油頁巖開發(fā)利用技術及系統(tǒng)集成的研究進展

楊慶春，周懷榮，楊思宇，錢宇

(華南理工大學化學與化工學院，廣東 廣州 510640)

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油頁巖開發(fā)利用技術及系統(tǒng)集成的研究進展

楊慶春，周懷榮，楊思宇，錢宇

(華南理工大學化學與化工學院，廣東 廣州 510640)

摘要：油頁巖作為一種非常規(guī)能源，儲量巨大，是最具潛力的石油替代資源之一。將油頁巖干餾煉油、半焦燃燒發(fā)電、頁巖油氣提質(zhì)、灰渣生產(chǎn)建材和化工品等工藝技術進行集成，可提升能效、改善經(jīng)濟效益，符合我國能源發(fā)展戰(zhàn)略需求，具有廣闊應用前景。本文專題論述在油頁巖開發(fā)利用過程中主要關鍵單元技術，系統(tǒng)集成技術的現(xiàn)狀及研究進展。為深入研究和高效環(huán)保開發(fā)利用油頁巖資源提供理論和技術基礎。

關鍵詞：油頁巖；干餾；系統(tǒng)集成；頁巖油提質(zhì)；干餾氣提質(zhì)

2015-06-03收到初稿，2015-07-23收到修改稿。

聯(lián)系人：錢宇。第一作者：楊慶春(1990—)，男，博士研究生。

Received date: 2015-06-03.

引 言

隨著我國社會和經(jīng)濟快速發(fā)展，石油資源日趨緊缺，非常規(guī)油氣資源的開發(fā)利用得到重視。油頁巖是一種低熱值固體化石資源，其儲量按發(fā)熱量折算在全世界化石資源中僅次于煤而居第二；折算成頁巖油約為4750 億噸，相當于目前世界原油儲量的5.4倍[1]。我國油頁巖儲量折算成頁巖油為476億噸，是我國石油儲量233億噸的2倍以上[2]，其開發(fā)利用對我國替代油氣戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)、緩解我國油氣資源短缺問題具有支撐作用與戰(zhàn)略意義。

我國對油頁巖開發(fā)利用已有近100年的歷史。我國油頁巖最主要利用途徑是用于煉制頁巖油。近年來，各地頁巖油生產(chǎn)狀況如表1所示。此外，油頁巖還可作為燃料發(fā)電，且其廢棄物灰渣還可用于生產(chǎn)建材和化學品。但目前為止，油頁巖工業(yè)利用僅是將油頁巖煉油、燃燒發(fā)電、灰渣綜合利用等單獨零星的小規(guī)模應用，尚未形成產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模[5-6]。單一產(chǎn)品技術的技術不完善，導致資源利用率低、環(huán)境污染嚴重，制約著油頁巖資源的大規(guī)模開發(fā)與利用和可持續(xù)發(fā)展[7]。根據(jù)油頁巖的物化特性，并結合我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的需求，作者提出油頁巖工業(yè)更適宜走“油頁巖干餾—半焦燃燒—油氣提質(zhì)—灰渣綜合利用”的系統(tǒng)集成路線。該過程集成油頁巖干餾、油頁巖/半焦燃燒、頁巖油提質(zhì)、干餾氣提質(zhì)和灰渣利用等技術，具有油頁巖資源利用率高、產(chǎn)品種類豐富、污染物排放量低等優(yōu)點。

表1 近年來中國各地頁巖油生產(chǎn)狀況[3-4]Table 1 Chinese shale oil production in recent years[3-4]

近年來，圍繞油頁巖開發(fā)利用系統(tǒng)集成技術路線，有學者已對該技術涉及的油頁巖干餾[8-9]、油頁巖/半焦燃燒發(fā)電[10]、頁巖油提質(zhì)[11-12]、干餾氣提質(zhì)[13-14]和灰渣綜合利用[15]等問題進行了探索。在國內(nèi)吉林樺甸、山東龍口、遼寧北票、甘肅窯街等油頁巖基地，企業(yè)也正在積極開展油頁巖集成利用的工業(yè)試驗。

本文將綜述和評論油頁巖開發(fā)利用關鍵的單元技術和系統(tǒng)集成研究的最新進展，具體包括：油頁巖干餾、油頁巖/半焦燃燒、頁巖油提質(zhì)、干餾氣提質(zhì)與灰渣綜合利用等技術的研究進展。著重討論我國油頁巖產(chǎn)業(yè)集成利用相關研究的進展，以期為我國油頁巖領域的更深入研究和油頁巖資源高效清潔應用，提供堅實的理論和技術基礎。

1 油頁巖開發(fā)利用的關鍵單元技術

油頁巖開發(fā)利用過程中物料組成復雜、流程較長。其中主要的關鍵技術單元有：油頁巖干餾技術、油頁巖/半焦燃燒技術、頁巖油提質(zhì)技術、干餾氣提質(zhì)技術及灰渣綜合利用技術。

油頁巖干餾技術主要包括地上干餾和地下干餾。地下干餾尚處于研發(fā)階段，短時間很難實現(xiàn)規(guī)?；痆1]，不在本文討論。地上干餾已有工業(yè)化，主要有氣體熱載體干餾技術和固體熱載體干餾技術[16]。兩類干餾技術的典型工藝技術對比如表2所示。

1.1 氣體熱載體干餾技術

油頁巖氣體熱載體干餾過程是指原料油頁巖與預熱后的氣體熱載體直接接觸傳熱，發(fā)生干餾反應的過程。油頁巖氣體熱載體干餾技術主要加工處理塊狀油頁巖。我國主要的氣體熱載體干餾技術分布情況如表3所示。由表可見，我國絕大多數(shù)采用的是撫順爐氣體熱載體干餾技術，少數(shù)采用瓦斯全循環(huán)爐。而在國外還有采用Petrosix技術、Kiviter技術等氣體熱載體干餾技術。針對國內(nèi)技術現(xiàn)狀，本文將重點討論撫順爐技術。

表2 油頁巖干餾技術及特點Table 2 Typical oil shale retorting technologies and their features

撫順爐干餾技術所采用的撫順爐，將油頁巖干餾和頁巖半焦氣化過程連接在一起。油頁巖干餾所需的熱載體為熱循環(huán)氣和熱發(fā)生氣（在氣化段空氣與半焦發(fā)生氧化還原反應生成的氣化氣），主要處理10～75 mm的油頁巖。其工藝流程如圖1所示。破碎篩分后的10～75 mm頁巖，經(jīng)干餾爐的頂部進入爐內(nèi)，在干餾段中預熱與干餾。當油頁巖進入干餾段底部時，溫度達到500℃左右，釋放出大部分頁巖油氣。干餾后的頁巖半焦進入氣化段。在氣化段上部，半焦被加熱到 700～800℃。此時半焦中的固定碳與上升氣體中的二氧化碳、水蒸氣等發(fā)生還原反應，產(chǎn)生CO、H2等。干餾爐產(chǎn)生的油氣混合物，經(jīng)過冷凝回收系統(tǒng)分離得到頁巖油和干餾氣。一部分干餾氣作為加熱爐的燃料，另一部分作為循環(huán)干餾氣循環(huán)使用。通常，撫順爐還約能剩余干餾氣200 m3·(t油頁巖)-1，可用于燃燒發(fā)電和制取氫氣等化學品。

表3 我國主要的氣體熱載體干餾爐分布情況[17]Table 3 Distribution of main gas heat carrier retorts[17]

圖1 撫順爐工藝流程簡圖Fig.1 Flow diagram of Fushun-type retorting process

圖2 DG工藝流程簡圖Fig. 2 Flow diagram of DG retorting process

撫順爐的優(yōu)點是能處理含油率低至4%～5%的貧礦油頁巖、塊度的適應范圍較廣、結構簡單、維修方便、投資低、建設快。但存在的問題是單爐處理量?。▋H為100～200 t·d-1）、不能處理小顆粒油頁巖、油頁巖利用率不高、油收率較低（約為鋁甄含油率的65%）。

除了撫順爐以外，我國正在運行的氣體熱載體干餾技術還有瓦斯全循環(huán)干餾技術[18]。該技術油收率可達到90%，而且干餾爐出口干餾氣熱值較高，可達到16.8 MJ·m-3[19]。但是干餾低品位油頁巖時，需要燃燒額外的燃料氣為干餾反應供熱[20]。此外，該技術還存在循環(huán)干餾氣換熱時，干餾氣中殘存的頁巖油在高溫下裂解產(chǎn)生炭黑和氫氣，會造成換熱設備管壁積炭而導致熱效率下降的問題[18]。

1.2 固體熱載體干餾技術

油頁巖固體熱載體干餾是指原料油頁巖與預熱后的固體熱載體直接接觸傳熱發(fā)生干餾反應的過程。油頁巖固體熱載體干餾技術可加工處理小顆粒油頁巖，因此原料利用率可達100%。目前，工業(yè)化的固體熱載體干餾技術主要有ATP技術和Galoter技術；國內(nèi)自主研發(fā)的大工（Dalian University of Technology, DG）技術正在試運中[21]。

2013年中國石油大慶油田公司采用大工干餾技術，在大慶柳樹河建成日處理2000 t油頁巖的工業(yè)實驗裝置，年產(chǎn)3萬噸頁巖油。DG工藝流程簡圖如圖2所示。0～10 mm的油頁巖首先通過與半焦燃燒產(chǎn)生的熱煙氣換熱，干燥預熱到120～150℃。干燥預熱的油頁巖與700℃的頁巖灰熱載體混合進入干餾爐，在0.1 MPa和500℃的條件下干餾生成半焦和油氣混合物[22]。半焦和預熱的空氣在燃燒管中燃燒，燃燒產(chǎn)生的頁巖灰，大部分作為熱載體循環(huán)為干餾反應提供熱量，剩余灰渣預熱空氣后排放。干餾油氣混合物，經(jīng)過油洗、空冷和閃蒸分離后，得到頁巖油和干餾氣。該技術可利用小于10 mm的顆粒頁巖，油頁巖的利用率為100%；頁巖油收率高；干餾氣熱值高；冷凝回收系統(tǒng)負荷小；干餾過程產(chǎn)生的廢物少，屬于環(huán)境友好型技術。但是，DG技術目前還不太成熟；干餾工藝復雜，設備較多；干餾投資較高，建設時間較長[18]。

除了DG干餾爐，國內(nèi)還從加拿大引進一套ATP爐。目前，該裝置正在試產(chǎn)中，油頁巖日處理量已達到設計值的50%[21]。ATP干餾技術的核心裝置為回轉爐，包括干燥段、干餾段和燃燒段[16]。在干燥段，頁巖溫度被升至250℃左右，其中的自由水變?yōu)檎羝蝗コ?。在干餾段，油頁巖與750℃頁巖灰混合而被加熱至500℃，油頁巖干餾生產(chǎn)頁巖油氣和半焦。油氣導出進入冷凝回收系統(tǒng)，分離得到頁巖油和干餾氣。半焦則進入燃燒段，遇空氣在800℃燃燒生成頁巖灰[23]。該爐具有頁巖利用率高、油收率高、單爐的處理量大等優(yōu)點[16]。但是，該爐的投資高，日加工6000 t油頁巖的ATP爐很龐大，需要分段制造后組裝，建設時間長[18,23]。另外，干餾得到的油氣中灰多，除塵困難。

針對我國典型干餾技術：撫順爐技術、瓦斯全循環(huán)爐技術和DG技術，文獻[24-25]從技術經(jīng)濟等角度，詳細分析比較了上述3種技術。結果表明，在技術方面，撫順爐工藝的?效率最低，為32.7%；DG工藝的?效率最高，為61.5%；瓦斯全循環(huán)爐工藝的?效率處于中間。在經(jīng)濟方面，瓦斯全循環(huán)爐工藝的設備投資最高，其次是DG工藝和撫順爐；DG工藝的生產(chǎn)成本最高，其次是瓦斯全循環(huán)爐工藝和撫順爐工藝。

油頁巖除了用于干餾煉油外，還可用于燃燒發(fā)電。國內(nèi)油頁巖燃燒發(fā)電技術主要包括油頁巖單獨燃燒發(fā)電和油頁巖混燒發(fā)電兩種。在油頁巖燃燒的基礎研究方面，姜秀民等[26-28]采用熱重分析儀對不同粒徑油頁巖燃燒過程進行研究。由于油價的上漲，煉油經(jīng)濟效益高于單純?nèi)紵l(fā)電，所以越來越多研究學者提出將干餾煉油后的半焦作為燃料燃燒[29]。但半焦發(fā)熱量、著火點低，需要混合其他燃料進行混合燃燒。主要有油頁巖與油頁巖半焦[30-32]、油頁巖與石油焦[33-34]、油頁巖半焦與煤[35-36]、油頁巖半焦與生物質(zhì)[37-39]等不同摻混比例的混燒發(fā)電。

1.3 頁巖油提質(zhì)技術

國內(nèi)學者[2,40]針對我國頁巖油“三高一低”(即氮含量高、凝固點高、石蠟含量高以及瀝青質(zhì)含量低)的特點，正在探索頁巖油柴油餾分加氫提質(zhì)、全餾分加氫裂化提質(zhì)和全餾分加氫精制串聯(lián)催化裂化提質(zhì)3種頁巖油加氫提質(zhì)技術。

(1)柴油餾分加氫提質(zhì)技術。中國石油大學(北京)李術元等[41-42]提出對頁巖油先進行餾分切割，再收集柴油餾分進行加氫提質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)：①撫順和樺甸頁巖油柴油餾分加氫提質(zhì)后，可作為優(yōu)質(zhì)清潔柴油直接使用[41]；② NiW/A12O3的加氫脫氮效果明顯好于CoMo/Al2O3[42]；③升高反應溫度、增大反應壓力、降低體積空率，均可提高頁巖油加氫脫氮脫硫效果，而氫/油體積比對產(chǎn)物的影響均較小[43]。此外，他們采用集總的方法建立了撫順頁巖油柴油餾分加氫脫硫三集總動力學模型，并對相應的動力學參數(shù)進行了計算[44]。不僅為研究各種硫化物在催化劑上加氫反應機理提供了重要手段，也為加氫反應器開發(fā)和優(yōu)化加氫反應工藝條件以及預測雜原子脫除效果奠定了堅實的基礎。

（2）全餾分加氫裂化提質(zhì)技術。中國科學院過程工程研究所張香平課題組以Ni、Mo、W等過渡金屬為催化劑，發(fā)現(xiàn)催化劑孔徑在2～50 nm范圍，催化劑比表面積與表面酸性的變化規(guī)律呈相反趨勢；比表面積越大總液體收率和柴油餾分收率越大。隨催化劑酸性增強，汽油餾分收率減少，總液體產(chǎn)品收率、柴油餾分收率呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律。并在固定床中對頁巖油加氫催化劑活性進行評價，對反應溫度、壓力、空速和氫油體積比進行優(yōu)化。白君君等[45-46]研究了NiW/Al-PILC 催化劑在頁巖油加氫中的催化性能。結果表明，NiW/Al-PILC 催化劑具有較大的比表面積、耐高溫性和加氫催化性能，得到的180～350℃柴油餾分符合歐Ⅳ柴油排放指標，可作為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)柴油的原料。

（3）頁巖油全餾分加氫精制串聯(lián)催化裂化提質(zhì)技術。趙桂芳等[47]采用一段串聯(lián)加氫工藝，對撫順頁巖油全餾分進行試驗。結果表明，160～370℃柴油餾分產(chǎn)品凝點降低幅度大、十六烷值提高顯著，柴油收率達59%～60%，且柴油產(chǎn)品性質(zhì)均滿足GB 252—2000 柴油質(zhì)量標準。此外，他們采用加氫裂化-加氫處理反序串聯(lián)(FHC-FHT)組合工藝技術，在中型加氫裝置上進行了頁巖油加氫裂化全循環(huán)工藝試驗[40]。結果表明，采用反序串聯(lián)(FHC-FHT)組合工藝技術對頁巖油進行加氫裂化制取輕質(zhì)餾分油是可行的；主要目的產(chǎn)品160～370℃中間餾分油總收率高達81.29%，硫質(zhì)量分數(shù)<10 μg·g-1，十六烷值59.0均符合歐V 清潔柴油標準要求[40]。國內(nèi)撫順礦業(yè)集團正在籌建年深加工頁巖油40萬噸的頁巖油化工廠也采用的是該技術。該項研究為頁巖油深度加工提供了新的技術思路，具有較好的應用前景。

1.4 干餾氣提質(zhì)技術

油頁巖干餾技術還副產(chǎn)較多的干餾氣。但氣體熱載體干餾技術產(chǎn)生的干餾氣熱值較低，1 m3干餾氣的發(fā)電量約為1 m3天然氣的1/12，因此將氣體熱載體干餾技術產(chǎn)生的干餾氣用于燃燒發(fā)電并不能有效提高過程經(jīng)濟效益[2]。近年來，越來越多的學者提出，應對干餾氣進行提質(zhì)，生產(chǎn)高價值的化工產(chǎn)品[12,48]?？紤]到干餾氣中含有較多的CH4, CO，可與水蒸氣反應制H2，本文作者[12]應用帶吸收劑的甲烷和水蒸氣重整反應制氫技術，重整后的混合氣經(jīng)變壓吸附(PSA)后得到高純度的H2，基本原理為

另一方面，本文作者[13]應用化學鏈制氫技術，將干餾氣中的還原性氣體CO, H2和CH4用于制氫。該過程的基本原理為：在燃料反應器中，燃料 (CO, H2或CH4)和金屬氧化物(MeOx)發(fā)生還原反應，金屬氧化物被還原為低價態(tài)的金屬氧化物或金屬單質(zhì)(MeOx-a)；在蒸汽反應器中，金屬單質(zhì)或低價態(tài)金屬氧化物被部分氧化(MeOx-a+b) ，產(chǎn)生氫氣

由于燃料反應器中的還原反應是吸熱反應，所以為了滿足過程的熱量平衡和載氧體的再生，需要將空氣反應器中部分氧化的載氧體繼續(xù)氧化（MeOx）。

中國科學院過程工程研究所的蘇發(fā)兵及其團隊將干餾氣用于提質(zhì)制甲烷，開發(fā)了系列具有高活性、強抗積炭性能的甲烷化催化劑。主要包括：CeO2、ZrO2修飾的Ni/γ-Al2O3催化劑[48]，V2O3摻雜的Ni/Al2O3催化劑[49]和介孔結構Ni-V-Al催化劑[50]。

2 油頁巖開發(fā)利用系統(tǒng)集成技術

綜上所述，油頁巖開發(fā)利用單元技術發(fā)展很快，但與石油化工過程相比，仍然相對落后。油頁巖含油率低、油品質(zhì)量差、熱值低、經(jīng)濟性能差，廢渣污染嚴重，所以應考慮采用系統(tǒng)集成技術，提升油頁巖工藝整體技術經(jīng)濟性能。油頁巖開發(fā)利用系統(tǒng)集成技術是將油頁巖煉油、油頁巖/半焦燃燒、油氣產(chǎn)品提質(zhì)、灰渣利用等技術集成于一體，實現(xiàn)油頁巖資源高效、清潔、綜合利用，其示意圖如圖3所示。經(jīng)預處理后的油頁巖進入干餾單元，產(chǎn)生頁巖油、干餾氣、半焦、灰渣等。頁巖油經(jīng)加氫提質(zhì)后，可生產(chǎn)合格的汽煤柴油等燃料油。干餾氣經(jīng)提質(zhì)過程生產(chǎn)高經(jīng)濟價值的氫氣，一方面可滿足頁巖油加氫提質(zhì)單元的氫氣需求，另一方面可作為產(chǎn)品直接外銷，提高過程經(jīng)濟效益。未利用油頁巖和半焦用于燃燒發(fā)電或供熱。排放的灰渣經(jīng)加工處理后，可用于生產(chǎn)建筑材料[51]、作為化工原料[37,52]和環(huán)境礦物功能材料[53-54]。

該系統(tǒng)集成技術的主要探索方向為：提升油頁巖資源利用率；生產(chǎn)合格的燃料油、電能、熱能、建筑材料以及高經(jīng)濟價值的氫氣；提高抗市場經(jīng)濟性沖擊的能力；減少污染物排放。以期實現(xiàn)油頁巖開發(fā)利用過程中關鍵單元技術緊密銜接，物流和能流高度集成，系統(tǒng)具有較高的資源效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，符合我國能源戰(zhàn)略需求。

圖3 油頁巖開發(fā)與利用系統(tǒng)集成技術示意圖Fig.3 Development and utilization of oil shale resources

圖4 油頁巖干餾氣重整制氫提質(zhì)的集成煉制過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of OSR-RGSR process

本文作者所在研究團隊在這方面開展了深入的研究探索，近年來研究了包括集成干餾氣重整制氫、化學鏈制氫、氣體和固體熱載體干餾技術在內(nèi)的油頁巖綜合煉制過程的集成技術。

2.1 油頁巖煉制與干餾氣重整制氫過程的集成

針對油頁巖氣體熱載體干餾技術產(chǎn)生的干餾氣熱值低 (3.3～4.0 MJ·m-3)、頁巖油含有大量雜原子組分以及經(jīng)濟效益不佳等問題，提出一種集成干餾氣重整制氫的油頁巖煉制過程 (integrated oil shale refinery with retorting gas steam reforming for hydrogen production, OSR-RGSR)[12, 55]。該系統(tǒng)集成技術以傳統(tǒng)油頁巖煉制(oil shale refinery, OSR)過程為基礎，應用Lee等[56]提出的帶吸收劑的甲烷和水蒸氣重整技術，為頁巖油加氫提質(zhì)提供氫源；同時將碎屑頁巖燃燒為重整過程中CaO的再生提供熱量，進而提高油頁巖煉制過程的經(jīng)濟效益。該技術的工藝流程如圖4所示。油頁巖干餾過程產(chǎn)生的干餾氣進入甲烷水蒸氣重整反應器，與水蒸氣反應制H2。重整反應器出來的混合氣再經(jīng)變壓吸附(PSA)，得到高純度的H2。部分氫氣提供給頁巖油加氫提質(zhì)過程得到柴油、石腦油和液化石油氣LPG，剩余的氫氣作為產(chǎn)品外銷。CaO再生反應器所需的熱量則由干餾過程產(chǎn)生的碎屑頁巖以及PSA過程中未回收的H2提供。對OSR-RGSR過程進行技術經(jīng)濟分析表明，干餾氣制氫和高品質(zhì)的油品，使得新過程比傳統(tǒng)煉制過程的投資利潤率約提高8.4個百分點[12]。

2.2 油頁巖煉制與化學鏈制氫的集成

考慮到剩余干餾氣中H2，CO和CH4都具有較佳的還原性，可作為化學鏈制氫技術的燃料氣，構建了一種集成化學鏈制氫的油頁巖煉制過程 (oil shale retorting process integrated with chemical looping for hydrogen production, OSR-CLH)[13,57]，其工藝流程如圖5所示。與OSR過程不同的是，OSR-CLH過程將OSR過程干餾氣作為CLH過程燃料反應器的燃料氣，利用該氣體中的H2，CO和CH4等將高價態(tài)載氧體（Fe2O3）還原成低價態(tài)的Fe金屬；Fe再進入蒸汽反應器與水蒸氣反應產(chǎn)生氫氣，載氧體被部分氧化為Fe3O4；部分氧化的載氧體Fe3O4繼續(xù)進入空氣反應器與空氣中氧氣反應生成Fe2O3，實現(xiàn)載氧體的循環(huán)過程。燃料反應器和水蒸氣反應器的出口氣分別進入發(fā)電單元，產(chǎn)生電力和蒸汽?？諝夥磻餮趸磻^程釋放的能量，部分由Fe2O3顆粒攜帶進入燃料反應器，滿足化學鏈的能量平衡；另一部分由空氣反應器的出口氣帶入發(fā)電單元的余熱回收裝置，進行余熱回收產(chǎn)生蒸汽。蒸汽再循環(huán)進入蒸汽反應器。

對OSR-CLH過程進行了建模與技術經(jīng)濟分析，具體模型可參考文獻[13]。在技術方面，新過程?效率從33.57%提高至41.10%。在經(jīng)濟方面，作者分析了OSR-CLH過程在兩種情境下的經(jīng)濟性能：一是低頁巖油價格，2750元/噸；二是高頁巖油價格，4950元/噸。結合投資費用和生產(chǎn)成本，計算得到在低頁巖油價格下，OSR-CLH過程的投資利潤率從-2.1%提高到了10.6%；在高頁巖油價格下，OSR-CLH過程的投資利潤率從31.0%提高到了36.6%[13]。因此，盡管OSR-CLH過程新增化學鏈制氫聯(lián)合發(fā)電單元，增加了投資和生產(chǎn)成本，但是同OSR過程相比，OSR-CLH過程可得到大量氫氣，可顯著提高過程的經(jīng)濟性能。

圖5 集成化學鏈制氫技術的油頁巖煉制過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of OSR-CLH process

圖6 集成氣體和固體熱載體干餾技術的油頁巖綜合過程流程示意圖Fig.6 Schematic diagram of OSRGS process

2.3 油頁巖氣體熱載體與固體熱載體煉制過程的集成

油頁巖氣體熱載體干餾技術，以撫順干餾爐技術為代表，只能利用10～75 mm粒徑的油頁巖，卻不能利用粒徑小于10 mm的小顆粒油頁巖。油頁巖開采和破碎過程中產(chǎn)生的小顆粒頁巖約占總油頁巖原料的20%～40%[2]，這不但浪費資源，而且污染環(huán)境。

考慮到固體熱載體干餾技術可以利用小顆粒油頁巖，可有效地提高油頁巖利用率，提出一種集成氣體和固體熱載體干餾技術的油頁巖綜合過程(oil shale retorting process integrating gas and solid heat carrier technologies, OSRGS)[14,58]，其示意圖如圖6所示。該過程將氣體熱載體干餾技術未利用的小顆粒油頁巖作為固體熱載體干餾技術的原料，生產(chǎn)頁巖油和干餾氣。兩種干餾技術產(chǎn)生的油氣混合物除塵后，一起進入油氣分離單元，生產(chǎn)頁巖油。在此基礎之上，集成燃氣-蒸汽聯(lián)合發(fā)電單元，實現(xiàn)油-電聯(lián)產(chǎn)。新過程通過“變廢為寶”，生產(chǎn)更多的頁巖油和副產(chǎn)電力，提高傳統(tǒng)油頁巖煉制過程的經(jīng)濟效益。相比于現(xiàn)有的FsOSR，OSRGS過程具有以下優(yōu)勢：①OSRGS過程可提高油頁巖利用率和頁巖油產(chǎn)率。②OSRGS過程還可減少SOx、NOx等污染物的排放，保證發(fā)電單元長期可靠的運行。③ 提高過程的經(jīng)濟效益。

通過對OSRGS過程進行建模模擬與技術經(jīng)濟分析，與傳統(tǒng)OSR過程進行比較[14]。結果表明，在技術性能方面，OSRGS過程的油頁巖利用率由77.79%提高至97.54%，能量效率由31.12%提高至38.91%；在經(jīng)濟性能方面，盡管投資費用和生產(chǎn)成本有所增加，但是OSRGS過程可多生產(chǎn)25.11%頁巖油，使得OSRGS過程的投資利潤率由11.04%提高至18.23%。因此，將傳統(tǒng)油頁巖干餾過程中未能利用的小顆粒油頁巖，作為固體熱載體干餾技術的原料，不但可以提高原來過程的技術性能，而且還可以取得更佳的經(jīng)濟效益，是未來油頁巖高效利用的一個研究方向。

3 結 語

油頁巖作為重要的非常規(guī)能源，在我國開發(fā)與利用已起步，但如何高效環(huán)保經(jīng)濟開發(fā)利用值得深入研究。本文評述了近年來國內(nèi)外油頁巖干餾、油頁巖/半焦燃燒、頁巖油氣提質(zhì)和灰渣綜合利用等關鍵單元技術現(xiàn)狀和研究成果。針對油頁巖加工技術相對落后、粗糙和離散的現(xiàn)狀，提出了油頁巖開發(fā)利用系統(tǒng)集成技術：干餾氣提質(zhì)制氫；頁巖油加氫提質(zhì)；油頁巖/半焦燃燒供熱發(fā)電；灰渣生產(chǎn)建材和化學品。指明了系統(tǒng)集成技術具有較高的資源效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。通過進一步優(yōu)化流程和攻克技術難點，油頁巖開發(fā)利用系統(tǒng)集成技術應用前景十分廣闊。

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Foundation item: supported by the National Basic Research Program of China (2014CB744306) and the National Natural Science Foundation of China (21136003).

Research progress on utilization and systemic integration technologies of oil shale

YANG Qingchun, ZHOU Huairong, YANG Siyu, QIAN Yu
(School of Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Abstract:Oil shale is an important unconventional energy resource and has enormous reserves. It is now considered as one of the most promising oil alternatives. A novel process integrated with oil shale retorting, oil shale/semi-coke combustion, shale oil and retorting gas upgrading and ash comprehensive utilization technologies, can increase energy efficiency and improve economic performance. This integrated process meets the needs of Chinese energy development strategy. It will have broad application prospects. A comprehensive overview of the key unit technologies and systemic integrated processes of the oil shale exploration and exploitation are presented. It can provide theoretical and technical foundations for the effective and environmental development of oil shale resource.

Key words:oil shale; retorting; system integration; shale oil hydrogenation; retorting gas upgrading

Corresponding author:Prof. QIAN Yu, ceyuqian@scut.edu.cn

基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(2014CB744306)；國家自然科學基金重點項目(21136003)。

中圖分類號：TQ 09

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）01—0109—10

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20150819