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世界页岩油的勘探与工业发展 0 聚合物型聚酯纤维将作为燃料油的原料 岩墙岩也称为油土岩，是一种含有有机质（通常约15%）的沉积岩。通常属于高矿物的腐渣岩，为低热值固体化石燃料，颜色为浅灰和深棕色。油页岩含两种有机质: 一为沥青,可溶于有机溶剂, 其相对含量很少, 约占有机质的百分之几; 另一种为不溶于有机溶剂的高分子聚合物,称为油母(kerogen)。油页岩的无机矿物质主要有石英、高岭土、粘土、云母、碳酸盐岩以及硫铁矿等; 油页岩中无机矿物质的质量分数约占50%~85%, 高于其有机质的质量分数。油页岩是“人造石油”,亦即“合成液体燃料”(synfuel) 的一种重要原料, 其经加热干馏(约500℃) 后,所含油母分解生成页岩油及干馏气和页岩半焦;页岩油可作为燃料油, 亦可进一步加工制取汽、柴油和化学品。油页岩也可作为锅炉燃料,在炉内燃烧产生蒸汽发电。 1 油页岩的相对重要性 世界油页岩资源丰富, 其矿藏遍及各地, 但其分布并不均衡。根据截至2005年底已发表的统计数据, 共计37个国家的探明油页岩储量总和换算成页岩油约410 Gt, 数倍于世界石油探明可采储量160 Gt。经详细勘查,美国油页岩资源探明储量居世界首位, 换算成页岩油高达 300 Gt。其次则为俄罗斯(页岩油39 Gt)、扎伊尔(14 Gt)、巴西(12 Gt)、加拿大(6.3 Gt)、约旦(4.8 Gt)、澳大利亚(2.9 Gt)和中国 (2.4 Gt)。应该指出的是, 中国的油页岩探明储量换算成页岩油为2.4 Gt, 相当于中国石油的探明可采储量2.3 Gt。中国页岩油资源为47.6 Gt,其中查明资源2.7 Gt1。 2 干馏炉的分类 油页岩干馏分为地下干馏(underground retorting)和地上干馏(upground retorting)。地下干馏是指埋藏于地下的油页岩不经开采,直接在地下设法加热干馏,生成页岩油导至地面。地下干馏亦称就地干馏(in-situ retorting)。地下干馏生成的油气易向地下岩层泄漏, 故油收率不高, 且易导致地下油气污染。虽然美国等做过不少半工业试验, 但始终未工业生产。地上干馏则是指油页岩经露天开采或井下开采,送至地面,经破碎筛分至所需的粒度或块度,进入干馏炉内加热干馏,生成页岩油气及页岩半焦或页岩灰。 油页岩干馏炉可分成外热式炉和内热式炉。外热式炉系指热气体通过炉壁加热在炉内的油页岩而进行干馏; 内热式炉系指气体热载体或固体热载体在炉内直接与油页岩接触、进行干馏。外热式炉的传热效率低,且不易放大,在工业生产上已被淘汰; 当前世界上用于工业生产的炉子都属于内热式炉。 内热式炉又可分为块状页岩干馏炉和颗粒页岩干馏炉。块状页岩干馏通常使用热燃烧气或热干馏气,作为气体热载体进行加热干馏; 颗粒页岩干馏通常使用烧热的页岩灰作为固体热载体进行加热干馏。气体或固体热载体的热源通常来自页岩干馏气或页岩半焦燃烧所发出的热量。块状页岩由于传热系数小、升温速率慢,故干馏所需时间约数小时; 颗粒页岩由于粒度小、升温快,干馏所需时间仅几分钟或十几分钟。干馏温度一般约500℃。 美国、俄罗斯、爱沙尼亚、中国等曾开发多种油页岩干馏炉型。 美国一些大石油公司在20世纪50~70年代曾研发了不少干馏炉型,如联合石油公司的岩石泵型干馏炉日处理量高达1 万t油页岩, 虽曾成功地投入试运,但都未长期生产而停顿。 2.1 岩干馏炉 当前世界上工业运转的气体热载体块状页岩干馏炉有:中国抚顺式炉、爱沙尼亚基维特(Kiviter) 炉、巴西佩特洛瑟克斯(Petrosix) 炉等。 2.1.1 顺边热炉油页岩干馏所需的热量 抚顺式干馏炉亦称抚顺发生式干馏炉, 在中国抚顺已有长达70多年的工业应用历史。炉子为直立圆筒形, 外壁为钢板,内衬耐火砖,内径约5 m,高10 m以上(图1)。 油页岩(块径为10~75 mm)自炉顶加入,自上而下地在炉子上半段(干馏段) 被自下而上的气体热载体加热升温进行干燥、干馏(至温度约500℃); 产生页岩油气自炉上部逸出, 油页岩转化成页岩半焦进入炉子下半段(发生段), 与自炉底进入的空气、水蒸汽相遇而汽化燃烧、生成页岩灰,自炉底的灰皿排出; 空气水蒸汽与页岩半焦中的碳反应生成热的发生气,作为气体热载体进入炉上部加热页岩。此外,在炉中部还引入热的循环气作为补充热载体进入炉上部加热页岩, 该热循环气乃是干馏炉顶出来的油气经冷却冷凝下来页岩油后余下的气体,在一另设的蓄热式加热炉内被加热至500~700℃, 然后进入干馏炉中部而循环使用。因而抚顺炉的特点是油页岩干馏所需的热量有两个热源: 一为页岩半焦所含的部分固定碳与空气燃烧,并与水蒸汽气化,生成热的发生气, 作为气体热载体; 另一热源则来自冷却冷凝后的干馏气在蓄热式炉中燃烧