油頁巖開發利用技術及系統集成的研究進展

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)

?

油頁巖開發利用技術及系統集成的研究進展

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、半焦燃燒發電、頁巖油氣提質、灰渣生產建材和化工品等工藝技術進行集成，可提升能效、改善經濟效益，符合我國能源發展戰略需求，具有廣闊應用前景。本文專題論述在油頁巖開發利用過程中主要關鍵單元技術，系統集成技術的現狀及研究進展。為深入研究和高效環保開發利用油頁巖資源提供理論和技術基礎。

關鍵詞：油頁巖；干餾；系統集成；頁巖油提質；干餾氣提質

2015-06-03收到初稿，2015-07-23收到修改稿。

聯系人：錢宇。第一作者：楊慶春(1990—)，男，博士研究生。

Received date: 2015-06-03.

引 言

隨著我國社會和經濟快速發展，石油資源日趨緊缺，非常規油氣資源的開發利用得到重視。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]，其開發利用對我國替代油氣戰略新興產業、緩解我國油氣資源短缺問題具有支撐作用與戰略意義。

我國對油頁巖開發利用已有近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，各地頁巖油生產狀況如表1所示。此外，油頁巖還可作為燃料發電，且其廢棄物灰渣還可用于生產建材和化學品。但目前為止，油頁巖工業利用僅是將油頁巖煉油、燃燒發電、灰渣綜合利用等單獨零星的小規模應用，尚未形成產業鏈規模[5-6]。單一產品技術的技術不完善，導致資源利用率低、環境污染嚴重，制約著油頁巖資源的大規模開發與利用和可持續發展[7]。根據油頁巖的物化特性，并結合我國能源發展戰略的需求，作者提出油頁巖工業更適宜走“油頁巖干餾—半焦燃燒—油氣提質—灰渣綜合利用”的系統集成路線。該過程集成油頁巖干餾、油頁巖/半焦燃燒、頁巖油提質、干餾氣提質和灰渣利用等技術，具有油頁巖資源利用率高、產品種類豐富、污染物排放量低等優點。

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

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

本文將綜述和評論油頁巖開發利用關鍵的單元技術和系統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、干餾氣提質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業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 油頁巖開發利用的關鍵單元技術

油頁巖開發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、頁巖油提質技術、干餾氣提質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階段，短時間很難實現規模化[1]，不在本文討論。地上干餾已有工業化，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，我國絕大多數采用的是撫順爐氣體熱載體干餾技術，少數采用瓦斯全循環爐。而在國外還有采用Petrosix技術、Kiviter技術等氣體熱載體干餾技術。針對國內技術現狀，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氣和熱發生氣（在氣化段空氣與半焦發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，經干餾爐的頂部進入爐內，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、水蒸氣等發生還原反應，產生CO、H2等。干餾爐產生的油氣混合物，經過冷凝回收系統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，另一部分作為循環干餾氣循環使用。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小（僅為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，該技術還存在循環干餾氣換熱時，干餾氣中殘存的頁巖油在高溫下裂解產生炭黑和氫氣，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，工業化的固體熱載體干餾技術主要有ATP技術和Galoter技術；國內自主研發的大工（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油頁巖的工業實驗裝置，年產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，燃燒產生的頁巖灰，大部分作為熱載體循環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；冷凝回收系統負荷小；干餾過程產生的廢物少，屬于環境友好型技術。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，國內還從加拿大引進一套ATP爐。目前，該裝置正在試產中，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，其中的自由水變為蒸汽被去除。在干餾段，油頁巖與750℃頁巖灰混合而被加熱至500℃，油頁巖干餾生產頁巖油氣和半焦。油氣導出進入冷凝回收系統，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、瓦斯全循環爐技術和DG技術，文獻[24-25]從技術經濟等角度，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%；瓦斯全循環爐工藝的?效率處于中間。在經濟方面，瓦斯全循環爐工藝的設備投資最高，其次是DG工藝和撫順爐；DG工藝的生產成本最高，其次是瓦斯全循環爐工藝和撫順爐工藝。

油頁巖除了用于干餾煉油外，還可用于燃燒發電。國內油頁巖燃燒發電技術主要包括油頁巖單獨燃燒發電和油頁巖混燒發電兩種。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，煉油經濟效益高于單純燃燒發電，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[37-39]等不同摻混比例的混燒發電。

1.3 頁巖油提質技術

國內學者[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含量低)的特點，正在探索頁巖油柴油餾分加氫提質、全餾分加氫裂化提質和全餾分加氫精制串聯催化裂化提質3種頁巖油加氫提質技術。

(1)柴油餾分加氫提質技術。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。研究發現：①撫順和樺甸頁巖油柴油餾分加氫提質后，可作為優質清潔柴油直接使用[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和優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，發現催化劑孔徑在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，總液體產品收率、柴油餾分收率呈現先增加后減少的規律。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，可作為生產優質柴油的原料。

（3）頁巖油全餾分加氫精制串聯催化裂化提質技術。趙桂芳等[47]采用一段串聯加氫工藝，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%，且柴油產品性質均滿足GB 252—2000 柴油質量標準。此外，他們采用加氫裂化-加氫處理反序串聯(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工藝試驗[40]。結果表明，采用反序串聯(FHC-FHT)組合工藝技術對頁巖油進行加氫裂化制取輕質餾分油是可行的；主要目的產品160～370℃中間餾分油總收率高達81.29%，硫質量分數<10 μg·g-1，十六烷值59.0均符合歐V 清潔柴油標準要求[40]。國內撫順礦業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 干餾氣提質技術

油頁巖干餾技術還副產較多的干餾氣。但氣體熱載體干餾技術產生的干餾氣熱值較低，1 m3干餾氣的發電量約為1 m3天然氣的1/12，因此將氣體熱載體干餾技術產生的干餾氣用于燃燒發電并不能有效提高過程經濟效益[2]。近年來，越來越多的學者提出，應對干餾氣進行提質，生產高價值的化工產品[12,48]。考慮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)發生還原反應，金屬氧化物被還原為低價態的金屬氧化物或金屬單質(MeOx-a)；在蒸汽反應器中，金屬單質或低價態金屬氧化物被部分氧化(MeOx-a+b) ，產生氫氣

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氧化（MeOx）。

中國科學院過程工程研究所的蘇發兵及其團隊將干餾氣用于提質制甲烷，開發了系列具有高活性、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 油頁巖開發利用系統集成技術

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

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

圖3 油頁巖開發與利用系統集成技術示意圖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]。該系統集成技術以傳統油頁巖煉制(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濟效益。該技術的工藝流程如圖4所示。油頁巖干餾過程產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過程得到柴油、石腦油和液化石油氣LPG，剩余的氫氣作為產品外銷。CaO再生反應器所需的熱量則由干餾過程產生的碎屑頁巖以及PSA過程中未回收的H2提供。對OSR-RGSR過程進行技術經濟分析表明，干餾氣制氫和高品質的油品，使得新過程比傳統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等將高價態載氧體（Fe2O3）還原成低價態的Fe金屬；Fe再進入蒸汽反應器與水蒸氣反應產生氫氣，載氧體被部分氧化為Fe3O4；部分氧化的載氧體Fe3O4繼續進入空氣反應器與空氣中氧氣反應生成Fe2O3，實現載氧體的循環過程。燃料反應器和水蒸氣反應器的出口氣分別進入發電單元，產生電力和蒸汽。空氣反應器氧化反應過程釋放的能量，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電單元的余熱回收裝置，進行余熱回收產生蒸汽。蒸汽再循環進入蒸汽反應器。

對OSR-CLH過程進行了建模與技術經濟分析，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%。在經濟方面，作者分析了OSR-CLH過程在兩種情境下的經濟性能：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合發電單元，增加了投資和生產成本，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，生產頁巖油和干餾氣。兩種干餾技術產生的油氣混合物除塵后，一起進入油氣分離單元，生產頁巖油。在此基礎之上，集成燃氣-蒸汽聯合發電單元，實現油-電聯產。新過程通過“變廢為寶”，生產更多的頁巖油和副產電力，提高傳統油頁巖煉制過程的經濟效益。相比于現有的FsOSR，OSRGS過程具有以下優勢：①OSRGS過程可提高油頁巖利用率和頁巖油產率。②OSRGS過程還可減少SOx、NOx等污染物的排放，保證發電單元長期可靠的運行。③ 提高過程的經濟效益。

通過對OSRGS過程進行建模模擬與技術經濟分析，與傳統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%；在經濟性能方面，盡管投資費用和生產成本有所增加，但是OSRGS過程可多生產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能源，在我國開發與利用已起步，但如何高效環保經濟開發利用值得深入研究。本文評述了近年來國內外油頁巖干餾、油頁巖/半焦燃燒、頁巖油氣提質和灰渣綜合利用等關鍵單元技術現狀和研究成果。針對油頁巖加工技術相對落后、粗糙和離散的現狀，提出了油頁巖開發利用系統集成技術：干餾氣提質制氫；頁巖油加氫提質；油頁巖/半焦燃燒供熱發電；灰渣生產建材和化學品。指明了系統集成技術具有較高的資源效益、經濟效益和環境效益。通過進一步優化流程和攻克技術難點，油頁巖開發利用系統集成技術應用前景十分廣闊。

References

[1] MULCHANDANI H, BRANDT A R. Oil shale as an energy resource in a CO2constrained world: the concept of electricity production with in situ carbon capture [J]. Energy & Fuels, 2011, 25(4): 1633-1641.

[2] 錢家麟, 尹亮, 王劍秋, 等. 油頁巖——石油的補充能源 [M]. 北京: 中國石化出版社, 2008. QIAN J L, YI L, WANG J Q, et al. Oil Shale: Complementary Energy of Petroleum [M]. Beijing: China Petrochemical Press, 2008.

[3] 李術元, 唐勛, 何繼來, 等. 世界油頁巖開發利用的近況——并記2012年國外兩次油頁巖國際會議 [J].中外能源, 2013, 18(1): 3-11. LI S Y, TANG X, HE J L, et al. Current status of the world’s exploration and utilization of oil shale — a review of two oil shale international symposiums held in 2012 [J]. Sino-Global Energy, 2013, 18(1): 3-11.

[4] 侯吉禮, 馬躍, 李術元, 等. 世界油頁巖資源的開發利用現狀 [J].化工進展, 2015, 34(5): 1183-1190. HOU J L, MA Y, LI S Y, et al. Development and utilization of oil shale worldwide [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2015, 34(5): 1183-1190.

[5] 孫鍵, 王擎, 孫東紅, 等. 油頁巖綜合利用集成技術與循環經濟[J].現代電力, 2007, 24(5): 57-67. SU J, WANG Q, SUN D H, et al. Integrated technology for oil shale comprehensive utilization and cycling economy [J]. Modern Electric Power, 2007, 24(5): 57-67.

[6] 張立棟, 劉洪鵬, 賈春霞, 等. 我國油頁巖綜合利用相關研究進展[J].化工進展, 2012, 31(11): 2359-2363. ZHANG L D, LIU H P, JIA C X, et al. Research progress of comprehensive utilization of oil shale in China [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2012, 31(11): 2359-2363.

[7] 楊慶春, 張俊, 楊思宇, 等. 油頁巖綜合利用過程建模與技術經濟分析 [J].化工學報, 2014, 65(7): 2793-2801. YANG Q C, ZHANG J, YANG S Y, et al. Modeling and techno-economic analysis for comprehensive utilization process of oil shale [J]. CIESC Journal, 2014, 65(7): 2793-2801.

[8] 白章, 柏靜儒, 王擎, 等. 撫順式油頁巖干餾工藝系統模擬及分析[J].中國電機工程學報, 2014, 34(14): 2228-2233. BAI Z, BAI J R, WANG Q, et al. Process simulation and analysis of the Fushun-type oil shale retorting system [J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(14): 2228-2233.

[9] LAI D, CHEN Z, LIN L, et al. Secondary cracking and upgrading of shale oil from pyrolyzing oil shale over shale ash [J]. Energy Fuels, 2015, 29(4): 2219-2226.

[10] HAN X X, KULAOTS I, JIANG X M, et al. Review of oil shale semicoke and its combustion utilization [J]. Fuel, 2014, 126: 143-161.

[11] QIAN Y, YANG Q C, ZHANG J, et al. Development of an integrated oil shale refinery process with coal gasification for hydrogen production [J]. Industry & Engineering Chemistry Research, 2014, 53: 19970-19978.

[12] YANG S Y, ZHANG J, YANG Q C, et al. Development of an integrated oil shale refinery with retorting gas steam reforming for hydrogen production [J]. Energy & Fuels, 2014, 28: 5557-5564.

[13] YANG Q C, QIAN Y, ZHOU H R, et al. Development of an oil shale retorting process integrated with chemical looping for hydrogen production [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2015, 54: 6156-6164.

[14] YANG Q C, QIAN Y, ZHOU H R, et al. Development of an oil shale retorting process coupling gas and solid heat carrier technologies [J]. Energy & Fuels, 2015, 29: 6155-6163.

[15] 傅岳龍, 趙增迎. 利用油頁巖渣制備水泥膠凝材料的實驗研究 [J].山西建筑, 2010, (29): 152-153. FU Y L, ZHAO Z Y. Research on experiments of cement binders by using oil shale residue [J]. Shanxi Architecture, 2010, (29): 152-153.

[16] 張秋民, 關珺, 何德民. 幾種典型的油頁巖干餾技術 [J].吉林大學學報(地球科學版), 2006, 36(6): 1019-1026. ZHANG Q M, GUAN J, HE D M. Typical technologies for oil shale retorting [J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2006, 36(6): 1019-1026.

[17] 秦宏, 岳耀奎, 劉洪鵬, 等. 中國油頁巖干餾技術現狀與發展趨勢[J].化工進展, 2015, 34(5): 1191-1198. QIN H, YUE Y K, LIU H P, et al. Current status and prospect of oilshale retorting technologies in China [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2015, 34(5): 1191-1198.

[18] 錢家麟, 李術元, 郭紹輝, 等.油頁巖干餾煉油工藝 [M]. 北京: 中國石化出版社, 2014. QIAN J L, LI S Y, GUO S H, et al. Oil Shale Retorting Technologies [M]. Beijing: China Petrochemical Press, 2014.

[19] 吳啟成. 油頁巖干餾技術[M]. 沈陽: 遼寧科學技術出版社, 2012. WU Q C. Oil Shale Retorting Technology[M]. Shenyang: Liaoning Science and Technology Press, 2012.

[20] 吳啟成. 瓦斯全循環油頁巖分級干餾工藝及裝置 [M]. 北京: 地質出版社, 2011. WU Q C. Oil Shale Full Cycle Gas Retorting Process and Devices [M]. Beijing: Geological Publishing Press, 2011.

[21] 李術元, 何繼來, 侯吉禮, 等. 世界油頁巖勘探開發加工利用近況——并記2014年國外兩次油頁巖國際會議 [J].中外能源, 2015, 20(1): 25-32. LI S Y, HE J L, HOU J L, et al. Current status of the world’s exploration and utilization of oil shale — a review of two oil shale international symposiums held in 2014 [J]. Sino-Global Energy, 2015, 20(1): 25-32.

[22] 王擎, 王海剛, 孫佰仲, 等. 油頁巖及其半焦混燒特性的熱重試驗研究和動力學分析 [J].化工學報, 2007, 58(11): 2882-2888. WANG Q, WANG H G, SUN B Z, et al. Thermo-gravimetric study and kinetic analysis of blended combustion characteristics of oil shale and semi-coke [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 2007, 58(11): 2882-2888.

[23] 韓曉輝, 盧桂萍, 孫朝輝, 等. 國外油頁巖干餾工藝研究開發進展[J].中外能源, 2011, 16(4): 69-74. HAN X H, LU G P, SUN Z H, et al. Progress in research and development of oil shale retorting technology abroad [J]. Sino-Global Energy, 2011, 16(4): 69-74.

[24] LI X X, ZHOU H R, WANG Y J, et al. Thermoeconomic analysis of oil shale retorting processes with gas or solid heat carrier [J]. Energy, 2015, 87: 605-614.

[25] 周懷榮, 張俊, 楊思宇. 油頁巖煉制過程技術經濟分析 [J].化工進展, 2015, 34(3): 684-688. ZHOU H R, ZHANG J, YANG S Y. Techno-economic analysis of oil shale retorting process [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2015, 34(3): 684-688.

[26] 韓向新,姜秀民,崔志剛. 油頁巖顆粒燃燒的高溫段多相燃燒模型[J].哈爾濱工業大學學報, 2007, 39(9): 1470-1472. HAN X X, JIANG X M, CUI Z G. Heterogeneous combustion model for the high-temperature stage of oil shale particle combustion [J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2007, 39(9): 1470-1472.

[27] 韓向新,姜秀民,崔志剛, 等. 油頁巖顆粒孔隙結構在燃燒過程中的變化 [J].中國電機工程學報, 2007, 27(2): 26-30. HAN X X, JIANG X M, CUI Z G, et al. Evolution of pore structure of oi1 shale particles during combustion [J]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(2): 26-30.

[28] 于海龍, 姜秀民. 顆粒粒度對油頁巖燃燒特性的影響 [J].動力工程, 2007, 27(4): 640-644. YU H L, JIANG X M. Influence of oil shale’s granularity on its combustion property [J]. Journal of Power Engineering, 2007, 27(4): 640-644.

[29] WANG S, JIANG X M, HAN X X, et al. Investigation of Chinese oil shale resources comprehensive utilization performance [J]. Energy, 2012, 42: 224-232.

[30] 孫保民, 孫佰仲, 王擎, 等. 油頁巖和半焦著火特性實驗研究 [J].中國電機工程學報, 2008, 28(26): 59-64. SUN B M, SUN B Z, WANG Q, et al. Experiment study on ignition characteristics of oil shale and semi-coke [J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(26): 59-64.

[31] WANG Q, ZHAO W Z, LIU H P, et al. Interactions and kinetic analysis of oil shale semi-coke with cornstalk during co-combustion [J]. Applied Energy, 2011, 88(6): 2080-2087.

[32] 王擎, 鄒永文, 孫佰仲, 等. 油頁巖半焦循環流化床熱力參數分布特性 [J].鍋爐技術, 2011, 42(5): 28-31. WANG Q, ZOU Y W, SUN B Z, et al. The distributing characteristics of thermal parameters in oil shale semi-coke CFB [J]. Boiler Technology, 2011, 42(5): 28-31.

[33] 鄧雨生, 陸偉群. 石油焦與油頁巖流化床混燒特性研究 [J].鍋爐技術, 2011, 42(3): 43-46. DENG Y S, LU W Q. Study on combust ion property of mixture of petroleum coke and oil shale [J]. Boiler Technology, 2011, 42(3): 43-46.

[34] 鄧雨生. 410t/h循環流化床鍋爐混燒石油焦油頁巖熱力性能試驗分析 [J].動力工程學報, 2011, 31(6): 410-415. DENG Y S. Thermal performance of a 410 t/h CFB boiler burning mixed fuel of petroleum coke and oil shale [J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2011, 31(6): 410-415.

[35] 孫佰仲, 王擎, 申朋宇, 等. 油頁巖干餾殘渣與煙煤混合燃燒試驗研究 [J].煤炭學報, 2010, 35(3): 476-480. SUN B Z, WANG Q, SHEN P Y, et al. Experimental investigation on combustion characteristics of oil shale semi-coke and bituminous coal blends [J]. Journal of China Coal Society, 2010, 35(3): 476-480.

[36] 孫佰仲, 石興立, 黃志榮, 等. 油頁巖干餾殘渣與煙煤的混燒試驗研究 [J].東北電力大學學報, 2012, 32(2): 16-20. SUN B Z, SHI L X, HUANG Z R, et al. Experimental investigation on combustion characteristics of oil shale semi-coke and bituminous coal blends [J]. Journal of Northeast Dianli University, 2012, 32(2): 16-20.

[37] 劉洪鵬, 李惟毅, 趙衛振, 等. 油頁巖干餾殘渣與玉米秸稈混燒特性 [J].燃燒科學與技術, 2011, 17(3): 255-261. LIU H P, LI W Y, ZHAO W Z, et al. Combustion characteristics of oil shale semi-coke and cornstalk blends [J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2011, 17(3): 255-261.

[38] 王擎, 宣陽, 劉洪鵬, 等. 油頁巖干餾殘渣和生物質混燒污染物釋放特性研究 [J].動力工程學報, 2014, 34(2): 128-133. WANG Q, XUAN Y, LIU H P, et al. Study on pollutant emission characteristics of oil shale semi-coke and biomass blends [J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2014, 34(2): 128-133.

[39] 王擎, 宣陽, 劉洪鵬, 等. 油頁巖干餾殘渣和稻草混燒動力學解析[J].電站系統工程, 2015, 31(1): 12-14. WANG Q, XUAN Y, LIU H P, et al. Kinetic and numerical simulation analysis of co-firing of oil shale retorting residue and rice straws [J]. Power System Engineering, 2015, 31(1): 12-14.

[40] 趙桂芳, 蘇重時, 全輝. 用反序串聯(FHC-FHT)加氫組合工藝技術加工頁巖油的研究 [J].煉油技術與工程, 2012, 42(12): 36-38. ZHAO G F, SU C S, QUAN H. Study on shale oil processing by single-stage reverse sequencing combination hydrocrackinghydrotreating process (FHC-FHT) [J]. Petroleum Refinery Engineering, 2012, 42(12): 36-38.

[41] 于航, 李術元, 靳廣州, 等. 樺甸頁巖油柴油餾分加氫精制生產清潔燃料油的研究 [J].燃料化學學報, 2010, 38(3): 297-301. YU H, LI S Y, JIN G Z, et al. Hydrotreating of the diesel distillate from Huadian shale oil for production of clean fuel [J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2010, 38(3): 297-301.

[42] 于航, 李術元, 靳廣州, 等. 撫順頁巖油柴油餾分加氫精制的工藝條件 [J]. 石油學報(石油加工), 2010, 26(3): 403-406. YU H, LI S Y, JIN G Z, et al. Reaction conditions for catalytic hydrotreating of diesel distillate from Fushun shale oil [J]. Acta Petrolei Sinica(Petroleum Processing Section), 2010, 26(3): 403-406.

[43] 于航, 李術元, 靳廣州, 等. 樺甸頁巖油柴油餾分中氮化物的加氫反應性能 [J].石油化工, 2010, 39(2): 162-166. YU H, LI S Y, JIN G Z, et al. Hydrotreating of nitrides in diesel distillate in Huadian shale oil [J]. Petrochemical Technology, 2010, 39(2): 162-166.

[44] 于航, 李術元, 靳廣州, 等. 撫順頁巖油柴油餾分加氫脫硫動力學[J]. 石油學報(石油加工), 2011, 27(6): 924-928. YU H, LI S Y, JIN G Z, et al. Kinetic of hydrodesulfurization of diesel distillate from Fushun shale oil [J]. Acta Petrolei Sinica(Petroleum Processing Section), 2011, 27(6): 924-928.

[45] 白君君, 喬慶東. NiW/Al-PILC催化劑的頁巖油加氫性能 [J]. 工業催化, 2010, 18(11): 55-57. BAI J J, QIAO Q S. Performance of the NiW/Al-PILC catalyst in shale oil hydrogenation [J]. Industrial Catalysis, 2010, 18(11): 55-57.

[46] 白君君, 喬慶東, 于廷云, 等. 層柱黏土催化劑在頁巖油加氫裂化中的研究 [J].化學與黏合, 2011, 33(3): 37-39. BAI J J, QIAO Q S, YU T Y, et al. The study on PILC catalyst in hydrogenation cracking progress of shale oil [J]. Chemistry and Adhesion, 2011, 33(3): 37-39.

[47] 趙桂芳, 蘇重時, 劉灝. 頁巖油加氫裂化生產柴油的研究 [J].當代化工, 2007, 36(4): 361-362,366. ZHAO G F, SU C S, LIU H. Study on diesel production by shale oil hydrocracking [J]. Contemporary Chemical Industry, 2007, 36(4): 361-362,366.

[48] LIU Q, GAO J J, ZHANG M J, et al. Highly active and stable Ni/γ-Al2O3catalysts selectively deposited with CeO2for CO methanation [J]. RSC Advances, 2014, 4: 16094–16103.

[49] 楊思宇, 張俊, 錢宇. 一種以油頁巖干餾氣制氫提質的集成煉制系統及工藝: 201410234132.0[P]. 2014-08-27. YANG S Y, ZHANG J, QIAN Y. An integrated oil shale refinery process with retorting gas steam reforming for hydrogen production: 201410234132.0[P]. 2014-08-27.

[50] LIU Q, GU F N, LU X P, et al. Enhanced catalytic performances of Ni/Al2O3catalyst via addition of V2O3for CO methanation [J]. Applied Catalysis A: General, 2014, 488: 37-47.

[51] LIU Q, GU F N, LU X P, et al. Coking-resistant Ni-ZrO2/Al2O3catalyst for CO methanation [J]. Journal of Energy Chemistry, 2014, 23(6): 761-770.

[52] 蘇達根, 楊東生. 含稀土油母頁巖渣在水泥工業中的應用研究 [J].華南理工大學學報(自然科學版), 1995, 23(2): 139-144. SU D G, YANG D S. Research on utilization of oil shale waste containing rare earth in cement industry [J]. Journal of South China University of Technology(Nature Science Edition), 1995, 23(2): 139-144.

[53] 賈昌梅, 陳梅芹, 鐘華文. 油頁巖渣資源綜合利用研究進展 [J].廣東化工, 2012, 39 (18): 76-77. JIA C M, CHEN M Q, ZHONG H W. Progresses on comprehensive utilization of oil shale ash [J]. Guangdong Chemical Industry, 2012, 39 (18): 76-77.

[54] 柏靜儒, 王擎, 秦宏, 等. 油頁巖飛灰對重金屬離子的吸附動力學及熱力學 [J].燃料化學學報, 2011, 39(5): 378-384. BAI J R, WANG Q, QIN H, et al. Kinetics and thermodynamics of adsorption of heavy metal ions onto fly ash from oil shale [J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2011, 39(5): 378-384.

[55] TONG S, LIU L L, WANG L L, et al. Preparation of a novel inorganic polymer coagulant from oil shale ash [J]. Journal of Hazardous Materials, 2011, 185: 1264-1272.

[56] LEE D K, BAEK I H, YOON W L. Modeling and simulation for the methane steam reforming enhanced by in situ CO2removal utilizing the CaO carbonation for H2production [J]. Chemical Engineering Science, 2004, 59: 931-942.

[57] 楊思宇, 楊慶春, 錢宇. 一種油頁巖干餾氣化學鏈制氫聯合發電系統及工藝: 201410436632.2 [P]. 2014-12-10. YANG S Y, YANG Q C, QIAN Y. An oil shale retorting process integrated with chemical looping for hydrogen production: 201410436632.2 [P]. 2014-12-10.

[58] 楊思宇, 楊慶春, 錢宇. 一種固體熱載體油頁巖煉制集成干餾氣制氫系統及工藝: 201410652443.9[P]. 2015-03-04. YANG S Y, YANG Q C, QIAN Y. An oil shale retorting process coupling gas and solid heat carrier technologies: 201410652443.9[P]. 2015-03-04.

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