秦宏，岳耀奎，劉洪鵬，王擎

（東北電力大學(xué)油頁巖綜合利用教育部工程研究中心，吉林 吉林132012）

油頁巖由低等浮游植物和低等浮游動(dòng)物經(jīng)腐化作用而來，屬于腐泥煤[1]，是一種高灰分，富含有機(jī)質(zhì)的可燃沉積巖，經(jīng)低溫干餾可以得到頁巖油。頁巖油可代替石油作為工業(yè)用油，能在一定程度上緩解石油緊缺的壓力。油頁巖干餾技術(shù)分為地下原位干餾技術(shù)和地面干餾技術(shù)。地下原位干餾在技術(shù)方面存在不足，目前還未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[2]。目前地面干餾技術(shù)以氣體熱載體干餾技術(shù)和固體熱載體干餾技術(shù)為主，除此之外，還有微波干餾技術(shù)、蓄熱式燃?xì)廨椛涫礁绅s技術(shù)等。氣體熱載體干餾技術(shù)以熱循環(huán)氣為熱載體，而固體熱載體干餾技術(shù)是以陶瓷?；蜃陨懋a(chǎn)生的頁巖灰為熱載體。

國外油頁巖工業(yè)開始于19世紀(jì)上半葉，經(jīng)過100多年的發(fā)展，已形成了多種先進(jìn)、成熟的干餾工藝，如愛沙尼亞的Kiviter和Galoter干餾爐、巴西的Petrosix干餾爐、澳大利亞的ATP干餾爐、德國和愛沙尼亞合作研發(fā)的Enefit-280技術(shù)、美國的SGR和Tosco干餾技術(shù)、德國的LR干餾技術(shù)等[3-11]。在地下原位干餾方面，國外也有很多先進(jìn)的技術(shù)，如殼牌公司的ICP技術(shù)、埃克森美孚公司的Electrofrac TM技術(shù)、Raytheon公司的RF/CF技術(shù)等[12-16]。

我國油頁巖儲(chǔ)量豐富，換算成頁巖油的儲(chǔ)量約為476億噸[17]。我國利用油頁巖煉油已有八十多年的歷史[18]，截至2014年，年產(chǎn)頁巖油可達(dá)78萬 噸[19]，目前國內(nèi)采用的干餾技術(shù)大都是撫順爐干餾技術(shù)，撫順爐具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、能處理貧礦、投資小及運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，而且經(jīng)過長期的使用，已經(jīng)成為一種成熟的工藝，但其存在油收率不高、單爐處理量小、污染環(huán)境等缺點(diǎn)。針對(duì)撫順爐的缺點(diǎn)和結(jié)合各地油頁巖特點(diǎn)，國內(nèi)多家企業(yè)和高校及研究所合作研發(fā)了適合不同產(chǎn)地油頁巖原料的多種干餾技術(shù)，如中煤集團(tuán)采用的油頁巖流化干餾新工藝、吉林成大弘晟能源有限公司采用的全循環(huán)瓦斯油頁巖分級(jí)干餾技術(shù)以及大慶油田采用的大工新法等。此外，一些企業(yè)從國外引進(jìn)了或計(jì)劃引進(jìn)先進(jìn)干餾技術(shù)，如山東龍口計(jì)劃引進(jìn)了Galoter爐[20]、撫順集團(tuán)引進(jìn)了ATP技術(shù)等。

1 氣體熱載體干餾技術(shù)

1.1 撫順爐

目前國內(nèi)有大約500多臺(tái)撫順爐，其中撫順礦業(yè)集團(tuán)擁有數(shù)量最多，共有220臺(tái)。撫順爐分布情況如表1所示[21]。

撫順爐為氣體熱載體干餾爐[22]，屬半氣燃爐，頁巖干餾所需熱載體為熱循環(huán)氣和熱發(fā)生氣（在發(fā)生段空氣與半焦發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成的氣化氣），主要用于處理12～75mm的油頁巖。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

撫順爐結(jié)構(gòu)簡單、使用周期長、易于維修、技術(shù)成熟[23]，而且其原料品位適應(yīng)性廣，不僅能處理高品位油頁巖，也能處理低品位的油頁巖；但也存在一些不足，如只能處理大顆粒油頁巖、油收率不高、三廢污染較多等。

表1 撫順爐分布情況

針對(duì)撫順爐存在的問題，國內(nèi)諸多研究者進(jìn)行了相應(yīng)的研究，進(jìn)行了不同程度的改進(jìn)。

陳國超等[24]對(duì)撫順爐的加料系統(tǒng)、瓦斯導(dǎo)出系統(tǒng)、排灰系統(tǒng)和頁巖油回收系統(tǒng)等多個(gè)部分進(jìn)行了改進(jìn)：①進(jìn)料系統(tǒng)設(shè)置了雙閘板，以防止運(yùn)行時(shí)漏氣；②瓦斯導(dǎo)出系統(tǒng)設(shè)有帶水封的上升管，一方面可通過爐內(nèi)迅速泄壓防止干餾爐爆炸，另一方面脫除干餾瓦斯中所含粉塵；③循環(huán)瓦斯系統(tǒng)設(shè)置了雙通道，使循環(huán)瓦斯通過雙通道進(jìn)入爐內(nèi)，使進(jìn)入爐內(nèi)的瓦斯分布更加均勻；④排灰系統(tǒng)采用單機(jī)驅(qū)動(dòng)，避免排灰設(shè)備發(fā)生故障時(shí)影響其他設(shè)備運(yùn)行；⑤在改造油收系統(tǒng)時(shí)，將瓦斯冷卻溫度由55℃降至32℃，增設(shè)電捕焦油器，并增設(shè)二級(jí)脫硫裝置。

撫順爐屬氣體熱載體干餾工藝，處理小顆粒頁巖不是它的優(yōu)勢(shì)，其本身只能處理12mm以上粒徑的頁巖。劉連興等[25]通過調(diào)整陣傘下移，降低頁巖在爐內(nèi)干餾段高度來改善頁巖料層的透氣性來處理5～12mm小顆粒頁巖；此外，還提出在腰部拱臺(tái)上安裝中心布?xì)馐液透倪M(jìn)主風(fēng)風(fēng)頭等方式來改善氣體熱載體在爐內(nèi)的分布。

高健等[26]對(duì)撫順爐的供熱系統(tǒng)和油收系統(tǒng)進(jìn)行了改造，將原間歇式瓦斯加熱爐改為連續(xù)蓄熱式加熱爐，并在原三級(jí)水洗油收系統(tǒng)中增設(shè)旋風(fēng)除塵器、間冷器和靜電捕油器等設(shè)備，提高了油收率。

可以看出，上述改造針對(duì)撫順爐的密閉性、布?xì)夥绞胶土衔蛔枇Φ确矫孢M(jìn)行了調(diào)整，旨在減小系統(tǒng)的漏氣、布?xì)饩鶆蚝途徑庑☆w粒頁巖堆積所造成的較高料位阻力；同時(shí)，油收系統(tǒng)的不斷完善也能有效地提高整體油收率。但由于種種原因，上述這些改進(jìn)和開發(fā)的技術(shù)應(yīng)用到工程設(shè)備中實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行尚未見相關(guān)報(bào)道。此外，撫順爐技術(shù)本身的工藝特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)單爐的大型化存在諸多困難，目前撫順爐的單爐容量僅為100～200t/d。

1.2 成大瓦斯全循環(huán)油頁巖分級(jí)干餾技術(shù)

全循環(huán)工藝是近幾年提出的干餾新工藝。在干餾過程中產(chǎn)生的瓦斯氣作為干餾熱載體，干餾所需的熱量全部由瓦斯氣提供，在干餾爐內(nèi)并沒有燃燒反應(yīng)，因此可以適應(yīng)不同品位的油頁巖。

瓦斯全循環(huán)油頁巖分級(jí)干餾技術(shù)是由吉林成大弘晟能源有限公司自主研發(fā)的新型干餾技術(shù)。吉林成大弘晟能源公司于2007年12月在吉林樺甸籌建油頁巖綜合開發(fā)利用項(xiàng)目，采用瓦斯全循環(huán)油頁巖分級(jí)干餾技術(shù)，建設(shè)總規(guī)模為年加工油頁巖3.0×106t，年產(chǎn)頁巖油2.5×105t。2010年8月完成了第一期24臺(tái)干餾裝置的建設(shè)，并投入生產(chǎn)，油收率可達(dá)鋁甑的82%，第二期12臺(tái)也已經(jīng)建成[27]。

瓦斯全循環(huán)油頁巖分級(jí)干餾技術(shù)的關(guān)鍵是將油頁巖按粒徑進(jìn)行分級(jí)，分別在不同的干餾爐內(nèi)進(jìn)行干餾，加以加熱爐持續(xù)不斷并且均衡地向干餾爐供給700℃左右的熱循環(huán)瓦斯氣。其工藝流程如圖2所示[28]。

瓦斯全循環(huán)油頁巖分級(jí)干餾技術(shù)是吉林成大公司為解決現(xiàn)有干餾技術(shù)存在的不足，在國內(nèi)外多種干餾技術(shù)的基礎(chǔ)上自主研發(fā)的。目前該技術(shù)剛剛開始進(jìn)行工業(yè)化運(yùn)行，其干餾效果和生產(chǎn)效率等有待長期生產(chǎn)檢驗(yàn)。

1.3 SJ型干餾方爐

圖2 瓦斯全循環(huán)油頁巖分級(jí)干餾工藝流程[28]

SJ型干餾方爐是由神木三江煤化公司自主設(shè)計(jì)研發(fā)，屬氣燃爐。2008年甘肅窯街煤電公司與神木三江煤化公司及中國石油大學(xué)（北京）合作，采用SJ型干餾方爐對(duì)窯街油頁巖進(jìn)行中試加工，油收率可達(dá)80%以上。之后甘肅窯街煤電公司利用SJ型干餾方爐建設(shè)油頁巖加工廠，年加工窯街油頁巖1.4×106t，產(chǎn)頁巖油1.25×105t，第一期工程的8臺(tái)干餾裝置已于2010年7月和8月投入生產(chǎn)[29]。加料設(shè)備、干餾段和出焦設(shè)備是SJ型方爐的3個(gè)主要構(gòu)成部分，如圖3所示[30]。

SJ型干餾方爐是甘肅窯街煤電公司綜合考慮處理量、油收率等因素，并且比較了國內(nèi)外各種爐型的優(yōu)缺點(diǎn)后選擇的。該爐型跟撫順爐相比，具有處理量大、油收率高、充分利用半焦熱值投資成本低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在故障率高、開機(jī)率低、瓦斯氣熱值低和冷凝回收系統(tǒng)龐大等缺點(diǎn)。

1.4 茂名圓爐

茂名圓爐是在撫順爐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上結(jié)合茂名油頁巖受熱易破碎的特點(diǎn)改進(jìn)而來的。使用撫順爐干餾茂名油頁巖時(shí)發(fā)現(xiàn)干餾爐內(nèi)壓力會(huì)因頁巖熱破碎和水分含量大而增大，經(jīng)過多方面改進(jìn)后得到的茂名圓爐很好地解決了這一問題。因而，茂名頁巖能在茂名圓爐中進(jìn)行干餾，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。茂名圓爐后期建成兩個(gè)單元（共64臺(tái)茂名），分別于1969年和1970年投產(chǎn)[31-33]。正常運(yùn)行20余年，后因頁巖油價(jià)格過低等原因，茂名公司停產(chǎn)，茂名圓爐亦停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

茂名圓爐結(jié)構(gòu)與撫順爐相似，均屬半氣燃爐。結(jié)構(gòu)見圖4[34]，主要區(qū)別為茂名圓爐干餾爐中部采用了氣體混合室，具有多面布?xì)獾奶攸c(diǎn)。茂名圓爐流程與撫順爐相同，在上部干餾段進(jìn)行油頁巖的干餾，在下部的氣化段則進(jìn)行半焦與空氣的燃燒、氣化等反應(yīng)。在氣化段產(chǎn)生的氣體與熱循環(huán)氣經(jīng)干餾段中部的氣體混合室混合后噴出，并向上流動(dòng)與油頁巖逆流供熱。

1.5 茂名方爐

茂名方爐又稱茂名氣燃式方爐，是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種氣燃式塊狀油頁巖干餾爐，具有物料與溫度分布均勻、油收率較高及結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。茂名石油工業(yè)公司實(shí)驗(yàn)廠于1958年建成兩臺(tái)不同處理量的茂名方爐，并于1961年建成兩個(gè)單元共48臺(tái)，每臺(tái)處理量為200t/d的工業(yè)化生產(chǎn)裝置[31，33]。后因爐墻漏氣嚴(yán)重及爐出口氣體難以利用等原因于1979年停產(chǎn)。

圖3 SJ型干餾方爐結(jié)構(gòu)簡圖[30]

圖4 茂名圓爐結(jié)構(gòu)簡圖[34]

茂名方爐采用循環(huán)氣燃燒供熱以干餾油頁巖，由經(jīng)過燃燒和還原反應(yīng)而產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾鳛闊彷d 體。茂名方爐所采用的氣燃供熱方式可使干餾爐內(nèi)具有充足的熱量和較厚的高溫層，這樣不僅可以保證頁巖能得到充分地干餾，而且有利于還原反應(yīng)的進(jìn)行。茂名方爐主要由加料設(shè)備、爐體和排灰設(shè)備三部分組成，結(jié)構(gòu)見圖5[35]。

2 固體熱載體干餾技術(shù)

2.1 大工新法干餾技術(shù)

大工新法干餾技術(shù)是由大連理工大學(xué)研發(fā)的固體熱載體干餾技術(shù)，該技術(shù)利用自身灰渣作熱載體。大慶油田采用大工新法，建設(shè)了年加工60萬噸油頁巖，預(yù)計(jì)年產(chǎn)3.0萬噸頁巖油。目前已建成冷態(tài)運(yùn) 行裝置[36]。大工新法干餾爐結(jié)構(gòu)如圖6所示[37]。

大工新法是國內(nèi)首個(gè)自主研發(fā)并運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)的固體熱載體干餾技術(shù)，改變了國內(nèi)干餾爐不能處理小顆粒油頁巖的情況，在一定程度上提高了能源利用率。

2.2 粉末油頁巖流化干餾技術(shù)

粉末油頁巖流化干餾技術(shù)是由上海博申工程技術(shù)有限公司研發(fā)[38]，后經(jīng)哈爾濱煤化工公司多次改進(jìn)而來的。中煤黑龍江煤化工公司采用該技術(shù)，建立了日處理量為50t粉末油頁巖流化干餾、半焦燃燒的中試裝置，歷時(shí)多年完成長期正常運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)[39]。粉末油頁巖流化干餾工藝流程圖如圖7所示[40]。

粉末油頁巖流化干餾技術(shù)油收率高，而且得到的頁巖油比較輕。在油泥處理方面，采用高效旋風(fēng)分離器、離心技術(shù)及自選萃取劑等。

圖6 大工新法干餾技術(shù)[37]

圖7 粉末油頁巖流化干餾工藝[40]

3 主要干餾技術(shù)對(duì)比

目前國內(nèi)處于工業(yè)化或即將投產(chǎn)的干餾技術(shù)都是各研發(fā)單位根據(jù)我國不同地區(qū)油頁巖特點(diǎn)，在綜合了國內(nèi)外成熟干餾工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)而來。各干餾技術(shù)均有自己的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)也不盡相同，其對(duì)比如表2所示。

應(yīng)該指出，撫順爐、SJ方爐以及已停產(chǎn)的茂名方爐等干餾工藝，均存在氣化段，通過自身產(chǎn)物的熱量解決了油頁巖熱解所需熱量的問題。但氣化段的存在降低了干餾瓦斯的熱值，使其能源利用價(jià)值有所下降。而吉林成大的瓦斯全循環(huán)技術(shù)，爐內(nèi)沒有氣化段，循環(huán)瓦斯本身的物理顯熱為頁巖熱解提供熱源，而加熱這些瓦斯則需要外部熱源實(shí)現(xiàn)。成 大爐的瓦斯熱值明顯高于撫順爐和SJ方爐，但外部熱源提高了運(yùn)行成本。因此，國內(nèi)氣體熱載體干餾技術(shù)依然存在上升空間。

4 頁巖油冷凝回收工藝

干餾技術(shù)中的頁巖油冷凝回收系統(tǒng)直接直接影響頁巖油品質(zhì)、油收率及環(huán)境保護(hù)等問題，是干餾技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)。冷凝回收系統(tǒng)根據(jù)洗滌方式的不同分為水洗工藝和油洗工藝。水洗工藝成熟，但存在技術(shù)落后、能耗大、循環(huán)水量大等缺點(diǎn)。油洗工藝先進(jìn)，能有效回收高溫荒煤氣的熱量，但目前國內(nèi)在油洗工藝方面的技術(shù)還不成熟，尚需深入研究，而國外采用的大都是油洗工藝[41]。

目前國內(nèi)主要以水洗工藝為主，具有代表性的是撫順爐水洗冷凝回收工藝。

撫順干餾裝置通常是20臺(tái)干餾爐（成為一部）共用一套冷凝回收系統(tǒng)，該回收系統(tǒng)主要包括集合管、洗滌飽和塔、冷卻塔等設(shè)備。撫順?biāo)蠢淠厥昭b置具有結(jié)構(gòu)簡單、操作和檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，但其工藝落后，能耗大，循環(huán)水量也大。又因撫順干餾爐是內(nèi)熱式干餾爐，氣體熱載體氣量大，而且其中含有大量的惰性氣體（氮?dú)夂投趸嫉龋?，這樣造成的結(jié)果是產(chǎn)品濃度低，回收困難，同時(shí)使冷凝回收系統(tǒng)設(shè)備龐大[31]。后經(jīng)陜西冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司改進(jìn)，新系統(tǒng)增加了間冷塔、電捕焦油器、裝有新型填料的油吸收塔、機(jī)械化油水澄清槽等新型設(shè)備[42]，并于2008年9月順利投產(chǎn)。

目前國內(nèi)普遍采用的是水洗工藝，油頁巖干餾水洗工藝是借鑒了焦化行業(yè)的水洗工藝，優(yōu)點(diǎn)是工藝成熟，但該工藝技術(shù)相對(duì)落后，而且能耗和循環(huán)水量大。國外冷凝回收工藝除了水洗工藝外，還有油洗工藝。油洗工藝較水洗工藝來說，具有技術(shù)先進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠避免荒煤氣急冷過程中熱量無法回收的缺點(diǎn)。但國內(nèi)在該方面的技術(shù)還不是太成熟，存在的問題主要集中在干餾后荒煤氣中粉塵量大，冷凝回收過程存在堵塞等方面，因此在國內(nèi)油洗工藝還沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。水洗工藝與油洗工藝的比較參見表3。

5 發(fā)展前景預(yù)測(cè)

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)狀況分析，國內(nèi)油頁巖干餾技術(shù)應(yīng)該有如下發(fā)展趨勢(shì)。

（1）干排焦技術(shù)應(yīng)用于氣體熱載體干餾工藝。國內(nèi)外目前采用的氣體熱載體法大都采用濕排焦方式，半焦能量無法得到有效利用，而利用干排焦方式排出的半焦可以直接送到循環(huán)流化床鍋爐中進(jìn)行燃燒，不需要經(jīng)過干燥等工序，既節(jié)省了干燥所消耗的能量，又簡化了工藝。

表2 國內(nèi)主要干餾技術(shù)對(duì)比

表3 水洗工藝與油洗工藝的比較

（2）采用更加高效的冷凝回收系統(tǒng)。國內(nèi)普遍使用的冷凝回收工藝大多是水洗工藝，雖然技術(shù)比較成熟，但存在工藝落后、能耗大、循環(huán)水量大等缺點(diǎn)。國外的幾種干餾技術(shù)采用的是油洗技術(shù)，該技術(shù)工藝先進(jìn)，能有效地回收高溫瓦斯氣的熱量，但國內(nèi)油洗技術(shù)還不成熟，尚需深入研究。

（3）完善固體熱載體干餾工藝流程。固體熱載體雖然有干餾時(shí)間短、干餾強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)系統(tǒng)密封和物料輸送等關(guān)鍵環(huán)節(jié)要求高，因此簡化流程也是油頁巖干餾技術(shù)未來重要的發(fā)展方向。

（4）注重環(huán)境保護(hù)。隨著我國對(duì)環(huán)保要求的提高，無廢排放和油頁巖綜合利用將會(huì)成為油頁巖發(fā)展的重要方向之一。

綜上所述，我國油頁巖干餾技術(shù)仍然存在巨大的上升空間。

6 結(jié) 語

我國油頁巖產(chǎn)業(yè)正處于技術(shù)快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)成長階段，主要表現(xiàn)在：①多種撫順爐改進(jìn)技術(shù)涌現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明油收率可獲得顯著提高；②成大瓦斯全循環(huán)氣體熱載體干餾技術(shù)剛開始投入工業(yè)運(yùn)行，有待于長期運(yùn)行檢驗(yàn)；③以大工新法為代表具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的固體熱載體干餾技術(shù)出現(xiàn)。但依然存在諸多問題亟需解決，主要在于：①現(xiàn)有氣體熱載體干餾技術(shù)單爐處理量小、油收率偏低、半焦無法利用等問題亟需解決；②國內(nèi)固體熱載體干餾自主技術(shù)依然處于試驗(yàn)階段，暫時(shí)無法投入商業(yè)化生產(chǎn)；③引進(jìn)國外先進(jìn)的干餾技術(shù)投入生產(chǎn)，尚沒有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展；④國內(nèi)頁巖油回收技術(shù)亟待改進(jìn)，油洗技術(shù)亟需完善和推廣。

可以看出，干餾技術(shù)的完善并不是對(duì)于某一個(gè)環(huán)節(jié)而言，而是對(duì)包括頁巖熱解、收油、排焦等多個(gè)工藝環(huán)節(jié)的完善和優(yōu)化，從而更好地實(shí)現(xiàn)能源高利用率、低污染等目標(biāo)。無論是氣體熱載體干餾還是固體熱載體干餾，我國現(xiàn)有的技術(shù)水平依然與國外存在較大差距，通過自身的研發(fā)和關(guān)鍵技術(shù)的突破，現(xiàn)有的技術(shù)依然存在上升空間。另外，國內(nèi)油頁巖干餾技術(shù)還需跟國外技術(shù)加強(qiáng)交流與合作，在吸取國外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，結(jié)合我國油頁巖資源特點(diǎn)，形成適合干餾我國油頁巖的先進(jìn)技術(shù)。

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