內(nèi)蒙古油砂油脫泥、脫砂工藝研究

趙 蕊， 曹祖賓＊， 韓冬云， 李丹東， 劉 音， 張 敏， 孟憲革

（1.遼寧石油化工大學(xué)石油化工學(xué)院，遼寧撫順113001；2.中國(guó)石油青海油田格爾木煉油廠，青海格爾木816000；3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司撫順石化公司，遼寧撫順113001）

隨著近幾年世界經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，常規(guī)石油資源已經(jīng)不能滿足世界對(duì)石油的巨大需求，因此人們紛紛把目光轉(zhuǎn)向了各種非常規(guī)石油，其中之一就是油砂［1］。油砂又稱“焦油砂”、“瀝青砂”、“重油砂”，顧名思義這是一種含有焦油或?yàn)r青的砂巖或砂，屬于非常規(guī)石油資源［2］。油砂主要由礦物質(zhì)、瀝青、黏土、砂和水組成，典型的油砂含有約80%～85%的有 機(jī)質(zhì)、3%～20%的瀝青、3%～6%的水［3－4］。世界上油砂資源分布廣范，且儲(chǔ)量豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)約占常規(guī)石油儲(chǔ)量的30%。世界油砂資源量相當(dāng)于重油當(dāng)量的300～600 Gt，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了世界已經(jīng)探明的天然石油儲(chǔ)量［5－6］。油砂資源在世界上70多個(gè)國(guó)家均有分布，其中以加拿大、俄羅斯、委內(nèi)瑞拉等國(guó)家分布最廣。另外，在美國(guó)、東歐、中國(guó)、非洲等地區(qū)也有較多分布。我國(guó)油砂的地質(zhì)資源量為59.7億t，可開采資源量為22.58億t，居世界第5位［7］。

目前油砂的分離技術(shù)主要有3種：熱解干餾法、溶劑萃取法和熱水洗法，本論文采用的是“溶劑萃?。捶蛛x”相結(jié)合的方法［8］。扎賚特旗油砂經(jīng)水洗分離后，得到的油砂油中含有大量的無(wú)機(jī)質(zhì)，而有機(jī)溶劑萃取法可以降低油砂油中灰分的含量，有利于后續(xù)加工［9］。為了加快油砂油的脫泥、脫砂速度，降低工業(yè)應(yīng)用成本，針對(duì)油砂油的性質(zhì)，對(duì)影響油砂油脫泥、脫砂速度的因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析［10］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)采用的油砂采自內(nèi)蒙古扎賚特旗，經(jīng)水洗分離處理后得到含有部分泥砂的油砂油。以該油砂油作為本實(shí)驗(yàn)原料，對(duì)其基本組成進(jìn)行了具體分析，結(jié)果如表1所示。

表1 原料基本組成Table 1 Basic components of raw material %

為了將泥、砂和水從油砂油中分離出來(lái)，實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)脫泥、脫砂后油砂油的物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)對(duì)物理性質(zhì)的分析可以選取最優(yōu)的反應(yīng)條件。獲得脫泥、脫砂后油砂油的步驟：首先將原料油砂油以質(zhì)量比1∶2充分浸泡在甲苯中，不斷攪拌，直至油砂油完全溶解于甲苯中。由于黏稠的油砂油被甲苯稀釋，包裹在油砂油中的泥、砂因?yàn)橹亓ψ饔米詣?dòng)沉淀到容器底部。用濾布將沉淀下來(lái)的泥、砂從油砂油與甲苯混合液中過(guò)濾出來(lái)，然后將混合液加熱，直到甲苯全部蒸餾出來(lái)，燒瓶中剩余的油砂油即為脫泥、脫砂、脫水后的油砂油。該油砂油常溫下為黑色焦糖狀固體，具有高黏度、高殘?zhí)恐档戎赜吞攸c(diǎn)，其性質(zhì)如表2所示。

表2 油砂油物理性質(zhì)Table 2 Physical property of oil sand oil

續(xù)表2

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

油砂油的脫泥、脫砂工藝研究采用相似相容原理［11］。將原料與有機(jī)溶劑充分接觸，利用有機(jī)溶劑萃取作用將油砂油溶解在有機(jī)溶劑中。油砂油被稀釋后，由于重力作用，泥砂會(huì)從油砂油中脫離出來(lái)。再利用水洗試劑與油砂油表面酸性物質(zhì)（環(huán)烷酸）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成表面活性物質(zhì)，降低油水界面間表面張力，最終在機(jī)械攪拌作用下油砂油從砂粒表面脫離［12－13］。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

油砂油脫泥、脫砂實(shí)驗(yàn)具體分為兩個(gè)步驟：

（1）首先向原料中加入同質(zhì)量的有機(jī)溶劑。加熱攪拌，使有機(jī)溶劑與油砂油充分接觸、混合，此時(shí)可以看到有大量泥砂由于重力作用沉積在容器底部，將上層澄清的混合油倒出作為產(chǎn)品油。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 有機(jī)溶劑萃取實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Organic solvent extraction method flow chart

（2）向燒杯中剩下的含油泥砂中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的水洗試劑。繼續(xù)加熱攪拌后，在水洗試劑的作用下，殘留的混合油可以從泥砂表面被萃取出來(lái)，經(jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)的沉降后容器中形成明顯分層，上層混合油為產(chǎn)品油，中層為水洗試劑，容器底部為從油砂油中脫出的泥和砂。在該過(guò)程中由于水洗試劑只起到萃取作用，其成分并不發(fā)生變化，所以可以循環(huán)使用。

經(jīng)過(guò)一次水洗后測(cè)量尾砂的含油率，如果達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)則可以進(jìn)行回填，如果未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)則循環(huán)到水洗步驟進(jìn)行二次水洗。該過(guò)程中由于分離出來(lái)的產(chǎn)品油和達(dá)標(biāo)的泥砂都要帶走一定量的水洗試劑，所以在水洗步驟中要對(duì)水洗試劑進(jìn)行一定量的補(bǔ)給。實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

1.4 尾砂含油率的測(cè)定

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)采用被國(guó)內(nèi)外普遍使用的索氏萃取法測(cè)量油砂油中粗瀝青的含量，根據(jù)加拿大阿爾伯塔省油砂管理局（AOSTRA）推薦的標(biāo)準(zhǔn)方法（Dean－Soilk）采用甲苯萃取法測(cè)定。通過(guò)測(cè)量含水量，再將處理后的尾砂烘干稱重，可以測(cè)得尾砂中的含油率。

2.1 有機(jī)溶劑的確定

式中：m1－油砂油的質(zhì)量，g；m2－萃取后泥砂的質(zhì)量，g；ρ－水的密度，g／mL；V－水肼內(nèi)水的體積，mL。

為了選擇更為有效的有機(jī)溶劑，利用相似相溶原理使得有機(jī)溶劑能夠最大限度的溶解到黏稠的油砂油中并將其稀釋。本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)1號(hào)溶劑油以及其減壓蒸餾后所得的2號(hào)溶劑油、4號(hào)溶劑油、8號(hào)溶劑油和石油醚（90～120 ℃）、苯、甲苯作為萃取溶劑進(jìn)行篩選，結(jié)果如表3所示。

圖2 油砂油水洗分離流程Fig.2 Water extraction flow chart of oil sand oil

由表3可知，苯、甲苯對(duì)原料的萃取效果最好，1號(hào)溶劑油次之。但由于苯、甲苯沸點(diǎn)低、易揮發(fā)、毒性大等特點(diǎn)，故不予以考慮。而根據(jù)工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，要求有機(jī)溶劑油毒性小，價(jià)格低廉且取材廣泛，所以本實(shí)驗(yàn)通過(guò)綜合考慮選用萃取效果次之的1號(hào)溶劑油作為萃取溶劑油。

表3 不同溶劑對(duì)油砂油脫泥、脫砂效果的影響Table 3 The influence of different solvent to oil sand oil extraction rate %

2.2 劑油質(zhì)量比對(duì)萃取率的影響

對(duì)于間歇性萃取實(shí)驗(yàn)而言，有機(jī)溶劑所占的比例決定了有機(jī)溶劑對(duì)油砂油的稀釋效果，如果溶劑量過(guò)小會(huì)導(dǎo)致油砂油未得到充分的稀釋，不能達(dá)到油、砂充分分離的效果。稀釋效果是隨著溶劑量的不斷增大而增大的。但當(dāng)溶劑量增大到一定數(shù)值時(shí)，分離效果不再明顯變化，如果繼續(xù)增大溶劑油的加入量，會(huì)增大后續(xù)工作的處理量以及操作成本。本實(shí)驗(yàn)考查了在水洗溫度90 ℃，分離時(shí)間25 min下，水洗試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的條件下，采用1號(hào)溶劑油，考察不同劑砂質(zhì)量比對(duì)油砂油萃取效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同劑油質(zhì)量比對(duì)油砂油萃取率的影響Fig.3 Effect of the ratio of the organic solvent and oil sand oil on oil yield

由圖3可知，有機(jī)溶劑與油砂油質(zhì)量比小于1∶1時(shí)，由于溶劑油量過(guò)少，與油砂油接觸不完全，油砂油不能得到充分稀釋，萃取率較低。隨著有機(jī)溶劑與油砂油質(zhì)量比的不斷增大，萃取率也不斷增大。當(dāng)劑油質(zhì)量比達(dá)到1∶1時(shí)，萃取率達(dá)到93.4%，當(dāng)劑油質(zhì)量比繼續(xù)增大，兩個(gè)指標(biāo)基本不再變化，故確定本實(shí)驗(yàn)劑油質(zhì)量比為1∶1。

2.3 水洗溫度對(duì)油砂油萃取率的影響

水洗溫度的確定對(duì)本實(shí)驗(yàn)具有一定意義，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致對(duì)能源的浪費(fèi)，溫度過(guò)低則使分離不完全。為找出最優(yōu)水洗溫度，保持其他反應(yīng)條件相同，考察不同水洗溫度對(duì)油砂油萃取效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 水洗溫度對(duì)油砂油萃取率的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on oil yield

由圖4可知，在60～80 ℃水洗溫度對(duì)油、砂分離效果有很大的影響，主要是因?yàn)橛蜕坝蛯儆谥刭|(zhì)油，其中膠質(zhì)瀝青質(zhì)成分含量較高、輕組分含量較少。隨著溫度的不斷升高，重油組分黏度降低，表面張力明顯減小，故油、砂分離效果逐漸增強(qiáng)。當(dāng)溫度達(dá)到90 ℃時(shí)萃取率達(dá)到93.3%，溫度繼續(xù)增加而萃取率變化不大，考慮到工業(yè)生產(chǎn)中能耗的因素，故選擇90 ℃為油砂油水洗分離的最佳溫度。

2.4 分離時(shí)間對(duì)油砂油萃取率的影響

水洗過(guò)程中不同分離時(shí)間對(duì)油砂油的萃取效果有顯著區(qū)別。為找到最優(yōu)分離時(shí)間，在水洗溫度90℃，分離時(shí)間25min，水洗試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的條件下，采用1號(hào)溶劑油，考察不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)油砂油萃取效果的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 分離時(shí)間對(duì)油砂油萃取率的影響Fig.5 Effect of reaction time on oil yield

由圖5可知，由于有機(jī)溶劑對(duì)油砂油的稀釋是需要時(shí)間的，反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短決定了油、砂是否分離完全。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)分離時(shí)間達(dá)到25 min時(shí)萃取率可達(dá)92%，故工業(yè)生產(chǎn)選擇25min為最佳分離時(shí)間。

2.5 水洗試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)油砂油萃取率的影響

為了得到更好的分離效果，在采用1號(hào)溶劑油，有機(jī)溶劑與油砂油質(zhì)量比為1∶1，水洗溫度90 ℃，分離時(shí)間25min條件下，改變分離水洗試劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，考察不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水洗試劑對(duì)油砂油萃取效果的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 水洗試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)油砂油萃取率的影響Fig.6 Effect of reagent concentration on oil yield

由圖6可知，水洗試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于8%時(shí)，萃取率快速增長(zhǎng)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到8%時(shí)萃取率達(dá)到92.9%左右，繼續(xù)增大水洗試劑含量，萃取率增長(zhǎng)緩慢。因此，最佳水洗試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。

3 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)所采用的油砂油為扎賚特旗油砂經(jīng)一次水洗分離處理后得到的含有部分泥、砂的油砂油，其含油率為64.28%、含水率為15.83%、含泥砂率為19.89%。

（2）利用有機(jī)溶劑進(jìn)行萃取實(shí)驗(yàn)研究，篩選出適宜的萃取溶劑：1 號(hào)溶劑油，萃取率可達(dá)到96.38%。1號(hào)溶劑油價(jià)格低、無(wú)毒、且性質(zhì)較穩(wěn)定，在溶劑回收過(guò)程中，無(wú)需完全回收，能起到對(duì)油砂油的調(diào)和作用，不會(huì)引入雜質(zhì)。

（3）該工藝的最優(yōu)反應(yīng)條件為：以1號(hào)溶劑油為萃取溶劑，有機(jī)溶劑與油砂油質(zhì)量比為1∶1，水洗溫度90 ℃，水洗試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%，水洗分離時(shí)間25min。該工藝條件為油、砂分離的進(jìn)一步研究提供一定的依據(jù)。

［1］ 歐文.我國(guó)油砂勘探前景喜人［J］.石油經(jīng)濟(jì)參考，2005（5）：23－25.

［2］ 陳艷玲，范疇，郭蜂，等.青海瀝青砂油的提取試驗(yàn)研究［J］.江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，24（2）：95－97.

［3］ 賈成造.油砂資源狀況與儲(chǔ)量評(píng)估方法［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007：1－25.

［4］ 單玄龍，車長(zhǎng)波，李劍，等.國(guó)內(nèi)外油砂資源研究現(xiàn)狀［J］.世界地質(zhì)，2007，26（4）：459－463.

［5］ 崔苗苗，李文深，封瑞江.內(nèi)蒙古油砂分離的研究［J］.化學(xué)工業(yè)與工程，2008，25（6）：530－534.

［6］ 許修強(qiáng)，曹祖賓.新疆油砂水洗分離技術(shù)研究［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2008，29（1）：24－27.

［7］ 全國(guó)煤炭標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB／T 480－2000 煤的鋁甑低溫干餾試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

［8］ 趙海剛，曹祖賓，李丹東，等.內(nèi)蒙古扎賚特旗油砂油的脫水實(shí)驗(yàn)［J］.遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（1）：29－32.

［9］ 許修強(qiáng)，鄭德溫，曹祖賓，等.新疆油砂水洗分離技術(shù)研究［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，9（1）：24－27.

［10］ 孫薇薇，侯美麗，趙德智，等.超聲波對(duì)油砂的分離作用［J］.石化技術(shù)與應(yīng)用，2008，26（3）：247－249.

［11］ 張小波.遼河油區(qū)稠油采油工藝技術(shù)發(fā)展方向［J］.特種油氣藏，2005，12（5）：9－11.

［12］ 瓦爾特－呂爾.焦油（超重油）砂和油頁(yè)巖［M］.北京：地質(zhì)出版社，1986.

［13］ 王益民，曹祖賓，石俊峰，等.哈薩克斯坦油砂干餾實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油與天然氣化工，2010，39（2）：134－136.