《Journal of Cleaner Production》：Unraveling the oil sands processing via partial upgrading: techno-economic and environmental perspectives
编辑推荐：
油砂生产系统通过整合增强溶剂-蒸汽辅助重力泄压（ES-SAGD）与部分升级技术，结合能源集成策略优化热交换网络，实现65%-72%和60%-67%的加热与冷却需求 reduction，使合成油最低售价降至71.3美元/桶（原149.7美元），市场竞争力提升52%，同时全球变暖潜能降低41%。研究创新性地将能源回收、工艺设计与TEA-LCA综合评估纳入统一模拟框架，提出蒸汽循环与废水处理系统以减少环境影响。
作者：Gong Chaehee、Yun Sungil、Woo Namsub、Han Sang-Mok、Won Wangyun
韩国大学化学与生物工程系，韩国首尔城北区Anam-ro 145号，邮编02841
摘要
油砂生产是一个能源密集型且对环境具有挑战性的过程，需要反映现实约束的系统级创新。本研究提出了一种结合了强化溶剂-蒸汽辅助重力排水技术及部分升级的油砂生产系统。该系统通过能源整合解决了传统方法中的关键环境问题，从而减少了外部能源投入。通过对该工艺进行技术经济分析和生命周期评估，评估了其经济可行性和环境影响。能源整合策略优化了热交换网络，使加热和冷却需求分别降低了65%-72%和60%-67%，从而降低了总体能源消耗。结果表明，在日处理量达到10万桶的规模下，合成油的最小售价从每桶149.7美元降至71.3美元，市场竞争力提高了52%。生命周期评估显示，由于能源整合，全球变暖潜力减少了41%。敏感性分析表明，蒸汽与油的比例以及溶剂与蒸汽的比例是影响经济和环境性能的重要参数。总体而言，这些发现为优化油砂生产提供了系统框架，并支持该行业向更加节能和环保的方向转型。
引言
随着传统石油储量的减少，油砂、油页岩和超重油等非常规能源在全球能源安全中的地位日益重要（Welsby等人，2021；Laherrère等人，2022）。到2040年，全球石油和天然气产量预计将比2017年增长20%以上，而传统石油产量预计将以每年0.2%的速度下降（国际能源署，2024；国际能源署，2025）。相比之下，非常规石油产量预计将显著增加，占市场份额的30%-60%（Capros等人，2021；国际能源署，2024；DNV，2024）。这一趋势反映了人们对非常规石油作为传统储量替代品的日益依赖，凸显了开发可持续开采和加工技术的必要性。
与传统原油不同，传统原油储存在渗透性高的浅层储层中，可通过相对简单的垂直钻井技术提取；而非常规石油资源则被困在渗透性低的地层中，需要先进的开采方法（Kang等人，2022；Vakylabad等人，2023；Malozyomov等人，2023）。其中，油砂含有高粘度的沥青，混杂着沙子、粘土和水，使得传统开采方法无效（Seidy-Esfahlan等人，2024）。为了解决这一问题，人们开发了强化溶剂-蒸汽辅助重力排水（ES-SAGD）技术，通过同时注入蒸汽和溶剂来降低沥青粘度并提高回收效率（Kumar和Hassanzadeh，2021；Chai等人，2023）。然而，ES-SAGD技术仍具有高能源消耗的特点，主要原因是蒸汽消耗量大、温室气体排放多以及产生大量废水，这对环境和经济都构成了重大挑战（Vakylabad等人，2023；Alola等人，2024）。
除了开采之外，由于沥青的高粘度，运输回收的沥青也带来了额外的经济和技术挑战。传统上，沥青需要与高成本稀释剂混合以方便管道运输，形成稀释沥青（dilbit）（Omidkar等人，2024）。然而，稀释剂的成本上升和供应有限，使得部分升级作为一种可行的替代方案受到关注（Alvarez-Majmutov等人，2021；Abdrabou等人，2024）。该过程可以降低沥青粘度并提高API比重，从而无需额外稀释即可运输。de Klerk（2021）和Gholami等人（2021）的最新研究探讨了油砂沥青部分升级的技术可行性。然而，尚未有研究将沥青部分升级全面整合到全规模油砂生产模拟中，以评估其经济和环境影响。这一研究空白突显了对集成油砂生产过程进行系统级评估的必要性。
废水处理（WWT）在油砂加工中也起着关键作用，因为沥青生产需要大量水资源（Oni等人，2024；Baritto和Kumar，2025；Sankaranarayanan和Won，2024）。日益严格的监管要求促使生产商采用更可持续的废水处理策略，并减少环境影响（Simair等人，2021；Choi等人，2023）。因此，先进的可持续废水处理技术可以显著提升油砂加工的经济和环境性能。因此，本研究在整体工艺设计中采用了改进的废水处理策略和回收系统。
本研究的主要目标是开发并评估一种能源整合的油砂生产流程，该流程结合了ES-SAGD技术实现高效沥青提取、部分升级以提高经济可行性，以及先进的废水处理设施以实现环境可持续性。通过“夹点分析”方法应用能源整合，以最大化热回收并降低总体能源消耗（Kim等人，2024；Ahn等人，2024；Yang等人，2025）。虽然能源整合在石油精炼和石化工业中已被广泛应用，但在油砂生产中的应用仍然有限，大多数现有研究仅关注技术效率，而未进行全面的技术经济分析和生命周期评估（Bergero等人，2022；Sanongboon等人，2024）。本研究的创新之处在于将能源回收、工艺设计、经济评估和环境评估整合到一个统一的模拟框架中，为提高油砂生产的可持续性和效率提供了综合框架。这些发现可为政策制定者、行业专家和研究人员提供有价值的参考，帮助他们开发更可持续的油砂生产策略。
技术概述
图1展示了所提出的油砂生产流程的简化示意图。油砂生产既复杂又资源密集，需要先进的提取、分离和升级技术来最大化盈利能力，同时尽量减少环境影响。该流程包括三个主要阶段：沥青提取、分离和升级，有效的废水处理和再利用可以减少淡水消耗并确保符合法规要求。在本研究中，采用了基于ES-SAGD的油砂生产系统。
流程模拟
商业规模的油砂生产流程在Aspen Plus V14软件中进行了建模，日处理量为10万桶。部分升级单元仅处理总沥青产量的20%，符合阿尔伯塔省政府减少稀释剂使用的目标（Fellows等人，2023）。剩余的80%沥青作为稀释沥青出售，以获得副产品收益。
热力学性质计算采用了Soave–Redlich–Kwong方程，因为该方程在传统石油工业中应用广泛。
流程开发
所开发的油砂生产流程包括七个子系统：（1）沥青提取，（2）沥青分离，（3）沥青部分升级，（4）废水处理，（5）高温蒸馏（HPG），（6）储存，（7）辅助设施。图3展示了沥青分离和升级的主要设备；整个流程（包括废水处理和高温蒸馏单元）均通过模拟进行了完整建模。
结论
本研究提出了一种集成油砂生产流程，解决了传统流程中的低效率和环境问题。为了减轻强化溶剂-蒸汽辅助重力排水技术带来的高能源消耗和大量废水问题，该系统集成了现场废水处理和蒸汽回收循环，实现了资源再利用，降低了环境负担。此外，还采用了部分升级工艺。
作者贡献声明
Gong Chaehee：撰写初稿、方法论设计、正式分析。Yun Sungil：审稿与编辑、验证、监督。Woo Namsub：资源获取、资金筹措、概念构思。Han Sang-Mok：资源获取、资金筹措、概念构思。Won Wangyun：验证、监督、项目管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了韩国环境产业与技术研究院（KEITI）的支持，该项目属于韩国环境部（MOE）资助的“全球碳监管综合管理技术”国家研发计划（RS-2025-02213127），并由基于碳中和技术数据库的温室气体减排潜力评估联盟执行。Won Wang感谢韩国基础设施技术促进机构的财务支持。
