我国能源资源的供应保障和能源产业的可持续发展要求:在加强煤炭、石油和天然气等常规能源资源勘探开发的同时,全面实施以提高能源利用效率为核心的节能降耗,尤其是工业节能,同时大力推动包括非常规油气的替代能源新兴产业的形成和发展。油页岩是我国非常规油气资源的主体,其潜在的非常规油总产量476亿吨,是我国石油可采资源量233亿吨的两倍以上。但我国现有油页岩炼油工业一直基于“抚顺干馏炉”的技术,单套处理能力100~200吨/天、页岩油收率约为资源含油率(铝甑测试法)的65%、热解气热值低而难以利用,与单套处理量2000~6000吨/天、油收率90%左右的国际先进技术水平差距明显,且抚顺干馏炉仅能使用大颗粒原料(如粒径>12 mm),所产页岩油含重质组分较多、密度较高,影响其利用或下游加工。
因此,开展油页岩高效炼油与过程节能科学基础研究、突破达到国际先进水平的油页岩干馏技术及炼制过程技术的科学基础研究具有重要意义,是对国家大力开发利用非常规油气资源和全面实施工业节能战略的同时响应。油页岩含灰高,有机质(kerogen)含量低,是以无机岩为骨架的含有机质页岩,与以碳有机质结构为骨架的煤炭等高热值固体燃料不同,其干馏炼油涵盖无机岩骨架中有机质干馏或热解、干馏过程无机岩结构变迁与粉化特性、高含氮页岩油产物提质加工、大量无机岩或灰包埋少量半焦炭高效燃烧利用、利用热解气或低热值页岩半焦实现炼油过程自热的集成系统热质匹配、最大程度节能和最高价值产品生产的全流程优化等系列科学与技术问题,涉及物质认识科学的无机岩相学和有机结构化学,物质转化科学的热化学、热物理和应用催化,工程科学的反应工程、多相流、工业炉窑、系统工程等多领域及学科的基础、技术、研究方法和手段。
针对上述科学研究与技术突破的需求,中国科学技术部的国家重点基础研究发展计划(973计划)于2014年经综合交叉科学领域、过程工程中节能减排与系统优化方向立项了“油页岩高效油气炼制与过程节能科学基础”项目,旨在从分子、颗粒、反应器、系统多个尺度研究油页岩干馏(热解)反应与产物定向调控,油页岩干馏产物(包括半焦)高效高值加工,以污染最低、效率最高、价值最大为目标的过程优化与系统集成的科学基础,具体解决:油页岩有机质及伴生无机岩相结构与热解过程反应特性关系、热解反应器流动-传递-反应匹配及转化过程定向调控、热解产物高效加工新技术原理与综合利用系统集成等关键科学问题,以形成支撑1000吨/天以上宽粒度油页岩(即含小颗粒)原料热解生产高品质页岩油的新反应器、新工艺和节能集成方案,页岩油收率从60%~65%提高至90%,综合节能50%以上,为彻底解决我国油页岩炼制工业油收率低、能耗高等问题提供科学基础与技术方法支撑。
项目通过整合中国科学院过程工程研究所、清华大学、中国石油大学(北京)、中国矿业大学(北京)、北京化工大学、华南理工大学、煤炭科学研究总院、中国中煤能源集团有限公司、西南化工研究设计院有限公司的优势研发团队,经过自2014年以来的潜心协作研究,形成了多项创新或原创的科学与技术成果,包括成功揭示了油页岩有机质与无机岩的赋存结构和有机质热解过程其共价弱键断裂规律及与产物生成的关系,发明了利用内构件调控热解反应器内物质流动、温度/浓度分布及其与热解挥发分反应(即二次热解反应)的匹配关系和对热解产物的定向调控机制,首次形成了热解油、热解气收率及品质单调随温度升高而增高的内构件移动床定向热解反应器和热解工艺,实现了在1000℃以上高温下可同时获得页岩油、热解气高收率和高品质的热解产物生产目标,创建了灰包埋炭的低热值页岩半焦高效循环流化床燃烧空气扩散强化与低床料循环系统构建的基础理论,针对新型热解技术与工艺创建了全过程多目标优化系统和集成方案,奠定了国际领先油页岩干馏炼油成套技术开发的科学基础。相关的核心方法与技术在美国、加拿大、俄罗斯、澳大利亚、巴西、中国等油页岩及煤丰富的国家申获了专利,并完成了1000级/年技术中试,牵引了亿元总投资开展技术的10万吨/年示范及产业化应用推广。利用本项目技术,油页岩矿被全量利用、页岩油收率高达90%,相对我国现有干馏技术的页岩油产能翻番,可实现大幅度节能降耗。
本专刊依托“油页岩高效油气炼制与过程节能科学基础”(973计划)项目,共登载38篇论文,涉及油页岩/煤热解及其炼制系统的综述与专论5篇,催化、动力学与反应器方向12篇,能源和环境工程方向12篇,覆盖了油页岩高效炼制“973计划”项目获得的上述创新成果的代表学术论文,也邀请了相关领域与方向的我国知名学者及团队成员撰写了多篇高水平论文。该专刊作为项目获得重大成果的总结,可为相关领域和方向的研究及技术人员提供有价值的参考。在专刊的编写和出版过程中得到了很多专家学者的支持与帮助,在此致以衷心感谢!