小颗粒油页岩综合利用技术进展

第51卷第1期 辽 宁 化 工 Vol.51，No. 1 2022年1月 Liaoning Chemical Industry January，2022
收稿日期： 2021-06-21
作者简介： 张哲娜（1990-），女，河北省石家庄市人，工程师，硕士，2016年毕业于天津大学化学工程与技术专业，研究方向：固体废弃物
小颗粒油页岩综合利用技术进展
张哲娜，梁仁刚，金兆迪，喻学孔，张树立
（杰瑞环保科技有限公司，山东 烟台 264003）
摘 要： 油页岩是当今石油能源的重要补充，目前在油页岩开发利用中产生大量被随意丢弃的小颗粒油页岩，导致严重的环境污染和资源浪费。

介绍了近几年国内外针对小颗粒油页岩综合利用的相关技术，简述了小颗粒油页岩成型利用、燃烧发电及干馏炼油技术的研究成果和应用案例，分析了小颗粒油页岩综合利用过程中现存的问题。

分析表明：为推进小颗粒油页岩实现商业化大规模应用，还应在降低成型技术成本、完善燃烧发电配套设施、降低干馏设备维护成本等方面进行技术攻关，指出小颗粒油页岩的具体利用方式的选取还应结合油页岩开发整体建设，综合考虑油页岩开发利用成本。

关 键 词：油页岩；干馏；成型；燃烧发电；综合利用
中图分类号：TQ530.2 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2022）01-0068-04
油页岩是一种含有有机矿物质的可燃性沉积岩，属于非常规化石能源[1]。

油页岩储量丰富，我国油页岩资源储量约为7 199亿t，折算成页岩油约476亿t，目前技术可采储量约为30亿t，是化石能源的有效补充[2]。

干馏技术是我国油页岩综合利用的主要技术，目前已形成工业化生产规模，尤其以气体热载体抚顺炉干馏技术为主[3]。

但此种技术只能处理块状油页岩，对于在采矿、运输、破碎等过程中产生的30%~40%粒径小于15 mm 的小颗粒及粉末油页岩无法处置，导致油页岩整体资源利用率只有70%左右[4-5]。

通常小颗粒油页岩被直接废弃，不仅占用大量土地还造成环境污染和资源浪费[6-7]，因此小颗粒油页岩的综合利用成为目前国内外研究的热点及难点。

本文分析了近几年小颗粒油页岩利用领域的研究进展，重点讨论了小颗粒油页岩相关研究成果和应用案例。

1 小颗粒油页岩成型技术
为了提高油页岩综合利用价值，将小颗粒油页岩尾矿通过再成型技术达到常规干馏技术进料要求，是一种较为经济的小颗粒油页岩综合利用方法，但在国内外还是较为少用的加工方法。

小颗粒油页岩成型技术一般通过添加黏结剂使粉状或小颗粒油页岩间互相黏结，之后混合放入一定形状的磨具中，并在一定的压力下挤压成型，烘干后形成产品[8]。

刘晓[9]等研制出适应于桦甸小颗粒页岩尾矿成型的多元复合黏结剂，在黏结剂添加量6%、水添加量13%、25~30 MPa 下，成型页岩的抗碎强度和热稳定性分别达到90.4%和91.7%，能较好地满足工业化干馏工艺。

程谋娟[10]采用黏土和聚乙烯配置的复合黏结剂进行了桦甸小颗粒成型工艺研究，在黏结剂添加量0.3%、加水量20%、30 MPa 下，所制备成型油页岩具有较强的抗碎强度和热稳定性，且低温铝甄干馏性能良好。

新疆庆华能源集团[11]利用吉林≤6 mm 小颗粒油页岩原料进行成球工程实验，设计年加工量40万t ，核算成本费用为 52.39元·t -1
，成球后与大粒径油页岩同时送入干馏炉内进行干馏，效果较好，生产运行稳定，经济效益可观。

新疆宝明矿业有限公司[12]以厂区周边红土、高岭土作为黏结剂建成600 t ·h -1
的小颗粒油页岩压球工艺，入炉压球成型率90%以上，压球后形成约40 mm 椭圆形球块，可承压150~180 kg，压球后的油页岩颗粒透气性好，所需要的干馏条件与块矿相当。

2 小颗粒油页岩燃烧技术
油页岩作为燃料直接燃烧产生热能用于发电是油页岩能源利用的一大途径，其经历了漫长的研究开发过程，从悬浮燃烧与气化到流化床燃烧再到循环流化床燃烧，技术不断进步[13-14]。

目前对小颗粒
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油页岩的燃烧利用技术主要分为循环流化床锅炉燃烧技术、电厂燃煤锅炉掺烧油页岩技术及油页岩与页岩半焦混合燃烧技术。

2.1 油页岩循环流化床锅炉燃烧技术
油页岩循环流化床锅炉燃烧技术采用气固流化态的固体颗粒方式，气体不均匀地流过床层，不足10 mm的油页岩颗粒做紊流运动，全部参与燃烧，低温燃烧和窗内脱硫降低了NO、NO2和SO2等废气的排放[15]，国外工程案例有爱沙尼亚诺瓦电厂[16]，在国内以吉林省桦甸颗粒油页岩循环流化床电厂锅炉为代表。

姜秀民[17]、王擎[18]等报道了65 t·h-1桦甸油页岩循环流化床锅炉及运行结果，该锅炉为单汽包自然循环、半塔式室内布置、全钢结构炉架，炉膛内自下而上实现等温低温燃烧（850 ℃），额定蒸发量65 t·h-1，锅炉保证效率≥85%，油页岩消耗量24 215 kg·h-1，油页岩粒度0~10 mm，长期商业运行时间表明，该技术燃烧效率高，调节灵活，有害气体排放低，运行稳定，操作方便，总体性能居国家先进水平。

2.2 电厂燃煤锅炉掺烧油页岩技术
电厂燃煤锅炉掺烧油页岩可对废弃的小颗粒油页岩进行有效利用，并缓解目前原煤资源紧缺的局面，为火力发电厂找到新的替代能源。

刘定平[19]、黄伟[20]等分析了煤与油页岩掺烧特性，并通过茂名热电厂680 t·h-1锅炉上进行了实炉掺烧试验，在不改变系统和设备结构的情况下，掺烧油页岩对着火影响不大，但会使煤粉燃尽效果有所下降，油页岩最大掺烧量可达40%，掺烧量30%时锅炉效率变化不大，且掺烧油页岩使炉内结渣有所降低，但对流受热面的沾污会增强，可通过调整吹灰周期的办法来缓解。

晏建波[21]等对油页岩掺混煤进行了燃烧试验研究，结果表明，油页岩掺混一定比例的煤有助于油页岩的平稳和充分燃烧，并可降低固定碳燃烧阶段的活化能。

鲁阳[22-23]等对新疆昌吉油页岩与准东煤混合燃料的燃烧特性进行研究，研究结果表明，随着油页岩比例升高，混合燃料的着火温度和燃尽温度逐渐升高，可燃性和燃烧特性减低；油页岩的掺混可有效解决准东煤由于Na灰渣带来的沾污和结渣等问题。

李冰[24]、陈凡敏[25]等在100 MW机组锅炉上研究了准东煤和油页岩混合燃料燃烧特性，结果表明油页岩可通过降低碱金属和碱土金属含量及改变其形态，降低煤燃烧引起的炉膛结渣和受热面玷污。

2.3 油页岩与页岩半焦混合燃烧技术
页岩半焦是油页岩干馏技术的重要副产物，其产量大，占用大量土地面积，且存在环境污染风 险[26]。

半焦燃烧是半焦合理利用以及实现油页岩综合利用的重要方式。

但由于半焦的发热量低及着火难，单独燃烧困难，因此目前研究较多的是将废弃的小颗粒油页岩与页岩半焦进行混烧研究。

ARRO[27]等通过分析油页岩半焦的燃烧特性提出使用循环流化床锅炉对油页岩和半焦混烧的可行性。

柏静儒[28]等采用收缩核模型对油页岩燃烧过程进行了理论分析，并在自行搭建的流化床试验台上对桦甸油页岩及半焦混合燃烧燃尽特性进行了实验研究，结果表明，提高床层温度，增大流化速度和油页岩混合比，有助于减少燃尽时间。

孙伯仲[29]在理论和试验两个层面对固定床及流化床两种不同燃烧方式下油页岩、半焦混合燃料的着火和燃尽特性进行了研究，结果表明，固定床燃烧方式下着火温度最低，而流化床一次给料条件下着火温度最高；且床温和粒径是影响混合燃料燃尽的重要因素，燃尽时间随床温升高而减小，燃料粒径越大，床温影响越明显。

张世鑫[30]等进行了小颗粒油页岩及页岩半焦在循环流化床锅炉中的燃烧适应性研究，结果表明，控制床温在720~850 ℃内，小颗粒油页岩与页岩半焦掺混而成的设计燃料在循环流化床锅炉能够稳定燃烧，灰渣含碳量低于1.81%，燃料较易燃尽，且燃烧效率较高，燃烧稳定性较好。

孔皓[31]等在 3.3 MW循环流化床中试装置上进行了油页岩和半焦混合燃烧特性研究，研究结果表明，油页岩和半焦混烧时，随着半焦比例增加，炉膛内温度整体下降，NO x排放量升高，SO2排放量下降。

3 小颗粒油页岩干馏技术
按照小颗粒油页岩干馏工艺受热方式可将干馏技术分为热固载体和气体热载体两类干馏技术。

3.1 热固载体干馏技术
页岩半热固载体干馏工艺采用半焦燃烧产生的高温页岩灰固体作为热载体，油页岩原料通过与热
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载体直接接触传热后进行干馏反应。

由于小颗粒油页岩粒径小，接触面积大，混合均匀，可达到较快的传热速率，油回收率高[32]。

热固载体干馏工艺通常依托回转窑或流化床干馏炉作为干馏设备进行小颗粒油页岩的干馏[33-34]。

流化床干馏炉干馏技术处理量较低，且多处于中试阶段[35]，回转窑干馏技术目前实现工业应用的主要有爱沙尼亚Galoter技术和抚顺引进的ATP技术。

Galoter技术是由前苏联莫斯科能源研究院开发并于2007年在爱沙尼亚实现应用的热固载体干馏技术。

经烟气预干燥的小颗粒油页岩（0~25 mm）和高温页岩灰混合后在水平回转式干馏炉（直径约5 m，长约15 m）内进行干馏反应，产生的油气通过旋风除尘和冷凝实现油的分级回收。

Galoter技术在爱沙尼亚应用规模达到单炉3 330 t·d-1。

目前存在的主要问题是由于水力排水壁管有灰渣黏结导致运转率不高，炉体结构复杂，操作费用高，同时由于属于快速干馏，获得的油中重质组分所占比例较 大[36-37]。

ATP技术由加拿大开发并于1999年在澳大利亚首次完成6 000 t·d-1油页岩运行测试。

ATP技术集油页岩干燥、干馏和半焦燃烧于一个卧式回转窑内。

回转窑直径约8.2 m，长度约62.5 m，由内外两个圆筒组成，内筒有两个密封室，用于油页岩的预热干燥和干馏，外筒为燃烧区。

油页岩通过外筒燃烧区高温页岩灰进行间接加热干燥，预热干燥后的油页岩与燃烧区返回的高温页岩灰混合进行升温干馏，产生热解油气、半焦，油气进入除尘冷凝系统，半焦/废渣进入燃烧区与空气接触燃烧，产生的页岩灰一部分返回干馏区作为页岩干馏热载体，另一部在燃烧区对预热区页岩进行间接加热干燥。

抚顺矿业集团于2005年着手引进ATP技术，并于2013年投产[38]。

ATP设备庞大，结构复杂，维修量大，且由于加热速度快，热解油中重质组分含量高，粉尘夹带严重，容易造成后续管路堵塞，产物油中含尘量高，是目前技术攻关的难点[39]。

3.2 气体热载体干馏技术
油页岩气体热载体工艺一般以干馏瓦斯气作为热载体，生产调节灵活，原料适应性好。

抚顺矿业集团于2014年建成30 t·d-1小颗粒油页岩FHQ干馏中试装置，FHQ干馏技术是块状油页岩抚顺炉工艺基础上的改进，其核心为集预热、干馏、气化及冷却为一体的立式方形炉，物料采用移动床形式使小颗粒油页岩（3~10 mm）均匀进料，炉内根据物料阻力设计成垂直薄料层，引导气体横通折返，并通过双侧进高温循环气体实现强化干馏。

通过不断升级改造，逐步解决了粉尘堵塞、炉内料层阻力大、热载体分布不均等一系列问题，但目前仍面临原料筛分效率低、配套设备技术难度高等困难[38,40]。

中国矿业大学基于混粒级（0~80 mm）褐煤及小颗粒油页岩开发了气体热载体错流热解新工艺，采用气-固错流床反应炉，炉体结构由错流碳化通道和气体热载体通道单元组合而成，炉内采多层非均匀开孔火道花墙和集气花墙进行组合，形成气-固错流从集气室引出，料层厚度降低，料层阻力大幅降低，并实现油气产物的炉内除尘。

目前已建立 60万t·a-1的工业化装置，并初步完成褐煤热解的工业示范应用[41]。

4 结 论
小颗粒油页岩的综合利用从成型再利用、燃烧发电和干馏炼油3方面都取得了一些成功经验，在国内外实现了中试或小规模应用，是未来油页岩综合开发的发展趋势。

为进一步扩大小颗粒油页岩商业规模化应用，还应在降低成型技术成本、完善燃烧发电配套设施、降低干馏设备维护成本等方面进行技术攻关。

同时，小颗粒油页岩的具体利用方式还应结合油页岩开发整体建设基础条件及相关产业链，综合考虑油页岩开发利用成本，以最大限度地提高油页岩资源综合利用率。

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Research Progress of Comprehensive Utilization
Technology of Small Particle Oil Shale
ZHANG Zhe-na, LIANG Ren-gang, JIN Zhao-di, YU Xue-kong, ZHANG Shu-li
（Jereh Environmental Protection Technology Co., Ltd., Yantai Shandong 264003, China）
Abstract: Oil shale is an important supplement to today's petroleum energy. At present, a large number of small particles of oil shale are discarded in the development and utilization of oil shale, resulting in serious environmental pollution and waste of resources. In this paper, the relevant technologies for the comprehensive utilization of small-particle oil shale at home and abroad in recent years were introduced. The research results and application cases of small particle oil shale forming and utilization, combustion power generation and dry distillation technology were briefly described, and the existing problems in the comprehensive utilization of small particle oil shale were analyzed. The analysis showed that in order to promote the commercialization of large-scale application of small-particle oil shale, technical breakthroughs should also be made in reducing the cost of forming technology, improving supporting facilities for combustion and power generation, and reducing the maintenance cost of dry distillation equipment. The selection of specific utilization methods of small-particle oil shale should also be combined with the overall construction of oil shale development, and the cost of oil shale development and utilization should be considered comprehensively.
Key words: Oil shale; Dry distillation; Forming; Combustion power generation; Comprehensive utilization。