页岩油
页岩油(英语:Shale oil)是种非常规石油,由油页岩的碎片透过热裂解、氢化或是热溶解方式提炼而得。这些加工过程可把岩石中的有机物(油母质)转化为合成燃料(油与气)。产生的油可以立即当燃料使用,或是透过添加氢,和去除硫和氮等杂质来升级,以符合炼油厂的原料规格要求。页岩油的精炼产品与常规原油的衍生产品相似。
“页岩油”这个名词也用于描述从其他非常规、渗透率极低的地层页岩中生产的原油。但为减少把从油页岩提炼的页岩油与含油页岩中的原油混淆的风险,使用“致密油”称呼后者会更适合。 [1]国际能源署建议以“轻质致密油(light tight oil)”称呼后者,世界能源理事会的2013年世界能源资源报告,也称含油岩石中的原油为“致密油”。[2][3]
历史
[编辑]油页岩是人类最早利用的矿物油之一。[4]在公元10世纪,亚述人医生马里迪尼首度描述一种从“某种沥青页岩”中提炼石油的方法。[5]在14世纪初于瑞士和奥地利也有使用页岩油的报导。[6]18世纪符腾堡王朝腓特烈一世 (符腾堡公爵)的私人医生在1596年将其治疗特性记录下。[7]在18世纪之交,页岩油在意大利摩德纳用于街道的夜间照明之用。 [7]英国王室于1694年授予三人一项专利,因为这些人“找到一种方法,可从一种石头中提取和制造大量的沥青、焦油和石油。”[7][8][9]提炼出产品后来冠以Betton's British Oil之名销售,据说这种干馏物“经罹患各种疼痛的人尝试之后,获益良多。”[10]现代的页岩油开采业于1830年代在法国和1840年代在苏格兰建立。[11]提炼而得的油被用作燃料,润滑剂和灯油。第一次工业革命开始后,也产生对于照明的需求。这种油品成为当时日益稀缺和价格昂贵鲸油的替代品。[7][12][13]
页岩油开采作业于19世纪后期在澳大利亚、巴西和美国建立。中国、爱沙尼亚、新西兰、南非、西班牙、瑞典和瑞士则在20世纪初开始生产页岩油。由于20世纪中叶在中东发现常规油田,导致油页岩产业中的大部分进入停滞状态,但爱沙尼亚和中国东北部仍持续开采,直到21世纪初。[11][14][15]为应对世界在21世纪之交不断上涨的石油价格,美国、中国、澳大利亚和约旦又重新启动、探勘或是更新开采的作业。[15]
开采和提炼过程
[编辑]页岩油是把油页岩透过热裂解、氢化或热溶解而提炼出的产物。[16][17]热裂解是透过装置于地上或岩层内的干馏器进行。迄2008年,大多数油页岩产业的做法是开采岩石,将之破碎,再运输到干馏厂提炼,但曾有过几种在矿藏现场(In situ)执行的实验生产过程。让油母质分解成可用的碳氢化合物的温度随过程的时间尺度而变化;在地面干馏过程中,油母质到300°C (570°F) 时就开始分解,温度越高,会进行更快、更完全。在480至520°C(900至970°F)之间的温度时的分解速度最快。[16]
氢化和热溶解(反应流体工艺)使用转移氢化、溶剂或是两者的组合来提炼。热溶解的做法是在升高的温度和压力下加入溶剂,把溶解的有机物裂化,来增加油产量。不同的生产方法,产出具有不同特性的页岩油。[17][18][19][20]
衡量开采可行性的一个关键指标,是油页岩产生的能量与其开采和加工过程中所需能量的比率,这种比率称为“能源投资回报率”(EROEI)。 当EROEI为2(即2:1比率)时,表示要生产2桶石油,必须燃烧/消耗1桶油的等量能量。在1984年所做的一项研究,估计各种已知油页岩矿藏的EROEI落在0.7–13.3之间。[21]最近的研究估计油页岩的EROEI为1-2:1或是2-16:1,取决于内部能源是否被计为成本,或仅将购买的能源计为输入,而把内部能源排除在外。[22]壳牌公司在2006年报告其在“Mahogny研究项目(参见壳牌原位开采页岩油工艺)”中,in situ开采的EROEI可达到3到4之间。 [23][24]
干馏过程中可提炼出的油量因油页岩种类和使用的技术而异。[15]位于美国科罗拉多州、怀俄明州及犹他州的格林河地层中约6分之1的油页岩具有相对较高的产量,每吨油页岩可产出25至100美制加仑(95至379升,或21至83英制加仑)页岩油;约3分之1的油页岩,每吨可产出约10至25美制加仑(38至95升,8.3至20.8英制加仑),10美制加仑/吨相当于每100吨页岩约产3.4吨石油。格林河地层中大约一半的油页岩产量低于10美制加仑/吨。[25]
全球主要页岩油生产者均会公布其商业运作产量。抚顺矿业集团报告其每年从660万吨页岩中产出30万吨页岩油,按重量计,产量比为4.5%。[26]爱沙尼亚页岩油控股公司VKG Oil声称每年从200万吨页岩中生产250,000吨石油,产量比为13%。[27]巴西石油在南圣马特乌斯的Petrosix工厂每天可从6,200吨页岩中生产550吨石油,产量比为9%。[28]
属性
[编辑]提炼出的页岩油特性会因母体油页岩的成分和提炼技术而异。[29]页岩油是种复杂的碳氢化合物,具有传统石油的整体特性。页岩油通常含有大量的烯烃和芳香烃。页岩油也含有大量的杂原子。典型的页岩油成分含有0.5-1%的氧、1.5-2%的氮和0.15-1%的硫,有些含有更多的杂原子,也经常包含矿物颗粒和金属。[30][31]通常其流动性低于常规原油,倾点温度在24至27°C(75至81°F),而传统原油的倾点在-60至30°C(-76至86°F)),这种属性影响到页岩油在一般管道中的输送能力。[30][32][33]
页岩油含有会致癌的多环芳香烃。页岩油原油被描述为具有轻微的致癌潜力,与某些中间炼油产品相似,而经升级的页岩油,致癌潜力会被降低,因为大多数多环芳烃被认为会经氢化而分解。[34]世界卫生组织(WHO)把页岩油列为第一类致癌物(参见致癌物质#International Agency for Research on Cancer)。[35]
升级
[编辑]页岩油原油可立即作燃料油使用,但许多其他应用须经升级后方可。这类原油有不同特性,在送往传统炼油厂精炼之前需做相应的预(升级)处理。 [36]
原油中颗粒物会堵塞管道;所含的硫和氮会造成空气污染。硫和氮,以及可能存在的砷和铁,也会破坏精炼时所用的催化剂。[37][38]烯烃会形成不溶性的沉淀物,导致不稳定。油中的氧含量高于常规原油,有助于形成具有破坏性的自由基。[31]可利用加氢脱硫和加氢脱氮(hydrodenitrogenation)来解决这类问题,并产生可与基准原油相媲美的产品。[30][31][39][40]酚类可通过水萃法去除。[40]通过添加氢(加氢裂解)或去除碳(焦化)来调整氢碳比率,可把页岩油原油升级为运输用的燃料(重油)。 [39][40]
通过某些技术(例如Kiviter工艺)所生产的页岩油无需进一步升级,即可当作油和酚类化合物原料使用。经由Kiviter工艺的馏出油也可用作石油衍生重油的稀释剂,以及沥青等材料的增粘添加剂。[40]
用途
[编辑]第二次世界大战之前,大多数页岩油都经升级,而用作运输燃料使用。之后则用作化工中间体、纯化学品和工业树脂的原料,并用作铁路枕木的防腐剂。截至2008年,页岩油主要用作取暖油和船舶用燃料,有少数会用于各式化学品的生产。[36]
页岩油富含高沸点化合物,适合生产煤油、喷气机燃料和柴油等中间馏分物。 [31][41][42]进一步裂解可产生较轻的碳氢化合物(如汽油)。 [31][43]
“浅硫化页岩油”(PSSO)是种硫化和氨中和的变体,称为“Ichthammol”(化学物质:鱼石脂,在医学上用作治疗各种皮肤疾病的药物)至今仍为人们使用。 [44]
储量与产量
[编辑]根据目前技术,全球可开采的油页岩储量估计约可生产2.8至3.3万兆桶(450×109至 520×109立方米)页岩油,其中美国的储量最大,据信有1.5-2.6兆桶(240×109–410×109立方米).[14][41][45][46]估计2008年全球页岩油产量为每天17,700桶(2,810立方米/天)。主要生产国是中国(每天7,600桶(1,210立方米/天))、爱沙尼亚(每天6,300桶/天(1,000立方米/天))和巴西(3,800桶/天(600立方米/天))。[14]
开采页岩油因技术困难和成本高昂而受到阻碍。[47]美国内政部土地管理局在2011年3月对科罗拉多州、犹他州和怀俄明州的商业开采提案提出质疑,称“对于开采页岩油,目前尚无经济上可行的商业模式”。[47]美国能源信息署(IEA)有时使用“页岩(致密)油”来指致密油,“原油……直接从致密油地层中生产”。 美国在2021年每天生产723万桶此类致密油,约占美国原油总产量的64%。[48]IEA有时也称致密油为“页岩油”,[49]但包括从油页岩中提炼的任何固体燃料。[50]
参见
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