科技成果管理與研究報道：

科技創新推動油頁巖資源開發利用

——記中國石油勘探開發研究院鄭德溫研究員

近幾年。隨著常規能源(石油)價格的不斷攀升，能源越來越引起人們的重視，油砂油、頁巖油作為新能源的一部分其地位也越來越重要。根據國土資源部2006年資源調查結果統計。我國油頁巖資源豐富，全國頁巖油地質資源量476億噸，頁巖油可采資源量120億噸，是常規石油的重要補充能源之一，是未來中國石油新的增長點，加快開發非常規石油資源對于建立我國可持續發展的新能源系統、改變能源的多元化生產方式具有重要的現實意義。

油頁巖開采技術亟待進步

油頁巖的開發方法主要有地面干餾和地下原位開發兩類，如何有效開采頁巖油，提高資源利用率是整個技術的關鍵。目前世界上廣泛應用的地面油頁巖干餾技術主要有兩大類：一是氣體熱載體干餾工藝，如中國撫順式干餾爐、巴西的Petrosix干餾爐、愛沙尼亞的Kivite干餾爐。二是小顆粒固體熱載體干餾工藝：如澳大利亞的ATP水平旋轉干餾爐和俄羅斯的Galoter干餾爐。

我國油頁巖地面干餾一直采用撫順立式干餾工藝，雖然投資小、但規模小（100噸/臺）、出油率低（65%左右）、污染大、資源利用率低，只能處理10~75mm粒徑的原料，小于10mm粒徑的原料無法處理，資源浪費嚴重。

為了克服現有干餾裝置的不足，中國石油勘探開發研究院廊坊分院新能源研究所鄭德溫副總工程師，從2004年就開始了國內油砂、油頁巖的資源普查工作。并于2005年在新疆采用自行研制的水平旋轉干餾爐成功進行了油砂的干餾工藝試驗，并產出了油氣。該水平旋轉干餾爐技術已經申報國家專利，為目前國內首創。2006年進行第二代水平旋轉干餾爐的開發，其技術指標性能等達到或超過國外水平。2010年10月又設計完成了能處理10mm以下的新型固體熱載體旋轉干餾工藝裝置，出油率達到了92.8%的水平，達到了國外的水平。

自主創新，持續攻關，新型小顆粒油頁巖固體熱載體干餾工藝關鍵技術獲得突破

鄭德溫高級工程師帶領的科研團隊從2004年就開始了國內油砂、油頁巖的資源普查工作。國內油砂礦具有點多、面廣、資源豐富等特點，油砂礦規模及油砂性質跟國外有很大的不同。國內油砂的特點決定了不能照搬采用國外現成的技術。而且不同性質的油砂分離方法也不同。油砂中含有大量的重質油和其他可燃物質。需按一種效率高、能力大的設備將重質油和其他可燃物質分離出來。

目前國內尚未有關于油砂開采的先例，研究工作剛剛起步還未形成一套行之有效的油砂提取方法和開采的工藝技術，許多問題有待研究。親水油砂通常用水洗的方法分離，塊狀頁巖一般采用立式窯干餾法分離。但由于油砂粒度小，粉碎中產生大量粉細沙，容易產生氣堵塞，所以對于顆粒小的頁巖及油砂采用這兩種方法都是不可行的。而且分離效率低，產量小，規模化生產難度大。

通過吸收消化國外技術經驗，集成目前國內其他行業的先進控制技術，以自主創新為主，合作創新作為有益的補充，鄭德溫研究員于2004年在新疆采用自行研制的水平旋轉干餾爐成功進行了油砂、油泥、油頁巖等非常規能源的干餾工藝試驗。并產出了油氣。該水平旋轉干餾爐技術已經申報國家專利，為目前國內首創。2006年進行第二代水平旋轉干餾爐的開發，其技術指標性能等達到或超過國外水平。2010年10月又設計完成了能處理10mm以下的新型固體熱載體旋轉干餾工藝裝置，出油率達到了92.8%的水平，達到了國外的水平。

新型綠色環保小顆粒干餾工藝已經獲得多項項國家專利：SHRRP100kg型號，專利：201020258945.0；SHRRP200t型號，專利：200720173469.0；HRRP20t型號，專利：ZL200520109432.2。新型固體熱載體旋轉干餾工藝裝置采用回轉式反應器和外循環熱載體，采用間接加熱的方式，能夠干餾小顆粒油頁巖原料。可通過改變回轉爐轉速，調整熱灰比例、改變熱灰溫度等參數，干餾評價裝置可以根據不同熱灰原料比例、不同的熱灰溫度、不同的油頁巖含油率等參數對干餾出油效果的影響規律，對不同品位的小顆粒油頁巖在不同溫度下的干餾特性做出準確分析。這種干餾工藝裝置采用螺旋連續進出料，物料從干餾爐入口進入，經過逐步升溫到規定的熱解溫度。在規定的時間內分解完全，高溫熱解產生的油氣從出口排出，經冷卻后得到油、氣，殘渣經出料口連續排出。水平旋轉干餾爐的發明，不僅實現油砂及頁巖的連續分離以及油田污泥垃圾的環保處理，達到高產、高效、低耗、節水和安全環保的效果。還解決了其他分離方法無法處理細顆粒物料的問題及無法連續運轉的問題，并采用一種密封解決連續運轉中的容易泄露的問題。采用回轉式動態干餾方式，透氣性好，干餾產生的油氣能夠快速導出。經過冷凝后得到頁巖油和裂解氣體。裝置能夠干餾小顆粒油頁巖或油砂等粉狀物料。能夠通過溫度補償。分析不同油頁巖原料在不同溫度下的干餾特性。

后記

我國油頁巖、油砂資源儲量豐富，可開采資源量巨大，具有巨大的經濟效益和社會效益。開發利用油頁巖、油砂資源，是應對當前石油資源日益緊張、能源消耗日益增長的必要手段。根據我國油頁巖資源埋藏深、品位低的特點，應大力開展原位開采技術方面的研究工作，為將來大規模開發油頁巖資源提供技術儲備。相信，只要遵循開發與環保并重的方針，走新型工業化道路，走綜合開發利用的道路，油頁巖、油砂開發利用的前景將是十分廣闊的。

鄭德溫高級工程師研發的新型綠色環保小顆粒干餾工藝已經打開了一個突破口，目前鄭德溫又帶領其研究團隊又開始設計日處理1000噸以上的大型油頁巖水平旋轉干餾工藝，解決國內小顆粒油頁巖干餾提油遇到的關鍵技術，為小顆粒固體礦物的干餾提油開辟了一條新的工藝路線，為國內實現油頁巖的大規模開發開發更多更好的實用技術。

專家簡介

鄭德溫，男，1966年3月生。高級工程師，碩士，中共黨員。現任中國石油勘探開發研究院廊坊分院新能源研究所副總工程師、工藝室主任。

1989年7月畢業于西南石油學院，應用化學系，油田化學專業，同年分配到廊坊分院滲流所，主要從事油田開發以及三次采油等科研研工作；1998年先后加入美國石油工程師學會SPE會員和加拿大CIM會員；2004年調入新能源綜合研究室，主要開展油砂、油頁巖、頁巖氣等科研工作；2006年新能源研究所正式成立，擔任工藝室主任；2007年被聘為中國科學家論壇特邀會員，2008年被評為廊坊分院非常規油氣學科帶頭人；2010年擔任新能源所副總工程師。

先后承擔國家科技部、中國石油股份公司、中國科學院以及國土資源部項目達30余項，在石油開發和非常規能源的開發利用研究方面做了大量工作果。主要承擔過國家攀登B復合驅項目，“八五”總公司重點公關高含水項目，“九五”總公司低滲透重點攻關課題，中國科學院基礎研究項目；2008年在新疆首次建成了年處理1萬噸油砂的水洗連續化分離裝置；“十一五”承擔國家重大專項，是國家重大專項“中深層油頁巖原位開采關鍵技術研究”課題長。

獲得省部級成果獎6項、局級成果獎10項，編寫專著2部，發表論文20余篇，主要獎勵有2007年“中國油砂勘察開發技術研究與現場示范”獲得河北省科技進步二等獎，2008“中國油砂地質選區評價與開發技術試驗”獲得中國石油石化協會一等獎；2009年“中國油砂地質選區評價與開發分離試驗”獲得國土資源部科技進步一等獎。

來源：《科技成果管理與研究》2011年第2期

中國發明與專利報道：

鄭德溫行走在石油領域的仁者

一位資深的非常規油氣資源專家，一位身兼油頁巖和油砂工藝技術開發的探索者，一位發明水平旋轉干餾爐的石油專家，一位志在改進小顆粒油頁巖油砂干餾提油的技術、工藝和方法的學者，他就是水平旋轉干餾爐的主要發明人鄭德溫。

鄭德溫，男，1966年3月生，高級工程師，新能源所工藝室主任。1989研究生畢業于西南石油學院。1996年先后成為美國石油工程師學會SPE，加拿大CIM會員。是水平旋轉干餾爐的主要發明人，長期致力于油頁巖及油砂的開發研究工作，承擔國家能源開發科研項目，多次獲得獎勵，“中國油砂勘查開發技術研究與現場示范”獲得2007年河北省科技進步二等獎：“油頁巖、油砂礦開發技術應用基礎與分離工藝”獲得2008年河北省科技進步三等獎；“中國油砂地質選區評價與開發技術試驗”獲得2008年中國石油和化學工業協會科技進步一等獎。

資源短缺　促使新能源開發

根據國土資源部2006年資源調查結果統計，我國油頁巖、油砂資源豐富，全國頁巖油地質資源量476億噸，排名世界第二，頁巖油可采資源量120億噸：油砂油地質資源量為59.7億噸，油砂油可采資源量22.5億噸。但是，多年來，我國一直采用撫順的立式干餾工藝，具有規模小，出油率低、資源利用率低、污染嚴重等缺陷，只能處理10～75mm粒徑的原料，小于10mm的資源無法利用，資源浪費很嚴重。

近幾年，隨著常規能源(石油)價格的不斷攀升，能源越來越引起人們的重視，油砂油、頁巖油作為新能源的一部分其地位也越來越重要。而頁巖油是未來常規油氣的重要補充能源之一，所以，開發非常規石油及替代品成為各國非常規勘探開發研究的主要課題。但是，目前國內小顆粒固體熱載體干餾工藝技術還處于空白，市場急需開發具有高效、低成本。環保功能的新型小顆粒干餾工藝。為了克服現有干餾裝置不能干餾小顆粒原料，干餾不充分，不能對各種品位油頁巖在不同溫度下的干餾特性做出準確分析的不足，中國石油勘探開發研究院廊坊分院新能源研究所鄭德溫等科研人員，刻苦鉆研、不斷創新，取得了新型小顆粒油頁巖干餾工藝技術，在國內獲得重大突破。

從2004年就開始了國內油砂、油頁巖的資源普查工作，并于2005年在新疆采用自行研制的水平旋轉干餾爐成功進行了油砂的干餾工藝試驗，并產出了油氣，水平旋轉干餾爐已經申報國家專利，該技術為目前國內首創。2006年進行第二代水平旋轉干餾爐的開發，其技術指標、性能等達到或超過國外水平，為中國的能源事業做出一份貢獻。

新設備　水平旋轉干餾爐

國內油砂礦具有點多，面廣、資源豐富等特點，油砂礦規模及油砂性質跟國外有很大的不同，國內油砂的特點決定了不能照搬采用國外現成的技術，而且不同性質的油砂，其分離方法也不同。油砂中含有大量的重質油和其他可燃物質。需按一種效率高、能力大的設備將重質油和其他可燃物質分離出來。

目前國內尚未有關于油砂開采的先例，研究工作剛剛起步，還未形成一套行之有效的油砂提取方法和開采的工藝技術，許多問題有待研究。

親水油砂通常用水洗的方法分離，塊狀頁巖一般采用立式窯干餾法分離。但由于油砂粒度小，粉碎中產生大量粉細沙，容易產生氣堵塞，所以對于顆粒小的頁巖及油砂采用這兩種方法都是不可行的。而且分離效率低，產量小，規模化生產難度大。

中國石油勘探開發研究院廊坊分院通過多年的技術攻關和現場分離試驗，在干餾工藝技術方面獲得重大突破，新型綠色環保小顆粒干餾工藝已經獲得2項國家實用新型專利(ZL200520109432.2和ZL200720173469.0)。目前已經設計完成了日處理500噸的油頁巖水平旋轉干餾工藝設計，解決了國內小顆粒油頁巖干餾提油遇到的關鍵技術，為小顆粒固體礦物的干餾提油開辟了一條新的工藝路線。

科技延續傳奇　帶來新體驗

油頁巖原位開采技術不需要進行采礦和建設大型的尾氣處理設施，可開發深層、高厚度的油頁巖資源，具有產品質量好、采油率高、占地面積少和環保等優點，目前尚處于工業試驗階段。

鄭德溫告訴筆者：“水平旋轉干餾爐研制，提出的是一種采用回轉式反應器和外循環熱載體，采用間接加熱的方式，能夠干餾小顆粒油頁巖原料，可通過改變回轉爐轉速，調整熱灰比例，改變熱灰溫度等參數。實驗裝置可以進行不同熱灰／原料比例、不同的熱灰溫度、不同的油頁巖含油率等參數對干餾出油效果的影響規律，能對不同品位的小顆粒油頁巖在不同溫度下的干餾特性做出準確分析的干餾評價裝置，采用螺旋連續進出料，物料從干餾爐入口進入，經過逐步升溫到規定的熱解溫度，在規定的時間內分解完全。高溫熱解產生的油氣從出口排出，經冷卻后得到油、氣，殘渣經出料口連續排出。”

所以，水平旋轉干餾爐的發明，不僅實現油砂及頁巖的連續分離以及油田污泥垃圾的環保處理，達到高產，高效、低耗。節水和安全環保的效果。還解決了其他分離方法無法處理細顆粒物料的問題及無法連續運轉的問題，并采用一種密封解決連續運轉中的容易泄露的問題。

而水平旋轉干餾爐的發明最有益效果是，采用回轉式動態干餾方式，透氣性好，干餾產生的油氣能夠快速導出，經過冷凝后得到頁巖油和裂解氣體。裝置能夠干餾小顆粒油頁巖或油砂等粉狀物料；能夠通過溫度補償，分析不同油頁巖原料在不同溫度下的干餾特性。

除了水平旋轉干餾爐的優勢，筆者對比了現在的氣體熱載體干餾工藝和現有的固體熱載體回轉式干餾工藝，了解到現在的氣體熱載體干餾工藝只能處理強度大，熱穩定性好的大塊原料，不能處理小顆粒油頁巖，原料利用率低、出油率低，污染大。

可是現有的固體熱載體回轉式干餾工藝，殘渣中殘炭與空氣接觸時間短，燃燒不充分，殘渣排放污染較大，能量浪費嚴重；用于不同品位的油頁巖干餾時溫度不穩定，難以得到好的干餾效果，很難對各種品位的油頁巖在不同溫度下的干餾特性做出準確分析。

所以，鄭德溫進一步向筆者介紹，水平旋轉干餾爐裝置適用于顆粒直徑小于5～7mm以下的小顆粒油頁巖或油砂等粉狀含油物料，對熱穩定性差的原料沒有要求，顆粒大的物料可以通過破碎到5～7mm以下；能夠通過溫度補償，分析不同含油率的油頁巖原料在不同溫度下的干餾特性。

國際領先技術的代表

世界上將油頁巖用于干餾制取頁巖油和燃料氣的工業生產始于19世紀上半葉的法國、英國，德國，西班牙等國。一百多年來，頁巖油生產幾經波折，至今僅愛沙尼亞、俄羅斯，中國和巴西等四個國家開展頁巖油的生產。目前國際上應用最好的小顆粒設備是愛沙尼亞的Galoter工藝，加拿大 的ATP工藝。

愛沙尼亞兩座油頁巖煉油廠，利用Kiviter爐和Galoter爐，加上愛沙尼亞的GaIoter工藝，年產頁巖油40萬噸，油收率可達90％以上，但半焦或灰渣還少有利用。但其缺點一是，工藝特點決定了難以大型化；二是，易損件損耗過大(沒有相關化指標)。

ATP技術是加拿大UMATAC工程有限公司為油頁巖熱解加工而開發的一項技術。該技術采用外熱式加熱，其核心是一個多間隔，旋轉回轉窯，回轉窯的核心部分有預熱區、熱解區、燃燒區和冷卻區組成。其優勢是油收率較高，其缺點是轉動[wiki]設備[／wiki]龐大，只能克魯伯公司生產未能國產化，故障率高，維修困難。其轉爐填充率低，擴大規模困難，旋轉回轉窯長度長，密封等問題多，外熱且轉動設備多造成能耗高，維修困難。開工率低!

撫順技術前進方向

中國開發利用油頁巖已有70多年的歷史，主要是提煉頁巖油，制煤氣以及作為燃料直接燃燒，尤其在頁巖油的提煉方面積累了豐富成熟的技術經驗。遼寧撫順的頁巖油工業始于1928年，20世紀80年代中期撫順頁巖煉油廠有60臺撫順式干餾爐，年產頁巖油6萬噸，至20世紀90年代又增建20臺，擴建為年產頁巖油9萬噸。目前20臺撫順式干餾爐和6臺瓦斯加熱爐已投入生產。年產3.0萬噸頁巖油。但國內撫順式煉油技術油收率較低，只有63％左右。針對現有撫順爐單臺裝置處理能力小、油收率低，污染環境等缺點，撫礦集團于2006年成立了“遼寧省撫礦集團工程技術研究中心”，將油頁巖綜合利用作為重點，開發大型油頁巖干餾新工藝和相應的生產裝置，日加工油頁巖6000噸的工業試驗裝置的可行性研究報告已初步通過。

而ATP技術為撫順礦業集團引進加拿大尤瑪塔克公司油母頁巖低溫干餾先進技術，用于處理現撫順爐廢棄尾礦(0～12mm)，屬節能環保項目。

筆者了解到，其裝置特點：①干餾爐處理量大，單臺干餾爐日處理頁巖量6000t。②采油率高達90％。③干餾尾氣熱值高，熱值達5343KCAL／KG。④頁巖干餾、油氣回收及廢氣處理都在密閉環境中進行，因此環保達標。

價值體現新設備

世界上油頁巖、油砂的儲量遠遠超過常規石油的儲量，伴隨著高油價時代的來臨，全球掀起了油頁巖、油砂開發的技術研究熱潮，其主要的研究方向就是如何降低開發成本、提高油頁巖、油砂的綜合利用水平。目前，世界各國開始投入大量人力、物力開發這一非常規能源。并且，隨著開采技術的進步使得一些不具備經濟開采價值的油頁巖礦、油砂礦也成為可能。

我國油頁巖、油砂資源儲量豐富，可開采資源量巨大，具有巨大的經濟效益和社會效益+開發利用油頁巖，油砂資源，是應對當前石油資源日益緊張、能源消耗日益增長的，必要手段。根據我國油頁巖資源埋藏深、品位低的特點，應大力開展原位開采技術方面的研究工作，為將來大規模開發油頁巖資源提供技術儲備。相信，只要遵循開發與環保并重的方針，走新型工業化道路，走綜合開發利用的道路，油頁巖，油砂開發利用的前景將是十分廣闊的。

后記：科技創新傳奇，創新永無止境，鄭德溫和他的團隊帶來了石油領域新“革命”，必將掀起新能源技術的發展，他們奉獻給我們的不僅僅是汗水；是技術；是財富，更是一種踏踏實實的研發精神，他們也必將展示出魅力的人生!

來源:《中國發明與專利》2010年第08期