油页岩开发利用实质是如何综合利用油页岩中有机质、无机矿物及回收够一定工业品位的某些金属元素,其中有机质主要用途有两种,一种是通过干馏技术提炼页岩油;另一种是通过燃烧技术产气发电;无机矿物主要用途是作建材原料;因此,从达连河矿区油页岩性质、工艺矿物学特征看,利用该资源的途径有炼油化工、燃烧产气发电和用页岩灰作建材原料三个方面,与油页岩已开发利用的典型矿区类比,可行性概略分析如下。
1.矿区油页岩干馏提炼页岩油可行性
油页岩作为页岩油工业原料,其重要的质量指标是含油率。本次工作分析结果中-下煤层间油页岩层焦油产率(Tar,ad)平均为10.12%,考虑到以往勘探成果,中-下煤层间油页岩层全部样品焦油产率(Tar,ad)加权平均值为8.83%;中部厚层油页岩段以YL04-3井为例,焦油产率(Tar,ad)平均为2.92%,下部相对较高,上1煤顶板3m内连续取样焦油产率(Tar,ad)平均为3.89%,20m内捡块取样结果焦油产率(Tar,ad)平均为3.64%,按我国已有开采技术条件及干馏工艺,一般工业指标含油率多超过5%;按目前进行工业生产的抚顺和茂名油页岩含油率6.0%~8.0%相比,中-下煤层间油页岩层已达到要求,具有干馏提炼页岩油可行性,同时通过矿区油页岩与有代表性的油页岩干馏分析结果对比可以看出,达连河矿区油页岩与抚顺油页岩、澳大利亚斯图尔特油页岩的特性及干馏效果十分接近(表4-23),可以选择相近的干馏生产工艺进行前期工业试验。
其中抚顺式炉干馏技术和用于加工澳大利亚斯图尔特油页岩的加拿大ATP干馏工艺均是可供选择的生产工艺,尤其是抚顺式炉干馏工艺积累了相当丰富的生产经验,可供借鉴,这两种技术相比(表4-24),用ATP工艺处理油页岩,可以弥补抚顺式干馏炉工艺上的许多不足,如:处理能力低、页岩利用率低、采油率低、副产品回收效率低等,可增加经济效益。
表4-23 达连河矿区油页岩与典型地区油页岩干馏分析结果对比表
表4-24 抚顺式炉干馏与ATP工艺主要工艺参数对比表
此外ATP工艺已有多年的运行经验,各经济技术指标参数已经接近或超出设计能力,并且可以在较高环保标准下进行经济合理地生产。因此中-下煤层间油页岩层作为原料通过抚顺式炉干馏技术或ATP干馏工艺提炼页岩油、合成燃料气体及化工原料可行,若页岩油加氢裂解精制后,还可获得汽油、煤油、柴油、石蜡、石焦油等多种化工产品。
煤层顶板厚层油页岩段资源储量大,焦油产率(Tar,ad)低,局部层位较富,总体达不到一般工业要求含油率5%,目前尚不能应用地面干馏技术提炼出页岩油,但今后可尝试利用地下原位干馏技术如壳牌石油公司研发的ICP原地转化干馏技术进行试验,开展经济技术研究工作。
2.矿区油页岩作为燃料产气发电可行性
油页岩作为低热值燃料,直接燃烧产生热能发电供热是油页岩能源利用的主要途径,从而使其能源利用率大幅度提高,目前,世界上69%的油页岩用来发热、发电,这些用途都与燃烧有关。由于油页岩普遍具有着火容易、着火温度低、燃烧以挥发分为主、燃尽困难、容易结渣等特性,影响燃烧利用,因此,了解矿区油页岩的燃烧特性是开发利用油页岩资源的关键。达连河矿区中-下煤层间油页岩与我国目前用于燃烧发热有代表性的吉林桦甸、辽宁抚顺、广东茂名油页岩类比(表4-25),表现为达连河矿区油页岩水分低,发热量略高于辽宁抚顺油页岩,低于茂名、桦甸油页岩,灰分产率、挥发分产率(换算成Vad)接近茂名、桦甸、抚顺油页岩,全硫含量低于茂名、略高于桦甸油页岩,灰成分以硅铝为主,灰熔点高,燃烧特性基本相近,可以考虑作为低热值燃料,选择先进炉型和燃烧技术进行产气发电,或用于煤-油页岩联合燃烧,还可以明显减少环境污染。
表4-25 达连河矿区油页岩与典型地区油页岩工业分析结果对比表
油页岩作为燃料在锅炉中直接燃烧和利用是否理想,采用何种燃烧方式是合适的,还有待于对它进行深入研究,目前世界上容量最大的桦甸油页岩循环流化床锅炉示范电厂已运行多年,多台油页岩循环流化床运行经验表明,油页岩不适合通常的燃烧方式而将其作为循环流化床锅炉燃料是适宜的。循环流化床燃烧是油页岩资源洁净和经济的燃烧方式之一,同时也为矿区选择合适的燃烧技术进行研究试验,奠定了可靠的技术基础。
中部厚层油页岩段发热量很低,灰分大,对着火产生不利的影响,不适合做燃料,但上1煤顶板20m内油页岩,由于捡块取样结果焦油产率(Tar,ad)平均为3.64%,有机碳含量较高,可以考虑作为低热值燃料使用。
3.矿区油页岩及页岩灰作建材制品可行性
油页岩作为动力燃料或炼油原料时,干馏产物半焦与燃烧产物页岩灰的量很大,平均约为油页岩重量的60%~80%,考虑到环保要求,社会效益以及经济效益等多方面因素,合理利用页岩渣非常重要。按照页岩灰的组成不同,可用来制造水泥、砖或其他建材。由以上表中可以看出,达连河矿区油页岩灰成分SiO2略高但接近辽宁抚顺油页岩,Fe2O3最低,Al2O3略低于茂名、抚顺油页岩,CaO、MgO低于抚顺、桦甸油页岩,灰熔点接近茂名油页岩、灰成分以硅铝为主,灰分组成性质接近抚顺、茂名油页岩,适合作建筑材料,按水泥原料一般工业要求,可作为生产水泥的粘土质原料。这方面可参考近几年抚顺、茂名成熟生产经验和工艺,如辽宁抚顺矿业集团公司页岩炼油厂(何永光等,2005)己将炼油后的页岩废渣用来生产页岩烧结砖等建材制品,建成了一座年产6000×104块页岩烧结多孔砖厂,主要原料为油页岩炼油后的废渣及露天所产的绿页岩、煤矸石。多孔砖的生产采用先进的隧道窑工艺,一次码烧成型,生产过程全部采用微机控制。目前该厂己达到6000×104块的生产能力,最终目标是达到3×108块高层建筑用多孔砖。此外,页岩灰作为生产水泥的原料,从干馏炉出来的页岩渣,还含有少量残留的固定碳,可作为制取水泥的生料,有助于熟料的烧成,可节约热能。页岩渣主要替代水泥生料中的矿渣成份,掺入量为水泥生料的9%~13%,烧出的熟料质量良好,生产的水泥完全符合标准要求。抚顺矿区的水泥厂原生产能力为年产水泥9×104t,现己扩建成20×104t的生产能力,采用的是国内最先进的新干法回转窑生产线,2004年己投入生产。在茂名石油工业公司用页岩灰作生产水泥的原料,每吨水泥采用300~400kg页岩灰。
油页岩另一潜在用途是制备耐火粘土材料或高岭土。矿区油页岩是否有这种用途的可能性,取决于油页岩矿物组成和化学成分,分析油页岩主要组分对耐火性能作用与影响作出判断,油页岩灰成分中Al2O3为耐火粘土材料主要组分,是衡量耐火粘土质量主要因素之一,其含量越高,耐火度也越高;石英能减弱粘土的可槊性和粘结力;铁质是耐火粘土材料有害杂质;TiO2随含量多少产生不同影响,适量在烧结中起助熔剂作用,而过量(一般大于4.5%)则破坏制品热稳定性和高温使用效能;有机质和全碱含量不宜高。中-下油页岩层灰成分富硅铝,缺钙、贫铁质,Al2O3平均含量25.26%,二氧化硅以粘土中铝硅酸类矿物和粒状石英形式存在,含量66.89%,均已满足要求;铁质矿物多为菱铁矿、黄铁矿,Fe2O3含量平均3.69%,TiO2平均0.54%,按照耐火材料对矿石质量的一般工业要求,主要化学成分基本达到半软质粘土Ⅲ级品要求(Al2O3≥25%,Fe2O3≤3.5%),但铁质略偏高,需根据具体情况有效地除去该油页岩尾渣中的铁杂质;进一步结合全岩及粘土矿物X射线衍射结果分析,油页岩以粘土矿物为主,粘土矿物总量最低53.1%(中-下煤层间油页岩),最高73.5%(中部巨厚油页岩段),平均62.5%;其次为石英15.7%~43.3%,平均30.0%,粘土矿物组成主要为高岭石,含量63%~90%,平均73.5%;其次混层粘土矿物,考虑到中部巨厚油页岩段有机质含量低,粘土矿物高岭石总量相对较高,与中-下煤层间油页岩层相比,性质更适合制备耐火粘土材料或高岭土。