油页岩综合利用集成技术与循环经济

油页岩综合利用集成技术与循环经济孙键1, 王擎1, 孙东红2, 李少华1, 孙伯仲1, 柏静儒1(1. 东北电力大学吉林 132012; 2. 华北电力大学北京 102206)摘要：油页岩是介于煤炭和石油之间储量巨大的化石燃料，可直接燃烧发电，也可干馏炼制页岩油-人造石油，对弥补煤炭尤其石油之不足具有重大意义。

文中概述了国内外油页岩资源特性和开发利用现状；分析了现有单纯发电或单纯干馏炼油技术路线的弊端；提出并论述了油页岩干馏炼油、循环流化床燃烧发电与联产建材相结合的综合利用集成技术路线，可实现油页岩无固体废物排放的循环经济模式；因而使油页岩开发利用的经济效益倍增，环境和社会效益良好，为油页岩的综合利用开辟了一条新路。

关键词：油页岩, 燃烧, 干馏, 循环流化床, 集成技术Integrated technology for oil shale comprehensive utilization andCycling EconomySun Jian1 Wang Qing1 Sun Donghong2 Li Shaohua1 Sun Baizhong1 Bai Jingru1(1. Northeast Dianli University, Jilin 132012; 2. North China Electric Power University, Beijing102206)Abstract：Oil shale, which is a sedimentary rock containing solid, combustible organic matter in a mineral matrix, has an enormous reserve in the world. Oil shale can be used by two main processes-extracting shale oil and direct combustion. It is significant to make up for the insufficiency of coal and raw oil. This paper describes the reserve character and the present situation of exploitation & utilization of oil shale at home and abroad. The deficiency of single process of oil shale utilization is detailed analyzed. Therefore a new integrated technology process is put forward which includes oil shale retorting, circulating fluidized bed (CFB) combustion and building materials production. Based on the new process, a model of cycling economy comes out with no solid wastes when oil shale is utilized, which makes the economic benefit to multiply, keeps the environment and society friendly and provides a new way to utilize the oil shale comprehensively.Key words：oil shale, combustion, retort, CFB, integrated technology0 引言油页岩属于固体化石燃料。

在全世界化石燃料中，其储量折成发热量仅次于煤炭而居第二位，折成页岩油4750亿吨，为石油可采储量的5.4倍。

我国油页岩远景储量约2万亿吨，折页岩油800亿吨，为石油可采储量的30倍以上，仅次于美国、巴西、爱沙尼亚，居世界第四位；1989年探明储量315.67亿吨，其中吉林省174.3亿吨、广东省54亿吨、辽宁省36亿吨、海南省24.5亿吨；据悉，目前探明储量超过6000亿吨。

油页岩具有煤炭的物化特性，可直接燃烧，发电、供热均可；又含有石油的组分，可干馏炼制页岩油—人造石油。

但是，由于它发热值低、含油率低、灰分高，属高灰分低发热值劣质燃料—类似于煤矸石，开发利用成本高，在石油和煤炭价格低廉时经济上无竞争力。

因此，在过去半个多世纪中一直没能大规模开发利用，只有少数国家用于炼油、发电，并探索综合利用、提高经济效益之路，中国就是其中之一。

从长远的观点分析，由于世界经济的高速发展，石油和煤炭消耗量相应增长，而资源量是有限的，人类必须寻求替代能源，油页岩就是最现实的替代者，开发利用油页岩是必然的。

另一方面，近几年来国际上石油价格猛涨、居高不下，同时带动煤炭价格相应上扬，使油页岩炼油和发电成本相对降低、经济效益显著提高。

因此，有关国家都重视油页岩的开发利用。

2002年11月在爱沙尼亚首都塔林召开的“全球油页岩的利用与展望”国际会议上，13个国家230位专家一致认为“油页岩的开发利用潜力巨大”。

美国是全球油页岩储量最大的国家，政府认为“油页岩是潜力惊人的能源”，已制定了开发战略，并在科罗拉多州西部高原峡谷中建设了尖端实验基地，由壳牌石油公司开展研发工作。

爱沙尼亚、澳大利亚、德国、以色列等国也制定了相应的研发计划。

我国在中长期科学和技术发展纲要(2006~2020年)中明确地将“矿产资源高效开发利用，发展低品位与复杂难处理资源高效利用技术、矿产资源综合利用技术”列入重点攻关领域和优先发展主题。

中共中央、国务院在《关于实施东北地区等老工业基地振兴战略的若干意见》中，将“支持油页岩、煤矸石的综合利用”列入重大攻关主题。

目前，国家已加大了油页岩资源勘察力度；各省、自治区凡有油页岩资源的地方，都在启动或拟启动油页岩炼油或发电工程项目，形势空前火热。

但是，现有的开发利用方式，都受传统行业经济的约束，只重视提高炼油效率或者只重视提高发电效率，而轻视甚至忽视综合利用和循环经济效率。

这不仅造成油页岩能源、资源上的严重浪费和环境上的严重污染，更主要的是阻碍了油页岩工业的发展。

为了解决这一问题，推动油页岩工业的发展，我们深入分析了油页岩的物化特性和现有干馏炼油厂、发电厂存在的问题，通过几年的科技攻关，研发出新型油页岩循环流化床锅炉。

此种锅炉可利用干馏炼油厂废弃的碎屑油页岩、半焦(渣)和剩余瓦斯混合燃烧发电，而锅炉的灰渣具有含碳量低、活性好的特点，可全部送入建材厂制作水泥、砌块、砖和陶粒等建材。

如此，油页岩矿、干馏炼油厂、循环流化床锅炉发电厂和建材厂共同组成一个链带式联合企业，使油页岩作为能源转化为页岩油和电力，又作为资源转化为建材，实现了无固体废物排放的综合利用；此即为油页岩综合利用集成技术和循环经济模式，其经济效益比单纯炼油或单纯发电倍增，而环境和社会效益更好。

本集成技术，不是原来油页岩矿、干馏炼油厂、循环流化床锅炉发电厂和建材厂四个行业技术的机械式串联组合，而是互应、有机结合为一个产业链；在这个产业链中不追求某一环节的最优化，而求全局效益的最大化、环境和社会效益的最优化。

因此，它的推广应用，可使中国油页岩工业即使在石油价格大幅度回落时也具有强大的生命力。

1 油页岩物化特性分析目前国内外有关油页岩干馏炼油和直接燃烧发电的专著、论文和文献很少，但尚可查得油页岩物化特性资料。

分析这些资料发现，所提供的特性大都为炼油或发电行业需要，少有分析油页岩区别于煤炭、石油之特点，更缺乏从综合利用角度和循环经济观念予以分析。

本文恰恰从这点出发来分析研究油页岩物化特性，重视它有别于煤炭、石油的特性，尤其兼顾干馏、燃烧与制做建材的要求。

为此表1中除了给出国内外有代表性油页岩主要特性外，尚给出了国内部分原油、燃料油、煤炭的相应特性，以资比较。

油页岩同煤炭相比同属固体化石燃料，由有机物质和无机物质组成，但有机物只占小部分。

它具有煤炭的各种成分：碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)、灰分(A)、水分(M)。

因此，它可直接燃烧，发电、供热均可。

但它同煤炭有较大区别，即含碳量低(12%~25%)、灰分很高(51%~76%)、发热值很低(4500~11000kJ/kg)，纯属高灰、低热值劣质燃料—类似于煤矸石。

世界各国油页岩成分相差甚大，同一国家不同矿区的油页岩也大不相同，就是同一矿区不同地点和深度的油页岩也有差异。

因此，表1所给数据仅供分析研究问题时参考。

总起来看，世界上发热值＞8363kJ/kg、灰分＜55%的优质油页岩很少，只有爱沙尼亚有；中国只有吉林桦甸、山东龙口有，但储量很少，其余绝大多数如吉林农安、汪清、广东茂名、辽宁抚顺、海南长坡等地油页岩，发热值＜5772kJ/kg、灰分＞60%，均为低品位油页岩。

油页岩还有两个区别于煤炭的特点，对燃烧过程有较大影响：其一是物理形态多为分层结构，破碎后呈片状，不利于流态化；其二是挥发分很高(＞75%)，燃料颗粒着火燃烧时接近于油滴，空间燃烧份额大。

这两点，在组织流化床和循环流化床燃烧时应予特殊重视，切忌照搬燃煤锅炉的经验。

油页岩灰分(无机物质51%~76%)远远高于煤炭，对燃烧不利；其成分，对于燃烧、干馏和综合利用有较大影响。

表2列出了国内几种油页岩灰分的组成，从中看出主要成分为SiO2、Al2O3，两者占70%~80%以上，因此适于制做建筑材料；灰分中尚含有Na2O、K2O，这是油页岩区别于煤炭的另一特点，尽管含量不高，但对燃烧过程有较大负作用，在高温下燃烧时会引起炉内受热面碱腐蚀，而且腐蚀速度很快，大大降低受热面的寿命。

因此，油页岩不宜采用悬浮燃烧方式，而适于流化床和循环流化床燃烧方式。

灰分的变形温度t1(o C)、软化温度t2(o C)、熔化温度(亦称灰熔点)t3(o C)，对组织干馏、燃烧过程也是必须的；灰熔点与灰分中CaO含量有关，我国绝大多数油页岩CaO＜2%、灰熔点t3较高(＞1300o C)，只有吉林桦甸油页岩CaO＞12%、灰熔点较低(＜1220o C)，CaO含量高有利于流化床燃烧过程自脱硫，桦甸油页岩由于CaO含量高，无需另加脱硫剂即可满足环保标准要求。

油页岩的另一大特点是它所含有机物质中的绝大多数为不溶于普通有机溶剂的石油组分—称为“油母”，故油页岩又称“油母页岩”。

油页岩中所含石油的重量百分数称为含油率(%)。