油砂熱解特性及工藝與裝置研究開發現狀與評述

馬小龍，張自生，高鑫,2,3，李鑫鋼,2,3

（1天津大學化工學院，天津 300072；2精餾技術國家工程研究中心，天津 300072；3天津化學化工協同創新中心，天津 300072）

油砂熱解特性及工藝與裝置研究開發現狀與評述

馬小龍1，張自生1，高鑫1,2,3，李鑫鋼1,2,3

（1天津大學化工學院，天津 300072；2精餾技術國家工程研究中心，天津 300072；3天津化學化工協同創新中心，天津 300072）

油砂是一種儲量巨大的非常規石油資源，油砂熱解技術具有良好的工業化前景。本文概述了油砂熱解的相關基礎研究進展，包括油砂熱解的3個階段、氣液固三相產物的性質及多種油砂熱解動力學模型的總結。分析了常壓干餾、惰性氣體保護熱解、加氫熱解、減壓熱解及復合熱解工藝，簡述了不同工藝對產品收率和產品性質等方面的影響。回顧了油砂熱解的裝置，從固定床、旋轉干餾爐、流化床干餾爐到Alberta Taciuk Process （ATP）裝置，重點介紹了具有不同載熱方式和能量回收方式的旋轉干餾爐和流化床干餾爐。從能源利用效率的角度分析對比了各種熱解工藝和熱解設備的優勢與劣勢，闡明了降低能耗提高能源效率是熱解技術的主要問題，進而提出了旋轉干餾爐和流化床干餾爐具有更好的工業前景。

油砂；熱解；工藝；反應器；旋轉干餾爐；流化床

油砂又名焦油砂或瀝青砂，作為一種非常規石油資源，隨著石油、天然氣等常規化石資源的減少，而越來越受到人們的重視。目前油砂的儲量超過天然石油的探明儲量，主要分布在加拿大、委內瑞拉、美國、俄羅斯等國家，中國也有較為豐富的油砂資源［1］。我國主要油砂產地準格爾盆地0～500m深度內油砂資源量達到11.42億噸，鄂爾多斯盆地0～500m深度內油砂資源量為2.18億噸，并仍有較大的勘探空間［2］。

目前油砂分離技術主要有3種：熱堿水洗法、溶劑萃取法和熱解法［3-8］。熱堿水洗法從20世紀20年代由MASLIYAH等［9］開發后便被廣泛應用于商業化的油砂分離，但其巨大的耗水量和尾礦問題成為限制此技術發展的瓶頸［10］。溶劑萃取法因其溶劑污染和回收能耗等問題，尚處于實驗室研究階段。油砂分為油潤型和水潤型兩種［11］，水洗法對水潤型油砂有很好的分離效果，但對油潤型油砂分離效果不佳，熱解法則適用于所有類型的油砂。熱解技術已被廣泛應用于有機物的回收利用和分離領域，生物質、油頁巖、煤、渣油、廢舊輪胎和城市垃圾的熱解等方面［12-17］。近年來，油砂熱解技術因其污染小適用范圍廣且易于工業化而受到越來越多研究者的關注，但熱解技術的能量利用效率是該方法能否廣泛使用的關鍵問題。

油砂熱解是以消耗熱能為代價，以達到油砂瀝青和砂粒分離的目的。熱解過程包含水分的蒸發、瀝青質受熱在砂粒表面流動、輕組分的蒸發、重組分的裂解蒸發等物理和化學過程。油砂熱解的設備也在朝著提高油品收率、節能、便于工業化方向發展。本文針對油砂熱解技術和設備進行了總結分析與評述，重點介紹了各種形式的旋轉干餾爐和流化床干餾爐，以期為我國油砂熱解領域的深入研究和工業化推廣提供參考。

1　油砂熱解基礎研究

油砂熱解是通過加熱的方式使油砂瀝青的輕組分在高溫下汽化，重組分在高溫下先裂解成輕組分同時在砂粒表面結焦，同時熱解產生的輕組分汽化，氣相產物在高溫下繼續裂解成小分子烴類。目前普遍認為油砂熱解過程可分為如下3個階段［18-19］：室溫～150℃，是油砂的脫水階段；150～350℃，是輕組分的揮發和較弱的化學鍵斷裂階段；350～520℃，是油砂瀝青主要的熱解產油階段。

油砂熱解機理遵從自由基反應機理。氣相產物經過冷凝系統，高沸點組分（一般＞C4）被冷凝成液態產物，即熱解油；低沸點組分（一般≤C4）不易被冷凝系統冷凝，作為氣態產物，亦稱干氣。熱解同時生成的焦炭作為固體產物與砂粒混在一起，不易被回收利用。

1.1氣體產物

油砂熱解的氣體產物主要成分為氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯和乙烷［20］，并且氣體釋放順序為二氧化碳、一氧化碳、乙烷、甲烷和氫氣［21］。對熱解的氣體產物的紅外光譜進行分析，發現二氧化碳分別在450℃和800℃附近產生兩個析出峰，首個析出峰是由于羧基等含氧官能團熱解，第二個析出峰是由于砂粒中的碳酸鈣分解；甲烷在500℃附近產生析出峰；一氧化碳分別在500℃和800℃產生兩個析出峰；氫氣生成的范圍比較寬，主要是瀝青質縮聚的產物［22］。

1.2液體產物

油砂熱解后油品質量明顯提升，黏度降低。盧紅杰等［23］對印尼油砂的熱解油性質進行了考察，油品性質較輕，汽柴油約占70%，熱解油的初餾點和終餾點分別為36℃和500℃。白翔等［21］對新疆托里油砂進行分段熱解，發現油砂的熱解油品質較好，芳香度較低，脂肪側鏈的平均長度小于10個碳鏈，且支鏈化程度較低。油砂熱解油性質優良。李海英等［24］對熱解油進行了評價分析，其API度為27.9，十六烷值為51，閃點大于100℃，運動黏度為4mm2/s，可見其具有較好的發火性能、較好的流動性和良好的安全性。液體產物中不含瀝青質，而且氫碳比也比原料明顯提高［20］。

1.3固體產物

油砂熱解產生的焦炭與砂粒混在一起，較難分離和利用，通常直接作為燃料給熱解反應器提供熱量。不同終溫下的熱解半焦比表面積和比孔容變化趨勢相近，從100℃到400℃，比表面積先升后降再升高，但變化非常緩慢，300℃至450℃比表面積迅速增加，由此可以推斷此區間為油砂熱解高速率階段，550℃時比表面積呈緩慢下降趨勢，熱解速率降低，熱塑性物質和有機物蒸氣再凝結阻塞了固體孔道，650℃之后，孔道再次打開，比表面積略有升高［22，25］。對熱解固體產物的研究有利于研究有機物蒸氣在油砂顆粒團中的擴散，縮短蒸氣在油砂顆粒團孔道內的停留時間，將有利于減少焦炭和干氣的產生。

1.4油砂中瀝青質的熱解

按照國際標準ASTM D4124-01［26］，油砂瀝青可分為飽和分、芳香分、膠質和瀝青質，瀝青質作為油砂瀝青中最主要的生焦組分，其相關研究是熱解過程的熱點。WANG等［27］通過分析瀝青質熱解數據，推導出焦炭收率和瀝青質熱解轉化率之間的關系。ZHAO等［28］對瀝青質的熱解構建了二級反應動力學模型，適用于較長的反應時間。

1.5油砂熱解動力學

油砂熱解動力學模型一般是從熱重數據得到的，對動力學的研究可以指導工業放大，通過對動力學參數的分析，也可以推測出油砂熱解的性質。目前普遍認為油砂熱解模型可以用總包一級反應動力學模型很好的擬合［29-32］。隨著熱解升溫速率的提升，其熱解的活化能和指前因子都將變大。郭秀英等［33］比較了DEAM、FWO和Coats-Redfern 3種動力學模型，發現DEAM和FWO模型對油砂熱解擬合較好，活化能的計算值比較接近，而Coats-Redfern模型的擬合度沒有前兩者高，其機理函數需要進一步完善。

2　油砂熱解工藝

目前油砂熱解工藝研究和開發最關鍵是要提高熱解油品收率，減少有機蒸氣的二次反應，減少在油砂瀝青膜層內的結焦率，同時提升油品性質。通過惰性氣體吹掃、降低壓力等方式縮短熱解產物在反應器內的停留時間防止過度裂解成干氣，以達到提高油品收率的目的。在氫氣的氣氛下進行熱解，可以提升油品性質。

2.1常壓干餾

常壓干餾是指常壓下，在隔絕空氣的情況下的熱解過程。干餾技術相對簡單，對設備要求較低，煤和油頁巖干餾工藝已工業化應用，可借鑒的成熟工藝較多。王益民等［34］對哈薩克斯坦油砂進行干餾實驗，以10℃/min的升溫速率升溫至500℃干餾4h，其熱解產率達90%以上，且半焦中固定碳含量高于33%，可以作為鍋爐燃料加以利用。相比有載氣吹掃的熱解，常壓干餾產生的油汽在反應器內停留時間較長，過度裂解程度加深，油品收率降低干氣增加，但由于其技術簡單，能耗低，更易于工業化生產。

2.2惰性氣體保護熱解

在惰性氣體氣氛下（通常選氮氣作為載氣），使原料與空氣隔絕，同時在載氣的稀釋和吹掃用下降低產物分壓并縮短產物停留時間，減少產物在氣相中聚合并能減少產物過度裂解生成干氣。孟猛［35］對圖牧吉油砂進行氮氣氣氛下的熱解實驗，在520℃、系統壓力0.1MPa條件下，發現載氣流速只改變液體和氣體產物的之間的比例，對半焦和熱解水的產率影響不大，載氣流速的增加會增加液體產率降低氣體產率。孫楠等［31］通過實驗發現載氣流量太小不利于產物移出反應器，在一定范圍內增加載氣流量，熱解油的收率略有增加，但載氣流量過大會減少氣相產物在冷凝系統的停留時間，不利于氣相產物冷凝。惰性氣體保護熱解的缺點是載氣要在熱解反應器中被加熱，在冷凝系統中被冷卻，并且要分離載氣和干氣，能耗較高，工藝復雜。

2.3加氫熱解

油砂的加氫熱解借鑒了石油煉制過程中的油品加氫思想，可以達到提質增收的目的。孫楠［36］在不加入催化劑并在氫氣氛圍下對油砂進行熱解實驗，實驗壓力為2.0MPa，通過實驗發現，油砂在氫氣氣氛下的轉化率、油產率和水產率高于同條件下氮氣氣氛下的實驗結果，且油品的飽和分提高，芳香分和膠質的含量降低，油品性質更佳。張遲等［37］對比了新疆托里油砂的催化保護氣熱解和催化加氫熱解，結果表明加入NiO、ZnO和納米CuO等金屬氧化物催化劑可提升油砂油產率且有效降低熱解活化能。催化加氫有助于提高油品收率和提升油品質量，但固體催化劑與熱解固體產物混合甚至結焦在一起很難分離和循環利用，經濟性將制約油砂催化加氫工藝的發展，因此開發廉價且無需回收的催化劑將是加氫熱解的研究方向。同時，耦合熱解和催化加氫設備，將裂解產生的蒸氣直接加氫也是未來油砂熱解提質的研究方向。

2.4減壓熱解

減壓熱解可以將氣相產物分壓降大幅度降低，最大限度地提高傳質效率，同時在較低壓下產物沸點降低，更利于油砂瀝青從砂粒表面蒸發到氣相主體，且減壓有助于氣相產物移出熱解反應器，縮短氣相產物在反應器內的停留時間。PAKDEL等［38］在絕壓0.1kPa、500℃下進行了減壓熱解實驗，熱解產物油品中瀝青質含量僅為2.2%，黏度適于輸送，且97.5%的瀝青質被轉化為軟瀝青，僅有8%的油砂瀝青轉化為焦炭，減壓熱解后產物的氫碳比從1.49提升至1.51。減壓熱解以其高油品收率和低結焦量等優勢得到了廣泛的關注，但減壓條件下固體油砂的進料密封問題仍需進一步研究，且減壓熱解對設備要求較高，這也阻礙了減壓熱解技術的工業化發展。

3　復合熱解工藝

考慮到熱解產物的分離和后續提質過程，單一的熱解工藝不能滿足產品的初步分離和油砂瀝青的全部回收，將常壓和減壓熱解復合，甚至將熱解復合溶劑萃取的工藝，給油砂熱解技術提供了新的思路。

天津大學高鑫等［39］提出了一種油砂常減壓干餾復合熱裂解的煉制方法，油砂原料經破碎干燥進入常壓低溫干餾爐分離出低沸點組分，而后進入減壓干餾爐分離出相對高沸點組分，常減壓過后的物料進入常壓高溫熱解爐，使常減壓干餾不能分離的組分通過高溫熱解分離，液體產品在3個串聯的干餾爐內分別收集，達到產物初步分離的目的。3個干餾爐的溫度逐級升高，可以合理利用不同品位的熱能，熱解產物收率較高，同時到達產品預分離和能源合理分配的目的。李鑫鋼等［40］提出了一種油砂常減壓復合溶劑萃取的方法，將破碎干燥后的物料進行常減壓干餾，先后分離出油砂瀝青中的輕重組分。然后用少量溶劑將常減壓干餾后的固相產物中的重組分全部萃取出來，蒸發回收溶劑并分離出重瀝青，重瀝青可用于鋪設道路和作為建筑材料等瀝青產品。此工藝復合了常減壓熱解和溶劑萃取工藝，防止了熱解的結焦損耗，可以做到將油砂瀝青全部合理利用。

4　油砂熱解裝置

油砂熱解是一個高能耗的過程，從輕烴的汽化蒸發到熱解過程中的分子鍵斷裂，以及熱解同時不得不加熱油砂中的砂粒，因此能量的供給和合理利用問題將是熱解設備考慮的重點問題。關于煤和油頁巖的熱解設備研究相對成熟，有許多借鑒之處。油砂熱解設備從固定床、旋轉干餾床到流化床，朝著連續化、流態化、節能化、固體載熱體能量循環、能量自給化方向發展，以期不斷提高收率、降低過程能耗。

4.1固定床

固定床熱解設備結構簡單，操作簡便，容易調節反應器內部壓力和通入載氣，但不利于油砂床層內的傳質和傳熱，難于連續化生產，一般用于實驗室研究。固定床有橫置式［41-42］和豎直式［20,24］兩種。橫置式固定床熱解爐不易使樣品在反應爐管內分布均勻，反應器內由中部向兩端的溫度梯度也不利于樣品的均勻受熱，但傳質表面相對于豎直式較大，且如果考慮到反應器后期的旋轉流態化，橫置式反應器更適用于旋轉流化床的前期研究。豎直式反應器加料方便，原料集中在反應器下部，受熱比較均勻。固定床油砂熱解設備一般通過載氣和減壓的方式來提高傳油品收率。

4.2旋轉干餾爐

旋轉干餾爐是目前研究最多的油砂熱解反應器，油砂在反應器內被旋轉部件帶動而呈現移動狀態，達到較好的傳質和傳熱效果，因其操作方式簡單易行，產品收率高，受熱均勻傳熱效率高，可用固體載熱體循環加熱，被視為最有工業化應用前景的油砂熱解設備。

丁寶民等［43］開發了一種油砂干餾的旋轉爐分離裝置，如圖1所示。其結構包括可繞中心軸旋轉的水平裂解爐、爐內壁推進物料旋轉設置的推進板、將爐內物料翻起的揚料板和拍落結焦物的拍板，物料進口和裂解氣出口分別在兩側的側壁上，物料出口設在裂解爐的爐壁上，裂解氣出口設置擋板防止物料溢出。裂解爐在減速機的驅動下旋轉，通過推進板將物料推入反應器內部，氣相產物通過裂解氣出口進入冷卻器和三相分離器。在熱解的同時，通過拍板的拍打作用將結焦物拍落防止傳熱效率降低。

圖1　旋轉干餾爐［43］

王建［44］開發了一種油砂連續式低溫干餾裝置，油砂通過供料機并被粉碎進入旋轉干餾爐，此干餾爐從進口至出口、由高到低向下傾斜設置，傾斜角度為0.1°～5°，原料通過重力驅動從進口螺旋流向出口。干餾爐體外壁設有3個滾動支撐光圈，通過驅動齒圈實現爐體旋轉。爐體外壁底部均勻設有若干個燃燒器來為熱解供熱。出料封頭上端設有裂解氣相產物的油汽出口。此裝置利用傾斜的熱解爐使原料在反應器內移動，且采用兩段加熱的方式來提高能源效率。

張毅等［45］開發了一種油砂熱解制備清潔燃料油的裝置。將破碎后的油砂和煤粉混合送入干燥設備，干燥后與來自焚燒爐的高溫載熱體混合進入干餾爐進行熱解。熱解產生的半焦與高溫焦爐氣和過量空氣在燃燒爐內燃燒，燃燒產生的熱量用于加熱固體殘渣同時產生煙氣，大部分固體殘渣作為高溫載熱體循環回干餾爐，給熱解反應提供熱量，煙氣和剩余的固體殘渣進入能量回收系統進行余熱回收。熱解產生的有機蒸氣和干氣在分餾塔內進行分離，液體產物從側線采出，焦爐氣送回燃燒爐。此設備利用砂粒作為高溫固體載熱體進行加熱，同時利用了熱解產生的半焦燃燒所放出的熱量，能耗低，能源利用率高。但固體顆粒的循環會增加設備的輸送成本，要達到相同的處理量，固體載熱技術會大幅增大反應器體積。

彰野間等［46］開發了一種外部加熱式回轉窯裝置，該裝置由內外兩層筒體構成，內層筒體可水平旋轉，外層筒體固定不動。物料在內部筒體被熱解，加熱氣體在外部筒體進行燃燒反應為內層筒體供熱。壓縮后的空氣噴射在內層筒體的外壁，除去外壁的粉塵以增加傳熱。同時外層筒體分為多個區域，通過控制各個區域的加熱氣體流量可以實現控制各個區域的溫度，以達到合理優化溫度分布的目的。

4.3流化床干餾爐

流化床技術因其良好的傳質傳熱特性，在熱解領域也一直受到廣泛關注。流化床干餾爐按其加熱方式不同可分為固體熱載體型和氣體熱載體型。流化床干餾爐產品收率高，但設備復雜，裝置成本和維護成本較高。

中國石油大學盧春喜等［47］借鑒了石油煉制中的催化裂化流化床技術，將其應用到油砂的直接流化床焦化中，裝置如圖2所示。該裝置主要包括焦化反應器、稀相燒焦管、密相燒焦反應器、汽提器和旋風分離器等部分。原料預熱后進入焦化反應器，與固體熱載體混合，焦化反應器下部通入干氣使固體顆粒呈流化狀態，原料與熱載體充分接觸換熱并進行熱解反應，氣相產物經多級旋風分離器除塵后進入分餾和吸收穩定系統。焦炭經汽提后與煤粉同時進入稀相燒焦管在空氣的提升作用下進行燃燒反應，而后進入密相燒焦反應器中繼續燃燒，產生的煙氣經旋風分離器除塵后進入凈化換熱系統，燃燒后的固體產物一部分回到焦化反應器作為固體熱載體為熱解提供熱量，另一部分取熱后排出。油砂的直接流化熱解裝置在流化狀態下進行熱解反應，傳質傳熱效果較好，能源利用率較高，連續操作性強，但設備復雜，維護成本較高，目前未見有工業裝置應用。

圖2　油砂熱解直接流化床［47］

毛少祥等［48］開發了一種氣體熱載體流化床煤粉熱解裝置，原料在流化床熱解爐中被高溫氣體流化同時進行換熱并熱解，熱解產生的蒸氣經兩級旋風分離器和高溫除塵器后冷卻分相，液相產物靜置使油水分層，未被冷凝的干氣一部分被壓縮送入高溫加熱爐，將干氣加熱至900℃后送入流化床，使原料流化并且與原料換熱引發熱解反應。干氣中含有氫氣，在熱解的同時實現了一定程度上的加氫作用。此系統除塵效率高于98%，焦油含塵量低于0.1%。該裝置使原料呈流化態，提高了油品收率，同時用氣體作為熱載體提高了傳熱效率，避免了固體熱載體反應器較大的固體循環量，但氣體比熱較低，此裝置需要維持較大的氣體循環量。

韓向新等［49］開發了一種氣固組合載熱流化床干餾裝置，該流化床干餾裝置分為高溫區和低溫區，原料首先進入低溫區，然后從低溫區溢流到高溫區。低溫區主要靠循環的瓦斯氣體供熱，熱解煙塵輔助供熱，高溫區的供熱方式則正好相反。熱解后的固體從高溫區溢流到半焦循環流化床，在其中燃燒放熱產生的煙塵回到干餾裝置為反應供熱。該裝置充分利用了固體煙塵和氣體的余熱，并將反應器分為高低溫兩區，實現了不同品位熱源的合理分配利用，但該裝置同時循環了煙塵和瓦斯氣，操作復雜。

圖3　ATP裝置示意圖［50］

4.4Alberta Taciuk Process（ATP）裝置

TACIUK［50］在1977年開發了一種油砂干餾工藝及設備，即Alberta Taciuk Process（ATP）干餾裝置，如圖3所示。ATP熱解爐將干燥、熱解、燃燒、物料循環和冷卻等單元集中到了一個多腔體的水平熱解爐內。ATP熱解爐主要分為內程和殼程，熱解原料走內程，

熱解后的半焦以及燃燒產生的煙道氣走殼程，以給內程供熱。原料經預熱區（250℃）進入熱解區（500～550℃）進行熱解，熱解的氣相產物通過管路被吸出進入冷凝裝置，熱解之后的半焦進入殼程的燃燒區（750～800℃）進行燃燒并產生煙氣，燃燒產生的熱量給熱解區供熱，同時產生的煙氣和燃燒后的固體殘渣在殼程逆流，給原料預熱。ATP裝置在撫順已應用于油頁巖熱解的工業化生產［51］，其日處理能力可達6000t。ATP干餾爐實現了能量超過80%的自給自足和高效利用，有較高的油品收率，自動化程度較高。但由于其設備復雜，維修成本高，一直未被油砂工業所采用，簡化或者提高ATP熱解爐的經濟性將有利于此裝置的工業化應用。

5　結 語

油砂熱解技術在國內外已經有多年的研究歷史，并且因其簡單易于工業化對環境污染較小，進而得到越來越多的關注。通過對油砂熱解的基礎研究來看，產物的性質方面的研究較為全面，用總包一級反應動力學模型可以對熱解動力學數據進行很好得擬合。

目前對油砂的熱解加工工藝的研究比較多元化，側重點均有所不同，有些側重提高油品收率，有些側重提升油品質量，但兩者在單一反應器內一般很難同時滿足。熱解是一個消耗能量來實現油和砂分離的工藝，所以耦合熱解和后序的油品提質分離工藝將不以犧牲油品收率為代價提升油品質量，同時可降低整體能耗。

通過不同形式的油砂熱解設備的對比可以看出，各種熱解設備各有優劣之處，固定床適用于實驗室的研究，旋轉干餾爐熱解的研究相對較多也更有工業前景，流化床干餾技術因其良好的傳質傳熱特性也受到廣泛關注。ATP熱解裝置能源利用率和自動化程度較高，適用于連續生產。進一步減少熱解設備的能耗，將使熱解技術具有更強的工業化競爭力。

［1］ 李術元，王劍秋，錢家麟. 世界油砂資源的研究及開發利用［J］. 中外能源，2011，16（5）：10-23.

［2］ 王梓. 油砂資源國內外勘查現狀［N］. 中國礦業報，2015-07-29（008）.

［3］ 張堅強，李鑫鋼，隋紅. 離子液體促進溶劑萃取油砂瀝青［J］. 化工進展，2014，33（8）：1986-1991.

［4］ 楊紅強，丁明山，胡斌，等. 水輔助溶劑法提取油砂中的瀝青［J］. 化工進展，2014，33（9）：2495-2500，2516.

［5］ 許修強，方紅霞，曹祖賓，等. 油砂高效分離配方開發及新型分離技術［J］. 化工進展，2010，29（s1）：710-711.

［6］ 何林，孫文郡，李鑫鋼. 溶劑萃取在油砂分離中的應用及發展［J］.化工進展，2011，30（s2）：186-189.

［7］ 何林，隋紅，李鑫鋼. 溶劑萃取法分離油砂［J］. 化工進展，2012，30（s1）：526-527.

［8］ 任嗣利. 水基提取技術用于油砂分離的研究進展［J］. 化工學報，2011，62（9）：2406-2412.

［9］ MASLIYAH J，ZHOU Z A，XU Z H，et al. Understanding waterbased bitumen extraction from Athabasca oil sands［J］. The Canadian Journal of Chemical Engineering，2004，82（4）：628-654.

［10］ SMALL C C，CHO S，HASHISHO Z，et al. Emissions from oil sands tailings ponds： review of tailings pond parameters and emission estimates［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering，2015，127：490-501.

［11］ 嚴格. 油砂熱水洗分離室內研究［D］. 廊坊：中國科學院研究生院（滲流流體力學研究所），2006.

［12］ 柏靜儒，林衛生，潘朔，等. 油頁巖低溫熱解過程中輕質氣體的析出特性［J］. 化工學報，2015，66（3）：1104-1110.

［13］ CZERNIK S，BRIDGWATER A V. Overview of applications of biomass fast pyrolysis oil［J］. Energy & Fuels，2004，18（2）：590-598.

［14］ 袁帥，陳雪莉，李軍，等. 煤快速熱解固相和氣相產物生成規律［J］.化工學報，2011，62（5）：1382-1388.

［15］ RADMANESH R，CHAN E，GRAY M R. Modeling of mass transfer and thermal cracking during the coking of Athabasca residues［J］. Chemical Engineering Science，2008，63（6）：1683-1691.

［16］ 王慧，鄒瀅，余鋒，等. 廢輪胎熱解油的化學組成分布［J］. 化工進展，2011，30（3）：656-661.

［17］ 袁浩然，魯濤，熊祖鴻，等. 城市生活垃圾熱解氣化技術研究進展［J］. 化工進展，2012，31（2）：421-427.

［18］ MA Y，LI S Y. Study of the characteristics and kinetics of oil sand pyrolysis［J］. Energy & Fuels，2010，24：1844-1847.

［19］ 王擎，姜倩倩，賈春霞，等. 印尼油砂熱解動力學新探［J］. 中國電機工程學報，2012，32（s1）：127-132.

［20］ MENG M，HU H Q，ZHANG Q M，et al. Pyrolysis behaviors of tumuji oil sand by thermogravimetry（TG）and in a fixed bed reactor［J］. Energy & Fuels，2007，21（4）：2245-2249.

［21］ 白翔，馬鳳云，劉景梅，等. 新疆托里油砂分段熱解機理［J］. 化工學報，2015，66（11）：4626-4633.

［22］ 賈春霞. 油砂熱解特性及其產物生成機理研究［D］. 北京：華北電力大學，2014.

［23］ 盧紅杰，宋錦玉. 基于熱裂解法的印尼油砂性質考察［J］. 科學技術與工程，2012，12（31）：8457-8459，8464.

［24］ 李海英，張貴杰，高翔. 非常規石油資源熱解特性研究［J］. 石油與天然氣化工，2010，39（3）：189-192，177.

［25］ 王擎，戈建新，賈春霞，等. 干餾終溫對油砂半焦表面特性的影響［J］. 化工進展，2014，33（4）：891-895.

［26］ ASTM D4124-01. Standard test methods for separation of asphalt into four fractions ［M］. ASTM International West Conshohocken，PA，2001.

［27］ WANG J S，ANTHONY E J. A study of thermal-cracking behavior of asphaltenes［J］. Chemical Engineering Science，2003，58（1）：157-162.

［28］ ZHAO Y X，YU Y. Kinetics of asphaltene thermal cracking and catalytic hydrocracking［J］. Fuel Processing Technology，2011，92（5）：977-982.

［29］ PARK Y C，PAEK J Y，BAE D H，et al. Study of pyrolysis kinetics of Alberta oil sand by thermogravimetric analysis［J］. Korean Journal of Chemical Engineering，2010，26（6）：1608-1612.

［30］ MA Y，LI S Y. The pyrolysis，extraction and kinetics of Buton oil sand bitumen［J］. Fuel Processing Technology，2012，100：11-15.

［31］ 孫楠，張秋民，關珺，等. 扎賚特旗油砂在氮氣氣氛下的熱解制油研究［J］. 燃料化學學報，2007，35（2）：241-244.

［32］ KAPADIA P R，KALLOS M S，GATES I D. A review of pyrolysis，aquathermolysis，and oxidation of Athabasca bitumen［J］. Fuel Processing Technology，2015，13：1270-289.

［33］ 郭秀英，王擎，姜倩倩，等. 印尼油砂熱解特性研究及動力學模型比較［J］. 東北電力大學學報，2012，32（2）：26-32.

［34］ 王益民，曹祖賓，石俊峰，等. 哈薩克斯坦油砂干餾實驗研究［J］. 石油與天然氣化工，2010，39（2）：134-136，143.

［35］ 孟猛. 圖牧吉油砂中有機質的提取［D］.大連：大連理工大學，2007.

［36］ 孫楠. 扎賚特旗油砂水洗與熱解研究［D］. 大連：大連理工大學，2006.

［37］ 張遲，王德民，張貝貝，等. 新疆托里油砂的催化熱解［J］. 過程工程學報，2014，14（3）：456-461.

［38］ PAKDEL H，ROY C. Recovery of bitumen by vacuum pyrolysis of alberta tar sands［J］. Energy & Fuels，2003，17（5）：1145-1152.

［39］ 高鑫，李鑫鋼，馬小龍，等. 一種油砂常減壓干餾復合熱裂解的煉制裝置及方法：104861999［P］. 2015-08-26.

［40］ 李鑫鋼，高鑫，馬小龍，等. 一種油砂常減壓干餾復合溶劑萃取裝置及方法：104845656［P］. 2015-08-19.

［41］ LIU P F，ZHU M M，ZHANG Z Z，et al. Pyrolysis of an Indonesian oil sand in a thermogravimetric analyser and a fixed-bed reactor［J］. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2016，117：191-198.

［42］ 吳興明. 油砂干餾熱解實驗研究［J］. 煙臺職業學院學報，2012，18（2）：88-92.

［43］ 丁寶民，馬愛強，曹祖斌，等. 油砂干餾分離裝置：104726112A［P］. 2015-06-24.

［44］ 王建. 一種油砂連續式低溫干餾裝置：204589081［P］. 2015-08-26.

［45］ 張毅，尚新立，蔣永中，等. 一種油砂熱解制備清潔燃料油的方法及裝置：105087035［P］. 2015-11-25.

［46］ 彰野間，猛甘利，宏司關野，等. 外部加熱回轉窯及其操作方法：101231144［P］. 2008-07-30.

［47］ 盧春喜，徐春明，李術元，等. 油砂直接流化床焦化的方法和裝置：101358136［P］. 2009-02-04.

［48］ 毛少祥，畢可軍，柏林紅，等. 循環煤氣熱載體流化床粉煤熱解裝置：202246560［P］. 2012-05-30.

［49］ 韓向新，姜秀民，鈕夢婷，等. 一種氣固組合式載熱油頁巖流化床干餾系統：102690666［P］. 2012-09-26.

［50］ TACIUK W. Thermal treatment of heavy hydrocarbons，esp. tar sands in appts. comprising rotating concentric tube assembly and providing respective vapour and combustion zones：US4180455-A［P/OL］. 1994-12-22.

［51］ QIAN J L，WANG J Q. World oil shale retorting technologies［C］//proceedings of the Int Conf on Oil Shale：Recent Trends in Oil Shale.Amman，November 7-9，2006.

Status and commentary of research and development on oil sand pyrolysis characteristics with technology and equipment

MA Xiaolong1，ZHANG Zisheng1，GAO Xin1，2，3，LI Xingang1，2，3
（1School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2National Engineering Research Centre of Distillation Technology，Tianjin 300072，China；3Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering，Tianjin 300072，China）

Oil sand is a kind of unconventional oil resources and the pyrolysis technique of oil sand is suitable for industrial application. In this paper the fundamental research of oil sand pyrolysis was summarized，including the three stages of oil sand pyrolysis，properties of gaseous，liquid and solid products and various pyrolysis kinetic models of oil sand. Atmospheric retorting，pyrolysis under inert gas，hydropyrolysis，vacuum pyrolysis and combined pyrolysis technology were analyzed. The effects on the products yields and characteristics of different pyrolysis technologies were reviewed. The pyrolysis equipment were summarized，including fixed bed reactor，rotary retort，fluidized-bed retort and Alberta Taciuk Process （ATP）reactor. And special emphasis was placed on the rotary and fluidized-bed retorts using different ways of heat carrier and energy recovery. From the perspective of energy efficiency，the advantages and disadvantages of different technologies and equipments were analyzed by comparison. It was indicated that reducing energy consumption and improving energy efficiency were the key problems of pyrolysis technologies. Furthermore，the rotary and fluidized-bed retorts were more suitable for industrial application.

oil sand；pyrolysis；technology；reactors；rotary retort；fluidized-bed

TE 09

A

1000-6613（2016）10-3484-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.015

2016-03-31；修改稿日期：2016-06-10。

國家自然科學基金項目（21336007）。

馬小龍（1989—），男，碩士研究生，研究方向為油砂熱解。E-mail longmx0414@163.com。聯系人：高鑫，副教授。E-mail gaoxin@tju.edu.cn。