油页岩利用过程粉尘爆炸研究现状及趋势分析*

李  刚，杨红霞，于立富

（东北大学资土学院火灾&爆炸防治实验室，辽宁沈阳110819）

    摘要：在石油资源日益紧张的形势下，我国油页岩资源的开发利用正得到前所未有的重视，但其利用过程潜在的粉尘爆炸危险性并未引起关注。对国内外有关油页岩粉尘着火、爆炸的文献进行了综述，约旦学者对油页岩粉尘爆炸下限、着火温度及惰化粉尘对下限的影响进行了持续性的研究。国内学者多涉及油页岩利用工艺的研究，只注重页岩油蒸气的爆炸风险，多采用经验公式的方法进行分析，具有较大的局限性。根据爆炸风险控制原理，提出了油页岩粉尘防爆安全需要进一步进行的基础研究工作，突出了加强油页岩粉尘和蒸气杂混物爆炸机理研究的重要性。

    关键词：油页岩；粉尘爆炸；杂}昆物爆炸

    中图分类号：X932    文献标志码：A    doi：10. 11731/j. issn．1673 -193x．2015. 10. 007

0  引言

油页岩( oil shale)，又称油母页岩，主要由藻类等低等浮游生物经腐化作用和煤化作用而成，含油率在3. 5%~30%。和煤的主要区别是灰分超过40 %，属于高灰分的固体可燃有机矿产。主要分布在美国、俄罗斯、加拿大、中国、巴西等国家。2006年中国预测油页岩资源7199亿吨，居世界第四位，折算成页岩油资源为476亿吨，是我国原油可采储量的二十几倍。我国油页岩含油率中等偏好，50%以上含油率大于5%~10%；另外，我国油页岩埋藏深度较浅，64 %的埋深在0~500m。由于中国当前每年进口大量原油，对外依存度超过50 

%，合理开发利用油页岩不仅可以缓解石油供需矛盾，还可以解决因废弃油页岩造成的环境问题，提高资源利用率。

油页岩的利用方式主要有3种：①将油页岩破碎成lOOmm大小的团块，通过干馏制取页岩油并进一步制取汽油、柴油等燃料用油；②利用油页岩粉作为燃料燃烧来发电或供暖；③利用油页岩的副产品生产水泥、砖等建筑材料。在破碎过程中会产生大量的悬浮伴生油页岩粉尘，作为燃料使用时油页岩必须加工成100μm左右的粉尘。众所周知，可燃粉尘爆炸是过程工业潜在的重大风险之一。闫澈、姜秀民指出利用煤粉炉烧油页岩的制粉系统经常爆炸，存在安全隐患；姜庆贤也提出了同样的看法。早在1978年山东龙口电厂一锅炉竖井就发生过一起爆炸事故，2013年广东茂名一废弃油页岩场再次发生页岩油蒸气爆炸事故。

油页岩利用过程发生爆炸主要有两种形式：①油页岩粉碎、输送、储存等环节会形成爆炸性粉尘环境，遇到火源发生粉尘爆炸；②在干馏过程中，干馏炉腔体内既有进料落差形成的油页岩粉尘云，同时还有干馏过程残余的页岩油蒸气，从而形成了粉尘和气体混合的杂混物（以下简称为油页岩杂混物）爆炸性环境。根据文献[ 12 - 13]对煤粉和瓦斯耦合体系的研究结果来看，油页岩杂混物的着火、爆炸特性，不同于单纯的油页岩粉尘和页岩油蒸气，其着火敏感性和爆炸威力更大。

本文主要对国内外油页岩爆炸及防治已有的研究进行综述，通过分析，提出防治油页岩利用过程发生爆炸事故需要开展的基础性研究工作，为我国未来安全高效利用油页岩奠定理论和实验基础。

1  油页岩粉尘爆炸国内外相关研究

    开发利用可以追溯到17世纪，相关研究在20世纪20年代已经开始，研究者多来自有油页岩资源的国家，如巴西、爱沙尼亚、俄罗斯、澳大利亚、中国等，针对油页岩的研究主要集中在油页岩开采、油页岩理化特性、油页岩利用工艺几个方面，但是涉及油页岩利用过程爆炸安全方面的研究较少。

1.1  国外相关研究

1998年约旦大学M.A．Hamdan和A．Qubbaj利用G-G炉对3种不同粒径的油页岩粉尘最低着火温度( MIT)和爆炸下限浓度(MEC)进行了实验研究，发现粒径在63~ 75 μm时最容易爆炸，最低着火温度为570℃，且浓度越高越易引燃；向油页岩粉尘中分别混入碳酸钙、沙子和粘土等杂质后，最低着火温度上升，且随杂质浓度增加着火温度上升，三者的惰化效果为碳酸钙>沙子>粘土。作者在Hart-mann装置对5种不同粒径油页岩爆炸下限的测试表明粉尘粒径小于100 μm时爆炸下限浓度不变，大于lOO μm时则爆炸下限浓度上升，达到l550g/m3。向油页岩粉尘中分别混入石灰石、沙子和粘土等杂质后粉尘爆炸下限上升，且杂质浓度越高下限上升越快，三者的惰化效果为石灰石>沙子>粘土。这是国际上最早报导油页岩粉尘爆炸特性的文章，虽然使用的Hartmann装置现在看来只能算是定性测试，测出的爆炸下限也有些不切实际(通常为30~lOOg/m3)，但开启了油页岩粉尘爆炸研究先河。

2005年Hamdan等人对油页岩粉尘和橄榄燃料粉末的爆炸性进行了对比研究，并特别研究了粒径对N2惰化效果的影响。认为在任意粒径和粉尘浓度范围内，橄榄粉末均比油页岩粉尘更易着火，橄榄粉末和油页岩粉尘的极限氧浓度均随粒径的增加而增加。

2006年F K Swejs在Hartmann装置里对约旦油页岩粉尘（总含碳量23. 24%，挥发分45. 31%，有机碳19. 41%）的爆炸下限进行了研究。选择平均粒径为139 μm的石灰石、岩石及粗粒度的油页岩为惰性添加粉。实验结果表明，MEC随粉尘粒径的降低而减小，当粉尘粒径低于70 μm时MEC基本恒定，油页岩掺入低至5%的石灰石能显著增加其MEC值。当向75 μm<d<90 μm的粉尘中分别混入125 μm<d<150μm的油页岩粗粉、石灰石和石屑时，MEC随杂质浓度增加而缓慢上升，三者的惰性作用为石灰石>石屑>粗粒径粉尘。该研究与

1998年M.A．Hamdan等人的研究目的相似，即探索油页岩粉尘的惰化防爆技术。

总之，由于世界上利用油页岩的国家并不多，只有极少数学者对油页岩粉尘的爆炸特性及防治方法进行过研究。

1.2国内相关研究

从防治火灾、爆炸安全的角度来看，国内针对油页岩主要进行了燃烧特性方面的研究。如孙凯、蒋德华和郭文杰分别对桦甸油页岩半焦和茂名油页岩的燃烧特性进行了研究，包括油页岩理化特性，点火、着火、低负荷稳燃、燃尽、压火和结焦特性等；刘柏谦对油页岩循环流化床燃烧的某些实践问题进行了研究。

尽管在参考文献[8 -10]中作者认识到了油页岩粉尘利用过程中存在爆炸危险性，但都没有对爆炸机理进行直接的研究，研究内容真正涉及到爆炸的主要有4篇文章。

2006年，韩放、鲍明福和高健指出，国内最常用的抚顺式油页岩干馏炉爆炸的原因是空气进入干馏段使干馏瓦斯达到爆炸极限。作者只考虑了油页岩干馏挥发分的爆炸危险性，未认识到油页岩粉尘本身的爆炸危险性。

2007，崔畅林等利用红外光谱分析仪对吉林桦甸某矿油页岩进行了热解气体成分分析，H2C0、CH4、C2H6是热解气体主要成分，随着热解温度的提高，H2、CH4、C2H6含量逐渐增加，而CO的含量明显减少，氢气在各工况热解其中所占比例最大。利用Le Chatelier经验公式对油页岩热解气体的爆炸极限进行了预估，算得爆炸上限为79.  1%，爆炸下陷为43.7 %对于防止油页岩蒸气爆炸提供了一定的参考。

2010年，李芳玮和金龙哲在事故树分析的基础上建立了ATP工艺中油页岩粉尘爆炸危险性评价指标体系，提出了预防ATP缓冲仓粉尘爆炸的措施，包括提高除尘效率控制粉尘浓度、控制点火源等。此方法为粉尘爆炸防治评价提供了新的思路，但此评价为半定量评价，存在一定的人为估测成分。

2012年，周洁琼等进行了油页岩含氧干馏工艺流程爆炸危险性分析，和文献[31] 一样，也是利用Le Chatelier经验公式来估算的。从查阅文献来看，Le Chatelier经验公式仅适用于气体组分分子结构相似、活化能相近的气体混合物[33]，而油页岩干馏成分涉及到H2、CO、CH4、C2H6等多种物质，魏永生等对H2、CO、CH4混合物爆炸极限的研究也表明含H2混合气体爆炸上限利用Le Chatelie，经验公式计算结果和实验值相对误差最大达到34%。因此，文献[31- 32]利用Le Chatelier经验公式得到的爆炸极限判据如果应用到实际生产中，存

在一定的风险。

2  未来的研究趋势分析

根据对已有公开发表文献的分析，人们已经注意到油页岩在利用过程中有发生粉尘爆炸和页岩油蒸气爆炸的危险性，但只有国外几名学者进行了较粗浅的研究。我国油页岩综合利用方兴未艾，必须提前布局安全风险研究，从辨识油页岩着火爆炸风险开始，到评估风险大小，并对不可接受的风险采取措施加以消除和控制。为了实现该目的，至少以下

4个方面的内容尚需进一步深入研究。

1)油页岩粉尘的爆炸特性实验研究

为全面了解我国油页岩粉尘的爆炸特性，拟从油页岩主产区取样，对样品进行系统实验测试，总结得到我国油页岩粉尘爆炸特性规律。粉尘爆炸特性分为着火敏感性和爆炸猛度两个方面，实验测试内容包括6个参数：

 ①粉尘云爆炸下限( minimum explosion concentration．MEC)；

 ②粉尘云最小着火能量( minimum ignition energy，MIE)；

 ③粉尘层比电阻( electrical resistivity，ER)；

 ④粉尘云最低着火温度( minimum ignition temperature，MIT)；

 ⑤粉尘云最大爆炸压力及其上升速率( Pmax，( dp/dt) max)；

 ⑥粉尘层闷燃着火温度( glowing temperature，GT)。

通过对油页岩粉尘样品的系统测试，可以深入了解和掌握油页岩粉碎、输送、加工过程中产生的油页岩粉尘发生着火、爆炸的可能性和后果严重度，从而定量评估油页岩利用过程发生爆炸事故的风险，并为后续制定预防爆炸和减小事故损失措施奠定实验基础。

2)油页岩粉尘和页岩油蒸气杂混物的着火爆炸规律研究粉尘和可燃气体混合形成的杂混物的爆炸特性不同于其中任何一种物质。参考已有的针对煤与瓦斯混合体系的研究结论，粉尘云最小着火能量和爆炸下限会因气体的参与而降低。如果页岩油蒸气和油页岩粉尘相遇，则发生爆炸的可能性会增高。不过目前还没有这方面的文献发表，需要开展深入、系统的理论和实验研究，了解页岩油蒸气对油页岩粉尘爆炸特性的影响特性，建立这种杂混物的爆炸特性规律。

3)基于惰性气体的油页岩粉尘惰化机理研究

本质安全型防爆方法在防爆领域具有越来越多的应用，惰化是本质安全型防爆方法之一。前文已经介绍了个别学者针对油页岩粉尘添加石灰石、岩粉后爆炸下限变化规律的研究。作者认为干馏过程进入空气导致氧含量增加是发生爆炸的直接原因，一旦发生这种情况，向干馏系统充入惰性气体降低氧含量是最有效的事故预防方法。为此，针对油页岩及其杂混物开展基于惰性气体(如N，、C02)的惰化效果研究具有重要的实用价值。确定不同组分的惰化极限氧浓度是该部分研究工作的核心内容。根据研究结果，可以制定油页岩刊用过程的惰化防爆标准。

4)油页岩利用过程爆炸风险评价模型

油页岩含油率高低对油页岩粉尘爆炸危险性的影响较大；生产工艺和设备结构不同，发生爆炸的风险也不一样。在前述对油页岩粉尘及油页岩杂混物爆炸特性的研究基础上，结合生产工艺和设备特征，琶立基于实验数据的油页岩利用过程爆炸风险评价唪系和模型，利用该模型可以正确评价现有系统的爆炸风险，并根据风险指导制定科学、合理的防爆方法和措施。

3结论

随着石油资源的枯竭，开发和利用油页岩资源是可选的方案之一。充分、合理开发油页岩资源，在末来必将起到重要作用。尽管目前关于油页岩粉尘爆炸的研究还不多，但提前布局，开展油页岩利用过程曝炸机理及其防治研究，可以避免重走类似烟煤利用过程先出事故后治理的老路，对建立本质安全的油页岩利用工艺具有前瞻性的意义。

开展油页岩粉尘爆炸特性的系统测试，建立我国典型油页岩产品的爆炸性数据库，是基础性的研究工作，也为建立油页岩综合利用过程粉尘爆炸事故定量风险评价体系提供了必须的数据支撑。

油页岩粉尘及其杂混物的惰化实验研究，确定了防止发生爆炸所必须达到的最高氧浓度条件，为工业生产操作和控制奠定了实验基础。