油页岩地面干馏工艺技术
油页岩干馏分为地下干馏、地上干馏。地下干馏是指埋藏于地下的油页岩不经开采，直接在地下加热，生成油页岩油气导至地面，目前未能进行工业化生产。地上干馏技术是指油页岩经露天或井下开采，送到地面，经破碎、筛分至所需粒径或块度，进入干馏炉内加热干馏，生成油页岩油气和页岩半焦或页岩灰，目前已被广泛使用来加工油页岩。地面干馏根据其热载体的不同分为气体热载体和固体热载体两种。气体热载体法是指原料页岩与预热的气体热载体直接接触传热发生干馏反应的过程。同体热载体法干馏是指原料页岩与预热的固体热载体直接接触传热发生干馏反应的过程。世界上主要地面干馏技术的分类情况见表6.3。表6.3 世界主要地面干馏技术分类一览表续表(1)国内油页岩地面干馏工业技术国内油页岩地面干馏工业技术，主要以抚顺油矿油页岩干馏工业技术为代表。抚顺页岩处理技术已近90年的应用历史，通过不断改进和完善，已在抚顺、桦甸、茂名建立了3个抚顺式油页岩基地，1966年最高峰时共有266台抚顺式干馏炉投入生产。60年代后，随着大庆油田的发现与开发，油页岩炼油工艺因生产成本过高而迅速萎缩。新世纪，以抚顺矿业集团页岩炼油厂为核心，油页岩炼油装置迅速扩容，2008年增建为220台，可年产35×104t油页岩油。抚顺式干馏炉又名抚顺内热式干馏炉，简称抚顺式炉。抚顺式炉是油页岩干馏和页岩半焦气化过程连接在一起的直立圆筒形块状页岩干馏炉，上部为干馏段，下部为气化段。油页岩干馏所需的热量由两部分热源提供：一种热源是页岩半焦与从炉底通入的带饱和水蒸气的空气(主风)，在气化段发生气化燃烧所产生的高温气体，向上进入干馏段加热页岩；另一种热源是向干馏炉中部通入在干馏炉外被蓄热炉加热了的热循环气，向上进入干馏段加热页岩(图6.4)。图6.4 抚顺式干馏技术工艺流程图(2)国外油页岩地面干馏工业技术国外以爱沙尼亚葛洛特炉、巴西佩特洛瑟克斯炉和加拿大塔瑟克炉地面于馏工艺技术为典型代表。1)爱沙尼亚葛洛特炉(Galoter)干馏工艺技术。葛洛特炉是一种回转式同体热载体干馏炉，用热页岩灰作为同体热载体与颗粒页岩在回转炉内混合进行干馏，制取油页岩油，干馏后的半焦和页岩灰混合物由空气在喷射式管中燃烧，生成的页岩灰的一部分作为热载体循环使用。葛洛特炉的工艺流程主要包括3部分：热烟气喷射式干燥油页岩，页岩灰作为固体热载体在回转式反应器中加热干馏已干燥了的油页岩，以及空气喷射式燃烧页岩半焦与页岩灰的混合物。2)巴西佩特洛瑟克斯(Petrosix)干馏工艺技术。佩特洛瑟克斯技术，是巴西国家石油公司开发的直立圆筒形油页岩干馏炉装置。上段是油页岩的干燥和干馏，下段是进入冷循环的干馏气对页岩半焦进行冷却，回收热量，干馏所需热量由干馏炉中部进入，干馏气被管式加热炉加热后为干馏过程供热。油页岩首先在干馏炉内的干馏区进行有机物热分解，所需热量由炉中部进入的热煤气及与炉底进入的热循环煤气供给，这两股煤气都是工艺过程本身产生的。在干燥区和加热区，上行煤气流把热量传给油页岩，油页岩热解生成油页岩油气，炉出口的油页岩油气温度为150℃，经旋流器、静电捕油器及喷淋塔冷凝回收油页岩油。部分冷干馏气作为燃料气在管式加热炉的炉膛内燃烧放出热量，另一部分冷干馏气经过管式加热炉被加热后，作为热干馏循环气进入干馏炉中部加热并干馏页岩。一部分冷循环干馏气进入干馏炉底部，回收页岩半焦，自身被加热进入干馏炉上部，作为页岩干馏所需的补充热源，页岩半焦被冷却后，自炉底水封排出。该干馏技术干馏温度480～500℃，页岩粒度适应范围6.4～76mm，装置油收率＞90%；冷凝回收系统增加了静电捕油器，冷凝回收效果好；单炉处理能力大(6000t/d)，已形成工业化生产。目前，世界上许多国家都对油页岩地面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，适用于小规模的油页岩炼油厂；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，投资大，适用于大、中型油页岩炼油厂。
油页岩地下干馏工艺
目前，包括壳牌公司在内，有几家公司在进行油页岩地下原位开采试验，其开采的原理基本相似，最大的区别就是对油页岩的加热方式。不同的公司油页岩地下加热的方式各不一样，各有优点也有其弊端。大多地下原位干馏工艺仍处于实验室模拟，仅壳牌公司正在美国进行现场中试，但均未进行商业性开发。油页岩地下原位干馏工业化尚待时日。(一)壳牌公司ICP工艺1.工艺原理及发展壳牌公司ICP工艺是一种电热法地下干馏油页岩工艺，也称为壳牌地下转化过程(Shell's In-situ Conversion Process)。ICP工艺主要原理是:在选定的油页岩地下干馏区内打采油井，采油井周围打加热井，向加热井注入热量，使油页岩发生裂解生成页岩油，在高温高压下，页岩油流入采油井，然后从油井中直接抽提页岩油。20年前，壳牌公司开始了油页岩地下转化方法(ICP)实验室和试验基地研究;1996年开始ICP工艺小试，并从美国科罗拉多州北西部的PICEANCE盆地地下油页岩中成功地采出轻质页岩油和有机气体。目前在美国科罗拉多州里奥勃兰克(Rio Blanco County)的马霍甘尼(Mahogany)试验基地对绿河油页岩进行现场地下干馏中试(图3－1)。图3－1 壳牌公司地下干馏油页岩工艺ICP技术是在试验区的四周周围每隔3m钻孔插入钢管，通入液氨冷冻液，对四周周围进行冷冻，防止地下水渗入及页岩油气漏走。在地下干馏区内，布设加热井和采油井，采用多组相邻的7点或13点井，即每一采油井周边均匀布设12个加热井。井孔基本上平行穿过开采矿段，加热井眼等距离分开，间距至少6m，加热井与采油井的适宜间距为9～30m，采油井与加热矿层相通，便于采油。在加热井内插入电热管，对页岩缓慢加热，至温度340～370℃，热解产生页岩油气。油页岩随温度的升高不断膨胀，当温度达到干酪根热解温度(约275～325℃)时，干酪根转化为液态，产生更大的膨胀，占据更大的空间。随温度升高，压力增大，页岩层内形成水平方向的油体裂缝，在压力作用下，页岩油流入采油井，经泵抽至地表。研究表明，ICP页岩油与常规地面干馏所得的页岩油性质不同，ICP页岩油比重小，轻质馏分多，没有渣油，含氮高，含硫低，页岩油主要是石蜡基，环烷多，可以用一般炼油的工艺来加工，制取合格的汽油柴油。ICP页岩干馏气含有二氧化碳、烯烃等。热解水含有氨。目前，壳牌已经在美国科罗拉多州里奥勃兰克(RioBlanco County)、皮斯河(Peace River)、休斯敦开展了ICP技术试验。已经在一块面积为10m×13m的地下干馏试验区内，已产出1300桶轻质页岩油及干馏气，证明ICP技术是可行的(Wolfgang，2007;Beer等，2008;Nair，2008)。壳牌公司希望在下一个10年内能做出工业化生产的决定。据报道，由于电热加热能耗大，在工业应用阶段，拟改用气体加热。2.ICP工艺适用范围ICP工艺的适用技术范围比较苛刻:地下油页岩沉积层不渗透，孔隙率＜5%，开采矿段基本不含流动水;油页岩矿体厚度大于30m;开采矿段平均品位(干馏油+干馏气)≥3.04%;品位与厚度的乘积越大，收益越高。依相对资金收益率推荐的优选范围和最佳范围如下:推荐优选范围:中国发展油页岩产业的可行性推荐最佳范围:中国发展油页岩产业的可行性对照该技术要求，我国绝大部分油页岩矿不适合ICP工艺。3.壳牌技术的优势ICP工艺的优点是无需开采矿石;提高了单位面积的油气产出量，回收率大于90%;采油井收集的气态产物可用于现场发电或作其他用途;可以进行深部油页岩资源的开发;地下实行“柱状”油页岩资源开发，不仅仅只针对富矿开采;产出的油较好，直接适用作运输燃料。4.尚存技术难题目前壳牌技术有三大难题:A.油页岩地下加热技术难题。壳牌公司采用通过加热器加热地下地层，加热带周围采用冷冻墙阻止水的进入和产物的污染。怎样控制加热地带与冰冻墙之间的热传导平衡，是其要解决的难题。B.用水量过大。丹佛荒野协会的史蒂夫·史密斯(Steve Smith)警告壳牌石油公司的地下原位开采行为是一种“错误的愿望、夸张的需要和无法实现的承诺”。有数据表明，每生产1桶石油，需要消耗3桶水。史密斯表示，新技术有可能消耗大量的地下水资源，从而影响数十万居民的生活用水。壳牌公司外务部副经理欧康纳(Terry Connor)承认，水量消耗过大的确是公司目前面临的最为棘手的问题。C.开发后的环境及植被难恢复。地下裂解期间，油页岩矿将切断与其周围的地下水源，破坏地下水系统，地面植被也相应受到影响。开发结束后，地下岩石的物理、化学特征已经发生了根本性的改变，要想进行地下水系统及地表植被的恢复，非常困难。(二)埃克森美孚公司Electrofrac工艺埃克逊森美孚公司(ExxonMobil)的Electrofrac工艺采用水力破裂地下油页岩矿，并加入一种导电的物质，用电缓慢加热，干馏油页岩热解生成页岩油气。该技术已进行了实验室试验和数学模拟，正准备在科罗拉多州里奥勃兰克进行现场试验(Meurer等，2008;Thomas等，2009)。(三)雪佛龙公司地下干馏工艺雪佛龙公司(Chevron)也计划在科罗拉多州开发油页岩地下干馏工艺，包括地下页岩层的破碎，由注入井加入热气体对油页岩进行加热干馏，再由生产井导出页岩油气(Dammer，2008)。(四)美国页岩油公司地下干馏工艺美国页岩油公司(American Shale Oil)也计划在科罗拉多州里奥勃兰克对绿河页岩进行地下干馏。其工艺为:在地面上利用干馏所产生的热解气燃烧产生热烟气，通入位于地下油页岩层的管子，缓慢加热油页岩，热解所得的油气另有管子导出地面。已进行了模拟研究，计划在2010年开展现场中试，将深入地下600m，进行油页岩地下干馏(Wallman等，2008;Burnham，2008)。
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