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油页岩工业

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爱沙尼亚Viru Keemia Grupp控股（英语：Viru Keemia Grupp）旗下电力公司 - VKG Energia。

油页岩产业（英语：Oil shale industry）是种开采出油页岩之后，将之加工的产业。而油页岩是种细粒组成的沉积岩，含有大量油母质（固态有机化合物），可从中提炼出液态碳氢化合物。此产业在巴西、中国及爱沙尼亚有不短的历史，而在德国和俄罗斯也有一定程度的发展。目前有几个国家正研究其国内油页岩储量，也研究能提高效率及采收率的生产工艺（参见页岩油提炼）。[1]根据一份在2005年发表的研究报告，爱沙尼亚的油页岩产量在世界的占比约为70%。[2]

人类在17世纪初即已开采油页岩，取得其中的矿物质用于工业目的。自19世纪后期起，因其含有页岩油而被当作火力发电的低阶燃料使用。但除拥有大量油页岩矿藏的国家外，这种材料并未广泛用于发电。同样的，对拥有油页岩矿藏，却仰赖进口常规石油的国家，因油页岩可提炼合成原油（英语：Synthetic crude），而被视为是种可增加国内油料产量的方案。

历史

主条目：油页岩产业史
世界各国油页岩产量线图（单位：百万公吨，期间：1880年-2010年，作者：Pierre Allix及Alan K. Burnham（美国地质调查局）。[3]

人类自远古以来就开始使用油页岩。现代工业化的开采始于1837年法国的欧坦油页岩矿，随后英国、德国和其他几国跟进。[1][4]此产业在第一次世界大战之前即开始增长，原因是汽车和卡车的大规模生产以及所需的汽油短缺。位于爱沙尼亚的塔林发电厂（Tallinn Power Plant）于1924年改以油页岩为燃料，是世界上首做如此做的发电厂。 [5]

第二次世界大战结束后，由于有大量易于开采且价格低廉的常规石油被发现，油页岩产业随之没落。[1][4][6][7]但爱沙尼亚、俄罗斯和中国的产量仍持续增长。

1973年石油危机之后，有几国重启油页岩产业，又因1980年代石油过剩导致油价下跌，许多业者因之倒闭。全球油页岩产业从1990年代中期再次增长。美国在2003年启动油页岩开发计划，在2005年引入油页岩和油砂矿藏所在土地的商业租赁计划。[8][9]

截至2007年5月，爱沙尼亚仍有大规模的油页岩开采活动，产量占全世界的70%。[10]爱沙尼亚的独特之处是其油页岩储量仅占欧盟总储量的17%，但国内的电力中有90%系依靠燃烧油页岩所生产。该国油页岩产业雇用7,500人，约占全国就业人数的1%，占国内生产毛额（GDP）的4%。[11]

采矿

开采油页岩，利用的是传统的地下开采（英语：Underground soft-rock mining）或是露天开采（英语：Surfac mining）法。有几种开采技术，但共同目标是把油页岩矿石破碎，而后运送到发电厂或是干馏厂。最常见的露天开采方式有露天采矿（英语：open-pit mining）和矿层采矿（英语：strip mining）两种。地下开采的重要工艺是房柱式采矿法（英语：room-and-pillar method）。[12]此法采平面式开采，并刻意留下未采的部分，当作“柱子”来支撑矿顶。这类支柱可把矿坑倒塌的可能性降低。有时在煤矿开采作业中，也会采到油页岩，作为副产品。[1]

爱沙尼亚油页岩矿（Estonia Mine）是世界上最大的油页岩矿场，由Enefit Kaevandused（英语：Enefit Kaevandused）（为国营能源公司Eesti Energia（英语：Eesti Energia）的子公司）经营。[13]爱沙尼亚在2005年已开采1,480万吨油页岩。[11]而该国在同年核准近2,400万吨的采矿许可，且另有2,600万吨的采矿申请。[11]爱沙尼亚单一国会（英语：Riigikogu）在2008年核准《2008-2015年国家油页岩利用发展计划（National Development Plan for the Use of Oil Shale 2008-2015）》，把油页岩年开采量限制最高为2,000万吨。[14]

发电

位于爱沙尼亚纳瓦（英语：Narva），燃烧油页岩发电的Eesti发电厂（Eesti Power Plant）。

油页岩像煤一样，可作火力发电厂燃料，用来驱动蒸汽涡轮机。截至2012年，爱沙尼亚拥有4座油页岩发电厂，发电量为2,967兆瓦 (MW)。[15][16]以色列、罗马尼亚和俄罗斯也曾建有油页岩发电厂，但已关闭，或转而使用天然气等其他燃料。[1][15][17]约旦和埃及已宣布要建造油页岩火力发电厂的计划，而加拿大和土耳其计划在发电厂中采同时燃烧油页岩与煤炭的做法。 [1][15][18]

以油页岩为燃料的火力发电厂大多使用两种燃烧方式。传统的是粉状燃烧（Pulverized combustion，PC），爱沙尼亚发电厂的老机组采用；而更先进的方法是流化床燃烧（英语：Fluidized bed combustion）（Fluidized bed combustion，FBC），有德国多滕豪森的霍尔希姆水泥厂，以及以色列的Mishor Rotem发电厂（英语：Mishor Rotem power station）采用。主要的FBC技术是气泡流化床燃烧 (Bubbling fluidized bed combustion，BFBC) 和循环流化床燃烧 (Circulating fluidized bed combustion ，CFBC)。[15][19]

全球有60多家发电厂采用CFBC技术，以煤和褐煤为燃料，但只有爱沙尼亚纳瓦电厂群（英语：Narva PowerPlants）的两座新机组，和中国华电集团电厂一座机组采用油页岩作燃料的CFBC技术。[16][18][20][21]最先进、最高效率的燃烧技术是加压流化床燃烧 (Pressurized fluidized-bed combustion，PFBC)。但这项技术还处于起步阶段，尚未成熟。[22]

提炼

主条目：页岩油提炼
A vertical flowchart begins with an oil shale deposit and follows two major branches. Conventional ex situ processes, shown on the right, proceed through mining, crushing, and retorting. Spent shale output is noted. In situ process flows are shown in the left branch of the flowchart. The deposit may or may not be fractured; in either case, the deposit is retorted and the oil is recovered. The two major branches converge at the bottom of the chart, indicating that extraction is followed by refining, which involves thermal and chemical treatment and hydrogenation, yielding liquid fuels and useful byproducts.
页岩油开采与提炼概述

主要页岩油生产国是中国和爱沙尼亚，巴西排在第三位，而澳大利亚、美国、加拿大和约旦已计划建立或重启页岩油生产。[23][15][18]根据世界能源理事会（英语：World Energy Council）的数据，2008年全球页岩油总产量为93万吨，相当于每天17,700桶（2,810立方米/天），其中中国生产375,000吨，爱沙尼亚生产355,000吨，巴西生产200吨。而在2008年，全球的常规石油和天然气凝析油的产量为39.5亿吨（即8,212万桶/天（13.056×106立方米/天）。[1]

虽然干馏油页岩的技术有很多种，但目前投入商业使用的只有四种 - Kiviter工艺（英语：Kiviter process）、Galoter工艺（英语：Galoter process）、抚顺工艺和Petrosix（英语：Petrosix）工艺。[24]从油页岩中提炼页岩油的主要方法有两种：异地（ex situ）工艺和原位（in situ）工艺。异地工艺是油页岩经开采后，运送到干馏厂提炼。原位工艺则是把当地油页岩沉积物中的油母质转化，再透过钻井提取，如同开采普通石油一样。[25]



其他工业用途

爱沙尼亚的Kunda Nordic Cement（水泥厂）、德国的霍尔希姆水泥厂和中国的抚顺水泥厂用油页岩于水泥生产。[1][26]油页岩还可用来生产不同的化学产品、建筑材料和医药产品，例如烟酸铵（英语：ammonium bituminosulfonate）。[11][18]但用来生产这类产品的情况仍非常少，仅处于试验阶段。 [1][6]

一些油页岩经常可产出硫、氨、氧化铝、碳酸钠和苏打石之类的副产品。一些油页岩还可产出铀和其他稀有化学元素。在1946年至1952年期间，位于爱沙尼亚锡拉迈埃的海洋变种云片衣属页岩被用来提炼铀，而在1950年至1989年期间，瑞典从明矾页岩提炼铀。[6]油页岩气也可作为天然气的替代品。爱沙尼亚生产的油页岩气在二次世界大战后供应列宁格勒（现称圣彼得堡）和爱沙尼亚北部的城市使用。 [27]但依目前的天然气价格水准，生产油页岩气无法产生经济利益。[28][29]

经济学

主条目：油页岩经济学
A graph of NYMEX light-sweet crude oil price changes from 1996 to 2009 (not adjusted for inflation). In 1996, the price was about $20 per barrel. Since then, the prices saw a sharp rise, peaking at over $140 per barrel in 2008. It dropped to about $70 per barrel in mid 2009.
纽约商品交易所低硫原油（英语：sweet crude oil）1996年到2009年价格走势图（未做通膨价格调整）。

目前对经济上可采的油页岩数量尚属未知之数。[30]只有当特定地区的页岩油生产成本低于常规原油或其他替代品之时，开发油页岩矿才有成功的机会。[31]根据智库兰德公司所做的调查，在一个美国假设的地上干馏综合组合（包括矿山、干馏厂、升级厂、配套公用设施和废油页岩（英语：spent oil shale）回收），生产页岩油的成本（依据2005年的美金价值作调整）会落在每桶70-95美元（440-600美元/立方米）。假设产量在商业生产开始后逐渐增加，在达到10亿桶（160×106立方米）的里程碑后，成本将进一步下降至每桶30-40美元（190-250美元/立方米）。[11][12]

壳牌公司在2005年宣布其原位开采工艺（英语：Shell in situ conversion process）所产，在每桶30美元以上的市场价格（190美元/立方米）即可获利。[32]

为提高干馏油页岩的效率，并由此提高页岩油生产量的可行性，研究人员提出并测试过几种共同热裂解工艺，另加入其他材料，如生物质、泥炭、废沥青或橡胶和塑料废料。[33][34][35][36][37]一些改进的技术，建议把流化床干馏炉与循环流化床炉结合，用来燃烧热裂解产生的副产品（碳焦和油页岩气），而提高产油率、增加产量并减少干馏所需时间。[38]

在1972年石油信息杂志 (Petrole Informations,ISSN 0755-561X[39]）的报导，页岩油的生产与煤炭的液化相比，处于不利地位。文章指出，煤炭液化成本更低，可产出更多的液体燃料，对环境的影响更小。文章提出每吨煤可转化出650升（170美制加仑；140英制加仑）油品，而每吨油页岩可产出出150升（40美制加仑）的页岩油，因此该等到煤炭耗尽之后才开采油页岩。[40]

开采可行性的一个关键指标，是油页岩产生的能量与开采和加工过程中所需的能量的比率，这种比率称为“能源投资回报率（英语：Energy return on investment）”(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桶石油的等量能量。 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。[41]但已知的油页岩开采项目声称EROEI在3到10之间。根据国际能源署（IEA）发表的《2010年世界能源展望（英语：World Energy Outlook）》，非原位加工的EROEI通常为4至5，而原位加工甚至可能低至2。根据IEA，大部分的能源可利用燃烧废油页岩或是油页岩气来达成。[4]

干馏油页岩过程中的大量用水也造成额外的经济考虑：这会在水资源稀缺（英语：water scarcity）地区成为问题。

环境考虑

主条目：油页岩产业对环境的影响

开采油页岩会差生许多环境影响，露天开采比地下开采更为明显。[42]包括埋在地下材料突然快速暴露，和随后氧化引起的酸排放，把包括汞在内的金属[43]引入地表水和地下水，连同侵蚀作用加剧，含硫气体排放，以及加工、运输和支持活动产生的悬浮微粒，而造成危害环境的污染。[44][45] [46]在2002年，爱沙尼亚约97%的空气污染、86%的总废弃物和23%的水污染来自电力行业，而这个行业主要使用页岩油取得能源。[47]

油页岩开采会破坏矿区土地和生态系统的生物和娱乐价值。燃烧和热处理会产生废料。此外，油页岩加工和燃烧产生的大气排放物包括温室气体 - 二氧化碳。环保主义者反对油页岩的生产和使用，因为它比传统的化石燃料产生更多的温室气体。[48]实验性原位转化过程和碳捕集与封存技术可能在未来可将其中一些担忧降低，但同时又会产生其他问题，包括地下水污染。[49]通常与油页岩生产相关的水污染物包括氧和氮杂环化合物。常见检测到的案例包含有喹啉衍生物、吡啶和吡啶的各种烷基同系物（甲基吡啶、二甲基吡啶（英语：lutidine））。[50]

水资源是干旱地区的敏感问题，例如美国西部和以色列的内盖夫沙漠，在水资源稀缺的情况下仍计划扩大油页岩开采。[51]根据不同技术，地上干馏每生产1桶页岩油需用到1到5桶水。[12][52][53][54]美国内政部土地管理局发布的2008年环境影响声明（英语：Environmental impact statement）指出，露天采矿和干馏作业每产生1短吨（0.91吨）油页岩，会产生2至10美制加仑（7.6至37.9升；1.7至8.3英制加仑）的污水。[52]据一项估计，原位工艺所用的水量约为旧法的10分之1。[55]

包括绿色和平组织成员在内的环境保护主义组织针对油页岩产业所发起的强烈抗议活动。造成昆士兰能源公司（英语：Queensland Energy Resources）于2004年把拟议中的斯图尔特油页岩项目（英语：Stuart Oil Shale Project）搁置。[44][56][57]

参见

参考文献

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