页岩油

位于苏格兰西洛锡安的三个油页岩碎片堆积而成的小山，显示当地在19世纪曾有过煤油产业的存在。

油页岩是人类最早利用的矿物油之一。[4]在公元10世纪，亚述人医生马里迪尼首度描述一种从“某种沥青页岩”中提炼石油的方法。[5]在14世纪初于瑞士和奥地利也有使用页岩油的报导。[6]18世纪符腾堡王朝腓特烈一世 (符腾堡公爵)的私人医生在1596年将其治疗特性记录下。[7]在18世纪之交，页岩油在意大利摩德纳用于街道的夜间照明之用。 [7]英国王室于1694年授予三人一项专利，因为这些人“找到一种方法，可从一种石头中提取和制造大量的沥青、焦油和石油。”[7][8][9]提炼出产品后来冠以Betton's British Oil之名销售，据说这种干馏物“经罹患各种疼痛的人尝试之后，获益良多。”[10]现代的页岩油开采业于1830年代在法国和1840年代在苏格兰创建。[11]提炼而得的油被用作燃料，润滑剂和灯油。第一次工业革命开始后，也产生对于照明的需求。这种油品成为当时日益稀缺和价格昂贵鲸油的替代品。[7][12][13]

页岩油开采作业于19世纪后期在澳大利亚、巴西和美国创建。中国、爱沙尼亚、新西兰、南非、西班牙、瑞典和瑞士则在20世纪初开始生产页岩油。由于20世纪中叶在中东发现常规油田，导致油页岩产业中的大部分进入停滞状态，但爱沙尼亚和中国东北部仍持续开采，直到21世纪初。[11][14][15]为应对世界在21世纪之交不断上涨的石油价格，美国、中国、澳大利亚和约旦又重新启动、探勘或是更新开采的作业。[15]

页岩油是把油页岩通过热裂解、氢化或热溶解而提炼出的产物。[16][17]热裂解是通过设备于地上或岩层内的干馏器进行。迄2008年，大多数油页岩产业的做法是开采岩石，将之破碎，再运输到干馏厂提炼，但曾有过几种在矿藏现场（In situ）运行的实验生产过程。让油母质分解成可用的碳氢化合物的温度随过程的时间尺度而变化；在地面干馏过程中，油母质到300°C (570°F) 时就开始分解，温度越高，会进行更快、更完全。在480至520°C（900至970°F）之间的温度时的分解速度最快。[16]

氢化和热溶解（反应流体工艺）使用转移氢化、溶剂或是两者的组合来提炼。热溶解的做法是在升高的温度和压力下加入溶剂，把溶解的有机物裂化，来增加油产量。不同的生产方法，产出具有不同特性的页岩油。[17][18][19][20]

衡量开采可行性的一个关键指针，是油页岩产生的能量与其开采和加工过程中所需能量的比率，这种比率称为“能源投资回报率”(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。[21]最近的研究估计油页岩的EROEI为1-2:1或是2-16:1，取决于内部能源是否被计为成本，或仅将购买的能源计为输入，而把内部能源排除在外。[22]壳牌公司在2006年报告其在“Mahogny研究项目（参见壳牌原位开采页岩油工艺）”中，in situ开采的EROEI可达到3到4之间。 [23][24]

干馏过程中可提炼出的油量因油页岩种类和使用的技术而异。[15]位于美国科罗拉多州、怀俄明州及犹他州的格林河地层中约6分之1的油页岩具有相对较高的产量，每吨油页岩可产出25至100美制加仑（95至379升，或21至83英制加仑）页岩油；约3分之1的油页岩，每吨可产出约10至25美制加仑（38至95升，8.3至20.8英制加仑），10美制加仑/吨相当于每100吨页岩约产3.4吨石油。格林河地层中大约一半的油页岩产量低于10美制加仑/吨。[25]

全球主要页岩油生产者均会公布其商业运作产量。抚顺矿业集团报告其每年从660万吨页岩中产出30万吨页岩油，按重量计，产量比为4.5%。[26]爱沙尼亚页岩油控股公司VKG Oil声称每年从200万吨页岩中生产250,000吨石油，产量比为13%。[27]巴西石油在南圣马特乌斯的Petrosix工厂每天可从6,200吨页岩中生产550吨石油，产量比为9%。[28]

提炼出的页岩油特性会因母体油页岩的成分和提炼技术而异。[29]页岩油是种复杂的碳氢化合物，具有传统石油的整体特性。页岩油通常含有大量的烯烃和芳香烃。页岩油也含有大量的杂原子。典型的页岩油成分含有0.5-1%的氧、1.5-2%的氮和0.15-1%的硫，有些含有更多的杂原子，也经常包含矿物颗粒和金属。[30][31]通常其流动性低于常规原油，倾点温度在24至27°C（75至81°F），而传统原油的倾点在-60至30°C（-76至86°F）），这种属性影响到页岩油在一般管道中的输送能力。[30][32][33]

页岩油含有会致癌的多环芳香烃。页岩油原油被描述为具有轻微的致癌潜力，与某些中间炼油产品相似，而经升级的页岩油，致癌潜力会被降低，因为大多数多环芳烃被认为会经氢化而分解。[34]世界卫生组织（WHO）把页岩油列为第一类致癌物（参见致癌物质#International Agency for Research on Cancer）。[35]

页岩油原油可立即作燃料油使用，但许多其他应用须经升级后方可。这类原油有不同特性，在送往传统炼油厂精炼之前需做相应的预（升级）处理。 [36]

原油中颗粒物会堵塞管道；所含的硫和氮会造成空气污染。硫和氮，以及可能存在的砷和铁，也会破坏精炼时所用的催化剂。[37][38]烯烃会形成不溶性的沉淀物，导致不稳定。油中的氧含量高于常规原油，有助于形成具有破坏性的自由基。[31]可利用加氢脱硫和加氢脱氮（hydrodenitrogenation）来解决这类问题，并产生可与基准原油相媲美的产品。[30][31][39][40]酚类可通过水萃法去除。[40]通过添加氢（加氢裂解）或去除碳（焦化）来调整氢碳比率，可把页岩油原油升级为运输用的燃料（重油）。 [39][40]

通过某些技术（例如Kiviter工艺）所生产的页岩油无需进一步升级，即可当作油和酚类化合物原料使用。经由Kiviter工艺的馏出油也可用作石油衍生重油的稀释剂，以及沥青等材料的增粘添加剂。[40]

第二次世界大战之前，大多数页岩油都经升级，而用作运输燃料使用。之后则用作化工中间体、纯化学品和工业树脂的原料，并用作铁路枕木的防腐剂。截至2008年，页岩油主要用作取暖油和船舶用燃料，有少数会用于各式化学品的生产。[36]

页岩油富含高沸点化合物，适合生产煤油、喷气机燃料和柴油等中间馏分物。 [31][41][42]进一步裂解可产生较轻的碳氢化合物（如汽油）。 [31][43]

“浅硫化页岩油”(PSSO)是种硫化和氨中和的变体，称为“Ichthammol”（化学物质：鱼石脂，在医学上用作治疗各种皮肤疾病的药物）至今仍为人们使用。 [44]

根据目前技术，全球可开采的油页岩储量估计约可生产2.8至3.3万兆桶（450×10⁹至 520×10⁹立方米）页岩油，其中美国的储量最大，据信有1.5-2.6兆桶(240×10⁹–410×10⁹立方米).[14][41][45][46]估计2008年全球页岩油产量为每天17,700桶（2,810立方米/天）。主要生产国是中国（每天7,600桶（1,210立方米/天））、爱沙尼亚（每天6,300桶/天（1,000立方米/天））和巴西（3,800桶/天（600立方米/天））。[14]

开采页岩油因技术困难和成本高昂而受到阻碍。[47]美国内政部土地管理局在2011年3月对科罗拉多州、犹他州和怀俄明州的商业开采提案提出质疑，称“对于开采页岩油，目前尚无经济上可行的商业模式”。[47]美国能源信息署（IEA）有时使用“页岩（致密）油”来指致密油，“原油……直接从致密油地层中生产”。 美国在2021年每天生产723万桶此类致密油，约占美国原油总产量的64%。[48]IEA有时也称致密油为“页岩油”，[49]但包括从油页岩中提炼的任何固体燃料。[50]

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