油頁巖屬于非常規(guī)油氣資源，以資源豐富和開發(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，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。 一、油頁巖資源及分布特點 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)計其蘊藏資源量約有10萬億噸，比煤炭資源量多40%。2000年初統(tǒng)計，世界頁巖油儲量超過10億噸的國家有美國、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3741億噸，預(yù)計全世界頁巖油資源總量約為4750億噸，比傳統(tǒng)石油資源量（2710億噸）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、猶他州和懷俄明州。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315億噸，預(yù)測資源量4520億噸，約85%以上分布在吉林、遼寧和廣東省，其中吉林省已探明可采儲量為174.5億噸，約占全國油頁巖探明總量的55.3%；廣東已探明可采儲量超過55.15億噸，居全國第2位；遼寧省截至2004年累計探明儲量為41.3億噸。 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。 二、油頁巖工業(yè)發(fā)展歷程 從1838年法國頁巖油工業(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。 油頁巖的生產(chǎn)出現(xiàn)過三個高峰期。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、前蘇聯(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（4540萬噸）。自1980年以后，由于石油被大量發(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，只有1600萬噸。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)。 三、油頁巖開采技術(shù)進(jìn)展 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)。 （一）直接開采 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，對生態(tài)環(huán)境的破壞也十分嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在三個方面： 一是生態(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1立方米油頁巖，一般需要抽出25立方米的地下水；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。 二是灰渣污染嚴(yán)重。通過直接開采得到的油頁巖用于提煉頁巖油或直接燃燒，產(chǎn)生大量灰渣，如果不回收利用則不僅會造成空氣污染，且廢棄灰渣占地面積大，其中金屬元素和微量元素滲入地下水體，危害人們生產(chǎn)生活。 三是直接開采占地較多，一旦開墾就無法完全修復(fù)。 （二）地下轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)(ICP) 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)的突出優(yōu)點是：提高了資源開發(fā)利用效率；減少了開采過程中對生態(tài)環(huán)境的破壞，即少占地、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月每桶原油開發(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)在油價高于25 美元／桶時可以盈利。 我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。 四、油頁巖利用技術(shù)進(jìn)展 隨著技術(shù)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)利用提供了保障。 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，即直接用作鍋爐燃料或進(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，現(xiàn)在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。 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)展直接影響著使用效果， 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。 （一）干餾技術(shù) 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，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。 （二）燃燒鍋爐的發(fā)展 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。 1、油頁巖懸浮燃燒與氣化技術(shù) 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，總裝機(jī)容量為2415MW，所配鍋爐出力為65～320噸／小時。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和NOX 排放量大，嚴(yán)重污染環(huán)境；制粉系統(tǒng)耗電量大，鍋爐維修費用高，運行不經(jīng)濟(jì)；機(jī)組可靠性差，經(jīng)常被迫停機(jī)，且停爐檢修時很長等。 2、油頁巖流化床燃燒技術(shù) 前蘇聯(lián)首次開發(fā)燃油頁巖流化床鍋爐，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。 3、油頁巖循環(huán)流化床燃燒技術(shù) 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，1989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Ahlstrom公司的50噸／小時循環(huán)流化床鍋爐。20世紀(jì)90年代以色列采用230噸/時循環(huán)流化床鍋爐建造一座燃用油頁巖商業(yè)化電廠，1996年吉林省樺甸油頁巖示范熱電廠采用3臺東北電力學(xué)院研究制65噸／小時低倍率循環(huán)床油頁巖電站鍋爐，實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行。 油頁巖的應(yīng)用技術(shù)得到長足發(fā)展，給許多國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了很大貢獻(xiàn)。但不同國家油頁巖主要用途差別較大，愛沙尼亞主要用來發(fā)電和提煉頁巖油，近40年其電力生產(chǎn)的99%主要依賴于油頁巖，巴西主要用作運輸燃料，德國主要用于制造水泥和建筑材料，中國和澳大利亞主要用于提煉頁巖油和用作燃料，俄羅斯和以色列主要用于發(fā)電。