油页岩干馏过程中的污染治理

曾明明，吴怡喜，孙连克，米静，李朋泽，宋涛涛，洪水红(陕西冶金设计研究院有限公司，陕西西安710032)

专题综述

油页岩干馏过程中的污染治理

曾明明，吴怡喜，孙连克，米静，李朋泽，宋涛涛，洪水红
(陕西冶金设计研究院有限公司，陕西西安710032)

从油页岩低温干馏生产的干馏炉和生产工艺两个方面，介绍了抚顺式油页岩干馏工艺的生产技术现状及存在问题，分析了生产过程中产生的主要污染源及污染治理措施，并提出了加强高效型干馏炉和小颗粒页岩固体热载体干馏炉的研究、完善干馏工艺及剩余干馏气发电和综合利用新技术研究的建议。

干馏炉;低温干馏;环境污染

0　前言

近年来石油需求不断增长，油价持续走高，油页岩作为石油的替代能源，引起人们的密切关注。油页岩的综合开发利用，也成为油页岩工业快速发展的核心问题。

油页岩(又称油母页岩)是一种高灰分的含可燃有机质的沉积岩，它和煤的主要区别是灰分超过40%，与碳质页岩的主要区别是含油率大于3.5%。油页岩在隔绝空气下加热至温度520℃左右所发生的一系列复杂的物理、化学变化过程，称为油页岩的低温干馏，油页岩经低温干馏可以得到页岩油，页岩油类似原油，可以制成汽油、柴油或作为燃料油。低温干馏目前是油页岩最大的转化工业，而油页岩干馏企业筛分的小颗粒页岩基本被弃掉，剩余干馏气基本全部外排，页岩油回收率低，只能达到70%左右。同时生产过程中产生的废水、废气、废渣严重污染环境，已经成为油页岩工业建设中急待解决的关键问题之一。

1　生产技术现状及存在的问题

1.1油页岩干馏炉

干馏炉是油页岩干馏生产工艺中的主要设备。国内油页岩加工工艺主要根据选择的干馏炉型来区分，其加工的油页岩大多是块状原料。油页岩加工企业根据自身矿区油页岩的性质，主要采用的炉型有抚顺炉、气燃式方炉和全循环干馏炉。而抚顺式干馏炉是工业上已采用的典型炉型，其采用气体热载体内热式垂直连续进料，即从上而下包括干燥段、干馏段、发生段和冷却段四部分。其主要特点是干馏物料加热均匀，干馏过程易控制，可用的原料类别宽，原料页岩块度尺寸范围大，导出的挥发物二次热解作用小等。全国现有几十家低温干馏生产页岩油的厂家，主要采用抚顺式干馏炉［1-10］。该炉型从上世纪30年代起步已有近80年的历史，能处理我国的低品位贫矿油页岩。其主要工艺特点为:炉内采用空腔设计，干燥段、干馏段没有严格的界限，干馏、干燥气体热载体不分;中部混合室通入气体热载体，补充干馏所需热量约30%～40%的热量;炉底通入饱和主风，在发生段与固定碳燃烧，生成气化气供干馏所需约60%～70%的热量;干馏渣进入炉底水封槽，用水冷却，通过排灰器导出干馏炉;干馏油气由炉顶阵伞引出进入冷凝回收系统。

该干馏炉和国内外先进炉型相比，该炉型设备结构简单，维修方便，操作容易掌握，能长期运转;能处理低品位(含油率为5%～6%)油页岩，充分利用其内含有的固定碳，热量自给有余。该炉型是世界上块状页岩干馏最成熟的炉型之一，但其不足之处在于:①资源利用率不高，小颗粒油页岩不能利用，这一部分约占20%;②采用水封冷却出渣方式，表面看起来避免了由于干馏气泄漏造成的环境污染，实际在生产中，黑褐色的熄渣高温废水，向空气中会发出大量有毒有害的气体;③干馏炉日处理量小，难以大型化。目前规模为100 t/d的小型炉，需多台组合才能形成一定的规模;④由于气体热载体必须由下向上穿过料层，要求料层有足够的透气性，并使气流分布均匀，所以入料粒度应为12～75 mm，需要由原料破碎和筛分，其产率不高，价格还高于原料。

1.2油页岩干馏工艺

抚顺式油页岩干馏工艺主要过程是:将油页岩经破碎筛分，然后在抚顺式干馏炉内进行干馏处理，520℃左右条件下物料在干馏炉中发生脱水、干馏、裂解等一系列反应，产生干馏油气和干馏渣。其工艺流程见图1。

图1　抚顺式干馏工艺流程示意图Fig.1 Process flow of fushun retorting process

抚顺式干馏炉为一体两段式直立圆筒炉。12～75 mm的成品页岩从干馏炉顶部的放料装置进入炉内，在上部的干馏段依靠中部通入的热循环瓦斯所携带的热量进行干燥、预热与干馏。此过程中，油页岩中的全部水分及大部分页岩油被释放出来。干馏后含有固定碳的固态残渣进入发生段。热循环瓦斯供给油页岩干馏的热量占干馏总需热量的30%～40%。饱和度75～85℃的主风通过炉底风头进入发生段，经过页岩灰预热后，与固态残渣中的固定碳发生氧化、还原反应而生成发生瓦斯，发生瓦斯上升进入干馏段，为油页岩干馏提供干馏总需热量的60%～70%。最后与油页岩干馏产生的干馏瓦斯、循环瓦斯一起由炉顶导出管导出炉外。生成的页岩废渣排出炉外，一部分废渣与尾矿一起被运至堆场，另一部分被利用。干馏炉出口的干馏产物，先后经集合管、洗涤塔、冷却塔洗涤降温，获得页岩油与干馏煤气。页岩油进入计量罐脱水，然后进入成品油罐储存。干馏气被分成三部分:一部分送蓄热式加热炉加热，作为干馏炉的循环煤气;一部分作为蓄热式加热炉的燃料;剩余部分供燃气锅炉使用。该工艺具有如下特点:

该油页岩干馏工艺流程简单，设备较为落后，油气分离不彻底，造成页岩油回收率不高;干馏气热值低，大部分没有回收加工利用，放空燃烧，资源浪费严重。现有小部分企业引入煤气发电设备;回收油的过程是由水直接洗涤来完成的，每套干馏装置每小时可产生23～25 t干馏污水，干馏污水中含有较大量的氨氮、COD等环境污染物，是目前世界公认的、难处理的有机污水之一，目前对干馏污水的治理工艺复杂、成本很高;干馏炉破碎、筛分机加料过程粉尘问题未得到有效解决;干馏渣量大，多为回填矿坑或废弃排放。

2　环境污染状况

2.1环境污染问题

环境污染问题是当前油页岩低温干馏行业面临的突出问题之一。原因有三:一是油页岩干馏行业的排污环节比较多，强度比较高，种类繁杂;二是资源浪费严重，生产过程能耗大。如剩余干馏气几乎全部放散，化学产品不能有效回收，不仅严重污染环境，而且大量浪费资源;三是严重威胁人民群众的身体健康。低温干馏生产过程中排放的废水、废气和废渣等大量有害污染物不但严重污染环境，同时还严重威胁生产地区的人群健康。

2.2污染物排放分析

油页岩干馏生产过程中污染物排放量大，产生污染物的环节多。油页岩干馏企业接近以煤为原料的煤化工企业，一般来说以大气污染为主，水污染为其次，以下依次为废渣污染和噪声污染等。

根据油页岩干馏生产过程和工艺特点，确定其生产过程中的各污染物排放如图2所示。

图2　污染物主要排放点分析Fig.1 Analysis ofmain pollutants emission points

从图2可以看出，油页岩干馏生产工艺产生的污染物及来源。

(1)大气污染物。油页岩干馏企业的大气污染物主要为粉尘、无组织排气及燃烧废气。粉尘主要来自原料系统及出渣系统中的受料装置、原页岩破碎筛分装置、运输通廊、转运站等。粉尘尘主要在运输、装卸、破碎等操作过程中向大气逸散而形成污染。无组织排气主要来源于:①干馏炉的操作过程、上料系统、出渣系统等泄漏的干馏气;②由各类设备的放散管、排气口及设备管道的泄漏气;③无组织排放水汽(水汽中有微量CAmHn、NH3、H2S等)和油气，主要有干馏炉水盆内水的蒸发、加热炉炉顶水封水分蒸发、氨水池(洗涤池、冷却池)和油池(罐)产生的大量页岩油蒸汽以及装卸无组织挥发气等。燃烧废气主要来自加热炉和锅炉，其为燃烧干馏气和煤产生的废气，主要成分SO2、CO2、H2O及烟尘等污染物。

(2)水污染物。油页岩干馏行业的水污染源主要有厂区生活污水及生产废水。生活污水量较少，一般含有COD、氨、SS等，主要来源于厂内的厕所、卫生间、浴室、食堂等生活设施。生产废水可分为冲洗水和氨水，其中冲洗水主要为机泵及地坪冲洗水、初期雨水，污染物含量较低;氨水主要是工艺单元产生，且废水排放量大，水质成分复杂。废水中无机污染物主要有硫化物、氰化物和硫氰化物，有机污染物除酚类外，还有单环及多环的芳香族化合物，以及含氮、硫、氧的杂环化合物等。其中多环芳烃通常还是致癌物质，因此该废水的排放，不但对环境造成严重污染，同时也直接威胁到人类的健康。废水水质见表1。

表1　废水水质表Tab.1 Water quality ofwastewater

(3)固体废弃物。油页岩干馏产生的固体废弃物主要有:①干馏单元产生的废渣;②冷凝回收单元产生的油泥;③原料单元除尘器收集的粉尘;④污水处理站污泥;⑤少量生活垃圾等;⑥对于在生产过程中产生的小颗粒页岩。这些固体废弃物如处理不当，随意丢弃，乱堆乱放，会随着刮风下雨污染空气和水源。

(4)噪声污染。油页岩干馏企业的噪声主要为由于机械的撞击、磨擦、转动等运动而引起的机械性噪声以及由于气流的起伏运动或气动力引起的空气动力性噪声。噪音主要来源于振动、转动等设备产生的噪音，如破碎机、鼓风机、溶液循环泵等，其中声压级一般均高于85dB(A)。

(5)油页岩干馏工程的建设可能引起的生态变化。油页岩干馏企业在生产过程中由于产生各种污染物，将可能对环境大气、地面水、地下水、土壤及作物产生不同程度影响，并且可能影响生物及人类的生长与发育。

各种大气污染物可通过呼吸道进入人体或动物体内，使人或动物患病;污染物若进入地面水系，造成水质变坏，鱼虾死亡;污染后的水若灌溉农田，将影响农作物的生长，有害物能富积于作物中，从而影响人及动物;污染物若进入地下水，则恶化地下水水质。

此外，噪声及振动污染等也对生物产生不良影响，对人类的生存环境产生不良后果。废弃的废渣等若处置不当，将破坏植被、影响景观、滋生病菌、危及人体。

综上所述，油页岩干馏企业在生产中排放及产生的各类污染物若得不到有效控制及治理，将在一定范围内对人类的生存空间、动植物的生存环境产生不良影响。

3　污染物控制措施

根据对各油页岩干馏企业生产现场进行实地调研，经征求多方面的意见和建议，并依据国家、地方的环保法律法规，结合现行的污染控制技术，提出适合油页岩干馏企业生产和发展要求的污染物控制措施。

3.1大气污染控制措施

(1)页岩尘控制措施。油页岩在破碎、筛分处理和转运过程中产生粉尘，设计中采用多个尘源点集中除尘。在破碎机的进、出料口，振动筛的上部以及带式输送机的转运点设局部排气罩，含尘气体经过脉冲袋式除尘器处理后排往大气。为使各个抽风点便于调节确保抽风效果，各点抽风罩连接管上设手动调节阀。除尘器捕集的粉尘输送到灰渣转运场。除尘后排气筒符合相关设计规范要求。

破碎机室、筛分室、运渣建构筑物均为封闭式，避免页岩尘外逸造成污染。

页岩灰渣在转运、倒装等操作过程中产生粉尘，通过喷洒水来抑制。

(2)无组织排放气及废气污染控制。为了控制干馏炉装油页岩时从装料斗排出干馏气，可采用双闸阀装料及蒸气密封的综合控制措施，干馏炉炉气出口采用阀门调节炉内压力，炉内实现微负压操作，也可防止炉内干馏气外泄;干馏炉水盆上加挡气罩，减少水盆内水的蒸发;加热炉及锅炉用脱硫后的干馏气体燃烧，减少加热炉烟囱SO2等污染物的排放量;并对燃烧后的废气施行高空放散措施，以减轻其对附近环境的污染;将各贮槽、罐放散管排出的放散气体引入设备内，与进入设备的干馏气一起在设备及管道内部循环，避免有害气体外排造成污染;为了控制干馏气体的泄漏，设计选材时选用密封性能良好的设备及管道，同时在对干馏气体设备的施工、气密性试验及生产维护方面均严格按照有关的技术要求进行。

3.2水污染控制措施

回顾文献可以发现，如何促进区域产业结构升级以及减弱人口老龄化的不利影响是我国目前面临的两大难题。大部分学者基于已有的经济区域划分，将老龄化指标直接作为解释变量构建计量模型。本文将人口老龄化指标引入至新古典经济增长模型中，借助产业结构与经济产出之间的关系得到具有人口老龄化约束的产业结构升级优化模型，通过因子聚类分析所创建的新划分区域，分析各区域产业结构发展的着重点并提出相应建议。

生产过程中产生的污、废水全部排入污染区排水管网，经管道收集流入污染区初期雨水池。再由水泵加压送至全厂污水处理站进行净化处理。全厂污、废水经厂区污水处理站处理后，作为干馏炉水盆中水水源全部回用。

为了防止水污染，设计时可采用无污染或污染物排放量少的工艺流程或设备，从根本上进行控制，对工艺过程不可避免排出的废水则采取相应的治理措施。采取的控制及治理方案主要如下:干馏气冷却采用闭路循环新工艺，减少污水排放量;设置大容积的洗涤水池及循环池，以适应一般事故的贮存和调节需要，防止事故溢流造成的污染;在单元内设置放空槽，收集设备及管道放空废液、地坪冲洗水、各分离器及油槽分离水、成品油罐脱水产生的含油水等，拟集中送污水处理站。经处理后的废水用作干馏炉水盆补充水不外排，全厂污水经处理后要求达到国家《城市污水再生利用工业用水水质》(GB/T19923-2005)的规定。

CODCr为60 mg/L以下;氨氮为10 mg/L以下;SS－为30 mg/L以下;油为1 mg/L以下;氯化物为250 mg/L以下。为了防止废液、污水渗入地下污染地下水，拟在生产车间单元内部设置相应的防渗地坪。

3.3固体废弃物污染控制措施

生产过程产生的页岩油泥、污水处理站油泥拟集中送干馏炉焚烧;除尘系统收集的粉尘送至页岩灰渣转运场，转运场灰渣及筛下物主要成分为SiO2、Al2O3等，可制水泥、耐火砖等建材，还含有微量N和P，可作为做为露天矿的充填物，覆土后种植物;其它少量生活垃圾等则定期送至指定的垃圾场统一处理。废渣排放见表2。

表2　废渣(油泥)排放Tab.2 Discharge ofwaste residue(oil sluge)

3.4噪声污染控制

(1)声源治理。在满足工艺设计的前提下，尽可能选用小功率、低噪声的设备;在鼓风机、空压机及通风机等气动性噪声设备上设置相应的消声装置。

(2)隔声吸声。将噪声较大的破碎机、鼓风机、空压机等机械设备尽可能置于室内防止噪声的扩散与传播，有些设备则考虑加设隔声罩;在建筑设计中根据需要采用相应的吸声材料。

(3)减振措施。振动较大的干馏气体鼓风机等设备拟采用单独基础，有些设备在其基础上采取相应的减振措施减轻由于振动导致的噪声。

(4)其它措施。在总图布置时考虑地形、声源方向性和车间噪声强弱、绿化等因素，进行合理布局，以起到降低噪声的作用，以进一步降低工厂边界噪声。减少噪音措施见表3。

表3　减少噪音措施Tab.3 List of noise emission features

3.5绿化

绿化有利于防止污染，保护环境。在厂区各空旷地带遍植树木花草，提高绿化水平，能净化空气，调节气温，减弱噪声，美化环境，提高环境的自净能力，因而是保护环境的根本性措施之一。

设计中根据厂区及工程具体条件和工程在生产过程中的污染特点，综合考虑排放的污染物性质和地区气候条件，选植适宜绿化植物，统一规划全厂的绿化设计，绿化用地率拟按工程用地面积的20%考虑。

3.6环境管理

制定并检查各项环境保护管理制度，加强环境监测。严格执行有关环保法规、加强页岩油厂环境治理、控制污染总量排放将成为本工程的重要内容，尤其对污废水的排放更应严格管理。行业污染源多且复杂，需抓住工艺污染源头的治理及管理，以大幅度减少末端污染源强，达到综合利用、综合治理的目的。此外，应加强对工程全过程的环境管理，包括施工阶段对生态环境的影响、开工试生产阶段、正常生产过程、非正常及事故状态下的环境管理、监控及应急措施，以尽可能多地发挥油页岩干馏对环境的正效应，减少负效应。

4　结束语

我国的油页岩干馏产业已具有一定的规模，要从根本上解决油页岩干馏产生的环境污染问题，必须从资源综合利用及环境保护与可持续发展出发，坚持统一规划、合理布局，采用先进工艺及设备，提高页岩油产品回收与深加工能力，加强环境污染治理，提高综合经济效益，走可持续发展的道路。

(1)研发高效干馏炉和开发小颗粒页岩干馏炉。干馏炉是油页岩干馏生产工艺中的主要设备，其直接影响着页岩油的质量，同时也很大程度的影响着页岩油的产率和后续工段对干馏气的处理工艺。应重点加强高效型干馏炉和小颗粒页岩固体热载体干馏炉的研究，努力提高干馏炉热效率、页岩油产出率和干馏气热值。

(2)完善干馏工艺。油页岩干馏工艺是解决一切问题的关键。油页岩干馏企业当前生产的主要问题是设备简单、工艺落后，生产工序不健全，从而导致资源利用率低、环境污染严重。现阶段必须在改造关键设备的同时，完善生产工艺流程，提高总体油品回收效率，减少污染物的排放并加强环境污染治理。

(3)剩余干馏气发电和综合利用新技术研究。例如以油页岩干馏生产的剩余干馏气为燃料的燃气-蒸汽联合循环发电技术。此外还应建设小颗粒油页岩综合利用装置、页岩油深加工企业、干馏渣综合利用项目等，以提高资源综合利用效率和环境保护能力。

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The technology of dry distillation of oil shale and pollution treatment

ZENG Ming-ming，WU Yi-xi，SUN Lian-ke，MIJing，LIPeng-ze，SONG Tao-tao，HONG Shui-hong
(Shaanxi Metallurgical Design＆Research Institute Co．，Ltd．，Xi'an 710032，China)

This article describes the presentsituation of production technology of Fushun Retorting Process from the two aspects of production process and main equipment of oil shale retorting，detailed analyzes the main pollution sources generated in the production process and pollution control measures，and put forward the development thinking and way to fundamentally solve the problem of low utilization ofoil shale resources and the serious environment pollution．

dry distillation stove;low-temperature dry distillation;environment pollution

TE662

A

1001－196X(2015)02－0001－06

2014－12－04;

2015－01－25

曾明明(1982－)，女，湖北武汉人，硕士，工程师，主要从事油页岩干馏技术研究。