油頁巖的資源潛力分析

油頁巖的資源潛力分析

0尋找可替代能源的步伐加快全球石油儲量約為40多年，美國的石油儲量保持在10-20年以下。然而，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，需求不足無法避免。然而，世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展需要更多的能源作為保障。能源供需矛盾增加，石油價格繼續(xù)上漲。這些因素促進(jìn)了尋找可替代能源的進(jìn)程。油頁巖屬于非常規(guī)油氣資源,以豐富的資源、有利的特性和開發(fā)利用的可行性而被列為21世紀(jì)非常重要的接替能源,它與石油、天然氣、煤一樣都是不可再生的化石能源,在近200年的開發(fā)利用中,在其資源狀況、主要性質(zhì)、開采技術(shù)以及應(yīng)用研究方面都積累了不少經(jīng)驗。1世界頁巖油資源量一世界上已發(fā)現(xiàn)的非常規(guī)油氣資源大多位于地緣政治相對穩(wěn)定的西半球,即美國、加拿大和拉丁美洲。美國是全球油頁巖資源最豐富的國家,儲量約占全球儲量的70%以上;加拿大是全球瀝青砂資源最豐富的國家,儲量約占全球儲量的90%以上。全球油頁巖資源十分豐富,據(jù)不完全統(tǒng)計,其蘊(yùn)藏資源量大約有100000億t,比煤資源量多40%。2000年初統(tǒng)計,世界頁巖油儲量超過10億t的國家有美國、俄羅斯、扎伊爾、巴西、摩洛哥、約旦、澳大利亞、愛沙尼亞和中國等,頁巖油總量為3741億t,預(yù)計全世界頁巖油資源總量約為4750億t,比傳統(tǒng)石油資源量(2710億t)多50%以上。油頁巖不僅資源豐富,而且分布相對集中,在美國,大約75%的油頁巖集中在科羅拉多州PiceanceCreek盆地、猶他州Uinta盆地、懷俄明州綠河盆地和Washakie盆地。按探明資源量排位,中國繼美國、巴西、前蘇聯(lián)之后位居世界第四。中國油頁巖探明資源量315億t,預(yù)測資源量4520億t,約85%以上分布在吉林省、遼寧省和廣東省,其中吉林省已探明可采儲量174.5億t,約占全國油頁巖探明總量55.3%;廣東已探明可采儲量超過55.15億t,居全國第2位;遼寧省截至2004年累計探明儲量41.3億t。油頁巖資源量十分豐富且儲量分布集中,具有作為接替能源的巨大潛力和有利條件。2油頁巖的重要性從1838年法國油頁巖工業(yè)開始至今,油頁巖的開發(fā)和應(yīng)用有近200年歷史。相對油頁巖來說,天然石油質(zhì)優(yōu)價廉,伴隨著第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)、能源危機(jī)的出現(xiàn)和石油工業(yè)的興起,油頁巖工業(yè)曾幾度興衰。由圖1可見,油頁巖的生產(chǎn)出現(xiàn)了3個高峰期。二戰(zhàn)期間石油需求量劇增,油價猛漲,不少國家興起了油頁巖開發(fā)熱潮。20世紀(jì)60年代初油頁巖開發(fā)的低谷與中國大慶油田投產(chǎn)密切相關(guān),20世紀(jì)70年代出現(xiàn)世界能源危機(jī),各國都在為尋求新的能源而努力,油頁巖的開發(fā)與利用又重新得到了重視。美國、日本、德國、巴西、原蘇聯(lián)等國家研究了各種油頁巖干餾煉制頁巖油的方法,部分國家形成工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模,油頁巖利用率快速增長,所以1980年出現(xiàn)第3個高峰期,產(chǎn)量達(dá)到歷史上的最高水平(4540萬t)。自1980年以后,由于石油的大量發(fā)現(xiàn)和開發(fā),油價大幅下降,油頁巖的產(chǎn)量也一路下滑,到2000年,油頁巖產(chǎn)量只有1600萬t。預(yù)計隨著國際油價的不斷上漲,以及剩余油、低滲透油氣藏開發(fā)難度的增加、天然氣水合物開發(fā)的瓶頸技術(shù)暫時無重大突破等原因,對油頁巖的重視會不斷加強(qiáng)。從圖1中還可以看出,21世紀(jì)初油頁巖的生產(chǎn)依然保持著較強(qiáng)的趨勢,這與能源的緊缺和國際油價的不斷攀升有關(guān),2002年世界油頁巖的產(chǎn)量略有增加,達(dá)到1640萬t。美國作為世界能源消費(fèi)第一大國,每年約需從波斯灣國家、加拿大以及拉美等國進(jìn)口75%的原油;中國自2003年成為世界石油消費(fèi)第二大國以來,國內(nèi)石油年產(chǎn)量和需求量逆差逐年加大,而且增長速度很快(見表1)。面對世界能源的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),發(fā)展油頁巖工業(yè)勢在必行,這可由美國和中國這兩個能源消費(fèi)大國的強(qiáng)烈反應(yīng)略見一斑:美國為了有效地擺脫來自波斯灣原油供給的壓力,越來越重視油頁巖資源,油頁巖的開發(fā)將在美國未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮至關(guān)重要的作用,到2020年其直接經(jīng)濟(jì)價值可達(dá)10000億美元,同時還會帶來無法用金錢衡量的其他戰(zhàn)略利益和國家安全利益。中國在新一輪全國油氣資源評價和國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)地質(zhì)工作的決定中均把油頁巖資源的調(diào)查評價和勘查提到議事日程上,2003年開始全國范圍的新一輪油氣資源評價中首次把油砂(含瀝青)和油頁巖等非常規(guī)油氣資源列入評價內(nèi)容中,且作為此輪資源評價所設(shè)5個一級項目中的1個獨(dú)立項目;2006年1月20日《國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)地質(zhì)工作的決定》明確提出積極開展煤層氣、油頁巖、油砂、天然氣水合物等非常規(guī)能源資源的調(diào)查評價和勘查。3油頁巖的性質(zhì)油頁巖是包含了原生有機(jī)物、不溶于石油溶劑且熱解時可以提取大量頁巖油的細(xì)粒沉積巖。油頁巖呈黃棕、灰、褐、黑灰及黑色等,通常顏色越淺含油率越高;常具有細(xì)微的水平層理,比一般頁巖的比重和硬度略小,韌性較大,用指甲刻劃有油痕,有些可用小刀削成薄片;一般比煤重,密度為1400～2700kg/m3(煤的密度為1100～2300kg/m3);發(fā)熱量較低,只有煤發(fā)熱量的30%～50%,有的可以點(diǎn)燃。油頁巖主要成分是有機(jī)質(zhì)、礦物質(zhì)和水分,礦物質(zhì)常與有機(jī)質(zhì)均勻細(xì)密地混合,而且礦物質(zhì)含量通常高于有機(jī)質(zhì),用于商業(yè)開采的油頁巖其有機(jī)質(zhì)與礦物質(zhì)之比約為0.75︰5～1.5︰5,低于煤炭(煤炭中該比值常大于4.75︰5),是一種高灰分的可燃礦產(chǎn)。不同產(chǎn)地油頁巖含油率差別很大,從3.5%到30%不等。油頁巖中的有機(jī)質(zhì)含量必須大于5%(也有文獻(xiàn)報道為大于8.4%)才有工業(yè)價值。構(gòu)成這些有機(jī)質(zhì)的主要成分是固態(tài)的不溶于有機(jī)溶劑的干酪根,可溶性天然烴類極少或沒有,可用溶劑抽提的瀝青也很少。油頁巖中只含Ⅰ型(腐泥型)或Ⅱ型(腐泥腐殖混合型)干酪根,與高等植物演變來的Ⅲ型(腐殖型)干酪根無關(guān)。說明油頁巖的前身是腐泥質(zhì)的頁巖。油頁巖中礦物質(zhì)有石英、高嶺土、黏土、云母、碳酸鹽等,有時還含有銅、鎳、鈷、鉬、鈦、釩等的化合物,但主要是黏土礦物。當(dāng)油頁巖含有大量黏土礦物時,往往形成明顯的片理結(jié)構(gòu)。水分含量與礦物質(zhì)顆粒間的微孔結(jié)構(gòu)有關(guān),油頁巖中含有4%～25%的水分。油頁巖含有多種有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì),這是它作為接替能源和其他化工原料、建筑材料的基礎(chǔ)。4油頁巖開采技術(shù)經(jīng)歷了大約兩個世紀(jì),油頁巖的開采方式由比較原始的直接開采方式發(fā)展到先進(jìn)的地下轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)(ICP)。4.1對生態(tài)環(huán)境的破壞直接開采包括露天和井下兩種開采方式。露天開采適合于埋藏較淺的礦床開采,成本低,安全系數(shù)高,遼寧撫順和廣東茂名就是典型的例子。井下開采有豎井、水平坑道采礦兩種方式,適合于開采埋藏較深的礦床。直接開采是較原始的開采方式,局限性比較大,除了在城市和重要建筑物下的油頁巖無法開采外,對生態(tài)環(huán)境的破壞也是十分嚴(yán)重和無法避免的,主要表現(xiàn)在3個方面。①生態(tài)及水質(zhì)破壞嚴(yán)重:無論是露天采礦還是井下采礦,都需要把地下水位降低到含油頁巖層的層位以下,開采1m3油頁巖,一般需要抽出25m3的地下水;抽出的地下水排入江河湖泊之前必須沉淀水中的固體顆粒,但采礦水極大地增加了地表水、地下水中硫酸鹽的含量。在巴西,油頁巖采礦長期破壞著礦山及其附近的生態(tài)平衡和水位、水質(zhì)的穩(wěn)定。②灰渣的污染不可避免:通過直接開采得到的油頁巖用于提煉頁巖油或直接燃燒,這一過程中會產(chǎn)生大量灰渣,如果不回收利用則不僅會造成空氣污染,而且廢棄灰渣占地面積大,其中金屬元素和微量元素能滲入地下水體中,嚴(yán)重污染環(huán)境,危害人類的生產(chǎn)和生活。③直接開采占地較多,一旦開墾就無法完全修復(fù)。4.2油頁巖商業(yè)示范和示范技術(shù)進(jìn)展順利ICP是殼牌公司投入巨資研發(fā)出的開采油頁巖及其他非常規(guī)資源的專利技術(shù),對開發(fā)深部油頁巖尤其有利。ICP開采油頁巖的基本原理是在地下對油頁巖礦層進(jìn)行加熱和裂解,促使其轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的油或氣,再通過相關(guān)通道將油、氣分別提取出來;將這些高品質(zhì)的油(氣)采集到地面進(jìn)行加工后,可生產(chǎn)出石腦油、煤油等成品油。該技術(shù)突出的優(yōu)點(diǎn)為:提高了資源開發(fā)利用效率;減少了開采過程中對環(huán)境和生態(tài)的破壞,即占地少(幾乎不占耕地)、無尾渣廢料、無空氣污染、少地下水污染及最大限度地減少了有害副產(chǎn)品的產(chǎn)生。盡管該項技術(shù)現(xiàn)在還未完全商業(yè)化,但關(guān)鍵的工藝、設(shè)備等技術(shù)問題都已解決,并在美國科羅拉多州和加拿大阿爾伯特省進(jìn)行了商業(yè)示范。按照2005年5月頁巖油開發(fā)成本計算,傳統(tǒng)的干餾技術(shù)為20美元/桶,使用ICP技術(shù)生產(chǎn)成本為12美元/桶,ICP技術(shù)成本低于傳統(tǒng)的干餾技術(shù),該技術(shù)在油價不低于25美元/桶時可以盈利。中國吉林省油頁巖資源豐富,但大部分埋藏于平原耕地之下,或者埋藏較深,吉林省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局與殼牌勘探有限公司于2004年12月8日簽署合作框架協(xié)議書,根據(jù)殼牌公司在北美ICP技術(shù)的研發(fā)及對吉林省油頁巖資源的勘察情況,合資公司預(yù)計于2006年開始ICP技術(shù)商業(yè)示范,2010年后將開始全面商業(yè)運(yùn)行。油頁巖的開采方式經(jīng)過近兩個世紀(jì)的發(fā)展,已取得許多成功的經(jīng)驗,并且在不斷改進(jìn),成熟的開采技術(shù)是油頁巖工業(yè)崛起的有力保障。5油頁巖干餾后的燃料利用隨著技術(shù)的進(jìn)步和環(huán)保意識的增強(qiáng),油頁巖資源從單純的能源利用發(fā)展到綜合利用,極大地提高了資源利用率,降低了成本,減少了環(huán)境污染,為資源的可持續(xù)發(fā)展提供了保障。油頁巖綜合利用的流程如圖2所示?？梢钥闯?油頁巖礦石采出之后,最先是作為能源而被使用的,即干餾煉油和作為燃料。油頁巖干餾后的頁巖油可作為燃料油出售,也可以通過加氫精制和非加氫精制的方法生產(chǎn)輕柴油,提高頁巖油附加值,精制后的重油作燃料使用。油頁巖做燃料主要是用來發(fā)電,即直接做鍋爐燃料或進(jìn)行低溫干餾產(chǎn)生氣體燃料而發(fā)電,還可用于供暖和長途運(yùn)輸。2001—2002年,愛沙尼亞利用油頁巖發(fā)電和向居民、工業(yè)供暖所創(chuàng)造的效益分別占國家稅收的76%和14%,對其國民經(jīng)濟(jì)具有重要意義。干餾和直接燃燒產(chǎn)生的灰渣和廢氣有不同的用途,灰渣可以用來充填礦井、制取水泥或陶粒、制磚等,已有很多成功利用頁巖廢渣的技術(shù);廢氣可以作為燃料燃燒產(chǎn)生蒸汽后供生產(chǎn)、生活使用,也可以循環(huán)利用,為油頁巖的干餾提供熱源[27,28,29,30,31,32]。油頁巖的使用主要集中在提煉頁巖油和發(fā)電上,因此干餾工藝和燃燒鍋爐的發(fā)展直接影響其使用效果,降低成本、注重環(huán)保和充分利用資源的要求促進(jìn)了油頁巖利用技術(shù)的革新,主要表現(xiàn)在干餾工藝和燃燒鍋爐的改進(jìn)上。5.1發(fā)生式爐及德國lr爐目前,世界上許多國家都對油頁巖干餾方法進(jìn)行了研究,有的已形成工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模,表2列舉了幾種常見的干餾爐指標(biāo)?？梢钥闯?中國、俄羅斯、愛沙尼亞的發(fā)生式爐及德國LR爐處理量小,油收率大部分較低,工藝不先進(jìn),但投資少,適用于小規(guī)模的頁巖煉油廠;愛沙尼亞Kiviter爐和美國TOSCO-Ⅱ爐處理量較大,投資中等,適用于中等規(guī)模的油頁巖煉油廠;愛沙尼亞Galoter、巴西Petrosix及澳大利亞Alberta-Taciuk爐處理量大,油收率高,產(chǎn)高熱值煤氣,投資高,適用于大、中型油頁巖煉油廠。5.2流化床燃燒油頁巖技術(shù)現(xiàn)狀及環(huán)保效益油頁巖作為燃料用于發(fā)電經(jīng)歷了漫長的研究開發(fā)過程,從油頁巖懸浮燃燒與氣化到油頁巖流化床燃燒再到油頁巖循環(huán)流化床燃燒,技術(shù)不斷進(jìn)步,效益不斷提高,污染不斷減少。5.2.1電廠鍋爐運(yùn)行現(xiàn)狀前蘇聯(lián)采用懸浮燃燒方式直接利用油頁巖燃燒發(fā)電,20世紀(jì)50至70年代先后在愛沙尼亞和波羅的海建立3座電廠,總機(jī)組容量為2415MW,所配鍋爐出力為65～320t/h。但出現(xiàn)了很多問題:鍋爐實際出力減小、爐膛結(jié)焦、受熱面高溫腐蝕、尾部受熱面堵灰;SO2、NO及NO2排放量大,嚴(yán)重污染環(huán)境;制粉系統(tǒng)耗電量大,鍋爐維修費(fèi)用高,運(yùn)行不經(jīng)濟(jì);機(jī)組可靠性差,經(jīng)常被迫停機(jī),且停爐檢修時間長等。5.2.2油頁巖流化床鍋爐前蘇聯(lián)首次開發(fā)油頁巖流化床鍋爐,于20世紀(jì)80年代對愛沙尼亞、波羅的海電站鍋爐進(jìn)行了改造,廣東茂名、遼寧撫順也先后應(yīng)用了油頁巖流化床鍋爐,其突出優(yōu)點(diǎn)是減少了爐膛結(jié)焦的可能性,對流受熱面上也沒有嚴(yán)重積灰,煙氣中NO及NO2含量小,燃燒過程中可以吸收大量硫,鍋爐實際輸出功率增大,飛灰不會粘污鍋爐過熱器和省煤器管束,鍋爐熱效率達(dá)70%以上。實踐證明油頁巖流化床燃燒發(fā)電在技術(shù)上是可行的,但效率較低、經(jīng)濟(jì)效益較差。5.2.3油頁巖發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展循環(huán)流化床燃燒技術(shù)(CFBC)有效地提高了油頁巖的利用率和鍋爐的熱效率,減少了污染氣體的排放。它是目前油頁巖發(fā)電最有利的燃燒方式,具有良好的煤種適應(yīng)性,低溫燃燒,燃用寬篩分顆粒,SO2、NO及NO2的排放量非常低,鍋爐的效率在80%以上,這些突出的優(yōu)點(diǎn)給油頁巖能源利用和油頁巖燃燒發(fā)電技術(shù)注入了新的活力,帶來了新的機(jī)遇。中國、以色列等國在油頁巖循環(huán)流化床燃燒發(fā)電的能源利用研究方面取得了成功經(jīng)驗,l989年以色列建成首臺半商業(yè)化油頁巖循環(huán)流化床燃燒示范電站,采用芬蘭Ahl