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页岩油论文

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抚矿工学院毕业论文1 0 引 言当今,油页岩作为一种后备能源,已越来越受到人们的重视。油页岩也称油母页岩,是可燃矿产之一。油页岩由有机物和无机物组成,其无机物常见的有石英、粘土、碳酸盐等,有时还含有铜、镍、钴、钼、钛、钒等的化合物。油页岩有机物可分为两类:一类为油母 ,是其主要成分,元素组成主要为 C、H、N、S、O 等; 另一类为沥青, 其含量一般在 1 %左右。一般认为油母是一种具有三维结构的大分子聚合物。油母中碳主要以脂肪族及环烷烃结构存在,也有部分芳香族化合物。所以只要能把油页岩中的油母提炼出来,就可得到类似天然石油的原油,也即页岩油。油母中的氮在热加工时,大部分可转化成氨。它的价值越来越受人们的重视。能源是我国实现现代化进程的重要物质,而石油作为主要能源供需矛盾日趋严重,开发新的石油资源及寻找石油替代产品,已引起国内外的高度关注。在这种形势下抚顺矿业集团有限责任公司为了适应市场需要,结合当地的具体情况,综合利用油母页岩,变废为宝,提高自身的经济效益。1 世界油页岩的储量李珑威 论油母页岩的综合利用2 油母页岩遍布于世界各地。它大多埋藏在煤矿矿层中,是煤的副产品储量巨大下面着重讲述油页岩的储量。   页岩储量石油大学钱家麟教授提供的 2000 年度世界油页岩年度综述报告,介绍了世界油页岩储量和利用情况。油页岩遍布于世界各地,其资源分布并不均衡,油页岩储量在某些国家,如美国、爱沙尼亚、俄罗斯等已经详细勘查,但在很多国家油页岩储量尚未详细勘查,只有粗略估计。中国油页岩储量在 20 世纪 50 年代曾做过普查,此后则未做全国性专门调查。已知主要产地有辽宁抚顺、广东茂名、吉林桦甸、新疆维吾尔自治区等。美国地质局 士对世界油页岩的储量进行了调查,于 2000 年初提供了统计结果,现将储量超过 页岩资源的国家列入表 1 。中国油页岩的探明可采储量约 相当于页岩油 t) ,这只是20 世纪 50 年代的勘探情况。我国在 50~60 年代时期,页岩油工业发抚矿工学院毕业论文3 展迅速,60 年代以后,由于大庆油田的开发,使页岩油工业处于停滞状态,所以中国油页岩储量的数据不全。如果下大力气,对全国进行普查,尤其在内蒙古、青海、西藏、贵州、云南等地域辽阔、人烟稀少的地方进行普查勘探,资源方面一定会有所突破。2 油页岩的主要用途目前, 世界上有 69% 的油页岩用于流化床锅炉燃烧来发热、发电, 25% 的油页岩经各种干馏发生炉来提炼页岩油, 只有 6% 的油页岩用于建筑、农业等方面。传统的方法从油页岩中提炼页岩油费用高、污染严重, 而且炼出的油含极性化合物高达 40%~ 60%。含氮化物在 1% 以上, 必须先加氢处理除去极性化合物, 然后才能用一般方法精炼。油页岩在燃烧室里燃烧产生热能省去了许多中间转换环节, 使其能源利用率大幅度提高。特别是循环流化床燃烧技术的出现, 使其作为燃料来产生能量应用得更加广泛。所以油页岩作为燃料是它的主要利用途径。页岩作为流化床锅炉的燃料1967 年广东茂名石油公司建成了我国第一台油页岩流化床锅炉, 其蒸发量为 h,工作压力 过热蒸汽温度 250℃, 燃用炼油过程中废弃的油岩粒屑, 粒度 0~ 10985 年又安装了两台蒸发量为 35t/h 的中压悬浮燃烧锅炉, 燃用 10下热值为 3 990kJ/k g 的油页岩, 所排灰渣用子制作水泥。锅炉的效率为 , 锅炉负荷30~33t/h。经过十几年的发展,80 年代这一技术又有了进一步的改进。1986 年在辽宁抚顺石油二厂建成了一台蒸发量为 35t/h 鼓泡流化床锅炉, 利用干馏废弃的小颗粒油页岩燃烧发电, 自 1987 年投产使用李珑威 论油母页岩的综合利用4 至今仍在工作。抚顺发电厂和抚顺石油一、二厂曾在粉煤炉中掺入10%~ 30% 的油页岩混烧发电, 效果很好。在吉林省桦甸油页岩示范电厂, 安装了 3 台我国研制的蒸发量为65t/h 低倍率循环流化床油页岩电站锅炉。其中 é 号锅炉自 1996 年运行至今。该锅炉蒸汽压力 a, 蒸汽温度 450℃, 燃烧效率 , 热效率为 国外用油页岩燃烧发电的国家主要有爱沙尼亚, 那里有 4 台装机容量为 2967油页岩发电厂, 成为世界之最, 每台年处理油页岩均为5 000k t。以色列在 岩露天矿区建成容量为 525电厂, 锅炉蒸发量为 50 t/h , 蒸汽温度480℃, 蒸汽压力 a。德国的油页岩发电厂容量为 919国还利用油页岩与固体废弃物在循环流化床内混烧达到环保的目的。用干馏技术生产油页岩油油页岩的干馏技术是将开采的油页岩破碎分选后, 放入干馏炉内, 在隔绝空气的情况下, 在干馏段干燥、预热 , 然后加热到 450℃~600℃干馏后, 页岩油被裂解释放出来。所剩的页岩半焦进入汽化阶段, 并进行氧化- 还原反应, 生成的页岩废渣排出炉外。应用干馏技术生产页岩油的国家主要有美国、巴西、中国、澳大利亚、俄罗斯、爱沙尼亚等国家。各国具体情况见表 1。由表 1 可以看出美国和德国的干馏炉采油率和页岩利用率均近 100%。但其设备复杂, 造价高, 维修费用也高。而中国抚顺式虽采油率和油页岩利用率低, 但结构简单、操作方便, 维修费用低。目前, 油页岩主要用作燃料和提炼油页岩油外, 有的煤层中油页岩干馏脱水后, 适当控制温度能转变成具抚矿工学院毕业论文5 表 1 世界主要国家油页岩干馏工艺状况有火山灰活性的偏高岭石, 可用作生产高强混凝土的添加料 ; 若经过磁选脱铁、非磁性矿物酸浸再经增白焙烧后可成为优质高岭土。经过一系列深加工后可生产白炭黑。油页岩还可用于农业改良酸性土壤, 制作化肥, 制作有机酸。油页岩的灰渣有很强的吸附性, 可用于废气处理和污水处理。油页岩还用许多其它用途。页岩地下转化工艺技术目前油页岩开采方法为露天或地下巷道开采。近几年来壳牌石油公司研发的油页岩地下转化工艺(简称 技术是一种新的油页岩开采方法。它是在油页岩区的地表分别钻监测井(疏干井(加热井(和生产井(监测井用于监测地下油页岩被加热的温度、地下水质、各种元素质量分数、水的 、及微生物的变化等, 李珑威 论油母页岩的综合利用6 以确定其它井的工作。疏干井主要用于抽干加热井周围的地下水。加热井将地下的油页岩加热(其加热方法尚处保密阶段, 国内外未见有关报道) 使其分裂出油页岩油等物质。最后生产井将油等物质抽出, 在地表进行分离处理。这种方法不仅占地少, 而且对环境的破坏也非常小, 几乎没有空气污染。因此, 生产结束后环境恢复成本也低。该方法生产的油页岩油成本也低, 传统的干馏法生产成本 20 美元/桶, 而使用 术生产成本为 12 美元/桶。3 世界油页岩利用情况根据 关油页岩的报道,世界油页岩利用概况如表 2 和表 3 。表 2 为 1999 年世界油页岩炼油概况; 表 3 为 1999 年世界油页岩燃烧发电概况。抚矿工学院毕业论文7 4 抚顺矿务局油页岩综合利用情况国内油页岩综合利用最好的企业是抚顺矿务局。该局以“国家油母页岩综合利用示范型企业———页岩炼油厂”为依托 ,对油页岩进行了大力开发利用。页岩炼油油页岩最重要的利用途径是提炼页岩油。抚顺利用油页岩炼油已有70 余年的历史,其页岩炼制工业自 1930 - 1982 年的 50 多年中,共加工油母页岩约 t ,制取页岩油 t ,硫酸铵 245 万 t 。因此,抚顺页岩油工业及抚顺式干馏炉工艺技术,在世界油页岩加工中享有声誉。50 年代油页岩工业得到迅速发展,抚顺承担了当时国家大部分发动机燃料油的生产。石油一、二厂干馏装置最高年加工页岩量达 1920 万t 。 60 年代随着天然石油的开采利用,国家限制页岩油生产,生产规模逐年降低,页岩油产量减少,80 年代至 90 年代初期由于炼制页岩油成本较李珑威 论油母页岩的综合利用8 高,经济效益较差,石化部门放弃了页岩油的生产。抚顺矿务局根据本局的实际情况,在 1987 年提出了建设年产 12 万t 页岩油厂的计划,1988 年经国家计委批复同意开始兴建,采取分期建设计划。现已建成年加工油页岩 400 万 t ,生产页岩油 12 万 t 的四部干馏炉装置。页岩炼油厂系采用低温干馏方法加工油页岩,干馏炉为抚顺式立式圆筒炉,分上、下两部份,上部为干馏段,下部为发生段,其工艺流程如图 1。油母页岩经破碎筛分后,将 12~75度页岩经胶带输送机运至干馏炉顶,在干馏段进行干燥预热及干馏;干馏后的页岩呈半焦进入发生段,底部通入主风进行氧化还原反应,生成瓦斯进入混合室与中部通入的热循环瓦斯混合,经喷孔进入干馏段作为干馏热源; 半焦通过氧化还原后,生成的页岩渣经水盆冷却后排出炉外。图 2  抚顺式干馏炉低温干馏工艺流程图炉内瓦斯经阵伞导出,借助于瓦斯排送机负压分别导入集合管、洗涤饱和塔,进行洗涤冷却;集合管洗下的油、油泥及水一并流入集泥罐 ,进行沉淀分离;洗涤饱和塔洗下的油、水进入洗涤槽进行分离 ;瓦斯经排送机后,一部分直接作为干馏炉供热的循环瓦斯送入加热炉,加热后进入干馏抚矿工学院毕业论文9 炉,另一部分进入冷却塔进一步冷却洗涤,然后送至蓄热式加热炉作为加热燃料,再将剩余的瓦斯送往中央锅炉作燃料及用于瓦斯发电站。抚顺页岩炼油厂于 1991 年投产,截止 2003 年共加工油母页岩 2500 多万吨, 生产页岩油 74199 万 t ,其中 2003 年页岩油产量达到 1012 万 t ,取得了较好的经济效益和社会效益。该厂还以页岩油为原料生产喷雾炭黑,是国家定点的军用喷雾炭黑生产企业。目前有喷雾炭黑生产线两条,年产喷雾炭黑 2000t 。由于炼油过程中剩余的瓦斯气体一部分用做蒸汽锅炉燃料,一部分用来发电,该厂已建成 500气发电机组四台 ,目前已经投入发电运行。抚顺矿务局页岩炼油厂现正在准备采用加拿大 馏炉处理现有装置产生的小颗粒油页岩。馏炉工艺充分利用了页岩半焦中的固定碳, 提高了能源的利用率。干馏法和 馏炉工艺可以利用粒径很小的页岩颗粒,页岩利用率高。八部抚顺炉与二台 生产成本费用对比见表。表 2 与抚顺炉生产成本费用比较李珑威 论油母页岩的综合利用10 通过影响成本费用的主要项目比较,单位成本比抚顺炉少 188. 8 元/ t,且 油品比抚顺炉质量好 ,售价高,因此 比抚顺炉经济效益好。抚顺矿业集团有限责任公司油母页岩炼油厂现采用的是抚顺式干馏工艺,拟采用澳大利亚的 艺,现对两种方法的工艺技术、吨产品能耗、物耗、污染物产生和排放情况进行对比分析。与抚顺炉的工艺区别如下:处理油页岩能力不同:  两种工艺处理油页岩能力相差很大, 日处理量达到 6000 t,中国抚顺炉日处理量为 100~200 t。干馏炉构造不同:  是固体热载体,抚顺炉是气体热载体。直径 8m, 长60m,卧式回转炉、有预热段、干馏段、燃烧段、炉内有五个预热和干馏油页岩的圆筒。抚顺炉是立式圆型炉,直径 3m,高 有干馏段和发生段。油页岩干馏热解量的来源和传热方式不同:是固体热载体,利用油页岩干馏后的半焦中 5%的固定碳在燃烧室燃烧产生的热量作为热源。抚顺炉为气体热载体,利用油页岩干馏产生的煤气,经加热后送至干馏段和利用半焦中 5%的固定碳燃烧产生的热量热解油页岩。处理油页岩的块径,油品收率和油页岩利用率不同:比抚顺炉处理油页岩的块径小, 处理 0 ~12抚顺炉处理 8 ~75矿工学院毕业论文11 由于 处理油页岩的粒径少,油页岩受热均匀 ,使干馏充分,可提高油的收率达到 90%以上。抚顺炉是直立圆筒型炉子,油页岩自上而下运行,油收率在 90%以下。同时 油页岩的利用率达到 100%,而抚顺炉油页岩利用率在 80%以下。对油页岩的预热方法不同:  有预热段,在油页岩干馏前进行预热,可去除油页岩中的大部分外在水分,从而提高干馏效果,抚顺炉没有预热段,油页岩在干馏段的上部进行预热,适合抚顺矿区油页岩含水分不大的需要。油品回收工艺不同:  品回收工艺采用油气间接冷却工艺,并将油渣和页岩粉尘送至干馏段回炼,加之固体热载体干馏技术,使产品质量好,煤气热值高( 5000,并且不产生油泥。产生少量污水在工艺系统中自用不外排,有利于环境保护。而抚顺炉油品回收工艺是水气直接换热工艺,产生污水量较大,但也在工艺系统内全部回用,亦不外排,可是产生油泥量较大需防止二次污染。废气处理工艺不同:  废气处理工艺一般采用除尘、脱硫工艺技术, 艺在除尘、脱硫前,废气先进入烟气氧化器,经过高温燃烧,去除恶臭,从而减少了污染。而抚顺炉产生烟气在进行脱硫除尘之前无任何预处理。由以上对比可知,馏工艺是当今世界上最先进的干馏工艺 ,油页岩利用率为 100%,油品收率高,产品和副产品质量好,充分利用热能,不产生油泥和恶臭,少量工艺污水自用,对环境影响小,并自控容易,用人少。能耗、物耗指标对比:抚顺炉与 吨产品的能耗、物耗指标对比见表 3。表 3 单位产品能耗物耗水平对比分析李珑威 论油母页岩的综合利用12 由表 3 可知, 单位产品能耗为,比抚顺炉减少了16840 t。本工程工艺的能耗水平较抚顺炉先进。污染物产生和排放指标对比:抚顺炉与 吨产品的污染物产生和排放指标对比见表 4。表 4 污染物产生和排放水平对比表由表 4 对比可知,各项污染物产生和排放量均低于抚顺炉。艺本身自带一些净化设施,如烟气旋风分离器、烟气氧化器等 ,因此废气的排放量小。艺用油直接洗涤油品, 而不像抚顺炉是用水洗涤油品,因此废水产生量小; 艺原料利用率为 100% ,且采油率高,所以废渣产生量小。通过对 和抚顺炉的生产成本及各项清洁生产指标对比可知 ,艺在工艺技术、能耗物耗、污染物产生和排放 ,以及生产操作成抚矿工学院毕业论文13 本上均优于抚顺式干馏工艺,因此,该工艺的清洁生产属国内先进水平。页岩建材制品为了进一步搞好页岩的综合利用,我们将炼油后的页岩废渣用来生产页岩烧结砖等建材制品。抚顺矿区已建成一座年产 6000 万块(折标砖) 的页岩烧结多孔砖厂,主要原料为油页岩炼油后的废渣及露天所产的绿页岩、煤矸石。制砖原料配比是:油页岩废渣∶煤矸石 ∶绿页岩= 60∶20∶ 20 (体积比) 。原料的组成、性能指标如表 4。根据发热量的检测可知,制砖混合料的发热量为 2320J / g ,能提供足够的内燃热量。混合料的塑性指数为 属中塑性原料。多孔砖的生产采用先进的隧道窑工艺,一次码烧成型,生产过程全部采用微机控制。工艺流程如图 2 。原料破碎——搅拌——陈化——碾压——成型——干燥焙烧图 2  多孔砖生产工艺流程图砖厂的主机设备均采用黑龙江双鸭山东方工业公司的产品,挤砖机为 J 60 - 38 双级真空挤砖机。成品砖规格 240 ×115 ×90 ,孔洞率30 %。成品砖检测指标如表 5 。目前该厂已达到 6000 万块的生产能力,最终目标是达到 3 亿块高层建筑用多孔砖。李珑威 论油母页岩的综合利用14 此外,页岩灰还可作为生产水泥的原料。从干馏炉出来的页岩渣,还含有少量残留的固定碳,可作为制取水泥的生料,有助于熟料的烧成,可节约热能。页岩渣主要替代水泥生料中的矿渣成份,掺入量为水泥生料的 9 %~13 % ,烧出的熟料质量良好,生产的水泥完全符合标准要求。抚顺矿区的水泥厂生产能力为年产水泥 9 万 t ,目前已扩建成 20 万 t 的生产能力,采用的是国内最先进的新干法回转窑生产线,2004 年上半年已投入生产。页岩发电为了更好地发挥本地区的油页岩资源优势,抚顺矿区拟新建一座 34 万 油母页岩发电厂,由国外公司投资。利用油页岩发电,前苏联研究得较早,在波罗的海和爱沙尼亚分别建有世界上最大的油页岩电站。国内广东茂名利用油页岩燃烧发电开展得较早,有成熟的经验与技术。抚顺矿区油页岩电厂的建立将是抚顺油页岩利用的又一新途径。抚矿工学院毕业论文15 5 结 论随着世界能源危机的到来,作为后备能源的油页岩越来越受到人们的重视,合理开发利用油页岩,是世界共同关注的问题。而我国油页岩储量非常丰富,又是能源短缺的国家,因此,更应充分利用好这一宝贵资源。我们要遵循“ 炼油- 热电- 建材- 化工” 联产的技术路线,进行广泛深入的科学研究,搞好油页岩的综合利用。这一路线经国内外油页岩生产实践证明,是发展油页岩工业的有效途径。通过对 和抚顺炉的生产成本及各项清洁生产指标对比可知,艺在工艺技术、能耗物耗、污染物产生和排放,以及生产操作成本上均优于抚顺式干馏工艺,因此,该工艺的清洁生产属国内先进水平。李珑威 论油母页岩的综合利用16 致谢论文完成之际,我要特别感谢我的指导老师董历强和李励老师的热情关怀和悉心指导。在我写论文的过程中,两位老师倾注了大量的心血和汗水,无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面,还是在论文的研究方法以及成文定稿方面,我都得到了董老师和李老师悉心细致的教诲和帮助,特别是他们广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益,在此表示真诚地谢谢和深深的谢意。 在论文的写作过程中,也得到了许多同学的宝贵建议,同时还到许多在工作过程中许多同事的支持和帮助,在此一并致以诚挚的谢意。 感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。抚矿工学院毕业论文17 参考文献[1] 侯祥麟.中国页岩油工业[M].北京:石油工业出版社,1984. 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