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油页岩属于非常规油气资源,以资源丰富和开发利用的可行性而被列为21世纪非常重要的接替能源,它与石油、天然气、煤一样都是不可再生的化石能源,在近200年的开发利用中,其资源状况、主要性质、开采技术以及应用研究方面都积累了不少经验。
油页岩(又称油母页岩)是一种高灰分的含可燃有机质的沉积岩,它和煤的主要区别是灰分超过40%,与碳质页岩的主要区别是含油率大于3.5%。油页岩经低温干馏可以得到页岩油,页岩油类似原油,可以制成汽油、柴油或作为燃料油。除单独成藏外,油页岩还经常与煤形成伴生矿藏,一起被开采出来。
大块的油页岩经过破碎、筛选,送到一种巨大的炉子里;在隔绝空气的条件下加热,使有机质分解生成油气;油气再进入一个冷却装置,冷却后会凝结成油状的液体。
页岩油很像石油,除了液态的碳、氢物质外,还含有少量氧、氮和硫的化合物。页岩油经过进一步加工提炼,可以制得汽油、煤油、柴油等液体燃料,具有与石油相同的作用。
油页岩与煤炭、石油、天然气一样属于化石燃料,是非可再生资源、一次能源。
油页岩(又称油母页岩)是一种高灰分的含可燃有机质的沉积岩,它和煤的主要区别是灰分超过40%,与
碳质页岩的主要区别是含油率大于3.5%。油页岩经低温干馏可以得到页岩油,页岩油类似原油,可以制成汽油、柴油或作为燃料油。除单独成藏外,油页岩还经常与煤形成伴生矿藏,一起被开采出来。
目前,世界大部分油页岩分布区地质勘探程度低,很难对全球的油页岩资源量正确预测,只有部分国家对该国油页岩矿床进行了详细的勘探和评价工作。就目前的勘探情况而言,美国是世界上油页岩资源最丰富的国家,查明地质资源量为33400亿吨,折合页岩油为3036亿吨。
2004~2006年,中国对油页岩资源进行了国内首次评价,查明地质资源量为7199亿吨,折合成页岩油为476亿吨。中国在煤炭开采过程中产生的油页岩达到近千万吨,仅抚顺西露天矿油母页岩每年排弃量就达800万吨,排弃占用大量耕地,严重影响了矿区周围的生态环境。
资源
油页岩产油率低于6%者属贫矿,高于10%的属富矿。世界已探明的产油率在 4%以上的油页岩储量,折合页岩油约470Gt,超过已探明的石油储量。美国西部格林河流域拥有世界上储量最大的油页岩矿藏;中国的油页岩资源也较丰富,仅次于美国、巴西、俄罗斯等国,其中最负盛名的为抚顺矿区,与煤共生,探明油页岩储量3.6Gt,平均产油率约5.5%;茂名油页岩矿,可采储量4Gt,平均产油率6.0%。
页岩油是指以页岩为主的页岩层系中所含的石油资源。其中包括泥页岩孔隙和裂缝中的石油,也包括泥页岩层系中的致密碳酸岩或碎屑岩邻层和夹层中的石油资源。通常有效的开发方式为水平井和分段压裂技术。在固体矿产领域...
页岩油是指以页岩为主的页岩层系中所含的石油资源。其中包括泥页岩孔隙和裂缝中的石油,也包括泥页岩层系中的致密碳酸岩或碎屑岩邻层和夹层中的石油资源。通常有效的开发方式为水平井和分段压裂技术。在固体矿产领域...
页岩油,也称油母页岩油或油页岩油,是一种非常规石油。制备方法是加热分解油页岩,加氢或热溶解。这个过程把在岩石中的有机物质转变为合成石油和天然气合成原料。所得的油状物,可以立即作为燃料或用于提供炼油厂。...
油页岩外观多呈褐色泥岩状,其相对密度为1.4~2.7。油页岩中的矿物质常与有机质均匀细密地混合,难以用一般选煤的方法进行选矿。含有大量粘土矿物的油页岩,往往形成明显的片理。
主要有两方面:①干馏制取页岩油,进一步加工成轻质油品以及多种化工产品;②直接用作锅炉燃料,产生蒸汽,并进一步用于发电。油页岩干馏和燃烧后的页岩灰可用于生产水泥等建筑材料。
世界上已发现的非常规油气资源大多位于地缘政治相对稳定的西半球,即美国、加拿大和拉丁美洲,美国是全球油页岩资源最丰富的国家,储量约占全球储量的70%以上;加拿大是全球沥青砂资源最丰富的国
家,储量约占全球储量的90%以上。全球油页岩资源十分丰富,据不完全统计其蕴藏资源量约有10万亿吨,比煤炭资源量多40%。2000年初统计,世界页岩油储量超过10亿吨的国家有美国、俄罗斯、扎伊尔、巴西、摩洛哥、约旦、澳大利亚、爱沙尼亚和中国等,页岩油总量为3741亿吨,预计全世界页岩油资源总量约为4750亿吨,比传统石油资源量(2710亿吨)多50%以上。
油页岩不仅资源丰富,而且分布相对集中。在美国,大约75%的油页岩集中在科罗拉多州、犹他州和怀俄明州。按探明资源量排位,中国继美国、巴西、前苏联之后位居世界第四。中国油页岩探明资源量315亿吨,预测资源量4520亿吨,约85%以上分布在吉林、辽宁和广东省,其中吉林省已探明可采储量为174.5亿吨,约占全国油页岩探明总量的55.3%;广东已探明可采储量超过55.15亿吨,居全国第2位;辽宁省截至2004年累计探明储量为41.3亿吨。
油页岩资源量十分丰富且储量分布集中,具有作为接替能源的巨大潜力和有利条件。
直接开采
直接开采包括露天和井下两种开采方式。露天开采适合于埋藏较浅的矿床开采,成本低,安全系数高,辽 宁抚顺和广东茂名就是典型的例子。井下开采有竖井、水平坑道采矿两种方式,适合于埋藏较深的矿床。直接开采是较原始的开采方式,局限性比较大,对生态环境的破坏也十分严重,主要表现在三个方面:
一是生态及水质破坏严重。无论是露天采矿还是井下采矿,都需要把地下水位降低到含油页岩层的层位以下,开采1立方米油页岩,一般需要抽出25立方米的地下水;采矿水极大地增加了地表水、地下水中硫酸盐的含量。在巴西,油页岩采矿长期破坏着矿山及其附近的生态平衡和水位水质的稳定。
二是灰渣污染严重。通过直接开采得到的油页岩用于提炼页岩油或直接燃烧,产生大量灰渣,如果不回收利用则不仅会造成空气污染,且废弃灰渣占地面积大,其中金属元素和微量元素渗入地下水体,危害人们生产生活。
三是直接开采占地较多,一旦开垦就无法完全修复。
地下转化工艺技术(ICP)
ICP是壳牌公司投入巨资研发出的开采油页岩及其他非常规资源的专利技术,对开发深部油页岩尤其有利。ICP开采油页岩的基本原理是在地下对油页岩矿层进行加热和裂解,促使其转化为高品质的油或气,再通过相关通道将油、气分别提取出来;将这些高品质的油(气)采集到地面进行加工后,可生产出石脑油、煤油等成品油。该技术的突出优点是:提高了资源开发利用效率;减少了开采过程中对生态环境的破坏,即少占地、无尾渣废料、无空气污染、少地下水污染及最大限度地减少有害副产品的产生。尽管该项技术现在还未完全商业化,但关键的工艺、设备等技术问题都已解决,并在美国科罗拉多州和加拿大阿尔伯特省进行了商业示范。按照2005年5月每桶原油开发成本计算,传统的干馏技术为20美元/桶,使用ICP技术生产成本为12美元/桶,ICP技术成本低于传统的干馏技术,该技术在油价高于25 美元/桶时可以盈利。 中国吉林省油页岩资源丰富,但大部分埋藏于平原耕地之下,或者埋藏较深,吉林省地质矿产勘查开发局与壳牌勘探有限公司于2004年12月8日签署合作框架协议书,根据壳牌公司在北美ICP技术的研发及对吉林省油页岩资源的勘察情况,合资公司预计于2006年开始ICP技术商业示范,2010年后将开始全面商业运行。
油页岩的开采方式经过近两个世纪的发展,已取得许多成功的经验,并在不断改进,成熟的开采技术是油页岩工业崛起的有力保障。
随着技术进步和环保意识的增强,油页岩资源从单纯的能源利用发展到综合利用,极大地提高了资源利用率,降低了成本,减少了环境污染,为资源的可持续利用提供了保障。油页岩矿石采出之后,最先是作为能源而被使用的,即干馏炼油和作为燃料。油页岩干馏后的页岩油可作为燃料油出售,也可以通过加氢精制和非加氢精制的方法生产轻柴油,提高页岩油附加值,精制后的重油作燃料使用。油页岩做燃料主要是用来发电,即直接用作锅炉燃料或进行低温干馏产生气体燃料而发电,还可用于供暖和长途运输。2001-2002年,爱沙尼亚利用油页岩发电和向居民、工业供暖所创造的效益分别占国家税收的76%和14%,对其国民经济具有重要意义。干馏和直接燃烧产生的灰渣和废气有不同的用途,灰渣可以用来充填矿井、制取水泥或陶粒、制砖等,现在有很多成功利用页岩废渣的技术;废气可以作为燃料燃烧产生蒸汽后供生产、生活使用,也可以循环利用,为油页岩的干馏提供热源。
油页岩的使用主要集中在提炼页岩油和发电上,因此干馏工艺和燃烧锅炉的发展直接影响着使用效果,降低成本、注重环保和充分利用资源的要求促进了油页岩利用技术的革新,主要表现在干馏工艺和燃烧锅炉的改进上。
干馏技术
目前,世界上许多国家都对油页岩干馏方法进行了研究,有的已形成工业化生产规模,中国、俄罗斯、爱沙尼亚的发生式炉及德国LR炉处理量小,油收率较低,工艺不先进,但投资少,适用于小规模的页岩炼油厂;爱沙尼亚Kiviter炉和美国TOSCO-Ⅱ炉处理量较大,投资中等,适用于中等规模的油页岩炼油厂;爱沙尼亚Galoter 、巴西Petrosix及澳大利亚Alberta-Taciuk炉处理量大,油收率高,产高热值煤气,投资高,适用于大、中型油页岩炼油厂。
燃烧锅炉的发展
油页岩作为燃料用于发电经历了漫长的研究开发过程,从油页岩悬浮燃烧与气化到油页岩流化床燃烧再到油页岩循环流化床燃烧,技术不断进步,效益不断提高,污染不断减少。 1、油页岩悬浮燃烧与气化技术
前苏联采用悬浮燃烧方式直接利用油页岩燃烧发电,20世纪50至70年代先后在爱沙尼亚和波罗的海建立3座电厂,总装机容量为2415MW,所配锅炉出力为65~320吨/小时。但出现了很多问题:锅炉实际出力减小,炉膛结焦,受热面高温腐蚀,尾部受热面堵灰;SO2和NOX 排放量大,严重污染环境;制粉系统耗电量大,锅炉维修费用高,运行不经济;机组可靠性差,经常被迫停机,且停炉检修时很长等。2、油页岩流化床燃烧技术
前苏联首次开发燃油页岩流化床锅炉,于20世纪80年代对爱沙尼亚、波罗的海电站锅炉进行了改造,广东茂名、辽宁抚顺也先后应用了油页岩流化床锅炉,其突出优点是减少了炉膛结焦的可能性,对流受热面上也没有严重积灰,烟气中NO及NO2含量小,燃烧过程中可以吸收大量硫,锅炉实际输出功率增大,飞灰不会粘污锅炉过热器和省煤器管束,锅炉热效率达70%以上。实践证明油页岩流化床燃烧发电在技术上是可行的,但效率较低、经济效益较差。
3、油页岩循环流化床燃烧技术
循环流化床燃烧技术(CFBC)有效地提高了油页岩的利用率和锅炉的热效率,减少了污染气体的排放。它是油页岩发电最有利的燃烧方式,具有良好的煤种适应性、低温燃烧、燃用宽筛分颗粒,SO2、NO及NO2的排放量非常低,锅炉的效率在80%以上,这些突出的优点给油页岩能源利用和油页岩燃烧发电技术注入了新的活力,带来了新的机遇。中国、以色列等国在油页岩循环流化床燃烧发电的能源利用研究方面取得了成功经验,1989年以色列建成首台半商业化油页岩循环流化床燃烧示范电站,采用芬兰Ahlstrom公司的50吨/小时循环流化床锅炉。20世纪90年代以色列采用230吨/时循环流化床锅炉建造一座燃用油页岩商业化电厂,1996年吉林省桦甸油页岩示范热电厂采用3台东北电力学院研究制65吨/小时低倍率循环床油页岩电站锅炉,实现长期稳定运行。
油页岩的应用技术得到长足发展,给许多国家的经济发展做出了很大贡献。但不同国家油页岩主要用途差别较大,爱沙尼亚主要用来发电和提炼页岩油,近40年其电力生产的99%主要依赖于油页岩,巴西主要用作运输燃料,德国主要用于制造水泥和建筑材料,中国和澳大利亚主要用于提炼页岩油和用作燃料,俄罗斯和以色列主要用于发电。
油页岩资源的开发利用展示出了诱人前景,不仅符合国家产业政策和发展循环经济的要求,而且也将为企业带来良好的经济效益、环保效益和社会效益。如何在这个历史发展机遇面前,扬长避短,乘势而上,是需要认真思考的问题。
除了技术方面的这些因素以外,我们还面临许多资源管理问题。一是扶持政策不系统。独立矿床不享受与煤伴生油页岩免交增值税政策;低品位资源开发利用不享受税收优惠;延长产业链没有明确的激励机制。二是资源浪费严重。油页岩开采存在采富弃贫、大矿小开、一矿多开现象;与煤共伴生油页岩丢弃严重;低品位资源利用程度低。三是管理监督有待加强。油页岩矿业权与油气和煤炭普遍存在交叉重叠现象;部分企业以其它矿权代替油页岩,规避招拍挂。
开展综合评价,摸清资源潜力。组织石油、煤炭企业及相关科研机构开展全国性油页岩资源综合评价工作,进一步摸清油页岩资源潜力;规范油页岩资源科学术语,制定油页岩资源储量评价分类分级标准,确定勘查开发技术规范和模式。
勘查重点盆地,获取优质储量。以松辽盆地为重点,加大物探、钻探等实物工作量,优选有利靶区,获取探明储量,为油页岩开发利用提供资源基础,为大规模勘查油页岩资源提供技术和模式。
制定行业标准,规范勘查开发。制定选矿工艺、安全、能耗及综合利用标准。建立油页岩综合开发利用准入制度。企业须对矿权区内油页岩资源进行评价,鼓励企业勘查开发油页岩。
严格环保要求,建设绿色矿山。对油页岩开发利用的尾矿污染、水污染、废气污染等开展区域性环境评价,把资源开发中的环境成本限制在最小。制定严格的环境标准,促使商业性开发油页岩的企业研发并使用有利于环保的技术方法和控制手段。借鉴国外经验,建立油页岩开发利用示范工程,作为循环经济与绿色矿山的典范。
做好战略规划,促进产业发展。将油页岩资源纳入国家战略储备,编制油页岩勘查开发和产业发展规划。制定油页岩发展战略和利用政策,实现综合效益最大化。确立石油公司和煤炭企业在油页岩开发利用中的主体地位。争取实现全国2010年100万吨、2020年1000万吨页岩油产量目标。
加大科技攻关,解决重大问题。加强油页岩成矿理论和富集规律研究,开展油页岩开发利用技术联合攻关,寻求“大型油气田与煤层气开发”及“全国油气资源战略选区”等国家专项和国家科技攻关支持,改进干馏工艺,提取稀有金属,加强低品位和页岩渣资源利用,尽快解决制约综合开发利用的重大问题。
制定扶持政策,鼓励综合利用。独立油页岩矿床比照与煤共伴生矿免收增值税。含油率4%至6%的油页岩减半税费,低于4%的免税费。支持发电并网,提供低息贷款。对延长产业链实行级差税率。
加强矿权管理,实施有效监督。根据油页岩资源特点进行综合有效管理,妥善解决矿业权交叉重叠。扶持建设与煤共伴生、低品位、规模化和综合利用的示范工程。完善对外合作,审查油页岩勘查开发利用方案。严格监督“圈而不探”、“占而不采”等行为。
总之,中国油气资源日趋紧缺,与中国不断增长的能源需求相比,与中国储量丰富的油页岩资源相比,与国际油页岩开发利用水平和规模相比,中国的油页岩产业还远远满足不了国家经济发展的需求,远远没有达到我们所期望的经济和社会效益,还需要加倍努力,奋力前行。
在高油价时代,有关国家对油页岩的开发利用活跃起来。美国国会于2005年通过了发展非常规能源的法案,掀起了油页岩干馏炼油的研发高潮。美国总统布什于2008年6月18日声明,支持发展油页岩,鼓励国会放开对批准页岩油试验用地的限制。美国内政部己批准了6项给予石油公司的土地矿产租赁项目,支持开展油页岩干馏炼油。美国科罗拉多矿业学院在2006年、2007年、2008年连续召开了第26届、27届、28届国际油页岩会议,参与人员众多。当前,美国有29家公司正开展油页岩加工利用的研究,其中14家公司开展地下干馏,11家开展地上干馏的研发,2家公司开展页岩油加氢制取轻质油品研究。上述这些公司大多数正处于实验室或数学模拟,或概念研究阶段,只有壳牌公司正在进行现场地下干馏的中试,还有一些公司正筹划开展实地试验,另有几家公司则在致力于干馏新技术的开发。
中国油页岩的开发利用起步较早,规模也比较大,但长期以来并没有明显进步。1959年页岩油的产量达到70多万吨,占世界的50%以上。1959年辽宁抚顺年产页岩油72万吨,1953年桦甸年产页岩油5万吨,1962~1992年,广东茂名共生产页岩油300万吨。20世纪60年代以后,由于中国常规油气田的大量发现,油页岩提炼油气成本相对较高,页岩油生产规模逐渐减小,并淡出油品市场,油页岩开发利用技术也止步不前。
近年来,由于上轮全球能源需求的增长和解决废弃油页岩环境问题的需要,油页岩的勘探开发面临新的机遇。抚顺、桦甸、罗子沟、黄县等老油页岩矿先后恢复了页岩油生产。2008年,国内年产页岩油约40万吨,其中抚顺矿业集团油页岩炼油厂是目前中国正在运行的、最大的油页岩提炼厂,其产量达到35万吨。
在油页岩利用技术方面,国内相关企业也开展了研究工作。针对现有抚顺炉单台装置处理能力小、油收率低、污染环境等缺点,抚矿集团于2006年成立了"辽宁省抚矿集团工程技术研究中心",将油页岩综合利用作为重点,开发大型油页岩干馏新工艺和相应的生产装置,研发页岩油生产过程的废水、废渣的处理与循环利用技术。中煤集团支持其所属的龙江哈尔滨煤化工公司开展油页岩流化干馏炼油的中试(日加工油页岩50吨),已取得初步成功,日加工油页岩2000吨的工业试验装置的可行性研究报告已初步通过。中石油支持大庆油田采用大连理工大学开发的颗粒页岩固体热载体干馏技术,拟建设日加工2000吨柳树河油页岩的工业试验装置。
中国油页岩资源储量丰富,在煤炭开采过程中也产生了大量油页岩,开发利用油页岩不仅可以缓解石油供需矛盾,还可以解决因废弃油页岩造成的环境问题,提高资源利用率。因此中国应该重视油页岩方面的研究,推动开发利用技术进步,加快油页岩行业发展。
油页岩沥青混合料路用性能分析
油页岩沥青混合料路用性能分析
人工湿地基质油页岩灰渣对磷的吸附特性
选取广东茂名油页岩煅烧废渣作为人工湿地基质,研究了该基质的磷吸附特性。结果表明,Langmuir方程和Freundli-ch方程都能很好的拟合人工湿地基质对磷的吸附数量,其中Langmuir等温吸附方程拟合效果更好,相关性达到0.989。通过正交试验可以得出,在低质量浓度(0~50mg/L)条件下,吸附量随着振荡时间的增加而增长,8h后增长趋势变缓;在初始质量浓度为50~100mg/L,温度为30℃条件下,振荡4h磷吸附效果最好;在高质量浓度(100~300mg/L)条件下,振荡频率越高、粒径越小、温度越高,磷吸附量也越多。
中国是一个油页岩资源丰富的国家,储量仅次于美国、俄罗斯、扎伊尔和巴西,居世界第5位。中国油页岩主要分布于15个省份(区),主要集中在东北和中南地区,查明资源储量329.89×108t,远景储量达万亿吨。其中,油页岩查明资源量吉林省174.27×108t、广东省55.15×108t、辽宁省45.05×108t,分别占全国油页岩查明资源量的52.83%、16.72%和13.65%。
油页岩在我国广泛分布,各个时代地层均有所发现。我国第三系是油页岩最主要的分布层位,平面上分布于东部和中部地区,东部自北而南为东北地区、华北地区、鲁西地区、鲁东地区、苏浙皖地区和两广地区,中部从晋东南地区、洛阳地区、南阳地区、江汉地区、赣湘粤地区到雷琼地区。白垩系油页岩主要分布于天山、祁连山、秦岭到淮河以北的广大地区,侏罗系油页岩主要分布于西北地区和东北地区,三叠系油页岩主要分布于鄂尔多斯盆地和滇西断陷带,古生代油页岩分布于山西地区。
中国油页岩沉积环境为陆相湖泊、海相以及海陆交互相,但以陆相为主。油页岩中的有机质由低等植物和高等植物及动物碎片组成。在还原条件下经过成岩作用和煤化作用过程,转变为固体的可燃有机岩。其造岩矿物主要为粘土类硅铝酸盐矿物、二氧化硅、氧化铝、氧化铁含量较多,氧化钙含量较少。油页岩分布在大小沉积盆地有90多处,主要盆地有松辽盆地、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、阴山-大青山区、茂名盆地、下辽河-抚顺盆地、尚志-依兰-罗北盆地等,约有34个主要含矿区。 2100433B
美国内政部国土及矿产管理局史蒂芬·阿尔雷德的报告
——监管听证: 油页岩
油页岩勘探公司詹姆斯·汉森的报告
壳牌勘探与生产公司对外与法规事务部特利·奥科勒尔的报告
——非常规油
科罗拉多州州长比尔·瑞特的报告
——监管听证: 油页岩资源
荒野保护协会史蒂夫·史密斯的报告
——关于油页岩开发与研究的问题
安东尼·安德鲁斯的报告
——油页岩的开发
约翰·迪尼的报告
——世界部分油页岩矿藏地质与资源状况
安东尼·安德鲁斯的报告
——油页岩:历史、机遇与政策
美国政府问责办公室
——油页岩管理规章
辛西亚·布鲁赫的报告
——科罗拉多河上游流域油页岩开发用水权2100433B
油页岩炼油和发电是其主要的利用途径。干馏法是油页岩炼油的主要方法,分为地上干馏和地下干馏。地上干馏在世界上已有工业上成功的工艺,因而被普遍采用,地下干馏尚在试验阶段,要建立工业生产尚不成熟。
对从油页岩中提取的页岩油进行加氢裂解精制后,可获取汽油、煤油、柴油、蜡和石油焦等多种化工产品。油页岩发电包括直接燃烧产蒸汽发电和干馏后副产的气体燃料燃烧发电两种方式,以前一种方式为主。
此外,油页岩干馏或燃烧后产生的大量灰渣(约占油页岩处理量的60%~80%)可用于制造水泥、砌砖、建筑陶粒和陶瓷等建材;可提取氧化铝、白炭黑、稀有元素和稀土元素等化学产品;可加工成肥料和用作土壤改良剂等用于农业生产;还可以做分子筛、吸附剂、处理废气和废水等。