CN101155643B - 从矿物基体富集烃类 - Google Patents

Abstract

从矿物基体例如油页岩释出有机含碳产物的方法，和特别是本方法释出的产物，本发明在优选实施方式中使油页岩经受共振分解，特别包括快速压力和方向变化以基本上即时改变作用在其上的力。用本发明非冲击方法处理油页岩，从矿物基体释出油母岩质，以允许随后转化为页岩油或其它应用。

Description

从矿物基体富集烃类

技术领域

本发明总体涉及从矿物基体富集合乎需要的有机材料并从所述基体除去该有机材料的方法，本发明特别涉及从原油页岩释出油母岩质。

背景技术

已知的油页岩矿藏包含充足的页岩油形式的油，以满足生产民用能源的要求。据信，Colorado西部、Utah东部和Wyoming西南部约17,000平方英里矿层包含超过一万亿桶石油，但该油只有在相当的成本下方可回收，包括从包含油的矿物基体中分离页岩油所必需的能源成本。同时重大的研究已经针对释出这些油页岩矿藏中包含的油，能够经济地释放出矿藏中的潜能的实际方法还有待于发展。之前的尝试包括在表面干馏罐中以及现场干馏法加热从矿藏中开采的油页岩岩石矿，所有这类技术未能实现商业可行性，部分因为难以分离嵌入到包含油页岩矿物部分的小颗粒沉积岩中的烃(oil-prone)有机材料。虽然石油可以从地下矿层以液态泵出，但油页岩不包含可泵出的液态烃，油页岩的烃类成分由通常称为油母岩质的有机″固体″构成，其中油母岩质嵌入页岩基体中。在先前的方法中，无论原位(in situ)或其它，必须加热页岩基体，即干馏，以产生已知为页岩油的原油形式。作为一个实例，干馏油页岩包括加热包含油母岩质的原矿石，至约500摄氏度温度，以将油母岩质的有机部分转变成为气体和可冷凝的油，此外产生固体矿物残渣，其被丢弃或用于除能源以外的目的。因为油页岩的矿物成分构成其主要部分，并必须与有机成分一起加热，在加热矿物基体本身中浪费了巨大的能量，因为矿物基体只产生存在弃置问题的残渣。原位方法避免了大量废弃残渣的产生，因为该方法通常包括通过爆炸或使用水压破坏，在内研磨页岩矿藏中形成空隙空间。此外可以采用简单除去产生空隙空间必需的页岩量。然后某些方法中，可以将热流体介质注入空隙空间。其它原位方法中，在页岩中空隙体积内产生内部燃烧，以回收有机材料用于进一步处理。原位处理前存在低回收效率和高能量成本的困扰。此外，原位处理可能污染蓄水层。可以用放置在油页岩形成层中的加热设备原位加热油页岩形成层。表面和地下开采页岩，被称为移位(ex situ)处理，比原位法回收的有机材料量更大。移位处理中，开采页岩，在冲击粉碎机中粉碎，并干馏回收挥发性有机材料，进一步处理该有机材料，以产生原油，原油然后通常可以精炼至可用产物，包括汽油、燃料油等。环境问题是移位处理固有的，因为从粉碎的油页岩岩石干馏烃类产生的废页岩是高碱性固体，触热时释放有毒的微量元素，这些微量元素特别包括砷、铜、镉、汞、钼、铅、硒、锌、硼和氟。因此废油页岩成为高度运动的离子形式的污染物源，在干馏厂不可避免地排放气态排放物之外，还具有破坏环境的可能性。之前油页岩处理的环境不利方法仅会加重所述处理的高能量成本，而这种高能量成本是加热其中包含了所需有机材料的大量页岩所必需的。先前的油页岩处理没有在干馏步骤之前从合乎需要的有机材料有效分离页岩基体。有效释出油页岩矿石中页岩包含的主要为油母岩质颗粒形式的有机材料，将使得基本上仅加热油母岩质，即所需有机材料，从而可以量化(quantum)降低产生页岩油所需能量。得到的页岩油包括的杂原子含量降低，并且缓和了与先前处理和处置于馏页岩废弃物有关的负面环境影响。从油母岩质至少除去部分页岩还可以更有效利用油母岩质。

本发明在其若干实施方式中想要解决现在困扰着工业上所致力的问题，即使从油页岩矿藏中可得到的有机烃化合物商品化。本发明一个实施方式中，提供了基本上非冲击或低冲击处理页岩的方法，以便从包含的矿物基体中基本上释出油母岩质。产生的游离油母岩质，无论是否完全或基本上没有粘附或伴生的矿物颗粒，然后可以在干馏罐中经过加热，以有效地从油母岩质分离页岩油，使得大量能量不浪费于加热大量岩石，这是先前无论原位或移位的油页岩处理中必需的。选择性干馏主要有机馏分而不是主体油页岩，不仅导致干馏步骤中需要的能量较少，还产生了杂原子含量降低的页岩油，在随后的精炼中这是相当重要的，因为这些杂原子使精炼厂的催化剂中毒。本方法提供的优点在于，从页岩油除去杂原子还产生有利的环境影响。选择性干馏有机馏分降低了与处理和处置干馏页岩废弃物有关的负面环境影响。由于使含油母岩质的油页岩岩石在高速度气流中进行快速增压和方向改变，以瞬时改变作用于其上的力，从而沿着矿物基体和油母岩质颗粒之间包括解理面的天然解理面分裂页岩基体，然后通过分级法分离不同比重的颗粒，从高度粉碎矿物基体颗粒分离释出的油母岩质。然后有效地干馏得到的基本上没有自然嵌入的矿物基体的油母岩质，以产生适于转化的页岩油，形成可用于制备能量的产品形式，例如汽油、燃料油等，和用作制备包括聚合物等的石油化学基产物的原料形式，直接用作燃料的形式，以产生能量例如共制备过程，特别是用于气化产生天然气或作为制备氢气的原料。

发明公开

在此引入美国专利6,135,370；6,227,473；6,405,948和6,726,133的公开内容作为参考。

此处公开的发明包括从通常在称为油页岩的矿石中常发现的嵌入和/或伴随的矿物基体中，释出主要是油母岩质形式的有机材料的方法。此处所述油页岩特别包括基体，特别是这样的矿物基体，其中包括、嵌入、包含或伴生有用的煤素质(maceral，煤中矿物组分的细微组织)，特别是有机煤素质，其可以包括油页岩本身、烛″煤″或″藻煤(bog-headcoal)″等。此处所述油母岩质特别包括该矿物基体包含、包括、嵌入或伴生的沥青、次烟煤有机相，该有机相包括孢子煤(sporinite)和algenite以及得自油页岩岩石的″油母岩质″。本发明方法优选包括使具有油母岩质的基体经历交替增压和降压，其可以包括冲击波，在高速度流中具有突然方向变化，以产生基本上瞬时改变作用于基体的力，从而沿着天然解理面并沿着矿物基体和油母岩质相之间的物理化学界面分裂如此处理的材料，结果降低了矿物基体和油母岩质二者的粒度，从矿物基体释出油母岩质和类似的有机材料。本发明的方法在设备内实施，例如在此处引入作为参考的上述美国专利公开的设备，这样的处理以基本上非冲击或低冲击的方式进行，具有的能量效率是包括粉碎油页岩矿石的方法所不可能的。本发明方法中，将具有油母岩质的矿物基体减小成颗粒，同时有效避免了先前粉碎装置例如球研磨机等使用的机械粉碎。机械粉碎具有油母岩质矿物基体，例如在油页岩矿石中所进行的，这涂污了其中包含的材料和以其他方式包含在从粉碎所述基体得到的矿物颗粒整个表面上的矿物基体内的有机材料。该粉碎妨碍从矿物颗粒分离所需有机材料，除非加热至能够挥发有机材料的温度，该加热或干馏需要相当的能量以升高矿物颗粒的温度以及有机材料的温度。加热矿物颗粒所需的能量基本上是浪费的，并还产生高度碱性的废矿物颗粒，其包含有毒的微量元素，存在严重的处置问题。

本发明优选实施方式中，将油页岩矿石装入共振分解研磨机的输入口，例如在此引入作为参考的美国专利中公开的分解研磨机，在运行速度约2500至5000rpm(作为示范性转速范围)的多个转子产生的气流中，矿石被立即带走。对矿石交替增加和降低压力导致矿石交替向外和向内绕所述转子的外缘流动，并通过位于相邻位置的多个转子对之间放置的板形成的孔，每个孔板从包含转子和孔板的壳体内壁向中心延伸每个孔板至中心孔，中心孔提供了围绕装配着旋转转子轴的孔。随着流体通过每个孔口并在低于每个孔板的空间膨胀，作用于矿石的压力交替增加和降低。随着转子上的叶轮从壳体中包含的静态结构旁经过，料流中出现压缩和减压。压缩和减压的幅度和时程可以不同。研磨机内材料流基本上没有矿石对研磨机结构部分的高角度冲击。

合适的非冲击或低冲击研磨机中采用的转子可以相互有角度偏离，使得压缩和减压不同步。根据转子数、转子的顶端数、壳体内布置的静态交错元件数以及研磨机的其它结构特性，可以建立频度不同的一系列压缩和减压。可以调整压力变化频率，以谐振特定矿石的特征，从而更有效地加工特定矿石。

根据本发明处理油页岩矿石，从其中嵌入、包括或伴生油母岩质的矿物基体释出油母岩质。这样释出的包括、并入或伴生在油页岩矿石等矿物基体内的油母岩质可以用分级装置，特别是能够基于比重差异分离颗粒的装置，从矿物基体颗粒分离释出的。从矿物基体分离的油母岩质可以基本上没有粘附和/或游离的矿物颗粒，或可以具有减小量的包括少量颗粒形式的矿物基体，矿物基体颗粒的量相对于油母岩质原来伴生的矿物基体主体是少数。

然后可以加工油母岩质，例如通过在干馏罐中加热，以产生页岩油。如此产生的页岩油，不需要的杂原子和有毒微量元素例如汞、砷等的水平降低。本发明方法丢弃的矿物基体颗粒更具环境亲和性，并可能用作填料等。用于本发明实施中的共振分解研磨机，如在此引入作为参考的专利中公开的共振分解磨机，表现出许多优点优于传统机械研磨或冲击粉碎装置。此处所述研磨机可以在不同速度和大范围的不同频率下操作，本文将进一步描述。

因此，本发明目的是从矿物基体例如油页岩释出合乎需要的有机材料例如油母岩质，以产生能够进一步加工的含油有机材料，产生可用于制备烃类等的油。

本发明的另一个目的是通过在加热所述矿石分离的、基本上为有机部分以产生页岩油之前，除去油页岩矿石的矿物基体主体，以降低油页岩废物中的污染物。

本发明的另一个目的是以实际成本和降低负面环境影响，从油页岩等制备可用的油。

根据下列优选实施方式的详细说明，本发明的其它目的和优点将变得更加明显。

本发明的最佳实施方式

本发明可以从得自油页岩的矿物基体例如含油的油母岩质等进行预干馏富集有机级分，本发明的方法在处理和油母岩质转化中提供了明显的成本节约，并降低与干馏页岩等有关的环境影响。根据本发明，油母岩质或类似有机材料从嵌入的矿物基体中释出，而不明显改变含油的有机材料或矿物基体的化学性质。从页岩基体释出有机材料，使得在干馏过程之前，用例如磁性或静电方法、飘浮分离、离心分选等可以分离有机材料。除了因为仅需要加热有机材料和可能少量粘附或伴生的矿物基体颗粒而不是全部油页岩矿石主体，所以可以节省成本之外，本发明使得在干馏罐中加热大量油页岩矿石至所需温度的环境影响最小化，所述温度是为了从油页岩驱赶有机挥发物，正如传统移位油页岩方法中发生的。干馏相对不含有机油母岩质或其它有机物产生的页岩油还相对不含不需要的元素，包括硫、氮、铁、砷、汞等，从而改善页岩油的精炼质量。页岩油中的硫是精炼厂催化剂的毒物和大气污染物。氮灭活并使催化剂中毒，并以高浓度产生胶，并影响产品色彩和稳定性。除了使催化剂中毒外，铁和砷还堵塞预热器和催化剂床。

本发明优选采用共振分解研磨机处理油页岩矿石等，通过施加物理破坏共振、冲击波和旋涡产生的剪切力的物理性质来降低矿石的粒度，以在复合的相材料例如油页岩等中，选择性区分并粉碎颗粒。进行传统研磨方法，简单粉碎并可以微粒化材料例如油页岩、油砂等，在机械冲击粉碎的矿物基体颗粒表面上产生含油有机物的涂污。本发明的研磨逐渐增加研磨机内产生的冲击波和相力的幅度，以提高加工效率，同时使转移至研磨机结构部分的能量最小化。根据本方法的实践，从内部粉碎油页岩矿石，而不是象研磨方法中通过冲击粉碎。从而油页岩沿着对分离最敏感的矿物基体中内部平面分裂，油页岩中那些最有利的面是矿物基体和更有弹性的油母岩质颗粒之间的界面。

根据实践本发明的优选方法，将油页岩矿石通过传统振动颚式破碎机，将矿石尺寸减少至纵向尺寸约三英寸或更小，将矿石装入共振分解研磨机，例如在此引入的美国专利中公开的，将矿石微粒化至粒度分布约为平均粒度小于100微米。在空气、蒸汽或其它气体中的加工优选在2000至5000rpm之间的转速下进行。通过检查得到的颗粒材料，证明发生了油母岩质从宿主页岩基体释出。处理过的矿石的传统飘浮/下沉分离，将颗粒裂解成为基本上包含油母岩质的轻飘浮成分和主要由矿物颗粒形成的重下沉成分。加工的原料样品具有大范围的粒度，从约1微米至约500微米，样品的大部分具有50至300微米的粒度，颗粒主要是等大小的。含矿物内含物的油母岩质颗粒通常尺寸范围较大，低于10微米的油母岩质颗粒基本没有矿物内含物。以4500rpm加工的原料样品具有较小的整体粒度，较大部分的油母岩质颗粒为10微米或更小的范围，并相应地比3800rpm加工得到的原料样品有更大量的无内含物的油母岩质。可以控制加工强度和/或持续时间，以将全部油母岩质降至粒度10微米或更小。在超过4500rpm加工速率下，从页岩基体释出的油母岩质基本上没有内含的矿物质。

物料平衡费歇分析法(Fischer Assay)分析共振分解研磨机内加工的原油页岩表明，每吨处理油页岩产生约32加仑页岩油，该量基本上等于从通过传统干馏法加工的原油页岩产率。对于共振分解研磨机中处理油页岩油母岩质、然后通过飘浮/下沉加工浓缩的相同分析表明，每吨原料加工页岩产生约60加仑页岩油。由每吨下沉部分约20加仑的油产量证明，飘浮/下沉方法中回收的下沉部分包含明显量的有机材料。此处请注意，下沉部分包含具有矿物内含物的油母岩质，在飘浮/下沉方法之前释出矿物内含物降低了下沉部分中的有机材料量。共振分解过程中释出、粒度范围约在或超过50微米的油母岩质颗粒，可以见到包含相对高百分率的内部矿物内含物，主要是碳酸盐和黄铁矿。可以发现，通过共振分解加工至粒度低于约十微米的油母岩质颗粒基本上没有内含的矿物颗粒。

根据本发明从油页岩释出的油母岩质，通过加氢热解可以加氢干馏(hydroretorted)，水合高温分解，即，在氢气的存在下干馏，以提供合适的油收率，油收率是转换成页岩油的有机碳百分比。此处请注意，如此释出的油母岩质另外可以用于经济效益。除了用作制备可用于制备燃料等的原油，页岩油还可以用作制备石油化学品的原料，例如用于制备聚合物等。根据本发明粉碎的油页岩特别可以用作制备化学品例如粘合剂和树脂、水泥和建筑绝缘材料中的有机原材料。

烛煤，也称为藻煤，是坚硬、基本上矿物化的基体，其具有被称为algenite的煤素质，自然存在状态中粒度为约25微米。根据本发明的加工，通过共振分解释出75％和更多的algenite煤素质。以前利用烛煤包括蒸馏矿物基体和内含的algenite，矿物残渣由于其加热而体积日益增加，产生了明显的处置问题。先前的烛煤加工也是无能量效率的。

本发明的处理得到的某种形式矿物相富有钠和铝矿物，例如特别是苏打石和片钠铝石，这取决于形式的性质。存在于该矿物相中的矿物可以被利用。

本发明的优选实施方式中，矿物基体，例如具有有机含碳材料比如嵌入、包括或伴生于其中的油母岩质的油页岩矿石，通过共振分解加工，例如此处引入作为参考专利中公开的。然而，本发明的共振处理或共振分解处理预期是使矿石在选定的一个或多个频率下共振，产生沿着矿石内天然解理面和物理化学界面的裂解。不考虑产生共振的方式进行共振，导致矿物基体和含碳材料的粒度降低，部分颗粒例如构成油母岩质的颗粒以与矿物基体不同的速度裂解。这种差异性裂解可以由于产生的一种或多种频率而发生。根据本发明，通过增加和降低作用于矿石上的压力生成的脉冲，可以产生本发明的共振。在包含矿石的高速度流中，剪切力和重力起降低粒度作用，所有存在的这类减小粒度的机制均基本上没有颗粒之间的冲击，并且没有颗粒和作用于颗粒上用于产生共振或在颗粒产生其它作用的装置表面之间的冲击。诱导器、换能器和共振分解研磨机例如此处引入作为参考专利中公开的，引发材料中共振，以降低粒度，而对颗粒没有冲击作用。可以利用非消除谐波促进共振加工，并可以根据本发明的加工限定改变吸入料流内的速度。根据本发明，可以在垂直取向或水平取向研磨机中进行共振加工。该研磨机内可以产生驻波，以促进非冲击降低粒度。

根据本发明的非冲击处理油页岩得到的物质成分，不进行分级或仅部分除去矿物基体颗粒就可以使用。将油母岩质降至此处公开的粒度范围的小粒度，由于所述颗粒的表面积扩大，导致得到的油母岩质颗粒更加可以用于化学反应。原位制备相对清洁的油母岩质相可以与局部制备的原油或运输至精炼厂的浆料混合，从而避免了在矿体位置处构建和运行总体回收系统的成本。

从某些形式例如已知的Green River形式除去油母岩质，产生富有某些钠和铝矿物类的矿物相，例如具有商业价值的苏打石和片钠铝石。根据本发明从油页岩除去油母岩质，随后如前所述分级，节约并利用了这些和其它品种中富有的矿物相。

虽然已经参考特定实施方式明确公开并描述了本发明，本发明仅由附加权利要求的范围限定，而不是由此处描述的实施例和特定实施方式限定范围。

Claims (6)

1.一种从嵌入有机材料的矿物基体中释出有机材料的方法，包括

提供由矿物基体和处于其中的有机材料构成的矿石，所述矿物基体含有天然解理面，

提供高速度气流，

将所述矿石引入到所述高速度气流中，从而将所述矿石装入共振分解机中，

通过使所述矿石经受快速压力和方向改变，从而对所述矿石进行共振分解，以改变作用于所述矿石的力，使得沿着所述天然解理面分裂所述矿物基体，并由所述矿物基体释出所述有机材料，和

通过分级法将所述有机材料从所述矿物基体分离出。

2.根据权利要求1的方法，其中所述有机材料包括油母岩质，所述矿石包括油页岩。

3.根据权利要求1的方法，其中所述有机材料包括沥青，所述矿石包括矿物基体。

4.根据权利要求1的方法，其中所述矿石以1000至6000rpm范围内的旋转速度进行处理。

5.根据权利要求2的方法，其中所述矿石以足够从油页岩的矿物基体释出包括沥青和其它有机物的油母岩质的转速处理。

6.根据权利要求5的方法，其中所述矿石以足够从油母岩质除去矿物内含物的转速处理。