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能源情报按：油页岩（oil shale）不是页岩油(shale oil)，油页岩炼制后才能收回油。油页岩的炼制过程是如下这样的。
文/周怀荣 张俊 杨思宇，华南理工大学化学与化工学院
符 号 说 明
FS-OSR——抚顺炉油页岩炼制过程
GFC-OSR——瓦斯全循环炉油页岩炼制过程
OSR——油页岩干馏单元
PGU——发电单元
ROI——投资利润率
随着国民经济的快速发展，人们对能源的需求日益增加。石油作为一种有限的不可再生的能源已经不能满足人类持续和不断增长的能源需求。而油页岩作为非常规的油气资源，其资源储量丰富，现有技术保证了其开发利用的可行性。当前中国油页岩开采量约 1200 万吨，主要用于干馏炼油。
油页岩炼制采用地上干馏技术，主要有抚顺炉和瓦斯全循环炉。抚顺炉油收率一般较低，只有 65%左右。而瓦斯全循环炉油收率可达到 90%左右。
但是，瓦斯全循环炉油页岩干馏所需的热量，一部分必须由外购的干馏气燃烧来补充，限制了该工艺的利润。本文主要分析抚顺炉工艺和瓦斯全循环炉工艺资源和能源利用情况以及经济效益，分析这两套工艺的特点，以资借鉴，提出针对两套工艺提高资源和能源利用的技术路径，总结油页岩综合高效炼制过程的方案。
1 油页岩炼制过程
抚顺炉工艺中，油页岩首先经预处理，8～75mm油页岩进入干馏炉干馏段，在 0.1MPa、525℃左右的条件下干馏反应生成半焦和页岩油气。半焦进入干馏炉下段的气化段，与 85℃的空气（含饱和水蒸气）混合，在 0.1MPa、850℃左右发生气化反应产生高温煤气，为干馏段提供热量。半焦燃烧产生的灰渣由炉底排出。干馏后的页岩油气经过冷却、洗涤和分离后，得到页岩油和干馏气。所得的气体分为三股，一股作为干馏炉循环气；另一股作为蓄热式加热炉的燃料；剩余煤气去燃烧发电。抚顺炉工艺油页岩炼制（Fushun oil shale refinery，FS-OSR）过程如图1 所示。
瓦斯全循环炉工艺与抚顺炉工艺不同，干馏炉只有干馏段。瓦斯全循环炉工艺油页岩炼制（gas full circulation oil shale refinery，GFC-OSR）过程如图 2所示。干馏后的半焦经冷却由炉底排出，燃烧发电。
2 油页岩炼制过程技术经济分析
本文应用热力学第二定律分析两套流程过程中各单元㶲损失及其来源，指出各单元㶲效率可提高潜力和提高方法。对于工业实际过程，为降低㶲损失可能导致增加设备投资。因此，本文在对两套炼制过程进行㶲分析的基础上，还将对其进行经济分析。
2.1 油页岩炼制过程的技术分析
油页岩炼制过程的技术分析主要包括 FS-OSR过程和GFC-OSR过程物料及能量衡算以及㶲分析。
2.1.1 物料及能量衡算
两个过程都包含有油页岩干馏单元（oil shaleretorting，OSR）和发电单元（power generating unit，PGU）。按照抚顺炉单炉的处理量 100t/d 为基准量，每 20 台抚顺炉为一组，一个工厂具有 5 组，所以本文取油页岩流程处理量基准为 418t/h。FS-OSR 过程：在干馏单元，418t/h 的油页岩在525℃左右的干馏温度下可生产 14.1t/h 的页岩油，并产生 81.4t/h 的剩余干馏气，83.4t/h 的碎屑页岩以及 270t/h 灰渣。该单元公用工程水、电和蒸汽消耗分别为 84.4t/h、4.36MWh 和 39.4t/h；在发电单元，剩余干馏气和碎屑页岩通过燃烧发电过，可产生电力 72.2MWh。该单元公用工程水和电消耗分别为39.8t/h 和 4.11MWh。其主要的进出口物流如图 3所示。
GFC-OSR 过程：在干馏单元，122t/h 燃烧气在850℃左右温度下燃烧，将热量供给油页岩。418t/h的油页岩在 525℃左右的干馏温度下可生产 19.5t/h的页岩油，并产生 276t/h 的半焦和 83.4t/h 的碎屑页岩。该单元公用工程水、电和蒸汽消耗分别为35.1t/h、4.29MWh 和 37t/h；在发电单元，半焦和碎屑页岩通过燃烧发电过程，可产生电力 157MWh。
该单元电力消耗为 13.1MWh。其主要的进出口物流如图 4 所示。
2.1.2 㶲分析
FS-OSR 过程干馏单元㶲损失主要包括油页岩热解反应㶲损失和排放废物㶲损失。油页岩热解反应㶲损失为269.5MW，排放废物㶲损失为53.7MW。该单元总㶲损失为 326.4MW，其中油页岩热解反应的㶲损失最大，占总㶲损失的 82.6%。FS-OSR 过程干馏单元㶲流图如图 5 所示。
GFC-OSR 过程干馏单元㶲损失主要包括油页岩热解反应的㶲损失和排放废物㶲损失。该单元总㶲损失为 175.3MW，其中，油页岩热解反应的㶲损失最大，为 148.4MW，占总㶲损失的 84.6%。GFC-OSR 过程干馏单元㶲流图如图 6 所示。
FS-OSR 和 GFC-OSR 过程干馏单元的㶲损失分别占总输入㶲的 45.9%和 20.9%。FS-OSR 过程㶲损失主要是因为抚顺炉气化段产生的高温煤气中含有少量的未反应氧气进入干馏段，会烧掉一部分热解产生的页岩油，使得热解反应过程㶲损失最大。
GFC-OSR 过程㶲损失主要由于干馏过程的热量供给不充分，热解不完全。FS-OSR 过程发电单元㶲损失主要包括蒸汽轮机和燃气轮机做功转换过程㶲损失以及排放废物㶲损失等。其中蒸汽轮机㶲损为 55.9MW，燃气轮机㶲 损为 32.7MW，占总㶲 损失分别为 39.8%和23.2%。FS-OSR 过程发电单元㶲流图如图 7 所示，总㶲损失为 140.6MW。
GFC-OSR 过 程 发 电 单 元 的 总 㶲 损 失 为285.9MW，㶲损失主要包括蒸汽轮机的㶲损失和排放废物㶲 损失，其中蒸汽轮机㶲 损最大，为167.3MW，占总㶲损失的 58.5%。GFC-OSR 过程发电单元㶲流图如图 8 所示。
FS-OSR 和 GFC-OSR 过程发电单元的㶲损失分别占总输入㶲的 19.8%和 34.1%。两个过程发电单元㶲损失主要是因为蒸汽轮机和燃气轮机㶲损失。然而，两个过程发电单元㶲损失相比，GFC-OSR比 FS-OSR 高很多，主要是因为 GFC-OSR 过程蒸汽轮机发电效率较 FS-OSR 过程燃气轮机发电效率低。
2.2 油页岩炼制过程经济分析
油页岩炼制过程经济分析主要分析比较FS-OSR 过程和 GFC-OSR 过程的总投资、总成本费用和投资利润率。
2.2.1 投资分析
本文依据装置能力指数法对设备投资进行估算，再依据 Peters 和 Orhan 等的方法求得FS-OSR 过程和 GFC-OSR 过程总投资费用分别为11.8 亿元和 16.9 亿元，其组成如图 9 所示。
GFC-OSR 过程设备投资费用较 FS-OSR 过程设备投资费用高 43.38%，这主要有两个原因：①瓦斯全循环炉结构复杂，单炉处理量大（300t/d），投资高；②GFC-OSR 过程瓦斯全循环炉的产油率高，冷凝回收系统的负荷大，投资大。
2.2.2 产品成本分析
本文对生产成本中原料、公用工程、操作人工成本的估算主要参考现有研究工作。其他费用占总成本费用的比例主要参考 Peters 和 Orhan 等的研究。最终求得 FS-OSR 过程和 GFC-OSR 过程每年的总生产成本分别为 7.13 亿元和 11.28 亿元，结果如图 10 所示。
GFC-OSR 过程总成本费用较 FS-OSR 过程总成本费用提高了 58.3%，这主要有两个原因：①GFC-OSR 过程原料输入㶲相比 FS-OSR 过程要多增加约 121.7MW 的外购干馏气，使得 GFC-OSR过程生产成本中原料费用比 FS-OSR 过程高 1.36亿元；②GFC-OSR 过程发电单元公用工程输入㶲比 FS-OSR 过程高 9.0MW，使得 GFC-OSR 过程生产成本中公用工程费用比 FS-OSR 过程高 0.46亿元。
2.2.3 投资利润率分析
根据目前页岩油和电力的市场价格，计算得到每年 FS-OSR 过程和 GFC-OSR 过程的销售收入分别为 8.83 亿元和 14.69 亿元。按照产业经济模式的财务模型，计算每年得到 FS-OSR 过程和 GFC-OSR过程的净利润总额分别为 1.05 亿元和 3.14 亿元。最终求得 FS-OSR 过程和 GFC-OSR 过程的 ROIs 分别为 8.6%和 18.6%，如图 11 所示。
GFC-OSR 过程的 ROI 较 FS-OSR 过程的 ROI提高了 10 个百分点，主要因为 GFC-OSR 过程页岩 油 输 出 㶲 相 比 FS-OSR 过 程 高 61.3MW ，GFC-OSR 过程副产电力输出㶲 比 FS-OSR 过程高84.5MW。
3 结 论
本文对中国油页岩炼制过程抚顺炉工艺和瓦斯全循环炉工艺进行了技术经济分析。㶲分析表明：FS-OSR 和 GFC-OSR 的总㶲损失分别为 467MW 和461.2MW，分别占总输入㶲的 65.7%和 55%。其中，FS-OSR 过程㶲损失大，因为抚顺炉有氧烧油的问题。另外，热解产生的干馏气热值低，发电过程热利用率低，损失大。GFC-OSR 过程㶲损失是因为GFC-OSR 过程没有充分利用半焦潜热，而是将热解产生的半焦燃烧发电，蒸汽发电效率低，过程的㶲损失大。在瓦斯全循环炉工艺中，每热解 1t/h 的油页岩需要外供 1.3MW 的热量。如用半焦燃烧供热，则不需要外供热量。所以，借鉴抚顺炉用能方面的优势，高温半焦应用于循环流化床锅炉燃烧为油页岩干馏提供热量，剩余煤气可用于燃气轮机发电，以达到炼制过程能量合理利用。
经济分析表明：GFC-OSR 过程投资利润率比FS-OSR 过程投资利润率高 10 个百分点，但由于GFC-OSR 过程投资高和产品成本高，从而限制了其经济效益的进一步提升。所以，借鉴瓦斯全循环炉经济效益方面优势，本文作者提出，将剩余煤气用于制氢或其他高品位的化学品，从而进一步提高炼制过程的经济效益。
