張士元， 李文深， 劉 潔

（遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順 113001）

我國油砂資源利用的技術進展

張士元， 李文深， 劉 潔

（遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順 113001）

我國的油砂資源豐富，可采資源量22.58億噸，位居全世界第5位，具有含油率中等、油質(zhì)較好等特點。文中主要針對內(nèi)蒙、新疆油砂，介紹了熱堿水洗、水劑空氣化、YSFL系列清洗劑、微乳劑、超聲波輔助處理、溶劑萃取、熱解干餾等技術的分離機理及研究進展。對我國油砂的開發(fā)利用前景作了展望，在當前國內(nèi)石油資源緊張的情況下，油砂資源的充分利用必將提升我國能源的保障能力。

我國油砂；利用；發(fā)展現(xiàn)狀

前 言

油砂是一種含有原油的砂狀礦藏，外觀似黑色的糖蜜，主要成分有瀝青、水、黏土和砂粒，其中油砂礦內(nèi)所含的瀝青大約為10%～12%(質(zhì)量分數(shù))，砂和黏土等礦物質(zhì)占80%～85%，其余的3%～5%是水。油砂資源量巨大，約占世界石油儲量的30%。若全部被開采利用，按照現(xiàn)在世界能源的需求水平，可供全世界消費上百年[1～3]。

我國的油砂資源比較豐富，主要分布在準噶爾、塔里木、柴達木、四川、鄂爾多斯、松遼等盆地。在國土資源部新一輪的油砂資源評價中，我國油砂油地質(zhì)資源量59.7億噸，可采資源量22.58億噸，位居全世界第5位。我國油砂的特點是點多、面廣、層多、含油率中等、油質(zhì)較好等，有的地區(qū)含油率高達12%以上，勘探前景十分可觀。在當前國內(nèi)石油資源緊張的情況下，尋找石油的替代品或補充能源是非常迫切的任務，油砂瀝青作為一種重質(zhì)原油資源，對其進行深入地研究、合理地開發(fā)和利用，對我國能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義[4～6]。

油砂中的瀝青油化學組成極復雜，以稠環(huán)芳烴及大分子烴類為主，黏度高，相對分子質(zhì)量大，并且膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量高。油砂瀝青的流動性及互溶性較差，極易沉積、吸附在所接觸的界面上，因此，要想從油砂中分離出瀝青油是很難的，不同結(jié)構(gòu)的油砂應采用不同的分離方法。目前油砂處理技術主要有3種：熱水洗分離法、溶劑萃取法、熱解干餾法[7]。雖然我國在油砂資源利用方面的研究起步較晚，但最近幾年國內(nèi)多家單位對內(nèi)蒙、新疆油砂的開發(fā)利用進行了深入的研究，在油砂分離方面取得了一定成果。

1 水劑處理技術

水劑處理技術的原理是在熱水與表面活性劑的作用下，改變砂子表面的潤濕性，從而使砂子表面更加親水，這樣可與吸附在上面的瀝青油分離，分離后的瀝青油上浮進入洗液中，而砂子則沉降在下部。

1.1 熱堿水洗法

熱堿水洗法是在洗液中加入一定量的NaOH或者Na2CO3以及少量的表面活性劑，加入堿是為了中和油砂油中的酸性物質(zhì)形成的表面活性物質(zhì)，降低油砂油/水界面張力，增大油/砂δ電位，以利于油砂油和砂粒的分離，獲得最大的油砂瀝青收率。周建偉[8]采用熱堿水法對內(nèi)蒙油砂進行了瀝青抽提及分離實驗，在堿濃度0.25%、反應溫度在95℃、攪拌速度80 r/min、固液比為1.5和反應時間15min條件下，瀝青收率可達92%。嚴格[9]也在實驗室用熱NaOH堿水對內(nèi)蒙古油砂的分離工藝進行了考察，在最佳的分離工藝條件下，即堿水、油砂質(zhì)量比2∶1，水洗分離溫度95℃，攪拌轉(zhuǎn)速80r/min，抽提時間30 min，油砂油回收率可達95.5%以上。

1.2 水劑空氣法

在水劑處理油砂的過程中加入空氣，在適宜的溫度下，瀝青能很好地與氣泡接觸，在氣泡上形成油膜，瀝青包裹在氣泡的表面隨著氣泡上浮到漿化液的表面，從而實現(xiàn)瀝青油與砂粒的分離。筆者所在的課題組采用該方法[10～13]對內(nèi)蒙古油砂進行了研究，實驗過程中考察了水洗劑種類、水洗劑質(zhì)量分數(shù)、劑砂比、溫度、水洗時間、氣浮空氣量和氣浮時間等因素對出油率的影響。采用YS-C型水洗劑時，在劑砂比2.5、水洗溫度85℃、水洗時間30min、攪拌速率在120r/min、氣浮空氣量0.3m3/h、氣浮時間12min的條件下處理油砂，出油率為93.1%。水洗劑循環(huán)使用6次后，出油率仍保持在87.20%。

1.3 YSFL系列清洗劑法

由遼寧石油化工大學課題組開發(fā)的YSFL系列清洗劑是由多種滲透性極強的表面活性劑、助劑等按適當比例與水復配而成的[14]。在這些多成分的復配清洗劑中，不僅各單一成分對油砂的分離起作用，而且各種成分之間也都有著協(xié)同作用。如表面活性劑與堿復配具有高的界面活性，同時堿可與砂中鈣鎂離子反應而保護表面活性劑，而其它助劑可以減少表面活性劑和堿的損耗等。

董知軍等采用該方法對內(nèi)蒙古扎賚特油砂進行了分離[15]，主要采用的設備是積熱攪拌釜和離心分離器，比較了不同YSFL清洗劑對油砂的分離效果，結(jié)果表明YSFL-1油砂清洗劑可以較好地將油砂礦中的油與砂分離，反應溫度為80～85℃、加熱時間為15～20 min、清洗劑質(zhì)量分數(shù)為7%～10%、劑砂質(zhì)量比為1.0。清洗劑過量或濃度的過高都不利于油砂的分離。

新疆克拉瑪依油砂屬于弱油潤型油砂，用一般分離水潤型油砂的熱堿水洗工藝效果不理想，針對該情況，許修強等開發(fā)了無堿YSFL-3清洗劑[6]。在適宜的條件下，即水洗分離劑質(zhì)量分數(shù)為5%、加熱溫度為90℃、加熱時間為20 min、劑砂質(zhì)量比為2∶1，油砂出油率可達94%以上，而且分離后的水性試劑可循環(huán)利用，對環(huán)境無污染。目前該分離劑的配方已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利。

1.4 微乳劑法

針對油砂開采能耗大、成本高的問題，徐東梅提出用微乳液洗油的方法[17]。對十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、OP-10微乳體系的形成進行了研究，并將SDBS微乳液用于遼河油田地表油砂的洗油，結(jié)果表明在SDBS質(zhì)量分數(shù)3.76%、正丁醇質(zhì)量分數(shù)2.40%、氯化鈉質(zhì)量分數(shù)1.92%、油/水體積比為1時形成的中相微乳液，洗油效率最好，可達88.9%。該微乳體系中醇類助劑可在油～水界面與表面活性劑形成混合吸附膜，使界面張力降低，界面柔性增加，促進微乳液自發(fā)形成。并且醇的加入還可降低表面活性劑的用量，從而降低制備微乳液的成本。體系中的鹽對微乳液相態(tài)的影響最大，增加鹽量會壓縮微乳液液滴的雙電層，降低液滴間的斥力，有利于液滴間的接觸聚集，加大各相間的密度差，使微乳液富集相從下相微乳液中分離出來。

1.5 超聲波輔助處理技術

由于超聲波對油品的熱反應提供了特殊物理化學環(huán)境，所以超聲波在石油領域的應用越來越引起人們的重視。采用超聲波處理油砂,超聲波的空化作用能夠顯著提高油砂的脫油率，因為超聲空化作用在整個洗油過程中能產(chǎn)生四種附加效應，即界面效應、微擾效應、聚能效應和湍流效應。其中，界面效應是由聲流以及油砂和界面處的微射流產(chǎn)生的機械效應，加速了砂表面油污的剝離；聚能效應和微擾效應減弱了砂對油污表面的粘附應力；湍流效應可使整個清洗系統(tǒng)中產(chǎn)生很多旋渦，加快被剝離下來油層的乳化過程[18～19]。

孫微微等以自制的堿液油砂清洗劑，在超聲波空化作用下對內(nèi)蒙古扎賚特旗油砂進行分離研究。在劑和砂質(zhì)量比為0.8，體系溫度為60℃，清洗時間13 min的條件下，其出油率可達到94%[20]。許修強等也在超聲條件下采用自制的無堿復合型試劑，對克拉瑪依油砂分離進行了研究[21]，在超聲頻率40kHz，功率50W，作用時間20 min，溫度50℃的條件下，油砂出油率達94%以上。

顯然超聲波輔助處理技術的突出優(yōu)點是可以在中溫（50～60℃）下進行分離，比單純水洗分離的溫度降低30～40℃，節(jié)能降耗比較明顯，而且清洗速度快，可大大縮短油砂清洗周期，提高清洗效率，但如何將大型的超聲裝置應用于工業(yè)生產(chǎn)，尚需進行深入研究。

采用水洗處理技術應加強對油砂水洗分離配方的研究，達到高效和低成本水洗的目的；同時加強對油砂油的分離和處理研究，達到外運或煉制的要求。目前水洗處理工藝已在內(nèi)蒙圖牧吉油砂礦和新疆克拉瑪依油砂礦場進行了現(xiàn)場工業(yè)實驗，操作參數(shù)接近室內(nèi)分離參數(shù)，工藝放大效果良好，具有較大的工業(yè)推廣價值。

2 溶劑萃取法

溶劑萃取法主要是根據(jù)物質(zhì)的相似相溶原理來實現(xiàn)油砂瀝青回收的目的，利用有機溶劑與油砂相接觸，將砂中的瀝青油萃取出來，萃取劑可以循環(huán)使用。常用的萃取劑有甲苯、氯仿、吡啶、輕烴等。溶劑抽提法對油砂的質(zhì)量要求不高，可以是含油量高的濕油砂，也可以是含油量小或者是干油砂。許修強等用溶劑抽提法對蒙古露頭油砂進行研究，研究結(jié)果表明120號溶劑油為該油砂的最佳萃取劑，在抽提溫度75℃、劑砂質(zhì)量比為3和抽提時間40min的條件下，油砂油的提取率達95%以上[22]。

溶劑萃取法相對于水洗法而言，其適用性更廣，而且洗油的效率更高，但是對環(huán)境污染嚴重，因此開發(fā)綠色環(huán)保有機溶劑會對此方法的應用起到一定的作用。

3 熱解干餾法

干餾法類似于油頁巖的加工方法,它不僅可以從粗焦油砂中蒸餾出石油產(chǎn)品，還能起到脫碳及改善油的碳氫比的作用,提高油品質(zhì)量。適合水分含量少、含油率在6%以上的油砂。目前，油砂熱解在中國尚處于研究階段。羅滿銀等對油砂熱解特性及其在熱法取油系統(tǒng)中應用進行了探討[23]，分析得出140～510℃是油砂熱解的主要階段，并設計了安全、可靠、連續(xù)、高效的油砂熱法取油系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合我國油砂的特性。內(nèi)蒙古扎賚特旗油砂由于埋藏地點、深度的不同，含油量在4%～13%。孫楠等以2號油砂（含油量較高）和6號油砂（含油量較低）為原料，將20g油砂置于反應管內(nèi)進行熱解，采用N2作為載氣。研究結(jié)果表明溫度對油砂熱解油收率的影響較大，油收率先隨溫度的升高而升高，當達到一定溫度后又隨溫度的升高而降低。壓力對油砂熱解油的收率也有影響，惰性氣氛下油砂常壓熱解比加壓熱解所得的油收率高。常壓下2號油砂的熱解溫度為540℃，最高油收率為12.55%。6號油砂的熱解溫度為560℃，油收率最高為7.18%[24]。

熱解干餾所需溫度較高，操作條件會因油砂樣的性質(zhì)不同而不同，但干餾終溫一般在500～550℃，能耗較大，但裂解后輕質(zhì)油砂油的質(zhì)量較好。目前，只有中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院對油砂熱解干餾工藝進行了現(xiàn)場實驗，效果良好，并已經(jīng)完成200t/d的油砂第二代高效立式干餾爐及水平旋轉(zhuǎn)干餾爐的設計，獲得國家專利。

4 我國油砂資源利用開發(fā)的前景

隨著國際石油價格的上漲，油砂開采成本的不斷降低，由最初的高于35美元/bbl降到10美元/bbl以下，給油砂的開發(fā)利用帶來了難得的機遇[25]。根據(jù)我國油砂資源狀況、油砂勘探開發(fā)技術發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢、國民經(jīng)濟的高速發(fā)展對能源的需要，據(jù)國土資源部有關專家預測，到2015年，產(chǎn)能可達到50×104t油，到2020年，產(chǎn)能可達到每年100×104t油；到2030年，將達到年產(chǎn)500×104t油。隨著技術的進步，開采成本會逐步降低，產(chǎn)能也會穩(wěn)步上升。

油砂礦的開發(fā)利用，是對我國液體燃料能源的重要補充。我國的內(nèi)蒙古圖牧吉油砂屬于水潤型油砂，適用熱化學水洗的方法開采。采用現(xiàn)代化的挖掘設備，可大幅度提高生產(chǎn)效率。對生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化，實現(xiàn)從油砂分離到油砂油深加工，直接生產(chǎn)出高附加值的柴油，還可降低生產(chǎn)成本。而對油潤型油砂如新疆地面油砂等可采用干餾或有機溶劑萃取分離的方法。通過生產(chǎn)技術的自動化和程控化，提高熱效率，生產(chǎn)成本也會大幅度降低。隨著油砂資源基礎理論水平的不斷提高和配套工藝技術的不斷創(chuàng)新，油砂資源必將提升我國能源保障能力，在我國能源體系中發(fā)揮舉足輕重的作用。

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The Technological Progress in Utilization of Chinese Oil Sands

ZHANG Shi-yuan,LI Wen-shen and LIU Jie
（College of Petrochemical Technology,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China）

The oil sands are rich in China and the amount of exploitable resources can reach 2.258 billion tons,which is ranking No.5 in the world.The oil content of Chinese oil sands is moderate and the oil quality is better.For the Inner Mongolia and Xinjiang oil sand,the research progress and separation mechanisms of hot alkaline wash,air-based agent,YSFL cleaning agents,microemulsion,ultrasonic processing,solvent extraction and pyrolysis carbonization are introduced in the paper.The development and utilization of Chinese oil sands have good prospect and the oil sand resources will enhance our energy guarantee in the current tense situation of domestic oil resources.

Chinese oil sand;utilization;development Status

TE 343

A

1001-0017（2012）04-0060-04

2011-12-14

張士元（1985-），男，山東聊城人，在讀碩士，主要從事重油加工和油品精制方面的研究。