油页岩综合利用技术的研究进展

张 磊,韩向新,王忠存,姜秀民

(1.上海交通大学机械与动力工程学院 热能工程研究所，上海 200240；2.吉林成大弘晟能源有限公司，吉林 桦甸 132402)

油页岩是一种重要的非常规能源，储量巨大，是石油和天然气的重要补充和替代能源。根据目前全球油页岩资源储量统计结果[1]，将它折算成页岩油，可以达到4000多亿t，相当于世界天然原油探明可采储量的3倍多[2]。随着我国经济的迅猛发展，对能源的需求不断增大，能源供需矛盾日益突出，油页岩作为一种重要的替代能源以其巨大的储量，引起全世界的关注。如何高效、环保的利用油页岩资源，也是目前急需解决的问题。

油页岩的开发利用已有近200年的历史。传统的利用途径是炼制页岩油和直接燃烧发电、供热，这两种单一产品技术由于存在资源利用率低、技术不完善、环境污染严重[3]、抗市场经济性冲击能力差、难以持续发展等问题，而严重制约着油页岩资源的大规模开发与利用。根据油页岩的物化特性，并结合我国能源发展战略的需求，众多油页岩专家与学者提出油页岩工业更适宜走“油页岩干馏—半焦燃烧—页岩灰渣作为建材与化工原料”的综合利用技术路线[4-5]，具有油页岩资源利用率高、产品种类丰富、污染物排放量低等优点。围绕油页岩综合利用技术路线，广大油页岩工作者已对综合利用系统涉及的页岩油特性[6]、半焦物化特性[7]、页岩灰的利用[8]等问题进行了深入研究，吉林桦甸、山东龙口、甘肃窑街等油页岩基地正在积极开展着油页岩综合利用工程的建设。

本文深入分析了油页岩综合利用系统的技术关键和存在问题，结合已有研究工作，提出了一种新型油页岩综合利用技术路线，实现了油页岩综合利用系统的集成。

1 油页岩综合利用技术概述

油页岩综合利用技术是在综合考虑油页岩炼油、半焦燃烧供热和发电、页岩灰的利用以及经济效益和环保等基础上实现油页岩资源的高效、清洁、综合利用。图1所示为油页岩综合利用系统流程图[4]，包括干馏系统、燃烧系统和灰利用系统。整个系统的基本工作原理是：经破碎、筛分处理后的油页岩颗粒通过干馏系统炼油产生页岩油气混合物，经油气分离器分离出页岩油与燃气；干馏产生的油页岩半焦与油页岩废屑混合后送入循环流化床燃烧，产生的蒸汽引入传统的汽轮机-发电机系统供热、发电；循环流化床排出的页岩灰经过加工处理后作为建筑与化工材料的原料。

图1 油页岩综合利用系统流程图

与传统单一产品的油页岩低温干馏炼油技术和油页岩燃烧发电技术相比，该油页岩综合利用系统主要具有以下几个突出优点：油页岩资源利用率高，接近100%；产品种类丰富，可获得页岩油、燃气、电能、热能、建材与化工等多种产品；污染物排放量少；各子系统衔接紧密，质量损失和能量损失小。

油页岩综合利用技术有望实现油页岩资源炼油、发电、建材等全方位的综合利用，具有较高的资源效益、经济效益、环境效益和社会效益，符合我国的能源发展战略。

2 油页岩综合利用系统关键技术问题的分析

2.1 油页岩热化学转化技术

油页岩重要的利用途径是通过低温干馏制取页岩油。油页岩颗粒在450℃～600℃的干馏装置内受热产生页岩油、燃气和油页岩半焦。页岩油蒸汽与燃气排出干馏炉后经除尘、冷却后分离成页岩油和燃气。页岩油可以直接作为锅炉或工业炉液体燃料使用，对页岩油经热加工和加氢精制工艺处理，则可获取汽油、煤油和石油焦等产品[9]。燃气主要作为干馏炉热载体和其加热炉的燃料，剩余燃气用于民用。

受干馏温度、干馏时间和油页岩颗粒直径等因素的影响，油页岩在干馏炉内产生的油页岩半焦内部将残留一部分可燃物质，使得半焦具有一定的发热量。目前，除巴西Petrosix干馏技术外，澳大利亚ATP干馏技术、爱沙尼亚Kiviter和Galoter干馏技术和抚顺式炉干馏技术等都燃烧、气化利用了半焦，产生的热量直接作为干馏炉的热源。然而，在实际运行过程中暴露出如下一些问题。

1)爱沙尼亚Kiviter、抚顺式炉干馏技术采用直立圆筒式干馏炉，油页岩干馏位于干馏炉上部，半焦的气化、燃烧反应发生于干馏炉下部，由于上、下相通，造成下部残存空气进入上部油页岩干馏段，氧化页岩油而降低了干馏炉的油收率。另外，受燃烧方式、燃烧时间和颗粒粒度等因素的影响，最终从干馏炉排出的半焦仍残留一部分热量，以抚顺式干馏炉为例，干馏炉最终排出的半焦低位发热量Qad.net在1200～1600kJ/kg，若作为废料而舍弃，造成了能量的浪费。而且半焦中含有水溶性酚、硫化物、多核芳烃等有毒、有害物质，直接排放污染环境。

2)ATP干馏技术和Galoter干馏技术采用水平圆筒回转式炉型，能够实现油页岩全部干馏利用，并保证与滚筒轴线垂直的截面上温度均匀。ATP干馏技术半焦燃烧器位于圆筒尾部，而Galoter干馏技术采用气流燃烧器燃烧半焦，两者产生的热灰作为干馏炉的热载体。但整个干馏系统设备庞大，结构复杂，维修量大，运行控制困难，而且半焦燃烧不完全，排出干馏装置后也会带走一部分能量。

此外，上述技术还存在其他缺陷需要进一步完善。

1)巴西Petrosix干馏技术、爱沙尼亚Kiviter干馏技术和抚顺式炉干馏技术为气体热载体干馏技术，采用块状油页岩，而油页岩碎末则作为废料被舍弃或燃烧处理，这部分碎末占油页岩总量的10%～20%，因无法用于干馏而造成宝贵的页岩油资源的浪费。

2)上述干馏技术均采用增湿降温措施降低干馏炉排出的半焦温度，然而由于油页岩半焦含有多种有毒化合物，溶于水中造成水资源的污染和浪费，而且干馏炉排出的半焦具有一定物理显热，被水带走后造成了能量的浪费。

因此，上述干馏技术不适宜直接作为油页岩综合利用系统的干馏装置。

2.2 油页岩半焦燃烧技术

在油页岩综合利用系统中，油页岩半焦燃烧装置的燃料为油页岩半焦和油页岩废屑。如果油页岩干馏装置能够干馏全部油页岩，则油页岩半焦燃烧装置的燃料就仅仅是半焦一种燃料。表1为吉林桦甸油页岩在干馏温度520℃干馏所得半焦的成分分析，可以看出，半焦具有一定的热值，可以采用循环流化床燃烧技术焚烧处理，不需要添加辅助燃料。另外，Kuusik等[10]对工业干馏炉半焦的循环流化床燃烧特性进行了研究，结果表明：当半焦(弹筒发热量4200～4900kJ/kg)含水量小于10%时，可直接投入到循环流化床内燃烧利用，不需要添加油页岩助燃；而当半焦含水量超过了10%时，则至少需要添加10%的油页岩才能够保证炉膛稳定燃烧。

表1 半焦的元素分析及工业分析

另外，从表1可以看出，半焦灰含量较高，在70%以上。因此，在半焦循环流化床的设计上需要重点考虑炉内防磨问题和页岩灰的收集与物理显热回收问题。

2.3 页岩灰利用技术

油页岩和半焦燃烧会产生大量页岩灰，易造成环境污染。现有研究结果表明，在600℃～800℃形成的页岩灰具有一定的溶结强度[11-13]，可以在建筑方面得到广泛应用：水泥工业使用页岩灰不仅可以降低水泥生产成本，而且可以提高强度；页岩灰若作为沥青混凝土的掺和剂，会给混合料带来很好的机械和耐久性；也可以应用到玻璃和玻璃陶瓷的产品上。此外，页岩灰还可以作为生产吸附剂、微晶玻璃和矿山采空区充填材料的原料[8，14]。在页岩灰的利用过程中，页岩灰孔隙结构和矿物质组分是重要特性参数，通过循环流化床燃烧可以保证页岩灰具有较为发达的孔隙结构特征[15]。

2.4 油页岩综合利用系统的集成与优化

油页岩综合利用系统另外一个技术关键是各子系统的衔接与协同控制，以保证整个系统稳定运行和获得最大经济效益，同时减少能量损失和环境污染。干馏炉的油收率是油页岩综合利用系统经济效益的主要来源，干馏炉炉型、运行参数对干馏炉产品的品质、干馏炉油收率具有重要的影响；油页岩干馏系统产生的半焦作为燃料送入半焦燃烧系统，因此半焦的物化特性直接影响半焦循环流化床的设计与稳定运行；当半焦循环流化床床温维持在800℃～950℃下，可获得具有发达孔隙结构的页岩灰，活性高，是生产水泥、陶粒等建筑材料以及价格昂贵的微晶玻璃的良好原料。综合考虑上述各种因素和内在关联性，构建完成油页岩综合利用系统，并对整个系统的运行参数进行优化是非常重要。

3 油页岩鼓泡床干馏及半焦循环流化床燃烧组合系统

综合考虑各方面技术问题，作者在前期工作基础上[4]，进一步提出一种以鼓泡床作为油页岩干馏炉、以循环流化床作为半焦燃烧利用装置、以循环流化床燃烧生成的热灰和循环热瓦斯共同作为干馏炉热载体的油页岩组合利用系统，用于炼油、制煤气、供热和发电等，实现油页岩综合利用。

3.1 组合系统工作原理

该系统工作原理为：0～20mm的油页岩颗粒存于油页岩仓内，下行进入鼓泡床；鼓泡床底部温度控制在450℃～600℃范围内，所需要的热量来自循环流化床燃烧产生的飞灰和经循环瓦斯换热器与外置式气固换热器加热的循环瓦斯，进入鼓泡床的飞灰和循环瓦斯温度分别在700℃和650℃以上；油页岩在鼓泡床内热解产生页岩油蒸汽、水蒸汽、瓦斯和半焦，页岩油蒸汽、水蒸汽、瓦斯组成的气态物与循环瓦斯和少量固体粉末一起由鼓泡床顶部导入气液分离器，冷凝下来的页岩油、水与固体粉末一起由气液分离器底部出口进入油水分离器，分离形成页岩油、水和油污泥，页岩油外供，分离出来的水作为冷却水返回气液分离器，油水分离器底部沉积的油污泥间断性地送往鼓泡床重新受热以回收油污泥中的页岩油；气液分离器排出的瓦斯导入瓦斯储罐，分三路排出：一部分作为燃料送入瓦斯燃烧器，一部分作为热载体经循环瓦斯换热器、外置式气固换热器加热至650℃以上后由鼓泡床底部送入鼓泡床，剩余瓦斯外供；鼓泡床产生的半焦温度介于450℃～600℃，由其溢流口排出进入循环流化床内燃烧、放热，产生的底渣排入外置式气固换热器，燃烧产生的烟气与瓦斯燃烧器燃烧产生的烟气一起携带飞灰由循环流化床出口进入气固分离器，分离下来飞灰落入页岩灰仓存放，页岩灰仓飞灰出口分成三路：一路作为热载体送入鼓泡床，一路作为循环灰送入返料阀，剩余飞灰全部送入外置式气固换热器；气固分离器排出的热烟气流经尾部受热面，最后排入大气；尾部受热面产生高温蒸汽用于供热和发电；外置式气固换热器排出的冷灰作为建筑和化工行业的原料。

3.2 组合系统的分析

与传统的油页岩低温干馏炼油技术和燃烧发电技术相比，该油页岩综合利用系统具有以下几个突出优点。

1)充分考虑了各子系统之间的衔接问题，实现了油页岩资源的炼油、制瓦斯、发电、供热、建材的科学利用以及工业污水、油污泥的循环利用，具有高的经济、社会和环境效益。

2)油页岩干馏产生的高温半焦直接输送入循环流化床内燃烧，减少了其他干馏技术存在的中途能量损失和环境污染问题，而且高温半焦直接进入循环流化床燃烧，降低了燃料的着火热。

3)系统以页岩灰和瓦斯作为干馏热载体，调节灵活，提高了干馏产品的品质。

4)采用循环流化床燃烧处理油页岩半焦，燃烧效率高，且属低温燃烧，可有效控制热力NOX的生成与排放，同时有利于保持页岩灰渣的活性，便于进一步利用。

4 结论

本文分析了油页岩综合利用系统的工作原理，结合油页岩特性和油页岩干馏、半焦燃烧技术现状和研究成果，明确提出油页岩热化学转化技术、油页岩半焦燃烧技术、页岩灰利用技术和综合利用系统运行参数的优化是构建整个综合利用系统的技术关键。综合考虑各影响因素，提出了油页岩鼓泡床干馏及半焦循环流化床燃烧组合系统：以鼓泡床作为油页岩干馏炉、以循环流化床作为半焦燃烧利用装置、以循环流化床燃烧生成的热灰和循环热瓦斯共同作为干馏炉热载体，油页岩颗粒在鼓泡床内受热分解，产生的气态物经气液分离器、油水分离器分离成瓦斯、页岩油、水和油污泥，鼓泡床底部排出的半焦直接送入循环流化床内燃烧，产生的高温烟气与瓦斯燃烧器排入的高温烟气混合后进入气固分离器，分离下来的飞灰分别送往鼓泡床、返料阀和外置式气固换热器，除尘后的烟气流经尾部受热面，产生的蒸汽用于发电、供热。与现有技术相比，该技术路线能提高页岩油和瓦斯品质，有效降低系统能量损失和环境污染，是一种有效的油页岩综合利用新技术。

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