傅 叢，丁 華，陳文敏

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.煤炭科學研究總院，北京 100013)

0 引 言

油頁巖又稱油母頁巖，與煤炭、石油、天然氣、煤成氣、致密油氣、油砂以及炭瀝青和海底的可燃冰(含水甲烷)等同屬化石能源范疇，其外觀、色澤隨著含油率的增高而逐漸變深，即從貧礦、準富礦到富礦時的顏色由灰白、黃棕—棕灰演變至褐色、黑褐色等多種。油頁巖開采后提煉油頁巖油(以下簡稱頁巖油)，既可直接作為液體燃料，還可通過加氫或其他方法精煉以制取汽油、煤油、柴油及其他多種化工、化學產品[1]。從石油和油頁巖中有機質的元素成分分析可知，碳氫含量在石油中較高而在油頁巖中相對較低。提煉1 t頁巖油約需15 t～30 t油頁巖，油頁巖提煉油的能效比煤制油低5%且原料消耗大，但采用低溫干餾(500 ℃～≤600 ℃)方法對油頁巖提油時固定投資低且比煤低溫費托合成油節(jié)省約6%的成本[2]，具有開發(fā)利用的可行性并已在現(xiàn)場推廣應用，因而對油頁巖的開采利用可接替部分常規(guī)油氣資源并有助于緩解我國能源壓力[3]，將其作為戰(zhàn)略儲備能源具有巨大的潛力。

在目前雖未清楚油頁巖被發(fā)現(xiàn)的準確年代，但早在17世紀德國和瑞典等西方國家已開始對油頁巖進行勘探開發(fā)利用， 至今已有近400年的利用歷史，且人類對油頁巖的重視程度完全與原油的價格升降之間有很大的關聯(lián)。一旦油價上漲，因對油頁巖的開發(fā)有利可圖，就會有更高的積極性投資跟進，為后續(xù)開發(fā)各種新技術、新工藝及新設備提供機遇以期使生產成本達到最低化、經濟效益和社會效益最大化。據(jù)不完全統(tǒng)計，預計全球目前已發(fā)現(xiàn)的油頁巖資源量約為10萬億t，折合頁巖油資源量為4 750億t[1,4]，均高于已探明的煤、油、氣的資源量，比石油的約2 710億t多出50%以上，比煤的資源量約多出40%。由勘察數(shù)據(jù)表明，中國油頁巖的資源量位居世界第四[1,5]，早期探明資源量315億t，近期預測資源量4 520億t[1]。

我國能源資源具有富煤、少油和少氣的稟賦特點，而實際上在2020年我國還進口煤炭超3億t，我國石油對外依存度從目前的60%左右到“十四五”規(guī)劃期間將達到70%，天然氣的對外依存度也將提升至45%，該種超高的對外依存度會嚴重影響國家能源安全。從目前探明的世界煤炭儲量和石油資源量分析，煤炭估計可開采數(shù)百年，石油還可開采不到100年，但油頁巖的探明儲量正隨著新礦區(qū)的不斷發(fā)現(xiàn)而增加，其可采年限可能更長。為了滿足不斷增加的對油氣后備能源的需要，因此須大力加強對油頁巖的勘探、開發(fā)和綜合利用工作，以期為國家提供更多的油氣后備資源。我國油頁巖已知主要產地包括遼寧撫順、廣東茂名、吉林樺甸、新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊等礦區(qū)[6-7]，在我國急需石油資源發(fā)展重工業(yè)的建國初期曾在撫順和茂名等地較大規(guī)模地開發(fā)利用油頁巖資源。在國外，愛沙尼亞等國就長期利用油頁巖發(fā)電和供暖及作為運輸燃料之用，既有益于確保企業(yè)的經濟效益，也有利于增加國家的稅收。

油頁巖中可利用的熱值雖較低，但如對其礦物質進行綜合利用則可發(fā)揮其最大的經濟效益。隨著科學技術不斷進步，對油頁巖礦床的有機質和無機礦物質的綜合利用程度也會隨之飛速前進和創(chuàng)新。為使油頁巖資源得到優(yōu)化的科學綜合利用，在礦床開采過程中應盡量避免對礦區(qū)周圍環(huán)境和大氣、地表水及地下水系等的污染，盡最大努力配合國家對聯(lián)合國“巴黎氣候協(xié)定”的承諾，為在2030年碳達峰、2060年達到碳中和貢獻一份力量。據(jù)估算，全球每年排放的溫室氣體總量已達到510億t，需耗費5.1萬億美元以捕集空氣中的二氧化碳，因而在未來的工業(yè)生產中應盡量多采用有效氫含量高及碳含量低的煤炭，較理想的能源為太陽能、風能、水力能和潮汐能等可再生能源以及無污染的核能，但后者需注意其安全性，而未來在清潔高效使用煤炭的同時也應盡可能選用低碳的天然氣、煤層氣、頁巖氣、石油和油頁巖等燃料，因而深入研究我國油頁巖與煤共生資源的分布與綜合利用途徑具有迫切而現(xiàn)實的重要意義，以期為今后進一步加強勘探開發(fā)油頁巖資源的重要礦區(qū)提供參考依據(jù)。

1 中國油頁巖資源分布概況

全球目前已發(fā)現(xiàn)的油頁巖資源中占比最大的是美國[6]，其已查明油頁巖地質資源量33 400億t，折合頁巖油為3 036億t，其油頁巖的資源量約占世界10萬億t的1/3以上，其中科羅拉多州、猶太州和懷俄明州約占全美油頁巖資源的75%。但今后隨著老礦區(qū)勘探開發(fā)力度的不斷加強和新礦區(qū)的陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，世界各地油頁巖所占的比重也將會不斷改變。另據(jù)2000年初統(tǒng)計，油頁巖資源量超過10億t的國家除美國以外還有俄羅斯、中國、扎伊爾、巴西、摩洛哥、約旦、澳大利亞和愛沙尼亞等國，中國油頁巖資源量僅次于美國、巴西、俄羅斯而居世界第四。從1962—1992年間僅廣東茂名地區(qū)即生產頁巖油約300萬t，撫順在1959年前后也曾生產頁巖油72萬t左右。

2004—2006年中國對油頁巖資源首次進行系統(tǒng)評估，查明全國油頁巖埋深小于1 000 m的資源量為7 199億t，以全國油頁巖的平均含油率約6.6%折算成頁巖油476億t。分布地區(qū)包括全國22個省、自治區(qū)中80個礦區(qū)的47個含油盆地[3]，比1999年底原國土資源部對全國64個礦區(qū)的油頁巖查明資源儲量314.59億t增加了近23倍。2016年在松遼平原又發(fā)現(xiàn)四處地質總儲量超過100億t的油頁巖礦點。

世界各地油頁巖的生成時代各不相同，從元古代的震旦紀到早古代的寒武紀和晚古生代的中、晚石炭世、二疊紀到中生代的侏羅紀和白堊紀以及新生代的第三紀均有，但晚古生代以前，因地球上還未有高等植物出現(xiàn)，因而此前形成的油頁巖均由低等生物形成。如俄羅斯的庫克爾礦床的油頁巖就形成于早古生代腐泥成因的志留紀，而我國油頁巖礦床多生成于中、晚石炭世時期以后的中生代和新生代的第三紀等地層，但西北地區(qū)也發(fā)現(xiàn)有中、晚石炭世的淺濱海相沉積的礦床，同時也發(fā)現(xiàn)有晚三疊世的湖灣湖泊礦床。而山東黃縣煤田的長焰煤和褐煤就與油頁巖共生成于早第三紀地層。油頁巖既有成為煤層的頂板或底板，也有單獨賦存在煤層上部或下部的礦層。廣東茂名地區(qū)與撫順西露天礦的油頁巖層也均生成于早第三紀，其相應的煤種也均為長焰煤，且油頁巖的含油率也均較高。黃縣煤田的煤層還延伸至渤海灣海底，油頁巖也同時在海底共生，陸上部分的儲量至少有18 466.8萬t之多。吉林省樺甸和新安的油頁巖雖未與煤共生而單獨存在，但其生成年代也是第三紀，而該省油頁巖儲量居全國22個省、自治區(qū)之首，全省查明油頁巖資源量1 071億t，其中可采儲量174.5億t；樺甸目前在北臺子、鴻昌、大城子和豐泰等多家油頁巖公司正對其進行開發(fā)。撫順西露天礦油頁巖層的特點是層厚平均達145 m，含油率平均在6.6%左右，而其共生的長焰煤層厚度也達20 m～210 m，含油率也超過10%；為了開采下部的本層煤，采煤時曾每天拋棄油頁巖礦石約2.2萬t，既浪費大量的油品資源，又對環(huán)境造成一定的污染。撫順東露天礦產氣煤的煤層頂板也是油頁巖層，曾一度開采其頂部的油頁巖層，后為了經濟效益也即廢棄開采，只采可煉焦的低灰低硫氣煤資源以獲得效益。哈爾濱市郊的依蘭第三紀長焰煤也與油頁巖共生，黑龍江省老黑山盆地與8層煤共生的12層油頁巖則生成于中生代的早白堊世，青海柴達木盆地北緣魚卡地區(qū)與煤共生的油頁巖則生成于中侏羅世時期。

此外，內蒙古的東勝、甘肅蘭州市郊的窯街、海南的長坡等礦區(qū)和新疆烏魯木齊與昌吉等地區(qū)也均有與煤共生的油頁巖層，但由于西部地區(qū)的礦產資源開發(fā)較晚，因此今后亟需加強力度勘查和開發(fā)油頁巖資源以期對我國實現(xiàn)2030年完成碳達峰和2060年完成碳中和起到一定的助力作用。

總之，吉林省是目前全國油頁巖資源最多的地區(qū)，約占全國的20%，其已查明的油頁巖資源量達1 071億t，折合成頁巖油約為52億t?？傮w而言，吉林省的油頁巖也以貧礦為主，省內樺甸以外資源較多的扶余—長春嶺礦區(qū)的油頁巖資源量達453億t，占全省的45.3%。西北地區(qū)油頁巖資源預測和查明資源量約為100億t,含油率為5%～10%左右，主要生成有以下3種類型:① 中、晚石炭世濱淺海相沉積礦床；② 晚二疊世湖濱、湖泊相等沉積礦床；③ 中生代內陸湖泊相沉積礦床。不同礦區(qū)面積在(3.3～520) km2之間變化，分布在不同盆地，外觀多是褐黑色、黑色。中、晚石炭世和侏羅紀形成的油頁巖礦床也多與煤層共生。礦區(qū)多位于大中城市附近，具有較好的開發(fā)利用前景。稀土元素豐度較高，形成時代越新則稀土元素的豐度越高。

綜上可知，中國油頁巖資源分布的特點是大多數(shù)都與第三紀低階煤共生，像吉林省樺甸等單獨賦存的礦區(qū)很少,但也有不少油頁巖生成于中生代的侏羅紀或白堊紀。

2 油頁巖礦床成因和沉積環(huán)境

關于油頁巖的成因，曾普遍認為其由單純的菌藻類等低等生物和水生浮游生物死亡后在湖泊、沼澤等水體底部的缺氧環(huán)境下經過腐敗作用和物理、化學及地球化學作用而形成，因而其腐泥成分和脂肪類物質較多，并與頁巖類礦物緊密連結，而其礦物質含量幾乎均高于有機質。油頁巖礦床的形成從元古代的震旦紀至早古生代的寒武紀等時期即已開始，而經過國內學者最近幾十年的研究[8-28]，發(fā)現(xiàn)我國有的油頁巖成因十分復雜。在早古生代及以前形成的油頁巖中油母的來源均為菌、藻類等低等生物以及發(fā)現(xiàn)有少量腹足類、腕足類和某些魚類小動物化石，該時期的油頁巖屬于腐泥成因；從晚古生代石炭紀到中生代和新生代的第三紀則是油頁巖生成的主要時期，此階段的油頁巖生成物質來源較為復雜，即晚古生代以后形成的油頁巖資源雖亦多以低等生物為主，但也有部分為高等植物形成，同時還有兩者混合生成的油頁巖。形成環(huán)境既含湖泊、沼澤帶，也有受海侵影響的海陸交互相沉積礦床，既有單獨的油頁巖礦床，也有與煤共生的油頁巖層，且在不同礦區(qū)之間的油頁巖成因通常差異較大。如茂名油頁巖中有葡萄藻、藻類和孢子、花粉以及魚類、貝殼類化石等；撫順油頁巖中有淡水藻類、龜、鯉魚和樹干等化石，還有大量第三紀高等植物的葉片、花粉、孢子等化石；黃縣油頁巖中有大量介形蟲、淡水藻、孢粉以及貝殼類等化石。由此表明，不同地區(qū)油頁巖中形成的原始物質中既有低等生物也有高等植物的成分混入其中，由單一物種生成的油頁巖可能很少。對西北地區(qū)煤與油頁巖共生資源的科研和調查結果進行分析，發(fā)現(xiàn)其油頁巖礦床形成主要有3種形式:① 中、晚石炭世時期形成的淡淺海相沉積；② 與煤共生的油頁巖礦床沉積(其沉積條件與同期煤的條件相同)；③ 由早古生代以前形成的礦床多為海陸交互相沉積，后期形成的以陸相沉積為主。

從中國的勘探開發(fā)情況發(fā)現(xiàn)，與煤共生的油頁巖礦床比單獨的油頁巖礦床占比更多，尤其是中生代以后的礦床更是如此，而晚古生代的共生礦床相對較少；從我國油頁巖資源分布情況分析，雖全國22個省、自治區(qū)的47個盆地中都發(fā)現(xiàn)有油頁巖礦床，但各地有關油頁巖的儲量、含油率的高低、礦物質的成分等情況差異較大。其中發(fā)現(xiàn)油頁巖資源最多的是東北地區(qū)、最少的是西南地區(qū)。東北地區(qū)以吉林省吉林市所屬的樺甸市單獨成礦的油頁巖探明儲量達100多億t，占全省174.5億t的近六成，該礦區(qū)第4層油頁巖的含油率有的可達28%左右，目前開發(fā)的力度不小。撫順西露天礦的巨厚油頁巖與含油率高達10%左右的下部長焰煤共生，油頁巖層的厚度達48 m～190 m，含油率也達6.6%，礦區(qū)煉油廠也曾有大規(guī)模生產。廣東以茂名為主的油頁巖資源量也達55多億t，超過遼寧省而居全國第2位，其含油率約為7.3%左右，也高于撫順的6.6%含油率。黑龍江省依蘭礦區(qū)油頁巖的含油率為3.75%～18.57%，其波動范圍較大，中位數(shù)約10%以上，具有較大的開發(fā)利用價值；山東龍口黃縣煤田的含煤系一直延深至渤海灣底部，預計其總儲量可能有數(shù)億噸之多，由于其含油率較高，平均多大于10%，且也有的約高達18%，是1種可與煤共同開采的油頁巖富礦。但我國油頁巖總體情況屬于以含油率小于10%為主，全國平均含油率在6.6%左右，低于美國的大于9%含油率。從綜合利用油頁巖的有機質和無機礦物質的視角分析，我國大多數(shù)與煤共生的油頁巖資源均有不同程度的開發(fā)利用價值，在有條件的礦區(qū)適宜在礦層原位進行地下氣化或低溫干餾以提取寶貴的油氣資源，以盡量減少或避免對周圍環(huán)境和空氣及水體系的污染。

分析黑龍江的伊蘭盆地煤與油頁巖共生的情況可知，其油頁巖主要為湖沼相沉積，且多為半深湖～深湖相環(huán)境，其中的礦物組成以黏土礦物為主，在黏土礦物中又以高嶺石較多(占黏土礦物的50%以上)，且其有機質主要來源于高等植物、湖泊內的菌藻類體以及其他地下水生生物。

青海柴達木盆地是煤與油頁巖共生的中國西部大型含油氣盆地[9-10]，其油頁巖的原生物質以松、柏、杉科、南洋枋科、羅漢松科等高等植物以及蕨類植物等混合有機質為主，主要形成于缺氧的淡水—半咸水環(huán)境。例如團魚山地區(qū)石門溝油頁巖即形成于弱氧化的淡水淺湖環(huán)境[11]。

吉林樺甸油頁巖沉積于淡水湖泊，有機質中含有大量來自湖泊的藻類體，并含有少量的陸源高等植物。吉林梅河長焰煤與油頁巖共生的沉積條件為扇三角洲前緣—淺湖—沼澤環(huán)境，在水退水進中有不少高等植物參與，并在泥炭沼澤中形成煤與油頁巖兩者不同組合的成礦模式。

山東省地方國營五圖煤礦位于濰坊市昌樂縣五圖村境內，生成于新生代的早第三紀(古近系)，也是煤與油頁巖共生礦區(qū)。煤類相當于次煙煤(原被認為褐煤)，3層煤的干基全硫平均在3.8%～4.1%，沉積環(huán)境與海相有關。油頁巖層的探明儲量達4.2億t，遠高于其煤的儲量(約600萬 t)，其中含油率(Tar,d)大于5%的有2.9億t，含油率小于5%的有1.3億t。井下發(fā)現(xiàn)在地層內有煤與油頁巖共生的5種組合形式，主要發(fā)育在三角洲濱淺湖和半深湖環(huán)境，在湖泊穩(wěn)定沉積期發(fā)育的油頁巖原始物質以低等水生生物為主，并含有腐泥質。

山東黃縣盆地為中生代白堊紀形成、新生代早第三紀繼承性發(fā)展的含煤與油頁巖的地塹型斷陷盆地，也是我國東部重要的煤與油頁巖資源賦存區(qū)[8,12-14];煤與油頁巖共生的成因為近海型水進體系域的湖泊、沼澤環(huán)境，其成礦有機質主要來源于水生低等生物如蘭藻、綠藻、黃藻等菌藻類物質。此外，還有輪蟲綱、纖毛蟲綱和軟體動物及昆蟲等動物，也發(fā)現(xiàn)有高等植物中的鏡質組生成于溫暖潮濕氣候下的淡水到半咸水的淺水環(huán)境。內蒙金寶屯礦區(qū)煤與油頁巖共生，其發(fā)育于深湖、半深湖內向三角洲過渡的沉積環(huán)境[15]。黃縣、撫順、依蘭和金寶屯等盆地的煤與油頁巖共生的成礦物質特點基本相同，即煤與油頁巖中均既有高等植物又有低等動植物形成，但共生背景下煤系中的低等動植物和油頁巖中的高等植物均比單一礦種的含量高[16]，且煤與油頁巖的形成條件互有影響。如依蘭盆地煤與油頁巖共生4種組合[17]，其煤系發(fā)育于湖沼相沉積，油頁巖發(fā)育于湖沼相和湖泊相環(huán)境，未見有海侵出現(xiàn)。甘肅、青海兩省的油頁巖礦區(qū)早于1946年前已被地質人員發(fā)現(xiàn)，如甘肅永發(fā)縣之炭山嶺；以后在永登、華亭等地也發(fā)現(xiàn)有與煤共生的油頁巖資源，陜西分平縣永壽油頁巖礦區(qū)也于1946年前發(fā)現(xiàn)其油頁巖和煤層，均有高等植物和水生低等生物有機質雙重輸入的特征。

總之，經國內廣大油頁巖的勘探和生產人員長期實踐經驗表明，我國油頁巖從沉積環(huán)境成因角度大致可分為陸相油頁巖和與海侵形成有關的海相油頁巖，2種油頁巖之間的主要區(qū)別在于陸相油頁巖的有機質中脂肪烴含量較高且湖泊類陸相油頁巖主要由藻類和浮游生物形成較多，而海相油頁巖主要來自成礦早期微生物死亡后沉積形成。但我國油頁巖多為陸相沉積油頁巖，其埋藏多在300 m～100 m以淺，有利于對油頁巖的開發(fā)利用。

3 油頁巖的基本性質

含油率是油頁巖質量評價的關鍵指標，也是其品位評價的關鍵參數(shù)。氫碳比高則含油率亦高，而油頁巖的含油率高、可燃氣含量大時則其發(fā)熱量就高[6]。我國油頁巖的含油率通常在6.6%左右，即以貧礦居多。吉林省的樺旬油頁巖以含頁巖油小于10%的準富礦為主，發(fā)熱量(Qnet,ar)最高可超過16 MJ/kg；山東黃縣梁家和北皂等礦的油頁巖含油率(Tar,d)平均可達15.57%，茂名的含油率為8.28%，撫順油頁巖的含油率相對較低(約為6.6%)，但以上均屬于有較大開發(fā)前途的礦點。

油頁巖的主要成分是以頁巖類礦物的無機礦物質為主，其次是油母和水分。無機礦物質中主要包涵石英、高嶺石(黏土)、云母以及白云石、石灰石、菱鐵礦等碳酸鹽礦物，還有硫鐵礦及多種微量有益和有害元素、重金屬元素以及稀土元素等。油頁巖的灰分多在50%～70%，僅少數(shù)富礦的灰分可低至40%～60%左右；其有機質油母多為腐泥成分，含有較多的脂肪烴類和較少的芳烴類物質，含油率一般從最低的大于3.0%到30%以下均有，其水分一般多為5%～20%。油母不溶于乙醇、丙酮和苯類等有機溶劑，表明其油的成分與天然石油有一定的差異。礦石中水分的大小通常與礦物質顆粒間的微孔結構有關，微孔越多則吸收的水分越多。同時，水分還與礦層的地下水位高低有關，而水分越大則在燃燒過程中消耗的汽化熱也越多，因而在人工干燥過程中就易崩裂破碎，在采掘油頁巖時首先需將地下水位抽至礦床的層位以下，如采出1 m3的油頁巖一般需抽出25 m3的地下水[5]，但礦井的酸性水抽至地面即嚴重污染環(huán)境。

油頁巖中主要有機質油母的化學成分和結構十分復雜，其中以脂肪烴類成分為主，其次為芳烴結構，含有苯、甲苯、二甲苯、酚、甲酚、二甲酚等。其氫碳原子比約為1.25～1.75。油母含量越高，油頁巖的H/C原子比越大，含油率和發(fā)熱量越高，經濟價值也越大。油頁巖的有機元素組成特點是有效氫含量通常比低階動力煤高，但低于天然石油中的含氫量，其Hdaf約為6.5%～10%以下(石油中Hdaf可達10%～14%)；碳含量一般多低于80%，而石油中Cdaf可達80%～88%且平均約85%；我國油頁巖中的氮含量與煤類似，Ndaf從1%以下到2%以上均有；氧含量變化不大，Odaf大多在5%～10%左右，而石油的水分多在2%以下。其C/H質量比一般為7～8以上，揮發(fā)分(Vdaf)多在60%以上，含硫量的大小主要與其沉積環(huán)境有關，陸相沉積的硫分(St,ad)有低至0.5%～1%以下的，與海侵有關的礦層的St,ad從2%～3%以上至7%～8% 左右的均有，其發(fā)熱量(Qnet,ar)一般低至2.1 MJ/kg～7.1 MJ/kg左右。其灰渣成分一般以二氧化硅為主，SiO2含量多在40%～70%左右，Al2O3多在10%～20%以上，F(xiàn)e2O3含量則與礦石中硫含量的高低有關。如陸相沉積的Fe2O3含量大部分在10%以下，CaO和MgO一般均小于5%，TiO2及K2O和Na2O均在1%～2%左右，因而大多數(shù)礦渣的灰熔融性溫度較高，流動溫度(FT)多在1 350 ℃～1 500 ℃左右，但海侵有關的礦渣灰成分中SiO2和Al2O3含量及灰融性溫度都會有不同程度降低。

油頁巖的成因與石油和油沙等大致相似，即均為化學結構相近的有機沉積巖礦床，但其顯著特點為灰分很高，即灰分產率普遍在50%～70%。其真相對密度也隨其含油率的增高而降低，從貧礦的TRDd為2.5以上降至富礦的1.7以下，多數(shù)在2.2左右，而黃縣油頁巖的視相對密度可低至1.65左右。又如愛沙尼亞油頁巖富礦的發(fā)熱量(Qgr,ad)在12.96 MJ/kg以上，而中國山東黃縣富礦的發(fā)熱量可高至14.84 MJ/kg。其揮發(fā)分一般遠高于煤炭，Vdaf?？蛇_60%以上。頁巖灰的組成成分大部與煤灰類似，SiO2+Al2O3多在80%左右，但海陸交互相或近海相沉積的油頁巖中CaO+MgO等堿土金屬和堿金屬含量較高，如山東黃縣油頁巖的灰中CaO含量有的達33.05%，但吉林樺甸油頁巖的灰中CaO含量就相對較低(為12.44%)，而一般陸相沉積的油頁巖中CaO有不少在5%以下。

總之，油頁巖的基本特性是灰分和揮發(fā)分普遍在50%～70%，發(fā)熱量隨礦物質和水分的增高而降低。如黃縣油頁巖含油率在18%左右的富礦，其Qgr,ad也僅15 MJ/kg左右，相當于石油發(fā)熱量41.87 MJ/kg的36%;其碳氫含量也低于石油中的碳含量，其中氫含量多為6.5%～10%;氧含量多在5%～10%左右，遠高于石油中的氧含量(2%以下);氮含量為1%～2%以上,也高于石油中的氮含量(1%以下)。據(jù)此，頁巖油只有經過加氫精煉后才能提高其經濟效益，可生產汽油、煤油和柴油以及重油等優(yōu)質流體燃料以及大量化工、化學產品以用于人造橡膠等有機合成的重要原料。

由于油頁巖中的有機質與礦物質常緊密相連，因此貧礦很難通過洗選方法以大幅提高其有機質和含油率。目前全球對油頁巖的質量評價尚無統(tǒng)一標準,對于我國油頁巖礦床的儲量計算可按GB/T 17766—2020《固體礦產資源儲量分類》方法或結合地質礦產行標DZ/T 0346—2020《礦產地質勘查規(guī)范 油頁巖、石煤、泥炭》進行，而近期遼寧省地方標準《油頁巖露天礦山安全規(guī)程》等也即將發(fā)布。根據(jù)中國的實際情況，一般可認為其含油率(分析基)>3%～<6%的屬于貧礦，含油率6%～<10%的可被認為準富礦，含油率10%～<20%的屬于富礦，含油率≥20%為超級富礦，但僅少數(shù)地區(qū)含油率可達富礦標準。為充分利用寶貴的油頁巖資源，建議在國內統(tǒng)一按含油率大致將油頁巖分為貧礦、準富礦、富礦和超富礦共4級并確定相應的限值，提議將礦層最低厚度、礦體有效面積等資源量評價參數(shù)以及含油率、發(fā)熱量等質量評價指標作為油頁巖勘探綜合評價組成要素納入國標制定之中，逐步構建我國油頁巖標準體系框架，以期對統(tǒng)一全國各地油頁巖儲量計算起到必要的指導作用。

4 油頁巖的綜合利用途徑

油頁巖與原油雖均來自于化石燃料中的沉積巖礦床，其含油的化學成分也大都與原油較為接近，相互間最大的區(qū)別還在于油頁巖中的灰分多在50%～70%，而石油中的灰分一般都低至0.20%以下，所以油頁巖中的含油率也就很少有超過30%?？傮w趨勢為油頁巖的含油率越低、灰分越高則其經濟利用價值也相對越低。且總體上在全球油頁巖中的富礦比例通常都較低，中國的油頁巖礦床也以貧礦為主。但油頁巖的用途十分廣泛，對不同含油率的礦床可有不同的用途，不僅其所含的油品可以被有效利用，其礦物質也可作水泥等多種建筑材料和充填礦井以及鋪路等之用。

4.1 低溫干餾技術用于煉制頁巖油

通過低溫干餾熱解油頁巖的工藝方法可得頁巖油該優(yōu)質液體燃料，且可獲得含有豐富的苯、甲苯、二甲苯、酚、甲酚、二甲酚等化工原料；采用低溫干餾技術熱解提油的工藝簡單、投資相對較低、加工條件溫和，其為現(xiàn)代煤化工分質分級利用發(fā)展的趨勢；該工藝在油頁巖中試先導裝置上已得到部分驗證，為我國油頁巖的開發(fā)利用進行了有效的探索[35]。

對含油率大于10%的富礦，通常可優(yōu)先作為低溫干餾(500 ℃～600 ℃以下)的原料以生產出性質與石油類似的油品即頁巖油，目前已有大量的相應研究[29-41]。如與煤熱解制油相比，油頁巖制油在投資上稍具有優(yōu)勢，但其生產成本和盈虧平衡點均高于煤制油[29]。對油頁巖采用低溫干餾技術較為先進的有在礦床原位加熱使其裂解以生產油、氣等產品，如荷蘭殼牌(shell)公司研發(fā)的ICP工藝，其特點與基本原理是對地下油頁巖礦層原位進行加熱使其裂解，轉化為高品質的油、氣[4]。該法對開發(fā)深部油頁巖層(如埋深300 m以下的礦層)尤其有利，比從礦層將油頁巖采出地面后再進行干餾出油具有更高的經濟效益、社會效益和環(huán)境效益。因為采用ICP工藝生產油品，不僅提高資源開發(fā)利用效率、減少開采過程中對生態(tài)環(huán)境的破壞及占地堆放，且無尾渣廢料、空氣無污染，免除了地下水污染及最大限度地減少了有害副產品的產生(如氟、氯、砷、汞、鉛、鎘、鉻等有害微量元素及重金屬元素)[1]。

采用低溫干餾工藝生產的頁巖油在常溫下為褐色膏狀物，其黏稠度和真密度均大于天然石油膏，在直接分餾時輕質餾分較少，其中汽油餾分僅2.5%～2.7%左右，360 ℃以下的餾分約占40%～50%；含臘重油餾分占25%～30%左右，渣油約占20%。此外，還含有不少凝固點較高的石臘以及少量瀝青質，有的含氮量較高，屬于含氮較高的石臘基油。其C/H質量比多在7～8左右，如山東龍口(黃縣)洼里礦的頁巖油碳含量較高(為84.01%)，氫含量為11.7%，其C/H質量比為7.18，其氮很低(僅約0.30%)。但不同礦區(qū)頁巖油的質量差異有的可能較大。凡H/C原子比越高，油的密度就越低，熱值就越高，質量則更佳。頁巖油中的氧含量比天然石油中的高，碳、氫含量相對較低，故其熱值也比天然石油要低?，F(xiàn)場技術應用時需確定油頁巖含油率的限值以判斷其是否具有實際生產的經濟效益，因若含油率過低則會產生企業(yè)虧損狀況而無法正常運作。中煤集團油頁巖流態(tài)化干餾煉油技術研究已于2018年通過鑒定，但該工藝尚待進行下一步的放大試驗和小型示范廠的長時間運轉后才能進一步實施商業(yè)化生產的工廠建設。

采用ICP工藝生產的油和氣，將其采集至地面再進一步加工精煉處理，如采用加氫裂解精煉或其他精煉方法生產汽油、煤油、柴油等液體燃料和石臘、油渣等副產品。此外，在油頁巖煉油過程中還可得到硫銨、苯類、酚類、吡啶等化學產品，可分別生產氮肥、合成纖維、塑料、染料及藥物等化工原料。上述ICP方法已在美國科羅多拉和嘉納法阿爾伯特州進行商業(yè)化示范工程，其關鍵技術和工藝設備等問題據(jù)說基本已解決。而據(jù)2005年5月測算，ICP技術的煉油成本明顯低于傳統(tǒng)的地面低溫干餾技術。后者生產每桶油品需花費20美元，前者只要12美元即可。當每桶原油(42美國加侖即合0.159 m3)價格在25元以上時，采用ICP技術生產油頁巖即可盈利。據(jù)悉，2004年底我國吉林省曾與殼牌公司簽署過合作框架協(xié)議并計劃于2010年開始全面商業(yè)化運行，但后因礦床油頁巖含油率達不到盈利要求而無法進展。

有關煤、油頁巖聯(lián)合催化熱解技術的應用項目舉例如下:長春實業(yè)有限公司立項7年自主成功研發(fā)煤與油頁巖清潔高效綜合利用的新技術及新裝備，以內置間接外式回轉核心反應器、納米稀土催化劑為技術核心，高度集成組合密封、高溫除塵、載熱混合油氣分離、供熱與余熱綜合利用、熱解水生物處理等關鍵性突破技術，輔以控溫、自動報警等其他輔助設備，實現(xiàn)了煤、油頁巖的高效連續(xù)在線催化熱解，通過研發(fā)而獲得工業(yè)應用技術。其技術的先進性表現(xiàn)在:產品產率、收油率為葛金試驗的85%以上，重油向輕油轉化率提高20%以上，總能量轉化率高于85%，技術成果達到國際先進水平；在煤、油頁巖潔凈利用的同時獲得高熱值的燃料油餾分和多種化工原料，經年處理1 500 t的工業(yè)性驗證并連續(xù)平穩(wěn)運行。該技術已于2012年4月27日通過了國家能源科技成果鑒定，但要達到真正商業(yè)化運行則尚需經過年處理量達1萬t以上或更高規(guī)格的中試后才能進一步建設年處理量更大的示范廠，并進一步提高和簡化生產工藝以獲得盡可能高的經濟效益和社會效益。

此外，世界許多國家前期也均對油頁巖的煉油工藝進行研究并取得不同程度的成功，如中國、俄羅斯和愛沙尼亞的發(fā)生爐及德國開發(fā)的LR爐均適用于小規(guī)模的油頁巖煉油，其投資較少但工藝技術不先進、油收率較低，而美國的TOSCO-∏爐及愛沙尼亞的Kiviter爐處理量較大、投資中等，適用于中等規(guī)模的煉油廠；愛沙尼亞的Galoter、巴西的petorsix及澳大利亞的Alberta-Taciuk爐的處理量均大、油收率高，產高熱值可燃氣，適用于大、中型油頁巖煉油廠[1,4]。上述幾種方法均屬地面干餾提油工藝，即更適用于埋深低于300 m的油頁巖礦床資源開發(fā)利用，但油頁巖從礦層采出后會產生大量的廢棄物。據(jù)統(tǒng)計，每提煉1 t頁巖油平均約產生15 t～30 t廢渣，其堆放還占用土地，同時在干餾過程中產生的廢水和廢氣的處理難度也很大，其綜合效益相對較差。所以目前全球范圍內地面干餾的生產規(guī)模較小，僅約200萬t/a左右。

吉林眾誠油頁巖公司經多年研究，于2014年7月在松遼平原扶余—長春嶺野外試驗現(xiàn)場利用地下原位裂化干餾技術對埋深300 m處貧礦生產出原位技術頁巖油，表明我國對油頁巖原位開采加工技術已有突破性進展，今后將具有較大的發(fā)展空間。

4.2 燃燒發(fā)電及灰渣等綜合利用

對于含油率不高的油頁巖，比較合適的用途是作為發(fā)電、供熱、工業(yè)鍋爐、窯爐和民用燃料，也可形成以油頁巖項目為龍頭的煤、電、化、冶、建材等綜合利用循環(huán)經濟產業(yè)鏈[41]。特別是油頁巖與煤共生的礦點尤其適宜于某些優(yōu)質煤配入油頁巖進行配燒，如神東煤的發(fā)熱量超過一般鍋爐用煤需要時即可根據(jù)不同窯爐對燃料熱值的要求分別在煤中配入油頁巖，其優(yōu)點是油頁巖的著火點低，在配入煤中很快能帶動燃點高的煤炭一起燃燒，在短時間內使爐膛達到高溫狀態(tài)而有利于充分燃燒以提高燃燒效率和熱能利用率。同時由于油頁巖的灰熔融性溫度普遍較高，與低灰熔融性的高熱值動力煤配燒后可防止灰渣結成大塊從而促進順利排渣。

愛沙尼亞主要利用油頁巖發(fā)電和向居民供電和工業(yè)供暖等，所創(chuàng)造的效益分別占其國家稅收的76%和14%[1]。油頁巖燃燒后的灰渣通?？勺鳛樯a水泥、砌塊、陶粒等建材產品，如德國油頁巖主要用于制作水泥等建材產品，在巴西油頁巖主要用作運輸燃料，俄羅斯和以色列則主要用于發(fā)電并對灰渣充分利用。但灰渣最大的用量是作為填充礦井的采空區(qū)及破碎后供修建公路使用。

為了充分利用熱能和提高能源熱效率，因此目前包括中國在內的許多國家都在積極開發(fā)新一代鍋爐，即將循環(huán)流化床鍋爐用于發(fā)電和生產高壓、高溫蒸汽以供各種工業(yè)生產使用。循環(huán)流化床鍋爐是20世紀70年代由美、德和瑞典等西方國家積極開發(fā)完成的新一代燃燒技術，其起源于固體流態(tài)化技術，即為采用低溫(稍高于850 ℃)燃燒、高效且污染較少的新技術。目前該技術已在國內外積極推廣使用，其煙氣中的二氧化硫和以NO為主的NOx排放量均比常用的正轉鏈條鍋爐少得多，其富氧增壓鍋爐的熱效率(90%以上)也高于鏈條鍋爐(50%左右)，且其既能燃燒高熱值的優(yōu)質煤，也能燃燒煤矸石、褐煤、石煤(特高灰分的腐泥成因的年老無煙煤)，更適合于燃燒灰分雖高但著火點低、揮發(fā)分又大的油頁巖。此外，對于有熱值的生物質燃料以及氣化爐渣等，其與油頁巖干餾后的高灰半焦均可摻燒從而充分利用其能量[42-55]，在燃燒高硫煤時應加入石灰石將硫以CaSO4的形式固定在灰渣中，目前正在積極發(fā)展的富氧(含氧30%～50%)增壓循環(huán)流化床鍋爐的效率更高。

循環(huán)流化床鍋爐的燃燒系統(tǒng)大致由給料裝置、燃燒室、氣固分離裝置等用于循環(huán)物料回送裝置組成，采用小粒度(約2 mm～8 mm左右)從燃燒室下部送入一次風再送入布風板下部，二次風從燃燒室中部送入，流化速度在3 m/s～10 m/s范圍內。由于對一次未完全燃燒的物質可二次循環(huán)燃燒，從而可使其得到幾乎完全燃燒從而提高能源利用率以及減少對大氣的污染，其中富氧增壓循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率比常壓循環(huán)流化床鍋爐更高，經濟效益可得到進一步提升。如將油頁巖與礦區(qū)附近的褐煤按一定比例摻混作為循環(huán)流化床鍋爐的燃料則具有良好的經濟效益和社會效益[56]。隨著準東煤在100 MW鍋爐機組摻配比例增加，可提高約1%的鍋爐熱效率[43]。針對準東低熔融性的低階動力煤和高熔融性油頁巖混合燃料在100 MW鍋爐燃燒過程中的礦物質演變規(guī)律進行研究,發(fā)現(xiàn)摻混15%油頁巖后就能降低堿金屬和堿土金屬的析出并改變其存在形態(tài)[44]，可解決某些火力發(fā)電廠大比例和大規(guī)模摻燒類似準東低熔融性煤引起的受熱面玷污和爐膛結渣問題。另外，與神東和準東煤性質相近的廣大西北地區(qū)的早、中侏羅世時期的長焰煤和不黏煤或弱黏煤進行配合，如儲量達300多億t的神東礦區(qū)煤由于其灰熔融性溫度低而可在條件合適時與灰熔融性溫度高的油頁巖配燒，作為電廠燃料后即可減低其灰分在爐膛中結渣而使燃料得到充分燃燒，大幅提高熱能利用率及取得多種效益。油頁巖燃燒非常劇烈并具有集中析出的特性；在油頁巖中摻混一定比例的煤可降低其固定碳燃燒階段的活化并有助于油頁巖的平穩(wěn)燃燒和充分燃燒[45]，如在一般高硫煤中加入20%左右的油頁巖作為可燃固硫劑，可使高硫煤的燃燒特性趨好并有效降低SO2排放量[46-47]；當煤、油頁巖及石油焦混合比例適當，其混合燃燒特性將優(yōu)于油頁巖及石油焦等單獨的燃燒特性[48]。可磨性好的油頁巖還可供煤粉電廠鍋爐混合燃燒使用[49]，熱效率最高?？蛇_90%以上。

此外，油頁巖貧礦還可作為生產有機肥料的原料，如利用陜西當?shù)氐挠晚搸r即可在原有5萬t/a磷肥生產線的基礎上改建為5萬t/a的油頁巖有機復合肥料的生產線。也可將油頁巖提油后的半焦作為資源化充分利用[57]，即油頁巖半焦資源化利用可體現(xiàn)在用于水泥混凝土修筑公路或土體加固、混凝土摻合黏土體膠凝材料、生產吸附性沸石、分子篩等方面，充分發(fā)揮固廢資源化利用效應。對含油率不大于3%的含油頁巖可將其作為生產水泥和磚瓦、陶粒等多種建筑材料使用。

4.3 小 結

隨著技術的進步、科學的發(fā)展以及人們對環(huán)保意識的增強，人類對油頁巖的利用水平還在不斷提升。如最初將油頁巖挖掘出礦后送至地面作為燃料使用，近期在礦層原位地下氣化和干餾生產高質量的油氣資源，并進一步對產生的油品進行加氫精煉以生產出汽油、煤油和柴油等優(yōu)質液體燃料，同時也產出其他寶貴的化學、化工產品以作為生產人造橡膠塑料等有機合成的重要原料。在對油頁巖直接作為燃料使用方面，也從較簡易的鏈條鍋爐發(fā)展為技術先進、燃燒完全、對環(huán)境友好的富氧增壓循環(huán)流化床鍋爐，極大程度上提高了其燃燒熱效率與熱能利用率；同時還可生產吸附性沸石和分子篩以及作為一般橡膠和硬質塑料的填料，但要求粉碎至超細顆粒且加入少量的連結劑。

此外，對提煉頁巖油后的半焦，雖灰分高及熱值低，但也可在循環(huán)流化床鍋爐中利用其余熱，燃后灰渣可一并用于生產水泥等建材。例如將油頁巖煉油后的半焦摻煤混燒、灰渣綜合利用集成于一體，即可提高油頁巖的綜合利用效率與保護環(huán)境作用[57-58]，從而使之達到物盡其用的利用效果。

綜上歸納可知，目前對油頁巖從單純的能源利用發(fā)展到因地制宜、因礦制宜進一步向綜合利用與合理利用方向邁進，極大程度上已提高資源的利用率、降低生產成本并減少對大氣和環(huán)境的污染，從而為油頁巖資源向更廣泛的領域拓展奠定了堅實的基礎。

5 結 論

(1)油頁巖屬非常規(guī)的油氣資源及有廣泛使用前途的固體化石燃料，由其提煉出的油品屬于與原油性質較為接近的高熱值液體燃料，雖其熱值低于原油、有機元素組成中的碳氫含量比石油低、氧含量比石油高、經濟價值比石油相對較低且開采成本高于石油、煤炭和天然氣，但隨著石油資源的日益枯竭及油品價格的不斷提高，對油頁巖的利用價值也將越來越高，油頁巖仍將是煤、油、氣等化石燃料的后備資源之有效補充。

(2)目前全球探明的油頁巖資源主要分布在美、歐、亞等發(fā)達地區(qū)，以美國最多，依次則為巴西、前蘇聯(lián)和中國，其中美國約占全球目前已探明油頁巖儲量的1/3以上。目前在我國油頁巖探明儲量最多的是吉林、廣東和遼寧三省，但全國其他19個省、自治區(qū)也都發(fā)現(xiàn)有不同儲量的油頁巖資源。中國油頁巖資源分布的特點是大多與煤共生且多分布在中生代的侏羅紀和白堊紀以及新生代第三紀的47個盆地內，像吉林省樺甸等單獨賦存的礦區(qū)很少，生成于晚古生代的也較少。

(3)油頁巖的成因十分復雜，從沉積環(huán)境成因角度可分為陸相油頁巖及與海侵形成相關的海相油頁巖。但我國油頁巖多為陸相沉積環(huán)境，即主要由菌藻類低等生物所形成且形成環(huán)境大多在湖泊、沼澤等淡水環(huán)境中，部分也有與海陸交互相沉積或與海侵有關的環(huán)境形成。前者的硫分較低，多在2.0%以下，后者硫分最高可達7%～8%左右，由此造成兩者的經濟價值有所不同，但整體埋藏較淺，有利于降低油頁巖的勘探開發(fā)和利用成本。

(4)油頁巖的基本特性是灰分、揮發(fā)分均普遍較高(在50%～70%)，遠高于其他化石燃料；全水分變化大，從5%以下到20%以上均有，其發(fā)熱量隨灰分和水分的增高及含油率的降低而相應降低，有機元素成分中的碳氫含量略低于石油而高于一般低階動力煤。油頁巖有機質中的碳含量平均約在80%以下，氧多在5%～10%左右，其有機質(油母)中可檢測出烷烴類、類異戊二烯烴、甾類及芳香族化合物，無機質中的SiO2+Al2O3通?？蛇_70%～80%左右，含F(xiàn)e2O3除了與海侵有關外一般較少，其灰熔融性溫度普遍較高，因而盡可能地對其進行綜合利用以獲取最大的經濟效益、社會效益和環(huán)境效益。建議在國內統(tǒng)一按含油率大致將油頁巖分為貧礦、準富礦、富礦和超富礦共4級并確定相應的限值，提議將礦層最低厚度、礦體有效面積等資源量評價參數(shù)以及含油率、發(fā)熱量等質量評價指標作為油頁巖勘探綜合評價組成要素納入國標制定之中，逐步構建我國油頁巖標準體系框架，以期對統(tǒng)一全國各地油頁巖儲量計算起到必要的指導作用，并為油頁巖的綜合利用提供技術依據(jù)。

(5)中國的油頁巖資源較為經濟可行的利用方法是對含油率較高的富礦可與煤共同開采并在礦區(qū)原位干餾或氣化以獲得油品和合成氣等資源，與煤共生的油頁巖非富礦床則多采用將煤、油頁巖單獨開采、分別或合并利用，而對于作為露天煤礦覆蓋層的油頁巖礦床在有條件的地區(qū)則以選擇與煤配合作為發(fā)電、工業(yè)鍋爐和窯爐的燃料，且以選用技術先進的循環(huán)流化床鍋爐或發(fā)電煤粉鍋爐為宜，其灰渣可作為用于生產水泥及磚瓦、陶粒等建筑材料或采空區(qū)的充填物等，既充分利用寶貴資源又大幅提高燃燒效率和熱能利用率，同時還能使油頁巖與煤產生疊加效應，從而達到油頁巖和煤的優(yōu)勢互補，使兩者的有機質和無機礦物質均得到充分的綜合利用以取得最大的經濟效益、社會效益和環(huán)境效益。