱載體干餾工藝，該工藝主要由提升管、熱載體收集槽、螺旋式混合器和干餾反應槽組成，其中核心設備是雙螺旋混合器。該工藝將粒徑小于25 mm的原料預熱至160～220 ℃后，與循環頁巖灰混合，混合物料溫度為480～590 ℃，顆粒物料被熱解，熱解產物為油氣和高溫頁巖灰。該工藝循環使用部分頁巖灰與顆粒頁巖進行熱交換，燃燒熱解部分干餾氣用于干燥油頁巖。Lurgi-Ruhrgas干餾工藝的特點是熱效率高、油頁巖利用率高、干餾氣熱值高、油收率高。

4　結　論

(1)美國是世界上油頁巖資源最為豐富的國家，也是世界上唯一進行地下干餾工藝試驗的國家，地下干餾工藝目前尚處在試驗階段，還沒有實現工業化。

(2)自2014年底至今，國際石油價格處于低位徘徊，2016年1月份甚至跌破30美元/bbl，使得油頁巖干餾技術的發展受到一定程度的制約。但是國際油價不可能長期處于低位，一般認為，當國際油價高于35美元/bbl時，地下干餾工藝可以實現盈利；當國際油價高于54美元/bbl時，地上干餾工藝可以實現盈利。

(3)我國油頁巖資源豐富，但目前探明儲量較美國、俄羅斯等國家較少，儲量數據來源于20世紀50年代，主要原因是沒有進行規模的詳查。我國應重視油頁巖資源的開采、利用，同時也要加大勘察力度，進行全國范圍內的勘察。

(4)國內油頁巖干餾工藝存在油收率低、處理量小、資源利用率低、自動化控制程度低、環境污染等問題。在引進國外先進工藝的同時，要加大對原有工藝技術的升級改造，同時要加強對油頁巖的綜合利用，提高油頁巖的資源利用效率。

(5)目前油頁巖干餾工藝技術發展的趨勢是工藝簡單、適應性強、零污染，因此要加強對現有各種油頁巖干餾工藝的融合，取長補短，實現低成本、零污染、較高投資收益，并能夠實現規模效應。

[1]劉德勛,趙群,王紅巖,等.國內外小顆粒油頁巖干餾工藝現狀與展望[J].廣州化工,2010,38(12):7-11.

[2]錢家鱗, 王劍秋,李術元.世界油頁巖開發利用動態[J].中外能源,2008,13(1):11-15.

[3]韓曉輝,盧桂萍,孫朝輝,等.國外油頁巖干餾工藝研究開發進展[J].中外能源,2011,16(4):69-74.

[4]張磊, 韓向新, 王忠存,等.油頁巖綜合利用技術的研究發展[J].中國礦業,2012,21(9):50-53.

[5]李少華,張立棟,潘冬慧,等.油頁巖綜合利用及其前景分析[J].化工進展,2008,27(12):602-605.

[6]何永光, 宋巖.油頁巖的綜合利用[J].煤炭加工與綜合利用,2005,21(1):53-56.

Development of Oil Shale Retorting Process

CHENJia-wei1,CHENJia-quan2

(1 Sinofert Holding Limited, Beijing 100031;2 Beijing Guodian Futong Science and Technology Development Co., Ltd., Beijing 100070, China)

The distribution of oil shale and reserves in the world was introduced. The oil shale retorting technology and application were also discussed. There were some problems about Chinese oil shale retorting technology, such as low oil yield, low capacity, low utilization rate of resources, low automatic control, environmental pollution. The tendency of retorting technology development is simple process, high adaptable, zero pollution. We must integrate all the retorting technologies, complement each other, to implement low cost, zero pollution, higher yield, and can realize economies of scale.

oil shale; retorting technology; development

陳家偉(1981-)，男，碩士，工程師，主要從事工程項目管理。

TQ523

A

1001-9677(2016)010-0038-03