我国油页岩与煤共生资源分布及综合利用

傅 丛，丁 华，陈文敏

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.煤炭科学研究总院，北京 100013)

0 引 言

油页岩又称油母页岩，与煤炭、石油、天然气、煤成气、致密油气、油砂以及炭沥青和海底的可燃冰(含水甲烷)等同属化石能源范畴，其外观、色泽随着含油率的增高而逐渐变深，即从贫矿、准富矿到富矿时的颜色由灰白、黄棕—棕灰演变至褐色、黑褐色等多种。油页岩开采后提炼油页岩油(以下简称页岩油)，既可直接作为液体燃料，还可通过加氢或其他方法精炼以制取汽油、煤油、柴油及其他多种化工、化学产品[1]。从石油和油页岩中有机质的元素成分分析可知，碳氢含量在石油中较高而在油页岩中相对较低。提炼1 t页岩油约需15 t～30 t油页岩，油页岩提炼油的能效比煤制油低5%且原料消耗大，但采用低温干馏(500 ℃～≤600 ℃)方法对油页岩提油时固定投资低且比煤低温费托合成油节省约6%的成本[2]，具有开发利用的可行性并已在现场推广应用，因而对油页岩的开采利用可接替部分常规油气资源并有助于缓解我国能源压力[3]，将其作为战略储备能源具有巨大的潜力。

在目前虽未清楚油页岩被发现的准确年代，但早在17世纪德国和瑞典等西方国家已开始对油页岩进行勘探开发利用， 至今已有近400年的利用历史，且人类对油页岩的重视程度完全与原油的价格升降之间有很大的关联。一旦油价上涨，因对油页岩的开发有利可图，就会有更高的积极性投资跟进，为后续开发各种新技术、新工艺及新设备提供机遇以期使生产成本达到最低化、经济效益和社会效益最大化。据不完全统计，预计全球目前已发现的油页岩资源量约为10万亿t，折合页岩油资源量为4 750亿t[1,4]，均高于已探明的煤、油、气的资源量，比石油的约2 710亿t多出50%以上，比煤的资源量约多出40%。由勘察数据表明，中国油页岩的资源量位居世界第四[1,5]，早期探明资源量315亿t，近期预测资源量4 520亿t[1]。

我国能源资源具有富煤、少油和少气的禀赋特点，而实际上在2020年我国还进口煤炭超3亿t，我国石油对外依存度从目前的60%左右到“十四五”规划期间将达到70%，天然气的对外依存度也将提升至45%，该种超高的对外依存度会严重影响国家能源安全。从目前探明的世界煤炭储量和石油资源量分析，煤炭估计可开采数百年，石油还可开采不到100年，但油页岩的探明储量正随着新矿区的不断发现而增加，其可采年限可能更长。为了满足不断增加的对油气后备能源的需要，因此须大力加强对油页岩的勘探、开发和综合利用工作，以期为国家提供更多的油气后备资源。我国油页岩已知主要产地包括辽宁抚顺、广东茂名、吉林桦甸、新疆维吾尔自治区乌鲁木齐等矿区[6-7]，在我国急需石油资源发展重工业的建国初期曾在抚顺和茂名等地较大规模地开发利用油页岩资源。在国外，爱沙尼亚等国就长期利用油页岩发电和供暖及作为运输燃料之用，既有益于确保企业的经济效益，也有利于增加国家的税收。

油页岩中可利用的热值虽较低，但如对其矿物质进行综合利用则可发挥其最大的经济效益。随着科学技术不断进步，对油页岩矿床的有机质和无机矿物质的综合利用程度也会随之飞速前进和创新。为使油页岩资源得到优化的科学综合利用，在矿床开采过程中应尽量避免对矿区周围环境和大气、地表水及地下水系等的污染，尽最大努力配合国家对联合国“巴黎气候协定”的承诺，为在2030年碳达峰、2060年达到碳中和贡献一份力量。据估算，全球每年排放的温室气体总量已达到510亿t，需耗费5.1万亿美元以捕集空气中的二氧化碳，因而在未来的工业生产中应尽量多采用有效氢含量高及碳含量低的煤炭，较理想的能源为太阳能、风能、水力能和潮汐能等可再生能源以及无污染的核能，但后者需注意其安全性，而未来在清洁高效使用煤炭的同时也应尽可能选用低碳的天然气、煤层气、页岩气、石油和油页岩等燃料，因而深入研究我国油页岩与煤共生资源的分布与综合利用途径具有迫切而现实的重要意义，以期为今后进一步加强勘探开发油页岩资源的重要矿区提供参考依据。

1 中国油页岩资源分布概况

全球目前已发现的油页岩资源中占比最大的是美国[6]，其已查明油页岩地质资源量33 400亿t，折合页岩油为3 036亿t，其油页岩的资源量约占世界10万亿t的1/3以上，其中科罗拉多州、犹太州和怀俄明州约占全美油页岩资源的75%。但今后随着老矿区勘探开发力度的不断加强和新矿区的陆续被发现，世界各地油页岩所占的比重也将会不断改变。另据2000年初统计，油页岩资源量超过10亿t的国家除美国以外还有俄罗斯、中国、扎伊尔、巴西、摩洛哥、约旦、澳大利亚和爱沙尼亚等国，中国油页岩资源量仅次于美国、巴西、俄罗斯而居世界第四。从1962—1992年间仅广东茂名地区即生产页岩油约300万t，抚顺在1959年前后也曾生产页岩油72万t左右。

2004—2006年中国对油页岩资源首次进行系统评估，查明全国油页岩埋深小于1 000 m的资源量为7 199亿t，以全国油页岩的平均含油率约6.6%折算成页岩油476亿t。分布地区包括全国22个省、自治区中80个矿区的47个含油盆地[3]，比1999年底原国土资源部对全国64个矿区的油页岩查明资源储量314.59亿t增加了近23倍。2016年在松辽平原又发现四处地质总储量超过100亿t的油页岩矿点。

世界各地油页岩的生成时代各不相同，从元古代的震旦纪到早古代的寒武纪和晚古生代的中、晚石炭世、二叠纪到中生代的侏罗纪和白垩纪以及新生代的第三纪均有，但晚古生代以前，因地球上还未有高等植物出现，因而此前形成的油页岩均由低等生物形成。如俄罗斯的库克尔矿床的油页岩就形成于早古生代腐泥成因的志留纪，而我国油页岩矿床多生成于中、晚石炭世时期以后的中生代和新生代的第三纪等地层，但西北地区也发现有中、晚石炭世的浅滨海相沉积的矿床，同时也发现有晚三叠世的湖湾湖泊矿床。而山东黄县煤田的长焰煤和褐煤就与油页岩共生成于早第三纪地层。油页岩既有成为煤层的顶板或底板，也有单独赋存在煤层上部或下部的矿层。广东茂名地区与抚顺西露天矿的油页岩层也均生成于早第三纪，其相应的煤种也均为长焰煤，且油页岩的含油率也均较高。黄县煤田的煤层还延伸至渤海湾海底，油页岩也同时在海底共生，陆上部分的储量至少有18 466.8万t之多。吉林省桦甸和新安的油页岩虽未与煤共生而单独存在，但其生成年代也是第三纪，而该省油页岩储量居全国22个省、自治区之首，全省查明油页岩资源量1 071亿t，其中可采储量174.5亿t；桦甸目前在北台子、鸿昌、大城子和丰泰等多家油页岩公司正对其进行开发。抚顺西露天矿油页岩层的特点是层厚平均达145 m，含油率平均在6.6%左右，而其共生的长焰煤层厚度也达20 m～210 m，含油率也超过10%；为了开采下部的本层煤，采煤时曾每天抛弃油页岩矿石约2.2万t，既浪费大量的油品资源，又对环境造成一定的污染。抚顺东露天矿产气煤的煤层顶板也是油页岩层，曾一度开采其顶部的油页岩层，后为了经济效益也即废弃开采，只采可炼焦的低灰低硫气煤资源以获得效益。哈尔滨市郊的依兰第三纪长焰煤也与油页岩共生，黑龙江省老黑山盆地与8层煤共生的12层油页岩则生成于中生代的早白垩世，青海柴达木盆地北缘鱼卡地区与煤共生的油页岩则生成于中侏罗世时期。

此外，内蒙古的东胜、甘肃兰州市郊的窑街、海南的长坡等矿区和新疆乌鲁木齐与昌吉等地区也均有与煤共生的油页岩层，但由于西部地区的矿产资源开发较晚，因此今后亟需加强力度勘查和开发油页岩资源以期对我国实现2030年完成碳达峰和2060年完成碳中和起到一定的助力作用。

总之，吉林省是目前全国油页岩资源最多的地区，约占全国的20%，其已查明的油页岩资源量达1 071亿t，折合成页岩油约为52亿t。总体而言，吉林省的油页岩也以贫矿为主，省内桦甸以外资源较多的扶余—长春岭矿区的油页岩资源量达453亿t，占全省的45.3%。西北地区油页岩资源预测和查明资源量约为100亿t,含油率为5%～10%左右，主要生成有以下3种类型:① 中、晚石炭世滨浅海相沉积矿床；② 晚二叠世湖滨、湖泊相等沉积矿床；③ 中生代内陆湖泊相沉积矿床。不同矿区面积在(3.3～520) km2之间变化，分布在不同盆地，外观多是褐黑色、黑色。中、晚石炭世和侏罗纪形成的油页岩矿床也多与煤层共生。矿区多位于大中城市附近，具有较好的开发利用前景。稀土元素丰度较高，形成时代越新则稀土元素的丰度越高。

综上可知，中国油页岩资源分布的特点是大多数都与第三纪低阶煤共生，像吉林省桦甸等单独赋存的矿区很少,但也有不少油页岩生成于中生代的侏罗纪或白垩纪。

2 油页岩矿床成因和沉积环境

关于油页岩的成因，曾普遍认为其由单纯的菌藻类等低等生物和水生浮游生物死亡后在湖泊、沼泽等水体底部的缺氧环境下经过腐败作用和物理、化学及地球化学作用而形成，因而其腐泥成分和脂肪类物质较多，并与页岩类矿物紧密连结，而其矿物质含量几乎均高于有机质。油页岩矿床的形成从元古代的震旦纪至早古生代的寒武纪等时期即已开始，而经过国内学者最近几十年的研究[8-28]，发现我国有的油页岩成因十分复杂。在早古生代及以前形成的油页岩中油母的来源均为菌、藻类等低等生物以及发现有少量腹足类、腕足类和某些鱼类小动物化石，该时期的油页岩属于腐泥成因；从晚古生代石炭纪到中生代和新生代的第三纪则是油页岩生成的主要时期，此阶段的油页岩生成物质来源较为复杂，即晚古生代以后形成的油页岩资源虽亦多以低等生物为主，但也有部分为高等植物形成，同时还有两者混合生成的油页岩。形成环境既含湖泊、沼泽带，也有受海侵影响的海陆交互相沉积矿床，既有单独的油页岩矿床，也有与煤共生的油页岩层，且在不同矿区之间的油页岩成因通常差异较大。如茂名油页岩中有葡萄藻、藻类和孢子、花粉以及鱼类、贝壳类化石等；抚顺油页岩中有淡水藻类、龟、鲤鱼和树干等化石，还有大量第三纪高等植物的叶片、花粉、孢子等化石；黄县油页岩中有大量介形虫、淡水藻、孢粉以及贝壳类等化石。由此表明，不同地区油页岩中形成的原始物质中既有低等生物也有高等植物的成分混入其中，由单一物种生成的油页岩可能很少。对西北地区煤与油页岩共生资源的科研和调查结果进行分析，发现其油页岩矿床形成主要有3种形式:① 中、晚石炭世时期形成的淡浅海相沉积；② 与煤共生的油页岩矿床沉积(其沉积条件与同期煤的条件相同)；③ 由早古生代以前形成的矿床多为海陆交互相沉积，后期形成的以陆相沉积为主。

从中国的勘探开发情况发现，与煤共生的油页岩矿床比单独的油页岩矿床占比更多，尤其是中生代以后的矿床更是如此，而晚古生代的共生矿床相对较少；从我国油页岩资源分布情况分析，虽全国22个省、自治区的47个盆地中都发现有油页岩矿床，但各地有关油页岩的储量、含油率的高低、矿物质的成分等情况差异较大。其中发现油页岩资源最多的是东北地区、最少的是西南地区。东北地区以吉林省吉林市所属的桦甸市单独成矿的油页岩探明储量达100多亿t，占全省174.5亿t的近六成，该矿区第4层油页岩的含油率有的可达28%左右，目前开发的力度不小。抚顺西露天矿的巨厚油页岩与含油率高达10%左右的下部长焰煤共生，油页岩层的厚度达48 m～190 m，含油率也达6.6%，矿区炼油厂也曾有大规模生产。广东以茂名为主的油页岩资源量也达55多亿t，超过辽宁省而居全国第2位，其含油率约为7.3%左右，也高于抚顺的6.6%含油率。黑龙江省依兰矿区油页岩的含油率为3.75%～18.57%，其波动范围较大，中位数约10%以上，具有较大的开发利用价值；山东龙口黄县煤田的含煤系一直延深至渤海湾底部，预计其总储量可能有数亿吨之多，由于其含油率较高，平均多大于10%，且也有的约高达18%，是1种可与煤共同开采的油页岩富矿。但我国油页岩总体情况属于以含油率小于10%为主，全国平均含油率在6.6%左右，低于美国的大于9%含油率。从综合利用油页岩的有机质和无机矿物质的视角分析，我国大多数与煤共生的油页岩资源均有不同程度的开发利用价值，在有条件的矿区适宜在矿层原位进行地下气化或低温干馏以提取宝贵的油气资源，以尽量减少或避免对周围环境和空气及水体系的污染。

分析黑龙江的伊兰盆地煤与油页岩共生的情况可知，其油页岩主要为湖沼相沉积，且多为半深湖～深湖相环境，其中的矿物组成以黏土矿物为主，在黏土矿物中又以高岭石较多(占黏土矿物的50%以上)，且其有机质主要来源于高等植物、湖泊内的菌藻类体以及其他地下水生生物。

青海柴达木盆地是煤与油页岩共生的中国西部大型含油气盆地[9-10]，其油页岩的原生物质以松、柏、杉科、南洋枋科、罗汉松科等高等植物以及蕨类植物等混合有机质为主，主要形成于缺氧的淡水—半咸水环境。例如团鱼山地区石门沟油页岩即形成于弱氧化的淡水浅湖环境[11]。

吉林桦甸油页岩沉积于淡水湖泊，有机质中含有大量来自湖泊的藻类体，并含有少量的陆源高等植物。吉林梅河长焰煤与油页岩共生的沉积条件为扇三角洲前缘—浅湖—沼泽环境，在水退水进中有不少高等植物参与，并在泥炭沼泽中形成煤与油页岩两者不同组合的成矿模式。

山东省地方国营五图煤矿位于潍坊市昌乐县五图村境内，生成于新生代的早第三纪(古近系)，也是煤与油页岩共生矿区。煤类相当于次烟煤(原被认为褐煤)，3层煤的干基全硫平均在3.8%～4.1%，沉积环境与海相有关。油页岩层的探明储量达4.2亿t，远高于其煤的储量(约600万 t)，其中含油率(Tar,d)大于5%的有2.9亿t，含油率小于5%的有1.3亿t。井下发现在地层内有煤与油页岩共生的5种组合形式，主要发育在三角洲滨浅湖和半深湖环境，在湖泊稳定沉积期发育的油页岩原始物质以低等水生生物为主，并含有腐泥质。

山东黄县盆地为中生代白垩纪形成、新生代早第三纪继承性发展的含煤与油页岩的地堑型断陷盆地，也是我国东部重要的煤与油页岩资源赋存区[8,12-14];煤与油页岩共生的成因为近海型水进体系域的湖泊、沼泽环境，其成矿有机质主要来源于水生低等生物如兰藻、绿藻、黄藻等菌藻类物质。此外，还有轮虫纲、纤毛虫纲和软体动物及昆虫等动物，也发现有高等植物中的镜质组生成于温暖潮湿气候下的淡水到半咸水的浅水环境。内蒙金宝屯矿区煤与油页岩共生，其发育于深湖、半深湖内向三角洲过渡的沉积环境[15]。黄县、抚顺、依兰和金宝屯等盆地的煤与油页岩共生的成矿物质特点基本相同，即煤与油页岩中均既有高等植物又有低等动植物形成，但共生背景下煤系中的低等动植物和油页岩中的高等植物均比单一矿种的含量高[16]，且煤与油页岩的形成条件互有影响。如依兰盆地煤与油页岩共生4种组合[17]，其煤系发育于湖沼相沉积，油页岩发育于湖沼相和湖泊相环境，未见有海侵出现。甘肃、青海两省的油页岩矿区早于1946年前已被地质人员发现，如甘肃永发县之炭山岭；以后在永登、华亭等地也发现有与煤共生的油页岩资源，陕西分平县永寿油页岩矿区也于1946年前发现其油页岩和煤层，均有高等植物和水生低等生物有机质双重输入的特征。

总之，经国内广大油页岩的勘探和生产人员长期实践经验表明，我国油页岩从沉积环境成因角度大致可分为陆相油页岩和与海侵形成有关的海相油页岩，2种油页岩之间的主要区别在于陆相油页岩的有机质中脂肪烃含量较高且湖泊类陆相油页岩主要由藻类和浮游生物形成较多，而海相油页岩主要来自成矿早期微生物死亡后沉积形成。但我国油页岩多为陆相沉积油页岩，其埋藏多在300 m～100 m以浅，有利于对油页岩的开发利用。

3 油页岩的基本性质

含油率是油页岩质量评价的关键指标，也是其品位评价的关键参数。氢碳比高则含油率亦高，而油页岩的含油率高、可燃气含量大时则其发热量就高[6]。我国油页岩的含油率通常在6.6%左右，即以贫矿居多。吉林省的桦旬油页岩以含页岩油小于10%的准富矿为主，发热量(Qnet,ar)最高可超过16 MJ/kg；山东黄县梁家和北皂等矿的油页岩含油率(Tar,d)平均可达15.57%，茂名的含油率为8.28%，抚顺油页岩的含油率相对较低(约为6.6%)，但以上均属于有较大开发前途的矿点。

油页岩的主要成分是以页岩类矿物的无机矿物质为主，其次是油母和水分。无机矿物质中主要包涵石英、高岭石(黏土)、云母以及白云石、石灰石、菱铁矿等碳酸盐矿物，还有硫铁矿及多种微量有益和有害元素、重金属元素以及稀土元素等。油页岩的灰分多在50%～70%，仅少数富矿的灰分可低至40%～60%左右；其有机质油母多为腐泥成分，含有较多的脂肪烃类和较少的芳烃类物质，含油率一般从最低的大于3.0%到30%以下均有，其水分一般多为5%～20%。油母不溶于乙醇、丙酮和苯类等有机溶剂，表明其油的成分与天然石油有一定的差异。矿石中水分的大小通常与矿物质颗粒间的微孔结构有关，微孔越多则吸收的水分越多。同时，水分还与矿层的地下水位高低有关，而水分越大则在燃烧过程中消耗的汽化热也越多，因而在人工干燥过程中就易崩裂破碎，在采掘油页岩时首先需将地下水位抽至矿床的层位以下，如采出1 m3的油页岩一般需抽出25 m3的地下水[5]，但矿井的酸性水抽至地面即严重污染环境。

油页岩中主要有机质油母的化学成分和结构十分复杂，其中以脂肪烃类成分为主，其次为芳烃结构，含有苯、甲苯、二甲苯、酚、甲酚、二甲酚等。其氢碳原子比约为1.25～1.75。油母含量越高，油页岩的H/C原子比越大，含油率和发热量越高，经济价值也越大。油页岩的有机元素组成特点是有效氢含量通常比低阶动力煤高，但低于天然石油中的含氢量，其Hdaf约为6.5%～10%以下(石油中Hdaf可达10%～14%)；碳含量一般多低于80%，而石油中Cdaf可达80%～88%且平均约85%；我国油页岩中的氮含量与煤类似，Ndaf从1%以下到2%以上均有；氧含量变化不大，Odaf大多在5%～10%左右，而石油的水分多在2%以下。其C/H质量比一般为7～8以上，挥发分(Vdaf)多在60%以上，含硫量的大小主要与其沉积环境有关，陆相沉积的硫分(St,ad)有低至0.5%～1%以下的，与海侵有关的矿层的St,ad从2%～3%以上至7%～8% 左右的均有，其发热量(Qnet,ar)一般低至2.1 MJ/kg～7.1 MJ/kg左右。其灰渣成分一般以二氧化硅为主，SiO2含量多在40%～70%左右，Al2O3多在10%～20%以上，Fe2O3含量则与矿石中硫含量的高低有关。如陆相沉积的Fe2O3含量大部分在10%以下，CaO和MgO一般均小于5%，TiO2及K2O和Na2O均在1%～2%左右，因而大多数矿渣的灰熔融性温度较高，流动温度(FT)多在1 350 ℃～1 500 ℃左右，但海侵有关的矿渣灰成分中SiO2和Al2O3含量及灰融性温度都会有不同程度降低。

油页岩的成因与石油和油沙等大致相似，即均为化学结构相近的有机沉积岩矿床，但其显著特点为灰分很高，即灰分产率普遍在50%～70%。其真相对密度也随其含油率的增高而降低，从贫矿的TRDd为2.5以上降至富矿的1.7以下，多数在2.2左右，而黄县油页岩的视相对密度可低至1.65左右。又如爱沙尼亚油页岩富矿的发热量(Qgr,ad)在12.96 MJ/kg以上，而中国山东黄县富矿的发热量可高至14.84 MJ/kg。其挥发分一般远高于煤炭，Vdaf常可达60%以上。页岩灰的组成成分大部与煤灰类似，SiO2+Al2O3多在80%左右，但海陆交互相或近海相沉积的油页岩中CaO+MgO等碱土金属和碱金属含量较高，如山东黄县油页岩的灰中CaO含量有的达33.05%，但吉林桦甸油页岩的灰中CaO含量就相对较低(为12.44%)，而一般陆相沉积的油页岩中CaO有不少在5%以下。

总之，油页岩的基本特性是灰分和挥发分普遍在50%～70%，发热量随矿物质和水分的增高而降低。如黄县油页岩含油率在18%左右的富矿，其Qgr,ad也仅15 MJ/kg左右，相当于石油发热量41.87 MJ/kg的36%;其碳氢含量也低于石油中的碳含量，其中氢含量多为6.5%～10%;氧含量多在5%～10%左右，远高于石油中的氧含量(2%以下);氮含量为1%～2%以上,也高于石油中的氮含量(1%以下)。据此，页岩油只有经过加氢精炼后才能提高其经济效益，可生产汽油、煤油和柴油以及重油等优质流体燃料以及大量化工、化学产品以用于人造橡胶等有机合成的重要原料。

由于油页岩中的有机质与矿物质常紧密相连，因此贫矿很难通过洗选方法以大幅提高其有机质和含油率。目前全球对油页岩的质量评价尚无统一标准,对于我国油页岩矿床的储量计算可按GB/T 17766—2020《固体矿产资源储量分类》方法或结合地质矿产行标DZ/T 0346—2020《矿产地质勘查规范 油页岩、石煤、泥炭》进行，而近期辽宁省地方标准《油页岩露天矿山安全规程》等也即将发布。根据中国的实际情况，一般可认为其含油率(分析基)>3%～<6%的属于贫矿，含油率6%～<10%的可被认为准富矿，含油率10%～<20%的属于富矿，含油率≥20%为超级富矿，但仅少数地区含油率可达富矿标准。为充分利用宝贵的油页岩资源，建议在国内统一按含油率大致将油页岩分为贫矿、准富矿、富矿和超富矿共4级并确定相应的限值，提议将矿层最低厚度、矿体有效面积等资源量评价参数以及含油率、发热量等质量评价指标作为油页岩勘探综合评价组成要素纳入国标制定之中，逐步构建我国油页岩标准体系框架，以期对统一全国各地油页岩储量计算起到必要的指导作用。

4 油页岩的综合利用途径

油页岩与原油虽均来自于化石燃料中的沉积岩矿床，其含油的化学成分也大都与原油较为接近，相互间最大的区别还在于油页岩中的灰分多在50%～70%，而石油中的灰分一般都低至0.20%以下，所以油页岩中的含油率也就很少有超过30%。总体趋势为油页岩的含油率越低、灰分越高则其经济利用价值也相对越低。且总体上在全球油页岩中的富矿比例通常都较低，中国的油页岩矿床也以贫矿为主。但油页岩的用途十分广泛，对不同含油率的矿床可有不同的用途，不仅其所含的油品可以被有效利用，其矿物质也可作水泥等多种建筑材料和充填矿井以及铺路等之用。

4.1 低温干馏技术用于炼制页岩油

通过低温干馏热解油页岩的工艺方法可得页岩油该优质液体燃料，且可获得含有丰富的苯、甲苯、二甲苯、酚、甲酚、二甲酚等化工原料；采用低温干馏技术热解提油的工艺简单、投资相对较低、加工条件温和，其为现代煤化工分质分级利用发展的趋势；该工艺在油页岩中试先导装置上已得到部分验证，为我国油页岩的开发利用进行了有效的探索[35]。

对含油率大于10%的富矿，通常可优先作为低温干馏(500 ℃～600 ℃以下)的原料以生产出性质与石油类似的油品即页岩油，目前已有大量的相应研究[29-41]。如与煤热解制油相比，油页岩制油在投资上稍具有优势，但其生产成本和盈亏平衡点均高于煤制油[29]。对油页岩采用低温干馏技术较为先进的有在矿床原位加热使其裂解以生产油、气等产品，如荷兰壳牌(shell)公司研发的ICP工艺，其特点与基本原理是对地下油页岩矿层原位进行加热使其裂解，转化为高品质的油、气[4]。该法对开发深部油页岩层(如埋深300 m以下的矿层)尤其有利，比从矿层将油页岩采出地面后再进行干馏出油具有更高的经济效益、社会效益和环境效益。因为采用ICP工艺生产油品，不仅提高资源开发利用效率、减少开采过程中对生态环境的破坏及占地堆放，且无尾渣废料、空气无污染，免除了地下水污染及最大限度地减少了有害副产品的产生(如氟、氯、砷、汞、铅、镉、铬等有害微量元素及重金属元素)[1]。

采用低温干馏工艺生产的页岩油在常温下为褐色膏状物，其黏稠度和真密度均大于天然石油膏，在直接分馏时轻质馏分较少，其中汽油馏分仅2.5%～2.7%左右，360 ℃以下的馏分约占40%～50%；含腊重油馏分占25%～30%左右，渣油约占20%。此外，还含有不少凝固点较高的石腊以及少量沥青质，有的含氮量较高，属于含氮较高的石腊基油。其C/H质量比多在7～8左右，如山东龙口(黄县)洼里矿的页岩油碳含量较高(为84.01%)，氢含量为11.7%，其C/H质量比为7.18，其氮很低(仅约0.30%)。但不同矿区页岩油的质量差异有的可能较大。凡H/C原子比越高，油的密度就越低，热值就越高，质量则更佳。页岩油中的氧含量比天然石油中的高，碳、氢含量相对较低，故其热值也比天然石油要低。现场技术应用时需确定油页岩含油率的限值以判断其是否具有实际生产的经济效益，因若含油率过低则会产生企业亏损状况而无法正常运作。中煤集团油页岩流态化干馏炼油技术研究已于2018年通过鉴定，但该工艺尚待进行下一步的放大试验和小型示范厂的长时间运转后才能进一步实施商业化生产的工厂建设。

采用ICP工艺生产的油和气，将其采集至地面再进一步加工精炼处理，如采用加氢裂解精炼或其他精炼方法生产汽油、煤油、柴油等液体燃料和石腊、油渣等副产品。此外，在油页岩炼油过程中还可得到硫铵、苯类、酚类、吡啶等化学产品，可分别生产氮肥、合成纤维、塑料、染料及药物等化工原料。上述ICP方法已在美国科罗多拉和嘉纳法阿尔伯特州进行商业化示范工程，其关键技术和工艺设备等问题据说基本已解决。而据2005年5月测算，ICP技术的炼油成本明显低于传统的地面低温干馏技术。后者生产每桶油品需花费20美元，前者只要12美元即可。当每桶原油(42美国加仑即合0.159 m3)价格在25元以上时，采用ICP技术生产油页岩即可盈利。据悉，2004年底我国吉林省曾与壳牌公司签署过合作框架协议并计划于2010年开始全面商业化运行，但后因矿床油页岩含油率达不到盈利要求而无法进展。

有关煤、油页岩联合催化热解技术的应用项目举例如下:长春实业有限公司立项7年自主成功研发煤与油页岩清洁高效综合利用的新技术及新装备，以内置间接外式回转核心反应器、纳米稀土催化剂为技术核心，高度集成组合密封、高温除尘、载热混合油气分离、供热与余热综合利用、热解水生物处理等关键性突破技术，辅以控温、自动报警等其他辅助设备，实现了煤、油页岩的高效连续在线催化热解，通过研发而获得工业应用技术。其技术的先进性表现在:产品产率、收油率为葛金试验的85%以上，重油向轻油转化率提高20%以上，总能量转化率高于85%，技术成果达到国际先进水平；在煤、油页岩洁净利用的同时获得高热值的燃料油馏分和多种化工原料，经年处理1 500 t的工业性验证并连续平稳运行。该技术已于2012年4月27日通过了国家能源科技成果鉴定，但要达到真正商业化运行则尚需经过年处理量达1万t以上或更高规格的中试后才能进一步建设年处理量更大的示范厂，并进一步提高和简化生产工艺以获得尽可能高的经济效益和社会效益。

此外，世界许多国家前期也均对油页岩的炼油工艺进行研究并取得不同程度的成功，如中国、俄罗斯和爱沙尼亚的发生炉及德国开发的LR炉均适用于小规模的油页岩炼油，其投资较少但工艺技术不先进、油收率较低，而美国的TOSCO-∏炉及爱沙尼亚的Kiviter炉处理量较大、投资中等，适用于中等规模的炼油厂；爱沙尼亚的Galoter、巴西的petorsix及澳大利亚的Alberta-Taciuk炉的处理量均大、油收率高，产高热值可燃气，适用于大、中型油页岩炼油厂[1,4]。上述几种方法均属地面干馏提油工艺，即更适用于埋深低于300 m的油页岩矿床资源开发利用，但油页岩从矿层采出后会产生大量的废弃物。据统计，每提炼1 t页岩油平均约产生15 t～30 t废渣，其堆放还占用土地，同时在干馏过程中产生的废水和废气的处理难度也很大，其综合效益相对较差。所以目前全球范围内地面干馏的生产规模较小，仅约200万t/a左右。

吉林众诚油页岩公司经多年研究，于2014年7月在松辽平原扶余—长春岭野外试验现场利用地下原位裂化干馏技术对埋深300 m处贫矿生产出原位技术页岩油，表明我国对油页岩原位开采加工技术已有突破性进展，今后将具有较大的发展空间。

4.2 燃烧发电及灰渣等综合利用

对于含油率不高的油页岩，比较合适的用途是作为发电、供热、工业锅炉、窑炉和民用燃料，也可形成以油页岩项目为龙头的煤、电、化、冶、建材等综合利用循环经济产业链[41]。特别是油页岩与煤共生的矿点尤其适宜于某些优质煤配入油页岩进行配烧，如神东煤的发热量超过一般锅炉用煤需要时即可根据不同窑炉对燃料热值的要求分别在煤中配入油页岩，其优点是油页岩的着火点低，在配入煤中很快能带动燃点高的煤炭一起燃烧，在短时间内使炉膛达到高温状态而有利于充分燃烧以提高燃烧效率和热能利用率。同时由于油页岩的灰熔融性温度普遍较高，与低灰熔融性的高热值动力煤配烧后可防止灰渣结成大块从而促进顺利排渣。

爱沙尼亚主要利用油页岩发电和向居民供电和工业供暖等，所创造的效益分别占其国家税收的76%和14%[1]。油页岩燃烧后的灰渣通常可作为生产水泥、砌块、陶粒等建材产品，如德国油页岩主要用于制作水泥等建材产品，在巴西油页岩主要用作运输燃料，俄罗斯和以色列则主要用于发电并对灰渣充分利用。但灰渣最大的用量是作为填充矿井的采空区及破碎后供修建公路使用。

为了充分利用热能和提高能源热效率，因此目前包括中国在内的许多国家都在积极开发新一代锅炉，即将循环流化床锅炉用于发电和生产高压、高温蒸汽以供各种工业生产使用。循环流化床锅炉是20世纪70年代由美、德和瑞典等西方国家积极开发完成的新一代燃烧技术，其起源于固体流态化技术，即为采用低温(稍高于850 ℃)燃烧、高效且污染较少的新技术。目前该技术已在国内外积极推广使用，其烟气中的二氧化硫和以NO为主的NOx排放量均比常用的正转链条锅炉少得多，其富氧增压锅炉的热效率(90%以上)也高于链条锅炉(50%左右)，且其既能燃烧高热值的优质煤，也能燃烧煤矸石、褐煤、石煤(特高灰分的腐泥成因的年老无烟煤)，更适合于燃烧灰分虽高但着火点低、挥发分又大的油页岩。此外，对于有热值的生物质燃料以及气化炉渣等，其与油页岩干馏后的高灰半焦均可掺烧从而充分利用其能量[42-55]，在燃烧高硫煤时应加入石灰石将硫以CaSO4的形式固定在灰渣中，目前正在积极发展的富氧(含氧30%～50%)增压循环流化床锅炉的效率更高。

循环流化床锅炉的燃烧系统大致由给料装置、燃烧室、气固分离装置等用于循环物料回送装置组成，采用小粒度(约2 mm～8 mm左右)从燃烧室下部送入一次风再送入布风板下部，二次风从燃烧室中部送入，流化速度在3 m/s～10 m/s范围内。由于对一次未完全燃烧的物质可二次循环燃烧，从而可使其得到几乎完全燃烧从而提高能源利用率以及减少对大气的污染，其中富氧增压循环流化床锅炉的燃烧效率比常压循环流化床锅炉更高，经济效益可得到进一步提升。如将油页岩与矿区附近的褐煤按一定比例掺混作为循环流化床锅炉的燃料则具有良好的经济效益和社会效益[56]。随着准东煤在100 MW锅炉机组掺配比例增加，可提高约1%的锅炉热效率[43]。针对准东低熔融性的低阶动力煤和高熔融性油页岩混合燃料在100 MW锅炉燃烧过程中的矿物质演变规律进行研究,发现掺混15%油页岩后就能降低碱金属和碱土金属的析出并改变其存在形态[44]，可解决某些火力发电厂大比例和大规模掺烧类似准东低熔融性煤引起的受热面玷污和炉膛结渣问题。另外，与神东和准东煤性质相近的广大西北地区的早、中侏罗世时期的长焰煤和不黏煤或弱黏煤进行配合，如储量达300多亿t的神东矿区煤由于其灰熔融性温度低而可在条件合适时与灰熔融性温度高的油页岩配烧，作为电厂燃料后即可减低其灰分在炉膛中结渣而使燃料得到充分燃烧，大幅提高热能利用率及取得多种效益。油页岩燃烧非常剧烈并具有集中析出的特性；在油页岩中掺混一定比例的煤可降低其固定碳燃烧阶段的活化并有助于油页岩的平稳燃烧和充分燃烧[45]，如在一般高硫煤中加入20%左右的油页岩作为可燃固硫剂，可使高硫煤的燃烧特性趋好并有效降低SO2排放量[46-47]；当煤、油页岩及石油焦混合比例适当，其混合燃烧特性将优于油页岩及石油焦等单独的燃烧特性[48]。可磨性好的油页岩还可供煤粉电厂锅炉混合燃烧使用[49]，热效率最高常可达90%以上。

此外，油页岩贫矿还可作为生产有机肥料的原料，如利用陕西当地的油页岩即可在原有5万t/a磷肥生产线的基础上改建为5万t/a的油页岩有机复合肥料的生产线。也可将油页岩提油后的半焦作为资源化充分利用[57]，即油页岩半焦资源化利用可体现在用于水泥混凝土修筑公路或土体加固、混凝土掺合黏土体胶凝材料、生产吸附性沸石、分子筛等方面，充分发挥固废资源化利用效应。对含油率不大于3%的含油页岩可将其作为生产水泥和砖瓦、陶粒等多种建筑材料使用。

4.3 小 结

随着技术的进步、科学的发展以及人们对环保意识的增强，人类对油页岩的利用水平还在不断提升。如最初将油页岩挖掘出矿后送至地面作为燃料使用，近期在矿层原位地下气化和干馏生产高质量的油气资源，并进一步对产生的油品进行加氢精炼以生产出汽油、煤油和柴油等优质液体燃料，同时也产出其他宝贵的化学、化工产品以作为生产人造橡胶塑料等有机合成的重要原料。在对油页岩直接作为燃料使用方面，也从较简易的链条锅炉发展为技术先进、燃烧完全、对环境友好的富氧增压循环流化床锅炉，极大程度上提高了其燃烧热效率与热能利用率；同时还可生产吸附性沸石和分子筛以及作为一般橡胶和硬质塑料的填料，但要求粉碎至超细颗粒且加入少量的连结剂。

此外，对提炼页岩油后的半焦，虽灰分高及热值低，但也可在循环流化床锅炉中利用其余热，燃后灰渣可一并用于生产水泥等建材。例如将油页岩炼油后的半焦掺煤混烧、灰渣综合利用集成于一体，即可提高油页岩的综合利用效率与保护环境作用[57-58]，从而使之达到物尽其用的利用效果。

综上归纳可知，目前对油页岩从单纯的能源利用发展到因地制宜、因矿制宜进一步向综合利用与合理利用方向迈进，极大程度上已提高资源的利用率、降低生产成本并减少对大气和环境的污染，从而为油页岩资源向更广泛的领域拓展奠定了坚实的基础。

5 结 论

(1)油页岩属非常规的油气资源及有广泛使用前途的固体化石燃料，由其提炼出的油品属于与原油性质较为接近的高热值液体燃料，虽其热值低于原油、有机元素组成中的碳氢含量比石油低、氧含量比石油高、经济价值比石油相对较低且开采成本高于石油、煤炭和天然气，但随着石油资源的日益枯竭及油品价格的不断提高，对油页岩的利用价值也将越来越高，油页岩仍将是煤、油、气等化石燃料的后备资源之有效补充。

(2)目前全球探明的油页岩资源主要分布在美、欧、亚等发达地区，以美国最多，依次则为巴西、前苏联和中国，其中美国约占全球目前已探明油页岩储量的1/3以上。目前在我国油页岩探明储量最多的是吉林、广东和辽宁三省，但全国其他19个省、自治区也都发现有不同储量的油页岩资源。中国油页岩资源分布的特点是大多与煤共生且多分布在中生代的侏罗纪和白垩纪以及新生代第三纪的47个盆地内，像吉林省桦甸等单独赋存的矿区很少，生成于晚古生代的也较少。

(3)油页岩的成因十分复杂，从沉积环境成因角度可分为陆相油页岩及与海侵形成相关的海相油页岩。但我国油页岩多为陆相沉积环境，即主要由菌藻类低等生物所形成且形成环境大多在湖泊、沼泽等淡水环境中，部分也有与海陆交互相沉积或与海侵有关的环境形成。前者的硫分较低，多在2.0%以下，后者硫分最高可达7%～8%左右，由此造成两者的经济价值有所不同，但整体埋藏较浅，有利于降低油页岩的勘探开发和利用成本。

(4)油页岩的基本特性是灰分、挥发分均普遍较高(在50%～70%)，远高于其他化石燃料；全水分变化大，从5%以下到20%以上均有，其发热量随灰分和水分的增高及含油率的降低而相应降低，有机元素成分中的碳氢含量略低于石油而高于一般低阶动力煤。油页岩有机质中的碳含量平均约在80%以下，氧多在5%～10%左右，其有机质(油母)中可检测出烷烃类、类异戊二烯烃、甾类及芳香族化合物，无机质中的SiO2+Al2O3通常可达70%～80%左右，含Fe2O3除了与海侵有关外一般较少，其灰熔融性温度普遍较高，因而尽可能地对其进行综合利用以获取最大的经济效益、社会效益和环境效益。建议在国内统一按含油率大致将油页岩分为贫矿、准富矿、富矿和超富矿共4级并确定相应的限值，提议将矿层最低厚度、矿体有效面积等资源量评价参数以及含油率、发热量等质量评价指标作为油页岩勘探综合评价组成要素纳入国标制定之中，逐步构建我国油页岩标准体系框架，以期对统一全国各地油页岩储量计算起到必要的指导作用，并为油页岩的综合利用提供技术依据。

(5)中国的油页岩资源较为经济可行的利用方法是对含油率较高的富矿可与煤共同开采并在矿区原位干馏或气化以获得油品和合成气等资源，与煤共生的油页岩非富矿床则多采用将煤、油页岩单独开采、分别或合并利用，而对于作为露天煤矿覆盖层的油页岩矿床在有条件的地区则以选择与煤配合作为发电、工业锅炉和窑炉的燃料，且以选用技术先进的循环流化床锅炉或发电煤粉锅炉为宜，其灰渣可作为用于生产水泥及砖瓦、陶粒等建筑材料或采空区的充填物等，既充分利用宝贵资源又大幅提高燃烧效率和热能利用率，同时还能使油页岩与煤产生叠加效应，从而达到油页岩和煤的优势互补，使两者的有机质和无机矿物质均得到充分的综合利用以取得最大的经济效益、社会效益和环境效益。