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油页岩技术分析

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油页岩 技术 分析
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油页岩油页岩属于非常规油气资源,以资源丰富和开发利用的可行性而被列为 21 世纪非常重要的接替能源,它与石油、天然气、煤一样都是不可再生的化石能源,在近 200 年的开发利用中,其资源状况、主要性质、开采技术以及应用研究方面都积累了不少经验。油页岩(又称油母页岩)是一种高灰分的含可燃有机质的沉积岩,它和煤的主要区别是灰分超过 40%,与碳质页岩的主要区别是含油率大于 油页岩经低温干馏可以得到页岩油,页岩油类似原油,可以制成汽油、柴油或作为燃料油。除单独成藏外,油页岩还经常与煤形成伴生矿藏,一起被开采出来。基本概述油页岩与煤炭、石油、天然气一样属于化石燃料,是非可再生资源、一次能源。油页岩(又称油母页岩)是一种高灰分的含可燃有机质的沉积岩,它和煤的主要区别是灰分超过 40%,与碳质页岩的主要区别是含油率大于 油页岩经低温干馏可以得到页岩油,页岩油类似原油,可以制成汽油、柴油或作为燃料油。除单独成藏外,油页岩还经常与煤形成伴生矿藏,一起被开采出来。目前,世界大部分油页岩分布区地质勘探程度低,很难对全球的油页岩资源量正确预测,只有部分国家对该国油页岩矿床进行了详细的勘探和评价工作。就目前的勘探情况而言,美国是世界上油页岩资源最丰富的国家,查明地质资源量为 33400 亿吨,折合页岩油为 3036 亿吨。2004~2006 年,中国对油页岩资源进行了国内首次评价,查明地质资源量为 7199亿吨,折合成页岩油为 476 亿吨。中国在煤炭开采过程中产生的油页岩达到近千万吨,仅抚顺西露天矿油母页岩每年排弃量就达 800 万吨,排弃占用大量耕地,严重影响了矿区周围的生态环境。资源油页岩产油率低于 6%者属贫矿,高于 10%的属富矿。世界已探明的产油率在 4%以上的油页岩储量,折合页岩油约 470过已探明的石油储量。美国西部格林河流域拥有世界上储量最大的油页岩矿藏;中国的油页岩资源也较丰富,仅次于美国、巴西、俄罗斯等国,其中最负盛名的为抚顺矿区,与煤共生,探明油页岩储量 茂名油页岩矿,可采储量 4均产油率 折叠编辑本段物理性状油页岩外观多呈褐色泥岩状,其相对密度为 油页岩中的矿物质常与有机质均匀细密地混合,难以用一般选煤的方法进行选矿。含有大量粘土矿物的油页岩,往往形成明显的片理。折叠编辑本段方法制法大块的油页岩经过破碎、筛选,送到一种巨大的炉子里;在隔绝空气的条件下加热,使有机质分解生成油气;油气再进入一个冷却装置,冷却后会凝结成油状的液体。折叠编辑本段主要性质页岩油很像石油,除了液态的碳、氢物质外,还含有少量氧、氮和硫的化合物。页岩油经过进一步加工提炼,可以制得汽油、煤油、柴油等液体燃料,具有与石油相同的作用。折叠编辑本段主要用途在油页岩炼油过成中还能得到许许多多副产品:硫酸铵可作肥料;酚类和吡啶可用作生产合成纤维、塑料、染料、药物的化工原料;排出的气体,如同煤气一样,可作气体燃料;留下的页岩灰渣,可用来制造水泥熟料、陶瓷纤维、陶粒等建筑用材。综合来说,可提炼出各种燃料油类,也可炼制出各种合成燃料气体及化工原料,副产品还可用于制砖、水泥等建筑材料。油页岩可谓“ 全身是宝” 。归纳起来,油页岩有三种主要用途:折叠相关产品若将油页岩打碎并加热至 500℃左右,就可以得到页岩油。中国常称页岩油为人造石油。一般来说,1 吨油页岩可提炼出 38 至 378 公升(相当于 )页岩油。页岩油加氢裂解精制后,可获得汽油、煤油、柴油、石蜡、石焦油等多种化工产品。折叠取暖运输首先是用来发电。利用油页岩发电的形式有两种。一是直接把油页岩用作锅炉燃料,产生蒸汽发电;另一种是把油页岩低干馏,产生气体燃料,然后输送到内燃机燃烧发电。目前普遍采用前一种形式。其次,可以利用油页岩燃烧供暖。在 2001/2002 年度,爱沙尼亚利用油页岩发电和向居民、工业供暖所创造的效益分别占国家税收的 76%和 14%,对其国民经济具有重要意义。再次,可以利用油页岩燃烧带动发动机,用于长途运输。折叠水泥化肥作为附加品,油页岩干馏和燃烧后的页岩灰主要用于生产水泥、砖等建筑材料。在德国,每年有 30 万吨油页岩用于水泥的生产。在中国,油页岩干馏和燃烧后的半焦灰渣用来制造砌块、砖、水泥、陶粒等建材产品。此外,油页岩还可以直接用于有机肥料的生产。如中国陕西有一企业就拟投资 1000万元,利用印台地区现有的油页岩资源,在原有 50000 吨磷肥生产线的基础上进行技术改造,建设年产 50000 吨油页岩有机复合肥的生产线。不同国家对油页岩的用途不同。在爱沙尼亚,油页岩主要用来发电和提炼页岩油;在巴西,油页岩主要用作运输燃料;在德国,油页岩主要用于制造水泥和建筑材料;在中国和澳大利亚,油页岩主要用于提炼页岩油和用作燃料;在俄罗斯和以色列,油页岩主要用于发电。折叠编辑本段其他资料折叠储量信息据调查,全世界油页岩的储量要比煤、石油或天然气多得多。中国是世界上油页岩储量最丰富的国家之一,油页岩储量排在世界第四位。以吉林的农安与桦甸、广东的茂名和辽宁的抚顺为最多,广东茂名地区已探明的油页岩储量就有 70 多亿吨。折叠组成性质组成 主要包括油母、水分和矿物质。①油母。含量约 10%~50%(干基),是复杂的高分子有机化合物,富含脂肪烃结构,而较少芳烃结构。油母的元素组成主要为碳、氢,以及少量的氧、氮、硫;其氢碳原子比为 油母含量高,氢碳原子比大,则油页岩产油率高。②水分。为 4%~ 25%不等,与矿物质颗粒间的微孔结构有关。茂名油页岩的水分含量较高,热加工过程中消耗较多的热量,且在干燥时易崩碎。③矿物质。主要有石英、高岭土、粘土、云母、碳酸盐岩以及硫铁矿等。含量通常高于有机质。性质 页岩油常温下为褐色膏状物,带有刺激性气味。页岩油中的轻馏分较少,汽油馏分一般仅为 360 ℃ 以下馏分约占 40%~50%;含蜡重油馏分约占 25 %~30%;渣油约占 20%~30%。页岩油中含有大量石蜡,凝固点较高,含沥青质较低,含氮量高,属于含氮较高石蜡基油。世界各地所产的页岩油由于组成和性质不同,在密度、含蜡量、凝固点、沥青质、元素组成方面有很大差别,但各地页岩油的碳氢重量比均在 7~8 左右,是最接近天然石油,最适于代替天然石油的液体燃料组成。折叠加工利用主要有两方面:①干馏制取页岩油,进一步加工成轻质油品以及多种化工产品;②直接用作锅炉燃料,产生蒸汽,并进一步用于发电。油页岩干馏和燃烧后的页岩灰可用于生产水泥等建筑材料。折叠分布特点世界上已发现的非常规油气资源大多位于地缘政治相对稳定的西半球,即美国、加拿大和拉丁美洲,美国是全球油页岩资源最丰富的国家,储量约占全球储量的 70%以上;加拿大是全球沥青砂资源最丰富的国家,储量约占全球储量的 90%以上。全球油页岩资源十分丰富,据不完全统计其蕴藏资源量约有 10 万亿吨,比煤炭资源量多 40%。2000 年初统计,世界页岩油储量超过 10 亿吨的国家有美国、俄罗斯、扎伊尔、巴西、摩洛哥、约旦、澳大利亚、爱沙尼亚和中国等,页岩油总量为 3741 亿吨,预计全世界页岩油资源总量约为 4750 亿吨,比传统石油资源量(2710 亿吨)多 50%以上。油页岩不仅资源丰富,而且分布相对集中。在美国,大约 75%的油页岩集中在科罗拉多州、犹他州和怀俄明州。按探明资源量排位,中国继美国、巴西、前苏联之后位居世界第四。中国油页岩探明资源量 315 亿吨,预测资源量 4520 亿吨,约 85%以上分布在吉林、辽宁和广东省,其中吉林省已探明可采储量为 吨,广东已探明可采储量超过 吨,居全国第 2 位;辽宁省截至 2004 年累计探明储量为 吨。油页岩资源量十分丰富且储量分布集中,具有作为接替能源的巨大潜力和有利条件。折叠开采技术直接开采直接开采包括露天和井下两种开采方式。露天开采适合于埋藏较浅的矿床开采,成本低,安全系数高,辽 宁抚顺和广东茂名就是典型的例子。井下开采有竖井、水平坑道采矿两种方式,适合于埋藏较深的矿床。直接开采是较原始的开采方式,局限性比较大,对生态环境的破坏也十分严重,主要表现在三个方面:一是生态及水质破坏严重。无论是露天采矿还是井下采矿,都需要把地下水位降低到含油页岩层的层位以下,开采 1 立方米油页岩,一般需要抽出 25 立方米的地下水;采矿水极大地增加了地表水、地下水中硫酸盐的含量。在巴西,油页岩采矿长期破坏着矿山及其附近的生态平衡和水位水质的稳定。二是灰渣污染严重。通过直接开采得到的油页岩用于提炼页岩油或直接燃烧,产生大量灰渣,如果不回收利用则不仅会造成空气污染,且废弃灰渣占地面积大,其中金属元素和微量元素渗入地下水体,危害人们生产生活。三是直接开采占地较多,一旦开垦就无法完全修复。地下转化工艺技术(壳牌公司投入巨资研发出的开采油页岩及其他非常规资源的专利技术,对开发深部油页岩尤其有利。采油页岩的基本原理是在地下对油页岩矿层进行加热和裂解,促使其转化为高品质的油或气,再通过相关通道将油、气分别提取出来;将这些高品质的油(气)采集到地面进行加工后,可生产出石脑油、煤油等成品油。该技术的突出优点是:提高了资源开发利用效率;减少了开采过程中对生态环境的破坏,即少占地、无尾渣废料、无空气污染、少地下水污染及最大限度地减少有害副产品的产生。尽管该项技术现在还未完全商业化,但关键的工艺、设备等技术问题都已解决,并在美国科罗拉多州和加拿大阿尔伯特省进行了商业示范。按照 2005 年 5 月每桶原油开发成本计算,传统的干馏技术为20 美元 /桶,使用 术生产成本为 12 美元/桶,术成本低于传统的干馏技术,该技术在油价高于 25 美元/桶时可以盈利。 中国吉林省油页岩资源丰富,但大部分埋藏于平原耕地之下,或者埋藏较深,吉林省地质矿产勘查开发局与壳牌勘探有限公司于 2004 年 12 月 8 日签署合作框架协议书,根据壳牌公司在北美术的研发及对吉林省油页岩资源的勘察情况,合资公司预计于 2006 年开始 术商业示范,2010 年后将开始全面商业运行。油页岩的开采方式经过近两个世纪的发展,已取得许多成功的经验,并在不断改进,成熟的开采技术是油页岩工业崛起的有力保障。折叠利用技术随着技术进步和环保意识的增强,油页岩资源从单纯的能源利用发展到综合利用,极大地提高了资源利用率,降低了成本,减少了环境污染,为资源的可持续利用提供了保障。油页岩矿石采出之后,最先是作为能源而被使用的,即干馏炼油和作为燃料。油页岩干馏后的页岩油可作为燃料油出售,也可以通过加氢精制和非加氢精制的方法生产轻柴油,提高页岩油附加值,精制后的重油作燃料使用。油页岩做燃料主要是用来发电,即直接用作锅炉燃料或进行低温干馏产生气体燃料而发电,还可用于供暖和长途运输。2001,爱沙尼亚利用油页岩发电和向居民、工业供暖所创造的效益分别占国家税收的 76%和14%,对其国民经济具有重要意义。干馏和直接燃烧产生的灰渣和废气有不同的用途,灰渣可以用来充填矿井、制取水泥或陶粒、制砖等,现在有很多成功利用页岩废渣的技术;废气可以作为燃料燃烧产生蒸汽后供生产、生活使用,也可以循环利用,为油页岩的干馏提供热源。油页岩的使用主要集中在提炼页岩油和发电上,因此干馏工艺和燃烧锅炉的发展直接影响着使用效果,降低成本、注重环保和充分利用资源的要求促进了油页岩利用技术的革新,主要表现在干馏工艺和燃烧锅炉的改进上。干馏技术目前,世界上许多国家都对油页岩干馏方法进行了研究,有的已形成工业化生产规模,中国、俄罗斯、爱沙尼亚的发生式炉及德国 处理量小,油收率较低,工艺不先进,但投资少,适用于小规模的页岩炼油厂;爱沙尼亚 和美国 处理量较大,投资中等,适用于中等规模的油页岩炼油厂;爱沙尼亚 巴西 澳大利亚 处理量大,油收率高,产高热值煤气,投资高,适用于大、中型油页岩炼油厂。燃烧锅炉的发展油页岩作为燃料用于发电经历了漫长的研究开发过程,从油页岩悬浮燃烧与气化到油页岩流化床燃烧再到油页岩循环流化床燃烧,技术不断进步,效益不断提高,污染不断减少。1、油页岩悬浮燃烧与气化技术前苏联采用悬浮燃烧方式直接利用油页岩燃烧发电,20 世纪 50 至 70 年代先后在爱沙尼亚和波罗的海建立 3 座电厂,总装机容量为 2415配锅炉出力为 65~320 吨/小时。但出现了很多问题:锅炉实际出力减小,炉膛结焦,受热面高温腐蚀,尾部受热面堵灰; 放量大,严重污染环境;制粉系统耗电量大,锅炉维修费用高,运行不经济;机组可靠性差,经常被迫停机,且停炉检修时很长等。2、油页岩流化床燃烧技术前苏联首次开发燃油页岩流化床锅炉,于 20 世纪 80 年代对爱沙尼亚、波罗的海电站锅炉进行了改造,广东茂名、辽宁抚顺也先后应用了油页岩流化床锅炉,其突出优点是减少了炉膛结焦的可能性,对流受热面上也没有严重积灰,烟气中 量小,燃烧过程中可以吸收大量硫,锅炉实际输出功率增大,飞灰不会粘污锅炉过热器和省煤器管束,锅炉热效率达 70%以上。实践证明油页岩流化床燃烧发电在技术上是可行的,但效率较低、经济效益较差。3、油页岩循环流化床燃烧技术循环流化床燃烧技术(有效地提高了油页岩的利用率和锅炉的热效率,减少了污染气体的排放。它是油页岩发电最有利的燃烧方式,具有良好的煤种适应性、低温燃烧、燃用宽筛分颗粒, 排放量非常低,锅炉的效率在 80%以上,这些突出的优点给油页岩能源利用和油页岩燃烧发电技术注入了新的活力,带来了新的机遇。中国、以色列等国在油页岩循环流化床燃烧发电的能源利用研究方面取得了成功经验,1989 年以色列建成首台半商业化油页岩循环流化床燃烧示范电站,采用芬兰 司的 50 吨/小时循环流化床锅炉 。20 世纪 90 年代以色列采用 230 吨/ 时循环流化床锅炉建造一座燃用油页岩商业化电厂,1996 年吉林省桦甸油页岩示范热电厂采用 3 台东北电力学院研究制 65 吨/小时低倍率循环床油页岩电站锅炉,实现长期稳定运行。油页岩的应用技术得到长足发展,给许多国家的经济发展做出了很大贡献。但不同国家油页岩主要用途差别较大,爱沙尼亚主要用来发电和提炼页岩油,近 40 年其电力生产的 99%主要依赖于油页岩,巴西主要用作运输燃料,德国主要用于制造水泥和建筑材料,中国和澳大利亚主要用于提炼页岩油和用作燃料,俄罗斯和以色列主要用于发电。折叠发展现状油页岩资源的开发利用展示出了诱人前景,不仅符合国家产业政策和发展循环经济的要求,而且也将为企业带来良好的经济效益、环保效益和社会效益。如何在这个历史发展机遇面前,扬长避短,乘势而上,是需要认真思考的问题。除了技术方面的这些因素以外,我们还面临许多资源管理问题。一是扶持政策不系统。独立矿床不享受与煤伴生油页岩免交增值税政策;低品位资源开发利用不享受税收优惠;延长产业链没有明确的激励机制。二是资源浪费严重。油页岩开采存在采富弃贫、大矿小开、一矿多开现象;与煤共伴生油页岩丢弃严重;低品位资源利用程度低。三是管理监督有待加强。油页岩矿业权与油气和煤炭普遍存在交叉重叠现象;部分企业以其它矿权代替油页岩,规避招拍挂。开展综合评价,摸清资源潜力。组织石油、煤炭企业及相关科研机构开展全国性油页岩资源综合评价工作,进一步摸清油页岩资源潜力;规范油页岩资源科学术语,制定油页岩资源储量评价分类分级标准,确定勘查开发技术规范和模式。勘查重点盆地,获取优质储量。以松辽盆地为重点,加大物探、钻探等实物工作量,优选有利靶区,获取探明储量,为油页岩开发利用提供资源基础,为大规模勘查油页岩资源提供技术和模式。制定行业标准,规范勘查开发。制定选矿工艺、安全、能耗及综合利用标准。建立油页岩综合开发利用准入制度。企业须对矿权区内油页岩资源进行评价,鼓励企业勘查开发油页岩。严格环保要求,建设绿色矿山。对油页岩开发利用的尾矿污染、水污染、废气污染等开展区域性环境评价,把资源开发中的环境成本限制在最小。制定严格的环境标准,促使商业性开发油页岩的企业研发并使用有利于环保的技术方法和控制手段。借鉴国外经验,建立油页岩开发利用示范工程,作为循环经济与绿色矿山的典范。做好战略规划,促进产业发展。将油页岩资源纳入国家战略储备,编制油页岩勘查开发和产业发展规划。制定油页岩发展战略和利用政策,实现综合效益最大化。确立石油公司和煤炭企业在油页岩开发利用中的主体地位。争取实现全国 2010 年 100 万吨、2020年 1000 万吨页岩油产量目标。加大科技攻关,解决重大问题。加强油页岩成矿理论和富集规律研究,开展油页岩开发利用技术联合攻关,寻求“ 大型油气田与煤层气开发” 及 “全国油气资源战略选区”等国家专项和国家科技攻关支持,改进干馏工艺,提取稀有金属,加强低品位和页岩渣资源利用,尽快解决制约综合开发利用的重大问题。制定扶持政策,鼓励综合利用。独立油页岩矿床比照与煤共伴生矿免收增值税。含油率 4%至 6%的油页岩减半税费,低于 4%的免税费。支持发电并网,提供低息贷款。对延长产业链实行级差税率。加强矿权管理,实施有效监督。根据油页岩资源特点进行综合有效管理,妥善解决矿业权交叉重叠。扶持建设与煤共伴生、低品位、规模化和综合利用的示范工程。完善对外合作,审查油页岩勘查开发利用方案。严格监督“圈而不探 ”、“占而不采”等行为。总之,中国油气资源日趋紧缺,与中国不断增长的能源需求相比,与中国储量丰富的油页岩资源相比,与国际油页岩开发利用水平和规模相比,中国的油页岩产业还远远满足不了国家经济发展的需求,远远没有达到我们所期望的经济和社会效益,还需要加倍努力,奋力前行。折叠发展前景在高油价时代,有关国家对油页岩的开发利用活跃起来。美国国会于 2005 年通过了发展非常规能源的法案,掀起了油页岩干馏炼油的研发高潮。美国总统布什于 2008 年 6月 18 日声明,支持发展油页岩,鼓励国会放开对批准页岩油试验用地的限制。美国内政部己批准了 6 项给予石油公司的土地矿产租赁项目,支持开展油页岩干馏炼油。美国科罗拉多矿业学院在 2006 年、2007 年、2008 年连续召开了第 26 届、27 届、28 届国际油页岩会议,参与人员众多。当前,美国有 29 家公司正开展油页岩加工利用的研究,其中 14家公司开展地下干馏,11 家开展地上干馏的研发,2 家公司开展页岩油加氢制取轻质油品研究。上述这些公司大多数正处于实验室或数学模拟,或概念研究阶段,只有壳牌公司正在进行现场地下干馏的中试,还有一些公司正筹划开展实地试验,另有几家公司则在致力于干馏新技术的开发。中国油页岩的开发利用起步较早,规模也比较大,但长期以来并没有明显进步。1959年页岩油的产量达到 70 多万吨,占世界的 50%以上。1959 年辽宁抚顺年产页岩油 72 万吨,1953 年桦甸年产页岩油 5 万吨,1962~1992 年,广东茂名共生产页岩油 300 万吨。20 世纪 60 年代以后,由于中国常规油气田的大量发现,油页岩提炼油气成本相对较高,页岩油生产规模逐渐减小,并淡出油品市场,油页岩开发利用技术也止步不前。近年来,由于上轮全球能源需求的增长和解决废弃油页岩环境问题的需要,油页岩的勘探开发面临新的机遇。抚顺、桦甸、罗子沟、黄县等老油页岩矿先后恢复了页岩油生产。2008 年,国内年产页岩油约 40 万吨,其中抚顺矿业集团油页岩炼油厂是目前中国正在运行的、最大的油页岩提炼厂,其产量达到 35 万吨。在油页岩利用技术方面,国内相关企业也开展了研究工作。针对现有抚顺炉单台装置处理能力小、油收率低、污染环境等缺点,抚矿集团于 2006 年成立了"辽宁省抚矿集团工程技术研究中心" ,将油页岩综合利用作为重点,开发大型油页岩干馏新工艺和相应的生产装置,研发页岩油生产过程的废水、废渣的处理与循环利用技术。中煤集团支持其所属的龙江哈尔滨煤化工公司开展油页岩流化干馏炼油的中试(日加工油页岩 50 吨),已取得初步成功,日加工油页岩 2000 吨的工业试验装置的可行性研究报告已初步通过。中石油支持大庆油田采用大连理工大学开发的颗粒页岩固体热载体干馏技术,拟建设日加工 2000吨柳树河油页岩的工业试验装置。中国油页岩资源储量丰富,在煤炭开采过程中也产生了大量油页岩,开发利用油页岩不仅可以缓解石油供需矛盾,还可以解决因废弃油页岩造成的环境问题,提高资源利用率。因此中国应该重视油页岩方面的研究,推动开发利用技术进步,加快油页岩行业发展。 [1]
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